KR100558786B1 - 로터리 킬른 생석회 온도 안정화 및 열효율 개선 장치 - Google Patents

로터리 킬른 생석회 온도 안정화 및 열효율 개선 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 로터리 킬른에서 제조되는 생석회의 냉각 효율을 향상시키고, 생석회 소성에 필요한 열 효율을 개선시키는 로커리 킬른 생석회 온도 안정화 및 열효율 개선 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 로터리 킬른(Rotary Kiln)의 온도 안정화 및 열효율 개선 장치에 있어서, 생석회의 소성 반응에 필요한 열량을 효율적으로 공급하기 위하여 회전하는 킬른의 단면인 원의 중심부에서 생석회 이동 방향으로 편향되어 설치되어 있는 로터리 킬른의 버너 프레임(Burner Frame);을 포함하고, 다수의 방열판 날개가 상기 킬른 내벽으로부터 일정 간격씩 떨어지도록 임펠러(Impeller) 형태로 상기 버너 프레임의 일측에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 로터리 킬른의 온도 안정화 및 열효율 개선 장치를 제공한다.
로터리 킬른, 생석회, COG, 방열판

Description

로터리 킬른 생석회 온도 안정화 및 열효율 개선 장치 {Improvement device for cooling efficiency of burnt lime in rotary kiln}
도 1은 로터리 킬른에 장입된 석회석의 소성 및 냉각 과정을 도시한 개략도이고,
도 2는 일반적인 로터리 킬른 조업에서 나타나는 생산성에 따른 냉각 공기 유량과 냉각 공기 주입비에 따른 COG(coke oven gas: 코크스 가스) 사용량의 상관 관계를 나타낸 그래프이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 방열판 설계를 위한 기본 설계도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 방열판의 상세 설계도이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 공기 유도 플레이트의 개략적인 설계도이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 공기 유도 플레이트의 상세 설계도이고,
도 7은 열전달 및 유동 해석을 위한 기하학 설정 모델 도면이고,
도 8은 기존 킬른의 형상을 기준으로 하여 방열판을 설치한 경우 및 방열판과 냉각 공기 유도 플레이트를 모두 설치한 경우를 구분하여 각각 X-Z 2차원 기하학 모델을 나타낸 도면이고,
도 9는 방열판 및 유도 플레이트 설치 조건에 따른 케이스별 COG와 냉각 공기의 혼합율을 해석한 결과를 나타내는 도면이고,
도 10은 버너 프레임 선단에서의 냉각 공기의 유동 현상 변화를 나타낸 도면이고,
도 11은 도 10에 도시된 케이스별 냉각 공기의 유동 현상을 해석한 결과 도면이고,
도 12는 버너 프레임 선단에서의 분위기 온도 해석 결과를 나타낸 도면이고,
도 13은 소성 영역에서의 분위기 온도 해석 결과를 나타낸 도면이고,
도 14는 위치별 생석회 온도 해석 결과를 보여주는 도면이고,
도 15는 실공정 방열판 및 냉각 공기 유도 플레이트를 설치한 경우의 도면이고,
도 16은 방열판을 설치하기 전/후의 생석회 상부와 방열판 주변의 온도를 실측한 결과를 보여주는 도면이고,
도 17은 방열판 설치 전/후의 냉각 공기 유량 및 생석회 제품 온도의 변화를 보여주는 도면이고,
도 18은 냉각 공기 유도 플레이트 설치 전/후의 조업 데이터 변화를 나타낸 도면이고,
도 19는 방열판 설치시와 방열판 및 유도 플레이트 동시 설치시의 동일 생산성 조건하에서 COG 사용량 변화를 나타낸 도면이고,
도 20은 방열판 및 유도 플레이트 설치 전/후의 소성도를 비교한 도면이다.
본 발명은 로터리 킬른 생석회 온도 안정화 및 열효율 개선 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 로터리 킬른에서 제조되는 생석회의 냉각 효율을 향상시키고, 생석회 소성에 필요한 열 효율을 개선시키는 로커리 킬른 생석회 온도 안정화 및 열효율 개선 장치에 관한 것이다.
