◎ 연료에 대하여 ◎

1. 휘발유 (Gasoline)

원유유분 중 탄소수 4∼12정도의 탄소수이며, 비점범위가 30∼230℃ 정도로서 휘발성이 강한 혼합액체물질로서 스파크점화식 내연기관의 연료로 사용된다.   대기환경보전법에서는 자동차 배기가스내에 CO2와  HC를 증가시키며 인체에 암을 유발시키는 고분자 방향족 물질을 생성하는 방향족(35% 이하), 인체에 암을 유발시키는 물질로 알려진 벤젠(4% 이하), 일산화탄소의 배출저감 및 미연소 탄화수소를 억제시키는 효과가 있으며, 공해저감 및 옥탄가 향상 목적에서 사용되는 MTBE(Methyl Tertiary Butyl Ether) 함량의 척도로 산소함량(1.3∼2.3%)등이 규제되고 있다.   최근에는 저공해 자동차에 장착된 배기가스 저감장치의 촉매기능을 저하시키지 않기 위하여 황성분(200ppm 이하)을 규제하고 있다.   자동차용 휘발유로서 갖추어야 할 품질로는 일반적으로 다음과 같은 점을 들 수 있다.

1) 저장 안정성이 좋을 것

휘발유의 저장 또는 사용중에 공기중의 산소와 결합하여 산화중화을 일으키거나 또는 휘발유의 성분 중에 2중결합(불포화화합물)과 2중결합이 결합하여 중화을 일으켜 검상(Gum) 물질이 생성되는 일이 없어야 한다.   검상물질은 흡입밸브의 고착 등 여러 가지 문제점을 일으킬 수 있다.

2) 충분한 안티녹킹성을 가질 것

가솔린 엔진용 연료의 품질을 평가할 때 가장 중요시되는 것이 옥탄가 즉, 안티녹킹성으로서 가솔린 엔진내에서 휘발유를 연소시킬 때 일어나는 잦은 녹킹 현상을 억제하는 성질이다.   이 녹킹은 엔진의 구조에 의해 좌우되기도 하지만 안티녹킹성은 휘발유 고유의 성질이라 할 수 있다.   이 안티녹킹성은 그 연료의 성분인 탄화수소의 화학구조와 깊은 관계가 있다.

3) 적당한 휘발성을 가질 것

휘발유의 휘발성은 자동차의 운전성과 밀접한 관계가 있다.   10%유출온도가 높으면 동절기에 엔진의 시동이 곤란해 지고, 유출온도가 낮으면 하절기에 가열된 휘발유 증기때문에 연료펌프 등의 기능이 저하되어 연료가 부족해지거나 혼합기체가 희박해져 엔진이 순조롭지 못하다.   이를 증기폐쇄(Vapor Lock)라 한다.   50% 유출온도가 높아지면 동절기에 Warm-up 시간이 오래 걸리고, 엔진가속시 기화연료량이 너무 적어 요구하는 만큼의 출력을 낼 수 없게 되며 심할 경우 일시정지 상태를 일으킨다.   반대로 낮으면 기화기에 과량의 연료증기가 흡입되어 시동곤란 현상이 일어난다.   90% 유출온도가 높으면 연료로부터 얻을 수 있는 동력의 크기는 커지지만(단위 부피당 열량이 커짐) 너무 높으면 기화가 잘 안되는 부분이 많아지고, 연소불량을 일으켜 엔진흡기밸브에 침적물이 쌓이거나 연소실에 카본퇴적의 원인이 된다.

4) 적정한 첨가제를 적당량 함유

① 녹킹 방지제 (Antiknocking Agents)

원유에서 정제된 휘발유 유분만을 가지고 원하는 옥탄가를 얻기 위해서는 추가공정을 거쳐야 하므로 제품원가의 상승이 필수적이며, 충분한 물량 확보가 어렵다.   그래서 물질 자체가 옥탄가가 높은 물질을 휘발유에 소량 첨가하여 휘발유의 일반성상을 거의 변화시키지 않으면서 옥탄가를 향상시키는 물질이 녹킹방지제다.   

