대기환경기사 이론산소량 및 이론공기량 — 성분별 산소 요구량과 혼합가스

원소 성분에서 출발할 때는 원소마다 필요한 산소의 양을 더하고 연료 안에 든 산소만큼을 뺀다. 탄소 1kg에는 산소 2.67kg, 수소 1kg에는 8kg, 황 1kg에는 1kg이 필요하다. 부피로 셀 때는 탄소 1kg당 1.866Sm³, 수소 1kg당 5.55Sm³, 황 1kg당 0.7Sm³를 쓴다. 연료 성분에 산소가 들어 있으면 그만큼은 밖에서 대주지 않아도 되므로 빼준다. 다만 그 차감을 어떻게 적었는지는 재료 안에서 갈린다. 연료에 든 산소를 그대로 빼는 계산과 8로 나누어 빼는 계산이 함께 실려 있으므로, 어느 쪽인지를 외우기보다 문항이 제시한 답과 맞는 계산을 확인하는 편이 안전하다. 석탄의 무게비가 탄소 70%, 수소 10%, 산소 15%, 황 5%인 문항에서 답으로 제시된 약 2.57kg은 탄소 1.87kg, 수소 0.8kg, 황 0.05kg을 더하고 산소 0.15kg을 그대로 뺀 값에 맞는다.

산소량을 공기량으로 바꿀 때는 기준을 확인한다. 질량으로 셀 때는 공기 중 산소가 23.2%이고 공기 밀도는 1.29kg/Sm³이며, 부피로 셀 때는 공기 중 산소가 21%이다. 중유의 성분이 탄소 82%, 수소 11%, 황 3%, 산소 1.5%이고 사용량이 100L/hr, 비중이 0.95라면 연료 95kg에 대해 산소 요구량을 구한 뒤 공기 중 산소 비율로 나누어 약 980Sm³가 나온다. 이 계산은 재료에서 두 갈래로 풀리는데, 부피 기준 계수로 산소 부피를 구해 21%로 나누는 길과 질량 기준 계수로 산소 질량을 구해 23.2%와 밀도 1.29를 거치는 길이 같은 값에 이른다.

혼합가스는 성분별 값을 부피비로 가중평균한다. 프로판 1L에 필요한 이론공기량은 약 23.8L, 부탄 1L에는 약 31.0L이므로, 프로판 60%와 부탄 40%의 혼합가스 1L에는 23.8에 0.6을 곱한 값과 31.0에 0.4를 곱한 값을 더해 약 26.7L가 필요하고, 프로판 30%와 부탄 70%라면 약 28.8L가 필요하다. 성분별 산소 계수로 푸는 길도 있다. 메탄 1L에는 산소 2L, 프로판 1L에는 5L, 부탄 1L에는 6.5L가 필요하므로, 메탄 10%·프로판 30%·부탄 60%의 기체연료 0.67L라면 성분별 부피에 계수를 곱해 더한 뒤 21%로 나누어 약 17.9L가 된다. LNG처럼 메탄이 99%인 연료 3L는 산소 6L가 필요하고 이를 21%로 나누면 약 28.6L가 된다.

분자식과 몰수로 푸는 길도 같은 원리이다. 등유를 C10H20으로 보면 분자량은 140이고 2kg은 약 14.29몰이며, 반응식에서 1몰당 산소 15몰이 필요하므로 산소 약 214.35몰을 얻고, 이를 21%로 나눈 뒤 표준상태 기체 1몰의 부피 22.4L를 곱해 약 22.8Sm³가 된다. 부탄은 1kg당 이론공기량이 약 15.5kg이므로, 필요한 공기량 775kg을 15.5로 나누면 부탄 50kg이라는 답이 나온다.