KR101757630B1 - 철 슬랙의 건식 입상화 - Google Patents

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Abstract

가열 액상 슬랙의 건식 입상화 공정에 있어서, 가열 액상 슬랙이 고형 금속 입자와 혼합되어, 상기 금속 입자와 혼합된 고형화된 유리화(vitrified) 슬랙 케이크를 형성하며, 상기 슬랙 케이크는 가열 슬랙 입자 및 가열된 고형 입자를 형성하도록 파쇄되고, 상기 입자들은 냉각되며, 상기 고형 금속 입자들은 리사이클된다.

Description

철 슬랙의 건식 입상화{Dry granulation of metallurgical slag}
본 발명은 일반적으로는 금속업계, 보다 상세하게는 제강 산업계에 있어서 슬랙의 건식 입상화(granulation)에 관한 것이다.
일반적으로, 철 슬랙(slag)은 물 내에서 입상화 되거나 슬랙조(slag pits) 내에서 냉각된다. 물 냉각(quenching)으로 인해 철 슬랙의 고형화가 신속히 이루어지며, 이는 용광로 슬랙의 경우에 있어서는 상품 가치를 위해 필요한 조건이다. 물은 우선 슬랙 스트림을 소형 입자들로 파쇄하기 위해 사용되고 그 다음으로는 직접 접촉을 통해 에너지를 회수하기 위해 사용된다. 이러한 공정은 주위압력에서 이루어져야 하므로, 슬랙의 온도는 100℃ 이하 수준의 온도로 즉각적으로 낮아지며, 이로 인해 효율적 에너지 회수가 불가능하게 된다. 슬랙조 내의 철 슬랙의 냉각을 위해서는 좀 더 긴 냉각 시간이 필요하며, 이에 따라 제품 품질이 상이해질 수 있다. 뜨거운 슬랙의 열에너지는 결과적으로 주변으로 사라진다.
JP 2005306656 (A)는 용융 슬랙의 고형화 방법에 대해 기술하고 있으며, 이에 따르면, 기포 또는 고형화/수축 기공이 배제된 견고한 슬랙 주괴를 단순한 방법으로 얻을 수 있고, 이러한 슬랙을 인공적 블록형 돌 재료로 효과적으로 사용할 수 있다. 개질된 용융 슬랙을 주형틀에 주입함으로써 슬랙이 고형화되면, 슬랙은 주입된 슬랙 흐름에 지속적, 또는 간헐적으로 채워지는 산화물 입자들에 의해 신속히 고형화된다. 이와 같은 방법에 따라 생성된 고형 슬랙의 일부를 파쇄(crushing)하면 개질 또는 파쇄 고형 슬랙이 획득되고, 이는 바람직하게는 산화물 입자로 사용된다.
US 4,359,434는 용광로 슬랙 용융의 입상화 공정을 기술하고 있는데, 이에 따르면, 용융상(melts)이 소정 방향으로 자유롭게 이동하는 적어도 하나의 얇은 액상 용융 스트림으로 형성되고, 그와 같은 용융 스트림에 대해 실질적으로 동일한 방향으로 높은 유속으로 실질적으로 자유롭게 흐르는 스트림에 대해 소정 입사각을 가지고 합류함으로써, 상기 입사각에 대해 반대각의 적어도 일부 상으로 형성된 팬-형태의 분포를 가지는 실질적으로 미세-입자의 미분말(granulate)로 적어도 부분적으로 변환된다.
제철 및 제강 산업계에서 지속적으로 운용되는 용광로에 있어서, 이론적 평균 슬랙 유속은 2 t/min, 슬랙 내에 포함되는 화력은 56MW(화력=에너지함량(1200 J/Kg/K)*온도차(1400 K) * 유속(2 t/min = 33.3 kg/s) = 56 MW)에 해당한다. 따라서, 변환 효율이 40%에서 전력은 22 MW가 된다.
이와 같은 잠재력을 효율적으로 사용하려면, 재료 처리가 수월하도록 충분히 낮은 온도이면서도 사용 가능한 수준의 에너지 보존을 위해 충분히 높은 온도로 슬랙을 신속히 냉각시켜야 한다. 또한 시장에서 값어치가 훨씬 떨어지는(약 15배 이하) 기공질 슬랙이 아닌 유리화(vitrified) 슬랙을 획득할 수 있도록 충분히 신속하고도 많이 온도를 낮추도록 해야 한다.
이와 같이 하기 위해서는 액상 슬랙을 동일 화학물질의 냉각 슬랙 미분말과 혼합할 수 있다. 그런 다음 슬랙에 대해 열 교환기 내에서 열 회수 처리할 수 있다.
