알짜배기
LPG
세상한가득
2007. 10. 12. 09:10
lpg에 관해 관략하게 정리해봤어요.
LPG(액화석유가스)란?
LPG란 Liqufied Petroleum Gas의 약자이다. 우리말로는 액화석유가스(液化石油가스)라고 한다. 물론 LPG가스라고 하는 것은 잘못된 말이다.
그러면,「석유가스」라고 하는 것은 무엇인가. 유전(油田)에서 나오는 석유를 정유공장의 증류탑(蒸溜塔)이라고 하는 장치에 넣고 끓이면 각종 석유제품이 만들어진다. 정유공장에서 만들어지는 석유제품으로는 아스팔트, 중유, 경유, 휘발유, 프로판, 부탄 등이 있다. 이들 중에서 프로판과 부탄은 가스상태의 물질이고 나머지는 액체상태의 물질이다. 석유에서 만들어진 가스상태의 물질 즉 프로판과 부탄을「석유가스」라고 하는 것이다.
그러면,「액화석유가스」라고 하는 것은 또 무엇인가. 위에서 말한「석유가스」를 높은 압력으로 압축하면 액체상태로 된다. 액체상태로 만든 석유가스를「액화석유가스」라고 하는 것이다.
석유가스인 프로판과 부탄을 압축하여 액화가스로 만드는 이유는 가스의 부피가 250분의 1정도로 줄어들기 때문이다. 우리 가정에서 사용하는 20kg 들이 LPG용기에는 40ℓ정도의 액화가스가 들어있다. 만약 이 가스를 기체상태로 용기에 담으려면 1만ℓ짜리 탱크가 필요하다. 이렇게 큰 탱크로 가스를 운반해와 가정에 설치하고 사용할 수 있겠는가. 운반비도 많이 들고, 그렇게 큰 탱크를 놓을 장소도 구하기 어려울 것이다.
궁금증 : LPG는 언제부터 사용되기 시작했을까?
세계적으로 LPG는 2차 세계대전 후부터 사용되기 시작했다고 한다. 일본의 경우에는 1941년 정유공장에서 처음 생산되기 시작했으며, 우리 나라의 경우에는 1960년대 초에 유입경로는 명확하지 않으나 일본산의 프로판을 들여와 가스난로 등에 약간량 소비한 것으로 알려져 있다. 1964년 대한석유공사 울산정유공장이 가동됨으로써 국내에서도 LPG는 본격적으로 사용되기 시작했다.
LPG는 어떠한 물질로 구성되어 있는가
앞에서도 말한 바와 같이 LPG는 프로판과 부탄으로 구성되어 있다.
프로판과 부탄은 탄소원자(C)와 수소원자(H)로 구성되어 있는 화합물(化合物)이다. 이러한 화합물을 탄화수소(炭化水素)라 한다. 프로판은 탄소원자 3개와 수소원자 8개로 구성되어 있고, 부탄은 탄소원자 4개와 수소원자 10개로 구성되어 있다. 부탄은 프로판보다 탄소원자가 1개 많은데 이 때문에 부탄과 프로판은 상당히 다른 성질을 나타낸다.
우리가 가정이나 식당 같은 곳에서 20kg 또는 50kg 들이 용기에 충전하여 사용하는 LPG를 프로판가스라고 하기도 한다. 그러나, 실제로는 순수한 프로판은 아니고 프로판이 70%정도, 부탄이 30%정도 섞인 혼합물이다. 한편, 야외에서 이동식 가스렌지에 넣어 사용하는 용기를 부탄캔이라 하고 그 가스를 부탄가스라고 한다. 그러나, 이것도 실제로는 순수한 부탄이 아니고 부탄이 70%정도, 프로판이 30정도 섞인 혼합물이다.
[ 표 1 ] 순수한 프로판과 부탄의 물리화학적 특성
[ 표 2 ] 프로판과 부탄의 주요 차이점 구 분
프로판
부 탄
기화특성 (氣化特性)
비점(沸點) 즉 액체에서 가스로 바뀌는 온도가 -42℃이기 때문에 겨울철과 같이 낮은 기온에서도 기화시킬 수 있다. 따라서, 가정에서 사용하는 프로판가스는 겨울철에도 가스용기를 옥외에 두고 사용할 수 있다.
비점(沸點)이 -0.5℃이기 때문에 온도가 낮으면 잘 기화되지 않는다. 따라서, 부탄은 케비넷히터와 같이 실내에서 사용하거나, 자동차와 같이 강제로 기화시키는 장치를 설치하고 사용해야 한다. 부탄캔의 경우 여름철에는 사용하는데 불편함이 없으나 겨울철 야외에서 사용하게 되면 가스가 잘 나오지 않게 되는 것도 비점이 낮기 때문이다.
주요용도
(主要用度)
일반가정이나 음식점 등에서 주방용 또는 난방용으로 많이 사용한다.
실내에서 사용하는 케비넷히터용, 자동차 연료용, 이동식 가스렌지용 등으로 많이 사용한다.
안전성
(安全性)
가스상태에서 공기보다 1.5배정도 무겁기 때문에 가스가 누출되면 아래쪽으로 체류하는 특성이 있어 폭발의 위험성이 높다.
가스상태에서 공기보다 2배정도 무겁기 때문에 프로판보다 체류할 위험성이 조금 더 높고 폭발위험성도 조금 더 높다고 할 수 있다.
발열량
(發熱量)
프로판 1kg의 발열량은 11,079kcal이다.
부탄 1kg의 발열량은 10,927kcal이다. 즉, 부탄의 열량은 프로판에 비해 약간 낮다.
얼마나 높은 압력으로 압축해야 액체상태로 되는가
LPG 즉 액화석유가스라고 하는 것은 프로판이나 부탄을 압축하여 액체상태로 만든 것이라 했다. 그러면, 얼마나 높은 압력으로 압축을 해야 액체상태의 가스가 만들어질까. 프로판은 8.4kg/㎠, 부탄은 2.0kg/㎠ 이상의 압력으로 압축을 해야 한다.
아래 [그림1]은 피스톤에 의한 부탄의 액화과정을 그림으로 나타낸 것이다. 가스상태의 부탄을 2kg/㎠까지 압축하면 가스상태의 부탄은 액체로 바뀌기 시작한다. 이 압력을 유지하면서 계속 누르면 모든 부탄가스가 액체로 바뀌게 되고 이때의 부피는 처음 부피의 250분의 1로 되는 것이다.
[ 그림 1 ] 액화부탄의 제조원리
LPG용기에 압축기가 없어도 계속해서 가스가 나오는 이유는
아래 [그림2]는 LPG사용시설의 개요를 그림으로 나타낸 것이다. 용기 안의 가스를 부탄이라고 하면 그 압력은 2kg/㎠가 된다. 연소기에서 가스를 사용하면 용기내의 압력에 의해 기체상태의 가스가 밀려나오게 되고, 기체상태의 가스가 줄어들면 액체가 기화되어 기체상태의 가스가 보충된다. 계속해서 가스를 사용하면 액면이 아래로 내려가 마침내는 액체상태의 가스가 완전히 없어지게 된다. 중요한 것은 액체상태의 가스가 남아 있는 한 압력은 계속해서 2kg/㎠가 유지된다는 것이다.
기체상태의 가스와 액체상태의 가스가 균형을 이루고 있는 상태를 기액공존(氣液共存)상태라 하며, [그림1]에서 상태B에 해당한다. 용기 안에 액체상태의 가스가 남아 있는 한 기액공존상태는 유지되며, 기액공존상태에서는 가스의 압력이 일정하게 된다.
[ 그림 2 ] LPG사용시설 개요도
LPG는 증발하면서 주위로부터 열을 빼았아 간다는데
물파스를 피부에 바르면 피부가 시원해지는 것을 느낄 수 있다. 그것은 액체상태의 물파스가 증발하면서 피부 주위에 있는 열을 빼앗아 가기 때문이다. 모든 액체상태의 물질은 증발하여 기체로 바뀔 때 주위로부터 열을 빼앗아 간다. 이 열을 증발잠열(蒸發潛熱)이라고 한다.
프로판 1kg이 증발하기 위해서는 101.8 kcal의 열이 있어야 하고 부탄의 경우는 92.1 kcal의 열이 있어야 한다.
