KR101907762B1 - 석탄의 자연 발화 예측 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 석탄 자연 발화 예측 방법은, 파일(석탄 저장 시설 내의 석탄층)을 구성하는 석탄의 자연 발화를 예측하는 방법이다. 본 발명의 자연 발화 예측 방법은, 석탄의 물성값을 결정하는 물성값 결정 스텝과, 온도 분포 예측값 결정 스텝을 갖는다. 온도 분포 예측값 결정 스텝은, 물성값 결정 스텝에서 결정된 물성값에 기초하여, 파일 내의 온도 분포의 경시 변화의 예측값인 온도 분포 예측값을 해석에 의해 결정하는 스텝이다. 본 발명의 방법에 의하면, 석탄이 자연 발화 온도에 도달하는 때 및 위치를, 실물의 파일을 세울 필요없이 예측할 수 있다.

Description

석탄의 자연 발화 예측 방법{SPONTANEOUS COMBUSTION PREDICTION METHOD FOR COAL}
본 발명은, 석탄의 자연 발화 예측 방법에 관한 것이다.
종래부터 석탄 저장 시설 내에서 석탄층(석탄의 산, 파일)으로서 석탄이 저장되는 경우가 있다. 예를 들어, 해외로부터 석탄이 수입되는 경우에는, 일반적으로 2주일 내지 1개월 정도, 파일로서 석탄이 저장된다. 석탄은, 상온에서도 발열(자연 발열)한다. 이 발열은, 대기 중의 산소에 의해 일어나는 완만한 산화 반응(저온 산화 반응)에 따라 발생한다. 이 발열이 진행되어, 석탄의 발화 온도에 도달하면, 석탄이 발화(자연 발화)하여, 화재 사고가 일어날 우려가 있다.
석탄의 발열 용이함(자연 발화의 용이함)은, 석탄의 품목에 따라 상이하다. 구체적으로는, 석탄 중의 산소와 탄소의 원자수의 비율(O/C비)이 높은 석탄일수록, 발열하기 쉽다. 최근, 석탄의 품목의 다양화가 현저해지고 있다. 또한, 종래 일반적으로 이용되어 온 석탄에 비하여 O/C비가 높은 석탄도, 최근에는 많이 이용되고 있다. 그로 인해, 석탄의(파일 내의) 발열의 거동을 예측하는 것이 중요하다. 더 상세하게는, 석탄이, 언제, 파일 내의 어느 부위에서, 어떤 온도가 될지(발화 온도에 도달할지)를 예측하는 것이 중요하다. 이 예측은, 발열의 거동이 미지의 석탄(새롭게 사용하는 품목의 석탄)을 저장하는 경우에 특히 중요하다.
특허문헌 1 내지 3에는, 파일 내의 온도 등(발열, 자연 발화)을 예측하는 기술이 기재되어 있다.
특허문헌 1(청구항 1)에는, 「석탄 저장 시설의 석탄층 내…에 복수의 가스 채취관을 삽입하고, 상기 채취관을 통해서 채취된 석탄으로부터의 발생 가스의 조성을 계측함으로써, 석탄의 자연 발화의 징후를 검지한다」는 것이 기재되어 있다.
특허문헌 2(청구항 1, 단락 [0014], [0015] 등)에는, 다음과 같은 기술이 기재되어 있다. 석탄 저장 시설에 저장되는 석탄(3)에 탄산암모늄 일수염 등의 물질을 혼입한다. 저장 석탄(3)이 산화해서 석탄층 내부의 온도가 상승하여 약 60℃를 초과하면, 혼입되어 있던 탄산암모늄 일수염이 분해하여 암모니아 가스가 발생한다. 이에 의해 저장 석탄(3) 내부의 축열 온도를 알 수 있다.
특허문헌 3(요약)에는, 「저탄장 내에 복수 개의 온도 계측 로봇(1)을 소정의 간격으로 규칙적으로 배치하고, … 온도가 자연 발화 온도에 도달한 경우에는 그 포인트를 특정하고, 그 포인트에 미리 설치되어 있는 주수 노즐로부터 … 주수해서 냉각하고, 자연 발화를 미연에 방지한다」는 것이 기재되어 있다.
일본 특허 제3241233호 공보 일본 특허 제3212451호 공보 일본 특허공개 평8-84782호 공보
특허문헌 1 내지 3에 기재된 기술로는, 파일을 세운 후(파일링 후)에, 파일 내의 온도나 가스를 측정함으로써, 파일 내의 온도를 예측하고 있다. 그로 인해, 파일 내의 온도를 예측하기 위해서, 파일을 세울 필요가 있다. 파일의 높이는 예를 들어 10m 내지 15m 등이기 때문에, 파일을 세우기 위해서는 비용과 노력이 들어간다.
따라서 본 발명은, 석탄이 자연 발화 온도에 도달하는 때 및 위치를, 실물의 파일을 세울 필요 없이 예측할 수 있는, 석탄의 자연 발화 예측 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 석탄 저장 시설 내의 석탄층을 구성하는 석탄의 자연 발화 예측 방법이다. 상기 자연 발화 예측 방법은, 상기 석탄의 물성값을 결정하는 물성값 결정 스텝과, 상기 물성값 결정 스텝에서 결정된 상기 물성값에 기초하여, 상기 석탄층 내의 온도 분포의 경시 변화의 예측값인 온도 분포 예측값을 해석에 의해 결정하는 온도 분포 예측값 결정 스텝을 갖는다.
상기 구성에 의해, 석탄이 자연 발화 온도에 도달하는 때 및 위치를, 실물의 파일을 세울 필요 없이 예측할 수 있다.
도 1은, 파일(1)의 단면도이다.
도 2는, 자연 발화 예측 방법 S1의 플로우를 나타내는 도면이다.
도 3은, 유속과 압력 손실과의 관계(석탄 B의 경우)를 나타내는 그래프이다.
도 4는, 산소 소비 속도의 실측값(석탄 A의 경우)을 나타내는 그래프이다.
도 5는, 산소 소비 속도의 실측값(석탄 B의 경우)을 나타내는 그래프이다.
도 6은, 상대압과 평형 수분과의 관계(석탄 A의 경우)를 나타내는 그래프이다.
도 7은, 상대압과 평형 수분과의 관계(석탄 B의 경우)를 나타내는 그래프이다.
도 8은, 저탄일수와 온도와의 관계(석탄 A의 경우)를 나타내는 그래프이다.
도 9는, 저탄일수와 온도와의 관계(석탄 B의 경우)를 나타내는 그래프이다.
도 10은, 24일째의 산소 농도 분포(석탄 A의 경우)의 해석 결과를 나타내는 도면이다.
도 11은, 24일째의 산소 농도 분포(석탄 B의 경우)의 해석 결과를 나타내는 도면이다.
도 12는, 24일째의 온도 분포(석탄 A의 경우)의 해석 결과를 나타내는 도면이다.
도 13은, 24일째의 온도 분포(석탄 B의 경우)의 해석 결과를 나타내는 도면이다.
도 14는, 24일째의 온도 분포(석탄 B의 경우)의 실측 결과를 나타내는 도면이다.
도 1 내지 도 14를 참조하여, 도 1에 도시한 파일(1)(석탄 저장 시설 내의 석탄층)을 구성하는 석탄의 자연 발화 예측 방법 S1(도 2 참조)에 대하여 설명한다.