그러나, 액상 슬랙의 경우 점도가 높기 때문에, 냉각 슬랙 미분말과 액상 슬랙이 쉽게 혼합되기 않고, 따라서 용융 슬랙을 얻기에 충분히 신속히 액상 슬랙을 냉각시키지 못했다.
본 발명의 목적은 건식 슬랙 입상화를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 이루기 위해, 본 발명에 따른 가열 액상 슬랙의 건식 입상화 공정에 의하면, 가열 액상 슬랙이 고형 금속 입자와 혼합됨으로써 상기 금속 입자와 혼합된 고형화된 유리화(vitrified) 슬랙 케이크를 형성하고, 상기 슬랙 케이크는 파쇄되어 가열 슬랙 입자 및 가열 고형 입자를 형성하고, 상기 입자들은 냉각되고, 상기 고형 금속 입자들은 리사이클된다.
바람직한 실시예에 의하면, 상기 가열 액상 슬랙은 우선 트라프(trough) 내부로 부어지며, 그 다음으로 고형 금속 입자들이 가열 액상 슬랙을 포함하는 트라프 내부로 부어진다. 상기 가열 액상 슬랙 및 고형 금속 입자들은 서로 혼합됨으로써 고형화된 유리화 슬랙 케이크를 형성한다. 트라프는 우선 바람직하게는 약 3분의 1 높이까지는 액상 슬랙으로 채워지고, 그 다음에는 트라프로 도입되는 고형 금속 입자들로 채워진다.
슬랙 및 고형 금속 입자간의 신속하고 효율적인 혼합을 위해 고형 금속 입자들은 바람직하게는 약 1 내지 3 m 높이에서 낙하된다. 입자가 액상 슬랙의 희망 깊이까지 침투하도록 요구되는 정확한 높이, 즉 정확한 에너지량은 슬랙의 조성, 슬랙의 온도, 고형 금속 입자의 밀도 및 직경 등에 따라 다르다.
상기 가열 액상 슬랙 및 고형 금속 입자가 부어지는 트라프는 트라프 벨트 컨베이어와 일체화된다.
상기 고형 금속 입자의 밀도는 적어도 2.5 g/cm3 이다. 슬랙과 금속 입자 간의 밀도차로 인해, 금속 입자와 슬랙의 혼합이 충분히 이루어진다.
상기 고형 금속 입자들은 높은 혼합 특성과 신속하고 효율적인 슬랙의 냉각을 위해 바람직하게는 구형(spherical)이다.
상기 고형 금속 입자의 직경은 적어도 2 mm, 바람직하게는 5 mm 이상, 및 가장 바람직하게는 10 mm 이상이다.
상기 고형 금속 입자의 직경은 80 mm 미만, 바람직하게는 50 mm 미만, 및 가장 바람직하게는 25 mm 미만이다.
상기 고형 금속 입자는 철(iron), 강철(steel), 구리, 크롬 알루미늄, 그들의 합금, 및 그들의 합금 및 기타 금속과의 합금을 포함하는 군에서 선택된 금속으로 제조된다.
실제 적용예에 있어서는, 각기 상이한 직경으로 구입이 용이한 철구(steel balls)를 이용하는 것이 바람직하다.
고형화가 있고 난 후, 가열된 슬랙 입자 및 가열된 고형 금속 입자들은 열 교환기 내로 채워지고, 냉각가스의 역류에 의해 냉각되며, 열 교환기에서 배출된다.
바람직한 일 실시예에 따르면, 열 교환기는 복수 개의 서브 유닛들로 구분되며, 상기 서브 유닛들 각각은, 입자 주입구, 입자 배출구, 냉각 가스 주입구 및 냉각 가스 배출구를 포함하고, 상기 서브 유닛 중 적어도 하나에는 뜨거운 고형 금속 입자들이 입자 주입구를 통해 채워지고, 냉각된 슬랙 입자 및 냉각된 고형 금속 입자들은 상기 입자 배출구를 통해 상기 적어도 하나의 서브 유닛에서 배출되고, 상기 냉각 가스 주입구 및 상기 냉각 가스 배출구는 입자의 채움 및 배출 도중에 밀폐되며, 여기서, 입자의 채움 및 배출과 동시에, 냉각 가스 주입구를 통해 냉각 가스가 주입되면서, 상기 냉각 가스 배출구를 통해 가열된 냉각 가스 흐름의 회수가 이루어짐에 따라 다른 서브 유닛들 중 적어도 하나가 냉각되며, 상기 입자 주입구 및 상기 입자 배출구는 입자의 냉각 동안에 밀폐되고, 상기 가열된 냉각 가스를 에너지 회수에 사용하게 된다.
