KR101858161B1 - 시멘트 소성 장치 및 시멘트 소성 방법 - Google Patents

시멘트 소성 장치 및 시멘트 소성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 시멘트 소성 장치 및 시멘트 소성 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 시멘트 소성 장치(100)는, 원료 공급부로부터 공급된 시멘트 원료(10)를 예열하는 예열부(110), 예열부(110)와 일단부(131)가 연결되고, 예열된 시멘트 원료(10)를 전달받아 클링커(Clinker; 10')로 소성하는 소성로(130) 및 소성로(130)의 타단부(135)와 연결되고, 클링커(10')를 반출하여 냉각하는 반출부(150)를 포함하며, 소성로(130)의 타단부(135)에 열 플라즈마부(170)가 설치되며, 열 플라즈마부(170)에서 생성되는 플라즈마(P)로 연소 물질을 연소함에 따라 시멘트 원료(10)의 소성을 위한 열을 제공하는 것을 특징으로 한다.

Description

시멘트 소성 장치 및 시멘트 소성 방법 {DEVICE AND METHOD FOR BURNING CEMENT}
본 발명은 시멘트 소성 장치 및 시멘트 소성 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 시멘트 원료의 소성을 위한 열을 플라즈마 형태로 제공하여 석탄의 연소효율을 높이고, 석탄 사용량 및 온실가스를 저감할 수 있는 시멘트 소성 장치 및 시멘트 소성 방법에 관한 것이다.
시멘트의 제조 과정은 채광, 분쇄, 예열, 소성, 냉각 공정 등을 거친다. 채광 공정은 시멘트의 원료인 석회석을 캐내는 공정이고, 석회석에는 CaCO3, SiO2, Al2O3 등이 포함될 수 있다. 분쇄 공정은 캐낸 석회석을 부수고, 기타 원료들과 함께 분말에 가깝도록 부수는 공정이다. 예열 공정은 예열부를 거치며 약 550~600℃의 온도까지 단계적으로 온도를 상승시키는 공정으로, 하소(Calcination)를 통해 휘발성분들을 제거할 수 있다. 소성(Burning) 공정은 분말 상태의 시멘트 원료를 고온 가열하여 성분의 일부를 융해하여 클링커(Clinker)로 만드는 공정이다. 소성 공정은 로터리 킬른(Rotary Kiln) 내에서 수행될 수 있고, 일반 시멘트는 약 1,400℃ 정도에서 소성이 수행될 수 있다. 이후 냉각 공정에서 클링커를 냉각시키고 석고, 활성제 등을 첨가하여 미분쇄하면 포틀랜드 시멘트가 제조될 수 있다.
일반적으로 소성 공정은 석회석과 석고등의 원료를 소성하기 위해 킬른 내부의 온도를 약 1400℃ 정도를 유지하여 주는데, 이때 킬른 내의 온도 달성을 위해 석탄과 함께 대량의 LPG를 사용하게 된다(화입공정: Heating Up). 이후, 석탄이 킬른 내에서 자연발화 하면서 킬른 내부의 온도를 유지시킬 수 있다. 이 과정에서, LPG 사용에 의한 온실가스가 대량으로 발생되 문제가 발생한다. 또한, 공급되는 석탄이 킬른 내에서 모두 연소에 사용되지 못하기 때문에, 공급되는 석탄의 양이 증가하는 문제점이 발생한다. 에너지 다소비 산업인 시멘트 산업에서, 온실가스, 화석 연료 사용, 에너지 소비의 감축은 국제사회의 당면과제로서 중요하게 고려되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 연소 효율을 증가시킴에 따라 연료 사용량을 줄이고, 온실가스의 발생을 저감할 수 있는 시멘트 소성 장치 및 시멘트 소성 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 연료 사용량을 감축하여 공정 비용을 절감하고 공정 생산성을 향상시킬 수 있는 시멘트 소성 장치 및 시멘트 소성 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 상기의 목적은, 원료 공급부로부터 공급된 시멘트 원료를 예열하는 예열부; 상기 예열부와 일단부가 연결되고, 상기 예열된 시멘트 원료를 전달받아 클링커(Clinker)로 소성하는 소성로; 및 상기 소성로의 타단부와 연결되고, 상기 클링커를 반출하여 냉각하는 반출부를 포함하며, 상기 소성로의 타단부에 열 플라즈마부가 설치되며, 상기 열 플라즈마부에서 생성되는 플라즈마로 연소 물질을 연소함에 따라 상기 시멘트 원료의 소성을 위한 열을 제공하는, 시멘트 소성 장치에 의해 달성된다.
