기체연료

위키원
sms1208 (토론 | 기여)님의 2021년 11월 22일 (월) 16:08 판 (새 문서: '''기체연료'''(氣體燃料, gaseous fuel)는 기체 상태로 사용되는 연료로서 액체연료처럼 파이프에 의한 연속수송이 가능하고, 착화성(着...)
(차이) ← 이전 판 | 최신판 (차이) | 다음 판 → (차이)
이동: 둘러보기, 검색

기체연료(氣體燃料, gaseous fuel)는 기체 상태로 사용되는 연료로서 액체연료처럼 파이프에 의한 연속수송이 가능하고, 착화성(着火性)이 좋아 연소의 조절이 편리하며, 연소 뒤에 회분(灰分)이 남지 않아 청결해서 공업용이나 가정용으로 사용된다.

기체 상태로 사용되는 연료로 고체연료 · 액체연료에 대비(對比)한 말이다.

기체연료는 같은 열량(熱量)을 수송할 때 액체연료보다 굵은 파이프가 필요하며, 저장에도 대용량(大容量)의 탱크 설비가 필요하지만, 도시나 공장 등에 집단 공급할 때의 경제성과 연소기구(燃燒器具)의 간이성(簡易性)이 높아 도시가스의 발달을 가져오게 되었다.

널리 사용되는 기체연료는 천연가스 · 석탄가스 · 오일가스 · 유정가스((油井)) · 탄갱가스((炭坑)) · 제유소(製油所)가스 · LP가스 등 그 종류가 다양하다. 또 고온의 불꽃을 만들어 내는 특수 기체연료로는 아세틸렌이나 수소와 산소의 혼합가스가 사용된다.

개요

기체연료는 주로 가연성 가스로 이루어진 기체로서, 상온에서 기체인 연료를 말한다. 기체 연료의 주성분으로 이루어진 가연성 가스는 표와 같으며, 그 외에 불연성 성분으로서 탄산가스, 질소, 산소, 수증기 등을 포함하고 있다. 기체 연료를 함유하는 성분에 따라 대별하면 일산화탄소, 수소, 메탄 등을 주성분으로 하는 석탄 가스계와 프로판, 부탄 등의 포화 탄화수소 및 프로필렌, 부틸렌 등의 불포화 탄화수소를 주체로 하는 석유 가스계와 자연에 존재하는 메탄을 주성분으로 하는 천연가스, 도시 가스나 LPG와 같은 가공 가스로 나누는 경우도 있다. 기체 연료는 그 특성상 액체 연료에 비해 연소 방법이나 조절이 매우 용이하며, 회분(灰分)이나 유황분의 함유량이 거의 없기 때문에, 연소 가스가 청정하며 전열면이나 노벽의 오손이 극히 적고 NOx(질소 산화물)의 제어 연소법도 간단히 적용될 수 있는 무공해 연료라는 장점이 있다.

기체연료의 주성분
구분 구분 성상
비중(공기=1) 고발열량(㎉/N㎥)
성분(가스) 일산화탄소 CO 0.9663 3,036
수소 H₂ 0.0696 0.0696
메탄 CH₄ 0.5533 0.5533
에탄 C₂H₆ 1.0371 1.0371
에틸렌 C₂H₄ 0.9675 14,892
프로판 C3H₈ 1.5210 23,560
프로필렌 C3H₆ 1.4512 21,956
부탄 C₄H₁₀ 2.0047 30,620
부틸렌 C₄H₈ 1.9350 29,020

특징

연소적 측면

  • 연소가 균일하며 적은 공기비로 완전연소가 가능하다.
  • 연소효율이 높고 고온의 온도를 얻기 쉽고 부하변동범위가 넓고 연소조절이 가능하다.
  • 기체연료의 발열량은 탄소(carbon) 수가 많을수록 높아지지만, 연료의 증가에 따른 과잉공기의 증가로 연소성이 나빠질 수 있다.
  • 기체연료의 비중이 클수록 연소성이 나쁘다.

대기오염 측면

  • 회분이나 매연이 거의 발생되지 않으며 황함량이 낮다.

​=== 장치적 측면 ===

  • 저장 및 수송에 어려움이 있고 시설비가 많이 소요된다.
  • 누출되기 쉽고 폭발 위험성이 크다.
  • 기체연료의 폭발범위는 가스의 종류에 따라 다르며 상한값과 하한값이 중앙 조성비에서 연소속도가 최대로 된다.

