가스기사/가스설비

제4장 도시가스 설비(도시가스의 일반사항) (1)

카리R 2025. 2. 1. 23:59

 안녕하세요. 여러분, 미루고 미뤄왔던 가스기사에 대한 포스팅을 시작하려고 합니다. 이제 긴 호흡으로 주욱 달려볼 텐데요. 가스기사를 공부하며 수험서만 가지고는 부족함을 느꼈습니다. 그래서 수험서에  고법, 도법, 액법의 3가지 법령과 특히, KGS Code를 곁들이는 방법을 추천드립니다.

 먼저, 가스기사 필기 5과목 중 '가스설비'  과목을 알아보겠는데요.  '가스설비'는 실기시험에서도 그 출제 비중이 높아 60점만 넘는다는 생각은 지양하고, 가능한 최고 득점을 목표로 공부하는 것을 추천드립니다.(그래도 고득점은 힘들건데, 고득점일수록 실기통과 확률도 따라 올라갈겁니다.)

 아울러 가스기사 시험 자체가 암기량이 아주 많은 시험이라 자주 보고 또 보고 해야하는데, 잠깐 잠깐 시간이 되실 때 가볍게 활용하기 좋은 포스팅을 해보는 것이 목표가 되겠습니다. 꼭 암기해야 하는 부분과 제가 만든 암기법이나 재야에 떠돌고 있는 필살 암기법을 종종 넣을 예정이니, 합격하시는데 조금이나마 보탬이 되었으면 좋겠습니다. 자! 시작하겠습니다.

 

 

1. 도시가스의 일반사항

(1) 도시가스의 원료

  • 천연가스(NG: natural gas): 지하에서 발생하는 탄화수소를 주성분으로 하는 가연성 가스의 총칭이다.
    • 성분 상태
      • 메탄(CH4), 에탄(C2H6), 프로판(C3H8), 부탄(C4H10) 등의 저급 탄화수소*가 주성분이나 질소(N2), 탄산가스(CO2), 황화가스(H2S)를 포함하고 있다.
      • 유전가스에서 생산되는 천연가스에는 수분(H2O)을 포함하고 있다.
      • 황화수소(H2S)는 연소에 의해 유독한 아황산가스(SO2)를 생성하기 떄문에 탈황시설에서 제거해야 한다.
      • 탄산가스(CO2)는 수분 존재 시에 배관을 부식시키므로 탈황공정에서 동시에 제거한다.
      • 천연가스를 고압으로 수송하는 경우 수분(H2O)이 응축하여 수송 장애를 발생하므로 제거하여야 한다.
    • 특징
      • 도시가스 원료: 그대로 도시가스로 공급 가능하며, 일반적으로 가스제조 장치는 필요없다. 
      • 정제: 제진, 탈유, 탈탄산, 탈황, 탈습 등 전처리 공정에 해당하는 정제설비가 필요하다.
      • 공해: 사전에 불순물이 제거된 상태이기 때문에 대기오염, 수질오염 등 환경문제 영향이 적다.
      • 저장: 천연가스는 상온에서 기체이므로 가스홀더 등에 저장해야 한다.
    • 도시가스로 공급하는 방법
      • 천연가스 그대로 공급하는 방법(고열량)
      • 천연가스를 공기로 희석하여 공급하는 방법(저열량)
      • 종래의 도시가스에 혼합하여 공급하는 방법
      • 종래의 도시가스와 유사 성질의 가스로 개질하여 공급하는 방법

  * 저급탄화수소는 탄소와 수소로 이루어진 유기 화합물인 탄화수소 중에서 탄소와 수소의 비율**이 낮은 탄화수소를 말합니다. 고급탄화수소는 저급탄화수소를 중합하거나 열분해하여 생성되는 탄화수소를 말합니다. 

** 탄소수소비(C/H비)는 탄소(C)와 수소(H)의 비율을 의미합니다. 탄화수소(CH)의 혼합물인 연료의 연소 특성을 파악할 때 사용됩니다.  석유계 연료의 탄소수소비는 연소용 공기량, 발열량, 연료의 연소특성에 영향을 미치며, 탄수소비는 중유>경유>등유>휘발유 순이다. 기체 연료의 탄소수소비는 올레핀계>나프텐계>아세틸계>프로필계>프로판>메탄 순이다.