상기 연소 물질은 석탄이며, 연소 물질 공급부가 상기 열 플라즈마부 외주면 바깥에 배치되어 상기 소성로의 타단부 내에 석탄을 공급할 수 있다.
상기 연소 물질 공급부는 상기 열 플라즈마부와 동축을 가지며, 상기 열 플마즈마의 외주면을 둘러싸도록 배치될 수 있다.
상기 열 플라즈마부와 동축을 가지며, 상기 열 플마즈마의 외주면을 둘러싸도록 배치되는 에어 공급부가 더 배치될 수 있다.
상기 열 플라즈마부는 적어도 하나의 플라즈마 토치를 포함할 수 있다.
상기 시멘트 원료의 소성 온도는 적어도 1,400℃보다 높을 수 있다.
상기 플라즈마의 온도는 3,000℃ 내지 6,000℃일 수 있다.
LPG로 상기 석탄을 연소하는 경우보다, 상기 플라즈마로 상기 석탄을 연소하는 경우 더 큰 단위 발열량을 가질 수 있다.
LPG로 상기 석탄을 연소하는 경우보다, 상기 플라즈마로 상기 석탄을 연소할 때, 상기 소성로의 타단부에 더 가까운 위치에서 연소가 수행될 수 있다.
그리고, 본 발명의 상기의 목적은, 소성로에서 시멘트 원료를 소성하는 방법으로서, 열 플라즈마로 연소 물질을 연소함에 따라 상기 시멘트 원료의 소성을 위한 열을 제공하는, 시멘트 소성 방법에 의해 달성된다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따르면, 연소 효율을 증가시킴에 따라 연료 사용량을 줄이고, 온실가스의 발생을 저감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 연료 사용량을 감축하여 공정 비용을 절감하고 공정 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시멘트 소성 장치를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열 플라즈마부를 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열 플라즈마 연소와 LPG 연소의 비교 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열 플라즈마 연소 효율과 LPG 연소 효율을 나타내는 그래프이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시멘트 소성 장치(100)를 나타내는 개략도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 시멘트 소성 장치(100)는 예열부(110), 소성로(130) 및 반출부(150)를 포함할 수 있다.
예열부(110)는 외부의 원료공급부(미도시)로부터 공급된 시멘트 원료(10)를 예열할 수 있다. 예열부(110)에 구비된 예비 하소로(Precalciner; 111)에서 시멘트 원료(10)의 휘발 성분들이 제거될 수 있다. 예열부(110)를 거치며 약 550~600℃의 온도까지 단계적으로 공정 온도를 상승시킬 수 있다.
예열부(110)의 말단에는 소성로(130)가 연결될 수 있다. 소성로(130)의 일단부(131)에서 예열된 시멘트 원료(10)를 전달받아 타단부(135)로 이송하는 가운데 소성 공정이 수행될 수 있다. 일반 시멘트는 약 1,400℃ 정도에서 소성이 수행될 수 있다. 본 발명에서는 일반 시멘트를 소성하는 것을 상정하여 설명하지만, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 시멘트 소성 장치(100)는 특수 시멘트에도 적용할 수 있음을 밝혀둔다.
시멘트 원료(10)는 타단부(135) 부근에 생성되는 화염으로부터 열을 제공받아 클링커(Clinker; 10')로 소성될 수 있다. 소성로(130)는 로터리 킬른(Rotary Kiln)으로, 길이가 약 20m, 직경이 약 4m인 원통 형상을 가질 수 있다. 클링커의 주성분은 3CaO·SiO2, 3CaO·Al2O3,　2CaO·SiO2, 4CaO·Al2O3·Fe2O3 등이다. 소성로(130)를 통과하며 소성된 클링커(10')는 소성로(130)의 타단부(135)에 연결된 반출부(150)로 반출될 수 있다.
