KR102433209B1 - 저탄장 자연발화 발생탄 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

실내저탄장에 고온으로 이미 발화가 개시된 석탄을 하역하는 과정에서 근본적으로 감지 및 소화하고 안정적인 저탄을 통해 자연발화 현상을 근본적으로 해결할 수 있는 저탄장 자연발화 발생탄 제어 시스템이 개시된다. 상기 저탄장 자연발화 발생탄 제어 시스템은, 저탄기의 석탄 배출기, 상기 석탄 배출기로부터 투하되는 석탄의 온도를 센싱하여 온도 정보를 생성하는 온도 측정계, 상기 온도 정보와 미리 설정되는 기준값을 비교하여, 상기 비교 결과에 따라 투하된 석탄에 소화액을 살포하도록 살포 제어 명령을 생성하는 중앙 제어 단말, 및 상기 살포 제어 명령에 따라 상기 소화액을 살포하는 분사 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

저탄장 자연발화 발생탄 제어 시스템 및 방법{System and Method of controlling spontaneous combustion coal at unload process in coal yard}
본 발명은 자연발화 발생탄의 제어 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 실내저탄장에 고온으로 이미 발화가 개시된 석탄을 하역하는 과정에서 근본적으로 감지 및 소화하고 안정적인 저탄을 통해 자연발화 현상을 근본적으로 해결하고 부가적인 문제를 일으키지 않는 저탄장 자연발화 발생탄 제어 시스템 및 방법에 대한 것이다.
석탄은 풍부한 매장량, 저렴한 가격, 공급원의 안정성 등으로 인해 전 세계적으로 화력 발전소의 근간이 되는 원료로서 사용되고 있다. 최근 전기차 등으로 인한 전기수요 증가, 원자력 발전의 위험성에 대한 우려 및/또는 국내 신재생 에너지 발전의 낮은 저변확대로 인해 전력원으로써 석탄화력의 비중이 증대되고 있는 실정이다.
이에 따라 석탄 수입량이 증가하고 있고 자연발화, 클링커 발생 및 구성성분 상의 문제점이 많은 저등급 석탄(low rank coal)의 수입비중과 수입량도 대폭 증가하고 있다.
500MW 표준석탄화력발전소의 경우 통상 연료탄을 1~3개월 저탄 후 사용하고 있는데 저탄장은 자연발화 문제와 더불어 야적된 석탄 중 일부 미분탄의 비산문제 등으로 인근 거주자들의 민원을 불러일으키는 주된 원인 중 하나이다.
또한, 신규 석탄화력발전소를 건설하는 경우 저탄장 건설을 위한 토지확보가 어려울 뿐만 아니라 인근 거주자와 환경단체와의 마찰 및 민원으로 신규 저탄장의 건설은 어려운 실정이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 신규 저탄장을 건설하는 경
우 옥내형(indoor)으로 건설하고 있으나, 옥내형 저탄장도 저급탄의 자연발화 문제를 원천적으로 방지하는 것은 불가능할 뿐만 아니라 일단 자연발화가 발생한 후에는 자연발화 관리 및 대응을 위한 작업이 더 곤란한 경우가 많다.
자연발화가 발생할 경우 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO), 수증기(H2O) 등의 주요 연소가스와 벤젠, 톨루엔, 아세트산 등 66종의 유기 화합물이 발생하여 주변환경 악화, 악취발생 증가로 인해 환경민원의 원인이 되고 있다.
에너지 수입국인 한국의 경우 공기 중으로 1.5∼5.8%의 열량 손실도 발전단가 상승 요인으로 작용하고 있다. 저등급 석탄(Low Rank Coal: LRC)은 토탄(peat)에서부터 아탄(brown coal), 갈탄(lignite), 아역청탄(sub-bituminous coal),역청탄(bituminous coal), 무연탄(anthracite) 등급으로 나누어지며 역청탄은 다시 저휘발분, 중휘발분, 고휘발분 역청탄으로, 그리고 무연탄은 반무연탄, 무연탄, Meta-무연탄과 흑연계 무연탄으로 나눈다.
이 중에서 저등급 석탄(LRC)은 아탄(brown coal)에서부터 아역청탄까지를 말하며 역청탄에서부터는 고등급 석탄(Hard Coal ; High Rank Coal)로 분류된다.
저급 아역청탄은 기공이 많고 가지 탄화수소(peripheral hydrocarbon: 휘발분)가 많아 수분의 흡-탈착에 의한 흡착열의 축적으로 온도 상승이 되고 휘발분 중의 상당량을 차지하고 있는 산화반응기들, Hydroxyl groups(-OH), Carboxy group(-COOH), Carbony group(-C=O)의 산화반응에 의해 기공내부의 온도를 상승시켜 자연발화의 원인이 되기도 한다.
석탄 화력 발전소의 자연발화 현상은 현재 저급탄 사용량 증가에 따라 연간 8,000∼10,000회 정도로 빈번하게 발생하고 있으며, 발화탄종비율이 56%이상으로 보고되고 있는 실정이다.
석탄이 자연 발화할 경우 석탄 자체의 열량손실(손실률 약 5.8% 이하) 뿐만 아니라 석탄의 발화시 발생하는 유해가스 및 흄(fume)으로 인한 저탄장 내의 작업환경 악화 및 이로 인한 주변지역의 민원을 야기한다.
또한, 열손실로 인한 연소장애를 유발하고 컨베이어 벨트를 이용한 운송 과정에서의 화재 및 미분기 계통에서의 분진폭발 등 설비의 대형 손상사고 위험성이 커지고 있어 이에 대한 대책 마련이 시급한 상황이다.
기존의 자연발화에 대한 대응책으로는 다음과 같이 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 첫 번째는 시멘트 고화제 및 고분자 경화제 등을 이용한 도포제 또는 살포제를 석탄더미에 도포/살포함으로써 수분 또는 대기 중 산소와의 접촉을 차단하는 방법이 있다.
두 번째는 건조한 석탄에 유분(oil)을 고온으로 흡착시키거나 압착 또는 성형을 통해 표면개질을 변형하는 방법이 있다. 그러나 첫번째 방법의 경우 강우, 강풍에 탈리되기 쉽게 수분과 산소의 침투현상을 원천적으로 차단하기 어려울 뿐만 아니라 보일러 내 투입시 미분 및 연소장애의 원인이 되기도 한다.
또한, 두 번째 방법은 저급탄의 표면개질을 변형하기 위해 너무 많은 에너지가 투입되기 때문에 경제성을 고려할 때 그리 효과적인 방법이 아니며 실제 석탄화력 발전소에 적용된 사례 또한 없다.
기존의 기술로는 압력용기 내에 250℃의 온도에서도 안정성이 있는 소결성 필터를 설치하여 더스트를 제거하여 발화를 억제하는 방식이 있다. 또한, 미분기의 입출구 부위 주변에 미분기 내부를 다수의 센서를 통하여 감시 가능하도록 구비함으로써 미분기 내부에서 발생하는 화재를 미연에 예방하는 시스템이 개시되어 있다. 또한, 미분기내에 설치되어 화재시 발생하는 연소 생성물(열, 불꽃에 의한 자외선, 적외선)의 고유의 광원 파장 대역 및 고유의 온도색상을 실시간으로 감시하여 화재를 경보화하는 방법이 개시되어 있다.
또한, 미분기내 순수 산소농도 레벨을 측정하여 그 지지신호를 설정하여 위험시 경보를 울리는 방재 시스템이 개시되어 있다. 또한, 야적장에 장시간 저장되는 석탄 더미의 표면온도를 자동으로 감지하여 그 내부에서의 자연발화를 사전에 방지할 수 있는 석탄 온도 자동 감지 시스템이 개시되어 있다.
또한, 밀폐형 저장고 내부에 설치되어 밀폐된 저장고 내에 적재된 원료 파일을 감시하는 적외선 카메라와 밀폐된 저장고 내부의 가스 성분을 감지하는 가스성분 감지센서, 화재 감지 시 소화용 유제를 분사하는 분사부를 설치하는 장치가 개시되어 있다.
그런데, 우리나라와 같이 석탄 자원이 거의 없는 경우 불가피하게 자연발화 및/또는 화재가 자주 발생하는 저급 석탄을 수입 사용하고 있다. 따라서, 대기확산이 어려워 질식 등 작업환경에 치명적인 원인을 제공하는 실내 저탄장 내에서 근본적으로 자연발화 및/또는 화재를 방지 할 수 있는 발명이 필요한 실정이다.
