개념 한 쪽
연료가 공기와 섞여 점화되면 연소가 일어나고, 경우에 따라 폭발로 이어질 수 있다. 연소범위와 연소생성물, 그리고 가스별 검지법과 안전 기준을 정확히 이해해야 사고를 예방할 수 있다.
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출제기준 단원 「연소·폭발」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| LP가스 특성 판별 | 1 | LP가스의 밀도·연소속도·연소범위 중 옳지 않은 설명을 가리기 |
| 프로판 이론공기량 계산 | 1 | 프로판 질량으로부터 필요한 이론 공기량을 주어진 온도·압력에서 부피로 계산하기 |
| 연소폐가스 성분 식별 | 1 | 연소 후 배출되는 폐가스에 포함되는 물질을 가려내기 |
연소는 연료 성분이 산소와 결합하여 새로운 생성물을 만드는 화학반응이다. 연소 후 배출되는 가스는 연소의 결과물인 이산화탄소와 수증기, 공기 중 질소와 과잉 산소, 그리고 원래 가스에 섞여 있던 불연성 성분으로 구성된다. 따라서 연료 성분(예: 메탄, 수소)은 정상적 완전 연소 시 연소폐가스의 주요 성분이 되지 않는다.
연소범위(폭발범위)는 혼합기 전체 부피에서 연소성 가스가 차지하는 비율(%)로 정의된다. 예를 들어 휘발성 액체의 경우, 혼합 기체에서 연소가 일어나는 범위가 전체 부피의 약 5% 이상 40% 이하(부피 비율)라면 그 구간에서 점화 시 연소가 발생한다는 뜻이다. 연소범위의 상·하한을 벗어나면 점화해도 연소가 유지되지 않거나 불가능하다.
가스의 종류에 따라 물리화학적 성질이 다르다. LP가스류(프로판·부탄 등)는 분자량이 크고 무거워 공기 중에 잘 퍼지지 않으며 연소 속도가 비교적 느리고 발열량이 크다. LP가스의 연소범위는 약 1.7%∼11%로 수소(예: 4∼75%)나 아세틸렌(예: 2.5∼81%)에 비해 좁은 편이다. 이 점을 근거로 'LP가스는 연소범위가 넓다'는 설명은 오류에 해당한다.
연소량·기체량 계산 문제는 화학량론과 이상기체 상태방정식(PV=nRT)을 함께 적용하는 유형이 많다. 충전된 가스의 게이지압력을 절대압력으로 바꾼 뒤 PV=nRT로 몰수를 구하고, 연소반응식 비(예: 2H2+O2→2H2O)에 따라 생성물 질량을 계산해야 한다. 프로판의 완전 연소에 필요한 이론 공기량도 분자식과 산소 소비량을 기준으로 몰수 계산 후 온도·압력 조건에 맞춰 기체 부피를 산정한다.
현장 안전은 가스 농도뿐 아니라 산소 농도와 유해가스 허용농도를 동시에 고려해야 한다. 작업 가능 산소 농도는 약 18% 이상 23% 이하 범위가 기준으로 제시되며, 이 범위를 벗어나면 결핍 또는 과다로 위험이 발생한다. 또한 일부 혼합물은 수소 등 폭발범위 내 농도가 있으면 취급 자체가 위험하다.
검지법은 가스마다 고유한 반응 지시와 색깔이 있다. 예컨대 암모니아와 염산의 반응은 암모늄염 입자를 생성하여 흰색 연무를 만들고, 이산화탄소는 석회수와 반응하여 흰색 침전을 만든다. 리트머스시험지는 산·염기성 가스를 판별하는 용도이므로 중성 기체인 아세틸렌과의 연결은 적절하지 않다.
문제 유형의 함정은 다음과 같다. LP가스의 특성을 물을 때 '연소범위가 넓다'고 한 보기는 틀린 설명이다. 연소폐가스 성분을 고르는 문제에서는 연료 성분을 폐가스로 포함하면 오답이다. 기체 양을 계산할 때 게이지압력을 절대압력으로 환산하지 않거나 상태방정식을 적용하지 않으면 정답과 큰 차이가 발생한다. 검지법 관련 문제는 특정 기체와 착색지의 상응을 정확히 알고 있어야 한다.
다음은 LP가스의 연소시의 특성을 나타낸 것이다. 옳지 않은 것은?
정답 ③ · LP가스는 일반적으로 발열량이 크고 연소 시 다량의 공기(산소)를 필요로 합니다. 또한 수소나 일산화탄소에 비해 분자량이 크므로 연소 속도가 비교적 느린 편입니다.
LP가스의 폭발(연소) 범위는 수소나 아세틸렌에 비해 오히려 좁은 편이므로 넓다는 설명은 틀렸다.
프로판가스 2.2㎏을 완전 연소시키는데 필요한 이론 공기량을 25℃ 750㎜Hg 의 부피로 계산하면?
정답 ① · 프로판 2.2kg 완전연소에 필요한 이론공기량을 주어진 조건의 부피로 계산하는 문제이다. 프로판의 몰질량은 44g/mol이므로 2.2kg은 2200/44 = 50mol이고, 연소반응 C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O에서 산소 250mol이 필요하며 공기 중 산소 비율 21%를 적용하면 필요 공기는 250/0.21 ≈ 1190mol이다.
프로판 완전 연소 시 이론 공기량은 화학양론적 계수 계산 후, 이상기체 상태방정식을 이용해 25℃ 750mmHg 조건으로 부피를 보정해야 한다.
다음 도시가스의 연소폐가스 성분이 아닌 것은?
정답 ④ · 도시가스나 다른 가연성 가스가 완전 연소한 후 배출되는 폐가스의 주성분은 연소 생성물인 이산화탄소와 수증기입니다. 또한, 연소에 사용된 공기 중에 원래 있던 질소와 반응에 사용되고 남은 과잉 산소가 함께 배출되며, 연료 가스 내에 원래 포함되어 있던 비가연성 불활분도 포함되어 나옵니다.
메탄과 수소는 연료 성분으로 연소되어 소진되므로 연소폐가스에 포함되지 않습니다.
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