KR100577331B1 - 시멘트 제조용 킬른 설비 및 시멘트 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시멘트 제조용 킬른 설비 및 시멘트 제조방법에 관한 것이다. 이 킬른 설비는 클링커를 연소하는 킬른과, 냉각기, 분리 사이클론을 갖춘 하소기 및, 냉각기로부터 3차 공기가 접선 방향으로 공급되는 연소 격실로 이루어진다. 완전히 또는 부분적으로 하소된 물질은 연소 격실의 저부로부터 하소기로 보내어지며, 킬른으로부터의 배기가스도 하소기로 배출된다.

본 발명의 목적은 시멘트 제조용 킬른 설비 및 시멘트 제조방법을 제공하는 것이다. 이 킬른 설비는 비교적 단순화된 구조물이며, 하소 영역에서 펫콕과 무연탄 및 가스 함량이 낮은 기타 등급의 석탄 등과 같은 반응성이 낮은 연료를 연소할 수 있다.

이러한 목적은, 버너 끝 밑과 접선 유입구의 상부선단 위에 위치한 연소 격실의 내부용적의 상부높이(h₁-h₂)가 D/3 이상이되, 여기서 D는 연소 격실의 상부 용적과 같은 용적과 높이(h₁-h₂)를 가진 원통의 직경이며, 접선 유입구의 하부선단과 연소 격실의 출구 사이에 위치한 연소 격실의 내부용적의 하부높이(h₃-h₄)가 D 이상이 되도록, 연소 격실의 접선 유입구를 위치시켜서 달성된다. 바람직하게, 연소 격실의 내부용적의 상부높이(h₁-h₂)는 2D/3 이상이어야 하며, 연소 격실 내부용적의 하부높이(h₃-h₄)는 3D/2 이상이어야 한다.

Description

시멘트 제조용 킬른 설비 및 시멘트 제조방법{KILN PLANT AND METHOD FOR MANUFACTURING CEMENT}

본 발명은 시멘트 제조용 킬른 설비 및 시멘트 제조방법에 관한 것이다. 이 킬른 설비는 클링커를 연소하는 킬른과, 냉각기, 분리 사이클론이 연결된 하소기(calciner) 및, 냉각기로부터 3차 공기가 접선 방향으로 공급되는 연소 격실로 이루어진다. 완전히 또는 부분적으로 하소된 물질은 연소 격실의 저부로부터 하소기로 보내지며, 킬른으로부터의 배기가스도 하소기로 배출된다.

냉각기로부터 3차 공기를 독점적으로 공급받는 연소 격실을 추가로 갖춘 하소 영역을 구성함으로써 여러 가지 이점을 얻을 수 있다.

이런 유형의 설비는 본 출원인의 유럽 특허 EP-A-103423호에 기재되어 있다. 이 특허에는 시멘트 원료를 하소하는 설비가 기재되어 있는데, 여기에서는 하소기에서 사용된 연료의 완전한 연소를 달성하기가 어려운 본래의 어려움에 대한 적당한 조정(due allowance)이 이루어진다. 이 설비에서 원료는 예열된 후 연소 격실로 공급되며, 여기서 상기 원료는 냉각기로부터의 열풍 중에서 하소된다. 냉각기로부터의 3차 공기는 연소 격실의 저부를 통해 중심부에서 위로 흐르는데, 이것은 연소 격실의 중앙부에는 위로 흐르는 흐름이 있고, 연소 격실의 측면에는 아래로 흐르는 흐름이 있다는 것을 의미한다. 원료는 연소 격실의 하단부에서 공급되고, 연소 격실의 전장(全長)에 걸쳐 만나게 되는 난류의 작용이 있다면 분배된다.

