KR20100130443A - 폐 부산물을 이용한 시멘트 클링커 제조용 연료 조성물 및 이를 이용한 시멘트 클링커의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유연탄 45~99중량%, 석유코크 0.1~25중량%, 중유회 0.1~10중량% 및 건조 슬러지, 톱밥 또는 이들의 혼합물 0.1~20중량%를 함유하는 폐기물을 이용한 시멘트 클링커 제조용 연료 조성물 및 이를 이용한 시멘트 클링커의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 대부분 매립에만 의존하고 극히 일부분만이 재활용되고 있는 중유회 및 건조 슬러지와, 복합발전소 등의 에너지원으로 사용되지만 2차 오염을 유발하는 석유코크 및 톱밥 등을 시멘트 클링커 제조공정에서 소성용 보조연료로 사용하여 에너지를 회수하고, 연소 후 남는 재(ash)도 전량 시멘트 원료로 활용하여 폐 부산물을 효율적으로 재활용하여 녹색성장에 기여하는 효과가 있다.

시멘트, 클링커, 석유코크, 중유회, 건조 슬러지, 톱밥

Description

폐 부산물을 이용한 시멘트 클링커 제조용 연료 조성물 및 이를 이용한 시멘트 클링커의 제조방법{Fuel composition for producing cement clinker using waste materials and producing process of cement clinker}

본 발명은 폐 부산물을 이용한 시멘트 클링커 제조용 연료 조성물 및 이를 이용한 클링커의 제조방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로 시멘트 클링커의 소성시에 주 연료원으로 사용되는 유연탄의 일부를 석유코크, 중유회 및 건조 슬러지 및/또는 톱밥과 같은 산업 폐 부산물로 대체하여 폐 부산물을 재활용하여 환경친화적인 시멘트 클링커 제조용 연료 조성물 및 이를 이용한 시멘트 클링커의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 시멘트 반제품인 클링커는 유연탄과 같은 화석연료를 주요 연료로 사용하여 제조된다. 그러나, 이러한 화석연료의 사용은 환경친화적이지 못하므로 이의 사용을 감소시키고자 하는 시도가 있었다.

예를 들어, 특허문헌 1에서는 벙커씨유를 연료로 사용하는 산업용 보일러, 발전설비 등에서 발생되는 검뎅(중유회)을 시멘트 클링커의 SO₃ 성분의 공급원료 및 소성용 보조열원으로 사용하는 방법을 개시하고 있다.

그러나 상기 방법은 중유회 만을 재활용 대상으로 할 뿐만 아니라, 그 처리량 또한 소량이므로 재활용량이 극히 제한적일 수밖에 없다.

특허문헌 1: 한국 등록특허 제10-0860122호

이에 본 발명에서는 중유회 뿐만 아니라 산업 폐 부산물로 특별한 재활용의 용도를 찾지 못하던 석유코크 및 건조 슬러지 및/또는 톱밥 등의 혼합비율을 조정하고, 클링커 제조공정상에 투입속도 등을 조절하면, 기존의 시멘트 클링커의 주요 연료인 유연탄을 상당량 대체할 수 있음을 발견하였고, 본 발명은 이에 기초하여 완성되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 석유코크, 중유회, 건조 슬러지 및/또는 톱밥 등과 같은 폐 부산물을 함유하는 시멘트 클링커 제조용 연료 조성물을 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 연료 조성물을 이용하여 시멘트 클링커를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 폐 부산물을 이용한 시멘트 클링커 제조용 연료 조성물은 유연탄 45~99중량%, 석유코크 0.1~25중량%, 중유회 0.1~10중량% 및 건조 슬러지, 톱밥 또는 이들의 혼합물 0.1~20중량%를 함유하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 연료 조성물에 있어서, 상기 건조 슬러지의 첨가량은 0.1~10중량%이고, 상기 톱밥의 첨가량은 0.1~10중량%인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 연료 조성물에 있어서, 상기 연료 조성물의 평균 입자 크기가 5㎜ 이하의 분말 또는 과립인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 폐 부산물을 이용한 시멘트 클링커의 제조방법은 예열탑 버너 및 킬른 버너를 이용하여 시멘트 클링커를 제조하는 방법에 있어서, 유연탄 45~99중량%, 석유코크 0.1~25중량%, 중유회 0.1~10중량% 및 건조 슬러지, 톱밥 또는 이들의 혼합물 0.1~20중량%를 함유하는 연료 조성물을 제공하는 단계; 상기 연료 조성물을 함께 또는 개별적으로 평균 입자 크기가 5㎜이하의 분말 또는 과립 형태로 분쇄하는 단계; 및 상기 분쇄된 연료 조성물을 시멘트 클링커 제조용 킬른 버너에 30~40m/s의 속도로 투입시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 시멘트 클링커의 제조방법에 있어서, 상기 분쇄된 연료 조성물의 투입량은 시멘트 클링커에 대하여 11~15중량%인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 시멘트 클링커의 제조방법에 있어서, 상기 방법은 상기 분쇄된 연료 조성물을 예열탑 버너에도 투입시키는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 대부분 매립에만 의존하고 극히 일부분만이 재활용되고 있는 중유회 및 건조 슬러지와, 복합발전소 등의 에너지원으로 사용되지만 2차 오염을 유발하는 석유코크 및 톱밥 등을 시멘트 클링커 제조공정에서 소성용 보조연료로 사용 하여 에너지를 회수하고, 연소 후 남는 재도 전량 시멘트 원료로 활용하여 폐 부산물을 효율적으로 재활용하여 녹색성장에 기여하는 효과가 있다.

