유연탄의 자연발화 및 분진폭발한계 특성 연구 :A Study on the Characteristics of Autoignition and Dust Explosion Limits of Bituminous Coal

김승환

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김승환 (세명대학교, 세명대학교 대학원)

지도교수: 하동명

발행연도: 2019

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2019

발전용 유연탄의 분진폭발 특성 연구

김승환 , 이주헌 , 하동명 한국위험물학회지 2019.12 학술저널

유연탄의 자연발화 및 분진폭발한계 특성 연구

김승환 소방방재공학과 2019.01 학위논문

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최근 발전 산업 가운데 다양한 유연탄의 사용이 증가하고 있다. 이런 사용량 증가에도 불구하고 탄 분진의 연소특성을 정확하게 파악하지 못해 재해가 발생되는 경우가 있다. 특히 분진폭발은 다른 폭발 위험성 보다 크므로 이에 대한 적절한 관리가 필요하다.
분진은 분쇄, 연삭, 취급, 급격한 충격, 폭발, 천공(穿孔) 및 가열, 파쇄 등에 의해서 발생하는 0.1∼100㎛의 고체 입자를 말하며, 분진폭발이란 위에서 말한 분진이 공기 중에 적당한 밀도 이상의 농도로 부유하고 있을 때, 어떤 점화원을 주면 가스폭발과 같이 입자가 공기 중의 산소와 반응해서 급속하게 고열이 발생하며, 이것이 부유(浮遊) 입자 그룹에 연소를 전파한다, 이때 그 부유 입자 그룹(분진 운(雲)) 전체에 연소가 발생하면서 폭발이 일어난다.
본 연구에서는 Krupp식 고체발화온도측정 장치와 Hartmann방식의 분진폭발시험 장치를 이용해 미국 발전용 유연탄과 인도네시아 AI탄의 고체발화온도와 입도 크기에 따른 분진폭발의 유무를 확인하고자 하였다. 실험으로 얻은 고체발화온도와 발화온도 지연시간 예측 관계 모델을 제시하였다.
미국 발전용 유연탄의 경우 발화온도는 정온법으로 진행하였을 때 520℃에서 3.14 sec로 측정되었으며, 인도네시아 AI탄은 440℃에서 3.65 sec로 측정되었다. 승온법으로 발화온도를 측정한 결과 미국 발전용 유연탄은 406℃에서 최초 발연을 확인하였으며, 인도네시아 AI탄은 265℃에서 최초 발연을 확인할 수 있었다.
미국 발전용 유연탄의 분진폭발 결과 입자크기가 120-170mesh의 분진은 0.2g∼1.0g사이에서 폭발하지 않아 폭발하한계를 계산할 수 없었으며, 200-230mesh의 분진은 0.95g에서 최종 폭발하였으며, 폭발하한계는 으로 계산되었다. 230-270mesh의 분진은 0.9g에서 최종 폭발하였으며, 폭발하한계는 로 계산되었다. 마지막으로 270-325mesh의 분진은 0.6g에서 최종 폭발하였으며, 폭발하한계는 로 계산되었다.
인도네시아 AI탄의 분진폭발 결과 입자크기가 120-170mesh의 분진은 0.2g∼1.0g사이에서 폭발하지 않아 폭발하한계를 계산할 수 없었으며, 200-230mesh의 분진은 0.3g에서 최종 폭발하였으며, 폭발하한계는 으로 계산되었고, 230-270mesh의 분진은 0.25g에서 최종 폭발을 확인하였고, 폭발하한계는 로 계산되었다. 마지막으로 270-325mesh의 분진에서는 0.25g에서 최종 폭발하였고, 폭발하한계는 로 계산되었다.
본 연구에서는 미국 발전용 유연탄과 인도네시아 AI탄을 이용하여 고체발연온도측정 및 분진폭발유무 실험을 진행하였다. 제시된 고체발연온도에 의한 발연지연시간 예측모델, 분진폭발하한계 값은 이들 물질을 취급하는 공정에서 안전성 확보 및 분진의 화재폭발 특성치로 활용되기를 기대한다.

