KR101273139B1 - 대체 연료용 로터리 킬른 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시멘트 원료 분말, 석회암 또는 다른 광물질 함유 원재료와 같은 원재료를 연소시키는 방법에 관한 것으로, 상기 방법에 따르면 원재료와 2차 연료는 하나의 동일한 로터리 킬른에 개별적으로 유입되어, 유입된 원재료와 2차 연료는 로터리 킬른에서 1차 연료의 연소에 의해 발생한 가스에 의해 가열되어 2차 연료가 애쉬 및 코크와 같은 연소 잔류물의 형태인 가스 및 고형물로 변환된다. 상기 방법은 특히 2차 연료가 클링커 쿨러(4)를 향한 로터리 킬른(3)의 방향에 대해 시멘트 원료 분말이 로터리 킬른(3)으로 유입되는 지점의 선행 지점에 위치되는 로터리 킬른(3)의 영역으로 유입되어 변환된다.

Description

대체 연료용 로터리 킬른{ROTARY KILN FOR ALTERNATIVE FUELS}

본 발명은 시멘트 원료 분말, 석회암, 또는 다른 광물질 함유 원재료와 같은 원재료를 연소시키기 위한 방법에 관한 것으로, 상기 방법에 따르면 원재료 및 2차 연료는 하나의 동일한 회전 로터리 킬른에 개별적으로 유입되고, 유입된 원재료 및 2차 연료는 로터리 킬른 내의 1차 연료의 연소에 의해 발생한 가스에 의해 가열되어, 2차 연료는 연소 잔류물의 형태인 고형물 및 가스로 변환된다.

2차 연료로서 이용될 수 있는 다양한 연료들의 예는 자동차 타이어, 선로용 침목, 가구, 카펫, 목재 폐기물, 정원 폐기물, 주방 폐기물, 제지 슬러지, 바이오매스, 펫코크(petcoke), 폐수 슬러지, 육골분, 표포토(fuller's earth), 다른 산업들로부터의 부산물, 잘게 분쇄되지 않은 석탄을 포함한다.

전술한 방법은 유럽 특허 제0 105 322 B1호에 공지되어 있다. 이 특허에는 시멘트 클링커(cement clinker)의 제조 방법이 설명되어 있는데, 시멘트 클링커에서는 시멘트 원료 분말이 예열기에서 가열되고, 로터리 킬른의 클링커 내로 유입되어 연소된 다음, 클링커 쿨러에서 냉각된다. 가열된 시멘트 원료 분말 및 2차 연료는 로터리 킬른의 동일한 영역으로 유입되고, 로터리 킬른 내의 1차 연료의 연소에 의해 생성된 고온 가스와의 접촉에 의해 가열된다. 2차 연료 및 시멘트 원료 분말이 로터리 킬른의 동일한 영역으로 유입되기 때문에, 시멘트 원료 분말은 2차 연료의 연소와 관련하여 생성된 지역에 대부분 접촉하게 될 것이다. 환원 구역은 한편으로는 산화물(예컨대, O₂)과, 다른 한편으로는 연료와 연소의 중간 부산물(예컨대, 무탄소, CO 및 H₂) 사이의 이론 공연비(stoichiometric ratio)가 연료량이 산화물량을 초과하도록 될 때 생성된다. 이런 환원 구역은 항상 연료 입자의 주위와 연소성 가스 및 액체 주위에서 국부적으로 생성될 것이다. 유럽 특허에 설명된 발명에 따르면, 시멘트 원료 분말과 환원 구역 사이에서 상당한 접촉이 발생할 것이며, 이는 다수의 문제점을 수반한다. 먼저, 주된 고형물 부분과 가스 사이의 향류(counterflow)를 이용하는 일반적으로 로터리 킬른의 경우, 킬른 시스템의 영역에서 이루어지는 재료 사이클에서는, 킬른 플랜트의 일 구역에서 시멘트 원료 분말로부터 가스상으로 성분들이 방출된 다음 킬른 플랜트의 또 다른 구역에서 시멘트 원료 분말의 연속 재흡수를 위해 되돌아 오는 재료 사이클(material cycle)이 초래된다. 예를 들면, 황은 이런 사이클의 일부일 수 있다. 황은 시멘트 원료 분말에서 주로 CaSO₄ 또는 CaSO₃의 형태를 취한다. CaSO₄는 이하의 반응식(및 다른 유사한 반응식)에 따라 환원된다.