특히, 최근에는 동남아에서 수입하는 석탄이 큰 비중을 차지하고 있는데 봄철 미세먼지 특별 대책에 의해 석탄화력을 가동중지 시에는 채굴한 석탄을 운반선에 선적하기 전에 야적 보관하고 있다. 따라서, 야적 과정에서 이미 자연발화가 시작되어 운송선에서 화재가 일어나고 하탄 시 표면온도가 높고 화염을 보이는 석탄의 비중이 많이 증가하고 있다.
이미, 발화가 개시된 석탄의 경우 하역시 곧 바로 혹은 하역 후 1주일 이내에 자연발화가 발생하여 각종 문제를 일으키고 있다. 따라서, 근본적으로 자연발화가 개시된 탄을 하역 저탄하는 과정에서 소화를 통한 자연발화 방법이 절실하다.
또한, 실내 저탄장 내에서 자연발화 및 화재 발생시 유제 및 이산화탄소 등의 소화기로는 화재 진압이 어려우며, 현재 포크레인으로 발화탄을 옮겨 블도져로 압착작업을 통해 불을 끈 후 상탄하고 있다.
따라서, 실내 저탄장에 고온으로 이미 발화가 개시된 석탄을 하역하는 과정에서 근본적으로 소화하고 안정적인 저탄을 통해 자연발화 현상을 근본적으로 해결하고 상기의 방법들과 같이 부가적인 문제를 발생시키지 않는 효과적인 자연발화 방지대책이 절대적으로 필요하다.
또한, 기존에는 자연발화 대책으로 주로 도포제 또는 살포제를 석탄더미 표면부에 도포/살포하는 방법이 주로 적용되고 있고, 추가적으로 석탄의 표면개질을 변형하는 방법 등이 제안되어 있는 실정이다. 그러나 이들 방법은 컨베이어 벨트, 석탄silo 및 미분기 등 석탄이송 및 저장설비에 문제를 일으킬 가능성이 크고 미연분 발생, 보일러 노내 연소장애 등의 원인이 되기도 한다.
또한, 석탄표면의 개질을 변형하는 방법은 자연발화 방지 효과를 얻기 위해 너무 많은 에너지가 소요되고 추가적인 설비가 필요로 하여 자연발화 방지효과 대비 소요비용이 크기 때문에 낮은 경제성으로 인해 석탄 화력 발전소 현장에 적용된 사례가 전무하다는 문제점이 있다.
1. 한국등록특허 제10-0799294호(등록 일자: 2008.1.23)
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 실내저탄장에 고온으로 이미 발화가 개시된 석탄을 하역하는 과정에서 근본적으로 감지 및 소화하고 안정적인 저탄을 통해 자연발화 현상을 근본적으로 해결할 수 있는 저탄장 자연발화 발생탄 제어 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 부가적인 문제를 일으키지 않는 저탄장 자연발화 발생탄 제어 시스템 및 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 실내저탄장에 고온으로 이미 발화가 개시된 석탄을 하역하는 과정에서 근본적으로 소화하고 안정적인 저탄을 통해 자연발화 현상을 근본적으로 해결할 수 있는 저탄장 자연발화 발생탄 제어 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 저탄장 자연발화 발생탄 제어 시스템은,
저탄기의 석탄 배출기;
상기 석탄 배출기로부터 투하되는 석탄의 온도를 센싱하여 온도 정보를 생성하는 온도 측정계;
상기 온도 정보와 미리 설정되는 기준값을 비교하여, 상기 비교 결과에 따라 투하된 석탄에 소화액을 살포하도록 살포 제어 명령을 생성하는 중앙 제어 단말; 및
상기 살포 제어 명령에 따라 상기 소화액을 살포하는 분사 장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 분사 장치는, 각도 조절이 가능한 다수의 분사 노즐을 갖는 분사 노즐기; 및 상기 분사 노즐기에 상기 소화액을 공급하는 구동 펌프;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 석탄 배출기의 이동에 따라 상기 온도 측정계의 배열이 다른 방향으로 이동되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 분사 노즐기는 분사압력이 7∼10kgf/㎠ 범위로 유지될 수 있도록 지표면 기준으로 상부로 5∼60°의 기울기를 갖는 분사를 실행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 지표면을 기준으로 경사면의 바닥에서 경사면 1/3지점까지 분사를 위해서 상기 기울기는 5∼20°이고, 경사면 1/3지점부터 2/3지점까지 분사를 위해서는 기울기는 20∼40°이고, 경사면 2/3지점부터 정상부까지 분사하기 위해서는 기울기가 40∼65°인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 분사 노즐기는 상기 온도 측정계의 중심축을 따라 자동 이동되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 분사 노즐기는, 분사 노즐; 상기 분사 노즐을 지지하는 각도 조절 플레이트; 상기 각도 조절 플레이트에 연결되는 위치 조절 볼 스크류; 및 상기 위치 조절 볼 스크류를 회전시키는 모터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구동 펌프 및 모터는 동시에 동작되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 분사 장치는, 상기 분사 노즐에 유입되는 상기 소화액의 유량을 계측하는 유량계; 및 상기 분사 노즐에 공급되는 압력을 계측하는 압력계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 소화액과 하탄 석탄량의 비율을 나타내는 액고비는 0.04∼0.08ℓ소화수/kg 하탄 석탄인 것을 특징으로 한다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, (a) 온도 측정계가 저탄기의 석탄 배출기로부터 투하되는 석탄의 온도를 센싱하여 온도 정보를 생성하는 단계; (b) 중앙 제어 단말이 상기 온도 정보와 미리 설정되는 기준값을 비교하여, 상기 비교 결과에 따라 투하된 석탄에 소화액을 살포하도록 살포 제어 명령을 생성하는 단계; 및 (c) 분사 장치가 상기 살포 제어 명령에 따라 상기 소화액을 살포하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 저탄장 자연발화 발생탄 제어 방법을 제공한다.
또 다른 한편으로, 본 발명의 또 다른 일실시예는, 위에서 기술된 저탄장 자연발화 발생탄 제어 방법을 실행시키기 위한 프로그램 코드를 저장한 컴퓨터 판독 가능 저장 매체를 제공한다.
본 발명에 따르면, 발화가 발생한 석탄은 하역하면서 원천적으로 발화여부를 감지하고 노즐 기울기 조절 및 선택적 소화를 통해 냉각효과를 가지면서 저탄 시 탄산칼슘의 흡열 및 비누화반응으로 생성된 단단한 칼슘염 막을 형성시켜 석탄 표면의 산소 접촉을 차단하여 자연발화 현상을 효과적으로 방지 및/또는 억제할 수 있다.
또한, 부수적으로 탄산칼슘의 부산물인 칼슘염(Ca-(O-CO-CH2)2)은 보일러에 연소시 노내 탈황 효율향상 및 온실가스 배출저감 등의 효과 또한 얻을 수 있어 친환경 발전산업 및 청정 석탄 화력 발전소의 구현이 가능하다는 점을 들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 옥내형 저탄장의 구조도이다.
도 2는 도 1에 도시된 석탄 배출구의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 저탄장 자연발화 발생탄 제어 시스템의 구성 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 저탄장 자연발화 발생탄 제어 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 발화탄 감지, 소화액 구동 펌프와 노즐의 분사 작동을 보여주는 개념도이다.
도 6은 도 3에 도시된 중앙 제어 단말의 구성 블럭도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 실내저탄장 구조 및 발화온도 감지의 입체도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 실내저탄장 저탄기 발화온도 감지 및 노즐분사 개념도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 소화제 분사노즐 압력별 소화탄의 온도변화를 보여주는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 온도와 자연발열지수간 관계를 보여주는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 소화제 분사노즐 압력별 석탄 하탄량 대비 소화액부피의 액고비 변화를 보여주는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 노즐 기울기 20°에서 소화수 분사 시 하역탄의 야적기간 및 위치별 온도변화를 보여주는 표이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 노즐 기울기 40°에서 소화수 분사 시 하역탄의 야적기간 및 위치별 온도변화를 보여주는 표이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 노즐 기울기 60°에서 소화수 분사 시 하역탄의 야적기간 및 위치별 온도변화를 보여주는 표이다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 소화수 노즐 기울기 및 경사면 높이별 깊이 50cm온도센서에서 온도측정 결과를 보여주는 그래프이다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 소화탄 석탄더미의 저탄기간별 온도측정용 온도센서 설치도를 보여주는 그래프이다.