파일(1)은, 석탄이 쌓아 올려진 것(석탄이 쌓아 올려진 것, 석탄이 파일링된 것, 석탄의 충전층)이다. 파일(1)은, 석탄의 저장 시(석탄 저장 시)에 형성되는, 저탄 파일이다. 파일(1)은 스태커 설비에 의해 세워진다(형성된다). 스태커 설비는, 석탄을 저탄부지에 쌓기 위한 설비이며, 저탄부지에 석탄을 낙하시켜서 석탄을 쌓아 올리기 위한 설비이다. 파일(1)은, 석탄을 이용하는 사업소 내 등의 석탄 저장 시설 내에 설치된다.
이 파일(1)은, 석탄의 산화 반응에 의해 발열한다. 발열의 상세는 다음의 (a) 내지 (d)와 같다. (a) 파일(1) 내에 공기(대기)가 유입된다. (b) 공기 중의 산소와 석탄에 의해, 상온에서도 산화 반응(저온 산화 반응)이 일어난다. (c) 이 산화 반응에 의해, 석탄의 온도가 상승한다. (d) 석탄의 온도가 발화 온도(250℃ 등)까지 상승하면, 석탄이 발화한다.
이 파일(1)이 어느 정도 발열했을 때(석탄이 발화하기 전)에, 파일(1)의 불출이 행해진다. 파일(1)의 불출은, 예를 들어 석탄을 사용하기 위해서 파일(1)을 무너뜨리는 것이며, 또한 예를 들어, 석탄을 사용하지 않고 파일(1)을 일단 무너뜨리는 것이다[그 후 파일(1)이 다시 세워진다]. 파일(1)의 불출이 행해지는 온도는, 예를 들어 약 60℃ 등이다. 파일(1)의 불출 일수[파일(1)이 세워지고 나서 불출이 행해질 때까지의 일수]는, 예를 들어 약 2주일 내지 약 1개월 등이다.
이 파일(1)의 형상은, 산형이다. 파일(1)의 형상은, 예를 들어 뿔 형상(원추 형상이나 각뿔 형상 등)이며, 또한 예를 들어 사다리꼴 형상(원뿔 사다리꼴 형상이나 각뿔 사다리꼴 형상 등)이며, 또한 예를 들어 산맥 형상 등이다. 파일(1)의 단면 형상은, 산형이다. 파일(1)의 단면 형상은, 예를 들어 삼각형이며, 또한 예를 들어 사다리꼴 등이다. 상기 「단면」은, 수평면과 수직인 면이며, 파일(1)의 가장 높은 부분을 통과하는 면이다. 이하에서는, 파일(1)의 형상이 원추 형상[파일(1)의 단면 형상이 삼각형]인 경우에 대하여 설명한다. 파일(1)의 단면의 저변과 평행한 방향을 좌우 방향 X라 한다. 파일(1)의 높이 h는, 약 10m 내지 15m 등이다.
이 파일(1)의 단면에는, 부위(1a 내지 1e)가 있다.
부위(1a)는, 파일(1)의 끝단부이다. 부위(1a)는, 파일(1)의 단면의 하단부이고, 또한 좌우 방향 X 외측단부이다.
부위(1b)는, 파일(1)의 중간부이다. 부위(1b)는, 파일(1)의 단면의 상하 방향 중앙부이고, 또한 좌우 방향 X 외측단부이다.
부위(1c)는, 파일(1)의 정상부이다. 부위(1c)는, 파일(1)의 단면의 상단부이다.
부위(1d)는, 파일(1)의 단면의 중앙부이다. 부위(1d)는, 파일(1)의 단면의 상하 방향 중앙부이고, 또한 좌우 방향 X 중앙부이다.
부위(1e)는, 파일(1)의 단면의 저부이다. 부위(1e)는, 파일(1)의 단면의 하단부이고, 또한 좌우 방향 X 중앙부이다.
이 파일(1)은 석탄에 의해 구성된다. 석탄에는, 다양한 품목이 있다. 석탄의 품목에 따라서, 석탄을 구성하는 물질의 비율이 상이하다. 석탄은, 탄소, 산소, 수소, 질소, 황, 수분, 및 무기분(재) 등으로 구성된다. 석탄 중의 산소와 탄소의 원자수의 비율(O/C비)이 높은 석탄일수록 발열하기 쉽다. 석탄의 예로서, 표 1에 나타내는 석탄 A 및 석탄 B가 있다. 석탄 B는, 석탄 A보다도 O/C비가 높다(발열성이 높다). 석탄 B는, 석탄 A보다도 고수분이다. 또한, 표 1 중의 수분[%]는, 석탄의 질량에 대한 수분의 질량 비율이다.
석탄 A 석탄 B
품위 역청탄 아역청탄
O/C비 0.05 0.14
수분 11% 27%
자연 발화 예측 방법 S1(도 2 참조)은, 파일(1)을 구성하는 석탄의 발열을 예측하는 방법이다. 이하에서는, 파일(1)에 대해서는 도 1을 참조하고, 자연 발화 예측 방법 S1에 대해서는 도 2를 참조하여 설명한다. 자연 발화 예측 방법 S1은, 해석(수치 해석, 계산, 시뮬레이션)에 의해, 파일(1) 내의 온도 분포의 경시 변화(발열 특성)를 예측함으로써, 석탄의 자연 발화를 예측하는 방법이다. 자연 발화 예측 방법 S1은, 파일(1) 내의, 언제, 어느 부위가, 어떻게 발열할지를 예측하는 방법이다. 자연 발화 예측 방법 S1은, 석탄의 물성값에 기초하여(후술하는 물성값 결정 스텝 Sp 참조), 상기 예측을 행한다. 자연 발화 예측 방법 S1에서는, 파일(1)의 정보(온도나 가스의 성분 등)를 직접 측정할 필요는 없다. 그로 인해, 자연 발화 예측 방법 S1은, 파일(1)을 세운 후에 행해질 필요는 없다. 자연 발화 예측 방법 S1은, 파일(1)을 세우기 전에 행해진다. 자연 발화 예측 방법 S1은, 한창 파일을 세우고 있는 중이나, 파일(1)을 세운 후에 행해져도 된다. 파일(1) 내의 온도(온도 상승)는, 석탄의 산화 반응에 의한 발열과, 파일(1) 내의 열전도와, 물의 탈착(증발)에 의해 석탄으로부터 빼앗기는 열에 의존한다. 따라서, 자연 발화 예측 방법 S1에서는, 발열 속도의 결정 S10과, 유효 열전도율의 결정 S40과, 증발열량의 결정 S50이 행해진다.
발열 속도의 결정 S10에서는, 산화 반응에 의한 석탄의 발열 속도가 결정(추산)된다. 산화 반응에 의한 석탄의 발열 속도는, 산화 반응의 반응 속도로부터 도출된다. 또한, 이 반응 속도는, 파일(1) 내의 산소 농도에 의존한다. 따라서, 발열 속도의 결정 S10에서는, 산소 농도의 결정 S20과, 반응 속도 등의 결정 S30이 행해진다.
산소 농도의 결정 S20에서는, 파일(1) 내의 산소 농도 분포가 결정된다. 파일(1) 내의 산소 농도 분포는, 파일(1) 내의 각 부위의 압력 손실(상세는 후술)로부터 도출된다. 압력 손실은, 석탄의 입자 직경에 의존한다. 또한, 압력 손실은, 석탄의 입자군을 통과하는 공기의 유속에 의존한다. 따라서, 산소 농도의 결정 S20에서는, 입자 직경 분포 결정 스텝 S21과, 통기 저항 계수 결정 스텝 S22와, 압력 손실 결정 스텝 S23과, 산소 농도 결정 스텝 S24가 행해진다.