궁금증 : 겨울철 야외에서 가스렌지를 사용하면 왜 불이 점점 약해질까
야외용 가스렌지에 사용하는 부탄캔 속에는 액체상태의 부탄이 들어 있다. 가스렌지를 켜면 액체상태의 부탄이 부탄캔 속에서 증발하여 버너로 보내지고 이것이 연소하게 된다. 버너에서 가스가 연소하고 있는 동안 부탄캔 속에서는 계속해서 증발이 일어나고, 주위로부터 계속해서 증발에 필요한 열을 빼앗아 가게된다.
여름철에는 기온이 높기 때문에 부탄캔에 대한 열 공급이 원활하여 사용에 지장이 없지만, 기온이 낮은 겨울철에는 열 공급이 원활치 못해 가스의 증발속도가 점차 떨어지게 되고, 불도 점점 약해지다가 마침내는 꺼지게 된다.
이때 부탄캔을 꺼내 만져보면 캔표면이 차갑게 냉각되어 있음을 알 수 있다. 캔을 따뜻하게 한 후 다시 끼우고 사용하면 다시 가스는 잘 나오게 된다.
LPG용기에 가스를 충전할 때는 왜 85%까지만 충전해야 하는가
「액화석유가스의안전및사업관리법」에서는 LPG를 용기에 충전할 때 액체상태의 LPG가 용기 내용적의 85%를 초과하지 못하도록 규정하고 있다.
액체상태에 있는 LPG의 온도를 상승시키면 부피가 늘어난다. LPG의 부피팽창율은 물의 15 ∼ 20배, 금속의 100배나 된다. 용기의 85%가 되도록 LPG를 충전하고 온도를 상승시킬 경우 가스의 온도가 60℃에 달하게 되면 액체상태의 가스가 용기에 꽉 차게 되고, 60℃를 초과해서 계속 온도를 올리게 되면 마침내 용기는 파열되고 만다. 법령에서 용기의 온도를 40℃이하로 유지하라고 하는 것도 이러한 이유에서다.
[ 그림 3 ] 액화부탄의 액팽창(液膨脹)
LPG가 누출되면 왜 바닥쪽에 고이게 되는가
기체에도 무거운 것이 있고 가벼운 것이 있다. 프로판은 같은 부피의 공기에 비해 1.55배 무겁고, 부탄은 2.08배 무겁다. 그래서 프로판이나 부탄이 공기중에 누출되면 바닥에 가라앉게 되는 것이다.
LPG가 실내에 누출되었을 때 위쪽에 달려있는 창문을 열어도 누출된 가스가 밖으로 배출되지 않고 바닥에 깔려있게 된다. 그래서 현관문을 열고 빗자루나 방석으로 가스를 쓸어내야 한다고 가르친다. 지하실에서 LPG를 사용하면 위험하다는 것도 이 때문이다.
궁금증 : LPG가 누출되면 냄새가 난다는데.
원래 프로판과 부탄은 색깔도 없고 냄새도 없는 물질이다. 그러나, 가스가 누출되었을 때 이를 알 수 있도록 하기 위해 LPG를 제조할 때 냄새나는 물질을 첨가하도록 하고 있다.
누출된 가스의 농도가 0.1%일 때 사람이 냄새를 맡을 수 있을 정도의 냄새나는 물질을 첨가하도록 법령으로 정하고 있다. 가스가 누출되어 냄새가 난다고 해서 금방 가스가 폭발하는 것은 아니다. 가스가 폭발하는 농도는 2%가 넘어야 하기 때문이다.
LPG가 누출되어도 가스농도가 너무 진하면 폭발이 일어나지 않는다고 하는데
프로판이나 부탄에 불을 붙이면 무조건 폭발이 일어나는 것으로 알고 있는 사람들이 있다. 그러나, 사실은 그렇지 않다. 폭발이 일어나기 위해서는 가스가 공기와 혼합된 상태에 있어야 하고, 그것도 일정한 비율로 혼합되었을 때만 폭발이 일어날 수 있다. 폭발이라는 것은 가스가 공기와 반응하여 격렬하게 연소하는 현상이기 때문이다.
프로판이 연소할 수 있는 혼합비율의 범위를 연소범위(燃燒範圍) 또는 폭발범위(爆發範圍)라고 한다. 프로판의 연소범위는 2.2% ∼ 9.5%이고, 부탄의 연소범위는 1.9% ∼ 8.5%이다. 아래 그림에서 나타낸 바와 같이 부탄의 경우 공기중 가스의 농도가 1.9%미만이거나 8.5%를 초과하는 경우에는 아무리 불을 붙여도 연소나 폭발이 일어나지 않는다. 다시 말하면 어떤 방에 가스가 너무 적게 누출되어도 폭발이 일어나지 않고 가스가 너무 많이 누출되어 가스의 농도가 너무 진해도 폭발이 일어나지 않는다는 뜻이다.
[ 그림2 ] 부탄의 연소범위(공기중)
궁금증 : 오토바이에 싣고 가던 LPG용기가 떨어지면 폭탄이 터지듯이 폭발할까?
20kg 또는 50kg 들이 LPG용기를 오토바이에 싣고 곡예 하듯이 달리는 것을 보고 "폭탄을 싣고 도심을 질주한다"는 식으로 표현하는 경우를 종종 본다. 과연 용기가 떨어지면 폭탄처럼 폭발할까? 그렇지 않다.
우선 용기는 지상에 떨어진다고 해도 유리병 깨어지듯 깨어지는 물건이 아니다. 용기는 두께 3mm가 넘는 두꺼운 철판으로 만들어져 있기 때문이다.
만의 하나 용기에 부착되어 있는 밸브가 파손되어 가스가 누출된다고 하자. 그렇다 하더라도 바로 가스가 폭발하는 것은 아니다. 도로상에서 가스가 누출되면 가스는 바람에 날려 흩어지기 때문에 누출된 가스중 극히 일부만이 폭발범위에 들게 된다. 그래서, 주위에 불씨가 있어 불이 붙는다고 하더라도 가스는 폭발하는 것이 아니라 화염방사기처럼 불을 뿜다가 가스가 다 떨어지면 그 불도 꺼지게 될 것이다.
CCG110. LP가스의 물리확학적 성질
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1. 머리말
LP가스 또는 LPG란 Liquified Petroleum Gas(액화석유가스)의 약자로서 상온, 상압에서는 가스이지만 가압하면 쉽게 액화되는 탄화수소를 일컷는다. 일반적으로 많이 사용되고 있는 엘피가스는 탄소수가 3 또는 4인 프로판, 프로필렌, n -부탄,ｉ-부탄, ｉ-부텐, cis -2-부텐, ｉ-부텐등의 혼합물로 되어있는 것이 보통이다. 그러나, 액화석유가스의안전및사업관리법에서 액화석유가스라함은 프로판, 부탄을 주성분으로 한 가스를 액화한 것(기화된 것을 포함한다)을 지칭하는 것으로 되어 있다.
2. LP가스의 물리적 특성
2-1. 증기압과 비점
대기온도 즉 용기내의 가스의 온도가 섭씨15도라고 하면 이 때 용기내의 압력은 약7.5kg/cm²가 되는데, 이 용기내의 압력 7.5kg/cm²를 섭씨15도에서의 프로판의 증기압(어떤 온도에서 그물질의 액상과 평형상태에 있는 증기의 압력)이라고 한다. 이 상태에서 중간밸브를 열고 가스를 사용하면 초기에는 가스의 압력이 7.5kg/cm²로 유지된 상태에서 액화프호판이 비등하면서 증발하여 연소기로 공급되는데 이때 온도 섭씨15도를 7.5kg/cm²에서의 프로판의 비등점 또는 비점(액체의 증기압이 일정한 외압과 같아지는 온도)이라고 한다.
전술한 엘피가스의 증기압 때문에 펌프나 콤프레셔등을 사용하지 않아도 밸브만 열면 엘피가스용기의 위치에 관계없이 가스를 사용할 수 있게 되는 것이다.
