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발전분야

발전연료관리 개요

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Ⅰ. 연료관리
 
1. 연료 개요
 
가. 연료의 정의
: 연료(fuel)란 다른 물질과의 상호작용에 의해 그 물질이 가진 화학에너지나 핵에너지를 열에너지로 방출하는 물질을 말한다. 즉, 연료는 공기 속에서 연소(combustion)라는 산화반응으로부터 발생한 빛과 열에너지를 이용할 수 있는 물질을 말하며 물리적 상태에 따라 기체연료, 액체연료 및 고체연료로 구분된다.
일반적으로 연료는 주성분인 탄소, 수소, 산소, 수분, 질소, 유황, 회분 등이 복잡한 형태로 결합되어 있으며, 이중 가연성 물질인 탄소, 수소, 황 등이 산소와 반응하여 아래와 같이 화학반응이 일어나고, 이 때 발생하는 열 및 빛 에너지를 이용하게 된다.
 
C + O2 → CO2 + 8,100 kcal/kg
 
H2 + 1/2 O2 → H2O(액체) + 34,200 kcal/kg
 
S + O2 → SO2 + 2,500 kcal/kg
 
연료 중에는 탄소와 수소 외에도 수분, 질소, 산소, 황, 인, 무기물 등이 함유되어 있으며 산소나 질소의 함유량이 많을수록 연료가치는 저하되고 황성분은 가연성분으로 연소시 발열량을 높여주지만 황산화물(SOx)이 연소설비의 부식 및 환경오염을 유발하므로 연료의 가치를 저하시킨다.
수분은 연소시 기화잠열을 함유하고 배기가스와 함께 굴뚝으로 배출되므로 여놋실 온도 저하 등 열손실을 초래하고 회분은 연소설비의 마모, 부식, 열손실 및 환경오염의 원인이 된다. 좋은 연료가 갖추어야 할 조건을 다음과 같다.
 
첫째, 가격이 저렴하고 풍부하여야 한다.
둘째, 단위질량(또는 부피)당 발열량이 높고 공기(산소)와의 혼합비가 바뀌어도 연소의 안정성이 유지되어야 한다.
셋째, 구입, 운반, 저장 및 취급이 용이하고 안전성이 높아야 한다.
넷째, 환경오염의 원인이 되는 공해물질의 발생량이 적어야 한다.
다섯째, 점화와 소화가 용이하고 부하변동에 따른 연소조절이 쉬워야 한다.
 
나. 발전연료의 특성
 
1) 고체연료
 : 고체연료는 타 연료에 비해 가격이 저렴하고 저장 탱크 등 설비 투자비가 비교적 적고 부존량이 많아 경제적인 효과가 크다. 고체연료는 주로 석탄으로, 생성연대 혹은 탄화도 진행 정도에 따라 이탄, 아탄, 갈탄, 아역청탄, 역청탄, 무연탄으로 구분된다.
 발전용 연료로 사용하는 고체연료는 수입에 의존하는 아역청탄 및 역청탄과 국내에서 생산되는 무연탄이다. 이중 아역청탄은 수분이 많고 휘발분이 높아 연소관리가 어려운 반면, 유황분 함량이 낮아 환경규제기준 준수와 배출부과금 납부에 유리하고 가격이 저렴하며 역청탄과 혼소가 가능하다.
 역청탄은 500MW 석탄화력의 주연료로 사용 중이며 최근에는 경제성을 고려하여 저가탄 사용 추세가 두드러지고 있다. 무연탄은 국내 부존자원 활용 및 육성차원에서 국내탄을 사용 중이며 부족분에 한해서만 수입탄을 허용하고 있다.
고체연료는 다른 화석연료에 비하여 다음과 같은 특징을 가지고 잇다.
* 연소기나 연소장치에 공급이 어렵고 고부하 변동에 따른 적응성이 나쁘며 연소관리가 어렵다.
* 단위질량당 발열량이 낮고 연소성이 나빠 과잉공기량이 많이 필요하다.
* 환경 오염물질인 질소산화문(NOx), 황산화물(SOx), 먼지 등의 발생량이 많아 초기 환경설비 투자비용이 많다.
* 장기간 저장에 의해 연료가 변질되거나 상온에서 자연발화 현상이 발생된다.
* 회(ash) 함량이 많다 슬래깅(slagging), 파울링(fouling) 등 각종 연소 장해를 유발한다.
 