미국 특허 제4,014,641호에는 시멘트 원료의 하소용 설비가 기재되어 있는데, 여기에서는 킬른의 배기가스 중의 산화질소의 양이 킬른의 배출관 내에 환원 가스가 공급되는 영역이 생성됨에 따라 감소한다. 냉각기로부터의 열풍 및 킬른으로부터의 고온 가스는 각각 덕트를 통해 사이클론 예열기로 보내어지며, 여기서 원료는 냉각기 및 킬른으로부터 나오는 고온 가스로의 역류 중에 예열된다. 냉각기로부터 공급관 아래에 위치하는 킬른의 배출관의 영역에서, 덕트를 통해 환원가스가 도입됨에 따라 환원조건이 생성된다. 하소기로 공급되는 공기 부피가 하소기의 연료를 기화하는 데에는 충분하지만 하소기의 연료를 완전 연소하기에는 충분하지 않기 때문에, 하소기에 환원가스가 형성된다. 이 설비의 결점은 펫콕(petcoke)과 무연탄 및 가스 함량이 낮은 기타 등급의 석탄 등과 같이 발화하기 어렵고 늦게 타는 연료를 하소기에서 사용할 수 없다는 점인데, 이는 이들 연료가 실질적으로 연소되지 않은 코크스 잔류물을 생성하고, 이 잔류물은 침전되어 회전 킬른으로 옮겨져, 그 결과 유황 방출 및 케이킹(caking)의 형성과 같은 문제를 발생시키기 때문이다.

미국 특허 제5,364,265에는 또 다른 하소 시스템이 기재되어 있는데, 여기에서는 NO_X 방출이 연소 격실에서 일산화탄소(CO) 및 수소가스(H₂)와 같은 환원가스의 형성에 의해 제한된다. 이 공정 중 연소 격실에서 형성된 코크스는 상당히 독특한 반응 특성을 나타낸다. 그러나, 이 방법의 최적화를 달성하는 것은, 작동 중에 조절될 수 있는 변수가 거의 없기 때문에 최소 NO_X 방출을 보장하는 면에서 비교적 어렵게 된다. 연소 격실에서의 연소 공정은 원료 가루(meal)의 원하는 하소 정도에 전적으로 의존한다. 이와 동시에, 설비 구조가 상당히 복잡하다.
본 출원인의 국제 특허 출원 PCT/DK97/00029호에는 설비로부터 NO_X의 방출률을 감소시키는 방법이 기재되어 있다. 이 발명의 목적은 비교적 낮은 온도의 영역에서 펫콕과 무연탄 및 가스 함량이 낮은 기타 등급의 석탄 등과 같은 반응성이 낮은 연료를 사용할 수 있으면서, NO_X의 방출률이 감소하는 킬른 설비의 작동방법을 제공하는 것이다. 이러한 목적은 3개의 다른 영역에서의 연료 입력속도를 조정함으로써 얻어지는데, 즉 2개의 다른 영역으로부터 나머지 하나의 영역으로 얼마간 배기가스가 공급되어서, 2개의 다른 영역으로부터 배기가스가 방출되어지는 영역으로부터의 배기가스 중에 있는 NO 함량을 최소화시키게 된다.

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본 발명의 목적은 시멘트 제조용 킬른 설비 및 시멘트 제조방법을 제공하는 것이다. 이 킬른 설비는 비교적 단순화된 구조물이며, 일반적으로 온도가 낮은 하소 영역에서 펫콕과 무연탄 및 가스 함량이 낮은 기타 등급의 석탄 등과 같은 반응성이 낮은 연료를 연소할 수 있다.

본 발명에 따르면, 킬른과, 냉각기, 분리 사이클론이 연결된 하소기 및, 그 상부에 중심 버너를 구비한 연소 격실로 구성되고서, 상기 버너 밑에는 덕트를 거쳐 냉각기로부터 연소 격실로 고온 가스가 공급되게 하는 접선 유입구가 설치되며, 상기 덕트는 원료 가루의 유입구를 구비하고, 상기 연소 격실의 하부에는 하소기에 연결되는 연결부를 구비하며, 제2연결부가 킬른으로부터 하소기로 배기가스를 통과시키도록 된 시멘트 제조용 킬른 설비에 있어서,
상기 냉각기로부터 고온 가스의 입구의 최상부 지점인 접선 유입구의 상부선단(edge)과 버너의 끝 사이에 해당하는 연소 격실의 내부용적의 상부높이(h₁-h₂)가 D/3 이상이되, 여기서 D는 연소 격실의 내부용적 상부와 같은 용적과 높이(h₁-h₂)를 가진 원통의 직경을 나타내며;
상기 냉각기로부터 고온 가스의 입구의 최하부 지점인 접선 유입구의 하부선단과 연소 격실의 출구 사이에 해당하는 연소 격실의 내부용적의 하부높이(h₃-h₄)가 D 이상인 것을 특징으로 한다.