이하 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 시멘트 클링커 제조용 연료 조성물은 유연탄, 석유코크, 중유회 및 건조 슬러지, 톱밥 또는 이들의 혼합물을 함유한다. 이러한 연료 조성물은 시멘트 클링커 제조공정이 일정한 온도 수준으로 유지되도록 연소를 하여야 한다.

상기 연료 조성물의 구성성분의 연료 특성은 하기 표 1과 같다.

구분	단위	천연자원	폐 부산물
연료종류		유연탄	석유코크	중유회	건조 슬러지	톱밥
발열량(LHV)	㎉/㎏	5,500~7,000	7,500~8,500	약 4,600	2,800~4,300	약 3,500

상기 석유코크(petroleum coke 또는 petcoke)는 석유 정제 후 남은 탄소성분 95%의 찌꺼기로서, 주로 가스화 복합발전의 에너지원으로 사용되지만 대기오염과 같은 2차 오염을 유발하는 경향이 있다.

본 발명에서는 이러한 석유코크를 발열량이 높기 때문에 클링커 제조공정에 일정한 온도 수준이 유지되도록 하는 열원과 황(S)의 공급원으로 사용한다. 황은 클링커의 주성분인 석회석의 알카리 성분과 결합하여 휘발되지 않도록 고정시키는 역할을 하므로 클링커 제조공정에 필요한 요소이다.

본 발명에서는 석유코크를 90㎛이하(휘발분의 %에 따라 차이가 있지만, 보통 잔분 약 10~14%)의 입자 형태로 분쇄하여 사용하는데, 이는 다른 성분과 혼합 효율과 킬른 버너에 투입시 투입 효율성을 위해 바람직하기 때문이다.

상기 석유코크의 사용량은 0.1~25중량%가 바람직하며, 0.1중량% 미만이면 유연탄의 대체 효과가 미미하며, 25중량%를 초과하면 제조공정에 필요 이상으로 황이 공급되어 공정에 사용되는 설비 내부에 휘발성분과 원료 성분이 화학적으로 결합하여 코팅층을 형성하는 현상인 빌드-업(build-up) 현상을 초래하여 원료의 흐름을 방해하는 문제점이 있다.

상기 중유회(oil ash)는 벙커씨유를 연료로 사용하는 산업용 보일러, 발전설비 등에서 발생되는 검뎅으로서, 발생처의 설비 효율과 사용연료에 따라 열량의 산포가 있으며, 자체 겉보기비중이 0.2이하로 낮고, SO₃성분이 5~30중량%로 높아 일반적인 연소로에서는 열원으로 사용할 수 없는 미세한 분진상태의 폐기물이다.

본 발명에서는 상기 중유회를 미세한 분진 상태로 0.1~10중량%를 사용하며, 그 사용량이 0.1중량% 미만이면 유연탄의 대체 효과가 미미하며, 10중량%를 초과하면 제조공정에 필요 이상으로 황이 공급되어 공정에 사용되는 설비 내부에 빌드-업 현상을 초래하여 원료의 흐름을 방해하는 문제점이 있다.

상기 건조 슬러지(Dry sludge)는 오폐수의 처리과정에서 발생하는 슬러지를 탈수하여 건조시킨 것으로, 건조 슬러지는 현재까지는 대량으로 재활용할 수 있는 방법이 없어 발생량의 대부분을 매립으로 처리하고 있는 실정이며, 본 발명에서는 평균 입자크기가 5㎜이하의 입자 형태로 사용한다.

상기 톱밥(Saw dust)은 톱으로 켜거나 자를 때에 나무 따위에서 쓸려 나오는 가루로서, 이러한 톱밥은 재활용이 가능하다. 그러나, 도료 또는 니스 등으로 코팅되었던 목재들로부터 얻은 톱밥은 재활용시 2차 오염을 유발할 수 있다. 본 발명에서는 이러한 톱밥을 5㎜이하의 입자 형태로 사용한다.

