Numerical Study on the Effects of Surface-inhibitors on the Spontaneous Ignition of Coal Stockpile

저탄장 자연발화에 미치는 표면차단제 영향에 관한 수치 해석적 연구

Abstract

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.

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.

서론

 석탄은 세계적으로 도처에 편재하고 매장량이 풍부하여 발전소 에너지원으로서 다른 화석연료에 비해 저렴한 가격과 공급의 안정성 때문에 화력발전소의 주요 발전연료로 사용되고 있다. 석탄은 특성상 산지와 채굴위치에 따라 성상이 다양하며 저장 또는 연소 시 일어나는 현상도 매우 복잡하다고 할 수 있다. 이렇게 다양한 성상의 석탄이 수입되어 보일러 연료로 사용되기까지는 통상 옥외형 저탄장에 대기에 노출된 상태로 수일에서 수개월 이상 야적되어 있는 실정이다. 이들 야적된 석탄더미에서 빈번히 발생하는 자연발화 현상은 발전소 안전, 오염물질 배출뿐만 아니라 경제성과 환경민원 발생 측면에서 발전소 운영에 심각한 문제를 야기하고 있는 실정이다(1). 지금까지 저탄장에서 발생되는 석탄의 자연발화로 인한 문제점들을 해결하고자 저탄장 자연발화 현상에 대한 원인 규명을 통한 사전 자연발화 방지책 마련을 위한 많은 연구가 이루어져 왔다. 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.

 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. 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 경우보다 효과적인 도포 영역 및 위치를 선정하고자 하였다.

수치해석 이론

지배방정식(Governing equations)

 저탄장의 수치해석 영역은 크게 탄층 내부영역과 외부영역으로 구분되며 외부영역의 경우 일반적인 연속방정식과 운동량보존 및 에너지방정식을 적용하고 내부영역인 실제 석탄더미 내부는 여러 가지 크기의 입도를 가진 다종의 석탄입자로 구성되어 있으나 수치해석의 간편화를 위해 하나의 대표적인 구형 등방성 구조의 석탄 입자로 구성된 다공성 물질(Porous material)로 대기로 간주 할 수 있다. 따라서 다공성 물질 내부의 유체 흐름은 Darcy's Law로 나타낼 수 있으며, 이를 공극률(Porosity) 를 고려하여 수치해석용지배방정식을 적용하면 다음과 같이 나타낼 수 있다(9,12).

<연속방정식>

 \(\frac{\partial}{\partial t}(\epsilon \rho)+\frac{\partial}{\partial x_{i}}\left(\epsilon \rho u_{i}\right)=S_{m}\) (1)

<운동량보존방정식>

\(\begin{array}{l} \frac{\partial}{\partial t}\left(\epsilon \rho u_{i}\right)+\frac{\partial}{\partial x_{i}}\left(\operatorname{cpu}_{j} u_{j}\right)= \\ -\frac{\partial}{\partial x_{i}}(\epsilon \rho)+\frac{\partial}{\partial x_{j}} \cdot(\epsilon \tau)+\epsilon B-\frac{\epsilon^{2} \mu}{\kappa} u_{i}-\frac{\epsilon^{3} C_{M} \rho}{\sqrt{\kappa}}\left|u_{i}\right| u_{j} \end{array}\) (2)

 여기서 B는 체력적 벡터(Body-force vector), C_F는 수력학적 항력계수를 의미하며, 투과율 k(Permeability)는 다음과 같이 Carmen-Kozeny 식으로 계산할 수 있다.

\(\kappa=\frac{D_{p}^{2} \epsilon^{3}}{150(1-\epsilon)^{2}}\) (3)

 위 연속방정식 및 운동량보존방정식에서 공극률, 이1.0인 경우 투과율이 ∞가 되고 두 식은 앞서 설명한 저탄장 외부에서의 연속방정식과 운동량보존방정식이 된다.

<에너지방정식>

 다공성 물체 내부에서의 에너지방정식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

\(\frac{\partial}{\partial t}(\epsilon \rho h)+\frac{\partial}{\partial x_{i}}\left(\epsilon \rho u_{i} h\right)=\frac{\partial q}{\partial x_{i}}+\epsilon \tau: \frac{\partial}{\partial x_{i}} u_{i}+\epsilon \frac{d p}{d t}\) (4)

 여기서 는 열 유속을 의미하며, 열 유속을 전도, 복사, 확산에 대한 항으로 나타내면 다음과 같다.

