미분탄화력발전소에서 사용되는 각종 발전연료의 탄화도에 따른 발열개시온도(CPT;Cross Point Temperature), 발화온도(IT; Ignition temperature) 및 발화온도 승온속도(CPS;Cross Point Slope)는 전기로 내부에 설치된 백금망에 $74{\mu}m$이하 입도의 시료를 넣고 공기분위기, $25^{\circ}C$에서 $600^{\circ}C$까지의 승온조건에서 평가하였다. 발열개시온도 및 발화온도는 탄화도에 대한 의존성이 크지 않은 반면, 발화온도 승온속도는 탄화도에 크게 의존하는 것으로 나타났다. 탄화도가 낮은 우드펠렛의 발화온도 승온속도는 $20.995^{\circ}C/min$으로 기장 높은 자연발화성을 가지며, 아역청 KIDECO탄은 $15.370^{\circ}C/min$인 반면, 가장 높은 탄화도를 가지는 석유코크스는 $20.950^{\circ}C/min$로 나타냈다. 자연발화 경향성은 석탄 표면의 산화반응에 주요한 변수로서 작용하는 휘발분 함량 및 산소관능기의 농도 뿐만 아니라 촤의 비표면적, 정압몰비열이 높을수록 증가하는 것으로 확인되었다.
미분탄화력발전소에서 사용되는 각종 발전연료의 탄화도에 따른 발열개시온도(CPT;Cross Point Temperature), 발화온도(IT; Ignition temperature) 및 발화온도 승온속도(CPS;Cross Point Slope)는 전기로 내부에 설치된 백금망에 $74{\mu}m$이하 입도의 시료를 넣고 공기분위기, $25^{\circ}C$에서 $600^{\circ}C$까지의 승온조건에서 평가하였다. 발열개시온도 및 발화온도는 탄화도에 대한 의존성이 크지 않은 반면, 발화온도 승온속도는 탄화도에 크게 의존하는 것으로 나타났다. 탄화도가 낮은 우드펠렛의 발화온도 승온속도는 $20.995^{\circ}C/min$으로 기장 높은 자연발화성을 가지며, 아역청 KIDECO탄은 $15.370^{\circ}C/min$인 반면, 가장 높은 탄화도를 가지는 석유코크스는 $20.950^{\circ}C/min$로 나타냈다. 자연발화 경향성은 석탄 표면의 산화반응에 주요한 변수로서 작용하는 휘발분 함량 및 산소관능기의 농도 뿐만 아니라 촤의 비표면적, 정압몰비열이 높을수록 증가하는 것으로 확인되었다.
Spontaneous combustion propensity of various coals of carbonization grade as a pulverized fuel of coal fired power plant has been tested from an initial temperature of $25^{\circ}C$ to $600^{\circ}C$ by heated in an oven with air to analyze an self oxidation starting temperatur...
Spontaneous combustion propensity of various coals of carbonization grade as a pulverized fuel of coal fired power plant has been tested from an initial temperature of $25^{\circ}C$ to $600^{\circ}C$ by heated in an oven with air to analyze an self oxidation starting temperature. This tests produce a CPT(Cross Point Temperature), IT(Ignition temperature) and CPS(Cross Point Slope) by calculated as the slope of time taken a rapid exothermic oxidation reaction at CPT base. CPS show a carbonization rank dependence, whereby wood pellet has the highest propensity to spontaneous combustion of $20.995^{\circ}C/min$. A subbituminous KIDECO coal shows an CPS values of $15.370^{\circ}C/min$ whereas it of pet coke of the highest carbonization rank has $20.950^{\circ}C/min$. The nature of this trend is most likely a concentration of volatile matter and oxygen functional groups of coal surface that governs the available component for oxidation as well as surface area of fuel char, and constant pressure molar heat.