CaSO₄(S) + C(s) → SO₂(g) + CaO(s) + CO(g)

CaSO₄(S) + CO(g) → SO₂(g) + CaO(s) + CO₂(g)

가스가 냉각되어 예를 들면 최저 사이클론 단계에서와 같이 CaO/CaCO₃와 접촉하게 되면, 황(sulphur)은 CaS(가능하게는 CaSO₃)의 형태로 재흡수된다. 이는 예열기와 환원 연소 구역 사이의 시스템에 황의 축적을 초래할 것이다. 다른 경우는, 황에 추가하여, 할로겐(Cl, Br, F)과, 알칼리 화합물(Na, K)과, Mg과, Pb과, Cd에 의한 재료 사이클이 발생할 것이다. 개별적으로 조합된 재료 사이클은 시스템에서, 주로 라이저 덕트(riser duct)에서 피복물 축적(build-up) 증가를 야기할 수 있다. 또한, 고형물의 유동 특성은 이들 사이클에 반응하여 변화를 경험할 수 있으며, 이는 예컨대 사이클론 폐쇄(cyclone blockage)를 초래한다. 이들은 플랜트에서 재료의 축적 및 폐쇄라는 문제점들을 야기하기 때문에 이런 피복물과 언급한 유동 특성의 변화가 배제되는 것이 바람직하다.

시멘트 원료 분말에 있어 환원 구역과 관련한 두 번째 문제점은, 예를 들면 Fe 및 Cr과 같은 금속이 환원된다는 것이다. 예를 들면, Fe는 이하에 기재된 반응에 따라 환원될 수 있다.

Fe(Ⅲ) 환원 조건 → Fe(Ⅱ)

환원 금속은 최종 제품의 품질에 악영향을 미칠 수 있기 때문에 환원 금속은 배제되어야 한다.

전술한 문제점 외에도, 원료 분말이 2차 연료와 혼합되었을 때 연료의 표면에 증착되는 위험성이 또한 있기 때문에, 가스와 2차 연료 사이의 물질 이동을 완전하게 또는 부분적으로 제한함으로써 연료 변환율의 저감을 야기한다.

본 발명의 목적은 전술한 단점들을 제거하거나 현저하게 감소시키기 위한 방법 및 플랜트를 제공하는 것이다.

이는 본 명세서의 도입부에 언급된 방법에 의해, 즉 가스 및 고형물의 변환 프로세스 동안 2차 연료가 유입된 원재료로부터 분리되어 유지되고, 2차 연료가 클링커 쿨러를 향한 로터리 킬른의 방향에 대해, 시멘트 원료 분말이 로터리 킬른으로 유입되는 지점의 선행 지점에 위치되는 로터리 킬른의 영역으로 유입되어 변환되는 것을 특징으로 하는 방법에 의해 본 발명에 따라 달성된다. 이에 따라, 2차 연료와, 국부적 환원 구역 및 환원 조건을 갖은 넓은 영역은 원재료와 접촉이 최소화된다. 따라서, 원재료의 환원과 관련한 전술된 단점들이 최소화될 것이다.

2차 연료를 변환하기 위한 화학 반응의 예들은 열분해(pyrolysis), 연소(combustion) 및 가스화(gasification)를 포함한다. 이들 반응으로부터 방출된 가스들은 에너지와 잠재적 연소성 가스를 포함할 것이며, 따라서 다른 프로세스에서 예를 들면 소성로에서 에너지 공급원/반응 가스로서 이용될 수 있다. 연료 변환 프로세스 동안에 발생된 가스의 성분은 후속 프로세스로의 에너지 전달 효율성 및 방법에 있어 중요할 것이다. 또한, 로터리 킬른으로부터 배출되어 세정될 수 있다면 가스는 다른 화학 프로세스를 위한 환원제로서 이용될 수 있다. 이는 금속의 환원이 종종 필요한 광업 분야에서 가스가 이용되는 경우 특히 관심을 갖는다.