그러므로 상기한 목적은, 연소 격실이 원통형일 경우, 버너 끝 밑과 접선 유입구의 상부선단 위에 위치한 연소 격실의 내부용적의 상부높이(h₁-h₂)가 D/3 이상이고, 접선 유입구의 하부선단과 연소 격실의 출구 사이에 위치한 연소 격실의 내부용적의 하부높이(h₃-h₄)가 D 이상이 되도록, 연소 격실의 접선 유입구를 위치시켜서 달성된다. 바람직하게, 연소 격실의 내부용적의 상부높이(h₁-h₂)는 2D/3 이상이어야 하며, 연소 격실 내부용적의 하부높이(h₃-h₄)는 3D/2 이상이어야 한다.

이로써, 고온이면서 원료 함량이 낮은 공간이 원료 현탁물의 접선 유입구 위에 생성되게 되는데, 이는 값싸고 가스 함량이 낮은 등급의 석탄의 점화 및 연소특성을 확실히 향상시키게 된다.

또한, 본 발명은 본 발명에 따른 설비에서 시멘트를 제조하는 방법을 포함하는바, 원료는 예열된 후 그 상부에 중심 버너가 설치된 연소 격실에서 적어도 부분적으로 하소되고; 상기 원료는 냉각기로부터 나오는 고온 가스 중에 현탁되어 접선 유입구를 통해 연소 격실로 공급되고; 부분적으로 하소된 물질은 연소 격실의 하부에서 연결부를 통해 하소기로 통과되며, 가스 또는 물질의 현탁물은 하소기로부터 분리 사이클론으로 통과되되, 여기서 가스와 물질의 분리가 일어나고; 킬른으로부터 나오는 배기가스는 제2연결부를 통해 하소기로 유도되는 시멘트 제조방법에 있어서,
상기 냉각기로부터 고온 가스의 입구의 최상부 지점인 접선 유입구의 상부선단과 버너의 끝 사이에 해당하는 연소 격실의 내부용적의 상부높이(h₁-h₂)가 D/3 이상이되, 여기서 D는 연소 격실의 내부용적 상부와 같은 용적과 높이(h₁-h₂)를 가진 원통의 직경을 나타내며;
상기 냉각기로부터 고온 가스의 입구의 최하부 지점인 접선 유입구의 하부선단과 연소 격실의 출구 사이에 해당하는 연소 격실의 내부용적의 하부높이(h₃-h₄)가 D 이상인 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 따르는 킬른 설비의 한 예를 나타내는 개략도이다.

도 2는 본 발명에 따르는 연소 격실의 상세한 구현예를 나타내는 부분 상세도이다.

본 발명을 도면과 함께 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 시멘트 클링커 제조용 킬른 설비를 나타낸 것이다. 설비는 1300 ~ 1500℃의 온도 범위 내에서 클링커가 연소되는 킬른(1)과, 하소기(2) 및, 연소 격실(3)로 이루어지되, 하소기 및 연소 격실에서의 온도는 800℃ 이상이고 특정 영역에서는 1400℃로 높아질 수 있다. 어떤 경우에, 하소기(2)는 킬른(1)으로부터의 수직덕트만으로 이루어질 수 있다. 킬른(1) 뒤에는 클링커 냉각기(4)가 있고, 이 냉각기로부터 열풍이 덕트(5)를 통해 연소 격실(3), 하소기(2) 등에 걸쳐 있는 하소 영역으로 보내어진다. 하소기(2)는 덕트(6)를 통해 킬른(1)으로부터 고온 배기가스와, 덕트(7)를 통해 연소 격실(3)로부터 부분적으로 하소시킨 물질과 혼합된 고온 배기가스가 공급된다.

하소된 물질은 현탁상태로 하소기(2)로부터 덕트(8)를 통해 분리 사이클론 (9)으로 보내어진다. 이 분리 사이클론(9)에서, 가스 또는 물질 현탁물은 하소된 물질의 스트림과 고온 가스의 스트림으로 분리된다. 하소된 원료는 덕트(10)를 통해 회전 킬른(1)으로 향하고, 고온 가스는 덕트(11)를 통해 현탁물 예열기로 향한다.

예열된 원료는 2개의 덕트(14A, 14B)를 통해 하소 영역으로 유도된다. 필요에 따라, 예열된 원료가 도시되지 않은 덕트를 통해 하소기(2)의 상부로 공급될 수도 있다. 덕트(14B)는 원료를 킬른(1)으로부터 나오는 배기가스로 안내하여 원료가 하소기(2)를 통과하도록 한다. 덕트(14A)는 원료를 3차 공기용 덕트(5)로 향하게 하여 원료가 연소 격실(3)을 통과하도록 한다.

