연료(燃料) - 정제(Fuel refinery)
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일반적으로 열과 빛을 얻을 목적으로 연소되는 물질.
【변천】 발화법(發火法)의 발명은 인류문화향상의 제일보였으며, 불을 사용하게 됨에 따라 연료가 필요하게 되었다.
열원으로서의 연료는 주로 나무·마른풀·나무뿌리 등이나 소·말의 마른 똥 등이었고, 광원으로서는 동식물의 유지(油脂)나 납(蠟)이 주로 사용되었다.
중세에는 목재가 건축재나 연료로써만이 아니라, 목탄(木炭)으로서 금속 제련이나 화약 연료로도 사용되었고, 목회(木灰)로서 비누나 초석(硝石)의 원료로도 사용되는 등 수요가 두드러지게 증대되었다.
한편, 의료용 양모를 얻기 위해 산림을 벌채하여 목장을 만들었기 때문에 나무가 점점 부족하게 되었다. 이에 따라 등장한 연료가 석탄이다.
석탄을 채굴·사용하게 된 것은 중세부터이다. 공업용으로는 14세기경부터 국부적으로 사용되었으나, 가정용으로는 17세기부터 쓰이게 되었다.
영국에서는 18세기 초에 제철업에서 목탄 대신 코크스를 사용하는 데 성공한 이래 석탄은 코크스로 대량 사용되었다.
18세기 말에는 석탄가스로 조명을 할 수 있게 되었고, 19세기 전반에는 세계 각 도시에 가스등이 설치되기에 이르렀다. 19세기 후반부터 20세기 초에 걸쳐 전등이 실용화함으로써 가스는 도시연료로서 중요시 되어 오늘에 이르고 있다.
석유도 이미 오래 전부터 그 존재가 알려져 있었으나, 현대의 석유공업은 1859년 미국의 펜실베이니아 유전에서 유정을 시굴한 때부터 시작되었다고 할 수 있다.
이상과 같이 연료는 동식물질의 것에서 석탄으로, 석탄에서 석유로 이행하였으나, 19세기 후반에 이르러 전기가 개발되고, 더욱이 근년에는 원자력이 발전하여 에너지원도 풍부해졌다.
【종류와 용도】 현재 연료로 사용되고 있는 것은 석탄·석유·천연가스 등 광물자원에 의한 것이 압도적으로 많으나, 나무·목탄·마른풀·동식물 유지 등 생물자원에 의한 것도 있다.
석탄은 그냥 그대로 사용하는 경우가 많으나, 직접 연료로서 사용하면 착화조작이 번거롭고, 재가 나와 더러워지며, 다른 유용한 함유물도 타버리는 등의 결점이 있으므로, 오히려 건류하여 석탄가스·가스액·콜타르·코크스 등으로 만들어 연료나 화학공업원료로 사용하고 있다.
코크스는 석탄을 1,000 ℃ 내외의 온도에서 건류할 때 노(爐) 중에 잔류하는 회백색·다공질의 단단한 탄소이며, 발열량이 7,500∼8,000 cal로 고체연료 중 특히 우수하므로 고온을 필요로 하는 제철주물 등 금속공업연료로 사용된다.
이 밖에 코크스에는 50 ℃ 정도의 저온에서 건류한 반성(半成) 코크스가 있는데, 이것은 점화가 용이하고 그을음이 나지 않으므로 가정용 연료로 사용된다. 또, 석탄가스는 수소를 주성분으로 하고 메탄·일산화탄소 등을 포함하여 특유한 냄새를 가지고 있으나, 도시가스로 도시가정의 주요 연료로 쓰이는 외에 공업용 연료로도 사용되고 있다.
이리하여 석탄은 뛰어난 열원·동력원으로써 옛날부터 널리 사용되어 왔으나, 최근에는 석유(원유)로 대체되어 가고 있다. 이것은 석유가 열효율이 높고 안전하며, 취급(저장·후처리 등)도 간단하여 경제성이 뛰어나기 때문이다.
이러한 고체연료에서 액체연료로의 이행은 제2차 세계대전 후 세계적인 규모로 급속히 진행되고 있다.
석유(원유)는 끓는점의 차를 이용한 분류에 의하여 휘발유(가솔린)·등유·경유·중유 등으로 나누어진다.
가솔린은 비행기·자동차 그 밖의 내연기관의 연료로 매우 중요하며, 자동차의 대량 보급으로 소비량도 급증하고 있다.
등유는 난로 등 가정용 연료로 사용되며, 경유는 대형 디젤기관 등에 사용되고 있다.
