생활 속의 석유화학이야기 LPG와 LNG
알쏭달쏭 아리송한 석유제품 용어의 혼란성을 앞서 지적한 바 있습니다. 이번에는 이 혼란성을 조금이나마 제거하려는 노력을 해볼 생각인데요. 혼란의 원인은 여러 곳에서 찾아볼 수 있겠지만 일반인들은 전혀 알 수 없는 영어 약자와 우리말의 혼용이 하나의 원인이 될 수 있습니다.
제가 이번 글의 제목으로 내세운 LPG와 LNG를 액화석유가스(기체) 와 액화천연가스(기체)라고 부른다면 좀 더 친근하게 느껴질테죠. 그러나 커다란 회색 LPG통에는 액화천연기체가 아닌 LPG라는 영어 약자만이 보일 따름입니다. 석탄가스, 타운가스(town gas), 도시가스는 또 뭐람? 이에 덧붙여 이들의 화학조성인 프로판, 부탄, 프로필렌, 부틸렌, 메탄까지 등장하면 아예 고개를 돌릴 판입니다. 그렇다고 궁금증이 풀릴 리 없으니 차근차근 이들이 무엇인지 살펴보겠습니다. C-:
제가 이번 글의 제목으로 내세운 LPG와 LNG를 액화석유가스(기체) 와 액화천연가스(기체)라고 부른다면 좀 더 친근하게 느껴질테죠. 그러나 커다란 회색 LPG통에는 액화천연기체가 아닌 LPG라는 영어 약자만이 보일 따름입니다. 석탄가스, 타운가스(town gas), 도시가스는 또 뭐람? 이에 덧붙여 이들의 화학조성인 프로판, 부탄, 프로필렌, 부틸렌, 메탄까지 등장하면 아예 고개를 돌릴 판입니다. 그렇다고 궁금증이 풀릴 리 없으니 차근차근 이들이 무엇인지 살펴보겠습니다. C-:
LPG란?
LPG란 도대체 무엇이기에 가정이나 음식점에서 연료로 쓰일 뿐 아니라 LPG 자동차의 연료로도 쓰일까요? LPG는 Liquefied Petroleum Gas 의 약자로 석유가스( petroleum gas )를 액화시켜놓은 액체라는 뜻입니다. 그렇다면 석유가스는 또 무엇일까요? 석유는 액체가 아니던가요?!
유전에서는 보통 탄소수가 5-36개 이상인 탄화수소의 혼합물인 석유와 함께 탄소수가 세 개인 프로판( C3H8)과 네 개인 부탄( C4H10)이 주성분인 기체혼합성분과 함께 나옵니다. 프로판과 부탄은 실온에서 무색의 기체이지만 산지에 따라 이 두 기체의 성분 함량에는 차이가 납니다. 프로판은 끓는점이 대기압 하에서 -42℃입니다. 부탄은 두 가지 이성질체가 있으며 곧은 사슬인 n-부탄은 0℃ 근처에서 끓고, 가지친 구조를 지니는 이소부탄은 -10℃ 근처에서 끓습니다. 따라서 프로판이 휘발성이 더 강해 다루기 힘든 기체임을 알 수 있고, 부탄은 상대적으로 다루기 쉽습니다.
가정이나 음식점에서 사용하는 소형 가스레인지 안에는 흔히 액화부탄가스가 충전된 1회용 가스통이 들어갑니다. 프로판보다 안정성이 크기 때문입니다. 안전장치가 되어 있는 경우에는 아파트 등 큰 건물의 난방, 취사용으로 액화 프로판이 쓰입니다.
때로는 이 두 기체의 혼합물이 사용되는데, 추운 겨울에는 상대적으로 프로판의 함량이 큰 혼합기체를, 더운 여름에는 상대적으로 부탄의 함량이 큰 혼합기체를 사용합니다. 2011년 수치에 의하면 인도 가정의 약 30%가 실린더나 파이프로 제공되는 LPG를 조리용 연료로 사용하고 있으며, 브라질의 가정 대부분에서도 LPG를 사용하고 있습니다.
LPG 자동차 연료로는 부탄이 사용됩니다. 제1차 세계대전 때 이탈리아, 소련 등에서 가솔린이 부족해짐에 따라 LPG 사용이 가능한 자동차를 개발한 후 세계 각국으로 보급함에 따라 우리나라에서도 현재 LPG 택시를 흔히 볼 수 있습니다. LPG 자동차 엔진의 작동 메커니즘은 일반 가솔린 엔진과 별 차이가 없습니다.