생석회(CaO)는 제강 공정에서 탈황 등의 정련을 위한 조제재로 사용되고 있으며, 이의 생산을 위하여 보통 석회 소성 공정을 별도로 설치하여 운영하고 있는데, 고청정강의 제조를 위해서는 고품질의 생석회가 요구되고 있다. 생석회는 로터리 킬른(Rotary Kiln) 또는 샤프트 킬른(Shaft Kiln) 내부에 장입된 석회석(CaCO3)을 버너(Burner)로부터 방사된 화염 및 그 주변 온도에 의하여 소성시킴으로써 제조된다.
로터리 킬른에서의 소성 공정은 장입 호퍼를 통하여 장입된 석회석이 경사진 채 회전하는 킬른 내부로 이동되고, 이때, 버너 프레임(Burner Frame) 선단에서 발생하는 1600 ℃ 이상의 화염과 그 주변 온도로 가열되어 생석회로 소성된다. 이 과정에서 생석회가 생성되는 반응식은 아래의 [수학식 1]과 같다.
CaCO3 + heat = CaO + CO2
상기 [수학식 1]과 같이 소성된 생석회는 버너 룸(Burner Room)과 냉각기를 거쳐 배출 호퍼(Hopper)에 일시적으로 저장되고, 일정 시간이 경과된 후, 제강 공정에 사용하게 된다. 이때, 냉각기로 장입되는 생석회의 온도는 약 1000 ℃ 정도가 된다.
이러한 과정으로 소성 제조된 생석회는 이후 컨베이어 벨트에 의하여 다음 공정으로 이동되는데, 통상의 정상 조업에 있어서, 제품 생석회의 온도는 이송용 컨베이어 벨트의 운전 기준으로 150 ℃ 이하이지만, 화재 발생을 고려하여 통상의 경우, 100 ℃ 이하로 관리되고 있는 실정이다.
도 1은 로터리 킬른에 장입된 석회석의 소성 및 냉각 과정을 도시한 개략도이다.
온도가 높은 하절기를 비롯하여, 많은 생산량이 요구될 경우, 또는, 생석회가 과소성된 경우에는 제품 생석회의 온도가 너무 높아 조업상의 차질을 초래하게 된다. 이러한 문제를 기술적으로 해결하기 위하여 다양한 해결책을 모색하고 있는데, 생석회 온도 상승을 억제하기 위하여 냉각기 하부에서 흡인되는 냉각 공기의 유량을 증가시키거나, 냉각기로부터 생석회의 절출을 정지시키고, 냉각 공기만을 주입하는 방법이 사용되어 왔다. 또한, 상기 방법으로 해결되지 아니할 때에는 버너의 화염 온도를 낮추고, 생산 속도를 저감시킴으로써, 제품의 온도를 일정 수준 이하로 유지한다.
그러나, 상술한 방법들은 공정상 생산성의 저하 및 전력의 낭비 등 경제적으로 손실을 초래하게 되는 문제점이 있다.
도 2는 일반적인 로터리 킬른 조업에서 나타나는 생산성에 따른 냉각 공기 유량과 냉각 공기 주입비에 따른 COG(coke oven gas: 코크스 가스) 사용량의 상관 관계를 나타낸 그래프이다. 도 2에 도시되어 있듯이, 생산성 증가는 소성 후, 냉각기 내로 장입되는 생석회의 양 증가를 의미하므로, 냉각 공기의 양은 자연히 증가하여야 한다. 그러나, 이러한 냉각 공기 증가는 킬른 버너의 COG 공연비와 직접적인 상관이 있다. 즉, 연소 공기의 증가에 따라 연료인 COG의 공급량도 증가해야 한다. 또한, 상술한 바와 같이, 냉각 공기의 증가는 COG 사용량 증가뿐만 아니라, 킬른 내 배가스를 흡인하는 IDF(induced draft fan: 유인환풍기)에 과부하를 주는 원인이 되므로 조업상 한계가 있다.
