KR20230098118A - 옥내 저탄장 자연발화 감지 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
옥내 저탄장의 자연발화 발생부위를 감지하고 그 발생부위에 대한 선택적 냉각 소화를 통한 자연발화를 억제할 수 있는 자연발화 감지 시스템이 개시된다. 상기 자연발화 감지 시스템은, 옥내형 저탄장내 중앙 격벽과 가로측 격벽으로 구획되는 저탄블록에 저장되는 석탄더미의 자연발화상태를 검출하기 위해 온도 정보 및 가스 정보를 검출하는 측정계, 상기 온도 정보와 상기 가스 정보를 이용하여 상기 자연발화가 발생하는 저탄 발화 위치 배열을 산출하는 중앙 제어 단말, 및 상기 살포 제어 명령에 따라 소화액을 상기 저탄 발화 위치 배열 중 하나에 살포하는 분사 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 저탄장 자연발화 제어 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 석탄
더미의 보관과정에서 자연발화 발생시 일산화탄소(CO)가스 및 이동형 적외선 온도센서 감지, 자동 무선 송수신에 의한 자연발화 발생부위를 감지하고 그 발생부위에 대한 선택적 냉각소화를 통한 자연발화를 억제할 수 있는 자연발화 감지 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 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 저온으로 자연발화가 개시되는 초기 시점부터 근본적으로 발화가스를 감지하고 발화위치 및 표면온도를 감지하여 자연발화 현상을 근본적으로 해결하고 상기의 방법들과 같이 부가적인 문제를 발생시키지 않는 효과적인 자연발화 감지 및 제어대책이 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, 석탄 사일로(silo) 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 석탄화력발전소 현장에 적용된 사례가 전무하다.
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 옥내 저탄장의 자연발화 발생부위를 감지하고 그 발생부위에 대한 선택적 냉각 소화를 통한 자연발화를 억제할 수 있는 자연발화 감지 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 옥내 저탄장에서 자연발화의 발생위치 및 그 위치의 표면온도를 정밀하게 측정할 수 있는 자연발화 감지 시스템 및 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 옥내 저탄장의 자연발화 발생부위를 감지하고 그 발생부위에 대한 선택적 냉각 소화를 통한 자연발화를 억제할 수 있는 자연발화 감지 시스템을 제공한다.
상기 자연발화 감지 시스템은,
옥내형 저탄장내 중앙 격벽과 가로측 격벽으로 구획되는 저탄블록에 저장되는 석탄더미의 자연발화상태를 검출하기 위해 온도 정보 및 가스 정보를 검출하는 측정계;
상기 온도 정보와 상기 가스 정보를 이용하여 상기 자연발화가 발생하는 저탄 발화 위치 배열을 산출하고, 상기 저탄 발화 위치 배열에 따른 상기 자연발화상태를 제거하기 위한 소화액의 살포 제어 명령을 생성하는 중앙 제어 단말; 및
상기 살포 제어 명령에 따라 상기 소화액을 상기 저탄 발화 위치 배열 중 하나의 위치에 살포하는 분사 장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 측정계는, 상기 석탄더미의 일정 표면 깊이로부터 상기 가스 정보를 검출하는 가스 감지 센서; 및 상기 가스 정보가 검출됨에 따라 미리 설정되는 이동 궤도 라인을 따라 이동하면서 상기 석탄더미의 표면으로부터 상기 온도 정보를 검출하는 온도 센서;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 온도 센서의 이동에 따라 상기 저탄 발화 위치 배열(350)이 변경되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가스 감지 센서는, 상기 중앙 격벽과 상기 가로측 격벽의 상부로부터 일정 높이를 가지며 서로 일정 간격으로 설치되는 제 1 가스 감지 센서 및 제 2 가스 감지 센서로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한,상기 이동 궤도 라인의 경우, 하부바닥에 있는 제 1 경사면(G1) 및 상기 제1 경사면(G1)에 이어진 제 2 경사면(G2)의 구간에 대응하는 상기 이동 궤도 라인의 제 1 라인 패턴을 이루는 다수의 횡방향 라인간 간격은 상기 제 2 경사면(G2)의 끝구간으로 갈수록 감소되게 형성되며, 상기 제 2 경사면(G2)으로부터 이어진 제 3 경사면(G3) 및 상기 제 3 경사면(G3)으로부터 이어진 제 4 경사면(G4)의 구간에 대응하는 상기 이동 궤도 라인의 제 2 라인 패턴을 이루는 다수의 횡방향 라인간 간격은 상기 제 4 경사면(G4)의 끝구간으로 갈수록 증가되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 경사면(G1)으로부터 상기 제 2 경사면(G2)까지는 상기 소화액의 분사각 기울기는 5∼20°이고, 상기 제 2 경사면(G2)으로부터 상기 제 3 경사면(G3)까지는 상기 소화액의 분사각 기울기는 20∼30°이고, 상기 제 3 경사면(G3)으로부터 상기 제 4 경사면(G4)까지는 상기 소화액의 분사각 기울기는 30∼45°인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 경사면(G1)의 입도분포는 52.5∼25.8mm이고, 상기 제 2 경사면(G2)의 입도분포는 41.8∼18.8mm이고, 상기 제 3 경사면(G3)의 입도분포는 19.0∼4.3mm이고, 상기 제 4 경사면(G4)의 입도분포는 4.5∼2.5mm인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 경사면(G1)으로부터 상기 제 2 경사면(G2)까지에서 상기 자연발화에 대한 발화 빈도는 70~90%인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이동 궤도 라인은 상기 석탄더미의 정상으로부터 시작되는 제 1 정상면으로부터 상기 중앙 격벽에 이르는 접촉면까지 서로 이격되는 제 3 간격을 가지며, 상기 제 3 간격은 상기 제 1 간격보다 거리가 크지만 제 2 간격보다 거리가 작은 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 접촉면(T1)부터 상기 중앙 격벽까지는 상기 소화액의 분사각 기울기는 50∼60°인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 정상면(T2)의 입도분포는 3.2∼2.4mm이고, 상기 접촉면(T1)의 입도분포는 3.2∼33.2mm인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 접촉면(T1)에서 상기 자연발화에 대한 발화 빈도는 10~30%인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 분사 장치의 분사 노즐 가동시 최적 소화효율 압력범위인 8∼11kgf/㎠에서는 0.045 ∼0.08L 소화수/kg 하탄 석탄량의 액고비인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 소화액은 상기 석탄더미의 석탄표면의 기름((H-O-CO-CH2)n)과 비누화반응을 통해 상기 석탄 표면에 칼슘염의 코팅막((Ca-(O-CO-CH2)2)을 형성하도록 3∼9mg CaCO3/1.0 ℓH2O인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 중앙 제어 단말은 상기 온도 정보가 50℃미만이면, 상기 살포 제어 명령을 중지하는 것을 특징으로 한다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, (a) 측정계가 옥내형 저탄장내 중앙 격벽과 가로측 격벽으로 구획되는 저탄블록에 저장되는 석탄더미의 자연발화상태를 검출하기 위해 온도 정보 및 가스 정보를 검출하는 단계; (b) 중앙 제어 단말이 상기 온도 정보와 상기 가스 정보를 이용하여 상기 자연발화가 발생하는 저탄 발화 위치 배열을 산출하고, 상기 저탄 발화 위치 배열(350)에 따른 상기 자연발화상태를 제거하기 위한 소화액의 살포 제어 명령을 생성하는 단계; 및 (c) 분사 장치가 상기 살포 제어 명령에 따라 상기 소화액을 상기 저탄 발화 위치 배열 중 하나의 위치에 살포하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 옥내 저탄장 자연발화 감지 방법을 제공한다.
