KR102301244B1 - 석탄의 자연발화 방지제 및 자연발화 방지방법 - Google Patents

석탄의 자연발화 방지제 및 자연발화 방지방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 석탄(coal)의 자연발화를 방지하는 자연발화 방지제 및 자연발화 방지방법에 관한 것이다. 본 발명은 하나의 실시형태에 따라서, (1) 세스퀴탄산나트륨; (2) 탄닌, L-아스코르빈산 및 이들의 염으로부터 선택된 하나 이상의 산화 방지제; (3) 탄산수소나트륨; (4) 알긴산나트륨 및 해조류 추출물로부터 선택된 하나 이상의 성분; (5) 천연 다당류; (6) 폴리아크릴산나트륨 및 아크릴산/아크릴산나트륨 공중합체로부터 선택된 하나 이상의 성분; 및 (7) 물을 포함하는 석탄의 자연발화 방지제 및 이를 이용한 석탄의 자연발화 방지방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 예를 들어 옥내저탄장의 석탄에 분사를 통해 적용되어, 석탄의 자연발화를 효과적으로 방지(억제)하고, 인체 무해 및 친환경적인 특성 등을 갖는다.

Description

석탄의 자연발화 방지제 및 자연발화 방지방법 {SPONTANEOUS COMBUSTION INHIBITOR OF COAL AND METHOD FOR INHIBITING SPONTANEOUS COMBUSTION OF COAL USING THE SAME}
본 발명은 석탄의 자연발화 방지제 및 자연발화 방지방법에 관한 것으로서, 예를 들어 옥내저탄장의 석탄에 적용되어, 적어도 질식, 냉각 및 코팅 작용 등에 의해 석탄의 자연발화를 효과적으로 방지(억제)할 수 있고, 인체 무해 및 친환경적인 특성 등을 가지는 석탄의 자연발화 방지제 및 이를 이용한 석탄의 자연발화 방지방법에 관한 것이다.
석탄은 저렴한 가격, 매장량 및 공급 안정성 등의 장점이 있어, 화력발전소 등에서 많이 사용되고 있다. 특히, 낮은 등급의 저탄(low rank coal)은 경제성 등의 이유로 사용이 증가되고 있다. 일반적으로, 산업용 석탄은 해외에서 수입되거나 광산에서 채굴된 후, 옥외나 옥내저탄장에 쌓아 보관되고 있으며, 최근에는 주로 옥내저탄장에 보관되고 있다.
석탄의 효율적인 보관을 위해, 통상적으로 옥내저탄장은 넓은 공간의 셀들이 나누어지고 다수의 석탄 파일(Coal Pile)들이 만들어지고 있다. 석탄 파일의 한쪽은 계속하여 사용되지만, 반대 측은 대부분의 경우 즉시 사용되지 않고 장기간 파일 상태로 유지되고 있다. 이때, 장기간 파일 상태로 유지되고 있는 부분에서는 석탄 파일 내부로 순환되는 공기의 산화작용에 의해 발열이 야기되고, 온도가 누적되어 석탄의 자연발화가 발생한다.
석탄의 자연발화는 석탄의 탄화도에 의하거나, 석탄에 함유된 휘발분, 수분, 황화철(FeS) 및 불순물 등에 의한 산화와 산소 흡수량 등 여러 요인이 복합되어 발생된다. 특히, 석탄에 함유된 유황이 산소와 화합되어 SO2가 되고, 다시 수분과 반응할 경우 약 800℃ 정도까지의 발열 현상을 수반하는 것으로 알려져 있다.
일반적으로, 석탄 중심부의 온도가 40 ~ 50℃에 이르면 경계온도, 80 ~ 100℃를 위험온도, 200 ~ 300℃를 착화 온도로 본다. 또한, 석탄 더미에서 발생된 가스 중에 CO 및 C2H4가 함유되어 있으면 발화의 징후로 보고 있다. 특히, 석탄 더미에서 발생된 가스 중에 CO가 0.001wt% 이상 검출되면 자연발화가 일어날 가능성이 높고, CO가 0.002wt% 이상 검출되거나 석유 냄새가 나면 자연발화가 진행 중인 것으로 보고 있다. 석탄의 자연발화가 일어나면 석탄의 열량이 저하되고 회(Ash) 성분이 증가되며 야적된 석탄 전체에서 동시에 연기가 발생한다.
이에, 석탄의 자연발화를 방지하기 위해 석탄을 대기로부터 차단하여 산소 공급을 차단하고 있다. 주로 석탄을 압탄하거나, 수분의 공급 또는 차단막을 덮는 방법을 이용하고 있다. 최근, 외국의 옥외저탄장의 경우에는 자연발화 방지제를 분사하여 석탄 더미의 표층에 얇은 피막을 형성하는 방법이 이용되고 있다.
그러나 옥외용 자연발화 방지제는 아민성분 약품이나 에피클로로하이드린(ECH)과 같은 유해성 화학물질 원료로 이루어져 있어 옥내에 사용할 경우 악취와 근로자의 건강에 심대한 영향을 주므로 사용이 부적합하다. 또한, 차단막을 덮는 방법은 경제적으로 비용지출이 많고, 석탄 더미가 큰 경우에는 작업이 불가능하거나 위험성이 높음으로 인해 적용성이 낮다. 이에 비해, 자연발화 방지제를 분사하는 방법은 물을 살수(분사)하는 방식으로 진행되어 석탄 더미의 크기에 상관없이 작업이 가능하고 위험성이 낮아 적용성이 높다.
