[논문]저탄장 자연발화 현상의 수치해석적 연구

김철진; 박이선; 손채훈

doi:10.3795/ksme-b.2010.34.7.721

저탄장 자연발화 현상의 수치해석적 연구
Numerical Study on the Phenomenon of Spontaneous Ignition of Coal Stockpile 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.34 no.7 = no.298, 2010년, pp.721 - 727

김철진 (세종대학교 기계공학과) , 박이선 (세종대학교 기계공학과) , 손채훈 (세종대학교 기계공학과)

초록
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석탄을 야적해두는 저탄장에서 석탄의 자연발화 현상은 안전 문제와 더불어 심각한 경제적 손해를 야기한다. 저탄장에서의 자연발화는 석탄의 산화반응으로 방출되는 열량이 주위로 손실되는 열량보다 클 때 발생한다. 본 연구에서는 2차원 비정상 상태 수치해석을 통해 자연발화 현상을 모사하였고, 수치해석 결과의 타당성을 실험 결과와 비교하여 검증하였다. 수치해석을 통해 구한 시간에 따른 저탄 내부 온도의 변화 곡선은 실험을 통해 측정한 데이터와 잘 일치하였다. 자연발화 인자인 공극률에 따라 저탄장 내부온도 변화 및 압력, 산소 질량 분율의 변화 양상을 분석하였다. 계산 결과를 토대로, 저탄형태의 변화에 따라 저탄장 내부에서의 시간에 따른 온도 변화를 비교 검토하였다. 열점의 형성과 자연발화 메커니즘을 분석하여 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The spontaneous ignition of coal stockpile causes serious safety and economic problems. Such spontaneous ignition occurs in coal stockpile when the rate of heat released by the oxidation of coal is greater than the rate of heat lost to the surroundings. In this study, a two-dimensional unsteady model is adopted for studying spontaneous ignition and the numerical results are compared with experimental results. The numerical results are in a good agreement with the experimental ones. Depending on the porosity, the internal maximum temperature, pressure, and oxygen mass fraction during spontaneous ignition are investigated. On the basis of the numerical results, the transient temperature variations for several shapes of coal stockpiles are analyzed. Further, the physical mechanisms of hot-spot formation and spontaneous ignition are analyzed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

선행 연구결과와 비교 분석하여 수치해석 결과의 타당성을 검증하였으며, 이를 토대로 자연발화 시간의 예측을 시도하였다. 또한 저탄형태에 따른 자연발화 양상을 수치해석적으로 연구하였다.
저탄장내 열점의 형성 및 자연발화의 지연 및 억제를 위해 저탄형태의 변경과 시설물 설치에 따른 자연발화 현상의 수치해석을 수행하였다. 본 연구에서는 두 가지 저탄 형태의 변화에 대한 계산을 수행하였고, 이를 통해 저탄형태 변경 및 구조물의 설치에 의해 자연발화를 어느 정도 지연시킬 수 있음을 알았다. 이러한 분석 결과를 토대로 향후 다양한 저탄 형태에 대한 해석을 수행하여 최적 형태를 파악할 것이고, 외부 바람의 속도의 효과를 분석할 것이다.
이러한 관점에서, 본 연구에서는 다공성 물질의 표면화학반응을 고려하여 저탄장 내부의 온도 장과 유동장의 변화를 고찰하였다. 기본적으로 Moghtaderi 등⁽³⁾이 채택한 모델을 따랐다.
저탄장 자연발화를 지연시키기 위해 저탄장 형태 및 저탄장 주변 시설물이 자연발화에 미치는 영향을 연구하였다. 초기 열점의 형성과 열방출/손실이 자연발화에 중요한 영향을 끼침을 알았기에 이를 억제하기 위해 두 가지 방법을 적용하였다.

가설 설정

저탄장 내부는 수많은 석탄 입자로 구성되어 있으며, 단순화를 위해 석탄 입자를 구형 등방성의 다공성 물질로 가정하였다. 이 경우, 근사적으로 저탄장을 거대한 하나의 다공성 물질로 간주할 수 있다.
저탄장에서 발생할 수 있는 자연발화 현상을 모사하기 위해 저탄장 내부를 등방 다공성 물질(porous material)로 가정하여 수치해석을 수행하였다. 먼저, 본 수치해석 결과를 선행 연구 결과와 비교하여 본 수치해석 기법의 타당성을 검증하였다.

