KR20090097852A - Ｃｏ２ 방출이 제어되는 클링커 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원료 혼합물을 연소 가스에 의해 예열하는 단계; 원료 혼합물을 예비하소하는 단계; 및 예비하소된 원료 혼합물을 회전식 가마(rotary klin)에서 하소하는 단계를 실시하며, 여기서 예비하소 및 회전식 가마에서의 하소는 CO₂를 함유하는 연소 가스를 생성하고, 예비하소에 의해 생성된 연소 가스는 회전식 가마에서 하소에 의해 생성된 연소 가스와 혼합되지 않고 CO₂ 제거 처리되는 것인, 원료 혼합물로부터 클링커(clinker)를 제조하는 방법에 관한 것이다.

클링커, 예열, 예비하소, 하소, 연소 가스

Description

ＣＯ２ 방출이 제어되는 클링커 제조 방법{PROCESS FOR MANUFACTURING CLINKER WITH CONTROLLED CO2 EMISSION}

본 발명은 대기로의 CO₂ 방출이 제어되도록 할 수 있는 클링커(clinker) 제조 방법에 관한 것이다.

클링커 제조 방법은 철강 산업에서와 동일한 비율로 CO₂를 최대로 방출하는 산업 공정 중 하나이다. 이들 각각은 인공 CO₂ 방출량의 약 5％를 차지한다. 시멘트 산업에서 이러한 다량의 CO₂ 배출은 클링거 제조 공정 중 강력한 에너지 소비에 기인할 뿐만 아니라, 특히 매우 다량의 CO₂ (제조된 클링커 각 톤 당 메카니즘에 의해 생성된 CO₂ 0.5 톤)를 방출하는 석회석 하소 반응에 기인한다. 교토 의정서(Kyoto protocol) 골격 내 신규 규정의 도입은 이러한 의정서를 비준한 여러 국가가 기간마다 고정된 목적에 따라 상기 CO₂ 방출을 감소시키도록 요구한다. 단기 목적은 CO₂ 감소를 위한 주요 조치에 의해 비교적 용이하게 달성되는 것처럼 보이지만, 여전히 확립되어야 할 중장기 목적은 특히 시멘트 산업과 같은 산업에서 훨씬 더 제한적이 될 수 있다. 따라서 현재, 이들 향후 목적이 합당한 비용으로 달성되 도록 할 수 있으며 현재 부문의 실행가능성을 위험하게 하지 않는 기술적 해결책이 추구된다.

CO₂ 방출을 감소시키기 위해 시멘트 산업 설비와 관련하여 구상된 현재의 해결책은 2가지 유형이다. 우선, 합당한 비용으로 CO₂ 방출을 최대 15 내지 20％ 정도 감소시킬 수 있는 주요 조치는

- 탄소함유 연료 소비의 감소 (에너지 수율의 개선, 석유 코크스를 천연 가스로 치환)

- CO₂ 생성 주기와 관련하여 중립적으로 여겨지는 대안 연료 (바이오매스, 각종 폐기물)의 증가된 사용

- 시멘트 제조시 클링커의 대체물, 예컨대 화력 발전소의 비산회 및 고로의 슬래그 사용

으로 이루어진다.

불행하게도, 이들 기술은 CO₂를 15 내지 20％ 초과 정도로 감소시키는 잠재력을 갖지 않으며, 이들 해결책이 전체적으로 지속되도록 할 수 없는 논리적인 문제에 매우 자주 봉착한다.

두번째 조치는 현재, 훨씬 더 대규모인 50％ 초과로 CO₂ 방출을 감소시킬 기술을 도입하기 위해 연구되고 있다. 구상된 기술은 일반적으로 2가지 유형이다:

- 아민에 의한 세척 또는 흡착 또는 액화 공정 또는 멤브레인에 의해 공정에 서 연소 가스로부터 CO₂를 제거하는 방법 ("후-연소"라 지칭함),

- 연소 공정 동안 질소를 제거하여 기류를 CO₂로 농축시킬 수 있는 산소연소(oxycombustion) 방법. 이러한 방법으로, 상기 기류는 이후 연소 공기가 전체적으로 산소로 대체되는 경우 (수증기의 응축 후) 사실상 CO₂ 만으로 구성될 수 있거나, 또는 (상기 연소 공기의 부분적 치환의 경우) 충분히 CO₂가 농축되어 CO₂ 분리를 위한 기술을 보다 경제적으로 이용할 수 있다.