일반적으로, 석탄의 자연발화 방지제는 폴리비닐알코올(PVA) 등의 수지를 주성분으로 하고 있다. 또한, 시멘트나 회(ash) 등을 첨가하고 있다. 이러한 자연발화 방지제는 석탄 더미의 표면에 경화 피막을 형성하여 공기(산소)의 순환을 차단한다. 예를 들어, 한국 공개특허 제10-2013-0074442호, 한국 공개특허 제10-2017-0035423호 및 한국 등록특허 10-2023696호 등에는 위와 관련한 기술이 제시되어 있다.
그러나 종래 기술에 따른 석탄의 자연발화 방지제는, 예를 들어 다음과 같은 문제점이 있다.
먼저, 경화 피막에 의한 공기(산소)의 차단 기능(코팅 기능)만을 가져 석탄의 자연발화 방지능이 낮다. 예를 들어, 질식이나 냉각 기능 등이 고려되지 않아 석탄의 자연발화 방지능이 낮다.
또한, 종래의 자연발화 방지제는 시멘트나 회(ash) 등을 포함하여, 이로부터 형성된 경화 피막은 경질 피막으로서 유연성이 없다. 이에 따라, 석탄을 석탄 더미에서 차량으로 탑재하는 탑재 과정이나 화력발전소에서의 사용 과정에서 채산 작업성이 떨어지고, 시멘트나 회(ash) 등에 의해 석탄의 열량이 낮아지는 문제점이 있다. 부가적으로, 종래의 자연발화 방지제는 인체나 환경성이 고려되지 않아 대부분의 경우 인체에 유해하거나 친환경적이지 않다.
한국 공개특허 제10-2013-0074442호 한국 공개특허 제10-2017-0035423호 한국 등록특허 제10-2023696호
이에, 본 발명은 질식, 냉각 및 코팅 작용 등에 의해 석탄의 자연발화를 효과적으로 방지(억제)할 수 있고, 유연한(flexible) 경화 피막을 형성하여 양호한 채산 작업성을 가지며, 인체 무해 및 친환경적인 특성 등을 가지는 석탄의 자연발화 방지제 및 이를 이용한 석탄의 자연발화 방지방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
석탄의 자연발화를 방지하는 석탄의 자연발화 방지제로서,
질식 기능을 가지는 질식제;
냉각 기능을 가지는 냉각제; 및
코팅 기능을 가지는 코팅제를 포함하는 석탄의 자연발화 방지제를 제공한다.
본 발명의 실시형태에 따라서, 석탄의 자연발화 방지제는 석탄에 함유된 유황(S)을 제거하는 유황(S) 제거제; 및 석탄의 산화를 방지하는 산화 방지제를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은,
석탄의 자연발화를 방지하는 석탄의 자연발화 방지제로서,
(1) 세스퀴탄산나트륨;
(2) 탄닌, L-아스코르빈산 및 이들의 염으로부터 선택된 하나 이상의 산화 방지제;
(3) 탄산수소나트륨;
(4) 알긴산나트륨 및 해조류 추출물로부터 선택된 하나 이상의 성분;
(5) 천연 다당류;
(6) 폴리아크릴산나트륨 및 아크릴산/아크릴산나트륨 공중합체로부터 선택된 하나 이상의 성분; 및
(7) 물을 포함하는 석탄의 자연발화 방지제를 제공한다.
본 발명의 실시형태에 따라서, 상기 천연 다당류는 잔탄검, 구아검, 타라검, 타마린드검 및 로코스트 콩검 등으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
부가적으로, 본 발명은,
석탄의 자연발화를 방지하기 위한 방법으로서,
상기 본 발명에 따른 석탄의 자연발화 방지제를 물에 희석한 혼합액을 준비하는 제1단계; 및
상기 혼합액을 석탄에 분사하는 제2단계를 포함하는 석탄의 자연발화 방지방법을 제공한다.
이때, 상기 자연발화 방지제와 물을 1 : 100 ~ 2,500의 중량비율로 희석하여 사용한다.
본 발명에 따르면, 예를 들어 옥내저탄장 등의 석탄에 적용되어, 적어도 질식, 냉각 및 코팅 작용 등에 의해 석탄의 자연발화를 효과적으로 방지(억제)하고, 유연한 경화 피막을 형성하여 양호한 채산 작업성을 가지며, 인체 무해 및 친환경적인 특성 등을 가지는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 자연발화 방지제를 석탄 더미(유연탄)에 분사한 후, 시간별 중간온도를 측정한 결과를 보인 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 자연발화 방지제를 석탄 더미(유연탄)에 분사한 후, 시간별 CO 발생량(CO 농도)을 측정한 결과를 보인 그래프이다.
본 발명에서 사용되는 용어 "및/또는"은 전후에 나열한 구성요소들 중에서 적어도 하나 이상을 포함하는 의미로 사용된다. 본 발명에서 사용되는 용어 "하나 이상"은 하나 또는 둘 이상의 복수를 의미한다.