본 발명에 따르면, 상기 건조 슬러지, 톱밥 또는 이들의 혼합물은 0.1~20중량%의 범위로 사용될 수 있다. 상기 성분의 사용량이 0.1중량% 미만이면 유연탄의 대체 효과가 미미하며, 이들의 사용량이 20중량%를 초과하면 전반적으로 전체 조성물의 열량이 떨어지는 경향이 있다. 상기 건조 슬러지 또는 톱밥은 각각 0.1~10중량%의 범위로 사용되는 것이 열량과 재활용 측면에서 바람직하다.

본 발명의 연료 조성물에 있어서, 상기 성분 외에 나머지 성분은 유연탄으로서, 이의 사용량이 45중량% 미만이면 시멘트 반제품인 클링커를 생산하기 위해 요구되는 필요한 온도 수준을 조절하기가 어려운 경향이 있다.

한편, 도 1은 본 발명에 따른 방법에 의해 폐 부산물을 시멘트 소성로에 투입하는 일 실시 예를 나타낸 개략도이고, 도 2는 본 발명에 따른 방법에 의해 폐 부산물을 시멘트 소성로에 투입하는 다른 실시 예를 나타낸 개략도이다.

상기 소성로는 크게 분쇄기(10), 예열탑 버너(20), 킬른 버너(30), 킬른(40) 및 냉각기(50)로 구성된다.

도 1을 참조하면, 건조 슬러지, 중유회, 톱밥 등은 대체로 일정 입도 분포를 갖는 과립 또는 미립의 분으로 되어 있고 동시에 일정 수준 이상의 열량을 가진다.따라서, 킬른 버너(30)에 투입 전에 분쇄기(10)에서 분쇄를 통하여 주 연료와 동일한 정도로 미립화시키거나, 또는 일정 수준(5㎜이하) 이하의 크기 이하인 경우에는 분쇄과정 없이 고상의 폐기물을 사용하도록 디자인된 킬른 버너(30)에 유연탄 및 석유코크의 분말과 혼합하여 투입한다.

상기 평균 입자 크기는 다른 성분과의 혼합 효율과 킬른 버너(30)에 투입시 투입 효율성을 위해 5㎜이하로 제어하는 것이 바람직하다.

한편, 도 2를 참조하면, 톱밥 및 중유회는 건조 슬러지와 용중 차이로 인하여, 저장시설로부터 인출할 때 분리되는 현상을 개선하기 위하여 2기의 저장 시설로 분리 저장할 수 있고, 사용시에 동시 인출하여 킬른 버너(30)에 투입할 수 있다.

차량으로 운반된 폐 부산물(중유회 및 건조 슬러지 및/또는 톱밥)들은 반입 파이프(미도시)를 통하여 저장 호퍼(미도시)에 입고된 후 하부에 설치된 정량 공급기(미도시)에 의하여 킬른 버너(30)로 일정량 투입된다.

야적된 유연탄 및 석유코크는 분쇄기(10)에 투입하여 혼합 분쇄한 후 시멘트 소성로의 주연료 연소장치인 킬른 버너(30)에 투입하고, 선택적으로 예열탑 버너(20)에 투입할 수 있다. 이때, 소성로의 형태에 따라 소성용 버너의 위치가 조금씩 다르며, 본 발명은 모든 형태의 소성용 버너에 모두 사용 가능하다.

아울러, 주 연료인 유연탄(coal)과 상술한 성분들과 함께 투입하여 균일한 연소 상태를 유지하기 위해서는 킬른 버너(30)에서의 투입 위치와 투입 속도를 조절하여야만 유연탄 만을 사용하여 클링커를 생산할 때와 같은 품질의 클링커를 얻을 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따르면, 본 발명의 연료 조성물을 소성 공정의 킬른 버너(30)로 투입할 경우, 버너(30) 채널의 중간 부분에 튜브를 반경 약 80㎜이상으로 만들어 투입하며, 투입속도는 30~40m/s, 투입온도는 40℃이하로 하여 화염의 세기 등을 조절하는 것이 매우 중요하다.

상기 분쇄된 연료 조성물의 투입량은 시멘트 클링커에 대하여 11~15중량%이 바람직하며, 11중량% 미만이면 상대적으로 열량이 낮은 산업 폐 부산물의 사용량이 제한되고, 15중량%를 초과하면 혼합 미분말의 연료의 열량이 저하되는 경향이 있다.

