KR100555629B1

KR100555629B1 - 티탄 폐석고를 이용한 시멘트 클링커 제조 방법 및 그 장치

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Publication number: KR100555629B1
Application number: KR1020040115949A
Authority: KR
Inventors: 강현택; 이만호; 민형규; 정용운; 나근주; 김병진; 조광재
Original assignee: 쌍용양회공업(주)
Priority date: 2004-12-30
Filing date: 2004-12-30
Publication date: 2006-03-03

Abstract

본 발명은 티타늄공장에서 발생되는 티탄 폐석고를 발생처에서 시멘트 공장으로 운반하여 부원료로 재활용하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 시멘트 원료의 배합비에 따라 수분 함량이 약 70 ~ 95 중량%인 티탄 폐석고 슬러리를 정량 공급하는 단계; 상기 티탄 폐석고 슬러리와 상기 시멘트 원료를 분쇄 및 혼합하는 단계; 상기 혼합된 티탄 폐석고 슬러리와 시멘트 원료를 1200 ℃ ~ 1500 ℃에서 소성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 클링커의 제조 방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 폐석고를 시멘트공장에서 대량으로 안정적 재활용을 가능하게 함으로서, 기존의 매립처리에 따른 국내의 잔여 매립지 연한 단축을 방지할 수 있고, 해양투기 처리시 발생되는 2차 환경부담을 줄일 수 있으며, 시멘트 제조공장내에서 장기적, 안정적, 경제적으로 재활용할 수 있는 현존하는 최선의 해결책으로써, 폐자원의 적극적인 사용을 가능하게 하여 "자원순환형 사회 구축"에 크게 기여할 수 있다.

티탄 폐석고, 슬러지, 케이크, 혼합 교반기, 정량 이송 펌프

Description

티탄 폐석고를 이용한 시멘트 클링커 제조 방법 및 그 장치{MANUFACTURING METHOD OF CEMENT CLINKER USING WASTE TITAN GYPSUM AND APPARATUS THEREOF}

도 1은 본 발명의 방법에 따라 티탄 폐석고를 처리하는 과정을 개괄적으로 도시한 블록도이다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따라 폐석고의 전처리를 거쳐 원료분쇄기 내부로의 직투입하는 공정도를 도시한 도면이다.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따라 폐석고의 전처리를 거쳐 원료분쇄기의 주부원료 공급수송설비로 투입하는 공정도를 도시한 도면이다.

도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따라 폐석고의 전처리 없이 슬러리 상태 폐석고를 반입하여 원료분쇄기 내부로 직투입하는 공정도를 도시한 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 스크류 믹서(Screw Mixer) 20 : 혼합 교반 저장조(Basin)

30 : 수송 펌프(Pump) 40 : 중간저장조(Tank with Agitator)

50 : 정량 수송 펌프(Pump) 60 : 원료분쇄기

70A, 70B, 70C : 시멘트 주부원료 수송 설비(Belt Conveyor)

본 발명은 티타늄 제조공정 등에서 발생되는 폐석고(약 2만톤/월)를 시멘트 제조공정에서 알칼리 설페이트비(Alkali Sulphate Ratio) 조절용으로 재활용하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 종래에 비해 최소한의 공정에 의해 폐석고를 시멘트의 주부원료로 재활용하는 습식 재활용 방법에 관한 것이다.

이하 본 발명의 명세서에서 '티탄 폐석고'라 함은 티타늄 제조 공정에서 발생하는 케이크 또는 슬러지 형태의 폐석고를 지칭한다.

티타늄 제조 공정에서 발생한 상태의 폐석고 슬러리를 수분을 제거한 케이크 상태의 폐석고를 시멘트 공장에 이송하여 혼합교반기(Basin)에서 슬러리 상태로 만들거나, 또는, 발생처에서 탈수하기 전 슬러리상태의 폐석고를 그대로 운반하여, 시멘트공장의 원료분쇄공정에 직접 투입하여 재활용하는 절차 및 그 방법에 관한 것이다.

이러한 방법을 통해 얻을 수 있는 이점은 폐기물을 시멘트 원료로써 자원화 할 수 있고, 국내의 잔여 매립지 연한을 연장시킬 수 있다는 것이다.

티타늄 제조과정에서 발생되는 폐석고의 형상은 대부분 탈수처리가 된 수분함량 40~60%의 고형 오니형태이다.

