주유소에서 배출되는 대기오염물질 유증기의 배출저감 방안을 소개합니다. 유증기는 일명 휘발성 유기화발물이라고도 하며 VOCs로 약칭하는 매우 심각한 대기오염불질입니다. 기존의 유증기 회수설비의 문제점을 지적하고 효과적인 배출 저감방안을 소개합니다.
본 논고에서는 기존 스테이지 1, 2 회수설비의 효과가 과대 포장된 점을 지적한다. 그리고 스테이지 3 유증기 액화회수장치(VRU)를 활용하여 휘발성유기화합물(VOCs)의 배출을 저감하고 대기오염 방지와 대형 폭발화재 사고를 예방하며 자원의 손실을 방지하여 탄소배출 저감에 기여할 수 있는 방안을 제시하고자 한다.
현대 문명의 근간이 되는 화석연료는 기후변화를 초래하는 부작용이 있었다. 이로 인하여 핵심 이동 수단으로서의 자동차를 화석연료가 아닌 전기 에너지로 전환하려는 노력이 지속되고 있다.
그럼에도 불구하고 기술격차와 빈부격차 및 산업 생태계의 근본적인 진화격차로 인하여 전세계 휘발유 소비량은 앞으로도 지속적으로 증가할 전망이 우세하다. 그로인하여 휘발유의 유통단계에서 주유소의 역할이 앞으로도 줄어들지 않을 것이며 이는 특히 개발도상국과 후진국에서 그 현상이 두드러질 것은 당연하다.
국제에너지기구(International Energy Agency, IEA)는 팬데믹을 극복한 세계는 2023년에도 세계 휘발유 소비량이 팬데믹 이전 수준으로 돌아가지 못할 것이라고 전망했으나 실제로는 2019년 소비량을 훌쩍 뛰어넘었다.
IEA의 예측은 당연히 전기차의 확산을 가정한 것이었다. 문제는 전기차의 보급이 확산되는 데는 아직도 수많은 문제들이 해결되어야 한다는 것이며 특히 개도국과 후진국에서는 값싼 휘발유의 장점을 버릴 수 없다는 점이다. 경제의 남북 격차로 인한 개도국 후진국의 현실은 수십년 내에 해결될 가능성이 없다고 보는 것이 타당하다. 그럼 선진국에서는 전기차가 보급이 늘어서 휘발유 소비량이 줄어들 것인가? 이 또한 쉽게 예단하기 어렵다. 화석연료로 생산하는 전기보다 더 저렴한 전기에너지 생산 기술이 보급되기 전에는 전기차가 늘어난다고 해서 탄소배출이 저감되지 않기 때문이다.
따라서 주유소에서 배출되는 휘발성 유기화합물로 인한 대기오염의 문제와 화재 위험과 손실되는 휘발유 자원의 문제를 심도 있게 살펴보고 기존의 유증기 회수설비들이 충분하지 못한 이유를 확인하고 그 한계를 극복할 수 있는 방안을 찾는 것은 매우 중요하다고 할 수 있다.
주유소에는 예외 없이 통기관이 설치되어 있다. 주유소뿐만 아니라 휘발성과 인화성이 높은 물질을 저장하는 탱크에는 항상 통기관(Breath Valve)가 법적으로 의무사항이다. 왜냐하면 휘발성이 높은 물질은 쉽게 증발하게 되고 농도가 폭발을 일으킬 수 있는 수준까지 올라가기 전에 배출기키는 것이 안전을 위하여 유리하기 때문이다.
폭발 현상이 발생하려면 세가지 조건이 동시에 존재하여야 한다. 연료와 산소가 특정 비율로 존재하여야 스파크와 같은 불꽃 점화원도 함께 존재하여야 한다. 필요한 연료와 산소의 비율은 가연성 가스나 증기의 종류에 따라 다르다. 휘발유 증기의 폭발 하한선과 상한선은 각각 1.2%와 7.1%이다. 또한 압력이 높아지면 높은 농도에서도 폭발하므로 탱크의 압력이 높아지지 않도록 유지하는 것은 안전상 중요하다.
이와 같이 휘발유 증기는 인화성 및 폭발 위험이 높기 때문에 통기관은 필수적으로 구비되어야 하고 그로 인하여 유증기가 대기 중으로 방출되는 것은 필연적이다.
