Я решил проблему. Раздел большего изображения начинается в секторе 63, поэтому правильная команда монтирования
mount -o loop,offset=32256 binary.img /mnt
Параметр смещения должен быть bytes_per_sector * start_sector, который в этом случае равен 512 * 63 = 32256.