따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 비지속적으로 가동되는 복수 개의 서브 유닛을 포함하는 열 교환기들을 사용하는 공정이 제시된다. 열 교환기의 출구 측에서 지속적 가열 가스 흐름을 얻을 수 있고, 이에 따라 가장 효율적인 전력 생산 사이클의 사용이 보장된다는 이점이 얻어짐에 따라, 본질적으로(essentially) 지속적 가열 가스 흐름이 보장되는 방식으로 복수 개의 열 교환기 서브 유닛들이 가동된다. 따라서, 배치형(batch type) 재료 핸들링과는 분리되는 본질적으로 지속적 가스 핸들링을 제공할 수 있다.
각 시점에 있어서, 열 교환기 서브 유닛 중 하나가 비움/채움(emptying/filling) 단계에 있을 경우, 비움/채움 공정 동안에는 그 열 교환기 서브 유닛으로 냉각 가스는 흘러가지 않는다.
교환기에 채워지고 추출되는 입자 량은 동일하다. 한편, 다른 열 교환기 서브 유닛으로 들어가거나 나오는 재료는 없다; 즉, 냉각이 이루어지는 중에는 주변으로부터 전적으로 밀폐될 수 있다.
바람직하게는, 서브 유닛 중 하나에는 입자 주입구를 통해 가열된 슬랙 입자 및 가열된 고형 금속 입자들이 채워지는 반면, 냉각된 슬랙 입자 및 냉각된 고형 금속 입자들은 동일한 서브 유닛의 입자 배출구를 통해 동시에 배출된다.
열 교환기의 서브 유닛이 채워지면, 입자 주입구 및 입자 배출구는 밀폐되고, 해당 서브 유닛은 냉각 가스 스트림에 재연결되는 반면, 다른 열 교환기 서브 유닛이 연결 해제될 수 있다. 이들 열 교환기 서브 유닛을 통과하는 냉각 가스 흐름은 따라서 누수와 같은 일이 발생하지 않고, 결과적으로 시스템에서 먼지나 에너지가 누출되지 않는다. 열 교환기 서브 유닛은 따라서 슬랙의 채움 및 배출 시에만 감압해야 할 필요가 있다.
바람직한 실시예에 의하면, 가열된 슬랙 입자 및 가열된 고형 금속 입자들은 열 교환기 서브유닛 중 하나로 채워지기 전에 절연된 전처리-챔버로 우선 채워진다. 상기 전처리 챔버는 바람직하게는 내화성 라이닝 또는 재료 돌 박스로 절연되어 있다. 슬랙의 열 전도성이 낮아야 절연 특성이 좋다.
슬랙 입자 및 고형 금속 입자들은 또한 냉각 이후 및 열 교환기 서브유닛에서 배출된 이후에 전처리 챔버로 채워질 수도 있다. 즉, 입자의 순환 시간 및 어떤 양으로 입자를 채우는가를 결정함에 있어, 열 교환기 서브유닛 내부의 열 전달이 제어되고 준정적(quasi-stationary)으로 유지되도록 한다. 따라서 열 교환기 서브유닛의 채움/배출로 인해 야기되는 배출 가스 온도의 변동은 순환 시간의 선택에 따라 최소화할 수 있다.
또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 가열된 액상 슬랙이 슬랙 케이크 내에서 고형화되며, 이를 고형 금속 입자와 혼합함에 따라 약 650℃ 내지 750℃ 까지 냉각된다. 바람직하게는, 가열 액상 슬랙이 대략 동일한 용량(volume)의 고형 금속 입자를 포함하여, 그 결과의 혼합물에 바람직하게는 약 40% 내지 약 60% 에 해당하는 용량의 고형 금속 입자가 포함되도록 한다. 금속 입자에 요구되는 용량은 희망 목표 온도, 금속 입자의 밀도 및 열용량 등등에 따른다. 쇠구슬의 경우, 40% 내지 60%(총 용량의 부피 퍼센트)가 바람직하다.
바람직하게는, 열 교환기 서브유닛들은 서브유닛 내의 슬랙층의 저면에서 측정된 절대압력인 1.2 바아 내지 4 바아의 압력 하에서 가동된다.
슬랙 케이크는 입자로 파쇄되며, 그 입도(granulometry)는 약 40-120 mm 이고, 부피밀도는 약 2 - 5 g/cm3 으로, 바람직하게는 입도가 약 40-90 mm 이고 부피밀도는 약 2 - 5 g/cm3 이다.
