KR101659942B1 - 비대칭 격벽형 실내 저탄장용 자연발화 방지 장치 - Google Patents

비대칭 격벽형 실내 저탄장용 자연발화 방지 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비대칭 격벽형 실내 저탄장용 자연발화 방지 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 격벽이 있는 실내 저탄장의 석탄더미 하부에서 저온의 고압공기를 지속적으로 분사시키되, 유량의 조절을 통해 석탄이 쌓인 높이가 높은 쪽에 더 많은 공기가 분사되도록 하여 석탄 입자 표면에서 발생하는 산화열을 공기 흐름과 함께 연전달하여 대기로 소산시켜 내부에 열이 축적되지 않도록 함으로써 자연발화를 방지할 수 있고, 또한 석탄이 쌓인 높이가 낮은 지역에서 발생할 수 있는 석탄 입자 사이의 공극의 불균질성에 따른 공기의 편류를 방지하기 위하여 발전소에서 배출되는 이산화탄소를 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 알칼리 혼화제가 혼합된 흡수액과 반응시켜 생성되는 이산화탄소 포집물을 저탄장 격벽의 상부에서 분사하여 해당 위치에 표면 도포함으로써 공기의 흐름이 균질하도록 유도함과 동시에 발전소 보일러에 석탄과 혼입시켜 석탄을 연소시킬 때 발생하는 황산가스를 중화시켜 제거하는 탈황효과도 가질 수 있도록 하는 비대칭 격벽형 실내 저탄장용 자연발화 방지 장치에 관한 것이다.

Description

비대칭 격벽형 실내 저탄장용 자연발화 방지 장치{THE PREVENTION APPARATUS OF SPONTANEOUS IGNITION FOR INDOOR COAL SHED}
본 발명은 비대칭 격벽형 실내 저탄장용 자연발화 방지 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 격벽이 있는 실내 저탄장의 석탄더미 하부에서 저온의 고압공기를 지속적으로 분사시키되, 유량의 조절을 통해 석탄이 쌓인 높이가 높은 쪽에 더 많은 공기가 분사되도록 하여 석탄 입자 표면에서 발생하는 산화열을 공기 흐름과 함께 연전달하여 대기로 소산시켜 내부에 열이 축적되지 않도록 함으로써 자연발화를 방지할 수 있고, 또한 석탄이 쌓인 높이가 낮은 지역에서 발생할 수 있는 석탄 입자 사이의 공극의 불균질성에 따른 공기의 편류를 방지하기 위하여 발전소에서 배출되는 이산화탄소를 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 알칼리 혼화제가 혼합된 흡수액과 반응시켜 생성되는 이산화탄소 포집물을 저탄장 격벽의 상부에서 분사하여 해당 위치에 표면 도포함으로써 공기의 흐름이 균질하도록 유도함과 동시에 발전소 보일러에 석탄과 혼입시켜 석탄을 연소시킬 때 발생하는 황산가스를 중화시켜 제거하는 탈황효과도 가질 수 있도록 하는 비대칭 격벽형 실내 저탄장용 자연발화 방지 장치에 관한 것이다.
통상 대부분 화력발전소의 경우 연료로 유연탄을 사용하고 있으며, 많은 양을 해외에서 수입하고 있다. 그리고 해외 각 지역에서 수입되는 유연탄은 화력발전소나 보일러의 연소 조건에 따라 다양하게 혼합하여 사용하고 있으며, 하역 후 바로 화력발전소로 상탄하는 경우도 있으나, 대부분 제반 여건상 저탄장에 다수의 석탄더미로 해서 장시간 저장하여 사용하는 경우가 빈번하다.
예컨대, 수일에 한 번씩 수십만톤의 석탄을 하역하게 되면 하역과 함께 화력발전소로 상탄할 수 없으므로, 자연적으로 저탄장에 짧게는 며칠 길게는 몇 개월씩 야적할 수밖에 없는 상황이다.
이때, 저탄장에 야적하는 석탄은 탄의 종류별로 발열량이 다르기 때문에 소규모 그룹을 지어 야적하게 된다. 통상 하나의 실외 야적 석탄더미는 그 넓이가 대략 100ㅧ50m, 높이가 10~12m이며, 저탄장에 수십개 정도 형성된다. 한편, 현재는 환경 오염 등으로 인해 석탄을 야적하지 않고, 실내에 저장하고 있는 추세이다.
