Korean Chem. Eng. Res., 55(5), 63-68 (017) https://doi.org/10.9713/kcer.017.55.5.63 PISSN 0304-18X, EISSN 33-9558 산업용우드펠릿의자연발화특성과화재위험성에관한연구 최유정 김정훈 * 최재욱 부경대학교소방공학과 48513 부산광역시남구용소로 45 * 광명토탈엔지니어링 4757 부산광역시부산진구서면문화로 43 (017 년 6 월 11 일접수, 017 년 6 월 30 일수정본접수, 017 년 7 월 14 일채택 ) A Study on the Spontaneous Ignition Characteristics and Fire Risk of Commercial Wood Pellets Yu-Jung Choi, Jung-Hun Kim* and Jae-Wook Choi Department of Fire Protection Engineering, Graduate School, Pukyong National University, 45, Yongso-ro, Nam-gu, Busan, 48513, Korea *Kwangmyung Total Engineering, 43, Seomyeonmunhwa-ro, Busanjin-gu, Busan, 4757, Korea (Received 11 June 017; Received in revised form 30 June 017; accepted 14 July 017) 요 약 화력발전소의연료로사용되는우드펠릿을시료로하여시료용기의크기에따른최소자연발화온도를구하였으며, 이온도로부터 Frank-Kamenetskii 의열발화이론을이용하여겉보기활성화에너지를구함으로써물질의위험성을예측하였다. 용기의크기가클수록발화한계온도는낮아졌으며, 겉보기활성화에너지는 37.83 kcal/mol 을구하였다. 또한시료의용기가커질수록발화유도시간및최고온도에도달하는시간이길어졌다. Abstract Using wood pellets, which are used as fuel for thermal power generation plants, as test specimens, the minimum spontaneous ignition temperatures according to the size of the container for the test specimens were measured, and by applying the Frank-Kamenetskii theories on thermal energy to these temperatures, the danger factor of the materials were calculated by deriving the apparent activation energies. The results confirmed that the ignition threshold temperature decreased as the size of the container increased and that the spontaneous ignition energy was 37.83 kcal/mol. The results also confirmed that the larger the container for the test specimens was the time to arrive at the spontaneous ignition time and maximum temperature also increased. Key words: Wood pellet, Minimum spontaneous ignition temperatures, Apparent activation energy 1. 서론 화학공업의발달과새로운화학물질의기술개발로인한원료및제품을분체로취급하는공정이많아짐과동시에취급량이증대하고공정의연속화및제품의정밀화에따른자연발화로인하여화재의위험성이더욱높아지게되었다. 새로운형태의고형또는분체를저장및취급하는공정이증가하고있으므로스파크와같은착화원이존재하지않는상황에서자연발화를일으킬잠재적위험성이있기때문에큰피해를초래할수있다 [1]. 015년 4월 H 화력발전소의우드펠릿사일로에서컨베이어로연 To whom correspondence should be addressed. E-mail: jwchoi@pknu.ac.kr 이논문은부경대학교이제근교수님의정년을기념하여투고되었습니다. This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/bync/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 결되는공정에서우드펠릿이훈소하여화재가발생하였다. 이것은외부연소, 방화, 미소화원에의한발화원인이없다고사료되어이사고는우드펠릿에의한자연발화로추정되고있다 []. 우드펠릿은고체형태로써바이오매스로이용되며톱밥을분쇄하여원기둥으로압축성형한연료로장작이나목재칩에비해밀도는높고크기는작아수송과보관에유리할뿐만아니라최소발열량이약 4,000~5,000 kcal/kg으로연료의열효율이뛰어나화력발전소에서유연탄과혼합하여많이사용된다 [3]. 자연발화는외부로부터화염, 전기불꽃등아무런착화원이없는상태에서물질자체가대기중의상온에서스스로발열하여그열이장기간축적되어발화점에도달하여연소를일으키는현상이다. 자연발화는물질의고유의성질, 양, 물질이놓여있는환경조건의지배를받는경우가많다. 즉방열이되기쉬운상태에있으면열의발생량이많아도열이축적되기어렵고, 반면에방열되기어려운상태에있으면발열량이적어도충분히열이축적될수있기때문이다. 따라서자연발화의특징은열의축적과정에있으며자연발화는환경 63