기체연료의 장점

  • ① 적은 과잉공기(10~20%)로 완전연소 가능.
  • ② 연료의 예열이 쉽고, 저질연료로 고온을 얻을 수 있어 전열효율을 높일 수 있다.
  • ③ 회분(Ash)이나 황(S) 성분이 거의 없어 매연이나 SO2발생이 거의 없음.
  • ④ 부하 변동범위가 넓고, 연소 조절이 용이하며, 점화 및 소화가 간단하다.

기체연료의 단점

  • ① 저장 및 수송이 어렵고, 시설비가 많이 듬.
  • ② 공기와 혼합하여 점화할때 누설에 의한 역화ㆍ폭발 위험이 큼.
  • ③ 배관공사비 등의 설비비가 많이 들고 가격이 비쌈.[1]

기체 연료의 연소기전

반응물질의 혼합상태에 따라 부분예혼합연소, 예혼합연소, 확산연소로 나누며 연소장의 유동형태에 따라 층류연소와 난류연소로 나눈다.

  • 부분예혼합연소(partial premixed combustion) : 확산연소의 단점을 보완하기 위해 기체연료와 반응하는 공기를 일부 혼합 후 버너에 분출하고 나머지 공기는 노 내에 공급하여 확산연소 하는 방법이다.
  • 예혼합연소(premixed combustion) : 기체연료와 공기를 혼합하여 버너로 공급, 연소시키는 방법으로 연소반응이 빠르며 화염은 짧고 화염면이 형성되어 스스로 전파된다. 고부하연소가 가능하며 연소실이 작아도 된다. 반면에 역화 위험이 가장 커 점화버너에만 사용한다.
  • 확산연소(diffusion combustion) : 기체연료와 공기를 따로 공급하는 방법으로 화염면은 형성되나 전파되지 않고 화염이 길다.
  • 층류확산연소(laminar diffusion combustion) : 연료와 공기를 층류형태로 분출하여 확산연소 하는 방법으로 연소속도가 느리고 화염이 길며 연소 소음이 낮다.
  • 난류확산연소(turbulent diffusion combustion) : 연료와 공기를 난류형태로 분출하여 확산연소하며 층류확산연소에 비해 연소속도가 빨라 연소효율은 좋으나 연소 소음이 크다.[2]

종류

기체연료 생성조건 주성분 특성
LNG 천연가스를 1atm 하에서 -186℃ 정도로 냉각하여 액화 메탄(미량의 에탄, 프로판, 부탄) - 공기보다 가벼워 건물의 천장에 모이는 경향
LPG 10~20atm 에서 -49℃ 정도로 냉각하여 액화 프로판과 부탄 - 비중은 공기의 1.5~2.0배 정도로 누출 시 인화의 위험성이 큼.
- 천연가스에서 회수, 나프타(Naphtha) 열 분해, 석유정제 시 부산물 등으로부터 얻어짐.
- 자동차와 가정용으로 쓰임.
- 액체에서 기체로 될 때 증발열(90~100kcal/kg)이 있음
발생로가스 코크스, 석탄의 불완전연소 CO, N2(50%) + 약간의 H₂와 CO₂ - 발열량 1200kcal/Sm³으로 매우 낮음
석탄가스 석탄의 건류 CO, CO₂ - 도시가스용으로 사용하며 발열량은 약 4000~5000kcal/Sm³
고로가스 제철용 고로의 부산물 CO, N₂, 검댕 - 용광로가스라고도 하며 발열량이 1000kcal/Sm³으로 매우 낮음
코크스가스 석탄의 건류 CH₄, H2 - 발열량은 6300~6900kcal/kg
[2]

천연가스(Natural gas)

천연에서 나오는 탄화수소를 주성분으로 한 가연성 가스이다. 주성분에 따라 건성천연가스와 습성천연가스로 나눈다.

  • 건성천연가스 : 주성분이 메탄으로 일부 이산화탄소를 함유한다.
  • 습성천연가스 : 유전지대에서 산출되는 가스로 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 등을 포함하며 천연가솔린, 액화석유가스를 만들어 사용가능하다.

​천연가스는 폭발범위가 좁고 화염 전파속도가 느리므로 위험성이 적은 편이다.

액화천연가스(LNG : Liquefied Natural Gas)

천연가스를 1기압 하에서 약 -168℃까지 냉각하여 액화하여 만들며 액화비율은 580대1이다.

  • 메탄을 주성분으로 하나 에탄, 프로판, 부탄 등이 함유되어 있다.
  • 일반적으로 -183℃까지 냉각하면 무색의 고체가 된다.
  • 기존 화석연료에 비해 발화점이 낮은 청정연료이며 발열량은 약 9000~12000kcal/Nm³이다.
  • 공기보다 가벼워 폭발성은 낮다.

