연료 가스
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1. 개요
연료 가스는 기원과 생산 방식에 따라 천연 가스와 제조 가스로 분류되며, 주로 메테인을 포함하는 천연 가스가 주요 공급원이다. 제조 가스는 석탄 가스, 수성 가스, 합성 가스 등이 있으며, 고체, 액체 또는 기타 가스의 화학적 변환을 통해 생성된다. 연료 가스는 발열량, 워베 지수, 이슬점 등 특정 특성을 충족해야 하며, 가스관을 통해 공급되거나 압축, 액화하여 용기에 보관 및 운반된다. 연료 가스는 조명, 난방, 취사, 동력원 등 다양한 분야에서 활용되며, 산업, 상업, 가정 등 광범위한 부문에서 사용된다.
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| 연료 가스 | |
|---|---|
| 연료 가스 개요 | |
| 종류 | 가스 |
| 용도 | 연료 |
| 상태 | 기체 |
| 특징 | |
| 주성분 | 탄화수소 |
| 연소 생성물 | 이산화탄소, 물 |
| 발열량 | 높음 |
| 저장 및 운송 | 파이프라인 또는 탱크로리를 통해 |
| 연료 가스 종류 | |
| 천연 가스 | 메탄을 주성분으로 하는 천연적으로 생성되는 가스 |
| 액화 석유 가스 (LPG) | 프로판 및 부탄을 주성분으로 하는 가스 |
| 석탄 가스 | 석탄을 건류하여 얻는 가스 |
| 수성 가스 | 코크스에 수증기를 불어넣어 얻는 가스 |
| 발생로 가스 | 석탄이나 코크스를 불완전 연소시켜 얻는 가스 |
| 바이오 가스 | 유기성 폐기물을 혐기성 발효시켜 얻는 가스 |
| 안전 | |
| 누출 경고 | 냄새로 감지 (첨가제 사용) |
| 취급 주의 | 가연성, 폭발성 |
| 안전 장치 | 가스 누출 감지기, 환기 시설 |
| 환경 영향 | |
| 연소 시 배출 | 온실 기체 배출 |
| 청정 연료 | 다른 연료에 비해 상대적으로 적은 오염 물질 배출 |
| 활용 분야 | |
| 가정용 | 난방, 취사, 온수 |
| 산업용 | 발전, 공업용 연료 |
| 수송용 | 자동차 연료 (CNG, LPG) |
2. 연료 가스의 종류
연료 가스는 화학적 조성보다는 기원과 생산 방식에 따라 크게 두 가지 종류, 즉 천연 가스처럼 자연적으로 발견되는 가스와 다른 물질로부터 인위적으로 제조되는 가스로 나눌 수 있다.
2. 1. 천연 가스 및 석유 기반 연료 가스
20세기에는 주로 메테인으로 구성된 천연 가스가 연료 가스의 주요 공급원이 되었다. 이전에는 다양한 공정을 통해 제조해야 했지만, 이제는 땅 속의 매장량에서 추출할 수 있게 되었기 때문이다. 천연 가스는 수소와 결합하여 HCNG로 알려진 혼합물을 형성할 수 있다.[4]천연 가스 또는 석유에서 얻는 추가 연료 가스는 다음과 같다.
천연 가스의 조성은 매우 다양하지만, 일반적인 조성은 다음과 같다.[4]
천연 가스는 물과 가스 응축액과 함께 생산된다. 이러한 액체는 가스를 연료로 사용하기 전에 제거해야 한다. 처리 후에도 가스는 포화 상태가 되어 파이프라인에서 액체로 응축될 수 있다. 이는 연료 가스를 과열하여 줄일 수 있다.[5]
2. 2. 제조 연료 가스
제조 연료 가스는 고체, 액체 또는 다른 가스의 화학적 변환에 의해 생성된다. 고체로부터 얻는 경우, 이러한 변환을 가스화라고 하며, 이 변환을 위한 시설을 가스 공장이라고 한다.제조 연료 가스에는 다음이 포함된다:[1][2]
- 석탄 가스: 석탄의 열분해로 얻어진다.
- 수성 가스: 주로 폐지되었으며, 뜨거운 코크스 위에 증기를 통과시켜 얻어진다.
- 발전로 가스: 주로 폐지되었으며, 뜨거운 코크스 위에 증기와 공기를 통과시켜 얻어진다.
- 합성 가스: 현재 주요 기술이며, 주로 천연 가스에서 얻어진다.
- 목재 가스: 주로 목재에서 얻어지며, 한때 인기가 있었고 바이오 연료와 관련이 있다.
- 바이오 가스: 매립지에서 얻어진다.
- 고로 가스
- 수소: 전기 분해 또는 수증기 개질로부터 얻어진다.
석탄의 열분해로 만들어진 석탄 가스에는 타르, 암모니아, 황화 수소와 같은 불순물이 포함되어 있다. 이러한 물질을 제거해야 하며, 이를 위해 상당한 양의 설비가 필요할 수 있다.[3]
2. 3. 기타 연료 가스
20세기에는 주로 메테인으로 구성된 천연 가스가 연료 가스의 주요 공급원이 되었다. 이전에는 다양한 공정을 통해 제조해야 했지만, 이제는 땅 속의 매장량에서 추출할 수 있게 되었기 때문이다. 천연 가스는 수소와 결합하여 HCNG로 알려진 혼합물을 형성할 수 있다.[4]천연 가스 또는 석유에서 얻는 추가 연료 가스는 다음과 같다.