우리나라의 경우 티타늄 제조시 발생된 폐석고의 재활용이 거의 이루어지지 않고 있으며, 기존의 폐석고 처리 방법은 간단하고 비용이 가장 저렴한 육상매립과 공해상 투기에 주로 의존하고 있다. 그러나 매립이나 해양투기는 2차 오염 발생의 소지가 있어 "자원순환형 사회구축" 이라는 측면에서 새로운 재활용방안의 모색이 절실하게 요구되고 있다.

폐석고를 시멘트 원료로 사용한 공개기술로는 '보톰애쉬를 주원료로 한 시멘트 제조방법'(등록번호 10-0067650)이 있다.

이 방법은 보톰애쉬를 주원료로 800~1000℃에서 소성한 클링커와 1종보통 시멘트 제조용 클링커를 각각 만들어서 혼합하는 제조방법이며, 폐석고는 그 중 보톰애쉬를 주원료로 한 클링커 제조시 5% 이내가 첨가되어 재활용 된다. 그러나, 실제 이 방법에 의한 재활용 량은 없는 실정이다.

현재 티타늄 생산현장에서는 폐석고의 처리가 심각하다. 왜냐하면 수분의 함량이 40~60% 이어서 저장, 수송 등 취급이 까다롭고, 성분상 재활용 할 수 있는 곳도 매우 한정적이다. 그래서 건조하여 처리하는 방법도 고려되고 있으나, 이 역시 설비투자비 및 운영비용의 과다 지출이 예상된다. 재활용 측면에서는 좋은 방법일 수 있으나 경제성이 없어 근본적인 해결책이 되지 못한다.

한편, 폐석고를 자연 건조하여 시멘트 공정의 부원료로 사용하는 사례도 있는데, 폐석고의 수분 함량이 자연 건조 시키기에는 많기 때문에(40~60%), 건조기간이 오래 걸리고, 사용을 하더라도 이송 중 저장 호퍼(hopper)나 이송 슈트(chute)에 쌓여 막히는 등, 연속공정에서 정상적으로 사용하는데 어려움이 많아, 극소량만이 시멘트공장에서 재활용 되고 있는 실정이다. 이와 같이, 폐석고의 재활용을 위해서는 운영상 편의를 위하여 수분함량을 조절하는 것이 필수적이나, 기계적인 탈수에 의해 수분 함량을 50~80% 이하까지 감소시키는 데에는 한계가 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 시멘트 공정내 폐열을 이용하여 폐석고를 건조한 후, 시멘트 원료로 사용하는 방법도 고려되고 있으나, 제거 대상인 수분이 40% 이상 함유된 폐석고를 건조하는 시설, 예컨대 드라이 크러셔(dry crusher) 및 스크류 컨베이어(screw conveyor) 등을 시멘트공장 내에 추가 설치하여야 하는 부담이 있고, 건조시 발생되는 가스를 처리하기 위하여 시멘트 생산 공정내의 복잡한 라인을 추가하여야 하기 때문에 섣불리 설비투자 결정을 내리기가 곤란하다.

본 발명은 티탄 폐석고와 일반적인 시멘트 부원료와의 성분상 유사성에 착안한 것으로, 티탄폐석고를 시멘트의 Fe₂O₃와 SO₃의 공급원으로써 사용할 수 있는 방법을 개발하는 것이다. 투입성을 좋게 하기 위하여 폐석고를 슬러리 상태로 시멘트원료의 분쇄공정에 직접 투입하여 사용하므로써, 폐기물의 장기적이고 안정적이며 경제적인 재활용 처분 방법을 제공하고자 한다.

또한 시멘트공정상 알칼리(Alkali) 와 설페이트(Sulphate) 성분비 조절(Balance)은 예열실 코팅형성 방지를 위한 설비운휴 측면과 시멘트의 유동성 저하 방지라는 품질 측면에서 매우 중요하다. 최근 시멘트 공정의 주연료인 유연탄의 품질이 수입 산지별로 SO₃변동이 커져, 시멘트원료 생산시 별도의 SO₃ 공급원을 통한 SO₃ 함량 관리를 필요로 하고 있으며, 이에 적합한 부원료를 물색 하던 중 Fe₂O₃와 SO₃를 동시에 공급할 수 있는 티탄폐석고를 선택하였다.