이러한 두번째 방법은 종종 다른 적용 분야 내에서 보다 제한된 규모로 거의 기술적으로 입증되어 있지만, 여전히 고비용이다.

본 발명의 목적은 본 방법에 의해 생성된 연소 가스가 회수되어 이로부터 CO₂를 유리한 비용으로 제거할 수 있도록 하는 클링커 제조 방법을 제공하는 것이다.

이를 위해, 본 발명은

- 원료를 연소 가스에 의해 예열하는 단계,

- 원료를 예비하소하는 단계,

- 예비하소된 원료를 회전식 가마(rotary kiln)에서 하소하는 단계

를 포함하며,

여기서 예비하소 및 회전식 가마에서의 하소는 CO₂를 함유하는 연소 가스를 생성하고, 예비하소에 의해 생성된 연소 가스는 회전식 가마에서 하소에 의해 생성된 연소 가스와 혼합되지 않고 CO₂ 제거 처리되는 것인

원료로부터 클링커를 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 방법의 예열, 예비하소 및 회전식 가마에서의 하소 3단계는 통상적인 클링커 제조 방법에 상응한다. 주재료 또는 원료는 주로 석회석 및 실리카로 이루어진다. 제1 단계 동안, 이러한 원료는 연소 가스에 의해, 예를 들어 원료가 고온 연소 가스와 접촉되는 사이클론의 상부에 원료를 도입함으로써 예열된다. 제2 단계 동안, 이러한 원료는 하기와 같이 예비하소된다: 연소에 의한 열의 형성으로, 예열된 원료의 부분적 하소가 반응식 CaCO₃ -> CaO + CO₂에 따라 수행된다. 예비하소 동안 생성된 가스는 일반적으로 제1 예열 단계 동안 원료를 예열하는 역할을 한다. 이들 연소 가스는 일반적으로 CO₂ 농도가 30 부피％ 이상이다. 제3 단계에서, 이들 예비하소된 재료는 회전식 가마를 통해 그의 경로를 계속하며, 여기서 매우 고온 (1450℃ 초과)에서 석회와 실리카 사이의 반응에 의해 클링커로 전환된다. 이러한 제3 단계에 필요한 열은 회전식 가마의 하단부 영역에서 연소에 의해 제공된다. 이러한 제3 단계는 또한 일반적으로 최대 15％의 농도로 CO₂를 함유하는 연소 가스를 생성한다.

본 발명에 따라, 제2 예비하소 단계에 의해 생성된 연소 가스는 회전식 가마에서 하소에 의해 생성된 연소 가스와 혼합되지 않고 CO₂ 제거 처리된다. 이러한 특징은, 회전식 가마에서 하소에 의해 생성된 가스가 예비하소 장치 및 원료의 예열 공간을 통해 상류로 순환하면서 예비하소로부터 나온 연소 가스와 혼합되는 종래 기술에서 사용된 특징과 상이하다. 본 발명에서, 회전식 가마에서의 하소 가스는 예비하소 장치로 전달되지 않는다. 반대로, 이들은 에너지 이용 대상을 형성한다. 따라서, 처음 두 단계는 제3 단계와 완전히 분리된다. 회전식 가마에서 하소에 의해 생성된 연소 가스는 제1 및 제2 단계 생성물과 접촉하지 않고 공정으로부터 바로 제거된다.

그러나, 회전식 가마에서 수행된 하소로부터의 연소 가스에 존재하는 열은 다양한 옵션에 따라 이용될 수 있다. 제1 옵션에 따라, 회전식 가마에서 하소에 의해 생성된 연소 가스의 적어도 일부는 간접적인 방식으로 원료를 예열할 수 있다. 제2 옵션에 따라, 회전식 가마에서 하소에 의해 생성된 연소 가스의 적어도 일부는 간접적인 방식으로 회전식 가마에 도입된 반응물을 예열할 수 있다. 이들 두 옵션에 따라, "간접적인 방식"은 회전식 가마에서 하소에 의해 생성된 연소 가스가 가열될 재료와 혼합되지 않고, 가스를 가열될 재료와 분리시키는 벽을 통해 예열이 수행되는 것을 의미하는 것으로 이해된다. 이들 두 옵션에 따른 간접적인 예열은 예비하소로부터의 연소 가스와 본 발명에 따른 회전식 가마로부터의 연소 가스의 혼합을 방지할 수 있게 한다. 간접적인 교환은 원료 또는 예비하소된 원료와 회전식 가마로부터 나온 연소 가스 사이에서 임의의 유형의 공지된 열 교환체에 의해 일어날 수 있다. 제3 옵션에 따라, 회전식 가마에서 하소에 의해 생성된 연소 가스의 적어도 일부는 보일러 또는 열 회수 장치에서 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 방법의 유리한 변법에 따라, 원료의 예비하소는 산소연소를 이용한다. 산소연소는 연료 및 산소 농도가 21％ 초과, 바람직하게는 25％ 초과인 산화제가 이용되는 연소를 의미하는 것으로 이해된다. 상기 산화제는 공기와 산소의 적합한 비율의 혼합물일 수 있다. 산소연소는 제1 및 제2 단계에서 연소 가스를 CO₂로 농축시킬 수 있다. 이러한 산소 연소로부터 생성된 가스 중 CO₂ 농도는 일반적으로 50 부피％ 초과이다.

