KR100851701B1 - 예비하소로 시멘트 가마 및 광물처리가마에서의 고온 가스 혼합 방법 - Google Patents

Abstract

본 방법은 회전로에서 광물을 처리하는 동안 질소산화물의 방출을 줄이고 에너지 효율을 개선시키는 것에 대해 설명한다. 이 방법은 가마 가스의 층화를 제거하거나 줄이기 위해 가마로 고속/고운동에너지의 공기를 주입한다. 이 방법은 회전로 베젤 또는 예열기/예비하소로 베젤의 혼합공기에 사용될 수 있다.

Description

예비하소로 시멘트 가마 및 광물처리가마에서의 고온 가스 혼합 방법{A PRECALCINER CEMENT KILN AND MIXING HIGH TEMPERATURE GASES IN MINERAL KILNS}

본 발명은 광물처리 가마, 특히 처리된 광물이 열처리 되는 동안 가스를 방출하는 그러한 가마로부터 방출을 감소시키고 작업효율을 높이는 방법 및 장치에 관계된다. 특히 본 발명은 가스류(gas stream) 성분을 혼합하고, 처리중인 광물에 보다 효율적인 열 운반을 허용하는 광물 베드(mineral bed)를 덮는 배출된 가스를 방출하고 부수적으로 광물가스 유출류(effluent stream)에서 오염물을 줄이기 위해 광물 가스류에 고속/고 에너지의 공기를 주입하는 것에 관계된다.

시멘트를 제조하기 위해 널리 쓰이는 공업용 공정에서, 시멘트 원료를 건조, 하소 및 클링커링(clinkering)하는 방법들은 가열된 경사 회전 베젤 또는 가마를 통해, 석회질 광물(calcareous mineral), 실리카(silica) 및 알루미나(alumina)를 포함한 정교하게 분할된 원료를 지나게 함으로서 이루어진다. 종래의 장시간 건조 또는 습식 공정 가마로 공지된 것에서 전체 광물 가열공정은, 보통 "회전 베젤"로 언급되는 가열된 회전로 실린더에서 처리된다. 이 회전 베젤은 통상 10 내지 15 피트의 직경과 200-700 피트의 길이를 가지며, 이 베젤이 회전될 때, 가마 실린더의 상단부로 공급된 원료가, 최종 클링커링 공정이 일어나고 시멘트 클링커 제품이 냉각 및 차후의 공정을 위해 방출되는 하부 "연소"단부를 향해 중력의 영향으로 움직이도록 경사져 있다. 가마의 연소 클링커링 영역에서 가마의 가스 온도는 약 1300℃(~2400℉) 내지 약 2200℃(~4000℉) 범위이다. 가마의 가스 배출 온도는 이른바 습식공정 가마의 상부 광물 수용단부에서 약 250℃(~400℉) 내지 약 350℃(~650℉) 로 낮다. 1100℃(~2000℉)까지 가마의 가스 온도는 건조공정 회전 가마의 상단부에 나타난다.

일반적으로 당해업자들은, 회전로에서 시멘트를 만드는 공정이 냉각가스 배출 광물 공급단에서 회전로 베젤의 연소/클링커 배출 하단으로 원료가 흐르는 것처럼 몇몇 단계들에 나타나는 것으로 생각한다. 광물질이 가마의 길이방향 아래로 움직일 때 가마의 가스 온도를 상승시키기 쉽다. 따라서 가마의 가스 온도가 가장 낮은 가마 실린더의 상부에서 처리중인 광물질은 먼저 건조/예열을 거치고, 그 후 온도가 소성온도(calcining temperature)로 상승될 때까지 가마 실린더 아래로 움직인다. 광물이 (이산화탄소를 방출하는)소성공정을 거치는 가마의 길이는 소성영역으로 표시된다. 처리중인 광물은 마지막으로 가스 온도가 가장 높은 가마 실린더의 연소 하단의 클링커링 영역까지 가마 아래로 움직인다. 가마의 가스 흐름은 클링커링 영역으로부터 중간 소성 영역과 광물 건조/예열 영역을 거쳐, 가마의 상부 가스 배출단 외부로 가마의 집진(dust collection)시스템까지, 처리중인 광물질 흐름의 반대로 흐른다. 가마를 거치는 가스의 흐름은 가마 가스 배출 흐름에 놓인 통풍 유도 팬(draft induction fan)에 의해 어느 정도 범위까지 조절된다. 지난 10-20년간 예열기/예비하소로 시멘트 가마는 재래의 길이가 긴 가마보다 에너지 효율이 가장 두드러지게 높은 것으로 증명되었다. 예비하소로 가마(precalciner kilns)에서 원광물의 공급물은 고온의 클링커링 반응을 위해 가열된 회전 베젤로 떨어지기 전에 정적인 역류 예비하소로 베젤에서 소성 온도로 가열된다.

환경의식 및 보다 엄격한 배출허용기준에 대응하여, 광물처리 산업은 시멘트 및 다른 광물처리 가마로의 방출물을 줄이기 위해 연구와 개발에 많은 노력을 기울여오고 있다. 본 발명은 시멘트 및 석회석과 같은 열처리된 광물제품을 제조할 때 기체 오염물의 방출을 감소시키고 열효율을 개선하는 방법 및 장치를 제공한다.

본 발명은 이른바 긴 광물처리 가마와 시멘트 클링커 에너지 효율 제품으로 이미 인정된, 시멘트 제조, 예비하소로 가마 모두에 적용된다. 본 발명은 방출물을 감소시키고 보충 연료의 에너지 효율을 증가시키며, 타코나이트(taconite), 석회암, 시멘트 원료 및 경량골재(lightweight aggregates)의 생산을 위한 점토에 제한되지는 않지만 이것들을 포함한 가스방출 광물을 열처리하는 이점들을 제공한다.

본 발명의 한 관점에서 처리될 때 가스를 방출하는 광물을 열처리할 때 가마의 층화를 제거하거나 감소시키기 위해 고 에너지/고속 공기가 가마의 가스류로 주입된다.

본 발명의 다른 관점에서, 회전베젤에서 가마의 가스에 회전 운동량을 전하도록 설계된 방식으로 회전로에 고속으로 공기를 주입시킴으로서 가마의 가스혼합 에너지가 가마의 가스류로 전달된다. 광물처리 가마에서 횡단면 혼합을 촉진하기 위해 고속 공기를 주입하는 것은 광물 베드로 에너지 전달을 용이하게 함으로서 에너지 효율을 증가시키는 작용을 하고, 부수적으로 그러한 공기 주입은 부산물인 산화질소의 형성을 줄이도록 일차 연소영역에서 화학량론 및 연소의 온도 기울기를 바꾼다.

본 발명의 한 관점에 따라, 회전로에서 광물처리를 하는 동안 NO_x 방출량을 감소시키고 에너지 효율을 개선하는 방법이 제공된다. 이 가마는 원광물의 공급물을 이입시키기 위해 하단과 상단에 주 연소기(primary burner)와 연소공기 입구를 갖고 있는 경사진 회전베젤로 이루어진다. 이 방법이 특별히 이용되는데 있어서 회전베젤에서 광 베드의 광물은 가마에서 열처리되는 동안 가스를 방출하는 화학반응을 거친다. 이 방법은 약 100 내지 약 1000 ft/s의 속도로, 일반적으로 약 0.15 기압보다 큰 정압을 제공하는 공기 압축원에서부터 회전베젤로 공기를 주입하는 단계를 포함하는데, 본 발명의 한 관점에서, 회전 베젤 길이의 하부 절반 지점에서, 가마의 가스와 광물 사이의 온도차는 주 연소기로부터 연소가스를 포함한 광물에서 배출된 가스를 혼합하도록 가장 크다. 주입된 공기의 질량유량(mass flow rate)은 가마의 연소공기 사용 무게비율의 약 1 내지 약 15% 인 것이 바람직하다.

한 실시예에서 공기는 회전베젤 벽부의 포트에서 회전베젤로 연장되고 회전베젤에서 사전 결정된 경로를 따라 주입된 공기를 조종하기 위해 노즐에서 끝나는 공기주입튜브을 통해 회전 베젤로 주입되는 것이 바람직하다. 일반적으로 공기가 회전 베젤의 벽부로부터 약 H 내지 약 2H 거리에 있는 회전베젤에 배치된 둘 혹은 그 이상의 노즐을 통해 회전 베젤로 주입되는데, 여기서 "H" 는 베젤에서 광물베드의 최대 깊이이다. 주입된 공기의 사전 결정된 경로는 회전 베젤(1)을 통해 흐르는 연소 가스로 회전 운동량을 전하도록 유도되는 것이 바람직하다. 본 발명의 한 관점에서, 이 방법은 또한 공기가 가마로 주입되는 가마에서 가스 흐름에 관해 회전 베젤의 하류로 전달된 보충 연료를 연소시키는 단계를 포함한다. 본 발명의 또 다른 실시예에서 이 방법은 또한 주 연소기로부터 연소 가스를 함유한 연소 보충연료와 광물 베드 모두로부터 배출된 가스를 혼합하기 위해 보충연료 전달포트로부터, 가마의 가스흐름에 관해, 하류의 한 지점에서 약 100 내지 약 1000 ft/s 의 속력으로 회전 베젤에 공기를 주입하는 단계를 포함한다. 가마로의 공기 주입율은 대체로 약 1% 내지 약 15% 이며, 보다 일반적으로 가마가 작동하는 동안 단위 시간당 요구된 전체 연소공기 질량의 약 1% 내지 약 7% 이다. 본 발명의 한 특정 실시예에서, 공기주입 노즐은 가로세로 비(aspect ratio)가 1 보다 큰, 예를 들면 직사각형 또는 타원형 단면의 오리피스를 갖는다.

