개념 한 쪽
연소온도는 연소 과정의 물리적 온도로서 오염물질 발생과 연관된다. NOx는 고온에서 공기 중 질소가 산소와 반응해 생기며, 이론 연소온도는 발열량과 예열량이 가스의 현열로 바뀐다는 가정으로 계산한다. 연료의 황분은 연소 후 SO2로 환산해 연소가스 중 농도를 구한다.
이 개념을 문제로 확인하고 싶으면 이 개념 문제 10개 풀기
출제기준 단원 「연소온도」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 연소공기량 계산 | 1 | 탄화수소 반응식으로 이론공기와 공기비 적용해 실제공기량 구하기 |
| 연소가스량 비교 | 1 | 기체연료 1m³ 연소 시 연소가스량을 화학식 원자수로 비교하기 |
| SO2 함량 계산 | 1 | 황분과 공기비로 SO2 부피 및 연소가스 중 함량을 계산하기 |
NOx(질소산화물)는 연소온도가 매우 높을 때 공기 중 N2가 산소와 결합하여 생성되는 물질로, 고온에서 형성되는 열적 NOx가 대표 기구다. 보통 연소실 온도가 약 1,300℃ 이상으로 상승하면 공기 중 질소가 산화되어 NOx가 만들어지므로 연소온도가 NOx 발생에 직접적으로 영향을 준다.
이론 연소온도(tr)는 이론 공기량으로 완전 연소할 때 연소가스가 이루는 최고 온도로 정의한다. 발열량과 예열량이 모두 연소가스의 현열로 전환된다고 보고 열수지식을 세우며, 식은 tr = (Hℓ + Q) / (G · Cpm)이다. 여기서 Hℓ는 진발열량, Q는 예열량, G는 습연소가스량, Cpm은 가스의 평균비열이며, 진발열량은 수증기를 포함한 습연소가스량 G와 짝을 이룬다는 점을 유의한다.
연소 제어 관점에서는 NOx 억제를 위해 연소온도와 산소농도를 낮추는 것이 핵심이다. 2단 연소법은 공기를 단계적으로 공급해 화염의 최고온도를 억제하는 방법이며, 배기가스 재순환(EGR)은 산소농도를 낮추어 NOx 생성을 줄이는 방법이다. 반대로 과잉공기나 고온 연소는 NOx를 증가시키므로 대책 선정 시 온도·산소 관리 원칙을 기억해야 한다.
연료 속 황(S)은 연소 시 SO2로 전환되며, SO2 부피는 황 질량에 몰량 환산계수를 곱해 구한다. 일반적으로 SO2 체적은 S 질량 × (22.4/32)로 환산하며, 총 연소가스량은 이론연소가스량에 과잉공기분을 더해 계산한다. SO2 함량(%)은 SO2 부피를 총 연소가스량으로 나눈 뒤 백분률로 환산한다.
착화온도(발화점)는 외부 점화 없이 가열만으로 연료가 스스로 연소를 시작하는 최저온도라는 정의를 분명히 구분한다. 착화온도는 연료 고유의 값이며 연소온도 개념과 혼동하지 않도록 한다.
예 1 — 프로판 1Nm³의 실제 소요공기량 계산(문항 480687 기반). 1) 화학반응식에서 필요한 산소량을 확인한다. C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O이므로 이론 산소량은 5Nm³이다. 2) 공기 중 산소분율 0.21로 환산해 이론공기량을 구한다. 이론공기량 = 5 ÷ 0.21 ≈ 23.8 Nm³이다. 3) 공기비 m = 1.1을 곱해 실제 소요공기량을 구한다. 실제 소요공기량 = 23.8 × 1.1 ≈ 26.2 Nm³이다.
예 2 — 황분과 공기비로 SO2 함량 계산(문항 480945 기반). 1) 황분 3.6%인 경우 1 kg 연료에 포함된 황 질량은 0.036 kg이다. 2) SO2 부피 환산은 S × 22.4/32 이므로 SO2 = 0.036 × 22.4/32 ≈ 0.0252 Nm³/kg이다. 3) 과잉공기분은 (m − 1) × 이론공기량으로 구하고 총연소가스량은 이론연소가스량에 과잉공기를 더한다. 예: 이론연소가스량 11.0 Nm³/kg, 이론공기량 10.5 Nm³/kg, m = 1.4이면 총가스량 = 11.0 + 0.4 × 10.5 = 15.2 Nm³/kg이다. 4) SO2 함량(%) = (0.0252 ÷ 15.2) × 100 ≈ 0.17%(습윤 기준)이나 문제의 정답은 건조가스 기준 환산값으로 0.27%라는 점을 문항 풀이에서 확인해야 한다.
프로판가스 1Nm3를 공기비 1.1의 공기로 완전연소시키려고 한다. 소요공기량은 몇 Nm3인가?
정답 ① · 프로판(C3H8)의 연소 반응식은 C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O 입니다. 공기 중 산소의 비율은 약 21%이므로, 이론 공기량은 산소 요구량을 0.21로 나누어 구합니다.
C3H8+5O2→3CO2+4H2O이므로 이론공기량 5/0.21=23.8Nm³, 실제 소요공기량=23.8×공기비1.1=26.2Nm³이다.
다음 기체연료를 1m³씩 완전연소시켰을 때 가장 연소가스가 많이 발생하는 것은?
정답 ④ · 기체 연료를 완전연소시킬 때 발생하는 연소 가스량은 연료 내의 탄소(C)와 수소(H)의 함유량에 비례합니다. 보기 중 일산화탄소(CO), 프로판(C3H8), 수소(H2), 부탄(C4H10)을 비교할 때, 탄소와 수소 원자 수의 합이 가장 많은 부탄(C4H10)이 연소 시 가장 많은 가스량을 발생시킵니다.
연소가스량은 탄소·수소 원자수에 비례하므로 C4H10 부탄이 가장 많이 발생한다.
벙커 C유의 황분이 3.6%이다. 공기비 1.4로 연소시켰을 때 연소가스 중의 SO2함량은? (단, 이론연소가스량 11.0Nm3/kg연료, 이론공기량은 10.5Nm3/kg연료, S의 원자량은 32)
정답 ③ · 벙커 C유의 연소 시 공기비 1.4일 때의 전체 연소가스량은 이론연소가스량(11.0)에 과잉 공기로 인해 들어가는 잉여 질소량을 합산하여 구합니다. 이때 잉여 공기량은 10.5×0.4=4.2 Nm3이고, 여기서 수분이 응축된 건조 가스 기준의 총량은 약 14.33 Nm3가 됩니다.
SO₂량=황분×22.4/32, 총가스량=이론연소가스량+(m−1)×이론공기량.
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