KR101941475B1 - 자연발화 방지제 및 이를 이용한 저탄장 자연발화 방지방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 구현예는 고미연분 석탄회, 식물성 잔사유 및 아스팔트를 포함하는 자연발화 방지제 및 이를 이용한 저탄장 자연발화 방지방법에 관한 것이다. 이를 통해, 본 발명은 저탄장의 자연발화를 방지하고, 산업폐기물을 재활용하며, 저탄장에 적용 후 우수한 단열효과를 구현할 수 있으며, 저장안정성이 우수하여 장기간 외부에서의 보관이 가능하며, 환경오염을 저감하고 연료의 열량손실을 방지할 수 있는 자연발화 방지제 및 이를 이용한 저탄장 자연발화 방지방법을 제공할 수 있다.

Description

자연발화 방지제 및 이를 이용한 저탄장 자연발화 방지방법{SPONTANEOUS COMBUSTION INHIBITOR AND METHOD OF PREVENTING SPONTANEOUS COMBUSTION USING THE SAME}

본 발명은 자연발화 방지제 및 이를 이용한 저탄장 자연발화 방지방법에 관한 것이다.

석탄은 풍부한 매장량, 저렴한 가격, 공급 안정성 등의 장점을 갖고 있어, 화력발전의 원료로서 사용되고 있다. 이와 같이 석탄을 이용한 전력발전의 비중이 증대됨에 따라 석탄 수입량이 증가하고 있으며, 특히 가격이 저렴한 저등급 석탄(low rank coal)의 수입이 대폭 증가되고 있다.

통상적으로 500MW 표준 석탄화력발전소는 연료탄을 1∼3개월 저탄 후 사용하고 있으며, 이러한 저탄 과정에서 자연발화가 연간 8,000∼10,000회 정도로 빈번하게 발생하고 있다. 자연발화 현상은 석탄의 열량손실(손실률 약 5.85% 이하)을 야기할 뿐 아니라, 컨베이어 벨트를 이용한 운송 과정에서의 화재 및 미분기 계통에서의 분진폭발 등 설비의 대형손상사고 위험성이 높으며, 석탄의 발화에 의해 발생하는 유해가스 및 흄(fume)이 저탄장 내의 작업환경을 악화시키고, 주변지역의 민원을 야기할 수 있다. 또한, 자연발화를 소화하는 과정에서 분사된 물에 의해 석탄의 이송장애 및 연소장애가 발생할 수 있다.

한편, 최근의 석탄화력발전소에서는 고수분 및 고휘발분 함량의 저등급 석탄을 대량 혼합하여 연소하고 있는데, 고수분 저등급 아역청탄의 경우 탄 자체의 높은 휘발분과 다량의 수분이 증발하고, 높은 기공성으로 인해 산소와의 반응성이 커 자연발화의 가능성이 매우 높은 특성을 보이고 있다.

또한, 저등급 석탄은 산소관능기(C=O, O-H, O-C=O)의 농도가 높고 표면이 친수성(hydrophilic)인 특성이 있으며, 이러한 산소관능기는 외부에 공여(donor) 할 수 있는 자유전자가 풍부하여 외부물질(대기 중의 수분 및 산소 등)을 흡착하여 안정한 화합물로 변성되는 성질이 강한 특성이 있다.

때문에, 아역청탄 및 갈탄 등의 저등급 석탄은 대기 중 산소 및 수분의 흡착 및 발열반응에 의해 자연발화가 발생률이 높다. 종래에는 시멘트 고화제를 이용한 비산방지제를 석탄더미(dummy)에 살포하여 자연발화 방지하는 방법이 알려져있다. 그러나, 이러한 종래의 방법은 강우 및 강풍에 탈리되기 쉽고 친수성이어서 수분의 침투현상을 발생시킬 뿐 아니라 연소장애의 원인이 되기도 한다.

