석탄 저장시 발열 억제 방법의 개발

이 원고는 일본 《電氣現場技術》誌에서 번역 전재한 것입니다.

석탄 저장시 발열 억제 방법의 개발 

전원개발·화력사업부기술그룹(電源開發·火力事業部技術グル-プ)_하야카와 카즈히코(早川 一彦) 

석탄 화력 발전소의 주 연료인 석탄은 주로 선박을 통해 운송되어 일단 발전소 구내로 수입, 저장(저탄)돼 발전 연료로 제공된다. 석탄은 고체상의 벌크이기 때문에 운송·저장에서는 탄진 비산, 자연 발화, 소음 등에 대한 환경 보전, 안전 대책이 필요하다. 본고에서는 발전소에서 석탄 저장 시의 발열 억제 방법에 대해 소개한다. 

석탄 화력 발전소의 저탄 방식 

 발전소의 저탄 방식은 크게 옥외 저탄 방식과 옥내 저탄 방식으로 나뉜다. 옥외 저탄에는 파일 방식, 옹벽 방식 등이 있는데 다른 방식에 비해 식지 면적은 넓어지지만 건설비가 저렴한 파일 방식의 실적이 많다.

한편 옥내 방식으로는 사이로 방식, 돔 방식, 절처 방식 등이 있는데 옥외 저탄 방식에 비해 토지의 이용 효율이 높고 기상의 영향도 덜 받으며 탄진 산비와 저탄장 배수 등 환경 면에서 유리하다는 점 때문에 최근 채용이 추진되고 있다.

당사의 화력 발전소에서는 옥외 방식, 옥내 방식 모두 채용 실적이 있다. 발열 억제 대책으로는 옥외 파일 방식의 경우 계면 활성제의 산포, 중기로 인한 전압에 따른 저온 산화 방지와 석탄의 순환 등을 실시하고 있다.

한편 옥내 사이로 방식에는 이들과 같은 파일 방식 저탄 관리 방법을 적용할 수 없는 면도 있어 독자적으로 저탄 온도 측정 방법과 발열 억제 기술을 개발해 왔다. 그 내용에 대해서 설명하겠다. 

석탄 사이로 저장의 발열 억제 기술 

1. 석탄 사이로의 온도 관리 방법(석탄 사이로용 온도 계측 센서 개발)

 석탄은 자연 발열성을 가지고 있기 때문에 사이로 내에서 저탄 온도 관리는 아주 중요하다. 사이로 내에서는 상부에서의 석탄 유입 및 하부에서 채탄이 병행되기 때문에 저탄층 표층에 비해 내부 온도 계측이 곤란했다.

 당사는 종래형에 비해 운용성, 신뢰성의 향상을 기대할 수 있는 ‘온도 센서’를 개발, 실용화했다.

(1) 종래의 석탄 사이로용 온도계와 운용상의 과제

 종래부터 사이로 내에서 이용되고 있는 온도계(<그림1>)는 구조물의 벽면과 분출 장치 근접에서 온도계를 삽입하는 고정식이 주류이다. 그러나 벽면 고정식 온도계일 경우는 외기의 영향을 받고 또 분출 장치 근방 고정식일 경우는 채탄 직전의 석탄 온도 측정이 되는 등 저장 관리상에 유효한 정보를 얻을 수 있다고는 말할 수 없다.

한편 사이로 상부에서 석탄층으로 매달아 내리는 측온 케이블식이 이용된 적도 있지만 이 방법은 측온 케이블을 묻는 작업이 번잡하고 매입 위치를 제어하기가 어렵다는 등의 문제점을 가지고 있다. 이렇게 기존 방법은 사이로 내의 저탄 온도, 특히 석탄층 내의 온도를 정확히 측정하기 위한 다양한 과제를 안고 있었다.

(2) 당사 석탄 사이로용 온도 계측 센서의 특징

 앞서 말한 과제를 해결하기 위해서 사이로 내 임의의 위치(아래쪽은 표층 아래 2m 정도의 깊이까지)에서 석탄층 내의 온도를 계측할 수 있는 저탄 센서를 개발, 실용화했다. 본 센서의 특징으로 다음과 같은 점을 들 수 있다.

① 석탄 표층 아래 온도 계측이 용이

 온도계에 바이브레이터를 설치하면 그 진동으로 인해 늘어뜨린 온도계 본체가 석탄층 내 2m 정도까지 들어가기 때문에 표층 아래 온도를 계측할 수 있다. 이에 따라 매립이 필요한 작업과 감시 업무를 큰 폭으로 삭감할 수 있게 된다.