도 17은 도 12에 따른 노즐 기울기 20°에서 분사 소화탄의 저탄기간별 온도측정결과를 보여주는 그래프이다.
도 18은 도 13에 따른 노즐 기울기 40°에서 분사 소화탄의 저탄기간별 온도측정결과를 보여주는 그래프이다.
도 19는 도 14에 따른 노즐 기울기 50°에서 분사 소화탄의 저탄기간별 온도측정결과를 보여주는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다. 제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 저탄장 자연발화 발생탄 제어 시스템 및 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
일반적으로 물은 1kg당 639kcal의 열량을 냉각할 수 있는 가장 좋은 소화제이자 냉각제이다. 석탄의 발화손실 총 열량이 5,400kcal/kg의 1.5∼5.85%인 80~320kcal/kg로 알려져 있지만 석탄이 화염이 생기기 전에 200℃이하에서 발화개시 하자마자 곧바로 소화한다면 30kcal/kg정도로 낮은 열량 손실을 보는 것으로 알려져 있다.
물은 친수성(Hydrophilic)으로 대부분의 화재에는 효율적인 냉각소화가 가능하지만 소수성(Hydrophobic)인 석탄 및 기름성분과는 젖음성, 접촉성이 낮아 석탄표면과 접촉하지 않고 물이 튀거나 그냥 흘러가므로 냉각효과를 가질 수 없기 때문에 사용하지 않고 있다.
물론, 계면 활성제 및 유기 첨가제를 첨가하여 기름과의 젖음성을 증가시키기도 하지만, 사용상 유기 화합물 등 유독가스 발생으로 사용을 기피하고 있다. 따라서, 작업상 유독성이 거의 없고 화력 발전소 보일러 배출가스 중 미세먼지 전구물질(SO2)의 탈황제로 사용하는 탄산칼슘을 소량 용해한 소화액을 이용하여 강제 접촉식 방법으로 젖음성을 향상시킬 수 있다.
이와 같이 석탄을 대규모로 취급 및 저장하는 저탄장의 자연발화 현상을 효과적으로 방지 및/또는 억제하기 위하여 발화 발생탄을 하역 및 저장할 때 탄산칼슘 소화수를 이용해 석탄표면의 열을 흡수하고 석탄표면의 막을 형성하여 산소흡수를 방지하는 방법, 친수성(Hydrophilic)의 탄산칼슘 소화수를 소수성(Hydrophobic)의 고온의 석탄표면과 효율적으로 접촉시키고 젖음성을 증가시키기 위한 소화방법을 고안할 수 있다.
첫 번째, 석탄의 수입과정에서 이미 자연발화가 발생하여 표면온도가 80∼200℃인 석탄의 표면은 65℃이하로 소화를 통해 하탄 및 저장해야 자연발화 발생을 억제할 수 있다.
표면온도가 높은 석탄 표면의 열과 이산화탄소를 흡수하기 위해 3~9mg CaCO3/1L H2O 소화수를 사용하여 석탄표면의 열을 흡수하면서 배가스인 이산화탄소(CO2)와 반응하여 중탄산칼슘(Ca(HCO3)2)을 형성하고 석탄표면의 기름성분((H-O-CO-CH2)n)과의 비누화 반응을 통해 석탄 표면에 단단한 칼슘염(Ca-(O-CO-CH2)2)막을 형성시켜 석탄표면과 산소와의 접촉을 차단시켜 자연발화의 진행을 억제할 수 있다.
CaCO3 + CO2 + H2O + Heat → Ca(HCO3)2 <석탄표면 발화가스 및 열의 흡수반응>
Ca(HCO3)2 + (H-O-CO-CH2)n(석탄 표면성분)
→ Ca-(O-CO-CH2)2 + CO2 + H2O <비누화 반응>
특히, 비누화된 결합물(Ca-(O-CO-CH2)2)은 보일러에서 재연소시 보일러에서 발생하는 미세먼지 전구물질(SO2)와 반응하여 석고를 생성하므로 탈황 첨가제로 작용하므로 매우 유익하다.
Ca-(O-CO-CH2)2 + SO2 + O2 → CaSO4 + H2O + CO2
두 번째, 석탄의 표면은 소수성(Hydrophobic)이어서 물과는 젖지 않고 반응이 되지 않아 강제 접촉 방식을 채용하여 석탄의 표면접촉 빈도 및 젖음성 증가를 위해 분사압력이 7∼10kgf/㎠ 범위로 유지될 수 있는 노즐을 지표면 기준으로 상부로 5∼20°기울어진 분사를 통해 통상 자연발화가 발생하는 위치인 바닥으로부터 경사면 1/3지점에 쌓이는 조립분 석탄 표면과의 고른 접촉 및 젖음을 유도하여 표면의 열을 흡수하여 80∼200℃의 석탄 표면온도를 65℃이하로 냉각시키도록 구성할 수 있다.
세 번째, 저탄기에는 적외선 온도 측정기가 배치되어 저탄기의 이동에 따라 배열이 달라지면 소화수 분사노즐이 자동으로 적외선 온도 측정기 중심축을 따라 자동 이동하도록 구성하여, 80℃ 이상의 발화 개시탄이 하역시 자동으로 분사되도록 구성할 수 있다. 소화액과 하탄 석탄량의 비율을 나타내는 액고비는 0.04∼0.08ℓ소화수/kg 하탄 coal로 운전하도록 구성하며, 80℃미만의 석탄이 하탄 되면 자동으로 가동을 중지하는 온-오프(On-off) 방법을 통해 효과적인 발화개시 고온석탄의 소화를 통해 발화를 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 옥내형 저탄장(100)의 구조도이다. 특히, 도 1은 최근 석탄 화력 발전소에서 건설 및 운영하고 있는 옥내형 저탄장의 구조도이다. 옥내형 저탄장(100)은 기본적으로 지면(10)상에 지붕(20)이 설치되고, 이 지붕(20) 내에 세로방향의 장축 격벽(111)과 가로방향의 단축 격벽(110)으로 구분되어 있고 격벽들로 구분된 각 구획마다 원하는 석탄(150)을 저장할 수 있다.
또한, 석탄 이송용 컨베이어부(130)가 장축 격벽(111)과 동일한 방향으로 설치되어 있어 리클레이머(140)의 석탄 채취부(141))가 컨베이어 벨트(131)측으로 석탄(150)을 밀어내면 컨베이어 롤러(132)에 의해 이동하는 컨베이어 벨트(131)가 석탄을 미분기 저장고(silo)로 이송하게 된다.
하역시 발화 개시탄의 온도를 측정하는 온도 측정계(121)는 석탄 배출기(120)에 설치되어 있으며, 온도 측정계(121)에서 감지된 데이터를 무선으로 받아 소화수를 분사하는 분사 장치(160)는 컨베이어 벨트(130)와 옥내용 저탄장 리클레이머(140)의 사이에 배치된다. 온도 측정계(121)는 다수 개가 일정간격으로 설치되며, 주로 적외선 온도 센서가 될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 석탄 배출기(120)의 단면도이다. 도 2를 참조하면, 석탄 배출기(120)는 하부 깔대기형으로 구성되어 있다. 외부측에는 하부로 배출되는 석탄의 온도를 측정하는 제 1 및 제 2 적외선 온도 측정기(221,222)가 배치되며, 석탄 배출기(120)는 배관형이다. 외측 지지대(290)는 메쉬형으로 지지대 역할만 하고 있다.
실내 저탄장의 상부의 석탄 운송 벨트에 실려 있는 석탄은 저탄기의 석탄 배출기(120)를 통해 실내 저탄장에 하탄이 이루어진다. 석탄의 하탄시 석탄 배출기(120)와 연결된 하부 외측의 제 1 및 제 2 적외선 온도 측정기(221,222)가 자동 가동된다. 물론, 제 1 및 제 2 적외선 온도 측정기(221,222)는 통칭하여 온도 측정계(121)가 된다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 저탄장 자연발화 발생탄 제어 시스템(300)의 구성 블럭도이다. 도 3을 참조하면, 저탄장 자연발화 발생탄 제어 시스템(300)은, 석탄 배출기(120), 온도 측정계(121), 중앙 제어 단말(310), 분사 장치(160) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
석탄 배출기(120)는 석탄을 실내 저탄장으로 아래방향으로 투하(즉 하탄)하는 기능을 수행한다.