바람직한 실시예에서, 원재료는 로터리 킬른으로 유입되기 전에 예열된 시멘트 원료 분말일 것이며, 로터리 킬른에서 시멘트 원료 분말은 시멘트 클링커로 연소되고 후속하여 클링커 쿨러(clinker cooler)에서 냉각된다. 시멘트 원료 분말은 적어도 700℃로 예열되고, 또한 유입 전에 전체가 또는 부분이 하소(calcine)되는 것이 바람직하다. 시멘트 원료 분말 및 2차 연료는 로터리 킬른내에 다수개의 입구를 통해 개별적으로 유입된다. 2차 연료는 클링커 쿨러를 향한 로터리 킬른의 방향에 대해, 시멘트 원료 분말이 로터리 킬른으로 유입되는 지점의 선행 지점에 위치되는 로터리 킬른의 영역으로 유입되어 변환된다. 따라서, 가스 및 고형물로의 변환 시에, 2차 연료는 유입된 시멘트 원료 분말로부터 분리되어 유지될 것이다. 2개의 유입 지점들 사이의 거리는 국부적 환원 구역과 환원 조건을 갖은 넓은 영역이 시멘트 원료 분말과 접촉이 최소화되는 것을 보장하기에 충분한 거리이면 기본적으로 임의 가능한 치수로 상정될 수 있다. 그러나, 2개의 유입 지점들 사이에서 로터리 킬른의 중심선을 따른 거리는 로터리 킬른의 적어도 내부 직경과 동일한 것이 바람직하다. 유입 지점은 유입된 재료가 입구로부터 멀어지는 위치의 중심을 의미하는 것으로 간주된다. 2개의 유입 지점들 사이에서 로터리 킬른의 중심선을 따른 거리는 지점들이 로터리 킬른의 중심선에 직교하여 돌출될 때 2개의 유입 지점들 사이의 거리를 의미하는 것으로 간주된다. 최적의 거리는 다수개의 인자에 따라 달라지지만, 거리는 로터리 킬른의 내부 직경의 1배 내지 4배 범위 내에서 유지되는 것이 바람직하다.

또한, 전술한 종류의 방법은 1차 연료를 연소할 시에 발생하는 가스의 NOx 함량 감소에 기여할 수도 있다. NOx의 감소는, 로터리 킬른을 통과하는 가스의 NOx가 2차 연료 주변의 환원 구역과 연료 변환 프로세스 동안 방출된 열분해 가스 및 다른 환원 가스와 접촉되어 다양한 NOx 환원 반응을 촉진시켜 가스 내 NOx를 감소시킴으로써 달성된다. 플랜트의 연소 공기의 일부는 로터리 킬른 주변을 우회하는 것이, 예를 들면 고온 공기를 쿨러로부터 소성로(calciner)로 유도하는 덕트를 통해 우회하는 것이 바람직하다. 그러나, 로터리 킬른에서 2차 연료의 변환은 모든 기류(airflow)가 로터리 킬른을 통과하는 경우에서보다 낮은 속도와 종종 낮은 온도로 진행될 것이다.

기류의 일부가 전술한 덕트에서 로터리 킬른 주변을 우회하고, 2차 연료의 증가된 변환율과 높은 온도가 요구된다면, 공기의 일부는 원료 분말과 함께 유입되는 것이 유리할 수도 있다. 쿨러로부터 예열된 공기 대신에, 완전히 또는 부분적으로 O₂ 농축 공기 또는 다른 사전 가열된 프로세스 가스가 이용될 수 있다.

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로터리 킬른 내부의 2차 연료 유입 지점의 주변 영역에는 고상 연료의 향상된 혼합을 보장하도록 2차 연료에 기계적 영향을 제공할 수 있는 수단이 제공될 수 있다. 이런 수단은 금속, 스톤(stone) 또는 내열성 재료로 제조된 리프터(lifter)일 수 있다. 킬른의 회전 동안, 리프터는 로터리 킬른 내 최고 높이까지 연료를 상승시킬 것이며, 이는 연료가 다시 가스를 통해 하강하도록 할 것이다. 이는 향상된 혼합률을 유도함으로써 연료 입자와 가스 사이의 표면 접촉을 증가시킬 것이다. 이는 연료 변환율을 증가시킬 것이며, 가스 유동 내 고형물의 혼입(entrainment)을 촉진하도록 사용될 수 있다. 또한, 이는 가스 내 반응물질의 향상된 분포를 보장할 것이다. 2차 연료의 상기 영역에 제공되는 연마 매체(grinding media)와 같은 수단은 변환 프로세스 동안 연료의 분쇄(comminution)를 위해 사용될 수 있다. 이는 극취성인 연료의 코크부에 특히 적절하며, 따라서 후속하는 소성로에서의 변환 및 후속하는 가스 유동의 혼입과 함께 연마 매체에 의해 용이하게 분쇄 가능하다.

