KR101528048B1 - 로터리 킬른 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 원료가 유입되는 유입부와, 상기 유입부와 연결되고, 중공이 형성된 통 형상의 몸체 내부에서의 원료 체류시간을 증가시키기 위해, 몸체 내부에 댐 구조가 형성되고 회전가능하게 구비되며 수소가 장입되어 원료의 환원반응이 일어나는 환원부 및, 상기 환원부에 수소를 공급하는 수소 공급부를 포함하는 로터리 킬른에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 로터리 킬른에 의하면, 원료가 내부에서 체류하는 시간이 증가되어 설비의 크기를 증가시키지 않고서도 원료가 수소와 반응하여 설정된 환원율을 달성하는 시간을 단축할 수 있는 효과를 제공한다.

Description

로터리 킬른 {ROTARY KILN}

본 발명은 로터리 킬른에 관한 것으로, 상세하게는 설비의 크기를 유지하고원료의 환원율을 증가시키기 위해 내부에 나선형상의 댐구조와 리프터를 구비하는 로터리 킬른에 관한 것이다.

로터리 킬른은 석회 및 시멘트 제조, 각종 금속의 환원, 폐기물 처리에 사용되는 장치로, 원료를 가열하여 설정된 온도로 상승시킨 후에 수소와 반응시켜 원료를 환원시킬 때에도 사용될 수 있다.

그래서, 로터리 킬른에서는 원료의 환원반응을 위해 원료를 설정된 온도로 상승시키는 승온과정과, 온도가 상승된 원료를 수소와 반응하여 환원시키는 환원과정이 포함된다.

이를 위해, 도 1 및 도 2를 참조하면, 종래의 로터리 킬른(10)은 원료가 유입되는 유입부(4), 유입된 원료(m1)와 수소가 반응하여 환원반응이 일어나는 환원부(1), 및 환원된 원료(m2)가 유출되는 유출부(3)로 구성된다.

먼저, 상기 유입부(4)와 인접한 상기 환원부(1)에서는 가열장치(미도시)로부터 열을 공급받아 유입된 원료의 온도가 상승되고, 수소 공급부(2)로부터 공급된 수소와 반응하여 환원반응이 일어난다.

그리고, 상기 환원부(1)는 원료가 유입부(4)에서 유입되어 상기 환원부(1) 내부에서 환원반응이 일어난 후 상기 유출부(3)로 유출되는 것을 원활히 하기 위해 지면과 설정된 경사각(α)을 이루며 경사지게 구비되어 있다.

그리고, 상기 환원부(1)는 회전하도록 구비되어, 원료를 하부에서 상부로 회전이동시키고, 상부에서 원료를 다시 낙하시켜 낙하 중에 수소와 반응하게 한다. 환원반응이 일어나는 원료와 환원반응이 일어나지 않은 원료를 혼합하기 위해, 상기 환원부(1)는 그 내벽에서 돌출되어 회전방향으로 절곡된 형상을 가진 리프터(1a)를 구비한다.

그런데, 종래의 환원부(1)는 원료의 온도상승과 관련하여 유입된 원료가 상기 환원부(1) 내부에서 설정된 온도로 상승하기 위해 필요한 체류시간 동안 열을 공급받지 못하고 수소와 반응하여 환원율이 낮은 문제가 있었다.

이 경우, 체류시간과 관련하여, 상기 환원부(1) 내부에서의 체류시간은 아래의 식 1을 통해 구할 수 있다.

[식 1]
체류시간 = sin(θ)*L*π/tan(α)/N/D

여기서, θ: 안식각, L: 환원부의 길이, π: 원주율, α: 환원부의 경사각, N: 환원부의 회전수(RPM), D: 환원부의 직경이다.

식 1에서 안식각(θ)은, 도 3을 참조하면, 상기 환원부(1)의 회전시 적층된 원료가 상기 환원부(1)의 내벽을 따라 회전방향으로 회전하며 형성되는 상부면이 지면과 이루는 각도를 말한다.

