1. 서 론
국내에서 전력 생산을 위해 사용되는 에너지원 가운데 석탄을 이용한 화력발전은 2020년을 기준으로 약 44%를 차지하고 있을 만큼 석탄의 비중이 매우 큰 것으로 나타나고 있다(1). 화력발전소에서 사용되는 석탄은 대부분 유연탄이고 그 중에서 역청탄과 아역청탄으로 석유나 천연가스에 비해 가용연한이 160년 정도로 길다. 또한 국내에서 생산되는 무연탄에 비해 높은 발열량을 갖는 장점이 있어 대부분 수입을 통해 석탄의 수급이 이루어지고 있다. 그러나 유연탄의 특성상 휘발성분이 많아 사용중 유증기에 의한 석탄 분진폭발이 발생하기 쉽고, 특히 석탄저장소 내에 저장되어 있는 석탄은 장시간 보관할 경우 열축적에 의한 온도상승 등으로 인한 자연발화의 위험성을 내포하고 있다. 그리고 국내에서 석탄을 저장하는 경우는 옥외저장과 옥내저장으로 크게 구분할 수 있는데, 옥외에 저장하는 경우 석탄 분진이나 유해가스 발생에 따른 악취 등으로 주변인의 민원에 따라 옥내저장의 형태로 석탄을 저장하는 추세이다(2). 그러나 옥내저장으로 다량의 석탄을 저장하는 경우 장시간 저장에 따른 열축적에 의한 자연발화와 취급 및 관리 부주의로 인해 화재 발생이 증가하고 있으며, 석탄저장고 화재 시 발생되는 열의 경우 대류, 복사 등에 의해 연소확대의 우려로 이에 대한 대책이 필요하다.
또한 화재로 인해 발생되는 피해를 최소화하기 위해서는 화재의 성장 및 확산에 대한 이해가 필요하다. 연료가 연소과정에서 배출하는 그을음 입자의 경우에는 산란과 흡수를 동반하며 중요한 화재 복사 메커니즘 역할을 하고, 그을음에서 나오는 복사는 입자의 크기 분포에 따라 큰 영향을 받는다. 이는 화염의 방사율(emissivity, ε)을 예측하기 위해 제시된 식(1)을 토대로 확인할 수 있다(3).
여기서 K는 화염의 소멸(흡수)계수, L은 화염의 두께를 의미한다.
이러한 가연물 등의 연소에 의해 발생되는 화염의 복사강도는 광소멸계수 값에 따라 변화하는 특성을 갖고 있다. Lee 등(4)은 이색법에 의해 화염 내에 생성된 그을음 입자가 방사하는 복사강도 분포를 측정하고 Jet Al 액적확산 화염의 온도 분포를 예측한 바 있다. Rho(5)는 선박연료유의 연소에 의해 배출되는 입자상물질의 광특성화를 위한 광소멸계수의 측정과 분석을 진행하여 선박에서 배출되는 입자상물질 측정에 광학장치를 이용할 경우 평균 무차원 광소멸계수의 사용이 가능함을 확인하였다. Choi 등(6)은 바이오디젤과 디젤의 연소과정에서 발생되는 연기입자의 무차원 광소멸계수를 측정하고, 각 연료에서 발생된 연기입자 간의 광소멸(광흡수/광산란) 특성은 서로 상이할 수 있음을 확인하였다. 또한 Ryu(7)는 한국형 발사체에서 사용되는 연료의 연소과정에서 배출된 그을음 입자의 무차원 광소멸계수를 측정하고 Able 변환의 측정 오차를 이용하여 국소 복사 강도 분포를 계산하여 기초연소 특성을 제공하였다. 최근에 Han 등(8)은 화재시뮬레이션 입력인자에 대한 통계적 편차를 이용하여 광소멸계수 값에 따라 허용피난시간 예측결과에 상당한 차이가 날 수 있음을 확인하였고, 광소멸계수 값이 화재감지 이외에 그을음 농도 측정방식에도 사용되는 인자로 연기감지기 등의 측정장비에 필수적임을 제시하였다.