LPG 성분의 일부는 나프타 등의 열분해(크래킹) 공정에서 얻어집니다. 과거에는 염소와 불소를 포함하고 있는 탄소화합물인 염화플루오린화탄소(chloro-fluoro-carbon )와 수소와 불소의 탄소화합물인 하이드로 플루오로카본(HFC, hydrofluorocarbon )이 분무제, 에어콘과 냉장고용 냉동제로 널리 쓰였습니다. 그러나 이들이 오존층을 파괴하는 물질임이 밝혀진 뒤부터는 이들을 대체하는 LPG 기체들의 사용이 늘고 있습니다.
유전에서는 보통 탄소수가 5-36개 이상인 탄화수소의 혼합물인 석유와 함께 탄소수가 세 개인 프로판( C3H8)과 네 개인 부탄( C4H10)이 주성분인 기체혼합성분과 함께 나옵니다. 프로판과 부탄은 실온에서 무색의 기체이지만 산지에 따라 이 두 기체의 성분 함량에는 차이가 납니다. 프로판은 끓는점이 대기압 하에서 -42℃입니다. 부탄은 두 가지 이성질체가 있으며 곧은 사슬인 n-부탄은 0℃ 근처에서 끓고, 가지친 구조를 지니는 이소부탄은 -10℃ 근처에서 끓습니다. 따라서 프로판이 휘발성이 더 강해 다루기 힘든 기체임을 알 수 있고, 부탄은 상대적으로 다루기 쉽습니다.
가정이나 음식점에서 사용하는 소형 가스레인지 안에는 흔히 액화부탄가스가 충전된 1회용 가스통이 들어갑니다. 프로판보다 안정성이 크기 때문입니다. 안전장치가 되어 있는 경우에는 아파트 등 큰 건물의 난방, 취사용으로 액화 프로판이 쓰입니다.
때로는 이 두 기체의 혼합물이 사용되는데, 추운 겨울에는 상대적으로 프로판의 함량이 큰 혼합기체를, 더운 여름에는 상대적으로 부탄의 함량이 큰 혼합기체를 사용합니다. 2011년 수치에 의하면 인도 가정의 약 30%가 실린더나 파이프로 제공되는 LPG를 조리용 연료로 사용하고 있으며, 브라질의 가정 대부분에서도 LPG를 사용하고 있습니다.
LPG 자동차 연료로는 부탄이 사용됩니다. 제1차 세계대전 때 이탈리아, 소련 등에서 가솔린이 부족해짐에 따라 LPG 사용이 가능한 자동차를 개발한 후 세계 각국으로 보급함에 따라 우리나라에서도 현재 LPG 택시를 흔히 볼 수 있습니다. LPG 자동차 엔진의 작동 메커니즘은 일반 가솔린 엔진과 별 차이가 없습니다.
LPG 성분의 일부는 나프타 등의 열분해(크래킹) 공정에서 얻어집니다. 과거에는 염소와 불소를 포함하고 있는 탄소화합물인 염화플루오린화탄소(chloro-fluoro-carbon )와 수소와 불소의 탄소화합물인 하이드로 플루오로카본(HFC, hydrofluorocarbon )이 분무제, 에어콘과 냉장고용 냉동제로 널리 쓰였습니다. 그러나 이들이 오존층을 파괴하는 물질임이 밝혀진 뒤부터는 이들을 대체하는 LPG 기체들의 사용이 늘고 있습니다.
LNG는 청정연료
우리는 도시가스라는 또 다른 연료 기체를 자주 접합니다. 그런데 도시가스를 큰 실린더나 휴대용 금속용기로 시판하는 예는 찾아볼 수 없습니다. 도시가스는 무엇이길래 LPG와 다르게 취급할까요? 배관을 통해 많은 수요자에게 공급되는 연료가스를 도시가스라 부르며, 주로 천연가스(natural gas)가 쓰입니다.
천연가스는 석탄, 석유와 함께 삼대 화석연료라 불리는 중요한 연료로 그 주성분은 메탄(CH4)입니다. 유전에서 일부 원유에 섞여 나오는 유전가스와 가스전으로부터 얻는 가스전가스가 천연가스의 주 생산원입니다. 끓는점이 상당히 낮아(-160℃ 이하) 매우 낮은 온도에서 액화시켜 냉동선으로 해상 수송합니다. 메탄의 끓는점이 LPG의 주성분인 부탄과 프로판에 비해 이렇게 낮다는 것은 휘발성이 매우 크다는 것을 의미하며, 때문에 액화를 위해 매우 낮은 온도와 높은 압력을 필요로 합니다.