업턴형(upturned) 에지 또는 격자 구조와 같은 수단이 2차 연료의 연소 영역을 제한하기 위해 킬른 내에 제공될 수도 있고, 이에 의해 연료가 가열의 결과로서, 원하는 구조적 특성을 달성할 때까지 연료가 상기 수단을 거쳐 로터리 킬른을 통해 하류로 이동되는 것을 정지시킨다. 이는 연료로부터의 애쉬(ash)만이 상기 수단을 통해 이동된 다음 시멘트 원료 분말과 혼합될 수 있도록 보장할 것이다.

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본 발명은 개략적으로 도시된 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 방법을 실시하기 위한 플랜트를 도시한다.

도 1에는, 시멘트 원료 분말이 예열기(2)에서 예열되고 로터리 킬른(3)에서 클링커로 연소된 다음 클링커 쿨러(4)에서 냉각되는, 시멘트 클링커를 제조하기 위한 플랜트(1)가 도시되어 있다. 예열된 시멘트 원료 분말과 2차 연료는 개별 입구(5, 6)를 통해 하나의 동일한 로터리 킬른으로 유입된다. 시멘트 원료 분말과 2차 연료 모두는 로터리 킬른(3)에서 1차 연료의 연소에 의해 발생한 가스에 의해 가열될 것이며, 이에 의해 2차 연료는 연소 잔류물의 형태로서 가스 및 고형물로 변환된다. 프로세스 가스는 공지의 방식으로 로터리 킬른(3)을 통해 배출되어 팬(7)에 의해 예열기(2)를 통해 앞으로 나아갈 것이다. 가스에 혼입된 고형물을 포함하여 2차 연료의 가열 동안 형성된 가스는, 소성로(8)에서와 같이, 추가의 프로세스 단계에 이용될 수 있다. 클링커 쿨러(4)로부터의 고온 공기는 덕트(16)를 거쳐 소성로(8)로 안내된다. 2차 연료는 입구(6)를 통해 유입되고, 클링커 쿨러(4)를 향한 로터리 킬른의 방향에 대해 로터리 킬른(3)으로 시멘트 원료 분말을 위한 입구(5)의 유입 지점에 선행하는 지점에 위치한 로터리 킬른(3)의 영역에서 변환된다. 그 결과로서, 2차 연료는 가스 및 고형물로의 변환 프로세스 동안 유입된 시멘트 원료 분말로부터 유지될 것이며, 국부적 환원 구역 및 환원 조건을 갖은 넓은 영역은 시멘트 원료 분말과 최소한으로 접촉할 것이다.

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Claims (11)

1. 원재료를 연소시키는 방법으로서, 원재료와 2차 연료는 하나의 동일한 로터리 킬른(3)에 개별적으로 유입되고, 유입된 원재료와 2차 연료는 로터리 킬른(3)에서 1차 연료의 연소에 의해 발생한 가스에 의해 가열되어 2차 연료가 연소 잔류물의 형태인 가스 및 고형물로 변환되는 방법에 있어서,
   2차 연료는 가스 및 고형물로의 변환 프로세스 동안 유입된 원재료로부터 분리되어 유지되고, 2차 연료는 클링커 쿨러(4)를 향한 로터리 킬른(3)의 방향에 대해 원재료가 로터리 킬른(3)으로 유입되는 지점의 선행 지점에 위치되는 로터리 킬른(3)의 영역으로 유입되어 변환되는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 2개의 유입 지점들 사이에서 로터리 킬른(3)의 중심선을 따르는 거리는 로터리 킬른(3)의 내부 직경과 동일한 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 원재료는 로터리 킬른(3)으로 유입되기 전에 700℃ 이상으로 예열되는 시멘트 원료 분말이며, 후속하여 클링커 쿨러(4)에서 냉각되도록 시멘트 클링커로 연소되는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 원재료를 연소시키는 플랜트로서, 원재료 및 2차 연료가 개별 입구(5, 6)를 통해 유입되는 로터리 킬른(3)을 포함하는 플랜트에 있어서,
   2차 연료는 입구(6)를 통해 로터리 킬른(3)으로 유입되고, 상기 입구(6)는 클링커 쿨러(4)를 향한 로터리 킬른(3)의 방향에 대해 원재료가 유입되는 입구(5)의 유입 지점에 선행하여 위치되는 유입 지점을 가지는 플랜트.
5. 제4항에 있어서, 로터리 킬른(3)의 내부에서 2차 연료에 기계적 영향을 미치는 리프터가 제공되는 것을 특징으로 하는 플랜트.
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