이 논문은 호서대 산업안전기술센터가 지난 8개월(1998, 11. 17∼1999. 6. 11)여간 연구한 최종보고서로 동방에너지(주)의 의뢰로 삼성종합화학에서 생산되는 LPG가 자동차 연료로 적합한가에 대한 타당성 연구이다. <편집자주>
2.5 안전성 평가
2.5.1. 기존 수송 및 저장설비와의 안전성 평가
기존의 LPG로는 프로판(C3)이 주성분인 것과 부탄(C4)이 주성분인 것 또는 이 둘을 적당한 비율로 혼합한 형태의 것들이 있다. 먼저 저장설비나 수송설비는 모두 금속제품으로 기존 LPG나 삼성의 S-LPG에 대하여 열적으로나 화학적으로 안정성을 갖는다.
일반적으로 LPG 저장설비에서 저장탱크를 C3-LPG나 C4-LPG를 공용으로 사용하는 경우에는 C3-LPG의 강화된 조건에 따라서 저장탱크나 수송설비를 갖추도록 하고 있다. 따라서 C3-LPG를 사용하거나 수송, 저장, 취급하는 설비에 S-LPG를 적용할 경우는 전혀 문제가 없다. 즉, 기존 C3-LPG의 경우 비점이 -43℃이고 20℃상태에서 기존 C3-LPG의 증기압이 약 7.4 기압인데 비하여 C4-LPG의 비점은 nC4H10이 -0.5℃ iso-부탄이 -11.7℃이고 20℃에서 증기압은 각각 1.4, 1.7 기압이다.
따라서 C3-LPG를 사용하는 기존설비 또는 기존 C4-LPG를 사용하는 설비에 S-LPG를 사용하는데는 아무런 문제점이 없으며 금속의 재질에 대하여도 기존에 사용하는 재질에 대하여 저온에서의 문제점이 없음을 알 수 있다.
다음 표 15-1과 15-2는 propane, n-butane 및 iso-butane에 대한 증기압을 비교하였다.
2.5.2 S-LPG의 폭발 및 안전관련 특성연구
1) 완전 연소 혼합비에서의 연소 반응식
S-LPG와 C3-LPG 그리고 C4-LPG와 C3-LPG를 7:3으로 혼합했을 때에 대하여 완전연소농도에서의 연소식을 보면 다음과 같다. 공기는 산소가 21%, 질소가 79%인 것으로 계산하여 나타내었다. 이는 자동차연료로 사용되는 LPG가 공기와의 혼합에 의한 연소가 이루어지는 것에 기초를 둔 것이다.
① S-LPG(C4H10)
C4H10+6.5O2+24.452N2→4CO2+5H2O+24.452N2
② C3-LPG(C3H8)
C3H8+5O2+18.81N2 3CO2+4H2O+18.81N2
③ 겨울철 자동차용 기존 LPG는 C3가 약 30% C4가 약 70%인 것으로 되어있어 C4와 C3의 혼합비를 7:3으로 하여 계산하였다.
2) 이론혼합비
이론 혼합비는 연료를 완전연소 시키는데 필요한 공기량과 연료량으로 연료량을 나눈 값으로 전체부피에 대한 연료의 부피비로 표시되며 완전연소 농도 또는 당량 농도라고도 한다.
이론혼합비=연료부피/연료부피+공기부피=연료몰수/연료몰수+공기몰수
위 식에 따라서 S-LPG와 C3-LPG 및 혼합연료에 대한 이론혼합비를 앞에 있는 완전연소식을 이용하여 구하면 다음과 같다.
① S-LPG
이론혼합비(Cst)=연료몰수×100/연료몰수+공기몰수=연료몰수×100/연료몰수+산소몰수+질소몰수=1/(1+6.5+24.45)×100%=3.12%
② C3-LPG
이론혼합비(Cst)=1/1+5+18.81×100%=4.03%
③ 겨울용 기존 LPG(C4:C3= 7:3)
이론혼합비(Cst)=1/1+6.05 +22.762×100%=3.35%
위의 식에서 계산한 각 LPG의 이론혼합비를 바꾸어 설명하면 S-LPG 1몰이 연소하는데 필요한 공기량은 30.95몰로서 약 31배의 공기로 희석되었을 때 최적의 연소조건이 될 수 있으며 최대의 출력을 낼 수 있다.
C3-LPG의 경우는 연료 1몰에 대하여 23.81몰의 공기와 혼합할 경우 완전연소될 수 있다.
겨울철용 기존 LPG의 경우는 연료 1몰(기체 1부피)에 대하여 공기 28.81몰(공기 28.81배)인 경우 완전연소가 이루어짐을 뜻한다.
따라서 동일한 연료량으로 연소시킬 경우 S-LPG가 보다 경제적임을 알 수 있다.
3) 부탄(C4H10)의 발열량과 프로판의 발열량 및 경제성 비교
① 기체 부피로 비교시
자동차연료의 경우 기화기를 통해 기체 상태로 공기와 혼합하게 되므로 발열량을 무게로 계산하는 것보다 mol(부피)에 대한 발열량으로 계산하는 것이 적합한 방법이며 부탄과 프로판의 발열량 비교표에서 보듯이 부탄의 발열량이 약 30% 정도 높다.
또한 공기와의 혼합비로 부탄은 약 32:1, 프로판은 25:1이 이론적 완전연소 혼합비(당량농도)로 엔진의 체적이 동일하기 때문에 동일한 에너지를 발생하기 위한 조건으로는 프로판에 비해 부탄가스가 적은 양의 연료가 소모됨으로, 동일 양(부피)의 부탄 가스가 프로판에 비해 더 멀리 갈 수 있음을 알 수 있다.
② 액체의 동일 부피로 비교
20리터의 액상에 대하여 비교하면 부탄의 비중은 약 0.584 프로판의 비중은 0.507이므로 무게는 각각 11.68kg과 10.14kg이며 몰수로 환산하면 각각 201몰과 230.4몰 정도가 된다. 따라서 20리터에 대한 발열량을 비교하면 부탄은 578,277KJ이고 프로판은 510,370KJ이므로 동일부피에 대하여도 부탄이 에너지량이 크므로 멀리 갈 수있다.
③ 동일 무게에 대한 비교
동일하게 20kg에 대해 비교하면 부탄은 989.8MJ이고 프로판은 1006.MJ이다.
무게에 대한 발열량의 비교는 같은 계열의 탄화수소의 경우는 동일 무게당 발열량이 거의 비슷한 값을 갖게됨
(분자량이 작을수록 몰수가 증가하고, 분자량이 증가할수록 몰당 발열량이 증가하기 때문임)
④ 결론적으로 위의 비교에서 알 수 있는 것은 프로판에 비해서 부탄의 경우가 발열량이 크고 따라서 자동차 연료로 사용할 경우 프로판에 비해 부탄이 멀리 갈 수 있을 것으로 판단됨.