2-2. 증발잠열
그러나, 계속해서 빠른 속도로 가스를 뽑아 쓰게 되면 용기의 표면에 이슬이 맺히게 된다. 이것은 엘피가스가 증발하여 기화하면서 주위로부터 열을 빼앗아가 액화가스 및 용기의 온도가 낮아 지기 때문인데 열을 빼앗아 가는 것은 더운 여름에 뜰에 물을 뿌리면 시원하게 되는 것과 같은 현상이며 용기표면에 이슬이 맺히는 것은 더운 여름날 컵에 차가운 물을 부으면 기온과 컵표면의 온도 차이 때문에 컵의 표면에 이슬이 맺히는 것과 같은 현상이다. 액화프로판 1kg이 증발하면서 주위로부터 102kcal의 열을 빼앗아 가게 되는데 이를 프로판의 증발잠열이라 한다.
이와 같이 가스를 사용하는 동안에는 계속해서 용기내로 열을 공급해 주어야 하므로 하나의 용기에 여러개의 가스렌지를 연결해서 동시에 사용하게 되면 주위로부터의 열공급속도에 비해 증발잠열로 소모되는 열의 양이 많음에 따라 용기내 악화프로판의 온도가 급격히 낮아지게 된다. 이 경우 프로판의 온도가 계속 낮아져 섭씨-42도부근까지 내려가게 되면 프로판의 증기압이 대기압과 같은 1kg/cm²내외가 되므로 밸브를 열어도 가스는 나오지 않게 되는 것이다.
따라서, 가스를 동시에 많이 사용하는 음식점등에서는 증발잠열의 공급을 원할하게 하기위해 여러개의 용기를 연결해서 사용하거나 강제 기화기를 사용하고 있다.
2-3. 액화 및 기화
프로판 또는 부탄을 액화시키기 위하여는 상온에서 가스의 압력을 그 온도에서의 증기압이상으로 상승시키거나 상압에서 가스의 온도를 그압력에서의 비점이하로 강하시켜야 한다. 전자를 가압액화라 하며 일반적으로 가정에서 사용하는 용기는 물론 저장탱크, 탱크로리등에 저장된 가스는 대부분 가압액화한 엘피가스이다. 또한 후자를 냉각액화라 하는데, 외항선박의 대형 수송용 탱크에 저장된 가스는 냉각액화한 엘피가스인 경우가 많다.
프로판 또는 부탄을 액화하면 그 부피는 약 1/250로 된다. 따라서 액체상태로 저장하거나 운반하면 작은 용기에 대량의 액화가스를 저장할 수 있게되므로 취급상 편리하게 되는 것이다.
2-4. 액화가스의 팽창
액체상태의 엘피가스의 온도를 상승시키면 부피의 팽창률은 대단히 커, 물의 팽창률의 15~20배, 금속류의 팽창률 보다는 약 100배나 된다.
용기에 규정질량의 프로판을 충전한 경우 섭씨60도에 달하게 되면 용기내부가 완전히 액화가스로 차게 된다. 그러므로 규정질량이상으로 과충전하게 되면 섭씨60도 이하의 비교적 낮은 온도에서 액체로 충만하게 되고 더 이상 가열되면 용기가 파열하게 된다. 용기에 엘피가스를 80%이상 충전하지 못하게 하는 것은 이러한 이유 때문이다.
2-5. 비중
프로판가스는 공기에 비해 약1.55배 무겁고 부탄가스는 공기에 비해 약2.08배 무겁다. 따라서 이러한 가스가 공기중에 누설하게 되면 아래쪽으로 체류하게 되므로 폭발의 위험성이 크다고 볼 수 있다.
한편, 액화프로판의 무게는 같은 부피의 물의 무게의 0.51배, 액화부탄의 무게는 같은 부피의 물의 무게의 0.58배로서 엘피가스의 액밀도는 물의 1/2정도밖에 되지 않는다. 따라서, 보통 10톤탱크라고 하면 그부피는 20m³정도가 된다고 생각할 수 있겠다.
저장탱크의 내압시험을 위해 물을 저장탱크에 넣었다 뺀 후에는 부등침하등이 일어나지 않았는지 주의해야하는데 이것은 물의 무게가 같은 부피의 엘피가스 무게의 2배정도가 되므로 과중이 걸릴 우려가 있기 때문이다.
3. LP가스의 화확적 특성
3-1. 연소범위
프로판이나 부탄을 연소시키기 위하여는 반드시 공기(산소)를 공급해 주어야 한다. 또한 무조건 공급해 준다고 해서 연소가 되는 것이 아니라 공기와의 혼합비율이 일정한 범위에 들어가야 연소가 가능해진다. 이 범위를 연소범위(폭발범위 또는 연소한계)라고 한다. 프로판의 연소범위는 2.1~9.5%, 부탄의 연소범위는 1.8~8.4%이다. 엘피가스는 수소나 아세틸렌에 비해 연소범위 즉 폭발범위가 좁기 때문에 비교적 안전성이 높다고 할 수 있다.
3-2. 이론공기량
프로판 및 부탄의 연소반응식은 다음과 같다.
C3H8 + 5O2 = 3CO2 + 4H2O + △H
C4H10 + 6.5O2 = 4CO2 +5H2O + △H
이반응식에서와 같이 엘피가스가 연소반응하여 완전히 CO2와 H2O로 바뀌는 것을 완전연소라고 하며 가연성물질을 완전연소시키는데 필요한 최소한의 공기량을 이론공기량이라고 한다. 프로판 1m³을 연소시키는데 필요한 이론공기량은 23.81m³, 부탄1m³을 연소시키는데 필요한 이론공기량은 30.31m³이다.
한편, 연소할 때에 공기가 부족하면 불완전연소가 되는데 이때는 상기 반응식에서 CO2로 되어야 할 것이 CO 즉 유독가스인 일산화탄소로 되므로 가스렌지등을 볼완전연소상태에서 장시간 사용하게 되면 일산화탄소에 중독될 우려가 있는 것이다.
3-3. 발열량
위의 반응식에 나타난 바와 같이 엘피가스는 연소하면서 열(△H)을 내는데, 일정한 량의 연료가 타면서 내놓는 열량을 발열량이라고 한다.
한편, 연료중의 수소가 연소하여 생기는 수분의 상태(기체상태 또는 액체상태)에 따라 발열량에는 연소때 가스중의 수분의 증발잠열만큼의 차이가 있게 되며 증발잠열을 발열량에 포함시킨 것(수분이 액체상태로 배출되는 경우)을 고발열량 또는 총발열량, 포합시키지 않은 것을 저발열량 또는 진발열량이라 한다.
프로판의 총발열량은 12,034kcal/kg, 진발열량은 11,079kcal/kg이고, 부탄의 총발열량은 11,831kcal/kg, 진발열량은 10,927kcal/kg이다.
일반적으로 발열량이 큰 연료를 우수한 연료라 할 수 있다. 엘피가스는 고체연료에 비해 2배정도 큰 발열량을 가지며 석유보다도 큰 발열량을 갖고 있어 상당히 우수한 연료라 할 수 있겠다.
3-4. 그밖의 화학적 특성
그밖에 엘피가스는 탄소와 수소만의 화합물로 되어 있으므로 연소폐가스, 탄산가스(CO2)와 수증기(H2O)뿐이다. 따라서, 석유류나 석탄과 같이 SO2, NOx등의 공해물질이 거의 나오지 않으며, 그을음, 매연 및 타고남은 재가 없는 깨끗한 연료이다.
. LPG 사용분야
LPG, 이 귀중하고 깨끗한 에너지는 97년말 현재 전국의 850여만 가구에서 주방용 및 난방용으로 사용되고 있어 우리의 생활에서 빼놓을 수 없는 생활 필수품이 되어 버렸다. 10여년 전까지만 해도 가스는 중산층 이상의 가정에서 많이 사용 했기 때문에 고급연료로 이해되어 많은 주부들의 선망의 대상이 되기도 했었다. 이러한 LPG가 우리나라에서 공급되기 시작한 것은 1964년 대한석유공사 울산정유공장이 가동되어 원유정제과정에서 LPG가 생산되면서부터였으며, 연료용으로서 가스의 소비는 산업발달과 국민생활수준 향상, 정부의 공해방지정책과 에너지원 다변화 정책등에 힘입어 더욱 빠를 속도로 늘어나게 되었던 것이다.