따라서, 생석회 냉각 효율을 향상시키면, 동일한 냉각 효율을 얻기 위한 냉각 공기 주입량을 감소시킬 수 있으므로, 생산성의 향상 및 연료 사용량의 저감 등을 기대할 수 있다. 한편, 본 출원인은 버너로부터 발생하는 복사열을 차단하고, 냉각 공기의 흐름에 저항을 주지 않는 방열판을 설치함에 따른 생석회 냉각 효율 향상 방법에 관한 특허를 이미 출원한 바 있다.(출원 번호 : 2000-072319)
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 로터리 킬른에서 제조되는 생석회의 냉각 효율을 향상시키고, 생석회 소성에 필요한 열 효율을 개선시키는 로커리 킬른 생석회 온도 안정화 및 열효율 개선 장치를 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면, 로터리 킬른(Rotary Kiln)의 온도 안정화 및 열효율 개선 장치에 있어서, 생석회의 소성 반응에 필요한 열량을 효율적으로 공급하기 위하여 회전하는 킬른의 단면인 원의 중심부에서 생석회 이동 방향으로 편향되어 설치되어 있는 로터리 킬른의 버너 프레임(Burner Frame);을 포함하고, 다수의 방열판 날개가 상기 킬른 내벽으로부터 일정 간격씩 떨어지도록 임펠러(Impeller) 형태로 상기 버너 프레임의 일측에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 로터리 킬른의 온도 안정화 및 열효율 개선 장치를 제공한다.
또한, 보다 더 양호하게는, 상기 다수의 방열판 날개는 연소 공기와 연료의 혼합물을 향상시키기 위하여 공기 진행 방향으로 10 ~ 45 도로 경사지도록 상기 버너 프레임의 일측에 부착되어 있도록 한다.
또한, 로터리 킬른(Rotary Kiln)의 온도 안정화 및 열효율 개선 장치에 있어서, 버너 룸 내부에서의 냉각 공기의 유동 현상을 고려하여 냉각 공기가 생석회의 냉각에 효율적으로 이용될 수 있도록, 냉각 공기의 흐름을 상기 킬른 본체의 하부쪽으로 유도함으로써, 생석회가 이동하는 방향으로 바꾸어 주는 냉각 공기 유도 플레이트(Plate)가 버너 프레임(Burner Frame) 하부에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 로터리 킬른의 온도 안정화 및 열효율 개선 장치를 제공한다.
또한, 보다 더 양호하게는, 상기 냉각 공기 유도 플레이트는 냉각 공기의 흐 름을 생석회 생산성에 따라 조절할 수 있도록 버너 룸(Burner Room) 수평면을 기준으로 30 ~ 70도의 각도로 설치되도록 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 일 실시예에 따른 로터리 킬른 생석회 온도 안정화 및 열효율 개선 장치를 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 방열판 설계를 위한 기본 설계도이다. 상술한 바와 같이 생석회의 냉각용 공기는 킬른 내부의 COG 연소에 이용되므로, COG와 연소 공기의 혼합율 저하에 의한 연소 효율 저하를 억제하고, 동시에 복사열을 차단할 수 있게끔 방열판을 설계하였다. 도 3의 (a)는 이러한 방열판의 개략적인 스케치 도면이다.
도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 로터리 킬른의 버너 프레임(Burner Frame)은 생석회의 소성 반응에 필요한 열량을 효율적으로 공급하기 위하여 회전하는 킬른의 단면인 원의 중심에 위치하지 아니하고, 생석회 이동 방향으로 설치되어 있다. 즉, 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이, 킬른 단면 원의 중심으로부터 약 225mm 이동되어 프레임이 설치되어 있다. 따라서, 전체 킬른 단면 원의 동일한 부분을 가리기 위하여 방열판의 날개를 8 등분하고 각각의 날개 크기 및 각도를 조절하여 킬른 내벽으로부터 모두 600mm 씩 떨어지게 하였으며, 상기 8개의 날개는 양분된 원통형 파이프(Pipe)에 일정 경사각으로 용접하여(임펠러(Impeller) 형태) 프레임에 설치 및 제거가 용이하도록 하였다.