즉, 상기 환원부의 회전속도가 큰 경우에는 원료도 상기 환원부의 내벽을 따라 상승하는 폭이 크기 때문에 안식각(θ)이 크게 된다.

또한, 종래의 환원부(1)는 체류시간을 증가시키기 위해, 식 1을 참조하면, 환원부(1)의 길이를 증가시키거나 환원부의 직경을 증가시켜야 한다. 이 경우에 원료가 상기 환원부(1) 내부에서 충분한 시간 동안 열을 공급받아 설정된 온도로 상승할 수는 있지만, 설비 규모를 증가시켜야 하는 문제가 있었다.

또한, 환원반응과 관련하여 도 4를 참조하면, 종래의 환원부(1)는 원료 입자를 균일하게 혼합하고 환원부(1)의 하부에서 상부로 회전이동시킨 후 낙하하는 동안 수소와 반응시키기 위해 리프터(1a)가 설치되어 있다.

그런데, 상기 리프터(1a)의 개수는 단면상 4개로 구비되어 원료 유입량이 많은 경우에는 상기 환원부(1)의 회전시 원료 입자가 하부에서 상부로 이동하지 못하고 하부에 적층된 상태로 유지되어 수소와 원활하게 반응하지 못함으로써 원료의 환원율이 낮은 문제가 있었다.

따라서, 종래의 로터리 킬른(10)은 리프터(1a)를 사용함에도 불구하고 원료와 수소의 화학반응에 의한 환원율이 낮기 때문에, 예컨대 80% 이상의 환원율을 얻도록 하기 위해서는 1시간 20분 이상의 시간이 필요하였다.

그래서, 짧은 시간에 원료의 설정된 환원율을 달성하기 위해서라도 상기 환원부(1)의 직경을 증가시키거나 길이를 증가시키는 등 설비 규모를 증가시켜야 했다.

본 발명은 상기와 같은 문제점 중 적어도 일부를 해결하기 위해 제안된 것으로, 설비의 크기를 유지한 상태로 원료를 설정된 온도로 상승시키는 승온시간을 단축할 수 있는 로터리 킬른을 제공하는 것을 목적으로 한다.

그리고, 본 발명은 내부에 유입된 수소와의 환원반응시에 설정된 환원율을 달성하는 시간을 단축할 수 있는 로터리 킬른을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 일측면으로서 본 발명은, 원료가 유입되는 유입부; 상기 유입부와 연결되고, 중공이 형성된 통 형상의 몸체가 회전가능하게 구비되며, 수소가 장입되어 원료의 환원반응이 일어나는 환원부; 및 상기 환원부에 수소를 공급하는 수소 공급부를 포함하고, 상기 환원부는, 외부로부터 열을 공급받아 상기 원료가 가열되고, 상기 원료의 체류시간을 증가시키기 위해 상기 몸체의 내벽에서 상기 몸체의 원주방향을 따라 나선형상으로 형성되어 중심 방향으로 돌출되는 댐구조가 형성되는 승온부; 및 상기 승온부와 연결되며, 상기 수소 공급부에서 공급된 수소를 상기 승온부에서 유입된 원료와 혼합하기 위해 상기 몸체의 내벽에서 중심 방향으로 돌출되면서 각각 이격된 복수개의 리프터가 나선형으로 배열되는 혼합부를 포함하는 로터리 킬른을 제공한다.

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그리고, 원료는 니켈분광인 것을 특징으로 한다.

이상에서와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면, 로터리 킬른의 크기를 증가시키지 않고 원료가 체류하는 체류시간을 증가시킬 수 있다.

그리고, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 원료가 내부에서 체류하는 시간이 증가되어 설비 규모를 증가시키지 않고서도 원료가 수소와 반응하여 설정된 환원율을 달성하는 시간을 단축할 수 있는 효과를 제공한다.