티탄 폐석고를 재활용할 경우, 폐석고의 매립처리에 따른 국내의 잔여 매립지 연한을 연장시킬 수 있고, 폐석고의 해양투기로 인한 2차 환경부담을 줄일 수 있으며, 폐자원을 적극 재활용함으로써, 자원순환형 사회 구축에 크게 기여할 수 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은 수분 함량이 70 ~ 95 중량%인 티탄 폐석고 슬러리를 시멘트 클링커 총 원료 중량에 대해 상기 티탄 폐석고 함량이 0.2~5 중량%가 되도록 정량 공급하는 단계; 상기 티탄 폐석고 슬러리와 상기 시멘트 원료를 분쇄 및 혼합하는 단계; 상기 티탄 폐석고 슬러리와 시멘트 원료의 혼합물을 1200 ℃ ~ 1500 ℃에서 소성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 클링커의 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 방법에서 상기 티탄 폐석고 공급 단계는 티탄 폐석고 케이크를 공급하는 단계; 및 상기 티탄 폐석고 케이크에 가수하여 수분 함량이 약 70 ~ 95 중량%인 티탄 폐석고 슬러리를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.

또한 본 발명은 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 티탄 폐석고에 수분을 공급할 수 있는 티탄 폐석고 슬러리 혼합 교반기; 상기 티탄 폐석고 슬러리와 시멘트 주부원료를 혼합 및 분쇄하는 분쇄기; 상기 시멘트 주부원료의 함량에 따라 상기 혼합 교반기로부터 상기 티탄 폐석고 슬러리를 정량 공급하는 정량 이송 펌프; 및 상기 혼합 및 분쇄된 티탄 폐석고와 시멘트 주부 원료를 소성하는 소성로를 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 클링커 제조 장치를 제공한다.

이하 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 티타늄생산공정에서 발생되는 폐석고의 재활용 방법에 관한 것이다. 폐석고는 탈수과정을 통해 배출시 40~60 중량%의 수분을 함유하고 있다. 수분이외에는 SO₃, Fe₂O₃, SiO₂, Al₂O₃ 등의 무기물로 구성되어 있다. 이때, 무기물은 모두 시멘트 부원료로써 사용가능한 물질이다.

특정자원을 시멘트 원료화하기 위해서는 활용시 시멘트 품질에 영향을 미치지 않고 재활용시 2차 오염발생이 없어야 한다. 또한, 안정된 공급이 지속적으로 이루어져야 하고 경제성이 있으며 공장 내에서 다루기 용이해야 하는 등의 조건을 갖추어야 한다. 표 1에 티탄폐석고의 성분분석 결과를 나타내었다.

일반적인 포틀랜트 시멘트는 석회석, 점토, 규석, 산화철을 주원료로 하며 이들 성분을 분쇄, 배합 및 소성하여 제조된다. 배합은 시멘트 공장내 품질규격치에 따라 여러 원료물질의 혼합에 의한다. 본 발명에서는 시멘트 원료로 배합되는 재료의 하나로서 폐석고를 활용한다. 제작된 배합프로그램의 계산에 따른 배합비는 전체 원료대비 0.2~5 중량%내에 사용이 가능하며, 쌍용양회공업㈜ 동해공장 단일 공장만으로도 5만톤/년 가량의 처분이 가능하다. 소성은 킬른이라는 경사진 연속식 소성로에서 약 1200 ~ 1500 ℃, 바람직하게는 1450 ℃ 조건하에 중간 제품인 크링카를 생산하는 공정이다. 이때 유지되는 소성온도에서는 다이옥신이 분해되어 제2의 환경오염원의 발생이 없는 것으로 알려져 있다.

본 발명에 따라 폐석고를 시멘트 원료로 재활용하는 방법은 도 1에 도시된 바와 같이, 폐석고의 형태(케이크, 슬러리)와 폐석고 투입 지점(원료분쇄기 내부로 직투입, 주부원료 수송라인에 투입)에 따라 다음과 같은 다양한 유형이 가능하다. 그러나, 이하 설명하는 유형은 본 발명의 구현예를 예시하는 것에 불과하다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 폐석고를 이용한 크링커 제조 공정을 나타내는 공정도로서, 케이크 상태로 반입되는 폐석고를 슬러리 상태로 전처리하여 원료분쇄기 내부로 직투입하는 방법을 도시하고 있다.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 폐석고를 이용한 크링커 제조 공정을 나타내는 공정도로서, 케이크 상태로 반입되는 폐석고를 슬러리 상태로 전처리하여 원료분쇄기 주부원료의 수송 장치에 투입하는 방법을 도시하고 있다.