본 발명은 적어도 질식, 냉각 및 코팅 작용 등에 의해 석탄의 자연발화를 효과적으로 방지(억제)하고, 유연한 경화 피막을 형성하여 양호한 채산 작업성을 가지는 석탄의 자연발화 방지제를 제공한다. 또한, 본 발명은 본 발명에 따른 석탄의 자연발화 방지제를 이용하여 석탄 더미에서 발생될 수 있는 자연발화를 효과적으로 방지할 수 있는 석탄의 자연발화 방지방법을 제공한다.
본 발명에 따른 석탄의 자연발화 방지제(이하, "자연발화 방지제"라 약칭함)는, 그 적용 대상물에 있어 석탄을 포함하는 것이면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 옥내저탄장에 유용하게 적용될 수 있다. 본 발명에 따른 자연발화 방지제는, 다른 예를 들어 발전소, 석탄 터널 및 광산 등의 석탄 야적장(옥외저탄장 등)이나 석탄의 적재, 하역, 스택 아웃 및 매립 등의 장소에 적용될 수 있다. 본 발명에 따른 자연발화 방지제는 물과 희석된 후에 석탄 더미에 분사(살수)하는 방법으로 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 자연발화 방지제는 석탄의 자연발화를 방지(억제)하는 자연발화 방지(억제) 조성물로서, 질식 기능을 가지는 질식제; 냉각 기능을 가지는 냉각제; 및 코팅 기능을 가지는 코팅제(막을 형성하는 막 형성제)를 포함한다. 바람직한 실시형태에 따라서, 본 발명에 따른 자연발화 방지제는 석탄에 함유된 유황(S)을 제거하는 유황(S) 제거제; 및 석탄의 산화를 방지하는 산화 방지제를 더 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 자연발화 방지제는 석탄 더미 내의 열을 흡수하는 흡열제; 석탄의 수분을 흡수하는 흡수제(흡습제); 및 정전기 발생을 억제하는 정전기 발생 억제제 등으로부터 선택된 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 위와 같은 기능을 가지는 각 성분들의 구체적인 예는 아래에서 본 발명의 바람직한 실시형태를 설명하면서 예시한다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따라서, 본 발명에 따른 자연발화 방지제는 석탄의 자연발화를 방지하기 위한 유효성분으로서, 하기 (1) 내지 (7)의 성분을 포함한다.
(1) 제1성분 : 세스퀴탄산나트륨(Sodium Sesquicarbonate)
(2) 제2성분 : 탄닌(Tannin), L-아스코르빈산(L-Ascorbic acid) 및 이들의 염으로부터 선택된 하나 이상의 산화 방지제
(3) 제3성분 : 탄산수소나트륨(Sodium Bicarbonate)
(4) 제4성분 : 알긴산나트륨(Sodium Alginate) 및 해조류 추출물로부터 선택된 하나 이상의 성분
(5) 제5성분 : 천연 다당류(Polysaccharide)
(6) 제6성분 : 폴리아크릴산나트륨(Sodium Polyacrylate) 및 아크릴산/아크릴산나트륨 공중합체(Acrylic acid/sodium acrylate copolymer)로부터 선택된 하나 이상의 성분
(7) 제7성분 : 물(Water)
본 발명자들의 오랜 연구와 실험적 결과에 따르면, 석탄의 자연발화 방지제가 상기 (1) 내지 (7)의 성분을 포함하는 경우, 석탄의 표면에 유연한 경화 피막을 형성하면서 우수한 질식 기능(석탄 더미 내부의 산소 농도 저하), 냉각 기능(석탄 주위의 열 흡수) 및 코팅 기능(석탄 표면에 피막을 형성하여 산소 공급 차단)을 가지며, 이와 함께 유황(S) 제거, 고흡수(고흡습), 점착(결착) 및 흡열 등의 기능을 가져 석탄의 자연발화를 효과적으로 방지함을 알 수 있었다. 또한, 상기 (1) 내지 (7)의 성분은 모두 인체 무해하고 친환경적인 성분으로서, 이들은 본 발명자들이 인체와 환경에 안전한 식품, 생활용품, 화장품 및 천연 재료 등으로부터 예의 선택한 최적 조합의 성분들이다.
본 발명에 따른 자연발화 방지제는, 상기 (1) 내지 (7)의 성분을 적정 함량으로 포함하여, 예를 들어 30cps 이상의 점도(@ 20℃), 또는 150 이상의 점도(@ 20℃)를 가지는 액상(점액)이거나 고점도의 슬러리 제형을 가질 수 있다. 각 성분들에 대해 설명하면 다음과 같다.
(1) 제1성분
상기 세스퀴탄산나트륨(Sodium Sesquicarbonate)은 식품의약품안전처(Ministry of Food and Drug Safety; 이하, "KFDA"라 함)의 식품공전 물질로서, 이는 주로 천연 세제의 용도로 사용되고 있다. 상기 세스퀴탄산나트륨은 본 발명에 따른 자연발화 방지제에 포함되어, 석탄 더미 내부의 산소 농도를 저하시키는 질식 기능 및/또는 석탄 주위의 열을 냉각하는 냉각 기능을 갖는다.