천연 가스의 조성은 매우 다양하지만, 다음 표는 일반적인 조성을 나타낸다.[4]
천연 가스는 물과 가스 응축액과 함께 생산된다. 이러한 액체는 가스를 연료로 사용하기 전에 제거해야 한다. 처리 후에도 가스는 포화 상태가 되어 파이프라인에서 액체로 응축될 수 있다. 이는 연료 가스를 과열하여 줄일 수 있다.[5]
3. 연료 가스의 특성
화학적 조성 외에도 연료 가스는 발열량, 워베 지수, 이슬점 등과 같은 매개변수를 준수해야 할 수 있다. 다음 사양은 영국 국가 전송 시스템에 대한 것이다.[6]
| 내용 또는 특성 | 값 |
|---|---|
| 총 발열량 | ~ 44.5MJ/m3 |
| 워베 수* | 47.2MJ/m3 ~ 51.41MJ/m3 |
| 수분 이슬점 | -10°C @ 85barg |
| 탄화수소 이슬점 | -2°C |
| 황화수소 함량* | ≤ 5mg/m3 |
| 총 황 함량 (H2S 포함)* | ≤ 50mg/m3 |
| 수소 함량* | ≤ 0.1% (몰) |
| 산소 함량* | ≤ 0.2% (몰) |
| 이산화탄소 함량 | ≤ 2.0% (몰) |
| 질소 함량 | < 5.0% (몰) |
| 총 불활성 기체 | < 7.0% |
| 불완전 연소 계수* | ≤ 0.48 |
| 검댕 지수* | ≤ 0.60 |
'''불완전 연소 계수''' (ICF) – 가스 기기에서 가스의 불완전 연소 경향과 가스의 조성을 관련시키는 경험적 지수.[7]
'''검댕 지수''' (SI) – 가스 기기에서 연소 중 검댕을 생성하는 경향과 가스의 조성을 관련시키는 경험적 지수.[7]
인공 가스의 발열량은 입방 피트당 약 500Btu (18629kJ/m3)이다. 반면에, 천연 가스의 발열량은 입방 피트당 약 1000Btu (37259kJ/m3)로 그 두 배이다.[3] 주어진 열량에 대해 천연 가스는 부피의 절반만 필요하다.
4. 연료 가스의 공급
연료 가스는 유체이기 때문에 가스관으로 공급(송달, 배분)하는 것이 가능하다. 도시가스는 일반 가스 사업자에 의해 각 가정 등에 공급되는 가스 연료이다.
용기로 운반·보관하는 경우에는 밀봉할 수 있는 용기가 필요하지만, 기체 상태에서는 밀도가 매우 낮아 크기에 비해 적은 양(질량)밖에 운반·보관할 수 없으므로 고압을 가하여 압축하고 액화시킨다. 액화 가스 연료의 예로 액화 석유 가스(LPG), 액화 천연 가스(LNG), 가스 라이터 등의 액화 부탄 가스(LBG), 로켓 엔진의 액체 수소 연료 등이 있다. 압축은 하지만 액화까지는 시키지 않는 것으로는 압축 천연 가스(CNG) 등이 있다.
수소 연료는 압축·액화시켜도 밀도가 낮기 때문에, 수소 저장 합금에 흡장하거나, 메탄이나 암모니아 형태로 운반·보관하기도 한다.
5. 연료 가스의 활용
연료 가스의 가장 초창기 용도 중 하나는 가스등이었으며, 이는 가로등의 광범위한 채택과 마을 내 건물 조명을 가능하게 했다. 연료 가스는 가스 버너에서도 사용되었으며, 특히 실험실에서 사용되는 분젠 버너가 대표적이다. 높은 발열량으로 인해 가스 히터, 야영용 스토브, 심지어 차량의 동력원으로도 사용될 수 있다.
연료 가스는 산업, 상업 및 가정용 사용자에게 널리 사용된다. 산업 부문에서는 용광로, 소성로, 보일러, 오븐 가열, 공간 난방 및 건조에 연료 가스를 사용한다. 전력 산업에서는 가스 터빈에 연료 가스를 사용하여 전기를 생산한다. 가스 터빈용 연료 가스의 사양은 매우 엄격할 수 있다.[5] 연료 가스는 또한 화학 공정의 원료로 사용될 수 있다.
상업 부문에서는 난방, 취사, 제빵, 건조에, 가정 부문에서는 난방과 취사에 연료 가스가 사용된다.
현재 연료 가스, 특히 합성 가스는 비료용 암모니아 생산과 많은 세제 및 특수 화학 물질의 제조에 널리 사용된다.[1]
산업 플랜트에서는 연료 가스를 사용하여 파이프라인과 용기를 정화하여 공기 유입을 방지할 수 있다. 필요한 연료 가스보다 잉여분은 플랜트 가스 플레어 시스템에서 연소시켜 처리할 수 있다.
가스를 직접 연소하는 사용자의 경우 연료 가스는 약 1barg의 압력으로 공급된다. 가스 터빈은 17barg에서 24barg의 공급 압력이 필요하다.
참조
[1]
서적
Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry
[2]
서적
The Modern Gas Industry
Edward Arnold
[3]
서적
A history of the British gas industry
Oxford University Press
[4]
서적
Gas: Natural Energy.
Frederick Muller Limited
[5]
서적
Engineering Data Book
GPSA
[6]
웹사이트
Gas Safety (Management) Regulations 1996
https://www.legislat[...]
[7]
웹사이트
Material comparators for end-of-waste decisions Fuels: natural gas
https://assets.publi[...]
2023-11-15
[8]
간행물
Experimental Study of the Influence of Natural Gas Constituents on CO Emission from Chinese Gas Cooker
2019
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