실외 야적 저탄장는 도 1a에 도시된 바와 같이 원추형으로 통상 중앙 부분이 높고 양 옆이 낮은 형태로 저탄이 이루어지는 대칭 원추형이 일반적이다. 실내 저탄장은 도 1b에서와 같이 격벽형 비대칭으로 한쪽 끝이 높고 다른 쪽은 낮은 형태로 저탄이 이루어진다.
이러한, 석탄더미는 특성상 대기 중의 산소에 의하여 열화가 진행하는데 보통 80 내지 90℃에서부터 열화가 시작되며, 내부 건조에 따른 온도가 300∼400℃로 급상승하여 연기가 나며 자연발화가 시작될 수 있고, 500∼800℃에서는 완전 발화가 진행된다.
이와 같이 거대한 석탄더미를 오랜 기간 동안 저장하는 경우에 석탄더미의 중심에서 온도의 상승을 수반하여 자연발화로 인한 화재가 발생되는 위험에 처하게 된다. 이러한 위험은 특히 휘발성분이 높은 아역청탄을 장기 저장 시 내부 온도가 상승하여 주위 온도가 높은 여름철 또는 비가 온 후, 그 자연발화 위험이 크다.
따라서 석탄더미의 자연발화를 미연에 방지하기 위하여, 지속적인 석탄 내부의 온도 감시 및 온도 상승에 따른 살수(물을 뿌려 줌)나 산소공급을 차단하기 위한 석탄더미 다짐 등 적절한 조치가 필요하다. 여기서 도 1b와 같은 비대칭 격벽형 저탄 방식의 경우 외부의 공기흐름(바람)에 의한 석탄더미 내부로의 산소공급을 감소시켜 석탄의 자연발화의 가능성을 낮출 수 있고, 실내 저탄 방식이기 때문에 도 1a와 같은 실외 야적 저탄장보다 비산먼지 등에 의한 환경적 위해는 크게 감소되나, 격벽으로 둘러싸여 있고 저탄 높이가 높아 장비 투입 등의 어려움으로 석탄 다짐 등의 방법을 적용하기 곤란하거나 불가능한 경우가 많아 자연발화가 발생할 경우 대처가 어렵기 때문에 자연발화가 원천적으로 불가능한 환경 조성이 필요하다.
한편, 종래의 저탄장 자연발화 방지 기술로는 국내 공개특허공보 제 10-2012-0139227호의 "배가스를 이용한 저탄장 자연발화 방지시스템", 국내 공개특허공보 제10-2006-0002677호의 "석탄회를 이용한 석탄야적장 자연발화 및 저탄장해 방지기술" , 국내 공개특허공보 제10-2013-0051838호의 "융합기술 기반의 저탄장 모니터링 시스템 및 방법" 등이 개시되어 있다.
그러나, 상기 배가스를 이용한 저탄장 자연발화 방지시스템은 주로 실외 저탄층 하부에서 기체를 공급하여 자연발화 방지한다는 점과 밸브 조절에 의하여 유량을 조절한다는 점에서 유사하나, 통상 도 1a과 같은 대칭 원추형에 적용할 수 있고, 상기 배가스를 이용한 저탄장 자연발화 방지시스템은 발전소 배가스(이산화탄소)를 공급하여 산소와 접촉 차단을 통한 자연발화 방지 개념이기 때문에 발전소 배가스를 이용하는 경우는 집진기를 거친 배가스를 사용하는데 여기에는 황산화물과 질소산화물 및 다량의 수분을 포함하고 있어 저탄장 하부 주입전에 처리시설을 갖추어야하고, 발전설비에서 저탄장까지 배관을 연결해야 하는 문제가 있다.
또한, 상기 석탄회를 이용한 석탄야적장 자연발화 및 저탄장해 방지기술은 표면응결첨가제를 부가 처리하는 석탄회 슬러리를 살포하여 표면을 고화시켜 산소 유입을 차단하여 자연발화를 방지하고, 우수가 침투되는 것을 방지하며, 탄진이 비산되는 것을 차단하나 내부에서 자연발화가 발생하고, 더욱이 유해한 불순물을 상당히 포함하고 있어 다시 발전소로 투입되는 경우 농축된 유해 성분이 배출되는 문제점이 있다.