가솔린 증기 배출의 주요 원인은 주유소 지하 저장 탱크에 휘발유를 충전하는 단계로서 스테이지 1 이라고도 한다. 휘발유는 일반적으로 30,000리터(8,000갤런) 탱크 트럭이나 그보다 작은 용량의 트럭으로 주유소에 공급됩니다. 지하 저장 탱크에 휘발유가 충전되면서 휘발유 증기가 대기로 방출될 때 배출이 발생합니다. 다른 적재 손실과 마찬가지로, 주유소 탱크 충전 시 유증기의 대기 배출로 야기되는 휘발유의 손실 량은 충전 방법 및 충전 속도, 탱크 구성, 휘발유 온도, 탱크의 온도, 휘발유의 리드 증기압 및 성분 구성 등 여러 변수에 따라 달라집니다.
충전시점에 가장 큰 영향을 주는 요소로는 저장 탱크에 주입하는 주입관의 구조이다. 주입관 파이프가 탱크의 바닥 수준까지 내려가 있는 경우 잠수식 충전이라 한다. 대부분의 주유소에는 잠수식 주입관이 구비되어 있으나 아주 오래된 구형 주유소의 경우에는 뿌림 방식 주입관이 존재한다. 이 경우 뿌림 방식의 특성상 폭포수와 같은 원리로 매우 많은 유증기가 안개처럼 발생하게 된다.
평형 잠수식이라고 구별되는 경우가 있는데 이것은 스테이지 1 회수설비와 연동하여 배출되는 유증기를 탱크 트럭으로 유입시켜 충전시점에 유증기가 통기관의 브리드밸브를 통한 대기로 배출되는 것을 차단하는 방식을 말한다.
저장 탱크의 내부에서는 쉼 없이 휘발유가 증발되는 기화 현상과 다시 액체 상태로 변화되는 응축 현상이 반복된다. 기화 현상과 응축 현상은 온도와 압력에 따라 자연적으로 일어나며 기온이 내려가는 밤에는 주로 응축이 낮에는 기화가 일어날 수 있다. 온도가 올라가고 기화되는 양이 커지면 자연적으로 압력이 높아져서 통기관의 브리드밸브를 통하여 유증기가 배출되며 반대로 응축 현상이 활발하면 압력이 낮아지므로 외부 공기가 탱크로 유입된다. 일반적으로 저장탱크는 지하에 매립되므로 대기 온도보다 훨씬 낮기 때문에 실제로 기화 현상이 응축보다 상대적으로 커서 압력이 상승하는 일은 흔하지 않다. 따라서 자연 압력 변화로 인한 배출량은 미미한 수준이다.
휘발유를 자동차에 주유하는 단계를 스테이지 2라고 하며 이 때 자동차 연료탱크에서 대기 중으로 유증기가 배출된다. 연료탱크에 남아있던 유증기와 휘발유를 주유할 때 새로 증발되는 유증기가 합쳐져서 외부로 배출되는 현상이다. 사실상 저장탱크에 충전된 휘발유가 모두 판매될 때까지 이러한 유증기의 배출은 당연한 현상이다. 통기관의 브리드밸브를 통한 배출은 높은 위치(4m이상)에서 대기중으로 희석하는 방식이지만 주유시점에서 배출되는 유증기는 희석되기 전에 주유하는 사람에게 직접적인 피해를 줄 수 있다. 또한 주유 중 엔진을 정지하지 않거나 건조한 날씨에 정전기가 발생하게 되면 자칫 대형 폭발 사고로 이어질 수도 있다.
스테이지 2 배출 시점도 회수설비가 구비된 경우와 그렇지 않은 경우로 나눌 수 있다. 스테이지2 회수설비는 보통 진공펌프를 이용하여 유증기를 자동차 연료탱크에서 지하 저장탱크로 전송하는 설비이다.
미국 환경보호국 EPA는 유증기의 배출량을 실측 데이터를 기반으로 도출한 경험 방정식을 이용하여 아래와 같이 산정한다. 이때 방정식에 적용되는 변수 값들은 평균값을 적용한 것이라고 한다. 따라서 실제 배출량은 온도와 리드 증기압 등 변수에 따라 다를 수 있으므로 아래 자료는 배출량의 한가지 예시로서 참조될 수 있다.