액화석유가스(LPG : Liquefied Petroleum Gas)

나프타분해과정 또는 석유를 정제 시 부산물로 얻어지는 가스이다.

  • 주성분은 프로판과 부탄이다.
  • 상온에서 10~20atm(6~7kgf/cm²)를 가하면 액화되는 경질탄화수소이다.
  • 발열량은 일반도시가스에 비해 7배 높은 청정연료이다.
  • 공기보다 무거워 누설되면 폭발의 위험성이 있다.
  • 그러나 착화온도는 440~480℃, 폭발범위는 2~10%이므로 도시가스에 비해서는 안전한 가스이며 일반적으로 프로판 가스라고 부른다.

천연액화가스(NGL : Natrural Gas Liquefied)

천연상태에서 산출되어 대기 중에 액체상태로 존재하는 가스로 주성분은 펜탄이다.

도시가스(Town gas)

석유계 원료 등 원료로 하여 제조한 정제혼합가스로 발열량은 도시가스의 종류별로 다르나 3600~7000kcal/Sm³이다. 도시가스는 주로 LNG이나 경우에 따라 코크스로가스, 발생로가스 등이 쓰이기도 한다.

코크스로, 고로, 발생로가스

  • 코크스로가스는 석탄을 건류하여 코크스 제조 시 발생되는 가스로 수소와 메탄을 주성분으로 한다.
  • 고로가스는 제철용 고로에서 발생되며 일산화탄소 및 질소가 주성분이다.
  • 발생로가스는 석탄과 코크스를 불완전연소 시켜 얻어지는 가스로 일산화탄소, 수소가 함유되어 있다.
  • 수성가스는 백열된 석탄 또는 코크스에 수증기를 주입하면 930℃ 이상에서 수소와 일산화탄소를 주성분으로 한 가스가 발생한다. 이외에 오일가스, 오프가스 등이 있다.

셰일 가스(Shale gas)

셰일 안에 갇혀 있는 가스로 메탄이 주성분이 천연가스의 일종으로 셰일이란 입자의 크기가 62㎛ 이하의 작은 실트와 점토가 고화되어 형성된 세립질 쇄설성 퇴적암이다. 셰일가스는 제2의 석유라고 부르며 탄화수소의 생성, 이동, 저장이 모두 근원암층인 셰일 층에서 이루어진다는 점에서 새로운 개념의 비전통 에너지 자원이다.

​:{|class=wikitable width=600 !align=center|탄화수소류 !align=center|분자식 !align=center|특성 |- |align=center|메탄 |align=center|CH₄ |align=center|- 알케인화합물, 파라핀계탄화수소, 메탄계탄화수소
- 도시가스, 천연가스, LNG의 주성분 |- |align=center|에탄 |align=center|C₂H₆ |align=center|- 표준상태 하에 무색무취의 탄화수소
- 석유분해나 습성천연가스에 함유 |- |align=center|프로판 |align=center|C₃H₈ |align=center|- 액화가능하며 약한 자극성냄새가 나는 무색액체
- 화학반응성은 낮으나 수소 이탈시 프로필렌으로 변하고 공기산화에 의해 폼알데하이드를 생성함. |- |align=center|부탄 |align=center|C₄H₁₀ |align=center|- 4개의 탄소원자를 가진 사슬모양의 탄화수소
- 노말뷰테인과 아이소뷰테인의 두 이성질체가 존재함. |- |align=center|아세틸렌 |align=center|C₂H₂ |align=center|- 탄소의 삼중결합을 가지며 카바이드로부터 제조함.
- 산소와 혼합물은 폭발하기 쉬움으로 취급에 주의 |- |align=center|에틸렌 |align=center|C₂H₄ |align=center|- 탄소의 이중결합을 가져 반응성이 매우 좋음
- 석유화학공업에 널리 이용 |- |align=center|프로필렌 |align=center|C₃H₆ |align=center|- 알켄계열의 불포화유기화합물
- 상온에서 냄새가 나는 무색기체로 중합, 산화반응에 관여 |- |align=center|부틸렌 |align=center|C₄H₈ |align=center|- 사슬모양의 불포화탄화수소
- 특유의 냄새가 무색기체로 원유에 적은 양을 함유하고 있음. |}[2]

각주

  1. 이스코필, 〈(대기환경기사) 고체/액체/기체연료의 종류와 특징〉, 《네이버블로그》, 2021-10-18
  2. 2.0 2.1 2.2 Oasis, 〈기체연료의 종류 및 특징〉, 《네이버 블로그》, 2021-09-01

참고자료

같이 보기