64 최유정 김정훈 최재욱 조건에깊은관계를가지는현상이다 [4-6]. 이러한고체의자연발화에대한연구로국외에서는 Beamish 등 [7] 과 Krause와 Schmidt[8] 가퇴적상태에따른자연발화온도에관한연구를하였으며, Thomas[9] 는나무, 코르크등셀룰로오스물질의반응열에의한자연발화특성에대한연구를하였다. 국내에서는 Choi 등 [10] 은도장폐기물에의한자연발화연구를하였다. 자연발화는시료의퇴적상태에따라장시간방열이나쁜상태에놓이면내부의축적열에의해발화되기에화재원인을밝혀내지못하는경우가있으며고체형태의가연성물질의경우입자형태, 크기, 구성성분등에따라다양한결과를나타내기에기존의실험자료로예방하기에어려운측면이많다 [11,1]. 따라서, 본연구에서는용기의크기에따른자연발화온도와발화한계온도를이용하여겉보기활성화에너지를구함으로써물질의위험성을예측하여이를사용하는화력발전소등에있어서화재및폭발예방에필요한자료를제공하고자한다.. 이론적배경 -1. Frank-Kamenetskii의열발화이론우드펠릿의자연발화에는계내의온도분포를고려한 Frank- Kamenetskii의열발화이론을적용하였다 [13]. Fourier의열전도식에 Arrhenius형반응식을조합시켜축대칭 1차원의형상을고려하여열전도도가온도와장소에의존하지않고, 0 차반응으로보면에너지방정식은식 (1) 이된다. C p ρ T ------ t K T J = -------- + --- ------ T X X X + QA exp E/RT 0 식 (1) 을해석하기위해무차원변환을위해무차원온도 θ, 무차원좌표 ξ, 무차원시간 τ d 를도입한다. E θ --------- ( T T a ) RT a ξ X ā -- ( 0 ξ 1 ) τ d Kt = ------------- C p ρa 식 ()~(4) 를사용하여식 (1) 을풀면식 (5) 와같이된다. ------- θ τ d ------- θ J = + -- θ ----- + exp( θ) ξ ξ ξ 여기서 는식 (1) 을푸는과정에서발열속도항에도입되어야하는무차원반응속도로서 Frank-Kamenetskii의 Parameter라고하여식 (6) 과같다. EQa C m 0 A 0 exp E/RT a = ----------------------------------------------- KRT a 식 (6) 을정리하면 (7) 식과같이된다. c T ln---------- c --- E 1 QA ---- 0 E = + ln-------------- RT c KR a Korean Chem. Eng. Res., Vol. 55, No. 5, October, 017 (1) () (3) (4) (5) (6) (7) 3. 실험장치및실험방법 3-1. 실험시료본실험에서사용된시료는 K 회사에서공급하며, H 화력발전소의열량첨가제로사용하는우드펠릿을사용하였다. Table 1은 KOTITI Testing & Research Institute에서 Test report를참고하여우드펠릿의물적특성값을나타내었다. Table 1. Physical properties of wood pellet [14,15] Test item (s) Unit Limit Test result Diameter mm 6~8 8 Length mm L 40 0 Unit volume mass* kg/m 3 Min. 600 650 Total moisture* %wt Max. 10 8.1 Ash*** %wt Max. 3.0 3.0 Fines %wt Max..0.0 Gross As air dried basis Min. 4,300 4,680 calorific As dried basis kcal/kg Min. 4,00 4,530 value As received basis Min. 4,100 4,300 Net calorific value* %wt Min. 3,900 3,940 Chlorine*** %wt Max. 0.05 0.03 Sulphur*** %wt Max. 0.05 0.03 Nitrogen*** %wt Max. 0.5 0.5 Hydrogen** %wt Report 6. Ash fusion temperature C Min. 1,150 1,11 As mg/kg Max. 1.0 Less than 0.5 Cd mg/kg Max. 0.5 Less than 0.1 Cr mg/kg Max. 10 6 Trace element Cu mg/kg Max. 10 5 Pb mg/kg Max. 10 Less than 1 Hg mg/kg Max. 0.05 Less than 0.01 Ni mg/kg Max. 10 3 Zn mg/kg Max. 100 1 Biomass** %wt Max. 90 95.7 DNA test Negative Negative *As received basis **As dried basis ***As air dried basis 3-. 실험장치본연구에서사용한실험장치는 Fig. 1에나타내었으며, 실험장치는항온조, 열전대, 온도제어장치, 기록계와시료용기로구성되어있다 [16]. 