KR101364000B1 - 석탄 자연발화 측정장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 석탄 자연발화 측정장치에 관한 것으로, 이를 위해 내부에 석탄시료를 저장하거나 교체할 수 있도록 캡을 갖고, 내부에 산화기체를 공급하여 석탄시료가 자연발화될 수 있도록 하는 반응기;와, 상기 반응기 내부 분위기 온도를 외부에 적재된 석탄더미의 발화온도의 조건과 맞게 축열될 수 있도록 상기 반응기를 감싸는 퍼니스;와, 상기 반응기의 상부 및 하부에 각각 결합되어 석탄시료의 온도와, 반응기 내부의 분위기온도를 측정하는 열전대;와, 시간 대비 산화기체의 공급양과, 퍼니스 내부의 온도를 제어하고, 시간이 경과함에 따라 석탄시료의 급격한 온도변화를 예측하는 제어부; 및 상기 제어부와 연결되어 시간 경과에 따른 반응기 내부의 온도와 석탄시료의 승온온도를 실시간으로 출력하는 모니터링부;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 석탄 화력발전소 저탄장에 적재된 석탄더미의 자연적인 발화온도와 시간을 예측하고, 부가적으로 저등급 석탄의 고품위화 여부를 파악할 수 있도록 한 석탄 자연발화 측정장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내부에 정량의 석탄시료를 담은 반응기의 내부로 열이 축열되도록 퍼니스를 감싸 구성한 후, 반응기의 내부로 산화기체를 지속적으로 공급하여 반응기 내부에 위치한 석탄시료가 발화되도록 하되, 발화시 발생되는 급격한 온도변화를 통해 석탄시료의 자연발화온도와 시간을 예측하고, 부가적으로 저등급 석탄의 전처리 방식에 따른 석탄의 고품위화(고발열량의 자연발화성이 낮은 석탄으로 전환하는 기술) 여부를 파악할 수 있는 석탄 자연발화 측정장치에 관한 것이다.
일반적으로 석탄의 자연발화는 외부의 발화원이 없는 조건에서 자연적인 발열반응(산화, 풍화, 습윤열 등)으로 인해 석탄더미에 열이 축적되고, 석탄에 포함되어 있는 가연성 휘발분이 공기 중의 산소와 반응하여 착화됨과 동시에, 연쇄적인 자유라디칼 반응(free radical reaction)에 의해 발생된다.
특히 석탄의 특성에 따라 탄화도가 낮아 지방족 탄화수소(aliphatic hydrocarbon)가 많고, 휘발성분이 많이 포함되어 있으며, 수분함량의 20% 이상인 저급탄이 자연발화에 취약하며, 고급탄은 보다 오랜 시간이 지나야지만 자연발화 된다. (보통 석탄을 적재하면 통상 석탄의 수분함량에 따라 약 20~40일 동안에 완만한 산화에 의해 내부 온도가 70~90 정도로 상승되는데, 그 후 2~4개월 동안 이 온도로 유지되면서 내부가 건조되고 CO2, Co, CH4 등의 가스가 발생되다가, 갑자기 300~400로 상승되어 타르 냄새가 나고 연기가 나면서 자연발화가 시작된다.)
하지만 석탄을 연료로 하는 화력발전소나 기타, 석탄에서 합성연료를 생산하는 화학공장에서는 일반 야외에 석탄을 적재하여 보관할 수밖에 없는 실정이다.
이렇게 적재된 석탄더미는 고급탄과 저급탄의 여부와 상관없이 상술된 바와 같이 자연발화가 발생되기 때문에 6개월 이상 야외에 적재시켜도 가능함에도 자연발화의 위험성으로 인해 통상 4개월 이상 적재하지 못하고 해체하거나 다른 야적장에 적재해야 하는 문제점이 있으며, 자연발화가 시작되면 진화하기가 까다로워 수개월 동안 방치되는 경우도 있다.