Spontaneous combustion propensity of various coals of carbonization grade as a pulverized fuel of coal fired power plant has been tested from an initial temperature of $25^{\circ}C$ to $600^{\circ}C$ by heated in an oven with air to analyze an self oxidation starting temperature. This tests produce a CPT(Cross Point Temperature), IT(Ignition temperature) and CPS(Cross Point Slope) by calculated as the slope of time taken a rapid exothermic oxidation reaction at CPT base. CPS show a carbonization rank dependence, whereby wood pellet has the highest propensity to spontaneous combustion of $20.995^{\circ}C/min$. A subbituminous KIDECO coal shows an CPS values of $15.370^{\circ}C/min$ whereas it of pet coke of the highest carbonization rank has $20.950^{\circ}C/min$. The nature of this trend is most likely a concentration of volatile matter and oxygen functional groups of coal surface that governs the available component for oxidation as well as surface area of fuel char, and constant pressure molar heat.
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문제 정의
1(2)는 석탄 미분기에서 미분 실험 시 발생한 화재 장면으로서, 석탄화력 발전소 현장의 경우 미분기에서 화재 발생 시 미분기 정지로 인한 보일러 출력감발의 피해가 발생한다. 따라서, 본고에서는 미분탄 석탄화력 발전소에 사용하는 발전용 연료의 탄화도별 자연발화 특성 및 물리화학적 특성평가를 통한 자연발화 상관성을 규명하고자 하였다.
석탄화력발전소에서 사용되는 발전연료별 탄화도에 따른 저탄장 자연발화 및 미분기에서의 화재 발생 가능성을 예측하기 위한 자연발화성 및 물리화학적 특성 평가를 통한 상관관계 검토결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
제안 방법
저탄장 모사법의 경우 실험을 위해 입도 50mm 원탄, 300kg을 쌓아 놓고 대기 온도 및 습도에 따른 석탄 내부의 열 축적, 냉각 및 발화발생 정도를 모니터링 하도록 구성한다. 구성비는 2조의 Chromel-Alumel 열전대를 최상부 표면으로부터 5cm(T1), 50cm(T2) 및 1m(T3)의 깊이로 설치하여 1개월 간 온도변화를 측정을 통해 자연발화 발생 가능성을 모사하였다.
전기로 내부 공간의 공기온도와 측정시료 중심의 온도가 같아지는 온도를 발열반응이 시작되어 열평형이 이루어지는 분기점 온도(CPT : Cross Point Temperature)로 규정하고 발열개시온도 혹은 발화개시온도로 정의하였으며, 발화 온도는 통상 화염이 발생 시 시료온도가 약 400℃인 점을 기준으로 하여 발화가 진행되면서 측정 시료 중앙의 온도가 400℃에 도달할 때 전기로 내 공간 공기의 온도를 발화온도, IT(Ignition temperature)으로 정의하였다[4]. 또한, 발화개시온도(CPT)와 더불어 발화개시 온도에서의 시간당 발열 온도 기울기인 발화온도 승온속도(CPS; Cross Point Slope)의 분석을 통해 자연발화 경향성을 검토하였다.
5℃/min의 승온 속도로 25℃로부터 600℃ 까지 가열하는 동안 가열온도 및 시간에 따른 흡수 또는 방출 에너지(d△Q/dt, W/g)를 분석하였다. 발전시료별 촤의 BET비표적, 기공부피 및 기공크기는 공업분석[6]의 탈수 및 탈휘발화 분석 후 남은 시료 10g을 1시간 동안 150℃에서 진공을 통해 흡착된 가스를 제거하고 Air permeability apparatus (ASAP2010, Micromertics Corp.)을 이용해 77K에서 질소의 등온흡착 및 탈착을 통해 측정하였다. 또한, 발전시료의 열전도도, 열확산도 및 정압몰비열(Cp)과 같은 열전달 계수는 질소가스분위기, 25℃에서 Thermal diffusivity meter(Netzschlfa Analyzer, Netzsch Corp.