② 산화방지제 (Antioxidants)     

저장 또는 사용중에 산소와 결합하여 형성되는 검상물질의 생성을 억제하기 위한 첨가제이다.

③ 금속불활성제 (Metal Deactivators)

자동차의 연료배기관이나 엔진의 많은 부분이 구리를 포함한 금속재질로 이루어져있다.
구리 제품은 휘발유의 산화를 촉진시키는 촉매역활을 함으로 이러한 금속들이 활성화되지 않도록 하기위하여 금속불활성제를 첨가한다.

④ 청정분산제 (Detergents)

휘발유가 산소와 반응하여 형성된 검상의 물질이나 또는 화학적으로 불완전한 화합물은 다른 물질과 결합을 일으켜 완전한 화합물을 형성하면서 고분자의 검상 물질을 형성하게 되는데, 이러한 물질은 연료계통, 흡기밸브 등 흡기계통과 연소실 내부에 퇴적되게 된다.
퇴적물의 생성방지를 위하여 첨가한다.

2. 경유 (Deisel)

일반적으로 경우는 끓는점이 200 ~ 370℃ 범위에 속하며 용도는 일부 기계등의 세척용, 기타 가스 흡수용 금속 가공유 원료등으로 사용되나 대부분은 디젤 엔진의 연료(수송용)로 사용된다.

좋은 디젤엔진의 연료는 다음과 같은 특성을 지녀야 한다.

1) 엔진에 필요한 점화성을 지닐 것.
2) 사용온도에서 적당한 점도 및 휘발성을 유지할 것.
3) 유해한 고형물질과 부식성분이 없을 것.
4) 연소된후 고형분이 적을 것.
5) 저온 특히 겨울철에는 펌프의 작동성이 좋아야 한다.

참고로 디젤엔진은 휘발유엔진에 비해 다음과 같은 이점이 있다.

1) 연료의 경제성이 있다.
2) 화재위험성이 적다.
3) 토오크가 크다.
4) 고장이 적다.

3. 등유

1) 등유의 이원화 배경

① 본래 가정용 보일러는 경유를 사용토록 제조되고 있으나 소비자가 등유를 선호함에 따라, .월동기중에 등유는 부족하여 수입충당하고 경유는 남는 수급상의 문제가 심화되었음.

② 이와 같은 석유수급상의 왜곡구조를 개선하고 난방 및 보일러용 경유 소비자의 연료비 부담을 경감하며 조세형평을 기하기 위하여 새로운 유종을 공급하게 됨.

2) 등유 이원화에 따른 변경내용

① 가정, 건물, 중소산업의 난방 및 열원용 유류로 등유 와 경유는 등유가 보일러등유(등유1호)와 .실내등유(등유2호)등 2가지 유종으로 2원화되어 난방 및 보일러 유류로 공급되며,

② 난방 및 열원용으로 사용되었던 경유는 수송용으로만 공급.

3) 이원화에 따른 효과

① 보일러등유는 경유보다 경질유이므로 그을음 발생이 적어 보일러내의 열전달 효율이 증대되며, 완전연소에 필요한 공기비를 낮게 조정하므로써 에너지절약 효과를 기할 수 있음.

② 또한 보일러등유의 연소시험 결과 가정용 보일러에서 경유보다 열효율이 0.4％ ~ 2.7％ 높아지는 것으로 나타났음.

4) 보일러등유 (HEATING OIL)

등유와 경유가 일정한 비율로 혼합된 연료로서 경유보다는 부피당 발열량은 경유보다 낮으나 실내등유보다는 높으며, 경유보다 그을음 발생량이 적고, 낮은온도에서도 유동성이 우수하다.   특히 끓는점(90％에서 유출온도)을 적절한 수준으로 균등하게 유지하여 보일러에서 연소성과 발열량을 동시에 만족 시키도록 하고 있다.   또한 겨울철에 연료가 얼어서 연료호스나 노즐이 막히는 것을 방지하기 위하여 유동점을 영하 18℃ 이하로 유지되도록 하였고, 실내등유와의 구분을 위해 착색제(적색)를 주입하고 있음.