도 1은 종래의 로터리 킬른의 단면도.
도 2는 도 1의 환원부의 사시도.
도 3은 종래의 환원부에서 원료의 안식각을 나타내는 단면도.
도 4는 도 1의 A-A'에서의 단면도로, 종래의 환원부의 회전시 원료의 이동을 나타내는 작동상태도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 로터리 킬른의 단면도.
도 6는 도 5의 환원부의 사시도.
도 7은 도 5의 B-B'에서의 단면도로, 환원부의 회전시 원료의 이동을 나타내는 작동상태도.
도 8은 환원부의 길이에 따른 원료의 온도변화를 나타내는 그래프.
도 9는 환원부의 반지름에 따른 원료의 환원부 내부에서의 체류시간을 나타내는 그래프.

이하, 첨부된 도면에 따라 본 발명을 상세하게 설명한다.

먼저, 이하에서 설명되는 실시예들은 본 발명인 로터리 킬른을 이해시키는데 적합한 실시예들이다. 다만, 본 발명이 이하에서 설명되는 실시예에 한정하여 적용되거나 설명되는 실시예에 의해 본 발명의 기술적 특징이 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 기술범위에서 다양한 변형 실시가 가능하다.

본 발명의 일 실시예에 의한 로터리 킬른은 원료가 유입되는 유입부; 유입된 원료가 승온되는 승온부와, 수소와 반응하여 환원반응이 일어나도록 원료가 수소와 혼합되는 혼합부를 구비한 환원부; 및 상기 환원부에 수소를 공급하는 수소 공급부를 포함하여 구성된다.

도 5를 참조하면, 상기 환원부(120)는 내부에 중공이 형성된 통형상으로 구비된다. 다만, 도면에는 단면이 원형이 원통형상으로 구비된 환원부가 도시되어 있으나 내부에 중공이 형성되는 한 환원부의 형상은 원통에 한정되지 않고 다양한 공지의 실시예가 채용될 수 있다.

그리고, 상기 환원부는 원료(m1)의 이동을 원활하게 하기 위해 지면과 설정된 경사각(α)을 유지한 상태로 설치될 수 있다.

그리고, 상기 환원부는 승온부(130)에서 원료를 가열하기 위해 가열장치로부터 열을 공급받도록 될 수 있는데, 이때 상기 승온부를 가열하는 방법은 상기 승온부 내부에 열을 공급할 수 있는 한 다양한 공지의 가열장치를 이용한 방법이 채용될 수 있다.

상기 혼합부(140)에서 수소와 원료가 환원반응이 일어날 수 있도록 상기 혼합부는 수소가 저장된 수소 공급부(150)와 연결되도록 구비될 수 있다.

그리고, 본 발명에서 기술되는 원료는 일 실시예로 니켈분광이 해당될 수 있으나 반드시 이에 한정되지 않는다.

그리고, 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 상기 환원부(120)는 내부에서 유입부(110)와 인접한 부분에 댐구조(131)가 설치된 승온부와, 원료가 외부로 유출되는 유출부(160) 측과 인접한 부분에 리프터(141)가 구비된 혼합부로 분리될 수 있다.

도 5 및 도 6을 참조하면 상기 승온부 내부에 형성된 댐구조는 상기 승온부 내벽에서 중심부로 돌출되고 원주방향으로 형성되는 구조를 말한다.

그리고, 일 실시예로 상기 댐구조는 원주방향을 따라 돌출된 부분이 길이방향으로 복수개가 형성될 수 있다.

여기서, 일 실시예로 상기 댐구조는, 복수개로 돌출된 부분은 서로 연결되지 않고 각각 길이방향으로 이격된 상태로 형성되어 상기 승온부의 길이방향의 단면상 중심부에 중공을 형성하는 복수개의 격벽이 승온부의 길이방향으로 형성되게 한다.

그리고, 다른 실시예로, 상기 댐구조는, 복수개의 상기 돌출된 부분이 상기 승온부의 길이방향에서 독립적으로 이격된 상태가 아닌 서로 연결된 상태로 단면상으로는 도 5에 도시된 것과 같이 사선형상으로 나타나며, 도 6을 참조할 때 입체적인 형상은 나선형상으로 형성될 수 있다.

다만, 상기 나선형상은 돌출된 부분이 반드시 상기 승온부의 길이방향에서 연속적으로 연결된 경우만으로 한정되지 않고 부분적으로 끊어진 형상도 포함한다.