 \(q=\lambda \frac{\partial T}{\partial x_{i}}+\sum_{k=1}^{N_{l}} J_{k} h_{k}\) (5)

 여기서 는 온도, 는 기체 상태의 화학종 수, 는 번째 화학종의 엔탈피를 의미한다. 는 저탄장 내부에서의 열전도율을 의미하며 이를 다공성 물질 내 고체와 유체의 열전도율 와 로 표현하면 다음과 같다.

\(\lambda=-2 \lambda_{s}+\frac{1}{\frac{\epsilon}{2 \lambda_{s}+\lambda_{f}}+\frac{1-\epsilon}{3 \lambda_{s}}}\)   (6)

\(\frac{\partial}{\partial t}\left(\epsilon \rho Y_{k}\right)+\nabla \cdot\left(\epsilon \rho u_{i} Y_{k}\right)=-\nabla \cdot J_{k}+R_{k}\) (7)

 여기서 는 번째 화학종(Species)의 질량분율(Mass fraction), 항은 화학반응에 의한 번째 화학종의 생성률(Production rate)을 의미한다.  항은 번째 화학종에 대한 확산 유속(Mass diffusion)항이며 다음과 같이 표현된다.

\(J_{k}=-\left(\rho D_{k, m}\right) \nabla Y_{k}\)  (8)

 위 식에서 괄호 안의 은 번째 화학종의 확산 계수(Diffusion coefficient)이다. 해석모델에서의 화학반응식으로는 Arrhenius 식이 사용되었으며 번째 화학반응식에서 속도 상수 에 대한 식은 다음과 같다.

\(k_{r}=A_{r} T^{\beta_{r}} e^{-E / R T}\) (9)

 여기서 는 Pre-exponential factor (Consistent units), 는 Temperature exponent(-), 은 활성화 에너지(kJ/mol), 은 기체상수(kJ/mol․K)를 의미한다. 석탄 자연발화의 주요 원인인 산소흡수에 의한 표면 산화․발열반응은 다음과 같은 1단계 화학반응식으로 모사하였다(8,9).

\(C+O_{2} \rightarrow C O_{2}\)  (10)

<난류 모델>

 저탄장 외부영역은 난류유동으로 수치해석 적용된 난류모델은 널리 통용되고 있으며 다양한 형태의 유동현상의 해석에 이용되어 신뢰성이 검증된 Standard k-ε 모델을 이용하였다. 이 모델은 난류유동에너지(Turbulent kinetic energy, k)와 k의 소산율(Turbulent kinetic energy dissipation, ε)에 대한 두 개의 전달방정식으로 아래와 같이 구성되어 있다(12).

\(\frac{\partial}{\partial t}(\rho k)+\frac{\partial}{\partial x_i}(\rho ku_i)=\frac{\partial}{\partial x_j}[( \mu+\frac{ \mu}{\sigma_t})\frac{\partial k}{\partial x_j}]-\rhoε+G_k+G_b-Y_M+S_k\)(11)

\(\frac{\partial}{\partial t}(\rhoε)+\frac{\partial}{\partial x_i}(\rho εu_i)=\frac{\partial}{\partial x_j}[( \mu+\frac{ \mu}{\sigma_ε})\frac{\partial ε}{\partial x_j}]+C_{1ε}\frac{ε}{k}(G_k+C_{3ε}G_b)-C_{2ε}\rho\frac{ε^2}{k}+S_ε\)(12)

\((C_{1ε}=1.44, C_{2ε}=1.92, C_\mu=0.09, \sigma_k=1.0, \sigma_ε=1.3)\)

 그리고 위 식에서 난류점성, 는 다음과 같이 정의된다.

\(μ_t=ρc_μ\frac{k^2}{ε} \)(13)

 위 식에서 , 는 각각 평균속도 구배 및 부력으로 인한 난류운동에너지,은 High mach number 유동에서의 압축성에 의한 Dilatation dissipation, 는 사용자 정의 생성항을 나타내며 다음과 같이 정의된다.

