[논문]저탄장 자연발화에 미치는 표면차단제 영향에 관한 수치 해석적 연구

김재관; 박석운; 신동익

doi:10.7731/kifse.2019.33.2.020

저탄장 자연발화에 미치는 표면차단제 영향에 관한 수치 해석적 연구
Numerical Study on the Effects of Surface-inhibitors on the Spontaneous Ignition of Coal Stockpile 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.33 no.2, 2019년, pp.20 - 29

김재관 (한국전력공사 전력연구원 발전기술연구소) , 박석운 (한국전력공사 전력연구원 발전기술연구소) , 신동익 (한국전력공사 전력연구원 발전기술연구소)

초록
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본 논문에서는 저탄장 석탄더미 표면부에 자연발화 차단제를 도포하였을 경우 자연발화 현상에 미치는 영향을 수치해석적인 방법을 통해 살펴보았다. 먼저 자연발화 차단제를 도포하지 않은 경우를 해석하여 선행연구 결과와 비교하여 본 연구의 수치해석방법을 검증한 후 다양한 자연발화 차단제 도포영역 및 위치에 따른 자연발화 방지효과를 분석하였다. 그 결과, 자연발화 차단제의 도포영역이 넓을수록 석탄더미 내부로의 산소유입이 차단되어 발화방지 효과가 컸으며, 자연발화 차단제를 석탄더미 바닥에서부터 도포하여야 발화방지 효과가 더욱 큰 것으로 나타났다. 자연발화 차단제의 제조비용 등의 경제적인 측면을 고려하여 효과적으로 도포하여야 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the effect of spontaneous combustion inhibitor on the surface of coal stockpile in coal yard was investigated by numerical analysis. First, the numerical analysis method of the present study was compared with the results of the previous study by analyzing the case where the spontaneous combustion inhibitor was not applied, and the effect of preventing spontaneous combustion by various areas and positions for spraying spontaneous combustion inhibitor was analyzed. As a result, the larger the application area of the spontaneous combustion inhibitor, the more the effect of preventing spontaneous combustion by blocking the oxygen inflow into the coal stockpile, and the greater the effect of the spontaneous combustion prevention when spraying spontaneous combustion inhibitor from the bottom of the coal stockpile. Spontaneous combustion inhibitor should be sprayed effectively, considering the economic aspects, such as manufacturing cost etc.

주제어

표/그림 (15)

그림 Figure 1. Modelling condition of coal yard.
그림 Figure 2. Geometry of coal yard.
표 Table 1. Physical Constants Used in Calculation⁽⁷⁾
그림 Figure 3. Temperature of coal stockpile after 30 days.
그림 Figure 4. Oxygen concentration in coal stockpile after 30 days.
그림 Figure 5. Variation of hot spot temperature by time.
그림 Figure 6. Temperature of coal stockpile after 30 days.
그림 Figure 7. Oxygen concentration in coal stockpile after 30 days.
그림 Figure 8. Variation of hot spot temperature by time (sprayed on every 20% of the slope from the bottom).
그림 Figure 9. Velocity vector in coal stockpile after 30 days.
그림 Figure 10. Temperature of coal stockpile after 30 days.
그림 Figure 11. Oxygen concentration in coal stockpile after 30 days.
그림 Figure 12. Variation of hot spot temperature by time (sprayed on the slope from the bottom).
그림 Figure 13. Oxygen concentration in coal stockpile after 10 days.
그림 Figure 14. Oxygen concentration in coal stockpile after 40 days.