본 발명의 다른 관점에서 NO_x 방출량을 감소시키고 예열기/예비하소로(PH/PC) 시멘트 가마에서 연소 효력을 개선시키는 방법이 제공된다. 예비하소로 가마에는 주 연소기 연소영역이 있는 회전베젤부와 제 2 연소기 연소영역이 있는 정적 예비하소로 베젤부가 있다. 주 연소기와 예비하소로 부분은 각각 통제된 양의 예열된 연소공기를 공급받는다. 작동시 주 연소영역으로부터의 연소 가스는 연속적으로 회전 베젤, 예비하소로 베젤부를 거쳐 광물 공급물과 역류로 연결되는 일련의 집진장치로 흐른다. 예비하소로 가마에 이용될 때 본 발명의 방법은 가마에 요구된 단위 시간당 전체 연소공기의 약 1% 내지 약 7% 에 상응하는 무게비율로 제 1 집진장치에 앞선 어떤 점에서 가마의 예비하소로 베젤부로 압축공기를 주입시키는 단계를 포함한다. 이 공기는 둘 또는 그 이상의 공기주입 노즐을 거쳐 약 100 내지 약 1000 ft/s 의 속력으로 주입되는 것이 바람직하다. 한 실시예에서, 이 공기는 약 4 내지 약 150, 보다 일반적으로 예비하소로 베젤부에 주입되기 전에 약 40 내지 약 100 psi(pounds per square inch)의 압력으로 압축된다. 노즐은 함유된 가스와 유동 광물(fluidized mineral)의 횡단면 혼합을 최적화하기 위해 예비하소로 베젤로 유도되는 것이 바람직하다. 한 실시예에서 이 노즐은 베젤에서 난류(turbulent flow)를 촉진시키도록 배치되며, 다른 실시예에서 이 노즐들은 상기 베젤의 회전 또는 원심 유동을 촉진하도록 예비하소로 베젤로 유도된다.

본 발명의 선택적인 실시예에 수정된 예비하소로 시멘트 가마가 제공되는데 있어서 수정은 정적 예비하소로 베젤에 배치된 주입 노즐과, 약 100 내지 약 1000 ft/s의 선속도로 노즐과 베젤로 압축된 공기를 전달하기 위한 수단을 포함한다. 수정된 가마는 예비하소로 베젤로 압축공기를 전달하도록 배치된 다수의 노즐에 적합하다.

본 발명의 또 다른 실시예에는 NO_x 방출량이 감소하고 에너지 효율이 증가된 작동을 위해 수정된 광물처리 가마가 제공된다. 이 가마는 주 연소기와, 하단부의 연소공기 입구가 있는 경사 회전 베젤로 구성된다. 가마는 특히 열처리 되는 동안 가스를 배출하는 화학반응을 거치는 광물의 열처리에 사용된다. 이 가마는 약 100 내지 약 1000 ft/s의 속도로 회전 베젤에 공기를 주입하는 공기주입튜브를 포함하도록 수정된다. 이 주입튜브는 베젤 벽부의 한 포트에서, 베젤의 사전 결정된 경로를 따라 주입된 공기를 유도하는 노즐에서 끝나는 회전 베젤로 연장된다. 포트는 회전 베젤의 하부 길이의 절반 지점에서 주 연소기에서 연소가스를 포함한 광물 베드로부터 방출된 혼합가스에 위치하는 것이 바람직하다. 가마의 추가 수정은 팬 또는 압축기가 가마로의 공기 주입율에 맞도록 공기 주입튜브 및 제어기와 공기 흐름이 이어지는 팬 또는 압축기를 포함한다. 이 팬 또는 압축기는 정적일 수 있으며 예를 들면 베젤을 회전시키는 동안 포트의 일부에 정렬된 환형 플리넘(plenum)을 거쳐 베젤 벽부의 포트와 공기 흐름이 이어질 수 있다. 선택적으로 팬 또는 압축기는 가마에 직접적인 공기 주입을 위해 회전 베젤의 벽부에 장착될 수 있다. 동력이 원주의 파워링(power ring)을 통해 베젤 표면에 장착된 팬 또는 압축기에 전달된다.

수정된 광물 처리 가마는 회전베젤로 공기를 주입하기 위해 둘 또는 그 이상의 공기주입튜브를 갖는데, 각 주입튜브는 베젤에서 사전 결정된 경로를 따라 주입된 공기를 유도하기 위해 노즐에서 끝나도록 수정되는 것이 바람직하다. 바람직하게는 노즐 또는 노즐들이 회전베젤의 벽에서 약 H 내지 약 2H 떨어진 거리에 있는 회전 베젤에 배치되는데, 여기서 "H" 는 회전 가마베젤에서 광물 베드의 최대 깊이이다. 공기주입 노즐들은 각각의 노즐로부터 주입된 공기의 사전 결절된 경로가 회전베젤을 통해 흐르는 연소 가스에 회전 운동량을 전하는 작용을 하도록 배치되는 것이 바람직하다.

공기 주입튜브는 포트에서 회전베젤에 접하여 직각을 이루는 회전 베젤로 연장되고, 가마의 가스류에 회전 운동량을 전하도록 선택된 베젤에서 사전 결정된 경로를 따라 주입된 공기를 유도하기 위해 노즐에서 끝나도록 장착될 수 있다. 선택적으로, 주입튜브(들)은 포트에서 접선에 예각이고 실질적으로 튜브의 단부를 지나 연장되는 회전베젤의 반지름 선에 수직인 각도로 회전베젤의 포트로부터 베젤 안으로 연장되도록 배치될 수 있다. 그렇게 배열된 공기 주입튜브는 주입 지점에서 가마의 가스류에 회전 운동량을 전하도록 가마의 가스류를 통하여 주입된 공기를 유도하는 작용을 한다. 한 실시예에서, 주입튜브의 오리피스는 1 보다 큰 가로세로비를 갖도록 형성된다.

이 주입튜브는 압축된 공기원, 바람직하게는 팬, 송풍기(blower) 또는 약 0.15 대기압 보다 큰, 더욱 바람직하게는 약 0.20 대기압보다 큰 정압차를 제공할 수 있는 압축기와 통하도록 형성된다. 팬, 송풍기 또는 압축기는 (가마 가스의 약 0.1 내지 약 1 와트-시/파운드에 상응하는)주입공기의 약 1 내지 약 10 와트-시/파운드의 운동 에너지가 입력되는 가마에 연속적으로 주입공기를 전하기에 충분한 크기와 동력이 공급된다. 공기주입 노즐의 오리피스 크기는 적용된 정압에서 주입공기의 질량유량(mass flow rate)이 약 1 내지 약 15%, 보다 바람직하게는 회전 베젤로 약 1 내지 약 10%, 또는 공기가 정적인 예열기/예비하소로 부분에 주입되는 약 1 내지 약 7%이도록 선택된다. 주입공기의 선속도는 대체로 약 100 피트/s 내지 약 1000 ft/s 범위이다.

한 실시예에서 수정된 광물처리 가마는 또한 공기주입튜브의 위치로부터, 가마의 가스 흐름에 관해, 포트에서 베젤 하류 지점의 회전베젤로 연장된 튜브와 보충연료 이송포트로 이루어진다. 가마는 또한 공기주입튜브와 이어지는 가스흐름에서 팬 또는 압축기의 영향하의 고속으로 회전베젤에 공기를 주입하기 위한 하나 혹은 그 이상의 추가 공기주입튜브를 포함하도록 수정될 수 있다. 주입튜브는 베젤에서 사전 결정된 경로를 따라 주입된 공기를 유도하기 위한 노즐에서 끝난다. 공기주입튜브는 주 연소기로부터 연소가스를 갖고 있는 연속 보충연료와 광물베드에서 방출된 가스들을 혼합하도록 보충연료 이송포트로부터, 가마로의 가스 흐름에 관해 회전 베젤 하류의 한 지점에 위치한다. 제어기에는 하류 공기주입점에서 가마로의 공기 주입율을 조정하기 위해 팬 또는 압축기가 제공된다.