그리고, 상기 혼합부(140)는 상기 승온부(130)와 연결되며, 상기 혼합부는 상기 승온부와 함께 상기 환원부(120)를 구성한다.

여기서, 상기 혼합부는 하나의 몸체 내부에서 상기 승온부와 연결되도록 구비될 수 있으며, 상기 승온부와 분리된 독립된 몸체로 형성될 수도 있다.

그리고, 상기 혼합부에서는 온도가 상승한 원료가 수소와 반응하여 환원반응이 일어나는 곳으로, 상기 혼합부는 상기 수소 공급부(150)와 연결될 수 있다.

그리고, 상기 혼합부에는 원료의 입자가 편중되지 않고 균일하게 수소와 반응할 수 있도록 내벽에서 중앙부로 돌출된 리프터(141)를 구비할 수 있다.

여기서, 상기 혼합부에 리프터가 구비되지 않은 경우, 원료는 상기 혼합부의 하단에 적층되어 상기 혼합부가 회전하여도 원료 입자는 상기 혼합부의 하단에만 위치하며, 원료의 상부와 하부는 혼합되지 않아 수소와 접하는 원료의 상부만 환원반응이 일어나게 된다.

그래서, 도 5 내지 도 7을 참조하면 상기 혼합부에 리프터가 구비되고, 상기 리프터는 복수개가 상기 혼합부 내벽에서 돌출된 형상으로 구비된다.

그리고, 상기 리프터는 상기 혼합부가 회전할 때 원료가 돌출된 부분에 수용되어 상부로 이동할 수 있도록 단면이 상기 혼합부의 회전방향으로 절곡된 형상으로 구비될 수 있다.

그리고, 도 5를 참조하면, 상기 리프터는 복수개가 상기 혼합부의 내벽에서 불규칙적으로 돌출되도록 구비될 수 있으나, 원료의 혼합 및 유출부(160)로의 원료의 이동이 원활하게 이루어지도록, 전술한 댐구조와 같이 나선형상으로 상기 혼합부 내부에 배열될 수 있다.

즉, 복수개의 리프터는 도 5에 도시된 것과 같이, 상기 혼합부의 절단면도에서 볼 때, 상기 혼합부의 내벽과 단면상 각도(β)를 형성하며 상기 혼합부(140)의 내벽에서 돌출될 수 있다.

그래서, 상기 리프터(141)가 나선형으로 상기 혼합부(140)에 배열되어 원료 입자의 혼합이 용이하게 되고, 환원율 또한 향상된다.

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이하 본 발명의 일 실시예에 의한 로터리 킬른의 작용 효과에 대해 상세하게 설명한다.

도 5 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 로터리 킬른(100)은 상기 유입부로 원료가 유입된다. 그리고 유입된 원료는 상기 승온부에 유입된다.

여기서, 상기 환원부는 원료의 혼합과 환원반응이 원활하게 일어날 수 있도록 일방향으로 회전하고, 상기 승온부는 가열장치로부터 열을 공급받는다.

그래서, 상기 승온부로 유입된 원료는 상기 승온부가 직접 가열되거나 외부로부터 열을 공급받은 상태이므로 온도가 상승한다.

그런데, 본 발명의 일 실시예에 의한 상기 승온부 내부에 구비된 댐구조는, 상기 승온부로 유입된 원료의 승온부 내부에서의 체류시간을 상승시킨다.

전술한 것과 같이 체류시간은 식 1과 같이 나타낼 수 있는데, 본 발명의 일 실시예에 의한 승온부는 댐구조를 구비하여 안식각을 90도로 증가시킬 수 있다.

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또한, 상기 승온부의 댐구조는 상기 승온부 내부로 유입된 원료가 혼합부로 유출될 때 상기 승온부의 내벽에서 돌출되어 원료의 진행을 방해할 수 있으므로 체류시간이 더 증가할 수 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 의한 승온부는 안식각을 증가시키고 원료의 진행을 방해하게 됨으로써, 환원부의 길이 또는 환원부의 직경과 같은 설비의 크기를 동일하게 유지한 상태에서 원료의 승온부 내부에서의 체류시간을 증가시킬 수 있다.