AI 본문요약
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문제 정의

수치해석 결과의 타당성은 차단제가 없는 경우에 대해 기존에 발표된 실험적 및 수치적 해석결과들과 비교하여 검증하였다^(8-11). 본 연구결과에서 얻은 결과를 바탕으로 향후 저탄장에 자연발화 방지용 차단제를 도포할 경우 보다 효과적인 도포 영역 및 위치를 선정하고자 하였다.
석탄의 산화반응에 미치는 주요 인자로는 내적인자로는 공극률, 탄층높이 및 저탄각도, 초기저탄온도, 석탄의 입도분포 및 외적인자 탄층높이 및 저탄각도, 초기온도, 수분, 바람 등으로 알려져 있다. 본 연구에서는 다종의 성상이 다른 석탄이 다양한 크기의 입자 분포로 이루어진 저탄장 내부를 단순화 하여 저탄장의 석탄층을 대표적인 동일한 성상의 거대한 하나의 등방성 다공성 물질로 모델화 하고 내외적인 요인도 동일 조건으로 하였다. 다공성 물질은 앞서 석탄 입경과 공극률을 이용하여 (3)수식으로 계산된 투과율이 물질 내부에 균일하므로 이러한 가정은 다양한 입자분포를 갖는 현실과 동떨어진 가정이나 본 연구는 동일한 내외적 요인에 대해 자연발화에 미치는 차단제만의 상대적인 효과를 해석해 보기 위한 경우이기 때문에 문제가 없을 것으로 간주했다.
이러한 관점에서 석탄 저탄장의 자연발화 방지책의 하나로 석탄더미 표면과 대기가 접촉되는 것을 차단하여 산화반응을 억제하는 것은 자연발화 현상을 방지할 수 있는 효과적인 방법 중 하나일 것이다. 본 연구에서는 저탄장 석탄더미 형상의 표면에 자연발화 방지용 차단제를 도포할 경우 차단영역 및 위치가 자연발화 억제에 어떤 영향을 미치는지를 다양한 수치해석을 통해 분석하였다. 수치해석 결과의 타당성은 차단제가 없는 경우에 대해 기존에 발표된 실험적 및 수치적 해석결과들과 비교하여 검증하였다^(8-11).
석탄화력발전소 저탄장에서 발생하는 자연발화 현상을 방지하기 위한 대책의 하나로 석탄더미 경사면에 자연발화 차단제를 도포하는 경우 얻을 수 있는 자연발화 방지효과를 수치적 해석기법을 이용해 수행하여 검토하였다. 먼저 자연발화 차단제가 없는 경우를 해석하여 선행연구 결과와 비교하여 본 수치해석 방법의 타당성을 검증하였고, 이를 토대로 석탄더미 경사면의 도포영역 및 위치를 다양한 조건으로 설정해 자연발화 방지효과를 분석해 보았다.

가설 설정

본 연구에서는 다종의 성상이 다른 석탄이 다양한 크기의 입자 분포로 이루어진 저탄장 내부를 단순화 하여 저탄장의 석탄층을 대표적인 동일한 성상의 거대한 하나의 등방성 다공성 물질로 모델화 하고 내외적인 요인도 동일 조건으로 하였다. 다공성 물질은 앞서 석탄 입경과 공극률을 이용하여 (3)수식으로 계산된 투과율이 물질 내부에 균일하므로 이러한 가정은 다양한 입자분포를 갖는 현실과 동떨어진 가정이나 본 연구는 동일한 내외적 요인에 대해 자연발화에 미치는 차단제만의 상대적인 효과를 해석해 보기 위한 경우이기 때문에 문제가 없을 것으로 간주했다.

