KR20010032770A - 최종 생성물의 황 함량 분석을 통한 시멘트 클링커 제조의조절방법 - Google Patents

최종 생성물의 황 함량 분석을 통한 시멘트 클링커 제조의조절방법 Download PDF

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KR20010032770A
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Abstract

본 발명은 시멘트 클링커 제조에 관한 것으로서, 본 발명의 시멘트 클링커는 황 함량이 높은 연료를 사용하여 회전로 내에서 황 함량이 높은 연료를 연소시켜 제조된다. 원료물질은 회전로의 유입구로 주입되고 연소 연료에 의하여 소결된다. 소결된 물질은 냉각되어 시멘트 클링커를 형성한다. 소결된 물질의 생성은 시멘트 클링커 내의 황 함량을 측정하고 그측정치를 이용하여 회전로의 유입구에서 측정된 산소의 농도값을 조절된다.

Description

최종 생성물의 황 함량 분석을 통한 시멘트 클링커 제조의 조절방법 {CONTROL OF CEMENT CLINKER PRODUCTION BY ANALYSIS OF SULFUR CONTENT IN THE END PRODUCT}
공지된 시멘트 클링커 제조 방법에서, 회전로(kilen)에 공급되는 원료물질은 회전로 및 예비 소성기(precalciner)로부터 배출되는 연소가스의 열을 사용하여 다단계 사이클론 서스펜션 예열기 시스템 및 예비 소성기 내에서 예열되고 부분적으로 탈탄산(decarbonate) 된다. 연소가스 및 원료물질이 혼합되면서 원료물질 내의 석회(CaO) 및 연소가스 내의 이산화황(SO2)이 반응하여 아황산칼슘(CaSO3)을 형성한다. 아황산칼슘은 예열기 및 연통의 주요 전기 집진기 내에서 형성된다. 반대로, 예열기 시스템 내에 충분한 산소가 존재하는 경우, 아황산칼슘은 예열기 시스템 내의 산소와 반응하여 황산칼슘(CaSO4)을 형성한다. 회전로 유입구에서 대기중에 충분한 산소가 존재하지 않는 경우에는, 황산칼슘이 석회 및 이산화황으로 분해되어 회전로의 유입구에 침적되어 남아 있을 수 있다. 회전로 내에 과량의 산소가 불충분하게 존재하는 경우에는, 황산칼슘이 1200℃의 온도에서 분해될 수 있다. 마찬가지로, 예열기 내에 충분한 산소가 존재하지 않는 경우에는, 아황산칼슘이 석회 및 이산화황으로 분해될 수 있다. 이러한 분해에 의하여 회전로 내 가스중의 이산화황의 농도가 증가되며, 이로 인하여 예열기의 사이클론 및 덕트의 쉘과 벽에 칼슘염이 침적되게 된다. 연료가 펫콕(petcoke), 오일 셰일, 및 농업 또는 공업 폐기물과 같이 황 함량이 높은(즉, 2% 이상) 고체 연료 또는 황 함량이 높은 연료유인 경우에는 회전로 가스중의 이산화황의 농도를 증가시키기 때문에, 침적물 형성의 정도가 높아질 수 있다. 가스중에 순환하는 황의 함량이 높아지면 아황산칼슘의 양도 증가된다. 이는 회전로 유입구, 예열기, 예열기 사이클론, 및 사이클론과 연결된 덕트를 차단하기에 충분한 정도의 침적물을 생성시켜 제조 공정을 중단시킬 수 있다. 이러한 문제는 회전로과 예열기 사이의 소량의 가스를 추출하여 바이패스 타워로 보내면 완화될 수 있다. 바이패스 타워에서, 가스는 차가운 주변 공기에 의하여 억제되고, 이산화황 내의 풍부한 분진은 침출된다. 이어서, 탈황 가스가 예열기로 보내지면, 예열기 내 가스중의 이산화황의 농도가 전반적으로 감소한다. 이러한 방법은 열 에너지 손실 및 침출된 분진의 처리와 관련된 환경 문제와 관련된 중요한 문제점을 가지고 있다:
다른 대안적인 방법으로, 회전로 내 산소 농도를 높이고 바이패스 타워가 필요하지 않도록 산소가 제어될 수 있다. 그러나, 이러한 방법은 회전로의 상황에 따라 죄우되는 산소 센서와 관련된 문제를 일으키기 쉬우며, 산소 농도가 더욱 중요한 회전로 유입구에서 감소된다. 회전로 유입구에서, 산소 분석기용 가스 흡입구는 회전로를 순환하는 분진으로 충전될 수 있다. 회전로 주위에 배치되는 종래의 산소 센서는 신뢰할 수 없기 때문에, 산소 센서를 사용하여 시멘트 클링커의 제조를 연속적으로 제어하는 데는 실제로 사용되지 않는다. 단지, 회전로, 예비 소성기, 및 예열기를 따라 이동하는 공기의 유량을 증가시켜 과량의 산소를 공급하면 낮은 열효율 및 압력 손실과 관련된 다른 문제가 야기될 수 있다.
본 발명은 시멘트 클링커 제조에 관한 것이다.
도 1은 시멘트 클링커의 제조를 위한 시스템의 블록도.
도 2는 도 1의 시스템의 사이클론 서스펜션 예열기, 예비 소성기, 및 회전로 입구의 개략적 단면도.
도 3은 도 1의 시스템의 회전로, 예비 소성기, 시멘트 클링커 냉각기, 3차 공기 덕트 라인, 분진 챔버, 및 냉각기의 전기 집진기의 개략도.
도 4는 도 1의 시스템을 위한 제어 시스템의 블록도.
도 5는 도 1의 시스템의 시이클론 서스펜션 예열기, 예비 소성기, 및 회전로 유입구를 따라 물질의 흐름을 나타내는 순서도.