위의 자료에 따라 배출되는 유증기의 양을 휘발유 처리량 대비 비율로 계산하면 이해가 쉽다. 표에서 mg/L 로 표시된 값이 배출 계수이며 휘발유가 충전된 후 판매되는 과정에서 단위 리터당 배출되는 유증기의 양을 무게로 표시한 것이다. EPC에 의하면 배출 계수는 배출원 시험 데이터, 물질 수지 연구, 그리고 공학적 추정치를 바탕으로 개발되었다고 한다. 상태방정식을 이용하여 배출계수를 산정해볼 수도 있으나 휘발유의 특성상 변수가 매우 많기 때문에 배출원 시험 데이터를 기반으로 도출된 방정식이 더 현실적이라고 간주할 수 있다.
이해를 돕기 위하여 부피로 변환하면 아래와 같다.
브리드밸브는 유증기 배출시와 외부공기 흡입시에 일정한 수준의 압력을 요구하는 방식으로서 개폐되는 밸브이다. 탱크 내부의 압력이 외부보다 0.6kPa 이상 1.5kPa 이하의 차이로 높아지면 배출구가 개방된다. 반대로 탱크 내부의 압력이 외부보다 1.5kPa 이상 3kPa 이하의 차이로 낮아지면 흡입구가 개방된다. 이로써 탱크의 압력을 적절하게 유지하면서 유증기 배출을 일정부분 억제하는 효과가 있다.
브리드밸브를 설치하면 자연압력으로 배출되는 유증기를 일정부분 줄일 수 있다. 대부분의 후진국 등에는 브리드밸브가 아닌 무압밸브 또는 높은 수준의 개방압력이 요구되는 체크밸브가 적용되어 있는 것으로 파악된다.
따라서 주유소에서 배출되는 유증기의 총량은 처리량의 0.321%이며 이 중 통기관을 통하여 배출되는 유증기의 양은 0.136%이다. 즉 하루 3만리터를 처리하는 경우 24시간 동안 통기관으로 40.8리터의 휘발유가 손실되며 주유시점에 자동차 주유구와 주유건 사이에서 배출되는 유증기로 인하여 54.9리터의 휘발유가 손실된다.
4장에서 살펴본 바와 같이 주유소에서 손실되는 휘발유의 양이 적지 않다. 게다가 유증기는 벤젠을 최대 0.7% 함유하고 있어서 인체에 매우 치명적이다. 벤젠은 1군 발암물질로 분류되고 있고 배출을 엄격하게 규제하고 있는 대표적인 대기오염 물질이기 때문이다.
한국 석유대체연료 사업법에 따른 휘발유 품질 기준
한국의 산업안전보건법 시행규칙 [별표 19] 유해인자별 노출 농도의 허용기준(제145조제1항 관련)에서는 벤젠의 공기 중 시간가중평균농도를 0.5ppm로 그리고 단시간 노출농도를 2.5ppm로 규정하고 있다.
“시간가중평균값(TWA, Time-Weighted Average)”이란 1일 8시간 작업을 기준으 로 한 평균노출농도이다. 유해인자의 측정농도(단위: ppm, mg/㎥ 또는 개/㎤)
“단시간 노출값(STEL, Short-Term Exposure Limit)”이란 15분 간의 시간가중평균값으로서 노출농도가 시간가중평균값을 초과하고 단시간 노출값 이하인 경우에는 ① 1회 노출 지속시간이 15분 미만이어야 하고, ② 이러한 상태가 1일 4회 이하로 발생해야 하며, ③ 각 회의 간격은 60분 이상이어야 한다.
벤젠과 같은 유해물질을 제품의 제조단계에서부터 판매단계에까지 성분비와 노출농도를 철저히 법으로 규제하고 있는 것은 그만큼 인체에 유해하기 때문일 것이다. 여기서 공기중 허용 농도를 구제에 부합하게 운영하려면 유증기가 대기중으로 배출되지 않도록 철저하게 관리되어야 한다.
또한 유증기는 광화학반응을 거쳐 오존 생성을 촉진함으로써 2차 유해물질을 발생시키는 문제도 있고 스모그를 유발하는 문제, 악취 등 다양한 이슈들이 있으나 본 고에서는 설명을 생략한다.
