KR102462129B1

KR102462129B1 - 고분자수지 첨가제를 이용한 저급탄 자연발화 방지제 및 자연발화 방지방법

Info

Publication number: KR102462129B1
Application number: KR1020180148714A
Authority: KR
Inventors: 박석운; 김재관; 홍진표
Original assignee: 한국전력공사
Priority date: 2018-11-27
Filing date: 2018-11-27
Publication date: 2022-11-04
Also published as: KR20200062832A

Abstract

본 발명의 자연발화 방지제는 고미연분 석탄회, 수트 애쉬(soot ash) 또는 시멘트를 포함하는 고상원료; 및 아스팔트 첨가제 및 고분자 수지를 포함하는 액상원료를 포함하고, 물이 첨가되는 것이 특징이다.

Description

고분자수지 첨가제를 이용한 저급탄 자연발화 방지제 및 자연발화 방지방법{Spontaneous combustion method and the inhibitor manufactured using high molecular resin additive}

본 발명의 저급탄의 자연발화 방지제 및 그의 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 내지 3개월 저탄 후 사용하고 있으며, 이러한 저탄 과정에서 자연발화가 연간 8,000 내지 10,000회 정도로 빈번하게 발생하고 있다. 자연발화 현상은 석탄의 열량손실(손실률 약 5.85% 이하)을 야기한다. 더욱이, 자연발화 현상은 컨베이어 벨트를 이용한 운송 과정에서의 화재 및 미분기 계통에서의 분진폭발 등 설비의 대형손상사고 이어질 위험성이 높다. 또한, 자연발화 현상은 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.

이에, 저급탄의 자연발화를 감소시키기 위하여 시멘트 고화제 또는 고분자 경화제를 포함하는 도포제 또는 살포제를 저급탄 더미에 도포 또는 살포하여 수분 또는 대기 중 산화외의 접촉을 차단한다. 그러나 상기 도포제 또는 살포제는 강우나 강풍에 탈리되기 쉽기 때문에 수분 또는 산소가 저급탄으로 침투하는 현상을 원천적으로 차단하기 어렵다. 또한, 상기 도포제 또는 살포제는 저급탄이 보일러 내로 투입될 경우 저급탄의 연소장애 및 미연분의 원인이 된다는 문제점이 있다.

한편, 저급탄 자연발화를 감소시키기 위한 다른 방법으로는 건조된 저급탄에 유분(oil)을 고온으로 처리하여 저급탄의 표면을 개질하는 방법이 사용된다. 하지만, 이는 저급탄의 표면개질을 변형하기 위해 너무 많은 에너지가 투입되므로 경제성을 고려할 때 효과적인 방법이라 할 수 없으며 실제 대규모의 석탄화력발전소에서 적용된 사례도 없다.

따라서, 전술된 저급탄의 자연발화를 감소시키기 위한 방법의 문제점을 해결하는 새로운 자연발화 방지제 및 자연발화 방지방법 개발에 대한 요구가 증가하고 있다.

본 발명의 일 목적은 저탄장 내 석탄의 자연발화를 방지하고, 석탄화력발전소에서 발생하는 폐기물을 재활용하여 미연분 발생에 의한 연료손실을 방지할 수 있는 자연발화 방지제 및 자연발화 방지방법을 제공하는 것이다.

또한, 다른 목적은 석탄의 표면에 살포되어 열기가 외부 대기로부터 석탄의 내부로 전달되지 않는 단열성이 향상된 자연발화 방지제 및 자연발화 방지방법을 제공하는 것이다.

또한, 또 다른 목적은 강우 또는 강풍에 유실되지 않고 고정화될 수 있는 자연발화 방지제 및 자연발화 방지방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 자연발화 방지제에 있어서, 고미연분 석탄회, 수트 애쉬(soot ash) 또는 시멘트를 포함하는 고상원료; 및 아스팔트 첨가제 및 고분자 수지를 포함하는 액상원료를 포함하고, 물이 첨가되는 것이 특징으로 한다.

실시예에 있어서, 상기 고상원료의 구성비는, 상기 고상원료 100 중량부당 상기 고미연분 석탄회가 0 내지 100 중량부이고, 상기 고상원료 100 중량부당 상기 수트 애쉬가 0 내지 100 중량부이고, 상기 고상원료 100 중량부당 상기 시멘트가 0 내지 25 중량부인 것을 특징으로 한다.

실시예에 있어서, 상기 고미연분 석탄회는 강열감량(loss on ignition)이 5 내지 25 wt% 범위인 비회(fly ash)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

실시예에 있어서, 상기 수트 애쉬는, 상기 수트 애쉬 100 중량부당 수트가 0.1 내지 10 중량부인 비회(fly ash)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

실시예에 있어서, 상기 시멘트는, 포틀랜트 시멘트를 포함하여 상기 자연발화 방지제를 석탄에 도포 후 경화되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

실시예에 있어서, 상기 고상원료는 석탄과 함께 보일러 내에 재투입되어 상기 고미연분 석탄회 중 미연분 및 수트 애쉬 중 수트를 재연소하여 손실되는 에너지를 회수할 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

실시예에 있어서, 상기 액상원료와 물의 중량비는 1:3인 것을 특징으로 한다.

실시예에 있어서, 상기 액상원료의 구성비는, 상기 액상원료 100 중량부당 상기 아스팔트 첨가제가 7.5 내지 13.5 중량부이고, 상기 액상원료 100 중량부당 상기 고분자 수지가 1.25 내지 5.0 중량부인 것을 특징으로 한다.