특히 고급탄의 경우에는 수분함량이 적어 8~9개월 이상 야외에 적재시켜도 가능한데, 이에 상관없이 석탄더미를 다른 곳에 자주 이동시켜 시설운영비가 많이 소요되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 제 1목적은, 석탄시료의 발화온도와 시간을 예측하여 경제적이고 안전한 방법으로 석탄더미를 야외에 적재시킬 수 있도록 한 석탄 자연발화 측정장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 제 2목적은, 석탄시료의 발화온도를 측정하여 저등급 석탄의 전처리 방식에 따른 석탄의 고품위화 여부를 파악할 수 있는 석탄 자연발화 측정장치에 관한 것이다.
본 발명은 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 제 1발명은 석탄 자연발화 측정장치에 관한 것으로, 이를 위해 내부에 석탄시료를 저장하거나 교체할 수 있도록 캡을 갖고, 내부에 산화기체를 공급하여 석탄시료가 자연발화될 수 있도록 하는 반응기;와, 상기 반응기 내부 분위기 온도를 외부에 적재된 석탄더미의 발화온도의 조건과 맞게 축열될 수 있도록 상기 반응기를 감싸는 퍼니스;와, 상기 반응기의 상부 및 하부에 각각 결합되어 석탄시료의 온도와, 반응기 내부의 분위기온도를 측정하는 열전대;와, 시간 대비 산화기체의 공급양과, 퍼니스 내부의 온도를 제어하는 제어부; 및 상기 제어부와 연결되어 시간 경과에 따른 반응기 내부의 온도와 석탄시료의 승온온도를 실시간으로 출력하는 모니터링부;를 포함하여 이루어지되, 상기 반응기는 내주면에 메쉬망이 설치되고, 상기 메쉬망의 상부에는 석탄시료를 저장할 수 있는 시료컵이 안착되고, 상기 시료컵은 바닥면에 메쉬망이 설치되고, 상기 메쉬망의 상부에는 석탄시료가 낙하되지 않도록 세라믹울이 내장되는 것을 특징으로 한다.
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제 3발명은, 제 1발명에서, 상기 퍼니스는 석탄시료의 자연발화에 필요한 열을 공급하기 위해 알루미늄 외피가 결합된 세라믹단열재와, 상기 세라믹단열재의 내부에 설치되는 열선으로 구성되는 것이 바람직하다.
제 4발명은, 제 1발명에서, 상기 반응기는 캡의 상단에 석탄시료가 발화될 수 있도록 캡의 상부에 산화기체을 공급할 수 있는 기체공급관이 연결된 공급커넥터가 결합되고, 하단에는 상기 공급된 산화기체가 배출될 수 있도록 기체배출관이 연결된 배출커넥터가 결합되는 것이 바람직하다.
제 5발명은, 제 4발명에서, 상기 각 열전대 중 어느 하나는 공급커넥터의 내부에 삽입되어 석탄시료 온도를 측정하고, 다른 하나는 배출커넥터의 내부에 삽입되어 반응기 내부의 분위기 온도를 측정하는 것이 바람직하다.
제 6발명은, 제 4발명에서, 상기 기체공급관은 산화기체의 온도와 반응기 내부의 분위기 온도차를 최소화할 수 있도록 상기 반응기의 하부에서 상부방향으로 상기 반응기의 외주면에 권회되어 캡에 결합된 공급커넥터에 연결되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 석탄 자연발화 측정장치에 따르면, 석탄시료의 발화온도와 시간을 예측하여 석탄더미를 다른 곳에 자주 이동시켜야 하는 시설운영비를 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한 석탄시료의 발화온도를 예측하여 석탄더미를 자연발화로부터 안전하게 관리할 수 있어 연료의 손실이나 화재로 인한 석탄 화력발전소의 안전사고를 예방할 수 있는 효과가 있다.
