[논문]C3 및 C4 LPG의 폭발특성에 관한 연구

이진영; 오규형; 박승일; 나선종; 이광원

문제 정의

석유화학 산업에서 부산물로 생산되는 LPG중에는 프로필렌도 있어서 증기압 상승을 위한 혼합연료로 프로필렌의 사용도 고 려해볼 수 있다. 따라서 본 연구에서는 프로판 대신 프로필렌을 부탄에 혼합할 경우 자동차 연로로서의 적합성 등을 고찰하기 위하여 이들 LPG의 각각의 폭발특성과 부탄 과 프로판 및 부탄과 프로필렌의 혼합비를 변화시켰을 때의 폭발 특성과 각각의 경우에 화염전파속도 등을 측정 비교하였다.

제안 방법

실험방법은 화염전파속도 측정의 경우와 비슷한 방법으로 진공펌프를 이용하여 용 기내부를 진공으로 만든 후 일정농도로 혼합된 시료가스를 용기에 넣고 10kV의 고압전 기불꽃으로 점화하였고 Strain형 압력센서를 이용하여 폭발압력을 측정하였다. 다음 그림 3은 폭발 압력측정실험장치의 개략적 구성도 이고 폭발특성은 오실로그래프에서 피 크의 높이가 최대폭발압력이고, 압력상승 부분 중 기울기가 가장 큰 곳에서 최대폭발 압력상승속도를 계산하게 되며, 평균폭발 압력 상승속도는 폭발압력이 상승하기 시작하는 지점부터 피크의 최대점이 될 때까지의 시간으로 최대폭발압력을 나눈 값이 된다.
제공된 시료 LPG에 대하여서는 완전연소 혼합비S=l)를 중심으로 3%에서 6%까지 0.5% 단위로 농도를 변화시키며 각각 화염전파속도와 폭발압력을 측정하였다. 실험결과는 다음 그림4에서 부터 그림 6에서 보여주는 바와 같이 프로필렌의 폭발압력이 다른 시료보다 높은 값을 보여주고 있으며, 부탄에 프로판을 혼합한 경우에 비하여 프로 필렌을 혼합한 경우가 폭발특성이 우수한 것을 보여주고 있다.
시험은 먼저 실험관 내부를 진공으로 만든 후 미리 준비한 혼합가스를 주입하고 점 화원 반대 끝면을 폭발 시 파열 될 수 있는 막으로 밀폐한 후 10kV의 전기불꽃으로 점 화시킨다. 폭발화염의 전파속도는 시험관에 설치된 광센서에 의해 발생되는 두 개의 전 압발생 신호의 시간 차이를 오실로스코프를 이용하여 측정한다. 다음 그림 1은 화염전 파속도 측정장치의 개략도이고 광센서 사이의 시간차이 At로 두 지점의 거리를 나눈 값이 화염전파속도이다.
실험관의 전면과 후면은 투명한 아크릴로 제작되어 화염전파현상을 육안으로 관찰할 수 있으며 필요한 경우 고속카메라로 가시화 할 수 있게 하였다. 화염전파속도는 두 개의 광센서를 이용하여 측정하였으며 광센서는 점화원으로부터 약 30cm 와 63cm 떨어 진 곳에 설치하였다.

대상 데이터

각 가스들의 공기 와의 혼합기 에 대한 폭발화염전파속도는 가로와 세로가 4.16cm X 4.16cm 이고 길이가 80cm인 폭발화염 전파속도 측정용 실험관을 사용하였다.
실험에 사용된 시료가스들을 대상으로 폭발특성은 폭발압력과 압력상승속도를 측정 였으며, 폭발실험 용기는 직경이 20cm, 높이가 20cm로 부피가 약 6.3/인 원통형 용기를 사용하였다.
실험에 사용된 시료는 S사에서 생산한 C厂LPG를 비롯하여, 프로판 및 프로필렌을 사용하였다. S사의 C₄-LPG는 iso-butane 함량이 높아 55% 이상으로 기존 타 회사들 의 LPG 보다 월등히 높아 자동차의 출력 및 겨울철 시동성이 양호한 것으로 알려져 있다.

성능/효과

그림7의 폭발화염전파 속도 측정결과에서 나타난바와 같이 당량농도 부근을 중심으로 프로필렌의 화염전파속도가 가장 빠르게 나타났으며 그림 8과 그림9의 부탄-프로판 및 부탄-프로필렌의 혼합비에 따른 화염전파속도 측정결과에서는 부탄-프로필렌의 혼 합연료 중 프로필렌 30%의 경우가 최대값을 나타내었으며 프로판을 혼합하는 경우에 비하여 전반적으로 큰 값을 나타내었다. 따라서 부탄의 증기압을 위해 Blending할 경우는 프로판보다는 프로필렌을 선택하는 것이 자동차의 출력을 위해서는 우수한 연료가 될 것으로 보인다
일반적으로 알칸계 탄화수소에 비해 불포화 탄화수소인 알켄계 탄화수소가 반응성이 커 서 폭발화염전파속도나 폭발압력이 높은 것으로 알려져 있으며 점화에너지는 낮다. 본 연구에서 실험한 결과 이러한 특성들을 확인할 수 있었으며 이러한 결과들을 바탕으로 가격 경쟁력이나 배관 상의 문제가 없는 한 프로판 보다는 프로필렌을 부탄에 blending 하는 것이 자동차 연료로서의 특성에 더 적합한 것을 알 수 있었으며 석유화 학 공정에서 생산되는 프로필렌의 활용도를 넓힐 수 있어 부가가치를 향상시킬 수 있다.
5% 단위로 농도를 변화시키며 각각 화염전파속도와 폭발압력을 측정하였다. 실험결과는 다음 그림4에서 부터 그림 6에서 보여주는 바와 같이 프로필렌의 폭발압력이 다른 시료보다 높은 값을 보여주고 있으며, 부탄에 프로판을 혼합한 경우에 비하여 프로 필렌을 혼합한 경우가 폭발특성이 우수한 것을 보여주고 있다. 또한 부탄과 프로필렌의 혼합비에서 20%의 경우가 가장 높은 폭발압력을 보여주고 있어서 부탄에 프로필렌을 blending 할 경우 10%정도에서 자동차의 출력이 가장 크게 될 것을 예측할 수 있다.

후속연구

그러나 자동차 연료로서의 특수성을 고려하여 기존 사용되던 LPG와의 호환성 및 적합성들을 고려하여 연료의 연소특성과 기존 자동차에 적응성 등을 연구하여 소비자 들이 만족할 수 있는 양질의 에너지공급을 위해서는 프로판과 프로필렌 및 부탄에 대한 물리화학적인 특성과 자동차 부품에 미치는 영향 및 실제 적용들에 대한 연구가 필요하다.
석유화학공업의 발달로 국내에서 생산되는 원유 및 납사 등의 물량이 크게 증가하였 으며 이와 함께 석유화학산업의 부산물의 발생량도 크게 증가하였다. 프로판과 부탄 역시 석유화학산업의 부산물로 생성되는 품목들로 이것들에 대한 용도개발과 부가가치를 높이기 위한 연구가 필요하다. 국내에서의 LPG시장도 휘발유가격의 상승 및 환경문제 등으로 기존의 휘발유에서 LPG로의 전환과 함께 사용량이 급격히 증가하고 있다.

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