유증기 배출의 문제는 환경오염과 인체 유해성 문제뿐만 아니라 엄청난 자원 낭비의 문제도 수반한다. 4장에서 설명하였듯이 총량으로 0.321%이다. 미국의 1년 휘발유 총 소비량은 2023년 기준 137.05 Billion 갤런으로서 리터로 환산하면 5,187억리터이다.
그러므로 총 배출량은 16.6억리터나 된다. 따라서 유증기를 회수하는 설비는 필수적으로 필요할 수밖에 없다. 다만 기온 조건에 따라 배출량은 큰 변동성을 보이므로 사계절의 기후 변화를 감안하면 실제로는 16.6억 리터의 절반정도로 추정된다.
참고로 한국의 경우 년간 휘발유 소비량은 143.79억 리터이다. 이를 기준으로 산정되는 총 배출량은 14379000000*0.321% = 4천615만 리터이다. 금액으로는 738억원이다. 다만 4게절의 기온 영향이 있으므로 실제로는 그 절반 정도로 추정된다.
년간 300억원의 규모라 하더라도 주유소가 한번 영업을 시작하면 최소 10년 이상 지속되므로 3,000억원 이상의 경제적 가치로 인식함이 옳다.
정리하면 유증기는 인체에 직접적으로 해로운 발암물질인 동시에 다양한 대기오염의 원인이면서 막대한 자원의 손실을 일으키고 추가적인 화석연료의 채굴과 탄소배출을 증가시키는 것이 확인되므로 배출방지를 위한 다양한 노력과 투자가 필수이다.
한국의 하루 휘발유 소비량(단위: 천 배럴)
3.1에서 지하탱크 충전 시점 즉 스테이지 1에서 유증기가 배출됨을 설명하였다. 스테이지 1 회수설비는 바로 이 때 배출되는 유증기를 회수하는 설비를 의미한다. 해당 설비의 구조와 원리는 아래와 같다.
탱크트럭이 저장탱크에 휘발유를 충전하는 동안 지하탱크 내부에서 밀려나온 유증기를 통기관에 부착된 회수밸브나 멘홀에 구비된 회수밸브를 탱크트럭에 연결하여 유증기를 회수한다.
회수된 유증기는 탱크트럭에 실려서 저유소로 장거리를 이동한다. 그리고 저유소에 설치된 대형 VRU를 이용하여 액화시켜서 저유소 탱크에 다시 주입하게 된다. 저유소에 구비되는 대형 VRU는 압력과 온도차에 의한 응축 또는 멤버레인 여과 또는 흡착식 회수 등 다양한 방법이 있으며 대형의 고가 장비이다.
대부분의 선진국과 일부 개도국에는 스테이지 1 회수설비가 의무화되어 있고 거의 100% 설치되어 있다. 후진국과 일부 개도국에는 스테이지 1 회수설비가 없거나 운영되지 않는 경우가 대부분인 것으로 알려져 있다.
스테이지 2 회수설비는 자동차 주유단계 즉 스테이지 2에서 배출되는 유증기를 회수하는 설비를 말한다. 구조와 원리는 아래 그림과 같다.
진공펌프를 이용하여 자동차의 연료탱크에서 유증기를 흡입하여 저장탱크로 주입하는 방식이다. 이것이 가능한 이유는 주유건에 휘발유를 토출하는 구멍 외에 작은 흡입관이 하나 더 있기 때문이다. 다만 유증기 흡입 구멍의 직경이 매우 작기 때문에 흡입 효율을 높이기 위하여 진공펌프가 함께 설치되는 경우가 일반적이다.
스테이지 2 회수설비는 특히 셀프 주유소의 경우 주유고객이 자동차에서 배출되는 유증기를 호흡기로 직접 흡입할 위험이 있어 매우 중요하다. 왜냐하면 최대 함량이 0.7%로 규정되어 있는 1군 발암물질 벤젠을 허용농도 값 2.5ppm 이상으로 직접 흡입하게 될 가능성이 매우 높기 때문이다.
한국의 경우 일부 지역에만 스테이지 2 회수설비 설치가 의무화되어 있어 실제 전체 주유소의 36%정도에 불과하다. 만약 셀프 주유소인데 스테이지 2 회수설비가 없다면 고객 입장에서는 건강에 대한 염려가 필요하다.
