KR100810494B1

KR100810494B1 - 개선된 시멘트 클링커 수율

Info

Publication number: KR100810494B1
Application number: KR1020037010797A
Authority: KR
Inventors: 데이비드 브리슨 오테스; 케빈 모이레 카일; 폴 호노 레훅스; 로버트 킴 운가; 도날드 스테판 홉킨스; 제임스 에드워드 크로스; 마이클 리치
Original assignee: 라파쥐 캐나다 인크.
Priority date: 2001-02-16
Filing date: 2002-02-12
Publication date: 2008-03-10
Also published as: BR0207324A; MXPA03007306A; CZ297756B6; KR20030083717A; EP1360157B9; AU2002231533B2; CN1491193A; CN1223541C; PL206615B1; TNSN03047A1; MA25998A1; WO2002066391A3; DE60201018T2; PL365439A1; EP1360157B1; RU2288900C2; WO2002066391A2; ZA200306035B; BR0207324B1; ES2227441T3

Abstract

킬른 어셈블리로부터 재생되는 시멘트 클링커의 수율은 실리카와 칼슘 및 알루미늄 중의 적어도 하나의 산화물을 구비하는 미립자 재료, 예를 들어 비산재를 핫 시멘트 클링커와 접촉하도록 공급하므로서 증가되는데, 이때 비산재는 핫 클링커와 화학적으로 반응하는 부분적으로 용해된 재료에 녹아서 결정 수경성 실리케이트의 발열처리된 시멘트 클링커를 만들고, 증량제를 시멘트 클링커의 형성을 위한 다운스트림으로 핫 시멘트 클링커에 첨가하고, 킬른 어셈블리의 냉각기의 업스트림 단에서 또는 킬른 내에서 버닝 영역의 다운스트림으로 특히, 킬른의 배출단에서 초기 냉각 영역에서 핫 시멘트 클링커에 적절히 첨가한다.

킬른 어셈블리, 시멘트 클링커, 실리카, 칼슘, 알루미늄, 산화물, 미립자 재료, 비산재, 바닥재, 수경성 실리케이트, 발열처리, 증량제

Description

개선된 시멘트 클링커 수율{ENHANCEMENT OF CEMENT CLINKER YIELD}

본 발명은 시멘트 킬른 어셈블리(cement kiln assembly)로부터 재생(recovered)되는 시멘트 클링커(cement clinker)의 수율을 개선하기 위한 공정에 관한 것이다.

시멘트 플랜트에서, 시멘트 클링커는 시멘트 킬른(cement kiln)에서 고온에서 서로 다른 처리 영역을 통과하면서 공급단에서 배출단까지 킬른을 통과하는 시멘트 클링커 원료(cement clinker raw ingredients)으로부터 고온에서 생성된다.

버닝 영역(burning zone) 및 킬른의 배출단에서 전형적으로 약 1400℃의 온도를 갖는 결과로 나타나는 핫(hot) 시멘트 클링커는, 냉각기, 즉 클링커를 냉각시키고 예를 들어 냉각기 그레이트(cooler grate) 상의 냉각기 입구 포트에서 냉각기 출구 포트로 클링커의 베드(bed)로서 주행하는 시스템에 공급된다. 이때 공기는 그레이트 밑에 배치된 제트로부터 베드를 통해 불리워져서 핫 클링커를 냉각시키게 된다. 냉각기 구성에 따라서, 냉각기 입구 포트에 있는 클링커는 약 1400℃의 온도보다 약간 낮은 온도를 가지며, 냉각기 출구 포트에 있는 클링커는 약 120℃의 온도를 갖는다.

냉각된 시멘트 클링커는 소정의 공차로 연마되고, 증량제(extender), 특히 화산회(pozzolanic) 특성을 갖는 증량제와 혼합되어 혼합 시멘트(blended cement)를 만들 수 있다. 증량제는 제품인 시멘트의 시멘트 클링커 내용물을 절약해준다. 특히 증량제는, 부산물이 많은 함량의 실리카를 가지며 산화 형태, 특히 산화물 또는 카보네이트 형태의 칼슘 및/또는 알루미늄을 포함한다는 공업 공정으로부터의 부산물이다. 이와 같은 증량제는 석탄재, 특히 비산회(fly ashes) 및 바닥 재(bottom ash); 고로 슬래그(blast furnace slag) 및 실리카 퓸(silica fume)을 포함한다. 또한, 석회, 시멘트 킬른 먼지(kiln dust) 및 폐 시멘트(waste cement) 또는 시멘트 클링커와 같은 모디파이어(modifier)는 또한 화학적 성질을 조정하거나 또는 예를 들어 덩어리(agglomerates)가 요구되는 증량제를 처리하는 장점으로서 사용될 수 있다.

약 1986부터, 전력 플랜트로부터의 방출 가스를 제어하는 것에 대해 강조한 결과 방출 가스 내의 질소의 환원 산화물의 수단으로서 낮은 NO_x버너(burner)를 설치하게 되었다. 이와 같은 제어의 영향으로 Type F 및 보다 적은 정도로 Type C, 비산회의 탄소 함량이 증가하게 되었다. 더우기, 일부 공장에서 갈탄(lignite), 역청탄(bituminous coal) 및 부역청탄(sub-bituminous coal)에 낮은 레벨의 석유 코크스(petroleum coke)를 첨가하므로서 비산회 내의 탄소의 레벨을 증가시켰다.