이에 따라, 저탄장 석탄의 자연발화 현상을 방지하기 위해 기존에 사용해 왔던 비산방지제의 문제점(강우 및 강풍 탈리, 재비산 및 연소장애 등)을 해결하고 석탄과 함께 연소될 때 연소부산물을 최소화하며, 연소설비에 부담이 되지 않는 새로운 자연발화 방지제 및 자연발화 방지 방법의 개발에 대한 요구가 증가하고 있다.

본 발명의 하나의 목적은 저탄장의 자연발화를 방지하고, 산업폐기물을 재활용하며, 저탄장에 적용 후 우수한 단열효과를 구현할 수 있으며, 저장안정성이 우수하여 장기간 외부에서의 보관이 가능하며, 환경오염을 저감하고 연료의 열량손실을 방지할 수 있는 자연발화 방지제 및 이를 이용한 저탄장 자연발화 방지방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 구현예는 고미연분 석탄회, 식물성 잔사유 및 아스팔트를 포함하는 자연발화 방지제에 관한 것이다.

상기 고미연분 석탄회는 미연탄소의 함량이 5 중량% 내지 25 중량%이고, 비회(fly ash)를 포함할 수 있다.

상기 비회(fly ash)는 강열감량(loss on ignition)이 5% 내지 25%일 수 있다.

상기 식물성 잔사유는 PFAD(Palm Fatty Acid Distillate) 및 PAO(Palm Acid Oil) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

상기 아스팔트는 녹는점이 170℃ 내지 220℃일 수 있다.

상기 자연발화 방지제 중 고미연분 석탄회:식물성 잔사유:아스팔트의 중량비는 3~7 : 3~6 : 1~3 일 수 있다.

상기 자연발화 방지제는 고미연분 석탄회 30 중량% 내지 70 중량%, 식물성 잔사유 20 중량% 내지 60 중량% 및 아스팔트 10 중량% 내지 30 중량%를 포함하는 것일 수 있다.

본 발명의 다른 구현예는 식물성 잔사유를 액체화하고, 아스팔트와 혼입하여 식물성 잔사유-아스팔트 혼합액을 제조한 후, 상기 혼합액과 고미연분 석탄회를 혼합교반하는 것을 포함하는 자연발화 방지제 제조방법에 관한 것이다.

상기 액체화는 식물성 잔사유를 50℃ 내지 200℃에서 가열하는 것을 포함하고, 상기 혼합교반은 50RPM 내지 300RPM의 속도로 교반하는 것을 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예는 전술한 자연발화 방지제를, 저탄장의 석탄파일 표면부에 살포하여 석탄파일과 외부의 열기, 공기 및 수분의 접촉을 방지하는 단열성 차단층을 형성하는 것을 포함하는 저탄장 자연발화 방지방법에 관한 것이다.

본 발명은 저탄장의 자연발화를 방지하고, 산업폐기물을 재활용하며, 저탄장에 적용 후 우수한 단열효과를 구현할 수 있으며, 저장안정성이 우수하여 장기간 외부에서의 보관이 가능하며, 환경오염을 저감하고 연료의 열량손실을 방지할 수 있는 자연발화 방지제 및 이를 이용한 저탄장 자연발화 방지방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명 실시예 1의 자연발화 방지제에 대한 자연발화 방지성 평가결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 하나의 구체예에 따라 자연발화 방지제를 살포하는 사진이다.

본 발명의 일 구현예는 고미연분 석탄회, 식물성 잔사유 및 아스팔트를 포함하는 자연발화 방지제에 관한 것이다. 이를 통해, 저탄장의 자연발화를 방지하고, 산업폐기물을 재활용하며, 저탄장에 적용 후 우수한 단열효과를 구현할 수 있고, 저장안정성이 우수하여 장기간 외부에서의 보관이 가능하며, 환경오염을 저감하고 연료의 열량손실을 방지할 수 있는 자연발화 방지제 및 이를 이용한 저탄장 자연발화 방지방법을 제공할 수 있다.