한편, 상기 방열판의 날개는 연소 공기와 연료의 혼합율을 향상시키기 위하 여 공기 진행 방향을 기준으로 경사가 있는 것이 좋은 바, 경사 각도를 변경시키면서, 혼합율의 향상 정도를 실험한 결과, 대략 10 ~ 45 도에서 좋은 결과를 보여 주었다.
도 4는 도 3에 도시된 방열판의 상세 설계도이다. 냉각 공기 유도 플레이트(Plate)는 상기 버너 룸 내부에서의 냉각 공기의 유동 현상을 고려하여 냉각 공기가 생석회의 냉각에 효율적으로 이용될 수 있도록, 냉각 공기의 흐름을 킬른 본체의 하부쪽으로 유도할 목적으로 설계되었다.
도 5는 상기 냉각 공기 유도 플레이트의 개략적인 설계도이다. 냉각 공기는 팬(Fan)에 의하여 약 500 mmH2O의 압력으로 냉각기를 통과하여 상기 버너 룸으로 상승하며, 킬른 후반부의 IDF에 의하여 상기 버너 룸의 압력은 -10 ~ -5 mmH2O 정도이다. 따라서, 종래의 냉각 공기는 킬른 내부에서 도 5의 (a)와 같은 유동을 나타낼 것이다. 반면에 도 5의 (b)와 같이 버너 프레임 하부에 냉각 공기의 유동을 생석회가 이동하는 방향으로 바꾸어 줄 수 있는 판을 설치하면, 상기 버너 룸의 모서리 부분의 와류도 방지하고, 생석회의 냉각 효율을 향상시킬 수 있음을 예측할 수 있다.
도 6은 도 5에 도시된 냉각 공기 유도 플레이트의 상세 설계도이다. 상기 유도 플레이트는 각도를 상기 버너 룸 수평면을 기준으로 약 45 ~ 60 도까지 조절할 수 있도록 설계하였다. 한편, 본 실시예에서는 상기 각도를 45 ~ 60 도가 되도록 설계하였지만, 실험 결과, 약 30 ~ 70 도 범위까지는 좋은 효율을 보였다.
이러한 방열판 및 유도 플레이트의 실공정 설치 전, 킬른 내부와 상기 버너 룸의 분위기 온도 및 생석회 온도 변화를 예측하기 위하여 킬른 내 열전달 및 유동 해석을 실시하였다.
도 7은 열전달 및 유동 해석을 위한 기하학 설정 모델 도면이다. 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이 킬른의 냉각기, 버너 룸 및 회전로의 전반부를 3차원으로 모델링하여 실조업에서의 냉각 공기 유입 조건, 생석회 초기 온도 및 COG 주입비 등의 경계 조건을 설정하였다.
열전달 및 유동 해석은 3차원 솔리드 모델링(Solid Modelling)을 통하여 계산을 하였고, 도 7의 (b)에 나타낸 바와 같이 2차원 단면으로 등온선 및 유속 벡터 등을 이용하여 계산된 결과를 나타내었다. 상기한 계산은 기존 킬른의 형상을 기준으로 하여 방열판을 설치한 경우 및 방열판과 냉각 공기 유도 플레이트를 모두 설치한 경우를 구분하여 각각의 케이스에 대하여 실시하였다.
도 8은 기존 킬른의 형상을 기준으로 하여 방열판을 설치한 경우 및 방열판과 냉각 공기 유도 플레이트를 모두 설치한 경우를 구분하여 각각 X-Z 2차원 기하학 모델을 나타낸 도면이다.