본 발명의 효과에 따르면, 저급탄 자연발화방지 및 장기간 저장 등에 매우 큰 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 발화가 발생한 석탄을 육안으로 구분이 어려운 초기에 일산화탄소 감지를 통해 원천적으로 감지하고 이동형 적외선 측정기로 발화 위치를 감지할 수 있다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 발화 초기위치를 노즐 기울기 조절 및 선택적 소화를 통해 냉각효과를 가지면서 저탄기간 내에는 탄산칼슘의 흡열 및 비누화반응으로 생성된 단단한 칼슘염 막을 형성시켜 석탄 표면의 산소 접촉을 차단
하여 자연발화 현상을 효과적으로 감지 및 제어할 수 있다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 부수적으로 탄산칼슘의 부산물인 칼슘염(Ca-(O-CO-CH2)2)은 보일러에 연소 시 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 구조 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 옥내형 저탄장의 석탄더미 자연발화 발생위치 예측도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 옥내 저탄장 자연발화 감지 시스템의 구성 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 발화발생탄의 일산화탄소(CO) 및 표면 온도 감지, 소화액 구동펌프와 분사 노즐기의 분사 작동과정을 보여주는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 옥내 저탄장 자연발화 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 옥내 저탄장의 격벽으로 구분된 1개 블록의 입체도이다.
도 8은 도 7의 평면도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 온도 센서의 이동 배열에 따라 소화수 분사장치의 구동 개념이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 옥내저탄장 격벽과 석탄더미의 실제 저탄 형태 단면도이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 소화제 분사노즐 압력별 발화발생 발화탄의 온도변화를 보여주는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 소화제 분사노즐 압력별 저장 발화탄량 대비 소화탄액 분사량 비율(액고비)의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 소화수 분사노즐 기울기별 분사길이 측정도이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 저탄장 발화예상탄 하역 후 온도변화 측정센서 설치도이다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 야적기간 및 위치별 온도변화를 보여주는 표이다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 저탄기간별 50cm 깊이 온도센서 및 적외선 표면온도 변화, 일산화탄소 농도 변화를 보여주는 표이다.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 자연발화 예상탄 저탄기간별 경사면별 50cm깊이 내부온도 측정결과를 보여주는 그래프이다.
도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 자연발화 발생구간의 깊이 50cm 온도를 티형(t-type) 센서로 측정한 결과와 이동형 적외선 측정기로 감지한 표면온도의 비교 값을 보여주는 그래프이다.
도 19는 본 발명의 일실시예에 따른 자연발화 예정탄 하역 후 저탄기간별 CO농도변화를 보여주는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 옥내형 저탄장의 석탄더미 자연발화 발생위치 예측도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 옥내 저탄장 자연발화 감지 시스템의 구성 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 발화발생탄의 일산화탄소(CO) 및 표면 온도 감지, 소화액 구동펌프와 분사 노즐기의 분사 작동과정을 보여주는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 옥내 저탄장 자연발화 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 옥내 저탄장의 격벽으로 구분된 1개 블록의 입체도이다.
도 8은 도 7의 평면도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 온도 센서의 이동 배열에 따라 소화수 분사장치의 구동 개념이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 옥내저탄장 격벽과 석탄더미의 실제 저탄 형태 단면도이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 소화제 분사노즐 압력별 발화발생 발화탄의 온도변화를 보여주는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 소화제 분사노즐 압력별 저장 발화탄량 대비 소화탄액 분사량 비율(액고비)의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 소화수 분사노즐 기울기별 분사길이 측정도이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 저탄장 발화예상탄 하역 후 온도변화 측정센서 설치도이다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 야적기간 및 위치별 온도변화를 보여주는 표이다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 저탄기간별 50cm 깊이 온도센서 및 적외선 표면온도 변화, 일산화탄소 농도 변화를 보여주는 표이다.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 자연발화 예상탄 저탄기간별 경사면별 50cm깊이 내부온도 측정결과를 보여주는 그래프이다.
도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 자연발화 발생구간의 깊이 50cm 온도를 티형(t-type) 센서로 측정한 결과와 이동형 적외선 측정기로 감지한 표면온도의 비교 값을 보여주는 그래프이다.
도 19는 본 발명의 일실시예에 따른 자연발화 예정탄 하역 후 저탄기간별 CO농도변화를 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 옥내 저탄장 자연발화 감지 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 감지 및 억제하기 위하여 발화발생 예상탄을 저장 할 때 자연발화의 발생 초기 육안으로 자연발화 발생을 구분하기 어려울 때 저온구간에서 발생하는 일산화탄소(CO)를 감지한 후 자연발화 발생위치를 측정하기 위한 이동형 적외선 온도 측정기를 구동하여 표면온도가 100℃이상인 자연발화 발생위치를 감지하는 방법; 발화 발생위치에 선택적으로 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 도출할 수 있다.
첫 번째, 옥내저탄장 상부에 저온(100∼150℃) 발화 개시 때부터 발생되는 일산화탄소(CO)를 감지하기 위한 일산화탄소 감지센서와 무선송신장치가 구비되여, 육안으로 자연발화를 감지하지 못하는 최저온 발화시작점부터 발생하는 일산화탄소(CO)는 공기 보다 가벼워 발생 후 곧바로 상부로 이동하므로 저탄장 격벽 내 석탄더미의 상부로 상승하는 일산화탄소(CO)를 감지하여 자연발화가 개시되는 석탄 표면 50cm 깊이의 내부온도를 감지하여 자연발화 개시 여부를 측정하도록 구성할 수 있다.
두 번째, 일산화탄소(CO)가 감지되면 자동으로 이동형 적외선 센서가 회전라인에 부착되어 석탄더미 높이별 경사면 최하부부터 최상단 벽면부까지 이동하면서 표면온도가 100℃이상인 발화발생 위치 및 표면온도를 감지하도록 구성할 수 있다.
자연발화 발생빈도가 가장 높은 영역은 하부바닥 경사면보다 조립분이 쌓여 있으며 상승기류가 가장 많이 유입되는 하부바닥 경사면으로부터 경사면 1/3지점 구간으로는 적외선 측정기의 이동 궤적 라인 간격이조밀하게, 자연발화 빈도가 낮아지는 정상으로 멀어질수록 성기게 달리 구성하며, 두 번째 다발지점인 정상부로부터 중앙격벽까지의 경사면은 두 번째 조밀하게 온도센서 간격을 구성한다.
세 번째, 석탄의 저탄기간에 자연발화가 발생하여 표면온도가 80∼200℃인 석탄의 표면온도를 25℃이하로 냉각소화를 통해 저장해야 자연발화 발생을 억제할 수 있다. 표면온도가 높은 석탄 표면의 열과 발생가스(CO,CO2)를 흡수하기 위해 용해도 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
네 번째, 석탄의 표면은 소수성(Hydrophobic)이어서 물과는 젖지 않고 반응이 되지 않아 물리적 강제 접촉 방식을 채용하여 석탄의 표면접촉 빈도 및 젖음성 증가를 위해 분사압력이 7∼10kgf/㎠ 범위로 유지될 수 있는 노즐을 지표면 기준으로 상부수직으로 5∼25°기울어진 노즐분사를 통해 발화 발생빈도가 70∼90%인 바닥면으로부터 경사면상부 1/3지점을 냉각소화하고, 발화 발생빈도가 10∼30%의 최정상부터 중간 벽면까지의 발화위치를 지표면 기준 상부수직으로 50∼60° 기울어진 노즐 분사를 통해 발화탄을 선택적으로 냉각소화를 통해 100∼250℃의 석탄 표면온도를 25℃이하로 냉각시키도록 구성할 수 있다.