또 바이브레이터를 이용하면 옥외 파일식으로 측정할 때도 유효하고 온도계를 삽입하기 곤란한(딱딱한) 부위에도 쉽게 삽입해 온도를 측정할 수 있다.

② 한 조의 계측 센서로 광범위한 측온 관리가 가능

여러 곳을 동시에 측정할 때 종래의 측온 케이블식으로는 사이로 내에 작업원이 내려가야 뽑아낼 수 있기 때문에 사전에 여러 개의 온도계를 준비해야 했다. 본 온도계는 석탄층에서 인발하기에도 용이(흔들면서 인발)하고 한 조의 온도 계측 센서로 연속해서 여러 곳을 측정할 수 있다.

③ 기타

 앞서 말했듯이 본 온도 계측 센서를 이용한 측정은 종래처럼 삽입해서 하는 감시라는 형태가 아니라 그때마다 온도를 측정하는 것이기 때문에 저탄 수입 시의 온도계 인발 등의 작업이 불필요하고 유연성 있는 저탄 운용(수입·지출)이 가능해진다.

또 사양으로는 열전대 방식, 분진 방폭 대응으로 하고 또 필요에 맞게 온도계 부착 열전대개수를 늘려 높은 방향의 여러 곳을 동시에 측정할 수 있다.

<그림2>에 본 센서의 개략도를 나타낸다.

(3) 지금까지의 개발 상황과 시험 결과

 본 온도 계측 센서를 실용화하는데 바이브레이터의 진폭, 온도계의 형태 등 실제 운용에 적용 가능한 사양을 결정할 필요가 있어 이들의 확인 시험을 실시했다.

온도 계측 센서가 구비해야 할 점은 다음과 같다.

① 석탄층에 양호한 매립 능력을 가질 것.

② 매립 시 센서와 석탄 간에 마찰이 없고 정확하게 온도 측정이 가능할 것.

 매립 시 속도에서 바이브의 이동 시간이 너무 길면 발열도 염려되고 또 속도·능력은 온도계의 형태 등과 관계되기 때문에 온도계의 형상, 중량, 바이브레이터의 진폭 등을 변화시킨 시작품을 몇 개 제작해 석탄층을 이용한 사전 삽입 확인 시험을 실시했다.

 그 결과 바이브레이터 진폭이 커짐에 따라 묻히는 속도는 예상대로 빨라졌지만 온도계의 모든 길이(중량도 그만큼 무거워진다)에는 극대값이 존재한다는 것이 판명되었다.

이들 식견을 토대로, 사용하기 편리하다는 점 등을 고려해 최종 시작품을 만들어 옥내 사이로에서 실증 시험을 실시했다.

실험 결과, 마찰로 인한 온도 상승 방지를 위해 90초로 설정한 목표 매립 시간(매립 높이 3m)에 대해 소요 매립 시간 38초, 뽑는 시간 20초로 양호한 결과를 얻을 수 있었다. 또 동시에 실시한 온도 계측 결과에서도 마찰에 의한 급격한 온도 상승은 보이지 않고 양호한 결과를 얻을 수 있었다.

(4) 현재의 사용 상황

본 센서는 현재 당사의 이시가와(石川) 석탄 화력 발전소(오키나와 현 이시가와 시)에서 석탄 사이로 내의 온도 관리에 사용되고 있다. 실제의 온도 측정은 서모카메라로 석탄층의 표면 온도 분포를 사전에 측정한 후 온도 상승이 보이는 곳에 본 센서를 삽입해 온도를 측정하는 등 효율적인 측정 방법을 고찰해 실행하고 있다.

 그리고 본 건은 야마리산업(山里産業)(주)과 공동 개발한 것으로 2003년 10월에 특허를 받았다(특허번호 제3488413호 ‘바이브레이터 부착 물성 측정 장치와 이것을 이용한 물성 측정 장치’) 

2. 석탄 사이로의 발열 방지 방법

 옥내, 옥외 저장을 불문하고 석탄 발열은 공기와의 산화로 인해 일어나기 때문에 석탄층으로 공기가 유입되는 것을 막는 일은 중요하다. 이 때문에 석탄층의 전압(轉壓) 계면 활성제의 산포라는 방법을 취하고 있다.

사이로 저장일 경우 석탄층의 전압은 곤란하고 코팅형 계면 활성제의 산포에 대해서는 코팅층이 사이로 하부에 이르렀을 때의 배출 불량이 염려된다.