(14)

2.2 해석 모델 및 해석 경계조건

 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 앞서석탄 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.

 해석에 적용된 대표적인 저탄장의 석탄 물성 값들은 Table 1과 같다.

Table 1. Physical Constants Used in Calculation(7)

 해석모델의 저탄장의 형태는 높이와 폭 방향에 비해 길이 방향이 충분히 길기 때문에 Figure 1과 같이 삼각형 단면의 다공성의 등방성 2차원 물질로 형태로 모사하였다.

Figure 1. Modelling condition of coal yard.

 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 탄층형상과 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. 해석에 사용된 석탄더미 형상을 높이 15 m, 길이 40 m의 삼각형 모양으로 하여 기존의 저탄장과 거의 유사하게 하였고, 풍향 및 물성 등의 해석조건은 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. 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.

Figure 2. Geometry of coal yard.

3. 수치해석 결과 및 분석

 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.

3.1 경사면 전체에 자연발화 차단제를 도포한 경우

 Figure 3과 Figure 4에 나타낸 30일 경과 후 온도 분포 및 산소 농도 분포에서 알 수 있듯이 자연발화 차단제를 도포하지 않은 경우에는 바닥면으로부터 5∼10%(1∼2 m) 높이의 구간에서 고온 열점(Hot spot)이 발생됨을 알 수 있다. 이것은 실제 탄장에서 발생되는 현상(7)과 지금까지 다른 연구에서 보여준 결과와 거의 일치함을 알 수 있다(8,9). 한편 자연발화 차단제를 석탄더미 전체 면적에 도포한 경우는 외부 공기의 유입이 차단되어 내부에 존재하는 산소농도가 낮아 산화반응이 일어나지 않아 온도상승 또한 없음을 알 수 있다. 자연발화 차단제를 한쪽 경사면에만 도포한 경우 도포 경사면에서의 온도상승은 없지만 자연발화 차단제가 없는 경사면에서는 자연발화 차단제를 도포하지 않은 경우와 동일한 분포형태로 온도상승이 있음을 알 수 있다.

Figure 3. Temperature of coal stockpile after 30 days.

Figure 4. Oxygen concentration in coal stockpile after 30 days.

 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.

Figure 5. Variation of hot spot temperature by time.

3.2 경사면 띠형태의 구간에 자연발화 차단제를 도포한 경우

 자연발화 차단제를 부분적으로 도포한 경우의 자연발화현상의 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 방지 효과가 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. 30일 경과 후 온도 분포와 산소농도 분포의 해석결과를 Figure 6과 Figure 7에 나타내었다. Figure 6에서 알 수 있듯이 0∼20% 구간 도포의 경우는 열점의 위치가 자연발화 차단제를 도포하지 않은 경우에 비해 위쪽으로 이동되고 바닥에서 떨어진 위치로부터 구간도포 시에는 열점이 도포된 구간의 상단과 하단 두 곳에서 발생되는 것으로 예측되었다. Figure 7에서 자연발화 차단제를 부분 도포하는 경우 도포된 표면으로 부터의 산소 유입은 없으나 도포되지 않은 곳에서 유입된 산소가 도포된 표면 안쪽까지흘러들어오는 것을 알 수 있었다.

Figure 6. Temperature of coal stockpile after 30 days.

Figure 7. Oxygen concentration in coal stockpile after 30 days.

 Figure 8은 위의 4가지 조건에 대해 시간경과에 따른 각열점의 최대온도 변화추이를 보여주고 있다. 이 그림에서 약 32 일 경과한 시점까지는 열점의 온도 상승은 미미하나그 이후 온도는 빠르게 상승하는 것으로 앞서 기술된 전·후면 각각 차단제 도포 시와 동일하게 예측되었다. 그러나 이들 구간영역에 자연발화 차단제를 도포하는 경우 중 고온 점이 발생하는 영역인 바닥(0)에서 20% 경사면 구간에 도포하는 것이 가장 효과적임을 알 수 있었으며 그 외 10 & sim; 30%, 20∼40%, 30∼50% 구간은 효과가 없거나 오히려온도가 더 높아지는 경우가 발생되는 현상이 나타났다.