반출부(150)는 반출된 클링커(10')를 약 150℃ 이하로 냉각시키며 반출할 수 있다. 이후 공정에서, 냉각된 클링커(10')에 석고, 활성제 등을 첨가하여 미분쇄하면 포틀랜드 시멘트가 제조될 수 있다.
특히, 본 발명은 열 플라즈마(Thermal Plasma; P)를 이용하여, 소성에 필요한 열을 발생시킬 수 있는 연소 물질을 연소하는 것을 특징으로 한다. 연소 물질은 석탄을 사용할 수 있고, 플라즈마로 석탄을 연소하여 시멘트 원료의 소성을 위한 열을 제공할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열 플라즈마부를 나타내는 개략도이다. 도 2의 (a)는 열 플라즈마부(170)가 포함된 버너의 평단면도를 나타내며, 도 2의 (b)는 열 플라즈마부(170a-170c)들의 배치 형태를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 연소 물질을 연소하는 버너로서 열 플라즈마부(170)를 사용할 수 있다. 열 플라즈마부(170)는 플라즈마 토치로서, 생성되는 플라즈마(P)의 온도는 약 3,000℃ 내지 6,000℃일 수 있다. 플라즈마 토치는 1개를 사용할 수도 있으나, 플라즈마의 제어를 용이하게 수행할 수 있도록 복수개의 플라즈마 토치를 사용할 수도 있다. 도 2에는 3개의 플라즈마 토치(170a-170c)를 사용하여 열 플라즈마부(170)를 구성한 형태가 도시되어 있다.
버너에는 열 플라즈마부(170) 외에 연소 물질 공급부(180) 및 에어 공급부(190)가 더 설치될 수 있다.
연소 물질 공급부(180)는 열 플라즈마부(170)의 외주면 바깥에 배치되어 소성로(130)의 타단부(135) 영역에 석탄을 공급할 수 있다. 바람직하게는, 연소 물질 공급부(180)는 열 플라즈마부(170)와 동축을 가지며, 열 플라즈마부(170)의 외주면을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 표면적을 최대화하여 연소 효율을 높일 수 있도록, 석탄은 미분탄 형태로 공급되는 것이 바람직하다.
에어 공급부(190)는 열 플라즈마부(170)와 동축을 가지며, 열 플라즈마부(170)의 외주면을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 에어 공급부(190)는 열 플라즈마부(170)의 외주면을 둘러싸도록 단층의 원기둥 형태로 배치될 수 있으며, 열 플라즈마부(170) 및 연소 물질 공급부(180)의 외주면을 각각 둘러싸도록 복층의 원기둥 형태로 배치될 수도 있다. 도 2의 (a)에는 열 플라즈마부(170)의 외주면을 복층의 에어 공급부(190)가 둘러싸고, 에어 공급부(190)의 층과 층 사이에 연소 물질 공급부(180)가 개재된 형태가 개시되어 있다.
에어 공급부(190)는 에어를 소성로(130)의 타단부(135)에서 일단부(131)를 향해 공급하여 에어의 흐름을 만들고, 열 플라즈마(P) 발생에 필요한 공정 가스를 공급할 수 있다. 또한, 에어 공급부(190)는 연소에 필요한 가스를 공급하여 석탄의 연소를 돕는 역할을 하며, 타단부(135)에서 일단부(131) 방향으로 열의 흐름을 만들 수 있다. 또한, 에어 공급부(190)는 연소 물질 공급부(180)에서 공급되는 미분탄을 소성로(130)로 이동하는 캐리어 가스를 공급할 수 있다. 에어, 공정 가스 등은 소성로(130) 및 예열부(110)를 거쳐 배출구(20)를 통해 배출될 수 있다.
시멘트 원료(10)는 소성로(130)의 일단부(131)에서 타단부(135)로 이동하고, 연소 물질 공급부(180)를 통해 공급되는 미분탄은 열 플라즈마의 초고온에 의해 연소되어, 시멘트 원료(10)의 소성을 위한 열을 제공할 수 있다.