※ 용어사전 : 슬래깅(slagging) 및 파울링(fouling)
: 석탄이 보일러에서 연소하는 동안 석탄에 함유된 무기물질은 연소되지 않고 석탄회로 전환되어, 일부 또는 전부가 회융점 보다 높은 영역에서 용융된 상태로 배출되다가 보일러 튜브의 복사전열면에 응고, 부착되어 슬래깅(slagging)을 형성한다. 그리고 회성분 중 알칼리 및 휘발성 성분이 휘발하여 연소가스 중의 비회(fly ash)와 함께 가스화기의 가스냉각기 혹은 보일러의 과열기, 재열기 등의 대류 전열면에 응축, 부착되어 파울링(fouling)을 형성함으로써 전열면을 부식시키고 연소가스의 흐름과 전열면으로의 열전달을 나쁘게 하여 열효율 저하는 물론, 튜브의 과열로 인한 파열사고를 일으킨다. 이러한 현상은 플랜트의 성능 저하는 물론 심하면 출력제한 또는 정지까지 이른다.
 
2) 액체연료
: 액체연료는 초기의 물리적 상태가 액체이므로 유동이 쉬우며 고체 및 기체연료와 비교하여 아래와 같은 장점을 가지고 있다.
* 발열량이 높고 품질이 일정하며 저장과 운송이 용이하다.
* 연소 후 회분이나 유해성분의 잔류가 적다.
* 고체연료에 비해 연소성이나 온도조절이 우수하다.
반면 액체연료는 전량 수입하고 있는 실정이고 전 세계적으로 부존량에 한계가 있으며, 중질유의 경우에는 유황분을 많이 함유하고 있어 황산화물(SOx) 발생의 원인으로 작용한다. 또한 연료 중에 미량 함유된 바나듐과 같은 금속산화물은 고온부식의 원인이 된다.
액체연료는 대부분 원유를 정제해서 만드는 석유계 연료로서 탄화수소 혼합물이다. 탄화수소는 파라핀계(Cnh2n+2_, 나프텐계(CnH2N), 올레핀계(CnH2n), 방향족계(Cnh2n-6) 등으로 구분되고 각각 특유의 성질을 갖고 있다.
원유의 조성은 대개의 경우 증류장치에 의해 휘발유, 등유, 경유, 중유 순으로 정제되어 생산된다.
 
3) 기체연료
: 기체연료란 상온, 상압 하에서 기체 상태인 연료를 말하며 가스전 등으로부터 생산하는 천연가스와 고체, 액체연료의 분해에 의해 제조되는 제조가스로 구별된다. 기체연료의 주성분은 각종 탄화수소이며 생성과정이나 제조과정에 따라, H2, CO2, H2S, N2, O2 등이 포함되어 있다.
발전연료로 주로 사용하는 기체연료는 주로 액화천연가스(LNG)로서 발전원가는 높으나 청정연료로서 주로 복합화력 발전에 사용된다. 도입된 가스는 인도네시아 나 말레이시아의 가스전에서 생산되어 인근 액화기지에서 -162℃ 로 냉각시켜 부피가 1/600으로 감소된 액체 상태로 LNG 수송선에 의해 평택, 인천, 통영 인수기지로 수송된다. 여기서 다시 바닷물에 의한 기화과정을 거쳐 배관망을 통해 발전용이나 민수용으로 공급되는 과정을 거친다. 
LPG(liquefide petroleum gas)는 공업용, 자동차 및 가정용 연료로 많이 사용하는 기체연료로서 상온, 상압에서는 기체이나 가압 또는 냉각에 의해 비교적 쉽게 액화되는 탄화수소 성분을 가지고 있다. 일반적으로 LPG의 성분은 탄소수가 3~4 정도의 탄화수소, 즉 프로판, 프로필렌, 노말 부탄, 부텐 등으로 구성되어 있으며, 이 중 가장 많은 성분은 프로판(C3H8)으로 LPG를 일명 프로판 가스라고도 부른다. LPG는 기체일 경우 공기보다 무겁고 연소 하한계가 낮기 때문에 누설시 확산되지 않고 낮은 곳에 정체하기 쉬워 인화폭발 및 질식의 위험이 있다. 또한 LPG는 무색, 무취이므로 가정용, 업무용 연료로 사용시에는 안전을 위해 착취제를 넣도록 하고 있다.
LNG, LPG 등 기체연료는 액체 및 고체연료에 비해 아래와 같은 장단점이 있다.
가) 장점
* 연소효율이 높고 저 과잉공기로 완전연소가 가능하다.
* 물리적 상태가 기체이기 때문에 연소장치로의 공급이 용이하고 회분, 황산화물(SOx), 먼지 등의 환경오염물질 발생이 거의 없는 처정연료이다.
* 부하의 변동범위(turn down ratio)가 넓고 연소조절이 용이하며, 점화 및 소화가 간단하다.
* 비교적 저열량의 연료로도 높은 연소온도를 얻을 수 있으므로 전열효율을 높일 수 있다.
나) 단점
* 기체연료는 화염의 온도가 높은데 비하여 휘도가 낮고 방사 전열량이 적다.
* 단위질량당의 체적이 액체연료나 고체연료보다 크기 때문에 저장 및 수송에 불편이 따르고 시설비 투자가 많이 소요된다.
* 취급방법에 따라 누설이나 폭발의 위험성이 많다.
* 지리적 조건에 따라 연료비가 높다.
 