입자 직경 분포 결정 스텝 S21은, 파일(1) 내의 석탄 입자 직경 분포를 결정하는 스텝이다. 도 2에서는 「스텝」을 생략하고「입자 직경 분포 결정」이라 기재하였다(다른 스텝도 마찬가지). 입자 직경 분포 결정 스텝 S21에서는, 파일(1) 내의 석탄 입자의 충전 상태가 파악된다. 석탄의 입자 직경은, 파일(1) 내의 부위에 따라 서로 다르다(넓은 입자 직경 분포를 갖는다). 예를 들어 파일(1)이 원추 형상의 경우, 입자 직경이 큰 석탄은, 끝단부[부위(1a)]에 모이는 경향이 있다. 또한, 입자 직경 분포를 결정할 필요성은 다음과 같다. 충전층 내의 압력 손실을 예측하는 경험식으로서 Ergun 식이 있다. Ergun 식은, 입자 직경이 균일한 경우에는 적용할 수 있다. 그러나, 파일(1)과 같이 넓은 입자 직경 분포를 갖는 것에 대해서는 Ergun 식은 적용할 수 없다. 따라서, 입자 직경 분포 결정 스텝 S21에서 입자 직경 분포를 결정하고, 이 입자 직경 분포에 기초하여, 후술하는 압력 손실 결정 스텝 S23에서 압력 손실을 결정한다. 입자 직경 분포 결정 스텝 S21에서의 입자 직경 분포의 결정 방법에는, 실험(실험적 방법)에 의한 것과, 해석(해석 방법)에 의한 것이 있다.
실험에 의한 입자 직경 분포 결정 스텝 S21에서는, 미니 파일의 입자 직경 분포를 실측함으로써, 파일(1)의 입자 직경 분포가 결정된다. 미니 파일은, 파일(1)(실물)을 모방한 시험 파일이다. 미니 파일의 크기는, 파일(1)보다도 작으며, 예를 들어 실험실 내에서 제작할 수 있을 정도이다. 미니 파일의 높이는, 파일(1)의 높이 h의 예를 들어 1/10 등이다[예를 들어, 파일(1)의 높이 h가 15m인 경우, 미니 파일의 높이는 1.5m임]. 미니 파일과 파일(1)을 비교하면, 동일한 입자 직경 분포가 됨을 알 수 있다. 따라서, 미니 파일의 입자 직경 분포를 실측함으로써, 파일(1)의 입자 직경 분포를 추측한다.
(측정 방법 및 결과)
입자 직경 분포의 측정은, 예를 들어 다음과 같이 행해진다. 파일(1)의 부위(1a 내지 1e)에 대응하는 미니 파일의 각 부위[부위(1a 내지 1e)로 함]로부터, 석탄의 입자군을 채취한다. 그리고, 채취한 입자군 각각에 대하여, 평균 입자 직경을 측정한다.
(측정 결과)
석탄 B의 미니 파일의 부위(1a 내지 1e)에서의, 50% 입자 직경[㎜]은 다음과 같이 되었다.
부위(1a): 29.8 부위(1b): 6.2 부위(1c): 6.3
부위(1d): 4.2 부위(1e): 2.2
이 결과로부터, 입자 직경이 큰 석탄이, 파일(1)의 끝단부[부위(1a)]에 모이는 사실을 알게 되었다.
또한, 상기의 예에서는, 입자 직경이 채취 및 측정되는 부위는, 미니 파일의 부위(1a 내지 1e)였다. 그러나, 측정 등이 행해지는 부위는, 부위(1a 내지 1e)일 필요는 없다. (α) 측정 등이 행해지는 부위는, 예를 들어 부위(1a 내지 1e)의 일부만어도 되고, 또한 예를 들어 부위(1a 내지 1e) 이외의 부위이어도 된다. (β) 또한, 측정 등이 행해지는 부위의 수는, 4 이하나 6 이상이어도 된다. (γ) 또한, 측정이 행해진 부위[예를 들어 부위(1a 내지 1e)]의 결과를 기초로, 측정이 행해지지 않는 부위[예를 들어, 부위(1a 내지 1e)끼리 사이의 부위나, 부위(1a 내지 1e) 주변의 부위]에서의 추산값이 산출되어도 된다. 상기 (α) 내지 (γ)에 대해서는, 입자 직경 분포 결정 스텝 S21 이외의 스텝에 있어서 측정이나 해석 등을 행하는 경우에 대해서도 마찬가지이다.
해석에 의한 입자 직경 분포 결정 스텝 S21에서는, 해석에 의해 파일(1) 내의 입자 직경 분포가 결정된다. 입자 직경 분포를 결정하기 위한 해석에는, 예를 들어 DEM 시뮬레이션(DEM; Discrete Element Method)이 있다.
이와 같이 입자 직경 분포 결정 스텝 S21에는, 실험에 의한 것과, 해석에 의한 것이 있다. 이와 마찬가지로, 이하에서 설명하는 각 스텝에 대해서도 다음의 것을 말할 수 있다. 이하의 설명에 있어서 해석에 의해 결정되는 것(값, 특성, 분포 등)에 대하여, 실험에 의한 결정이 가능하면, 실험에 의해 결정되어도 된다. 이하의 설명에 있어서 실험에 의해 결정되는 것(값, 특성, 분포 등)에 대하여, 해석에 의한 결정이 가능하면, 해석에 의해 결정되어도 된다. 이하의 설명에 있어서 실험 또는 해석에 의해 결정되는 것(값, 특성, 분포 등)에 대하여, 기지의 정보(다른 사람이 미리 조사한 것 등)를 이용 가능한 경우 등에는, 실험도 해석도 행하지 않고 결정되어도 된다. 단, 후술하는 온도 분포 예측값 결정 스텝 S60에서 결정되는 온도 분포 예측값은, 반드시 해석에 의해 결정된다.
통기 저항 계수 결정 스텝 S22는, 통기 저항 계수 k를 결정하는 스텝이다. 통기 저항 계수 k는, 어떤 입자 직경의(어떤 부위의) 석탄 입자군을 통과하는 기체(공기)의 유속과 압력 손실과의 관계로부터 결정된다. 통기 저항 계수 k는, 유속과 압력 손실과의 관계식에 있어서의 계수(상수)이다. 통기 저항 계수 k는, 파일(1) 내의 부위에 따라 서로 다르다. 통기 저항 계수 k가 결정되는 부위는, 예를 들어 부위(1a 내지 1e)이다. 통기 저항 계수 k는, 실험에 의한 측정에 따라 결정된다.
(측정 방법)
통기 저항 계수 k의 측정 및 결정은, 예를 들어 다음의 (S22-a) 내지 (S22-e)와 같이 행해진다. (S22-a) 어떤 입자 직경의 석탄[어떤 부위의 석탄, 예를 들어 미니 파일의 부위(1a)의 석탄]을 충전시킨 계를 준비한다. 이 계는, 통과, 통 내의 충전층(석탄 입자를 충전시킨 것, 석탄 입자군)을 구비한다. 통은 원통이 바람직하다. (S22-b) 통의 축 방향 일단(입구, 예를 들어 하단부)으로부터 건조 공기를 유입시켜서, 타단부(출구, 예를 들어 상단부)로부터 건조 공기를 배출시킨다. 이에 의해, 충전층 내를 건조 공기가 통과한다. (S22-c) 입구와 출구와의 압력차(ΔP)와 충전층의 길이(L)로부터, 충전층에서의 공기의 압력 손실(압력 손실 ΔP/L)을 구한다. (S22-d) 충전층 내를 통과하는 건조 공기의 유속(유속 u)의 값을 파라미터로 하여, 복수의 압력 손실 ΔP/L을 구한다. 이 측정 결과로부터, 통기 저항 계수 k가 구해진다. (S22-e) 또한, 통기 저항 계수 k를, 복수의 입자 직경 각각에 대하여[예를 들어 미니 파일의 부위(1b) 내지 (1e)에 대하여] 측정한다.