본 발명에 대한 바람직한 실시예에 대해서 다음의 도면을 참조하여 설명한다:
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 흐름도이다.
도 2는 가열된 액상 재료의 건식 입상화를 위한 제1 바람직한 입상화/혼합을 도시하는 도면이다.
도 3은 가열된 액상 재료의 건식 입상화를 위한 제2 바람직한 입상화/혼합을 도시하는 도면이다.
도 1은 액상 재료의 건식 입상화의 바람직한 실시예에 대한 간략도를 도시한다.
가열된 액상 슬랙(10)의 온도는 약 1500℃이며, 밀도는 약 2.7 g/cm3에 달하며, 슬랙 러너(runner, 12) 또는 슬랙 래들(ladle, 미도시)로 이동되고, 약 0.5 내지 약 4 t/min의 유속으로 입상화기/혼합기(14)로 이동된다. 상기 입상화기/혼합기(14) 내에서, 가열된 액상 슬랙은 유속이 3배인 약 1 내지 약 12 t/min에 달하는 고형 금속 입자(16)와 혼합되며, 여기서 고형 금속 입자(16)의 입도는 2-50 mm, 부피밀도는 3n 내지 10 g/cm3, 온도는 실온에서 약 100℃에 이르며, 제1 저장소(18)에서 나와 약 4 g/cm3 의 밀도 및 약 800℃ 미만의 온도를 가지는 슬랙 케이크(20)를 형성한다.
도시된 바에 따르면, 특정 철구(steel balls)와 같이 고형, 금속 입자이면서 구입이 용이한 것이 적합하다. 놀랍게도, 소정 높이에서 상기 고형 금속 입자들을 낙하시키기만 해도 액상 슬랙 내로 침투하고 형성된 슬랙 케이크의 높이방향에 균일하게 분배될 만큼 충분한 운동 에너지가 부여된다.
가열 액상 슬랙 전반에 고형 금속 입자가 균일하게 분포되기 위해 필요한 운동 에너지량은 슬랙의 점도, 입자의 직경은 물론 성질 및 밀도에 따라 다르다.
액상 슬랙에 개별 입자를 함침(submerge)하면 열이동이 매우 효율적이며 슬랙의 냉각이 신속하게 이루어지면서 완전히 유리화(vitrify) 된다는 이점이 있다.
제1 입상화기/혼합기(14) 상부에 위치한 흡인기(aspiration device, 22)는 액상 슬랙 및 고형 금속 입자의 혼합 중에 발산되는 먼지 입자가 있을 경우 이를 회복(recuperate) 시킨다.
이와 같이 형성된 후, 슬랙 케이크(20)는 약 4 t/min의 유속으로 내열성 컨베이어 벨트(24)로 배출되고, 제1 브레이커(26)로 이동되며, 슬랙 케이크(20)는 이곳에서 파쇄되어 금속 입자가 혼합된 고형화 슬랙 조각들로 형성되며, 그 입도는 약 200 mm 미만이다.
슬랙 케이크(20)가 브레이커(26)로 이동되는 동안, 열 카메라(28)가 슬랙 케이크(20)의 온도를 측정하고, 필요한 경우 물 분사기(30)에 의해 슬랙 케이크(20) 상에 물이 분사되어 슬랙 케이크(20)의 온도를 약 800℃로 조절한다.
금속 입자를 혼합한 고형화 슬랙 조각들은 제1 브레이커(26)에서 이동되어 버킷 에이프론 컨베이어(32)로 이동되며, 제2 브레이커(34)로 이동되어 금속 입자 혼합의 고형화 슬랙 조각들의 입도가 40-80 mm로 축소된다. 이와 같이 약 700℃ 온도 및 약 40-90 mm의 입도, 및 약 2-5 g/cm3 의 부피밀도 조건으로 고형화 슬랙 조각 흐름은 지속적으로 이루어지며 전처리 챔버(36)에 수집된다. 상기 제2 브레이커(34)는 선택적이다. 입상화 방법 및/또는 슬랙 특성에 따라, 제1 브레이커(26)를 이용하여 입도를 약 90 mm 미만으로 줄일 수 있음, 이런 경우 제2 브레이커(34)는 사용할 필요가 없어진다. 금속 입자 혼합의 고형화 슬랙 조각들은 다음으로 전처리 챔버(36)에서 나와 도 1에 도시된 실시예에 의해 네 개의 열 교환기 서브유닛(A, B, C, D)를 포함하는 열 교환기(38)로 이동한다. 네 개의 열 교환기 서브유닛(A, B, C, D)은 역흐름 모드로 가동되므로, 즉, 상단에서 주입된 가열 재료가 냉각된 후 저부를 통해 회수되는 반면, 보통 공기로 사용되는 냉각 가스는 저부를 통해 주입되고 가열된 이후 상부를 통해 회수된다. 열 교환기의 경로를 거치는 동안, 공기는 가열되고 열 교환기 내부에 포함된 슬랙 및 고형 금속 입자들은 후처리 챔버(40) 내에서 약 100℃로 냉각된다. 슬랙 입자들은 그 다음으로 고형 금속 입자에서 분리된다. 고형 금속 입자 및 고형화 슬랙의 분리 방법은, 파쇄(crushing) 및 분급(sieving) 또는 분쇄(milling) 및 분급, 분쇄 및 자기장의 이용 등을 포함할 수 있다. 실험 결과 고형화 슬랙은 취성을 가지며, 고형화 슬랙은 철구(steel spheres)에 붙지 않음을 알 수 있었다.