 한편 사이로 저탄일 때 탄층의 온도가 주위 온도보다 높아지면 높이 방향도 있기 때문에 가스 상승이 일어나기 쉽고(일종의 굴뚝 효과) 아랫부분에 극간이 있을 때는 공기가 유입되기 쉽다는 점이 염려된다. 공기 유입은 저온 산화를 일으키는 요인이므로 사이로 내의 아랫부분에서 공기 유입을 막는 것이 발열의 억제·방지에 유효한 수단이 된다.

이런 관점에서 석탄의 발열 방지 대책으로, 석탄 사이로 하부 베어낸 부분에서 노출된 석탄  표면에 젤리 상태의 화합물을 도포하고 석탄 건조와 공기 유입을 최소한으로 억제해 석탄 발열 및 분출 시의 탄진 비산을 억제하는 기술을 개발했다.

(1) 발열 억제 기술의 개발

 사이로 하부에 있는 석탄층과 외부와의 접촉 부분을 효과적으로 차단하고 공기 유입을 막는 방법으로 석탄 표면에 알긴산 수용액의 겔화 피막을 형성시키는 방법을 개발했다.

 사이로 하부의 석탄 노출면에서의 통기를 차단하기 위해 석탄 노출면에 이 알긴 수용액을 산포하고 칼슘염의 경화제를 이용해 겔화시켜 석탄의 공극을 포함해 피막을 형성시킨다.

겔화된 피막은 건조와 함께 소멸하는 것은 아니라 유연성이 있는 피막을 형성한다. 이 피막은 건조해도 잔존하고 다시 물을 산포해도 소멸 소실하지 않아 피막 기능을 충분히 유지할 수 있다.

(2) 억제 효과의 확인

 실기의 석탄 사이로에서 석탄(수입 시 온도 32℃, 온도 상승률 최대 2℃/일)을 이용해 알긴산 수용액 산포에 의한 억제 효과 확인 실험을 실시했다. 확인 실험에서는 석탄 사이로 하부의 공기 흡입량이 많은 사이로 원주부의 내벽면에 근접하는 부분에 알긴산 수용액과 경화제를 교환해 3~8회 산포하고 겔 피막을 형성시켜 15일간 방치해 발열 상황을 확인했다(<그림 3>에 산포 상황을 나타낸다).

 또한 알긴산 수용액 및 경화제로 각각의 알긴산나트륨 10% 용액을 사용했다.

그 결과 겔화 피막을 형성하지 않을 때는 15일간 방치해 두면 채탄의 온도가 50℃ 전후까지 올라가는 것에 반해 피막을 형성했을 때는 온도 상승이 일어나지 않았다.

이런 결과에 의해 사이로 하부의 공기 흡입량이 많은 곳 전체를 겔화 피막으로 덮으면 공기 유입을 차단할 수 있고 발열 억제에 유효하다는 것을 확인할 수 있었다.

(3) 현재의 운용 상황

 위에서 서술한 대로 사이로 하부의 노출된 모든 곳을 코팅해 공기 유입을 차단해 장기간에 걸쳐 수입될 때의 석탄 상태를 유지할 수 있다는 것을 확인했다.

사이로 하부의 일부를 코팅했을 때는 공기가 돌아 들어오고 전면 도포와 비교해 효과는 미약하지만 약 40일의 저탄에서도 석탄은 습윤한 상태를 유지하고 있다는 것이 판명됐다.

실제 운용에서는 자연 발열의 경향이 강한 석탄은 받아들인 후 빨리 내놓는 것을 원칙으로 하지만 어떤 이유로 인해 저장 기간이 지연될 때는 비상수단으로 이러한 약액을 도포하고 석탄의 발열을 방지하고 있다.

본 방법에 대해서는 이미 특허를 출원해 현재 심사를 기다리고 있다(특개 2002-35783) ‘발열·발화의 방지제 및 그 방지 방법’).

석탄 저장 시의 발열 억제 방법으로 주로 사이로 저장에서의 관리·운용 방법으로 새로운 온도 계측 센서(바이브레이터식 온도계)를 이용한 온도 감시 방법과 겔화 방지제를 이용한 발열 억제 기술을 소개했다.

 저장 방법으로는 이 외에도 옥외 저장 방식, 옥내 돔식 등 여러 가지가 있고 앞으로도 각종 저장 방식에 적합한 보다 좋은 각종 발열 관리·억제 방법 등의 개발이 기대된다.