자연발화 안정 및 다발이 예상되는 탄종간의 물리 화학적 상관성을 검토하기 위해 발전연료별 표면 탄화수소 및 산소결합기 분포, 연소온도 및 시간별 Heat flux, 비표면적 및 기공특성을 검토하였다. 발화 가능성이 거의 없는 석유코크스(Pet-coke 0.
대상 데이터
발전용 시료는 석유 정제 찌꺼기로 황성분이 약 0.6%인 석유코크스(Pet-coke 0.6), 국내 무연탄인 경동(Kyung-dong)탄, 호주 CA(Coal & Allied) Industries Limited가 운영하는 HVO(Hunter Valley Operation) 광산에서 개발된 역청탄인 C&A탄, 인도네시아 키데코파시르 광산에서 생산중인 아역청탄인 KIDECO탄 및 국내 한전산업개발에서 제조한 목재펠릿(Wood-pellet)을 대상으로 발열량, 공업(수분, 휘발분, 고정탄소, 회분) 및 원소분석(탄소, 수소, 산소, 질소, 황) 결과는 Table 1과 같다. Table 1과 같이, 발열량은 석유코크스(Pet-coke 0.
데이터처리
)을 이용해 77K에서 질소의 등온흡착 및 탈착을 통해 측정하였다. 또한, 발전시료의 열전도도, 열확산도 및 정압몰비열(Cp)과 같은 열전달 계수는 질소가스분위기, 25℃에서 Thermal diffusivity meter(Netzschlfa Analyzer, Netzsch Corp.,)를 이용해 분석하였으며, 시료표면의 탄화수소결합기 및 산소관능기의 분포검토를 위한 X-ray 광전자 분광(XPS; X-ray photoelectron spectroscopy)은 Vacuum generators (XPS,ANOVA, KRATOS Corp.,)를 이용해 분석하였다.
한편 발열량은 KS E 3707[8]에 의해 분석하였다. 발전연료의 흡열 및 발열반응을 분석하는 Heat flux는 DSC(Differential Scanning Calorimetry, Perkin Elmer, STA 8000/DSC 8000)를 이용해 분석하였다. 시료는 알루미늄팬(pan)에 넣고 뚜껑을 덮은 뒤 밀봉하고 공기분위기 혹은 질소분위기에서 0.
이론/모형
발전용 연료의 휘발분, 고정탄소, 회분 및 수분을 분석하는 공업분석은 KS E3705[6]에 의해 분석하였으며, 탄소, 수소, 산소, 질소 및 황과 같은 원소분석은 KS E 3712[7]에 의해 분석하였다. 한편 발열량은 KS E 3707[8]에 의해 분석하였다.
발전용 연료의 휘발분, 고정탄소, 회분 및 수분을 분석하는 공업분석은 KS E3705[6]에 의해 분석하였으며, 탄소, 수소, 산소, 질소 및 황과 같은 원소분석은 KS E 3712[7]에 의해 분석하였다. 한편 발열량은 KS E 3707[8]에 의해 분석하였다. 발전연료의 흡열 및 발열반응을 분석하는 Heat flux는 DSC(Differential Scanning Calorimetry, Perkin Elmer, STA 8000/DSC 8000)를 이용해 분석하였다.
성능/효과
72 MJ/kg로 가장 낮게 나타났다. 공업분석결과, 수분은 아역청탄인 KIDECO탄이 29.68%로 가장 높게 나타났으며, 석유찌꺼기인 석유코크스의 수분은 0.76%로서 매우 낮게 나타났다. 또한, 발열량에 가장 큰 영향을 미치는 고정탄소의 경우 석유코크스가 83.
넷째, 탄화도가 가장 높은 석유코크스 촤의 비표면 적이 142m2/g인 반면, 탄화도가 낮은 KIDECO 아역청탄 촤의 비표면적은 395m2/g으로 2.78배 높아 탄화도가 낮은 발전연료일수록 휘발분 함량이 높아 발화개시에 의해 탈휘발화 반응 후 발생하는 촤의 BET표면적, 기공볼륨 및 평균 기공직경이 상승하는 것으로 확인된다.
