KR20130074442A - 석탄용 자연발화 억제제 및 이를 이용한 자연발화 억제방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 ash와 표면경화제 및 물과의 혼합물인 자연발화 억제제를 석탄파일의 표면에 분사되어 순환되는 공기를 차단하여 석탄의 자연발화를 억제하는 석탄용 자연발화 억제제 및 이를 이용한 자연발화 억제방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 석탄용 자연발화 억제제는 ash와 표면경화제 및 물을 혼합하여 석탄 표층에 도포하여 석탄 파일과 대기와의 공기 순환을 차단하여 석탄의 자연발화를 억제하는 것을 특징으로 한다.

Description

석탄용 자연발화 억제제 및 이를 이용한 자연발화 억제방법{ANTI-SPONTANEOUS COMBUSTION AGENT FOR COAL AND ANTI-SPONTANEOUS COMBUSTION METHOD USING IT}

본 발명은 ash와 표면경화제 및 물과의 혼합물인 표층 도포제를 혼합하여 석탄파일의 표면에 분사되어 순환되는 공기를 차단하여 석탄의 자연발화를 억제하는 석탄용 자연발화 억제제 및 이를 이용한 자연발화 억제방법을 제공하는 데 있다.

일반적으로 산업용 석탄의 야적을 효율적으로 하기 위하여 길다란 다수의 석탄 파일들이 만들어지고 있다. 여기서 길다란 석탄파일의 한쪽은 계속하여 쌓이기도 하며 사용되어서 다시 쌓을 공간을 만들지만 반대 측은 사용되지 않고 장기간 파일상태를 유지하기 때문에 이 부분에서는 장기간 석탄파일 내부로 순환되는 공기의 산화작용이 발열을 야기하고 온도가 누적되어서 석탄의 자연발화가 발생한다.

석탄에 포함된 휘발분과 수분 및 무기성분 등이 산소와 결합하는 반응은 발열반응으로 열이 국부적으로 축적되어서 석탄이 발화점에 도달함으로 자연 발화가 이루어지기 때문에 석탄 파일의 표층을 대기로 부터 차단하여 산소 공급을 차단함으로 자연발화를 억제할 수가 있다. 그러나 용매를 필요로 하는 우레탄 등을 사용하는 경우와 비닐 쉬트 등으로 석탄 파일을 대기와 차단하는 방법 등은 경제적으로 큰 비용지출과 작업의 불가성 및 위험성 등으로 적용성이 매우 낮거나 불가한 실정이다.

한편, PVA 또는 아크릴포리머 등을 이용하여 폼(foam)으로 만들어서 분사하여 극히 얇은 막으로 모든 석탄입자의 표면을 도포하는 방법을 사용할 수 있지만, 이러한 방법은 컨베이어에서 mass 상태로 낙하되는 석탄의 운반 과정에서 spray로 모든 석탄 알갱이를 포리머 막으로 입히고자 하는 작업의 한계성과 포리머의 두께 및 잔류성 등 여러가지 이유로 대기 중의 산소가 석탄파일의 내부로 흡입되는 것을 방지하여 석탄의 자연발화를 억제하는 방법으로는 한계성을 갖고 있다.

한편, 석탄의 연소후에 생성되는 ash는 그 입자 크기가 매우 미세하여 ash로 층을 만들면 물과 공기의 통과도 차단하는 우수한 밀폐 기능을 갖고 있기 때문에 이것으로 공기의 흐름을 차단 할 수가 있으나 건조된 ash는 쉽게 바람에 비산되기 문제가 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 석탄의 자연발화를 억제하기 위하여 석탄파일의 표면을 통과하여 순환되는 공기를 차단하여 석탄의 자연발화를 억제하는 자연발화 억제제 및 이를 이용한 자연발화 억제방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 해결과제는 ash와 표면경화제 및 물과의 혼합물을 석탄파일 표면에 도포하여 석탄 입자 간 미세기공에 침투하여 기밀과 수밀을 유지하는 층을 형성하므로써 석탄 파일을 통과하는 공기 순환을 차단할 수 있고, 강우 시 빗물에 의해 생성되는 공기 침투경로, 즉, 채널링(channelling) 현상을 방지하고 산소 공급을 차단하여 발열을 수반하는 산화 작용을 원천 차단할 수 있는 석탄의 자연발화를 예방할 수 있는 석탄용 자연발화 억제제 및 이를 이용한 자연발화 억제방법을 제공하는 데 있다.