(측정 결과)
도 3은, 석탄 B의 미니 파일의 부위(1a, 1b, 1c) 각각의, 유속 u와 압력 손실 ΔP/L와의 관계를 나타내는 그래프이다. 이 그래프에 나타낸 바와 같이, 유속 u와 압력 손실 ΔP/L과의 사이에는 다음의 관계가 성립한다.
Figure 112016067123718-pct00001
여기에서 k는 통기 저항 계수 [Pa/㎡/s]이며, 도 3의 그래프의 기울기이다.
압력 손실 결정 스텝 S23은, 압력 손실 ΔP/L을 결정하는 스텝이다. 압력 손실 결정 스텝 S23에서는, 복수의 입자 직경[복수의 부위, 예를 들어 부위(1a 내지 1e)] 각각에 대하여, 압력 손실 ΔP/L이 결정된다. 압력 손실 결정 스텝 S23에서는, 통기 저항 계수 결정 스텝 S22에서 결정된 통기 저항 계수 k와, 석탄의 온도 변화에 수반되어 경시 변화하는 유속 u에 기초하여 압력 손실 ΔP/L이 결정된다. 상기 「경시 변화하는 유속 u」의 상세는 다음과 같다. 예를 들어, 파일(1) 내의 온도가 상승하면 공기의 체적이 팽창한다. 그로 인해, 파일(1) 표면에서의 공기의 유속이 동일하여도, 온도 상승이 있는 경우에는, 온도 상승이 없는 경우에 비해, 파일(1) 내의 공기 유속 u가 커진다. 이와 같이, 파일(1) 내의 온도 경시 변화에 수반되어, 파일(1) 내를 통과하는 공기의 유속 u도 경시 변화한다. 따라서, 압력 손실 결정 스텝 S23에서는, 통기 저항 계수 k를 사용해서 압력 손실 ΔP/L을 결정한다. 이에 의해, 유속 u의 경시 변화에 따른, 압력 손실 ΔP/L의 경시 변화를 추산할 수 있다. 또한, 상기 「경시 변화하는 유속 u」는, 다음과 같이 예측할 수 있다. 파일(1)의 온도와 대기의 온도와의 온도차에 의해, 공기의 밀도차가 발생한다(저온보다 고온 쪽이 저밀도). 이 밀도차에 의해, 파일(1)이 형성된 초기에 있어서는, 파일(1) 밖으로부터 파일(1) 내로 공기가 유입된다. 따라서, 이 밀도차와, 압력 손실 ΔP/L(경시 변화하는 유속 u를 고려하지 않는 압력 손실 ΔP/L, 입자 직경에 기초하는 압력 손실 ΔP/L)의 관계로부터, 파일(1)이 형성된 초기에 있어서의 파일(1) 내의 공기 유속 u(초기의 유속 u)를 예측할 수 있다. 이 초기의 유속 u에 기초하여, 파일(1)이 형성되고 나서 「어떤 시간」이 경과한 후의 유속 u의 예측을 행한다. 그리고, 상기 「어떠 시간」을 바꾸면서 유속 u의 예측을 반복하여 행한다. 이에 의해, 상기 「경시 변화하는 유속 u」를 예측할 수 있다.
산소 농도 결정 스텝 S24는, 파일(1) 내의 산소 농도 분포(공기의 상태)를 결정하는 스텝이다. 산소 농도 결정 스텝 S24에서는, 해석에 의해 산소 농도 분포가 예측(추산)된다. 파일(1) 내의 산소 농도는, 파일(1) 내의 압력 손실 ΔP/L로부터 도출된다. 전술한 바와 같이, 압력 손실 ΔP/L은, 석탄의 입자 직경에 의해[파일(1) 내의 부위에 따라] 서로 다르다. 따라서, 산소 농도 결정 스텝 S24에서는, 입자 직경 분포 결정 스텝 S21에서 결정된 입자 직경 분포와, 압력 손실 결정 스텝 S23에서 결정된 압력 손실 ΔP/L(어떤 입자 직경에서의 압력 손실 ΔP/L)에 기초하여 산소 농도 분포가 결정된다.
반응 속도 등의 결정 S30에서는, 파일(1) 내의 석탄 산화 반응의 반응 속도가 결정된다. 산화 반응의 반응 속도로부터 석탄의 발열 속도가 도출된다. 또한, 산화 반응은 실활한다(후술). 따라서, 반응 속도 등의 결정 S30에서는, 실활 특성 결정 스텝 S31과, 각종 물성값 결정 스텝 S32와, 반응 속도 결정 스텝 S33과, 발열 속도 결정 스텝 S34가 행해진다.
실활 특성 결정 스텝 S31은, 석탄의 산화 반응의 반응 속도의 실활 특성을 결정하는(실활 거동을 파악하는) 스텝이다. 실활은 다음과 같이 일어난다. 산화 반응에 의해, 석탄의 표면에 산화막이 형성된다. 그 결과, 산화 반응이 진행됨에 따라서, 산화 반응의 반응 속도가 저하된다. 또한, 이 실활은, 석탄의 풍화와 마찬가지의 현상이다. 산화 반응은 석탄에 의한 산소의 소비에 의해 진행되므로, 산화 반응의 반응 속도는, 산소 소비 속도(OCR; Oxygen Consumption Rate)로 정리할 수 있다. 산소 소비 속도는, 실험에 의해 측정된다.
(측정 방법)
산소 소비 속도는, 예를 들어 다음의 (S31-a) 내지 (S31-d)와 같이 측정 및 결정된다. (S31-a) 용기(예를 들어 플라스틱 용기) 내에, 석탄(석탄 시료)과 건조 공기를 넣고, 이 용기를 밀봉한다. (S31-b) 용기 내를, 30℃에서, 1시간 유지한다. (S31-c) 그 후, 용기 내의 산소 농도(가스 조성)를 측정한다. (S31-d) 산소 농도의 저하량에 기초하는 산소 감소량, 석탄 시료 중량 및 측정 시간으로부터, 다음의 식에 의해 산소 소비 속도(산소 소비 속도의 실측값) OCR0을 구한다.
OCR0=산소 감소량[㎎]/(석탄 시료 중량[g]·측정 시간[day])
(측정 결과)
도 4 및 도 5는, 산소 소비 속도와 적산 산소량의 관계를 나타내는 그래프이다. 그래프의 횡축 적산 산소량은, 산소 감소량의 적산량이며, 또한 산화 반응에 의한 석탄에 대한 산소의 축적량이다. 도 4는 석탄 A의 측정 결과이며, 도 5는 석탄 B의 측정 결과이다. 도 4 및 도 5의 그래프로부터, 다음의 사실을 알게 되었다. 적산 산소량이 커질수록, 산소 소비 속도가 작아진다. 석탄의 품목에 따라서(예를 들어 석탄 A와 석탄 B에서), 산소 소비 속도가 서로 다르다. O/C비가 높을수록(석탄 A보다도 석탄 B의 쪽이), 산소 소비 속도가 빠른 경향이 있다.