마지막으로 저등급 석탄의 전처리 방식에 따른 산소기능기(oxygen functional groups)의 함량 특성을 예측할 수 있어 별도의 Fourier transform infrared spectroscopy(FT-IR)이나 X-ray photoelectron spctroscopy(XPS) 등의 측정장비를 사용하지 않고 저급탄 고품위화 여부를 간단하게 파악할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 석탄 자연발화 측정장치의 제 1사시도,
도 2는 본 발명에 따른 석탄 자연발화 측정장치의 제 2사시도,
도 3은 퍼니스의 내부에 배치된 반응기의 구성도,
도 4는 도 3에서 발췌된 반응기의 단면구성도,
도 5는 본 발명에 따른 석탄 자연발화 측정장치의 블럭도,
도 6은 본 발명에 따른 석탄 자연발화 측정장치의 산화기체 흐름도이고,
도 7은 본 발명에 따른 석탄 자연발화 측정장치의 모니터링부를 통해 측정된 석탄시료의 발화온도를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 석탄 자연발화 측정장치의 제 2사시도,
도 3은 퍼니스의 내부에 배치된 반응기의 구성도,
도 4는 도 3에서 발췌된 반응기의 단면구성도,
도 5는 본 발명에 따른 석탄 자연발화 측정장치의 블럭도,
도 6은 본 발명에 따른 석탄 자연발화 측정장치의 산화기체 흐름도이고,
도 7은 본 발명에 따른 석탄 자연발화 측정장치의 모니터링부를 통해 측정된 석탄시료의 발화온도를 나타내는 그래프이다.
이하에서는 본 발명에 따른 석탄 자연발화 측정장치에 관하여 첨부된 도면과 함께 더불어 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 석탄 자연발화 측정장치의 제 1사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 석탄 자연발화 측정장치의 제 2사시도이며, 도 3은 퍼니스의 내부에 배치된 반응기의 구성도이고, 도 4는 도 3에서 발췌된 반응기의 단면구성도이고, 도 5는 본 발명에 따른 석탄 자연발화 측정장치의 블럭도이고, 도 6은 본 발명에 따른 석탄 자연발화 측정장치의 산화기체 흐름도이다.
도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명은 석탄 화력발전소 저탄장에 적재된 석탄더미의 자연적인 발화온도와 시간을 예측하여 자연발화를 미연에 방지하고, 부가적으로 저등급 석탄의 전처리 방식에 따른 석탄의 고품위화(고발열량의 자연발화성이 낮은 석탄으로 전환하는 기술) 여부를 파악할 수 있는 석탄 자연발화 측정장치(100)에 관한 것이다.
이러한 석탄 자연발화 측정장치(100)는 크게 5개 부분으로 구성되는데, 이는 반응기와, 퍼니스(furnace)(20)와, 열전대(30)와, 제어부(40)로 구성된다.
먼저 상기 퍼니스(20)는 반응기 내부 분위기 온도를 외부에 적재된 석탄더미의 발화온도 조건과 맞게 축열될 수 있도록 점차 승온시키는 기능을 한다.
이러한 퍼니스(20)는 석탄시료(50)의 자연발화에 필요한 열을 공급하기 위해 알루미늄 외피(21)가 결합된 세라믹단열재(22)와, 상기 세라믹단열재(22)의 내부에 설치되는 열선으로 구성된다.
여기서 상기 열선(23)은 야적된 석탄더미의 발화온도까지 제어부(40)에 제어되어 세라믹단열재의 내부 온도를 승온시키는 기능을 한다.
이러한 퍼니스(20)는 원형 또는 사각 또는 육각으로 구성될 수 있으며, 세라믹단열재(22)가 반응기(10)를 감쌀 수 있도록 힌지부를 중심으로 2개로 분리 구성되어 선택적으로 클램프(24)를 통해 고정될 수 있도록 구성된다.
이 때 상기 세라믹단열재(22)의 내부는 열선(23)에 의해 반응기 내부의 온도를 승온시킬 수 있도록 수용홈(221)이 형성되어 반응기(10)를 석탄더미의 내부 조건과 유사하게 구성할 수 있다.
아울러 상기 반응기(10)는 상단에 캡(11)이 결합되는 구조이며, 이러한 캡(11)을 통해 반응기(10)의 내부에 석탄시료(50)를 저장하거나 교체할 수 있도록 구성된다.