본 발명은 또다른 해결과제는 석탄의 연소후에 남는 ash를 사용하고, 제지 공정후에 폐기물로 분리되는 리그닌과 폐지에서 추출한 펄프 종섬유를 함유하는 표면경화제를 사용하여 산업폐기물을 재활용하면서 간단하고 경제적으로 석탄의 자연발화를 억제할 수 있는 석탄용 자연발화 억제제 및 이를 이용한 자연발화 억제방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 석탄용 자연발화 억제제는 ash와 표면경화제 및 물을 혼합하여 석탄 표층에 도포하여 석탄 파일과 대기와의 공기 순환을 차단하여 석탄의 자연발화를 억제하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 전체 중량을 기준으로 15 내지 40중량%의 ash, 5중량% 내지 25중량%의 표면경화제 및 나머지 성분의 물이 혼합되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 표면경화제는 20중량%~50중량%의 접착성분을 갖는 고분자의 고형물질, 3중량%~10중량%의 폴리비닐알코올(PVA), 2중량% 내지 5중량%의 펄프 종섬유 및 나머지 중량으로 물을 혼합하여 제조된 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 고형물질은 리그닌, 당밀, 전분, 리그노셜 페이트 및 이들의 혼합물 중의 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 폐지로부터 펄프 종섬유를 만드는 공정에서 폐지와 리그닌 혼합물을 30도 정도로 가열하고 가성소다를 투입하여 펄프의 종섬유화를 촉진한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 석탄용 자연발화 억제방법은 교반기에 전체 중량을 기준으로 15 내지 40중량%의 ash, 5중량% 내지 25중량%의 표면경화제 및 나머지 성분의 물을 혼합하여 교반하여 자연발화 억제제를 생성하는 단계와; 교반기에 연결된 호스 및 펌프를 사용하여 고압으로 석탄 파일 상부에 살수 분사하여 도포하는 단계와; 석탄 파일의 표면에 도포된 자연발화 억제제의 피막층이 형성되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 석탄용 자연발화 억제제는 극히 미세한 분말인 ash를 표면경화제와 함께 물에 희석하여 석탄 파일의 표면에 얇게 도포하는 것으로서 극히 입자 크기가 미세한 회분인 ash 입자와 표면경화제가 석탄 입자 간 미세기공에 침투하여 기밀과 수밀을 유지하는 층을 만들어 석탄 파일을 통과하는 공기 순환을 차단할 수 있고, 강우 시 빗물에 의해 생성되는 공기 침투경로, 즉, 채널링(channelling) 현상을 억제하므로써 산소 공급을 차단하여 발열을 수반하는 산화 작용을 원천 차단하여 자연발화를 억제할 수가 있다.

본 발명의 석탄용 자연발화 억제제는 석탄의 연소후 발생하는 ash와 폐지를 재활용하여 만들어 지는 펄프 종섬유 등을 사용하기 때문에 산업폐기물을 재활용하면서 간단하고 경제적으로 제작할 수 있는 장점이 있다.

또한, 석탄파일의 내부에 축적된 온도를 내리기 위하여 중장비를 이용한 석탄파일의 뒤집기 및 정리비용과 살수에 의한 에너지 손실 및 살수비용 및 비산먼지를 발생방지를 위한 비산방지제 사용 등을 대신 할 수 있기에 그 경제적 이익과 환경적 이익은 대단히 크다 할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 자연발화 억제제를 석탄 파일에 도포하는 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 자연발화 억제제를 석탄 파일에 도포된 상태의 단면 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 자연발화 억제제를 석탄 파일에 도포된 표면 실제사진.
도 4는 도 3의 표면사진을 약 5배 확대한 사진.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 석탄용 자연발화 억제제에 대하여 자세히 설명한다.

본 발명에 따른 석탄용 자연발화 억제제는 전체 중량을 기준으로 15 내지 40중량%의 ash, 5중량% 내지 25중량%의 표면경화제 및 나머지 성분의 물을 첨가하고, 이를 혼합 교반하여 제조된다. 이때, 물은 추가할수록 표면경화제가 묽게되어 침하됨으로 결합성능이 떨어지며 많은량을 분사함으로 비경제적이다.

ash는 연탄이 연소되면서 발생되는 것으로 0.1 ㎜ 이하의 입도를 갖는 비회와 5 ㎜ 이하의 입도를 갖는 저회를 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있으나, 비회(fly ash)를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 ash는 분사후 표면 경화제에 의하여 석탄입자 표면에 접착되어 경화후 강도를 갖게 된다. ash는 전체 중량에 대하여 15 내지 40중량%로 첨가된다. 이때, ash 량을 40중량%를 초과하면 물이 모자라 물에 희석이 용이하지 않은 문제가 있고, 15중량% 미만이면 도포층이 얇아져서 기밀에 불안정한 문제가 있다.