전체 원료 스트림은 조절되는 방식으로 2개의 덕트(14A, 14B)로 분배되고, 특정한 환경에서는 예를 들면 덕트들 중 하나에 의해 흐름이 차단되는 것이 바람직하다. 이 설비에서, 연료는 버너(15)에 의해 하소기(2)에서, 버너(16)에 의해 연소 격실(3)에서, 그리고 버너(17)에 의해 킬른(1)에서 연소될 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 연소 격실(3)의 상세한 구현예를 나타낸 것으로, 여기서 덕트(14A)로부터 나오는 원료 가루가 3차 공기용 덕트(5)를 통해 연소 격실(3)로 도입된다.

이 경우에, 연소 격실의 내부 반응기 용적은 원통형이다. 그러나, 상부 반응기 용적의 형태는, 원하는 유동특성을 성취하기 위하여 단면적의 크기가 버너의 단면적에 대해 충분하게 되어야 하는 것을 제외하고, 특정한 요구조건이 없다. 연소 격실의 내부용적의 상부는 3차 공기용 덕트의 입구 위에 위치한 부분으로서, 도 2에서 이 부분의 높이는 h₁-h₂이다. 연소 격실의 내부용적의 하부높이는 h₃-h₄이고, 3차 공기용 덕트의 입구로부터 연소 격실의 하단부에 위치한 출구까지 뻗어 있다. 경험상, 이 경우와 같이 원통형일 때 h₁-h₂는 D/3보다 커야 하며(여기서, D는 상부의 직경임), 하부높이는 3D/2보다 커야 하며, 이로써 버너(16)를 통해 도입되는 가스 함량이 낮은 연료의 연소 효율이 증대되는 혼합과, 체류시간 및, 상승된 온도의 조합을 얻을 수 있게 된다.

종래의 설비에서와 같이, 원료 가루 공급용 덕트가 연소 격실에서 가능한 가장 높은 곳에 위치하면, 기본적으로 휘발성분의 함량이 낮은 석탄은 격실의 상부 ⅓되는 지점에서 연소하지 않게 되는데, 이는 온도가 약 800 ~ 900℃의 수준에서 유지되는 것을 의미한다. 그 대신에, 이 위치에서 연소보다 앞선 과정으로 인해 출구에서의 온도는 상승한다. 그 결과, 출구에서의 온도는 1200℃만큼 높아질 수 있으며, 이 온도는 원료 가루의 함량 때문에 케이킹을 발생시킬 수 있다.

3차 공기의 입구가 놓이는 위치가 낮기 때문에, 블랜딩(blending) 및 점화 영역은 원료 가루가 없는 연소 격실의 상부에 생성될 것이다. 버너를 통한 1차 공기의 제트 스트림은 도 2에 나타낸 흐름 패턴(타원형상의 화살표)을 일으키며, 연소 격실의 중심부에 수직한 순환이 있게 된다. 냉각기로부터의 3차 공기와 기류 중에 현탁된 원료 가루가 연소 격실의 원주방향인 접선 방향으로 도입되면, 원료 가루는 소용돌이 작용에 의해 연소 격실의 측면으로 밀리게 되고, 연소 격실의 중심부에서 수직한 순환이 일어나서 연소 격실의 상부에 있는 원료 가루의 함량은 낮은 수준으로 남아 있게 된다. 흐름 패턴의 충돌은 연소 격실의 상부에서 가스 혼합물을 생성시키는데, 그 일부가 이때에 또는 연소 공정의 전 단계에서 침전되고, 다른 일부는 3차 공기용 덕트로부터 바로 나오는 산소를 함유한 기체가 된다. 이 혼합물은 도입되는 냉각 연료의 점화를 유발한다. 실험 설비의 연소 격실에서의 석탄 소비는 본 발명에 따른 방법을 실시한 후 약 17% 감소될 수 있다는 것이 밝혀졌고, 이것은 아마도 석탄 연소 효율의 증대에 기인한 것이라 생각된다.

