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제목 [생활안전점검]연료가스의 종류
이름 서문환 날짜 2009-10-02 16:11:11
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연료가스의 종류
 
  연료가스의 성분  

열에너지원으로 사용하는 연료가스는 포화탄화수소(CH₄, C₃H8, C4H10, 등 CnH₂+₂의 화합물), 불포화탄화수소(C₂H₂, C3H6 등 CnH2n-₂의 화합물), CO, H₂등으로 구성되어 있습니다.

 

  연료가스의 종류  

연료가스는 제철소의 고열로(高熱爐)에서 발생되는 고로가스, 석탄을 건류(乾溜)하여 얻는 코크스가스,
원유를 정제할 때 나오는 유(油)가스, 메탄이 주성분인 천연가스(LNG),액화석유가스(LPG),납사분해가스 등이 있다. 우리나라에서는 주로 LPG와 LNG를 연료용 가스로 사용하고 있습니다.

 

 
  LPG(Liquefied Petroleum Gas : 액화석유가스)  
- LPG의 성질
     - 기화 및 액화가 쉽습니다.
  프로판은 약 7kg/cm2, 부탄은 약 2kg/cm2정도로 가압시키면 액화됩니다. 액화된 프로판은 대기중으로 방출시키면 기화되나, 부탄의 경우는 겨울철 영하의 온도에서는 기화되기가 어렵고, 기화되어도 재액화될 가능성이 있습니다.
   
     - 공기보다 무겁고 물보다 가볍습니다.
  프로판은 가스상태일 때 공기보다 약 1.55배, 부탄은 약 2.08배 정도 무겁고, 액체일 경우에는 물보다 프로판은 약 0.51배, 부탄은 약 0.58배 가볍습니다. 따라서 사용중 공기중으로 누출되면 낮은 부분에 체류하게 되어 점화원에 의한 화재 및 폭발위험성이 있으므로 충분한 통풍 및 환기조치가 있어야 합니다.
   
     - 액화하면 부피가 작아집니다.
  프로판과 부탄은 액화되면 체적이 약 1/250정도로 줄어들게 되므로 저장, 수송시에 유리합니다.
   
     - 폭발성이 있습니다.
  프로판과 부탄은 가연성 가스로서 특정한 상황에서 폭발할 수도 있습니다.
프로판의 경우 공기중 폭발범위는 2.1 ~ 9.5%, 부탄의 경우는 1.8 ~ 8.4%입니다.
   
     - 연소시 다량의 공기가 필요합니다.
  완전연소에 필요한 이론공기량은 프로판의 경우 가스량의 약24배, 부탄의 경우는 약 31배 정도의 공기량이 필요합니다.
충분한 공기량을 공급하지 못하였을시에는 불완전연소로 인하여 일산화탄소가 발생하여 인체에 해롭습니다.
   
     - 발열량 및 청정성이 우수합니다.
  LPG는 연소시 높은 발열량을 갖습니다. 프로판의 경우 24,000kcal/Nm3, 부탄의 경우는 30,000kcal/Nm3입니다.
또한 연소생성물은 석유류나 석탄 등의 배기가스에 비해 황화합물이나 이산화화합물등의 공해요소가 적어 그을음 발생이 적은 청정연료입니다.
   
     - LPG는 고무, 페인트ㆍ테이프 등의 유지류, 천연고무를 녹이는 용해성이 있습니다.
   
     - LPG는 무색 무취입니다.
  액화석유가스의 주성분인 프로판과 부탄은 원래 무색?무취이나 가스가 누출되었을 때 냄새로 쉽게 알 수 있도록 하기 위하여 공업용 및 연구용을 제외한 일반 가정용 연료와 자동차용의 가스에는 부취제인 메르캅탄을 첨가하고 있습니다.
   
