스크랩 연료가스의 특성

[atom]

 

가스는 우리가 많이 사용하는 연료로서의 여러가지 우수한 장점이 있는 반면, 취급시 안전관리를 소홀히 할 경우 폭발화재ㆍ질식 등의 사고를 일으킬 수 있는 위험한 특성을 동시에 지니고 있습니다.

연소효율이 높고 완전연소시킬 수 있습니다

일반 연료의 연소 폐가스 중에는 산소 비율이 5% 이상 되는 경우가 많으나 가스의 경우에는 미세조정으로 이론연소(화학방정식에 의해 이론적으로 계산된 연소의 형식을 나타내는 산식입니다) 에 가까운 완전연소가 가능합니다.

대기오염이 거의 없습니다

연소공기량의 조절이 쉬우며 연기가 전혀 나지 않고 재, 유황분, 질소산화물이 극히 적어 대기오염이 거의 없습니다.

점화ㆍ소화가 쉽습니다

가스는 일반 연료에 비해 점화나 소화가 손쉬우며 순간적으로 최대의 열량을 얻을 수 있습니다.

저장ㆍ운반이 쉽고, 변질의 우려가 없습니다

발열량이 비교적 높으며 연료를 저장하고 운반하기 쉽고, 장기간 저장시에도 변질의 우려가 없습니다.

폭발화재 및 질식ㆍ중독의 위험이 있습니다

그러나 이러한 장점이 있는 반면에 누출된 가스가 공기나 산소와 혼합되는 폭발화재의 위험이 높으며, 질식 중독의 위험이 있는 점과 용기, 저장탱크 등이 화염에 노출되면 파열, 폭발을 일으키는 경우가 있으므로 특별한 안전관리가 필요합니다.

가스의 연소

가스가 연소하기 위해서는 반드시 산소가 필요하며, 산소는 공기중 21% 정도가 포함되어 있으므로 적당량의 공기를 공급되어야 하는데, 연소에 필요한 공기량은 가스의 종류에 따라 차이가 있습니다.

탄화수소계 가스의 연소방정식

성분	연소방정식	산소량	연소생성물 생성비
			CO2	H2O
메탄	CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O	2.0	1	2
에틸렌	C2H4 + 3O2 → 2CO2 + 2H2O	3.0	2	2
에탄	2C2H6 + 7O2 → 4CO2 + 6H2O	3.5	2	3
프로필렌	2C3H6 + 9O2 → 6CO2 + 6H2O	4.5	3	3
프로판	C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O	5.0	3	4
부틸렌	4H8 + 6O2 → 4CO2 + 4H2O	6.0	4	4
부탄	2C4H10 + 13O2 → 8CO2 + 10H2O	6.5	4	5

이론공기량

표준상태(0℃, 1atm)의 가스 1m3를 완전연소시키는 데 필요한 최소한의 공기를 이론공기량이라고 합니다. 그러나, 연료가 실제 완전연소하기 위해서는 이론공기량보다 20～50％ 더많은 실제공기량이 필요합니다. 산소는 공기중에 약 21％가 존재하므로 필요한 이론 공기량은 다음과 같습니다.

   메탄의 경우 : 2.0/0.21 = 9.5배
   프로판의 경우 : 5.0/0.21 = 24배
   부탄의 경우 : 6.5/0.21 = 31배

연소시 LPG는 메탄이 주성분인 LNG보다 3～4배 정도의 1공기가 더 필요하다는 것을 알 수 있습니다.