또, 상기 융합기술 기반의 저탄장 모니터링 시스템 및 방법은 단순히 적외선 열화상 스캐닝을 통하여 저탄장 온도를 모니터링하기 때문에 자연발화의 진화를 자동으로 수행할 수 없는 문제점이 있다.
국내 공개특허공보 제10-2012-0139227호 국내 공개특허공보 제10-2006-0002677호 국내 공개특허공보 제10-2013-0051838호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 격벽이 있는 실내 저탄장의 석탄더미 하부에서 저온의 고압공기를 지속적으로 분사시키되, 유량의 조절을 통해 석탄이 쌓인 높이가 높은 쪽에 더 많은 공기가 분사되도록 하여 석탄 입자 표면에서 발생하는 산화열을 공기 흐름과 함께 연전달하여 대기로 소산시켜 내부에 열이 축적되지 않도록 함으로써 자연발화를 방지할 수 있도록 하는 비대칭 격벽형 실내 저탄장용 자연발화 방지 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 석탄이 쌓인 높이가 낮은 지역에서 발생할 수 있는 석탄 입자 사이의 공극의 불균질성에 따른 공기의 편류를 방지하기 위하여 발전소에서 배출되는 이산화탄소를 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 알칼리 혼화제가 혼합된 흡수액과 반응시켜 생성되는 이산화탄소 포집물을 저탄장 격벽의 상부에서 분사하여 해당 위치에 표면 도포함으로써 공기의 흐름이 균질하도록 유도함과 동시에 발전소 보일러에 석탄과 혼입시켜 석탄을 연소시킬 때 발생하는 황산가스를 중화시켜 제거하는 탈황효과도 가질 수 있도록 하는 비대칭 격벽형 실내 저탄장용 자연발화 방지 장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,
발전소의 석탄을 저장하는 비대칭 격벽형 실내 저탄장의 자연발화 방지장치에 있어서, 상기 비대칭 격벽형 실내 저탄장의 바닥 상면에 배열 설치되고, 복수의 분사공이 배열된 복수의 가지관과; 상기 복수의 가지관중 적어도 2개 이상의 임의의 가지관과 연결되는 복수의 분지관과; 상기 복수의 분지관이 연결되는 주관과; 상기 주관과 연결되어 상기 주관을 통해 각각의 상기 분지관과 가지관으로 공기를 공급하는 공기 송풍기와; 상기 각각의 분지관에 설치되어 공기 유량을 측정하는 복수의 유량계와; 상기 각각의 분지관에 설치되어 공기 압력을 측정하는 복수의 압력계와; 상기 각각의 분지관에 설치되어 공기 유량을 조절하는 복수의 유량 조절 밸브; 및 상기 비대칭 격벽형 실내 저탄장의 석탄 층고에 따라 석탄 층고와 대기가 접하는 위치에서의 공기의 배출속도가 자연 발화가 억제되는 한계 유속 이상이 유지되도록 각각의 상기 가지관의 공기 주입 유량을 모델식에 의해 결정하여 상기 분지관에 설치된 유량 조절 밸브의 개폐도를 조절해서 각각의 결정된 유량 이상의 공기를 상기 가지관으로 각각 주입시키는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 비대칭 격벽형 실내 저탄장용 자연발화 방지 장치는 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 알칼리 혼화제가 혼합된 흡수액과 상기 발전소의 배가스를 접촉시켜 생성된 이산화탄소 포집물이 저장되는 포집물 저장 탱크와; 상기 비대칭 격벽형 실내 저탄장의 측벽 상부에 설치되고, 복수의 노즐이 배열된 분사관; 및 상기 포집물 저장 탱크에 저장된 이산화탄소 포집물을 상기 분사관을 통해 상기 비대칭 격벽형 실내 저탄장의 석탄 더미로 분사하는 분사 펌프를 더 포함한다.
여기에서 또, 상기 컨트롤러는 상기 유량계 또는 압력계를 통해 어느 하나 이상의 상기 가지관에서 공기가 기준 유량을 초과하거나 또는 기준 유량에 따른 기준 압력 미만인 경우 편류 발생으로 감지하여 상기 분사 펌프를 동작시켜 상기 포집물 저장 탱크에 저장된 이산화탄소 포집물을 상기 분사관을 통해 상기 비대칭 격벽형 실내 저탄장의 석탄 더미로 분사시키되, 상기 분사 펌프의 압력을 조절하거나 상기 노즐의 각도를 조절하여 편류 발생 위치로 이산화탄소 포집물이 분사되도록 한다.