생석회의 냉각 효율 향상을 위하여 냉각 공기의 킬른 내 유동을 조절할 때, 가장 주의하여야 할 점은 COG의 연소에 미치는 영향을 평가하는 것이다. 왜냐하면, 생석회 냉각 효율 향상만을 위하여 냉각 공기의 흐름을 바꿀 경우, COG와 연소 공기의 혼합율이 낮아져 연소에 문제가 생길 우려가 있기 때문이다.
도 9는 방열판 및 유도 플레이트 설치 조건에 따른 케이스별 COG와 냉각 공 기의 혼합율을 해석한 결과를 나타내는 도면이다. 도 9에 도시된 바와 같이 방열판을 설치함에 따라 연소 공기와 COG의 혼합 영역이 확대되는 현상을 확인할 수 있으며, 연소 초점이 버너 프레임 선단 부분으로 이동한다는 것을 알 수 있다. 즉, 하부로부터 유입된 냉각 공기가 방열판을 통과하며, 와류를 형성시킴에 따라, 연소 공기와 COG의 혼합율 증가에 의한 연소 영역의 확대를 예측할 수 있다. 이러한 연소 영역의 확대는 회전하는 킬른 본체의 바닥으로 이동하는 생석회로의 열량 공급량을 증가시키게 되므로, 석회석의 소성도를 향상시킬 수 있다는 것을 의미한다.
도 10은 버너 프레임 선단에서의 냉각 공기의 유동 현상 변화를 나타낸 도면이다. 방열판의 설치에 따라 케이스 1과는 달리 방열판 앞쪽(A)의 압력 저하가 일어나고, 따라서, 상부로 유입된 냉각 공기가 화염을 아래 방향으로 눌러 주는 현상이 발생하게 된다. 생석회가 이동하는 하부에서는 방열판 설치에 따라 방열판 바로 아래 부분의 냉각 공기 유속은 증가하나, 도 10의 B 위치 이후에서는 역흐름(Revers Flow)이 형성되는 것을 알 수 있다. 그러나, 케이스 3과 같이 유도 플레이트 설치에 따라 방열판 아래 생석회 이동부(B')에서도 냉각 공기의 유속이 증가함을 확인할 수 있었다.
도 11은 도 10에 도시된 케이스별 냉각 공기의 유동 현상을 해석한 결과 도면(Y-Z 단면, X=7.000mm)으로서, Y-Z 단면에서의 유동 현상을 비교한 결과이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 방열판과 유도 플레이트를 설치한 경우가 기존에 비하여 노즐 선단에서의 와류 발생이 더 큰 것을 확인할 수 있으며, 이러한 결과로부터 화염의 폭이 증가함을 예측할 수 있다. 즉, 방열판의 설치에 따른 연소 공기 와 COG의 혼합율 증가와 유도 플레이트 설치에 따른 생석회 이동부의 냉각 공기 유속 증가로 석회석의 소성에 필요한 열량의 공급은 증가시키고, 소성 이후 생석회의 냉각 효율은 향상시키는 효과를 동시에 얻을 수 있음을 예측할 수 있다. 이와 같은 해석 결과로부터 상기한 냉각 공기의 유동 변화에 따른 연소 효율의 저하는 없슴을 확인 할 수 있다.
도 12는 버너 프레임 선단에서의 분위기 온도 해석 결과를 나타낸 도면(Y-Z 단면, X = 3m)으로서, 방열판 설치 위치, 즉, 생석회의 냉각이 시작되는 위치에서의 분위기 온도를 케이스별로 나타낸 것이다. 기존 온도 분포에 비하여 방열판 및 유도 플레이트를 설치하면, 도 12에 도시된 500 ℃ 이상의 온도 영역이 좁아짐을 확인할 수 있다. 방열판과 유도 플레이트 설치에 따라, 킬른 상부와 생석회 방향의 고온 영역이 동시에 좁아졌으며, 이러한 결과는 소성 이후 생석회가 냉각되는 지점의 분위기 온도 저하를 의미하므로, 냉각 효율의 향상을 예측할 수 있다.