이러한 선행연구를 통해 확인할 수 있듯이 연료의 연소 특성을 분석하는데 있어서 광소멸계수는 매우 중요한 인자의 하나이고, 연료의 종류에 따라 광소멸계수는 각기 다른 값을 나타내고 있는 것을 확인할 수 있다. 그러나, 무차원 광소멸계수를 이용한 연소특성에 대한 연구는 연료의 연소 특성을 분석하는데 국한되어 있고, 석탄과 같은 연료를 대상으로 한 입자상 물질의 광학 특성을 분석하고 무차원 광소멸계수의 측정을 통한 그을음 입자 농도와의 관계를 규명하는 연구는 미흡한 실정이다. 또한 석탄 화재와 같은 상황에서 연소확대를 최소화하기 위해서는 화재발생 초기에 연기감지기 등을 통한 화재감지가 있어야 하고 이에 대한 대책으로 석탄의 연소에 따른 광소멸계수의 측정 및 특성 분석을 통해 화재감지기에 영향을 미치는 주요 인자에 대한 연구가 절실한 상황이다.
따라서 본 연구에서는 석탄의 연소과정에서 포집된 입자상 물질의 무차원 광소멸계수 특성에 대한 선행연구(9)를 통한 무차원 광소멸계수의 측정 및 특성 분석 결과를 토대로, 동일한 석탄 연료를 연소 압력과 가열 온도가 각기 다른 연소 조건에서 측정된 무차원 광소멸계수가 석탄 연료의 연소에 의해 발생된 그을음 입자 농도에 어떠한 영향을 미치는지 확인하고자 하였다.
2. 실험장치 및 방법
본 연구에서는 석탄 연료인 원탄을 그라인더를 이용하여 미분탄 형태로 만들고, Figure 1에 나타낸 바와 같이 석탄 연료의 연소 조건별 미분탄의 그을음 입자 발생을 위한 연소 가열장치와 무차원 광소멸계수를 측정하기 위한 광학장치 및 채집장치로 실험장치를 구성하였다. 가압식 연소 챔버에서 발생한 그을음 입자는 진공펌프에 의해 650 nm 파장의 레이저가 투과하는 transmission cell (TC)로 유입된다. TC는 알루미늄 소재를 사용하여 가로, 세로, 높이가 각각 0.8 m, 0.08 m, 0.08 m의 직육면체 형태로 제작되었고, 내부에는 빛의 반사 및 산란을 억제하기 위하여 무광 흑색 페인트를 도포하였다. 또한 레이저 광의 투과를 위해 지름이 8 mm인 광학 창(BK7 window with anti-reflection coating)을 TC 양 끝단에 장착하였다. 그리고 TC 하단부에는 실리콘 히터를 설치하여 열영동(thermophoresis) 효과에 의해 그을음 입자가 침착하는 것을 방지하도록 하였다(10).
가압식 연소 챔버 내에 설치된 미분탄 가열로에서 연소되어 생성된 그을음 입자는 공기와 혼합되어 TC 상류에 유입이 되고, TC를 통과하는 동안 그을음 입자는 광원으로 사용된 파장 650 nm의 레이저에 노출되어 광소멸을 일으키게 된다. 이 때 그을음 입자에 의한 광소멸을 측정하기 위해 광원 파장 대역의 강도를 검출할 수 있는 광검출기(photo detector)를 TC 외부에 설치하였다.
그리고 입자에 의한 광소멸이 발생하는 동안 레이저 출력의 안정성을 실시간으로 확인하기 위해 광원에서 발생한 레이저 빛을 beam splitter를 사용하여 50:50 비율로 나눈 뒤 첫 번째 광검출기와 두 번째 광검출기에 각각 조사하였다. 여기서 첫 번째 광검출기는 TC를 통과 전 레이저 출력 안정성을 확인하기 위함이고, 두 번째 광검출기는 TC를 투과하는 광투과율을 측정하기 위하여 설치하였다.
