기체연료

기체연료 천연가스인 LNG 수송선

기체연료(氣體燃料, gaseous fuel)는 기체 상태로 사용되는 연료이다. 연료가스라고도 한다. 기체연료는 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.

기체연료는 기체 상태로 사용되는 연료로 고체연료 및 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
구분	구분	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.

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