우드펠릿의 저장량과 공기유량의 변화에 대한 자연발화 특성에 관한 연구

Abstract

본 연구는 화력발전소, 화목보일러 등에서 대체 연료로써 각광받고 있는 우드펠릿을 사용하여 공기의 유량 변화에 따른 용기의 크기별 자연발화온도와 발화한계온도를 구하였으며, 이를 이용하여 겉보기 활성화 에너지를 구함으로써 우드펠릿의 물리적 특성을 파악하였다. 또한, 발화유도시간을 통하여 물질의 보관 시 저장량에 대한 화재 위험성을 파악할 수 있었으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) 공기의 유량이 0 NL/min으로 공기가 들어가지 않았을 때 우드펠릿을 넣어 실험한 결과 Small(L 20 cm × H 20 cm × W 3 cm)인 경우에는 0.52 kg의 시료를 사용하였으며, 발화와 비발화의 평균온도인 발화한계온도는 177.5 ℃를 측정하였다. Intermediate(L 20 cm × H 20 cm × 5 cm)인 경우에는 0.91 kg의 시료를 사용하였으며, 발화한계온도는 170.5 ℃를 구하였다. 또한 Large(L 20 cm × H 20 cm × W 7 cm)인 경우에는 1.47 kg의 우드펠릿을 시료용기에 넣어 실험한 결과 발화한계온도는 162.5 ℃를 측정하였으며, Extra large(L 20 cm × H 20 cm × W 14 cm)인 경우 2.81 kg의 우드펠릿을 사용하여 실험한 결과 발화한계온도는 152.5 ℃를 구하였다.

2) 발화유도시간은 시료의 용기가 커질수록 시료 층의 두께가 두꺼워 지므로 시료의 표면에서 중심까지의 열전달이 어렵기 때문에 발화유도시간이 길어졌다.

3) 공기의 유량이 0.5 NL/min일 때 시료용기의 두께가 3 cm인 경우 우드펠릿의 발화와 비발화의 평균온도인 발화한계온도는 176.5 ℃를 구하였으며, 두께가 5 cm일 경우 발화한계온도는 167.5 ℃를 측정하였다. 두께가 7 cm인 시료용기를 사용하여 우드펠릿을 실험한 결과 발화한계온도는 161.5 ℃를 구하였다. 또한, 두께가 14 cm인 시료용기를 사용하여 실험한 결과 발화한계온도는 149.5 ℃를 구하였다. 용기의 두께가 3, 5, 7, 14 cm 순으로 커질수록 더 많은 시료량이 사용되므로 시료량이 더 많은 14 cm일 때 산화반응을 완료하는데 더 많은 시간이 소요되는 것으로 사료된다.

4) 시료 용기의 두께가 14 cm일 경우 주위온도보다 시료용기 내의 온도가 상승하게 되는 시간은 공기의 유량이 0 NL/min에서 약 15시간이 소요되었으며, 0.5 ∼ 1.5 NL/min에서는 약 32 ∼ 35시간이 소요되었다.

5) 공기의 유량이 1.0 NL/min인 경우 시료용기의 두께가 3 cm일 때 우드펠릿을 사용하여 실험한 결과 발화한계온도는 175.5 ℃를 구하였으며, 시료용기가 5 cm일 경우 발화한계온도는 166.5 ℃를 구하였다. 또한 용기의 두께가 7 cm일 경우 발화와 비발화의 평균값인 160.5 ℃를 측정하였으며, 용기의 두께가 14 cm일 경우 발화한계온도는 147.5 ℃를 구하였다.

6) 공기의 유량이 1.5 NL/min일 때 Small일 경우 발화한계온도는 174.5 ℃를 구하였으며, Intermediate인 경우 발화한계온도는 166.5 ℃를 측정하였다. 또한, Large의 시료용기인 경우 발화한계온도는 159.5 ℃를 구하였으며, Extra large인 경우 발화한계온도는 147.5 ℃를 측정하였다.

7) 동일한 용기에서 공기의 유량이 높아질수록 시료 중심부에서 산소와의 반응성이 증대되고, 시료용기 내의 대류에 의한 열전달의 상승으로 인한 최소자연발화온도가 낮아졌다.

8) 우드펠릿의 위험성을 파악하기 위하여 물리적 특성 중 활성화 에너지를 구할 수 있었다. 겉보기 활성화 에너지는 공기의 유량이 0 NL/min일 때 208.5983 kJ/mol를 구하였으며, 유량이 0.5 NL/min일 때 196.7508 kJ/mol의 겉보기 활성화 에너지를 구하였다. 또한 유량이 1.0 NL/min일 때 188.3038 kJ/mol과 유량이 1.5 NL/min일 때 171.6342 kJ/mol의 겉보기 활성화 에너지를 구하였다. 따라서 유량이 증가할수록 겉보기 활성화 에너지는 감소하여 자연발화 위험성이 높은 것을 알 수 있다.