냉각된 슬랙은 이후 사용을 위해 보관되는 반면, 냉각된 고형 금속 입자들은 파이프 컨베이어(42)를 통해 제1 저장소로 이동된 후 입상화기(14)로 이동되어 가열 액상 슬랙과 혼합된다.
도 1에 도시된 바와 같은 실시예에 따르면, 네 개의 서브유닛(A, B, C, D)을 포함하는 열 교환기가 사용된다.
고형화 슬랙 조각 및 고형 금속 입자들이 전처리 챔버(36)로부터 상부에 재료 입구(46) 및 하부에 밀폐 플랩(48)을 구비하는 각기 다른 네 개의 열 교환기 서브유닛(A, B, C, D)으로 분배된다.
이들 열 교환기 서브유닛 중 어느 하나는 비움/채움 단계에 있는 반면(참조. 도 1. 열 교환기 서브유닛 D), 나머지 세 개의 서브유닛들은 냉각 모드에 있다(참조. 도1. A-B-C 작동).
열 교환기 서브유닛(D)이 채워지면, 상부의 재료 입구(46) 및 하부의 밀폐 플랩(48)이 밀폐되고, 열 교환기 서브유닛(D)을 통과하는 냉각가스 스트림이 활성화된다. 그런 다음, 다음의 열 교환기 서브유닛이 가스 회로에서 연결해제되고, 냉각된 슬랙 입자 및 고형 금속 입자들이 배출되어(evacuated) 새로운 가열 슬랙 입자 및 고형 금속 입자들이 해당 서브유닛 내부로 이동된다.
상기 열 교환기 서브유닛 작동 순서에 따르면, 열교환 단계에서의 대기와의 밀폐가 완전히 이루어지기 때문에 가스의 손실이나 환경에 먼지를 배출하지 않는다. 이와 같은 가동으로 인해 열이동 및 환경에 부정적 영향을 미치지 않기 위해, 각각의 열 교환기 서브유닛의 감압 및 가스 흐름으로부터의 분리는 슬랙 입자의 충진 및 배출 동안에만 이루어진다.
열 교환기의 관점에서 볼 때, 가스 스트림의 온도 변동이 극히 낮은 준정적(quasi-stationary) 동작으로 간주 될 수 있을 정도로 순환 시간 및 일 회 순환 동안에 이루어지는 입자배출량을 선택한다. 여기서 '순환 시간'이라는 표현은 각각의 열 교환기 서브유닛이 지속적 가스 흐름에 연결되거나 연결 해제되는 동안의 시간 프레임을 표현하기 위한 것이다. 냉각이 이루어지는 동안, 교환기 내부의 입자에는 배출구에서는 냉하고 주입구에서는 뜨거운 사이에서 온도 변화도가 있다. 따라서 일 회 순환 동안에 이루어지는 입자 충진 및 배출량은, 충진/배출 이전 및 이후 사이에서 온도 차가 예를 들면 50℃를 초과하지 않도록 한정되어야 한다.
열 교환기 서브유닛들(A, B, C, D)은 특히 가압 환경에서의 가동에 적합하도록 구성되어서, 가스 스트림 압력 손실이 상당량 감소하고, 이에 따라 가스가 열 교환기 및 스팀 생성기로 순환하기에 필요한 송풍/가압력을 부여한다. 이와 같은 구성에 따라, 압력 제어기의 역할 또한 담당하는 부스터 송풍기/콤프레셔(미도시)는 하나의 서브유닛의 감압 도중에 일어나는 가스 손실만 보상하면 된다. 교환기 내부 압력을 1 바아에서 3 바아(절대값)으로 증가시키면, 필요한 송풍기/콤프레셔 힘은 약 1/3으로 떨어진다고 추정된다.