각종 물성값 결정 스텝 S32는, 반응 속도 결정 스텝 S33 및 발열 속도 결정 스텝 S34에서 사용되는 석탄의 물성값(실활 특성 이외의 물성값)을 결정하는 스텝이다. 각종 물성값 결정 스텝 S32에서 결정되는 석탄의 물성값은, 활성화 에너지 ΔE, 반응차수 n, 고체 밀도 ρs, 발열량 H 및 파일(1) 내의 공극률 ε이다. 이들 물성값은, 석탄이나 미니 파일의 측정 등에 의해 결정된다.
반응 속도 결정 스텝 S33은, 석탄의 산화 반응의 반응 속도(저온 산화 반응 속도 OCR)를 결정(해석에 의해 추산)하는 스텝이다. 저온 산화 반응 속도 OCR은, 산소 농도 C 및 온도 T 등에 의존한다. 이들 관계는 다음의 식(아레니우스식)으로 표현할 수 있다.
Figure 112016067123718-pct00002
OCR0: 산소 소비 속도의 실측값[㎎-O2/(g·day)]
ΔE: 활성화 에너지[kJ/mol]
R: 기체 상수[kJ/(mol·K)]
T: 온도[K]
T0: 초기 온도[K]
C: 산소 농도[mol%]
n: 반응차수[-]
발열 속도 결정 스텝 S34는, 석탄의 산화 반응에 의한 발열 속도(발열 속도 Q)를 결정(해석에 의해 추산)하는 스텝이다. 발열 속도 결정 스텝 S34에서는, 반응 속도 결정 스텝 S33에서 결정된 저온 산화 반응 속도 OCR에 기초하여 발열 속도 Q가 결정된다. 더욱 상세하게는, 발열 속도 결정 스텝 S34에서는, 산소 농도 C(산소 농도 분포) 및 산소 소비 속도의 실측값 OCR0(실활 특성)에 기초하여 결정된 저온 산화 반응 속도 OCR에 기초하여, 발열 속도 Q가 결정된다. 발열 속도 Q는 다음의 식에 의해 도출된다.
Figure 112016067123718-pct00003
Q: 발열 속도(산화 반응에 의한 석탄의 발열 속도)[kcal/(㎥·day)]
ΔH: 발열량(산화 반응에 의한 석탄의 발열량)[kcal/㎎-O2]
ε: 파일(1) 내의 공극률[-]
ρs: 석탄의 고체 밀도[㎏/㎥]
유효 열전도율의 결정 S40에서는, 파일(1) 내의 유효 열전도율이 결정된다. 유효 열전도율을 결정하는 이유는 다음과 같다. 석탄의 산화에 의해 발생한 열(더욱 상세하게는, 산화에 의해 발생한 열로부터, 물의 증발에 의해 빼앗긴 열을 차감한 열)은, 주위에 전열된다. 파일(1) 내의 석탄 입자 간에는 공극이 있어서, 이 전열의 거동은, 파일(1)의 유효 열전도율에 의존한다. 따라서, 유효 열전도율의 결정 S40에서는, 석탄 열전도율 결정 스텝 S41과, 유효 열전도율 결정 스텝 S42가 행해진다.
석탄 열전도율 결정 스텝 S41은, 석탄의 열전도율(석탄 열전도율 ks)을 결정하는 스텝이다.
유효 열전도율 결정 스텝 S42는, 파일(1)의 공극률에 기초하는 유효 열전도율(유효 열전도율 keff[W/(m·K)])을 결정하는 스텝이다. 유효 열전도율 keff는, 공기(유체)의 열전도율과 석탄(고체)의 열전도율과의 체적 평균으로서 정리할 수 있다. 유효 열전도율 keff는, 다음의 식으로 표현된다.
Figure 112016067123718-pct00004
ε: 파일(1) 내의 공극률[-]
kf: 공기의 열전도율 [W/(m·K)]
ks: 석탄의 열전도율[W/(m·K)]
증발열량의 결정 S50에서는, 석탄으로부터 물이 증발(탈착)함으로써 석탄으로부터 빼앗기는 열량이 결정된다. 증발의 상세는 다음과 같다. 석탄에 대한 수분의 흡착량(수분 흡착량, 수증기 흡착량)은, 상대압(수증기압/포화 수증기압)에 의존한다(상대 습도에 의존함). 예를 들어, 석탄이 온도 상승하면, 석탄으로부터 물이 증발하고, 증발된 물이 파일(1) 외(계 외)로 방출된다. 석탄으로부터 물이 증발될 때 석탄으로부터 열이 빼앗긴다. 이 열은, 석탄의 산화 반응의 발열에 의한 열량으로부터 조달된다. 석탄으로의 수분 흡착량은, 흡탈착 특성(후술)에 의존한다. 따라서, 증발열량의 결정 S50에서는, 흡탈착 특성 결정 스텝 S51과, 대기 조건 결정 스텝 S52와, 증발열량 결정 스텝 S53이 행해진다.
흡탈착 특성 결정 스텝 S51은, 석탄에 대한 물의 흡탈착 특성을 결정하는 스텝이다. 흡탈착 특성 결정 스텝 S51에서는, 상대압과 수분 흡착량과의 관계가 결정된다. 흡탈착 특성은, 석탄의 품목에 따라 서로 다르다.
(측정 방법)
석탄에 대한 물의 흡탈착 특성은, 예를 들어 다음의 (S51-a) 내지 (S51-d)와 같이 측정된다. (S51-a) 석탄 시료를 107℃에서 6시간, 감압 건조시킨다. (S51-b) 그 후, 압력 조작을 행할 수 있는 용기 내에, 이 석탄 시료를 넣는다. (S51-c) 이 용기 내에 수증기를 공급한다. (S51-d) 용기 내의 온도를 일정하게 유지하고, 상대압과 수분 흡착량과의 관계를 측정한다. 수분 흡착량은, 기체 상태 방정식(PV=nRT)으로 구할 수 있다. 더욱 상세하게는, 측정 중에, 용기 내의 수증기 체적 V, 기체 상수 R, 용기 내의 온도 T는 일정하다. 따라서, 용기 내의 수증기압 P의 변화로부터, 석탄 시료에 흡착된 물 분자의 몰수 n을 구할 수 있다. 그 결과, 석탄 시료 중의 수분[%]를 도출할 수 있다.
(측정 결과)
도 6 및 도 7에, 40℃에서의 흡탈착 특성의 측정 결과를 나타내었다. 도 6 및 도 7은, 상대압과 평형 수분(석탄에 대한 물의 흡탈착이 평형 상태일 때의 석탄 시료 중의 수분)과의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 6은 석탄 A의 측정 결과이며, 도 7은 석탄 B의 측정 결과이다.
대기 조건 결정 스텝 S52는, 파일(1) 부근[파일(1)의 주변, 또는 파일(1) 내]의, 공기의 조건(대기 조건)을 결정하는 스텝이다. 결정되는 대기 조건은, 예를 들어 대기의 온도 및 습도 등이다.
증발열량 결정 스텝 S53은, 석탄으로부터 물이 증발할 때의 증발열량을 결정하는 스텝이다. 증발열량 결정 스텝 S53에서는, 흡탈착 특성 결정 스텝 S51에서 결정된 흡탈착 특성과, 대기 조건 결정 스텝 S52에서 결정된 대기 조건에 기초하여 증발열량을 결정한다. 증발열량은, 석탄으로부터 증발하는 수분량[g]과, 증발 잠열(2259[J/g])로 구해진다.