온도 측정계(121)는 하탄되는 석탄의 온도를 센싱하여 온도 정보를 생성한다. 따라서, 온도 측정계(121)는 적외선 온도 센서가 사용될 수 있다.
중앙 제어 단말(310)은 통신 장치(301)를 통해 온도 측정계(121)와 연결된다. 물론, 통신 장치(301)는 통신망을 통해 온도 측정계(121)와 중앙 제어 단말(310)을 연결한다. 이때 통신망은 IrDA(Infrared Data) 통신, 무선 랜(Local Area Network), 블루투쓰, LiFi(Light Fidelity), WiFi(Wireless Fidelity), NFC(Near Field Control) 등 과 같은 무선 통신망이 이용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, S232, RS485, 모드 버스, CC-Link 통신, 이더넷 통신 등이 될 수 있 수 있다. 물론, 이외에도 공중교환 전화망(PSTN), 공중교환 데이터망(PSDN), 종합정보통신망(ISDN: Integrated Services Digital Networks), 광대역 종합 정보 통신망(BISDN: Broadband ISDN), 근거리 통신망(LAN: Local Area Network), 대도시 지역망(MAN: Metropolitan Area Network), 광역 통신망(WLAN: Wide LAN) 등이 될 수도 있다.
중앙 제어 단말(310)은 서버, 퍼스널 컴퓨터, 노트북 등이 될 수 있다.
분사 장치(160)는 구동 펌프(320), 분사 노즐기(330), 소화액 공급기(340) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 구동 펌프(320)는 소화액 탱크(340)로부터 소화액을 공급받아 분사 노즐기(330)에 공급하는 기능을 수행한다.
분사 노즐기(330)는 각도 조절이 가능한 다수의 분사 노즐을 갖는다. 소화액 공급부(340)는 소화액을 저장하는 기능을 수행한다. 소화액으로는 탄산칼슘, 탄산 마그네슘 등이 될 수 있다.
따라서, 실내 저탄장의 상부의 석탄 운송 벨트에 실려 있는 석탄은 저탄기의 석탄 배출기(120)를 통해 실내 저탄장에 하탄이 이루어진다. 석탄의 하탄시 석탄배출기(120)와 연결된 하부 외측의 온도 측정계(121)가 자동 가동되고, 온도 측정계(121)가 80℃이상의 표면온도 석탄을 감지하면, 통신 장치(301)가 온도 정보를 중앙 제어 단말(310)측으로 송신한다.
신호를 받은 중앙 제어 단말(310)은 구동 펌프(320)를 구동하도록 하며, 소화액 공급부(340)에서 구동 펌프(320)를 통해 분사 노즐기(330)가 가동되며, 석탄 표면의 온도가 80℃ 미만으로 하탄 시에는 구동 펌프(320)를 가동하지 않도록 구성된다.
발화 개시탄의 온도감지는 저탄기의 석탄 배출기(120)의 외측에 배치된 온도 측정계(121)에 의해 수행된다. 따라서, 온도 측정계(121)의 배열(350)은 저탄기의 이동에 따라 달라지게 되어 온도 측정계(121)의 배열이 다른 방향(a,b,c,d,e,f,g 중 하나)로 이동하면 온도 측정계(121)가 통신 장치(301)를 통해 중앙 제어 단말(310)에 신호를 주어 분사 노즐기(330)가 온도 측정계(121)의 배열 중심축으로 자동 이동하도록 구성된다.
저탄장의 발화 개시탄 하역시 발화개시간의 온도가 80℃이상이면 자동분사되고 80℃ 미만이면 자동 OFF되는 on-off 시스템이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 저탄장 자연발화 발생탄 제어 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 4를 참조하면, 온도 측정계(121))에서 저탄기의 위치별 배열에 따른 하탄되는 석탄의 표면온도를 측정되어 80℃이상의 온도가 감지되면 통신 장치(301)는 신호를 받아 중앙 제어 단말(310)에 전송한다(단계 S410,S420,S430,S440).
이후, 중앙 제어 단말(310)은 구동 펌프(320)와 분사 노즐기(330)를 가동하도록 신호를 주며, 중앙 제어 단말(310)은 분사 장치(160)에 전원을 공급한다(단계 S461).
분사 장치(160)의 구동 펌프(320)에 전원이 공급되면 소화액 공급부(340)의 소화액이 소화액 흡입 합류관(미도시)으로 흡입되며, 흡입량 조절밸브(미도시)를 통해 소화액 구동펌프(320)로 흡입된다(단계 S462, S471, S472,S473).
흡입 합류관에 흡입된 소화액은 펌프 유량 조절 밸브(미도시)를 통해 토출합류관(미도시)으로 유입되며, 소화액 펌프 유량 조절밸브(미도시)의 개도 조절을 통해 분사 노즐기(330)에 공급되는 압력을 조절할 수 있다(단계 S463).
토출 합류관(미도시)에 유입된 소화액은 유량계(미도시) 및 압력계(미도시)를 통해 분사 노즐기(320)로 소화액을 하탄되는 석탄표면에 분사된다(단계 S464,S465).
분사 노즐기(330)에 유입되는 소화수 유량은 유량계(미도시)로 계측되며, 분사 노즐기(330)에 공급되는 압력은 압력계(미도시)로 계측된다. 즉, 소화액 펌프 유량 조절 밸브(미도시)의 개도 조절을 통해 분사 노즐기(330)의 노즐에 공급되는 압력을 조절할 수 있도록 구성되어 있다.
한편, 중앙 제어 단말(310)은 구동 펌프(320)에 전원공급과 동시에 모터(미도시)를 구동하여, 온도 측정계(121)의 배열(350)의 중심축을 따라 움직이도록 분사 노즐기(330)의 노즐의 위치를 밀고 당기는 위치 조절 볼 스크류(미도시)를 구동하여 좌우로 이동할 수 있도록 구성된다.
이를 위해, 노즐의 경사면 분사각을 조절하는 각도 조절 플레이트(미도시) 및 위치 조절 볼 스크류(미도시)를 구동하는 모터(미도시)가 구성된다. 따라서, 우회전시 각도 조절 플레이트를 밀어 노즐의 회전각을 상부로 증가시키고 좌회전시 각조 조절 플레이트를 당기게 되면, 지표면 노즐 지지대(미도시)와 노즐 분사측에 연결된 스프링(탄성체)에 의해 노즐 회전각은 수직방향으로 돌아오도록 구성된다.
한편, 바닥 지표면을 기준으로 저탄 경사면으로의 기울기는 수시로 조절 가능하도록 구성될 수 있다.
따라서, 위치 조절 볼 스크류(미도시)를 모터(미도시)에 의해 회전시킴으로써 각도 조절 플레이트가 움직이게 됨으로, 노즐의 위치를 좌우로 이동시킬 수 있다. 이러한 구조에 대해서는 널리 알려져 있음으로 더 이상의 설명은 생략하기로 한다. 노즐이 좌측 혹은 우측으로 이동하여 노즐 분사의 위치를 온도 측정계(121)의 배열에 맞게 조절하도록 구성할 수 있다(단계 S451,S452,S453,S454).
부연하면, 중앙 제어 단말(310)은 구동 펌프(320)에 전원공급과 동시에 모터(미도시)를 구동한다.
한편, 위치 조절 볼 스크류, 모터, 각도 조절 플레이트는 회전 수단이 된다. 물론, 이러한 회전 수단은 솔레이노드 밸브를 이용하는 것도 가능하다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 발화탄 감지, 구동 펌프(320)와 노즐(501)의 분사 작동을 보여주는 개념도이다. 도 5를 참조하면, 저탄기의 외측에 부착된 온도 측정계(121)는 저탄구의 이동에 따라 배열(a,b,c,d,e,f)가 달라지게 된다. 석탄 배출기(120)의 온도 측정계(121)의 하역위치(a,b,c,d,e,f)에 따라 분사노즐(501)은 회전한다. 또한, 온도 측정계(121)에 의해 측정된 온도가 80℃ 이상이면 통신 장치(531,532) 및 중앙 제어 단말(310)의 신호를 받아 소화액 구동 펌프(320)와 소화액 분사 노즐(501)이 가동되도록 구성된다.