2. 석탄의 개요
 
가. 석탄의 생성
: 석탄의 태고의 식물이 어떤 원인으로 인해 두꺼운 지층 밑에 매몰되어 장기간 지압과 지열의 영향을 받아 변화되어 화석으로 된 가연성 고체물질이다.
그런데 석탄으로 변화되는 식물은 각 지질시대에 따라 다르다. 각 지질시대를 거쳐 생성된 석탄은 산출상태와 성질에 있어서 많은 차이점을 갖게 된다. 즉 지질조건과 생성지층에 따라 생성속도와 성상이 달라지는데 이와 같은 변화과정을 석탄화(coalification) 또는 탄화(carbonization)라고 하며 그 진행정도를 석탄화도 또는 탄화도라 한다.
 
나. 분류
: 탄화도에 의한 석탄의 분류는 일반적으로 이탄, 아탄, 갈탄, 역청탄, 무연탄, 흑연 순으로 분류되나 탄화도가 극히 적은 이탄과 거의 완전히 탄화된 흑연은 보통 제외되고 아탄과 갈탄은 같은 것으로 간주되어, 석탄의 범주는 크게 갈탄, 역청탄 및 무연탄으로 나눌 수 있고 경우에 따라 비교적 탄화가 덜 된 역청탄을 아역청탄으로, 저탄화의 무연탄을 반무연탄으로 세분하기도 한다.
또한, 석탄 분류는 구성분인 휘발분, 고정탄소, 고유수분 및 발열량 중에서 보톤 고정탄소와 발열량을 기존적인 지표로 하는 것이 일반적이다. 
 
1) 갈탄(liginite/brown coal)
: 갈탄은 이탄(peat)이 더욱 탄화된 것으로 흑갈색을 띠는 것을 아탄이라 하고 흑색을 띠는 것을 갈탄이라 한다.
갈탄은 연료비가 1 이하이고 수분이 많아 채굴 시 40% 이상, 회분이 10~40%, 발열량을 4000~5000 kcal/kg 이다. 휘발분은 50% 이상으로 높지만 CO2가 많아 연소시 화염온도가 낮다.
아탄은 수분, 회분이 많고 열량이 낮으며 풍화가 잘 되는 결점이 있지만 착화성 및 연소성이 좋아 가정용 또는 소규모 공업용으로 사용된다.
 
2) 역청탄(bituminous coal)
: 흔히 유연탄이라고도 하며 고체연료 중 가장 많이 채굴되고 용도도 많으나 우리나라에서는 산출되지 않는다. ASTM에서는 역청탄을 5종, 아역청탄을 3종 모두 8종으로 세분한다. 외관은 담흑색 또는 칠흑색이고 대부분 광택이 없는 암탄이다. 수분은 비교적 낮고 고정탄소 86% 이하, 휘발분 14% 이상으로, 연료비는 1~7, 발열량은 5,000~8,000 kcal/kg 이며 풍화성과 점결성이 있고 분쇄성은 50~60HGI 정도이다.
아역청탄(sub-bituminous)은 갈탄과 역청탄의 중간 정도의 탄화도를 가지고 휘발분이 보통 30% 이상이며 발열량은 4,600~6,400 kcal/kg 정도이다. 외관은 회흑색이며 수분이 많으나 건조한 것처럼 보이며 대기 중에서 건조되면 소리를 내면서 갈라지기도 한다. 착화성과 연소성은 좋으나 분쇄성이 50 HGI 이하이고 대기 중에 방치하면 풍화되괴 쉽다.
 
3) 무연탄(anthracite)
: 무연탄은 석탄 중 탄화가 가장 많이 진행된 것으로 역청탄보다 훨씬 오래 전에 형성된 것으로 외관은 담흑색에서 흑색으로 광택이 있는 것(휘탄), 광택이 없는 것(암탄)이 있으며 보통 고정탄소 86% 이상, 휘발분 14% 이하이며 점결성은 없다. 견고하면서도 취약해서 분쇄하기 쉬우며(80 HGI 이상), 회분이 적고 고정탄소분이 많아 발열량이 4,000~7,000 kcal/kg 정도로써 이용가치가 높다.
휘발분이 적어 연소 시 매연 발생은 적으나 착화가 어려워 미연탄소분이 발생하기 쉽다. 따라서 연소 시 노 내의 체류 시간을 충분히 유지하여야 하고 화염안정용 보조연료 사용도 고려하여야 한다.
또한 점결성이 없어 코크스를 만들기 어렵고 휘발분이 적어 ㄱ너류 시에도 타르는 없고 가스만 발생하기 때문에 주고 가정용 연탄연료 및 발생용 가스의 원료로 사용된다. 다만 국내 발전용탄은 저품위탄으로서 회분이 40~50% 정도로 매우 높고 발열량은 3,200~3,500 kcal/kg 정도로 매우 낮았으나 1988년 석탄사업합리화 정책이 추진된 이래 중소탄광들이 정리되면서 양질의 탄을 보유하고 있는 대형 탄광만이 남아 발열량은 1989년 3,460kcal/kg에서 1997년 5,019kcal/kg로 높아졌다.
 