여기에서 또, 상기 가지관의 분사공은 내부로 석탄이 유입되는 것을 차단하도록 상기 가지관의 하부에 하나 이상 설치된다.
여기에서 또, 상기 가지관은 석탄 낙하시 파손되는 것을 방지하도록 플렉시블 조인트에 의해 상호 연결된다.
여기에서 또, 상기 모델식은
Figure 112016034084639-pat00001
이고, 이때, g=중력 가속도, V1=주입 속도, H1=석탄 층고 높이, f=마찰손실계수, D=공극의 평균 직경, V한계속도=한계 속도, V평균속도=평균 속도이다.
여기에서 또, 상기 모델식은 V한계속도
Figure 112016034084639-pat00002
를 모형 실험을 통해 기결정한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명인 비대칭 격벽형 실내 저탄장 자연발화 방지장치에 따르면, 격벽이 있는 실내 저탄장의 석탄더미 하부에서 저온의 고압공기를 지속적으로 분사시키되, 유량의 조절을 통해 석탄이 쌓인 높이가 높은 쪽에 더 많은 공기가 분사되도록 하여 석탄 입자 표면에서 발생하는 산화열을 공기 흐름과 함께 연전달하여 대기로 소산시켜 내부에 열이 축적되지 않도록 함으로써 자연발화를 원천적으로 방지할 수 있어 석탄더미의 자연발화 상태를 판단하기 위한 온도 모니터링과 자연발화에 따른 소화 방법과 시설을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 석탄이 쌓인 높이가 낮은 지역에서 발생할 수 있는 석탄 입자 사이의 공극의 불균질성에 따른 공기의 편류를 방지하기 위하여 발전소에서 배출되는 이산화탄소를 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 알칼리 혼화제가 혼합된 흡수액과 반응시켜 생성되는 이산화탄소 포집물을 저탄장 격벽의 상부에서 분사하여 해당 위치에 표면 도포함으로써 공기의 흐름이 균질하도록 유도함과 동시에 발전소 보일러에 석탄과 혼입시켜 석탄을 연소시킬 때 발생하는 황산가스를 중화시켜 제거하는 탈황효과도 가질 수 있다.
도 1a는 종래의 실외 야적 저탄장의 모습을 나타낸 단면도이다.
도 1b는 본 발명이 적용된 격벽형 비대칭 저탄장 모습을 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 비대칭 격벽형 실내 저탄장용 자연발화 방지 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 비대칭 격벽형 실내 저탄장용 자연발화 방지 장치중 저탄장의 구성을 나타낸 부분 단면 사시도이다.
도 4는 도 3의 가지관의 구성을 나타낸 부분 단면 사시도이다.
도 5은 본 발명에 따른 비대칭 격벽형 실내 저탄장용 자연발화 방지 장치에 적용된 모델식을 설명하기 위한 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 비대칭 격벽형 실내 저탄장용 자연발화 방지 장치중 적용된 모델식을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 비대칭 격벽형 실내 저탄장용 자연발화 방지 장치에 적용된 모델식의 실내 실험을 모사한 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 비대칭 격벽형 실내 저탄장용 자연발화 방지 장치의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 비대칭 격벽형 실내 저탄장용 자연발화 방지 장치의 구성을 나타낸 블록도이고, 도 3은 본 발명에 따른 비대칭 격벽형 실내 저탄장용 자연발화 방지 장치중 저탄장의 구성을 나타낸 부분 단면 사시도이고, 도 4는 도 3의 가지관의 구성을 나타낸 부분 단면 사시도이며, 도 5은 본 발명에 따른 비대칭 격벽형 실내 저탄장용 자연발화 방지 장치에 적용된 모델식을 설명하기 위한 그래프이고, 도 6은 본 발명에 따른 비대칭 격벽형 실내 저탄장용 자연발화 방지 장치중 적용된 모델식을 설명하기 위한 도면이며, 도 7은 본 발명에 따른 비대칭 격벽형 실내 저탄장용 자연발화 방지 장치에 적용된 모델식의 실내 실험을 모사한 도면이다.