분사 노즐(501)은 각도 조절 플레이트(502)에 의해 지지되며, 상기 각도 조절 플레이트(502)는 위치 조절 볼 스크류(503)에 연결된다. 또한, 상기 위치 조절 볼 스크류(503)를 회전시키는 모터(504)가 구성된다.
분사 노즐(501)에 유입되는 소화액의 유량은 유량계(510)으로 계측되며, 분사 노즐(501)에 공급되는 압력은 압력계(520)로 계측된다. 즉, 소화액 펌프 유량 조절 밸브(미도시)의 개도 조절을 통해 분사 노즐(501)의 노즐에 공급되는 압력을 조절할 수 있다.
또한, 중앙 제어 단말(310)에는 무선 통신을 위한 무선 통신 회로(540)가 구성될 수 있다. 물론, 중앙 제어 단말(310)은 유선 통신을 위한 모뎀 등을 포함하여 구성될 수 있다.
제 1 및 제 2 통신 장치(531,532)는 유/무선 송수신기(미도시), 마이크로프로세서, 메모리, 디스플레이 등으로 구성된다. 디스플레이는 LCD(Liquid Crystal Display), LED(Light Emitting Diode) 디스플레이, PDP(Plasma Display Panel), OLED(Organic LED) 디스플레이, 터치 스크린, CRT(Cathode Ray Tube), 플렉시블 디스플레이 등이 될 수 있다.
도 6은 도 3에 도시된 중앙 제어 단말(310)의 구성 블럭도이다. 도 6을 참조하면, 중앙 제어 단말(310)은 입력부(610), 계산부(620), 제어부(630), 출력부(640) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 도 6을 참조하면, 입력부(610)는 통신 장치(301,531,532), 온도 측정계(121), 압력계(520), 유량계(510) 등으로부터 생성된 정보를 취합 수신하는 기능을 수행한다. 물론, 입력부(610)는 온도 측정계(121), 압력계(520), 유량계(510)에 직접 연결될 수도 있고, 통신 장치(301,531,532)에만 연결될 수도 있다. 따라서, 입력부(610)에는 DSP(Digital signal processor), 통신 회로, 메모리 등이 구성될 수 있다.
계산부(620)는 온도 측정계(121), 압력계(520), 유량계(510) 등에 의해 계측되는 계측 정보를 이용하여 측정값을 산출하는 기능을 수행한다. 또한, 온도 정보를 모니터링하여 온도 정보와 미리 설정되는 기준값을 비교하는 기능을 수행한다. 물론, 계측된 압력, 유량을 미리 설정되는 설정값과 비교하는 기능을 수행한다.
제어부(630)는 계산부(620)에 생성되는 비교 결과에 따라 제어 명령을 생성하여, 이를 분사 장치(160), 통신 장치(301,531,532)에 전송하여 제어하는 기능을 수행한다.
출력부(640)는 계산부(620), 분석부(630) 등에서 처리하는 정보를 표시하는 기능을 수행한다. 따라서, 출력부(640)는 문자, 음성, 및 그래픽의 조합으로 알림 정보를 생성할 수 있다. 이를 위해 출력부(640)는 디스플레이, 사운드 시스템 등을 포함하여 구성될 수 있다.
디스플레이는 LCD(Liquid Crystal Display), LED(Light Emitting Diode) 디스플레이, PDP(Plasma Display Panel), OLED(Organic LED) 디스플레이, 터치 스크린, CRT(Cathode Ray Tube), 플렉시블 디스플레이 등이 될 수 있다. 터치 스크린의 경우, 입력 수단으로 기능할 수 있다.
도 6에 도시된 계산부(620), 분석부(630)는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 소프트웨어 및/또는 하드웨어로 구현될 수 있다. 하드웨어 구현에 있어, 상술한 기능을 수행하기 위해 디자인된 ASIC(application specific integrated circuit), DSP(digital signal processing), PLD(programmable logic device), FPGA(field programmable gate array), 프로세서, 마이크로프로세서, 다른 전자 유닛 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 소프트웨어 구현에 있어, 소프트웨어 구성 컴포넌트(요소), 객체 지향 소프트웨어 구성 컴포넌트, 클래스 구성 컴포넌트 및 작업 구성 컴포넌트, 프로세스, 기능, 속성, 절차, 서브 루틴, 프로그램 코드의 세그먼트, 드라이버, 펌웨어, 마이크로 코드, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조, 테이블, 배열 및 변수를 포함할 수 있다. 소프트웨어, 데이터 등은 메모리에 저장될 수 있고, 프로세서에 의해 실행된다. 메모리나 프로세서는 당업자에게 잘 알려진 다양한 수단을 채용할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 실내저탄장 구조 및 발화온도 감지의 입체도이다. 도 7을 참조하면, 실내 저탄장의 격벽으로 구분된 1개 블록의 입체도이다. 1개의 블록은 L(가로),W(폭), 높이(H)가 13m x 16m x 12m의 체적을 갖는다. 저탄기와 저탄기 외측에 부착된 온도 계측계(121)의 이동에 따라 달라지는 하역 위치 배열(a,b,c,d,e,f,g)에 따라 소화수 분사 장치가 구성된다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 실내저탄장 저탄기 발화온도 감지 및 노즐분사 개념도이다. 도 8을 참조하면, 분사 노즐기의 분사 노즐(도 5의 501)은 온도 측정계 배열(a,b,c,d,e,f,g)에 따라 회전하도록 구성되며, 지표면을 기준으로 경사면으로의 기울기(5~20°)를 조절하도록 구성한다. 즉, 분사 노즐기는 발화탄의 하역위치(a,b,c,d,e,fg)에 초점을 맞추어 좌우로 이동하여 분사 노즐(501)의 위치(910a,910b,910c,910d,910e,910f,910g)를 변경하도록 구성된다.
분사각은 지표면을 기준으로 경사면의 바닥에서 경사면 1/3지점까지 분사시에는 기울기를 5∼20°, 경사면 1/3지점부터 2/3지점까지 분사를 위해서는 기울기 20∼40°, 경사면 2/3지점부터 정상부까지 분사하기 위해서는 기울기40∼65°로 조절하도록 구성된다. 감지되는 석탄의 위치 배열 및 석탄표면 온도에 따른 노즐의 기울기 및 회절각도도 조절된다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 소화제 분사노즐 압력별 소화탄의 온도변화를 보여주는 그래프이다. 도 9를 참조하면, 5mg CaCO3/1L H2O 소화수를 지표면 기준 상부 수직축으로 노즐 기울기 15°로 석탄의 하탄량은 일정하며, 석탄의 분사위치 배열(d)인 경우 지표면 기준 수평축으로 회절각 90°에서의 노즐의 분사압력, 즉 소화수와 하탄 석탄량과의 액고비에 따른 석탄표면 온도변화를 측정한 결과이다.
136℃ 석탄을 하탄시키면서 분사 노즐(도 5의 501)의 구동에 따른 구동 펌프(도 3의 320)의 압력에 따른 실험결과로서 136℃이상 석탄의 경우 7kgf/㎠ 압력(0.04ℓ소화수/kg 하탄 석탄)으로 가동시부터 표면온도가 60℃이하로 냉각되었으며, 10kgf/㎠압력(0.08ℓ소화수/kg 하탄 석탄)범위까지 온도가 냉각되는 반면 11kgf/㎠이상에서는 냉각속도가 향상되지 않았다.
이와 같이 7∼11kg/㎠ 범위의 탄산칼슘 소화수를 고압 분사하여 최적 0.04∼0.08ℓ탄산칼슘 소화수/kg 하탄 석탄의 액고비의 범위로 작동하여 석탄표면의 소수성을 물리적으로 극복하고 접촉빈도 증가 및 젖음성 향상을 통한 냉각효과가 높은 것으로 나타났다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 온도와 자연발열간 관계를 보여주는 그래프이다. 도 10을 참조하면, 온도와 자연발열간 관계에 따라 석탄별 발화지수 등급이 산출된다. 이를 표로 나타내면 다음과 같다.
Rank 자연발열성 T180 SCI
A 발열 어려움 >115 <2
B 보통 85-115 2-4
C 주의 70-85 4-8
D 위험 50-70 8-20
E 단기간에 발열 <50 >20
석탄 물성과의 상관관계에 대한 예측 지표로서 다음과 같은 Spontaneous Combustion 지수(SCI)는 다음과 같이 구할 수 있다.
