[리서치] DME-LPG 연소에 따른 상업용 연소기의 가스소비량 특성 연구  
한국가스안전공사 가스안전연구원 황현철 과장  

▲ <그림 1> 준저압연소기 성능실험 장치  
DME-LPG혼합연료 250시간 연소 후 가스기기 성능 ‘불변 확인’
한국가스학회(회장 이수경)의 추계학술발표회가 지난 달 27일부터 28일까지 양일간 충주대학교 공동실험실습관에서 열렸다.
이번 추계학술발표회에서는 △신에너지 이용 및 안전 △가스안전관리 △구조 및 설계안전 △가스개발·저장 및 수송 △신에너지 이용 및 안전/구조 및 설계안전 △가스안전관리 △가스물성 및 환경 △가스이용 및 기기/가스공정 설계 및 제어 등 총 60편의 논문이 발표됐다.
이번 추계학술대회에서 발표된 60편의 논문 중 ‘DME-LPG 연소에 따른 상업용 연소기의 가스소비량 특성연구’ ‘광센서를 이용한 독성가스 누출탐지 및 대응시스템 개발’등 두편을 발췌해 게재한다.
우선 이번호에는 ‘DME-LPG 연소에 따른 상업용 연소기의 가스소비량 특성연구’ 논문을 싣는다.
1. 서론
석유는 이산화탄소를 다량 발생시키고, 매장량 및 매장지역이 한정되어 있기 때문에 환경오염, 연료공급 등의 많은 문제를 안고 있다. 디메틸에테르(DME : dimethyl ether)는 현재 에어로졸 용기의 추진제로 주로 이용되고 있으나, 자동차용, 가정용 또는 발전용 연료로서 주목받고 있다.
최근에는 직접 제조기술이 개발되고 청정연료로 인식되면서 관련 연구가 활발하게 진행되고 있다. DME는 천연으로 생산되는 에너지자원은 아니지만, 석탄, 석유가스, 바이오매스 등의 다양한 에너지원으로부터 합성될 수 있으며, 이산화탄소 배출량이 적기 때문에 지구온난화 문제에도 적극 대응할 수 있다.
중국을 비롯한 몇몇 나라에서는 석탄 및 천연가스를 개질한 DME를 자동차용 및 가정용 연료로 일부지역에서 사용하고 있다. 우리나라에서도 DME 상용화를 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. DME 상용화를 위해서는 DME-LPG 혼합연료 특성에 관한 연구와 혼합비율 등에 따른 연소특성 연구를 수행하여 연료용으로 사용하기 위한 기준을 확립하는 것이 필요하다.
이에 본 연구에서는 DME-LPG 혼합가스를 상업용 연소기에 구조 변경없이 적용하여 DME-LPG 혼합비율에 따른 상업용 연소기의 가스소비량 특성에 관하여 알아보고자 하였다.
2. 실험장치
(1) 실험장치
실험장치는 가스용기, 조정기, 배관, 압력계, 가스미터, 상업용 가스연소기로 구성되었으며, 데이터 수집장치를 통해 컴퓨터로 실험 데이터를 수집·처리하였다. <그림 1>은 본 실험을 수행한 실험장치를 나타내고 있다.
(2) 실험시료
본 실험에서는 사양과 제조사가 다른 3종의 상업용 가스연소기를 선택하여 DME-LPG 혼합비율에 따른 가스소비량을 측정하였다. 상업용 가스연소기의 종류는 <표 1>과 같다.

