벌크선 운송 - Coal(석탄) 6편

7. 자연발화

7.1 원인과 형태

 석탄의 자연발화 현상은 다음과 같은 이유로 발생한다고 알려져 있다.

- 석탄이 공기 중의 산소 및 석탄과 접촉하는 물속의 산소를 흡수하여 서서히 열이 발생한다.

- 석탄 입자의 크기가 작을수록 산화 속도가 증가하여 자연발화 발생률이 높다.

- 석탄 더미의 내부 온도가 10℃ 상승하면 석탄의 산소 흡수율은 약 2배로 높아진다.

- 석탄의 자연발화는 석탄의 탄화도, 휘발분, 수분, 유화 철광 및 불순물에 의한 산화와 산소 흡수량 등 여러 요인이 복합되어 발생한다.

석탄의 자연발화 발생빈도가 높은 부위

- 특히 Calcutta, Virginia, USA, Clyde, NSW 등에서 적재되는 석탄은 자연발화가 매우 용이하다.

 

7.1.1 석탄의 자연발화는 석탄의 온도가 55℃ 이상일 때 일어나며 온도 상승은 선창 내에서 자연 반응에 의한다.

7.1.2 신탄은 산화작용이 왕성하며 특히 건조하면 파쇄되기 쉬워 신표면이 노출됨으로써 발열 현상이 왕성하다. 채탄 후 광산 부근의 야적장에서 Barge로 운송되어 강하구 등에서 선적되는 경우 온도 상승이 현저한데 노천에 야적 후 Buldoger 등으로 여러 번 뒤섞이면서 온도 저하 및 Gas Free 효과를 얻을 수 있다.

7.1.3 석탄의 생성기가 어릴수록 자연발화가 용이하다. 단, 니칸은 다량의 수분을 함유함으로서 자연 발화하기 어렵다. 

7.1.4 적재시 원추형의 Piles 모양으로 계속 적재되는 경우 Coal은 알갱이의 크기에 따라 분리되는 경향이 있다.

즉, 굵은입자는 Cone의 외측으로 굴러내리는 경향이 있으며, 미세한 입자는 크기에 따라 중심부를 향하여 점진적으로 배열된다. 굵은 입자의 Coal은 경사진 층을 형성 적재층의 중심부로 산소를 다량 함유한 공기를 유입시킬 수 있는 통로를 형성함으로써 열이 용이하게 발산되지 않은 경우에는 산화작용을 촉진시켜 Hot spot를 형성 적재층내에 화재의 원인이 된다.

7.1.5 함유물에 의한 자연발화

석탄중에 철과 유황의 함유물, 즉 유화철이 많이 함유된 경우 공기 중의 산소와 화학반응하는 과정에서 자연발화가 용이하다. 특히 함습량이 많은 경우는 유화철의 산화작용이 가속도로 증대된다. 수분을 다량 함유한 석탄은 쾌청한 날에 노출되면 석탄의 표면은 내부에 비하여 급속하게 수분을 흡수, 팽창함으로써 파열되는 바 석탄괴에 균열을 발생시켜 새로운 표면이 노출되어 산화작용이 촉진된다.

7.1.6 석탄중의 불순물에 의한 자연발화

석탄보다 발화점이 낮은 목재, 종이, 면 같은 유기불순물이 석탄 중에 혼입 되어 있는 경우, 석탄의 발열로 인하여 이러한 불순물이 연소하면서 석탄의 발화를 일으킨다.

7.1.7 석탄 입자의 대소에 의한 자연발화

석탄은 상온에서 항상 공기중의 산소를 흡입하여 완전히 연소를 진행하면서 다소의 열을 발생하는데 소입자는 단위 중량에 대한 표면적이 확대되어 산소와 접촉면이 증대되어 산화작용이 용이하여 급속하게 발열되고 내부의 조그만 간격으로 열의 방산이 차단된다.

7.1.8 고온도에 의한 자연발화

온도의 상승은 자연발화를 촉진시키어 29~38℃의 온도가 연속적으로 가해지면 발화한다. 따라서 고열의 격벽 또는 고열관에 접촉하며 석탄을 적재하지 않아야 한다. 

7.1.9 일반적으로 저탄소 함유탄이 발화하기 쉽다. 즉 Anthracite나 고도 Bituminous 같은 탄소 다량 함유탄은 매우 낮은 정도로 열을 발생시키는 바 보통 대기 중에 흩어지고 형성되지 않으나, 낮은 Bituminous coal 등 대부분의 Streaming coal은 열 발생률이 매우 높으므로 적절하게 취급하거나 적재하지 않으면 Barge나 선창에 적재될 때 자연발화한다.

Natural ventilation on the Hatch cover

7.2 자연발화 예방법

7.2.1 공기 차단법

석탄의 산화작용의 원인이 되는 산소와 탄소의 접촉을 차단하는 방법으로 통상 미국에서 이용되는데, 선창을 몇 개의 구획으로 하여 석탄을 적재한 수 그 위에 Roller를 걸쳐 선창을 공간이 없이 만들고 Hatch cover, 통풍통 등은 밀폐시킨다. 이 방법은 저탄장을 소규모로 하여 공기의 유통을 적게 하고 산소의 공급을 억제하는 점에서 좋은 방법이지만 실질적으로 창내의 공기를 완전하게 제거하기는 불가능하다. 일반적으로 분탄을 적재한 경우 탄층 내의 공간은 30~40%로 이것을 인위적으로 압축하여도 20~30% 정도로 줄이는데 불과하며, 또 석탄의 위약성 때문에 과도하게 압축하면 붕괴하여 새로 발생한 석탄면이 산화되어 반대의 결과를 초래하는 경우도 있다.

7.2.2 환기법

소극적 통풍법에 의하여 창내에 축적된 열을 발산하는 방법이다. 하지만, 환기에 의하여 새로운 공기를 창내에 유입하여 석탄의 산화를 촉진시키는 반대의 결과를 초래하는 수도 있다. 

7.2.3 탄산가스법

탄층의 공간 내에 잔재한 공기를 탄산가스와 대체하여 산화를 억제시키는 방법으로 환기법보다는 과학적이지만 탄층 내의 공간에 탄산가스를 완전하게 침투시키는 것은 불가능하다. 석탄에서 발생된 고열을 적절하게 통풍시키는 실질적으로 어려운 바 가장 효과적인 방법은 탄층내에 산소의 공급을 억제하는 방법으로 적재면을 Trimming 하여 Air가 유입될 수 있는 적재 표면을 봉쇄하고 적재 상승부를 Compacting 하여 적재 내부에 Air 유입을 감소시키며, 선창과 통풍통을 폐쇄하여 창내에 유입되는 산소량을 최소로 한다. 이 경우 고려하여야 할 문제는 통풍을 시행하지 않음으로써 석탄으로부터 발생되는 Methan Gas의 폭발 농도 형성의 가능성이 높아진다.

 

7.3 선창 내 화재 발생 시 소화방법

7.3.1 Dry ice에 의한 소화(냉각방법)

7.3.2 증기를 주입하여 산소를 차단하는 방법

7.3.3 Carbon Dioxide, Inert Gas, High Expansion Foam 등을 분사(연기 발생 등 화재 초기에 가장 효과적인 방법)

7.3.4 해수를 주수하여 화재 부위를 냉각시키는 방법

항해 중에는 선박의 복원성 등을 고려하여야 하며, 부득이하게 이용 시 선외 배출의 배수 등을 감안하여 시행.

부분적인 주수를 시행할 시 석탄의 표면을 Coke화 하는바 효과가 적다.