이와 같이, 본 발명은 대부분 매립에만 의존하고 극히 일부분만이 재활용되고 있는 중유회 및 건조 슬러지와 복합발전소 등의 에너지원으로 사용되지만, 2차 오염을 유발하는 석유코크 및 톱밥 등을 시멘트 클링커 제조공정에서 소성용 보조연료로 사용해 에너지를 회수하고, 연소 후 남는 재도 전량 시멘트 원료로 재활용하여 폐 부산물을 효율적으로 재활용하여 녹색성장에 기여하는 효과가 있다.

이하 실시 예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보지만, 하기 예에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다

실시 예 1

하기 표 2와 같은 특성을 갖는 시멘트 클링커용 연료 조성물을 표 2에 기재된 양으로 혼합하여 평균 입자크기를 5㎜이하로 분쇄하여, 도 1에 도시된 바와 같은 시멘트 클링커 제조용 소성로에 투입하였다. 투입량은 시멘트 클링커에 대하여 13중량%를 버너 채널의 중간 부분의 반경 80㎜의 튜브로 투입하며, 투입속도는 30~40m/s, 투입온도는 40℃이하로 하였다.

구분	단위	천연자원	폐 부산물
연료종류		유연탄	석유코크	중유회	건조 슬러지	톱밥
발열량(LHV)	㎉/㎏	5,500~7,000	7,500~8,500	약 4,600	2,800~4,300	약 3,500
혼합량	중량%	70	10	10	5	5

※ 발열량: PARR사의 모델인 Bomb법에 의한 발열량측정기 사용.

상기 실시 예 1에 따른 결과, 발열량은 5,935㎉/㎏이었고, 클링커 중 SO₃ 성분변화는 0.74중량%에서 0.80중량%로 약 0.06중량%가 증가하였고, 미반응된 CaO(f-CaO) 성분은 1.2±0.3% 수준이었다.

클링커의 성분변화 분석에 있어서, 시료는 매 시험마다 투입 전, 후 8시간 동안 각 2시간 간격으로 생산되는 클링커를 채취하였고, 채취한 클링커는 XRF로 화학성분을 분석하였다.

또한, 미반응된 CaO(f-CaO) 성분은 시멘트의 주성분인 석회석(CaCO₃)을 소성하면 CaO + CO₂로 분해되고, CaO는 다시 클링커 광물로 재결합하는데, 이때 소성도의 품질관리 인자중 하나가 미 반응된 CaO(f-CaO)이며, f-CaO가 0.9~1.5%로 유지되면, 소성 공정이 안정화되었다고 판단할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 방법에 의해 폐 부산물을 시멘트 소성로에 투입하는 일 실시 예를 나타낸 개략도이다.

도 2는 본 발명에 따른 방법에 의해 폐 부산물을 시멘트 소성로에 투입하는 다른 실시 예를 나타낸 개략도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10: 분쇄기(또는 콜밀) 20: 예열탑 버너

30: 킬른 버너 40: 킬른

50: 냉각기

Claims (6)

1. 유연탄 45~99중량%, 석유코크 0.1~25중량%, 중유회 0.1~10중량% 및 건조 슬러지, 톱밥 또는 이들의 혼합물 0.1~20중량%를 함유하는 것을 특징으로 하는 폐기물을 이용한 시멘트 클링커 제조용 연료 조성물.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 건조 슬러지의 첨가량은 0.1~10중량%이고, 상기 톱밥의 첨가량은 0.1~10중량%인 것을 특징으로 하는 폐기물을 이용한 시멘트 클링커 제조용 연료 조성물.
3. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 연료 조성물의 평균 입자 크기가 5㎜이하의 분말 또는 과립인 것을 특징으로 하는 폐기물을 이용한 시멘트 클링커 제조용 연료 조성물.
4. 예열탑 버너 및 킬른 버너를 이용하여 시멘트 클링커를 제조하는 방법에 있어서,

   청구항 1 또는 청구항 2에 따른 연료 조성물을 제공하는 단계;

   상기 연료 조성물을 함께 또는 개별적으로 평균 입자 크기가 5㎜이하의 분말 또는 과립 형태로 분쇄하는 단계; 및

   상기 분쇄된 연료 조성물을 시멘트 클링커 제조용 킬른 버너에 30~40m/s의 속도로 투입시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물을 이용한 시멘트 클링커의 제조방법.
5. 청구항 4에 있어서, 상기 분쇄된 연료 조성물의 투입량은 시멘트 클링커에 대하여 11~15중량%인 것을 특징으로 하는 폐기물을 이용한 시멘트 클링커의 제조방법.
6. 청구항 4에 있어서, 상기 방법은 상기 분쇄된 연료 조성물을 예열탑 버너에도 투입시키는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물을 이용한 시멘트 클링커의 제조방법.

Images