도 8에서, X축상의 0에서 X1까지는 승온부를 나타내고 X1에서 X2까지는 혼합부를 나타낸다. Y축은 상기 승온부로 유입된 원료의 상기 승온부의 길이방향에 따른 온도를 나타낸 것이다. a1은 본 발명의 일 실시예에 의한 환원부에 유입된 원료의 온도변화를 나타내고, b1은 종래의 환원부에 유입된 원료의 온도변화를 나타낸다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 환원부는, 상기 승온부에서 원료가 설정된 온도로 상승할 수 있다. 반면, 종래의 환원부는 별도로 승온부가 구비되어 있지 않아 설정된 온도로 상승하기 위해 본 발명에서의 혼합부에 해당하는 위치까지 원료가 이동하여야 설정된 온도로 상승할 수 있다.

그리고, 도 9는 상기 환원부의 반지름에 따른 원료의 체류시간을 나타낸 것으로, a2는 본 발명의 체류시간을 나타낸 것이고, b2는 종래의 체류시간을 나타낸 것이다.

도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 승온부를 구비한 환원부에서 원료의 상기 환원부 내부에서의 체류시간이 종래의 환원부에 유입된 원료의 체류시간보다 상기 환원부의 길이와 무관하게 항상 긴 것을 확인할 수 있다.

결과적으로, 상기 승온부로 유입된 원료는 상기 승온부의 댐구조에 의해 상기 환원부 내부에서의 체류시간이 증가하여 설정된 온도로 상승한 후에 상기 혼합부로 유입된다.

그리고, 도 7을 참조하면, 상기 혼합부로 유입된 원료는 상기 리프터에 의해 상기 혼합부의 하부에서 상부로 회전이동하고, 상부에서 다시 낙하하여 상기 수소 공급부에서 공급된 수소와 반응하여 환원반응이 일어난다.

그리고, 상기 리프터의 개수가 증가할수록 원료가 상기 리프터에 의해 상기 환원부의 상부로 회전이동되며 하부로 낙하하여 수소와 반응하는 시간이 증가하고 반응횟수도 증가하게 됨으로써, 환원율의 상승이 더욱 용이하게 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 혼합부에서 환원반응이 일어난 원료(m2)는 유출부로 유출되어 환원반응이 종료된다.

본 발명은 지금까지 특정한 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허 청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자는 용이하게 알 수 있음을 밝혀두고자 한다.

100: 로터리 킬른 110: 유입부
120: 환원부 130: 승온부
131: 댐구조 140: 혼합부
141: 리프터 150: 수소 공급부
160: 유출부

Claims (5)

1. 원료가 유입되는 유입부;
   상기 유입부와 연결되고, 중공이 형성된 통 형상의 몸체가 회전가능하게 구비되며, 수소가 장입되어 원료의 환원반응이 일어나는 환원부; 및
   상기 환원부에 수소를 공급하는 수소 공급부
   를 포함하고,
   상기 환원부는,
   외부로부터 열을 공급받아 상기 원료가 가열되고, 상기 원료의 체류시간을 증가시키기 위해 상기 몸체의 내벽에서 상기 몸체의 원주방향을 따라 나선형상으로 형성되어 중심 방향으로 돌출되는 댐구조가 상기 댐구조의 길이방향에서 부분적으로 단절되어 있는 승온부; 및
   상기 승온부와 연결되며, 상기 수소 공급부에서 공급된 수소를 상기 승온부에서 유입된 원료와 혼합하기 위해 상기 몸체의 내벽에서 중심 방향으로 돌출됨과 동시에 상기 몸체의 회전방향으로 절곡되게 형성되면서 각각 이격된 복수개의 리프터가 나선형으로 배열되는 혼합부
   를 포함하는 로터리 킬른.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 원료는 니켈분광인 것을 특징으로 하는 로터리 킬른.

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