미국의 경우에는 더 복잡하다. 대부분의 주 정부가 스테이지 2 회수설비의 설치를 의무화하였다가 일부는 다시 철거를 강제하고 있다. 이유는 자동차에 설치된 캐니스터라는 유증기 회수장치가 스테이지 2의 진공흡입 때문에 서로 호환되지 않아 유증기 배출량이 오히려 증가한다는 것이다.
추정하기에는 자동차에 설치된 캐니스터와 진공흡입기 양쪽에서 동시에 유증기를 처리하게 되면서 실제 주유시에 자연적으로 발생할 수 있는 유증기의 양보다 증가한다는 것으로 이해된다. 그러나 이것이 사실일지라도 스테이지 2 회수설비가 없어지면 고객이 주유 중 유증기를 흡입할 확률이 높아질 것은 자명하므로 합당하지 않다고 본다.
유증기 배출량이 일정부분 증가하더라도 그로 인한 주유량의 손해보다 건강보호가 더욱 중요하기 때문이다. 실제로는 진공흡입으로 인하여 캐니스터와 스테이지 2가 압력 호환이 되지 않아서 캐니스터가 고장나는 현상이 근본적인 이유가 아닐까 추측된다.
후진국에는 스테이지 2 회수설비가 거의 없다고 볼 수 있고 개도국은 일부 설치하고 있으며 선진국은 대부분 의무화되어 있다. 다만 미국처럼 역행하는 경우도 있다.
스테이지 1, 2 회수 설비는 오랜 기간 사용된 기술로서 수 십년 동안 기술적 진보가 없었다. 동시에 장기간 운영되면서 기술적 기능적 한계가 여러 번 지적되어왔다. 이번 장에서는 기존 스테이지 1, 2 회수설비의 한계를 설명한다. 문제점을 명확하게 하는 것은 배출방지 효과를 극대화하는데 필수적인 절차이다.
스테이지 1 회수설비는 3.2에서 설명한 바와 같이 자연적 압력 변화 시점에 배출되는 유증기를 회수할 수 없다.
탱크트럭이 유증기를 회수해서 저유소로 실어가는 것은 지하 저장탱크에 휘발유를 충전하는 동안에만 가능하기 때문이다. 탱크트럭이 다녀가는 것은 많게는 하루에 수회 적게는 일주일 동안 한번에 불과 할 정도로 간헐적이다. 그러므로 그 사이 긴 시간 동안에는 통기관으로 배출되는 유증기를 회수할 방법이 없다.
스테이지 1 회수설비는 탱크트럭이 회수밸브와 파이프 연결을 해제한 직후 일시적으로 다량의 유증기가 배출되는 것을 막을 수 없다.
탱크트럭 기사는 지하저장탱크에 휘발유 충전이 끝나면 즉시 회수밸브와의 연결을 해제하고 현장을 떠나는 경향이 있다. 실제로 휘발유를 충전한 직후에는 저장탱크 내부에서 운동에너지와 열에너지(온도)가 증가한 휘발유의 증발 현상이 일시적으로 높아지는 상태가 지속될 수 있기 때문에 무시될 수 없는 사안이라고 보아야 할 것이다.
스테이지 1 회수설비로 회수된 유증기를 운반하는 탱크트럭은 폭발 위험이 높은 고농도의 유증기를 적재하고 있으므로 사고 발생시 작은 불꽃에도 대형 인명사고로 이어질 위험이 상존한다.
탱크트럭 한 대가 실어갈 수 있는 유증기의 양은 미미하다. 경제적 이익보다는 주유소 주변의 오염을 막기 위한 수단인 것은 사실이다. 그러나 한번의 사고로 발생할 피해의 규모를 생각한다면 이와 같은 시스템은 지나치게 위험이 크다.
스테이지 1 회수설비로 회수된 유증기를 저유소로 운반하더라도 저유소에 설치된 VRU가 수집된 유증기를 충분하게 처리하지 못한다.
저유소에는 초대형 가솔린 탱크가 지상에 노출되어 있다. 따라서 배출되는 유증기의 양이 어마어마할 뿐만 아니라 사고위험을 최소화하기 위하여 진공펌프를 가동시켜 인위적으로 유증기를 제거할 필요가 있다. 그래서 저유소에는 대형 VRU장치가 일반적으로 설치되어 있지만 실제로는 저장탱크에서 배출되는 유증기를 처리하기에도 용량이 부족하여 상당부분을 소각하거나 대기 중으로 배출하는 형편이다
이러한 상황에서 탱크트럭이 주유소에서 수집한 유증기까지 처리하기에는 역부족일 수밖에 없다. 결국 스테이지 1 회수설비로 회수된 유증기는 다시 대기중으로 배출되거나 소각되어 막대한 자원 손실을 유발한다.
