KR102083873B1

KR102083873B1 - 용융슬래그 현열회수장치

Info

Publication number: KR102083873B1
Application number: KR1020180053681A
Authority: KR
Inventors: 박흥수; 이준석; 김국희
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2018-05-10
Filing date: 2018-05-10
Publication date: 2020-03-03
Also published as: KR20190129277A

Abstract

본 발명에 따른 용융슬래그 현열회수장치는, 포화수가 수용되며, 포화증기가 토출되는 증기관이 형성되고, 대기압 이상의 내부압력이 유지되는 고압밀폐용기; 상기 고압밀폐용기에 고온의 용융슬래그를 주입 시, 상기 고압밀폐용기의 내부압 유출을 차단하도록 상기 용융슬래그를 가압하여 주입시키는 슬래그가압주입유닛; 및 상기 고압밀폐용기 내에서 상기 용융슬래그가 상기 포화수로 인입되기 전에, 상기 용융슬래그를 조립화하도록 고압수로 파쇄시키는 슬래그파쇄유닛;을 포함하여, 상기 용융슬래그의 현열에 의해 상기 포화수로부터 100℃ 이상의 상기 포화증기를 발생시킨다.

Description

용융슬래그 현열회수장치{APPARATUS FOR RECOVERING HEAT OF MELTHING SLAG}

본 발명은 용융슬래그 현열회수장치로서, 용융슬래그의 현열을 회수하는 용융슬래그 현열회수장치에 관한 것이다.

제철공정을 비롯한 금속 제련공정에서는 다양한 형태의 폐열이 발생하는데, 이를 회수하여 재이용하여 에너지 사용량을 줄임으로써 에너지 비용을 절감할 수 있다.

특히, 최근에 와서 CO2 배출저감을 위한 가장 실현가능성이 있는 방안으로서 폐열의 회수 및 재이용이 주목 받고 있다.

용융슬래그는 원광석을 제련하는 과정에서 용융금속과 함께 배출되거나 금속을 제련하는 과정에서 배출되는데, 제철공정의 경우에는 용융슬래그로서 용융된 고로슬래그와 전로슬래그가 발생한다.

이러한 용융슬래그는 용융된 금속과 같이 존재하기 때문에 그 온도가 높으며 따라서 보유하고 있는 열량 또한 매우 높다.

용융된 고로슬래그 및 용융된 전로슬래그는 그 온도가 1500℃ 수준이며, 보유열량은 톤당 30만kcal 이상에 달한다.

이러한 슬래그 현열(보유열)을 회수하기 위하여 다양한 장치와 방법에 대한 기술개발이 시도되고 있는데, 슬래그 현열회수를 위한 기술로는 풍쇄법, 회전디스크 등을 이용한 슬래그 조립화 및 열회수법, 슬래그를 물로 냉각하는 수쇄 냉각법을 대표적인 것으로 들 수 있다.

풍쇄법과 회전디스크 등을 이용한 슬래그 조립화 및 열회수법은 용융슬래그를 먼저 공기 또는 회전 디스크 등을 이용하여 조립화한 다음, 공기를 이용하여 슬래그 입자를 냉각하고 열을 회수하는 방법으로, 열회수 공기를 500℃ 이상으로 승온시킬 수 있어 고압증기를 생산하는 등 회수열에 대한 활용가치를 높게 할 수 있다.

그러나 일차적으로 용융슬래그를 조립화 하는 과정이 필요하며, 이를 다시 열회수 장치를 이용하여 슬래그 열을 공기로 전달하여야 하고, 최종적으로 공기에 전달된 열을 이용하여 증기를 생산하는 복잡한 과정을 필요로 하는 한계점이 있다.

나아가, 용융슬래그는 고온이고 점착성이 높기 때문에 취급하기가 어려운 특성을 가지고 있는데, 상술된 바와 같은 복잡한 여러 단계의 과정을 거치게 됨으로써, 열손실의 발생은 물론 기계적인 신뢰성 확보 곤란이 주요 문제로 제기되어 왔다.