  ※ 부취제 첨가
액화석유가스에는 공기중의 혼합비율이 용량으로 1/1,000상태에서 감지할 수 있도록 부취제를 첨가하여 충전하도록 법령에서 규정하고 있습니다. (LPG를 다량으로 흡입할 경우 경미한 마취성이 있으며 공기중의 허용농도는 프로판이 약 1,000ppm임)
   
 
- LPG의 용도
     - 프로판은 가정용ㆍ공업용 연료로 많이 쓰이며, 내연기관 연료로도 많이 쓰입니다. 또한 옥탄가가
     높기 떄문에 자동차 연료로 사용되나 자동차의 경우는 부탄을 씁니다.
     - 부탄은상온중 약 2기압에서 액화되기 때문에 고압을 발생할 우려가 있으므로 폴리카보네이트등
     강도가 높은 플라스틱 용기에 넣어서 라이터 연료로 사용하고 있습니다.
     - LPG는 화학공업용으로서도 중요하며 합성고무 연료인 부타디엔은 노르말부탄의 탈수소반응에
     의해서 제조되고 있습니다.
   
- 폭발 및 인화성
  LPG는 공기나 산소와 혼합하여 폭발성 혼합가스가 되며, 프로판의 폭발범위(연소범위)는 공기중 2.1~9.5Vol%, 부탄은 1.8~8.4Vol%로서, 폭발하한계가 낮고 상온?상압하에서는 기체로 인화점이 낮아 소량 누출시에도 인화하여 화제 및 폭발의 위험성이 크므로 취급에 주의하여야 합니다.

LPG는 전기절연성이 높고, 유동?여과?분무시 정전기를 발생하는 성질이 있으며, 이러한 정전기가 축적될 수 있는 조건에서는 방전스파크에 의해 인화폭발의 위험이 있으므로 주의하여야 합니다.
   
- LPG 누출시 주의 사항
     - LPG가 누출되면 공기보다 무거워서 낮은 곳에 고이게 되므로 특히 주의할 것.
     - 가스가 누출되었을 때는 부근의 착화원이 될 만한 것은 신속히 치우고 용기밸브, 중간밸브를 잠그고
     창문 등을 열어 신속히 환기시킬 것. (방석, 비등으로 쓸어내는 방법도 효과적임)
     - 용기의 안전밸브에서 가스가 누출될 때에는 용기에 물을 뿌려 냉각시킬 것. 이때 용기가 넘어지지
     않도록 주의할 것. (용기는 안전한 장소로 이동)
     - 용기밸브가 진동?충격에 의하여 누출시에는 부근의 화기를 멀리하고 즉시 밸브를 잠글 것. (용기를
     안전한 장소로 이동)
     - 용기밸브가 파손되었을 때는 즉시 부근의 화기를 제거하고 감시자를 배치하여 용기내의 가스가
     없어질 때까지 감시할 것.
     - 배관에서 누출시 즉시 앞의 밸브를 잠근 다음 주변의 화기를 멀리하고 환기를 시킨후 누출부에 대한 수리를 할 것.
   
 
  LNG(Liquefied Natural Gas : 액화천연가스)  

천연가스는 도시지역를 중심으로 배관을 통해 공급되는 도시가스의 주성분으로 사용되고 있으며, 그 사용량은 점차적으로 확대되고 있습니다. 천연가스는 지하에서 발생하는 탄화수소를 주성분(CH4)으로 한 가연성 가스를 총칭합니다.

천연가스는 메탄(CH4)가스가 주성분이고, 약간의 에탄 등의 경질 파라핀계 탄화수소(탄소와 수소의 화합물을 총칭함)를 함유하고 있습니다. 천연가스를 액화한 것을 LNG라 하며, 우리나라의 경우 천연가스전이 없기 때문에 소비되는 가스 전량을 외국의 수입에 의존하고 있습니다.

천연가스는 표준상태(0℃,1atm)에서 메탄 1 kg당 부피는 약 1.4m3이나, 액상에서는 약 2.4ℓ(-162℃, 1atm)로 부피의 차이는 600배 정도의 차이가 있습니다. 다시말해, 가스상태에서의 천연가스를 액화하면 그 부피가 1/600로 줄어든다는 것입니다. 이와 같기 때문에 천연가스를 외국에서 수입해올 경우 액화된 상태로 운반하며, 국내에 저장할 경우에도 LNG저장탱크에 액화된 상태로 저장해서 사용하게 됩니다.