TC를 통과한 그을음 입자를 채집하기 위해 TC 하류 쪽에는 채집장치를 설치하여 그을음 입자의 질량을 측정할 수 있도록 구성하였고, 질량유량계(mass flow controller, MFC)를 설치하여 TC 유입 유량이 일정하게 제어될 수 있도록 하였다. 그리고 본 연구에서 입자에 의해 발생되는 광소멸을 측정하기 위하여 사용된 gravimetric sampling and light extinction (GLSE) 방법에 대한 자세한 설명은 본 연구의 선행 연구(9)에 잘 정리되어 있다. 가압식 챔버 내 연소부는 디지털 전기로를 사용하여 석탄의 자연발화를 유도할 수 있도록 구성되어 있다. 또한 가압 조건하에서 사용하기 위해 전기로는 30 min 동안 가동으로 800 °C까지 가열이 가능하며, proportional integral derivative (PID) 방식으로 온도를 제어할 수 있다.
본 연구에서 사용된 미분탄의 종류는 역청탄을선정하여 사용하였고 연소 전 공업분석과 원소분석을 통해 구성 성분을 조사하였으며, 그 결과는 Table 1에 나타내었다.
Table 1
Composition Analysis of Bituminous Coal
미분탄의 연소 조건을 설정하기 위하여 열중량분석(thermogravimetric analysis, TGA)을 실시하였고, 분석 결과를 정리하여 Figure 2에 나타내었다. Figure 2에서 보는 바와 같이, 급격하게 열분해가 진행되어 미분탄의 질량 감소가 마무리 단계로 접어드는 약 550 °C부터 50 °C 간격으로 650 °C까지를 가열로의 온도로 설정하였다. 특히 가열로의 온도가 550 °C인 조건에서는 가압식 챔버의내부 압력을 절대압력 기준으로 0.1 MPa에서 0.3 MPa로 가압하여 추가 실험을 진행하였다.
미분탄의 연소가 진행되는 동안 화염의 전역 광소멸(full- field light extinction, FLE) 이미지를 촬영하기 위해, Figure 3에 나타낸 바와 같이 고온에서 사용 가능한 석영창을 전기로 벽면에 삽입하여 챔버 외부에서 전기로 내부가 관측 가능하도록 제작하였다.
전역 광소멸법을 이용하여 화염 내에 생성된 그을음 입자의 농도를 측정하기 위해 가압식 연소 챔버는 2쌍의 광학창이 각각 평행하게 설치되어 점화 및 화염 생성 과정을 가시화 할 수 있도록 제작되어 있다. 또한 광학창 한 편에는 파장이 650 nm인 LED 광패널을 설치하고 반대편에는 CCD 카메라와 backlit 이미지만을 획득하기 위해 650 ± 5 nm의 파장만을 통과시키는 대역 필터(bandpass filter)를 장착하여 다른 파장에 의한 영향을 최소화하였으며, 필터를 통과한 빔은 CCD 카메라에 도달하여 최종적으로 backlit 이미지로 PC에 저장되도록 하였다.
3. 실험결과 및 고찰
Figure 4는 연소 챔버에서 발생된 그을음 입자와 혼합된 공기가 TC 내부에 유입되기 전과 유입되었을 때 광검출기에서 측정된 광투과율(I/I0)의 변화를 나타낸 결과이다. Figure 4에서 보는 바와 같이, 그을음 입자가 TC 내부로 유입되기 시작하면 그 직후부터 광투과율은 급격하게 변화하여 준 정상상태(quasi-steady state)에 도달하였다. 이를 토대로 광학계로 측정한 광투과율이 준 정상상태에 도달하였을 때 필터부의 필터를 통해 그을음 입자의 샘플링(sampling)을 진행하였고, 정밀 전자저울을 사용하여 채집된 그을음 입자의 질량을 측정하였으며, 질량 측정시에 필터에 흡수될 수 있는 수분의 영향을 최소화하기 위해 소수성 필터를 사용하였다.
샘플링 구간에서 광투과율의 평균값은 Bouguer 법칙에 따라 식(2)와 같이 나타낼 수 있다(11).