팬(50)에 의해 생성된 가스 스트림이 가스 덕트(54)를 통해 냉각 모드에 있는 세 개의 열 교환기 서브유닛으로 도입된다. 열교환이 일어나고 난 후, 가열된 가스 스트림들은 가열가스 덕트(56)를 통해 이동된다. 가열 가스의 온도가 약 700℃가 되기 전에 사이클론(58) 내에서 먼지가 필터링되고, 스트림 생성(60)을 위해 열 교환기로 이동된다. 이와 같이 생성된 스팀은 터빈(미도시) 및 생성기(미도시)로 이동되어 전력을 발생시키게 된다. 냉각 가스는 그 다음으로 밀폐 루프 시스템 하에서, 파이프(62)를 통해 팬(52)으로 복귀된다.
온도가 약 700℃ 수준이 될 때, 동력 생성의 열역학적 순환 공정의 효율이 가장 높다. 또한, 상기 온도 수준에서 가장 좋은 유연성(flexibility) 및 직접적 열 회복 효율이 얻어진다.
입자-가스 열 교환기(38)가 지속적으로 가동되기 때문에, 효율적 전력 생성이 가능하다. 본 실시예에 따르면, 재료 및 가스 스트림 둘 다 지속적으로 열 교환기로 도입되며 배출된다. 그러나, 재료 및 가스의 핸들링은 분리된다: 충진 및 배출 시에 가스 흐름에서 해당 열 교환기 서브유닛이 연결 해제되면 가스 누출은 더 이상 문제가 되지 않는다. 따라서, 가스가 흐르는 동안에는 열 교환기 내부에 어떠한 재료의 이동도 일어나지 않으므로, 열 교환기 서브유닛의 밀폐는 밀폐 플랩으로 용이하게 이루어질 수 있다.
이와 같은 개념에 의해 다수의 혜택이 얻어진다.
가스 및 재료 흐름이 분리되기 때문에, 열 교환기의 밀폐가 단순화되고, 환경 중으로 먼지 발산이 제거, 최소화된다. 냉각 작업 도중 열 교환기 서브유닛들을 밀폐함으로 인해 가스 누출의 위험이 제거되고, 따라서 누출되는 가스가 섞인 슬랙 입자에 의해 나타나는 "샌드 블라스팅" 효과도 나타나지 않게 된다. 결과적으로, 마모가 낮고 전반적 가동 안정도 및 유용성(availability)은 증가한다.
열 교환기 서브유닛의 냉각 및 충진/배출을 분리함에 따라, 가압 가스 회로 하에서 냉각 단계가 수행될 수 있으며, 이에 따라 재료층에 걸친 압력 및 팬의 에너지 소모가 감소된다.
입자의 총 질량이 하나가 아닌 여러 개의 열 교환기 서브유닛에 걸쳐 분배되기 때문에, 각각의 개별적 서브유닛의 단면이 작아진다. 열 교환기 서브유닛의 직경이 감소되기 때문에 전체 단면에 걸처 가스 흐름에 대한 역류(counter current)의 분배가 더 용이해진다. 또한, 위에 제시된 바와 같이, 누출 가스량이 상당량 감소할 수 있다. 이와 같은 효과가 합쳐짐에 따라, 팬에 요구되는 전력이 낮아지기 때문에 전반적인 효율이 개선된다. 열기의 손실이 감소되기 때문에 슬랙 입상화 공정의 전반적 역효율이 증가한다.
본 개념에 따르면, 지속적으로 부품들을 회전시킬 필요가 없고, 사실상 열 교환기 배출을 위해 요구되던 로터리 밸브가 필요 없게 되고, 다만 핀치/슬라이더/가압 밸브만이 필요 된다. 결과적으로, 마모가 줄어든다.
본 개념에 따르면, 열 교환기 서브유닛 중 어느 하나에 이상이 발생하고, 전반적 슬랙 유속이 감소하는 경우에도, 지속적인 가동이 가능해진다. 따라서 이들 열 교환기 서브유닛 중 하나의 보수가 용이 해진다. 또한, 교환기 서브유닛 중 어느 하나의 예상치 못한 고장이 일어난다 해도 전체 공정을 폐쇄할 필요는 생기지 않는다.