본 발명의 다른 관점에서 연소 보충연료를 위해 수정된 길고 회전하는 시멘트 가마로부터 유출 가스류의 NO_x 를 감소시키는 방법이 주어진다. 작동중인 가마는 종축 둘레를 회전하는 경사진 실린더형 베젤로 이루어진다. 이 베젤은 주 연소기에 의해 하단에서 가열되고 상단에서 원료로 채워진다. 가마의 가스류는 주 연소기가 있는 가열된 하단과, 베젤의 상단을 지나는 연소공기 입구로부터 흘러나온다. 처리중인 광물질은 회전 베젤 최상부의 건조 영역에서 가마의 가스류에 반대로 흐르는 베젤에서 중력의 영향으로 최대 깊이 H 에서 흐르는 광물 베드를 형성한다. 광물베드는 중간 소성영역을 거쳐, 시멘트 클링커로 하단을 빠져나오기 전에 고온의 클링커링 영역으로 흐른다. 보충 연료는 소성영역의 적어도 일부와 부합하는 제 2 연소 영역에서 소성 광물과 접촉해 연소하도록 베젤 벽부에서 포트와 이어지는 포트 및 낙하튜브(drop tube)를 통해 베젤에 채워진다. 가마로부터 방출 가스류의 NO_x 를 감소시키기 위한 본 발명의 적용은 베젤의 포트에서 연장되고 베젤의 사전 결정된 경로를 따라 주입된 공기를 유도하기 위해 노즐에서 끝나는 공기 주입튜브를 거쳐 약 100 내지 약 1000 ft/s 의 속도로 공기를 주입하는 단계로 이루어진다. 공기주입 포트는 소성영역 상단의 가마 가스 흐름에 관한 상류와 클링커링 영역의 가마 가스 흐름에 관한 하류 지점에 위치한다. 공기 주입 노즐은 베젤 벽부로부터 약 H 내지 약 2H 거리인 베젤에 놓이고 주입 공기의 사전 결정된 경로는 베젤의 회전축에 평행하고 주입지점에서 베젤의 광물 공급물을 거쳐 연장된 선분과 45° 이상 큰 각에 형성되는 것이 바람직하다. 베젤로의 공기 주입율은 가마가 작동하는 동안 단위 시간당 사용된 전체 연소공기의 질량의 약 1 % 내지 약 10% 로 통제된다.

도 1-4 는 유사하며 회전베젤에 고속의 혼합공기를 주입하기 위해 본 발명에 따라 수정된 광물처리 가마의 부분 분해도.

도 5,6,7 은 회전 베젤에 h속 혼합 공기를 전하기 위해 선택적인 실시예들을 도시하는 본 발명에 따라 수정된 회전 가마의 유사 횡단면도.

도 7a 는 선AA를 지나는 도 7 팬의 부분 분해도.

도 8a 와 도 8b 는 교대의 노즐 오리피스 배치도.

도 9a 와 도 9b 는 고속 주입공기가 없고(9a), (도시되지 않은)보충 연료(타이어) 이송장치의 상류에 있는, 본 발명에 따른 고속 주입공기가 있는(9b) 시멘트 가마의 유동양식의 도면.

도 10a 와 도 10b 는 고속 주입공기가 없고(10a) 10% 로 주입된 고속 공기가 있는(10b) 주 연소기 연소의 화학량론을 유사하게 도시한 도면.

도 11 은 도 10 과 유사하며 10% 고속 공기 주입 상류에 있는 가마에 이송된 15% 보충 연료로 작동된 세 영역에서의 연소 화학량론을 도시한 도면.

도 12 는 가마가 회전베젤에서 연료이송의 상부 및 하부의 고속 공기 주입과 보충연료의 연소를 위해 수정된, 가마의 연료연소의 화학량론을 도시한 도 11 의 유사도.

도 13 은 도 12 에 도시된 가마에서 가마 가스흐름에 주입된 고속공기의 영향을 도시한 도면.

도 14 는 처리중인 광물배출 가스(이산화탄소)를 함유한 회전 가마베젤의 횡단면도.

도 15 는 회전베젤에 고속의 공기를 주입함으로서 가마 가스의 혼합을 도시한 도 14 의 유사도.

도 16 은 광물 베드에서 방출된 가스의 층화가 없는, 처리중인 물질로의 복사에너지 이동을 도시한 도면.

도 17-20 은 고속 주입공기가 있는 정적 베젤에서의 혼합을 촉진하기 위해 고속 공기의 주입을 위한 지점을 도시하는 "화살표"가 있는 상업적으로 이용 가능한 정적 예비하소로 베젤의 다양한 배치의 개략도.

도 21 과 도 22 는 도 1-4 와 유사하며 유체가스 주입 또는 흐름 및 공기주 입을 위한 제어기와 가마 가스 감시의 도시적 설명이 있는, 공기주입을 위해 수정된 광물처리 가마의 부분 분해도.

도 23 은 NO_x 절감을 위해 공기 주입 및 보충연료 이송에 대해 수정된 예비하소로 가마 회전베젤의 상단부의 부분 분해 정면도.

* 부호설명 *

1,12 : 회전베젤 10 : 광물처리 가마

22 : 광물 베드 24 : 연소기

26,36 : 노즐 30 : 회수열교환기

34 : 압축기 38 : 오리피스

42 : 연료이송장치 46 : 매니폴드

58 : 보충연료 60 : 전달튜브

본 발명에 따라 공기는 횡단면 혼합을 위해 가마에서 가스에 에너지를 전달하도록 광물처리 회전 가마로 주입된다. 본 발명은 석회암, 시멘트 원료 혼합물, 경량골재의 생산을 위한 점토 및 타코나이트 가마를 가마 처리하는 것과 같이 처리될 때 가스를 방출하는 광물을 처리하는 작업동안 가마에서 가스의 층화를 제거하려는 목적으로 공기를 주입시킨다. 주입공기의 주 목적은 가마의 연소영역에서 나오는 연소가스를 포함하는 처리중인 광물로부터 방출되는 가스를 혼합하기 위해 에너지를 제공하는 것이며, 따라서 널리 여러 가지 광물처리 가마에서 본 발명을 이 용해 실현된 이점들을 제공하는 가마 가스의 횡단면 혼합 효과를 얻기 위해 전체 혹은 부분적으로 도움을 주는, 본 발명에 대해 상술된 다수의 요소들이 있다.

본 발명은 가마에서 가스의 층화를 감소시키거나 제거하려는 목적으로 공기 주입에 대해 상술한다. 일반적인 가마는 직경이 8 피트에서 20 피트가 넘고 길이 대 직경비가 10:1 내지 40:1 이상이다. 하소된 재료들은 일반적으로 포틀랜드 시멘트 원재료, 점토, 석회함, 타코나이트 및 열처리되어 가열시 가스를 방출하는 다른 광물질이다. 본 발명에서 주입된 공기의 목적은 횡단면 혼합에 에너지를 제공하는 것인데; 만일 공기가 연소를 위한 산소의 기능을 거의 갖지 않는 경우라면 그러하다. 실제로 배출 가스의 산소 함유량을 조절하는 것은 시멘트, 석회 가마와 같은 광물처리 가마에 흔한 일이지만, 많은 양의 일산화탄소 또는 이산화황의 형성은 피한다. 열효율을 최대화하기 위해 이러한 방법으로 처리하는 것이 바람직하다. 희박한 두 연소공기를 처리함으로서 열효율의 역효과를 낼 수도 있는데, 불완전 연료연소 또는 과도 연소공기를 초래해 열손실을 증가시킬 수도 있다.

가마에서 방출되어 처리된 광물 제품에서 열을 회복하는 회수열교환기(heat recuperator)를 통해 광물을 처리하기 위해 연소공기를 이입시키는 것이 바람직하다. 들어오는 연소공기로 회복된 열은 이 과정에 공급된 전체 에너지의 실질적인 부분이 될 수 있다. 주 연소영역과 다른 위치에서 가마의 가스류로 대기를 주입하는 것은 열회수 시 생길 수도 있는 부정적 영향 때문에 유리한 것으로 간주되지 않는데; 본래부터 주입된 공기는 회수열교환기들 통해 들어온 연소공기를 대체한다.

하소 가마의 컴퓨터 모델링은 처리되는 광물에 의해 방출된 가스가 가마에서 층화되어 남아 있도록 나타낸다. 역류 광물처리 가마의 물질 배출단에서 주 연소영역으로부터 나오는 뜨거운 가스와 비교해 배출된 가스는 온도가 매우 낮고 분자량이 좀 더 크며 밀도가 매우 크다. 이런 밀도 차의 결과로 방출된 가스는 가마의 바닥에 남아 있다. 하소 광물에서 배출된 가스 외에도 광물 공급물 또는 가마의 중간부에 대한 처리에 추가된 연료에서 배출된 연소물이 있을 수도 있다. 배출된 가스는 가마 가스류 상부 수준의 가스에서 산소 내용물의 이러한 연소물질을 덮어 보호한다. 저온 가스의 이러한 블랭킷(blanket)은 또한 고온 연소가스와의 직접 접촉으로부터 광물 베드를 보호한다. 따라서 이 과정은 간접적인 가열법을 사용할 때 요구된다. 가마의 벽들은 고온 연소가스에 의해 가열되고 가마의 회전은 광물 베드와 고온의 벽들의 접촉을 가져온다. 본 발명의 수단에 의해, 전체 처리 공기의 작은 부분, 15% 이하가 가마에서 가스류의 운동량에 회전요소를 생기게 하는 방식으로 회전 베젤에 주입된다. 이러한 회전 요소는 하소 광물의 베드에서 하부로 밀리도록 가마의 상부를 따라 이동하고 저온의 배출 가스의 블랭킷을 밀어내는 고온 가스에를 생기게 한다. 광 베드와 고온 가스의 이러한 접촉은 다른 이송 장치를 추가하고, 따라서 가마 공정의 열효율을 개선한다.