다섯 번째, 탄산칼슘 소화수 분사노즐은 이동형 회전라인에 부착된 적회선 온도 측정기의 배열에 따라 발화발생 위치에 따라 배열이 달라지면 소화수 분사노즐이 자동으로 적외선 온도 측정기의 중심축을 따라 자동 이동하도록 구성하여 100℃이상의 발화개시탄이 감지 시 자동으로 분사되도록 구성한다. 또한, 소화액과 발화량의 비율을 나타내는 액고비는 0.04∼0.08ℓ소화수/kg 저탄(coal)로 운전하도록 구성하며, 50℃미만의 석탄표면 온도가 되면 자동으로 적외선 온도센서 및 소화수 분사노즐의 가동을 중지하는 온-오프(On-off)방법을 통해 효과적인 발화개시 석탄의 감지 및 소화를 통해 발화를 방지하는 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 옥내형 저탄장(100)의 구조 개념도이다. 특히, 도 1은 석탄 화력 발전소에서 건설 및 운영하고 있는 옥내형 저탄장의 구조개념도이다. 옥내형 저탄장(100)은 기본적으로 지면(10)상에 지붕(20)이 설치되고, 이 지붕(20) 내에 세로방향의 장축 격벽과 가로방향의 단축 격벽(110)으로 구분되어 있고 격벽들로 구분된 각 구획마다 원하는 석탄(150)을 저장할 수 있다. 즉, 중앙격벽(111)쪽으로 하강하는 기울어진 바닥면(50)으로 구분하여 안쪽에 석탄 더미(150)를 저장한다. 석탄 더미(150)는 개별적인 석탄을 의미할 수도 있고, 석탄들이 모인 하나의 덩어리를 의미할 수도 있다.
또한, 석탄 이송용 컨베이어부(180)가 장축 격벽과 동일한 방향으로 설치되어 있어 리클레이머(140)의 석탄 채취부(141)가 석탄 이송용 컨베이어부(130)의 컨베이어 벨트(131)측으로 석탄(150)을 밀어내면 컨베이어 롤러(132)에 의해 이동하는 컨베이어 벨트(131)가 석탄을 미분기 저장고(silo)(미도시)로 이송하게 된다.
하역시 발화 개시탄의 온도를 측정하는 온도 센서(121-1)는 저탄기(120)에 설치된다. 중앙격벽(111)과 가로축 격벽(110)과 바깥쪽으로 기울어진 바닥면(50)내 석탄더미(150)의 깊이 약 50cm 내부에서 자연발화가 개시되면 육안으론 구분이 안되어 자연발화의 개시 초기에 발생되는 일산 화탄소(CO)를 감지하는 가스 감지센서(121-2), 감지된 데이터를 전송하는 통신 장치(미도시)가 구성된다.
일산화탄소(CO)가 감지되면 석탄더미 표면온도를 측정을 통해 발화발생 위치를 감지하기 위한 감지센서(121-2)를 이동 궤적 라인을 따라 석탄더미 경사면과 최정상측 격벽 경사면부까지 이동(순환) 및 역이동(재순환)하도록 이동 궤적 라인이 구성된다.
측정계(121)에서 감지된 데이터를 무선으로 받아 소화수를 분사하는 분사 장치(160)는 컨베이어 벨트(130)와 옥내용 저탄장 리클레이머(140)의 사이에 배치된다. 측정계(121)는 발화 개시탄의 온도를 측정하는 온도 센서(121-1)와 일산화탄소(CO)를 감지하는 가스 감지 센서(121-2)로 구성된다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 옥내형 저탄장(100)의 석탄더미 자연발화 발생위치 예측도이다. 도 2를 참조하면, 기본적으로 세로방향의 장축 격벽과 가로방향의 단축 격벽(110)으로 구분되어 있고 중앙격벽(111)쪽으로 하강하는 기울어진 바닥면(50)으로 구분하여 안쪽에 석탄을 저장한다. 또한, 자연발화 발생 예상탄의 경우 저탄과정에서 조립분은 하부에 쌓이고 미립분은 상부에 쌓이는 경사면(211)의 입도 분포 특성과 중앙격벽(111)이 존재한다. 따라서, 경사면(211)에서는 하부 경사면 바닥으로부터 1/3지점에서 공극률이 발생해 공기 소통이 원활해 자연발화(212)의 70∼90%(210)가, 상부의 경우 중앙격벽(111)과의 충돌기류가 일어나는 최정상 격벽 접촉면에서 자연발화(222)의 10∼30%(220)가 발생되고 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 옥내 저탄장 자연발화 감지 시스템(300)의 구성 블럭도이다. 도 3을 참조하면, 저탄장 자연발화 발생탄 제어 시스템(300)은, 석탄 배출기(120), 측정계(121), 중앙 제어 단말(310), 분사 장치(160) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
석탄 배출기(120)는 석탄을 실내 저탄장에서 아래방향으로 투하(즉 하탄)하는 기능을 수행한다.
측정계(121)는 석탄더미의 자연발화상태를 검출하여 온도 정보 및 가스 정보를 생성하는 기능을 수행한다. 이를 위해, 측정계(121)는 온도 정보를 생성하는 온도 센서(121-1) 및 가스 정보를 생성하는 가스 감지 센서(121-2)를 포함할 수 있다. 온도 센서(121-1)는 주로 적외선 온도 센서가 될 수 있으며, 감스 감지 센서(121-2)는 주로 일산화탄소(CO) 감지 센서가 될 수 있다.
중앙 제어 단말(310)은 통신 장치(301)를 통해 측정계(121)와 연결된다. 물론, 통신 장치(301)는 통신망을 통해 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 측정계(121)를 통해 획득된 온도 정보 및 가스 정보를 이용하여 자연발화화가 개시되었는지를 판단하고, 이 판단결과에 따라 자연발화상태로서, 일산화탄소(CO)와 석탄표면의 온도가 100℃이상 감지되는 발화 위치에 자동분사하는 살포제어명령을 생성한다. 이와 달리, 50℃ 미만이면 자동 오프(OFF)된다.
중앙 제어 단말(310)은 서버, 퍼스널 컴퓨터, 노트북 등이 될 수 있다.
분사 장치(160)는 구동 펌프(320), 분사 노즐기(330), 소화액 공급부(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 대표적으로 물이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 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.
석탄은 도 1에 도시된 바와 같은 형태로 쌓이고 저탄기간이 지나면서 자연발화가 시작된다. 석탄더미(150)의 표면깊이 약 50cm부근에서 자연발화가 개시되면 가장 먼저 일산화탄소(CO) 가스가 발생된다. 발생된 일산화탄소(CO)는 공기 보다 가벼워 저탄장 격벽 지붕측에 부착되어 있는 일산화탄소(CO)를 감지하는 감지센서(121-2)로 이동하며, 감지센서(121-2)에서 일산화탄소(CO)가 감지되면, 발화가 발생한 위치를 감지하기 위해 온도 센서(121-1)가 자동 가동된다.
온도 센서(121-1)가 약100℃ 이상의 석탄 표면온도를 감지하면, 온도 정보를 통신장치(301)가 중앙 제어 단말(310)로 전송한다. 신호를 받은 중앙 제어 단말(310)은 소화액 구동펌프(320)를 구동하도록 하며, 소화액 공급부(340)에서 소화액 구동펌프(320)를 통해 소화액 분사 노즐기(330)이 가동된다.