도 2는 도 1에 대략 도시된 입상화기/혼합기(14)의 제1 바람직한 실시예를 도시한 도면이다. 슬랙 러너(12)에서 받은 가열 액상 슬랙(64)이 우선 트라프(trough) 벨브 컨베이어(68)의 트라프(66) 내부로 부어진 후, 고체 금속 입자(70)들이 가열 액상 슬랙(64)을 포함한 트라프(66) 내부로 부어진다. 가열 액상 슬랙(64) 및 고형 금속 입자(70)들은 혼합되어 고형화된 유리화(vitrified) 슬랙 케이크(72)를 형성한다. 트라프 벨트 컨베이어(72)의 트라프(66) 각각에는 우선 액상 슬랙이 채워지며, 그 다음으로 제1 저장소(18) 하부로 진행하여 각각의 트라프(66)로 낙하되는 고형 금속 입자들이 채워진다. 고형화 이후, 트라프(66)들은 도 1에 도시된 바와 같은 버킷 에이프런 컨베이어(32) 상으로 배워진다.
각각의 트라프(66)에는 우선 높이의 약 3분의 1정도는 액상 슬랙(64)이 채워지고, 그 다음으로 트라프(66)로 도입되는 고형 금속 입자(70)들이 채워진다.
직경 10 mm의 고형 금속 입자(70)들은 약 2 m 높이에서 낙하함으로써, 슬랙(64) 및 고형 금속 입자(70)의 신속하고도 효율적 혼합을 얻어낼 수 있다.
도 3은 도 1에 대략 도시된 입상화기/혼합기(14)의 제2 바람직한 실시예를 도시한 도면이다. 슬랙 러너(12)에서 나온 가열 액상 슬랙(10)이 우선 트라프(66') 내부로 부어진다. 도 1의 트라프들은 컨베이어 벨트(24) 상에 고정된 반면, 도 2의 실시예에 따르면, 트라프들은 회전 드럼(74) 상에 고정되어 있다. 제 1 위치에서, 트라프(66')는 슬랙 러너(12) 하부로 이동되며, 그 높이의 약 3분의 1정도가 액상 슬랙(10)으로 채워진 후, 화살(76) 표시 방향으로 회전하여 제1 저장소(18) 하부에 위치한 제2 위치로 이동해 고형 금속 입자가 채워진다. 가열 액상 슬랙을 포함한 트라프(66') 내부로 고형 금속 입자(70)가 부어진다. 고형 금속 입자(70)의 낙하에 따른 운동 에너지의 작용을 통해 가열 액상 슬랙 및 고형 금속 입자(70)들이 혼합되어, 고형화된 유리화 슬랙 케이크(72)가 형성된다. 그런 다음 트라프(66')은 제3 위치로 회전되어, 여기서 중력의 작용에 의해 도 1에 도시된 바와 같이 버킷 에이프런 컨베이어(32) 상으로 비워진다.
회전드럼(74)의 각각의 트라프(66')는 우선 액상 슬랙으로 채워진 후 제1 저장소(18) 하부로 이동하여 고형 금속 입자들이 채워지며, 이들은 각각의 트라프(66') 내로 낙하한 후, 제3 위치로 진행하며, 여기서 고형화된 유리화 슬랙 케이크(72)가 트라프(66') 밖으로 낙하하게 된다. 그런 다음 트라프(66')는 추가 회전하여 제1 위치로 복귀한다.
도 3의 실시예의 장점 중 하나는 인접한 트라프 사이에 상대적 동작이 일어나지 않는다는 것이다. 트라프 내에 가능한 냉각 시간은 드럼 직경에 따라 달라지나, 고형 금속 입자가 추가되기 때문에 짧아지고 따라서 트라프 내의 고형화가 신속하게 이루어질 수 있게 된다.