석탄재에 함유되어 있는 이와 같은 탄소는, 화학 약품을 흡수하는 효과를 갖 는 시멘트에서 해로운 오염물질로, 이는 콘크리트 성능을 열화시킨다.

비산회로부터 탄소를 제거하는 이전의 시도는, 정전 분리: 등유와 같은 액체를 비산회와 혼합하고 포밍(foaming)에 의해 탄소를 배출하며, 탄소의 연소를 위한 유체 베드 연소 챔버(fluid bed combustion chamber)에서 비산회를 처리하는 것을 포함한다.

바닥재(bottom ash)는 오염물질로서 탄소를 역시 함유하고, 바닥재가 시멘트에 일체화되는 경우 탄소를 제거하는 것이 바람직하다.

종래에 혼합 시멘트의 생산시 시멘트 킬른 어셈블리의 냉각기에서 석탄재를 시멘트 클링커에 첨가하는 것을 제안하였다 (US특허 5,837,052). 이 종래 기술에서, 석탄재의 무결성 및 본질이 유지되고, 시멘트 클링커 및 탄소없는 석탄재의 혼합된 혼합물을 만들기 위해 냉각기에서 냉각시킴에 따라 핫 클링커(hot clinker)의 열에 의해 오염하는 탄소가 산화된다.

또한, US 특허 5,976,243은 슬래그 내의 수분을 제거하고, 고로 슬래그(blast furnace slag)의 무결성 및 본질이 유지되는 시멘트 클링커 및 고로 슬래그가 혼합된 혼합물을 만들기 위해, 시멘트 킬른 어셈블리의 냉각기에서 고로 슬래그를 시멘트 클링커에 첨가하는 것을 제안하였다. US 특허 5,650,005에서, 프리 석회(free lime)의 소스를 시멘트 클링커에 첨가하므로서 시멘트 클링커의 프리 석회 함량을 높이는 것이 제안되었다.

본 발명은 시멘트 킬른 어셈블리로부터 재생되는 시멘트 클링커의 수율을 증가 또는 개선하기 위한 공정을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따르면, 시멘트 클링커(cement clinker)를 제조하기 위한 시멘트 킬른(cement kiln) 및 상기 킬른로부터의 시멘트 클링커를 냉각시키기위한 냉각기를 갖는 시멘트 킬른 어셈블리로부터 재생되는 시멘트 클링커의 수율을 증가시키기 위한 공정을 제공하는데, 이 공정은:

a) 시멘트 킬른에서 시멘트 클링커 원료 성분으로부터 핫(hot) 시멘트 클링커를 제조하는 단계;

b) 단계 a)로부터의 핫 시멘트 클링커를 냉각기에 공급하는 단계;

c) 핫 시멘트 클링커의 형성의 다운스트림으로 핫 시멘트 클링커와 접촉하는 칼슘 및 알루미늄 중의 적어도 하나의 산화물 및 실리카를 구비하는 미립자 재료를 공급하고, 재료가 부분적으로 용해되는 재료로 녹게 하며, 핫 클링커와 부분적으로 용해된 재료를 화학적으로 반응시켜 부분적으로 용해된 결정 수경성 실리케이트의 발열처리된 시멘트 클링커 화합물을 만들고, 냉각기에서 시멘트 클링커 화합물을 냉각시키는 단계; 및

d) 냉각기로부터 냉각된 시멘트 클링커 화합물을 제거하는 단계

를 포함하되, 화합물은 단계 b)에서 핫 시멘트 클링커보다 높은 시멘트 클링커 함량을 갖는다.

본 발명의 공정은 시멘트 킬른의 화학적 성질, 성분 또는 공정 또는 동작 파라메타를 변경시키지 않고, 시멘트 킬른의 냉각기로부터 재생되는 시멘트 클링커의 수율을 증가 또는 개선한다.

이는 본질적으로 시멘트 킬른 운영자가 보수적이기 때문에 큰 장점이 되고, 만족하게 동작하는 시멘트 킬른의 동작 파라메타를 어떤 방식으로 수정하는 것에 몹시 못마땅하다는 것을 증명한다.

i) 본 발명에 이용된 증량제는 높은 실리카의 분해 함량의 재료이고, 주요 구성으로 결정, 수경성(hydraulic) 칼슘 및 알루미늄 실리케이트로 구성된 합성물을 형성하기 위해, 클링커 킬른 어셈블리(clinker kiln assembly)의 냉각기에서 고온으로 실리카 함량과 반응할 형태로 칼슘, 알루미늄 또는 모두를 부수적으로 함유한다. 칼슘 및 알루미늄은 전형적으로 각각 칼슘 산화물 및 알루미늄 산화물로서 존재할 것이지만, 실리카로서, 예를 들어, 칼슘 실리케이트 및 알루미늄 실리케이트, 및 칼슘 알루미노실리케이트(aluminosilicates)와 같은 알루미노실리케이트로서 적은 양이 존재할 수 있다.