천연가스는 석탄, 석유와 함께 삼대 화석연료라 불리는 중요한 연료로 그 주성분은 메탄(CH4)입니다. 유전에서 일부 원유에 섞여 나오는 유전가스와 가스전으로부터 얻는 가스전가스가 천연가스의 주 생산원입니다. 끓는점이 상당히 낮아(-160℃ 이하) 매우 낮은 온도에서 액화시켜 냉동선으로 해상 수송합니다. 메탄의 끓는점이 LPG의 주성분인 부탄과 프로판에 비해 이렇게 낮다는 것은 휘발성이 매우 크다는 것을 의미하며, 때문에 액화를 위해 매우 낮은 온도와 높은 압력을 필요로 합니다.
천연가스를 액화시키기 전에 또는 액화시키는 과정 중에 여러 가지 불순물이 쉽게 제거되기 때문에 흔히 액화천연가스(LNG, Liquefied Natural Gas)는 양질의 연료로 간주됩니다. 최근에 액체 메탄을 로켓의 연료로 사용할 수 있는가를 러시아, 미국 등에서 많이 연구하고 있는데요. 어떻게 이런 일이 가능할까요? 이는 화성과 토성 등 표면에서 메탄 기체 포집이 가능하리라는 믿음에 근거하고 있습니다. 석유와 마찬가지로 우리나라에서 사용되는 LNG나 천연가스는 모두 수입에 의존하고 있습니다.
석탄가스와 합성가스
석탄가스는 일명 타운가스( town gas )라고도 불리며, 석탄을 가열 분해시켜 얻습니다. 이 가스는 수소, 일산화탄소, 메탄 및 기타 가연성 탄화수소의 혼합물이며 연소가 불가능한 이산화탄소(탄산가스)와 질소도 들어있습니다.
합성가스 제조공정에서 코크( coke )가 고체로 남는데, 코크는 제련 등의 고온 연료로 사용됩니다. 석탄가스는 미국에서 1950년경까지 널리 사용되었으며, 영국에서도 1970년대까지 사용된 중요한 연료였습니다. 가로등을 밝히는 연료로도 사용됐는데, 예전 영화에서 가스 가로등을 차례로 점화하는 장면이 기억에 떠오릅니다.
마지막으로 합성가스를 알아보곘습니다. 가스를 합성했다는 이야기일까요? 그렇지 않습니다. 앞서말한 천연가스의 주성분인 메탄을 고온에서 스팀(수증기, 물)과 반응시켜 일산화탄소와 수소기체의 1:1 혼합물을 얻는데, 이 혼합물을 합성가스, 흔히 신가스( syngas)라고 부릅니다. 신가스는 직접 내연기관의 연료로 사용이 가능하며, 합성석유, 윤활유, 메탄올, 암모니아 등을 제조하는 원료로도 쓰입니다.
합성가스 제조공정에서 코크( coke )가 고체로 남는데, 코크는 제련 등의 고온 연료로 사용됩니다. 석탄가스는 미국에서 1950년경까지 널리 사용되었으며, 영국에서도 1970년대까지 사용된 중요한 연료였습니다. 가로등을 밝히는 연료로도 사용됐는데, 예전 영화에서 가스 가로등을 차례로 점화하는 장면이 기억에 떠오릅니다.
마지막으로 합성가스를 알아보곘습니다. 가스를 합성했다는 이야기일까요? 그렇지 않습니다. 앞서말한 천연가스의 주성분인 메탄을 고온에서 스팀(수증기, 물)과 반응시켜 일산화탄소와 수소기체의 1:1 혼합물을 얻는데, 이 혼합물을 합성가스, 흔히 신가스( syngas)라고 부릅니다. 신가스는 직접 내연기관의 연료로 사용이 가능하며, 합성석유, 윤활유, 메탄올, 암모니아 등을 제조하는 원료로도 쓰입니다.
진정일
서울대학교 화학과 학사 및 석사 과정을 마치고 미국 뉴욕시립대학교에서 고분자화학 박사학위를 받았다. 지난 40여 년간 고려대학교 화학과에서 후학들을 가르쳐왔고,
액정 고분자의 세계적 권위자로 420여 편의 논문을 세계적 학술지에 발표했으며, 노벨상 추천위원으로 활동하는 등 학문적 성과를 국제적으로 인정받았다. 현재 고려대학교 KU-KIST 융합대학원장과 한국과학문화교육단체연합회장으로 활동하고 있다.