따라서, 연소 격실에서의 연소는 언제나 21%(부피비) 미만의 산소로 이루어진다. 이것은 다소 낮은 농도인 NO_X의 생성에 유익한 영향을 미친다. 그러나, 온도 상승이 NO_X의 생성에 영향을 미치는 가장 중요한 요인이다. 따라서, 본 발명에 따른 설비에서, 연료 중의 질소가 NO_X로 전환되는 것으로 얻어지는 전환율은 무연탄과 펫콕을 연소시킬 때 25% 정도로 낮은 것이 확인되었다. 비교하면, 종래의 하소기는 펫콕의 경우 65%의 높은 전환율을 갖는다. 이것은 본 발명에 따른 설비에서 NO 방출이 50% 이상 감소하였음을 나타낸다.

Claims (9)

1. 킬른(1)과, 냉각기(4), 분리 사이클론(9)이 연결된 하소기(2) 및, 그 상부에 중심 버너(16)를 구비한 연소 격실(3)로 구성되고서, 상기 버너 밑에는 덕트(5)를 거쳐 냉각기(4)로부터 연소 격실(3)로 고온 가스가 공급되게 하는 접선 유입구가 설치되며, 상기 덕트(5)는 원료 가루의 유입용 덕트(14A)를 구비하고, 상기 연소 격실(3)의 하부에는 하소기(2)에 연결되는 덕트(7)를 구비하며, 상기 킬른(1)으로부터 하소기(2)로 배기가스를 보내는 덕트(6)를 구비한 시멘트 제조용 킬른 설비에 있어서,

   상기 냉각기로부터 고온 가스의 입구의 최상부 지점인 접선 유입구의 상부선단과 버너(16)의 끝 사이에 해당하는 연소 격실(3)의 내부용적의 상부높이(h₁-h₂)가 D/3 이상이되, 여기서 D는 연소 격실의 내부용적 상부와 같은 용적과 높이(h₁-h₂)를 가진 원통의 직경을 나타내며;

   상기 냉각기로부터 고온 가스의 입구의 최하부 지점인 접선 유입구의 하부선단과 연소 격실(3)의 출구 사이에 해당하는 연소 격실의 내부용적의 하부높이(h₃-h₄)가 D 이상인 것을 특징으로 하는 시멘트 제조용 킬른 설비.
2. 제1항에 있어서, 상기 상부높이(h₁-h₂)가 2D/3 이상인 것을 특징으로 하는 시멘트 제조용 킬른 설비.
3. 제1항에 있어서, 상기 하부높이(h₃-h₄)가 3D/2 이상인 것을 특징으로 하는 시멘트 제조용 킬른 설비.
4. 제1항에 있어서, 1차 공기가 버너를 통해 공급되도록, 연소 격실(3)의 상부에 버너(16)가 배치되는 것을 특징으로 하는 시멘트 제조용 킬른 설비.
5. 원료가 예열된 후 그 상부에 중심 버너(16)가 설치된 연소 격실(3)에서 일부분이라도 하소되고; 상기 원료가 냉각기(4)로부터 나오는 고온 가스 중에 현탁되어 접선 유입구를 통해 연소 격실(3)로 공급되고; 상기 부분적으로 하소된 원료가 연소 격실의 하부에서 덕트(7)를 통해 하소기(2)로 통과되며, 가스 또는 원료의 현탁물이 하소기(2)로부터 분리 사이클론(9)으로 통과되되, 여기서 가스와 원료의 분리가 일어나고; 킬른(1)으로부터 나오는 배기가스가 덕트(6)를 통해 하소기(2)로 유도되는 킬른 설비에서 시멘트를 제조하는 방법에 있어서,

   상기 냉각기로부터 고온 가스의 입구의 최상부 지점인 접선 유입구의 상부선단과 버너(16)의 끝 사이에 해당하는 연소 격실(3)의 내부용적의 상부높이(h₁-h₂)가 D/3 이상이되, 여기서 D는 연소 격실의 내부용적 상부와 같은 용적과 높이(h₁-h₂)를 가진 원통의 직경을 나타내며;

   상기 냉각기로부터 고온 가스의 입구의 최하부 지점인 접선 유입구의 하부선단과 연소 격실(3)의 출구 사이에 해당하는 연소 격실의 내부용적의 하부높이(h₃-h₄)가 D 이상인 것을 특징으로 하는 시멘트 제조방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 연소 격실의 상부 용적의 온도가 1100 ~ 1400℃ 범위 내인 것을 특징으로 하는 시멘트 제조방법.
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8. 제5항에 있어서, 1차 공기를 버너(16)를 통해 연소 격실(3)로 공급하는 것을 특징으로 하는 시멘트 제조방법.
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