증량제는 비정질 또는 결정일 수 있고, 전형적으로 실리카 및 칼슘 및/또는 알루미늄 화합물을 함유할 것이다.

적합한 증량제는, 전형적으로 시멘트 클링커와 동일한 실리케이트를 함유하지만, 칼슘이 훨씬 적은, 예를 들어 모두 공업 처리 또는 제조의 부산물인 석탄재, 고로 슬래그(blast furnace slag), 및 실리카 퓸(silica fume)을 갖는 칼슘 또는 알루미노 실리케이트(alumino silicate)일 수 있는 실리케이트 분자를 체인으로 연결한다. 모디파이어(Modifier)가 또한 화학 성질을 조정하는데 사용될 수 있거나 또는 예를 들어 덩어리가 필요한 경우 증량제를 처리하는데 있어서의 장점을 갖는 다. 이들은 석회, 시멘트 킬른 먼지 및 시멘트와 같은 재료를 포함한다.

발열처리(pyroprocessed) 조건 하에서 킬른에서 시멘트 클링커를 형성하기 위해 고온 다운스트림으로 특수한 증량제가 핫 시멘트 클링커(hot cement clinker)와 화학적으로 작용하는 부분적으로 용해된 상태로 용해되어, 주요 성분으로서 결정 수경성 칼슘 실리케이트로 구성되고 화합물이 발열처리된 화합물인 시멘트 클링커 화합물을 만든다.

제1 실시예에서, 온도가 1400℃ 내지 1000℃인 시멘트 클링커의 출구 근처의 냉각기의 업스트림 단에서 발열처리 반응이 일어난다.

제2 실시예에서, 시멘트 킬른에서 시멘트 클링커가 형성된 킬른의 영역의 하류쪽으로, 특히 킬른의 배출단의 킬른 내에서 발열처리 반응이 또한 발생할 수 있고, 킬른의 배출단은 거친 입자를 형성할 때 증량제를 첨가하기 위해 특히 바람직한 장소이다. 킬른의 핫 시멘트 클링커 제품을 형성하는 킬른내에서의 화학 반응은 킬른의 버닝 영역(burning zone)에서 발생하고, 따라서 제2 실시예에서 증량제의 첨가는 버닝 영역의 위쪽으로 발생한다.

미립자 증량제(particulate extender)는 증량제를 핫 시멘트 클링커에 첨가하는 것과 관련하여 발열처리에서 만족할 만한 부분 융해의 레벨을 허용하는 특수한 크기를 가져야 한다. 일반적으로, 증량제의 중량으로 적어도 1%, 보다 흔히 중량으로 적어도 50%, 바람직하게 중량으로 적어도 70%, 그리고 가장 바람직하게 중량으로 적어도 90%는 발열처리에서 부분적으로 용해하여야 한다.

일반적으로, 소정의 온도 및 노출 시간에서 작은 입자들이 큰 입자들보다 보 다 용이하고 부분적으로 용해할 것이라는 것을 알 것이다. 그러나, 벌집모양의 다공성 구조를 갖는 큰 입자들은 작은 입자들만큼 용이하게 부분적으로 용해할 수 있다.

특정 증량제의 부분 용해의 속도 및 정도는 입자들의 물리적 형태 및 크기, 특정 증량제의 첨가시 핫 시멘트 클링커의 온도, 특정 증량제의 핫 클링커의 고온에의 노출 시간, 킬른 어셈블리의 구성, 및 탄소 오염 비산재(carbon contaminated fly ash)가 없이 연소된 탄소로부터 유도되는 것과 같은 발열성 열에너지(exothermic heat energy)를 포함하는 많은 인수에 의존할 것이다.

전형적으로 비산재는 100마이크론 미만의 입자 크기를 가지며, 이와 같은 형태로 이용될 수 있다.

a) 석탄재

본 발명에 이용된 것과 같은 석탄재(coad ash)는, 가루화 무연탄(pulverized anthracite) 또는 갈탄, 또는 역청탄 또는 부역청탄을 연소하므로서 석탄 연소 노에서 만들어진 잔류물을 가리킨다. 이와 같은 석탄재는 배기관 또는 flue 가스에 의해 노로부터 운반되는 미세하게 분할된 석탄재인 비산재(fly ash), 및 덩어리와 같이 노의 바닥에 모이는 바닥재(bottom ash)를 포함하다.

본 발명에 이용된 석탄재는 Type F 또는 Type C 비산재일 수 있고, 전형적으로 Type F의 경우 탄소로 오염되거나, 또는 유사하게 석탄 연소 전력 플랜트에서의 질소 산화물을 감소시키는 낮은 NO_x 버너의 이용으로 인해, 일반적으로 석탄 점화 버너의 불균일한 점화로 인해, 또는 갈탄 및 부역청탄 및 역청탄에 낮은 레벨의 석유 코크스를 첨가하는 것으로 인한 것과 같이 탄소로 오염될 것이다.

