KR100586316B1 - 석회석 슬러지 및 세립석회석을 이용한 분생석회의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기본적으로 제철소에서 사용하고 있는 수분함유가 32% 이하이고, 산화마그네슘(MgO)성분을 3~10% 함유한 석회석 슬러지(sludge) 및 15mm 이하의 미세립석회석을 대상으로 한 원료를 본 발명상의 로터리 건조로(rotary dryer)에서 건조시켜서 수분을 10% 이하로 줄인 후 특별히 고안된 소성로(rotary kiln)에서 830~1150℃의 온도에서 소성공정을 거친 후 냉각하고 분쇄하여 통상의 배가스 공정을 통하여 분생석회를 제조할 수 있는 분생석회를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.

Description

석회석 슬러지 및 세립석회석을 이용한 분생석회의 제조방법{Manufacturing method of burnt lime from limestone sludge and fine limestone}

도 1은 본 발명상의 공정도이다.

도 2는 본 발명상의 로터리 건조로의 개략설명도이다.

도 3은 본 발명상의 소성로의 개략설명도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

1. (로터리형)건조로 2.분급구 3. 가열대

4. 건조로 리프터 5. 소성로(rotary kiln)

6. 예열공간 7. 소성로 리프터 8. 냉각공간

본 발명은 석회석 슬러지(sludge) 및 세립(細立)석회석을 이용한 분(粉)생석회의 제조방법에 관한 것이다.

종래 제철소에는 철강제조공정에서 석회석을 다량 사용한다. 그러나 이 과정에서 발생되는 미세립의 석회석 슬러지와 같은 폐기물은 쓸모가 없어서 자원화되지 못하고 매립되어 엄청난 환경공해를 유발시켜 왔으며, 또한 일부 중간공정 부산물(일명 "세립석회석"이라고도 함)은 적절한 추가공정 적용이나 공정개선 없이 불가피하게 그대로 사용함으로써 부적절한 원료 사용으로 인하여 제품의 품질저하, 생산성 저하 및 공정장애를 일으키는 등 많은 문제점을 유발시켜 왔다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 석회석 중간공정 부산물과 슬러지를 적절히 가공 처리하여 분생석회를 만들어 제철공정에 재투입 가능하게 함으로써 고부가가치를 창출할 수 있도록 분생석회 제조공정을 새로이 창안한 것이다.

분생석회 제조는 일반적으로 괴(塊)석회석을 825℃ 이상으로 소성(燒成)하여 괴(塊)생석회를 제조한 후 분쇄기에 의해 분쇄하여야만 만들어지는 물질이다. 따라서 지금까지의 생석회 제조기술은 어떠한 형식의 소성로가 되든 석회석 소성공정에서의 통기성이 양호하여야만 하기 때문에 통상적으로 석회석의 입자크기를 입자를 원형의 과립으로 보았을 때의 원환산 직격으로 환산하여 본 크기를 25mm ~ 85mm 정도의 입자 직경(입경)을 주로 사용하여 왔다.(이하 입자의 크기는 원환산 직경으로서의 mm로 표시함)

따라서, 이렇게 양호한 원료조건을 맞추기 위하여 제철소에서는 원료 예비처리 과정에서 자연히 발생되는 과립의 입자 크기로서의 입경 15mm 이하의 중간공정 부산물과 수분 30중량%(이하 "%"는 모두 "중량%"임) 내외를 함유한 미세립석회석을 산업 폐기물로 그대로 방치하거나 폐기하게 됨에 따라 자원낭비는 물론 엄청난 환경상의 문제를 몰고 왔다. 뿐만 아니라 이들 미세립석회석(微細立石灰石)은 생석회 제조시 통기성을 저해할 뿐만 아니라 제조공정시 다량의 분진 발생으로 인하여 제조공정상 크나큰 장애요인이 되어 왔다.