도 13은 소성 영역에서의 분위기 온도 해석 결과를 나타낸 도면(Y-Z 단면, X = 7m)으로서, 소성 반응이 일어나는 위치에서의 화염에 의한 분위기 온도를 Y-Z 단면에서 등온선으로 표시한 결과이다. 도 13에 의하면, 방열판과 유도 플레이트 설치에 따라서 등온 영역이 화염을 중심으로 넓게 퍼져 있음을 확인할 수 있다.
도 14는 위치별 생석회 온도 해석 결과를 보여주는 도면으로서, 도 14에 의하면, 냉각 영역에서의 생석회 온도는 방열판 및 유도 플레이트 설치에 따라 직선적으로 감소하는 결과를 확인할 수 있으며, 소성 영역에서는 오히려 증가함을 알 수 있다. 이러한 결과로부터 동일한 소성 조건을 유지할 경우, 사용하는 COG 양의 저감도 기대할 수 있음을 예측할 수 있다.
도 15는 실공정 방열판 및 냉각 공기 유도 플레이트를 설치한 경우의 도면이다.
방열판 및 유도 플레이트의 제작 및 설치는 실공정에서 정수 기간을 이용하여 방열판 및 유도 플레이트를 차례로 설치하고, 설치된 기간별로 조업 데이터를 해석함으로써, 그 효과를 분석하였다. 방열판의 형상은 원통형의 킬른 내벽으로부터 모든 날개가 동일한 거리만큼 떨어지도록 제작하였으며, 설치 작업시 후면의 모든 센서를 한 곳으로 이동시켜, 방열판의 한 면만을 제거하였다.
냉각 공기 유도 플레이트는 버너 프레임 직하단으로부터 약 45 도의 각도로 경사판을 설치하여 냉각 공기의 흐름을 유도할 수 있도록 하였으며, 플레이트 상부에 와이어(Wire)를 연결하여 각도를 60 도까지 조절할 수 있도록 제작하였다.
도 16은 방열판을 설치하기 전/후의 생석회 상부와 방열판 주변의 온도를 실측한 결과를 보여주는 도면이다. 도 16에 도시된 A와 B 지점은 방열판 뒤의 버너 프레임 부분이고, C 지점은 방열판 설치 위치를 기준으로 약 1 m 전방의 화염 주변이다.
A, B 지점의 온도는 방열판 설치에 따라, 200 ℃ 정도 저하되었고, 화염 주변의 C 지점 온도는 오히려 40 ℃ 증가하였다. 또한, 냉각기로 떨어지는 생석회 바로 위의 분위기 온도도 약 200 ~ 300 ℃ 정도 감소하였다. 이러한 결과는 상술한 열전달 해석 결과와도 일치하는 것으로써, 방열판 설치에 따른 냉각 효율 향상 및 소성도 증가를 예상할 수 있다.
도 17은 방열판 설치 전/후의 냉각 공기 유량 및 생석회 제품 온도의 변화를 보여주는 도면이며, 생석회 생산성은 450 [톤/일]을 기준으로 데이터를 층별화하였다.
방열판 설치 전 생석회 제품 온도를 50 ℃ 정도로 관리하기 위한 냉각 공기의 유량은 약 14,000 Nm3/hr 이었으나, 방열판 설치 후, 동일한 생석회 냉각에 필요한 냉각 공기의 유량은 10,000 Nm3/hr로 저하됨을 확인할 수 있었다. 즉, 방열판 설치에 의하여 생석회의 냉각 효율이 향상됨을 확인할 수 있다. 아래의 [표 1]은 상기한 기간의 조업 지수에 대한 통계 분석 결과를 나타낸 것이다.
[표 1]
Figure 112005063686008-pat00023
상기 [표 1]에 도시되어 있듯이, 냉각 공기 유량이 13,810 Nm3/hr에서 10,350 Nm3/hr로 약 25% 저하되었음에 도 불구하고, 생석회의 평균 제품 온도는 51 ℃와 55 ℃로 거의 유사한 값을 나타내었으며, 제품 온도의 편차도 크게 감소하였다. 이로부터 방열판 설치에 따라 생석회 냉각 패턴의 안정화도 꾀할 수 있음을 알 수 있다. 또한, COG의 사용량도 방열판 설치 후, 약 3.3% 감소하였다. 따라서, 전술한 열전달 해석 결과에서의 연소 효율 개선에 따른 소성 열량의 증가도 확인할 수 있다.