위에 언급된 Type F 및 Type C 비산재는 본 발명의 참조로서 일체화되어 있는 CSA 표준 A23.5 및 ASTM C618에 의해 정의된다. Class C 비산재는 전형적으로 중량으로 8% 이상, 일반적으로 중량으로 20% 이상의 CaO 분해 함량(analytical content)을 갖는다. CaO의 분해 함량(analytical content)은 자유 석회(free lime), 즉 자유 CaO, 및 화학적 결합 상태, 예를 들어 칼슘 실리케이트 및 알루민산칼슘(calcium aluminates), 크리스탈 메릴라이트(crystalline melilite)(Ca₂Al₂SiO₈) 및 머위나이트(merwinite)(Ca₃MgSi₂O₇)에 존재하는 CaO를 함유할 수 있다. Class C의 자유 석회 함량은 전형적으로 중량으로 분해 함량의 3% 미만이다.

Type F 비산재는 중량으로 탄소의 1 내지 30%, 보다 흔히 1 내지 15%, 전형적으로 1 내지 10%를 함유할 수 있다. Type F 비산재는 흔히 8% 미만의 CaO, 전형적으로 중량으로 5% 미만의 분해 함량을 갖는다.

전형적으로 대부분의 비산재, 중량으로 적어도 약 80%는 45 마이크론 미만의 입자를 구비한다.

바닥재는 전형적으로 중량으로 그 80%의 그래뉼(granule)이 100 마이크론 내지 8cm 범위의 크기를 가짐에 따라 노의 바닥으로부터 재생된다. 동일한 석탄 소스로부터 나오는 바닥재는 보다 미세한 비산재와 유사한 화학 조성을 가질 것이다. 바닥재는 냉각기 내의 시멘트 클링커에 첨가되기 전에 미세한 입자 형태로 연마 또는 분쇄되지만, 소정의 부분 용해가 달성된다고 할 때 입자 크기는 중요하지 않다.

b) 슬래그(slag)

고로 슬래그(blast furnace slag)는 고로에서 철의 생산시 만들어지는 부산물이고, 실리콘, 칼슘, 알루미늄, 마그네슘 및 산소는 슬래그의 주요한 구성요소이다.

고로 슬래그는 대기압 조건 하에서의 용해된 고로 슬래그의 고체화의 결과로 인한 공기 냉각 슬래그, 그래뉼화된 고로 슬래그, 용해된 고로 슬래그가 물속에서의 침전에 의한 것과 같이 급속이 식힐 때 형성되는 글래시 그래뉼 재료(glassy granular material), 및 물 스프레이에 의해 팽창되고 냉각될 때 구면 펠릿(spherical pellet)으로 급속히 고체화하는 경우에 공기속에 놓여지는 회전하는 드럼을 통과할 때, 진동하는 공급 플레이트 위를 용해된 슬래그가 통과하므로서 만들어지는 작은 펫릿 형태(pelletized)의 고로 슬래그를 포함한다.

고로 슬래그는 전형적으로 입자들 간의 보이드(void) 내의 물의 중량으로 3 내지 20%, 일반적으로 5 내지 15%를 포함한다.

본 발명은 공기 냉각 고로 슬래그 및 수 냉각 고로 슬래그를 포함하는 고로 슬래그로 확장한다.

고로 슬래그는 예를 들어, 그래뉼화된 고로 슬래그 또는 펠릿 형태의 고로 슬래그일 수 있다. 이들 슬래그는 중량으로(by weight) 전형적으로 90% 이상이고, 중량으로(by weight) 3 내지 20% 일반적으로 5 내지 15%의 수분 함량을 갖는 물을 이용한 급속 냉각의 결과로 인한 글래스 함량을 갖는다. 펠릿 형태의 고로 슬래그는 일반적으로 중량으로 5 내지 15% 범위의 낮은 수분 함량을 갖는다.

그래뉼화된 고로 슬래그는 0.25 inch 까지 또는 4.75mm 까지의 입자 또는 그래뉼 크기를 갖는다. 펠릿 형태의 고로 슬래그는 0.5 inch 까지의 펠릿 크기를 갖는다.

황 함량을 제외한 산화물과 같은 분해 목적을 위해 북아메리카에서 고로 슬래그의 분해 함량이 아래 표 1에 설정되어 있다.

화학 성분
(산화물)	중량으로 %의 조성 범위
SiO₂	32-42
Al₂O₃	7-16
CaO	32-45
MgO	5-15
S	0.7-2.2
Fe₂O₃	1-1.5
MnO	0.2-1.0

스틸 슬래그(steel slag)는 스틸의 생산시 발생되는 부산물이고, 고로 슬래그와 유사한 화학 성질을 갖는 것으로 간주될 수 있고, 허용할 수 없는 레벨의 마그네슘으로 인해 그 사용이 낮은 첨가에 제한된다.