공업용으로서 LPG의 수요도 증가되고 있으며, 폭넓은 잠재수요가 있어 다양한 용도로 새로운 수요의 개척이 기대된다. LPG는 공급의 안정성과 공해방지상의 이점등에 기인하는 청정연료 선호경향에 따라 그 수요는 앞으로도 당분간 증가할 것으로 예상되고 있으며, 현재 공업용으로서 LPG의 이용도가 가장 큰 분야로는 연소 생성가스를 이용할 수 있는 건조용과 높은 발열량 특성을 이용 할 수 있는 가열용. 소성용. 용해용 등을 들 수 있겠다.
그리고 LPG는 농수산물의 재배와 가공에도 상당히 유용하게 이용되고 있다. 농업용으로는 전국적으로 보급되어 있는 비닐하우스의 직접 열풍 난방용뿐만 아니라 연소 생성가스중에 다량 포함되어 있는 탄산가스를 이용할 수 있기 때문에 야채, 과일, 꽃 등의 품질향상 및 다수확 재배용으로 이용되고 있으며 농수산물의 건조 및 어패류의 가공에도 이용되고 있다.
도시가스용에 있어서 LPG는 원료 또는 열량변경용으로 이용된다. 우리나라의 경우 도시가스로는 주로 LNG가 공급되고 있으나 일부 지방에서 LPG-air방식이 이용되고 있는데 이 경우 도시가스의 원료는 LPG가 되는 것이다.
자동차용 LPG수요는 최근 들어 급격히 늘었다. 우리나라의 경우 LPG를 사용할 수 있는 자동차는 제도적으로 영업용 택시, 장애자용 승용차 및 소형 승합차등으로 제한하고 있다. LPG를 자동차용으로 사용할 경우 배기가스에 의한 도심 대기오염 방지에 크게 기여하게 되므로 이분야에서의 수요는 점차 확대될 가능성이 높다.
2. LPG 거래방식
현재 LPG의 거래방식은 용기와 연소기와의 사이에 가스계량기를 설치하고 가스계량기에 적산된 가스사용량에 따라 정기적으로 가스사용료를 계산하는 체적거래방식과 용기에 충전된 가스의 무게에 따라 가스사용료를 계산하는 중량거래방식으로 구분된다.
지금까지의 중량거래방식은 가스가 떨어질 때 마다 주문해야 하므로 불편하기도 하고, 가스배달시 중량을 일일이 달아 볼 수 없어 중량에 대한 불신도 컸다. 뿐만 아니라 가스공급자가 수시로 바뀌게 되어 사용시설 안전관리에서 가장 중요한 공급자의 안전점검도 제대로 이루어지지 못했고, 일부 가스에 대해 몰상식한 사람들은 호스를 절단하는 등의 방법으로 가스폭발을 유발시켜 본인은 물론 주위 주민에게 까지 피해를 주는 문제점이 있었다.
체적거래방식은 도시가스 처럼 가스계량기에 의하여 판매하는 방식이므로 가스공급이 중단되는 일이 없고, 가스시설은 금속배관으로 되어 있어 호스 절단에 의한 고의 사고도 상당부분 예방할 수 있으며, 가스공급자 측면에서는 전화가 올 때 마다 가스를 공급하지 않아도 되므로 인력절감의 효과와 계획성 있는 사업추진이 가능해져 여유 인력과 재정능력을 안전관리에 투자할 수 있는 여력을 확보할 수 있게 해준다. 이러한 이점을 고려하여 97 년초 정부는, 사용자의 비용부담 과중에 따른 민원발생의 우려가 예상 되었음에도 불구하고 체적거래방식을 법으로 의무화 하지 않을 수 없었던 것으로 생각된다.
법령에 의하여 기존 음식점 등의 업무용 건물은 97년 12월까지, 기존 공동주택(다세대, 연립, 아파트등)은 98년 말까지, 기존 단독주택은 2000년 말까지 체적거래 방식으로 전환해야 한다. 물론 97년 2월 이후 새로이 설치되는 건축물에서는 처음부터 체적거래로 해야 한다.
3. LPG 사용시설
3-1. 용기
용기는 문자 그대로 가스를 담는 통이다. 용기는 충전할 수 있는 가스의 무게에 따라 13kg, 20kg, 50kg 등으로 구분된다. 용기의 손잡이 부근에는 그림과 같이 용기제조자의 명칭과 용기 제조년월등이 각인되어 있고, 용기의 몸통에는 가스의 명칭(LPG)과 가스의 충전기한이 빨간 글씨로 적혀 있다. 충전기한이 지난 용기는 법령에 의한 재검사기간이 경과한 것이므로 불법일 뿐아니라 안전성을 보장 받을 수 없으므로 사용하여서는 아니된다. 다만, 가스공급당시 충전기한이 지나지 않은 것이면 가스를 다 쓸 때 까지는 사용해도 무방하다.
그림1. 용기 프로텍터의 각인사항
용기는 직사광선이 들지 않고 통풍이 잘되는 용기보관실을 만들어 보관해야 하며, 용기를 옥내에 설치하는 것은 대단히 위험하므로 반드시 옥외에 설치해야 한다. 그리고, 용기를 2개이상 연결해서 사용할 때에는 금속관으로 된 집합대와 측도관을 사용해야 한다.
3-2. 압력조정기
용기내의 가스압력은 7 ~ 8 kg/㎠ 정도로 압력이 너무 높아 그대로 사용할 수 없다. 이 높은 압력을 사용하기 적합한 압력으로 바꾸어 주는 것이 압력조정기인데 전기공급시설의 변압기와 같은 기능을 하는 중요한 장치이다.
그림2. 압력조정기의 구조도
보통 일반사용시설의 연소기에 적합한 압력은 230 ~ 330 mmH2O 이다. 조정기가 고장이 나 가스압력이 높아지면 불완전연소가 일어나거나 불이 꺼져 생가스가 나오게 되므로 가스폭발 사고의 원인이 될 수도 있다.
3-3. 자동절체기
LPG체적사용시설의 주요장치인 자동절체기는 한쪽의 용기에 있는 가스가 떨어지면, 자동으로 다른쪽 용기에서 가스가 공급되도록 하는 장치이다. 이 장치가 있음으로 해서 가스사용자는 가스가 떨어질 때 마다 가스를 주문하지 않아도 되고 가스공급자는 수시로 가스를 배달해야 하는 불편함을 덜 게 되는 것이다.
자동절체기에는 용기 교체 레버가 있는데 이것은 가스공급자가 가스용기를 교환 할 때 조작하는 것이므로, 일반 사용자가 만져서는 아니되겠다.
3-4. 계량기
가스계량기는 가스의 사용량을 측정하는 장치이다. 가스계량기에는 도시가스용, LPG용, 도시가스와 LPG겸용이 있으며, 계량용량에 따라 2호부터 5호까지가 주로 사용되고 있다. 가정에서 사용되는 것은 대부분 2호와 3호이며, 가스계량기의 계량용량은 호수에 m3/시간을 붙인 것과 같다. 즉, 2호의 계량용량은 2m3/시간, 3호는 3m3/시간이 되는 것이다.
가스계량기는 화기와 2m이상의 우회거리가 유지되는 환기가 양호한 장소에 설치해야 하며, 지면으로부터 1.6m 이상 2m 이내의 높이에 수직, 수평으로 설치하고 밴드등으로 고정시켜야 한다. 단, 계량기를 격납상자 안에 설치할 때에는 높이를 유지하지 않아도 된다.
3-5. 휴즈콕크
휴즈콕크는 가스를 열거나 닫을 때 사용하는 개폐기구로, 가스를 사용하기 전에 열고 가스를 다 쓴 후 가스공급을 차단하기 위해 가스렌지등의 연소기 가까이에 설치 한다. 휴즈라는 말은 전기설비의 두꺼집안에 있는 휴즈와 같은 의미를 가지는 것으로 휴즈콕크는 가스의 흐름량이 지나치게 많을 때 가스의 흐름을 자동으로 차단해 주는 기능을 한다. 따라서, 실수로 호스가 빠지거나, 자해 또는 가해의 목적으로 호스가 인위적으로 절단되었을 때 작동하여 가스사고를 막아 줄 수 있다. 값은 아주 저렴하면서 유사시 상당히 유용한 안전장치라 할 수 있겠다.
휴즈콕크와 일반콕크(휴즈기능이 없이 단순 개폐기능만 있는 것)는 외관이 비슷하여 겉만 보아서는 구분하기가 쉽지 않다. 휴즈콕크를 설치하기 전에 손잡이를 열림 상태로 하고 속을 들여다 보면 구멍에 볼이 들어 있는 것을 볼 수 있다
LPG(액화석유가스)란?