도 6은 도 1의 시스템의 주요 배출기 및 관련 장치의 블록도.
본 발명은 공기의 흡입율이 시멘트 클링커 최종 제품에서 측정되는 황 또는 삼산화황(SO3)와 같이 황산칼슘의 양에 따라 조절되는 방법을 제공한다. 공기의 흡입율은 CaSO3를 CaSO4로 전환시키는 반응에 사용될 수 있는 회전로 내 산소의 양에 영향을 줄뿐 아니라, 이들의 분해 속도에도 영향을 준다. 산소의 농도가 4.5 내지 5.5로 높아지면, 황산칼슘이 분해되는 온도가 소결 온도 이상의 온도로 증가되므로, CaSO3가 가수로 분해되어 회전로, 예열기, 및 예열기의 사이클론 내에 침적되어 남지 않고 최종 제품의 성분으로 남게된다. 따라서, 시멘트 클링커 최종제품 내의 황을 분석하는 것은 회전로 내의 산소 농도를 조절하고 시스템 내에 시멘트 클링커의 일부로서 존재하는 황이 차지하는 비율을 직접적으로 조절하는데 사용될 수 있다.
회전로의 공기 흡입량은 회전로, 예열기, 예열기의 사이클론, 및 예비 소성기를 통해 공기를 끌어들이는 네거티브 압력을 만드는 주요 배출기의 속도를 증가시키거나 감소시킴으로써 기계적으로 조절할 수 있다. 공기는 연소된 연료가스를 회전로 및 예비 소성기로부터 예열기로 운반한다. 예열기 및 예열기의 사이클론 내에서 원료물질이 예열되어 가스에서 분리된다. 또한, 이들은 부분적으로 예비 소성된다. 즉, 원료물질 내의 탄산칼슘이 부분적으로 석회 및 탄산가스(CO2)로 분해된다. 또한, 원료물질은 예비 소성기 내에서 90 내지 95% 수준까지 추가로 탈탄산된다. 예열기 및 연통의 주요 전기 집진기 내에서 CaO + SO2→ CaSO3반응을 통해 가스중의 황이 원료물질로 전달되어 가스중의 황이 제거된다. 따라서, 원료물질 내의 90 내지 95%의 탄소가스가 원료물질이 회전로 유입구에 도달되기 전에 배출된다.
시멘트 클링커를 제조하기 위하여 회전 회전로를 사용하는 경우 공기의 흡입량을 조절할 수 있다. 원료물질은 예열기의 상단에서 시스템으로 주입되어 예열기의 출구와 연결된 회전로의 상단에 위치하는 유입구를 통해 회전로에 도입된다. 또한, 유입구는 회전로 버너에서 연료를 태울 때 생성되는 연소가스가 통과하는 예비 소성기와 수직으로 연결된다. 회전 회전로의 하단에 위치하는 버너는 회전로 내 원료물질을 소결하는데 필요한 열을 만들어낸다. 회전로는 원료물질의 이동을 촉진하는 경향이 있다. 시멘트 클링커는 회전로의 소결 영역을 통과한 후에 버너 근처의 출구를 통해 회전 회전로로부터 냉각기로 배출된다. 또한, 시멘트 클링커용 출구는 시멘트 클링커를 냉각하는 냉각기로 흘러 들어가는 약간의 공기를 위한 회전로의 유입구로 제공된다. 시멘트 클링커를 냉각시킬 때 공기가 가열된다. 공기는 다수의 팬에 의하여 냉각기로 흘러 들어가 냉각기 내의 압력을 증가시킨다.
회전로로 이동하지 않은 냉각 공기는 2개의 출구를 통해 냉각기를 빠져나간다. 하나의 출구는 공기가 대기로 방출된 뒤에 미세한 클링커 입자를 회수하는 전기 집진기로 공기를 도입한다. 다른 하나의 출구는 클링커 분진을 냉각기로 반환시키고 공기를 예비 소성기로 인도하는 분진 챔버로 공기를 도입한다. 분진 챔버와 예비 소성기 사이에 위치하는 라인 상의 밸브는 예비 소성기로 이동하는 공기의 유량을 조절하고 이들 두 라인 및 회전로를 따라 이동하는 공기의 비율에 영향을 미친다. 밸브를 차단하여 소량의 공기를 예비 소성기로 이동시키면, 보다 많은 양의 공기가 회전로 및 냉각기의 전기 집진기를 따라 이동하게 된다.
예비 소성기는 회전 회전로 유래의 연소가스를 사용하여 예비 소성기 내의 버너에서 연료를 연소시켜 원료물질을 탈탄산한다. 연소용 산소는 3차 공기 덕트와 연결되고 예비 소성기의 기부에 위치하는 공기 유입구를 통해 회전로로부터 예비 소성기로 유입되는 가열된 공기의 한 성분으로서 공급된다. 원료물질은 사이클론 서스펜션 예열기의 분진 출구로부터 예비 소성기로 공급된다.
본 발명은 회전 회전로 내에서 시멘트 클링커를 제조하는데 고체, 액체 또는 기체 상태의 황 함량이 높은 연료를 보다 경제적으로 사용하는 방법을 제공한다. 또한, 본 발명은 CaSO4의 형태로 연료 내의 황이 시멘트 클링커에 전달되도록 작동 조건을 유지시켜 공정중의 SO2농도를 과도하게 감소시켜 SO2방출량을 감소시킨다. 본 발명은 10% 이하의 황을 함유하고 SO2및 NOx기체의 방출량을 감소시키는 연료를 사용하여 시멘트 클링커의 제조 방법을 개선한 것이다. 10%로 황의 함량을 제한하는 것은 연료의 단위 kg당 대략 8,000 kcal 열량값을 가지는 연료를 사용하는 경우를 기준으로 한 것이다. NOx기체의 방출량은 예비 소성기에 NOx의 O2를 사용하는 환원 대기의 생성에 의하여 감소된다. 또한, 클링커 내에 충분한 양의 황산칼슘이 존재하는 경우에는, 시멘트를 제조하기 위하여 클링커를 분쇄하는 동안에 시멘트의 응고 지연제로 작용하는 추가의 석고를 첨가할 필요가 없다.