그 광석으로부터 서로 다른 비철 금속들의 제조시 나오는 비철금속 부산물은 또한 고로 슬래그와 유사한 화학 성질을 갖는 것으로 간주될 수 잇다.

c) 실리카 퓸(silica fume)

실리카 퓸은 실리콘 또는 페로-실리콘(ferro-silicon) 합금의 생산시 발생되는 부산물이고, 전기 아크 노를 탈출하는 가스를 여과하므로서 수집된다. 전형적 으로 이는 중량으로 적어도 75%의 실리콘 이산화물을 가지고 있으며, 약 0.1μm의 평균 직경을 갖는 미세한 구면 입자로 구성된다.

ii) 공정

이하 증량제가 석탄재, 특히 탄소로 오염된 비산재인 실시예를 참조하여 공정이 설명되지만, 본 발명은 탄소로 오염된 비산재 그리고 탄소로 오염되거나 오염되지 않은 바닥재에 유사하게 적용된다.

탄소를 함유하는 비산재는 시멘트 킬른 버닝 영역의 다운스트림(downstream)으로 냉각기 내의 핫 시멘트 클링커의 주행하는 베드(bed)에 첨가되고, 이 단계에서 시멘트 클링커는 그래뉼, 전형적으로 10 내지 12 inch 범위의 입자로 구성된다. 핫 시멘트 클링커는 냉각기의 업스트림 단에서 다운스트림 단까지의 경로를 따라 주행한다.

시멘트 클링커의 베드는 전형적으로 두께가 6 내지 24 inch이고, 냉각기 치수 및 킬른의 처리량에 따라 변하는 속도로 주행하고, 전형적으로 속도는 약 2 내지 6 ft./min.이고, 냉각기의 입구 포트에서 약 1400℃에서 시멘트 킬른 버닝 영역의 다운스트림으로 약 100℃ - 150℃, 전형적으로 냉각기의 클링커 방출 포트에서 약 120℃ 범위인 온도를 갖는다.

일반적으로, 클링커는 냉각기에서 15 내지 60, 보다 흔히 20 내지 40, 전형적으로 약 30분의 잔류 시간을 갖는다. 클링커 베드(clinker bed) 내의 클링커는 크기가 변하고, 10 내지 12 inch만큼 큰 덩어리를 포함할 수 있다. 냉각 공기의 제트는 주행하는 클링커 베드, 전형적으로 베드 밑으로부터 향한다. 냉각기에 공 급되는 냉각 공기의 대부분은 전형적으로 하나의 유출 경로는 냉각기에서 시멘트 킬른에서 발생하는 열 공정에 대해 보조 공기를 공급하는 시멘트 킬른로의 업스트림으로, 그리고 다른 한 유출 경로는 전체적으로 아래쪽으로 그리고 냉각기의 다운스트림 단에서 집진기를 통해 빠져나가는 두개의 유출 경로를 갖는다.

이와 같이 핫 클링커는, 업스트림 단에서 다운스트림 단으로 주행함에 따라 약 1400℃에서 약 150℃로 클링커가 점진적으로 냉각되도록 베드의 주행 경로에서 냉각 공기에 노출된다.

비산재는, 모든 또는 대부분의 비산재가 냉각기의 출구 포트 쪽으로 시멘트 클링커와 함께 주행하도록 시멘트 클링커의 주행하는 베드에 적절하게 유입된다. 게다가, 비산재는 주로 수경성(hydraulic) 칼슘 실리케이트로 구성되는 부분적으로 용해된 발열처리된 클링커를 만들기 위해 냉각기 내의 핫 클링커와 화학적으로 반응하는 부분적으로 용해된 재료로 비산재를 녹이고 비산재의 탄소 함량을 연소시키기 위해 비산재가 충분히 높은 온도, 적합하게 적어도 1000℃ 및 전형적으로 100 내지 1400℃의 온도로 냉각기에서 적절한 잔류 시간을 갖도록 하는 점에서 클링커의 주행하는 베드에 유입된다.

탄소 함량의 연소가 발열 반응이기 때문에, 탄소의 연소 동안 자유롭게 된 열은 시멘트 킬른의 전체 발열처리를 도우며 또한 결정 수경성 실리케이트에 대한 비산재의 발열 처리를 촉진시키는 것을 도운다.

비산재를 클링커에 유입시키기 위한 다양한 운반 수단이 이용될 수 있고, 냉각기 내의 적절한 운반 수단의 설계 및 위치는 기술분야의 숙련자의 범주 내이다.

시멘트 공장에서 수행된 테스트에 따르면, 증량제로서 미세하게 분할된 F 비산재를 첨가할 때 킬른 및 냉각기 구성을 위한 최적의 공기 공급점(pneumatic feeding point)은 온도가 가장 높은 냉각기의 제1의 가장 업스트림 구획인 것으로 밝혀졌다. 이는 킬른의 근접성이 비산재로 하여금 공기 스트림에 의해 냉각기에서 킬른의 주 몸체로 흩날려질 수 있게 한다는 예상과는 상반되었다. 클링커 표면은 클링커와 함께 재 입자를 용해시키고 포획하기에 충분한 온도이었다.