실시예에 있어서, 상기 아스팔트 첨가제는 석탄에 도포되어 수분의 흡수를 차단하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

실시예에 있어서, 상기 고분자 수지는 EVA(ethylene vinyl acetate), SBR(styrene butadyene rubber), 라텍스, 변성라텍스, 초산비닐수지 및 아크릴수지 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.

실시예에 있어서, 상기 아스팔트 첨가제는, 총 아스팔트 첨가제 100 중량부 당, 아스팔트 60 내지 100 중량부, 요소질산염 0.02 내지 2 중량부, 하이드록시프로필 메틸셀룰루스 2 내지 10 중량부를 포함하는 것으로 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 전술된 자연발화 방지제를 석탄더미에 도포하는 자연발화 방지방법으로, 고상원료, 액상원료 및 물을 혼합하여 자연발화 방지제를 제조하는 혼합단계; 상기 자연발화 방지제를 석탄더미의 표면에 도포하는 도포단계; 및 상기 석탄더미에 도포된 자연발화 방지제를 건조하는 경화단계를 포함하고, 상기 고상원료는 고미연분 석탄회, 수트 애쉬(soot ash) 또는 시멘트를 포함하고, 상기 액상원료는 아스팔트 첨가제 및 고분자 수지를 포함하고, 상기 경화단계에서는 상기 석탄더미의 표면 상에 상기 자연발화 방지제 차단막을 형성하고, 상기 차단막은 외부의 열기, 공기 및 수분이 상기 석탄더미의 내부로 전달되는 것을 막도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

실시예에 있어서, 상기 도포단계에서 상기 자연발화 방지제는 상기 석탄더미의 전체 높이 중 상기 석탄더미의 바닥부에서 상부방향으로 5 내지 40% 높이만큼 도포하는 것을 특징으로 한다.

실시예에 있어서, 상기 고미연분 석탄회, 수트 애쉬는 상기 도포단계에서 상기 석탄더미에 도포되어 외부의 열기를 차단하여 상기 석탄더미가 단열(heat insulation)되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 전술된 자연발화 방지제를 제조 및 저장하는 장치에 관한 것이다.

실시예에 있어서, 상기 자연발화 방지제를 제조 및 저장하는 장치는, 물이 유입되도록 형성된 물 유입부; 고상원료가 유입되도록 형성된 고상원료 유입부; 액상원료가 유입되도록 형성된 액상원료 유입부; 및 상기 물, 고상원료 및 액상원료를 혼합하도록 형성되는 혼합탱크를 포함하고, 상기 혼합탱크의 상부는 상기 물 유입부에 연장연결되는 물 분사 노즐이 배치되고, 상기 고상원료는 고미연분 석탄회, 수트 애쉬(soot ash) 또는 시멘트를 포함하고, 상기 액상원료는 아스팔트 첨가제 및 고분자 수지를 포함하고, 상기 고상원료 유입부 및 상기 액상원료 유입부는 서로 분리되도록 배치되고, 상기 혼합탱크는 교반모터 및 교반모터 축을 구비하는 것을 특징으로 한다.

실시예에 있어서, 상기 혼합탱크에서의 상기 고상원료, 액상원료 및 물의 혼합은 상온에서 수행되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 자연발화 방지제 및 자연발화 방지방법은 석탄화력발전소에서 발생하는 폐기물인 고미연분 석탄회, 수트 애쉬(soot ash) 또는 시멘트를 포함하는 고상원료 및 아스팔트 첨가제 및 고분자 수지를 포함하는 액상원료를 포함하여 연료손실을 방지하는 효과가 있다.

또한, 석탄더미에 형성되는 고미연분 석탄회, 수트 애쉬를 포함하는 차단막은 외부의 열기를 차단하여 석탄더미의 단열성을 향상하는 효과가 있다.

또한, EVA(ethylene vinyl acetate), SBR(styrene butadyene rubber), 변성라텍스, 초산비닐수지 및 아크릴수지 중 적어도 선택된 하나 이상을 포함하는 고분자 수지를 포함하여 자연발화 방지제 차단막 내부의 접착력을 향상하여 강우 또는 강풍에 유실되지 않고 석탄더미 상에 잘 고정화될 수 있다는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 자연발화 방지제를 석탄더미에 도포하는 자연발화 방지방법의 공정 개념도이다.
도 2는 본 발명의 자연발화 방지제를 제조 및 저장하는 장치의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 자연발화 방지제를 제조 및 저장하는 장치의 액상원료는 혼합탱크의 개념도이다.
도 4는 본 발명의 자연발화 방지제의 실험예1의 고미연분 석탄회, PFAD 및 아스팔트 첨가제의 연소특성 분석 실시 결과이다.
도 5는 본 발명의 자연발화 방지제의 실험예1의 고미연분 석탄회, PFAD 및 아스팔트 첨가제의 단열특성 분석 실시 결과이다.
도 6은 본 발명의 자연발화 방지제의 실험예2의 석탄 stockpile 전산해석을 위한 외부조건 및 격자계를 도시한 개념도이다.
도 7은 본 발명의 자연발화 방지제의 실험예2의 자연발화 방지제 도포 전후 발화방지 효과 시뮬레이션 결과이다.
도 8은 본 발명의 자연발화 방지제의 실험예3의 500MW 표준 석탄화력 발전소의 표준 석탄화력 발전소의 저탄장과 유사한 형태로 실외형 자연발화 모사장치의 개념도이다.
도 9 및 도 10은 자연발화 방지제를 도포한 석탄더미의 자연발화 모사시험과 석탄더미 깊이별 산소농도 및 온도변화 모니터링 실시결과이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명의 자연발화 방지제는 고미연분 석탄회, 수트 애쉬(soot ash) 또는 시멘트를 포함하는 고상원료 및 아스팔트 첨가제 및 고분자 수지를 포함하는 액상원료를 포함하고, 물이 첨가될 수 있다. 상기 아스팔트 첨가제는 아스팔트 60~100%, 요소질산염 0.02~2.0%, 하이드록시프로필 메틸셀룰로스 2~10% 성분을 기준으로 하며, 아스팔트는 별도로 혼합할 수도 있고 시중에 유통되는 아스팔트가 혼합된 액상첨가제도 사용이 가능하다. 상기 자연발화 방지제는 상기 고상원료 및 액상원료의 혼합을 통해 석탄 또는 석탄더미의 표면에 도포된 후 경화되어 강우 및 강풍에 탈리 또는 균열이 발생하지 않는 것이 특징이다.