3. 실험방법
가스소비량 측정실험은 KS B 8101 가스 연소 기기의 시험 방법에 따랐으며, DME-LPG 혼합비율에 따른 상업용 가스연소기에서 가스소비량 특성이 KGS A110-2003 가스주물연소기 및 KGS A114-2003 업무용 대형연소기에 적합한지를 확인하기 위하여 DME-LPG 혼합가스를 제조하였다. <표 2>는 4종의 DME-LPG 혼합가스에 대한 중량기준(wt.%) 혼합비율과 혼합비율에 따른 DME-LPG 혼합가스의 성분분석 결과를 나타내고 있다. 혼합된 가스는 GC HP 5890의 PFPD 검출기를 사용하여 성분을 분석하였다.
(1) DME-LPG 혼합비율에 따른 가스소비량 측정실험
사양과 제조사가 다른 3종의 상업용 가스연소기에 DME 혼합비율이 0, 15, 20, 25(wt.%)인 4종의 DME-LPG 혼합가스를 적용하여 혼합비율에 따른 각 시료의  가스소비량을 측정하였다.
(2) DME-LPG 연소시간에 따른 가스소비량 측정실험
현재 DME-LPG 혼합비율을 20-80(wt.%)로 하여 가정·상업용으로 사용하였을 경우 가스이용기기의 구조변경 없이 이용이 가능하다고 알려져 있다. 이에 본 실험에서는 사양과 제조사가 다른 3종의 상업용 가스연소기에 DME-LPG 혼합비율이 20-80(wt.%)인 혼합가스를 적용하여 250시간 연소 후 가스소비량을 측정하였으며, 연소실험 전 가스소비량 측정값과 비교하였다.
4. 실험결과 및 고찰
(1) DME-LPG 혼합비율에 따른 가스소비량 측정실험 결과
<표 3>은 사양과 제조사가 다른 3종의 상업용 가스연소기에 DME 혼합비율이 0, 15, 20, 25(wt.%)인 4종의 DME-LPG 혼합가스를 적용하여 혼합비율에 따른 시료별 가스소비량 측정값을 나타내고 있으며, <그림 2>는 그 변화 추이를 나타내고 있다. <그림 2>와 같이 가스소비량은 DME 혼합량이 많아질수록 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.
이는 DME의 발열량이 LPG에 비해 낮기 때문인 것으로 판단된다. 그러나 4종의 혼합가스에 대하여 시료 A, B, C 모두 KGS 기준인 기준가스소비량의 ±10% 이내일 것이라는 기준에 만족하는 것을 알 수 있었다.
(2) DME-LPG 연소시간에 따른 가스소비량 측정실험 결과
<표 4>는 사양과 제조사가 다른 3종의 상업용 가스연소기에 DME-LPG 혼합비율이 20-80(wt.%)인 혼합가스를 적용하여 연소실험 전 가스소비량 측정값과 250시간 연소 실험 후의 가스소비량 측정값을 나타내고 있다.
시료 A의 경우 연소실험 전과 250시간 연소실험 후의 가스소비량 측정값이 같게 나타났으며, 시료 B와 C의 경우에는 250시간 연소실험 후 측정값이 각각 0.5kW와 0.6kW 증가하였다. 이는 가스소비량 측정시 실험실 조건의 영향에 의해 약간의 차이를 보이고 있는 것으로 판단된다. 하지만 250시간 연소 전후의 가스소비량 측정값은 큰 차이를 보이고 있지 않음을 확인할 수 있었다.
5. 결론
본 연구에서는 DME-LPG 혼합가스를 구조 변경을 하지 않은 상업용 가스연소기에 적용하여 가스소비량 측정실험을 수행하였다. 실험결과에 따르면 DME 혼합량이 많아질수록 상업용 가스연소기에서 각 시료의 가스소비량은 줄어드는 것을 확인할 수 있었고, 실험 시료 모두 KGS 기준값 이상을 나타내었다.
DME 혼합량이 많아질수록 각 시료의 가스소비량은 줄어드는 것은 DME의 발열량이 LPG에 비해 상대적으로 적기 때문인 것으로 판단된다. 또한, 연소시간에 따른 실험을 통해 250시간 연소 후 가스소비량 측정 실험을 수행한 결과, 성능에는 큰 변화가 없는 것을 실험적으로 확인할 수 있었다.
이는 현재 알려진 DME-LPG 혼합비율을 20-80(wt.%)로 하여 가정·상업용으로 사용하였을 경우 가스이용기기의 구조변경 없이 이용이 가능하다는 결과와 일치하는 것을 보여주고 있다.
향후 가스 이용기기의 연소시간을 800~1000시간까지 더 늘린 후 가스소비량과 CO 등의 성능변화 실험을 통하여 상업용 연료로서 20% DME-80% LPG 혼합가스(wt.%)의 적용 가능성에 대한 실증을 계속 수행할 예정이다.

2008년 12월 10일

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