또 중유는 선박용 대형 디젤기관이나 보일러 등의 중요한 연료일 뿐 아니라 화력발전에도 사용되고 있는데, 전력이 수력발전에서 화력발전으로 이행함에 따라 그 소비량이 늘어나고 있다.
이와 같이 석유는 용도가 다양하고 경제적인 연료이나, 황분을 포함하고 있어 공해의 원인이 되는 단점도 있다. 이 밖에도 천연가스가 있는데, 한국에는 매장량이 없으므로, 전량 수입하여 각 가정의 도시가스로 사용되고 있다.
@가솔린
원유를 증류하거나 열적(熱的)·화학적 처리를 하여 얻는, 끓는점이 30~200 ℃ 범위에 있는 각종 탄화수소의 혼합체. 휘발유라고도 한다.
내연기관용 연료·석유화학 원료·용제(溶劑) 등으로 쓰이는 중요한 석유제품이다. 원유의 성질과 상태나 처리방법에 따라 파라핀계·올레핀계·나프텐계·방향족계 등 각종 탄화수소의 혼합비율이 다르다.
용도에 따라 공업가솔린·자동차가솔린·항공가솔린 등으로 나눌 수 있고, 제조법에 따라 분류하면 직류(直溜)가솔린·분해가솔린·중합가솔린·천연가솔린·인조가솔린·개질가솔린 등으로 나뉜다.
직류가솔린은 단순히 원유의 증류만으로 얻을 수 있는 가솔린이고, 분해가솔린은 끓는점이 높은 석유유분(石油溜分)을 열분해 또는 접촉분해에 의해 끓는점이 낮은 석유로 변화시켜 얻는다.
중합가솔린은 분해가스(특히 이소부텐)의 중합이나 이소올레핀과 이소파라핀의 축합에 의해 제조되며, 화학구조적으로 볼 때 앤티노크성(antiknoke 性)이 좋은 고급가솔린이다.
천연가솔린은 유전에서 나온 습성 천연가스에 함유되어 있는 비교적 끓는점이 낮은 가솔린으로, 흔히 케이싱헤드 가솔린(casing head gasoline)이라고도 한다. 인조가솔린은 석탄액화 또는 수소와 일산화탄소로 합성한 것이다. 개질가솔린은 직류가솔린을 개질하여 만든다.
【직류가솔린】 원유산지에 따라서 파라핀계 탄화수소가 풍부한 것, 나프텐 성질의 것, 그리고 방향족 탄화수소를 다량으로 함유한 것 등의 3종이 있다.
여러 종류의 탄화수소를 함유한다. 비중은 0.65~0.75, 발열량은 약 1만 2000 kcal/kg이다.
【분해가솔린】 1900년 초 미국에서 자동차공업이 급격히 발달하여 직류가솔린이 부족하였을 때, 경유나 중유와 같은 중질유(重質油)를 분해하여 분자량이 보다 작은 가솔린을 제조하게 되었다.
분해방법에는 촉매를 사용하지 않는 비접촉분해와 촉매를 사용하는 접촉분해가 있는데, 전자는 초기에 발달한 방법으로, 버튼식·더브스식·크로스식 등은 액체상(液體相)에서 분해를 하고, 자이로식은 감압하(減壓下)에 기체상(氣體相)에서 분해를 하는 방법이다.
접촉분해법은 기체상에서 촉매를 사용하여 분해하는데, 전자보다 한층 더 옥탄값이 높은 가솔린을 생산하는 것이 주목적이며, 촉매를 고정시키는가 이동시키는가에 따라 고정상식(固定床式)·이동상식(移動床式)·유동식(流動式) 등으로 나뉜다.
후드리식(Houdry 式) 접촉분해법은 70~80 %의 규산, 10~20 %의 알루미나, 10 % 이하의 기타 종류의 금속산화물을 혼합하여 가압 성형한 촉매를 반응탑(反應塔) 내에 고정시킨 뒤, 원료유를 기체상에서 반응시키는 방법으로, 반응온도 430~470 ℃, 상압(常壓)에서 분해한다.
유동식 접촉분해 증류법(FCC法)은 분해반응과 촉매의 재생이 완전한 유동상태에서 행하는 방법이다.
【공업가솔린】 주로 용제로 쓰이는 것으로, 천연가솔린이나 직류가솔린 등의 정제도(精製度)가 높은 것이 쓰인다. 용도에 따라 여러 가지 끓는점 범위에서 조제(調製)한다.