Recently, the use of various bituminous coal has been increasing in the power generation industry. In spite of this increase in the amount of use, disasters may occur because the combustion characteristics of the carbon dust can not be accurately grasped. Particularly, dust explosion is larger than other explosion risk, so management is needed.
Dust refers to solid particles of 0.1㎛ to 100㎛ generated by grinding, grinding, handling, abrupt impact, explosion, perforation, heating, crushing, etc., and dust explosion is a phenomenon in which the above dust is floating in the air at a density of a proper density or more if you give an ignition source, the particles react with oxygen in the air like a gas explosion and generate a high temperature rapidly, which propagates the combustion to a group of suspended particles, in which the explosion takes place while combustion occurs throughout the group of suspended particles.
In this study, the Krupp solid ignition temperature measurement system and the Hartmann type dust explosion test system were used to confirm the presence of dust explosion according to the solid ignition temperature and particle size of the bituminous coal and the Indonesian AI coal. To compare the solid ignition temperature obtained by the experiment with the estimated value, A.A.D. which is widely used in statistics, was used and a prediction model of the ignition temperature delay time was presented.
For the US bituminous coal, the ignition temperature was 3.14 sec at 520 ℃ when the isothermal method was used and the Indonesian AI coal was measured at 3.65 sec at 440 ℃. As a result of measuring the ignition temperature by the temperature elevation method, it was confirmed that the bituminous coal was first fuming at 406 ℃ in US and the first fuming was confirmed at 265 ℃ in Indonesian AI coal.
As a result of the dust explosion of the bituminous coal in the US, the explosive limit was not calculated because the particle size of 120-170mesh did not explode between 0.2g and 1.0g, and the explosive limit was not calculated. and the dust of 200-230mesh exploded at 0.95g, and the explosion limit was calculated as . The 230-270 mesh dust was exploded at 0.9 g and the explosion limit was calculated as . Finally, dust of 270-325 mesh was exploded at 0.6 g, and the explosion limit was calculated as .
As a result of the dust explosion of Indonesian AI coal, the explosive limit was not calculated because the particle size 120-170mesh did not explode between 0.2g and 1.0g, and the explosive limit was not calculated. and the dust of 200-230mesh exploded at 0.3g, and the explosion limit was calculated as . The 230-270 mesh dust was exploded at 0.25 g and the explosion limit was calculated as . Finally, dust of 270-325 mesh was exploded at 0.25 g, and the explosion limit was calculated as .
The solid fuming temperature and delay time prediction model, dust explosion limit, and explosion lower limit concentration suggested in this study are expected to be used as safety and fire explosion characteristics in the process of handling these materials.

감사의 글
목 차 i
표 목 차 ⅲ
그림목차 ⅳ
국문요약 ⅵ
Ⅰ. 서 론 1
Ⅱ. 석탄의 분류 및 분진폭발의 요소 3
2.1 석탄의 분류 3
2.2 분진폭발의 요소 7
Ⅲ. 자연발화 이론 및 분진폭발한계 10
3.1 자연발화 10
3.1.1 자연발화온도(AIT) 10
3.1.2 Semenov의 자연발화 이론 11
3.1.3 Frank-kamenetski의 자연발화 이론 13
3.2 분진폭발한계 15
3.2.1 분진폭발 15
3.2.2 분진폭발 특징 16
3.2.3 폭발하한계 결정 17
3.3 실험값과 예측값의 비교 18
Ⅳ. 실 험 19
4.1 실험재료 19
4.2 실험장치 및 방법 20
4.2.1 볼밀(Ball mill) 장치 및 실험방법 20
4.2.2 표준체 진탕기 장치 및 실험방법 22
4.2.3 고체자연발화장치 및 실험방법 24
4.2.4 Hartmann방식의 분진폭발장치 및 실험방법 27
Ⅴ. 결과 및 고찰 30
5.1 고체자연발연에 관한 결과 30
5.1.1 미국 발전용 유연탄 30
5.1.2 인도네시아 AI탄 33
5.1.3 승온법에 의한 고체발연온도 측정 36
5.2 분진폭발한계에 관한 결과 37
5.2.1 미국 발전용 유연탄 37
5.2.1.1 120-170mesh로 체분리 된 탄 분진폭발 결과 37
5.2.1.2 200-230mesh로 체분리 된 탄 분진폭발 결과 39
5.2.1.3 230-270mesh로 체분리 된 탄 분진폭발 결과 41
5.2.1.4 270-325mesh로 체분리 된 탄 분진폭발 결과 43
5.2.2 인도네시아 AI탄 48
5.2.2.1 120-170mesh로 체분리 된 탄 분진폭발 결과 48
5.2.2.2 200-230mesh로 체 분리 된 탄 분진폭발 결과 50
5.2.2.3 230-270mesh로 체분리 된 탄 분진폭발 결과 52
5.2.2.4 270-325mesh로 체분리 된 탄 분진폭발 결과 54
Ⅶ. 결 론 59
※ 연구이력 61
※ 참고문헌 64

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