도 2 내지 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 비대칭 격벽형 실내 저탄장용 자연발화 방지 장치(1)는 가지관(P1), 분지관(P2), 주관(P3), 공기 송풍기(10), 유량계(F), 압력계(P), 유량 조절 밸브(V), 소화액제 저장 탱크(20), 분사관(P4), 분사 펌프(30) 및 컨트롤러(40)를 포함하여 이루어진다.
먼저, 가지관(P1)은 비대칭 격벽형 실내 저탄장(3)의 바닥 상면에 배열 설치되고, 복수의 분사공(A)이 배열된다. 여기에서, 가지관(P1)은 도 4에 도시된 바와 같이 석탄 낙하시 파손되는 것을 방지하도록 플렉시블 조인트(B)에 의해 상호 연결되고, 분사공(A)은 내부로 석탄이 유입되는 것을 차단하도록 가지관(P1)의 하부에 하나 이상 설치되는 것이 바람직하다. 이때, 가지관(P1)은 비대칭 격벽형 실내 저탄장(3)의 측면 또는 바닥과 측면에 모두 설치될 수도 있다.
그리고, 분지관(P2)은 복수의 가지관(P1)중 적어도 2개 이상의 임의의 가지관(바람직하게는 이웃하는 가지관)과 각각 연결된다.
또한, 주관(P3)은 각각의 분지관(P2)이 연결된다. 이때, 주관(P3)은 분지관(P2)과의 연결을 위해 끝단에 매니폴드(M)가 구비된다.
또, 공기 송풍기(10)는 주관(P3)을 통해 각각의 분지관(P2)과 가지관(P1)으로 공기를 공급한다. 이때, 선택에 따라 공기 송풍기(10)의 전단에 공기 냉각기(미도시)가 별도로 설치될 수도 있다.
이어서, 유량계(F)는 각각의 분지관(P2)에 설치되어 공기 유량을 측정하여 컨트롤러(40)로 출력한다.
계속해서, 압력계(P)는 각각의 분지관(P2)에 설치되어 공기 압력을 측정하여 컨트롤러(40)로 출력한다.
한편, 유량 조절 밸브(V)는 각각의 분지관(P2)에 설치되어 컨트롤러(40)의 제어에 따라 공기 유량을 조절한다.
그리고, 포집물 저장 탱크(20)는 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 알칼리 혼화제가 혼합된 흡수액과 발전소의 배가스를 접촉시켜 생성된 탄산칼슘(CaCO3) 현탁액을 물과 혼합시킨 이산화탄소(CO2) 포집물이 저장된다. 이때, 이산화탄소 포집물은 발전소 등 배출가스 내의 이산화탄소(CO2)를 직접반응으로 포집하고, 이때 발생하는 이산화탄소 포집물(CaCO3 현탁액 20~25%, 물 75~80%)을 이용, 석탄더미 공극의 비균질로 인하여 석탄더미 높이가 낮은 쪽에 발생할 수 있는 주입된 공기의 편류를 해당 지역 석탄더미 표면에 분산 도포함으로써 석탄더미 내부의 공기 흐름을 균질하게 유지하여 편류로 인하여 발생가능한 공기전달이 원활하지 않은 영역의 자연발화를 방지할 수 있다.
또, 분사관(P4)은 비대칭 격벽형 실내 저탄장(3)의 측벽 상부에 설치되고, 복수의 노즐(N)이 배열된다. 이때, 분사관(P4)은 컨트롤러(40)의 제어에 따라 관로를 개폐하거나 압력을 조절하는 전자 밸브(미도시)가 구비될 수 있고, 컨트롤러(40)의 제어에 따라 각도 조절이 가능한 노즐(N)을 설치할 수 있다.
이어서, 분사 펌프(30)는 컨트롤러(40)의 제어에 따라 포집물 저장 탱크(20)에 저장된 이산화탄소 포집물을 분사관(P4)을 통해 비대칭 격벽형 실내 저탄장(3)의 석탄 더미로 분사한다.