삭제

따라서, 본 발명에서는 전술한 바와 같이 자원의 재활용, 환경문제 발생방지, 원가절감이라는 3가지 효과를 동시에 만족시킬 수 있는 석회석 슬러지 및 세립석회석을 이용한 미세립석회석으로부터의 분생석회의 제조방법을 집중연구실험끝에 제공가능하도록 한 데에 본 발명의 목적이 있다.

본 발명은 기본적으로 제철소에서 사용하고 있는 수분함유가 32중량%(이하 "%"는 모두 "중량%"임)이하이고, 산화마그네슘(MgO)성분을 3~10% 함유한 통상 입경 1mm 이하의 입자크기를 가진 석회석 슬러지(sludge) 및 입경 15mm 이하의 미세립석회석을 대상으로 한 원료를 본 발명상의 로터리형 건조로(rotary dryer)(이하 "건조로"라 함)에서 건조시켜서 수분을 10% 이하로 줄인 후 특별히 고안된 소성로(rotary kiln)에서 통상의 소성온도인 830~1150℃의 온도에서 소성공정을 거쳐 소성하고 냉각하여 분쇄하므로써 통상의 배가스 공정을 통하여 분생석회를 제조할 수 있는 분생석회를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.

본 발명으로 수분이 10중량% 이하로 된 미세립석회석 원료를 소성로에 넣으면 원료가 열을 받으면서 소성로 회전과 동시에 이동과정에서 충격등으로 자체적으로 펠렛트(pellet)화 될 수 있고, 다음 공정인 소성공정에서 소성로의 길이를 통상의 것보다 길게 설계하므로써 예비가열기의 역할도 겸하게 하므로써 효율적인 그리고 균일한 소성이 이루어지도록 한 것이다.

석회석 슬러지를 전술한 건조로에 넣어서 펠렛트를 만드는 것이 본 발명의 특징이다. 석회석 슬러지는 로터리 건조로에서 건조시켜도 수분이 10% 이하로 잔존하기 때문에, 다음 공정인 소성로 입구에서부터 열효율을 높이기 위해서 예비가열기능을 부여하고 그러기 위해 소성로 길이를 종래보다 20~30% 길게 설계 제작하도록 한 것이다.

일반적으로 생석회 제조는 이상의 정선된 괴상의 석회석을 소성로(rotary kiln) 또는 수직로 등에서 825℃ 이상의 열을 가하여 석회석내에 결합되어 있는 이산화탄소를 해리시켜 제조한다.

이때의 반응식은

으로서 일반적으로 아주 간단한 반응경로를 거치게 되지만 소성과정에서 승열과정의 통과속도, 승열온도, 로의 구조적 조건 등에 따라 생석회의 품질에는 아주 많은 격차가 발생된다.

원료예비처리과정에서 발생되는 대략 15mm 이하의 입자크기를 가진 부산물일수록 통기도가 나빠지고 내구성이 약하므로 소성시 분말, 분진 발생이 쉬운 결점이 있다. 그러나 그 반면 미세립 부산물은 미분이 다량의 공극을 형성하고 있으므로 CO₂가스의 발생에 따른 열침투가 용이하다는 장점이 있다.

즉, 본 발명에서의 기본원료 조건은 완전 세립의 석회석 슬러지나 15mm 이하의 미립으로 된 미세립석회석이므로 통상적인 석회석 소성방법으로는 좋은 품질을 기대하기 힘들긴 하지만, 본 발명의 투입원료의 특성을 보면 석회석 슬러지의 경우 미분의 집합체로서 내부에 다량의 공극을 형성하고 있어서 열침투가 보다 용이하고 따라서 해리반응이 쉽게 진행되는 장점이 있다. 다만 결집력이 없어서 특히 소성과정에서 쉽게 파쇄되어 소성로 내에 분진 발생이 많아지게 된다.

이것은 표면에서의 열교환과 해리, 내부로의 반응확산과 토포캐미칼(topochemical)한 반응과정을 거치므로 반응속도도 느리고 소성시간도 많이 소요된다. 그러나 미분의 석회석으로 괴상화된 석회석은 그 자체에 다량의 공극(스폰지 구조)을 가지므로 열침투가 빨라 계면반응이 매우 원활하여 반응시간이 아주 짧아지는 특징이 있다.