참조부호
10: 가열 액상 슬랙
12: 슬랙 러너
14: 입상화기/혼합기
16: 입상화 슬랙
18: 제1 저장소
20: 슬랙 케이크
22: 흡인기
24: 컨베이어 벨트
26: 제1 브레이커
28: 열카메라
30: 물 분사기
32: 버킷 에이프런 컨베이어
34: 제2 브레이커
36: 전처리 챔버
38: 열 교환기
A, B, C, D: 열 교환기 서브유닛
40: 후처리 챔버
42: 파이프 컨베이어
44: 제3 브레이커
46: 재료 입구
48: 밀폐 플랩
50: 팬
54: 가스 덕트
56: 가열 가스 덕트
58: 사이클론
60: 스팀 생성용 열 교환기
62: 파이프
64: 가열 액상 슬랙
66, 66': 트라프
68: 트라프 벨트 컨베이어
70: 고형 금속 입자
72: 슬랙 케이크
74: 회전 드럼
76: 회전 방향

Claims (15)

  1. 가열 액상 슬랙이 고형 금속 입자와 혼합됨으로써 상기 금속 입자와 혼합된 고형화된 유리화(vitrified) 슬랙 케이크를 형성하고, 상기 슬랙 케이크는 파쇄되어 가열 슬랙 입자 및 가열 고형 입자를 형성하고, 상기 입자들은 냉각되고, 상기 고형 금속 입자들은 리사이클되되,
    상기 가열 액상 슬랙은 우선 트라프(trough) 내부로 부어지며, 그 다음으로 고형 금속 입자들이 가열 액상 슬랙을 포함하는 트라프 내부로 부어져, 고형 금속 입자들과 혼합됨으로써 고형화된 유리화 슬랙 케이크를 형성하고,
    상기 고형 금속 입자의 밀도는 적어도 2.5- g/cm3 인 것을 특징으로 하는 가열 액상 슬랙의 건식 입상화 공정.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 가열 액상 슬랙 및 고형 금속 입자가 부어지는 트라프는 트라프 벨트 컨베이어와 또는 회전 드럼상에 일체화되는 것을 특징으로 하는 가열 액상 슬랙의 건식 입상화 공정.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고형 금속 입자들은 구형(spherical) 인 것을 특징으로 하는 가열 액상 슬랙의 건식 입상화 공정.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고형 금속 입자의 직경은 적어도 2 mm 인 것을 특징으로 하는 가열 액상 슬랙의 건식 입상화 공정.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고형 금속 입자의 직경 80 mm 미만인 것을 특징으로 하는 가열 액상 슬랙의 건식 입상화 공정.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 고형 금속 입자는 철(iron), 강철(steel), 구리, 크롬, 알루미늄, 상기 금속들의 합금, 및 상기 금속 이외의 금속을 포함하는 상기 금속들의 합금을 포함하는 군에서 선택된 금속으로 제조된 것을 특징으로 하는 가열 액상 슬랙의 건식 입상화 공정.
  9. 제1항에 있어서,
    가열 슬랙 입자 및 가열 고형 금속 입자들은 열 교환기 내부로 채워지며, 냉각 가스의 역류에 의해 냉각되고, 열 교환기에서 배출되되, 상기 열 교환기는 복수 개의 서브유닛으로 분리되며, 상기 서브유닛 각각은 입자 주입구, 입자 배출구, 냉각가스 주입구 및 냉각가스 배출구를 포함하고, 서브유닛 중 적어도 하나에는 입자 주입구를 통해 가열 입자들이 채워지며, 냉각 입자들은 상기 입자 배출구를 통해 상기 적어도 하나의 서브유닛에서 배출되고, 상기 냉각가스 주입구 및 상기 냉각가스 배출구는 입자의 충진 및 배출 시에는 밀폐되며, 입자의 충진 및 배출과 동시에, 다른 서브유닛 중 적어도 하나는 냉각가스 주입구를 통해 냉각가스 흐름을 주입하며 상기 냉각가스 배출구를 통해 가열된 냉각가스 흐름은 회수함에 의해 냉각되고, 상기 입자 주입구 및 상기 입자 배출구는 입자의 냉각 중에는 밀폐되며, 가열된 냉각가스가 에너지 회수에 사용되는 것을 특징으로 하는 가열 액상 슬랙의 건식 입상화 공정.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 슬랙 입자 및 고형 금속 입자들은 열 교환기 서브유닛 내부로 채워지기 전에 전처리 챔버(pre-chamber)로 채워지는 것을 특징으로 하는 가열 액상 슬랙의 건식 입상화 공정.
  11. 제 9항에 있어서,
    슬랙 입자 및 고형 금속 입자들은 열 교환기 서브유닛에서 배출되고 난 후에 후처리 챔버(post-chamber) 내로 채워지는 것을 특징으로 하는 가열 액상 슬랙의 건식 입상화 공정.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 서브유닛 중 적어도 하나에는 가열 슬랙 입자 및 가열된 고형 금속 입자들이 주입구를 통해 채워지는 동시에 냉각된 슬랙 및 금속 입자들은 배출되는 것을 특징으로 하는 가열 액상 슬랙의 건식 입상화 공정.
  13. 제 9항에 있어서,
    상기 열 교환기 서브유닛들은 1.2 바아 내지 4 바아 압력 하에서 가동되는 것을 특징으로 하는 가열 액상 슬랙의 건식 입상화 공정.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 가열 슬랙 입자의 온도는 적어도 450℃인 것을 특징으로 하는 가열 액상 슬랙의 건식 입상화 공정.
  15. 제1항, 제3항, 및 제5항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가열 액상 슬랙은 슬랙 케이크 내에 고형화되고 고형 금속 입자와의 혼합에 의해 650℃-750℃까지 냉각되는 것을 특징으로 하는 가열 액상 슬랙의 건식 입상화 공정.
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