PNG 연료의 가스렌지 연료 호환성 Fuel Interchangeability of PNG in …symposium.jkosco.org/data/pdf/S4-02.pdf · 그림 4은 가정용 가스렌지 실험을 통하여

대기오염물질과 온실가스 배출을 저감하기 위해

세계적으로 천연가스 사용을 확대하고 있는 추세

이다. 미국 에너지 정보국(US EIA)에 따르면

2009년부터 천연가스 사용량이 급격히 증가하기

시작했으며 2050년까지 지속적으로 증가할 예정

이다.

현재 한국에서 공급되는 도시가스는

LNG(Liquefied Natural Gas)를 사용하고 있고

유럽, 미국, 중국 지역에서는 PNG(Pipeline

Natural Gas)를 많이 사용하고 있다. LNG와

PNG는 연료 조성은 탄화수소계 및 불활성 기체

함유량 등의 조성 차이가 있고 가스렌지의 경우,

사용하는 연료에 따라 요구되는 운전조건이 다르

다. 한국 기준 도시가스 압력은 2.5 kpa이고 이

탈리아 Bertazzoni 사의 경우, 천연가스를 사용하

기 위한 작동압력이 1.0 kpa이다. 미국 Hoover사

는 G20 천연가스를 사용할 경우 운전압력이 2.0

kpa이다. 2016년 중국에서 Zhang 등은 과농(R)/

희박(P) 상태의 PNG와 순수 메탄 등 3종류의

천연가스(PNG-R, PNG-P, CH4)를 동일한 가스

레인지를 활용하여 각기 다른 온도 조건에서 천

연가스를 연소시켜 1차 공기비의 변화와 가스 호

환성 인자의 정확성에 대한 실험적 연구를 통해

중국의 천연가스 호환성 예측에 관한 인자 방정

식을 수정한바 있다[1].

최근 러시아로부터 한국으로의 PNG 공급 관련

논의가 대두됨에 따라, 기존 가정용 및 산업용

연소기기의 LNG와 PNG 연료 사용의 호환성에

대한 문제가 제기되고 있다. 따라서 본 연구는

한국 사용되고 있는 LNG와 GPP(Amur Gas

Processing Plant) PNG 연료 연소특성 및 화염

구조 분석을 통한 연료 호환 가능성을 연구하였

다.

한국에서 사용되고 있는 LNG 연료와 GPP

PNG 연료 조성을 표 1와 같이 나타내었다. 다

PNG 연료의 가스 지 연료 호환성

리신줘*․박예슬*

․덩카이원*․이중성**

․김동민**․최경민*†

Fuel Interchangeability of PNG in the Domestic Gas StoveXinzhuo Li*, Yeseul Park*, Kaiwen Deng*, Joongsung Lee**, Dongmin Kim**, Gyungmin Choi*†

* 부산대학교 기계공학부

** 한국가스공사 가스연구원

† 연락저자, [email protected]

TEL : (051)510-2476 FAX : (051)-512-5236

Fig 1. Flame speed of LNG, PNG and

equivalent gas.연료조성

LNG PNG1 PNG2 PNG3

농도 (mol %)

CH4 93.08 91.42 85.48 91.92

C2H6 4.49 4.59 4.57 4.91

C3H8 1.53 1.78 1.58 1.07

i-C4H10 0.33 0.3 0.45 0.25

n-C4H10 0.36 0.43 0.45 0.25

i-C5H12 0.02 0.18 0.05 0.03

n-C5H12 0 0.12 0.05 0.03

nC6H14 0 0.02 0 0

N2 0.2 0.47 6.44 1.52

CO2 0 0.69 0.43 0

He 0 0.22 0.5 0

등가가스 LNG PNG1 PNG2 PNG3

CH4 94.95 93.02 87.72 94.09

C3H8 4.85 5.82 5.41 4.39

N2 0.2 0.47 6.44 1.52

CO2 0 0.69 0.43 0

Table 1. Fuel compositions of LNG, PNG and

equivalent gas.

제59회 KOSCO SYMPOSIUM 초록집(2019년도 추계학술대회)

양한 천연가스 조성에 대한 연구를 간략화하여

진행하기 위해 연소특성을 고려한 등가가스 치환

방법을 사용하였다[2]. 계산식은 식 (1)과 같이

나타낸다.

먼저, 등가가스로 치환된 연료 조성이 실제 연

료 조성을 대체할 수 있는지 검증하기 위해

CHEMKIN 19.0로 화염속도를 비교하였다. 그림

1은 실제 연료조성과 등가가스 연료의 화염속도

분포를 나타냈다. LNG와 PNG1, PNG2, PNG3의

차이가 각각 3.9%, 4.3%, 1.3%, 3.7%이다. 등가

가스로 연료를 치환할 때 탄화수소계 연료조성만

치환이 되는데, PNG2는 N2 성분이 많기 때문에

치환되는 탄화수소계 연료의 비율이 적기 때문에

치환오차가 제일 적다.