따라서 본 발명은 이 점에 착안한 것으로 본 발명방법으로 통상의 소성로 소성온도역인 830~1150℃ 온도에서 소성가능하게 되고 소성대의 통과시간이 30분~60분으로 짧아져 종전 보통 4시간에 비해 1/8 ~ 1/4 수준으로 소성시간이 줄어들었으며, 그만큼 열원단위도 적게 든 것이 확인되었다.

표 1은 형상별 석회석 성분비교표이다. 여기에서 본 발명원료인 미세립석회석, 석회슬러지의 물성이 열악함을 알 수 있다.

그러면 첨부도면 및 표 1~2를 참고로 하여 본 발명을 소성로 및 소성작업조건을 중심으로 일 실시예를 들어 설명하기로 한다.

표 1. 형상별 석회석 성분조성비교표

전술한 바와 같이 본 발명에서는 원료예비처리과정에서 통상 발생되는 입경 15mm 이하의 중간 공정 부산물은 수분이 10% 이하일 경우 건조공정을 거치지 않고 직접 소성로(5)에 장입시킨다. 그러나, 석회석 슬러지는 수분함유율이 30% 내외로서 지나치게 많으므로, 미리 로터리형 건조로(rotary dryer)(1)에서 수분 10% 이내로 건조시키는데 이때 배출되는 펠렛트(pellet)(P)의 크기는 소성로에서의 소성을 유리하게 하기 위하여 가급적 입경 30mm 이하로 특히 25mm 이하의 입경으로 제한한다. 왜냐하면 사용 석회석 슬러지의 입자크기가 적으므로 입자크기 차이를 줄여 입경 30mm 이하, 특히 25mm 이하로 하였을 때 입도균일도가 더욱 높아지기 때문이다.

본 발명에서는 이를 위해 건조로에 수분함유율이 높아 케익상태로 된 미세립석회석 덩어리를 가급적 입경 25mm 이하로 잘게 쪼개주도록 분급구를 건조로 입구역에 설치하였다.

특히, 본 발명과 같이 입경 15mm 이하의 미립석회석을 주 원료로 사용하는 경우에는 입자크기의 균일도를 향상시키기 위하여 실험ㆍ작업결과, 배출 펠렛트의 입자 크기를 입경 10~22mm의 과립크기에 대한 균일도가 80% 이상으로 하는 것이 가장 소성에 효율적인 것임을 알게 되었다. 입자크기가 입경 10mm 미만일 경우 통기성이 악화되고 22mm를 초과할 경우 소성열기 침투가 어려워지기 때문이다. 특히 입경이 30mm를 초과할 때엔 더욱 그러하였다.

상기 건조로에서 사용되는 열원은 통상 소성로에서 발생되는 폐열을 회수하여 사용한다. 본 발명상의 건조로(dryer)의 구조는 "도 1"에서 보는 바와 같이 로터리식 건조로의 원료 투입구에 체인(chain)등의 분급구(分級具)(2)를 설치하여 수분함유 슬러지 덩어리를 1차로 쪼개주는 역할을 하게 하고 또한 건조로(1)의 투입구로부터 예컨데 총 15m 중 6m 깊이까지의 가열대(3)에는 2차 분쇄를 위해 리프터(lifter)(4)를 부착하여 미세립원료가 건조로를 통과하면서 수분증발과 함께 리프터(4)에 의해 펠렛트가 자연 낙하한 후 소성로의 회전으로 슬라이딩(sliding)되게 하므로써 둥근형태의 펠렛트(pellet)(P)가 형성되고 동시에 건조된다.

여기에서 건조되는 과정에서 슬러지(sludge)의 강도가 유지되면 그 이상은 부서지지 않고 건조로의 출구를 통해 배출되는데 이때 펠렛트 크기의 조정은 건조로(rotary dryer)의 최적속도와 리프터(lifter)의 깊이 및 슬러지의 수분함량의 정도에 따라서 조정된다.

