공기비

왜 배우는가: 공기비는 연소 설비의 연료 효율과 배출 오염물질을 동시에 좌우하는 기본 변수이다. 굴뚝 배출 관리와 원격감시에서 측정값을 해석하는 기준이 되며, 시험에서는 공기비와 산소농도, CO·NOx의 관계를 묻는 문제로 반복해 나온다.

출제 이력: 제129회 1교시 2번, 제98회 2교시 1번, 제92회 4교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

공기비는 연소에 실제로 공급한 공기량을 이론공기량으로 나눈 값이다. 공기비가 1이면 이론공기량만큼 공급한 이론연소이고, 1보다 크면 이론공기량에 과잉공기가 더해진 상태로 연소함을 뜻한다. 식으로 쓰면 다음과 같다.

$m = A / A_0$

여기서 m은 공기비(무차원), A는 연료 1단위당 실제공기량, A₀는 연료 1단위당 이론공기량이다. 같은 연료라도 공기비가 커질수록 과잉공기가 늘어나므로, 연소 상태와 배출가스 성분이 공기비에 따라 함께 바뀐다. 그래서 공기비는 연소 제어와 배출 관리를 잇는 기본 변수로 쓰인다.

핵심 키워드

• 공기비
• 이론공기량
• 실제공기량
• 과잉공기율
• 배출가스 중 산소농도
• 완전연소
• 불완전연소

2. 개념 풀이

공기비는 연료를 태울 때 공급한 공기가 이론적으로 필요한 공기의 몇 배인지를 나타내는 연소 제어 지표이다. 이론공기량은 연료의 가연성분이 완전연소하는 데 필요한 최소 공기량이며, 연료 조성으로부터 화학양론식을 세워 계산한다. 공기비가 3이라는 것은 이론공기량의 3배를 공급한다는 뜻이고, 이때 과잉공기율은 (m − 1) × 100%로 200%가 된다.

실제 연소에서 공기가 이론량만큼만 공급되면 연료와 공기가 완전히 섞이지 못해 일부 연료가 산소를 만나지 못한다. 그래서 공기비는 1보다 커야 하며, 혼합이 나쁠수록 필요한 공기비가 커진다. 이처럼 과잉공기는 혼합의 불균일을 메워 완전연소를 달성하는 수단이다. 연료별로 보면 기체연료는 혼합이 비교적 쉬워 공기비를 낮게 잡을 수 있고, 고체연료는 입자와 연료층의 불균일 때문에 더 큰 공기비가 필요하다.

공기 공급이 모자라 공기비가 1보다 작아지면 불완전연소가 일어나 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 그을음이 배출된다. 반대로 공기비가 지나치게 커지면 과잉 공기가 연소실에서 열을 빼앗아 연소온도가 떨어지고, 배출가스량이 늘어 배가스 열손실이 커진다. 따라서 적정 공기비는 연소효율과 오염물질 배출량이 균형을 이루는 지점에서 정해진다.

질소산화물(NOx)은 고온에서 공기 중 질소와 산소가 반응하여 생성되므로 공기비와 연소온도의 영향을 함께 받는다. 가솔린 기관의 자료에서도 NOx 농도는 이론공기비보다 다소 높은 영역에서 최대가 되고, 공기비가 더 높거나 낮아지면 감소하는 경향을 보인다. 이 때문에 공기비는 CO·HC와 NOx를 함께 고려하여 정하며, 한 물질을 줄이려 하면 다른 물질이 늘어나는 상충 관계가 생긴다.

배출가스 중 산소농도는 공기비가 커질수록 높아지므로 굴뚝에서 산소농도를 측정하면 공기비를 역산할 수 있다. 이 원리로 연속측정기기는 연소 공기가 적정 범위에 있는지 판단하며, 연소 제어에서는 공기비 1 이상이 운전의 기본 조건이다.

3. 등장 배경과 필요성

대형 보일러, 발전소 보일러, 산업용 가열로와 소각로는 연료를 연속으로 태우는 설비이므로 공기 공급량을 운전 중 계속 조절해야 한다. 이 설비에서 공기가 부족하면 미연소 가스와 그을음이 배출되고, 공기가 과다하면 배가스 열손실로 열효율이 떨어지고 연료 소비가 늘어난다. 두 조건 사이에서 적정 공기비를 유지하는 것이 연소 설계와 운전 관리의 출발점이다.

에너지 절감 측면에서도 공기비 관리는 연료비와 직결된다. 과잉공기를 줄이면 배가스로 빠져나가는 열이 감소하므로, 같은 출력을 더 적은 연료로 얻을 수 있다.

굴뚝 배출농도 관리 측면에서는 공기비의 필요성이 더 커졌다. 배출 규제는 배출가스 중 산소농도를 기준 산소농도로 보정한 농도로 판정하는 방식을 쓴다. 과잉공기가 많으면 배출가스가 희석되어 농도가 낮게 나타나므로, 공기비가 다른 두 설비를 같은 기준에서 비교하려면 산소농도 보정이 필요하다.