Figure 112020057563248-pat00001
실시탄의 발열량, 공업분석 및 원소분석 결과를 보면 다음 표와 같다.
Figure 112020057563248-pat00002
따라서, SCI 지수로 환산하였을 때 20 이상이면 단기간에 발열, 8-20은 위험, 2이하면 발열이 어려운 탄종에 해당한다. 여기서, HHV는 High Heating Value이고, M은 수분(Moisture)이고, FC는 고정 탄소(Fixed Carbon)이고, VM은 휘발분(Volatile Matter)이고, Ash는 회분이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 소화제 분사노즐 압력별 석탄 하탄량 대비 소화액부피의 액고비 변화를 보여주는 그래프이다. 도 11을 참조하면, 분사노즐 가동 시 최적 소화효율 압력범위인 7∼11kgf/㎠에서는 0.04 ∼0.08 L 소화수/kg 하탄 석탄량의 액고비로 나타났다.
실시예 1(발화 발생탄 소화 특성 평가)
실시예 1은 빌전 5사에서 자연발화가 매우 심한 것으로 알려져 있는 인도네시아에서 수입한 아역청 SM탄을 대상탄으로 하였다. 표 2에 도시된 바와 같이, SM탄은 휘발분이 44.17%로 매우 높고, 원소분석상 산소관능기의 구성성분인 산소농도가 21.54%로 높아 발화 발생 빈도가 높은 석탄이다.
상세한 설비별 규격은 다음과 같다.
○ 석탄 배출구 : 직경 1m
○ 석탄 배출구 : 하역용량 100 ton/hr
○ 탄산칼슘 탱크 용량 : 1,000톤
○ 탄산칼슘 농도 : 1.0∼11.0 mgCaCO3/1L H2O
○ 적외선 온도 측정기 : 최대 감지온도 400℃
○ 소화액 펌프 : 최대 토출압력 13kgf/㎠ (댐퍼 가변용)
○ 노즐 : Throat 직경 5cm
○ 액고비 : 0.01∼0.08ℓ소화수/kg 하탄 석탄
탄산칼슘(CaCO3)은 실온의 물에 대한 용해도는 15.0mgCaCO3/1L H2O이하로 매우 낮아 실시예1에서는 지표면 기준 상부수직으로 기울기 20°인 노즐 가동, 액고비 0.08ℓ소화수/kg 석탄, 분사압력 7kgf/㎠에서 탄산칼슘 소화액의 농도를 1.0∼11.0mgCaCO3/1L H2O범위로 10mgCaCO3/1L H2O 간격별 변화시키면서 발화발생탄의 최초 최대온도 136℃에서 냉각 및 소화 효과를 측정한 결과 아래 표와 같다. 아래 표와 같이 136℃이상 표면온도가 올라간 발화개시탄을 탄산칼슘 농도를 11.0mgCaCO3/1L H2O까지 증가시킬 경우 45℃로 냉각되며, 탄산칼슘의 농도가 증가할수록 냉각소화효율이 증가하는 것으로 나타났으며, 목표범위인 65℃까지 냉각소화시키기 위해서는 발화발생탄의 소화제로서 탄산칼슘의 농도는 매우 낮은 농도범위인 3.0∼9.0mgCaCO3/1L H2O가 최적인 것으로 확인된다.
Figure 112020057563248-pat00003
기준은 7kgf/cm2이다.
아래 표 및 도 9는 소화제 분사노즐 압력별 소화탄의 온도변화이다. 탄산칼슘 농도를 최적범위인 5mg CaCO3/1L H2O 소화수를 노즐 기울기 20°로 석탄의 하탄량을 일정하며, 분사 노즐의 분사압력, 즉 소화수와 하탄 석탄량과의 액고비에 따른 석탄표면 온도변화를 측정한 결과이다. 136℃ 석탄을 하탄 시키면서 분사 노즐의 구동에 따른 구동펌프의 압력에 따른 실험결과로서 표면온도 136℃이상 석탄의 경우 노즐 압력 7kgf/㎠ 압력(0.04ℓ소화수/kg 하탄 석탄)으로 가동 시부터 표면온도가 60℃이하로 냉각되었으며, 10kgf/㎠ 압력(0.08ℓ소화수/kg 하탄 석탄)범위까지온도가 냉각되는 반면 12kgf/㎠이상에서는 냉각속도가 일정해지는 것으로 나타났다.
Figure 112020057563248-pat00004
기준은 5.0 mgCaCO3/1L H2O이다.
이와 같이, 석탄의 표면은 소수성이어서 9∼11kg/㎠ 압력범위의 탄산칼슘 소화수에서는 소수성을 극복하고, 젖음성 향상을 통한 냉각소화 효과가 높은 것으로 나타났다. 즉, 분사압력이 증가할수록 흡입되는 소화수의 양이 증가하여 석탄 하탄량 대비 소화수량인 액고비도 변화하므로 최적 액고비는 0.056∼0.08ℓ소화수/kg 하탄 석탄범위인 것으로 확인되었다.
소화제 분사노즐 압력별 하탄량 대비 소화탄액 분사량 비율(액고비)의 변화는 도 11과 같다. 분사노즐 가동 시 최적 소화효율 압력범위인 9∼11kgf/㎠에서는 0.056 ∼0.08 ℓ 소화수/kg 하탄 석탄량의 액고비로 나타났다. 표면온도 136℃ 석탄의 노즐압력 10kgf/㎠, 노즐기울기별 소화탄 온도변화는 도 15와 같다. 탈휘발화 이상의 표면온도를 갖는 136℃ 석탄의 경우 노즐 기울기 10°에서 60℃까지 석탄의 하탄되어 쌓이는 위치에 따라 노즐기울기가 작을 경우 하부에 하탄되는 석탄의 냉각효과가 크고 기울기가 증가할수록 상부쪽에 하탄되는 미립분의 냉각효과가 큰것으로 나타났다.
실시예2(소화탄 석탄더미의 자연발화 발생특성 평가)
실시예2의 경우, 실내 저탄장 규모는 석탄더미 표면적(10만톤 기준)은 10,600m2으로 측면 10,000m2, 앞,뒤면 600m2로서 12mH x 20mW × 200mL ×양면이며, 겉보기 밀도 0.8ton/m3 이다. 실시예2는 저탄장의 상시 사용으로 도 7과 같이 1개 모듈 12mH x 16mW × 13m L구간을 실시구간으로 하였다. 석탄은 136℃ 발화 발생탄을 하역하면서 노즐 기울기 20°로 소화한 소화탄은 A구역(지면에서 1.5m~3.0m)에, 노즐 기울기 40°으로 소화한 소화탄은 B 구역(3.0m~6.0m)에, 노즐 기울기 60°기울기로 소화한 소화탄은 C구역(6.0m~9.0m)에 저탄하여 소화석탄 500톤씩 A,B,C구역으로 하여 온도 센서는 도 16와 같이 경사면 기준으로 바닥에서 1.5, 3, 6, 9, 12m 위치에 3m간격으로 설치하였으며, 너비면으로는 3m간격으로 설치하였다.
한편, 온도센서의 깊이는 표면과 내부의 온도를 측정하기 위해 대기온도, 깊이 0.5m로 설치하였다. 온도센서는 t-type으로 400℃까지 측정가능하며, 데이터 로거는 1분 간격으로 8일간 데이터 저장이 가능하도록 구성하였다. 온도 데이터는 1주일 간격으로 취득하고 재부팅하는 방식으로 수행하였다.
도 12의 표 및 도 17은 표면온도 136℃ 석탄을 하탄하면서 노즐기울기 20°으로 분사하면서 쌓은 석탄의 1.5m, 3.0m 및 6.0m경사면의 50cm 깊이에서의 저탄기간별 온도변화이다. 물이 끓고, 탈휘발화가 개시되는 136℃ 석탄의 경우 분사압력 10kgf/㎠, 노즐기울기 20°에서 분사하여 시작온도는 1.5m, 3.0m부위의 온도가 40℃이하로 냉각되어 있으며, 6.0m 부위는 65℃ 정도로 냉각된 것을 확인 할 수 있다.
특히, 대기온도 30℃ 전후 기준으로 저탄기간이 30일이 지나도 온도가 상승하지 않고 일정한 분포를 형성하여 자연발화를 억제하는 것으로 나타났다. 도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 노즐 기울기 20°에서 소화수 분사시 하역탄의 야적기간 및 위치별 온도변화를 보여주는 표이다.