본 발명의 일반적인 특징에 따르면, 원료물질이 회전로의 유입구로 주입되는 회전로에서 연소되는 황 함량이 높은 연료를 사용하여 시멘트 클링커를 제조할 수 있다. 원료물질은 소결되고, 소결된 물질은 냉각되어 시멘트 클링커를 형성한다. 이러한 공정은 시멘트 클링커 냉각기의 출구에서 냉각된 시멘트 클링커 내의 황 농도 측정하여 회전로 유입구에서 산소 농도를 조절함으로써 제어된다.
본 발명의 실시예는 다음과 같은 특징을 하나 이상 포함할 수 있다. 예를 들면, 원료물질은 예비 소성기에서 연소되는 황 함량이 높은 연료를 사용하여 예비 소성되고 회전로 및 예비 소성기 유래의 연소가스를 사용하여 예열될 수 있다. 또한, 예비 소성기 내의 산소 농도는 회전로 유래의 과량의 산소를 사용하여 NOx방출량을 감소시키는 예비 소성기 내 환원 대기를 생성하도록 조절될 수 있다. 예비 소성기 및 회전로 내의 산소 농도는 회전로, 예열기, 및 예비 소성기를 따라 공기를 흡입하는 배출기의 속도를 조절하여 변경시킬 수 있다. 예비 소성기와 냉각기 사이의 라인에 위치하는 밸브 또한 회전로 및 예비 소성기로 이동하는 공기의 양을 변화시키는 제어기에 의하여 조절될 수 있다.
황산칼슘이 분해되는 것을 방지하기 위하여 회전로 내 황산칼슘의 분해 온도를 고온으로 유지하도록 산소 농도를 조절할 수 있다. 버너에 사용되는 연료는 10% 이하의 황을 함유할 수 있으며, 연료 내의 황은 원료물질의 CaO와 반응하여 황산칼슘을 형성하고, 이 황산칼슘은 3 중량% 농도 이하로 시멘트 클링커의 성분이 된다. 시멘트 클링커 내의 황산칼슘 때문에 시멘트를 제조하기 위하여 시멘트 클링커를 분쇄하는 동안에 석고를 첨가할 필요가 없다. 회전로 내의 산소를 조절하면, 회전로 내 SO2의 순환율이 80 kg/시 이하로 감소되어 회전로, 사이클론, 및 사이클론과 연결된 덕트 내의 침적물을 제거할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 원료물질을 소결시키는 버너, 시멘트 클링커를 냉각시키는 냉각기, 시멘트 클링커 내의 황 함량을 측정하는 황 분석기, 및 냉각된 시멘트 클링커에서 측정되는 황 함량에 따라 회전로 내 산소의 농도를 조절하는 제어기를 가지는 회전 회전로를 포함할 수 있다. 제어기는 배출기의 속도를 조절하는데 측정된 황 함량을 사용하여 회전로 내 산소의 농도를 조절할 수 있다. 사이클론 서스펜션 예열기는 원료물질이 회전로에 주입되기 전에 이들 원료물질을 예열시키고 부분적으로 탈탄산하는 예비 소성기 및 회전로에 연결될 수 있다. 냉각기와 예비 소성기 사이의 밸브 및 3차 공기 라인은 예비 소성기로 이동하는 공기를 조절하는데 사용될 수 있다. 산소 센서는 산소를 관측하도록 회전로 유입구 및 사이클론 서스펜션 예열기의 가스 출구에 배치될 수 있다. 사이클론 서스펜션 예열기의 가스 출구에서 산소의 농도는 3차 공기 라인 밸브를 조절하는 제어기에 사용될 수 있다. 전기 집진기는 냉각기로부터 대기로 이동하는 공기를 여과하는 데 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 도면을 포함한 하기의 상세한 설명 및 청구항을 통해 보다 명백해질 것이다.
도 1의 시멘트 클링커 제조용 시스템은 회전 회전로(25) 및 회전로의 출구(35)에 배치된 시멘트 클링커 냉각기(30)를 포함한다. 3차 공기 덕트 라인(40)은 시멘트 클링커 냉각기를 예비 소성기(45)와 연결시킨다. 가스 배출 라인(20)은 회전 회전로과 예비 소성기를 연결시킨다. 다수의 사이클론 서스펜션 예열기 시스템(50)은 회전로 유입구(55), 예비 소성기(45), 및 배출기(65)로 이어지는 출구 라인(60)에 연결된다.
원료물질은 상기 시스템의 입구 파이프(67)로 공급된다. 원료물질은 회전로 버너(69) 및 예비 소성기 버너(70)에서 생성되는 연소가스와 혼합된다. 연소가스는 배출기(65)에 의하여 회전로(25), 서스펜션 예열기 시스템(50), 및 예비 소성기(45)를 따라 배출된다. 원료물질은 서스펜션 예열기의 사이클론 내 연소가스에 의하여 가열된 뒤, 이들 가스와 분리된다. 가열된 원료물질은 탈탄산화 정도가 증가되는 예비 소성기로 이동한다. 이어서, 원료물질은 서스펜션 예열기의 사이클론 저부로 이동되고 연소가스와 분리되어 회전 회전로(25)의 입구로 이동된다.