유지(油脂) 등의 추출용(抽出用) 가솔린(60~110 ℃)·벤젠(30~150 ℃), 고무용제가 되는 고무용 가솔린(80~175 ℃), 페인트·니스 등의 희석제가 되는 미네랄스피리트(150~210 ℃) 등이 있다.
【자동차가솔린】 직류가솔린에 분해가솔린·개질가솔린 등을 섞고, 다시 옥탄값을 높이기 위해 앤티노크제(劑)나 안정제를 첨가하여 제조한다.
자동차가솔린에 요구되는 성질로는 옥탄값 외에 반응이 중성(中性)이고 기화(氣化)하기 쉬울 것, 부식성(腐蝕性)이 없을 것, 증기압(계절에 따라 조절)이 적당하여 기관의 베이퍼로크(vapor lock), 즉 기포(氣泡)에 의한 연료파이프의 폐쇄를 일으키지 않을 것, 고무상(狀) 물질의 발생이 제한량 이하일 것 등이다.
앤티노크제(사에틸납·사메틸납 등)는 독성이 있으므로, 가솔린에 일정량 이상 혼합하는 것을 제한함과 동시에, 납을 가한 자동차가솔린은 오렌지색으로 착색하여 무연(無鉛)가솔린과 구별한다.
【항공가솔린】 점화식 내연기관을 가진 프로펠러기(機)의 연료로서, 접촉분해 가솔린·개질가솔린·중합(重合)가솔린·알킬레이트 등을 혼합하여 사용한다. 항공가솔린에 요구되는 각종 성상(性狀)은 자동차가솔린보다도 더 엄격하다.
항공가솔린은 대체로 옥탄값이 100 이상이며, 퍼포먼스값으로 표시한다. 현재는 100/130, 115/145의 제품이 많이 쓰이고 있다. 제트연료는 항공가솔린과 전혀 다른 성상이 요구되고, 옥탄값과는 무관하며, 가솔린과 등유유분(燈油溜分)에 걸친 액상(液狀) 탄화수소의 혼합체(混合體)이다. 끓는점은 100~130 ℃가 많다.
@경유(輕油)
원유나 콜타르를 분류하여 얻은 기름. 석유계(系)의 경유와 타르계의 경유가 있으며, 전자는 원유를 증류할 때 등유에 이어 유출(溜出)되는 성분이고, 후자는 석탄건류가스에서 분리되는 조경유(粗輕油)와 타르 증류 때 얻어지는 타르 경유이다.
그러나 보통 경유라고 하면 석유계 경유를 말하는 것으로, 타르 경유와 혼동하지 않도록 주의해야 한다.
석유계 경유는 각종 탄화수소의 혼합물로서, 끓는점은 200~350 ℃의 범위이고, 발화점은 50 ℃ 이상, 비중은 0.830~0.880 사이이며, 중유(重油)에 대하여 경유라고 한다.
빛깔은 원유에 따라 다르며, 담황색 또는 담갈색이다. 주된 용도로는 디젤기관 연료, 석유버너 연료, 오일가스 연료, 기계의 세척용 등이다.
이러한 직접적 용도 외에 석유정제공업에서는 경유유분(輕油溜分)을 분해 가솔린의 원료로 사용하거나, 중유에 섞어 넣어 점도(粘度)와 황 함유량의 조정을 하고 있다.
일반 연료용·원료용으로서의 경유는 증류 후 필요에 따라 간단한 정제를 하는 것으로 충분하지만, 고속 디젤기관 연료로서 경유는 착화성이 좋아야 하고, 연소속도가 빨라야 하는 등, 비교적 높은 정제도의 것이라야 한다.
또 원유에 따라 황화합물과 질소화합물의 함유량이 많고, 경유유분에도 이러한 유해물질이 옮아가서 불순물을 형성하게 되므로, 가솔린·등유 등과 같이 수첨정제(水添精製)를 행하는 경유가 많다.
타르계의 경유는 벤젠과 그 동족(同族) 원소를 주성분으로 하는 방향족(芳香族) 탄화수소의 혼합물로서, 다시 정제하여 벤젠·톨루엔·크실렌 등을 분리하거나, 솔벤트 나프타를 제조한다. 솔벤트 나프타는 크실렌 이상의 벤젠 동족체·트리메틸벤젠·에틸벤젠 등을 함유하며, 니스나 래커의 용제로 사용된다.
@중유(重油)
원유를 증류하여 가솔린·석유·경유 등의 유분(溜分)을 뺀 잔유(殘油). 연료유의 하나이며 영국 세법에서 처음으로 경유(light oil)에 비해 비중이 큰 것을 중유(heavy oil)라 이름하였다.