주입공기와 결과적인 회전 운동량의 운동 에너지는 고온 연소가스와, 이러한 가스 및 주입공기의 나머지 산소를 혼합하는 배출 가스를 생기게 한다. 이러한 횡단면 혼합은 가스 블랭킷에 함유될 수도 있는 연소성 성분의 산화를 가져온다. 따라서 연소되지 않은 성분들의 발산은 일산화탄소, 이산화황 및 탄화수소처럼, 주어진 과잉 공기수준으로 감소될 수 있다. 또는 상기 발산 수준은 개선된 처리 효율을 가져오는 과잉 공기의 감소된 수준으로 유지될 수도 있다. 열 이동 및 감소된 과잉 공기에 대한 새로운 장치의 이점은 회수열교환기를 우회하는 공기의 일부로부터 부정적인 에너지 회수영향을 완화시킨다.

본 발명의 공기주입 장치는 연소가스 온도와 광무 베드의 온도 사이의 상당한 차이가 있는 가마를 따르는 지점에 위치한다. 일반적으로 이것은 약 1600℉ 내지 약 1850℉에서 혼합이 발생한 뒤, 연소를 허용하기에 적합한 온도로 제한된 하소 영역의 저온 단부의 위치에 대해, 약 2800℉로 예상되는 장치의 사용온도 한계선까지 제한된, 실제 연소 영역에 근접한 가마에 위치할 것이다. 본 발명의 한 실시예에서, 공기주입튜브는 회전 베젤(1)의 최고온 절반부(하부 절반)에 위치한다. 회전 가마에서 하소된 대부분의 광물들의 주어진 특성의 이점은 층화를 분쇄하여 제거하는 하소 영역에 장치를 설치함으로서 얻어질 것이다. 이 장치는 처리중인 광물의 고밀도 가스 블랭킷의 형성을 분열시키기 위해, 광물이 거의 완전히 하소되는 하단에 놓일 수 있다. 축방향으로 전치되거나 둘 다 축방향 및 원주방향으로 전치된 복합 공기주입튜브가 가마에 위치할 수 있다. 이것들은 독립적으로 팬, 송풍기 또는 압축기와 연결될 수 있거나 가압된 매니폴드와 공기주입 흐름이 이어질 수 있다.

산화질소를 제어할 목적으로 계획된 연소를 일으키기 위해 주입공기의 산소 내용물을 이용하는 것이 또한 가능하다. 연소공기에서 전술된 손실 에너지의 회복 때문에, 광물처리 회전 가마의 단계 연소 연소는 감지된 고에너지의 페널티(penalty)로 인해 연습되지 않는다. 소각로(incinerators) 또는 코크 처리 가마와 같은 회전로는 단계 연소를 실행할 수 있을지도 모르나 그러한 가마들은 유출 제품에 많은 양의 회복 가능한 에너지를 갖지 못하고 그로 인해 광물처리 가마의 기능적 제한이 없다. 또한 연소의 개선된 효율로 인해, 완전한 연소를 얻기 위해 적은 과잉 공기가 요구된다. 가마의 향상된 혼합 및 연소 층화의 결과적인 부족은 처리 에너지 필요량을 과도하게 뒤집어엎지 않는 과잉양의 공기를 갖는 단계 연소를 성취할 수 있게 할 것이다. 횡단면 혼합을 위한 공기의 고에너지 주입은 방출제어를 위한 광물처리 가마에서 단계 연소를 사용할 수 있게 한다.

도 1-4를 참조로, 광물처리 가마(10)는 실린더형 벽(14), 하부 연소공기 입구/연소기 단부(16) 및 상부 가스 배출단(18)을 갖고 있는 회전베젤(12)로 이루어진다. 작동 시 원료 광물 공급물(20)은 가스 배출단(18)으로 전달되고, 회전베젤(12)이 회전하는 광물 베드는 가스 배출단(18)에서 가마의 가스류를 형성하는 연소제품에 반대로 흐르는 공기 입구/연소기를 향해 이동한다. 연소기(24)는 주 연료원(26)에서 공급받으며, 연소공기는 회수열교환기(30)에서 후드(28)를 통해 연소공기 입구단(16)으로 끌어들여진다. 처리된 광물은 연소공기 입구단(16)을 빠져나가 회수열교환기(30)로 이송된다. 팬, 송풍기 또는 압축기(34)와 통하는 공기흐름에서 하나 혹은 그 이상의 공기주입튜브(32)는 광물 베드(22)의 처리중인 광물이 하소되거나, 가마의 가스류와 광물 베드 사이의 온도차가 가장 극대화되고, 가장 일반적으로 가스 배출단(18)보다 연소공기 입구/연소기 단부(16)에 더 인접해 있는 회전베젤(12)의 최하부 절반 지점에서 회전베젤(12)의 길이방향을 따라 놓인다. 공기 주입튜브(32)는 가마의 가스류에 회전 운동량을 전하기 위해 설계된 경로를 따라 주입된 공기를 유도하도록 배치된 노즐(26)처럼 회전베젤에서 끝난다. 노즐(36)의 오리피스(38)는, 본 발명의 한 실시예에서, 1보다 큰 가로세로비를 갖는다(직사각형 단면의 오리피스를 도시하는 도 8a 와 도 8 b를 보라).

도 3 과 도 4를 참조로, 광물처리 가마는 또한 광물 베드(22)에서 처리중인 광물과 접촉하여 연소시키기 위해 보충 연료원(40)에서 연료이송장치(42)를 거쳐 회전베젤로 이송된 보충연료를 연소키시도록 수정될 수 있다. 본 발명의 한 실시예에서, 공기는 연료이송 장치(42)와 연소공기 입구/연소기 단부(16) 사이의 지점에서 가마의 가스류로 회전 운동량을 전달하도록 주입된다. 임의대로 공기는 보충연료 이송장치(42)와 가스 배출단(18) 사이에서 회전 베젤(12)의 하나 혹은 그 이상의 추가 지점에 주입된다.

도 5 와 도 6을 참조로, 둘 혹은 그 이상의 공기주입튜브(32)는 회전 베젤(12)의 실린더형 벽부(14)에서 원주방향(또는 축방향)으로 있을 수 있다. 가압된 공기는 매니폴드(46)를 통해 교통하는 공기흐름에서 팬 또는 송풍기(34)에 의해 주입튜브에 전달된다. 선택적으로, 도 7 에 도시된 바와 같이, 각각의 주입튜브는 가마의 가스류로 고에너지/고속의 공기를 전달하기 위해 송풍기 또는 팬(34)에 직접 연결될 수 있다. 공기 주입튜브(34)는 가마의 가스류에 회전 운동량을 전하도록 회전 베젤로 고에너지의 주입된 공기(50)를 유도하는 노즐의 형태로 회전베젤(12)의 축 및 광물 베드(22)의 상부 사이의 한 지점의 가마에서 끝난다.

도 9b를 참조로, 가마의 가스류에 회전 운동량을 생기게 하기 위해 가마로 고에너지의 공기를 주입함으로서, 가마의 가스류에서 연소하는 보충연료 요소(52) 는 연속적으로 자신의 연소 생성물을 제거하고 연소 및 에너지 이동을 위해 보다 유리한 조건을 제공하기 위해 혼합된 가마의 가스와 접촉된다.

도 14 와 도 15를 참조로, 가마의 가스류에 회전 운동량을 전하는데 효과적인 고에너지 혼합공기의 주입은, 예를 들면 광물 베드(22)에서 광물을 하소시킴으로서 생산된 층화를 사라지게 하는 작용을 한다. 보통 광물 베드(22)를 덮는, 보다 밀도가 높은 일산화탄소 층들을 제거할 수 있거나 흩뜨림으로서, 가마 가스류와, 회전 베젤(12)의 실린더형 벽부(14)로터의 복사 에너지는 가마의 가스류와 말단 처리 광물 사이에 보다 효율이 높은 에너지를 이동시키도록 베드에 도달한다.(도 16을 보라)

예열기/예비하소로 가마의 정지한 부분의 여러 가지 배치를 도시하는 도 17부터 도 20을 참조로, 정적인 부분을 지나 흐르는 가스류에 회전 운동량 또는 난기류를 생성하도록 정적인 부분으로 고압 공기를 주입하기 위해 표시된 지점(70)이 있다. 따라서 공기는 예비하소로 장비에서 층화 및 국소화된 연소 이질성(heterogeneity)에 관련된 오염물질의 결과적인 감소로 혼합 에너지를 제공하도록 예를 들면 압축기에서, 예열기/예비하소로 가마의 정적인 부분의 벽부에 위치한 하나 혹은 그 이상의 노즐을 통해, 고압/고에너지로 주입될 수 있다.