5) 실내등유 (KEROSENE)

등유는 석유제품중에 가장 오래전부터 사용되어온 것으로 대부분이 조명용 연료로서 이용되어 왔다.   현재는 조명용으로는 거의 사용되지 않고 가정난방용 연료로서 스토브, 로터리히터, 온풍기등 실내보조 난방기기와 주방용 연료로서 실내에서 사용이 적합하도록 되어 있다.
실내에서 사용하기 위해서는 다음과 같은 특징 및 품질기준을 갖춰야 한다.

① 휘발성이 좋고, 비등점 (끓는점)이 너무 높지 않을 것

휘발성이 적당한지의 여부는 증류성상 항목에서 판단할 수 있다.   즉, 90％ 유출점과 증류점이 높게 나타나는 것은 완전연소 하기에는 끓는점이 높은 유분이 있다는 것으로 연소되지 않은 기름이 남아 탄화수소물의 찌꺼기등이 생기고, 비점이 너무 낮으면 연료 소모가 빠르게 되므로 90％ 유출점의 타당한 온도는 265℃ 정도임.

② 연소성이 좋을 것

연소성은 끓는점이 높거나 방향족 탄화수소나 나프텐계 탄화수소가 많을수록 불완전연소 되기 쉬워 발연성이 떨어지며, 파라핀계 탄화수소가 많을수록 완전연소가 되고 발연성도 좋다. 이러한 발연성의 판단은 연점(Smoke Point)으로 판단하는데 연점이 클수록 연기(그을음)가 적게 난다.   타당한 연점(Smoke Point)은 Min 22㎜ 임.

③ 유황성분이 적고 자극적인 냄새가 없을 것

황분은 연소되어 아황산 가스로 대기중에 방출되므로 이것이 인체에 나쁜 영향을 미치며 금속을 부식시키므로 황분이 적은것이 바람직하다. 특히 실내등유는 소비자가 직접 연소가스를 흡입하게 되므로 실내등유의 황분을 50ppm 이하로 규제하고 있다.

④ 취급상 안전할 정도로 인화점이 높을 것

인화점은 불꽃을 접촉시켰을때 연료가 순간적으로 인화될때의 온도로서 저장 및 안전에 대한 수치이며 규격수치는 40℃ min 임.

4. 저유황경유

일반적으로 경유는 비점이 200∼370℃ 범위에 속하며, 등유 다음으로 유출되는 것이다.    용도는 일부 보일러의 연료와 기계등의 세척용으로 사용되나 80%이상이 디젤엔진의 연료로 사용된다.   대부분의 경유가 디젤엔진에 사용되므로 디젤엔진의 성능에 적합하도록 제조되어 있다.    일반적인 요구 성상은 아래와 같다

1) 착화성 (디젤 안티녹크성)이 좋아야 한다.

세탄가가 낮은 연료가 사용되었을 경우, 연료의 자연발화 온도가 높아 피스톤이 적정위치에까지 올라와 압축을 시켰을 때에는 폭발을 일으키지 못하고 나중에야 갑자기 폭발함으로써 엔진이 균일한 힘을 얻지 못하여 엔진의 출력이 저하된다.   이 현상을 착화지연이라고 한다. 점화성 즉 세탄가는 정파라핀계 탄화수소가 가장 양호하며, 올레핀계, 나프텐계, 이소파라핀계, 방향족 순서로 약화된다.   디젤의 착화성은 세탄가를 실제 측정하여 평가하지만, 그 연료의 API비중과 증류성상의 50%-증류 온도로 계산하는 세탄지수가 세탄가와 상관관계가 있다는 것이 확인됨에 따라 세탄지수를 세탄가 대신에 활용하고 있다

2) 휘발성 (Volatility)이 좋아야한다.