제안 방법

동일한 석탄성상과 외부적인 조건하에서 자연발화 차단제의 도포영역 및 위치가 자연발화에 미치는 영향을 수치적으로 해석해 보기 위해 자연발화 차단제를 도포 하지 않은 경우에 대비하여 왼쪽, 오른쪽 경사면 각각 또는 전체를 도포했을 경우 해석을 수행하였다. 그런 다음 국부적인 영역에서 자연발화 차단제를 도포할 경우의 효과를 보기 위해 20%씩 경사면에 도포한 경우와 마지막으로 저탄장 지면 부분부터 10%씩 누적하여 90%까지 도포했을 경우에 대한 석탄더미 내의 온도 및 산소농도 분포를 해석하였다.
석탄더미 경사면 중 자연발화 차단제가 도포되지 않은 부분은 Interior 경계조건으로 공기 및 열이 통과하도록 설정한 반면 자연발화 차단제를 도포한 부분은 단열 조건의 Wall 경계조건으로 지정하여 석탄더미 표면으로의 공기 투과 및 열전달을 방지하였다. 다양한 도포영역을 설정하여 자연발화 방지효과를 비교분석해 보기 위해 석탄더미 경사면을 10등분하여 해석을 수행하였다.
동일한 석탄성상과 외부적인 조건하에서 자연발화 차단제의 도포영역 및 위치가 자연발화에 미치는 영향을 수치적으로 해석해 보기 위해 자연발화 차단제를 도포 하지 않은 경우에 대비하여 왼쪽, 오른쪽 경사면 각각 또는 전체를 도포했을 경우 해석을 수행하였다. 그런 다음 국부적인 영역에서 자연발화 차단제를 도포할 경우의 효과를 보기 위해 20%씩 경사면에 도포한 경우와 마지막으로 저탄장 지면 부분부터 10%씩 누적하여 90%까지 도포했을 경우에 대한 석탄더미 내의 온도 및 산소농도 분포를 해석하였다.
석탄화력발전소 저탄장에서 발생하는 자연발화 현상을 방지하기 위한 대책의 하나로 석탄더미 경사면에 자연발화 차단제를 도포하는 경우 얻을 수 있는 자연발화 방지효과를 수치적 해석기법을 이용해 수행하여 검토하였다. 먼저 자연발화 차단제가 없는 경우를 해석하여 선행연구 결과와 비교하여 본 수치해석 방법의 타당성을 검증하였고, 이를 토대로 석탄더미 경사면의 도포영역 및 위치를 다양한 조건으로 설정해 자연발화 방지효과를 분석해 보았다. 그 결과 바닥과 떨어져 부분적으로 자연발화 차단제를 도포한 경우에는 도포영역의 상부와 하부 부근에서 열점이 형성되며 하부로 유입된 산소가 위쪽으로 나가지 못하여 산화반응이 하부에 집중되어 자연발화 차단제가 없는 경우보다 열점의 온도가 높아지는 것으로 나타났다.
외부의 경계조건의 영향을 적게 하기 위해서 전체 해석영역의 크기는 저탄장 석탄더미의 폭(40 m)과 높이(15 m)를 고려하여 가로(W = 400 m)와 세로(H = 100 m)를 탄층 형상과 크기에 비해 충분히 크게 설정하였다. 바람은 왼쪽에서 불어오는 것으로 설정하였으므로 해석영역의 왼쪽 측면은 1 m/s의 Velocity inlet 경계조건으로 설정하였으며 해석영역의 윗면과 오른쪽 측면은 대기압의 Pressure outlet 경계조건으로 설정하였다. 해석영역의 아랫면인 저탄장 지면의 조건은 30 ℃의 등온(Isothermal) 조건으로 설정하였으며 전체 영역의 초기 온도 또한 통상 30 ℃의 일정 온도를 부여하여 해석을 진행하였다.
앞서 한쪽경사면만 자연발화 차단제를 도포하면 자연발화 방지효과가 크지 않았기 때문에 양쪽 면의 같은 구간에 도포하도록 하였고 자연발화 차단제를 도포하지 않은 경우에 열점의 위치가 석탄더미의 5∼10% 높이의 낮은 위치였음을 고려하여 0∼20%(경사면의 0% 높이에서부터 경사면의 20% 높이까지)구간, 10∼30% 구간, 20∼40% 구간, 30∼50% 구간에 자연발화 차단제를 도포하는 4가지 경우에 대해 해석을 수행하였다.
외부의 경계조건의 영향을 적게 하기 위해서 전체 해석영역의 크기는 저탄장 석탄더미의 폭(40 m)과 높이(15 m)를 고려하여 가로(W = 400 m)와 세로(H = 100 m)를 탄층 형상과 크기에 비해 충분히 크게 설정하였다. 바람은 왼쪽에서 불어오는 것으로 설정하였으므로 해석영역의 왼쪽 측면은 1 m/s의 Velocity inlet 경계조건으로 설정하였으며 해석영역의 윗면과 오른쪽 측면은 대기압의 Pressure outlet 경계조건으로 설정하였다.
자연발화 차단제를 부분적으로 도포한 경우의 자연발화 현상의 발생특성 변화를 살펴보기 위해 경사면의 20% 길이의 띠(Band) 형태로 자연발화 차단제를 도포하는 조건을 설정하도록 석탄더미 경사면을 10등분하여 2구간씩 연속적으로 도포한 경우에 대한 해석을 수행하였다. 앞서 한쪽경사면만 자연발화 차단제를 도포하면 자연발화 방지효과가 크지 않았기 때문에 양쪽 면의 같은 구간에 도포하도록 하였고 자연발화 차단제를 도포하지 않은 경우에 열점의 위치가 석탄더미의 5∼10% 높이의 낮은 위치였음을 고려하여 0∼20%(경사면의 0% 높이에서부터 경사면의 20% 높이까지)구간, 10∼30% 구간, 20∼40% 구간, 30∼50% 구간에 자연발화 차단제를 도포하는 4가지 경우에 대해 해석을 수행하였다.
바람은 왼쪽에서 불어오는 것으로 설정하였으므로 해석영역의 왼쪽 측면은 1 m/s의 Velocity inlet 경계조건으로 설정하였으며 해석영역의 윗면과 오른쪽 측면은 대기압의 Pressure outlet 경계조건으로 설정하였다. 해석영역의 아랫면인 저탄장 지면의 조건은 30 ℃의 등온(Isothermal) 조건으로 설정하였으며 전체 영역의 초기 온도 또한 통상 30 ℃의 일정 온도를 부여하여 해석을 진행하였다. 해석에 사용된 석탄더미 형상을 높이 15 m, 길이 40 m의 삼각형 모양으로 하여 기존의 저탄장과 거의 유사하게 하였고, 풍향 및 물성 등의 해석 조건은 자연발화 차단제 도포 전후를 동일한 조건으로 하였다.