온도 분포 예측값 결정 스텝 S60은, 파일(1) 내의 온도 분포의 경시 변화의 예측값(온도 분포 예측값)을 해석에 의해 결정하는 스텝이다. 온도 분포 예측값 결정 스텝 S60에서는, 물성값 결정 스텝 Sp(후술)에서 결정된 석탄의 물성값에 기초하여, 온도 분포 예측값이 결정된다. 온도 분포 예측값 결정 스텝 S60에서는, 발열 속도 결정 스텝 S34(발열 속도의 결정 S10)에서 결정된 발열 속도 Q에 기초하여, 온도 분포 예측값이 결정된다. 온도 분포 예측값 결정 스텝 S60에서는, 유효 열전도율 결정 스텝 S42(유효 열전도율의 결정 S40)에서 결정된 유효 열전도율 keff에 기초하여, 온도 분포 예측값이 결정된다. 온도 분포 예측값 결정 스텝 S60에서는, 증발열량 결정 스텝 S53(증발열량의 결정 S50)에서 결정된 증발열량에 기초하여, 온도 분포 예측값이 결정된다. 온도 분포 예측값 결정 스텝 S60에서는, 화학 반응, 유체, 전열 및 가스 확산이 고려되어서, 온도 분포 예측값이 결정된다. 온도 분포 예측값 결정 스텝 S60에서는, 전술한 각 스텝에서 사용된 조건(관계식이나 값) 이외의 조건이 해석에 이용되어도 된다.
이 온도 분포 예측값 결정 스텝 S60에서 예측되는 「온도 분포」에는, 파일(1) 내의 「복수의 부위」 각각의 위치 및 온도의 정보가 포함된다. 상기 「복수의 부위」는, 예를 들어 파일(1)의 단면에 있어서의 상하 및 좌우 각각 수 ㎝ 간격(예를 들어 1㎝ 간격)으로 설정된다. 또한 예를 들어, 「복수의 부위」는, 실험에 의한 입자 직경 분포 결정 스텝 S21에 있어서 미니 파일로부터 석탄을 채취한 부위(1a 내지 1e)에 대응하는 파일(1)의 부위(1a 내지 1e)(예를 들어 5개소)이다. 또한 예를 들어, 「복수의 부위」는, 부위(1a 내지 1e)끼리의 사이나, 부위(1a 내지 1e)의 주변 등이다. 상기 「경시 변화의 예측값」은, 복수의 시각 각각의 예측값이다. 상기 「복수의 시각」끼리의 간격은, 예를 들어 수 시간, 또한 예를 들어 1일, 또한 예를 들어 복수 일 등이다.
물성값 결정 스텝 Sp는, 파일(1)을 구성하는 석탄의 물성값을 결정하는 스텝이다. 물성값 결정 스텝 Sp에는, 입자 직경 분포 결정 스텝 S21, 통기 저항 계수 결정 스텝 S22, 실활 특성 결정 스텝 S31, 각종 물성값 결정 스텝 S32, 석탄 열전도율 결정 스텝 S41, 및 흡탈착 특성 결정 스텝 S51이 포함된다.
(해석 결과 1)
자연 발화 예측 방법 S1을 이용하여, 파일(1) 내의 온도 경시 변화를 예측(해석)하였다. 석탄 A 및 석탄 B 각각에 대하여 해석을 행하였다. 파일(1)을 세웠을 때부터 30일간에 대하여 해석을 행하였다. 부위(1a)(끝단부), 부위(1b)(중간부) 및 부위(1c)(정상부)에 대하여 해석을 행하였다. 이 해석에서는, 높이 h=15[m]의 원추 형상의 파일(1)을 대상으로 하였다. 해석 결과를 도 8(석탄 A의 결과) 및 도 9(석탄 B의 결과)에 나타내었다. 도 8 및 도 9는, 저탄일수와 온도와의 관계를 나타내는 그래프이다. 이 결과로부터, 다음의 사실을 알게 되었다. 석탄 A와 석탄 B를 비교하면, 고 O/C탄인 석탄 B(석탄 A보다도 O/C비가 높은 석탄 B) 쪽이, 석탄 A보다도 온도가 올라가기 쉽다. 특히 석탄 B에서는, 부위(1a)(다른 부위에 비해 대입자 직경의 석탄이 많은 부위)에 있어서, 다른 부위에 비해 온도 상승이 현저하다. 구체적으로는, 석탄 B에 있어서, 저탄일수: 0일째 내지 6일째에서는, 부위(1a)에서 온도 상승이 현저하다. 석탄 B에 있어서, 저탄일수: 13일째 내지 30일째에서는, 부위(1b)의 온도가 다른 부위에 비해 높다. 석탄 B에 있어서, 저탄일수: 30일째에서는, 부위(1b)와 부위(1c)에서 거의 동일한 온도이다.
(해석 결과 2)
자연 발화 예측 방법 S1을 이용하여, 저탄일수: 24일째의, 파일(1) 내의 산소 농도 분포 및 온도 분포를 예측(해석)하였다. 해석 결과를 도 10 내지 도 13에 나타내었다. 도 10 내지 도 13에 도시한 삼각형은, 좌우 대칭의 파일(1)의 단면 우측 절반 부분이다(후술하는 도 14에 대해서도 마찬가지). 산소 농도 분포의 해석 결과를, 도 10(석탄 A의 결과) 및 도 11(석탄 B의 결과)에 나타내었다. 이 결과로부터, 파일(1)의 끝단부[도 1의 부위(1a) 부근]의 산소 농도가 다른 부분에 비해 높다는 사실을 알게 되었다. 온도 분포의 해석 결과를, 도 12(석탄 A의 결과) 및 도 13(석탄 B의 결과)에 나타내었다. 도 13으로부터 다음의 사실을 알게 되었다. 고온 스폿[파일(1) 중에서 가장 온도가 높아지는 부위]의 온도(온도 레벨)는 약 70℃이다. 고온 스폿의 위치는, 중간부[도 1의 부위(1b)]의 근방이다. 더욱 상세하게는, 고온 스폿의 위치는, 파일(1)의 하단부(0m)로부터 위로 약 5m의 위치, 또한 파일(1)의 좌우 방향 X의 중앙(0m)으로부터 외측(도 13에 있어서의 우측)으로 약 11m의 위치이다.
(실측 결과)
상기한 해석의 신뢰성을 검증하기 위해서, 파일(1) 내의 온도 분포에 대하여, 해석 결과와 실측 결과를 비교하였다. 구체적으로는, 도 13의 해석 결과에 대응하는 파일(1)(실물)에 대하여, 온도 분포를 실측하였다. 실측에 사용한 파일(1)은, 석탄 B에 의해 구성되고, 높이 h=15[m]이며, 원추 형상의 것이며, 저탄일수는 24일째이다. 또한, 온도의 측정 개소의 수는 15이며, 측정 개소의 간격은, 상하 방향은 2.5m, 좌우 방향 X(도 1 참조)는, 약 2 내지 3m이다[파일(1)의 하부보다도 상부에서 간격을 크게 함]. 파일 내의 온도 분포의 실측 결과를 도 14에 나타내었다. 도 13에 도시한 해석 결과와, 도 14에 도시한 실측 결과를 비교하면, 고온 스폿의 위치(상세는 전술) 및 온도 레벨(약 70℃)이 양호하게 일치하고 있음을 알게 되었다.
(효과 1)
다음으로, 도 2에 도시한 자연 발화 예측 방법 S1에 의한 효과를 설명한다. 자연 발화 예측 방법 S1은, 파일(1)(석탄 저장 시설 내의 석탄층)을 구성하는 석탄의 자연 발화를 예측하는 방법이다. 자연 발화 예측 방법 S1은, 석탄의 물성값을 결정하는 물성값 결정 스텝 Sp와, 온도 분포 예측값 결정 스텝 S60을 갖는다.