도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 폐석고를 이용한 크링커 제조 공정을 나타내는 공정도로서, 슬러리 상태로 반입되는 폐석고를 원료분쇄기 내부로 직투입하는 방법을 도시하고 있다.

먼저 도 2를 참조하면, 케이크 상태로 이송된 폐석고는 먼저 스크류 믹서(screw mixer, 10)를 통해 부분적으로 물과 혼합된다. 이어서, 폐석고는 혼합 교반 저장조(Basin, 20)에 투입되어 물과 혼합되어 수분 함량이 약 70~95 중량%인 슬러리 상태로 된다. 이어서, 슬러리 상태의 폐석고는 수송 펌프(30)를 통해 중간 저장조(40)로 이송된다. 상기 중간 저장조(40)는 교반기(agitator)를 구비하여 상기 중간 저장조(40) 내부에 무기물의 침전이 발생하지 않도록 슬러리를 지속적으로 교반한다. 정량 수송 펌프(50)는 상기 저장조(40) 내의 슬러리를 원료 분쇄기(60)로 투입한다. 상기 정량 수송 펌프(50)는 원료 조정실의 통제에 따라 상기 원료 분쇄기(60)로 정해진 량의 폐석고 슬러리를 투입한다. 상기 정량 수송 펌프의 동작은 통상의 클링커 제조에 필요한 폐석고의 량과 시멘트 주부원료의 량에 의해 당업자가 용이하게 설정할 수 있는 것이므로 여기서는 설명을 생략한다. 또한 이에 사용되기에 적합한 상용의 배합 프로그램은 당업계에 널리 알려져 있다. 원료 분쇄기(60)는 투입된 폐석고 슬러리 및 기타의 시멘트 주부원료를 분쇄 및 혼합한다.

다음으로 도 3을 참조하면, 케이크 상태로 이송된 폐석고는 스크류 믹서(screw mixer, 10)를 통해 부분적으로 물과 혼합된다. 본 실시예에서 스크류 믹서에서의 혼합 과정을 생략될 수 있다. 이어서, 폐석고는 혼합 교반 저장조(Basin, 20)에 투입되어 물과 혼합되어 수분 함량이 약 70~95 중량%인 슬러리 상태로 된다. 상기 혼합 교반 저장조는 무기물의 침전이 발생하지 않도록 슬러리를 지속적으로 교반한다. 이어서, 정량 수송 펌프(50)는 사전 설정된 량의 폐석고 슬러지를 컨베이어 벨트와 같은 시멘트 주부원료 이송 설비(70A, 70B, 70C)로 이송한다. 상기 시멘트 주부원료 이송 설비는 석회석, 세일(shale), 철광석 등 시멘트 클링커 제조에 사용되는 주부 원료를 이송하는 설비이다. 별도로 도시하지는 않았지만, 상기 시멘트 주부 원료 이송 설비는 배합된 폐석고 슬러지와 시멘트 주부 원료를 원료 분쇄기로 이송한다.

다음, 도 4를 참조하면, 슬러리 상태로 이송된 폐석고는 혼합 교반 저장조(20)로 투입된다. 본 실시예에서는 상기 슬러리 상태의 폐석고가 수분 함량이 70 ~ 95 중량%인 경우에 적용되기에 적합하다. 이와 같이 슬러지 상태로 투입된 폐석고는 도 1과 관련하여 설명한 바와 같이, 이송 펌프(30), 중간 저장조(40), 정량 수송 펌프(50)을 거쳐 원료 분쇄기(60)로 이송하며, 여기서 폐석고 슬러리와 주부 원료의 혼합이 이루어진다.

이상 설명한 실시예에서 동절기중 저장되어 있는 슬러리의 동결, 침전, 유동 성 저하 등의 방지를 위해 상기 혼합 교반기 및 중간 저장조 등에는 스팀라인이 설치될 수 있으며, 이들 장치에는 슬러리를 상시 교반하는 교반기가 부착될 수 있다.

다음의 예는 본 발명을 설명할 목적으로 제시되는 것이며 본 발명이 이에 국한하는 것은 아니다.

실시예

원료가 되는 티탄 폐석고는 I 소재 티타늄 생산공장의 폐석고를 채취적용하였다. 5톤을 처리시켰다. 처리 폐석고의 수분함량은 80~85 중량%였으며, 클링커 원료로서의 폐석고 사용량은 전체원료 대비 1.02 중량%였다. 또한, 본 발명과의 대비를 위해 폐석고를 사용하지 않고 기존의 클링커 제조방법에 따라 클링커를 제조하였다. 클링커의 소성은 약 1450 ℃에서 수행하였다.