이에 부가하여, 용융슬래그는 발생설비의 조업여건에 따라 그 구성내용물 중에 용융철, 반 고상 상태의 슬래그 등이 혼재하는데, 이 경우에는 요소공정을 거치는 과정에서 여러 가지 기계적인 문제를 야기하게 된다.

한편, 조립화된 고온의 슬래그 입자를 공기를 이용하여 냉각하기 때문에, 입자 슬래그를 시멘트원료 등의 자원으로 재사용하기 위하여 요구되는 냉각속도를 만족시키지 못하는 문제가 근본적으로 존재하여 왔다.

물로 냉각하는 수쇄 냉각법은 현재 용융슬래그를 시멘트 원료로 사용하기 위한 냉각공정으로 이용되고 있는 방법이다. 이러한 방법에서는 냉각매체가 물이기 때문에 충분한 냉각속도의 확보가 가능하여 슬래그의 자원화 품질확보가 용이하다.

그러나, 이러한 수쇄 냉각은 모두가 대기압 하에서 이루어지기 때문에 이론적으로 100℃ 이상의 물 또는 증기를 얻을 수 없다는 한계가 있다.

슬래그 현열을 회수하는 데 있어서 물과 같은 회수매체의 온도는 회수열의 이용처 확보와 활용도 면에서 대단히 중요하며, 회수매체의 온도가 100℃ 이하가 되면 그 이용가치는 거의 없다고 할 수 있다.

회수열을 이용하여 전력을 생산하는 경우에도 낮은 온도에서는 효율이 저하되기 때문에, 실제적인 발전 시스템의 구성이 어렵다.

결과적으로, 공기를 이용한 용융슬래그 열회수법은 고온으로 열을 회수할 수는 있지만 이를 실현하기 위한 프로세스가 복잡하여 기계적인 문제가 발생할 뿐만 아니라 요구되는 냉각속도를 확보하기 어렵다는 문제가 있으며, 물로 냉각하는 방법은 슬래그 냉각속도를 확보할 수는 있지만 회수되는 에너지의 온도가 낮아 이용가치가 거의 없다는 것이 문제점으로 지적되어 왔다.

일본 공개특허공보 제1993-311214호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 용융슬래그의 현열에 의해 100℃ 이상의 포화증기를 발생시킬 수 있는 용융슬래그 현열회수장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 용융슬래그 현열회수장치는, 포화수가 수용되며, 포화증기가 토출되는 증기관이 형성되고, 대기압 이상의 내부압력이 유지되는 고압밀폐용기; 상기 고압밀폐용기에 고온의 용융슬래그를 주입 시, 상기 고압밀폐용기의 내부압 유출을 차단하도록 상기 용융슬래그를 가압하여 주입시키는 슬래그가압주입유닛; 및 상기 고압밀폐용기 내에서 상기 용융슬래그가 상기 포화수로 인입되기 전에, 상기 용융슬래그를 조립화하도록 고압수로 파쇄시키는 슬래그파쇄유닛;을 포함하여, 상기 용융슬래그의 현열에 의해 상기 포화수로부터 100℃ 이상의 상기 포화증기를 발생시킨다.

여기에서, 상기 슬래그가압주입유닛은, 상기 고압밀폐용기의 일측부에 형성된 슬래그주입구에 설치되며, 축회전하면서 상기 용융슬래그를 상기 고압밀폐용기에 주입시키는 스크류피더;를 구비할 수 있다.

또한, 상기 슬래그파쇄유닛은, 상기 슬래그가압주입유닛에 의해 주입된 상기 용융슬래그가 상기 포화수 측으로 낙하되면서 거치도록, 상기 고압밀폐용기 내에서 상기 포화수 상측에 배치된 슬래그받침대; 및 상기 고압밀폐용기 외측의 고압수펌프와 연결되고 상기 고압밀폐용기 내측으로 연장되어, 상기 슬래그받침대 상의 상기 용융슬래그에 고압수를 분사하는 고압수라인;을 구비할 수 있다.