또한, 상기 일 구현예의 자연발화 방지제는 저탄장에서 석탄파일의 표면에 도포되어 단열층을 형성한다. 이를 통해, 자연발화 방지 특성 및 단열특성을 구현할 뿐 아니라, 강우 및 강풍에 의한 탈리, 역취 냄새, 미분 비말, 분진 발생, 연소 장애 등을 방지하는 효과가 있다.

일 실시예의 자연발화 방지제는 고미연분 석탄회를 포함한다. 상기 고미연분 석탄회는 화력 발전소 등의 시설에 석탄이 고온으로 연소되고 남은 회분이 냉각되어 만들어진 미세입자로, 일반적으로 폐기물로 취급되고 있다. 이를 통해, 일 실시예의 자연발화 방지제는 폐기물을 재활용하여 비용을 저감하는 동시에 저탄장의 야적석탄의 자연발화를 방지하는 효과가 우수하며, 야적석탄과 외부환경의 접촉을 막는 단열층의 역할을 수행한다.

상기 고미연분 석탄회는 미연탄소의 함량이 5 중량% 내지 25 중량%일 수 있다. 이러한 경우, 자연발화 방지제는 저탄장에서 석탄파일에 도포된 후 우수한 단열효과를 구현할 수 있으며, 동시에 야적석탄과 함께 연소 시 사용됨으로써 연료손실을 복구할 수 있다. 이를 통해, 자연발화 방지제는 석탄파일의 저장성 및 가변적인 환경에 의한 변성을 방지하고, 우수한 자연발화 방지 성능을 구현하며, 야적석탄 연소 시의 에너지 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 미연탄소 함량 범위의 갖는 고미연분 석탄회를 사용함으로써, REC(Renewable Energy Certificate; 신재생에너지공급인증서) 인증을 통과할 수 있다.

상기 고미연분 석탄회는 비회(fly ash)를 포함할 수 있다. 상기 비회(fly ash)는 강열감량(loss on ignition)이 5% 내지 25%일 수 있다. 상기 강열감량 범위 내의 비회는 자연발화 방지제의 단열효과를 더욱 증대시킬 수 있으며, 석탄파일에 도포 시 발생하는 휘발성 유기 화합물의 양을 저감할 수 있고, 자연발화 방지 조성물의 안정성을 향상시켜, 자연발화 방지 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.

일 실시예의 자연발화 방지제는 식물성 잔사유를 포함한다. 이러한 식물성 잔사유는 자연발화 방지제의 점도를 조절하여 도포 또는 분사가 가능한 제형으로 만드는 동시에, 석탄파일 표면에 대한 부착력을 향상하여 흘러내리지 않고 고정되어 층을 형성하도록 하는 역할을 수행한다.

상기 식물성 잔사유는 PFAD(Palm Fatty Acid Distillate) 및 PAO(Palm Acid Oil) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 자연발화 방지제는REC(Renewable Energy Certificate; 신재생에너지공급인증서) 인증을 통과할 수 있으며, 원료의 수급이 용이하여 경제성을 향상시킬 수 있다.

또한, 전술한 예시의 식물성 잔사유를 사용하는 경우, 자연발화 방지제는 상온(20℃~25℃)에서 고체로 존재하고 액체화가 간편 수 있다. 이러한 경우, 자연발화 방지제이 액체의 상태로 제조되는 특성 및 액체상태가 유지되는 특성이 우수하며, 석탄파일 표면에 도포된 후에는 고형화하여 단열층을 형성하는 특성이 향상될 수 있다.

일 실시예의 자연발화 방지제는 아스팔트를 포함한다. 이러한 아스팔트는 자연발화 방지제의 점도를 조절하는 동시에, 석탄파일 표면에 부착 후 자연발화 방지제이 경화되어 단열층을 형성하도록 하는 역할을 수행한다.