LPG란 Liqufied Petroleum Gas의 약자이다. 우리말로는 액화석유가스(液化石油가스)라고 한다. 물론 LPG가스라고 하는 것은 잘못된 말이다.
그러면,「석유가스」라고 하는 것은 무엇인가. 유전(油田)에서 나오는 석유를 정유공장의 증류탑(蒸溜塔)이라고 하는 장치에 넣고 끓이면 각종 석유제품이 만들어진다. 정유공장에서 만들어지는 석유제품으로는 아스팔트, 중유, 경유, 휘발유, 프로판, 부탄 등이 있다. 이들 중에서 프로판과 부탄은 가스상태의 물질이고 나머지는 액체상태의 물질이다. 석유에서 만들어진 가스상태의 물질 즉 프로판과 부탄을「석유가스」라고 하는 것이다.
그러면,「액화석유가스」라고 하는 것은 또 무엇인가. 위에서 말한「석유가스」를 높은 압력으로 압축하면 액체상태로 된다. 액체상태로 만든 석유가스를「액화석유가스」라고 하는 것이다.
석유가스인 프로판과 부탄을 압축하여 액화가스로 만드는 이유는 가스의 부피가 250분의 1정도로 줄어들기 때문이다. 우리 가정에서 사용하는 20kg 들이 LPG용기에는 40ℓ정도의 액화가스가 들어있다. 만약 이 가스를 기체상태로 용기에 담으려면 1만ℓ짜리 탱크가 필요하다. 이렇게 큰 탱크로 가스를 운반해와 가정에 설치하고 사용할 수 있겠는가. 운반비도 많이 들고, 그렇게 큰 탱크를 놓을 장소도 구하기 어려울 것이다.
궁금증 : LPG는 언제부터 사용되기 시작했을까?
세계적으로 LPG는 2차 세계대전 후부터 사용되기 시작했다고 한다. 일본의 경우에는 1941년 정유공장에서 처음 생산되기 시작했으며, 우리 나라의 경우에는 1960년대 초에 유입경로는 명확하지 않으나 일본산의 프로판을 들여와 가스난로 등에 약간량 소비한 것으로 알려져 있다. 1964년 대한석유공사 울산정유공장이 가동됨으로써 국내에서도 LPG는 본격적으로 사용되기 시작했다.
LPG는 어떠한 물질로 구성되어 있는가
앞에서도 말한 바와 같이 LPG는 프로판과 부탄으로 구성되어 있다.
프로판과 부탄은 탄소원자(C)와 수소원자(H)로 구성되어 있는 화합물(化合物)이다. 이러한 화합물을 탄화수소(炭化水素)라 한다. 프로판은 탄소원자 3개와 수소원자 8개로 구성되어 있고, 부탄은 탄소원자 4개와 수소원자 10개로 구성되어 있다. 부탄은 프로판보다 탄소원자가 1개 많은데 이 때문에 부탄과 프로판은 상당히 다른 성질을 나타낸다.
우리가 가정이나 식당 같은 곳에서 20kg 또는 50kg 들이 용기에 충전하여 사용하는 LPG를 프로판가스라고 하기도 한다. 그러나, 실제로는 순수한 프로판은 아니고 프로판이 70%정도, 부탄이 30%정도 섞인 혼합물이다. 한편, 야외에서 이동식 가스렌지에 넣어 사용하는 용기를 부탄캔이라 하고 그 가스를 부탄가스라고 한다. 그러나, 이것도 실제로는 순수한 부탄이 아니고 부탄이 70%정도, 프로판이 30정도 섞인 혼합물이다.
[ 표 1 ] 순수한 프로판과 부탄의 물리화학적 특성
[ 표 2 ] 프로판과 부탄의 주요 차이점 구 분
프로판
부 탄
기화특성 (氣化特性)
비점(沸點) 즉 액체에서 가스로 바뀌는 온도가 -42℃이기 때문에 겨울철과 같이 낮은 기온에서도 기화시킬 수 있다. 따라서, 가정에서 사용하는 프로판가스는 겨울철에도 가스용기를 옥외에 두고 사용할 수 있다.
비점(沸點)이 -0.5℃이기 때문에 온도가 낮으면 잘 기화되지 않는다. 따라서, 부탄은 케비넷히터와 같이 실내에서 사용하거나, 자동차와 같이 강제로 기화시키는 장치를 설치하고 사용해야 한다. 부탄캔의 경우 여름철에는 사용하는데 불편함이 없으나 겨울철 야외에서 사용하게 되면 가스가 잘 나오지 않게 되는 것도 비점이 낮기 때문이다.
주요용도
(主要用度)
일반가정이나 음식점 등에서 주방용 또는 난방용으로 많이 사용한다.
실내에서 사용하는 케비넷히터용, 자동차 연료용, 이동식 가스렌지용 등으로 많이 사용한다.
안전성
(安全性)
가스상태에서 공기보다 1.5배정도 무겁기 때문에 가스가 누출되면 아래쪽으로 체류하는 특성이 있어 폭발의 위험성이 높다.
가스상태에서 공기보다 2배정도 무겁기 때문에 프로판보다 체류할 위험성이 조금 더 높고 폭발위험성도 조금 더 높다고 할 수 있다.
발열량
(發熱量)
프로판 1kg의 발열량은 11,079kcal이다.
부탄 1kg의 발열량은 10,927kcal이다. 즉, 부탄의 열량은 프로판에 비해 약간 낮다.
얼마나 높은 압력으로 압축해야 액체상태로 되는가
LPG 즉 액화석유가스라고 하는 것은 프로판이나 부탄을 압축하여 액체상태로 만든 것이라 했다. 그러면, 얼마나 높은 압력으로 압축을 해야 액체상태의 가스가 만들어질까. 프로판은 8.4kg/㎠, 부탄은 2.0kg/㎠ 이상의 압력으로 압축을 해야 한다.
아래 [그림1]은 피스톤에 의한 부탄의 액화과정을 그림으로 나타낸 것이다. 가스상태의 부탄을 2kg/㎠까지 압축하면 가스상태의 부탄은 액체로 바뀌기 시작한다. 이 압력을 유지하면서 계속 누르면 모든 부탄가스가 액체로 바뀌게 되고 이때의 부피는 처음 부피의 250분의 1로 되는 것이다.
[ 그림 1 ] 액화부탄의 제조원리
LPG용기에 압축기가 없어도 계속해서 가스가 나오는 이유는
아래 [그림2]는 LPG사용시설의 개요를 그림으로 나타낸 것이다. 용기 안의 가스를 부탄이라고 하면 그 압력은 2kg/㎠가 된다. 연소기에서 가스를 사용하면 용기내의 압력에 의해 기체상태의 가스가 밀려나오게 되고, 기체상태의 가스가 줄어들면 액체가 기화되어 기체상태의 가스가 보충된다. 계속해서 가스를 사용하면 액면이 아래로 내려가 마침내는 액체상태의 가스가 완전히 없어지게 된다. 중요한 것은 액체상태의 가스가 남아 있는 한 압력은 계속해서 2kg/㎠가 유지된다는 것이다.
기체상태의 가스와 액체상태의 가스가 균형을 이루고 있는 상태를 기액공존(氣液共存)상태라 하며, [그림1]에서 상태B에 해당한다. 용기 안에 액체상태의 가스가 남아 있는 한 기액공존상태는 유지되며, 기액공존상태에서는 가스의 압력이 일정하게 된다.
[ 그림 2 ] LPG사용시설 개요도
LPG는 증발하면서 주위로부터 열을 빼았아 간다는데
물파스를 피부에 바르면 피부가 시원해지는 것을 느낄 수 있다. 그것은 액체상태의 물파스가 증발하면서 피부 주위에 있는 열을 빼앗아 가기 때문이다. 모든 액체상태의 물질은 증발하여 기체로 바뀔 때 주위로부터 열을 빼앗아 간다. 이 열을 증발잠열(蒸發潛熱)이라고 한다.
프로판 1kg이 증발하기 위해서는 101.8 kcal의 열이 있어야 하고 부탄의 경우는 92.1 kcal의 열이 있어야 한다.