상세하게, 상기 고상원료의 구성비 중 고미연분 석탄회는 상기 고상원료 100 중량부당 0 내지 100 중량부이고, 상기 수트 애쉬는 상기 고상원료 100 중량부당 0 내지 100 중량부이고, 상기 시멘트는 상기 고상원료 100 중량부당 0 내지 25 중량부일 수 있다.

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.

나아가, 상기 고미연분 석탄회를 포함하는 자연발화 방지제는 석탄더미에 살포된 후 석탄과 함께 보일러에서 재연소함으로써 미연분 발생에 의한 연료손실을 복구하며, 재연소된 미연탄소는 REC(Renewable Energy Certificate ; 신재생에너지공급인증서)인증을 받을 수 있는 요건을 충족한다.

상기 고미연분 석탄회는 강열감량(loss on ignition)이 5% 내지 25% 범위인 비회(fly ash)를 포함한다. 상기 강열감량 범위 내의 비회는 자연발화 방지제의 단열효과를 더욱 증대시킬 수 있으며, 석탄에 상기 자연발화 방지제를 도포할 경우 발생하는 휘발성 유기 화합물의 양을 저감할 수 있고, 자연발화 방지 조성물의 안정성을 향상시켜, 자연발화 방지 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.

덧붙여, 상기 수트 애쉬는 상기 수트 애쉬 100 중량부당 수트가 0.1 내지 10 중량부인 비회(fly ash)를 포함한다. 최근 건설되어 운영되는 1,000MW급 신규 석탄화력보일러에는 저 NO_x 버너가 적용되어 애쉬 중 수트(Soot) 성분이 다량으로 함유되어 나오기도 한다. 수트 함량이 높은 애쉬는 시멘트로 재활용할 경우 블랙시멘트가 형성되므로 수트 성분을 함유하는 애쉬는 재활용이 불가능하다는 문제가 있다.

한편, 상기 시멘트는 포틀랜트 시멘트를 포함하여 상기 자연발화 방지제를 석탄에 도포 후 경화되도록 형성된다.

상기 고상원료는 상기 고미연분 석탄회 또는 수트 애쉬를 단독 또는 혼합하여 사용하여도 무방하며, 경화 속도 단출 및 강도 발현을 위해 시멘트를 총 고상원료 100 중량부당 25 중량부 이하로 함유할 수도 있다. 상기 시멘트의 함량이 25% 이상으로 증가하는 경우에는 석탄화력발전소의 연소부산물인 석탄회(고미연분 석탄회 및 수트 애쉬)의 재활용 측면에서 바람직하지 않다.

상기 고미연분 석탄회, 수트 애쉬(soot ash) 또는 시멘트를 포함하는 고상원료는 석탄에 도포되어 석탄과 함께 보일러 내에 재투입되어 상기 고미연분 석탄회 중 미연분 및 수트 애쉬 중 수트를 재연소한다. 따라서 상기 고미연분 석탄회, 수트 애쉬(soot ash)를 원료로 사용하는 본 발명의 자연발화 방지제는 보일러에 재투입함으로써 수트 성분이 다시 한번 연소되어 에너지 손실을 방지하고, 에너지를 회수할 수 있도록 형성된다.

한편, 상기 아스팔트 첨가제 및 고분자 수지를 포함하는 상기 액상원료는 물과 함께 혼합될 수 있다. 덧붙여 본 발병의 아스팔트 첨가제는 상용 아스팔트 및 아스팔트 함유 첨가제를 포함할 수 있다. 상기 아스팔트 첨가제는 자연발화 방지제에 포함되어 석탄에 도포되었을때 석탄으로 수분이 침투하는 것을 방지한다.

상기 아스팔트 첨가제는 총 아스팔트 첨가제 100 중량부 당, 아스팔트 60 내지 100 중량부, 요소질산염 0.02 내지 2 중량부, 하이드록시프로필 메틸셀룰루스 2 내지 10 중량부를 포함할 수 있다. 상기 아스팔트 첨가제는 전술된 아스팔트, 요소질산염, 하이드록시프로필 메틸셀룰루스 성분을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 나아가, 상기 아스팔트 첨가제는 전술된 아스팔트, 요소질산염, 하이드록시프로필 메틸셀룰루스 성분을 포함하여 제조된 상용제품을 원료로 할 수도 있다.