상기 아스팔트는 녹는점이 70℃ 내지 220℃일 수 있다. 이러한 경우, 자연발화 방지제는 상온(20℃~25℃)에서 고체로 존재하고 액체화가 간편할 수 있다. 이러한 경우, 자연발화 방지제이 액체의 상태로 제조되는 특성 및 액체상태가 유지되는 특성이 우수하며, 석탄파일 표면에 도포된 후에는 고형화하여 단열층을 형성하는 특성이 향상될 수 있다.

일 실시예의 상기 자연발화 방지제는 고미연분 석탄회 30 중량% 내지 70 중량%, 식물성 잔사유 20 중량% 내지 60 중량% 및 아스팔트 10 중량% 내지 30 중량%를 포함할 수 있다.

상기 자연발화 방지제 중 고미연분 석탄회:식물성 잔사유:아스팔트의 중량비는 3~7 : 3~6 : 1~3 일 수 있다.

상기 함량 및 중량비 범위에서, 자연발화 방지제는 자연발화 방지효과가 우수한 동시에 단열효과가 매우 우수하고, 연료손실의 복구 및 폐기물 저감의 효과가 향상될 수 있다.

본 발명의 다른 구현예는 식물성 잔사유를 액체화하고, 아스팔트와 혼입하여 식물성 잔사유-아스팔트 혼합액을 제조한 후 상기 혼합액과 고미연분 석탄회를 혼합교반하는 것을 포함하는 자연발화 방지제 제조방법에 관한 것이다.

일 실시예의 자연발화 방지제 제조방법 먼저 고체상태인 식물성 잔사유를 혼합/저장탱크에 주입하고, 상기 혼합/저장탱크를 가열하여 식물성 잔사유를 액체상태로 만들어 액체화한다. 이어서, 상기 혼합/저장탱크 아스팔트를 주입하여 액상의 식물성 잔사유와 혼합하여 식물성 잔사유-아스팔트 혼합액을 제조한다. 이후, 상기혼합/저장탱크에 고미연분 석탄회를 주입하여 고미연분 석탄회와 식물성 잔사유-아스팔트 혼합액을 혼합교반하여 자연발화 방지제를 제조할 수 있다.

상기 액체화는 식물성 잔사유를 50℃ 내지 200℃에서 가열하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 자연발화 방지제가 상온 또는 제조 공정 온도 중 액체화하기 유리하며, 이후 자연발화 방지제이 석탄파일 표면에 도포된 후에는 고형화하여 단열층을 형성하는 특성을 구현하기에 유리한 효과가 있다.

상기 혼합교반은 50RPM 내지 300RPM의 속도로 교반하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 제조공정의 안정성이 우수한 동시에 생산성이 높고, 자연발화 방지제의 기포 발생율을 저감하여 제형 안정성 등을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예는 전술한 자연발화 방지제를 저탄장의 석탄파일 표면부에 살포하여 석탄파일과 외부의 열기, 공기 및 수분의 접촉을 방지하는 단열성 차단층을 형성하는 것을 포함하는 저탄장 자연발화 방지방법에 관한 것이다.

일 실시예의 저탄장 자연발화 방지방법은 전술한 고미연분 석탄회, 식물성 잔사유 및 아스팔트를 포함하는 자연발화 방지제를 저탄장의 석탄파일 표면부에 살포하여 적용하는 방법이다. 이를 통해, 저탄장의 자연발화를 방지하고, 산업폐기물을 재활용하며, 저탄장에 적용 후 우수한 단열효과를 구현할 수 있으며, 저장안정성이 우수하여 장기간 외부에서의 보관이 가능하며, 환경오염을 저감하고 연료의 열량손실을 방지할 수 있는 자연발화 방지제 및 이를 이용한 저탄장 자연발화 방지방법을 제공할 수 있다.

상기 저탄장 자연발화 방지방법은 상기 자연발화 방지제를 저탄장에서 석탄파일의 표면에 도포함으로써, 고형의 단열층을 형성한다. 이를 통해, 저탄장 자연발화 방지방법은 자연발화 방지 특성 및 단열특성을 구현할 뿐 아니라, 강우 및 강풍에 의한 탈리, 역취 냄새, 미분 비말, 분진 발생, 연소 장애 등을 방지할 수 있다.