본 발명의 한 실시예에서, 도 21 과 도 22를 참조로 가마의 가스류는 회전 베젤(12)의 가스 배출단(18)에서 또는 근처에서 방출 내용물(성분)/프로필이 감시되는데, 그것은 공기주입 제어기 및 가마의 가스류에 열 밸러스트(thermal ballast)를 제공하도록 가마의 가스류로 증기 또는 배연가스(flue gas)를 주입하기 위한 제어기를 포함한 가마를 위한 하나 혹은 그 이상의 제어기에 입력으로 상기 방출 프로필의 신호 특성을 제공하기 위해서이다.

도 23 에 도시된 본 발명의 한 적용에서, 공기주입 유닛(31)은 예열기/예비하소로 가마 펜(pen)에서 회전 베젤(12) 가스 배출단(18)의 가마 두 개의 직경 내에 배치된다. 공기주입 지점에서 가마의 가스류의 온도는 약 2200 내지 약 1800℉ 이다. 보충 연료(58)는 예열기/예비하소로 가마로부터의 NO_x 방출량을 줄이기 위해 회전 베젤(12)의 가스 배출단(18)에서 고에너지의 주입공기와 혼합된 가마의 가스류에 감소 상태를 일으키기 위해 연료원(62)과 연결된 보충연료 전달튜브(60)로부터 분무된다.

예시 1

단계 연소 석회 가마

단계연소는 몇몇 수단에 의해 이루어질 수 있다. 예를 들어, 가마는 연소에 요구된 것보다 많은 약 0 내지 5 %의 공기로 작용한다. 이러한 수준의 과잉 공기에서, 어느 정도의 나머지 일산화탄소와 이산화황이 산출된다. 산화질소의 형성을 줄이기 위해 연소 영역으로의 과잉 공기를 줄이는 것은 바람직하지 않은 일산화탄소 및 이산화황의 방출과 연료의 불완전 연소에 기인한 열효율의 손실을 초래한다. 본 발명의 장치를 설치하고, 처리를 위한 전체 연소공기의 10%를 주입함으로서, 주 연소영역에서 이용 가능한 공기는 연료를 완전히 연소시키기에 불충할 것이며, 이 영역을 떠나는 가스는 밀도가 매우 높은 일산화탄소 및 불완전 연소의 산물인 다른 종을 가질 것이다. 불완전 연소 산물이 이용 가능한 산소를 우선적으로 끌어들이기 때문에 비록 주 연소 영역이 고온에 남아있다 하더라도 산화질소는 감소되며, 또는 산화질소로부터 산소를 끌어낼 수 있다.

전체 공기흐름 잔존물이 연소에 요구되는 공기의 100-105% 에 있기 때문에, 중간 가마의 10% 주입은 주 연소영역에 오직 90-95% 의 연소 공기만 요구되게 한다. 추가 공기는 이용 가능한 산소가 아직 산화질소를 형성할 만큼 뜨겁지 않아 이용 가능할 때, 신속하게 완전연소 시키기에 충분히 뜨거운 온도 범주의 가마에 주입된다. 10% 의 연소공기는 충분한 에너지로 가마에서 연소 가스를 횡단면으로 혼합하도록 주입된다. 이는 잔여 일산화탄소와 이산화황을 최소화할, 연소에 요구된 공기를 초과하여 0-5% 공기가 되게 한다. 이러한 혼합영역은 주 연소영역만큼 높은 온도에 있지 않으며, 따라서 이산화황은 비록 이 영역에 과잉 산소가 있더라도 형성되지 않는다.

예시 2

연소 효율을 개선하기 위한 혼합공기의 사용은 미국 특허 번호 5,632,161에 설명되는데, 그것은 중간 가마의 점화와 함께 혼합공기의 사용을 주장한다. 가마에 벌크 가스(bulk gas)의 회전 요소를 생성하기 위해 고에너지 공기를 접선 주입하는 것은 연료 주입점의 상류(하류)에서 주입될 때 혼합 공기의 효력을 향상시킨다.

예시 3

혼합공기 개념은 가마에서 가스층화의 확인결과로서 발전되었다. 히버(heaver)이산화탄소와 열분해 가스는 중간 가마를 형성하고 연료는 가마의 하 부에 층화되어 남을 것이며 산소를 함유한 고온 가스는 상부에서 층화된다.

혼합공기 주입 방법으로 달성된 횡단면 혼합은 장치가 연료 주입점의 하류(상류)에 놓인 때에 불완전 연소의 잔여 산물을 소진되게 한다. 산화질소 절감을 위해, 산소를 소모할 때 가스를 횡단면 혼합하는 것 또한 필수적이다. 그러므로 혼합 공기 시스템은 가마의 가스 전체에 걸쳐 연료를 연소시키고 열분해하는 플룸(plume)을 혼합하기 위해 가마의 가스에 회전 운동량을 전하도록 중간 가마의 점화지점에서 상류(하류)에 설치된다.

이상적인 가마 시스템은 두 개의 공기주입 시스템을 가질 것인데, 중간 가마 연료주입의 한 상류는 가마의 가스가 산소를 소모시키는 동안 횡단면 혼합을 하고, 다른 하류는 불완전 연소의 잔여 산물을 소진시키기 위해 주입 공기를 횡단면 혼합한다.

이 예시들은 연소공기가 환원대에서 완전연소에 충분한 것보다 5% 적을 것을 제안한다. 실제로 단지 1 또는 2% 만 부족한 연소공기를 얻는 것은 산화질소 방출물을 제어하기에 충분할 것으로 기대될 것이다.

혼합을 향상시키기 위해 주입된 적은 양의 고압공기는 또한 예비하소로 시멘트 가마에 사용될 수 있다. 예비하소로 시멘트 가마는 제 2 점화를 이용하고, 단계 연소를 일으키기 위해 제 2 점화 영역 뒤에 어느 정도의 연소 공기를 주입하도록 수정될 수 있다. 그러나 그런 수정들은 비용이 많이 든다. 또한 예비하소로 가마를 통해 연소가스를 이동시키도록 요구된 동력 때문에, 이러한 시스템들은 저압 낙하로 작동하도록 설계된다. 따라서 이 시스템은 혼합을 활용하도록 설계되지 않고 절 적한 혼합을 얻기 위해 긴 보유시간을 이용한다. 이러한 가마 시스템의 성능은 매우 높은 속력(압력)의 혼합공기에 의해 에너지를 이입시킴으로서 향상될 수 있다. 약 4 내지 약 150, 보다 일반적으로 약 40 내지 약 100 psi 의 압력이 단시간에 우수한 혼합을 하기 위해 상당한 양의 에너지를 이입시키는데 이용될 수 있다. 매우 높은 압력으로, 에너지 이입은 전체 연소공기의 몇 퍼센트만으로(1% 내지 5%) 이루어질 수 있다. 수백 마력의 에너지가 예비하소로 시스템의 전체 압력 강하를 늘리지 않고 혼합에 적용될 수 있다. 요구된 공기의 양은 회수열교환기로부터 전치된 공기의 양을 최소화하기 위해 제한된다. 혼합효율을 증가시키는 것은 연소효율을 증가시키고 원하는 수준의 잔여 일산화탄소를 얻도록 요구된 과잉 공기를 감소시킬 수 있다. 주 연소대 뒤의 전체적인 과잉 공기와 대체로 인해 감소된 과잉 공기의 이러한 감소는 산화질소 형성을 유리하게 최소화할 연소영역에서 이용 가능한 산소를 더 적게 한다. 혼합공기 대체의 증가로, 주 연소영역은 고온 회전로에서 생성된 이산화질소를 파괴하고 예비하소로를 지나는 대기를 가져오는 화학양론이 될 수 있다.

처리시 혼합공기의 효과

하소 가마 내부의 가스는 처리중인 광물로부터 방출되는 가스와 연소 가스 사이의 밀도차와 온도차로 인해 크게 층화된다. 그 결과 광물 베드를 갖는 고온의 연소가스와 직접 접촉하지 않는다. 가마의 벽부를 가열시키는 고온 가스로 인해 열이 간접적으로 이동하고 고온 벽부는 가마가 회전할 때 광물 베드 아래서 회전되다. 고온 가스에서 광물베드로 복사될 수 있지만, 이 기구는 주 연소영역에서 최대 온도로부터 연소 가스가 냉각될 때 온도가 더 낮아진다. 가마의 가스에 회전 운동량을 전하는 방식으로 고압 공기를 주입하는 것은 광물 베드와 접촉한 가마의 상부에서 하부로 이동되는 고온의 연소가스를 생기게 할 때 하소 가마에 열을 전달하는 다른 기구를 추가할 것이다. 이러한 추가의 열 이동 기구는 하소장치의 열효율을 개선시키는 역할을 할 것이다.