가스연소의 종류

	리프팅 (Lifting)
	염공(불구멍)에서의 가스 유출속도가 연소 속도보다 빠르게 되었을 때, 가스는 염공에 붙어서 연소하지 않고 염공을 이탈하여 연소하게 됩니다. 이러한 현상을 리프팅이라 하는데, 연소속도가 느린 LPG는 리프팅을 일으키기 쉬우며, 리프팅의 원인은 다음과 같습니다.
	버너의 염공에 먼지 등이 부착하여 염공이 작아졌을때    가스의 공급압력이 지나치게 높은 경우    노즐구경이 지나치게 클 경우    가스의 공급량이 버너에 비해 과대할 경우    연소폐가스의 배출이 불충분 하거나 환기가 불충분함에 따라 2차 공기중의 산소가 부족한 경우    공기조절기를 지나치게 열었을 경우
	역화 (Flash Back)
	가스의 연소속도가 염공에서의 가스 유출속도보다 빠르게 되었을 때, 또는 연소속도는 일정하여도 가스의 유출속도가 느리게 되었을 때, 불꽃이 버너 내부로 들어가 노즐의 선단에서 연소하게 되는데, 이러한 현상을 역화라고 하며, 그 원인은 다음과 같습니다.
	부식으로 인하여 염공이 커진경우    노즐구경이 너무 적거나    노즐구경이나 연소기 콕크의 구멍에 먼지가 묻거나    콕크가 충분히 열리지 않았거나    가스 압력이 낮을때    가스렌지 위에 큰 남비 등을 올려 놓고 장시간 사용하는 경우
	황염 (Yellow tip)
	버너에서 황적색의 불꽃이 되는 것은 공기량의 부족 때문이며 황염이 되어 불꽃이 길어지고, 저온의 물체에 접촉하면 불완전연소를 촉진하여 일산화탄소(CO)나 그으름이 발생하므로 주의해야 합니다. 그러므로, 버너 특유의 내염과 외염으로 되는 불꽃이 될 때까지 1차공기의 공기조절기를 열어야 합니다. 공기조절기를 충분히 열어도 황염이 그대로 있으면 대개의 버너 노즐 구경이 너무 커서 가스의 공급이 과대하거나, 가스의 공급압력이 낮기 때문입니다. 또한, 용기에서 자연기화하는 경우, 잔액이 적을 때 황염이 발생하는 것은 가스성분의 변화(부탄가스의 증가)와 가스공급압력이 낮아지기 때문입니다.
	불완전연소
	가스의 연소는 산화반응으로서 이 반응이 진행하기 위해서는 충분한 산소와 일정온도 이상이어야 합니다. 이 조건이 만족하지 않으면 반응 도중의 중간 생성물(일산화탄소 등)을 발생하는 상태를 불완전연소라 합니다. 불완전연소의 원인은 다음과 같습니다.
	공기와의 접촉, 혼합이 불 충분할 때    과대한 가스량, 또는 필요량의 공기가 없을 때    불꽃이 저온물체에 접촉되어 온도가 내려갈 때 등
	가스렌지나 보일러 등 연소기구를 환기가 잘 안되는 밀폐된 곳이나 배기가스가 잘 배출되지 않는 곳에서 사용하면 산소결핍으로 불완전연소가 되어 질식, 중독사고가 일어날 수도 있습니다.

가스폭발의 3요소

가스폭발사고가 일어나려면 다음의 3가지 요소가 충족되어야 합니다.

1. 가스가 누출되어 실내에 체류되어 있어야 하며,
2. 공기와 혼합되어 공기중 가스농도가 LPG의 경우 2.1%이상 9.5% 이내이어야 하고 LNG의
     경우에는 5-15%이어야 합니다.
3. 이러한 조건하에서 폭발을 일으킬 수 있는 점화원 즉, 불씨가 있어야 합니다.

다시 말해서 가스가 실내에 누출되었다 하더라도, 그 양이 적어 농도가 2.1%미만이거나, 그양이 너무 많아 9.5%를 초과하면 불씨가 있어도 가스는 폭발하지 않습니다.
또 불속에 가스가 누출되고 있는 경우에도 건물내에서 가스호스가 녹아 가스가 누출되는 경우에는 가스는 폭발하지 않습니다. 왜냐하면 누출된 가스가 폭발범위에 도달되기전에 공기와 혼합되면서 불이 붙어 연소해 버리기 때문입니다. 따라서 이때는 불길이 더 커질 뿐 가스가 폭발하는 일은 일어나지 않습니다.

앞에서도 언급했지만 LPG용기가 화염속에 있거나 불타고 있는 건물내에 있어도 폭발할 가능성은 적습니다. LPG용기가 화염속에 가열되어 용기내의 압력이 올라가면 가스는 용기에 장착된 안전밸브를 통하여 용기밖으로 방출되어 버리기 때문이다. 즉, 안전밸브로 방출되는 구조로 되어있는 용기내의 가스가 다 소진 될 때까지 방출되어 단순히 연소할 뿐 용기는 폭발하지 않는 것입니다.

이상의 내용으로 살펴볼때 가스는 공기와 혼합되어 일정한 농도가 되었을 때만 폭발한다는 것을 알 수 있습니다. 따라서 밀폐된 공간에서 가스가 누출되는 경우에는 폭발하기 쉽습니다.

가스폭발사고가 일어나면 유리창, 출입문 등이 다이나마이트와 같은 폭발물이 폭발하였을 때와 같이 파손되고 심지어는 수 Km밖에서도 들을 수 있을 정도의 폭음이 수반됩니다.

예컨데 20Kg의 LPG용기에서 가스가 누출되어 공기와 혼합된 후 폭발되었을 때는 폭발지점에서 부터 70m떨어져 있는 건축물의 유리창이 파괴되고 300mm이내에서 130dB의 폭음을 들을 수 있습니다.