현재는 원유로부터 LPG·가솔린·등유·경유 등을 증류한 잔유로서 주로 디젤기관·보일러 가열용·화력발전용으로 사용되는 연료용 중유(heavy fuel oil)를 가리킨다.
이 밖에 콜타르를 증류해서 얻은 타르 중유도 있으나, 이것은 석유계 중유와는 달리 나프탈렌·안트라센·타르산·크레오소트유 등의 원료로 쓰인다.
원유에서 얻어지는 중유의 비율은 원유의 성상(性狀)에 따라 다르지만, 보통의 원유에서는 부피의 30~50 %의 중유를 상압증류(常壓蒸溜)하여 얻을 수 있다.
실제로는 이 밖의 제유공정, 즉 열분해·접촉분해 등으로도 중유가 부생(副生)하고 감압증류의 잔유, 윤활유를 추출한 잔유 등도 중유에 혼입된다.
중유의 품질은 비중(0.9~0.95)·점도 등의 차이에 따라 A중유·B중유·C중유의 3종류로 대별할 수 있다. 또한, 각종 잔유 외에 등유·경유 등을 적당히 혼합하여 비중·점도·황함유량 등을 조절하여 중유를 조제한다.
또 도시공해 문제 때문에 대량소비되는 C중유에 대해서는 황함유량을 제한하고 있다.
중유는 등유나 경유에 비해 증발하기 어려우므로 노(爐) 등에서 연소시킬 때 기름방울 상태로는 쉽게 연소되지 않아 이것을 연소시키려면 우선 중유를 분무상태로 하여 공기와 잘 혼합시켜야 한다.
이 때 분무상태가 잘 되도록 분산제·조연제(助燃劑)·응고점 강하제 등의 첨가제를 미리 중유 속에 넣는다. 그리고 점도를 용도에 따라 달리해야 하는데 수분이 2 %를 넘으면 불완전연소된다.
디젤중유는 회분과 탄화분이 많으면 엔진 마모가 일어난다. 또 불안정하게 예열되어 슬러지(sludge:沈積物)가 생기면 펌프·노즐·분무구멍을 막히게 하는 등의 문제가 발생한다.
특히 분해중유에는 불포화 화합물과 아스팔트가 많아 슬러지를 만들기 쉬워 이런 저질중유는 크래킹이 일어나는 때가 많다.
중유는 석탄과 비교해 볼 때 발열량이 1만~1만 1000 kca1/kg으로 5,000~7,000 kca1/kg인 석탄에 비해 약 2배나 되고, 열효율도 석탄이 50~70 %인 데 비해 중유는 60~80 %로 연료로서 우수한 점이 많다.
그리고 연소 때 재가 없으며 점화·소화(消火)가 간단하고 수송·저장도 쉽다. 가격면에서도 중유 1 t이 석탄 2∼3 t과 맞먹으므로 유리하다. 연소에 필요한 공기량도 석탄의 경우보다 적으므로 과잉공기에 의한 열손실이 적다.
또 유체연료의 이점인 조절·취급이 용이하기 때문에 중유는 연료로서 석탄과 대체되는 경향을 보여 수요가 비약적으로 증대되고 있다.
중유는 연료 이외에도 여러 가지 용도로 사용되는데, 윤활유의 원료, 도시가스 원료(오일가스용), 카본블랙(carbon black)의 원료 및 석유 코크스의 원료 등으로 사용된다. 또한 화학공업에서는 암모니아·수소 제조용 원료로 쓰이고 있다.
@액화석유가스(液化石油-)
석유성분 중 프로판 및 부탄가스 등 끓는점이 낮은 탄화수소를 주성분으로 가스를 상온에서 가압하여 액화한 것.
LPG 또는 LP가스로 약칭하며, 또 프로판가스·부탄가스 등으로도 총칭된다. 이 가스를 소형의 가벼운 압력용기(봄베)에 충전해서 가정용·업무용·공업용 연료로 쓰며, 또 자동차용 가솔린 대신으로도 널리 이용하고 있다.
액화석유가스의 이용은 미국에서 습성(濕性) 천연가스나 유정(油井) 가스에서 메탄가스·천연 가솔린을 채취할 때 분리되는 프로판 및 부탄 등의 이용에서 비롯되었는데 오늘날에는 석유화학용 에틸렌 제조공정에서 부생(副生)하는 저분자 수소가스에서도 프로판·프로필렌·부탄·부틸렌 등을 분리·정제하여 그것을 액화석유가스로서 시판하고 있다.
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