도 18은 냉각 공기 유도 플레이트 설치 전/후의 조업 데이터 변화를 나타낸 도면으로서, 생산성 490 t/day 조건의 데이터만을 사용하였다.
도 18에 도시되어 있듯이, 방열판과 유도 플레이트를 동시에 설치한 경우, 냉각 공기 유량은 평균 11,950 Nm3/hr에서 10,490 Nm3/hr로 약 12% 감소하는 결과를 나타내었다. 생석회 온도는 67.2 ℃와 68.7 ℃로 유사하다. 즉, 소성된 생석회를 동일한 온도로 냉각시키기 위한 냉각 공기의 유량이 감소하였음을 알 수 있다.
냉각 효율의 향상에 따른 냉각 공기 유량의 저하는 상기한 COG 사용량 저하와 직접적인 상관이 있으나, 그 이외에도 IDF 여유 능력 확보, 전력 사용 원 단위 저감 및 더스트 발생 총량 저감 등의 부수적인 효과도 얻을 수 있다.
도 19는 방열판 설치시와 방열판 및 유도 플레이트 동시 설치시의 동일 생산성 조건하에서 COG 사용량 변화를 나타낸 도면이다. 도 19에 기재되어 있듯이, 생산성 지수(Stroke)가 동일한 데이터를 기준으로 볼 때, COG 사용량은 냉각 공기 유도 플레이트 설치에 따라, 약 80 Nm3/hr 저하되는 결과를 나타내었다. 이러한 결과는 방열판 및 유도 플레이트 설치에 따른 소성 영역에서의 화염으로부터 생석회로의 열전달 촉진에 의한 생석회 온도 해석 결과와도 잘 일치하였다. 즉, 방열판 및 유도 플레이트 설치에 따른 냉각 공기의 효율적 사용과 더불어 연소 효율의 증대에 따른 COG 사용량 저감 효과도 있음을 확인할 수 있었다.
COG 저감은 킬른 조업에서 제조 원가를 낮추고, 배가스 중의 유해 물질을 저감시킬 수 있는 장점이 있으나, 이러한 장점은 생석회의 소성도가 일정하게 유지된 다는 조건을 만족해야 한다. 방열판 및 유도 플레이트 설치에 따른 냉각 효율 개선과 COG 저감에 따른 생석회 소성도의 변화를 조사하기 위해 설치 전후의 생석회 샘플링을 실시하고 소성도를 측정하였다. 소성도는 일정량의 생석회를 반응 온도 1000 ℃에서 1시간 소성시킨 후, 감량된 무게를 중량비로 환산하여 100에서 뺀 값, 즉, 킬른에서의 소성 반응 시 남아 있는 이산화탄소의 중량비를 이용하여 계산하였다.
도 20은 방열판 및 유도 플레이트 설치 전/후의 소성도를 비교한 도면으로서, 각각 10회씩 실험한 결과를 표시하였다.
도 20에 도시되어 있듯이, 기존의 소성도와 본 발명을 비교하여 보면, 거의 차이가 없었고, 오히려 약간 개선되는 결과를 나타내었다. 즉, 방열판 및 유도 플레이트 설치에 따른 COG 저감으로 인한 생석회 품질의 악화는 없음을 확인하였다.
상기한 설치 조건 별 효과를 정리하여 지수화하면 아래의 [표 2]와 같이 나타낼 수 있다.
[표 2]
Figure 112001034541709-pat00002
생석회 온도는 설치 전/후에 약간 상승하는 경향이 있으나, 약 5 ℃ 이하로써, 조업에 전혀 지장을 주지 않았다. 따라서, 이러한 생석회 온도 문제를 제외한 냉각 공기 유량 저하 및 COG 사용량 저감 효과는 상기 [표 2]에 나타낸 바와 같다.