3. 석탄의 제성질
 
가. 물리화학적 성질
 
1) 내부 표면적
: 석탄이 갖는 전 표면적 중 석탄구조 중에 함유된 유리표면을 내부 표면적이라고 하고 그 이외의 것을 외부 표면적이라 하는데 그 크기는 내부 표면적이 훨씬 크다. 석탄은 그 구조 내부에 수많은 미세공간을 갖고 있어 이것에 의해 여러 가지 기체나 액체 성분이 흡착되고 물리화학적 반응이 일어난다.
석탄의 내부 표면적은 석탄화도와 관계가 있고 갈탄이 200~400 m^2/g 정도이고 석탄화도가 진행됨에 따라 감소되어 C 90% 부근에서 최소, 무연탄 영역에서 약간 증가한다.
내부 표면적은 메탄올을 석탄에 침투시켜 표면과 액체의 상호작용에 의해 발생하는 열을 측정하여 표면적을 계산하는 습윤열법이나 흡착 등온식에 의해 측정되는데 흡착 등온식은 흡착제의 종류나 온도에 따라 표면적이 많이 달라진다.
 
2) 비중, 기공율
: 석탄의 비중에는 진비중(true density), 겉보기 비중(apparent density) 및 용적비중(bulk density)이 있다. 진비중은 석탄질 자체의 비중이고 겉보기 비중은 석탄질과 내부에 있는 기공(pore)을 포함한 비중을 말하며 용적비중은 기공과 공극(void)을 포함한 단위 용량당의 석탄량으로써 나타낸다.
석탄은 다공질의 괴(덩어리)로 석탄의 비중을 측정하면 기공 내의 공기도 포함되어 측정되므로 이 두 비중으로부터 기공율(porosity)을 구할 수 있다.
 
기공율(%) = (진비중 - 겉보기비중) / 진비중 x 100
 
겉보기 비중과 용적 비중은 저탄관리, 상업적 거래시 등 실용상 문제들에 적용된다.
 
3) 비열과 열전도성
: 석탄의 비열은 실온에서 0.2~0.4 cal/g℃ 의 범위로서 석탄화가 진행될수록 비열은 감소한다. 일반적으로 고체연료의 비열은 아탄 0.33, 갈탄 0.29, 흑연 0.156 정도이고 회분의 비열은 0.16~0.17 이다ㅏ. 비열과 수분량과의 관계는 직선적 비례관계에 있으며 온도상스에 의해서도 증가한다. 열전도율은 일반적으로 0.2~0.3 kcal/m h ℃ 정도인 것으로 알려져 있고 석탄화도에 따라 증가한다.
 
4) 분쇄도
: 석탄의 분쇄성은 석탄의 탄화정도, 구성 물질, 불순물 함유정도 등에 의하여 좌우되나 일반적으로 탄화도가 클수록 쉽게 분쇄되며 탄화가 낮은 탄일수록 분쇄하기 어려우나 실제에 있어서는 C 85~90% 부근의 탄이 가장 분쇄성 지수(HGI)가 큰 것으로 보고되고 있다.
분쇄성 지수는 석탄시료 50g 을 시험분쇄기에서 분쇄한 후 200 Mesh Sieve에 체그람한 후 통과한 량(W)으로 계산한다.
 
HGI = 13 + 6.93W, W : 200 Mesh 통과분의 중량(g)
 
분쇄성 지수는 분쇄기 용량 결정에 중요한 척도가 된다. 분쇄기 출력은 분쇄성 지수가 높거나 목표입도가 클수록, 또 원탄의 습분이 적을수록 증가한다.
 
5) 열연화성, 점결성
: 탄을 가열하면 석탄의 종류에 따라 다음과 같은 2가지의 서로 다른 변화를 보인다. 먼저, 석탄을 가열하면 가스와 타르 증기가 생기고 탄소가 주성분인 고체잔사가 남는다. 이 경우 석탄입자는 연화 용융되지 않고 그 상태를 유지하는데 이런 변화를 보이는 석탄을 비점결성탄이라 한다.
또 다른 변화는 석탄을 가열하면 350℃ 부근에서 연화 용융되어 약간의 가소성을 띠게 되는데 이때 용융되지 않는 성분과 결합이 되고 고온이 되면 용융되지 않는 부분은 팽창하면서 굳어져, 탄력이 있고 다공성인 물질이 생기게 된다. 이런 성질을 점결성(coking property)이라 하고 이런 성질을 가진 석탄을 점결성탄이라 한다.
이러한 성질은 일반적으로 C 80~91%의 역청탄에 있다. 석탄의 열연화성(열가소성)은 코크스의 제조, 석탄의 연소 및 공업적 이용 등에 매우 유용하며 석탄의 팽창도 및 유동도를 측정함으로써 알 수 있다.
보일러 연소용 역청탄은 스티밀콜(steaming coal)이라고도 하며 보일러 연소용 탄의 점결성이 너무 크면 석탄이 용융하여 여러가지 장해를 일으키기 쉬우므로 발전용 탄은 약점결성이나 비점결성일 것이 요구된다.
 