실시예

이하에서는, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 이들은 본 발명을 상세히 설명하기 위한 것으로 제공되는 것일 뿐 본 발명의 범위가 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

PFAD 20 중량부 및 아스팔트 10 중량부를 혼합/저장탱크에 투입하고, 약 50~200℃ 온도로 가열하였다. PFAD 및 아스팔트가 고상에서 액상으로 변하여 서로혼합된 것을 확인한 후 고미연분 함량이 5%인 고미연분 석탄회(Donghae fly ash) 70 중량부를 넣어 혼합하여 자연발화 방지제를 제조하였다. 상기 혼합/저장탱크는 추후 자연발화 방지제의 살포가 용이하도록 용기 내부의 온도를 50~200℃ 범위로 유지하였다.

비교예 1

고미연분 석탄회 대신 고미연분의 함량이 4.5%인 저미연분 석탄회를 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 자연발화 방지제를 제조하였다.

비교예 2

아스팔트 대신 파라핀왁스를 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 자연발화 방지제를 제조하였다.

비교예 3

아스팔트 대신 아스콘을 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 자연발화 방지제를 제조하였다.

<경화특성 및 적용성 평가>

경화특성 평가를 위해 500MW 표준 석탄화력 발전소의 저탄장과 유사한 형태로 조성한 석탄파일을 준비하였다. 상기 석탄파일은 입도 50mm 원탄, 200kg을 쌓아 형성하였다.

상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 2에서 제조된 자연발화 방지제를 석탄파일 상부에 동일한 조건으로 도포하고, 3 시간 동안 방치한 후, 경화특성 정도를 육안으로 관찰한 후 하기 평가 기준으로 경화특성 및 적용성을 평가하였다.

1) 경화특성 평가 기준

적합 : 석탄파일 표면에 고형의 자연발화 방지제층이 형성되었다.

부적합 : 석탄파일 표면에 액상의 자연발화 방지제가 일부 존재하고, 고형화 되지 않아 층을 유지하기 어려웠다.

2) 실제 조업 적용성 평가기준

적합 : 석탄파일의 이송 및 설비이용에 장애가 발생하지 않았다.

부적합 : 석탄파일의 이송 또는 설비이용에 장애가 발생하였다.

	실시예 1	비교예 1	비교예 2	비교예 3
경화특성 평가	적합	적합	부적합	적합
실제 조업 적용성	적합	적합	적합	부적합

상기 표 1을 통해 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1의 자연발화 방지제는 석탄파일 표면에 고형의 단열층을 형성하는 경화특성이 우수하였다. 비교예 1의 경우도 고형의 단열층을 형성하는 경화특성이 우수하였으나, 저미연분 석탄회를 포함하고 있어 실시예 1과 동일한 수준의 연료손실 복구 효과를 구현할 수 없었다.

반면, 아스팔트 이외에 파라핀 왁스를 사용하는 비교예 2는 경화특성이 부적합하여 단열층을 형성할 수 없음을 확인하였다.

다만, 아스팔트 대신 이외에 아스콘을 포함하는 비교예 3은 경화특성은 우수하였으나, 경화도가 너무 높아 석탄파일을 연소로 등으로 이송하는데 어려움이 발생하였으며, 도포 후 저장용기 내에 남아 있던 미도포 방지제가 경화하여 경화특성 평가 시에는 분사노즐이 막히고, 저장용기를 사용할 수 없는 문제가 발생하여 실제 조업에 이용하기 어려움을 알 수 있었다.

<자연발화 방지성 평가>

자연발화 방지성 평가를 위해 500MW 표준 석탄화력 발전소의 저탄장과 유사한 형태로 조성한 석탄파일을 준비하였다. 상기 석탄파일은 입도 50mm 원탄, 200kg을 쌓아 형성하였다.