한편, 컨트롤러(40)는 비대칭 격벽형 실내 저탄장(3)의 석탄 층고에 따라 석탄 층고와 대기가 접하는 위치에서의 공기의 배출속도가 자연 발화가 억제되는 한계 유속 이상이 유지되도록 각각의 가지관(P1)의 공기 주입 유량을 모델식에 의해 결정하여 분지관(P2)에 설치된 유량 조절 밸브(V)의 개폐도를 조절해서 각각의 결정된 유량 이상의 공기를 가지관(P1)으로 각각 주입시킨다.
여기에서, 컨트롤러(40)는 유량계(F) 또는 압력계(P)를 통해 어느 하나 이상의 가지관(P1)에서 공기가 기준 유량을 초과하거나 또는 기준 유량에 따른 기준 압력 미만인 경우 편류 발생으로 감지하고, 분사 펌프(30)를 동작시켜 포집물 저장 탱크(20)에 저장된 이산화탄소 포집물을 분사관(P4)을 통해 비대칭 격벽형 실내 저탄장(3)의 석탄 더미로 분사시키되, 분사 펌프(30)의 압력을 조절하거나 노즐(N)의 각도를 조절하여 편류 발생 위치로 이산화탄소 포집물이 분사되도록 한다.
즉, 본원 발명은 석탄 저장 높이가 실외 저탄장보다 높은 실내 저탄장에 적용되며, 기존의 자연발화 방지 방법인 산소 전달 차단 내지 소화의 목적이 아닌 석탄 더미의 공극에서의 환기를 강화시킬 목적으로 일반 공기를 사용하므로 산소 공급은 증가시키나 도 5에서와 같이 한계 유속 이상 또는 한계유속 결정 가능범위 내에서 공기를 공급하여 자연발화를 일으키는 석탄 산화에 의한 축열을 공기가 열전달을 통해 대기로 소산시켜 석탄의 저장 기간 동안 자연발화에 필요한 온도까지 상승되는 것을 억제시키는 것이 특징이다.
그리고, 석탄 더미 하부에서의 공기 주입은 공극내 산화열의 축열 속도보다 열전달되는 속도를 크게 해서 해당 저탄층고를 반영한 공기주입량 결정과 석탄 더미의 경사에 의하여 저탄층고가 다름에 따라 위치별 공기의 흐름 저항(압력손실)이 다르므로 위치별 공기주입량을 모델식을 통해 결정한다.
상기 모델식은 아래의 수학식 1과 같다.
Figure 112016034084639-pat00003
이때, g=중력 가속도, V1=주입 속도, H1=석탄 층고 높이, f=마찰손실계수, D=공극의 평균 직경, V한계속도=한계 속도, V평균속도=평균 속도(한계속도와 주입 속도를 더하여 2로 나눈값)이다.
모델식의 도출 과정을 설명하면, 베루누이(Bernoulli) 방정식과 달시-바이스바하(Darcy-Weisbach) 방정식을 결합시켜 도출한 것으로, 도 6과 같이 비대칭 격벽형 실내 저탄장(3)에 설치된 가지관(P1)인 ①지점과 ②지점에 해당 2개의 방정식을 적용하면 아래의 수학식 2와 같은데 ①지점과 ②지점에서의 전체 에너지는 같고, ②지점에서는 ①지점에서 분사된 공기가 해당 석탄층고(H1)까지 석탄 공극사이를 흐르면서 발생한 마찰손실을 포함한다.
Figure 112016034084639-pat00004
이때, 공기가 기체이므로 위치 수두는 "0"이고, 대기이므로, P1, P2는 "0"이므로 수학식 2를 정리하면 수학식 1로 정리되고, ②지점까지 V한계속도가 유지되어야만 자연발화가 억제된다.
또한, 모델식중 f=마찰손실계수, D=공극의 평균 직경 및 V한계속도=한계 속도를 모형 실험을 통해 기결정한다.
즉, 도 7과 같이 원통관 내부에 석탄을 충진시키고, 관 하부에서 공기 유입을 증가시키며, 원통관 상부에 설치된 온도계를 통하여 온도를 모니터링해서 V한계속도를 결정하는 데, V한계속도일 때, 수학식 1인 모델식을 대입하여
Figure 112016034084639-pat00005
를 결정한다.