또한 반응기(10)의 내주면에는 석탄시료(50)와 반응하여 석탄시료(50)가 자연발화될 수 있도록 산화기체(공기 또는 산소)를 통과시키는 메쉬망(13)이 설치되고, 상기 메쉬망(13)의 상부에는 석탄시료(50)를 저장할 수 있는 시료컵(12)이 안착되어 구성된다.
이 때 상기 시료컵(12)의 바닥면 역시 산화기체가 통과될 수 있도록 메쉬망(13)이 설치되고, 상기 메쉬망(13)의 상부에는 석탄시료(50)가 낙하되지 않도록 세라믹울(121)이 내장되는 구조이다.
이러한 메쉬망(13)과 시료컵(12)의 구조는 반응기 내부로 공급되는 산화기체가 석탄시료(50)와 접촉 후 압력 강하가 발생하지 않고 반응기(10)의 하부로 원활히 유도될 수 있도록 하기 위함이다.
여기서 상기 메쉬망(13)은 산화기체의 압력 강하가 발생되지 않도록 74㎛ 이상인 것이 바람직하다.
또한 상기 반응기(10)는 캡(11)의 상단으로 석탄시료(50)와 접촉하여 발화될 수 있도록 산화기체을 공급할 수 있는 기체공급관(141)이 연결된 공급커넥터(14)가 결합되고, 하단에는 공급된 산화기체가 배출될 수 있도록 기체배출관(151)이 연결된 배출커넥터(15)가 결합되는 구조이다.
이 때 상기 기체공급관(141)은 산화기체의 온도가 반응기(10) 내부의 분위기 온도 유사하도록 상기 반응기(10)의 하부에서 상부방향으로 상기 반응기(10)의 외주면에 권회되어 캡(11)에 결합된 공급커넥터(14)에 연결되는 구조이다.
이러한 기체공급관(141)의 구조는 산화기체가 반응기 내부로 공급되기 전 산화기체의 온도와 반응기 내부 분위기 온도 차이를 최소화할 할 수 있도록 퍼니스(20)의 내부에서 체류시간을 증대시키기 위함이다.
상기 열전대(30)는 2개로 구성되며, 상기 반응기(10)의 상부 및 하부에 각각 결합되어 석탄시료(50)의 온도와, 반응기(10) 내부의 분위기온도를 측정하는 기능을 한다.
이러한 상기 각 열전대(30) 중 어느 하나는 공급커넥터(14)의 내부에 삽입되어 석탄시료(50) 온도를 측정하고, 다른 하나는 배출커넥터(15)의 내부에 삽입되어 반응기(10) 내부의 분위기 온도를 측정한다.
그리고 상기 제어부(40)는 간 대비 산화기체의 공급양과, 열선(23)을 통해 퍼니스(20) 내부의 온도를 제어하는 기능을 한다.
이 때 상기 제어부(40)는 산화기체의 공급양과, 퍼니스(20) 내부의 온도와, 반응기(10) 내부의 온도에 따른 석탄시료(50)의 승온 온도를 실시간으로 비교하고, 시간이 경과함에 따라 석탄시료(50)의 급격한 온도변화를 측정하여 석탄시료(50)의 발화온도를 예측할 수 있다.
아울러 상기 모니터링부(41)는 제어부(40)와 연결되어 시간대비 반응기(10) 내부의 온도와, 석탄시료(50)의 발화온도를 실시간으로 출력하는 기능을 한다.
한편 상기 기체공급관(141)은 산화기체 이외에 제어부(40)를 통해 질소가 공급될 수 있으며, 이는 반응기(10) 내부의 석탄시료(50)가 자연발화되면 이를 열전대(30)가 감지하여 제어부(40)를 통해 질소가 공급되어 자연발화된 석탄시료(50)가 더 이상 탄화되는 것을 방지하여 안전사고를 미연에 방지할 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 석탄 자연발화 측정장치에 작동방법에 대해 간단히 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명에 따른 석탄 자연발화 측정장치의 모니터링부를 통해 측정된 석탄시료의 발화온도를 나타내는 그래프이다.