중간 과정에서 가마로 대기를 주입하는 것은 연소 공기로 배출된 산물에서 열을 회수하는 회수열교환기에서 생긴 공기를 옮긴다. 회수열교환기로부터의 공기 감소는 이러한 회수열교환기의 효율에 영향을 미칠 수도 있으며, 따라서 혼합공기가 추가된 중간 과정의 양을 최소화하는 것이 바람직하다. 이것은 가마의 벌크 가스로 회전 요소를 전하기 위해 충분한 운동 에너지를 갖도록 혼합 공기가 고압으로 주입되는 것을 필요로 한다.

예비하소로 가마에서 고에너지 공기 제트의 연료 페널티

냉각기의 시멘트 처리 하부로 가열되지 않은 공기를 주입하고 냉각기로부터 공기를 전치시키는 것은 받아들이기 어려운 열회수 손실을 초래할 것이다. 밀접한 조사에서 계산은 그러한 열회수 손실이, 특히 고온영역에서 가스를 혼합하는 이점의 관점에서 볼 때 극미한 것으로 나타낸다. 이 계산은 만일 10% 의 이론상의 연소공기가 회전로에 고에너지로 이입된다면 상응하는 질량의 예열된 공기의 전치는 전체 에너지 입력의 2% 이하인 냉각기로부터 열회수를 감소시킬 것이다. 층화의 제거로 인해 처리 효율의 잠재적 이득은 이러한 열손실을 좀 더 오프셋 할 수 있다.

예비하소로 가마에서의 타이어 연소

전체 타이어는 공급슈트(feed chute)로 이입될 수 있고, 회전베젤 가마의 상단으로 구르는 충분한 운동량으로 낙하될 수 있다. 예비 하소 가마 회전 베젤 상단부의 제 2 연소영역에서 타이어의 연소율은 상응하는 양으로 주 연소기에서 연료를 감소시키기 위한 요구조건에 제한된다. 공기 대 연료비의 결과적인 증가는 주 화염(main flame)과 불충분 화염을 약 20% 의 대체율로 냉각시킨다. 가마 배출구에서 가스 층화의 결과로 다른 문제점들이 발생한다. 타이어는 완전연소에 불충분한 산소가 있는 가마 베젤의 하부에 놓인다. 그 결과, 연소성의 농후기체(rich gas)가, 가마의 상부로부터 가스를 함유한 산소와 어느 정도 혼합되는 공급단(feed shelf) 위의 입구 챔버로 들어간다. 입구 챔버에서의 결과적인 연소는 국소적인 고온을 만들어 입구 챔버에 받아들일 수 없는 조성(buildups)을 가져온다.

회전 베젤의 상단 부근에 회전 운동량을 갖는 연소 공기의 약 10% 까지 이입시키는 고에너지 공기 제트를 사용하면, 전체 타이어의 대체율은 받아들일 수 없는 주 화염온도 또는 조성 없이 가마 연료의 3% 까지 증가될 수 있다. 또한 공기-제트 혼합은 보다 효과적인 NO_x 절감을 촉진하기 위해 연소 타이어에 의해 발생된, 감소된 산소 가스의 보다 균일한 분배를 가져온다. 가마의 가스 혼합의 개선점은 입구 챔버에서 받아들일 수 없는 조성에 대한 가능성을 최소화한다.

NO _x 를 통제하기 위한 예비하소로 출구에서의 폴리시어스 연료 주입

광물처리 가마의 고온 영역에서 발생된 NO_x 를 소멸시키는 한 방법은 몇몇 하류 지점에서 1800℉ 내지 250℉ 의 온도로 화학양론적 영역을 생기게 하는 것이다. 이것은 폴리시어스(polysius)로 설명된 것처럼 가마의 출구에 탄화수소 연료를 이입시킴으로서 편리하게 행해질 수 있다. 이러한 기술의 제한은 가마의 출구 가수가 대단히 층화된다는 사실이다. 가마 상부의 이 가스는 산소 내용물보다 더 뜨겁고 고등하며, 가마의 하부를 따라 이동하는 가스는 더 차갑고 가마로 들어가는 고온 수단에서 잔여 탄산칼슘으로부터의 이산화탄소로 풍부해지며, 예비하소로에서 이입된 탄소로부터의 일산화탄소로 풍부해질 수도 있다.

주입된 연료의 기능은 도관(duct)의 횡단면에서 감소 영역을 균일하게 분배함으로서 향상된다. 회전로의 층화를 분해하기 위해 회전로의 공기 제트에 의해 혼합 에너지를 주입함으로서 감소 영역에 보다 균일한 가스 혼합을 제공한다. 또한 주입된 연료와 결과적인 감소영역의 혼합은 회전 베젤의 가스 배출단에 인접한 가마의 정적인 부분에서 추가적인 고에너지 공기주입 제트의 사용에 의해 이루어질 수 있다(도 23을 보라).

회전로에서 열이동의 개선

석회 가마의 예:

석회가마 하소영역의 가스는 대단히 층화된다. 12' 직경의 가마(11'I.D.)에서 가마를 지나는 가스의 속도는 대개 30 내지 50 ft/s 이다. 하소 석회암 베드에 대한 가스 온도는 1800° 내지 400° 이고 석회암 베드와 배출된 이산화탄소(29의 연소 가스 대비 분자량 44)는 하소 온도 1560℉(~850℃)에 있다. 고온 연소가스와 배출된 이산화탄소 사이의 큰 밀도차의 결과로 광물 베드가 이산화탄소에 덮여 남아있다. 열은 복사 및 광물베드 아래서 회전되는 가열된 가마의 벽부에 의해 이동 된다.

가마의 가스 속도에 회전 성분을 이입시키는 고에너지 제트는 하소 물질을 상각하는 이산화탄소 층을 초래한다. 이는 고온 연소가스가 광물 베드와 직접 접촉할 수 있게 한다. 연소가스와 처리중인 광물 사이의 (가마의 벽부에 비교해)높은 온도 차와 현재 이용 가능한 더 넓은 표면영역 때문에, 열이동율은 증가된다.

이러한 고에너지 제트는 형성된 층화를 분해하고, 제트에 의해 야기된 회전 성분은 층화된 층의 재구성을 방지한다.

광물베드와 접촉하고 있는 고온의 산소를 함유한 가마의 가스를 가져옴으로서, 이산화탄소로 사전에 덮였던 광물의 연소성 성분들이 이제 연소될 수 있다. 이러한 연소성 성분들은 자연히 처리되는 광물에서 발생하거나, 처리에 에너지를 제공하기 위해 이입된 고체 연료의 결과일 수 있다.

회전로에서 과물 베드 고유의 층화를 분해함으로서 처리에 의해 얻어질 수 있는 많은 이점들이 있다.

초기 혼합 공기 - 제 2 연소영역의 공기주입 하부에 의한 NO _x 절감 및 분해

장시간 습식 또는 건조 시멘트 가마에서 NO_x 감소는 중간 가마의 제 2 연소영역을 이용해 성공적으로 이루어진다. 약 10년 전 중간 가마의 연료주입 기술은 시멘트 가마가 전체 타이어와 같은 에너지를 지닌 고체 폐기물질을 연소시키도록 개척되었다. 그러한 기술의 한 가지 부작용은 NO_x 방출물의 약 30% 의 절감이다.

NO_x 방출물은 제품 시멘트를 이용한 연소 과정의 결과이다. 시멘트를 만들기 위해 요구된 고온과 산화 조건들은 산화질소를 형성한다. 결과적으로, 가마가 돌아가는 동안 어느 정도의 NO_x 가 발생할 것이다. 형성된 NO_x 의 수준은 많은 요인들에 종속적이지만, 예상할 수 있다. 각 가마 내부의 NO_x 방출물 수준의 증가량과 감소량은 대체로 연소영역의 온도 상승 및 하락에 관계된다. NO_x 의 대부분은 연소영역 내의 두 개의 상이한 기구들 중 하나로부터 형성된다. 첫 번째는 공중질소의 고온 산화이고, 두 번째는 연료속에 질소를 갖고 있는 산화이다. 시멘트 가마에서의 NO_x 방출물의 대부분은 고온 NO_x (thermal NO_x)이다. 대체로, 고온 NO_x 는 고온에서 공중질소를 직접 산화시켜 형성된다. 이러한 반응은 온도에 매우 민감하다. 온도가 상승할 때, 반응률도 그러하다. 제 2 NO_x 방출물원은 연료에 질소를 함유한 합성물이다. 일반적인 석탄은 대략 무게 당 1.5% 의 질소를 함유한다. 이러한 합성물은 복잡한 일련의 반응들을 거치는데, 그 결과 이러한 질소의 일부는 NO_x 로 전환된다. 이러한 일련의 반응은 연소 과정에 걸쳐 일정하며 비교적 온도에 영향을 받지 않는다. 연료가 풍부한 화명은 연료 NO_x 의 산물을 감소시키는 경향이 있고, 산소가 풍부한 화염은 연료 NO_x 산물을 증가시키거나 촉진시키는 경향이 있다. 적절한 클링커 광물학을 위해 산화 상태가 요구되는 가마의 연소영역에서, 연소과정은 연료 NO_x 의 산물을 촉진시킨다. NO_x 를 발생시키는 몇몇 다른 기구들이 있다. 보통 그 효과는 고온 NO_x 및 연료 NO_x 와 비교해 비교적 미미하다.