궁금증 : 겨울철 야외에서 가스렌지를 사용하면 왜 불이 점점 약해질까
야외용 가스렌지에 사용하는 부탄캔 속에는 액체상태의 부탄이 들어 있다. 가스렌지를 켜면 액체상태의 부탄이 부탄캔 속에서 증발하여 버너로 보내지고 이것이 연소하게 된다. 버너에서 가스가 연소하고 있는 동안 부탄캔 속에서는 계속해서 증발이 일어나고, 주위로부터 계속해서 증발에 필요한 열을 빼앗아 가게된다.
여름철에는 기온이 높기 때문에 부탄캔에 대한 열 공급이 원활하여 사용에 지장이 없지만, 기온이 낮은 겨울철에는 열 공급이 원활치 못해 가스의 증발속도가 점차 떨어지게 되고, 불도 점점 약해지다가 마침내는 꺼지게 된다.
이때 부탄캔을 꺼내 만져보면 캔표면이 차갑게 냉각되어 있음을 알 수 있다. 캔을 따뜻하게 한 후 다시 끼우고 사용하면 다시 가스는 잘 나오게 된다.
LPG용기에 가스를 충전할 때는 왜 85%까지만 충전해야 하는가
「액화석유가스의안전및사업관리법」에서는 LPG를 용기에 충전할 때 액체상태의 LPG가 용기 내용적의 85%를 초과하지 못하도록 규정하고 있다.
액체상태에 있는 LPG의 온도를 상승시키면 부피가 늘어난다. LPG의 부피팽창율은 물의 15 ∼ 20배, 금속의 100배나 된다. 용기의 85%가 되도록 LPG를 충전하고 온도를 상승시킬 경우 가스의 온도가 60℃에 달하게 되면 액체상태의 가스가 용기에 꽉 차게 되고, 60℃를 초과해서 계속 온도를 올리게 되면 마침내 용기는 파열되고 만다. 법령에서 용기의 온도를 40℃이하로 유지하라고 하는 것도 이러한 이유에서다.
[ 그림 3 ] 액화부탄의 액팽창(液膨脹)
LPG가 누출되면 왜 바닥쪽에 고이게 되는가
기체에도 무거운 것이 있고 가벼운 것이 있다. 프로판은 같은 부피의 공기에 비해 1.55배 무겁고, 부탄은 2.08배 무겁다. 그래서 프로판이나 부탄이 공기중에 누출되면 바닥에 가라앉게 되는 것이다.
LPG가 실내에 누출되었을 때 위쪽에 달려있는 창문을 열어도 누출된 가스가 밖으로 배출되지 않고 바닥에 깔려있게 된다. 그래서 현관문을 열고 빗자루나 방석으로 가스를 쓸어내야 한다고 가르친다. 지하실에서 LPG를 사용하면 위험하다는 것도 이 때문이다.
궁금증 : LPG가 누출되면 냄새가 난다는데.
원래 프로판과 부탄은 색깔도 없고 냄새도 없는 물질이다. 그러나, 가스가 누출되었을 때 이를 알 수 있도록 하기 위해 LPG를 제조할 때 냄새나는 물질을 첨가하도록 하고 있다.
누출된 가스의 농도가 0.1%일 때 사람이 냄새를 맡을 수 있을 정도의 냄새나는 물질을 첨가하도록 법령으로 정하고 있다. 가스가 누출되어 냄새가 난다고 해서 금방 가스가 폭발하는 것은 아니다. 가스가 폭발하는 농도는 2%가 넘어야 하기 때문이다.
LPG가 누출되어도 가스농도가 너무 진하면 폭발이 일어나지 않는다고 하는데
프로판이나 부탄에 불을 붙이면 무조건 폭발이 일어나는 것으로 알고 있는 사람들이 있다. 그러나, 사실은 그렇지 않다. 폭발이 일어나기 위해서는 가스가 공기와 혼합된 상태에 있어야 하고, 그것도 일정한 비율로 혼합되었을 때만 폭발이 일어날 수 있다. 폭발이라는 것은 가스가 공기와 반응하여 격렬하게 연소하는 현상이기 때문이다.
프로판이 연소할 수 있는 혼합비율의 범위를 연소범위(燃燒範圍) 또는 폭발범위(爆發範圍)라고 한다. 프로판의 연소범위는 2.2% ∼ 9.5%이고, 부탄의 연소범위는 1.9% ∼ 8.5%이다. 아래 그림에서 나타낸 바와 같이 부탄의 경우 공기중 가스의 농도가 1.9%미만이거나 8.5%를 초과하는 경우에는 아무리 불을 붙여도 연소나 폭발이 일어나지 않는다. 다시 말하면 어떤 방에 가스가 너무 적게 누출되어도 폭발이 일어나지 않고 가스가 너무 많이 누출되어 가스의 농도가 너무 진해도 폭발이 일어나지 않는다는 뜻이다.
[ 그림2 ] 부탄의 연소범위(공기중)
궁금증 : 오토바이에 싣고 가던 LPG용기가 떨어지면 폭탄이 터지듯이 폭발할까?
20kg 또는 50kg 들이 LPG용기를 오토바이에 싣고 곡예 하듯이 달리는 것을 보고 "폭탄을 싣고 도심을 질주한다"는 식으로 표현하는 경우를 종종 본다. 과연 용기가 떨어지면 폭탄처럼 폭발할까? 그렇지 않다.
우선 용기는 지상에 떨어진다고 해도 유리병 깨어지듯 깨어지는 물건이 아니다. 용기는 두께 3mm가 넘는 두꺼운 철판으로 만들어져 있기 때문이다.
만의 하나 용기에 부착되어 있는 밸브가 파손되어 가스가 누출된다고 하자. 그렇다 하더라도 바로 가스가 폭발하는 것은 아니다. 도로상에서 가스가 누출되면 가스는 바람에 날려 흩어지기 때문에 누출된 가스중 극히 일부만이 폭발범위에 들게 된다. 그래서, 주위에 불씨가 있어 불이 붙는다고 하더라도 가스는 폭발하는 것이 아니라 화염방사기처럼 불을 뿜다가 가스가 다 떨어지면 그 불도 꺼지게 될 것이다.
CCG110. LP가스의 물리확학적 성질
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1. 머리말
LP가스 또는 LPG란 Liquified Petroleum Gas(액화석유가스)의 약자로서 상온, 상압에서는 가스이지만 가압하면 쉽게 액화되는 탄화수소를 일컷는다. 일반적으로 많이 사용되고 있는 엘피가스는 탄소수가 3 또는 4인 프로판, 프로필렌, n -부탄,ｉ-부탄, ｉ-부텐, cis -2-부텐, ｉ-부텐등의 혼합물로 되어있는 것이 보통이다. 그러나, 액화석유가스의안전및사업관리법에서 액화석유가스라함은 프로판, 부탄을 주성분으로 한 가스를 액화한 것(기화된 것을 포함한다)을 지칭하는 것으로 되어 있다.
2. LP가스의 물리적 특성
2-1. 증기압과 비점
대기온도 즉 용기내의 가스의 온도가 섭씨15도라고 하면 이 때 용기내의 압력은 약7.5kg/cm²가 되는데, 이 용기내의 압력 7.5kg/cm²를 섭씨15도에서의 프로판의 증기압(어떤 온도에서 그물질의 액상과 평형상태에 있는 증기의 압력)이라고 한다. 이 상태에서 중간밸브를 열고 가스를 사용하면 초기에는 가스의 압력이 7.5kg/cm²로 유지된 상태에서 액화프호판이 비등하면서 증발하여 연소기로 공급되는데 이때 온도 섭씨15도를 7.5kg/cm²에서의 프로판의 비등점 또는 비점(액체의 증기압이 일정한 외압과 같아지는 온도)이라고 한다.
전술한 엘피가스의 증기압 때문에 펌프나 콤프레셔등을 사용하지 않아도 밸브만 열면 엘피가스용기의 위치에 관계없이 가스를 사용할 수 있게 되는 것이다.