대상 데이터

해석모델의 저탄장의 형태는 높이와 폭 방향에 비해 길이 방향이 충분히 길기 때문에 Figure 1과 같이 삼각형단면의 다공성의 등방성 2차원 물질로 형태로 모사하였다.
해석영역의 아랫면인 저탄장 지면의 조건은 30 ℃의 등온(Isothermal) 조건으로 설정하였으며 전체 영역의 초기 온도 또한 통상 30 ℃의 일정 온도를 부여하여 해석을 진행하였다. 해석에 사용된 석탄더미 형상을 높이 15 m, 길이 40 m의 삼각형 모양으로 하여 기존의 저탄장과 거의 유사하게 하였고, 풍향 및 물성 등의 해석 조건은 자연발화 차단제 도포 전후를 동일한 조건으로 하였다. 석탄더미 경사면의 일부분을 차단제를 도포하였을 시 나타나는 유동을 잘 관찰하기 위해 경사면 주위의 해석격자 간격을 조밀하게 Figure 2와 같이 생성하였다.

데이터처리

본 연구에서는 저탄장 석탄더미 형상의 표면에 자연발화 방지용 차단제를 도포할 경우 차단영역 및 위치가 자연발화 억제에 어떤 영향을 미치는지를 다양한 수치해석을 통해 분석하였다. 수치해석 결과의 타당성은 차단제가 없는 경우에 대해 기존에 발표된 실험적 및 수치적 해석결과들과 비교하여 검증하였다^(8-11). 본 연구결과에서 얻은 결과를 바탕으로 향후 저탄장에 자연발화 방지용 차단제를 도포할 경우 보다 효과적인 도포 영역 및 위치를 선정하고자 하였다.