원료물질은 회전 회전로를 따라 이동하면서 소결되어 시멘트 클링크를 형성한다. 그런 다음, 시멘트 클링크는 회전로 출구(35)를 따라 시멘트 클링크 냉각기로 이동한다. 시멘트 클링크는 이들의 그레이트(grate)를 관통하는 냉각 공기에 의하여 냉각된다. 이어서, 냉각 공기는 회전 회전로(25), 3차 공기 덕트 라인(40), 및 전기 집진기(73)로 이동한다. 전기 집진기는 냉각기의 공기가 대기로 방출되기 전에 냉각기 내 과량의 공기를 여과시킨다.
회전로 및 예비 소성기로 이동하는 산소의 유량은 시스템을 따라 공기를 흡입하는 배출기에 의하여 제어된다. 예비 소성기로 이동하는 산소의 유량 또한 3차 공기 덕트 밸브(75)의 배치에 의하여 제어된다. 황 농도는 배출기의 속도를 변경시키는 제어 박스(80)에 의하여 측정되고, 상기의 밸브는 제어 박스(80)에 사용된다.
본 발명의 중요한 두가지 특징은 버너에 황 함량이 높은 연료를 사용한다는 것과 황이 시멘트 클링커 최종 산물의 성분으로서 황산칼슘 형태로 방출되어 공정에서 세정된다는 것이다. 황 함량이 높은 연료를 사용하고 최종 제품의 성분으로서 황을 세정하기 위하여, 배출기(65)의 속도를 조절하면 회전로(25) 내 산소의 양이 조절된다. (과량의 산소는 클링커의 소결 온도에서 황산칼슘이 분해되는 것을 방지한다.) 배출기의 속도는 냉각된 시멘트 클링커 내의 황 또는 삼산화황의 함량에 따라 조절되며, 이들 함량은 냉각기(30)로의 출구에서 클링커를 분석하는 한 쌍의 황 분석기(77 및 79)에 의하여 측정된다. 냉각된 시멘트 클링커 내의 황을 분석하면 연료 및 원료물질 내의 황이 클링커로 방출되는 정도를 알 수 있다. 황 함량을 증가시켜야 하는 경우, 조절 박스가 배출기의 속도를 증가시킨다.
도 2에 도시된 바와 같이, 예열기(50)는 4개의 사이클론을 포함하는 서스펜션 예열기를 사용하여 실행될 수 있다. 상기에 기재된 바와 같이, 3개의 사이클론은 원료물질이 예비 소성기를 통과하기 전에 이들 원료물질을 가열하고, 4번째 사이클론은 가열된 물질이 회전로의 유입구로 공급되기 전에 이들 물질을 가열한 뒤, 가스와 분리시킨다.
원료물질은 입구 파이프(67)로 공급되고 대부분의 물질은 가스 출구(145)를 따라 사이클론(105)으로 이동한다. 입구 파이프(67)에 공급된 원료물질의 일부는 사이클론(105)으로부터 서스펜션 예열기(50)의 트윈 사이클론(110)으로 이동하는 가스를 통해 운반된다. 한 쌍의 사이클론(110)은 하강 가스를 통해 입구(67)로부터 유입되는 미세한 원료물질을 분리하기 위한 것이다. 트윈 사이클론(110)에서, 사이클론의 영향으로 가스가 대부분의 원료물질로부터 예열기의 가스 출구(115)로 배출되는 가스 스트림 및 덕트 출구(120)에서 배출되는 원료물질로 분리된다. 예열기(50)의 가스 출구(115)는 전체 시스템을 따라 공기를 끌어당기는 배출기(65)의 흡입 파이프(60)와 연결된다.
원료물질은 예열기의 사이클론을 따라 하강하고, 가스는 사이클론을 따라 상승한다. 트윈 사이클론(110)의 분진 출구(120)는 원료물질을 사이클론(125)의 가스 출구(135) 및 사이클론(105)의 출구(140)와 연결된 라인으로 공급한다. 사이클론(125) 유래의 가스 스트림은 원료물질과 혼합되어 혼합된 스트림이 사이클론(105)으로 유입되기 전에 이들 원료물질을 추가 가열한다. 원료물질의 잔류물은 사이클론(125)으로 이동한다. 사이클론(105)에서, 사이클론의 영향으로 가스와 원료물질이 가스 출구(145)에서 배출되는 가스 스트림 및 분진 출구(150)에서 배출되는 원료물질로 분리된다.
분진 출구(150)는 원료물질을 사이클론(165)의 가스 출구(160) 및 사이클론(125)의 입구(155)와 연결된 라인으로 공급한다. 원료물질의 일부는 사이클론(125)으로 이동하고, 일부는 사이클론(125)의 출구(170)로 이동한다. 사이클론(165)으로 이동하는 물질은 분진 출구(185)를 따라 라인(190)에 의하여 예비 소성기(45)와 연결된 회전로 유입구(55)로 이동한다. 회전 회전로(25) 내에 있는 대부분의 고온 가스 및 약간의 원료물질은 라인(190)을 따라 예비 소성기(45)로 유입된다. 원료물질의 잔류물은 회전 회전로(25)으로 이동한다. 사이클론(125)에서, 사이클론의 영향으로 가스는 대부분의 원료물질로부터 사이클론(125)의 가스 출구(135)에서 배출되는 가스 스트림 및 사이클론(125)의 분진 출구(170)에서 배출되는 분진 스트림으로 분리된다. 분진 스트림은 예비 소성기(45)로 공급된다.
라인(190 및 170)을 따라 공급되는 원료물질은 2차 버너(70)에서 생성되는 열에 의하여 탈탄산되고 연소가스를 통해 사이클론(145)의 입구(180)로 운반된다. 사이클론(65)에서, 사이클론의 영향으로 가스는 대부분의 원료물질로부터 가스 스트림과 원료물질로 분리된다. 가스 스트림은 사이클론(165)의 가스 출구(160)에서 사이클론(125)의 입구(155)로 이동한다. 상기에 기재된 바와 같이, 원료물질은 사이클론(165)의 분진 출구(185)를 통과해 회전 회전로(25)의 원료물질 입구(55)로 공급된다.