제안 방법

저탄장에서 발생할 수 있는 자연발화 현상을 모사하기 위해 저탄장 내부를 등방 다공성 물질(porous material)로 가정하여 수치해석을 수행하였다. 먼저, 본 수치해석 결과를 선행 연구 결과와 비교하여 본 수치해석 기법의 타당성을 검증하였다. 저탄장에서의 자연발화와 관련된 주요 현상인 열점의 형성, 온도 변화 및 이동 경로를 관측하기 위해서 저탄장 내부의 온도와 압력, 산소분율의 공간적 분포를 분석하고 열점의 형성과 자연발화 메커니즘을 분석하였다.
본 연구에서는 연속방정식, 운동량 방정식, 에너지 방정식과 화학종 방정식의 풀이를 통해 저탄장 내외부의 반응 유동장(reactive flow field)을 모사하였다.
기본적으로 Moghtaderi 등⁽³⁾이 채택한 모델을 따랐다. 선행 연구결과와 비교 분석하여 수치해석 결과의 타당성을 검증하였으며, 이를 토대로 자연발화 시간의 예측을 시도하였다. 또한 저탄형태에 따른 자연발화 양상을 수치해석적으로 연구하였다.
시간경과에 따른 열점(hot spot)의 생성 및 변화를 관찰하기 위하여 과도 상태 수치해석을 수행하였다. 시간 적분시 시간 간격(time step)은 저탄 온도 특성 변화율(또는 특성 시간)을 고려하여 1일(= 86,400 초)로 설정하였고, 시간 간격에 의한 오차는 5% 이내임을 확인하였다.
본 계산에서 초기에 저탄장 외부에서는 유동이 없는 상태이고, 전체 영역의 초기 온도를 288 K으로 두었다. 저탄장 지면의 조건은 등온(isothermal) 조건으로, 저탄장 외부의 지면 조건은 단열 조건으로 설정하였다.
저탄장내 열점의 형성 및 자연발화의 지연 및 억제를 위해 저탄형태의 변경과 시설물 설치에 따른 자연발화 현상의 수치해석을 수행하였다. 본 연구에서는 두 가지 저탄 형태의 변화에 대한 계산을 수행하였고, 이를 통해 저탄형태 변경 및 구조물의 설치에 의해 자연발화를 어느 정도 지연시킬 수 있음을 알았다.
먼저, 본 수치해석 결과를 선행 연구 결과와 비교하여 본 수치해석 기법의 타당성을 검증하였다. 저탄장에서의 자연발화와 관련된 주요 현상인 열점의 형성, 온도 변화 및 이동 경로를 관측하기 위해서 저탄장 내부의 온도와 압력, 산소분율의 공간적 분포를 분석하고 열점의 형성과 자연발화 메커니즘을 분석하였다.
저탄장 자연발화를 지연시키기 위해 저탄장 형태 및 저탄장 주변 시설물이 자연발화에 미치는 영향을 연구하였다. 초기 열점의 형성과 열방출/손실이 자연발화에 중요한 영향을 끼침을 알았기에 이를 억제하기 위해 두 가지 방법을 적용하였다. 한 가지는 저탄장 윗부분의 양쪽에 hole을 두어 열점으로부터의 열손실을 크게 해주는 형태(side hole이라 부름)이며, 다른 방법은 저탄장 양 옆면에 벽면을 세워 주위로부터의 공기 유입을 억제하는 형태(side wall이라 부름)이다.

대상 데이터

저탄장의 해석 영역(domain)의 크기는 가로 25 m, 세로 6 m로 참고문헌[3]의 저탄장 크기와 동일하게 설정하였다. 저탄장내 온도변화를 관찰하기 위한 지점은 저탄장 중심으로부터 가로로 6 m, 세로로 4.8 m 떨어진 위치에 두었다. 경계조건의 영향을 작게 하기위해서 전체 해석영역의 크기는 가로 80 m, 세로 30 m로서 저탄장에 비해 충분히 크게 설정하였다.