이론/모형

저탄장 외부영역은 난류유동으로 수치해석 적용된 난류모델은 널리 통용되고 있으며 다양한 형태의 유동현상의 해석에 이용되어 신뢰성이 검증된 Standard k-ε 모델을 이용하였다.
은 k번째 화학종의 확산 계수(Diffusion coefficient)이다. 해석모델에서의 화학반응식으로는 Arrhenius 식이 사용되었으며 r번째 화학반응식에서 속도 상수 k_r에 대한 식은 다음과 같다.

성능/효과

먼저 자연발화 차단제가 없는 경우를 해석하여 선행연구 결과와 비교하여 본 수치해석 방법의 타당성을 검증하였고, 이를 토대로 석탄더미 경사면의 도포영역 및 위치를 다양한 조건으로 설정해 자연발화 방지효과를 분석해 보았다. 그 결과 바닥과 떨어져 부분적으로 자연발화 차단제를 도포한 경우에는 도포영역의 상부와 하부 부근에서 열점이 형성되며 하부로 유입된 산소가 위쪽으로 나가지 못하여 산화반응이 하부에 집중되어 자연발화 차단제가 없는 경우보다 열점의 온도가 높아지는 것으로 나타났다. 따라서 자연발화 차단제를 적용할 경우 바닥에서부터 도포하여야 하며, 이 때 도포영역 상부에서 초기에 온도가 더 높아지는 경우도 있으나 저탄시간이 경과함에 따라 자연발화 차단제의 도포영역이 클수록 산소의 유입이 차단되어 온도가 덜 상승하는 것을 알 수 있었다.
그 결과 산화반응이 상대적으로 더 잘 일어나 온도가 상승하며 20∼40% 구간을 도포한 경우 오히려 자연발화 차단제가 없는 경우에 비해 열점의 온도가 더 올라가 자연발화 방지효과를 볼 수 없음을 알 수 있었다.
그러나 이들 구간영역에 자연발화 차단제를 도포하는 경우 중 고온점이 발생하는 영역인 바닥(0)에서 20% 경사면 구간에 도포하는 것이 가장 효과적임을 알 수 있었으며 그 외 10∼30%, 20∼40%, 30∼50% 구간은 효과가 없거나 오히려 온도가 더 높아지는 경우가 발생되는 현상이 나타났다.
그 결과 바닥과 떨어져 부분적으로 자연발화 차단제를 도포한 경우에는 도포영역의 상부와 하부 부근에서 열점이 형성되며 하부로 유입된 산소가 위쪽으로 나가지 못하여 산화반응이 하부에 집중되어 자연발화 차단제가 없는 경우보다 열점의 온도가 높아지는 것으로 나타났다. 따라서 자연발화 차단제를 적용할 경우 바닥에서부터 도포하여야 하며, 이 때 도포영역 상부에서 초기에 온도가 더 높아지는 경우도 있으나 저탄시간이 경과함에 따라 자연발화 차단제의 도포영역이 클수록 산소의 유입이 차단되어 온도가 덜 상승하는 것을 알 수 있었다. 단, 자연발화 차단제의 제조비용 등의 경제적인 측면을 고려하여 효과적으로 도포하여야 한다.
위 4가지의 조건에 대해 일자별 고온 열점(Hot spot)의 온도상승 변화추이를 나타내어 보면 Figure 5와 같다. 석탄더미의 한 쪽 경사면에만 자연발화 차단제를 도포하면 반대쪽의 도포하지 않은 경사면에서 산화반응이 일어나 자연발화 방지효과가 미미함을 알 수 있었고, 특히 풍향을 기준으로 반대쪽인 오른쪽 경사면에만 도포한 경우에는 바람을 맞는 왼쪽 경사면에서 산화반응을 하여 차단제가 없는 경우와 동일한 현상이 나타남을 알 수 있었다. 전체 경사면에 도포한 경우에는 외부로부터의 산소 유입이 전면 차단되어 산화반응이 없어 시간이 경과되어도 석탄더미 내부의 온도상승이 일어나지 않았고 초기의 온도를 유지하는 것으로 나타났다.