둘째, 석탄더미 표면부(깊이 5cm)에서의 탄종별 파일온도의 경우 C&A 역청탄은 대기온도에 비례하여 온도를 축적하다가 대기온도가 낮아지면 다시 냉각되는 특성을 보이는 반면, KIDECO 아역청탄은 대기 열을 복사, 전도 및 대류를 통해 축적하고 대기온도가 낮아져도 완전냉각 되지 않고 일정온도를 유지하는 열축적 특성을 나타냈다.
따라서, 탄화도에 따른 발전연료별 SCI지수 분석결과, Table 3과 같이 석유코크스가 0.0005로서 가장 발화안정탄으로 확인되며, 경동무연탄 0.0720, C&A 역청탄 0.8553으로 발화 안정탄으로 분류되는 반면, KIDECO아역청탄은 8.1820으로 발화 주의탄이며, 목재 펠릿은 보통범위를 나타냈다
5℃로서 발화 개시온도는 높은 편이지만 발화개시 후 화염이 보이는 발화온도까지 시간이 매우 짧은 것으로 확인된다. 발전연료별 발화개시온도는 연료 중 휘발분비 혹은 고정탄소비와 비례상관성을 보이지는 않는 것으로 나타났다. 발화성이 안정한 C&A 역청탄의 경우 발화개시온도 및 발화온도는 낮은 것으로 확인된다.
발전연료별 열전달계수의 경우 Table 5와 같이, 실온에서 열확산도 및 열전도도는 탄화도에 따른 뚜렷한 상관성은 보이지 않으나 정압몰비열은 탄화도가 높을수록 낮아지는 특성을 보였다. 특히, 목재펠릿의 정압몰비열은 2.
발전연료별 발화개시온도는 연료 중 휘발분비 혹은 고정탄소비와 비례상관성을 보이지는 않는 것으로 나타났다. 발화성이 안정한 C&A 역청탄의 경우 발화개시온도 및 발화온도는 낮은 것으로 확인된다. 발화가 개시하고 화염이 보이는 발화온도는 253.
Table 6과 같이 휘발분 함량이 높은 발전연료일수록 즉, 탄화도가 낮을수록 BET표면적, 기공볼륨 및 평균 기공 직경이 매우 크게 상승하는 것으로 확인된다. 석유코크스(Pet-coke 0.6)촤의 비표면적이 142m2/g인 반면 KIDECO 아역청탄 촤의 비표면적은 395m2/g으로 2.78배 높아 KIDECO탄은 자연발화 뿐만 아니라 연소반응성도 매우 높을 것으로 확인된다. 촤의 비표면적이 높을수록 표면산화 속도를 촉진시키는 산소와의 접촉 표면적이 커져 산소와의 접촉이 원활해져 발열개시로부터 발화까지의 발화승온속도(CPS)가 높아짐을 알 수 있다
셋째, 탄화도가 낮은 KIDECO 아역청탄의 경우 저온영역에서도 휘발성이 높고 결합에너지가 293.2eV 및 294.5eV인 방향족(Aromatic species) 성분의 농도가 높고, 자연발화를 촉진하는 산소관능기(C=O, C-O 및 O-C=O)의 분포가 매우 높게 나타났다. 정압몰비 열은 탄화도가 높을수록 낮아지는 특성을 나타냈으며,탄화도가 가장 낮은 목재펠릿의 정압몰비열은 2.
5eV인 방향족(Aromatic species) 성분이 대부분 분포하고 있으며, 자연발화를 촉진하는 산소관능기(Oxygen functional group; O-C=O, C=O, C-O)의 분포가 매우 높게 나타났다. 이는 발전연료인 석탄의 표면산화를 촉진하는 표면 산소관능기의 농도가 높을수록 자연발화를 촉진하는 특성이 있으며, 저온영역에서 탈휘발화하는 방향족의 분포가 높을수록 발화개시로부터 화염발생 발화까지의 시간이 짧아짐을 알 수 있다.