석탄 표면의 온도가 약 25℃ 미만으로 감소할 때 소화액 구동펌프(320)는 오프된다. 석탄더미(150)의 표면온도 감지는 석탄더미의 상부 지붕에 매트릭스 형태로 외측에서 내측으로 좌우로 이동하도록 설치되어 있는 온도 센서(121-1)에 의해 수행된다. 경사면 및 중앙 격벽측의 위치별로 온도 센서(121-1)의 배열은 이동에 따라 달라지게 되어 저탄 발화 위치 배열(350)이 다른 방향(a,b,c,d,e,f)으로 이동하면 통신 장치(301) 및 중앙 제어 단말(310)에 신호를 주어 분사 노즐기(330)가 온도 센서(121-1)의 배열 중심축으로 자동 이동하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에서는 자연발화가 다발하는 저급탄(Low rank coal)을 옥내 저탄장(100)에 하탄하여 보관할 때 자연발화의 초기에 발생하는 일산화탄소(CO)가스의 감지를 통해 자연발화 개시를 감지하고 이동형 온도센서(121-1)를 이용하여 자연발화 발생위치 및/또는 그 위치의 표면온도를 측정한다.
저탄장 바닥측면에 설치된 탄산칼슘(CaCO3) 소화수의 고압 분사용 노즐을 갖는 분사 노즐기(330)를 가동하여 발화발생의 위치에 선택적 소화수 분사를 통해 냉각 소화하고 석탄 표면에 칼슘염 막을 형성시켜 산소차단을 통해 자연발화를 지속적으로 억제할 수 있게 된다. 이때 소수성(Hydrophobic)인 석탄을 친수성(Hydrophilic)인 소화수와 강제 접촉시키고 탄산칼슘의 열 흡수를 통해 100∼250℃로 발화가 개시된 평균 입경 약 50mm 석탄의 표면온도를 약 25℃이하로 냉각 소화한다.
특히, 냉각소화하면서 저장되는 석탄은 중탄산칼슘(Ca(HCO3)2)과 석탄표면 기름성분(H-O-CO-CH2)n)과의 비누화반응을 통해 석탄표면에 순간적으로 굳어진 단단한 칼슘염막((Ca-(O-CO-CH2)2)을 형성하여 산소와의 접촉을 차단해 자연발화의 진행을 억제한다. 또한, 저탄장 자연발화의 발생빈도가 약 70∼90%인 조립분이 쌓여 공극률이 높게 형성되는 바닥 경사면으로부터 경사면 1/3지점, 10∼30% 발화빈도의 최상부의 벽면 접촉부까지 선택적 냉각소화를 통해 전체 면의 자연발화를 억제한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 발화발생탄의 일산화탄소(CO) 및 표면 온도 감지, 소화액 구동펌프(320)와 분사 노즐기(330)의 분사 작동과정을 보여주는 흐름도이다. 도 4를 참조하면, 자연발화로 가장 먼저 저온에서 발생하는 일산화탄소(CO)는 가스 감지센서(121-2)에서 감지되며, 감지 부위는 좌우측 10m이내 간격의 좌우센서에서 감지되며, 발화위치를 측정하기 위한 온도 센서(121-1)가 구동된다(단계 S401,S402,S410,S420)).
온도 센서(121-1)는 경사면 위치 및 좌우측에 따라 좌우로 회전하도록 구성E되며, 이동하는 온도 센서(121)에서 저탄기의 위치별 배열에 따른 저장되어 있는 석탄의 표면온도를 측정하여 약 100℃이상의 온도가 감지되면 통신 장치(301)는 신호를 받아 중앙 제어 단말(310)에 전송하며, 중앙 제어 단말(310)은 구동 펌프(320)와 분사 노즐기(330)을 가동하도록 신호를 주며, 중앙 제어 단말(310)은 소
화액 구동 펌프(320)를 가동시키기 위해 중앙 제어 단말(310)은 소화액 구동 펌프(320)에 전원을 공급한다(단계 S430,S440,S450).
소화액 구동프(320)에 전원이 공급되면, 소화액 공급부(340)의 소화액이 소화액 흡입 합류관(미도시)으로 흡입되며, 흡입량 조절밸브(미도시)을 통해 소화액 구동 펌프(320)로 흡입된다(단계 S471,S472,S473,S481,S482).
흡입 합류관(미도시)에 흡입된 소화액은 펌프 유량 조절 밸브(미도시)를 통해 토출 합류관(미도시)으로 유입되며, 소화액 펌프 유량 조절밸브(미도시)의 개도 조절을 통해 노즐에 공급되는 압력을 조절할 수 있다. 토출 합류관(미도시)에 유입된 소화액은 유량계(미도시) 및 압력계(미도시)를 통해 분사 노즐기(330)로 소화액을 하탄되는 석탄표면에 분사한다(단계 S483,S484,S485,S487).
분사 노즐기(330)에 유입되는 소화수 유량은 유량계(미도시)으로 계측되며, 분사 노즐기(330)에 공급되는 압력은 압력계(미도시)로 계측한다. 즉, 소화액 펌프 유량조절 밸브(미도시)의 개도 조절을 통해 분사 노즐기(330)에 공급되는 압력을 조절 할 수 있도록 구성되어 있다.
한편, 중앙 제어 단말(310)은 구동 펌프(320)에 전원공급과 동시에 모터(미도시)을 구동하여, 온도 센서 배열의 중심축을 따라 움직이도록 분사 노즐기(330)의 위치를 밀고 당기는 위치 조절 스크류(미도시)를 구동하여 좌우로 이동할 수 있도록 구성된다. 위치 조절 스크류(미도시)가 회전하면 분사 노즐기(330)가 좌측 혹은 우측으로 이동하여 노즐 분사기(330)의 위치를 저탄 발화 위치 배열(350)에 맞게 조절된다(단계 S461,S462).
분사 노즐기(330)의 경사면 분사각을 조절하는 각도조절 플레이트(미도시)는
우회전시 분사 노즐기(330)의 회전각을 상부로 증가시키고 좌회전시 지표면 노즐 지지대와 노즐 분사측에 연결된 스프링(탄성체)에 의해 분사 노즐기(330)의 회전각은 수직방향으로 돌아오게 된다(단계 S463,S464). 한편, 바닥 지표면을 기준으로 저탄 경사면으로의 기울기는 수시로 조절 가능하도록 구성된다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 옥내 저탄장 자연발화 감지, 소화액 구동 펌프와 노즐의 분사 작동을 보여주는 개념도이다. 도 5를 참조하면, 분사 노즐기(330)의 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. 중앙 제어 단말(310)과 유량계/압력계(510,520)사이에 제 1 및 제 2 통신 단말기(531,532)가 구성될 수 있다.
제 1 및 제 2 통신 단말기(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 측정계(121), 압력계(520), 유량계(510) 등으로부터 생성된 정보를 취합 수신하는 기능을 수행한다. 물론, 입력부(610)는, 측정계(121), 압력계(520), 유량계(510)에 직접 연결될 수도 있고, 통신 장치(301) 및/또는 통신 단말(531,532)에만 연결될 수도 있다.
계산부(620)는 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) 및/또는 통신 단말(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 옥내 저탄장(100)의 격벽으로 구분된 1개 블록의 입체도이다. 도 7을 참조하면, 통상 옥내 저탄장은 20개의 저탄블록(Section)이 중앙 격벽(111)의 양측에 20개씩 총 40개의 블록이 설치된다.