2-2. 증발잠열
그러나, 계속해서 빠른 속도로 가스를 뽑아 쓰게 되면 용기의 표면에 이슬이 맺히게 된다. 이것은 엘피가스가 증발하여 기화하면서 주위로부터 열을 빼앗아가 액화가스 및 용기의 온도가 낮아 지기 때문인데 열을 빼앗아 가는 것은 더운 여름에 뜰에 물을 뿌리면 시원하게 되는 것과 같은 현상이며 용기표면에 이슬이 맺히는 것은 더운 여름날 컵에 차가운 물을 부으면 기온과 컵표면의 온도 차이 때문에 컵의 표면에 이슬이 맺히는 것과 같은 현상이다. 액화프로판 1kg이 증발하면서 주위로부터 102kcal의 열을 빼앗아 가게 되는데 이를 프로판의 증발잠열이라 한다.
이와 같이 가스를 사용하는 동안에는 계속해서 용기내로 열을 공급해 주어야 하므로 하나의 용기에 여러개의 가스렌지를 연결해서 동시에 사용하게 되면 주위로부터의 열공급속도에 비해 증발잠열로 소모되는 열의 양이 많음에 따라 용기내 악화프로판의 온도가 급격히 낮아지게 된다. 이 경우 프로판의 온도가 계속 낮아져 섭씨-42도부근까지 내려가게 되면 프로판의 증기압이 대기압과 같은 1kg/cm²내외가 되므로 밸브를 열어도 가스는 나오지 않게 되는 것이다.
따라서, 가스를 동시에 많이 사용하는 음식점등에서는 증발잠열의 공급을 원할하게 하기위해 여러개의 용기를 연결해서 사용하거나 강제 기화기를 사용하고 있다.
2-3. 액화 및 기화
프로판 또는 부탄을 액화시키기 위하여는 상온에서 가스의 압력을 그 온도에서의 증기압이상으로 상승시키거나 상압에서 가스의 온도를 그압력에서의 비점이하로 강하시켜야 한다. 전자를 가압액화라 하며 일반적으로 가정에서 사용하는 용기는 물론 저장탱크, 탱크로리등에 저장된 가스는 대부분 가압액화한 엘피가스이다. 또한 후자를 냉각액화라 하는데, 외항선박의 대형 수송용 탱크에 저장된 가스는 냉각액화한 엘피가스인 경우가 많다.
프로판 또는 부탄을 액화하면 그 부피는 약 1/250로 된다. 따라서 액체상태로 저장하거나 운반하면 작은 용기에 대량의 액화가스를 저장할 수 있게되므로 취급상 편리하게 되는 것이다.
2-4. 액화가스의 팽창
액체상태의 엘피가스의 온도를 상승시키면 부피의 팽창률은 대단히 커, 물의 팽창률의 15~20배, 금속류의 팽창률 보다는 약 100배나 된다.
용기에 규정질량의 프로판을 충전한 경우 섭씨60도에 달하게 되면 용기내부가 완전히 액화가스로 차게 된다. 그러므로 규정질량이상으로 과충전하게 되면 섭씨60도 이하의 비교적 낮은 온도에서 액체로 충만하게 되고 더 이상 가열되면 용기가 파열하게 된다. 용기에 엘피가스를 80%이상 충전하지 못하게 하는 것은 이러한 이유 때문이다.
2-5. 비중
프로판가스는 공기에 비해 약1.55배 무겁고 부탄가스는 공기에 비해 약2.08배 무겁다. 따라서 이러한 가스가 공기중에 누설하게 되면 아래쪽으로 체류하게 되므로 폭발의 위험성이 크다고 볼 수 있다.
한편, 액화프로판의 무게는 같은 부피의 물의 무게의 0.51배, 액화부탄의 무게는 같은 부피의 물의 무게의 0.58배로서 엘피가스의 액밀도는 물의 1/2정도밖에 되지 않는다. 따라서, 보통 10톤탱크라고 하면 그부피는 20m³정도가 된다고 생각할 수 있겠다.
저장탱크의 내압시험을 위해 물을 저장탱크에 넣었다 뺀 후에는 부등침하등이 일어나지 않았는지 주의해야하는데 이것은 물의 무게가 같은 부피의 엘피가스 무게의 2배정도가 되므로 과중이 걸릴 우려가 있기 때문이다.
3. LP가스의 화확적 특성
3-1. 연소범위
프로판이나 부탄을 연소시키기 위하여는 반드시 공기(산소)를 공급해 주어야 한다. 또한 무조건 공급해 준다고 해서 연소가 되는 것이 아니라 공기와의 혼합비율이 일정한 범위에 들어가야 연소가 가능해진다. 이 범위를 연소범위(폭발범위 또는 연소한계)라고 한다. 프로판의 연소범위는 2.1~9.5%, 부탄의 연소범위는 1.8~8.4%이다. 엘피가스는 수소나 아세틸렌에 비해 연소범위 즉 폭발범위가 좁기 때문에 비교적 안전성이 높다고 할 수 있다.
3-2. 이론공기량
프로판 및 부탄의 연소반응식은 다음과 같다.
C3H8 + 5O2 = 3CO2 + 4H2O + △H
C4H10 + 6.5O2 = 4CO2 +5H2O + △H
이반응식에서와 같이 엘피가스가 연소반응하여 완전히 CO2와 H2O로 바뀌는 것을 완전연소라고 하며 가연성물질을 완전연소시키는데 필요한 최소한의 공기량을 이론공기량이라고 한다. 프로판 1m³을 연소시키는데 필요한 이론공기량은 23.81m³, 부탄1m³을 연소시키는데 필요한 이론공기량은 30.31m³이다.
한편, 연소할 때에 공기가 부족하면 불완전연소가 되는데 이때는 상기 반응식에서 CO2로 되어야 할 것이 CO 즉 유독가스인 일산화탄소로 되므로 가스렌지등을 볼완전연소상태에서 장시간 사용하게 되면 일산화탄소에 중독될 우려가 있는 것이다.
3-3. 발열량
위의 반응식에 나타난 바와 같이 엘피가스는 연소하면서 열(△H)을 내는데, 일정한 량의 연료가 타면서 내놓는 열량을 발열량이라고 한다.
한편, 연료중의 수소가 연소하여 생기는 수분의 상태(기체상태 또는 액체상태)에 따라 발열량에는 연소때 가스중의 수분의 증발잠열만큼의 차이가 있게 되며 증발잠열을 발열량에 포함시킨 것(수분이 액체상태로 배출되는 경우)을 고발열량 또는 총발열량, 포합시키지 않은 것을 저발열량 또는 진발열량이라 한다.
프로판의 총발열량은 12,034kcal/kg, 진발열량은 11,079kcal/kg이고, 부탄의 총발열량은 11,831kcal/kg, 진발열량은 10,927kcal/kg이다.
일반적으로 발열량이 큰 연료를 우수한 연료라 할 수 있다. 엘피가스는 고체연료에 비해 2배정도 큰 발열량을 가지며 석유보다도 큰 발열량을 갖고 있어 상당히 우수한 연료라 할 수 있겠다.
3-4. 그밖의 화학적 특성
그밖에 엘피가스는 탄소와 수소만의 화합물로 되어 있으므로 연소폐가스, 탄산가스(CO2)와 수증기(H2O)뿐이다. 따라서, 석유류나 석탄과 같이 SO2, NOx등의 공해물질이 거의 나오지 않으며, 그을음, 매연 및 타고남은 재가 없는 깨끗한 연료이다.
. LPG 사용분야
LPG, 이 귀중하고 깨끗한 에너지는 97년말 현재 전국의 850여만 가구에서 주방용 및 난방용으로 사용되고 있어 우리의 생활에서 빼놓을 수 없는 생활 필수품이 되어 버렸다. 10여년 전까지만 해도 가스는 중산층 이상의 가정에서 많이 사용 했기 때문에 고급연료로 이해되어 많은 주부들의 선망의 대상이 되기도 했었다. 이러한 LPG가 우리나라에서 공급되기 시작한 것은 1964년 대한석유공사 울산정유공장이 가동되어 원유정제과정에서 LPG가 생산되면서부터였으며, 연료용으로서 가스의 소비는 산업발달과 국민생활수준 향상, 정부의 공해방지정책과 에너지원 다변화 정책등에 힘입어 더욱 빠를 속도로 늘어나게 되었던 것이다.
공업용으로서 LPG의 수요도 증가되고 있으며, 폭넓은 잠재수요가 있어 다양한 용도로 새로운 수요의 개척이 기대된다. LPG는 공급의 안정성과 공해방지상의 이점등에 기인하는 청정연료 선호경향에 따라 그 수요는 앞으로도 당분간 증가할 것으로 예상되고 있으며, 현재 공업용으로서 LPG의 이용도가 가장 큰 분야로는 연소 생성가스를 이용할 수 있는 건조용과 높은 발열량 특성을 이용 할 수 있는 가열용. 소성용. 용해용 등을 들 수 있겠다.