스테이지 1 회수설비는 고장이 잦다. 주유소 운영자의 자발적인 검사와 수리를 유도하기 곤란하다.
위의 그림처럼 스테이지 1 회수밸브는 캠록 커플링을 장착하면 상부 밸브가 잠겨지는 구조이다. 탱크트럭이 충전할 때 마다 탈착을 반복하므로 수년내에 고장이 날 가능성이 많을 수밖에 없다. 이 밸브의 성능 검사에도 비용이 소요되고 고장 수리나 교체도 많은 비용이 수반되므로 주유소 운영자는 관리를 소홀하게 하기 마련이다. 무엇보다 고장 여부를 쉽게 판단하기 어렵다. 검사 장비를 이용하여 누설여부를 측정하여야 확인이 가능하므로 주유소 운영자가 직접 검사하기 곤란하다. 이 회수 밸브가 고장이 나면 탱크트럭은 유증기를 거의 회수하지 못한 채로 돌아가게 된다.
스테이지 2 회수설비로 회수된 유증기는 지하 저장탱크에서 통기관으로 다시 배출된다.
지하탱크는 외부보다 온도가 낮다. 여름철에 지표면 온도가 아무리 기온이 올라가도 지중온도는 쉽게 변하지 않는다. 따라서 스테이지 2 회수설비를 통하여 회수된 유증기는 지하탱크에서 자연적으로 액화되는 것을 기대할 수 있다.
고객이 주유를 50리터 한다면 저장탱크에서 50 리터만큼 휘발유가 줄어들기 때문에 작아진 부피만큼 외부공기던 유증기던 유입되어야 한다. 스테이지 2 회수설비는 이론적으로 줄어든 부피만큼의 유증기를 자동차에서 흡입하여 채워 넣는 개념이다. 문제는 흡입과정에서 진공펌프가 주유된 휘발유의 부피보다 더 많은 양의 유증기와 공기가 혼합된 기체를 흡입할 수밖에 없다는 것이다. 따라서 스테이지 2 회수설비가 가동되면 높아진 탱크 압력으로 유증기가 통기관으로 배출되게 된다.
회수된 유증기가 다시 배출되는 원인이 하나 더 있다. 일반적으로 지하저장탱크의 온도는 외부 지표면 온도보다 낮다. 따라서 진공펌프로 흡입된 유증기는 지하보다 당연히 온도가 높다. 이런 이유로 회수된 유증기가 지하탱크에 유입되면 저장된 휘발유의 증발을 유도하게 된다. 증가한 유증기는 압력을 상승시켜 통기관으로 배출되는 현상이 일어날 수밖에 없다.
회수된 유증기가 통기관으로 다시 배출되는 현상은 스테이지 2 회수설비는 본래의 목표를 달성하기 어렵게 만든다. 정부의 비용 보조에도 불구하고 주유소 운영자에게 매우 큰 비용이 추가적으로 전가되므로 주유소 운영자는 설치를 강제하는 법규에 우호적이지 않다. 국민의 세금과 주유소 운영자의 비용이 모두 일정부분 손실되는 대목이다.
스테이지 2 회수설비에서 회수된 유증기 부피 대비 통기관으로 배출되는 유증기의 양을 비교한 정확한 측정 자료는 없다. 계획 가능한 실험방법론으로는 스테이지 2 회수설비가 설치된 주유소와 그렇지 않은 주유소에 스테이지 3 액화 회수장치를 장착하고 회수되는 휘발유의 양을 비교함으로써 측정할 수 있을 것이다. 스테이지 3 액화회수장치에 대하여는 다음 장에서 설명한다.
스테이지 3 액화 회수장치의 가장 큰 특징은 회수된 유증기에 액화 처리까지 수행함으로써 유증기가 기체에서 액체 휘발유로 재생되도록 하는 전체 회수 프로세스를 완전하게 수행한다는 점이다. 결국 핵심은 액화처리 단계인데 이 과정은 기존 스테이지 1, 2 회수설비에는 없는 과정이므로 스테이지 3 액화회수장치라고 명명하게 된 것으로 보인다.