이러한 변법의 바람직한 실시양태에 따라, 산소연소 동안 이용된 산화제는 순수 산소이다. 순수 산소는 90％ 이상의 산소를 함유하는 산화 기체를 의미하는 것으로 이해된다. 이용된 이러한 바람직한 수단은 응축 후 CO₂ 농도가 90％ 초과인 연소 가스를 수득할 수 있게 한다. 이어서, 상기 응축된 가스는 보다 강력한 CO₂ 제거 공정에 의한 처리를 필요로 하지 않는다. 이어서, 이들은 부분적으로 예비하소 단계에 재순환되어 처음 두 단계 내에서의 기류를 증가시키고 양호한 대류 열 교환 조건을 유지시킬 수 있다. 따라서, 본 발명은 또한 산소연소로부터 나온 가스가 응축되고, 응축된 가스가 적어도 부분적으로 원료의 예비하소에 재순환되는 경우를 포함한다. 원료의 부분적 하소가 자연히 CO₂ 농축된 기체 유출물을 생성하는 한, 연소용 산화제의 부분적 산소 농축은 급속히 예비하소 가스에서 매우 높은 농도의 CO₂를 달성할 수 있게 한다.

본 발명의 실시로 예열 및 예비하소 구역에서 나온 연소 가스를 CO₂로 농축시킬 수 있다. 따라서, 시멘트 가공에서 생성된 CO₂ 전체 부피의 50 내지 90％는, 예비하소 장치 및 예열기의 조립체에서, 유속이 종래 기술에 따른 시멘트 가공 유속의 절반 미만인 연소 가스의 흐름 내에 소집될 수 있다. 이러한 차이는 심지어 현재 기술 상태에서도 훨씬 더 유리하게 연소 가스로부터 CO₂를 제거하는 공정을 이용하는데, 이는 제거 공정이 이러한 방법으로 일반적으로 적어도 40 부피％ 초과인 보다 높은 CO₂ 농도에서 보다 낮은 유속을 다루기 때문이다.

예비하소 동안 산소연소를 이용하는 방법의 변법에 따라, 연소 가스로부터 CO₂를 제거하는 공정의 비용은 일반적으로 적어도 50 부피％ 초과인 보다 높은 CO₂ 농도 및 가스의 감소된 유속 때문에 훨씬 낮다.

Claims (7)

1. - 원료를 연소 가스에 의해 예열하는 단계,

   - 원료를 예비하소하는 단계,

   - 예비하소된 원료를 회전식 가마(rotary kiln)에서 하소하는 단계

   를 포함하며,

   여기서 예비하소 및 회전식 가마에서의 하소는 CO₂를 함유하는 연소 가스를 생성하고, 예비하소에 의해 생성된 연소 가스는 회전식 가마에서 하소에 의해 생성된 연소 가스와 혼합되지 않고 CO₂ 제거 처리되는 것을 특징으로 하는

   원료로부터 클링커(clinker)를 제조하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 회전식 가마에서 하소에 의해 생성된 연소 가스의 적어도 일부가 간접적인 방식으로 원료를 예열하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 회전식 가마에서 하소에 의해 생성된 연소 가스의 적어도 일부가 간접적인 방식으로 회전식 가마에 도입된 반응물을 예열하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 회전식 가마에서 하소에 의해 생 성된 연소 가스의 적어도 일부가 보일러 또는 열 회수 장치에 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 원료의 예비하소가 산소연소(oxycombustion)를 이용하는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제5항에 있어서, 산소연소 동안 이용된 산화제가 순수 산소인 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 산소연소로부터 나온 가스가 응축되고, 응축된 가스가 적어도 부분적으로 원료의 예비하소에 재순환되는 것을 특징으로 하는 방법.