도 3을 참고하면, 고도로 탈탄산 원료물질은 회전 회전로(25)의 회전로 유입구(55)로 공급된다. 회전로(25)의 출구 방향 및 클링커화 영역으로 이동하는 물질은 회전로 버너(69)에서 연소된 가스에 의하여 소결된다. 소결된 물질(즉, 시멘트 클링커)은 회전 회전로(25)으로부터 회전로 출구(35)를 따라 클링커 냉각기(30)로 이동한다. 냉각된 시멘트 클링커는 클링커 출구(215)에서 클링커 냉각기 외부로 배출된다. 냉각 팬 시스템(220)은 시멘트 클링커를 관통하는 냉각 공기를 불어 넣는다. 냉각 공기는 과량의 공기 출구(225), 3차 공기 덕트 라인(40), 및 회전로 출구(35)를 따라 냉각기(30)에서 배출된다.
3차 공기 덕트 라인(40)으로 이동하는 공기는 예비 소성기(45)로 이동하기 전에 분진 챔버(235)를 통과한다. 분진 챔버(235)에서 회수되는 분진은 분진 챔버(235)와 냉각기(30)를 연결하는 라인(280)을 따라 냉각기(30)로 반환된다. 라인(280)은 분진이 냉각기(30)로 이동하는 것을 조절하는 계측기 중량 플랩(285)을 포함한다. 공기는 한 쌍의 3차 공기 덕트 출구(250 및 255)를 따라 예비 소성기로 이동한다. 분진 챔버(235)와 예비 소성기(45) 사이에 위치하는 3차 공기 덕트 밸브(75)는 예비 소성기(45)로 이동하는 공기의 유속을 조절한다. 조절 밸브(75) 또한 과량의 공기 출구(225)를 따라 전기 집진기(73) 및 회전로 출구를 따라 이동하는 공기의 유속에 영향을 준다. 배출기의 속도를 증가시키지 않고도 회전로 내 산소의 농도를 근소하게 증가시키기 위해서, 예열기 출구(60)에서 산소의 농도에 따라 예비 소성기로 소량의 공기가 제공되도독 밸브(75)를 조절할 수 있다. 회전로 출구(35)를 따라 회전로(25)으로 배출된 공기는 회전로를 따라 이동해서 회전로 가스 출구(245)를 따라 회전로를 나온 위, 라인(190)을 따라 예비 소성기(45)로 이동한다. 예비 소성기를 따라 이동하는 공기는 입구 파이프(60)와 연결된 배출기(65)에 의하여 생성된 네거티브 압력에 의하여 배출된다.
도 4를 참조하면, 제어 박스(80)는 모터 제어기(310)를 통해 배출기(65)의 속도를 제어한다. 제어 박스(80)는 또한 3차 공기 덕트 밸브(75)의 비율을 제어한다. 제어 박스(80)는 냉각기 출구(215)에서 냉각된 시멘트 클링커 내의 황 농도를 기준으로 하여 소결 영역으로 충분한 산소를 공급하는 배출기(65)의 속도를 제어한다. 상기에 기재된 바와 같이, 소결 영역 내의 충분한 산소는 황산칼슘의 분해를 방지하여 황산칼슘이 냉각된 시멘트 클링커의 일부가 되도록 한다. 산소 농도는 산소 분석기(335)에 의하여 덕트(60)에서 측정된다. 산소 분석기(335)에서 측정된 값은 배출기의 라인 내의 산소 레벨을 1.5 내지 2% 이하로 유지하는 3차 공기 덕트 밸브(75)의 배치를 조절하는 제어 박스(80)로 전달된다. 이러한 조절은 회전로(25)의 소결 영역에서 나오는 과량의 산소 및 회전로(25) 내에서 생성될 수 있는 NOx오염 물질의 산소중 일부를 사용할 수 있게 한다. 또한, 제어 박스(80)는 회전로 유입구에서 산소 농도를 측정하는 산소 분석기로부터 산소 농도 측정값을 받는다. 회전로 유입구와 같은 환경에서 산소 센서는 신뢰할 수 없기 때문에, 이러한 값은 단지 기록용으로만 사용된다.
일산화탄소 분석기(315)는 덕트(60)에서 일산화탄소의 농도를 측정하고 그 값을 제어 박스(80)로 보낸다. 덕트(60) 내 일산화탄소의 농도는 일산화탄소의 농도가 너무 높을 경우에 발생할 수 있는 하부의 주요 전기 집진기에서의 폭발을 방지하기 위해 측정된다. 덕트(60)에서 측정된 일산화탄소의 농도가 0.6% 이상으로 올라가는 경우, 제어 박스(80)는 버너(69 및 70)로 흐르는 연료를 차단한다. 상태가 교정된 후, 제어 박스(80)의 버튼을 누르면 연료가 버너(69 및 70)로 이동하도록 할 수 있다. 산소 또는 일산화탄소의 농도가 0으로 측정되면, 제어 박스(80)는 분석기(335 및 315)에 흡입되는 가스를 정화하여 축적된 물질을 제거할 필요가 있음을 알리는 경보를 울리게 된다.