도 7에 도시된 바와 같이, 1개 블록을 실시예로 설명하면 저탄장 중앙 격벽(111)과 가로측 격벽(110)의 상부 약 2∼4m 높이에는 가스 감지 센서(710)가 설치되며, 가스 감지 센서(121-2)는 좌우간격이 약 10m이내에 있도록 13m 길이의 저탄장 1블록에는 좌우측에 일정간격을 두고 제 1 가스 감지 센서(714L) 및 제 2 가스 감지 센서(714R)가 설치되어 석탄 더미에서 발생한 일산화탄소가 공기 보다 가벼워 지붕 쪽으로 이송하는 통로에서 감지하도록 구성된다. 가스 감지 센서(714L,714R)는 가스를 센싱하는 센싱부(714-1)와 센싱된 데이터를 전송하는 통신부(714-2)로 구성된다. 통신부(714-2)는 무선 또는 유선 통신을 이용하여 센싱된 데이터를 전송한다.
일산화탄소(CO)가 감지되면 중앙 격벽(111)의 정상부로부터 약 1∼2m높이에 설치된 온도 센서(121-1)가 매트릭스 형태의 이동 궤도 라인(730)을 따라 좌우측으로 이동한다. 온도 센서(121-1)의 이동에 따라 달라지는 저탄 발화 위치 배열(350)에 따라 분사 장치(160)가 가동된다. 발화 개시탄의 일산화탄소(CO) 농도를 감지하는 가스 감지 센서(121-2)는 옆측 블록 저탄장에서 유입되는 일산화탄소의 영향을 줄이기 위해 블록 내 상공에 설치된다.
온도센서(121-1)는 상부측의 좌회전 혹은 우회전 이동 궤도 라인(730)에 부착되어 가장 바닥측 경사면의 석탄더미의 표면온도로부터 정상측 격벽의 접촉부까지 우회전으로 이동한 후 다시 좌회전으로 원위치로 복귀하면서 표면온도를 측정한다.
한편, 저탄 블록(700)은, 중앙 격벽(111), 석탄더미를 쌓기 위한 중앙 격벽(111)을 중심으로 가로측 격벽(110) 및 중앙 격벽(111)쪽으로 하강하는 기울어진 바닥면(50)으로 구성된다. 이때, 바닥면(50)은 석탄이 외부로 나가지 못하도록 안쪽으로 약 5°기울기로 구성된다.
석탄 더미(150)는 격벽(111,110)의 안쪽에 형성된다. 따라서, 자연발화 발생빈도가 가장 높은 영역은 기울어진 바닥 격벽으로 인해 하부바닥 경사면(G1)보다 조립분이 쌓여 있으며 상승기류가 가장 많이 유입되는 하부바닥 경사면(G1)으로부터 경사면의 1/3지점 구간(G2)으로는 이동 궤도 라인(730)의 간격이 조밀하게, 자연발화 빈도가 낮아지는 정상으로 멀어질수록 이동 궤도 라인(730)의 간격이 성기게 달리 구성된다. 즉, 정상으로 멀어질수록 이동 궤도 라인(730)의 간격이 하부바닥 경사면(G1)으로부터 경사면의 1/3지점 구간(G2)으로는 이동 궤도 라인(730)의 간격보다 크다.
두 번째 다발지점인 정상부(T2)로부터 중앙 격벽(111)까지의 경사면(T1)은 두 번째 조밀하게 간격을 구성된다.
부연하면, 이동 궤도 라인(730)의 경우, 하부바닥에 있는 제 1 경사면(G1) 및 상기 제1 경사면(G1)에 이어진 제 2 경사면(G2)의 구간에 대응하는 상기 이동 궤도 라인(730)의 제 1 라인 패턴을 이루는 다수의 횡방향 라인간 간격은 상기 제 2 경사면(G2)의 끝구간으로 갈수록 감소되게 형성되며, 상기 제 2 경사면(G2)으로부터 이어진 제 3 경사면(G3) 및 상기 제 3 경사면(G3)으로부터 이어진 제 4 경사면(G4)의 구간에 대응하는 상기 이동 궤도 라인(730)의 제 2 라인 패턴을 이루는 다수의 횡방향 라인간 간격은 상기 제 4 경사면(G4)의 끝구간으로 갈수록 증가된다. 물론, 라인 패턴은 종방향 라인과 횡방향 라인으로 구성된다.
또한, 상기 제 4 경사면(G4)에 이어진 상기 석탄더미(150)의 정상으로부터 시작되는 제 1 정상면(T2) 및 상기 중앙 격벽(111)에 이르는 접촉면(T1)의 구간에 대응하는 상기 이동 궤도 라인(730)의 제 3 라인 패턴을 이루는 다수의 횡방향 라인간 간격은 상기 접촉면(T1)의 끝구간으로 갈수록 감소된다.
도 8은 도 7의 평면도이다. 도 8을 참조하면, 석탄 더미(150)의 상부 저탄기의 이동위치와의 중첩으로 높이면에서 상부측에 부착된 제 1 및 제 2 가스 감지 센서(741L,741R)로 구성된다. 중앙 격벽(111)과 가로측 격벽(110)의 내부이며, 석탄더미(150)의 상부측에 매트릭스 형태로 이동 궤도 라인(730)이 설치된다.
이동 궤도 라인(730)에 부착된 온도 센서(121-1)는 이동하는 경사면(G1,G2,G3,G4,T1)의 위치에 따라 배열가 5개 위치로 달라지게 된다. 온도 센서(121-1)의 배열은 석탄더미(150)의 바닥에 있는 제 1 경사면(G1), 제 2 경사면(G2), 제 3 경사면(G3), 제 4 경사면(G4), 정상측에 있는 정상면(T2), 저탄기 배출구와 중첩되는 접촉면(T1)에는 자연발화가 거의 일어나지 않아 생략해도 된다.
온도 센서(121-1)는 이동 궤도 라인(730)을 따라 이동하기 위해 휠(미도시), 훨을 회전시키는 모터(미도시), 모터(미도시)를 제어하는 제어 회로(미도시) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 물론, 제어 회로는 유/무선 통신 회로를 포함할 수 있다.
온도 센서(121-1))의 각 경사면별 저탄 발화 위치 배열(a,b,c,d,e,f)에 따라 소화수 분사 노즐기(330)은 회전하며, 온도가 약 100℃이상이면 통신 장치(301) 및 중앙 제어 단말(310)의 신호를 받아 소화액 구동 펌프(320)와 소화액 분사 노즐기(330)가 가동된다. 한편, 온도 센서(121-1)의 이동 궤도 라인(730)은 발화빈도가 가장 높은 하부 바닥 경사면(G1)으로부터 경사면 1/3지점 구간(G2)은 간격을 조밀하게, 자연발화 빈도가 낮아지는 정상으로 멀어질수록 성기게 달리 구성된다.
두 번째 다발지점인 정상부(T2)로부터 중앙 격벽(111)까지의 접촉면(T1)은 두 번째 조밀하게 간격이 구성된다.