또한, 상기 세스퀴탄산나트륨은 유황(S) 제거 기능을 갖는다. 앞서 언급한 바와 같이, 석탄에 함유된 유황(S)은 자연발화의 주요 요인 중에 하나이다. 즉, 석탄에는 유화철(硫化鐵, FeS) 형태로 유황(S)이 함유되어 있으며, 이러한 유황(S)은 산소와 화합되어 SO2가 되고, 상기 SO2가 수분과 반응할 경우 약 800℃ 정도까지의 발열 현상을 수반하여 자연발화를 촉진한다. 본 발명에 따르면, 상기 세스퀴탄산나트륨은 위와 같은 유황(S)을 제거하는 유효성분으로 작용하여 발열 및 자연발화를 효과적으로 방지한다.
상기 세스퀴탄산나트륨(제1성분)은 본 발명에 따른 자연발화 방지제 전체 중량 기준으로, 예를 들어 5 ~ 30중량%로 포함될 수 있다. 상기 세스퀴탄산나트륨의 함량이 5중량% 미만인 경우, 이의 사용에 따른 질식 기능, 냉각 기능 및/또는 유황(S) 제거 기능이 미미할 수 있다. 또한, 상기 세스퀴탄산나트륨의 함량이 30중량%를 초과하는 경우, 상대적으로 다른 성분의 함량이 낮아지고 자연발화 방지제 내에 균일한 혼합 분산이 어려워질 수 있다. 이러한 점을 고려할 때, 상기 세스퀴탄산나트륨은 6 ~ 25중량%, 또는 10 ~ 20중량%로 포함되는 것이 좋다.
(2) 제2성분
상기 탄닌(Tannin)은 차, 포도주 및 감 등에 함유되어 떫은맛을 내는 성분으로서, 이는 KFDA의 식품공전 물질이며, 화학적으로는 폴리페놀을 기본구조로 하고 있다. 상기 L-아스코르빈산(L-Ascorbic acid)은 비타민 C로서, 이 또한 KFDA의 식품공전 물질이며, 화학적으로는 락톤 구조를 가지고 있다. 상기 탄닌, L-아스코르빈산 및 이들의 염으로부터 선택된 제2성분은 본 발명에 따른 자연발화 방지제에 포함되어 석탄의 산화 방지 기능을 갖는다. 상기 탄닌 및 L-아스코르빈산의 염으로는 탄닌산나트륨(Sodium Tannin acid) 및 L-아스코르빈산나트륨(Sodium L-Ascorbic acid) 등을 예로 들 수 있다.
상기 산화 방지제(제2성분)는 본 발명에 따른 자연발화 방지제 전체 중량 기준으로, 예를 들어 5 ~ 20중량%로 포함될 수 있다. 상기 산화 방지제의 함량이 5중량% 미만인 경우, 이의 사용에 따른 산화 방지 기능이 미미할 수 있다. 또한, 상기 산화 방지제의 함량이 20중량%를 초과하는 경우, 상대적으로 다른 성분의 함량이 낮아져 예를 들어 질식, 냉각 및/또는 코팅 등의 기능이 저하될 수 있다. 이러한 점을 고려할 때, 상기 산화 방지제는 5 ~ 15중량%, 또는 8 ~ 15중량%로 포함되는 것이 좋다.
(3) 제3성분
상기 탄산수소나트륨(Sodium Bicarbonate)은 KFDA의 식품공전 물질로서, 이는 주로 제빵이나 가정용 세정제로 사용되고 있다. 상기 탄산수소나트륨은 본 발명에 따른 자연발화 방지제에 포함되어, 석탄 더미 내부의 산소 농도를 저하시키는 질식 기능 및/또는 석탄 주위의 열을 냉각하는 냉각 기능을 갖는다. 이는 또한 CO2를 발생시켜 질식 기능을 개선한다.
상기 탄산수소나트륨(제3성분)은 본 발명에 따른 자연발화 방지제 전체 중량 기준으로, 예를 들어 2 ~ 20중량%로 포함될 수 있다. 상기 탄산수소나트륨의 함량이 2중량% 미만인 경우, 이의 사용에 따른 질식 기능 및/또는 냉각 기능이 미미할 수 있다. 또한, 상기 탄산수소나트륨의 함량이 20중량%를 초과하는 경우, 상대적으로 다른 성분의 함량이 낮아지고 물에 대한 용해도 좋지 않아 자연발화 방지제 내에 균일한 혼합 분산이 어려워질 수 있다. 이러한 점을 고려할 때, 상기 탄산수소나트륨은 3 ~ 15중량%로 포함되는 것이 좋다.
(4) 제4성분
상기 알긴산나트륨(Sodium Alginate)은 KFDA의 식품공전 물질로서, 이는 주로 식품의 유화제, 증점제 및 안정제로 사용되고 있다. 상기 해조류 추출물은 미역, 다시마 및 가사리(세모가사리, 우뭇가사리 등) 등의 해조류를 열수 추출한 추출액, 또는 상기 추출액을 농축 건조한 추출 분말을 사용할 수 있다. 이러한 해조류 추출물에는 알긴산나트륨이 다량 함유되어 있다. 본 발명에서, 상기 해조류 추출물은 알긴산나트륨을 함유한 것이면 제한되지 않는다. 상기 알긴산나트륨 및 해조류 추출물로부터 선택된 제4성분은 본 발명에 따른 자연발화 방지제에 포함되어, 코팅 기능, 점증 기능 및 물과의 유화 기능을 갖는다.