무거운 탄화수소분이 많은 경우 용량당 열에너지가 커 출력면에서는 유리 하나 연소속도가 늦어 분사노즐 주위에 탄소분이 부착되기 쉽다.   저비점 유분이 많은 경우 용량당 열에너지가 적지만 시동성이 좋다. ( 90% 유출점으로 규제)

3) 저온유동성이 좋아야 한다.

외기온도가 낮은 동절기에는 기온보다 유동점이 높으면 연료 공급이 원활히 이루어지지 않아 시동에 지장을 주며, 석출된 왁스분이 필터를 막아 연료 펌프작동을 곤란하게 하는 등의 문제를 일으키게 된다.   따라서 경유는 동절기용과 하절기용을 구분해 사용해야 한다

5. 중유

1) 중유란?

중유는 내연기관용, 보일러용, 로의 연료로서 경유나, 등유처럼 화학적인 정제를 하지 않으므로 석유제품중에 품질면에서 저급이라 할 수 있다.   끓는점이 보통 360℃ 이상의 유분을 중유로 하는데 중유는 점도를 기준으로 여러가지로 나뉘어 진다

2) 중유의 특성

① 중유는 열에너지원으로서 중요한 역할을 가지고 있기 때문에 자주 석탄과도 비교된다.   .. 즉 석탄의 발열량은 5,000~7,000㎉/㎏인데 비하여 중유의 발열량은 10,000~11,000㎉/㎏로 발열량이 높다.

② 중유는 수송,하역,저장이 간편하여 특정한 장소를 필요로 하지 않으며 계량이 용이하고 타고 남은 재의 처리에 관한 문제가 없다.   따라서 설비와 인건비가 현저하게 적게드는 등의 이점이 있다.

3) 중유의 품질

① 동점도 (Kinematic Viscosity)

점도는 중유의 종류를 구분하는데 중요한 항목이다.   일반적으로 분사 또는 증발에 의해 안개 상태로 되어 연소되는바, 이 경우 동점도가 낮을수록 안개 상태로 되기쉽다.   그러므로 엔진이나 버너 또는 로의크기 구조에 따라 어느정도의 점도가 적당한지 계산되어 있는 것이 보통이다.   이러한 동점도의 차이로 A중유 , B중유, C중유로 나뉘어 진다

② 인화점 (Flash Point)

취급상 위험하지 온도라는 의미에서 예열처리를 고려하여 규정하고 있다.

③ 유동점 (Flash Point)

저온시 특히 동절기 기름의 송유. 유동성을 나타내는 것.

④ 회분 (Ash)

중유는 석탄과는 달리 연소후 재가 거의 없는것이 큰 특징이나, 약간의 재가 남을경우 특히 재의 금속성분(철,니켈,바나듐,마그네슘등)은 디젤엔진 내부의 실린더 마모에 영향을 끼치고 있다

⑤ 황분 (Sulfur Contents)

황분은 부식의 원인이 되며 도자기 제조용 또는 제강용 중유처럼 직접적으로 제품의 품질저하를 가져오기도 하고, 연소시 환경오염등 공해문제를 일으키므로 중유의 황함량을 규제하고 있다.

6. LPG 란

1) LPG 생산과정

① 유전에서 원유를 추출할때 함께 나오는 가스

② 추출된 원유를 정유공장에서 증류(끓이는것) 할때

③ 석유화학 공장에서 원료유(주로 납사류임)를 열분해 할 때

2) LPG 특성 및 성상

① LPG(Liquefied Petroleum Gas) 적정 압력을 가하여 액화시키기가 용이하며, 따라서 수송, 저장,취급에 용이하다.

② 무색 무취이며 가스자체가 공기보다 무거워 가스가 노출되면 감지하기 어렵다.

③ 바닥에 깔리게 되면 불꽃으로 인해 폭발 위험성이 크므로 이러한 것을 방지하기 위해 시판되는 LPG에는 착취제가 들어간다.