그리고 LPG는 농수산물의 재배와 가공에도 상당히 유용하게 이용되고 있다. 농업용으로는 전국적으로 보급되어 있는 비닐하우스의 직접 열풍 난방용뿐만 아니라 연소 생성가스중에 다량 포함되어 있는 탄산가스를 이용할 수 있기 때문에 야채, 과일, 꽃 등의 품질향상 및 다수확 재배용으로 이용되고 있으며 농수산물의 건조 및 어패류의 가공에도 이용되고 있다.
도시가스용에 있어서 LPG는 원료 또는 열량변경용으로 이용된다. 우리나라의 경우 도시가스로는 주로 LNG가 공급되고 있으나 일부 지방에서 LPG-air방식이 이용되고 있는데 이 경우 도시가스의 원료는 LPG가 되는 것이다.
자동차용 LPG수요는 최근 들어 급격히 늘었다. 우리나라의 경우 LPG를 사용할 수 있는 자동차는 제도적으로 영업용 택시, 장애자용 승용차 및 소형 승합차등으로 제한하고 있다. LPG를 자동차용으로 사용할 경우 배기가스에 의한 도심 대기오염 방지에 크게 기여하게 되므로 이분야에서의 수요는 점차 확대될 가능성이 높다.
2. LPG 거래방식
현재 LPG의 거래방식은 용기와 연소기와의 사이에 가스계량기를 설치하고 가스계량기에 적산된 가스사용량에 따라 정기적으로 가스사용료를 계산하는 체적거래방식과 용기에 충전된 가스의 무게에 따라 가스사용료를 계산하는 중량거래방식으로 구분된다.
지금까지의 중량거래방식은 가스가 떨어질 때 마다 주문해야 하므로 불편하기도 하고, 가스배달시 중량을 일일이 달아 볼 수 없어 중량에 대한 불신도 컸다. 뿐만 아니라 가스공급자가 수시로 바뀌게 되어 사용시설 안전관리에서 가장 중요한 공급자의 안전점검도 제대로 이루어지지 못했고, 일부 가스에 대해 몰상식한 사람들은 호스를 절단하는 등의 방법으로 가스폭발을 유발시켜 본인은 물론 주위 주민에게 까지 피해를 주는 문제점이 있었다.
체적거래방식은 도시가스 처럼 가스계량기에 의하여 판매하는 방식이므로 가스공급이 중단되는 일이 없고, 가스시설은 금속배관으로 되어 있어 호스 절단에 의한 고의 사고도 상당부분 예방할 수 있으며, 가스공급자 측면에서는 전화가 올 때 마다 가스를 공급하지 않아도 되므로 인력절감의 효과와 계획성 있는 사업추진이 가능해져 여유 인력과 재정능력을 안전관리에 투자할 수 있는 여력을 확보할 수 있게 해준다. 이러한 이점을 고려하여 97 년초 정부는, 사용자의 비용부담 과중에 따른 민원발생의 우려가 예상 되었음에도 불구하고 체적거래방식을 법으로 의무화 하지 않을 수 없었던 것으로 생각된다.
법령에 의하여 기존 음식점 등의 업무용 건물은 97년 12월까지, 기존 공동주택(다세대, 연립, 아파트등)은 98년 말까지, 기존 단독주택은 2000년 말까지 체적거래 방식으로 전환해야 한다. 물론 97년 2월 이후 새로이 설치되는 건축물에서는 처음부터 체적거래로 해야 한다.
3. LPG 사용시설
3-1. 용기
용기는 문자 그대로 가스를 담는 통이다. 용기는 충전할 수 있는 가스의 무게에 따라 13kg, 20kg, 50kg 등으로 구분된다. 용기의 손잡이 부근에는 그림과 같이 용기제조자의 명칭과 용기 제조년월등이 각인되어 있고, 용기의 몸통에는 가스의 명칭(LPG)과 가스의 충전기한이 빨간 글씨로 적혀 있다. 충전기한이 지난 용기는 법령에 의한 재검사기간이 경과한 것이므로 불법일 뿐아니라 안전성을 보장 받을 수 없으므로 사용하여서는 아니된다. 다만, 가스공급당시 충전기한이 지나지 않은 것이면 가스를 다 쓸 때 까지는 사용해도 무방하다.
그림1. 용기 프로텍터의 각인사항
용기는 직사광선이 들지 않고 통풍이 잘되는 용기보관실을 만들어 보관해야 하며, 용기를 옥내에 설치하는 것은 대단히 위험하므로 반드시 옥외에 설치해야 한다. 그리고, 용기를 2개이상 연결해서 사용할 때에는 금속관으로 된 집합대와 측도관을 사용해야 한다.
3-2. 압력조정기
용기내의 가스압력은 7 ~ 8 kg/㎠ 정도로 압력이 너무 높아 그대로 사용할 수 없다. 이 높은 압력을 사용하기 적합한 압력으로 바꾸어 주는 것이 압력조정기인데 전기공급시설의 변압기와 같은 기능을 하는 중요한 장치이다.
그림2. 압력조정기의 구조도
보통 일반사용시설의 연소기에 적합한 압력은 230 ~ 330 mmH2O 이다. 조정기가 고장이 나 가스압력이 높아지면 불완전연소가 일어나거나 불이 꺼져 생가스가 나오게 되므로 가스폭발 사고의 원인이 될 수도 있다.
3-3. 자동절체기
LPG체적사용시설의 주요장치인 자동절체기는 한쪽의 용기에 있는 가스가 떨어지면, 자동으로 다른쪽 용기에서 가스가 공급되도록 하는 장치이다. 이 장치가 있음으로 해서 가스사용자는 가스가 떨어질 때 마다 가스를 주문하지 않아도 되고 가스공급자는 수시로 가스를 배달해야 하는 불편함을 덜 게 되는 것이다.
자동절체기에는 용기 교체 레버가 있는데 이것은 가스공급자가 가스용기를 교환 할 때 조작하는 것이므로, 일반 사용자가 만져서는 아니되겠다.
3-4. 계량기
가스계량기는 가스의 사용량을 측정하는 장치이다. 가스계량기에는 도시가스용, LPG용, 도시가스와 LPG겸용이 있으며, 계량용량에 따라 2호부터 5호까지가 주로 사용되고 있다. 가정에서 사용되는 것은 대부분 2호와 3호이며, 가스계량기의 계량용량은 호수에 m3/시간을 붙인 것과 같다. 즉, 2호의 계량용량은 2m3/시간, 3호는 3m3/시간이 되는 것이다.
가스계량기는 화기와 2m이상의 우회거리가 유지되는 환기가 양호한 장소에 설치해야 하며, 지면으로부터 1.6m 이상 2m 이내의 높이에 수직, 수평으로 설치하고 밴드등으로 고정시켜야 한다. 단, 계량기를 격납상자 안에 설치할 때에는 높이를 유지하지 않아도 된다.
3-5. 휴즈콕크
휴즈콕크는 가스를 열거나 닫을 때 사용하는 개폐기구로, 가스를 사용하기 전에 열고 가스를 다 쓴 후 가스공급을 차단하기 위해 가스렌지등의 연소기 가까이에 설치 한다. 휴즈라는 말은 전기설비의 두꺼집안에 있는 휴즈와 같은 의미를 가지는 것으로 휴즈콕크는 가스의 흐름량이 지나치게 많을 때 가스의 흐름을 자동으로 차단해 주는 기능을 한다. 따라서, 실수로 호스가 빠지거나, 자해 또는 가해의 목적으로 호스가 인위적으로 절단되었을 때 작동하여 가스사고를 막아 줄 수 있다. 값은 아주 저렴하면서 유사시 상당히 유용한 안전장치라 할 수 있겠다.
휴즈콕크와 일반콕크(휴즈기능이 없이 단순 개폐기능만 있는 것)는 외관이 비슷하여 겉만 보아서는 구분하기가 쉽지 않다. 휴즈콕크를 설치하기 전에 손잡이를 열림 상태로 하고 속을 들여다 보면 구멍에 볼이 들어 있는 것을 볼 수 있다