상기 알긴산나트륨 및 해조류 추출물로부터 선택된 제4성분은 본 발명에 따른 자연발화 방지제 전체 중량 기준으로, 예를 들어 5 ~ 30중량%로 포함될 수 있다. 상기 제4성분의 함량이 5중량% 미만인 경우, 이의 사용에 따른 코팅 기능, 점증 기능 및 물과의 유화 기능이 미미할 수 있다. 또한, 상기 제4성분의 함량이 30중량%를 초과하는 경우, 상대적으로 다른 성분의 함량이 낮아져 예를 들어 질식, 냉각 및/또는 산화 방지 등의 기능이 저하되고 점도가 너무 높아질 수 있다. 이러한 점을 고려할 때, 상기 제4성분은 8 ~ 25중량%로 포함되는 것이 좋다.
(5) 제5성분
상기 천연 다당류(Polysaccharide)는 잔탄검(Xanthan gum), 구아검(Guar gum), 타라검(Tara gum), 타마린드검(Tamarind gum) 및 로코스트 콩검(Locust Bean gum) 등으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 천연 다당류는, 바람직하게는 상기 나열된 검류 중에서 적어도 잔탄검(Xanthan gum)을 포함하는 것이 좋다. 이러한 천연 다당류는 KFDA의 식품공전 물질로서, 이는 주로 식품 및 화장품의 원료로 사용되고 있다. 상기 천연 다당류는 본 발명에 따른 자연발화 방지제에 포함되어, 코팅 기능 및 점증 기능을 가지며, 이는 또한 점착(결착) 기능을 가져 석탄과의 부착성 및 경화 피막의 지속성을 개선한다.
상기 천연 다당류(제5성분)는 본 발명에 따른 자연발화 방지제 전체 중량 기준으로, 예를 들어 5 ~ 30중량%로 포함될 수 있다. 상기 천연 다당류의 함량이 5중량% 미만인 경우, 이의 사용에 따른 코팅 기능, 점증 기능 및 점착(결착) 기능이 미미할 수 있다. 또한, 상기 천연 다당류의 함량이 30중량%를 초과하는 경우, 상대적으로 다른 성분의 함량이 낮아져 예를 들어 질식, 냉각 및/또는 산화 방지 등의 기능이 저하되고 점도가 너무 높아질 수 있다. 이러한 점을 고려할 때, 상기 천연 다당류는 8 ~ 25중량%로 포함되는 것이 좋다.
(6) 제6성분
상기 폴리아크릴산나트륨(Sodium Polyacrylate) 및 아크릴산/아크릴산나트륨 공중합체(Acrylic acid/sodium acrylate copolymer)는 고흡수성 고분자 수지로서, 이들은 주로 기저귀, 생리대 및 의학용 패드 등에 사용되는 안전한 물질이다. 여기서, 상기 아크릴산/아크릴산나트륨 공중합체는 아크릴산(Acrylic acid)과 아크릴산나트륨(Sodium acrylate)의 공중합체를 의미한다. 상기 폴리아크릴산나트륨 및 아크릴산/아크릴산나트륨 공중합체로부터 선택된 제6성분은 본 발명에 따른 자연발화 방지제에 포함되어, 코팅 기능 및 흡수(흡습) 기능을 가지며, 이는 특히 석탄으로 전달될 수 있는 열을 차단(열 제어)하여 자연발화 방지능을 개선한다.
상기 폴리아크릴산나트륨 및 아크릴산/아크릴산나트륨 공중합체로부터 선택된 제6성분은 본 발명에 따른 자연발화 방지제 전체 중량 기준으로, 예를 들어 5 ~ 30중량%로 포함될 수 있다. 상기 제6성분의 함량이 5중량% 미만인 경우, 이의 사용에 따른 코팅 기능, 흡수(흡습) 기능 및 열 차단 기능(열 제어)이 미미할 수 있다. 또한, 상기 제6성분의 함량이 30중량%를 초과하는 경우, 상대적으로 다른 성분의 함량이 낮아져 예를 들어 질식, 냉각 및/또는 산화 방지 등의 기능이 저하되고 점도가 너무 높아질 수 있다. 이러한 점을 고려할 때, 상기 제6성분은 8 ~ 25중량%로 포함되는 것이 좋다.
(7) 제7성분
제7성분으로서의 물은 상기 각 성분들의 분산 및/또는 희석을 위한 용매로서 사용되며, 이는 예를 들어 증류수, 정제수, 수돗물 및/또는 지하수 등으로부터 선택될 수 있다. 상기 물(제7성분)은 본 발명에 따른 자연발화 방지제 전체 중량 기준으로, 예를 들어 10 ~ 70중량%, 15 ~ 60중량%, 또는 20 ~ 55중량%로 포함될 수 있으나, 이에 의해 한정되는 것은 아니다.