중간 가마 연료주입 시스템은 장시간 습식 또는 건조 시멘트 가마에서 상당한 NO_x 절감을 가져오는 것으로 증명되었다. 이것은 연료의 일부가 장시간 습식 또는 건조 가마의 중앙에 근접한 제 2 연소영역에서 연소되는 점에서, 단계 연소의 인정된 기술을 이용한다. 시멘트 카마에서 중간 연료주입의 효과를 연구한 뒤, 그것은 고온 NO_x 형성 기구에 직접적인 영향을 미치는 것으로 결론지어졌다. 이는 최고온 화염의 온도를 낮추며 NO_x 방출 비율을 감소시키고 또한 저온의 제 2 연소영역에서, 가마의 고온 영역에 생성된 NO_x 를 재연소 시키는 기회를 준다.

본 발명에서, 1보다 큰 가로세로비를 갖는 오리피스를 갖고 있는, 노즐을 통해 제 2 연소영역의 가마 하류로 전체 연소공기의 약 10%를 주입하는 것이 바람직하다. 가마의 가스에 회전 성분을 전하기 위해, 가마의 가스 흐름에 고속(적어도 0.15 atm, 보다 바람직하게는 적어도 0.20 atm의 정압차를 제공할 수 있는 가압원으로부터)으로, 그리고 가스흐름과 각도를 이루게 된다. 상기 회전 성분은 보다 우수한 횡단면 혼합을 제공한다. 가마의 가스들을 혼합함으로써 개선된 연소 및 저하된 방출물이 발생된다. 혼합공기 주입은 가마 내에서 기류의 역학을 바꿈으로서 NO_x 에 영향을 미친다. 중간 가마 연료 주입점의 기류의 하부에 혼합공기를 더함으로서, 주 화염 및 혼합공기 팬 사이의 과잉 공기양이 변할 수 있다. 이 예시에서, 중간 가마 연료는 이제 주 연소기 후에 잔여 과잉 공기를 이용하며, 중간 가마 연료 주입점에 의해 가마에는 과잉 공기가 없게 된다. 이러한 상태는 화학 탈질(chemical de-NO_x)의 기회를 제공한다. 혼합공기는 그리고나서 가마에 10% 의 과잉 공기를 더하고, 불완전연소의 잔여 산물을 산화 재연소 시키는 기회를 제공한다.

Claims (52)

1. 유독성 오염물질의 방출을 감소시키기 위해 광물처리 가마의 베젤에서 가마의 고온 가스 혼합 방법에 있어서,

   상기 가마는 실린더형 벽부, 연소공기 입구 단부 및 가마의 가스 배출단을 가지고, 상기 가마의 가스류는 본질적으로 연소 공기를 포함한 산소함유 가스에서 연소된 연료의 연소산물로 구성된 복합 가스 성분들을 가지며,

   상기 방법은,

   가마의 회전축 및 베젤의 벽부와 이격되고 베젤내의 주입 포트에서 끝나는 튜브를 포함하는 주입장치를 통해 가압원으로부터 가마의 가스류로 공기를 주입하는 단계를 포함하고,

   상기 공기의 압력과 포트의 크기는 주입된 공기가 포트를 통하여 연소공기의 최대 사용 무게비율의 1-15%의 질량유량(mass flow rate)으로 전달되도록 선택되어,

   가마의 가스류에 회전운동량을 전하기 위해 가마내의 가마의 가스류로 향하게 되는 것을 특징으로 하는 가마의 고온 가스 혼합 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 가마의 가스온도가 1255°K(1800℉) - 1811°K(2800℉)사이인 것을 특징으로 하는 가마의 고온 가스 혼합 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 주입된 공기가 0.20 bars(0.20 atm) - 1.0 bars(1.0 atm) 사이의 정압을 제공하는 가압원으로부터 주입되는 것을 특징으로 하는 가마의 고온 가스 혼합 방법.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 주입된 공기의 주 방향벡터 성분이 회전 베젤의 회전축에 평행한 선분에 직각이 되도록 주입된 공기는 가마의 가스류를 향하도록 하는 것을 특징으로 하는 가마의 고온 가스 혼합 방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   보충 연료를 연소시키도록 수정된 긴 회전 시멘트 가마로부터 유출된 가스류에 NO_x 를 감소시키는 단계를 포함하고, 상기 방법은,

   가마는 종축 둘레를 회전하고 실린더형 벽부가 있는 경사진 실린더형 베젤을 포함하며, 베젤은 하단에서 가열되어 상단에서 원 광물재료로 채워지고 상단을 지나는 연소공기 입구 및 주 연소기가 있는 가열된 하단으로부터 흐르는 가마의 가스류를 가지고, 광물질은 시멘트 클링커처럼 하단을 빠져나가기 전에 회전베젤의 최상단부의 건조 영역으로부터 중간 하소영역을 통해 고온의 클링커링 영역으로 가마의 가스류에 반대로 흐르는 베젤에서 중력의 영향으로 최대 깊이에서 흐르는 광물 베드를 형성하는데 있어서, 보충 연료는 제 2 연소영역에서 하소 광물질과 접촉하여 연소시키기 위해 베젤의 벽부에서 포트를 통해 베젤에 채워지며,

   베젤의 포트로부터 연장되고 30.4-304m/s(100-1000ft/s)의 속력으로 사전 결정된 경로를 따라 주입된 공기를 유도하기 위한 노즐에서 끝나는 공기 주입 튜브를 통해 공기를 주입하고,

   베젤의 상기 포트는 클링커링 영역의 가마 가스흐름에 관해 하류 지점 및, 클링커링 영역의 상단의 가마 가스 흐름에 관해 상류 지점에 있고, 노즐은 베젤의 벽부로부터 광물베드의 최대깊이 내지 상기 최대깊이의 두배까지의 거리로 베젤에 배치되며, 주입된 공기의 사전 결정된 경로는 회전축에 평행하고 베젤의 광물 공급단을 통한 주입 지점으로부터 연장된 선분과 45°이상의 각을 형성하는 것을 특징으로 하는 가마의 고온 가스 혼합 방법.
6. 제 5 항에 있어서, 주입된 공기가 0.15 bars(0.15 atm) - 1.bars(1.0 atm) 사이의 정압을 제공하는 가압원으로부터 주입되는 것을 특징으로 하는 가마의 고온 가스 혼합 방법.
7. 제 6 항에 있어서, 가마가 작동하는 동안 사용된 전체 연소공기의 질량의 약 1% 내지 약 10%의 비율로 공기가 주입되는 것을 특징으로 하는 가마의 고온 가스 혼합 방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   광물 공급물로부터 시멘트 클링커를 산출하기 위한 예비하소로 시멘트 가마에서 NO_x 방출을 줄이고 연소효율을 개선시키는 단계를 포함하고,