도 5는 예열기의 사이클론 및 예비 소성기를 따라 물질 및 가스의 흐름을 개략적으로 도시한 것이다. 입구(67)로 주입되는 원료물질의 대부분은 사이클론(105)으로 이동한다. 보다 미세한 원료물질의 일부는 사이클론(105) 유래의 상향 가스 흐름을 타고 사이클론(110)으로 운반된다. 물질은 가스를 따라 이동하면서 이들 가스에 의하여 가열된다. 또한, 가스중의 이산화황은 원료물질 내 석회와 반응하여 CaSO3를 형성함으로써 이산화황을 가스에서 제거한다. 이러한 반응은 사이클론(105)으로 제한되지 않고, 다른 사이클론, 특히 사이클론(45) 및 그들의 입구와 출구 라인에서도 일어날 수 있다.
사이클론(10)에서, 사이클론의 영향으로 가스는 미세한 원료물질로부터 사이클론의 상부에서 배출되는 가스 및 사이클론의 저부에서 배출되는 원료물질로 분리된다. 사이클론에서 배출되는 가스는 배출기에 의하여 라인으로 유입되어 상기에 기재된 바와 같이 잔류 분진을 제거하는 전기 집진기를 포함하는 분리 시스템으로 발산된다. 배출기의 속도는 사이클론(105, 110, 125, 및 165) 및 예비 소성기(45)를 따라 시스템으로 흡입되는 공기의 속도를 결정한다. 배출기의 속도는 미리 설정된 파라미터 및 시멘트 클링커와 제품에서 측정된 황의 농도를 기준으로 배출기의 모터 속도를 조절하는 제어 박스(80)에 의하여 자동으로 제어된다.
도 6을 참조하면, 배출기(65)는 가스를 전기 집진기(200)로 인도하며, 이곳에서 가스는 배출기(205)에 의하여 연통(210)으로 보내진다. 배출기(65) 유래의 가스는 주요 가스 냉각 타워(215)로 이동하는 스트림 및 건조 분쇄기(220)로 이동하는 스트림의 2개의 스트림으로 분리된다. 두 스트림 모두 한 쌍의 제어 플랩(226 및 230)에 의하여 조절된다. 분쇄기가 멈추면, 사일로(227)가 충전되면서 모든 가스는 전기 집진기(200)로 유입되기 전에 냉각 타워(215)를 통과하게 된다. 원료물질을 건조시키기 위하여 모든 가스가 건조 분쇄기(220)를 통과해야 하는 경우, 플랩(226)은 완전히 차단되고 플랩(230)은 완전히 개방될 수 있다. 건조 분쇄기(220)로 이동하는 원료물질 스트림은 분쇄기 공급 입구(235) 및 분리기(245)로부터 조립질 물질을 반환시키는 용도의 재순환 라인(240)을 가진다. 건조 분쇄기(220)는 가스 및 건조 물질을 분리기(245)로 공급하고, 이곳에서 조립질 입자가 분리되어 건조 분쇄기(220)로 반환된다. 잔류 물질 및 가스는 원료물질을 가스와 분리하는 일련의 사이클론(250)을 통과한다. 최종 원료물질은 저장 사일로(227)를 통과한다. 가스를 전기 집진기(200)와 연결된 라인으로 인도하고, 주요 가스 냉각 타워(215)로부터 가스를 수용하는 배출기(260)에 의하여 가스가 사이클론에서 배출된다. 전기 집진기 유래의 분진은 저장 사일로(227)로 보내지거나 회전로 공급 유입구(67)로 보내진다.
도 5를 참조하면, 사이클론 서스펜션 예열기는 원료물질을 가열하고 가스와 이들 원료물질을 분리시킨다. 사이클론(125) 및 라인(190)은 가열된 원료물질을 예비 소성기(45)로 공급하고, 이곳에서 물질은 거의 완전하게 소성되고 탈탄산된 후, 예비 소성기(45)의 버너(70)에서 생성되는 연소가스에 의하여 사이클론(165)으로 운반된다. 사이클론(165)에서, 가스 및 원료물질은 2개의 스트림으로 분리된다. 가스 스트림은 가스 출구(160)를 따라 사이클론(125)의 입구로 나간다. 사이클론(165)에서 배출되는 가열된 원료물질은 회전로(25)의 유입구(55)로 이동한다. 사이클론 및 연결 덕트는 원료물질을 가열하는 것 외에도, 원료물질 내의 석회(CaO)와 연소가스 및 원료물질 내의 이산화황(SO2)이 반응하는 반응기를 제공한다. 이러한 반응을 통해 배출 가스가 배출기(65)에 의하여 대기로 배출되기 전에 이들 배출 가스로부터 SO2가 제거된다.
회전로(25)에서, 원료물질 내의 CaSO3는 산소의 존재 하에서 CaSO4로 산화된다. 반응의 평형은 회전로(25) 내 산소의 함량에 의하여 조절된다. 산소 농도의 증가는 반응의 평형을 이동시켜 CaSO4생성을 용이하게 한다. 또한, 산소의 증가는 CaSO4가 분해되는 온도를 1200℃에서 1500℃ 이상으로 증가시킨다.
이러한 반응을 제어하면 직접적으로 관련된 4가지 장점을 얻을 수 있다. 첫째, CaSO4는 회전로 내에서 분해되지 않고 CaSO4는 시멘트 클링커 제품에 남기 때문에 최종 산물에 석고의 첨가량이 감소되거나 참가할 필요성이 업서진다. 둘째, 분해 생성물인 SO2가 배출기(65)에 의하여 방출되는 배출가스의 성분이 아니기 때문에, 시스템의 황 방출량이 감소된다. 셋째, 연료에 함유된 황은 시멘트 클링커의 성분이 되기 때문에, 시스템 내에 너무 많은 양의 황이 존재하게 되고 CaSO3및 CaSO4침적물이 반응기에 축적되기 전에 황 함량이 15% 가량 높은 연료를 사용하여 회전로 내의 버너 및 예비 소성기를 작동시킬 수 있다. 끝으로, 예비 소성기 버너(70)는 NOx를 질소로 분해시키는 환원 대기를 만들기 때문에 이러한 오염 물질의 방출을 감소시킬 수 있다.