(8) 부가 성분
본 발명에 따른 자연발화 방지제는 필요에 따라서 기타 기능성 성분이나 첨가제 등의 부가 성분을 더 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 자연발화 방지제는, 예를 들어 계면활성제, 분산제, 동결 방지제, 소포제, 저장안정제 및/또는 점도 조절제 등을 더 포함할 수 있다. 이러한 부가 성분들은 통상적으로 사용되는 것으로부터 선택될 수 있으며, 이는 자연발화 방지능을 저하시키지 않는 범위에서 적정량 첨가될 수 있다. 상기 부가 성분은 본 발명에 따른 자연발화 방지제 전체 중량 기준으로, 예를 들어 0.001 ~ 10중량%으로 포함될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 자연발화 방지제는 정전기 발생을 억제(방지)하기 위한 정전기 발생 억제제를 더 포함할 수 있다. 상기 정전기 발생 억제제는 정전기 발생을 억제(방지)할 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않으며, 이는 예를 들어 베헨트리모늄 메토설페이트(Behentrimonium methosulfate), 세트리모늄 메토설페이트(Cetrimonium methosulfate), 베헤닐트리메틸암모늄 메토설페이트(Behenyl trimethyl ammonium methosulfate) 및/또는 스테아르트리모늄 메토설페이트(Steartrimonium methosulfate) 등으로부터 선택된 하나 이상을 유용하게 사용할 수 있다. 상기 정전기 발생 억제제는 본 발명에 따른 자연발화 방지제 전체 중량 기준으로, 예를 들어 0.1 ~ 10중량%로 포함될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 자연발화 방지제는 적어도 다음과 같은 작용 효과를 갖는다.
본 발명에 따른 자연발화 방지제는, 예를 들어 옥내저탄장 등의 석탄에 분사를 통해 적용되어, 적어도 질식 작용, 냉각 작용 및 코팅 작용 등을 가져 공기 중 산소 침투 방지(산소 공급 차단), 산소에 의한 산화 방지, 가연성 휘발분의 유출 방지 및 석탄 입자의 마찰을 최소화하여 석탄의 자연발화를 방지한다.
특히, 본 발명에 따른 자연발화 방지제는 상기 (1) 내지 (7)의 성분을 유효성분으로 포함하여 질식, 냉각 및 코팅 작용에 더하여 유황(S) 제거, 산화 방지, 고흡수(고흡습), 점착(결착), 열 차단 및 흡열 등의 기능을 가져 석탄의 자연발화를 효과적으로 방지한다. 또한, 본 발명에 따른 자연발화 방지제는 석탄 표면에 유연성의 피막을 형성하여 채산 작업성을 개선한다. 즉, 종래의 자연발화 방지제는 시멘트나 회(ash) 등을 포함하여 경질 피막을 형성하나, 본 발명에 따른 자연발화 방지제는 상기 (1) 내지 (7)의 성분을 포함하여 유연한 피막을 형성함으로 인해 석탄 더미에서 차량으로 탑재하는 탑재 과정이나 화력발전소에서의 사용 과정에서 채산 작업성이 향상된다.
아울러, 상기한 바와 같이, 상기 (1) 내지 (7)의 성분들은 모두 인체와 환경에 안전한 식품, 생활용품, 화장품, 비타민 C 및 천연 재료(해조류) 등으로부터 선택되어 인체 무해하고 친환경적인 특성을 갖는다.
또한, 상기 (1) 내지 (7)의 성분 중에서 대부분의 성분은 탄소수가 많은 다탄화수소 화합물이다. 구체적으로, 상기 제4성분으로서의 알긴산나트륨, 상기 제5성분으로서의 천연 다당류, 그리고 상기 제6성분으로서의 폴리아크릴산나트륨 및 이의 공중합체 등은 직쇄와 측쇄에 다수의 탄화수소를 가지는 고분자로서, 이들은 열량이 높다. 이에 따라, 본 발명에 따른 자연발화 방지제는, 예를 들어 화력발전소 등에서 석탄과 함께 연소되어 열량을 증가시키는 효과를 갖는다.
부가적으로, 본 발명에서 특정하는 상기 (1) 내지 (7)의 성분은 장비나 설비의 부식을 유발하는 할로겐계(Cl, F 등) 등의 원소가 성분 내에 존재하지 않아 연소 후 부식을 유발하지 않는다.
본 발명에 따른 자연발화 방지제는 석탄에 적용 시, 예를 들어 분사 등의 방법을 통해 적용할 수 있다. 이때, 분사 방법으로 적용하는 경우, 별도의 물에 희석하여 사용한다. 하나의 실시형태에 따라서, 아래와 같은 본 발명의 자연발화 방지방법을 통해 석탄에 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 자연발화 방지방법은 상기 본 발명의 자연발화 방지제를 물에 희석한 혼합액을 준비하는 제1단계, 및 상기 혼합액을 석탄에 분사하는 제2단계를 포함한다. 이때, 상기 제1단계에서는 자연발화 방지제와 물을 1 : 100 ~ 2,500의 중량비율로 희석한다. 즉, 석탄에 분사 시, 자연발화 방지제 : 물 = 1 : 100 ~ 2,500의 중량비율로 희석하여 사용한다. 구체적인 예를 들어, 석탄에 분사 시, 자연발화 방지제와 물을 1 : 200 ~ 2,000, 1 : 300 ~ 2,000, 또는 1 : 300 : 1,500의 중량비율로 희석하여 사용할 수 있다. 또한, 상기 제2단계에서는 혼합액(희석액)을 분사장치(예, 살수차 등)를 이용하여 석탄 더미에 분사(살포)하는 방법으로 진행한다.