그리고, 상기 증기관에는 응축기가 설치되며, 상기 응축기는, 상기 포화증기와 열교환되어 100℃ 이상의 고온수를 만들도록 고온수관이 관통되고, 상기 포화증기가 액화된 물을 상기 고압밀폐용기의 상기 포화수로 재활용하도록 상기 고압수라인과 연결된 응축수관이 형성될 수 있다.

이에 더하여, 상기 고압밀폐용기 내에서 발생되는 비등현상에 따른 압력상승에 대응하기 위해 상기 고압밀폐용기 내의 압력을 제어하고, 상기 고압밀폐용기 내에서 발생하는 비응축성가스를 제거하도록, 상기 고압밀폐용기에 안전밸브가 장착된 안전관이 설치될 수 있다.

나아가, 상기 슬래그파쇄유닛에 의해 파쇄되어 상기 포화수에 침전된 파쇄슬래그가 포함된 슬러리를 배출하도록, 상기 고압밀폐용기의 하부에는 슬러리펌프가 장착된 슬러리배출관이 설치될 수 있다.

본 발명에 따른 용융슬래그 현열회수장치는, 내부가 대기압보다 큰 고압조건이 만족되도록 고압이 유지되는 안정적이면서도 견고한 밀폐구조를 취함으로써, 포화압력을 높여서 포화수의 온도를 올림에 따라, 용융슬래그의 현열에 의해 100℃ 이상의 포화증기를 발생시킬 수 있는 효과를 가진다.

또한, 본 발명은 용융슬래그를 가압하면서 고압밀폐용기에 주입시키는 슬래그가압주입유닛이 구성됨으로써, 고압밀폐용기에 용융슬래그를 주입 시 고압밀폐용기의 내부압력이 떨어지지 않도록 하며, 나아가 고온의 용융슬래그를 원활하면서도 연속적으로 주입할 수 있는 장점을 지닌다.

아울러, 본 발명은 고온이고 점착성이 높은 용융슬래그를 고압수를 이용하여 조립화하는 슬래그파쇄유닛이 구성됨으로써, 용융슬래그의 조립화와 함께 공정용 증기의 생성이 복잡한 단계를 거치지 않고 간단하게 구현됨에 따라, 열손실을 최대한 억제하면서 기계적인 신뢰성을 확보할 수 있으며, 파쇄슬래그(입자슬래그)를 시멘트 원료 등의 자원으로 재활용하기 위하여 요구되는 빠른 냉각속도를 확보할 수 있는 이점을 가진다.

도 1은 본 발명에 따른 용융슬래그 현열회수장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명하기로 한다. 각 도면의 구성요소들에 도면부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 용융슬래그 현열회수장치는 고압밀폐용기(100), 슬래그가압주입유닛(200), 및 슬래그파쇄유닛(300)을 포함한다.

여기에서, 상기 고압밀폐용기(100)는 포화수(21)가 수용되며, 포화증기가 토출되는 증기관(110)이 형성되고, 대기압 이상의 내부압력이 유지되는 구조를 지닌다. 이때, 고압밀폐용기(100)의 내부압력은 후술되는 슬래그가압주입유닛(200)에 의해 고온의 용융슬래그가 계속적으로 주입됨으로써 대기압 이상, 즉 고압으로 형성될 수 있고, 나아가 별도의 고압형성부재(미도시)에 의해 고압으로 형성될 수도 있다.

즉, 상기 고압밀폐용기(100)는 내부에서 100℃ 이상의 포화증기를 발생시키기 위해 대기압 이상의 압력이 유지될 수 있도록, 내부가 대기압보다 큰 고압조건을 만족할 수 있는 밀폐된 구조를 취한다.

구체적으로, 상기 고압밀폐용기(100)는 내부압력이 하부에 집적되는 포화수(21)의 온도에 상응하는 포화압력을 유지하도록 형성되는데, 포화수(21)의 온도가 높을수록 회수열의 이용가치가 높음에 따라, 포화수(21)의 온도를 높이기 위해 대기압보다 큰 고압조건이 만족되도록 고압이 유지될 수 있는 안정적이면서도 견고한 밀폐구조를 지닌다.