도 13 및 도 18은 표면온도 136℃ 석탄의 노즐기울기 40°으로 분사하면서 쌓은 석탄의 1.5m, 3.0m 및 6.0m의 50cm 깊이에서의 저탄기간별 온도변화이다. 노즐기울기를 40°으로 경사면의 중간부로 분사할 경우 6.0m 지점의 석탄이 냉각소화되어 온도가 크게 낮아짐을 알 수 있다. 한편, 자연발화가 다발하는 1.5m, 3.0m부위에 쌓인 석탄은 안정적인 65℃이하로 냉각되지 않고, 100℃이하로 약간 냉각된 반면, 저탄기간이 지남에 따라 공극율이 높기 때문에 공기 소통이 원활하고 탄산칼슘 반응막이 완벽하게 형성되지 않아 산화반응이 활발하여 10일 이내에 자연발화가 발생하는 것으로 나타났다.
반면, 상대적으로 공극률이 낮아 자연발화가 많지 않는 경사면 높이 6.0m부위의 경우 저탄기간이 30일이 지나도 72℃까지만 온도가 상승하고 자연발화는 발생하지 않는 것으로 나타났다. 노즐 기울기를 40°로 소화수를 분사할 경우 자연발화가 다발하는 1.5∼3.0m 부위의 자연발화는 억제하지 못하는 것으로 확인되었다. 도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 노즐 기울기 40°에서 소화수 분사 시 하역탄의 야적기간 및 위치별 온도변화를 보여주는 표이다.
도 14의 표 6 및 도 19는 표면온도 136℃ 석탄의 노즐기울기 60°으로 분사하면서 쌓은 석탄의 1.5m, 3.0m 및 6.0m의 50cm 깊이에서의 저탄기간별 온도변화이다. 노즐기울기를 60°로 경사면 상단부로 분사하면서 소화탄을 쌓는 경우 상부 60m 지점의 경우만 약간 냉각되어 온도가 내려갈 뿐 나머지 하부의 석탄은 전혀 냉각소화되지 않는 것으로 나타났다. 특히, 발화 다발위치인 하부 1.5, 3.0m지점의 경우 일주일 내 바로 자연발화가 급격하게 발생하는 것으로 나타나며, 하부에 비해 미립분이 쌓인 상부 6.0m 부위의 저탄기간이 길어질수록 온도가 상승하나 통상 저탄기간인 30일까지 연기발생온도인 250℃까지 상승하지 않는 것으로 나타났다.
따라서, 선택적으로 자연발화를 억제하기 위해서는 노즐기울기를 5∼25°로 분사하여 경사면의 하부에 쌓이는 조립분을 집중 냉각소화시켜 공극률이 높지만 온도를 낮추고 탄산칼슘의 반응막을 형성시켜 산소와의 접촉 차단을 통해 자연발화 방지가 필요한 것으로 나타났다. 도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 노즐 기울기 60°에서 소화수 분사 시 하역탄의 야적기간 및 위치별 온도변화를 보여주는 표이다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 소화수 노즐 기울기 및 경사면 높이별 깊이 50cm온도센서에서 온도측정 결과를 보여주는 그래프이다. 도 15를 참조하면, 지표면을 기준으로 상부 수직방향으로 노즐기울기 10∼60°범위로 10° 간격으로 소화수를 분사하여 냉각소화한 석탄의 경사면 높이 1.5m, 3.0m, 6.0m. 9.0m, 12.0m의 50cm 깊이에서의 온도이다. 기울기가 10∼20°로 낮을수록 조립분으로 바닥에서 가까운 위치인 1.5∼3.0m의 위치의 석탄이 냉각되어 30℃까지 냉각됨을 알 수 있다. 기울기를 증가시킬수록 상부쪽의 석탄에 분사되므로 상부에 쌓이는 석탄의 온도를 낮추는 것을 알 수 있다. 본 발명의 일실시예는 발화탄을 하역시 발화가 발생하는 부위만의 석탄에만 선택적으로 냉각소화하기 위한 것이다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 소화탄 석탄더미의 저탄기간별 온도측정용 온도센서 설치도를 보여주는 그래프이다. 도 16을 참조하면, 소화탄을 하역시킨 후 각 경사면 높이에 따른 50cm깊이의 온도변화를 측정하기 위한 온도 센서의 설치도이다. 온도 센서(7-1 내지 7-5)는 400℃이하의 온도를 0.1℃간격으로 실시간 측정할 수 있도록 구성하며, 발화 발생예측지점인 바닥으로부터 하부지점인 1.5m, 3.0m와 그 이상의 경우, 3.0m간격으로 6.0m, 9.0m, 12.0m의 경사면 위치에 설치하였다. 좌우 폭간격은 3.0m로 설치하였다.
또한, 온도 센서는 지표면 기준 수직으로 20°기울기로 소화수를 분사하여 냉각소화하면서 쌓은 부위, 40°기울기로 냉각소화하여 쌓은 부위, 60°기울기로 냉각소화하여 쌓은 부위로 구분하여 일정간격으로 온도센서를 설치할 수 있다.
도 17은 도 12에 따른 노즐 기울기 20°에서 분사 소화탄의 저탄기간별 온도측정결과를 보여주는 그래프이다. 도 17을 참조하면, 표면온도 136℃ 석탄의 노즐기울기 20°으로 분사하면서 쌓은 석탄의 1.5m, 3.0m 및 6.0m의 50cm 깊이에서의 저탄기간별 온도변화이다. 물이 끓고 탈휘발화가 개시되는 136℃ 석탄의 경우 분사압력 11kgf/㎠, 노즐기울기 20°에서 분사하여 시작온도는 1.5m, 3.0m부위의 온도가 40℃이하로 냉각되어 있으며, 6.0m 부위는 65℃ 정도로 냉각된 것을 확인 할 수 있다. 특히, 대기온도 30℃ 전후로를 기준으로 저탄기간이 30일이 지나도 온도가 상승하지 않고 일정한 분포를 형성하여 자연발화를 억제하는 것으로 나타났다.
도 18은 도 13에 따른 노즐 기울기 40°에서 분사 소화탄의 저탄기간별 온도측정결과를 보여주는 그래프이다. 도 18을 참조하면, 표면온도 136℃ 석탄의 노즐기울기 40°으로 분사하면서 쌓은 석탄의 1.5m, 3.0m 및 6.0m의 50cm 깊이에서의 저탄기간별 온도변화이다. 노즐기울기를 40°으로 중간부를 분사할 경우 6.0m 지점의 석탄이 냉각소화되어 온도가 낮아짐을 알 수 있다.
한편, 발화가 다발하는 1.5m, 3.0m부위에 쌓인 석탄은 100℃이하로 냉각된 반면, 저탄기간이 지남에 따라 공극율이 높아 공기 소통이 원활하고 탄산칼슘 반응막이 작아 산화반응이 활발하여 10일 이내에 자연발화가 발생하는 것으로 나타났다. 6.0m부위의 경우 저탄기간이 30일이 지나도 72℃까지만 상승하고 자연발화는 방지되는 것으로 나타났다. 40°기울기로 소화수를 분사할 경우 자연발화가 다발하는 15∼3.0m 부위의 자연발화는 억제하지 못하는 것으로 나타났다.
도 19은 도 14에 따른 노즐기울기 50°에서 분사 소화탄의 저탄기간별 온도측정결과를 보여주는 그래프이다. 도 19를 참조하면, 표면온도 136℃ 석탄의 노즐기울기 60°으로 분사하면서 쌓은 석탄의 1.5m, 3.0m 및 6.0m의 50cm 깊이에서의 저탄기간별 온도변화이다. 노즐기울기를 60°으로 상단부를 분사할 경우 6.0m 지점의 경우만 약간 냉각되어 온도가 내려갈 뿐 나머지 하부의 석탄은 전혀 냉각소화되지 않는 것으로 나타났다. 특히, 하부 15, 3.0m지점의 경우 일주일내 바로 자연발화가 발생하는 것으로 나타나며, 하부에 비해 미립분이 쌓인 상부 6.0m 부위의 저탄기간이 길어질수록 온도가 상승하나 통상 저탄기간인 30일까지 연기가 발생하는 250℃까지 상승하지 않는 것으로 나타났다.