설비조건에 따라 펠렛트의 강도와 분진발생의 정도가 다르므로 이를 최적화하기 위하여 소성조건에 적합하도록 조정하여야 한다.

한편 소성로에서의 원료투입 조건을 양호하게 하기 위하여 또한 펠렛트 강도를 강화시키기 위하여 건조로의 투입구에 강도 강화제(예를 들면 시멘트, 당밀, 물처리 등등)를 점결제로서 투입하기도 한다.

그러나 제품의 순도에 영향을 끼치지 않고 제조경비에 부담이 없을 경우에만 가능하다.

소성로은 도 2에 도시된 바와 같은 구조로 되어 있다.

통상 소성로(5)내의 석회소성공정은 원료투입에서부터 예열대, 소성대, 냉각대를 거쳐서 외부로 인출되도록 설계되어 있다.

그런데, 본 발명에 사용되는 원료는 강도가 낮은 석회석 입자나 미분 또는 세립자 등으로 각각의 개체로는 열침투가 괴석회석(통상 입경 25mm~85mm)의 입자보다는 빠르나 전체 체적(volume)을 고려하면 통기성이 적어 열침투가 어렵기 때문에 전체적으로 소성율이 떨어진다. 더구나 미세립석회석은 로가 회전하면서 슬라이딩하기 때문에 특히 소성로의 소성대에서는 원료가 밑으로만 깔려서 이동하게 되므로 거의 복사열에만 의존하고 있는 석회소성으로는 좋은 결과를 기대하기 힘들다.

따라서, 본 발명은 계면화학 반응에 의해서 거의 소성이 이루어짐에 착안하여 소성로내 바닥에도 고정 또는 가동가능한 리프터(lifter)(7)를 소성대에도 부착함으로써 미립석회등 모든 원료가 회전과정에서 분리되어 강제 낙하되도록 하였다. 리프터(7)는 소성원료 진행방향과 평행으로 설치되는데 그 형태는 긴 막대형, 반원형 또는 삼각형을 불문하고 철(凸)부를 가진 것이면 좋다

리프터(7)를 사용한 결과 괴석회석이나 미분석회석이나 모두 소성로의 회전으로 나선운동을 하면서 앞으로 진행해 나가므로 로 바닥판에 고착되기 어려워지고 버너에서 뿜어내는 직사고열에 쉽게 노출됨으로써 완전한 석회소성을 이룩할 수 있게 되었으며 종전의 로내 온도보다 80℃나 낮은 온도에서도 완전한 소성율을 보였다. 특히 예열공간(6)에서 펠렛트가 예열되고 회전진행되는 동안 수분이 서서히 줄 어들면서 소성대에 다다르기 전에 펠렛트는 경화되어 강도를 갖게 된다.

종래의 석회석 소성로의 소성온도는 약 1200~1300℃ 범위에서 수행되고 있으나, 본 발명의 경우에는 전술한 예비건조, 펠렛트화, 소성로의 예비가열대의 조성, 리프터 설치 등의 제반요소에 의하여 소성온도는 830~1150℃ 범위에서 수행가능하게 된 점에서 본 발명은 획기적이며, 더우기 첨가물 없이도 석회석 슬러지를 자연적으로 건조로에서 펠렛트화 할 수 있게 된 것 또한 획기적인 것이다.

여기에서 소성온도를 830℃ 이상으로 한 것은 석회석은 화학적으로 825℃ 이상되어야 석회석이 생석회로 화학반응할 수 있기 때문이며 소성온도는 1150℃를 초과하여 로내 온도가 너무 높으면 석회 슬러지 원료에 코팅현상이 생겨 조업이 곤난하므로, 본 발명에서는 이러한 이유에서 소성온도를 830~1150℃로 설정하였다. 본 발명상의 예비건조, 펠렛트화 리프터 설치등으로 충분히 이 온도 범위에서 소성공정수행이 가능하게 된 것이다.