④ 가정용, 음식점등에서 취사용으로 사용하는 프로판은 용기속에 액체 상태로 들어있다가 용기에 부착된 조절기(Regulator)를 통해 대기중으로 나올때 가스가 되어 점화된다.

⑤ 택시등 수송용으로 사용되는 부탄은 가스 조정기(Vaporizer)를 통해 가스가 되어 점화된다.

⑥ LPG 액체비중은 프로판(0.51), 부탄(0.58)로 물의 1/2 무게이다. 그러므로 가정용 10㎏의 용기속에는 20액체 프로판이 들어있는 셈이된다.

⑦ 인화성이 높고, 공기와 혼합된 가스의 화염 전파속도(Flame Speed)가 늦고 폭발 한계가 도시가스 보다 좁다는 점, 공기보다 1.5 ~ 2배 무겁기 때문에 용기 밖으로 LPG가 누출되면 주변 바닥에 깔리게 되므로 통풍을 해주어야 한다.

⑧ LPG는 물 또는 침전물을 함유하지 않아야 한다.

3) LPG 용도

① 공업용 연료

대규모 난방·공업용가열로등에 연료로 사용된다.

② 도시가스용

난방 및 취사용으로 LPG 및 LNG가 주로 사용되고 있으며, 최근에는 주로 LNG가 많이 쓰임

③ 열처리용

공기중에서 철을 열처리하면 표면이 산화하여 변색된다 그래서 비산성화 가스로 열처리를 하는데 이때 사용하는 가스로서 프로판을 사용한다

④ 용접절단용

철의 절단시 철의 산화 상태에서 행하므로 프로판 산소불꽃을 이용하면 절단한 자리가 깨끗하고 두꺼운 절단도 가능하다.

⑤ 자동차용 연료

a. 옥탄가가 높아 고압축화 엔진에 이용되며 더욱이 점화시기를 앞당기므로 연료비가 적게든다.

b. 액체연료와 같은 희석오염이 없다.

c. 황화합물과 4에틸납등이 없어서 엔진수명이 길어지고 점화장치 손상을 억제하는 장점이 있다.

7. 항공유

1) 항공유라는 연료사용의 배경

① 제2차 세계대전이후 제트엔진이 급속히 발달이후

② 이 제트엔진의 특성상 높은 휘발성을 필요로하지 않고, 안티노킹성도 고려할 필요가 없으며 고공에서 저압·저온으로 연료 필터의 막힘이 없고, 엔진에서 연소성이나, 시동성이 양호해야 하기 때문임.

2) 제트엔진의 구조 및 원리

① 엔진구조 : 켐프레서, 연료실, 터빈등 크게 3부분으로 구성되어 있음

② 작동원리 : 엔진에 들어온 공기가 컴프레서에서 압축되어 연소실로 들어오고 여기서 연료와 혼합하여 가연가스로 연소한다.

연소가스는 급격히 팽창하여 빠른 속도로 터빈을 통과하여 배기통으로 분사된다.
이때 분사속도는 400m/sec 로 비행기의 추진력이 된다.

3) 제트연료유(항공유)에 필요한 성상

① 연소성이 좋을것 - 고공에서 사용되므로

② 발열량이 클것 - 연료탱크의 제한

③ 저온특성이 양호할 것 - 고공에서 저온 상태의 연료가 얼게되면 사고의 원인이 됨

④ 휘발성이 적당할 것 - 휘발성이 좋으면 연소성,시동성등이 양호하나 증발손실 , 인화폭발위험성등의 면에서는 불리하게 되므로 제트기의 성질에 따라 적당한 것을 사용해야 함

⑤ 이물질이 들어 있지 않을 것 - 안전비행을 위해서는 연료중의 고형 이물질의 침입과 용해 또는 유리된 물의 다소도 비행중의 연료필터를 막히게 하여 사고의 원인이 됨

⑥ 그외 중요하게 다루어지는 성상으로는 부품의 피해를 줄 수 있는 방향족탄화수소분 과 황분의 함량이다.