티탄폐석고의 화학성분(중량%; 전체 100 중량%를 기준으로 할 때는 부착 수 제외)

SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	SO₃	K₂O	Na₂O	강열감량(LOI)	결합수	부착수
3.9	3.9	15.45	26.80	0.0	23.65	0.13	0.1	6.95	17.68	33.25

원료배합비

구분	클링커 원료 배합비(중량%)
구분	석회석	만종점토	폐석고	백운규석	전로슬래그
기존방법	89.12	6.546	-	1.76	2.56
실시예	88.72	6.48	1.02	2.24	1.54

클링커 광물조성 및 클링커 소성 공정 중 순환물질 함량변화

구분	광물조성(중량%)				순환물질 함량(중량%)
구분	C₃S	C₂S	C₃A	C₄AF	K₂O	Na₂O	Cl(ppm)
기존방법	51.48	25.54	8.97	10.39	1.51	0.14	57.29
실시예	51.60	25.60	8.99	10.42	1.33	0.16	73.98

S : SiO₂, A : Al₂O₃, C : CaO, F : Fe₂O₃

기존의 방법과의 비교시, 폐석고는 전로슬래그의 주요 대체물이었으며, 배합이후 광물조성 비교에서도 폐석고가 활용 안된 기존조건과 큰 차이가 없음을 확인했다. 이는 제품으로 사용하는 원래의 원료에 비해 폐석고의 성분이 다량의 불순물들로 이루어졌음을 고려할 때, 상대적으로 우수한 특성이라고 판단할 수 있었다. 순환물질의 함량변화는 시멘트 제조공정상에 문제가 되나, 변화량이 공정규제범위에 미치지 못해 그 영향은 미미하였다.

이와 같이, 제조된 몰탈 제조후 강도 테스트를 통한 검증실험을 수행하였다. 아래 표 4는 강도테스트 결과이다.

클링커 몰탈실험 결과(테스트 규격 : KS L5105)

구분	Flow	압축강도(kgf/cm²)
구분	Flow	1일	3일	7일	28일
기존 방법	85.3	56	245	336	378
실시예	80.7	58	249	330	373

압축강도 테스트결과 기존 생산되고 있는 클링커의 결과치와 유사한 결과를 보였다. 그러므로 본 발명에 따른 폐석고에 활용으로 시멘트 부원료화가 가능함이 입증되었다.

폐석고를 시멘트공장에서 대량으로 안정적 재활용을 가능하게 하므로서, 기존의 매립처리에 따른 국내의 잔여 매립지 연한 단축을 방지할 수 있고, 해양투기 처리시 발생되는 2차 환경부담을 줄일 수 있다.

시멘트 제조공장내에서 장기적, 안정적, 경제적으로 재활용할 수 있는 현존하는 최선의 해결책으로써, 폐자원의 적극적인 사용을 가능하게 하여 "자원순환형 사회 구축"에 크게 기여할 수 있다.

Claims

수분 함량이 70 ~ 95 중량%인 티탄 폐석고 슬러리를 시멘트 클링커 총 원료 중량에 대해 상기 티탄 폐석고 함량이 0.2~5 중량%가 되도록 정량 공급하는 단계;

상기 티탄 폐석고 슬러리와 상기 시멘트 원료를 분쇄 및 혼합하는 단계; 및

상기 티탄 폐석고 슬러리와 시멘트 원료의 혼합물을 1200 ℃ ~ 1500 ℃에서 소성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 클링커의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 티탄 폐석고 공급 단계는

티탄 폐석고 케이크를 공급하는 단계;

상기 티탄 폐석고 케이크에 가수하여 수분 함량이 70 ~ 95 중량%인 티탄 폐석고 슬러리를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 클링커 제조 방법.
티탄 폐석고에 수분을 공급할 수 있는 티탄 폐석고 슬러리 혼합 교반기;

상기 티탄 폐석고 슬러리와 시멘트 주부원료를 혼합 및 분쇄하는 분쇄기;

상기 시멘트 주부원료의 함량에 따라 상기 혼합 교반기로부터 상기 티탄 폐석고 슬러리를 정량 공급하는 정량 수송 펌프; 및

상기 혼합 및 분쇄된 티탄 폐석고와 시멘트 주부 원료를 소성하는 소성로를 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 클링커 제조 장치.