상기 고분자 수지는 EVA(ethylene vinyl acetate), SBR(styrene butadyene rubber), 라텍스, 변성라텍스, 초산비닐수지 및 아크릴수지 중 적어도 하나 이상을 포함한다. 이들 고분자는 접착제의 원료로 널리 사용되는 것으로 자연발화 방지제에서 단독 또는 혼합되어 석탄에 도포될때, 강우 또는 강풍에 자연발화 방지제가 유실되지 않고 고정화 될 수 있도록 한다.

상기 액상원료와 물의 중량비는 1:3으로 혼합되는 것이 바람직하다. 물의 비율이 높아지면 자연발화 방지제의 경화속도가 길어질 수 있고, 물의 비율이 낮아지면 자연발화 방지제의 점도가 증가하여 석탄더미에 분사하는 것에 문제가 있을 수 있다.

상기 액상원료의 구성비는 상기 액상원료 100 중량부당 상기 아스팔트 첨가제를 7.5 내지 13.5 중량부로 포함할 수 있다. 또한, 상기 액상원료 100 중량부당 상기 고분자 수지를 1.25 내지 5.0 중량부로 포함할 수 있다.

상기 아스팔트 첨가제의 함량이 13.5 중량부를 초과하는 경우 상기 액상원로의 배합이 어려워지는 문제가 발생한다. 또한 상기 고분자 수지가 5.0 중량부를 초과하는 경우에는 자연발화 방지제의 단가가 상승하므로 경제성이 떨어지게 된다. 한편, 상기 아스팔트 첨가제 및 고분자 수지의 함량비가 각각 7.5 중량부 및 1.25 중량부에 미치지 못할 경우에는 자연발화 방지제의 경화속도가 지연되며 점도가 낮아지므로 강우 또는 강풍에 의하여 손실이 발생하므로 현장 적용성이 떨어진다.

이하에서 서술될 자연발화 방지제의 제조방법 및 자연발화 방지제를 제조 및 저장하는 장치의 설명에서는 앞선 예와 동일 또는 유사한 구성에 대해서 그 설명은 처음 설명으로 갈음된다.

도 1은 본 발명의 자연발화 방지제를 석탄더미에 도포하는 자연발화 방지방법의 공정 개념도이다.

도 1을 참조하면, 자연발화 방지제의 자연발화 방지방법은 혼합단계, 도포단계 및 경화단계를 포함한다. 상기 혼합단계에서는 고상원료, 액상원료 및 물을 혼합하여 자연발화 방지제를 제조한다. 나아가, 도포단계에서는 상기 자연발화 방지제를 석탄더미의 표면에 도포한다. 이어서, 상기 석탄더미에 도포된 자연발화 방지제를 건조하여 상기 석탄더미의 표면 상에 차단막을 형성하는 경화단계가 수행될 수 있다. 상기 차단막은 외부의 열기, 공기 및 수분이 상기 석탄더미의 내부로 전달되는 것을 방지하도록 형성된다.

덧붙여, 상기 도포단계에서 상기 자연발화 방지제는 상기 석탄더미의 전체 높이 중 상기 석탄더미의 바닥부에서 상부방향으로 5 내지 40% 높이만큼 도포될 수 있다. 석탄을 저탄장에 저탄할 때 리클레이머를 이용하게 되는데 이 때 형성되는 석탄더미는 자연강하에 의해 상부에는 입자가 굵은 석탄과 가는 석탄이 혼재하게 되고 석탄더미의 하부에는 대부분 입자가 굵은 석탄이 쌓이게 된다. 석탄의 입자가 굵은 경우 석탄입자 사이의 공극이 증가하므로 석탄표면과 대기 중의 산소가 접촉할 확률이 많아지게 된다. 실제로 석탄화력발전소 저탄장 현장에서는 석탄더미의 하부에서 자연발화가 빈번하게 발생한다. 따라서 자연발화 방지제를 석탄더미에 도포하는 경우 표면부 전체에 도포하지 않고 자연발화가 빈번하게 발생하는 하부에 도포함으로써 상대적으로 적은 양의 발화방지제를 이용하여 자연발화를 효과적으로 방지할 수 있다는 장점이 있다.

도 2는 본 발명의 자연발화 방지제를 제조 및 저장하는 장치(100)의 개념도이다.

도 2를 참조하면, 고상원료, 액상원료 및 물을 포함하는 자연발화 방지제의 원료들을 각각의 저장부에 저장한다. 상세하게, 자연발화 방지제를 제조 및 저장하는 장치(100)는 물이 저장되는 물 저장부(10), 고상원료가 저장되는 고상원료 저장부(30) 및 액상원료가 저장되는 액상원료 저장부(50)를 포함한다.

또한, 자연발화 방지제를 제조 및 저장하는 장치(100)는 물 저장부(10), 고상원료 저장부(30) 및 액상원료 저장부(50)에 각각 연장연결되는 물 이송펌프(20), 고상원료 이송펌프(40) 및 액상원료 이송펌프(60)를 포함한다.