냉각 공기 감소량과 COG 저감량이 이론적으로 일치하지는 않으나, 방열판 및 유도 플레이트 설치에 따라 설치 전에 비해 COG 사용비의 약 5.5% 가 저감되었다.
본 발명의 결과를 종합하면, 로터리 킬른 조업에서 생석회의 냉각 및 COG 연소에 이용되는 냉각 공기의 흐름을 조절할 수 있는 방열판 및 유도 플레이트를 고안하고, 이러한 장치의 설치시 킬른내 유동 및 열전달 현상의 변화에 대한 수치 해석을 실시하였다. 또한, 수치 해석 결과를 토대로 방열판과 냉각 공기 유도 플레이트를 실공정에 직접 설치하여 정상 조업 중 그 효과를 파악하였다. 그 결과, 생석회의 냉각에 필요한 냉각공기 유량의 감소와 COG 저감을 확인하였으며, 이로 인한 생석회 제조 원가의 저감도 기대할 수 있을 것으로 사료된다.
위에서 양호한 실시예에 근거하여 이 발명을 설명하였지만, 이러한 실시예는 이 발명을 제한하려는 것이 아니라 예시하려는 것이다. 이 발명이 속하는 분야의 숙련자에게는 이 발명의 기술사상을 벗어남이 없이 위 실시예에 대한 다양한 변화나 변경 또는 조절이 가능함이 자명할 것이다. 그러므로, 이 발명의 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서 한정될 것이며, 위와 같은 변화예나 변경예 또는 조절예를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 로터리 킬른 조업시, 버너 화염으로부터 생 석회로 전달되는 열을 방지하고, 화염의 폭을 넓히며, 생석회 방향으로 냉각 공기의 흐름을 유도할 수 있는 장치를 적용함으로써, 동일한 냉각 공기 유량으로 생석회의 냉각 효율을 향상시킴으로써, 일정한 소성도를 유지하기 위한 로터리 킬른의 연료 사용비를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 로터리 킬른(Rotary Kiln)의 온도 안정화 및 열효율 개선 장치에 있어서,
    생석회의 소성 반응에 필요한 열량을 효율적으로 공급하기 위하여 회전하는 킬른의 단면인 원의 중심부에서 생석회 이동 방향으로 편향되어 설치되어 있는 로터리 킬른의 버너 프레임(Burner Frame);을 포함하고,
    다수의 방열판 날개가 상기 킬른 내벽으로부터 각각 동일간격으로 떨어지도록 임펠러(Impeller) 형태로 상기 버너 프레임의 일측에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 로터리 킬른의 온도 안정화 및 열효율 개선 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 방열판 날개는 연소 공기와 연료의 혼합물을 향상시키기 위하여 공기 진행 방향으로 10 ~ 45 도로 경사지도록 상기 버너 프레임의 일측에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 로터리 킬른의 온도 안정화 및 열효율 개선 장치.
  3. 로터리 킬른(Rotary Kiln)의 온도 안정화 및 열효율 개선 장치에 있어서,
    버너 룸 내부에서의 냉각 공기의 유동 현상을 고려하여 냉각 공기가 생석회의 냉각에 효율적으로 이용될 수 있도록, 냉각 공기의 흐름을 상기 킬른 본체의 하 부쪽으로 유도함으로써, 생석회가 이동하는 방향으로 바꾸어 주는 냉각 공기 유도 플레이트(Plate)가 버너 프레임(Burner Frame) 하부에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 로터리 킬른의 온도 안정화 및 열효율 개선 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 냉각 공기 유도 플레이트는 냉각 공기의 흐름을 생석회 생산성에 따라 조절할 수 있도록 버너 룸(Burner Room) 수평면을 기준으로 30 ~ 70도의 각도로 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 로터리 킬른의 온도 안정화 및 열효율 개선 장치.
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