이때, 상기 고압밀폐용기(100)는 증기관(110)을 포함한 후술되는 슬래그가압주입유닛(200), 고압수라인(320), 및 슬러리배출관(700)이 형성되더라도, 내부가 상술된 고압조건을 이룰 수 있는 견고하면서도 안정적인 밀폐구조를 지니며, 구체적인 형상구조에 대해서는 본 발명에 의해 한정되지 않는다.

참고로, 일반적으로 회수된 열에너지가 공장에서 요구되는 일반적인 공정용 증기로 사용될 경우에는, 포화수(21) 또는 포화증기의 온도가 190℃ 수준이 되어야 하며 이 경우 고압밀폐용기(100) 내부의 압력은 포화압력인 12.8 기압(절대압력)으로 유지되어야 한다. 이때 본 발명에서는 포화수(21)의 온도를 최소 100℃ 이상으로 하며 상한에는 제약을 두지 않는다.

그리고, 상기 슬래그가압주입유닛(200)은 고압밀폐용기(100)에 고온의 용융슬래그(11)를 주입 시, 고압밀폐용기(100)의 내부압 유출을 차단하도록 용융슬래그(11)를 가압하여 주입시키도록 구성된다.

이러한 슬래그가압주입유닛(200)은 고압밀폐용기(100)에 용융슬래그(11)를 주입 시, 고압밀폐용기(100)의 내부압력이 떨어지지 않도록, 용융슬래그(11)를 가압하면서 고압밀폐용기(100)에 주입시키는 역할을 수행하며, 나아가 고온의 용융슬래그(11)를 원활하면서도 연속적으로 주입할 수 있는 구조를 취하는 것이 바람직하다.

일례로서, 상기 슬래그가압주입유닛(200)은 스크류피더(210)를 구비할 수 있다.

상기 스크류피더(210)는 고압밀폐용기(100)의 일측부에 형성된 슬래그주입구(100a)에 설치되며, 축회전하면서 용융슬래그(11)를 고압밀폐용기(100)에 주입시킨다.

즉, 상기 스크류피더(210)는 고압밀폐용기(100)에 형성된 슬래그주입구(100a)를 막는 구조를 유지하면서, 스크류 형상으로 형성된 스크류홈에 용융슬래그(11)가 충전된 상태로 축회전하여 용융슬래그(11)를 고압밀폐용기(100)의 내측으로 밀어 넣게 된다.

물론, 이때 스크류피더(210)의 스크류 형상은 스크류 회전수가 최대한 많은 구조를 지님으로써, 고압밀폐용기(100)의 내측으로 주입시키는 용융슬래그(11)의 양이 작아지더라도, 고압밀폐용기(100)의 내부압력이 저감되는 것을 최대한 방지하는 구조를 지니는 것이 바람직하다.

이와 같이 상기 슬래그가압주입유닛(200)은 용융슬래그(11)가 고압밀폐용기(100)의 내부에서 대기압보다 높은 압력으로 가압된 상태로 냉각이 이루어질 수 있도록 함으로써, 수증기와 같은 회수매체의 온도를 100℃ 이상으로 만들 수 있다.

즉, 상기 슬래그가압주입유닛(200)은 고압밀폐용기(100)의 내부를 대기압 이상으로 유지시키면서, 용융슬래그(11)의 현열에 의해 포화수(21)로부터 100℃ 이상의 포화증기를 발생시키도록 할 수 있다.

한편, 상기 슬래그파쇄유닛(300)은 고압밀폐용기(100) 내에서 용융슬래그(11)가 포화수(21)로 인입되기 전에, 용융슬래그(11)를 조립화하도록 고압수(22)로 파쇄시키도록 구성된다.

구체적으로, 상기 슬래그파쇄유닛(300)은 슬래그받침대(310)와, 고압수라인(320)을 구비할 수 있다.

여기에서, 상기 슬래그받침대(310)는 슬래그가압주입유닛(200)에 의해 주입된 용융슬래그(11)가 포화수(21) 측으로 낙하되면서 거치도록, 고압밀폐용기(100) 내에서 포화수(21) 상측에 배치된다.