일반적으로 시멘트 원료를 소성할 때, 석탄을 주 연료로 사용하고, 석탄을 연소시키는 보조 연료로 LPG를 사용할 수 있다. LPG는 약 1,200℃의 온도로 석탄을 연소시킬 수 있다. 반면에, 본 발명은 석탄을 연소시키는 보조 연료로서 열 플라즈마를 사용하고, 약 3,000℃ 내지 6,000℃의 초고온으로 석탄을 연소시키기 때문에 연소 효율을 대폭 상승시킬 수 있는 이점이 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열 플라즈마 연소와 LPG 연소의 비교 사진이다.
도 3의 (a)는 약 3,000℃의 플라즈마 초기 불꽃, 도 3의 (b)는 약 1,300℃의 LPG 초기 불꽃을 나타낸다. 도 3의 (c)는 플라즈마를 사용하여 석탄을 연소시켰을 때의 불꽃, 도 3의 (d)는 LPG를 사용하여 석탄을 연소시켰을 때의 불꽃을 나타낸다. 동일한 에너지를 투여했을 때, 플라즈마를 사용한 불꽃이 더 연소가 잘 되고 있음을 육안으로 확인할 수 있다.
도 3의 (e)는 플라즈마를 사용하여 석탄을 연소시켰을 때의 미연소 석탄과 애쉬(Ash), 도 3의 (f)는 LPG를 사용하여 석탄을 연소시켰을 때의 미연소 석탄과 애쉬를 나타낸다. 일 실시예에 따라, 30kW 기준으로 플라즈마를 사용하여 1,758g/hr의 투입량으로 석탄을 투입한 결과, 잔류량은 372g/hr으로 연소율은 약 78.8%가 나타났다. 이와 대비되는 실험으로, 30kW 기준으로 LPG를 사용하여 1,344g/hr의 투입량으로 석탄을 투입한 결과, 잔류량은 567g/hr으로 연소율은 약 57.8%가 나타났다. 플라즈마를 사용하여 석탄을 연소시켰을 경우가 미연소 석탄의 양이 적고, 석탄이 연소되고 난 후의 애쉬 양이 많음을 확인할 수 있다. 따라서, 플라즈마를 사용한 경우 석탄의 연소 효율이 상승됨을 살펴볼 수 있다. 그리고, 제대로 연소되지 않고 남은 미연소 석탄의 경우는 재활용되기 어렵고 버려지게 마련인데, 플라즈마를 사용한 경우에 미연소 석탄의 남은 양이 적으므로, 연료 사용량을 감축하고 공정 비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열 플라즈마 연소 효율과 LPG 연소 효율을 나타내는 그래프이다.
소성로(130)를 타단부(135)에서부터 일단부(131) 방향을 따라 A-D 구역으로 4등분하고, 플라즈마의 파워에 따른 위치별 열량 분포를 측정하였다. 도 4를 참조하면, 플라즈마의 경우는 소성로(130)의 타단부(135)에 최근접한 A 구역에서 연소 열량이 높은 것을 확인할 수 있다. 그리고, LPG의 경우는 소성로(130)의 A 구역에서의 연소 열량이 상대적으로 낮고, B, C 구역으로 갈수록 연소 열량이 높아지는 것을 확인할 수 있다. 이는, 버너가 배치되고 석탄이 투입되는 소성로(130)의 타단부(135)에 더 가까운 위치인, A 구역에서 초고온의 플라즈마에 의해 석탄의 순간 연소가 잘 이루어지며, 국부적으로 연소 효율이 높게 나타나는 것을 의미한다.
아래는 일반 시멘트 소성 공정에서 플라즈마를 적용한 경우, 온실가스 저감 및 연료 절감 이익을 분석한 표이다.