표면경화제는 ash와 함께 석탄에 부착되어 ash층을 보호하며 자연발화 억제제가 분사 후에 지면으로 침하되지 않도록 높은 고형분과 접착성을 갖는 고분자 고형분들의 혼합물이다. 이러한 표면경화제는 전체 중량에 대하여 5중량% 내지 25중량%로 첨가된다. 이때, 5중량% 미만이면 묽게되어 침하됨으로 결합성능이 떨어지는 문제가 있고, 25중량% 초과되면 자연발화 억제제의 강도 및 성능은 향상되지만 비경제적인 문제가 있다.

이러한 표면경화제는 접착성분을 갖는 고분자의 고형물질 20중량% 내지 50중량%, 폴리비닐알코올(PVA) 3중량% 내지 10중량%, 펄프 종섬유 2중량% 내지 5중량% 및 나머지 중량으로 물을 혼합하여 제조된다.

표면경화제의 고형물질은 높은 접착력을 갖는 고형분의 함유량을 갖고 있는 리그닌(lignin), 리그노셜 페이트, 당밀, 전분 등에서 선택한 고분자를 사용한다. 고형물질은 표면경화제 총중량에 대하여 20중량% 내지 50중량%로 사용된다. 고형물질의 함유량이 20중량% 이하에서는 결합성능이 낮아지는 문제가 있다. 특히 고형물질은 리그닌(lignin)은 목질화된 섬유세포에서 섬유소와 공존하며 목재의 약 30%를 차지하는 주요 성분으로써, 목재 제조공정 후 남은 폐기물에서 얻어지는 리그닌 흙액(black liquor)을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 고형물질은 접착성분으로 ash를 펄프 종섬유에 결합시켜 흘러내리는 것을 방지하는 접합제 역할하고 또한 ash와 함께 피막층을 형성한다.

표면경화제의 폴리비닐알코올은 석탄 표면에 분사된 후에 흘러내리는 것을 최소화하도록 결합성을 증가시킬 수 있도록 첨가된다. 이러한 폴리비닐알코올은 표면경화제의 총중량에 대하여 3~5% 정도로 혼합되는 것이 바람직하다.

그리고, 표면경화제의 펄프 종섬유는 석탄 표면에 분사 후 자연발화 억제제에 포함된 ash와 고형물질을 표면에 정착시키는 기본 구조를 형성하며 ash와 접착성 고형물질의 침하를 최소화 하고 상호 결합력을 증가시키기 위하여 첨가된다. 이러한 펄프 종섬유는 표면경화제의 총중량에 대하여 2중량% 내지 5중량%로 사용된다. 이때, 5중량% 이상을 사용하면 펄프 종섬유의 수분흡수가 증대되어 표면경화제를 용액으로 제작하기 어려우며, 2중량% 미만에서는 성능이 낮아지는 문제가 있다.

이러한 종섬유는 폐지를 물에 넣은 후에 분해하여 추출한 것이 바람직하다. 이때, 여기서 펄프화를 촉진하기 위하여 가성소다 등을 투입후 30도씨 정도로 가열하여 폐지를 펄프화 시키며 펄프는 매우 큰 흡습성을 갖고 있기 때문에 폐지가 펄프의 종섬유로 분리된 후에는 그 부피는 약 30배 이상으로 팽창 되어서 다량의 펄프 종섬유를 얻을 수가 있다.

이와 같이 ash, 물과 함께 혼합되는 표면경화제의 펄프 종섬유는 분사후 콘크리트에서 치밀한 철근의 역할과 같이 ash, 석탄, 폴리비닐알코올, 고형물질 등과 접착 또는 그물역활을 하여 흘러내리는 것을 방지하고 자연발화 억제제 내부에서 접착력과 강도를 주어서 자연발화 억제제층을 그대로 유지하는데 기여한다. 즉, 자연발화 억제제에서 수세미 형상으로 종섬유가 분포되어서 종섬유를 중심으로 ash, 고형물질이 결합되면서 도포 후에 석탄파일의 지면으로 잘 침하 되지 않는 상태에서 석탄의 표층에서 건조되어 피막층을 형성할 수 있다.

한편, 본 발명의 자연발화 억제제는 미생물에 의한 천연 성분인 펄프가 부패되는 것을 방지하기 위하여 방부제와 안정제를 각각 첨가할 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 석탄용 자연발화 억제제는 석탄 파일의 표층에 균일하게 도포되며 극히 미세한 분말 상태인 ash를 균일하게 도포할 수 있고 도포된 ash가 비산되지 않도록 보호 유지할 수 있다. 또한, 건조 후 단단한 강도를 갖는 콘크리트와 같은 보호층이 형성되어 석탄파일 표층에 물도 통과하지 못하여 석탄이 함유한 휘발성분 및 수분, 기공 등에 의한 공기의 흡입과 순환에 의한 산화발열 작용으로 발생하는 자연발화를 차단할 수 있다.

