발전소 옥외저탄장 자연발화에 대한 수치 해석적 연구

Numerical analysis of spontaneous combustion in coal stockpile

국내 석탄화력 발전소는 역청탄과 함께 고 수분 및 고 휘발분을 포함하는 저등급 아역청탄을 혼소하는 방법으로 운영하고 있다. 아역청탄은 저탄장에 하역 후 1~3개월을 보관하여 사용하고 있으며, 발전소 1개 본부의 저탄현황 조사결과, 보관된 전체 탄 중 50% 이상의 탄종에서 자연발화가 발생하고 있음을 확인하였다. 석탄의 자연발화로 인해 저탄장 주변 대기로 유해가스(CO, HC, 합성가스 등)를 배출하고, 연소로 인해 연료의 고유열량이 손실(~5.85%) 되기 때문에 이를 방지하기 위한 체계적인 관리가 필요하다. 본 연구에서는 석탄의 자연발화에 영향을 끼치는 주요 변수를 분석하여 상관관계를 도출하였으며 이를 지배방정식에 적용하여 전산해석을 위한 모델링을 수행하였다. 저탄의 물리적 특성 및 탄 성상에 따른 화학적 특성, 외부변수 등을 전산해석의 초기/경계 조건으로 설정하여 실제 발전소 저탄장의 운영조건에서의 자연발화 예측 및 현장 계측 데이터를 통한 검증을 수행하였다. 저탄장에서의 자연발화 현상은 석탄과 산소의 화학반응으로 방출되는 열과 수분에 의한 습윤열, 태양으로부터 도달하는 복사열 등이 저탄파일 내부에 축적되어 발생한다. 주요 인자는 저탄장의 수분 및 바람, 석탄의 입도 및 공극률, 저탄높이, 저탄각 등으로, 개발한 예측모델에는 날씨에 따른 대류열전달 및 산화제의 저탄파일 외부⋅내부에서의 유동특성을 모사하기 위해 난류(Turbulence), 에너지(Enthalpy) 방정식, 수분에 따른 효과 및 석탄의 화학반응을 고려하기 위해 화학종 전달(Species transport) 방정식을 적용하였으며, 석탄의 성상, 입자크기, 공극률 등은 저탄 파일(Pile) 내부를 다공성 매질(Porous material)로 모델링하여 물리적 특성을 반영하였다. 저탄 파일의 형상(높이, 형태, 2/3차원), 대기온도(계절, 일교차), 풍속, 상대습도, 탄종별 특성(Specific heat, Conductivity, Diameter, Porosity)에 대한 Parametric Study를 통해 화학 반응률(Reaction rate)에 대한 영향성을 평가하고, 각 지배방정식의 Correlation 및 Coefficients를 도출하였다. 도출된 모델을 활용한 입고탄의 저장기간(~120일), 저탄장 운영환경에서의 자연발화 전산해석을 수행하였으며, 예측결과를 현장계측 데이터와 비교하였다. 그 결과, 자연발화 취약 위치(Pile 경계면 하부 1/3 지점) 예측결과 및 취약 위치에서의 승온률(예측:0.123℃ /hr, 실제:0.129 ℃/hr) 비교에서 96% 이상의 정성적⋅정량적 예측 정확도를 보이는 것으로 검증되었다. 대상 발전소에서는 본 연구를 통해 도출된 자연발화 예측모델을 호기별 혼탄 계획 수립 및 입고탄 관리시스템에 적용⋅활용 할 계획이다.