항온조는내용적 7 l (30 cm 30 cm 30 cm) 의열풍순환식항온조로내부의온도분포를일정하게유지하기위하여 Sirocco fan (Ø10 cm) 을부착하여내부공기를강제순환시켰으며, 항온조의가열히터는 100 o C까지온도를상승시킬수있는 1.5 kw의히터 5개를설치하여가열하였다. 항온조상부의배기구에는팬을설치하여설정온도보다내부온도가높을때는릴레이스위치에의해팬이자동으로작동되게하였다. 온도측정용열전대는주위온도의제어및측정용과시료의중심온도측정용으로사용하였으며, 전자는시료용기와항온조의벽면중심에설치하고, 후자는직경은 0.35 mm로서 조의 Chromel -Alumel 열전대를시료용기의중심에설치하였다. 온도제어장치 ( 제조사 : Konics, EC-5600) 는프로그램의설정에의해
산업용우드펠릿의자연발화특성과화재위험성에관한연구 65 시료용기의폭이 3 cm에서사용된시료의양은 0.45 kg으로서자연발화온도를구하였다. Fig. 는 175 o C에서비발화되었으며, Fig. 3은설정온도를 180 o C로일정하게하고시료용기를실험장치에넣은후 시간 36분이지남에따라발화가일어나고 9시간정도에서최고발화온도를기록하였다. 주위온도는 6시간 36분이지나면서설정온도보다높아졌으며, 이것은발화의영향으로시료용기내의온도가높아져항온조의주위온도가상승하고있음을나타낸다. 따라서 Small 용기의경우우드펠릿의발화온도인 180 o C와비발화로판정되는 175 o C의평균온도인발화한계온도 177.5 o C를구하였다. Fig. 1. Schematic diagram of experimental apparatus for spontaneous ignition temperature measurement. 1. Electric furnace 6. Relay switch. Sample 7. Sirocco fan 3. Cold junction 8. Heater 4. Program controller 9. Fan 5. Temperature recorder 10. Chromel-alumel thermocouple 주위온도를제어하는방식으로냉접점을거친보정된온도를제어할수있도록하였으며, 이를설정온도와비교하고그차이에의해 1.5 kw의히터 5개의전류치를제어하여릴레이스위치로서상부팬의작동을 on-off로제어하도록하였다. 온도기록장치 ( 제조사 : Yoko gawa, model 4151) 는펜형기록계로서설정온도및시료중심온도를연속적으로기록하도록되어있다. 시료용기의크기는 Small (H0 cm L0 cm W3 cm), Intermediate (0 cm 0 cm 5 cm), Large (0 cm 0 cm 7 cm), Extra large (0 cm 0 cm 14 cm) 로서형상을입방체로하여무한평판에접근하도록하였으며, 이용기는 300 mesh의스테인리스망으로앞면과뒷면을일차원방향으로열전달이되게하였으며, 다른부분은약 1 cm의석면판으로단열시켰다. Fig.. Relation between time and temperature for wood pellet in 3 cm vessel (at 175 o C). 3-3. 실험방법온도제어장치의프로그램을미리설정하여소정의온도로가열된항온조의중심에우드펠릿을충전한시료용기를장치내에걸고, 열전대를시료용기의중심부, 시료용기와벽면과의공간중앙부에같은높이가되도록설치하였다. 시료용기를실험장치에넣은후시료의중심온도변화를관찰하여중심온도가설정온도보다급격하게상승시 발화 로판정하고, 시료의중심온도가설정온도와유사하게유지할때에는 비발화 로판정하고 1회의실험을중지하였다. 동일한조건으로실험을반복하여시료가발화한최저온도와발화하지않았던최고온도와의차이가 5 o C 일때실험을종료하고, 양자의평균온도를발화한계온도로하였다. 4. 결과및고찰 Fig. 3. Relation between time and temperature for wood pellet in 3 cm vessel (at 180 o C). 4-1-. 시료용기가 5 cm 일경우시료용기의폭이 5 cm에서사용된시료의양은 0.9 kg로서 Fig. 4에는비발화된것을나타내었으며, Fig. 5는 175 o C에서발화되었다. 따라서발화된온도 175 o C와비발화된온도 170 o C의평균값인 17.5 o C의발화한계온도를구하였다. 4-1. 우드펠릿의자연발화온도 4-1-1. 시료용기가 3 cm 일경우 4-1-3. 시료용기가 7 cm 일경우시료용기의폭이 7 cm에서사용된시료의양은 1.39 kg이며, Korean Chem. Eng. Res., Vol. 55, No. 5, October, 017