그럼 스테이지 3 액화회수장치는 어떤 처리 과정을 이용하여 기체 상태의 유증기를 액체 상태의 휘발유로 만들 수 있는지 알아보자.
일반적으로 대부분의 물질은 압력과 온도에 따라 기체 또는 액체나 고체로 상이 변환된다. 이것을 물질의 상변화라고 하며 물과 수증기, 얼음의 변화를 생각하면 이해가 쉽다. 수증기는 온도와 압력이 일정 조건에 해당되면 물이 증발하여 만들어 진다. 반대로 수증기는 일정 조건에서 다시 액체 상태의 물로 환원될 수 있다.
이러한 현상은 휘발유에서도 동일하게 일어나면 다만 물보다 쉽게 증발하고 또 쉽게 액화되는 성질이 있다. 따라서 거의 모든 스테이지 3 액화회수장치에는 냉각 과정이 필수적으로 적용된다. 유증기도 냉각하면 수증기처럼 결로 현상이 일어나며 이를 응축현상이라고 부른다. 즉 유증기를 액화하는 가장 기본적이고 공통적인 원리는 냉각을 통한 응축현상이다.
세상에는 다양한 액화회수 기술이 있다. 저유소와 같이 대용량 유증기가 배출되는 배출원에는 유증기를 대형 진공펌프로 가압한후 활성탄 등을 이용한 흡착하거나 또는 멤브레인을 이용한 여과 처리를 거친 후 냉각하여 액체 휘발유는 탱크로 환원하고 잔여 기체는 소각하거나 탱크로 환원하는 대형 VRU가 적용된다. 이 때 인화성이 높은 유증기를 가압하면서 안전성을 유지하기 위하여는 장치의 제작과 운영에 있어서 높은 비용이 수반될 수밖에 없다. 개별 주유소는 상대적으로 매우 작은 배출원이기 때문에 소용량 유증기에는 일반적인 가압식 VRU를 적용하기 어렵다는 뜻이다. 그러므로 주유소용 스테이지 3 액화회수장치는 비용적으로 훨씬 유리한 순수 냉각방식의 액화장치가 적합하다.
문제는 유증기를 냉각하는 처리만으로 충분한 회수 성능을 유지하기 위하여는 추가적인 기술적 도전을 극복하여야 한다는 것이다. 유증기에는 수증기도 포함되는 경우가 많아서 자칫 잘못 설계된 액화회수 장치는 수증기로 인한 성능 저하나 고장으로 시장에서 퇴출되기 쉽다.
반대로 수증기를 안전하게 처리하고 높은 수준의 액화성능을 유지할 수 있는 제품은 뛰어난 경제성과 대기오염 방지 효과를 발휘하여 시장의 환영을 받을 수 있다.
스테이지 3 유증기 액화 회수장치는 주유소의 통기관에 연결하여 유증기를 회수하고 배출원에서 배출되는 시점에 즉시 액화하는 장치이다.
통기관을 연결하는 절차는 매우 간단하면서 안전하다. 탱크트럭이 충전하는 스테이지 1에서나 고객이 주유하는 스테이지 2에서 배출되는 모든 유증기 뿐만 아니라 평상시 자연적인 압력 변화로 배출되는 유증기도 모두 처리할 수 있다.
이러한 스테이지 3 유증기 액화 회수장치는 실제로 현장에 적용되어 높은 성능을 실현하였으며 주유소 운영자의 만족감을 이끌어 낸 사례들이 보고되고 있다.
아래의 표는 인도네시아의 한 주유소에 가스마이너라는 스테이지 3 액화회수장치를 설치하고 운영한 실측데이터로서 안정적인 성능과 뛰어난 경제적 가치를 증명한 사례이다. 아래 표는 인도네시아 현지의 휘발유 가격은 리터당 $ 0.64로 가정하고 산출한 경제적 가치를 보여준다.
스테이지 3 유증기 액화 회수장치는 손실되던 유증기를 휘발유로 환원하여 경제적 이익을 실현하면서도 그 운영과 유지관리는 매우 간단하다. 대부분의 제품들은 거의 모든 프로세스가 완전 자동화되어 있기 때문에 주유소 운영자는 장치의 유지관리에 어려움이 없다.