이동 궤도 라인(730)의 경우, 더 엄밀하게 정의하면, 제 1 경사면(G1)에 G1-1,G1-2의 라인이 구성되고, 제 2 경사면(G2)에 G2-1,G2-2,G2-3의 라인이 구성되고, 제 3 경사면(G3)에 G3-1의 라인이 구성되고, 제 4 경사면(G4)에 G4-1의 라인이 구성되고, 정상면(T2)에 T2-1의 라인이 구성되고, 접촉면(T1)에는 T1-1,T1-2의 라인이 구성된다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 온도 센서(121-1)의 이동 배열에 따라 소화수 분사장치(160)의 구동 개념이다. 도 9를 참조하면, 분사 노즐기의 분사 노즐(501)은 저탄 발화 위치 배열(a,b,c,d,e,f,g)(350)에 따라 회전하도록 구성되며, 지표면을 기준으로 분사각 기울기(5 ~ 60°)를 조절하도록 구성한다. 즉, 분사 노즐기(330)는 저탄 발화 위치 배열(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.
분사각 기울기는 자연발화가 70∼90% 빈도로 일어나는 지표면을 기준으로 경사면의 바닥에서 경사면 1/3지점(G2)까지 분사 시에는 분사각 기울기를 약 5∼20°, 10∼30% 발생빈도의 정상 중앙격벽(111)의 접촉면(T1)구간의 분사를 위해서는 기울기 50∼60°, 경사면 1/3지점부터 2/3지점(G3)까지 분사를 위해서는 기울기20∼30°, 경사면 2/3지점부터 정상부(G4)까지 분사하기 위해서는 기울기 30∼45°로 조절하도록 구성된다.
감지되는 석탄의 위치 배열 및/또는 석탄표면 온도에 따른 노즐의 기울기 및/또는 회절각도를 조절하도록 구성된다. 한편, 온도 센서(121-1)의 이동 궤도 라인(730)은 가장 발화빈도가 가장 높은 하부바닥 경사면(G1)으로부터 경사면 1/3지점 구간(G2)은 간격(G1∼2,G2-1,G2-2,G2∼3)을 조밀하게, 자연발화 빈도가 낮아지는 정상으로 멀어질수록 성기게 달리 구성하며, 두 번째 다발지점인 정상면(T2)으로부터 중앙 격벽(111)까지의 접촉면(T1)은 두 번째 조밀하게 온도 센서 간격(T1∼2, T1)을 구성한다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 옥내 저탄장 격벽과 석탄더미(150)의 실제 저탄 형태 단면도이다. 도 10을 참조하면, 석탄더미(150)는 저탄 블록(도 7의 700)의 안쪽(T2)의 상부에서 이동하는 저탄기(도 1의 120)에서 석탄을 하역하므로 정상평면부가 형성되고 바깥쪽(G1)으로는 큰 경사면이 형성되고 중앙 격벽(111)사이에는 작은 경사면(T1)이 형성된다.
자연발화 발생 예상탄의 경우 저탄과정에서 조립분은 하부에 쌓이고 미립분은 상부에 쌓이는 특성과 중앙 격벽(111)이 존재하기 때문에 상승 및 하강기류 발생시 경사면에서는 조립분이 쌓여 공극이 발달한 하부 경사면 바닥으로부터 1/3지점(G2)에서 자연발화의 70∼90%(1010)가, 상부의 경우 중앙격벽(1)과의 충돌기류가 일어나는 최정상 격벽 접촉면(T1)에서 자연발화의 10∼30%(1020)가 발생되고 있다.
석탄 더미(150) 바닥부(G1)의 경우 중앙격벽(111)쪽으로 하강하면서 기울어진 바닥면이 상승기류를 막아주는 역할을 하여 바닥부(G1)보다는 바닥부(G1)로부터 1/3점까지의 상승 경사면(G2)의 내부에 산소가 유입되어 자연발화 빈도가 높은 것으로 확인된다.
한편, 하부바닥과 첫 경사면(G1)의 입도분포는 52.5∼25.8mm, 하부 바닥경사면 1/3지점까지의 경사면(G2)의 입도분포는 41.8∼18.8mm, 3번째 경사면(G3)의 입도분포는 19.0∼4.3mm, 4번째 경사면(G4)의 입도분포는 4.5∼2.5mm, 정상부(T2)의 입도분포는 3.2∼2.4mm, 정상부에서 중앙격벽(111)사이의 정상경사면(T1)의 입도분포는 3.2∼33.2mm로 쌓이게 되는 특징이 있으며, 바닥면(G1)은 가장 조립분이 쌓여 있는 반면 도 1 및 도 7에 도시된 바와 같이 구조물의 바닥이 상부로 기울어져 있어 상승기류가 바닥 중간면과 두 번째 경사면(G2)구간부터 형성되어 두 번째 구간의 경사면(G2)의 자연발화가 가장 잘 일어나는 것으로 나타난다.
일반적으로, 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.
실시탄의 발열량, 공업분석 및 원소분석 결과를 보면 다음 표와 같다.
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.
<실시예 1>(발화발생탄 최적 소화특성 평가)
자연발화 발생빈도가 가장 많은 석탄으로 알려져 있는 인도네시아에서 수입한 아역청 SM탄을 대상탄으로 하였다. [표 1]과 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.
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.
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 석탄량 대비 소화탄액 분사량 비율(액고비)의 변화는 도 12와 같다. 분사노즐 가동 시 최적 소화효율 압력범위인 9∼11kgf/㎠에서는 0.056 ∼0.08ℓ 소화수/kg탄석탄량의 액고비로 나타났다. 지표면을 기준으로 분사압력 9, 11kg/cm2에서 각각 상부 수직방향으로 노즐기울기 5∼60°범위로 10° 간격으로 소화수를 분사하여 경사면에 도달하는 길이는 도 13과 같이 경사면 높이 2.0∼2.5m, 4.6∼5.2m, 8.0∼8.5m. 12∼14m, 15.0∼16m, 18.5∼19.0, 및 20∼20.5m구간이다. 따라서, 자연발화가 가장 많이 발생하는 하부 바닥으로부터 1/3지점까지는 통상기울기 5∼20°로 구동하며, 두 번째 자연발화가 많이 일어나는 최정상 중앙격벽(111) 접촉면(T1)의 경우 노즐 기울기 50∼60°에서 구동이 적합하다. 한편, 노즐 기울기가 5∼20°로 낮을수록 조립분으로 바닥에서 가까운 위치인 3.0∼7.0m의 위치의 석탄이 냉각소화되어 냉각소화됨을 알 수 있다.
기울기를 증가시킬수록 상부쪽의 석탄에 분사되므로 상부에 쌓이는 석탄의 온도를 낮추는 것을 알 수 있다. 본 발명의 일실시예는 석탄을 저장시 발화가 발생하는 부위만의 석탄에만 선택적으로 냉각소화하기 위한 것이다.
<실시예2>(자연발화 발생부위 감지 및 소화 특성 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 자연발화 다발탄인 인도네시아 SM탄을 보관하면서 도 1 및 도 7에 도시된 바와같이 석탄더미(150)를 쌓아 저탄기간별 일산화탄소(CO) 농도 측정기를 이용해 좌우측 일산화탄소 농도를 감지하였으며, 일산화탄소 농도가 감지되면 이동형 적외선 온도 측정기를 이용해 경사면 및 좌우 구간별로 이동하면서 석탄 표면온도를 측정하여, 발화 발생위치에 자동 냉각소화되도록 구성하였다.