나아가, 물 저장부(10)와 물 이송펌프(20)는 물 유입부(1)를 형성하고, 고상원료 저장부(30)와 고상원료 이송펌프(40)는 고상원료 유입부(3)를 형성하고, 액상원료 저장부(50)와 액상원료 이송펌프(60)는 액상원료 유입부(5)를 형성한다. 물 유입부(1), 고상원료 유입부(3) 및 액상원료 유입부(5)를 통하여 각각 이송된 물, 고상원료, 액상원료는 사전에 설정한 비율에 맞게 유량을 설정되어 실시간으로 혼합탱크(70)로 이동한다.

한편, 물 유입부(1), 고상원료 유입부(3) 및 액상원료 유입부(5)를 통하여 각각 이송된 물, 고상원료, 액상원료는 혼합탱크(70)에서 혼합되어 본 발명의 자연발화 방지제가 제조될 수 있다. 제조된 자연발화 방지제는 자연발화 방지제 이송부(8)로 이동될 수 있다.

자연발화 방지제 이송부(8)는 자연발화 방지제 이송펌프(80) 및 자연발화 방지제 살포노즐(90)을 포함한다. 즉, 본 발명의 자연발화 방지제는 자연발화 방지제 살포노즐(90)을 통하여 석탄더미의 표면에 도포 또는 살포될 수 있다.

도 3은 본 발명의 자연발화 방지제를 제조 및 저장하는 장치(100)의 액상원료는 혼합탱크(70)의 개념도이다.

도 3을 참조하면, 별도로 구비된 고상원료 이송배관(31) 및 액생원료 이송배관(51)을 통해 각각 고상원료 및 액상원료는 사전에 설정한 이송량에 따라 혼합탱크(70) 내부로 주입된다. 한편, 물의 경우 혼합탱크(70) 상부에 물 유입부(1)에 연장연결되는 물 이송배관(11)을 통해 유입된다. 나아가, 물 이송배관(11)은 여러갈래로 분지되고 혼합탱크(70)의 상부에 배치된 물 분사 노즐(12)을 통하여 혼합탱크(70) 내부로 유입될 수 있다.

혼합탱크(70) 내부의 물, 고상원료 및 액상원료는 교반모터(71)에 의하여 혼합되어 자연발화 방지제(A)를 제조한다. 혼합탱크(70)에서의 고상원료, 액상원료 및 물의 혼합은 상온에서 수행된다. 교반모터(71)는 교반모터 축(72), 교반모터 축 고정결합부(73), 교반모터 축 프로펠러(74) 및 교반 프로펠러 연결부(75)를 포함한다. 교반모터(71)에 의하여 혼합되어 자연발화 방지제(A)는 자연발화 방지제 배출구(76)를 통해 배출되어 석탄 또는 석탄더미에 도포된다.

물 분사 노즐(12)을 통해 분사되는 물은 혼합탱크(70)의 내부벽면, 교반모터 축(72), 교반모터 축 프로펠러(74), 교반 프로펠러 연결부(75)에 자연발화 방지제(A)가 굳어 부착되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 자연발화 방지제(A)의 도포를 완료하고 고상원료 및 액삼첨가제의 주입을 멈춘 후에도 물을 계속 주입하여 혼합탱크(70)의 내부벽면, 교반모터 축(72), 교반모터 축 프로펠러(74), 교반 프로펠러 연결부(75)를 세척하여 혼합탱크(70)의 고장을 방지할 수 있다.

이하, 본 발명의 자연발화 방지제의 실시예에 대하여 설명한다.

실험예1 (기초시험, 고미연분 석탄회 TGA 및 단열특성)

실험예1은 자연발화 방지제의 원료인 고미연분 석탄회 및 아스팔트 첨가제의 연소 반응속도 및 단열특성 분석을 위해 실시하였다. 연소 반응속도는 열중량분석기(TGA, Thermo Gravimetric Analyzer)를 통해 분석하였고, 분석기기 독일 LINSEIS社의 STA PT 1000모델을 사용하였다.

분석조건은 초기온도를 약 30℃로 설정하고 10℃/분의 속도로 900℃까지 승온시킨 다음 온도변화에 따른 중량변화를 확인하였다. 사전에 LOI 함량을 분석하여 선정한 고미연분 석탄회 일정량을 시험체 (5~25%) 200 mesh (test sieve)에 거른 후 체(sieve) 통과분 중 약 30 mg을 별도로 채취하여 연소 반응속도를 측정하였다. PFAD(Palm Fatty Acid Distillate) 및 아스팔트 첨가제는 별도의 전처리 없이 약 30 mg을 채취하여 연소 반응속도를 측정하였다.

단열특성 분석은 NETZSCH社의 LFA 457 모델을 분석기기로 사용하였으며 질소(N₂)와 공기(Air)를 사용하여 25℃, 100℃ 및 300℃의 등온온도에서 시행하였다. 고미연분 석탄회, PFAD 및 아스팔트 첨가제의 연소 특성 및 단열특성 분석 실시결과는 도 4 및 5와 같다.

고미연분 석탄회의 단열특성 분석결과 온도가 올라갈수록 Diffusivity 및 Conductivity 수치는 낮아지고 Cp는 높아지는 것으로 나타났다. 이는 온도가 상승함에 따라 고미연분 석탄회의 단열 특성이 더 좋아지는 것으로 의미한다. 고수분 저등급 석탄의 경우 탄종 자체에 산소관능기와 100℃의 저온에서 증기화되는 수분의 함량이 높아 자연발화가 일어나기 쉬운 조건을 갖고 있으며, 자체 발화온도가 약 170~220℃의 범위로 매우 낮다. 본 발명에서 대상으로 하는 고미연분 석탄회의 경우 저급탄의 발화온도 부근에서 우수한 단열특성을 보유하고 있어 자연발화 방지제 원료로서의 적용성이 큰 것으로 나타났다. 또한, 고미연분 석탄회는 보일러에서 재연소되어 연료의 손실을 회수할 수 있는 장점도 있다.