9) 우드펠릿을 사용하는 사업장에서는 저장량과 저장기간을 최소화할 필요가 있으며, 본 연구의 예측 식으로부터 구한 발화온도는 우드펠릿의 저장량의 중심까지 거리가 0.5 m일 경우 66.4 ℃를 예측할 수 있으므로 사이로 내에 온도센서를 설치하여 관리하는 것이 화재·폭발을 예방할 수 있다.

The present study calculated auto-ignition temperature and critical ignition temperature by the container size according to changes in air flow rate, using wood pellets that are in the limelight as alternative fuel in thermal power plants and firewood burning boilers and identified the physical properties of wood pellets by calculating apparent activation energy using this. In addition, it was possible to understand the risk of the storage of the substance through induction times to ignition, and the following conclusions were drawn.

1) In an experiment in which wood pellets were put in while no air came in at a flow rate of 0 NL/min, for a small container (L 20 cm × H 20 cm × W 3 cm), a sample in which wood pellets of 0.52 kg were put was used, critical ignition temperature, the mean temperature between ignition and non-ignition, was measured at 177.5 ℃. For an intermediate one (L 20 cm × H 20 cm × 5 cm), a sample of 0.91 kg was used, and the critical ignition temperature was 170.5 ℃. In addition, for a large one (L 20 cm × H 20 cm × W 7 cm), as a result of an experiment by putting wood pellets of 1.47 kg in a sample container, critical ignition temperature was 162.5 ℃, and for an extra-large one (L 20 cm × H 20 cm × W 14 cm), as a result of an experiment using wood pellets of 2.81 kg, critical ignition temperature was 152.5 ℃.

2) The induction time to ignition increased because heat transfer from the surface to the center of the sample would be hard as the larger the sample container, the more the thickness of the sample would become.

3) The mean temperature of wood pellets between ignition and non-ignition, critical ignition temperature was 176.5 ℃ in the sample container with a thickness of 3 cm when the air flow rate was 0.5 NL/min, and it was 167.5 ℃ when the thickness was 5 cm. As a result of an experiment of wood pellets using a sample container with a thickness of 7 cm, critical ignition temperature was 161.5 ℃. In addition, as a result of an experiment using a sample container with a thickness of 14 cm, critical ignition temperature was 149.5 ℃. Since the container thickness increased to 3, 5, 7 and 14 cm, more sample amount would be used, it is judged that it would take more time to complete the reaction of oxidation when there was a more sample amount of 14 cm.

4) The temperature in the sample container increased higher than the ambient temperature in the sample container with a thickness of 14 cm was about 15 hours at the air flow rate of 0 NL/min while it took about 32-35 hours at 0.5-1.5 NL/min.

5) As a result of an experiment using wood pellets in the sample container with a thickness of 3 cm when the flow rate was 1.0 NL/min, critical ignition temperature was 175.5 ℃ while it was 166.5 ℃ in the sample container with a thickness of 5 cm. In addition, the mean value between ignition and non-ignition in the container with a thickness of 7 cm was measured at 160.5 ℃ while it was 147.5 ℃ in the container with a thickness of 14 cm.

6) The critical ignition temperature was 174.5 ℃ in the small sample container when the air flow rate was 1.5 NL/min while it was 166.5 ℃ in the intermediate one. In addition, the critical ignition temperature was 159.5 ℃ in the large container while it was 147.5 ℃ in the extra-large container.

7) The higher the air flow rate in the same container, the more the reactivity with oxygen in the center of the sample became, and the minimum auto-ignition temperature decreased in the sample container due to the increase of heat transfer by convection.

8) To investigate fire risk of wood pellets, the activation energy which is one of the physical properties could be calculated. The apparent activation energy was 208.5983 kJ/mol when the air flow rate was 0 NL/min while it was 196.7508 kJ/mol when the flow rate was 0.5 NL/min. Also, apparent activation energy was 188.3038 kJ/mol when the flow rate was 1.0 NL/min while it was 171.6342 kJ/mol when the flow rate was 1.5 NL/min. Consequently, as the air flow rate increase, the apparent activation energy is decreased and auto-ignition risk will be high.

9) In the plants or facilities in which use wood pellets, it is necessary to minimize storage volume and storage period, and since it is expected that the ignition temperature found from the prediction equation in this study is 66.4 ℃ when the distance to the center of the storage of wood pellets is 0.5 m, it is possible to prevent fire or explosion by managing it, installing a temperature sensor in the silo.