또한, 상기 고압수라인(320)은 고압밀폐용기(100) 외측의 고압수펌프(330)와 연결되고 고압밀폐용기(100) 내측으로 연장되어, 슬래그받침대(310) 상의 용융슬래그(11)에 고압수(22)를 분사한다.

이와 같이 슬래그파쇄유닛(300)은, 고온이고 점착성이 높은 용융슬래그(11)를 고압수(22)를 이용하여 조립화함으로써, 용융슬래그(11)의 조립화와 함께 공장에서 사용되는 공정용 증기의 생성이 복잡한 단계를 거치지 않고 간단하게 구현됨에 따라, 열손실을 최대한 억제하면서 기계적인 신뢰성을 확보할 수 있다.

나아가, 이러한 슬래그파쇄유닛(300)은 파쇄슬래그(12)(입자슬래그)를 시멘트 원료 등의 자원으로 재활용하기 위하여 요구되는 빠른 냉각속도를 확보할 수 있다.

한편, 본 발명은 고압밀폐용기(100)의 증기관(110)에 응축기(400)가 설치된다.

상기 응축기(400)는 포화증기와 열교환되어 100℃ 이상의 고온수를 만들도록 고온수관(500)이 관통되고, 포화증기가 액화된 물을 고압밀폐용기(100)의 포화수(21)로 재활용하도록 고압수라인(320)과 연결된 응축수관(410)이 형성될 수 있다.

또한, 본 발명은 고압밀폐용기(100)에 안전밸브(610)가 장착된 안전관(600)이 설치될 수 있다.

이러한 안전관(600)은 고압밀폐용기(100) 내에서 발생되는 비등현상에 따른 압력상승에 대응하기 위해 고압밀폐용기(100) 내의 압력을 제어하는 역할을 수행하고, 고압밀폐용기(100) 내에서 수증기 외에 발생하는 비응축성가스를 제거하는 역할을 수행한다.

나아가, 본 발명은 고압밀폐용기(100)의 하부에 슬러리펌프(710)가 장착된 슬러리배출관(700)이 설치될 수 있다.

이러한 슬러리배출관(700)은 슬러리(13)를 배출하도록 고압밀폐용기(100)의 하부에는 슬러리펌프(710)가 장착된 슬러리배출관(700)이 설치될 수 있다.

이때, 상기 슬러리(13)는 현탁액으로서 슬래그파쇄유닛(300)에 의해 파쇄되어 포화수(21)에 침전된 파쇄슬래그(12)가 포함된다.

이와 같이 슬러리배출관(700)을 통해 배출된 슬러리(13)에 포함된 파쇄슬러리(13)는, 시멘트 원료 등의 자원으로 재활용될 수 있다.

결과적으로, 본 발명에 따른 용융슬래그 현열회수장치는, 내부가 대기압보다 큰 고압조건이 만족되도록 고압이 유지되는 안정적이면서도 견고한 밀폐구조를 취함으로써, 포화압력을 높여서 포화수(21)의 온도를 올림에 따라, 용융슬래그(11)의 현열에 의해 100℃ 이상의 포화증기를 발생시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 용융슬래그(11)를 가압하면서 고압밀폐용기(100)에 주입시키는 슬래그가압주입유닛(200)이 구성됨으로써, 고압밀폐용기(100)에 용융슬래그(11)를 주입 시 고압밀폐용기(100)의 내부압력이 떨어지지 않도록 하며, 나아가 고온의 용융슬래그(11)를 원활하면서도 연속적으로 주입할 수 있다.

아울러, 본 발명은 고온이고 점착성이 높은 용융슬래그(11)를 고압수(22)를 이용하여 조립화하는 슬래그파쇄유닛(300)이 구성됨으로써, 용융슬래그(11)의 조립화와 함께 공정용 증기의 생성이 복잡한 단계를 거치지 않고 간단하게 구현됨에 따라, 열손실을 최대한 억제하면서 기계적인 신뢰성을 확보할 수 있으며, 파쇄슬래그(12)(입자슬래그)를 시멘트 원료 등의 자원으로 재활용하기 위하여 요구되는 빠른 냉각속도를 확보할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.