그림 2는 가정용가스렌지와 층류확산버너 실험

장비를 나타낸다. 본 실험은 감압기를 이용하여

공급 압력을 2.5 kpa로 고정하고, 연료공급량이

5 LPM으로 일정하게 유지하였다. 디지털 카메라

Fig 2. Schematic diagram of experimental

equipment for (a) household gas stove and

(b) laminar diffusion burner.

Fig 3. CH* radical flame of gas stove.

Fig 4 Flame height and length distribution

of LNG and PNG in household gas stove.

mol %　 case1 case2 case3

CH4 100 85(99) 70(98)

C2H6 0 15 30

C3H8 0 15 30

C4H10 0 15 30

C5H12 0 15 30

C6H14 0 15 30

N2 0 15 30

CO2 0 15(1) 30(2)

Table 2. Test fuel conditions in the

household gas stove.

FIg 5. (a) Flame height and (b) length

distribution of each test fuel composition in

the domestic gas stove.

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(Nikon D90)와 CH* 필터를 사용하여 화염구조를

계측하였다. 그림 3은 CH* 필터로 찍은 화염 사

진이며, 화염높이와 길이가 그림3에 표시되었다.

그림 4은 가정용 가스렌지 실험을 통하여 LNG

와 PNG1, PNG2, PNG3 연료를 사용하였을 때

화염높이와 길이 분포를 나타낸다. LNG와 PNG

연료의 화염높이와 길이의 최대 차이는 3.4%

(PNG2)와 2.3% (PNG2)이다.

각 연료 조성이 화염 구조에 미치는 영향을 관

찰하기 위해 각 연료의 조성을 15%, 30% 변화

시켜 가스렌지에서 화염 구조를 계측하였다. 본

실험에서 CO2 유량계의 조절 범위가 0에서 100

SCCM이기 때문에 CO2 조성 조건은 0%, 1%와

2%를 실험하였다. 표 2는 각 연료 조성 변화 조

건을 나타낸다. 실험 각 조건에서 화염높이와 길

이 분포는 그림 5에 나타낸다. 고탄화수소계의

분자수가 증가할수록 화염높이와 길이가 증가되

는 것을 관찰하였다. 이는 프로판의 확산계수가

메탄의 확산계수보다 작기 때문이다[3]. 또한,

N2와 CO2는 연소에 관여하지 않는 성분이며, 연

소반응을 지연시키기 때문에 불활성 성분이 증가

할수록 화염높이와 길이가 감소되는 것을 관찰하

였다.

그림 6은 층류확산 버너에서 LNG와 ,PNG1,

PNG2, PNG3를 사용했을 때 연료 유량은 0.15

LPM으로 일정하게 유지하였고, 공기 유량은 0

LPM, 0.5 LPM, 1.0 LPM, 1.5 LPM로 변화시킨

화염의 구조를 나타냈다. 공기가 증가할수록 청

염의 화염길이가 증가하고 황염의 화염길이가 감

소되는 것을 관찰하였다. 이는 공기가 증가할수

록 연료와 공기가 충분히 반응하기 때문이다. 동

시에 화염의 부상길이가 증가되는 것을 관찰하였

다. 그림 7은 층류확산 버너에서 LNG와 ,PNG1,

PNG2, PNG3를 사용했을 때 연료 유량은 0.15

LPM으로 일정하게 유지하였고, 공기 유량은 0

LPM, 0.5 LPM, 1.0 LPM, 1.5 LPM로 변화시킨

화염길이 분포를 나타냈다. 결론적으로 LNG와

PNG 연료를 사용하였을 때 화염구조의 큰 변화

가 없었다. (화염길이차이 5.5% 이하)

본 연구 결과로 LNG와 PNG 연료를 사용하였

을 때 가정용 가스렌지화염과 층류확산화염에서

화염 구조 차이가 허용오차범위 내로 유사한 형

상임을 확인하였다.

후 기

본 연구는 2018년도 산업통상자원부의 재원으

로 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받

아 수행한 연구 과제(No. 20184030202060 )입니

다.

참고 문헌

[1] Y. Zhang, W. Gao, Y. Yu, M. Wang, C.

Chen, "Primary air ratio change and gas

interchangeability index correct for domestic

gas cooker burning multi-source natural

gases", J. Nat. Gas Sci. Eng. 2016, pp.

276-282.

Fig 7. LNG and PNG flame height

distribution of various air supply conditions

in a laminar diffusion flame.

Fig 6. LNG and PNG flame structure of

various air supply conditions in a laminar

diffusion flame.

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[2] J. M. Kim, S. Lee, Y. C. Ha, S. M. Lee, C.

E. Lee, "Estimation Method of the

Interchangeability Using Equivalent Gases in a

Partial Premixed Gas Appliance", 대한기계학회

논문집 B권, 제34권 제8호, 2010, pp. 761-766.

[3] M. Nakahara, F. Abe, K. Tokunaga, A.

Ishihara, "Fundamental burning velocities of

meso-scale propagating spherical flames with

H2, CH4 and C3H8 mixtures", Proc. Combust.

Inst. 2013, pp. 703-710.

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