통상적으로, 회전로 유입구(55) 및 소결 영역(270)에서의 산소의 농도는 1.0 내지 1.5%로 유지되어 왔다. 이러한 영역에서 산소의 농도를 4.5 내지 5.5%로 증가시키면, 황산칼슘이 분해되는 온도가 회전로 내의 작동 온도 이상인 1500℃ 이상으로 올라간다. 회전로를 따라 이동하는 공기의 유량이 증가하면 회전로 내 산소의 농도가 증가될지라도, 회전로를 통과하는 공기는 연소가스에 의하여 생성되는 열을 이동시키기 때문에 공기 유량의 무차별적인 증가는 막대한 열 손실을 초래한다; 공기의 유량이 증가할수록, 열 손실 및 압력 손실도 커진다. 황산칼슘이 분해되는 것을 방지하는 데 필요한 최소의 산소 농도를 제공할 정도로만 충분하게, 즉 4.5 내지 5.5%로 공기의 유량을 증가시키기 위하여, 본 발명은 최종 산물의 황 농도에 좌우되는 제어 시스템을 사용한다. 산소의 농도를 필요한 만큼까지 증가시키고 높은 분해 온도의 이점을 얻기 위하여, 제어 박스는 회전로(25)를 따라 이동하는 공기의 양은 증가시키고 예비 소성기(45)로 이동하는 공기의 양은 감소시킨다. 예비 소성기로 이동하는 공기의 양을 감소시키면 회전로 내의 열 손실 및 압력 손실이 보상된다. 제어 박스는 배출기의 모터(65)의 속도를 증가시켜 공기의 유량을 4.5 내지 5.5%로 증가시켜 산소의 농도를 높인다. 소결 영역(270)에 과량의 산소를 공급하여 CaSO4분해를 감소시키면, 제어 박스는 예열기 및 예비 소성기 내의 이산화황의 양을 감소시킨다. 반대로, 이산화황의 양을 감소시키면 방출량이 감소되고 장치 내 침적을 방지할 수 있다.
CaSO4로 반응을 이동시키는데 필요한 과량의 산소의 함량은 시스템에 유입되는 연료 및 원료물질 내의 황 함량 및 최종 산물의 성분이 될 수 있는 CaSO4함량(예를 들면, CaSO4의 최대 농도는 3%)에 따라 조절된다. 시멘트 클링커의 단위 톤당 공지된 연료의 연소율 및 연료 내 황의 농도를 사용하면, CaSO4로 전환될 수 있는 황의 양이 제어 박스에 의하여 계산될 수 있다. 원료물질 내에 황이 존재하는 경우에는 CaSO4로 전환될 수 있는 함량의 황이 첨가되어야만 한다. 1톤의 시멘트 클링커 최종 산물에 수용 가능한 CaSO4의 최대 함량인 3%를 사용하면, 제어 박스가 시멘트 클링커 내의 황 함량을 CaSO4의 형태로 측정하여 CaSO4의 침적 정도 및 SO2의 시스템 통과 정도를 결정한다. CaSO4가 시스템에서 분해되는 경우, 제어 박스는 시스템에서 황을 제거하는데 필요한 함량 이하의 시멘트 클링커의 황 함유량을 나타내기 때문에 배출기 모터의 속도를 증가시켜 회전로 내 산소의 함량을 증가시킨다. 시멘트 클링커 및 생성물 내의 황 함량은 분리된 황 분석기(77 및 79)에 의하여 측정된다. 보완책으로서, 회전로 유입구(55)에서 산소의 농도를 측정하고 제어 박스로 회전로 유입구의 산소 농도의 변동을 기록한다.
시스템 작동시, 버너에 사용된 연료가 8,000 kcal/kg의 열량값을 가지는 10% 황-함유 석유 코크스인 경우, 연료 연소량은 생성되는 클링커의 단위 미터톤당 대략 석유 코크스 100 kg이 될 것이다. 10%의 황-함유 석유 100 kg은 10 kg의 황을 함유하고 황:이산화황(SO2)의 중량비는 32:80이므로, 10 kg의 황이 반응하면 25 kg의 삼산화황이 형성될 수 있다.
25 kg의 삼산화황이 1 미터톤의 시멘트 클링커에 함유되는 겨우, 클링커는 2.5%의 삼산화황을 함유하게 되고, 이 농도는 국제 표준 규격에 따르는 값이다. 원료물질이 황을 함유하는 경우, 연료는 시멘트 클링커 내 삼산화황의 농도가 2.5 내지 3% 이상을 넘지 않는 소량의 황을 함유해야 한다.
시멘트 클링커 내 삼산화황의 농도가 감소한다는 것은 회전로 및 예비 소성기 내에 충분한 산소가 존재하며 황산칼슘이 분해되고 있다는 것을 의미하는 것이다. 따라서, 이를 바로잡기 위하여 제어기는 생성된 시멘트 클링커 내 황 농도값을 이용하여 출구라인(60)에서의 산소 농도에 따라 배출기의 속도를 증가시키고 3차 공기 덕트 라인 밸브를 차단해 추가의 공기를 회전로에 공급한다. 추가로 공급되는 공기중에 존재하는 산소는 황산칼슘의 분해 온도를 증가시켜 회전로 내 황산칼슘의 분해를 저하시키고 황산칼슘이 시멘트 클링커의 일부가 되게 한다. 결국, 시멘트 클링커 내의 삼산화황이 2.5%로 증가된다.
하기 청구항의 범위 내에서 다른 실시예가 실현될 수 있다.