11 : 용융슬래그 12 : 파쇄슬래그
13 : 슬러리
21 : 포화수 22 : 고압수
100 : 고압밀폐용기 100a : 슬래그주입구
110 : 증기관 200 : 슬래그가압주입유닛
210 : 스크류피더 300 : 슬래그파쇄유닛
310 : 슬래그받침대 320 : 고압수라인
330 : 고압수펌프 400 : 응축기
410 : 응축수관 500 : 고온수관
600 : 안전관 610 : 안전밸브
700 : 슬러리배출관 710 : 슬러리펌프

Claims

포화수가 수용되며, 포화증기가 토출되는 증기관이 형성되고, 대기압 이상의 내부압력이 유지되는 고압밀폐용기;
상기 고압밀폐용기에 고온의 용융슬래그를 주입 시, 상기 고압밀폐용기의 내부압 유출을 차단하도록 상기 용융슬래그를 가압하여 주입시키는 슬래그가압주입유닛; 및
상기 고압밀폐용기 내에서 상기 용융슬래그가 상기 포화수로 인입되기 전에, 상기 용융슬래그를 조립화하도록 고압수로 파쇄시키는 슬래그파쇄유닛;을 포함하여,
상기 용융슬래그의 현열에 의해 상기 포화수로부터 100℃ 이상의 상기 포화증기를 발생시키며,
상기 슬래그가압주입유닛은,
상기 고압밀폐용기의 일측부에 형성된 슬래그주입구에 설치되며, 상기 용융슬래그가 상기 고압밀폐용기의 내부에서 대기압보다 높은 압력으로 가압된 상태로 냉각이 이루어지도록, 상기 슬래그주입구를 막는 구조를 유지하면서 상기 용융슬래그가 충전된 상태로 축회전하면서 상기 용융슬래그를 상기 고압밀폐용기에 주입시키는 스크류피더;를 구비하는 것을 특징으로 하는 용융슬래그 현열회수장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 슬래그파쇄유닛은,
상기 슬래그가압주입유닛에 의해 주입된 상기 용융슬래그가 상기 포화수 측으로 낙하되면서 거치도록, 상기 고압밀폐용기 내에서 상기 포화수 상측에 배치된 슬래그받침대; 및
상기 고압밀폐용기 외측의 고압수펌프와 연결되고 상기 고압밀폐용기 내측으로 연장되어, 상기 슬래그받침대 상의 상기 용융슬래그에 고압수를 분사하는 고압수라인;
을 구비하는 것을 특징으로 하는 용융슬래그 현열회수장치.
제3항에 있어서,
상기 증기관에는 응축기가 설치되며,
상기 응축기는,
상기 포화증기와 열교환되어 100℃ 이상의 고온수를 만들도록 고온수관이 관통되고, 상기 포화증기가 액화된 물을 상기 고압밀폐용기의 상기 포화수로 재활용하도록 상기 고압수라인과 연결된 응축수관이 형성된 것을 특징으로 하는 용융슬래그 현열회수장치.
제1항에 있어서,
상기 고압밀폐용기 내에서 발생되는 비등현상에 따른 압력상승에 대응하기 위해 상기 고압밀폐용기 내의 압력을 제어하고, 상기 고압밀폐용기 내에서 발생하는 비응축성가스를 제거하도록, 상기 고압밀폐용기에 안전밸브가 장착된 안전관이 설치된 것을 특징으로 하는 용융슬래그 현열회수장치.
제1항에 있어서,
상기 슬래그파쇄유닛에 의해 파쇄되어 상기 포화수에 침전된 파쇄슬래그가 포함된 슬러리를 배출하도록, 상기 고압밀폐용기의 하부에는 슬러리펌프가 장착된 슬러리배출관이 설치된 것을 특징으로 하는 용융슬래그 현열회수장치.