66 최유정 김정훈 최재욱 Fig. 4. Relation between time and temperature for wood pellet in 5 cm vessel (at 170 o C). Fig. 7. Relation between time and temperature for wood pellet in 7 cm vessel (at 165 o C). 한후에낮아지는것을확인할수있었다. 이것은시료용기중심에삽입된열전대부근의시료가발화된후산소부족으로연소가소강상태에놓여온도가하강하다가인접한시료에서재발화하여다시온도가상승한것으로예측된다. 따라서시료용기가 7 cm 일때발화와비발화의평균온도인발화한계온도 16.5 o C 임을알수있었다. Fig. 5. Relation between time and temperature for wood pellet in 5 cm vessel (at 175 o C). 4-1-4. 시료용기가 14 cm 일경우시료용기의폭이 14 cm에서사용된시료의양은.73 kg이며, Fig. 8은 145 o C에서비발화된것을나타내었으며, Fig. 9는 150 o C 에서발화되었다. 따라서시료용기가 14 cm 일때발화한계온도는 147.5 o C 임을알수있었다. 시료용기가커질수록발화유도시간이길어지는데이것은용기가커질수록시료층의두께가두꺼워지므로시료의표면에서중심까지열전달이어렵기때문인것으로판단된다. Fig. 6. Relation between time and temperature for wood pellet in 7 cm vessel (at 160 o C). Fig. 6은 160 o C에서비발화되었으며, Fig. 7은 165 o C에서 5시간 48분이경과할때주위온도보다시료용기내의온도가서서히상승 Fig. 8. Relation between time and temperature for wood pellet in 14 cm vessel (at 145 o C). Korean Chem. Eng. Res., Vol. 55, No. 5, October, 017
산업용우드펠릿의자연발화특성과화재위험성에관한연구 67 Table. Relation between critical spontaneous ignition temperature and thickness in each sample vessel for wood pellet a [m] T c [K] t ln c T c 1 ---------- ---- 10 3 [K 1 ] 1.5 10 450.66 0.4907.190.5 10 445.66 19.4468.439 0.878 3.5 10 435.66 18.784.954 7.0 10 40.66 17.71.377 a T c 5. 결론 우드펠릿을사용하여자연발화온도및겉보기활성화에너지를구한결과다음과같은결론을얻었다. Fig. 9. Relation between time and temperature for wood pellet in 14 cm vessel (at 150 o C). 4-. 우드펠릿의겉보기활성화에너지각크기가다른시료용기에서의실험결과로부터구한발화한계온도를 Table 에나타내었다. 우드펠릿의겉보기활성화에너지를구하기위해식 (7) 에서 QA ln 0 E E -------------- 와 --- 는언제나상수가되므로, ln c T c 1 ---------- 을 ---- 에대해도시 KR R a Tc 화하면 Fig. 10과같이직선이얻어진다. 또한발화와비발화를나타내는실험결과를동시에나타내었으며, 이결과를최소자승법으로정리하면다음의식 (8) 을얻을수있다. ln c T ---------- c =6.46~19.04 10 3 ---- 1 (8) a T c 식 (8) 로부터겉보기활성화에너지를구하면 --- E =19.04 10 3 [K] (9) R 식 (9) 가얻어지고활성화에너지를식 (10) 과같이구하였다. E = 37.83 [kcal/mol] (10) (1) 시료용기의크기가 3 cm인경우우드펠릿의발화온도는 180 o C 이고, 비발화온도는 175 o C를구하였으며, 발화와비발화온도의평균값인 177.5 o C의발화한계온도를구하였다. () 시료용기크기가 5 cm인경우발화한계온도는 17.5 o C를구하였으며, 시료용기크기가 7 cm인경우발화한계온도 16.5 o C를구하였다. (3) 시료용기의폭이 14 cm에서사용된시료의양은.73 kg으로서, 145 o C에서비발화되었으며 150 o C에서발화가되어발화한계온도는 147.5 o C임을알수있었다. (4) 발화와비발화온도의실험결과로부터겉보기활성화에너지를구한결과 37.83 [kcal/mol] 을얻었다. (5) 시료의용기가커질수록발화유도시간및최고온도에도달하는시간이긴것으로나타났다. 감사이논문은 016학년도부경대학교연구년 (II) 교수지원사업에의하여연구되었음 (C-D-016-0887). Nomenclature a : Half thickness of sample vessel [m] A 0 : Arrhenius equation [-] C 0 : Concentration of reactant [mol/m 3 ] C p E : Specific heat [J/mol K] : Activation energy of reaction [J/mol s] J : Shape parameter [-] K : Heat conductivity of body [W/m K] Q : Heat of reaction per unit mass [J/mol] R : Universal gas constant [J/mol K] t :Time [sec] T : Mean temperature of internal system [K] T a T a : Ambient temperature [K] : Critical auto ignition temperature [K] X : Coordinate [-] Fig. 10. Determination of activation energy for wood pellet. Korean Chem. Eng. Res., Vol. 55, No. 5, October, 017
