개념 한 쪽
연소문제는 원소 보존과 화학양론을 기반으로 연료와 산소, 배출가스 간의 몰수 관계를 세워 푸는 유형이다. 배출가스 중 질소를 이용해 공급 공기량을 역산하거나, CO2 생성량으로 연료 중 탄소량을 추정하는 흐름이 핵심이다. 과잉공기율, 습량(wet basis) 관점, 전환율 적용 등 계산 순서를 명확히 하여 실수 없이 풀이할 수 있다.
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출제기준 단원 「연소반응」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 탄소 보존으로 연료 성분 비율 추정 | 1 | 배출 CO2로부터 혼합 연료의 메탄·에탄 비를 계산하는 방법을 묻는다 |
| 과잉산소·연소율을 반영한 배출성분 비율 | 1 | 과잉 산소와 부분 연소 시 CO2의 습량 기준 비율을 계산하는 절차를 묻는다 |
| 배출가스 N2로 공급 공기량·과잉공기율 역산 | 1 | 배출가스의 질소를 이용해 공급 산소량과 과잉공기율을 구하는 과정을 묻는다 |
연소계 문제는 먼저 원소별 보존법칙을 적용한다는 점을 기본 원리로 삼는다. 특히 탄소 원자의 전체량은 반응 전후에 변하지 않으므로 배출가스의 CO2 몰비는 연료 중 탄소 총량과 직접적으로 연결된다. 메탄과 에탄처럼 탄소 원자수를 달리하는 구성성분이 섞여 있을 때는 탄소 보존식을 세워 몰수를 구하는 방식이 유효하다.
공기와 관련된 계산에서는 질소 불변성 원리를 자주 이용한다. 연료에 질소가 거의 없다고 가정하면 배출가스의 N2는 모두 공급된 공기에서 온 것으로 보고 공급된 공기량을 역산할 수 있다. 공급된 공기의 산소량을 이론 산소량과 비교하여 과잉공기율을 산정하는 흐름이 대표적이다.
연소 결과의 조성 계산에서는 기준을 명확히 해야 한다. 습량(wet basis) 관점에서는 생성된 수증기를 최종 가스 총몰수에 포함하여 비율을 계산해야 하고, 건량(dry basis)과 혼동하면 오답을 초래한다. 또한 전환율이 주어지면 실제 생산량과 이론 필요량을 전환율로 보정하는 순서를 지켜야 한다.
질량·몰 변환과 기체 법칙 적용도 자주 사용된다. 용액이나 혼합물 문제에서는 부피와 밀도로 질량을 구하고, 분자량으로 몰수로 환산한 뒤 몰분율이나 생성물량을 계산하는 절차를 따르는 것이 안전하다. 표준 상태에서 1몰의 부피가 22.4L임을 이용해 기체 부피를 구하는 문제가 빈번하다.
대표 계산 1 — 탄소 보존으로 연료 조성 추정 문제 풀이 모형을 제시한다. 연소가스의 CO2가 25mol%라면 연료계의 탄소 원자 총량은 CO2 몰수와 같다고 보고, 메탄(x몰)과 에탄(y몰)의 탄소 보존식 x + 2y = 25를 세운다. 전체 연료 몰수는 x + y이므로 미지 x, y를 풀어 메탄의 몰분율을 약 33.3%로 산정하는 흐름을 보여준다.
대표 계산 2 — 과잉산소와 연소율이 주어진 경우의 습량 계산 절차를 보인다. CH4 1mol 기준 이론적 O2 필요량은 2mol이고 20% 과잉산소이면 공급 O2는 2.4mol이다. 연소율 50%이면 소비된 CH4는 0.5mol로 CO2 0.5mol, H2O 1.0mol이 생성되고 미반응 CH4 0.5mol과 잔류 O2 1.4mol이 남는다. 습량 기준에서 총몰수는 생성된 수증기 포함으로 약 3.4mol이 되고, CO2 비율은 0.5/3.4≈14.7%로 계산하는 순서를 제시한다.
에탄과 메탄으로 혼합된 연료가스가 산소와 질소 각각 50mol% 씩 포함된 공기로 연소 된다. 연소 후 연소가스 조성은 CO2 25mol%, N2 60mol%, O2 15mol% 이었다. 이때 연료가스 중 메탄의 mol% 는?
정답 ② · 문제는 연소 후 생성된 CO2의 몰비와 연료(메탄+에탄)의 조성으로부터 메탄의 몰비를 구하는 원소개수 보존 문제이다. CO2가 25 mol%라는 것은 연료 내 탄소 총량이 그만큼임을 의미하며 메탄은 탄소 1개, 에탄은 탄소 2개를 가지므로 탄소 원자수를 이용해 연료 몰비를 세운다.
탄소 원자 수 보존을 통해 메탄과 에탄의 몰 비율을 계산하면 메탄 몰분율은 33.3%가 된다.
메탄가스를 20vol% 과잉산소를 사용하여 연소시킨다. 초기 공급된 메탄가스의 50%가 연소될 때, 연소 후 이산화탄소의 습량 기준(wet basis) 함량(vol%)은?
정답 ① · 메탄(CH4)의 연소 반응식은 CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O 입니다. 산소가 20% 과잉 공급되므로 메탄 1몰당 필요한 이론 산소 2몰에 1.2를 곱해 실제 산소 공급량은 2.4몰이 됩니다.
연소 반응식과 과잉 공기율을 이용해 생성물과 미반응 가스의 몰수를 합산한 후, 목표 가스의 부피 비율을 계산한다.
탄소 70mol%, 수소 15mol% 및 기타 회분 등의 연소할 수 없는 물질로 구성된 석탄을 연소하여 얻은 연소가스의 조성이 CO2 15mol%, O2 4mol% 및 N2 81mol%일 때 과잉공기의 백분율은? (단, 공급되는 공기의 조성은 N2 79mol%, O2 21mol% 이다.)
정답 ④ · 석탄의 연소 가스 조성(CO2 15%, O2 4%, N2 81%)을 바탕으로 공기 과잉률을 구합니다. N2가 81mol이므로 이에 해당하는 공기 중 O2는 81 × (21/79) = 21.54mol이었으며, 이 중 연소에 사용된 O2는 공급량에서 잔류한 4mol을 뺀 17.54mol입니다.
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