Claims (17)

  1. 황 함량이 높은 연료를 사용하여 시멘트 클링커를 제조하는 방법에 있어서,
    a) 회전로(kiln) 내에서 황 함량이 높은 연료를 연소시키는 단계;
    b) 회전로의 유입구에 원료물질을 주입하는 단계;
    c) 연소 연료의 존재 하에서 회전로를 관통해 원료 물질을 통과시켜 원료 물질을 소결함으로써 소결된 물질을 제조하는 단계;
    d) 소결된 물질을 냉각시켜 시멘트 클링커를 제조하는 단계;
    e) 시멘트 클링커의 황 함량을 측정하는 단계; 및
    f) 측정된 황 함량을 기준으로 회전로 유입구에서 산소의 농도를 조절하는 단계
    를 포함하는 시멘트 클링커 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방법이 예비 소성기 내에서 연소되는 황 함량이 높은 연료를 사용하여 예비 소성기 내에서 원료물질을 예비 소성시키는 단계를 추가로 포함하는 시멘트 클링커 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 방법이 회전로 및 예비 소성기 유래의 연소가스를 사용하여 원료물질을 예열시키는 단계를 추가로 포함하는 시멘트 클링커 제조 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 방법이 예비 소성기 내 산소의 농도를 조절하는 단계를 추가로 포함하는 시멘트 클링커 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 방법이 예비 소성기 내에 환원 대기를 유지하도록 하여 NOx의 방출량을 감소시키는 단계를 추가로 포함하는 시멘트 클링커 제조 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    회전로 및 예비 소성기를 따라 공기를 흡입하는 배출기의 속도를 조절하여 회전로 및 예비 소성기 내 산소의 농도를 변경시키는 단계 및 냉각기와 예비 소성기 사이에 위치하는 밸브를 조절하여 예비 소성기 내 산소의 농도를 변경시키는 단계를 추가로 포함하는 시멘트 클링커 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 방법이 회전로 내 CaSO4의 분해 온도를 대략 1500℃ 이상으로 유지하고 회전로 내에서 CaSO4가 분해되지 않도록 산소 농도를 조절하는 단계를 추가로 포함하는 시멘트 클링커 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    연료가 10% 이하의 황을 함유하는 시멘트 클링커 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    시멘트 클링커가 시멘트를 제조하기 위하여 시멘트 클링커를 분쇄하는 동안에 석고를 첨가할 필요가 없도록 충분한 양의 황산칼슘을 함유하는 시멘트 클링커 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 방법이 시멘트 클링커 내의 SO3를 대략 3 중랴% 이하로 유지시키는 단계를 추가로 포함하는 시멘트 클링커 제조 방법.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 방법이 제조 공정시 SO2의 순환율을 80 kg/시 이하로 유지시켜 회전로, 사이클론, 및 사이클론 사이의 덕트의 내부에서 황산칼슘 및 아황산칼슘 침적물을 제거하는 단계를 추가로 포함하는 시멘트 클링커 제조 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 방법이 중간 촉매로서 아황산칼슘(CaSO3)을 사용하여 SO3를 생성시킴으로써 회전로 내 SO2의 농도를 감소시키는 단계를 추가로 포함하는 시멘트 클링커 제조 방법.
  13. 황 함량이 높은 연료 및 원료물질을 사용하여 시멘트 클링커를 제조하는 장치에 있어서,
    a) 원료물질을 소결시켜 소결된 물질을 제조하는 버너를 가지는 회전로;
    b) 소결 물질을 냉각시켜 시멘트 클링커를 제조하는 냉각기;
    c) 시멘트 클링커 내의 황 함량을 측정하는 황 분석기; 및
    d) 측정된 황 함량을 기준으로 회전로 내 산소의 농도를 조절하는 제어기
    를 포함하는 시멘트 클링커 제조 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 장치가 배출기를 추가로 포함하고, 제어기가 배출기의 속도 조절에 의하여 회전로 내 산소의 농도를 조절하는 시멘트 클링커 제조 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 장치가 원료물질이 회전로 내에서 소결되기 전에 예비 소성기의 버너에서 황 함량이 높은 연료를 사용하여 원료물질을 예비 소성시키는 예비 소성기를 추가로 포함하는 시멘트 클링커 제조 장치.
  16. 제13항에 있어서,
    원료물질이 회전로로 공급되기 전에 원료물질을 예열시키고 탈탄산하는 사이클론 서스펜션 예열기 시스템;
    회전로, 예비 소성기, 및 사이클론 서스펜션 예열기를 따라 공기를 흡입하는 배출기;
    시멘트 냉각기를 예비 소성기에 연결시켜 공기를 냉가기로부터 예비 소성기로 이동시키는 3차 공기 라인;
    예비 소성기로 이동하는 공기의 유량을 조절하는 3차 공기 라인 내의 3차 공기 라인 밸브; 및
    예비 소성기 내 산소의 농도를 측정하는 산소 분석기
    ―여기서 제어기는 예비 소성기 내 산소의 농도를 기준으로 3차 공기 라인 밸브의 위치를 조절하고 시멘트 클링커 내의 황 함량을 기준으로 배출기 모터의 속도를 조절함―
    를 추가로 포함하는 시멘트 클링커 제조 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    회전로의 입구에 산소 농도를 측정하는 산소 분석기
    시멘트 클링커 내의 황 함량을 측정하는 시멘트 클링커 냉각기의 출구에 위치한 한 쌍의 황 분석기;
    일산화탄소의 농도를 측정하는 배출기의 라인 내의 일산화탄소 분석기; 및
    시멘트 클링커 냉각기의 배출물에서 나온 가스로부터 분진을 제거하는 전기 집진기
    를 추가로 포함하는 시멘트 클링커 제조 장치.
KR1020007006066A 1997-12-02 1998-12-02 최종 생성물의 황 함량 분석을 통한 시멘트 클링커 제조의조절방법 KR20010032770A (ko)

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