68 최유정 김정훈 최재욱 Greek Letters : Dimensionless reaction rate [-] θ : Dimensionless temperature [-] ξ : Dimensionless distance [-] ρ : Density of mixture system [mol/m 3 ] τ d : Dimensionless time [-] Reference 1. Choi, J. W., Mok, Y. S. and Ha, D. M., A Study on the Spontaneous Ignition of Hydroxy Propyl Methyl Cellulose, Fire Science and Engineering, 15(4), 34-40(001).. Hadong Fire Station, H Thermal Power Plant Wood Pellet Transfer Facility Fire Site Survey, (015). 3. Yoon, S. W., Kang, H. D. and Kang, K. Y., Bio Industry and Environment, Moonumsa Publisher, 9-300(010). 4. Mok, Y. S. and Choi, J. W., A Study on Auto Ignition of Granulated Activated Carbon with Change of Ambient Temperature, J. Korean Society of Safety, 7(4), 45-53(199). 5. Kim, S. R., Mok, Y. S. and Choi, J. W., A Study on Spontaneous Ignition Estimation of Granulated Activated Carbon, Korean Chem. Eng. Res., 31(5), 538-546(1993). 6. Lee, S. H., Fire Science, Donghwagisul Publisher, 101-105 (01). 7. Beamish, B. B., Lau, A. G., Moodie, A. L. and Vallance, T. A., Assessing the Self-heating Behaviour of Callide Coal Using A -metre Column, J. of Loss Prevention in the Process Industries, 15, 385-390(00). 8. Krause, U. and Schmidt, M., The Influence of Initi- al Conditions on the Propagation of Smouldering Fir- es in Dust Accumulations, J. of Loss Preventi on in the Process Industries, 14, 57-53(001). 9. Thomas, P. H., Self-heating and Thermal Ignition - A Guide to its Theory and Application, America Society for Testing and Materials, 56-8(197). 10. Choi, J. W., Mok, Y. S., Ok, G. and Sagong, S. H., A Study on the Spontaneous Ignition of Painting Waste, J. Korean Society of Safety, 14(), 90-96(1999). 11. Choi, J. J., Hazard Estimate of Flour Evaluat- ed From its Characteristics of Heat Decompos- ition and Spontaneous Ignition, Graduate School, Chungnam National University, 1-5 (010). 1. Kitagawa, T., Chemical Safety Engineering, A Daily News Paper(1971). 13. Frank-Kamenetskii, D. A., Diffusion and Heat Transfer in Chemical Kinetises, nd ed., Trans by Apleton, Pleum Press, 5-36(1969). 14. Kim, Y. R. and Lee, S. R., Test Report for Wood Pellet, KOTITI Testing & Research Institute(016). 15. Korea Forest Research Institute, Standards and Quality Standards of Wood Products, (015). 16. Lim, W. S., A Study on the Explosion Characteristics of Hydroxy Propyl Methyl Cellulose Dust, Graduate School, Pukyong National University, 6-31(005). Korean Chem. Eng. Res., Vol. 55, No. 5, October, 017