[구성 1]
온도 분포 예측값 결정 스텝 S60은, 물성값 결정 스텝 Sp에서 결정된 물성값에 기초하여, 파일(1) 내의 온도 분포의 경시 변화의 예측값인 온도 분포 예측값을 해석에 의해 결정하는 스텝이다.
상기 [구성 1]에서는, 온도 분포 예측값 결정 스텝 S60에서 결정되는 온도 분포 예측값은, 석탄의 물성값에 기초하여 결정된다. 석탄의 물성값을 결정하기 위해서는, 석탄이 있으면 되며, 실물의 파일(1)을 세울 필요는 없다. 따라서, 파일(1)을 세우는데 필요한 비용이나 노동력을 삭감할 수 있다.
상기 [구성 1]과 같이, 온도 분포 예측값이란, 파일(1) 내의 온도 분포의 경시 변화의 예측값이다. 따라서, 온도 분포 예측값을 결정하면, 석탄이 자연 발화 온도에 도달하는 때(예를 들어 저탄일수), 및 자연 발화 온도에 도달하는 위치(부위)를 예측할 수 있다. 그 결과, 석탄을 자연 발화시키지 않고 석탄 저장할 수 있는 저탄일수의 상한(불출 일수의 상한)을 결정할 수 있다.
(효과 2)
자연 발화 예측 방법 S1은, 석탄의 산화 반응에 의한 발열 속도 Q를 결정하는 발열 속도 결정 스텝 S34를 갖는다.
[구성 2]
온도 분포 예측값 결정 스텝 S60에서는, 발열 속도 결정 스텝 S34에서 결정된 발열 속도 Q에 기초하여 온도 분포 예측값이 결정된다.
파일(1) 내의 온도 변화는, 석탄의 산화 반응에 의한 발열에 크게 의존한다. 따라서, 상기 [구성 2]에서는, 산화 반응에 의한 발열 속도 Q에 기초하여, 온도 분포 예측값이 결정된다. 따라서, 온도 분포 예측값을 보다 확실하게 예측할 수 있다.
(효과 3)
자연 발화 예측 방법 S1은, 파일(1) 내의 산소 농도 분포를 결정하는 산소 농도 결정 스텝 S24를 갖는다.
[구성 3]
발열 속도 결정 스텝 S34에서는, 산소 농도 결정 스텝 S24에서 결정된 산소 농도 분포에 기초하여 발열 속도 Q가 결정된다.
석탄의 산화 반응에 의한 발열 속도 Q는, 파일(1) 내의 산소 농도 분포에 크게 의존한다. 따라서, 상기 [구성 3]에서는, 산소 농도 분포에 기초하여 발열 속도가 결정된다. 따라서, 발열 속도 Q를 확실하게 예측할 수 있어, 그 결과, 온도 분포 예측값을 보다 확실하게 예측할 수 있다.
(효과 4)
자연 발화 예측 방법 S1은, 입자 직경 분포 결정 스텝 S21과, 압력 손실 결정 스텝 S23을 갖는다.
[구성 4-1]
입자 직경 분포 결정 스텝 S21은, 파일(1) 내의 석탄 입자 직경 분포를 결정하는 스텝이다.
[구성 4-2]
압력 손실 결정 스텝 S23은, 어떤 입자 직경의(어떤 부위의) 석탄 입자군을 통과하는 기체의 압력 손실 ΔP/L을, 복수의 입자 직경 각각에 대하여[예를 들어 부위(1a 내지 1e)에 대하여] 결정하는 스텝이다.
[구성 4-3]
산소 농도 결정 스텝 S24는, 입자 직경 분포 결정 스텝 S21에서 결정된 입자 직경 분포 및 압력 손실 결정 스텝 S23에서 결정된 압력 손실 ΔP/L에 기초하여 산소 농도 분포를 결정하는 스텝이다.
파일(1) 내의 산소 농도 분포는, 파일(1) 내의 압력 손실 ΔP/L에 의존한다. 압력 손실 ΔP/L은, 석탄의 입자 직경에 의존한다. 따라서, 상기 [구성 4-1] 내지 [구성 4-3]에서는, 복수의 입자 직경 각각의 압력 손실 ΔP/L과, 입자 직경 분포에 기초하여 산소 농도 분포가 결정된다. 따라서, 산소 농도 분포를 확실하게 예측할 수 있어, 그 결과, 발열 속도 Q 및 온도 분포 예측값을 보다 확실하게 예측할 수 있다.
(효과 5)
[구성 5-1]
자연 발화 예측 방법 S1은, 어떤 입자 직경의(어떤 부위의) 석탄 입자군을 통과하는 기체의 유속 u와 압력 손실 ΔP/L의 관계로부터 통기 저항 계수 k를 결정하는 통기 저항 계수 결정 스텝 S22를 갖는다.
[구성 5-2]
압력 손실 결정 스텝 S23은, 통기 저항 계수 결정 스텝 S22에서 결정된 통기 저항 계수 k 및 석탄의 온도 변화에 수반되어 경시 변화하는 유속 u에 기초하여 압력 손실 ΔP/L을 결정한다.
어떤 입자 직경의 석탄 입자군을 통과하는 기체의 압력 손실 ΔP/L은, 이 기체의 유속 u에 의존한다. 이 유속은, 경시 변화한다. 따라서, 상기 [구성 5-1]에서는, 유속 u와 압력 손실 ΔP/L과의 관계로부터 통기 저항 계수 k가 결정된다. 그리고, 상기 [구성 5-2]에서는, 경시 변화하는 유속 u와 통기 저항 계수 k에 기초하여 압력 손실 ΔP/L이 결정된다. 따라서, 압력 손실 ΔP/L을 확실하게 예측할 수 있어, 그 결과, 산소 농도 분포, 발열 속도 Q, 및 온도 분포 예측값을 보다 확실하게 예측할 수 있다.
(효과 6)
자연 발화 예측 방법 S1은, 석탄의 산화 반응의 반응 속도의 실활 특성을 결정하는 실활 특성 결정 스텝 S31을 갖는다.
[구성 6]
발열 속도 결정 스텝 S34는, 실활 특성 결정 스텝 S31에서 결정된 실활 특성에 기초하여 발열 속도 Q를 결정한다.
전술한 바와 같이, 석탄의 산화 반응에는 실활 특성이 있다. 따라서, 상기 [구성 6]에서는, 실활 특성에 기초하여 발열 속도 Q가 결정된다. 따라서, 발열 속도를 확실하게 예측할 수 있어, 그 결과, 온도 분포 예측값을 보다 확실하게 예측할 수 있다.
(효과 7)
자연 발화 예측 방법 S1은, 파일(1) 내의 공극률에 기초하는 유효 열전도율 keff를 결정하는 유효 열전도율 결정 스텝 S42를 갖는다.
[구성 7]
온도 분포 예측값 결정 스텝 S60은, 유효 열전도율 결정 스텝 S42에서 결정된 유효 열전도율 keff에 기초하여 온도 분포 예측값을 결정한다.
파일(1)을 구성하는 석탄은 입자이므로, 파일(1) 내에는 공극이 있다. 그로 인해, 파일(1) 내의 열전도는 파일(1) 내의 공극률에 기초하는 유효 열전도율 keff에 의존한다. 따라서, 상기 [구성 7]에서는, 유효 열전도율 keff에 기초하여 온도 분포 예측값이 결정된다. 따라서, 온도 분포 예측값을 보다 확실하게 예측할 수 있다.