적외선 온도센서는 중앙격벽(111)과 가로측 격벽(110)의 내부 상부측에 적외선 측정기의 이동위치(G1, G1∼2, G2-1, G2-2, G2∼3, G3, G4, T1∼2, T1)에따라 배열이 9개 위치로 달라지게 되므로 적외선 온도 측정기의 배열에 따라 석탄더미 경사면 바닥부(G1), 경사면 두 번째 위치(G2), 경사면 세 번째 위치(G3), 경사면 네 번째 위치(G3∼G4), 경사면 다섯번째 위치(정상측 넘어 격벽 접촉면(T1), 저탄기 배출구와 중첩되는 정상 평면부(T1∼ G4사이의 구간)는 자연발화가 거의 일어나지 않아 생략하였다. 자연발화가 발생하는 지점인 석탄더미(150) 깊이 50cm의 내부온도를 측정하기 위한 온도센서는 도 9, 도 14와 같이 경사면 기준으로 바닥에서 1.5, 4.5, 7.5m, 10m, 12m 및 19.0m위치에 t-type 온도센서를 설치하였으며, 좌우 3m 간격으로 한 볼록 전체에 설치하였다.
한편, 온도센서의 깊이는 자연발화가 개시되는 깊이인 0.5m에 설치하였다. 온도센서는 t-type으로 최대 400℃까지 측정 가능하며, 데이터 로거는 1분 간격으로 8일간 데이터 저장이 가능하도록 구성하였다. 온도 데이터는 1주일 간격으로 취득하고 재부팅하는 방식으로 수행하였다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 소화제 분사노즐 압력별 발화발생 발화탄의 온도변화를 보여주는 그래프이다. 도 11을 참조하면, 석탄은 기름성분의 소수성(Hydrophobic)이라서 친수성(Hydrophilic)의 소화액을 분사시에 전혀 불이 꺼지 않는다. 따라서, 사용하는 소화수에 따라 일정이상의 압력을 부가하여 물리적 접촉력을 가해야 한다. 인도네시아 SM탄이 1주일 저탄되어 표면온도 136℃로 자연발화가 개시된 접촉면(T1)의 발화부위를 소화하기 위해 5mg CaCO3/1L H2O 소화수를 지표면 기준 상부 수직축으로 분사 기울기 55°로 석탄의 저탄량을 일정하며, 석탄표면의 온도를 25℃이하로 냉각소화하기 위해서는 구동펌프(2-5)의 압력을 7kgf/㎠(0.045ℓ소화수/kg 하탄 석탄)으로 가동시부터 석탄표면의 소수성을 물리적으로 극복하고 접촉빈도 증가 및 젖음성 향상을 통한 냉각효과가 높은 것으로 나타났다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 소화제 분사노즐 압력별 저장 발화탄량 대비 소화탄액 분사량 비율(액고비)의 변화를 보여주는 그래프이다. 도 12를 참조하면, 분사노즐 가동 시 최적 소화효율 압력범위인 8∼11kgf/㎠에서는 0.045 ∼0.08 L 소화수/kg 하탄 석탄량의 액고비로 나타났다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 소화수 분사노즐 기울기별 분사길이 측정도이다. 도 13을 참조하면, 지표면을 기준으로 분사압력 9, 12kg/cm2에서 각각 상부 수직방향으로 노즐기울기 5∼60°범위로 10° 간격으로 소화수를 분사하여 경사면에 도달하는 길이로서 경사면 높이 높이 2.0∼2.5m, 4.6∼5.2m, 8.0∼8.5m. 12∼14m,15.0∼16m, 18.5∼19.0, 및 20∼20.5m구간이다.
따라서, 자연발화가 가장 많이 발생하는 하부 바닥으로부터 1/3지점까지는 통상 기울기 5∼20°로 구동하며, 두 번째 자연발화가 많이 일어나는 최정상 중앙격벽(111) 접촉면(T1)의 경우 노즐 기울기 50∼60°에서 구동이 적합하다. 한편, 노즐 기울기가 5∼20°로 낮을수록 조립분으로 바닥에서 가까운 위치인 3.0∼7.0m의 위치의 석탄이 냉각소화됨을 알 수 있다. 기울기를 증가시킬수록 상부 쪽의 석탄에 분사되므로 상부에 쌓이는 석탄의 온도를 낮추는 것을 알 수 있다. 실시예2는 석탄을 저장시 발화가 발생하는 부위만의 석탄에만 선택적으로 냉각소화하기 위한 것이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 저탄장 발화예상탄 하역 후 온도변화 측정센서 설치도이다. 도 14를 참조하면, 자연발화 발생이 예상되는 SM탄을 하역시킨 후 각 경사면 높이에 따른 50cm깊이의 온도변화를 측정하기 위한 온도 센서(1410 내지 1490)의 설치도이다. 온도 센서는 400℃이하의 온도를 0.1℃간격으로 실시간 측정할 수 있도록 구성하며, 발화 발생예측지점인 바닥으로부터 하부지점인 1.5m, 4.5m, 7.5m, 10m, 12m와 그 이상의 경우 정상부를 넘어 중앙 격벽(111)과의 접촉 경사면, 즉 길이 19.0m 지점에 설치하였다. 좌우 폭간격은 3.0m로 설치하였다.
온도센서는 중앙격벽(111)과 가로측 격벽(110)의 내부 상부측에 적외선 측정기의 이동위치(G1,G2,G3,G4,T1)에 따라 배열이 5개 위치로 달라지게 되므로 적외선 온도 측정기의 배열에 따라 석탄더미 경사면 바닥부(G1), 경사면 두 번째 위치(G2), 경사면 세 번째 위치(G3), 경사면 네 번째 위치(G3∼G4), 경사면 다섯번째 위치(정상측 넘어 격벽 접촉면(T1), 저탄기(120)의 배출구와 중첩되는 정상 평면부(T1과 G4사이 구간)는 자연발화가 거의 일어나지 않아 생략해도 된다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 야적기간 및 위치별 온도변화를 보여주는 표이다. 도 15를 참조하면, 저탄기간(days)과 경사면 길이 및 저탄기간별 온도변화(℃)를 보여준다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 저탄기간별 50cm 깊이 온도센서 및 적외선 표면온도 변화, 일산화탄소 농도 변화를 보여주는 표이다. 도 16을 참조하면, 야적시간(days)과 경사면 배향계수(TC:Texture Coefficient) 및 적외선 온도(℃)를 보여준다.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 자연발화 예상탄 저탄기간별 경사면별 50cm깊이 내부온도 측정결과를 보여주는 그래프이다. 도 15 및 도 17를 참조하면, 자연발화 다발탄인 인도네시아 SM탄을 하역 후 설치한 경사면별 50cm깊이의 온도센서 평균온도로서 경사면 4.5m>19.0m>7.5m>12m>10m 순으로 높게 나타났다. 특히, 4.5m 구간(G2)의 경우, 하역 후 8일이 지나 자연발화가 발생하였으며, 19.0m의 중앙격벽(111)의 접촉면(T1)의 경우, 하역 후 12일이 지나 자연발화가 발생하였다.
한편, 4.5m(G2)구간의 경우 노즐 기울기 10∼15°, 분사압력 9kg/cm2으로 냉각소화하였으며, 16.5m(T1)구간의 경우 노즐 기울기 50∼55°, 분사압력 10kg/cm2으로 냉각소화한 후 50℃이하의 내부온도를 유지하였다.
도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 자연발화 발생구간의 깊이 50cm 온도를 t-type 센서로 측정한 결과와 이동형 적외선 측정기로 감지한 표면온도의 비교 값을 보여주는 그래프이다. 도 16 및 도 18을 참조하면, 자연발화 다발탄인 인도네시아 SM탄을 하역 후 8일 및 12일이 지나 자연발화가 일어났던 경사면 4.5m 및 19.0m구간의 50cm깊이의 온도센서와 이동형 적외선 측정결과를 비교한 실험결과이다.