※ 용어사전
1. corking coal
: 일반적으로 코크스 제조에 적합한 석탄을 coking coal이라 하는데, 이는 석탄(점결성이 강한 역청탄)을 고온에서 건류하여 휘발 성분이 제거된 다공질의 고체물질(char)을 코크스라 하고 코크스는 발열량이 높고 연료 및 야금이나 가스 제조 등에 사용된다.
2. steaming coal
: 보일러용 석탄이라 하며, 일반 가정용 석탄 보일러에는 거의 사용되지 않고, 무연탄 혹은 유연탄 보일러를 이용해서 스팀을 만들고 이것으로 발전을 하는 화력 발전소에서 사용되는 석탄을 의미한다.
 
나. 화학적 성질
 
1) 공업분석 항목의 성질
 
가) 수분(moisture)
: 석탄의 습분과 수분(고유 수분)의 경계는 주위의 상대습도에 의해 지배되고 온도에 따라서도 근소하게 변한다. 따라서 보통 그 평균 습도에 가까운 식염포화 용액의 상온(20℃)에서의 습도(상대습도 약 75%)와의 평형점을 경계로 하고 있다. 이 항습베이스를 기초로 하여 석탄 시료의 중량이 확정되고 여러 분석값의 양적 관계 및 발열량 등이 결정된다. 수분은 이와 같은 항습시료가 107±2℃ 로 가열하여 항량이 될 때까지 감량된 량의 중량 백분율을 뜻한다. 이 경우 수분의 양에 영향을 주는 요소로는 가열 중에 산화에 의한 중량과 흡착가스 방출에 의한 감량 등이다.
수분은 석탄류의 탄화도를 아는 한 특성이기도 하다. 석탄화도에 따라 수분이 감소하여 C 90% 부근에서 최소가 된다. 그리고 가열시의 점결성도를 아는 데에도 수분이 한 척도가 된다.
또한 습분은 석탄의 입도에 관계되는 것으로 입자가 작을수록 습분은 많아지며 이것은 석탄 구매 시 중요한 요소가 된다.
 
나) 회분(ash)
: 회분은 항습시료 1g 실온으로 부터 500℃까지는 60분, 500~800℃ 에서는 30~60분, 800±10℃에서 항량이 될 때까지 가열, 연소한 후의 잔류분을 말한다. 석탄회의 조성은 탄전에 따라 다르나 보통 점토광물과 큰 차이가 없고 실리카, 알루미나가 주성분을 이룬다.
회분 함량은 석탄화도와는 무관하며 통상 사용되는 석탄에는 5~30% 정도이다. 코크스 제조용에는 10% 이하, 화력발전용으로는 보통 5~15%의 석탄이 사용되나, KIDECO, ADARO와 같은 아역청탄의 경우 회함량이 2~3% 정도로 매우 낮은 것도 있다.
원료용 탄의 회분 1% 저하에 따른 가치 상승률은 3~5% 이나 석탄 중의 무기광물 중에는 자체에 회분이 함유되어 있어 회분 3~4% 이하의 석탄을 얻기가 쉽지 않다.
연소실 내에서의 회분은 분석실의 회분과는 달리 미연탄소분이 함유되므로 그 양이 일반적으로 증가한다.
미연탄소분은 강점결성탄에서 2~3%, 보통 점결성탄에서 1~2% 인 경우가 많으며 무연탄에서는 더욱 늘어나고 갈탄계에서는 줄어드는 경향이 있다.
미연탄소분은 대체로 회분함량에 비례하고 고회분탄은 회분에 의한 현열손실과 아울러 효율저하를 초래한다. 회의 융점은 회의 조성, 연소실 내 분위기에 따라 다르나 일반적으로 1,000~1,500℃ 범위이다.
회의 조성은 이산화규소(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 이산화티타늄(TiO2) 등의 산성 성분과 화철(Fe2O3), 산화칼슘(CaO), 산화마그네슘(MgO), 산화나트륨(Na2O), 산화칼륨(K2O) 등 염기성 성분으로 조성되어 있으며 일반적으로 산성 성분이 염기성 성분보다 많을수록 융점이 높아진다.
 
