[기획연재-7] 산업용 가스기기 대책방안 I

메탄(CH4)가스가 주성분인 천연가스는 연소 시 타 연료에 비해 공해물질 발생량이 적은 청정연료다. 또한 공기보다 비중이 작아 누설 시 공기 중에 체류하지 않고 확산되기 때문에 폭발 위험성이 적을 뿐만이 아니라 배관을 통해 넓은 지역으로 공급할 수 있다는 장점을 가지고 있다.

이로 인해 천연가스 수요는 지속적으로 증가해 왔으며 2011년 국내 총소비량 3357만톤, 이 중 도시가스용 비율은 54%를 차지하고 있다.

한국가스공사와 에너지신문이 공동 기획한 ‘천연가스 저열량 시대를 대비하다’, 이번호에서는 그 일곱 번째 순서로 개선 천연가스 열량제도 시행에 따른 ‘산업용 가스기기에 대한 준비현황과 열량변동에 따른 영향, 앞으로의 준비내용’ 등을 2회에 거쳐 소개한다. / 편집자 주

지난 2006년 9월부터 2009년 6월까지 3년간 실시된 ‘중장기 천연가스 열량 및 품질제도 연구’에서 산업체의 경우 현장방문을 통한 의견수렴과 설문조사가 이뤄졌다.

조사결과 열량에 민감한 가스기기분야는 환원로(철강), 용해·가열로(철강), 열처리로(철강), Kiln(시멘트, 도자기) 등 반응공정의 로(爐)들이었으며, 공업로 부분에서 단순가열로는 영향이 거의 없었다.

당시 연구에서 실증실험 대상 공정분야는 △Furnace(철강, 요업 분야) △직화식 환원로(금속 열처리 분야) △RX가스 변성로(침탄 열처리 분야) △산소절단토치(철강분야) △유리절단토치(glass분야) △적외선 건조기(제지분야) △마이크로 가스터빈 등이다.

실증실험용으로 만들어진 8종류의 시험가스 발열량은 오스트레일리아산인 1만835kcal/N㎥부터 BOG가스인 9332kcal/N㎥ 범위이며, 이를 각각 웨버지수로 환산한 범위는 1만3492~1만2486 kcal/N㎥로 웨버지수 편차는 최대 8% 정도다.

이때 가스 호환성기준은 조성이 변화된 대체가스가 가스이용기기의 종류에 관계없이 압력, 노즐 등 기기의 기계적 세팅을 바꾸지 않고도 성능, 안전성, 배출가스 기준을 만족시키는 가스조성 변동허용(품질변화)정도를 규정한다. 또한 호환성지수와 같이 기술적 근거를 갖는 정량적 수치에 의해 나타내며 Wobbe number(웨버지수), AGA indices, Weaver indices, 발열량, 비중 등이 호환성지수의 예이다.

국내의 경우 2006년 연구시행 당시 한국가스공사 공급규정 제40조(공급가스의 성분 및 열량 등) 규정에 따라 공급하는 가스성분은 메탄 85% 이상이며, 열량은 표준열량제로 매월 산술평균치가 1만400 kcal/㎥ 이상, 최저열량은 1만100 kcal/㎥, 웨버지수는 최고 1만3800 kcal/㎥, 최저 1만2600 kcal/㎥이다.

국내에서 사용되는 가스 이용기기의 적합성 판정을 위해 도시가스를 사용하는 가정용 연소기기의 연소시험에 필요한 시험가스의 물성과 시험조건을 KS B 8101에 제시하고 있다.

중장기 천연가스 열량 및 품질제도 연구에서 각 분야별 8종류의 시험가스로 시행한 공정별 실증실험 내용과 결과는 다음과 같다.

공업로 중에서 철강가열로는 slab, bloom, billet 및 기타 특수형상의 강편 및 강괴를 열간 압연 또는 단조하기 위해 그 용도에 적합한 온도까지 재가열하는 설비다.

실험결과에 따르면 가열로 버너의 연소안정성은 웨버지수 8% 정도 범위의 모든 가스는 모두 양호한 버너화염 유지 특성을 보였다.

승온 과정 시 분위기 온도 특성은 온도 제어를 하는 경우에는 문제가 없으나 수동운전일 경우 최대 분위기 설정 온도를 수동으로 조작할 필요가 있다.

배가스농도 변화는 웨버지수 8% 차이의 변화는 무시해도 되는 수준이다.

열효율의 경우 연료가스 종류에 따른 변화는 매우 미미해서 공기비 제어를 통해 일정한 공기비를 유지하면 저열량에 따른 효율 감소는 없는 것으로 나타났다.

-직화식 환원로(금속 열처리 분야)-

직화식환원 및 DX가스환원 열처리로는 철강·금속 및 요업용 환원 분위기로에 적용되는 분위기 로(爐)이다.