실험예2 (자연발화 방지제 도포 전산해석)

실험예2는 저탄장 저급탄 stockpile 표면부에 자연발화 방지제를 도포한 후 나타나는 발화 방지 효과를 전산유체해석을 통하여 분석하였다.

도 6은 본 발명의 자연발화 방지제의 실험예2의 석탄 stockpile 전산해석을 위한 외부조건 및 격자계를 도시한 개념도이다. 도 6을 참조하면, 먼저 실제 저탄장 stockpile과 유사한 외부조건을 형성하고 크기가 유사한 격자계를 형성하였다. 자연발화 현상은 외부공기가 비교적 쉽게 유입되는 석탄 stockpile의 표면부에서 1~15m 사이에서 대부분 발생하므로 stockpile 격자계 형성 시 표면부는 격자계를 보다 조밀하게 설정하여보다 자세한 전산해석을 수행하였다. stockpile 파일의 형상은 높이 15m, 너비 40m로 하여 실제 석탄화력발전소 저탄장과 거의 유사하게 설정하였다. 그리고 stockpile의 입도는 실제 저탄장 석탄더미와 같이 하단부 양끝단의 입자크기를 평균 약 30mm로 상대적으로 크게 하여 외부공기의 유입이 원활하게 이루어지도록 하였고 나머지 영역은 평균 입자크기를 22~63mm 범위로 설정하였다.

즉, stockpile의 격자계 및 외부조건을 위와 같이 형성한 후 자연발화 방지제를 도파하여 얻을 수 있는 자연발화 방지효과에 대한 전산해석을 수행하였다. 본 발명에서 제안하는 자연발화 방지제의 주요 목적은 석탄 stockpile의 표면부에 자연발화 방지제를 도포하여 석탄이 외부공기 즉 산소와 접촉하는 것을 차단하는 것이므로 전산해석을 수행하기 위한 자연발화 방지제 도포조건으로 기 형성한 stockpile 격자계에 wall 경계조건(바닥기준 0~40% 범위)으로 지정하여 공기의 투과를 방지하도록 하였다.

도 7은 본 발명의 자연발화 방지제의 실험예2의 자연발화 방지제 도포 전후 발화방지 효과 시뮬레이션 결과이다.

도 7을 참조하면, 동일한 조건의 석탄 stockpile에 대해서 자연발화 방지제를 도포한 경우와 도포하지 않은 경우에 대해 약 30일 정도의 기간이 경과한 후의 온도변화 차이를 비교하였다. 전산해석을 수행한 결과 자연발화 방지제를 도포하지 않은 경우 실제 석탄화력발전소 저탄장에서 발생 하는 자연발화 현상과 거의 유사하게 석탄의 입자가 큰 stockpile의 하단부 양 끝단에서 온도가 상승하였다. 반면 자연발화 방지제를 도포한 경우 같은 시간이 경과했음에도 불구하고 저탄 초기의 온도를 그대로 유지하였고 해당부위의 온도는 더 상승하지 않았다. wall 경계조건을 형성하지 않은 40% 위치 이상에서는 온도가 약간 상승하기는 하였으나 석탄의 입자가 상대적으로 작아 자연발화가 발생하는 온도에는 도달하지 않는 것으로 나타나 자연발화 방지제를 석탄 stockpile 표면부에 도포하여 석탄과 외부공기의 접촉을 원천적으로 차단하는 경우 자연발화 방지효과는 매우 큰 것으로 나타났다.

실험예3 (자연발화 방지제 제조 및 자연발화 모사시험)

실험예3은 고미연분 석탄회 또는 수트애쉬에 고분자수지 첨가제를 혼합하여 자연발화 방지제를 제조하고 제조한 자연발화 방지제를 적용한 석탄에 대한 자연발화 모사시험을 위해 실시하였다.

먼저 고상원료를 준비한 뒤 액상원료 및 물을 일정량 혼합한다. 각 원료별 비율은 고상원료와 액상원료와 물의 혼합물의 무게비로 1.2~1.6 : 1로 하였다. 고상원료의 함량비가 0.65이하로 하는 경우는 자연발화 방지제가 너무 묽어져 석탄더미 표면부에 도포하면 공극사이로 모두 빠져나가 표면부에 머무르지 못하게 될 뿐만 아니라 자연발화 방지제의 경화속도 또한 지연된다. 한편 고상원료의 함량비가 1 이상인 경우는 자연발화 방지제가 너무 뻑뻑하여 노즐을 이용한 분사가 거의 불가능하게 된다. 고상원료 함량비에 따른 자연발화 방지제의 특성은 하기 표 1에서 나타내었다.