예를 들어, 건조한 (또는 축축하거나 습기를 먹은) 비산재는 핫 클링커와의 혼합을 증가시키기 위해 냉각기 베드에 적당한 분산을 주도록 설계된 리클레임 스크류 오거(reclaim screw auger)에 의해 유입될 수 있다. 베드의 내부로 유입하므로서 냉각기에서 킬른로 흐르는 공기의 비말에 의해 비산재의 가능한 손실을 최소화시키게 된다.

예를 들어, 입자의 크기가 크기 때문에 덩어리로 된 비산재, 바닥재 또는 슬래그는 양호한 혼합을 보장하기 위해 킬른 쉘(kiln shell)에서 냉각기로 주행함에 따라 버닝 영역으로부터 다운스트림으로 클링커 매스(clinker mass)로 공급될 수 있다. 증량제, 예를 들어, 비산재는, 예를 들어 증량제와 클링커의 결합 중량(combined weight)에 기초하여 중량으로 약 2 내지 25%, 바람직하게 5 내지 15%, 보다 바람직하게 5 내지 10%의 클링커에 증량제, 예를 들어 비산재의 함량을 제공하는 양으로 냉각기의 클링커에 적절하게 유입한다.

iii) 시멘트

냉각기로부터 재생된 시멘트 클링커는 시멘트 클링커의 소정의 분말도(fineness)로 연마된다. 본 발명의 공정을 이용하므로서, 비산재 또는 다른 증량제는 부분 용해 발열 처리에 의해 시멘트 클링커에 일체화되어 킬른 어셈블리로부터 재생되는 시멘트 클링커의 수율을 증가시킨다.

도 1은 킬른 및 냉각기를 포함하는 킬른 어셈블리의 개략도이다.

도 1을 참조하면, 킬른 어셈블리(kiln assembly)(10)는 공급 입구(12), 로터리 킬른(rotary kiln)(14) 및 냉각기(16)를 구비한다.

킬른(14)는 공급 입구(12) 및 냉각기(16)에 대해 회전하도록 장착된다. 로터리 킬른(14)는 웨트 공정(wet process)용 건조 영역(20), 하소 영역(calcining zone)(22), 버닝 영역(burning zone)(24) 및 초기 냉각 영역(26)을 킬른(14)의 배출단에 갖는다.

로터리 킬른(14)은 공급 포트(18)와 클링커 출구(28) 사이로 연장한다.

킬른(14)의 외부에 장착된 버너 어셈블리(burner assembly)는 노즐(32)이 출구(28)을 통해 킬른(14)로 연장하는 점화 후드(firing hood)(38)에 버너 노즐(32)이 장착되어 있다. 불꽃(flame)(36)은 노즐(32)에서 시작된다.

냉각기(16)는 킬른(14)의 클링커 출구(28)와 교통하는 진이 포트(42), 및 출구 포트(44)를 갖는다. 냉각기 그레이트(grate)(40)는 냉각기(16)에 장착되고, 냉 각기 그레이트(40) 밑에 배치된 공기 제트(46)는 냉각기 그레이트(40) 및 냉각기 그레이트(40) 위에 지지되어 있는 클링커의 베드(52)를 통해 위쪽으로 냉각 공기의 제트를 공급한다. 어셈블리(10)는 증량제, 예를 들어 냉각기(16)의 업스트림 단에서 냉각기 그레이트(40) 밑으로부터 공기 제트(46)에 의해 특히 냉각기(16)의 업스트림 공기 구획(54)을 통해 공기학적으로(pneumatically) 탄소로 오염된 비산재(50)를 공급하기 위해 공기 제트 구획(54)를 갖는다.

도시된 바와 같이 어셈블리(10)는 특히 초기 냉각 여역(26) 내 킬른(14)의 배출단에서, 증량제, 예를 들어 버닝 영역(24)의 다운스트림으로 고로 슬래그(blast furnace slag)를 킬른(14)에 공급하기 위한 대체 포트(56)를 갖는다. 냉각기(16)는 공기 방출구(48)를 갖는다.

냉각 그레이트(40)는 나란한 복수의 플레이트를 구비한다. 플레이트의 일부는 냉각 공기의 통과를 허용하는 개구부를 갖는다. 일부 플레이트는 고정되어 있고, 다른 플레이트는 전후로 발진하도록 장착된다. 발진하는 플레이트의 운동은 클링커를 흔든다. 각각의 그룹이 공기 제트 구회과 연관되어 있는 그룹지어 있는 공기 제트(46)에 의해 공기가 그레이트(40)로 공급된다.

냉각기 그레이트(40)는 입구 포트(42)에서 출구 포트(44)로 아래쪽으로 기울어져 있다. 클링커의 베드(52)는 기울기와 연관되어 일부 플레이트의 발진에 의해 그리고 킬른(14)로부터 냉각기(16)에 도입된 클링커의 강화에 의해, 출구 포트(44)쪽으로 전진한다.

동작에 있어서, 미립자 형태의 시멘트 클링커 원료가 입구(12) 및 공급 포트(18)를 통해 킬른(14)에 공급되고, 여기서 먼저 건조 영역(20)에 진입한다. 킬른(14)는 서서히 회전하고, 포트(18)에서 출구(28)로 아래쪽으로 기울어져 있다. 킬른(14)가 회전함에 따라, 원료는 불꽃이 버너 노즐(32)로부터 확장하는 건조 영역(20), 하소 영역(22) 및 버닝 영역(24)에 걸쳐 순차적으로 서서히 진행한다.