여기서Ke는 무차원 광소멸계수, fv는 광학적으로 측정된 그을음 농도, λ는 광원의 파장 길이, L은 레이저의 경로 길이를 의미한다.
또한 필터에서 샘플링을 통해 측정한 그을음의 농도(fvg)는 식(3)을 통해 계산할 수 있다.
여기서 m은 샘플링을 통해 필터에 채집된 그을음 입자의 질량, V는 샘플링 시간 동안 TC 내부에 유입된 공기의 유량, t는 샘플링 시간, ρ는 그을음 입자의 밀도를 의미한다. 그리고 그을음 입자의 밀도는 Choi 등(12)의 선행연구 결과로부터 구해져 인용되는 1.74 g/cm3를 적용하였다. 광학적 방법으로 측정한 그을음 입자의 농도와 필터에서 채집된 그을음 입자의 농도는 같은 샘플링 구간에서 계산하였기 때문에 서로 같아야 함을 토대로 이를 적용하면 식(4)와 같이 나타낼 수 있다.
그리고 식(4)를 무차원 광소멸계수에 대하여 정리하면 최종적으로 식(5)와 같은 결과식으로 나타낼 수 있다.
Table 2에는 가압식 연소 챔버의 절대압력이 0.1 MPa과 0.3 MPa인 경우와 가열로의 온도가 550～650 °C인 경우에서 연소되어 발생된 그을음 입자를 TC에 유입시켜 측정된 무차원 광소멸계수를 정리하여 나타내었다. Table 2에서 보는 바와 같이, 가열로의 온도가 550 °C에서 650 °C로 높아짐에 따라 측정된 무차원 광소멸계수는 8.42에서 9.11로 증가하였고, 연소 챔버의 압력이 0.1 MPa에서 0.3 MPa로 증가함에 따라 무차원 광소멸계수도 8.42에서 9.94로 증가하였다. 이를 통해 무차원 광소멸계수는 반응이 이루어지는 연소환경의 온도, 즉 가열로 내부의 온도증가와 더불어 압력의 변화에도 크게 영향을 받는 것을 확인할 수 있다.
Table 2
Summary of Measured Ke of Soot Particles Produced from Burning Pulverised Coal
| Conditions | 550 °C | 600 °C | 650 °C | |
|---|---|---|---|---|
| 0.1 MPa | 0.3 MPa | 0.1 MPa | 0.1 MPa | |
| Ke | 8.42 | 9.94 | 8.69 | 9.11 |
Figure 5는 CCD 카메라를 이용하여 저장한 연소 챔버 내에서 생성된 화염과 화염의 LED backlit 이미지를 보여주고 있다.
Figure 5를 통해 확인할 수 있는 바와 같이 backlit 이미지를 통하여 화염 내에서 생성된 그을음(soot) 입자를 가시화할 수 있고, 화염의 형상을 살펴보면 화염은 원기둥의 형상을 이루는 것을 알 수 있다. 또한 backlit 이미지를 디지털 이미지 프로세싱 기법을 적용하여 나타낸 Figure 6의 backlit 이미지에서 보는 바와 같이, 화염 높이별로 형광색으로 표기한 선을 따라 동일한 위치에서 화염의 반경에 해당하는 부분을 디지털로 변환하여 광도 값을 추출할 수 있고, 화염이 발생하기 전과 후의 광도를 각각 추출하여 식(2)에 대입하면 광투과율을 계산할 수 있다.
여기서 화염을 투과한 레이저 광은 화염 내에 생성된 그을음 입자에 의해 산란/흡수되어 전역 광소멸 이미지 상 그을음이 발생된 지점에서 가장 낮은 광투과율을 보이게 된다. 하지만 화염의 원형 단면을 투과하여 CCD 카메라에 도달한 레이저 광도는 Figure 7에 제시한 바와 같이 시각선(line-of-sight)이 투영된 결과이다. 즉 화염 내부를 투과한 빛의 경로를 적분한 결과를 반영한 투영 광도를 의미하며, 투영 광도의 적분값에 대한 자세한 설명은 선행연구(7)를 통해 확인할 수 있다.