4.5m 구간(G2)의 경우, 하역 후 8일이 지나 자연발화가 발생하기 전까지는 깊이 50cm의 내부온도가 표면온도 보다 높게 나타난 반면, 8일 후 자연발화가 본격적으로 개시되어 일산화탄소 및 이산화탄소가 방출되는 당일에는 적외선 온도센서
로 측정한 석탄 표면온도가 50cm 깊이의 내부온도 보다 높게 나타난 것으로 보아 자연발화가 내부에서 표면으로 확산되는 것을 알 수 있다. 또한, 경사면 16.5m의 경우도 동일한 경향을 보였다.
한편, 경사면 4.5m(G2)구간의 경우 자연발화 당일(하역 후 8일) 노즐 기울기 10∼15°, 분사압력 9kg/cm2으로 분사하여 표면온도 185℃를 30℃까지 냉각소화하였으며, 19.0m(2-2T1)구간의 경우, 노즐 기울기 50∼55°, 분사압력 10kg/cm2으로 분사하여 표면온도 176℃의 온도를 표면온도 24℃까지 냉각소화하여 표면온도 40이하로 유지하였다.
도 19는 본 발명의 일실시예에 따른 자연발화 예정탄 하역 후 저탄기간별 CO농도변화를 보여주는 그래프이다. 도 16 및 도 19를 참조하면, 자연발화 다발탄인 인도네시아 SM탄을 하역 후 8일 및 12일이 지나 자연발화가 일어났던 경사면 4.5m 및 19.0m구간의 50cm깊이의 온도센서와 이동형 적외선 측정결과를 비교한 실험결과이다.
4.5m 구간(G2)의 경우 하역 후 8일이 지나 자연발화가 발생하기 전까지는 깊이 50cm의 내부온도가 표면온도 보다 높게 나타난 반면, 8일 후 자연발화가 본격적으로 개시되어 일산화탄소 및 이산화탄소가 방출되는 당일에는 적외선 온도센서로 측정한 석탄표면온도가 50cm 깊이의 내부온도 보다 높게 나타난 것으로 보아 자연발화가 내부에서 표면으로 확산되는 것을 알 수 있으며, 경사면 16.5m의 경우도 동일한 경향을 보였다. 한편, 경사면 4.5m(G2)구간의 경우 자연발화 당일(하역 후 8일) 노즐 기울기 10∼15°, 분사압력 9kg/cm2으로 분사하여 표면온도 185℃를 30℃까지 냉각소화하였으며, 19.0m(T1)구간의 경우, 노즐 기울기 50∼55°, 분사압력 10kg/cm2으로 분사하여 표면온도 176℃의 온도를 표면온도 24℃까지 냉각소화하여 표면온도 40이하로 유지하였다.
3∼9mg CaCO3/1.0 ℓ H2O 소화액을 이용해 발화발생탄의 배가스(CO, CO2) 및 표면발생 열과의 흡열반응을 통해 중탄산칼슘(Ca(HCO3)2)을 형성시키고 석탄표면의 기름((H-O-CO-CH2)n)과 비누화반응을 통해 석탄 표면에 칼슘염의 코팅막((Ca-(O-CO-CH2)2)을 형성하여 외부산소 접촉을 방지할 수 있다.
또한, 8∼11kgf/㎠ 압력으로 공급되는 소화액을 지표면 기준 상부수직으로 5∼20° 기울어진 노즐 분사를 통해 발화발생빈도가 70∼90%인 바닥면으로부터 경사면 상부 1/3지점(G2)을 냉각소화하며, 지표면 기준 상부수직으로 50∼60° 기울어진 노즐 분사를 통해 10∼30% 발화발생 빈도의 최정상부터 중앙격벽(111)의 접촉경사면까지의 발화위치를(T1)를 선택적으로 냉각소화를 통해 100∼250℃의 석탄 표면온도를 25℃이하로 냉각소화시킨다.
마지막으로, 탄산칼슘 소화수 분사노즐은 이동형 적회선 온도 측정기의 배열 및 발화발생 위치에 따라 노즐위치 및 기울기를 조절하여 분사하며, 50℃미만 표면온도가 감지되면 자동으로 가동을 중지하는 On-off방법을 통해 효과적인 자연발화 감지 및 냉각 소화를 통해 자연발화를 제어할 수 있다.
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.
110: 가로측 격벽 111: 중앙 격벽
120: 저탄기 121: 측정계
121-1: 온도 센서 121-2: 가스 감지 센서
150: 저탄블록 160: 분사 장치
300: 옥내 저탄장 자연발화 감지 시스템
301: 통신 장치
310: 중앙 제어 단말
320: 구동 펌프
330: 분사 노즐
340: 소화액 공급부
350: 저탄 발화 위치 배열
730: 이동 궤도 라인
741L: 제 1 가스 감지 센서 741R: 제 2 가스 감지 센서
G1 내지 G4: 제 1 경사면 내지 제 4 경사면
T1: 접촉면 T2: 정상면
120: 저탄기 121: 측정계
121-1: 온도 센서 121-2: 가스 감지 센서
150: 저탄블록 160: 분사 장치
300: 옥내 저탄장 자연발화 감지 시스템
301: 통신 장치
310: 중앙 제어 단말
320: 구동 펌프
330: 분사 노즐
340: 소화액 공급부
350: 저탄 발화 위치 배열
730: 이동 궤도 라인
741L: 제 1 가스 감지 센서 741R: 제 2 가스 감지 센서
G1 내지 G4: 제 1 경사면 내지 제 4 경사면
T1: 접촉면 T2: 정상면
Claims (1)
- 옥내형 저탄장내 중앙 격벽(111)과 가로측 격벽(110)으로 구획되는 저탄블록(700)에 저장되는 석탄더미(150)의 자연발화상태를 검출하기 위해 온도 정보 및 가스 정보를 검출하는 측정계(121);
상기 온도 정보와 상기 가스 정보를 이용하여 상기 자연발화상태가 발생하는 저탄 발화 위치 배열(350)을 산출하고, 상기 저탄 발화 위치 배열(350)에 따른 상기 자연발화상태를 제거하기 위한 소화액의 살포 제어 명령을 생성하는 중앙 제어 단말(310); 및
상기 살포 제어 명령에 따라 상기 소화액을 상기 저탄 발화 위치 배열(350) 중 하나의 위치(a,b,c,d,e,f)에 살포하는 분사 장치(160);를 포함하며,
상기 측정계(121)는,
상기 석탄더미(150)의 일정 표면 깊이로부터 상기 가스 정보를 검출하는 가스 감지 센서(121-2); 및
상기 가스 정보가 검출됨에 따라 미리 설정되는 이동 궤도 라인(730)을 따라 이동하면서 상기 석탄더미(150)의 표면으로부터 상기 온도 정보를 검출하는 온도 센서(121-1);를 포함하며, 상기 온도 센서(121-1)의 이동에 따라 상기 저탄 발화 위치 배열(350)이 변경되고,
상기 이동 궤도 라인(730)은, 하부바닥에 있는 제 1 경사면(G1) 및 상기 제 1 경사면(G1)에 이어진 제 2 경사면(G2)의 구간에 대응하는 상기 이동 궤도 라인(730)의 제 1 라인 패턴; 및 상기 제 2 경사면(G2)의 끝구간으로부터 이어진 제 3 경사면(G3) 및 상기 제 3 경사면(G3)으로부터 이어진 제 4 경사면(G4)의 구간에 대응하는 상기 이동 궤도 라인(730)의 제 2 라인 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 옥내 저탄장 자연발화 감지 시스템.
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