 

  • 액화천연가스(LNG: liquefactioin natural gas): 지하에서 생산된 천연가스를 -161.5℃까지 냉각, 액화한 것이다.
    • 성분상태
      • 액화 전에 황화수소(H2S), 탄산가스(CO2), 중질 탄화수소 등이 정제·제거되었기 때문에 LNG에는 불순물을 전혀 포함하지 않는 청정가스이다.
      • 천연가스의 주성분인 메탄(CH4)은 액화하면 체적이 약 1/600로 줄어든다.
      • 액화된 천연가스는 선박을 이용하여 대량으로 수송할 수 있다.
    • 도시가스 원료로서 특징
      • 불순물이 제거된 청정연료로 화경문제가 없다.
      • LNG 수입기지에 저온 저장설비 및 기화장치가 필요하다.
      • 불순물을 제거하기 위한 정제설비는 필요없다.
      • 초저온 액체로 설비재료의 선태과 취급에 주의를 요한다.
      • 냉열이용이 가능하다.
    • LNG의 특성
      • 기화특성: LNG의 주성분인 메탄(CH4)가스는 상온에서 공기보다 비중이 작으나(가볍다는 의미) LNG가 대량으로 누설되어 주변의 온도가 내려가면, 비중이 공기보다 무거워진다.
      • 롤-오버(Roll-over) 현상: LNG 저장탱크 내에 다른 액밀도의 LNG를 적재할 때 두개의 층으로 나뉘어 저장된 LNG가 급격하게 섞이면서 다량의 LNG Vapor가 발생하여 탱크내의 압력이 갑자기 상승하고 LNG Vapor가 안전밸브를 통해 대기로 방출되는 등 심한 경우 저장탱크의 내부에 심각한 손상을 일으킬 수도 있는 현상을 말한다. 
      • BOG(Boil off gas): LNG 저장시설에서 자연 입열에 의하여 기화된 가스로 증발가스라 한다. 처리방법에는 발전용에 사용, 탱커의 기관용(압축기 가동용) 사용, 대기로 방출하여 연소하는 방법이 있다.

롤-오버 현상을 더 자세히 알아보고 싶다면 아래 클릭!

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(그림1) (그림2)

롤오버 발생원인

LNG는 단일 성분의 물질이 아니므로여러 성분의 조성에 따라 물성의 차이가 있으며 산지에 따라 차이가 나게 된다. 일반적으로는 물성의 차이가 있는 LNG를 저장하면 (그림1)과 같이, 자연대류 흐름과 증발의 과정을 통해 탱크 내에 이미 저장되어 있는 LNG와 자연스럽게 섞이면서, 균일한 온도 및 밀도의 물성으로 변하게 된다.

하지만, 밀도가 낮은 LNG가 저장되어 있는 저장탱크에 밀도가 높은 산지의 LNG가 탱크의 하부로 주입되고 주입 중에 혼합이 적절히 이루어지지 않았을 경우, 탱크내 LNG는 상잏나 밀도(혹은 온도)의 층으로 분리되어 각각의 층 내부에서 대류성 순환류가 형성된다. 그림(2)

상부층의 LNG는 유입된 열전달량을 상부층의 표면에서 증발가스를 방출합으로써 열적평형을 유지할 수 있으나, 하부층의 LNG는 상부층의 존재로 인해 압력을 받아 비등점이 올라가게 되어 증발을 억제하게 되며 별도의 대류층을 형성하여 외부에서 유입되는 열량이 상부층의 LNG로 쉽게 전달되지 않고 지속적으로 과포화가 진행된다.

각 층의 LNG는 장시간에 걸쳐 증발가스 방출 및열유입 등을 밀도가 지속적으로 변화되고 두 층의 밀도차가 작아질수록 계면이 불안정해져서, 결국 그 수력학적 균형이 깨어지며 혼합되는데, 이때 하부층의 LNG에 축적된 과열 엔탈피가 급격한 증발가스 생성으로 방출되는 것이 롤오버 현상이다.

 

  • 정유가스(Off gas): 석유정제 또는 석유화학 계열공장에서 부산물로 생산되는 가스로 수소(H2)와 메탄(CH4)이 주성분이다.
  • 나프타(Naphtha: 납사): 나프타란 일반적으로 시판되는 석유 제품명이 아니고, 원유를 상압에서 증류할 때 얻어지는 비점이 200℃ 이하인 유분(액체성분)으로 경질의 것을 라이트 나프타, 중질의 것은 헤비 나프타라 부른다.

 

나프타를 더 자세히 알아보고 싶다면 아래 클릭!

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원유를 끓이면 증발돼 끊는점이 낮은 물질부터 차례대로 분리되는데, 이를 분별증류(Fractional distillation)라고 합니다. NCC(Naphtha Cracking Center)는 정제과정을 통해 나온 나프타를 고온에서 분해하여 석유화학 기초원료인 에틸렌(Ethylene), 프로필렌(Propylene), 부타디엔(Butadien) 등 기초유분을 생산하는 시설이다. 분해, 급랭, 압축, 분리정제 공정을 거치면 우리가 알고 있는 PE, PP, ABS 등의 플라스틱 원료로 분리된다.