LPG를 사용한 기존공정 소요비용
구분 항목 LPG 석탄
에너지 사용 비용 사용량 10 ton/년 150,000 ton/년
단가 830,000 \/ton 100,000 \/ton
비용(백만원) 8.3 \/년 15,000 \/년
온실 가스 배출 배출량 29 TCO2 360,000 TCO2
매매가 18,000 \/TCO2 18,000 \/TCO2
비용(백만원) 0.5 6,480 \/년
합계(백만원) 21,489 \/년
플라즈마를 사용한 본 발명의 공정 소요비용
(기존공정보다 LPG 100%, 석탄 3% 절감시)
구분 항목 열 플라즈마 석탄
에너지 사용 비용 사용량 720 MW/년 145,500 ton/년
단가 100 \/kWh 100,000 \/ton
비용(백만원) 72 \/년 14,550 \/년
온실 가스 배출 배출량 321 TCO2 349,200 TCO2
매매가 18,000 \/TCO2 18,000 \/TCO2
비용(백만원) 5.7 6,286 \/년
합계(백만원) 20,914 \/년
표 1 및 표 2를 비교하면, 본 발명의 경우 기존공정보다 약 5억 7,500만원/년 의 공정 소요비용 절감 효과가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 본 발명은 기존공정보다 LPG 100% 절감, 석탄 3% 절감으로 계산하였지만, 도 3의 (e) 및 (f)의 결과를 참조하면 석탄은 3% 이상 절감될 수 있으며, 이 경우 공정 소요비용 절감 효과는 더욱 상승할 수 있다.
위와 같이, 본 발명은 저출력, 초고온 열 플라즈마를 이용하여 연소 효율을 증가시키며, 이에 따른 연료 사용량 감축, 에너지 절감, 온실가스 저감이 가능한 효과가 있다. 그리고, 본 발명은 기존에 사용중인 시멘트 소성로에 버너 부분을 교체하여 쉽게 장착할 수 있으므로, 기존 설비의 큰 변경없이 사용할 수 있는 이점이 있다. 그리고, 보조연료로 LPG 대신 플라즈마 생성을 위한 전기만을 사용하기 때문에 친환경의 연소 시스템을 제공할 수 있는 효과가 있으며, 전기를 사용하기 때문에 연소 불꽃의 제어가 용이한 효과가 있다.
본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.
10: 시멘트 원료
10': 클링커
100: 시멘트 소성 장치
110: 예열부
130: 소성로
150: 반출부
170: 열 플라즈마부
180: 연소 물질 공급부
190: 에어 공급부

Claims (10)

  1. 원료 공급부로부터 공급된 시멘트 원료를 예열하는 예열부;
    상기 예열부와 일단부가 연결되고, 상기 예열된 시멘트 원료를 전달받아 클링커(Clinker)로 소성하는 소성로; 및
    상기 소성로의 타단부와 연결되고, 상기 클링커를 반출하여 냉각하는 반출부
    를 포함하며,
    상기 소성로의 타단부에 열 플라즈마부가 설치되며, 상기 열 플라즈마부에서 생성되는 플라즈마로 연소 물질인 석탄을 연소함에 따라 상기 시멘트 원료의 소성을 위한 열을 제공하고,
    LPG로 상기 석탄을 연소하는 경우보다, 상기 플라즈마로 상기 석탄을 연소할 때, 상기 소성로의 타단부에 더 가까운 위치에서 연소가 수행되는, 시멘트 소성 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    연소 물질 공급부가 상기 열 플라즈마부 외주면 바깥에 배치되어 상기 소성로의 타단부 내에 석탄을 공급하는, 시멘트 소성 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연소 물질 공급부는 상기 열 플라즈마부와 동축을 가지며, 상기 열 플마즈마부의 외주면을 둘러싸도록 배치되는, 시멘트 소성 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 열 플라즈마부와 동축을 가지며, 상기 열 플마즈마부의 외주면을 둘러싸도록 배치되는 에어 공급부가 더 배치되는, 시멘트 소성 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 열 플라즈마부는 적어도 하나의 플라즈마 토치를 포함하는, 시멘트 소성 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 시멘트 원료의 소성 온도는 적어도 1,400℃보다 높은, 시멘트 소성 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마의 온도는 3,000℃ 내지 6,000℃인, 시멘트 소성 장치.
  8. 제2항에 있어서,
    LPG로 상기 석탄을 연소하는 경우보다, 상기 플라즈마로 상기 석탄을 연소하는 경우 더 큰 단위 발열량을 가지는, 시멘트 소성 장치.
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