여기에서, V한계속도를 결정함에 있어서 최초 원통관 하부에서 도 5에서와 같이 공기 유입을 서서히 증가시키면, 산소 공급의 증가에 따라 석탄 산화열 발생속도가 증가되어 원통관 상부에서의 온도 상승속도가 증가하게 되나 유입 유량의 증가에 따라 산화열이 열전달을 통하여 대기로 방출되는 속도가 증가함에 따라 온도 상승속도는 감소하게 되는데, 온도 상승속도가 "0"이 될 때의 유속을 자연발화의 억제 속도인 V한계속도로 결정한다. 한편, V한계속도를 결정하는 다른 방법은 도 5에서의 한계유속 결정 가능범위에서 V한계속도를 결정하는 방법으로서 온도의 상승속도가 "0"보다 커서 결국 자연발화가 가능한 경우에도 석탄의 저장 기간을 모형 실험의 운전시간으로 하여 원통관 상부에서의 온도가 석탄의 자연발화 유발온도인 발화점 이하로 유지되면 이를 V한계속도로 결정할 수 있다. 따라서, V한계속도의 결정은 저탄장의 운영 조건을 반영하여 합리적으로 결정할 수 있다.
상기와 같은 방식으로 모형 실험을 통해 결정된 V한계속도
Figure 112016034084639-pat00006
를 모델식에 적용하여 석탄 더미 높이별로 각 가지관(P1)의 공기 주입 속도(V1)를 결정할 수 있는 데, 이때 각 가지관(P1)의 분사공(A)의 총면적을 곱하여 각 가지관(P1)의 공기 주입 유량을 결정하는 것이 바람직하다. 여기에서, 2개 이상의 임의의 가지관(P1)은 분지관(P2)과 연결되고 분지관(P2)에 연결된 유량 조절 밸브(V)에 의하여 주입 유량이 조절되므로 분지관(P2)에 연결된 임의의 가지관(P1)중 석탄 층고가 가장 높은 가지관(P1)의 주입 유량을 기준으로 분지관(P2)의 주입 유량을 결정한다. 즉, 해당 분지관(P2)의 주입 유량은 석탄 층고가 가장 높은 가지관(P1)의 주입 유량에 해당 분지관(P2)와 연결된 가지관(P1)의 개수를 곱한 값이다. 따라서 각 가지관(P1)에서는 최소 각 가지관(P1)별 결정된 공기 주입 유량 이상이 주입된다.
이하, 본 발명에 따른 비대칭 격벽형 실내 저탄장용 자연발화 방지 장치의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 컨트롤러(40)는 석탄 더미의 석탄 층고에 따라 석탄 층고와 대기가 접하는 위치에서의 공기의 배출속도가 자연 발화가 억제되는 한계 유속 이상이 유지되도록 각각의 가지관(P1)의 공기 주입 유량을 모델식에 의해 결정한다.
그리고, 공기 송풍기(10)가 동작되어 주관(P3)을 통해 분지관(P2) 및 가지관(P1)으로 저온 고압 공기가 공급되면, 컨트롤러(40)는 유량 조절 밸브(V)의 개폐도를 조절해서 모델식에 의해 결정된 각각의 유량 이상의 공기를 가지관(P1)으로 각각 유입시켜 자연발화가 발생되는 것을 차단한다.
이러한 상태에서, 컨트롤러(40)는 유량계(F) 또는 압력계(P)를 통해 어느 하나 이상의 가지관(P1)에서 공기가 기준 유량을 초과하거나 또는 기준 유량에 따른 기준 압력 미만인 경우 편류 발생으로 감지하고, 분사 펌프(30)를 동작시켜 포집물 저장 탱크(20)에 저장된 이산화탄소 포집물을 분사관(P4)을 통해 비대칭 격벽형 실내 저탄장(3)의 해당 편류 발생 석탄 더미 표면에 분사시킨다.
그러면, 이산화탄소 포집물이 석탄 더미의 표면에 고화되면서 일정 두께의 막을 형성하여 공기투과도가 매우 작아 편류된 공기가 석탄 더미 내부 전체로 확산되게 하여 공기흐름의 균질성을 유지하게 하여, 공기의 편류에 의하여 공기전달이 원활하지 않은 지역에서의 자연발화를 억제할 수 있다.