 Figure 9에 저탄장 내부의 속도 벡터 분포를 나타낸 바와 같이 자연발화 차단제가 없는 경우에는 유입된 공기가 내부로 파고드는 양은 적고 바닥면으로는 흐를 수 없기 때문에 대부분이 표면을 따라 상부로 빠져나가는 것을 볼 수 있으며, 0∼20% 구간을 도포의 경우에도 동일하게 표면을 따라 상부로 흐르는 것을 볼 수 있다. 반면 바닥에서 떨어진 구간에 도포하는 경우에는 공기의 유입이 차단제를 도포한 부분의 상부와 하부로 나누어지며 상부로 유입된 공기가 아래쪽 방향으로도 흘러 하부에서 유입된 공기가 위쪽으로 빠져나가지 못하고 표면으로부터 더 깊은 곳으로 흐르게 하며 이는 하단부의 산소 농도가 높아지는 원인이 된다. 그 결과 산화반응이 상대적으로 더 잘 일어나 온도가 상승하며 20∼40% 구간을 도포한 경우 오히려 자연발화차단제가 없는 경우에 비해 열점의 온도가 더 올라가 자연발화 방지효과를 볼 수 없음을 알 수 있었다.

Figure 8. Variation of hot spot temperature by time (sprayed on every 20% of the slope from the bottom).

Figure 9. Velocity vector in coal stockpile after 30 days.

3.3 바닥면에서부터 자연발화 차단제를 도포한 경우

 아래 Figure 10과 Figure 11은 자연발화 차단제를 0∼ 30% 구간, 0∼50% 구간, 0∼70% 구간, 0∼90% 구간의 4가지 조건에 대하여 30일 경과 시의 온도 및 산소농도 분포 경향을 예측한 결과를 보여주고 있다. 이 경우도 앞서 전체면 또는 띠형태로 자연발화 차단제를 도포하였을 때 나타났던 현상과 마찬가지로 자연발화 차단제 도포영역이 끝나는 지점의 경계면에서 열점이 발생되는 것으로 예측되었다.

Figure 10. Temperature of coal stockpile after 30 days.

Figure 11. Oxygen concentration in coal stockpile after 30 days.

 Figure 12에 앞서 해석한 0~20% 및 위 4가지 조건에 대한 시간 경과에 따른 온도 변화 추이를 나타내었다. 바닥에서부터 자연발화 차단제를 도포하는 경사면 영역이 넓을수록 외부의 공기가 침투하지 못하고 석탄더미 내부의 산소농도가 낮아져 자연발화 방지효과가 더 큰 것으로 나타났으나 부분적으로 오히려 열점부의 온도가 다소 높은 경우가 발생하였다. Figure 13의 10일 경과 후의 산소농도 분포에서 볼 수 있듯이 자연발화 차단제가 없는 경우에는 바닥면으로는 산소가 침투할 수 없어 표면을 따라 위쪽으로 표면 근처의 영역에 산소가 침투한 것을 볼 수 있지만 자연발화 차단제를 도포한 경우에는 도포 영역 상부에서 표면으로부터 먼 영역까지 산소가 침투하는 것을 볼 수 있다. 침투한 산소는 높은 농도를 유지하다가 산화반응이 활발해지면서 소모되어 열점의 온도를 상승시키고 Figure 14에서 보듯 40일 경과 후에는 산소농도가 낮아진다. 내부의 산소농도가 낮아졌기 때문에 산화반응은 외부에서 유입되는 산소에 의존하게 되며 자연발화 차단제를 도포한 영역이 넓을수록 유입된 공기가 적어져 효과적임을 알 수 있다.

Figure 12. Variation of hot spot temperature by time (sprayed on the slope from the bottom).

Figure 13. Oxygen concentration in coal stockpile after 10 days.

Figure 14. Oxygen concentration in coal stockpile after 40 days

4. 결론

 석탄화력발전소 저탄장에서 발생하는 자연발화 현상을 방지하기 위한 대책의 하나로 석탄더미 경사면에 자연발화차단제를 도포하는 경우 얻을 수 있는 자연발화 방지 효과를 수치적 해석기법을 이용해 수행하여 검토하였다. 먼저자연발화 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. 단, 자연발화 차단제의 제조비용 등의 경제적인 측면을 고려하여 효과적으로 도포하여야 한다.