순수한 천연가스는 주성분인 메탄 외에도 황화수소, 이산화탄소 또는 부탄, 펜탄, 습기, 먼지 등이 함유되어있기 때문에 전처리 공정을 통해 유황, 습기, 먼지 등을 제거합니다.

 

- LNG의 성질
  LNG는 비점이 약 -162℃이며, 무색의 투명한 액체이고 비점이하의 저온에서는 단열용기에 저장할 수 있습니다. 액화천연가스로부터 기화한 가스는 무색?무취로 약 -113℃ 이하에서는 건조된 공기보다 무거우나, 그이상의 온도에서는 가볍습니다. (공기와의 무게 비교치인 비중은 약 0.625정도임)

도시가스가 누출되었을 경우, 이것을 초기에 발견하여 응급조치를 하는 것이 폭발사고 방지의 조건인데, 그 한가지 방법으로 가스를 공급할 때 부취제를 첨가합니다. 부취제는 한국가스공사에서 가스를 공급하기 위하여 액화천연가스를 기화기에서 기화시킨 후 첨가하여 천연가스를 공급합니다.
   
     LNG의 조성
 
 
구분 보르네오산 알라스카산
조성
(Vol %)
메탄(CH4)
에탄(C2H6)
프로판(C3H8)
부탄(C4H10)
펜탄(C5H12)
질소(N2)
88.1
5.0
4.9
1.8
0.1
0.1
99.8
0.1
-
-
-
0.1
액밀도(g/ℓ) 465 415
비점(℃,1atm) -160 -162
 
  위의 표와 같이 천연가스의 조성은 산지에 따라 다르며, 조성이 틀리기 때문에 비점, 발열량, 비중 등에서도 약간의 차이를 보이고 있다.
   
  천연가스의 주성분인 메탄가스의 특성을 보면 다음과 같습니다.

 
     메탄의 물리적 성질
 
 
구분 성질
분 자 량
비      중
비      점
임계온도
임계압력
폭발범위
발 화 점
융      점
16
0.55(공기=1)
-162℃
-82.1℃
45.8atm
5 ~ 15%
550℃
-182.4℃
   
 
- 용도
 

천연가스는 황화합물ㆍ질소화합물이 함유되어 있지 않고, 액화천연가스로부터 기화한 가스는 메탄이 주성분이므로 연로로 사용할 때에는 그을음 등의 발생량이 적으며, 안정된 연소상태를 얻을수 있습니다. 주로 쓰이는 곳은 도시가스 연료 및 발전용 연료 외에 일반 공업용으로 널리 사용됩니다.
또한, LNG인수기지의 저장탱크에 액체상태로 저장된 천연가스를 사용자에게 공급하기 위해서는 기화를 시켜 기체상태로 공급합니다. 이때 기화기에서 천연가스가 액체에서 기체로 상태변화를 하기 위해서는 열(잠열)을 흡수하게되므로 기화기의 온도가 내려가게 됩니다. 이때 얻어진 차가운 열은 액화산소?액화질소의 제조, 냉동창고에의 이용등에 일부 실용화되고 있습니다.

또한 메탄올, 암모니아 등의 화학제품 원료로도 사용되고 있으며, 액화천연가스를 고압하에서 기화시킨 후 팽창터빈을 구동시켜 동력으로 회수 하는 데에도 사용되고 있습니다.

 

     LNG의 주요용도
 
 
구분 주요용도
연료 도시가스
발전용 연료
공업용 연료
한냉 이용 액화산소 및 액화질소의 제조
냉동창고
냉동식품 저온분쇄(자동차 폐타이어, 대형폐기물, 플라스틱 등)
해수 담수화
냉각(발전소 온ㆍ배수의 냉각)
화학공업 원료 메탄올, 암모니아의 냉각
   
- 폭발 및 인화성
  액화천연가스로부터 기화된 가스는 공기 또는 산소와 혼합되면 폭발성분위기가 형성되므로 취급에 주의가 필요하며, 이 가스가 기화할 때는 기상 및 액상의 조성이 변할 수 있으므로 주의해야 합니다.