다) 고정탄소 및 휘반분
: 공업분석에서 수분과 회분은 열에너지가 없는 불순물이며 100에서 이상의 불순물을 뺀 나머지 즉, 휘발분과 고정탄소가 고체연료의 에너지로서의 유효성분이다. 이것을 무수무회성분(dry-ash free, d.a.f)이라고 하고 광물질과 수분을 뺀 것을 무수무광성분(dry0mineral matter free, d.m.f) 또는 순탄이라고 부른다.
휘발분(volatile matter)은 항습시료를 925℃에서 7분간 가열에 의한 감량(%)에서 수분을 뺀 값이다. 휘발분은 수분측정단계(107℃)에서 방출하지 않은 무기광물의 결정수, 고분자 탄화수소류의 분해로 생기는 물(H2O), 탄소(CO), 탄화수소류(CnHn) 외에 이산화황(SO2), 삼산화황(SO3), 황화수소(H2S) 및 승화성의 무기물이 포함된다.
고정탄소(fixed carbon)는 위의 가열에서 수분, 휘발분을 방출한 잔량에서 회분을 뺀 값이며 거의 탄소 덩어리라고 보아도 무방하다.
휘발분과 고정탄소는 상대적으로 어느 한편이 늘면 다른 편의 함량은 저하한다. 이 양자의 비를 연료비(fuel ratio)라 하며 고체연료의 성질을 나타내는 특성치로 되어 있다.
 
연료비 = 고정탄소(%) / 휘발분(%)
 
연료비는 다음 두 가지 요소에 의해 크게 변화된다. 하나는 탄화도 또는 회분량에 따라 달라진다.
보일러나 공업용로의 연소용 탄은 발열량이 커야 하기 때문에 휘발분이 많으면 좋을 것 같지만 실제에 있어서는 휘발성분인 탄화수소가 공기와의 연소혼합비 즉, 연소범위가 좁아서 완전연소를 시키기 어렵다. 특히 타르증기는 연소되기 어려워 매연이 발생하기 쉽고 미연탄소분에 의한 손실이 크다. 따라서 연소용 탄은 휘발분이 다소 낮을 것이 요구된다.
 
2) 원소분석항목의 성질
 
가) 황(sulfur)
: 석탄의 황에는 연소성 황과 불연소 황이 있고 이 두가지를 합한 것은 전(유)황이라 하고 전(유)황은 보통 석탄 속에 0.2~3% 정도 함유되어 있으며 존재 상태에 따라 다음과 같이 분류된다.
① 유기황(0.2~2.4%)
 : 근원식물의 단백질에서 비롯된 것으로 석탄 본질과 화합하여 석탄 내에 균일하게 분포되어 있다.
② 무기황(0.01~0.9%)
: 황화물 황 : 주로 황철광(FeS2), 백철광(FeS2)으로서 무기황의 황이며 60~80% 를 점유한다.
: 황산염 황 : 석고(CaSO4, 2H2O)가 주성분이다.
③ 연소성 황(%) = 전(유)황(%) - 불연소 황(%)
: 황이 연소되면 SO2, SO3로 되어 대기를 오염시키는 외에 보일러 전열면 부식의 원인이 되기도 한다.
 
나) 질소(nitrogen), 산소(oxygen)
: 질소는 석탄 중에 0.5~2% 정도 함유되어 연소 시에는 주로 질소가스로 방출된다. 건류하면 질소가스, 암모니아 및 청산가스 또는 가스액으로 20~45%, 피리딘 염기로서 타르 중에 3~4%, 유기화합물로서 코크스 중에 40~50% 정도가 함유된다.
 
3) 발열량
: 단위량의 물질이 완전히 연소했을 때 발생하는 열량을 발열량이라고 하고 석탄의 발열량은 총발열량(고발열량, gross calorific value/high heat value)으로써 측정된다. 왜냐하면 발열량 측정 장치에는 연료 속의 수분 및 수소분의 연소에 의해 생기는 수증기가 측정 장치(bomb) 내에 응축되어 측정열량 중에 포함되기 때문이다. 그러나 실제 연소과정 중 이 수증기는 응축되지 않고 배출되므로 노 내에서 작용할 수 있는 열량은 측정 열량보다 낮은 것이 되는데 이것을 저발열량(진발열량, net calorific value/low heat value)이라고 한다. 저발열량은 실측에 의해 산정하지 않고 고발열량, 수분, 수소분 함유량에 따라 다음 계산에 의해 구한다.
 
Hl = Hh - 600(W+9h) [kcal/kg]
 
여기서, Hl : 저위발열량, Hh : 고위발열량, W : 수분함량(%), h : 항습기준 수소함량(%)
만일 수소분이 구해져 있지 않을 때에는 다음 식에 의해 어느정도 정확하게 저발열량을 구할 수가 있다.
 
Hl = Hh x 0.976 - 128 [kcal/kg]
 
발열량은 석탄화도와도 관계가 있는데 석탄화도의 진행에 따라 발열량이 완만하게 증가하여  C 90% 정도에서 최대치를 나타내고 무연탄 영역에서는 흑연의 열량(8,100kcal/kg)까지 저하되는 경향을 보인다.
 