이하, 본 발명의 실시예 및 비교예를 예시한다. 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시적으로 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 하기의 비교예는 종래 기술을 의미하는 것은 아니며, 이는 단지 실시예와의 비교를 위해 제공된다.
이하, 본 발명의 실시예 및 비교예를 예시한다. 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시적으로 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 하기의 비교예는 종래 기술을 의미하는 것은 아니며, 이는 단지 실시예와의 비교를 위해 제공된다.
[실시예 1]
먼저, 혼합 용기에 제1성분으로서 세스퀴탄산나트륨, 제2성분으로서 탄닌과 L-아스코르빈산, 제3성분으로서 탄산수소나트륨 및 제4성분으로서 알긴산나트륨을 투입, 혼합하여 분말상을 주성분으로 하는 제1제 혼합물을 얻었다. 또한, 교반기가 달린 혼합 용기에 물(제7성분)을 넣고, 여기에 제5성분으로서 잔탄검을 넣은 다음, 제6성분으로서 폴리아크릴산나트륨 및 아크릴산/아크릴산나트륨 공중합체를 순차적으로 투입한 후, 혼합 교반하여 액상의 제2제 혼합물을 얻었다.
다음으로, 상기 제2제 혼합물에 제1제 혼합물을 투입한 후, 혼합 교반하여 본 실시예에 따른 점액상의 자연발화 방지제를 제조하였다. 본 실시예에 따른 자연발화 방지제의 구체적인 성분 및 함량을 하기 [표 1]에 나타내었다. 하기 [표 1]에서, 각 성분의 함량은 자연발화 방지제의 전체 중량을 기준으로 한 백분율(중량%)이다.
[실시예 2]
상기 실시예 1과 대비하여, 각 성분의 함량을 달리한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 본 실시예에 따른 자연발화 방지제의 구체적인 성분 및 함량을 하기 [표 1]에 보인 바와 같다.
[비교예 1]
상기 실시예 1과 비교하여, 제1성분(세스퀴탄산나트륨)과 제6성분(폴리아크릴산나트륨 및 아크릴산/아크릴산나트륨 공중합체)을 첨가하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 본 비교예에 따른 자연발화 방지제의 구체적인 성분 및 함량을 하기 [표 1]에 보인 바와 같다.
< 각 실시예 및 비교예에 따른 자연발화 방지제의 성분 및 함량(중량%) >
성분 실시예 1 실시예 2 비교예 1
제1성분 세스퀴탄산나트륨 7 2 -
제2성분 탄닌 5 5 10
L-아스코르빈산 10 5 5
제3성분 탄산수소나트륨 6 15 11
제4성분 알긴산나트륨 12 15 12
제5성분 잔탄검 10 15 10
제6성분 폴리아크릴산나트륨 4 1 -
아크릴산/아크릴산나트륨 공중합체 6 2 -
제7성분 물 잔량 잔량 잔량
< 시험예 >
상기 각 실시예 및 비교예에 따른 자연발화 방지제에 대하여 석탄의 자연발화 방지능을 알아보고자 다음과 같이 실험을 진행하였다.
직육면체의 시험 용기를 여러 개 준비하고, 각 시험 용기의 바닥에 전열판을 설치한 다음, 상기 각 시험 용기에 유연탄을 25kg씩 넣은 석탄 더미 시편을 준비하였다. 이후, 각 실시예 및 비교예에 따른 자연발화 방지제를 500배(중량비율)의 물로 희석한 혼합액을 준비한 다음, 각 시험 용기의 석탄 더미(유연탄)에 혼합액을 250ml씩 분사하였다.
다음으로, 각 시험 용기에 설치된 전열판에 전원을 인가하여, 각 석탄 더미 시편에 대한 시간(day)에 따른 바닥온도(석탄 더미의 바닥층 온도), 중간온도(석탄 더미의 중간층 온도) 및 CO 발생량(석탄 더미의 중간층에서 발생된 CO의 농도)을 측정하였다. 이상의 결과를 하기 [표 2] 내지 [표 4]에 나타내었다. 하기 [표 5]는 대조군으로서, 이는 자연발화 방지제를 분사하지 않은 무처리의 석탄 더미 시편이다.