액화천연가스의 주성분인 메탄은 다른 지방족 탄화수소에 비해서 연소속도가 느리며, 최소발화에너지, 발화점 및 폭발하한계 농도가 높습니다. 그러나 인화폭발의 위험성이 높으므로 누출 및 유출이 안 되도록 특별한 주의를 해야 합니다.

액화천연가스가 공기중으로 누출 및 유출될 경우 일반적으로 온도가 낮은 상태이기 때문에, 공기중의 수분과 접하면 수분의 온도가 낮아져 응축현상이 일어나 안개가 발생하므로, 이것에 의해 가스 및 액의 누출을 눈으로 쉽게 확인할 수 있습니다.

또한, 액화천연가스는 낮은 전기저항을 가지고 있어 유동, 여과, 적하 및 분무 등에 의한 정전기의 발생은 다른 가연성 가스보다 높습니다. 그러므로 액화천연가스를 취급할 때에는 만일의 경우에 대비하여, 접지 및 접속에 의해 정전기의 축적을 방지해야 합니다.
   
- 인체 및 환경에 미치는 영향
 

천연가스는 그 자체로는 독성이 없으나 질식성이 있으므로 고농도로 존재할 경우에는 공기중의 산소농도 저하에 의한 질식현상(산소결핍증)에 주의 하여야 합니다.

현재 우리나라에서도 대기 오염등의 공해가 큰 사회문제로 되고 있습니다. 대기 오염이 발생하는 가장 큰 원인의 하나로, 석유가 연소할 때 생기는 유황산화물이나 질소 산화물을 들 수 있습니다.
우리나라에서는 전 에너지의 절반 이상을 석유로 처리하고 있으므로 대기오염이 발생하기 쉬운 환경에 놓여있습니다. 그러나 천연가스는 연소할 때 나오는 유해물질이 적어, 공해 방지를 위해서도 적합한 연료입니다.

   
 
  도시가스  

도시가스는 파이프라인을 통하여 수요자에게 공급하는 연료가스를 말합니다. 석유 정제시에 나오는 납사를 분해시킨 것이나, LPG, LNG를 원료로 사용합니다.

현재 우리나라에서 사용하고 있는 도시가스의 연료는 2가지가 사용됩니다. LNG가 많이 사용되며, LNG 공급배관이 설치되지 않은 곳에서는 LPG+공기의 혼합가스가 도시가스 연료로 사용되고 있습니다.

공급지역은 강원도 일부(강릉, 속초), 진해시 일부지역, 광양시 일부지역, 충주시에는 아직 LPG+Air 방식의 도시가스를 공급하고 있으며 이외 지역의 모든 도시가스에는 천연가스로 공급되고 있습니다.

 
 
  가스성질 분석표  
 
가스명 메탄 (LNG) 프로판
분자식 CH4 C3H8
분자량 16.04 44.09
색취 무색무취 무색착취
액체비중 물=1(℃) 0.415(-164) 0.508(15)
가스밀도 g/ℓ(℃) 0.7167 2.0200
가스비중 공기=1(℃) 0.5544 1.5503
비점 B.P(℃) -161.5 -42.07
융점 M.P(℃) -184.0 -187.71
증기압 ㎏/㎠(℃) 초저온(1.5~15) 1.8(-20), 3.8(0),
7.4(20), 10.0(30)
폭발범위 공기중(V%) 5.3~14 2.2~9.5
임계온도 0℃ -82.1 96.8
임계압력 ㎏/㎠(℃) 45.8 42.0
발화점 537 466
발열량 K㎈/㎏
K㎈/㎥
13,274
9.494
12,042
23.673
연소방정식 CH4 + 2O2 =
CO2 + 2H2O
C3H8 + 5O2 =
3CO2 + 4H2O
 

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