4) 산화 및 열분해성
: 석탄의 산화는 공기 중에서의 열화로부터 CO2 와 H2O 로 완전히 분해하는 연소에 이르기까지 여러 단계가 있다.
석탄의 산화분해에는 습식산화와 건식산화가 있다. 습식산화는 산성 매체 중에서의 산화, 알카리 매체 중에서의 산화, 산소가스에 의한 산화 등이 있고 건식산화는 공기 중에서의 완만한 산화현상으로서 열화 또는 풍화가 해당된다. 석탄이 풍화되면 발열량과 점결성이 저하되고 자연발화를 일으키기도 한다.
 
4. 석탄의 자연열화(풍화)
 
가. 석탄열화 과정
: 석탄의 열화는 저탄 중에 대기 중의 산소에 의하여 석탄의 완만한 산화에 기인하는 것으로서 저온산화 또는 풍화라고도 한다. 석탄의 열화는 탄화도가 낮은 신생탄일수록, 즉 이탄, 갈탄, 역청탄, 무연탄의 순으로 잘 일어난다.
 
1) 저탄온도
: 저탄 중의 온도상승은 산화속도를 가속하기 때문에 저탄장 온도관리가 중요하다. 통상 저탄 중의 온도상승에 의한 산화율의 변화는 13℃ 상승시마다 약 3배씩 증가한다. 즉, 0℃를 기준으로 했을 때 20℃에서는 7배, 70℃에서는 약 400배의 산화율을 나타낸다.
 
2) 저탄기간
: 일정온도에서 석탄의 산소 흡수량은 저탄기간에 비례한다.
 
3) 석탄입도
: 석탄의 산화는 외표면 뿐만 아니라 내부의 미세기공을 통해서도 일어나므로 비표면적이 클수록 산화속도가 커진다.
비표면적은 입도와 밀접한 관계가 있다.
 
4) 수분
: 석탄 중에 수분함유량이 매우 많으면 냉각효과 혹은 공기 차단효과에 의해 열화가 방지되나 적당한 습분은 석탄의 열화를 촉진한다. 석탄이 건조와 수분흡수를 반복하면 공기유통이 용이해지기 때문이다.
실험에 의하면 습한 석탄은 건조 분보다 약1.5배의 산소를 흡수하며 총수분 10~15% 범위에서 특히 많은 산소를 흡수하고 15% 이상에서는 감소하는 것으로 나타나 있다.
 
5) 불순물의 영향
: 석탄을 장기간 저장하면 황화철(FeS2)이나 인(P)의 산화에 의해서도 자연열화가 일어난다.
 
다. 석탄열화에 의한 성상변화
 
1) 발열량의 저하
: 열화에 의한 성상변화 중 가장 큰 문제는 열량이다. 열화현상은 산소 흡수에 의한 석탄의 가연성분의 산화와 유효 휘발분의 방출로써 발열량이 저하된다. 이것은 탄종, 탄질, 저탄조건 및 기간에 따라 차이가 있으나 보통 년 간 1~2% 정도이다.
 
2) 회분의 증가
: 열화가 진행됨에 따라 석탄의 여러 성분이 산화물 형태로 산소를 고정시켜 회분이 증가한다. 그러나 큰 문제는 아니지만 미분탄 등이 함유하게 되면 석탄보다 먼저 붕괴되어 석탄표면을 오염시키고 휘도를 낮춘다.
또 황철석(pyrite)이 많은 탄은 산화되면 황산철이 되어 알칼리 토금속에 황산이온(SO4)을 작용시키고 철은 수산화철, 탄산철 등이 되므로 실질적인 무기물의 중량을 가져온다.
 
3) 붕괴성과 고유수분의 증가
: 석탄의 취약성은 고정탄소의 증가에 비례하여 커지고 반역청탄(C 65~80%)에서 최고치를 나타내며 무연탄에 이르러서는 다시 저하된다. 그러나 풍화에 의한 붕괴성은 원탄의 취약성과는 달리 탄화가 덜 된 고유 수분이 많은 탄일수록 커진다. 이것은 고유수분이 많은 탄은 주변의 온도와 습도변화에 따라 서탄표면수분이 증발되면 석탄 내외부의 수분평형이 깨져 표면이 수축되면서 균열 분화되기 때문이다. 여기에 비가 내리거나 하면 표면이 팽윤되면서 내외부 간의 불평형에 의해 붕괴가 일어난다. 이와 같이 석탄의 붕괴성은 고유수분과 밀접한 관계가 있다.
 
4) 점결성과 연소성의 변화
: 석탄이 열화되면 점결성은 저하되는 경향이 있다. 그리고 회분이 많은수록 그 경향은 커진다. 실험결과에 의하면 온도와 시간에 비례하여 점결성은 저하하지만 석탄의 분해온도 이상이 되면 산화가 정지되므로 점결성의 저하가 거의 없는 것으로 알려져 있다. 일반적으로 휘발분이 적고 강점결성탄일수록 열화에 의해 점결성을 잃기 쉽다.
한편 열화에 의한 석탄의 연소성에는 다음과 같은 변화가 수반된다.
가) 휘발분 저하에 의한 열량저하로 화염이 약해지고 오래 타지 않는다.
나) 강점결성탄은 점결성 저하로 연소성이 향상된다.
다) 착화성은 역청탄은 개선되나 갈탄은 나빠지는 경향이 있다.
라) 불순물의 상대적인 증가로 발열량의 저하를 가져온다.
 