< 탄(25kg) + 실시예 1의 혼합액(1 : 500) >
시간(day) 바닥온도(℃) 중간온도(℃) CO 농도(ppb)
1 18 10 0.00
2 18 10 0.00
3 18 11 0.00
4 18 12 0.00
5 19 14 0.27
6 21 14 1.12
7 32 14 3.45
8 46 16 6.17
9 57 16 6.83
10 60 18 8.89
15 62 22 9.04
20 66 25 12.61
< 탄(25kg) + 실시예 2의 혼합액(1 : 500) >
시간(day) 바닥온도(℃) 중간온도(℃) CO 농도(ppb)
1 12 10 0.00
2 12 10 0.00
3 14 12 0.00
4 26 16 0.00
5 37 16 0.31
6 62 16 2.31
7 66 16 5.40
8 68 21 7.17
9 72 23 16.73
10 77 30 18.61
15 78 41 25.84
20 78 49 42.37
< 탄(25kg) + 비교예 1의 혼합액(1 : 500) >
시간(day) 바닥온도(℃) 중간온도(℃) CO 농도(ppb)
1 14 10 0.00
2 14 12 0.00
3 18 16 0.00
4 18 16 0.41
5 46 19 1.58
6 74 19 4.37
7 75 19 8.41
8 75 27 12.22
9 80 28 23.49
10 80 33 39.25
15 82 42 61.37
20 88 55 87.54
< 대조군(무처리) : 탄(25kg) >
시간(day) 바닥온도(℃) 중간온도(℃) CO 농도(ppb)
1 16 12 0.74
2 24 13 1.06
3 45 17 3.81
4 54 17 6.94
5 73 18 17.47
6 87 28 46.53
7 96 34 86.14
8 98 37 116.74
9 98 42 164.35
10 98 51 188.76
15 97 60 227.89
20 99 79 249.76
첨부된 도 1은 상기 각 석탄 더미 시편에 대한 시간별 중간온도의 측정결과를 나타낸 그래프이고, 첨부된 도 2는 시간별 CO 발생량(CO 농도)의 측정결과를 나타낸 그래프이다. 그리고 하기 [표 6]은 상기 각 석탄 더미 시편에 대한 20일 후의 중간온도와 CO 발생량(CO 농도)을 보인 것이다.
< 20일 후의 각 석탄 더미 시편에 대한 중간온도와 CO 발생량 >
석탄 더미 시편 중간온도(℃) CO 농도(ppb)
탄(25kg) + 실시예 1의 혼합액(1 : 500) 25 12.61
탄(25kg) + 실시예 2의 혼합액(1 : 500) 49 42.37
탄(25kg) + 비교예 1의 혼합액(1 : 500) 55 87.54
대조군(무처리) : 탄(25kg) 79 249.76
이상의 결과로부터 확인되는 바와 같이, 자연발화 방지제를 적용(분사)한 경우, 대조군(무처리)보다 자연발화율이 현저히 낮아짐을 알 수 있었다. 상기 결과에서, 석탄 더미의 온도(바닥온도 및 중간온도)가 높고 CO 발생량(CO 농도)이 많을수록 석탄의 자연발화 가능성이 높음을 의미한다.
실시예들과 비교예 1을 대비하여 보면, 제1성분(세스퀴탄산나트륨)과 제6성분(폴리아크릴산나트륨 및 아크릴산/아크릴산나트륨 공중합체)이 첨가된 경우(실시예 1 및 2)가 그렇지 않은 경우(비교예 1)보다 온도 증가량 및 CO 발생량이 낮아 자연발화 방지능에 효과적임을 알 수 있었다. 이는 실시예들의 경우, 제1성분 및 제6성분에 의해 비교예 1보다 질식/냉각 기능이 우수함은 물론, 이는 특히 유황(S) 제거 및 열 제어(열 차단이나 열 흡수) 등의 기능을 갖기 때문인 것으로 판단된다.
또한, 실시예 1과 실시예 2를 대비하며 보면, 상기 제1성분과 제6성분이 적정 함량으로 포함된 경우(실시예 1)가 미량으로 포함된 경우(실시예 2)보다 온도 증가량 및 CO 발생량이 낮게 평가됨을 알 수 있었다.

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 석탄의 자연발화를 방지하는 석탄의 자연발화 방지제이고,
    (1) 세스퀴탄산나트륨;
    (2) 탄닌, L-아스코르빈산 및 이들의 염으로부터 선택된 하나 이상의 산화 방지제;
    (3) 탄산수소나트륨;
    (4) 알긴산나트륨 및 해조류 추출물로부터 선택된 하나 이상의 성분;
    (5) 천연 다당류;
    (6) 폴리아크릴산나트륨 및 아크릴산/아크릴산나트륨 공중합체로부터 선택된 하나 이상의 성분; 및
    (7) 물을 포함하는 것을 특징으로 하는 석탄의 자연발화 방지제.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 석탄의 자연발화 방지제는,
    (1) 세스퀴탄산나트륨 5 ~ 30중량%;
    (2) 탄닌, L-아스코르빈산 및 이들의 염으로부터 선택된 하나 이상의 산화 방지제 5 ~ 20중량%;
    (3) 탄산수소나트륨 2 ~ 20중량%;
    (4) 알긴산나트륨 및 해조류 추출물로부터 선택된 하나 이상의 성분 5 ~ 30중량%;
    (5) 천연 다당류 5 ~ 30중량%;
    (6) 폴리아크릴산나트륨 및 아크릴산/아크릴산나트륨 공중합체로부터 선택된 하나 이상의 성분 5 ~ 30중량%; 및
    (7) 물 10 ~ 70중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 석탄의 자연발화 방지제.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 천연 다당류는 잔탄검, 구아검, 타라검, 타마린드검 및 로코스트 콩검으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 석탄의 자연발화 방지제.
  6. 제3항 또는 제4항에 따른 석탄의 자연발화 방지제를 물에 희석한 혼합액을 준비하는 제1단계; 및
    상기 혼합액을 석탄에 분사하는 제2단계를 포함하고,
    상기 제1단계에서는 석탄의 자연발화 방지제와 물을 1 : 100 ~ 2,500의 중량비율로 희석하는 것을 특징으로 하는 석탄의 자연발화 방지방법.
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