건조 영역(20)에서, 온도는 전형적으로 300℃ 내지 800℃이다. 하소 영역(22)에서 온도는 전형적으로 825℃ 내지 1000℃이고, 버닝 영역(24)에서 온도는 전형적으로 1400℃ 내지 1425℃이다. 버닝 영역(24)에서 클링커 형성이 완료된다.

킬른(14)는 시멘트 클링커 제조를 위한 종래의 방식으로 동작하고, 본 발명은 킬른(14)에 관한 것은 아니고, 시멘트 클링커 제조를 위한 킬른(14)의 동작을 수정하지않는다. 킬른(14)에서 제조된 핫 클링커는 클링커 출구(28)를 통해 방출되고, 핫 클링커를 출구 포트(44)쪽으로 진행시키는 냉각기 그레이트(40)에 떨어지는 입구 포트(42)에서 냉각기(16)에 진입한다. 냉각기 그레이트(40)에 떨어지는 핫 클링커는 전형적으로 6 내지 24 inch의 두께 또는 깊이를 갖는 클링커의 베드(52)를 형성한다.

냉각기 그레이트(40) 밑에 배치된 공기 제트(46)를 통해 압력이 가해지는 상태에서 공기가 주입되고, 냉각기 그레이트(40) 및 베드(52)의 플레이트를 공기가 침투하는데, 이때 출구 포트(44)를 향해 움짐임에 따라 제트(46)로부터의 공기에 의해 클링커거 점차적으로 냉각된다. 냉각기(16)는 전형적으로 저압 또는 부분 진공하에서 동작되고, 베드(52)를 통해 위쪽으로 침투하는 공기는 화살표 A로 가리킨 경로를 따라 킬른(14)로 또는 냉각기의 다운스트림 단에서 빠져나오는 화살표 B로 가리킨 경로를 따라 흐른다. 베드(52)의 주행 경로는 화살표 C로 가리켜져 있다.

증량제로서 탄소로서 오염되고 그 미세하게 분할된 형태로 유지된 비산재는, 비산재의 발열 처리를 위해 온도가 충분히 높은 냉각기(16)의 업스트림 단에서 공기 제트의 제1 업스트림 구획(50)을 통해 클링커에 도입된다. 이는 탄소로 오염된 비산재가 도입될 수 있는 한 장소를 단순히 나타낸다. 탄소로 오염된 비산재는 베드(52) 내의 비산재의 포획으로 베드(52) 내에 침투하기 위해 구획(54)을 통해 베드(52) 밑에서부터 공기 압축적으로 유입된다.

탄소로 오염된 비산재를 갖는 베드(52)가 출구 포트(44)를 향해 이동함에 따라, 비산재의 탄소 함량은 열의 전개에 따라 탄소의 산화물에 연소되고, 핫 시멘트 클링커의 열에 의해 클링커는 주로 결정 수경성 칼슘 실리케이트로 구성된 발열처리에 이해 부분적으로 용해되게 된다. 냉각기(16)의 다운스트림 단에서, 탄소가 없는 결과로 나타나는 냉각된 클링커 및 비산재는 출구 포트(44)를 통해 냉각기 그레이트(40)로부터 떨어지고 시멘트의 제조를 위한 연마와 같은 추가적인 처리를 위해 보내진다.

흐름 경로 B를 따라 공기 출구 방출(48)에 포획된 비산재 및/또는 클링커의 미세한 입자들이 수집되어 클링커 분말에 대해 현재 사용되는 통상적인 방법으로 재생된다.

<예>

Cement Plant에서 증량제로서의 Class F 비산재를 시멘트 클링커에 첨가하는 유효성을 판단하기 위한 시도가 이루어졌다.

냉각기 그레이트 밑의 다양한 구획을 통해 킬른 냉각기에 비산재를 공기 압축적으로 유입하였다.

킬른 후드, 제2 드래그(drag) 이전, 제2 드래그 이후, 그레블(gravel) 베드 필터 예비 클리닝 집진기 및 배기 집진기를 포함하는 5 샘플링 포인트에서 샘플들을 재구하였다.

시간당 24.42 tonnes의 킬른 속도로 시간당 1.22 tonnes으로 비산재를 유입하였다.

테스트 중의 하나에서, 냉각기 팬 #1에 의해 업스트림 구획을 통해 비산재를 유입하였다.

개별적인 포인트로부터의 샘플들은, 킬른 후드 샘플에서 어떠한 비산재도 볼 수 없다는 것을 나타내었고, 모든 재료의 97%는 제2 드래그 이전에 재생되었고, 특히 어떠한 (0.1%) 재료도 배기 집진장치에서 재생되었고, 재료의 100%는 제2 드래그 이후에 재생되었다. 모든 경우에 비산재의 90% 이상이 용해되었다.

본 발명은 시멘트 킬른 어셈블리(cement kiln assembly)로부터 재생(recovered)되는 시멘트 클링커(cement clinker)의 수율을 개선한다.