또한, 여기에 개시된 실시형태들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계들은, 마이크로프로세서, 프로세서, CPU(Central Processing Unit) 등과 같은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 (명령) 코드, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 매체에 기록되는 프로그램 (명령) 코드는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프 등과 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD, 블루레이 등과 같은 광기록 매체(optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 (명령) 코드를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 반도체 기억 소자가 포함될 수 있다.
여기서, 프로그램 (명령) 코드의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
300: 저탄장 자연발화 발생탄 제어 시스템
120: 석탄 배출기
121: 온도 측정계
160: 분사 장치
301: 통신 장치
310: 중앙 제어 단말
320: 구동 펌프
330: 분사 노즐
340: 소화액 공급부

Claims (20)

  1. 저탄기의 석탄 배출기(120);
    상기 석탄 배출기(120)로부터 투하되는 석탄의 온도를 센싱하여 온도 정보를 생성하는 온도 측정계(121);
    상기 온도 정보와 미리 설정되는 기준값을 비교하여, 상기 비교 결과에 따라 투하된 석탄에 소화액을 살포하도록 살포 제어 명령을 생성하는 중앙 제어 단말(310); 및
    상기 살포 제어 명령에 따라 상기 소화액을 살포하는 분사 장치(160);를 포함하며,
    상기 분사 장치(160)는,
    각도 조절이 가능한 다수의 분사 노즐을 갖는 분사 노즐기(330); 및
    상기 분사 노즐기(330)에 상기 소화액을 공급하는 구동 펌프(320);를 포함하며,
    상기 석탄 배출기(120)의 이동에 따라 상기 온도 측정계(121)의 배열(a,b,c,d,e,f,g)이 다른 방향으로 이동되고,
    상기 소화액은 석탄표면의 열을 흡수하면서 배가스인 이산화탄소(CO2)와 반응하여 중탄산칼슘(Ca(HCO3)2)을 형성하고 석탄표면의 기름성분((H-O-CO-CH2)n)과의 비누화 반응을 통해 석탄 표면에 칼슘염(Ca-(O-CO-CH2)2)막을 형성시켜 석탄표면과 산소와의 접촉을 차단시켜 자연발화의 진행을 억제하는 친수성(Hydrophilic)의 탄산칼슘 소화수이고,
    상기 온도 측정계(121)는 저탄기간별로 바닥으로부터 일정 간격으로 설치되되, 지표면 기준 수직으로 특정 각도의 기울기로 상기 소화수를 분사하여 냉각소화하면서 쌓은 부위로 구분하여 설치되는 것을 특징으로 하는 저탄장 자연발화 발생탄 제어 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 분사 노즐기(330)는 지표면 기준으로 상부로 5∼20°의 기울기를 갖는 분사를 실행하는 것을 특징으로 하는 저탄장 자연발화 발생탄 제어 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 지표면을 기준으로 경사면의 바닥에서 경사면 1/3지점까지 분사를 위해서 상기 기울기는 5∼20°이고, 경사면 1/3지점부터 2/3지점까지 분사를 위해서는 기울기는 20∼40°이고, 경사면 2/3지점부터 정상부까지 분사하기 위해서는 기울기가 40∼65°인 것을 특징으로 하는 저탄장 자연발화 발생탄 제어 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 분사 노즐기(330)는 상기 온도 측정계(121)의 중심축을 따라 자동 이동되는 것을 특징으로 하는 저탄장 자연발화 발생탄 제어 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 분사 노즐기(330)는,
    분사 노즐(501);
    상기 분사 노즐(501)을 지지하는 각도 조절 플레이트(502);
    상기 각도 조절 플레이트(502)에 연결되는 위치 조절 볼 스크류(503); 및
    상기 위치 조절 볼 스크류(503)를 회전시키는 모터(504);를 포함하는 것을 특징으로 하는 저탄장 자연발화 발생탄 제어 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 구동 펌프(320) 및 모터(504)는 동시에 동작되는 것을 특징으로 하는 저탄장 자연발화 발생탄 제어 시스템.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 분사 장치(160)는
    상기 분사 노즐(501)에 유입되는 상기 소화액의 유량을 계측하는 유량계(510); 및
    상기 분사 노즐(501)에 공급되는 압력을 계측하는 압력계(520);를 포함하는 것을 특징으로 하는 저탄장 자연발화 발생탄 제어 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 소화액과 하탄 석탄량의 비율을 나타내는 액고비는 0.04∼0.08ℓ소화수/kg 하탄 석탄인 것을 특징으로 하는 저탄장 자연발화 발생탄 제어 시스템.
  11. (a) 온도 측정계(121)가 저탄기의 석탄 배출기(120)로부터 투하되는 석탄의 온도를 센싱하여 온도 정보를 생성하는 단계;
    (b) 중앙 제어 단말(310)이 상기 온도 정보와 미리 설정되는 기준값을 비교하여, 상기 비교 결과에 따라 투하된 석탄에 소화액을 살포하도록 살포 제어 명령을 생성하는 단계; 및
    (c) 분사 장치(160)가 상기 살포 제어 명령에 따라 상기 소화액을 살포하는 단계;를 포함하며,
    상기 분사 장치(160)는,
    각도 조절이 가능한 다수의 분사 노즐을 갖는 분사 노즐기(330); 및
    상기 분사 노즐기(330)에 상기 소화액을 공급하는 구동 펌프(320);를 포함하며,
    상기 석탄 배출기(120)의 이동에 따라 상기 온도 측정계(121)의 배열(a,b,c,d,e,f,g)이 다른 방향으로 이동되고,
    상기 소화액은 석탄표면의 열을 흡수하면서 배가스인 이산화탄소(CO2)와 반응하여 중탄산칼슘(Ca(HCO3)2)을 형성하고 석탄표면의 기름성분((H-O-CO-CH2)n)과의 비누화 반응을 통해 석탄 표면에 칼슘염(Ca-(O-CO-CH2)2)막을 형성시켜 석탄표면과 산소와의 접촉을 차단시켜 자연발화의 진행을 억제하는 친수성(Hydrophilic)의 탄산칼슘 소화수이고,
    상기 온도 측정계(121)는 저탄기간별로 바닥으로부터 일정 간격으로 설치되되, 지표면 기준 수직으로 특정 각도의 기울기로 상기 소화수를 분사하여 냉각소화하면서 쌓은 부위로 구분하여 설치되는 것을 특징으로 하는 저탄장 자연발화 발생탄 제어 방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 분사 노즐기(330)는 지표면 기준으로 상부로 5∼0°의 기울기를 갖는 분사를 실행하는 것을 특징으로 하는 저탄장 자연발화 발생탄 제어 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 지표면을 기준으로 경사면의 바닥에서 경사면 1/3지점까지 분사를 위해서 상기 기울기는 5∼20°이고, 경사면 1/3지점부터 2/3지점까지 분사를 위해서는 기울기는 20∼40°이고, 경사면 2/3지점부터 정상부까지 분사하기 위해서는 기울기가 40∼65°인 것을 특징으로 하는 저탄장 자연발화 발생탄 제어 방법.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 분사 노즐기(330)는 상기 온도 측정계(121)의 중심축을 따라 자동 이동되는 것을 특징으로 하는 저탄장 자연발화 발생탄 제어 방법.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 분사 노즐기(330)는,
    분사 노즐(501);
    상기 분사 노즐(501)을 지지하는 각도 조절 플레이트(502);
    상기 각도 조절 플레이트(502)에 연결되는 위치 조절 볼 스크류(503); 및
    상기 위치 조절 볼 스크류(503)를 회전시키는 모터(504);를 포함하는 것을 특징으로 하는 저탄장 자연발화 발생탄 제어 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 구동 펌프(320) 및 모터(504)는 동시에 동작되는 것을 특징으로 하는 저탄장 자연발화 발생탄 제어 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 분사 장치(160)는
    상기 분사 노즐(501)에 유입되는 상기 소화액의 유량을 계측하는 유량계(510); 및
    상기 분사 노즐(501)에 공급되는 압력을 계측하는 압력계(520);를 포함하는 것을 특징으로 하는 저탄장 자연발화 발생탄 제어 방법.
  20. 제 11 항, 제 14 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 따른 저탄장 자연발화 발생탄 제어 방법을 실행시키기 위한 프로그램 코드를 저장한 컴퓨터 판독 가능 저장 매체.
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