5eV인 방향족(Aromatic species) 성분의 농도가 높고, 자연발화를 촉진하는 산소관능기(C=O, C-O 및 O-C=O)의 분포가 매우 높게 나타났다. 정압몰비 열은 탄화도가 높을수록 낮아지는 특성을 나타냈으며,탄화도가 가장 낮은 목재펠릿의 정압몰비열은 2.255J/g·K-1로서 탄화도가 높은 C&A역청탄의 1.188J/g·K-1보다 2배 가량 높아 자연발화가 개시되면 빠른 시간 내에 화염이 발생할 것으로 예측된다.
또한, 석유코크스 및 경동 무연탄의 경우 표준 역청탄 보다 낮은 범위를 보였다. 정압몰비열이 높을수록 발열개시온도에서의 발화 승온속도(CPS)가 높아지는 것으로 확인된다.
첫째, 석유코크스 연료의 경우 발화개시로부터 화염발생 발화온도까지의 발화승온속도가 10.571℃/min으로 가장 낮아 250℃이상의 1차 공기가 공급되는 미분기에서 일정시간 미분해도 화재발생 가능성은 매우 낮은 반면, 목재 펠릿은 20.995℃/min으로 높아 미분기 화재 발생 가능성이 높을 것으로 예측된다.
7eV 결합에너지를 갖는 Poly vinyl group 및 285eV결합에너지의 탄화수소(C-C/C-H)기가 표면에 분포하고 있는 것으로 확인된다. 한편, 고휘발분이며, 탄화도가 낮은 KIDECO아역청탄의 경우 저온영역에서도 휘발성이 높고 결합에너지가 293.2eV 및 294.5eV인 방향족(Aromatic species) 성분이 대부분 분포하고 있으며, 자연발화를 촉진하는 산소관능기(Oxygen functional group; O-C=O, C=O, C-O)의 분포가 매우 높게 나타났다. 이는 발전연료인 석탄의 표면산화를 촉진하는 표면 산소관능기의 농도가 높을수록 자연발화를 촉진하는 특성이 있으며, 저온영역에서 탈휘발화하는 방향족의 분포가 높을수록 발화개시로부터 화염발생 발화까지의 시간이 짧아짐을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
석탄화력발전소의 저탄장에서 발생한 자연발화가 발생시키는 문제점은?
Fig. 1(1) 은 국내 표준화력발전소 저탄장의 자연발화 발생장면으로서, 저탄장의 자연발화 발생 시 (1) 저탄장주변 유해 가스 발생에 따른 작업환경 저하, (2) 석탄의 고유 열량 손실, (3) 자연발화된 석탄의 소화 시 물 분사로 인한 연소장애 및 소화비용 발생, (4) 석탄의 성상변화에 따른 불완전 연소와 같은 문제점들이 발생하고 있다.
저탄장의 자연발화 발생 시 생기는 문제점은?
Fig. 1(1) 은 국내 표준화력발전소 저탄장의 자연발화 발생장면으로서, 저탄장의 자연발화 발생 시 (1) 저탄장주변 유해 가스 발생에 따른 작업환경 저하, (2) 석탄의 고유 열량 손실, (3) 자연발화된 석탄의 소화 시 물 분사로 인한 연소장애 및 소화비용 발생, (4) 석탄의 성상변화에 따른 불완전 연소와 같은 문제점들이 발생하고 있다.
최근 5년간 석탄화력발전소의 저탄장에서 발생한 자연발화 현황은?
국내 500MW 표준석탄화력 발전소의 경우 수입탄을 발전소별 저탄장에 하역 후 1∼3개월을 보관하면서 사용하고 있으며, 석탄의 상태 및 종류에 따라 자연발화가 다르게 일어나고 있다. 최근 5년간 석탄화력발전소의 저탄장에서 발생한 자연발화 현황 조사결과, 수입탄 중 50%이상에서 자연발화가 발생하고 있는 것으로 파악되었다[1]. Fig.
참고문헌 (10)
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