데이터처리

시간 적분시 시간 간격(time step)은 저탄 온도 특성 변화율(또는 특성 시간)을 고려하여 1일(= 86,400 초)로 설정하였고, 시간 간격에 의한 오차는 5% 이내임을 확인하였다. 위의 지배방정식의 풀이를 위해 열유체 범용 해석범용코드인 CFD-ACE+⁽¹⁰⁾를 사용하였다.

이론/모형

이러한 관점에서, 본 연구에서는 다공성 물질의 표면화학반응을 고려하여 저탄장 내부의 온도 장과 유동장의 변화를 고찰하였다. 기본적으로 Moghtaderi 등⁽³⁾이 채택한 모델을 따랐다. 선행 연구결과와 비교 분석하여 수치해석 결과의 타당성을 검증하였으며, 이를 토대로 자연발화 시간의 예측을 시도하였다.

성능/효과

즉 Fig. 3(b)와 같이 저탄장 하단 중앙 부분은 대기압보다 약 4 Pa 정도 낮아짐을 알 수 있다. 또한, 화학반응의 진행에 의해 저탄장 내부 중앙부분의 산소 질량분율은 현저히 낮아진다.
8 m 떨어진 위치에 두었다. 경계조건의 영향을 작게 하기위해서 전체 해석영역의 크기는 가로 80 m, 세로 30 m로서 저탄장에 비해 충분히 크게 설정하였다. 경계조건으로 far-field에서의 자유 유동(free stream) 조건과 288 K의 일정 온도를 부여하였다.

후속연구

즉, 저탄장 가장자리에서 열점이 먼저 발생하는 이유는 저탄장 하부가장자리에서는 외부 공기의 유입이 더 원활하기 때문이다. 이러한 분석 결과는 향후 자연발화 억제 방법을 고안하는데 이용될 수 있을 것이다.
본 연구에서는 두 가지 저탄 형태의 변화에 대한 계산을 수행하였고, 이를 통해 저탄형태 변경 및 구조물의 설치에 의해 자연발화를 어느 정도 지연시킬 수 있음을 알았다. 이러한 분석 결과를 토대로 향후 다양한 저탄 형태에 대한 해석을 수행하여 최적 형태를 파악할 것이고, 외부 바람의 속도의 효과를 분석할 것이다. 이를 통해 궁극적으로 효과적인 자연발화 억제 방법을 도출할 수 있을 것이다.
이러한 분석 결과를 토대로 향후 다양한 저탄 형태에 대한 해석을 수행하여 최적 형태를 파악할 것이고, 외부 바람의 속도의 효과를 분석할 것이다. 이를 통해 궁극적으로 효과적인 자연발화 억제 방법을 도출할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	저탄장 내부 열 축적에 영향을 주는 주요 인자는?	그중에서 석탄의 산화반응은 저탄장 내부 열 축척의 주요 요인이다. 저탄장 내부 열 축적에 영향을 주는 주요 인자로는 공극률, 저탄높이, 저탄각, 저탄시 초기온도, 석탄 입도, 수분, 바람 등이 있다. (1~8)
	저탄장 내부 열 축척의 주요 요인은?	저탄장에서의 자연발화 현상은, 석탄과 산소의 화학반응으로 방출되는 열과 수분에 의한 습윤열(heat of wetting),(7) 태양으로부터 도달하는 복사에너지 등의 원인으로 저탄장 내부에 열이 축적되기 때문에 발생한다. 그중에서 석탄의 산화반응은 저탄장 내부 열 축척의 주요 요인이다. 저탄장 내부 열 축적에 영향을 주는 주요 인자로는 공극률, 저탄높이, 저탄각, 저탄시 초기온도, 석탄 입도, 수분, 바람 등이 있다.
	저탄장에서 석탄의 자연발화 현상의 원인은?	석탄을 야적해두는 저탄장에서 석탄의 자연발화 현상은 안전 문제와 더불어 심각한 경제적 손해를 야기한다. 저탄장에서의 자연발화는 석탄의 산화반응으로 방출되는 열량이 주위로 손실되는 열량보다 클 때 발생한다. 본 연구에서는 2차원 비정상 상태 수치해석을 통해 자연발화 현상을 모사하였고, 수치해석 결과의 타당성을 실험 결과와 비교하여 검증하였다.

참고문헌 (10)

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상세보기
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CFDRC, 2009, CFD-ACE-GUI User Manual, Ver.2009.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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