스테이지 3 유증기 액화 회수장치는 전세적으로 보급이 시작되는 단계로서 아직 충분한 정보가 공유되어 있지 않다. 그래서 본 장에서는 액화회수 장치의 장점을 요약하고자 한다. 아울러 기존 스테이지 1, 2 회수설비에 대한 과대 평가를 지양하고 낭비적 투자를 예방하는데 도움이 되기를 바란다.
스테이지 1 회수설비가 불필요하므로 설치, 검사, 수리, 교체 등에 소요되는 비용이 없다.
스테이지 1 회수설비의 잦은 고장으로 VOCs가 대기 중으로 배출되어 환경 오염을 일으키고 화재 위험이 높아지는 것이 간과되는 상태를 방지할 수 있다.
스테이지 1 회수설비를 통하여 회수한 유증기를 탱크로리에 싣고 이동하면서 발행할 수 있는 폭발 사고 위험을 예방할 수 있다.
스테이지 1 회수설비를 통하여 회수한 유증기를 탱크트럭이 저유소로 운반하여 저유소에 구비된 대형 VRU로 액화 하거나 잔여 유증기를 소각하는 데 소요되는 비용을 절약할 수 있다.
스테이지 2 회수설비의 낮은 효율을 향상시켜 본래의 도입 취지를 살리고 주유소 운영자의 만족을 유도할 수 있다.
스테이지 3 액화 회수장치로 재생한 휘발유는 자원의 손실을 방지하며 주유소 운영자에게 추가적인 수익을 제공한다.
스테이지 3 액화 회수장치로 재생한 휘발유의 양만큼 화석에너지의 생산 자체가 감소하므로 탄소배출 저감에 실질적인 기여가 있다.
스테이지 2 회수설비와 스테이지 3 액화회수장치가 시너지 효과를 발휘하므로 더 많은 주유소 운영자가 스테이지 2 회수설비를 자발적으로 설치하도록 유도하는데 효과적이다.
세계 여러 나라의 다수 기업이 스테이지 3 액화장치 개발을 시도하여 왔다. 각기 다양한 기술적 접근을 하였으나 가장 중요한 요소가 간과된 것 같아 이에 대하여 언급하고자 한다.
초기에 스테이지 3 액화장치는 기존 스테이지 1 회수설비가 주유소 운영자에게 경제적 이득이 없다는 데에서 출발하였다. 즉 설비 비용은 주유소 운영자가 부담하지만 회수된 유증기를 탱크트럭이 가져가서 재생한 휘발유의 가치를 주유소 운영자에게 돌려주지 않기 때문이다.
따라서 액화장치를 통기관에 연결하여 주유소 현장에서 즉시 액화함으로써 경제적 이익을 주유소 운영자가 취하도록 한다면 시장의 수요가 크게 일어날 것이라고 기대한 것이다. 틀린 접근은 아니다. 다만 스테이지 1 회수에만 집중한 결과 스테이지 2 회수설비로 인하여 배출되는 유증기와 자연압력변화에 의해 배출되는 유증기를 처리하지 못하는 결과를 초래하는 경우가 많았다.
유증기의 누락 현상을 방지하려면 칠러에 의한 간접 냉각 방식이던 증발기를 이용한 직접 냉각 방식이던 유증기의 유입에 반응하여 24시간 액화 기능이 보장되어야 한다.
탱크트럭이 저장탱크에 휘발유를 충전하는 처리는 매우 간헐적으로 짧은 시간에만 이루어지므로 스테이지 1에 집중한 스테이지 3 장치는 24시간 배출되는 유증기에 대응할 수 없다. 가능하다 할지라도 엄청난 전력 소모로 인하여 경제성을 상실할 가능성이 매우 높다.
본문에서 저자는 기존 스테이지 1, 2 회수설비의 효과가 과대 포장된 점을 지적하고 스테이지 3 액화회수장치(VRU)의 뛰어난 기능과 효과에 대하여 설명하였다. 그리고 스테이지 3 유증기 액화회수장치(VRU)에 대하여도 자세하게 설명하였다
이에 비추어 볼 때 정부와 오일컴퍼니들은 스테이지 3 액화회수장치(VRU)를 전면적으로 설치하기 위한 노력을 더 이상 미룰 수 있는 사안이 아니라고 할 수 있다.
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