(효과 8)
자연 발화 예측 방법 S1은, 석탄에 대한 물의 흡탈착 특성을 결정하는 흡탈착 특성 결정 스텝 S51과, 파일(1) 부근의 대기 조건을 결정하는 대기 조건 결정 스텝 S52와, 증발열량 결정 스텝 S53을 갖는다.
[구성 8-1]
증발열량 결정 스텝 S53은, 흡탈착 특성 결정 스텝 S51에서 결정된 흡탈착 특성, 및 대기 조건 결정 스텝 S52에서 결정된 대기 조건에 기초하여 석탄으로 물이 증발할 때의 증발열량을 결정하는 스텝이다.
[구성 8-2]
온도 분포 예측값 결정 스텝 S60은, 증발열량 결정 스텝 S53에서 결정된 증발열량에 기초하여 온도 분포 예측값을 결정한다.
석탄 중의 물이 증발할 때 석탄으로부터 빼앗기는 열량(증발열량)은, 전술한 바와 같이, 흡탈착 특성 및 대기 조건에 의존한다. 따라서, 상기 [구성 8-1] 및 [구성 8-2]에서는, 흡탈착 특성 및 대기 조건에 기초하여 온도 분포 예측값이 결정된다. 따라서, 온도 분포 예측값을 보다 확실하게 예측할 수 있다.
(변형예)
상기 실시 형태는 다양하게 변형할 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시한 각 스텝의 순서를, 도 2에 도시한 순서 이외의 순서로 변경해도 된다(온도 분포 예측값 결정 스텝 S60에서 온도 분포 예측값을 결정할 수 있는 범위 내이면, 변경해도 된다). 예를 들어, 발열 속도의 결정 S10과, 유효 열전도율의 결정 S40과, 증발열량의 결정 S50은, 도 2에 도시한 순서대로 행할 필요는 없다. 또한, 예를 들어 각종 물성값 결정 스텝 S32는, 자연 발화 예측 방법 S1의 최초(예를 들어 입자 직경 분포 결정 스텝 S21의 앞)에 행해져도 된다.
본 발명을 특정한 형태를 참조하여 상세히 설명하였지만, 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않고 다양한 변경 및 수정이 가능한 것은, 당업자에 있어서 명백하다.
또한, 본 출원은, 2014년 1월 15일자로 출원된 일본 특허출원(특원 제2014-005154)에 기초하고 있으며, 그 전체가 인용에 의해 원용된다.
1: 파일(석탄 저장 시설 내의 석탄층)
S1: 자연 발화 예측 방법
S10: 발열 속도의 결정
S20: 산소 농도의 결정
S21: 입자 직경 분포 결정 스텝
S22: 통기 저항 계수 결정 스텝
S23: 압력 손실 결정 스텝
S24: 산소 농도 결정 스텝
S30: 반응 속도 등의 결정
S31: 실활 특성 결정 스텝
S32: 각종 물성값 결정 스텝
S33: 반응 속도 결정 스텝
S34: 발열 속도 결정 스텝
S40: 유효 열전도율의 결정
S41: 석탄 열전도율 결정 스텝
S42: 유효 열전도율 결정 스텝
S50: 증발열량의 결정
S51: 흡탈착 특성 결정 스텝
S52: 대기 조건 결정 스텝
S53: 증발열량 결정 스텝
S60: 온도 분포 예측값 결정 스텝
Sp: 물성값 결정 스텝

Claims (8)

  1. 석탄을 쌓아 올린 (산형의) 파일을 구성하는 상기 석탄이 자연 발화 온도에 도달하는 때 및 위치를 예측하는 석탄의 자연 발화 예측 방법이며,
    상기 파일을 구성하는 상기 석탄의 물성값을 결정하는 물성값 결정 스텝과,
    상기 물성값 결정 스텝에서 결정된 상기 물성값에 기초하여, 상기 파일 내의 온도 분포의 경시 변화의 예측값인 온도 분포 예측값을 상기 파일의 복수의 부위 마다 해석에 의해 결정하는 온도 분포 예측값 결정 스텝
    을 갖는, 석탄의 자연 발화 예측 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 석탄의 산화 반응에 의한 발열 속도를 결정하는 발열 속도 결정 스텝을 갖고,
    상기 온도 분포 예측값 결정 스텝은, 상기 발열 속도 결정 스텝에서 결정된 상기 발열 속도에 기초하여 상기 온도 분포 예측값을 결정하는, 석탄의 자연 발화 예측 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 파일 내의 산소 농도 분포를 결정하는 산소 농도 결정 스텝을 갖고,
    상기 발열 속도 결정 스텝은, 상기 산소 농도 결정 스텝에서 결정된 상기 산소 농도 분포에 기초하여 상기 발열 속도를 결정하는, 석탄의 자연 발화 예측 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 파일 내의 상기 석탄의 입자 직경 분포를 결정하는 입자 직경 분포 결정 스텝과,
    어떤 상기 입자 직경의 석탄 입자군을 통과하는 기체의 압력 손실을, 복수의 상기 입자 직경 각각에 대하여 결정하는 압력 손실 결정 스텝
    을 갖고,
    상기 산소 농도 결정 스텝은, 상기 입자 직경 분포 결정 스텝에서 결정된 상기 입자 직경 분포 및 상기 압력 손실 결정 스텝에서 결정된 상기 압력 손실에 기초하여 상기 산소 농도 분포를 결정하는, 석탄의 자연 발화 예측 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    어떤 상기 입자 직경의 석탄 입자군을 통과하는 기체의 유속과 압력 손실과의 관계로부터 통기 저항 계수를 결정하는 통기 저항 계수 결정 스텝을 갖고,
    상기 압력 손실 결정 스텝은, 상기 통기 저항 계수 결정 스텝에서 결정된 상기 통기 저항 계수 및 상기 석탄의 온도 변화에 수반되어 경시 변화하는 상기 유속에 기초하여 상기 압력 손실을 결정하는, 석탄의 자연 발화 예측 방법.
  6. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 석탄의 산화 반응의 반응 속도의 실활 특성을 결정하는 실활 특성 결정 스텝을 갖고,
    상기 발열 속도 결정 스텝은, 상기 실활 특성 결정 스텝에서 결정된 상기 실활 특성에 기초하여 상기 발열 속도를 결정하는, 석탄의 자연 발화 예측 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 파일 내의 공극률에 기초하는 유효 열전도율을 결정하는 유효 열전도율 결정 스텝을 갖고,
    상기 온도 분포 예측값 결정 스텝은, 상기 유효 열전도율 결정 스텝에서 결정된 상기 유효 열전도율에 기초하여 상기 온도 분포 예측값을 결정하는, 석탄의 자연 발화 예측 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 석탄에 대한 물의 흡탈착 특성을 결정하는 흡탈착 특성 결정 스텝과,
    상기 파일 부근의 대기 조건을 결정하는 대기 조건 결정 스텝과,
    상기 흡탈착 특성 결정 스텝에서 결정된 상기 흡탈착 특성, 및 상기 대기 조건 결정 스텝에서 결정된 상기 대기 조건에 기초하여 상기 석탄으로 물이 증발할 때의 증발열량을 결정하는 증발열량 결정 스텝
    을 갖고,
    상기 온도 분포 예측값 결정 스텝은, 상기 증발열량 결정 스텝에서 결정된 상기 증발열량에 기초하여 상기 온도 분포 예측값을 결정하는, 석탄의 자연 발화 예측 방법.
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