소성로(5)를 거친 처리원료는 냉각공간(8)을 거치면서 냉각되어 이송ㆍ분쇄(제철소 소결공장의 요구조건에 맞추되 가급적 입자크기(mm 이하로)조정)ㆍ집적 과정을 거쳐 분생석회로 출하하게 된다. 이 공정은 도 1에 도시하였다.

도 1의 공정중 건조로 공정은 종래 없었던 시스템이며, 소성로 공정 또한 종래와는 다른 내용의 처리공정으로 되어 있는 것이 종래와 현저히 다르다.

한편, 종전에는 고열에서 소성함으로써 석회석 원료가 로벽에 부착하는 현상 즉, 로벽코팅(coating)현상이 심하여 조업중단 사례가 빈번히 발생하였으나 본 발 명은 예비건조, 펠렛트화 및 예열대 연장 및 소성대 바닥에 리프터를 부착설치하므로써 원료가 소성로 회전에 따라 리프터 위에 얹혀지고 원료의 표면이 뒤집어 지거나 하게 되므로 복사열을 원료 전표면에 걸쳐 골고루 쏘여 주게 되는 효과를 가져오게 되었다. 또한 본 발명은 원료내에 산화마그네슘(MgO)성분이 많이 함유되어 있음에도 불구하고 코팅(coating)현상이 전혀 일어나지 않았다.

실 시 예

가. 본 발명을 일 실시예를 들어 아래에 설명한다. 단, 아래의 실시예만으로 본 발명이 국한되는 것이 아니며 이와 유사한 취지의 기술 또한 본 발명의 범위에 속한다 할 것이다.

먼저, 본 실시예에 사용한 소성로와 사용작업조건을 이하에 기재하였다.

나. 주요 설비 제원

1. 로 타입 : 리프터를 사용한 소성로(rotary kiln)

2. 로의 크기 : 2300mmØ × 45,000mmℓ

3. 사용연료 : COG 가스

4. 로 회전속도 : 1 RPM

5. 로 경사각도 : 2°

이 실시예에서 사용원료 및 작업조건ㆍ결과는 표 2와 같았다.

표 2

위 표 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 실시예에서는 석회석 원료를 입도별로 구분하여 시료 A는 입경 3~10mm의 미립으로, 시료 B는 입경15mm 이하의 세립으로, 시료 C는 석회석 슬러지를 그대로 사용하고(통상 15mm 이하이나, 소성효율을 고려한 최대 과립크기가 입경 1mm 정도로 측정되었으므로 -1mm, 즉 1mm 이하로 함) 이 A, B, C 원료소성시에는 리프터를 부착시켰다.

표 2에서 알 수 있는 바와 같이 시료 C가 가장 우수한 결과를 가져왔으며, 본 발명에 따라 낮은 소성온도에서도 고품위의 분생석회 제품이 그 것도 단시간 로통과에 의해 얻어짐을 알 수 있었다.

본 실시예의 경우 미세립원료의 처리로 로내 분진이 많기 때문에 후공정에서의 집진설비 용량을 보통 괴석회석의 생석회 제조시보다 30% 증가시켰다.

① 예비처리(preheat)

소성시 발생되는 폐열을 재활용하여 소성에 앞서 도 2의 로터리 건조로(rotary dryer)를 설치, 운영함으로써 원료의 유동성을 증가시켜 열침투를 용이하게 하였다.

또한 본 소성로의 몸체 길이를 통상의 것보다 20% 길게하여 원료투입구에서부터의 예비열처리기(preheater) 역할을 할 수 있도록 하였다.

② 충진율

통상 생석회 제조시 소성로에서의 원료 충전율은 통상 6~11%로 하고 있으나 본 발명에서는 15%까지 증대시켜 설비 용량에 대비하여 생산성을 증대시킬 수 있었다.

투입원료가 주로 13mm 정도의 미립이었으므로 열침투 및 확산속도가 빠르게 진행되었다.