본 발명에 따른 석탄용 자연발화 억제제를 이용한 석탄의 자연발화 억제방법을 살펴본다.

먼저, 목재 제조공정 후 남은 폐기물에서 얻어진 리그닌을 고형물질로 사용하여 20중량%~50중량%내에서 혼합하고, 폴리비닐알코올 3중량%~10중량% 및 폐지로부터 얻어진 펄프 종섬유 2중량% 내지 5중량%를 혼합하여 표면경화제를 제조한다. 이때, 고형물질로서 리그닌 대신 높은 고형분의 함유량을 갖고 있는 전분, 당밀, 리그노셜 페이트 등을 사용할 수 있다.

그 후, 교반기에 ash, 표면경화제 및 물을 약 3:1:6의 중량비로 첨가하여 교환하여 자연발화 억제제를 제조한다. 이때, ash는 석탄의 연소되면 발생되는 0.1 ㎜ 이하의 입도를 갖는 비회와 5 ㎜ 이하의 입도를 갖는 저회를 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.

이러한 과정을 통해서 자연발화 억제제가 생성되면 교반기에 연결된 호스 및 펌프를 사용하여 고압으로 석탄파일 상부에 살수 분사를 한다.

도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 석탄파일에 살수된 자연발화 억제제는 석탄입자간 틈새로 깊숙이 침하되면서 ash 입자와 표면경화제 성분이 더욱 촘촘히 밀착되어 2~ 5mm 두께의 피막을 형성하고, 건조 후에는 물과 공기도 통과하지 못하는 건조된 ash 층이 형성된다. 이에 따라 화력 발전소와 제철소에서 장시간 야적되는 동안에 석탄 파일 중에서 국부지역의 온도가 상승하여 발생되는 자연발화를 방지하여 할 수 있다.

Claims (9)

1. ash, 표면경화제, 물을 혼합하여 석탄 표층에 도포하여 석탄 파일과 대기와의 공기 순환을 차단하여 석탄의 자연발화를 억제하는 것을 특징으로 하는 석탄용 자연발화 억제제.
   
2. 청구항 1에 있어서, 전체 중량을 기준으로 15 내지 40중량%의 ash, 5중량% 내지 25중량%의 표면경화제 및 나머지 성분의 물이 혼합되는 것을 특징으로 하는 석탄용 자연발화 억제제.
   
3. 청구항 1에 있어서, 표면경화제는 20중량%~50중량%의 접착성분을 갖는 고분자의 고형물질, 3중량%~10중량%의 폴리비닐알코올(PVA), 2중량% 내지 5중량%의 펄프 종섬유 및 나머지 중량으로 물을 혼합하여 제조된 것을 특징으로 하는 석탄용 자연발화 억제제.
   
4. 청구항 3에 있어서, 고형물질은 리그닌, 당밀, 전분, 리그노셜 페이트 및 이들의 혼합물 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 석탄용 자연발화 억제제.
   
5. 청구항 3에 있어서, 폐지로부터 펄프 종섬유를 만드는 공정에서 폐지와 리그닌 혼합물을 30도 정도로 가열하고 가성소다를 투입하여 펄프의 종섬유화를 촉진한 것을 특징으로 하는 자연발화 억제제.
   
6. 청구항 1 내지 청구항 3에 있어서, 방부제와 안정제를 더 혼합한 것을 특징으로 하는 자연발화 억제제.
   
7. 교반기에 전체 중량을 기준으로 15 내지 40중량%의 ash, 5중량% 내지 25중량%의 표면경화제 및 나머지 성분의 물을 혼합하여 교반하여 자연발화 억제제를 생성하는 단계;
   교반기에 연결된 호스 및 펌프를 사용하여 고압으로 석탄 파일 상부에 살수 분사하여 도포하는 단계;
   석탄 파일의 표면에 도포된 자연발화 억제제의 피막층이 형성되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 석탄용 자연발화 억제 방법.
   
8. 청구항 7에 있어서, 표면경화제는 20중량%~50중량%의 접착성분을 갖는 고분자의 고형물질, 3중량%~10중량%의 폴리비닐알코올(PVA), 2중량% 내지 5중량%의 펄프 종섬유 및 나머지 중량으로 물을 혼합하여 제조된 것을 특징으로 하는 석탄용 자연발화 억제 방법.
   
9. 청구항 7에 있어서, 고형물질은 리그닌, 당밀, 전분, 리그노셜 페이트 및 이들의 혼합물 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 석탄용 자연발화 억제 방법.

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