   상기 예비하소로 가마는 주 연소기에 의해 가열된 회전베젤부와 제 2 연소기에 의해 가열된 정적 예비하소로 베젤부를 가지며, 상기 각각의 주 연소기와 예비하소로 부분은 통제된 양의 예열된 연소공기를 공급받고, 상기 예비하소로 가마의 연소 가스는 주 연소기로부터 회전 베젤, 예비하소로 베젤부를 거쳐 광물 공급물과 역류로 교통하는 일련의 집진장치(cyclones)로 흐르고, 상기 방법은 전체 연소공기의 1%-7%에 상응하는 질량비와 30.4-304m/s(100-1000 ft/s)의 속력으로 제 1 집진장치 앞의 한 지점에서 상기 가마의 예비하소로 부분으로 압축된 공기를 주입하여 예비하소로 가마의 가스류에 회전운동량을 전하기 위해 가마내의 가마의 가스류로 향하게 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가마의 고온 가스 혼합 방법.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 가마가 최대 높이를 가지는 광물베드를 포함하고 공기 주입 포트가 광물베드의 최대 높이만큼 베젤 벽으로부터 이격되는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제 9 항에 있어서, 공기 주입 포트가 회전베젤벽으로부터 최대 깊이 내지 최대 깊이의 두배의 거리로 회전베젤 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 가마의 고온 가스 혼합 방법.
11. 제 10 항에 있어서, 공기 주입 포트는 포트를 지나는 선과 45°-90°사이의 각을 이루고 베젤의 회전축에 평행하며 베젤의 가마 가스 배출단을 지나 연장되는 경로를 따라 주입된 공기를 유도하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 가마의 고온 가스 혼합 방법.
12. 제 11 항에 있어서, 주입된 공기는 7.93-79.3kJ/kg(1-10 와트-시/파운드)의 에너지 수준을 갖는 것을 특징으로 하는 가마의 고온 가스 혼합 방법.
13. 제 12 항에 있어서, 예열기 또는 예비하소로 시멘트 가마에서 사용하기 위해 공기가 회전베젤의 가마 가스 배출단의 두 가마 직경내의 저점에서 회전베젤로 주입되는 것을 특징으로 하는 가마의 고온 가스 혼합 방법.
14. 제 13 항에 있어서, 공기가 30.4-304 m/s(100-1000 ft/s)의 선속도로 주입되는 것을 특징으로 하는 가마의 고온 가스 혼합 방법.
15. 제 14 항에 있어서, 가마의 가스류에 열 밸러스트(thermal ballast)를 제공하도록 증기에 산소함유 가스가 추가되는 것을 특징으로 하는 가마의 고온 가스 혼합 방법.
16. 제 15 항에 있어서, 가마의 가스류에 열 밸러스트(thermal ballast)를 제공하도록 배연가스(flue gas)에 산소함유 가스가 추가되는 것을 특징으로 하는 가마의 고온 가스 혼합 방법.
17. 제 16 항에 있어서, 회전 베젤을 빠져나가는 가마 가스류의 성분을 감시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가마의 고온 가스 혼합 방법.
18. 제 17 항에 있어서, 가마 가스류내의 NO_x 함유를 최소화하기 위해, 산소 함유 가스의 성분을 조절하거나 가마 가스류로 주입되는 공기주입율을 변화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가마의 고온 가스 혼합 방법.
19. 제 18 항에 있어서, 보충 연료가 회전 베젤의 가마 가스 배출단에 인접한 가마 가스류로 도입되는 것을 특징으로 하는 가마의 고온 가스 혼합 방법.
20. 제 19 항에 있어서, 보충 연료는 베젤의 벽부에서 포트를 통해 하소 영역으로 전달된 연소성 폐기물인 것을 특징으로 하는 가마의 고온 가스 혼합 방법.
21. 제 20 항에 있어서, 보충 연료는 공기가 주입되는 가마내의 가스흐름에 대해 하류에 위치한 회전베젤내의 포트를 통하여 전달되는 보충연료를 연소하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가마의 고온 가스 혼합 방법.
22. 제 21 항에 있어서, 공기가 0.15 bars(0.15 atm) - 1.0 bars(1.0 atm) 사이의 정압차를 제공하는 가압원으로부터 주입되는 것을 특징으로 하는 가마의 고온 가스 혼합 방법.
23. 제 22 항에 있어서, 회전 베젤벽 내의 포트로부터 회전베젤 내로 연장되고, 회전 베젤내의 사전 결정된 통로를 따라 주입된 공기가 향하도록 하는 노즐내에서 끝나는 공기 주입튜브를 통해 회전베젤 내로 공기가 주입되는 것을 특징으로 하는 가마의 고온 가스 혼합 방법.
24. 제 23 항에 있어서, 공기가 둘 이상의 노즐을 통해 회전베젤 내로 주입되는 것을 특징으로 하는 가마의 고온 가스 혼합 방법.
25. 제 23항 또는 제 24항에 있어서, 주입된 공기의 사전 결정된 경로로 회전배젤을 통하여 흐르는 연소 가스에 회전 운동량이 전달되는 것을 특징으로 하는 가마의 고온 가스 혼합 방법.
26. 제 25 항에 있어서, 각 노즐이 직사각형 또는 타원형 단면의 오리피스를 갖는 것을 특징으로 하는 가마의 고온 가스 혼합 방법.
27. 제 26 항에 있어서, 노즐들이 베젤내의 가스의 횡단면 혼합을 최적화하기 위해 베젤로 유도되는 것을 특징으로 하는 가마의 고온 가스 혼합 방법.
28. 제 27 항에 있어서, 노즐들이 베젤내의 난기류를 촉진하기 위해 베젤로 유도되는 것을 특징으로 하는 가마의 고온 가스 혼합 방법.
29. 제 28 항에 있어서, 노즐들이 베젤내의 회전흐름을 촉진하기 위해 베젤로 유도되는 것을 특징으로 하는 가마의 고온 가스 혼합 방법.
30. 제 29 항에 있어서, 대기가 베젤에 주입되기 전에 40-150 psi의 압력으로 압축되는 것을 특징으로 하는 가마의 고온 가스 혼합 방법.
31. 제 30 항에 있어서, 가마는 석회 가마, 시멘트 가마, 타코나이트 가마 또는 경량골재 가마인 것을 특징으로 하는 가마의 고온 가스 혼합 방법.
32. 광물 공급물로부터 시멘트 클링커를 만드는 예비하소로 시멘트 가마에 있어서,

    상기 예비하소로 가마는 주 연소기로 가열되는 회전 베젤과, 가스내의 정적 예비하소로 베젤 및 회전 베젤과 이어진 광물 유동을 포함하고,

    가마의 가스류가 연소공기를 포함하는 산소 함유 가스내에서 연소된 연료의 연소 산물로 구성되는 복합 가스 성분들을 가지고,

    상기 정적 예비하소로 베젤은 실린더형 벽부, 연소 공기 인구, 가마 가스 배출단 및 제 2 연소기를 가지며,

    상기 예비하소로 가마는 가마의 회전축 및 베젤의 벽부와 이격되고 정적 예비하소로 베젤내의 주입 포트에서 끝나는 튜브를 포함하는 주입장치로 구성되고,

    공기의 압력과 포트의 크기는 주입된 공기가 포트를 통하여 연소공기의 최대 사용 무게비율의 1-15%의 질량유량(mass flow rate)으로 전달되도록 선택되어, 가마의 가스류에 회전운동량을 전하기 위해 가마내의 가마의 가스류로 향하게 되는 것을 특징으로 하는 예비하소로 시멘트 가마.
33. 제 32 항에 있어서, 압축된 공기를 30.4-304m/s(100-1000ft/s)의 선속도로 노즐 및 베젤로 전달하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 예비하소로 시멘트 가마.
34. 제 32 항 또는 제 33 항에 있어서, 정적 예비하소로 베젤내로 압축된 공기를 전달하기 위해 복수의 노즐이 배치되는 것을 특징으로 하는 예비하소로 시멘트 가마.
35. 제 34 항에 있어서, 주 연소기 및 그 하부단부의 연소 공기 입구를 가지는 경사 회전 베젤을 포함하고,

    상기 베젤 내 광물 베드의 광물은 가마에서 열처리 하는 동안, 가스를 배출하는 화학작용을 거치고,

    주입튜브는 베젤의 벽내의 포트로부터 회전 베젤내로 연장되고 베젤내의 사전 결정된 경로를 따라 주입된 공기를 유도하기 위한 노즐에서 끝나며,

    상기 포트는 주 연소기로부터 연소가스와 함게 강물 베트에서 배추된 가스를 혼합하기 위해 회전 베젤길이의 하부 절반 지점에 위치하고,

    공기 주입튜브와 이어진 공기 흐름내의 팬 또는 압축기 및 가마로 주입되는 공기 주입율을 조절하기 위한 팬 또는 압축기의 조절기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 예비하소로 시멘트 가마.
36. 제 32 항에 있어서, 상기 가마가 회전베젤로 공기를 주입하기 위한 둘이상의 공기 주입 튜브를 포함하도록 수정되고, 각 주입튜브가 상기 베젤내의 사전 결정된 경로를 따라 주입된 공기를 유도하는 노즐에서 끝나는 것을 특징으로 하는 예비하소로 시멘트 가마.
37. 제 32 항 또는 제 33 항에 있어서, 광물 베드가 최대 깊이를 가지고 노즐이 회전 베젤벽으로부터 최대 깊이 내지 최대 깊이의 두배의 거리로 회전베젤 내에 위치되는 것을 특징으로 하는 예비하소로 시멘트 가마.
38. 제 37 항에 있어서, 각 노즐로부터 주입된 공기의 사전결정된 경로로 회전배젤을 통하여 흐르는 연소 가스에 회전 운동량이 전달되는 것을 특징으로 하는 예비하소로 시멘트 가마.
39. 제 38 항에 있어서, 공기 주입튜브 위치로부터 가마내의 가스흐름 하류의 베젤 위치에, 포트로부터 회전베젤내로 연장되는 낙하 튜브(drop tube) 및 보충연료 전달 포트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 예비하소로 시멘트 가마.
40. 제 39항에 있어서, 30.4-304m/s(100-1000ft/s)의 속력으로 회전베젤에 공기를 주입하기 위한 추가의 공기주입튜브를 더 포함하도록 수정되고,

    상기 추가 주입튜브는 베젤 벽부의 포트에서 회전 베젤로 연장되며, 상기 베젤의 사전 결정된 경로를 따라 주입된 공기를 유도하기 위한 노즐에서 끝나고,

    상기 추가 주입튜브는 주 연소기, 공기 주입 튜브 하류와 이어지는 공기흐름의 팬 또는 압축기 및 공기 주입지점 하류의 가마로 공기 주입율을 조절하기 위한 팬 또는 압축기의 조절기로부터 연소가스를 함유한 연소 보충연료 및 광물 베드에서 배출된 가스를 혼합하기 위해, 보충 연료전달 포트로부터, 가마의 가스흐름에 관해 회전용기 하류의 한 지점에 위치하는 것을 특징으로 하는 예비하소로 시멘트 가마.
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