본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
10 : 공기 송풍기 20 : 포집물 저장 탱크
30 : 분사 펌프 40 : 컨트롤러
A : 분사공 B : 플렉시블 조인트
F : 유량계 N : 노즐
P1 : 가지관 P2 : 분지관
P3 : 주관 P4 : 분사관
V : 유량 조절 밸브

Claims (7)

  1. 발전소의 석탄을 저장하는 비대칭 격벽형 실내 저탄장의 자연발화를 방지장치에 있어서,
    상기 비대칭 격벽형 실내 저탄장의 바닥 상면에 배열 설치되고, 복수의 분사공이 배열된 복수의 가지관과;
    상기 복수의 가지관중 적어도 2개 이상의 임의의 가지관과 연결되는 복수의 분지관과;
    상기 복수의 분지관이 연결되는 주관과;
    상기 주관과 연결되어 상기 주관을 통해 각각의 상기 분지관과 가지관으로 공기를 공급하는 공기 송풍기와;
    상기 각각의 분지관에 설치되어 공기 유량을 측정하는 복수의 유량계와;
    상기 각각의 분지관에 설치되어 공기 압력을 측정하는 복수의 압력계와;
    상기 각각의 분지관에 설치되어 공기 유량을 조절하는 복수의 유량 조절 밸브와;
    수산화칼슘(Ca(OH)2)과 알칼리 혼화제가 혼합된 흡수액과 상기 발전소의 배가스를 접촉시켜 생성된 이산화탄소 포집물이 저장되는 포집물 저장 탱크와;
    상기 비대칭 격벽형 실내 저탄장의 측벽 상부에 설치되고, 복수의 노즐이 배열된 분사관과;
    상기 포집물 저장 탱크에 저장된 이산화탄소 포집물을 상기 분사관을 통해 상기 비대칭 격벽형 실내 저탄장의 석탄 더미로 분사하는 분사 펌프; 및
    상기 비대칭 격벽형 실내 저탄장의 석탄 층고에 따라 석탄 층고와 대기가 접하는 위치에서의 공기의 배출속도가 자연 발화가 억제되는 한계 유속 이상이 유지되도록 각각의 상기 가지관의 공기 주입 유량을 모델식에 의해 결정하여 상기 분지관에 설치된 유량 조절 밸브의 개폐도를 조절해서 각각의 결정된 유량 이상의 공기를 상기 가지관으로 각각 주입시키며, 편류 발생시 상기 분사 펌프를 통해 상기 포집물 저장 탱크의 이산화탄소 포집물을 상기 분사관에서 분사시키는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 비대칭 격벽형 실내 저탄장용 자연발화 방지 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 유량계 또는 압력계를 통해 어느 하나 이상의 상기 가지관에서 공기가 기준 유량을 초과하거나 또는 기준 유량에 따른 기준 압력 미만인 경우 편류 발생으로 감지하여 상기 분사 펌프를 동작시켜 상기 포집물 저장 탱크에 저장된 이산화탄소 포집물을 상기 분사관을 통해 상기 비대칭 격벽형 실내 저탄장의 석탄 더미로 분사시키되, 상기 분사 펌프의 압력을 조절하거나 상기 노즐의 각도를 조절하여 편류 발생 위치로 이산화탄소 포집물이 분사되도록 하는 것을 특징으로 하는 비대칭 격벽형 실내 저탄장용 자연발화 방지 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 가지관의 분사공은,
    내부로 석탄이 유입되는 것을 차단하도록 상기 가지관의 하부에 하나 이상 설치되는 것을 특징으로 하는 비대칭 격벽형 실내 저탄장용 자연발화 방지 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 가지관은,
    석탄 낙하시 파손되는 것을 방지하도록 플렉시블 조인트에 의해 상호 연결되는 것을 특징으로 하는 비대칭 격벽형 실내 저탄장용 자연발화 방지 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 모델식은,
    Figure 112016034084639-pat00007
    이고,
    이때, g=중력 가속도, V1=주입 속도, H1=석탄 층고 높이, f=마찰손실계수, D=공극의 평균 직경, V한계속도=한계 속도, V평균속도=평균 속도인 것을 특징으로 하는 비대칭 격벽형 실내 저탄장용 자연발화 방지 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 모델식은,
    V한계속도
    Figure 112016034084639-pat00008
    를 모형 실험을 통해 기결정하는 것을 특징으로 하는 비대칭 격벽형 실내 저탄장용 자연발화 방지 장치.
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