먼저 석탄시료를 시료컵(12)에 넣고, 캡(11)을 분리한 후, 반응기(10)의 내부에 형성된 메쉬망(13)에 안착시킨다.
그리고 캡(11)을 결속한 후, 퍼니스(20)로 반응기(10)를 감싼다.
그리고 제어부(40)를 통해 열선(23)으로 전원을 공급하여 시간이 지남에 따라 반응기(10) 내부의 분위기 온도가 점차 축열되어 승온될 수 있도록 하여 야외에 적재된 석탄더미의 축열 조건과 부합되도록 한다.
동시에 제어부(40)를 통해 기체공급관(141)으로 압축된 산화기체를 공급하여 야외에 적재된 석탄더미의 산소의 보급과 부합되도록 한다.
이 때 상기 제어부(40)는 열선(23)의 설정온도와, 산화기체의 유속과 압력을 야외에 적재된 석탄더미의 시간(기간)별 온도변화를 측정한 값에 결정된다.
물론 본 발명에서는 야외에 적재된 석탄더미의 조건을 단축하기 위해 산화기체의 유속과 압력을 야외에 적재된 석탄더미 보다 더 많이 공급하고, 열선(23)의 온도 역시 야외에 적재된 석탄더미의 축열 조건 보다 더 높게 발열시킬 수 있다.
그리고 이 상태에서 장시간(기간)에 걸쳐 산화기체의 유속 및 압력과, 열선(23)의 설정온도가 유지될 수 있도록 한다.
이 후 석탄시료(50)가 발화되었다고 판단되는 기준은 모니터링부(41)을 통해 출력되는 그래프에 의해 판단되는데, 이는 도 7의 그래프와 같이, 석탄시료(50)의 내부온도가 반응기(10) 내부 분위기 온도 보다 급격히 높아지는 시점, 즉, 교차온도(발화온도)에 도달하면 석탄이 발화되었다고 판단한다.
마지막으로 반응기(10) 내부의 석탄시료(50)가 자연발화되면 이를 열전대(30)가 감지하여 제어부(40)를 통해 질소가 공급되어 자연발화된 석탄시료(50)가 더 이상 탄화되는 것을 방지하여 안전사고를 미연에 방지할 수 있다.
따라서 본 발명은 시간에 따른 석탄시료의 발화온도를 측정하여 야외에 적재된 석탄더미의 자연발화 시간을 예측할 수 있게 된다.
이에 예측된 시간정보에 따라 석탄더미를 적재 기간을 늘일 수 있으며, 또 다른 방편으로는 다른 곳에 적재시키거나 해체시켜 석탄더미의 자연발화를 늦출 수 있다.
또한 저급탄과 고급탄의 여부는 수분과, 휘발성분과, 탄소에 의해 결정된다. 특히 수분함량이 높을수록 발화온도가 낮기 때문에 측정된 발화온도에 따라 저등급 석탄의 전처리 방식에 따른 석탄의 고품위화(고발열량의 자연발화성이 낮은 석탄으로 전환하는 기술) 여부를 파악할 수 있다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 첨부된 청구의 범위는 본 발명의 진정한 범위내에 속하는 그러한 수정 및 변형을 포함할 것이라고 여겨진다.