실험결과 환원로 연소기의 화염안정성은 시험가스 종류에 따른 웨버지수 8% 변동에 상관없이 안정된 화염 안정성을 유지했으며, 이러한 특성은 산화 분위기에서의 연소상태와 매우 유사하다.

열량변화에 따른 온도, 열효율, 배가스 변화량은 웨버지수 8% 정도 변화에도 온도 및 효율변화는 측정오차 범위 이내로 미미하며, 적정한 환원 분위기 상태에서는 온도제어를 자동으로 할 필요성이 낮다.

-Rx가스 변성로(침탄 열처리 분야)-

열처리로 중 카본(carbon)의 분위기에 따라 민감한 침탄 열처리설비에서 사용되는 Rx가스 발생장치가 대상이다.

상압식 가스 침탄인 경우는 침탄 및 확산 시 탄소분위기 가스제어가 가능하다.

분위기 제어는 Carbon Potential(CP)을 제어하기 위한 것이데, 상압식 가스침탄에서는 변성가스를 주입하기 때문에 CO, CO2, O2의 평형상태에서 O2, CO를 측정해 carbon 분위기로 환산한 뒤 파악하면 쉽게 분위기 제어가 가능하다.

실험결과 열량변화 시 Rx 발생 가스조성(CO, H2, CO2, HC)은 웨버지수가 8% 변동 폭으로 변화할 경우 침탄 분위기 저하를 초래하기 때문에 이집트산 천연가스 열량인 9870 kcal/N㎥ 이하의 가스 주입 시 CP제어의 재조정이 필요하다.

또한 침탄로에서의 CP 분석의 경우 가스 종에 따른 CP 변화가 비교적 크다.

8% 웨버지수 변동폭에서 70% CP 변화폭이 발생해 연료가스의 조성변화에 대응할 수 있는 표면 탄소농도의 제어가 매우 필요하다.

가스절단은 산소와 철과의 화학반응을 이용하는 절단법이다.

특히 실험가스의 연료종류에 따라 발열량이 차이나기 때문에 이에 대한 영향을 절단속도, 세밀한 절단면 분석 등 가스종류에 따라 호환성 범위를 파악했다.

실험결과 연료유량 변화에 대한 영향이 매우 적게 나타났다. 때문에 산소 절단공정에서는 적당한 연료 유량 조건만 맞으면 실제 절단운전 범위에서 최대 16% 정도의 발열량 변화(또는 8% 정도의 웨버지수 변화)는 절단성능에 미치는 영향이 거의 없는 것으로 나타났다.

-유리절단토치(glass 분야) -

고온 산소의 산화반응에 의해 금속을 절단하는 일반적인 산소 절단토치와는 달리 산소와 도시가스의 예혼합 화염을 이용해 절단이 이뤄진다.

이 유리절단토치용 화염은 산화제로서 공기 대신 산소를 이용하기 때문에 일반적인 공기-연료 혼합식 연소보다 화염 온도가 매우 높다.

종합적으로 보면 8종 가스 모두 복사열유속, 절단면 표면온도 및 CO, NOx 등의 공해물질 배출농도 측면에서는 큰 차이가 없다. 따라서 기준가스를 대체해 사용해도 거의 문제점이 없는 것으로 판단되고 있다.

-적외선 건조기(제지분야)-

직화식 건조공정은 연소에 의해 발생된 열을 대류 및 복사전열 방식으로 피 건조물에 공급해 건조시키는 방식이다.

건조기의 최적 연소조건에서 가스종류(발열량) 변화에 따른 화염 안정성을 육안 관찰한 결과 8종 가스 모두에서 비화, 역화 및 황염 등의 불안정 화염이 발생하지 않았으며, 그 차이는 육안 식별이 불가능할 정도로 미미하다.

NOx 배출농도는 NOx 발생 측면에서의 가스 호환성문제와는 관계가 없을 것으로 판단되며, CO 배출농도는 연료의 웨버지수 차이에 따라 다소 차이가 존재한다.

-마이크로 가스터빈-

가스터빈 엔진은 개방사이클로써 외부에서 압축기로 공기를 흡입해 압력을 상승시키고, 여기에 가스를 주입하면서 고온·고압의 생성물을 만들어 터빈에서 팽창시켜 출력을 얻어내는 열기관이다.

마이크로터빈 용량은 대체로 200㎾ 이하급의 단순 사이클로 대개 효율이 높지 않다.

시험가스 8종류를 사용해 실험한 결과 출력(power)은 가스종류가 변화하더라도 항상 일정하며 동일 부하조건에서 가스 종류를 순간적으로 교체한 경우에도 운전 안전성 및 성능에는 변화가 없다.

효율변화는 대체적으로 웨지수에 비례하고, 모든 가스가 엔진 제작사가 제시한 효율을 크게 벗어나지 않았으며 NOx는 대체로 웨버지수에 비례해 점차 줄어드는 경향을 나타냈다.