5. 저탄관리
: 석탄의 저장관리는 풍우, 도난 등에 의한 손실과 열화를 방지하고 필요 시 분석, 시험 및 실측을 하여 품질관리에 만전을 기한다.
 
가. 자연발화 방지
 
1) 자연발화의 진행
: 자연발화는 석탄의 산소흡수에 의한 산화, 발열반응으로 적당한 통기, 즉 산소의 공급 및 열의 축정과 전파에 의해 일어나며 이러한 조건이 부합되는 부위에서 잘 일어난다.
역청탄의 경우 상온의 공기 중에서 석탄 1g 은 7~8cc의 산소를 흡수하며 산소 1cc 흡수시 2.1~3.3 cal/g의 열량이 발생하는 것으로 알려져 있다.
이때 열의 전파는 분탄사이의 통기속도와 입자의 열전도에 의해 이루어진다. 한편 열축적 부위는 저탄층 표면이나 깊숙한 곳보다는 표면으로부터 1~2m의 깊이의 곳에서 더 잘 일어난다.
대개 석탄을 저탄하면 약 30~40일 동안에 완만한 산화에 의해 70~90℃ 정도로 상승된다. 그 후 2~4개월 동안 이 온도로 유지되면서 내부가 건조되고 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO), 메탄(CH4) 등의 가스가 발생되다가 갑자기 300~400℃로 온도가 상승되어 타르냄새가 나고 연기가 나면서 자연발화(연소)가 시작되고 500~800℃로 되면 완전히 발화한다.
자연발화 방지 기본원리는 저탄층 내로 공기의 유입을 차단하는 방법과 발생된 열을 방산시키는 방법으로 다음과 같다.
① 저탄 더미(pile)의 경사각을 가급적 낮추어 완만하게 하고 풍속이 큰 방향의 경사면은 압축한다.
② 저탄시 괴탄과 미분탄이 혼합되지 않도록 한다.
③ 저탄 중 발열하거나 발열하기 쉬운 계절(하절기)에 입하된 탄은 조기에 소비한다.
④ 그 밖에도 저탄높이 제한법 등이 있다.
 
2) 자연발화 방지대책
 
가) 저탄방식
① 양하기(stracker/reclaimer)에 의한 자연적 저탄을 원칙으로 한다. 단 온도상승이 우려되는 탄종은 불도저에 의한 압축저탄을 실시하고 그 외 탄종을 불도저로 저탄더미 상부를 평탄히 한다.
② 저탄더미의 높이는 최고 15.5m 로 한다.
 
나) 검온
① 검온 횟수 : 호주탄 주 1회, 캐나다탄 월 1회
② 검온 개소 : 더미당 20개소(더미모서리 10개소, 중앙부위 10개소)
 
다) 저탄온도 상승 시의 조치사항
① 제1경계온도(60~70℃)
 - 온도 점검개소 및 횟수증가, 살수에 의한 온도저하, 우선 상탄
 - 온도상승부위 확대 시 불도저에 의한 압축실시
② 제2경계온도(70~90℃)
- 검온 감시강화, 온도상승부분 우선 상탄, 주수 냉각
(이때 살수를 중지하면 온도상승이 촉진되므로 지속적으로 살수한다.)
- 불도저로 온도상승 부위 파해진후 압축 저탄
③ 위험온도(90℃ 이상)
- 온도상승 부분을 불도저로 옮기고 살수 냉각
 
나. 탄진 비산방지
 
1) 발진과 비산
: 옥외저탄에서의 발진은 바람에 의한 것과 운탄작업 시 기기로부터 발생되는 것 등이 있다.
미분탄의 발진은 지표면의 풍속(마찰속도)이 어느 한계치 이상 되면 일어나는데 그 속도를 한계풍속(Uc)이라 한다. 한계풍속은 석탄의 밀도와 입도에 비례하며 습분이 증가하면 이 값이 커진다. 또 풍속에 따라 석탄의 임계입경이 달라진다.
 
2) 방지대책
 
가) 발진 및 비산방지 방안
① 인위적으로 바람을 차단 또는 풍속을 저하시킨
② 바람이 미끄러지게 함
③ 석탄 입자의 발진 및 비산 방해
④ 탄진 비산 차단
 
나) 대책
① 방풍 펜스 설치 또는 방풍림 조성
② 저탄장 구조변경
③ 살수 및 저탄더미 표면 코팅
④ 저탄장 덮개 설치 등
 
 

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