따라서 동일한 위치에서 계산된 레이저 광투과율은 화염 내부를 지나 그을음 입자를 투과하여 CCD 카메라 센서 어레이에 투영된 광도이기 때문에, 본 연구에서 투영된 그을음 농도값 (Pv(r))은 식(6)을 이용하여 구할 수 있고, 화염 높이별로 계산된Pv(r)값은 Figure 6의 그래프를 통해 확인할 수 있다.
화염의 형상이 원형이고 축방향으로 대칭적인 그을음 입자의 농도 분포, fv(r)를 미소 광의 합으로 투영한 Pv(r)함수는 식(7)과 같이 다시 표현할 수 있다(12).
광투과율의 투영 데이터인 Pv(r)로부터 그을음 농도인 fv(r)을 분해적 추정 방식으로는 Onion-peeling과 Abel 변환(deconvolution) 기법이 주로 사용되며, 그 중에서도 일반적으로 Abel 변환을 사용함으로써 상대적으로 잡음(noise)을 줄일 수 있는 것으로 보고되고 있다(13). 따라서 식(7)에 주어진 Pv(r)을 Abel 변환을 이용하여 역변환하면 식(8)을 통해 그을음 입자의 분포함수 fv(r)을 구할 수 있게 된다.
따라서, 본 연구에서는 Abel deconvolution 기법을 통해, 식(8)을 이용하여 Abel 변환의 해석적 해를 Fortran으로 코딩하여 해를 구하고, 변환의 해인 그을음 입자 농도 분포함수 결과를 앞서 언급한 가열로의 온도와 가압식 챔버의 내부 압력 조건하에서 화염 높이별로 계산하여 최종적인 그을음 입자 농도 결과를 Figures 8～10에 나타내었다. 각각의 화염 높이별로, 그을음 입자 농도결과는 압력이 0.1 MPa로 동일하더라도 전기로내의 가열 온도가 증가함에 따라서 무차원 광소멸계수의 증가와 함께 그을음 입자 농도는 감소하는 것을 확인할 수 있다. 또한 가열 온도가 일정하더라도 압력이 상승함에 따라 무차원 광소멸계수는 증가하고 그을음 입자 농도는 역시 감소하는 것을 확인할 수 있다.
Figure 8
Results of soot particle concentration (fv) by combustion conditions, at flame height 32.0 mm.
Figure 9
Results of soot particle concentration (fv) by combustion conditions, at flame height 29.5 mm.
Figure 10
Results of soot particle concentration (fv) by combustion conditions, at flame height 27.0 mm.
4. 결 론
본 연구에서는 화력발전소 등에서 연료로 사용하는 역청탄의 연소과정에서 생성되는 그을음 입자 농도가 연소 압력과 가열 온도와 같은 연소환경 변화에 따라 계산된 무차원 광소멸계수에 의해 어떠한 결과가 나타나는지 확인하였고, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
1) 역청탄의 연소과정에서 동일한 압력이더라도 온도가 550 °C에서 650 °C로 상승하면 무차원 광소멸계수도 8.42에서 9.11까지 달라지고, 동일한 온도에서 압력이 0.1 MPa에서 0.3 MPa로 상승하면 무차원 광소멸계수도 8.42에서 9.94까지 변화됨을 확인하였다.
2) 실험을 통해 획득한 무차원 광소멸계수 값을 이용하고 Abel deconvolution 기법으로 계산한 역청탄의 연소과정에서 형성된 화염 높이에 따른 그을음 입자 농도는 가열 온도와 압력이 증가함에 따라 감소하는 것을 확인하였다.
3) 또한 화염의 높이가 증가함에 따라서 그을음 입자 농도 역시 증가하는 경향을 확인할 수 있었고, 같은 화염 높이라도 무차원 광소멸계수 값에 따라 그을음 입자 농도는 약 15% 정도 차이가 나는 것을 확인하였다.
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