상기 실시예 1의 자연발화 방지제를 석탄파일 상부에 도포하고, 3 시간 동안 방치한 후, 대기 온도 및 습도에 따른 석탄 내부의 열축적 및 발화발생 정도를 모니터링하였다(적용후).

또한, 자연발화 방지제를 도포하지 않은 동일 조건의 석탄파일을 3 시간 동안 방치한 후, 대기 온도 및 습도에 따른 석탄 내부의 열축적 및 발화발생 정도를 모니터링하였다(적용전).

일반적인 자연발화는 외부의 공기 및 수분과 접촉하기 쉬운 석탄 pile 표층의 1~2m 범위에서 대부분 발생하기 때문에 상기 자연발화 방지성 평가 모니터링은 석탄파일 상단부의 온도변화를 측정하도록 하였다. 상기 모니터링 결과는 적용전과 적용후의 결과로 나누어 도 1에 표시하였다.

상기 도 1에 표시된 결과로 알 수 있는 바와 같이, 본 발명 실시예 1의 자연발화 방지제를 도포한 석탄파일(적용후)은 자연발화 방지제를 도포하지 않은 석탄파일(적용전)에 비하여 단열특성이 우수하여 온도변화 폭이 적었으며, 발화개시 온도에 도달하지 않음을 알 수 있었다. 이를 통해, 본 발명 실시예 1의 자연발화 방지제가 우수한 자연발화 방지특성을 구현함을 확인하였다.

Claims (10)

1. 고미연분 석탄회 30 중량% 내지 70 중량%; PFAD(Palm Fatty Acid Distillate) 및 PAO(Palm Acid Oil) 중 하나 이상을 포함하는 식물성 잔사유 20 중량% 내지 60 중량%; 및 아스팔트 10 중량% 내지 30 중량%;를 포함하고, 상기 고미연분 석탄회는 미연탄소의 함량이 5 중량% 내지 25 중량%인 자연발화 방지제.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 고미연분 석탄회는 비회(fly ash)를 포함하는 자연발화 방지제.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 비회(fly ash)는 강열감량(loss on ignition)이 5% 내지 25% 인 자연발화 방지제.
   
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 아스팔트는 녹는점이 170℃ 내지 220℃인 자연발화 방지제.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 고미연분 석탄회, 식물성 잔사유 및 아스팔트의 중량비는 고미연분 석탄회:식물성 잔사유:아스팔트 = 3~7 : 3~6 : 1~3 인 자연발화 방지제.
   
7. 삭제
8. PFAD(Palm Fatty Acid Distillate) 및 PAO(Palm Acid Oil) 중 하나 이상을 포함하는 식물성 잔사유를 액체화하고, 아스팔트와 혼입하여 식물성 잔사유-아스팔트 혼합액을 제조한 후, 상기 혼합액과 미연탄소의 함량이 5 중량% 내지 25 중량%인 고미연분 석탄회를 혼합교반하는 것을 포함하고,
   상기 액체화는 식물성 잔사유를 50℃ 내지 200℃에서 가열하는 것을 포함하며, 상기 혼합교반은 50RPM 내지 300RPM의 속도로 교반하는 것을 포함하고,
   상기 고미연분 석탄회는 30 중량% 내지 70 중량%, 상기 식물성 잔사유는 20 중량% 내지 60 중량% 및 상기 아스팔트는 10 중량% 내지 30 중량%의 함량으로 포함되는 것인 자연발화 방지제 제조방법.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 아스팔트는 녹는점이 170℃ 내지 220℃인 자연발화 방지제 제조방법.
   
10. 제1항의 자연발화 방지제를 석탄파일 표면부에 살포하여 석탄파일과 외부의 열기, 공기 및 수분의 접촉을 방지하는 단열성 차단층을 형성하는 것을 포함하는 저탄장 자연발화 방지방법.
    

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