③ 로내 온도 및 통과시간

한편 로내 온도를 828℃ 미만으로 하였더니 통과시간이 4시간 이상이 되어도 CO₂ 분해가 잘 되지 않아 소성이 이루어지지 않았다. 또한 로내온도를 830~1000℃로 조절하여 소성한 결과 소성시간이 4~12시간 소요되었으므로 종래에 비해 너무 소성시간이 길어졌다. 따라서 로내의 소성온도는 종래의 소성시간을 고려하여 소성가능온도인 830℃를 휠씬 초과한 1030~1069℃로 수행하였다. 아울러 소성온도를 더욱 높여 소성대에서의 온도를 1150℃ 온도로 60분 통과시킨 결과 소성자체는 100% 완료되었으나 부분적으로 불균일하게 소성된 분생석회가 일부 발견되었다. 한편, 참고로 1300℃ 온도로 60분 통과시켰더니 과소성이 이루어져 CaO가 수화 반응하는 등 분생석회로서의 역할이 미흡하였다.

상기 실시예로 확인된 것은, 시료 A, B, C는 로내벽 코팅부착현상이 없이 소성이 완료되었고, 시료 D와 시료 E는 일반석회석 정품으로 한 실적치임에도 소성손실(Ig.-loss), 입도분포의 불균일성으로 소성효율이 현저히 감소되었음을 알 수 있었으며, 표에는 나타나지 않았으나 시료 E의 경우에는 석회석의 소성로 벽에의 코팅현상이 심하였음이 확인되었다.

본 발명에 따른 시료 A, B, C는 로내 통과시간이 샘플 D에 비해 65% 수준인데도 소성이 완벽할 뿐만 아니라 총열량 사용량에서도 30%이상 절감되었음을 알 수 있었다.

따라서, 입도가 통상 입경 15mm 이하로 배출되는 석회슬러지 등을 이용하여 종래 사용하기 어려웠던 미립 또는 세립의 석회석 원료로 입도균일화, 리프터 부착설치 등으로 분생석회를 제조할 수 있게 된 방법은 지금까지 없었던 획기적 방법으로 본 발명으로 비로소 가능하게 된 것에 본 발명의 특징이 있다.

Claims (4)

1. 수분함유가 32중량% 이하인 석회석 슬러지(sludge)와 석회석입자의 원환산직경(입자크기)이 15mm 이하인 미립석회석을 원료로 하는 미세립석회석원료로의 분생석회 제조방법에 있어서,

   상기 원료를 로터리형 건조로(rotary dryer)에 의해 수분함유 10중량% 이하의 펠렛트(pellet)로 제조한 다음, 이 펠렛트 원료를 소성대 바닥에 리프터(lifter)를 구비한 소성로에, 또한 소성로 길이의 20~30%의 길이를 가진 예열대를 소성로에 추가 설치하고 아울러, 다음 공정의 소성로(rotang kiln)의 소성대 내부 바닥에도 리프터를 설치하여 상기 건조로에서 예열건조된 석회석 펠렛트가 소성로에 장입되어 소성로의 소성온도역에서 석회석 펠렛트의 표면이 균일히 노출되어 균일하고도 충분히 소성되도록 한 것을 특징으로 하는 미세립석회석으로부터의 분생석회 제조방법
2. 제 1항에 있어서, 상기 로터리형 건조로는 그 원료투입구에 다수의 체인으로 된 분급구(分級具)를 부착 설치하여 수분함유 슬러지 덩어리를 쪼개주게 하고, 또한 상기 건조로의 가열대에는 리프터(lifter)를 부착하여 수분함유 원료가 상기 건조로를 통과하면서 수분증발과 함께 이 리프터에 의해 자연 낙하하여 슬라이딩되게 하므로써 둥근형태의 펠렛트가 형성되고 동시에 건조되도록 한 것을 특징으로 하는 미세립석회석으로부터의 분생석회 제조방법
3. 삭제
4. 삭제

Images