고상원료 함량비	노즐분사적합도	경화속도	배합 용이성	최종선정여부
1.6 이상	불량	적합	불량	X
1.6~1.4	양호	적합	양호	O
1.4~1.2	접합	양호	적합	O
1.2 이하	적합	불량	적합	X

고상원료는 고미연분 석탄회 또는 수트애쉬를 단독 또는 혼합하여 사용해도 무방하며, 경화속도 단출 및 강도발현을 위해 시멘트를 총 고상원료 무게 중 25%이하로 함유하는 것도 바람직하다. 시멘트의 함량이 25% 이상으로 증가하는 것은 석탄화력발전소의 연소부산물인 석탄회(고미연분 석탄회 또는 수트애쉬)의 재활용 측면에서 바람직하지 않다.

실험예3에서는 고미연분 석탄회와 시멘트의 비율을 무게비로 3:1로 하여 고상원료를 준비하였다. 액상원료는 아스팔트 첨가제 또는 아스팔트 함유 액상첨가제, 고분자수지 첨가제의 혼합액과 물의 비율을 무게비로 1:3으로 준비하였다. 물의 비율이 높아질수록 자연발화 방지제의 경화속도가 저하될 수 있고, 물의 비율이 낮아질수록 자연발화 방지제의 점도가 높아져 노즐분사에 어려움이 있을 수 있을 뿐만 아니라 자연발화 방지제의 제조단가가 상승하기 때문에 실 적용시 현장상황에 맞게 적절히 조절할 수 있다. 액상원료 함량비에 따른 자연발화 방지제의 특성은 하기 표 2에서 나타내었다.

액상원료 100 중량부당 아스팔트 첨가제 중량부	액상원료 100 중량부당 고분자 수지 중량부	노즐분사적합도	경화속도	배합 용이성	최종선정여부
18.5	6.5	불량	적합	불량	X
16.0	6.25	양호	적합	불량	X
13.5	5.0	양호	적합	적합	O
11.44	3.75	접합	적합	적합	O
7.5	1.25	적합	양호	적합	O
5.0	0.25	적합	불량	적합	X

액상원료 중 아스팔트 첨가제는 총 액상원료 무게 기준 약 7.5~13.5% 범위가 적절하며 고분자수지 첨가제는 총 액상원료 무게 기준 약 1.25~5.0% 범위가 적절하다. 아스팔트 첨가제의 함량비가 16.0% 이상인 경우 액상원료의 배합이 어려워지고, 고분자수지 첨가제의 함량비가 5.0% 이상인 경우 자연발화 방지제의 단가가 상승하게 되어 경제성이 떨어지게 된다. 또한 아스팔트 첨가제 및 고분자 수지 첨가제의 함량비가 각각 5.0%, 0.25% 이하인 경우 자연발화 방지제의 경화속도가 지연되고 점도가 낮아져 강우에 의해 씻겨내려가는 문제가 발생한다.

또한, 실외형 자연발화 모사장치의 경우 도 8과 같이 500MW 표준 석탄화력 발전소의 표준 석탄화력 발전소의 저탄장과 유사한 형태로 실험을 위해 입도 50mm 원탄, 200kg을 쌓아 놓고 대기 온도 및 습도에 따른 석탄 내부의 열축적 및 발화발생 정도를 모니터링 하도록 구성하였다. 특히 자연발화 현상은 외부의 공기 및 수분과 접촉하기 쉬운 석탄 pile 표층의 1~2m 범위에서 대부분 발생하기 때문에 자연발화 모사장치의 경우도 상단부의 온도변화를 측정하도록 하였다.

도 9 및 도 10은 자연발화 방지제를 도포한 석탄더미의 자연발화 모사시험과 석탄더미 깊이별 산소농도 및 온도변화 모니터링 실시결과이다. 도 9 및 도 10을 참조하면 본 발명의 자연발화 방지제를 도포한 석탄더미에서는 발화가 시작되기 어렵다는 것을 알 수 있다.

자연발화 방지제를 도포한 경우 2주(14일)후부터 석탄 더미 내부산소 농도가 급격히 낮아지며, 50cm 깊이의 내부온도는 대기온도와 비례하여 증감을 하나 발화방지제를 도포하지 않은 경우 25일 이후 급격히 온도가 상승하여 발화개시 현상을 나타내었다.

이상에서 설명된 자연발화 방지제 및 자연발화 방지방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.

또한, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

100: 자연발화 방지제를 제조 및 저장하는 장치
1: 물 유입부
10: 물 저장부
11: 물 이송배관
20: 물 이송펌프
3: 고상원료 유입부
30: 고상원료 저장부
31: 고상원료 이송배관
40: 고상원료 이송펌프
5: 액상원료 유입부
50: 액상원료 저장부
51: 액상원료 이송배관
60: 액상원료 이송펌프
70: 혼합탱크
71: 교반모터
72: 교반모터 축
73: 교반모터 축 고정결합부
74: 교반모터 축 프로펠러
75: 교반 프로펠러 연결부
76: 자연발화 방지제 배출구
8: 자연발화 방지제 이송부
80: 자연발화 방지제 이송펌프
90: 자연발화 방지제 살포노즐
A: 자연발화 방지제