 

  • LPG(액화석유가스): 유전지대에서 생산되는 천연LPG와 석유정제 시 부산물로 생산되는 석유정제 LPG가 있으며, 프로판(C3H8), 부탄(C4H10)이 주성분이다.
    • 도시가스로 공급하는 방법
      • 직접 혼입방식: 종래의 도시가스에 기화한 LPG를 그대로 공급하는 방식
      • 공기 혼합방식: 기화된 LPG에 일정량의 공기를 혼합하여 공급하는 방식으로 발열량 조절, 재액화 방지, 누설 시 손실 감소, 연소효율 증대 효과를 볼 수 있다.
      • 변성 혼입방식: LPG의 성질을 변경하여 공급하는 방식
    • 공기 희석시 발열량 계산

 

(2) 가스의 제조

  • 가스화 방식에 의한 분류
    • 열분해 공정(Thermal cracking process): 고온 하에서 탄화수소를 가열하여 수소(H2), 메탄(CH4), 에탈(C2H6), 에틸렌(C2H4), 프로판(C3H8) 등의 가스상의 탄화수소와 벤젠, 툴루엔 등의 조경유 및 타르 나프탈렌 등으로 분해하고 , 고열량 가스(10000kcal/Nm3)를 제조하는 방법
    • 접촉분해 공정(Steam  reforming process): 촉매를 사용해서 반응온도 400~800℃에서 탄화수소와 수증기를 반응시켜 메탄(CH4), 수소(H2), 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2)로 변환하는 공정이다.

 

<<<접촉분해 공정에서 압력과 온도의 영향 (필수암기 ★★★) >>>

구분 CH4, CO2 H2, CO
압력 상승 증가 감소
하강 감소 증가
온도 상승 감소 증가
하강 증가 감소

 

  • 가열방식에 의한 분류
    • 외열식: 원료가 들어있는 용기를 외부에서 가열하는 방법
    • 축열식: 반응기 내에서 연료를 연소시켜 충분히 가열한 후 연료를 송입하여 가스화하는 방법

 

(3) 부취제 (필수암기 ★★★)

  • 부취제란? 일종의 방향 화합물로 가스 등에 첨가하여 냄새로 확인이 가능하도록 하는 물질이다.
  • 부취제의 종류
종류 냄새 강도 화학적 안정성 토양투과성
TBM 양파썩는 냄새 강함 내산화성 좋다
(흡착난이)
THT 석탄가스 냄새 보통 안정화합물 보통
(흡착난이)
DMS 마늘 냄새 약간 약함 안정화합물 좋다
(흡착난이)

 

  • 부취제의 구비조건
    • 화학적으로 안정하고 독성이 없을 것
    • 보통 존재하는 냄새(생활취)와 명확하게 식별될 것
    • 극히 낮은 농도에서도 냄새가 확인될수 있을 것
    • 가스관이나 가스미터 등에 흡착되지 않을 것
    • 배관을 부식시키지 않을 것
    • 물에 잘 녹지 않고 토양에 대하여 토과성이 클 것
    • 완전연소가 가능하고 연소 후 냄새나 유해한 성질이 남지 않을 것
  • 부취제의 주입방법
    • 액체 주입식: 부취제를 액상 그대로 가스 흐름에 주입하는 방법
      • 펌프 주입방식: 다이어프램 펌프 등에 의해서 부취제를 직접 가스 중에 주입하는 방법
      • 적하 주입방식: 부취제 용기를 배관 상부에 설치하여 중력에 의하여 부취제가 가스배관으로 흘러 내려와 주입하는방법
      • 미터 연결 바이패스 방식: 바이패스 라인에 설치된 가스미터가 작동되면 가스미터의 구동력을 이용하여 주입하는 방법
    • 증발식: 부취제의 증기를 가스흐름에 혼합하는 방식
      • 바이패스 증발식: 바이패스 라인에 설치된 부취제 용기에 가스를 저유속으로 통과시키면서 증발된 부취제가 혼합되도록 한 방식
      • 위크 증발식: 부취제 용기에 아스베스토 심을 전달하여 부취제가 상승하고 이것에 가스가 접촉하는 데 따라 부취제가 증발하여 첨가된다.
    • 착취농도: 1/1000의 농도(0.1%), 공기중에 1/1000의 비율로 혼합되었을 때 그 사실을 알 수 있도록 섞는다.
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