10: 반응기 11: 캡 12: 시료컵
121: 세라믹울 13: 메쉬망
14: 공급커넥터 141: 기체공급관
15: 배출커넥터 151: 기체배출관
20: 퍼니스 21: 외피 22: 세라믹단열재
221: 수용홈 23: 열선
24: 클램프
30: 열전대
40: 제어부 41: 모니터링부
50: 석탄시료
100: 석탄 자연발화 측정장치
121: 세라믹울 13: 메쉬망
14: 공급커넥터 141: 기체공급관
15: 배출커넥터 151: 기체배출관
20: 퍼니스 21: 외피 22: 세라믹단열재
221: 수용홈 23: 열선
24: 클램프
30: 열전대
40: 제어부 41: 모니터링부
50: 석탄시료
100: 석탄 자연발화 측정장치
Claims (6)
- 외부에 적재된 석탄더미의 발화온도와 시간을 예측하고, 부가적으로 석탄의 고급화 여부를 파악할 수 있도록 한 석탄 자연발화 측정장치에 있어서,
내부에 석탄시료(50)를 저장하거나 교체할 수 있도록 캡(11)을 갖고, 내부에 산화기체를 공급하여 석탄시료(50)가 자연발화될 수 있도록 하는 반응기(10);
상기 반응기(10) 내부 분위기 온도를 외부에 적재된 석탄더미의 발화온도의 조건과 부합되게 축열될 수 있도록 상기 반응기를 감싸는 퍼니스(20);
상기 반응기(10)의 상부 및 하부에 각각 결합되어 석탄시료(50)의 온도와, 반응기(10) 내부의 분위기온도를 측정하는 열전대(30);
시간 대비 산화기체의 공급양과, 퍼니스(20) 내부의 온도를 제어하는 제어부(40); 및
상기 제어부(40)와 연결되어 시간 경과에 따른 반응기(10) 내부의 온도와 석탄시료(50)의 승온 온도를 실시간으로 출력하는 모니터링부(41);를 포함하여 이루어지되,
상기 반응기(10)는 내주면에 메쉬망(13)이 설치되고,
상기 메쉬망(13)의 상부에는 석탄시료(50)를 저장할 수 있는 시료컵(12)이 안착되고,
상기 시료컵(12)은 바닥면에 메쉬망(13)이 설치되고,
상기 메쉬망(13)의 상부에는 석탄시료(50)가 낙하되지 않도록 세라믹울(121)이 내장되는 것을 특징으로 하는 석탄 자연발화 측정장치.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 퍼니스(20)는 석탄시료(50)의 자연발화에 필요한 열을 공급하기 위해 알루미늄 외피(21)가 결합된 세라믹단열재(22)와, 상기 세라믹단열재(22)의 내부에 설치되는 열선(23)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 석탄 자연발화 측정장치.
- 제 1항에 있어
상기 반응기(10)는 캡(11)의 상단에 석탄시료(50)가 발화될 수 있도록 산화기체를 공급할 수 있는 기체공급관(141)이 연결된 공급커넥터(14)가 결합되고, 하단에는 상기 공급된 산화기체가 배출될 수 있도록 기체배출관(151)이 연결된 배출커넥터(15)가 결합되는 것을 특징으로 하는 석탄 자연발화 측정장치.
- 제 4항에 있어서,
상기 각 열전대(30) 중 어느 하나는 공급커넥터(14)의 내부에 삽입되어 석탄시료(50) 온도를 측정하고, 다른 하나는 배출커넥터(15)의 내부에 삽입되어 반응기(10) 내부의 분위기 온도를 측정하는 것을 특징으로 하는 석탄 자연발화 측정장치.
- 제 4항에 있어서,
상기 기체공급관(141)은 산화기체의 온도와 반응기(10) 내부의 분위기 온도차를 최소화할 수 있도록 상기 반응기(10)의 하부에서 상부방향으로 상기 반응기(10)의 외주면에 권회되어 캡(11)에 결합된 공급커넥터(14)에 연결되는 것을 특징으로 하는 석탄 자연발화 측정장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020120128933A KR101364000B1 (ko) | 2012-11-14 | 2012-11-14 | 석탄 자연발화 측정장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020120128933A KR101364000B1 (ko) | 2012-11-14 | 2012-11-14 | 석탄 자연발화 측정장치 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101364000B1 true KR101364000B1 (ko) | 2014-02-17 |
Family
ID=50271239
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020120128933A KR101364000B1 (ko) | 2012-11-14 | 2012-11-14 | 석탄 자연발화 측정장치 |
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| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101364000B1 (ko) |
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