Claims

자연발화 방지제에 있어서,
고미연분 석탄회, 수트 애쉬(soot ash) 또는 시멘트를 포함하는 고상원료; 및
아스팔트 첨가제 및 고분자 수지를 포함하는 액상원료를 포함하고,
물이 첨가되는 것이 특징이고,
상기 아스팔트 첨가제는,
총 아스팔트 첨가제 100 중량부 당,
아스팔트 60 내지 100 중량부, 요소질산염 0.02 내지 2 중량부, 하이드록시프로필 메틸셀룰루스 2 내지 10 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 자연발화 방지제.
제1항에 있어서,
상기 고상원료의 구성비는,
상기 고상원료 100 중량부당 상기 고미연분 석탄회가 0 내지 100 중량부이고,
상기 고상원료 100 중량부당 상기 수트 애쉬가 0 내지 100 중량부이고,
상기 고상원료 100 중량부당 상기 시멘트가 0 내지 25 중량부인 것을 특징으로 하는 자연발화 방지제.
제2항에 있어서,
상기 고미연분 석탄회는 강열감량(loss on ignition)이 5 내지 25 wt% 범위인 비회(fly ash)를 포함하는 것을 특징으로 하는 자연발화 방지제.
제2항에 있어서,
상기 수트 애쉬는,
상기 수트 애쉬 100 중량부당 수트가 0.1 내지 10 중량부인 비회(fly ash)를 포함하는 것을 특징으로 하는 자연발화 방지제.
제2항에 있어서,
상기 시멘트는,
포틀랜트 시멘트를 포함하여 상기 자연발화 방지제를 석탄에 도포 후 경화되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 자연발화 방지제.
제1항에 있어서,
상기 고상원료는 석탄과 함께 보일러 내에 재투입되어 상기 고미연분 석탄회 중 미연분 및 수트 애쉬 중 수트를 재연소하여 손실되는 에너지를 회수할 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 하는 자연발화 방지제.
제1항에 있어서,
상기 액상원료와 물의 중량비는 1:3인 것을 특징으로 하는 자연발화 방지제.
제7항에 있어서,
상기 액상원료의 구성비는,
상기 액상원료 100 중량부당 상기 아스팔트 첨가제가 7.5 내지 13.5 중량부이고,
상기 액상원료 100 중량부당 상기 고분자 수지가 1.25 내지 5.0 중량부인 것을 특징으로 하는 자연발화 방지제.
제8항에 있어서,
상기 아스팔트 첨가제는 석탄에 도포되어 수분의 흡수를 차단하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 자연발화 방지제.
제8항에 있어서,
상기 고분자 수지는 EVA(ethylene vinyl acetate), SBR(styrene butadyene rubber), 라텍스, 변성라텍스, 초산비닐수지 및 아크릴수지 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 자연발화 방지제.
삭제
제1항 내지 제10항의 어느한 항의 자연발화 방지제를 석탄더미에 도포하는 자연발화 방지방법으로,
고상원료, 액상원료 및 물을 혼합하여 자연발화 방지제를 제조하는 혼합단계;
상기 자연발화 방지제를 석탄더미의 표면에 도포하는 도포단계; 및
상기 석탄더미에 도포된 자연발화 방지제를 건조하는 경화단계를 포함하고,
상기 고상원료는 고미연분 석탄회, 수트 애쉬(soot ash) 또는 시멘트를 포함하고,
상기 액상원료는 아스팔트 첨가제 및 고분자 수지를 포함하고,
상기 경화단계에서는 상기 석탄더미의 표면 상에 상기 자연발화 방지제의 차단막을 형성하고,
상기 차단막은 외부의 열기, 공기 및 수분이 상기 석탄더미의 내부로 전달되는 것을 막도록 형성되고,
상기 아스팔트 첨가제는,
총 아스팔트 첨가제 100 중량부 당,
아스팔트 60 내지 100 중량부, 요소질산염 0.02 내지 2 중량부, 하이드록시프로필 메틸셀룰루스 2 내지 10 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 자연발화 방지방법.
제12항에 있어서,
상기 도포단계에서 상기 자연발화 방지제는 상기 석탄더미의 전체 높이 중 상기 석탄더미의 바닥부에서 상부방향으로 5 내지 40% 높이만큼 도포하는 것을 특징으로 하는 자연발화 방지방법.
제12항에 있어서,
상기 고미연분 석탄회, 수트 애쉬는 상기 도포단계에서 상기 석탄더미에 도포되어 외부의 열기를 차단하여 상기 석탄더미가 단열(heat insulation)되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 자연발화 방지방법.
제1항 내지 제10항의 어느한 항의 자연발화 방지제를 제조 및 저장하는 장치.
제15항에 있어서,
상기 자연발화 방지제를 제조 및 저장하는 장치는,
물이 유입되도록 형성된 물 유입부;
고상원료가 유입되도록 형성된 고상원료 유입부;
액상원료가 유입되도록 형성된 액상원료 유입부; 및
상기 물, 고상원료 및 액상원료를 혼합하도록 형성되는 혼합탱크를 포함하고,
상기 혼합탱크의 상부는 상기 물 유입부에 연장연결되는 물 분사 노즐이 배치되고,
상기 고상원료는 고미연분 석탄회, 수트 애쉬(soot ash) 또는 시멘트를 포함하고,
상기 액상원료는 아스팔트 첨가제 및 고분자 수지를 포함하고,
상기 고상원료 유입부 및 상기 액상원료 유입부는 서로 분리되도록 배치되고,
상기 혼합탱크는 교반모터 및 교반모터 축을 구비하는 것을 특징으로 하는 상기 자연발화 방지제를 제조 및 저장하는 장치.
제16항에 있어서,
상기 혼합탱크에서의 상기 고상원료, 액상원료 및 물의 혼합은 상온에서 수행되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 상기 자연발화 방지제를 제조 및 저장하는 장치.