석탄더미의 한 쪽 경사면에만 자연발화 차단제를 도포하면 반대쪽의 도포하지 않은 경사면에서 산화반응이 일어나 자연발화 방지효과가 미미함을 알 수 있었고, 특히 풍향을 기준으로 반대쪽인 오른쪽 경사면에만 도포한 경우에는 바람을 맞는 왼쪽 경사면에서 산화반응을 하여 차단제가 없는 경우와 동일한 현상이 나타남을 알 수 있었다. 전체 경사면에 도포한 경우에는 외부로부터의 산소 유입이 전면 차단되어 산화반응이 없어 시간이 경과되어도 석탄더미 내부의 온도상승이 일어나지 않았고 초기의 온도를 유지하는 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자연발화 과정은 무엇인가?	이들 연구에 의하면 통상 석탄의 자연발화에 미치는 요인으로는 크게 두 가지, 즉 석탄의 고유성상과 연관된 탄의 성상, 공극률 및 입자크기 등 내적인 요인과 석탄의 야적된 형상, 외부조건 등 외적인 요인으로 알려져 있다(2-6). 이들 내·외적인 요인들이 복합적으로 작용하여 발생하는 자연발화 과정을 간략하게 요약해 보면 제 1 단계는 석탄의 내부 산화과정으로 약 15 ℃에서 석탄내부의 고유함유 산소에 의 해석탄이 산화되는 반응열이 내부에 축적되어 온도가 상승되며 이러한 현상은 석탄의 등급이 낮고 산소함량이 높을수록 현저한 것으로 알려져 있다(7). 제 2 단계는 저탄장의 석탄표면에 접하는 공기 중의 산소와 수분에 의해 표면 산화반응(Surface oxidation)을 하면서 30 ℃정도로 온도가 상승하며 이때 표면을 통해 방열되는 열량보다 반응열이 크면석탄의 온도는 계속 올라가 70 ℃ 부근에 이르게 되며 제3 단계 산화반응이 진행되면서 산화율이 현저하게 상승하여 250 ℃까지 빠른 속도로 석탄의 온도가 올라 350 ℃ 부근에서 자연발화 현상으로 이어지는 것으로 알려져 있다.
	석탄의 산화반응에 영향을 미치는 주요 인자들은 무엇인가?	석탄의 산화반응에 미치는 주요 인자로는 내적인자로는 공극률, 탄층높이 및 저탄각도, 초기저탄온도, 석탄의 입도분포 및 외적인자 탄층높이 및 저탄각도, 초기온도, 수분, 바람 등으로 알려져 있다. 본 연구에서는 다종의 성상이 다른 석탄이 다양한 크기의 입자 분포로 이루어진 저탄장 내부를 단순화 하여 저탄장의 석탄층을 대표적인 동일한 성상의 거대한 하나의 등방성 다공성 물질로 모델화 하고 내외적인 요인도 동일 조건으로 하였다.
	산화반응을 억제하는 것이 자연발화 현상을 방지할 수 있는 효과적인 방법인 이유는 무엇인가?	이와 같이 석탄 저탄장의 자연발화 현상은 주로 다공성 물질 형태의 저탄층 내부로 대기가 유입되며 유입된 대기의 산소와 석탄입자의 제 3 단계 표면산화반응으로 인한반응열이 탄층내부에 축적되어 석탄내부의 온도 상승에 기인함을 알 수 있다. 이러한 관점에서 석탄 저탄장의 자연발화 방지책의 하나로 석탄더미 표면과 대기가 접촉되는 것을 차단하여 산화반응을 억제하는 것은 자연발화 현상을 방지할 수 있는 효과적인 방법 중 하나일 것이다.

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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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