Claims

시멘트 클링커(cement clinker)를 제조하기 위한 시멘트 킬른(cement kiln) 및 상기 킬른로부터의 시멘트 클링커를 냉각시키기 위한 냉각기를 갖는 시멘트 킬른 어셈블리(cement kiln assembly)로부터 재생되는 시멘트 클링커의 수율을 증가시키기 위한 공정에 있어서,

a) 시멘트 킬른에서 시멘트 클링커 원료(cement clinker raw ingredients)으로부터 핫(hot) 시멘트 클링커를 제조하는 단계;

b) 상기 단계 a)로부터의 핫 시멘트 클링커를 냉각기에 공급하는 단계;

c) 상기 핫 시멘트 클링커의 형성의 다운스트림으로 상기 핫 시멘트 클링커와 접촉하는 칼슘 및 알루미늄 중의 적어도 하나의 산화물 및 실리카를 구비하는 미립자 재료를 분해 기반으로 공급하고, 상기 재료가 부분적으로 용해되는 재료로 단위무게당 적어도 50%의 용해, 적어도 1000℃의 온도에서 녹게 하며, 상기 핫 클링커와 상기 부분적으로 용해된 재료를 화학적으로 반응시켜 부분적으로 용해된 결정 수경성 실리케이트(crystalline hydraulic silicates)의 발열처리된 시멘트 클링커 화합물(pyroprocessed cement clinker composition)을 만들고, 상기 냉각기에서 상기 시멘트 클링커 화합물을 냉각시키는 단계; 및

d) 상기 냉각기로부터 냉각된 시멘트 클링커 화합물을 제거하는 단계

를 포함하되, 상기 화합물은 상기 단계 b)에서 상기 핫 시멘트 클링커보다 높은 시멘트 클링커 함량을 갖는 공정.
청구항 1에 있어서, 상기 재료는 비산재(fly ash)인 공정.
청구항 2에 있어서, 상기 비산재는 Class C 비산재인 공정.
청구항 2에 있어서, 상기 비산재는 Class F 비산재인 공정.
청구항 1, 2, 3 또는 4에 있어서, 상기 단계 c)에서의 상기 미립자 재료는 핫 시멘트 클링커 및 미립자 재료의 결합 중량(combined weight)에 기초하여 중량으로 2 내지 25%의 양인 공정.
청구항 2, 3 또는 4에 있어서, 상기 단계 c)에서의 상기 비산재는 핫 시멘트 클링커 및 비산재의 결합 중량에 기초하여 중량으로(by weight) 5 내지 10%의 양인 공정.
청구항 2, 3, 또는 4에 있어서, 상기 비산재는 1000 내지 1400℃의 온도에서 상기 냉각기의 업스트림 단(upstream end)에서 상기 핫 클링커에 접촉하는 공정.
청구항 1에 있어서, 상기 재료는 바닥재(botton ash)인 공정.
청구항 1에 있어서, 상기 재료는 고로 슬래그(blast furnace slag)인 공정.
청구항 1에 있어서, 상기 재료는 스틸 슬래그(steel slag)인 공정.
청구항 1에 있어서, 상기 재료는 비금속 슬래그인 공정.
청구항 1에 있어서, 상기 재료는 실리카 퓸(silica fume)인 공정.
청구항 1 내지 4 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 미립자 재료의 중량으로 적어도 1%는 녹아서 상기 핫 클링커와 반응하는 상기 부분적으로 용해된 재료를 형성하는 공정.
청구항 1 내지 4 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 미립자 재료의 중량으로 적어도 70%는 녹아서 상기 핫 클링커와 반응하는 상기 부분적으로 용해된 재료를 형성하는 공정.
청구항 2, 3, 또는 4항에 있어서, 상기 비산재는 탄소로 오염되고, 상기 탄소는 발열 반응에서 산화하고, 상기 발열 반응으로부터의 열은 상기 미립자 재료를 상기 부분적으로 용해된 재료로 녹이는데 기여하고, 상기 미립자 재료의 중량으로 적어도 90%는 녹아서 상기 핫 클링커와 반응하는 상기 부분적으로 용해된 재료를 형성하는 공정.
청구항 15에 있어서, 상기 단계 c)에서 상기 비산재는 핫 시멘트 클링커 및 미림자 재료의 결합된 중량에 기초하여 중량으로 5 내지 10%의 양인 공정.
삭제
청구항 1, 8, 9, 10, 11, 또는 12 중 어느 한 항에 있어서, 상기 미립자 재료는 단계 c)에서 적어도 1000℃∼1400℃의 온도에서 상기 핫 시멘트 클링커에 접촉하는 공정.
청구항 1 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 미립자 재료는 상기 시멘트 클링커의 형성하는 다운스트림으로 상기 시멘트 킬른에서 상기 핫 시멘트 클링커에 접촉하는 공정.
청구항 1 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 미립자 재료는 화학적 성질을 조정하는 첨가 모디파이어(addition modifier)와 결합하여 또는 처리를 위한 잇점으로서 단계 c)에서 공급되는 공정.