KR20140033398A - 탈탄 방법 - Google Patents

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KR20140033398A
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solid
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KR1020137032697A
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Inventor
미셸 지멘느
메흐르드지 에마띠
Original Assignee
라파르쥐
상뜨르 나쇼날 드 라 러쉐르쉬 샹띠피끄(씨엔알에스)
엥스띠뛰 나씨오날 뽈리떼끄니끄 드 뚤루즈
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Abstract

본 발명은 시멘트 플랜트에서의 클린커링 가마에서 연소될 원료 입자들의 탈탄 방법에 관한 것으로, 상기 입자는 200 ㎛ 체에 대한 입자의 보유율이 2 질량% 미만이고 90㎛ 체에 대한 입자의 보유율이 20 질량% 미만이도록 입자 크기 분포를 가지며, 상기 탈탄 방법은: a) 이산화탄소를 포함하는 상승하는 캐리어 가스 내에 부유하는 원료 입자를, 상기 캐리어 가스에 대해 역류 순환하는 고체 열매체를 구비하는 유동층 열 교환기에서 탈탄하여, 이산화탄소 및 탈탄된 원료를 포함하는 배출 가스를 제공하는, 상기 탈탄 단계; b) 상기 배출 가스와 상기 탈탄된 원료를 분리하는 단계; c) 상기 배출 가스를 제 1 부분 및 제 2 부분으로 분리하고, 상기 배출 가스의 상기 제 1 부분을 냉각시키고 재순환시켜, 캐리어 가스를 제공하는 단계; d) 상기 배출 가스의 상기 제 2 부분을 격리하는 단계; 및 e) 상기 고체 열매체를 회수 및 재가열하여 단계 a) 로 재순환시키는 단계를 포함한다.

Description

탈탄 방법{DECARBONATION PROCESS}
본 발명은 수경성 바인더의 분야, 특히 시멘트에 관한 것이다. 본 발명은 이산화탄소가 풍부한 배출 가스를 얻을 수 있는 신규의 방법에 관한 것이다.
표준 클린커 (clinker) 의 생산 방법은 클린커 1 톤당 820㎏ 의 이산화탄소의 배출을 나타낸다. 이러한 배출은 이하의 방식으로 나눠진다: 535㎏, 즉 65.2 질량% 는 원재료 내의 탄산염의 해리로부터 생산되고, 285㎏, 즉 34.8 질량% 는 연료 내의 탄소의 산화로부터 생산된다.
예를 들어 이산화탄소를 포획함으로써 시멘트 플랜트 내의 이산화탄소의 방출을 감소시키기 위하여 수개의 기술들이 공지되어 있다. 연소 후에 이산화탄소의 포획은, 예들 들어 침니 (chimney) 에서 나오는 가스가 처리되는 공지된 기술이다. 일반적으로, 처리는 용매, 예를 들어 아민을 이용하여 실행된다. 이러한 방법의 이점은 클린커의 생산 방법의 수정을 유발하지 않는 것이다. 하지만, 이러한 방법은 번거로운, 값비싼 그리고 매우 에너지 소비적인 장치를 포함하는 수개의 단점들을 가진다.
또한, 산소-연소에 의한 이산화탄소의 포획 기술은 공지되어 있다. 이러한 방법에서, 연소용으로 사용된 공기는 이산화탄소가 농축된 연소 가스를 생성할 수 있는 산소가 풍부한 가스 혼합물에 의해 대체된다. 그 후, 이산화탄소와 수증기를 분리하는 것이 용이해진다. 하지만, 이러한 방법이 나타내는 문제점은 추가의 장비를 통합시킴으로써 기존의 방법을 적응시키는 것이 필요하다는 것이다. 게다가, 기술적으로 복잡하고 값비싼 산소가 풍부한 가스 혼합물을 생성하는 것이 필요하다.
또한, 시멘트 플랜트에서의 클린커링 가마 (clinkering kiln) 에 의해 생성되는 연기는 하소될 제품과 접촉하지 않는, 직접 또는 간접 가열에 의한 하소 (calcination) 기술이 공지되어 있다. 이점은 이산화탄소의 거의 순수한 유동이 얻어질 수 있다는 것이다. 이 경우, 예를 들어 필요한 열은 가스 열매체 또는 벽을 통한 열 전도에 의해 제공될 수 있다. 가스 열매체 또는 벽을 통한 열 전도 모두는 매우 효과적이지 않고 특히 두 번째의 경우에 설치가 번거롭다.
본 발명자들은 전술한 문제점 및 단점을 극복하는 탈탄 공정을 발견하였다. 따라서, 본 발명은, 시멘트 플랜트에서의 클린커링 가마에서 연소될 원료 입자들의 탈탄 방법을 제공하고, 상기 입자는 200 ㎛ 체에 대한 입자의 보유율이 2 질량% 미만이고 90 ㎛ 체에 대한 입자의 보유율이 20 질량% 미만이도록 입자 크기 분포를 가지며, 상기 탈탄 방법은:
a) 이산화탄소를 포함하는 상승하는 캐리어 가스 (carrier gas) 내에 부유하는 원료 입자를, 상기 캐리어 가스에 대해 역류 순환하는 고체 열매체 (solid heat carrier) 를 구비하는 유동층 열 교환기에서 탈탄하여, 이산화탄소 및 탈탄된 원료를 포함하는 배출 가스를 제공하는, 상기 탈탄 단계;
b) 상기 배출 가스와 상기 탈탄된 원료를 분리하는 단계;
c) 상기 배출 가스를 제 1 부분 및 제 2 부분으로 분리하고, 상기 배출 가스의 상기 제 1 부분을 냉각시키고 재순환시켜, 캐리어 가스를 제공하는 단계;
d) 상기 배출 가스의 상기 제 2 부분을 격리하는 단계; 및
e) 상기 고체 열매체를 회수 및 재가열하여 단계 a) 로 재순환시키는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 방법은, 역류 유동하는 고체-고체-가스 유동층을 이용하는 원리에 기반한 방법에 의해, 탄산칼슘의 탈탄으로부터 주로 생성되는 실질적으로 순수한 이산화탄소의 유동의 생산을 포함한다. 이러한 방법은 이산화탄소가 풍부한 (예를 들어 90 ~ 95 부피%) 배출 가스를 생성하기 위하여 시멘트 생산 플랜트 내에 직접 통합될 수 있고, 따라서 예를 들어 후속하는 이송 및 지질학적 저장을 위해 부과된 기준을 만족시킨다.
본 발명은 하나 이상의 이하의 이점들을 나타낼 수 있다.
본 발명에 따른 장치를 빠져나오는 배출 가스는 예를 들어 90 ~ 95 부피% 의 이산화탄소의 상당한 농도를 포함한다.
역류 작동하는 시스템은 우수한 효율의 열 교환을 제공한다.
본 발명에 따른 장치의 우수한 효율은 일반적으로 상기 장치의 방해를 감소시킨다.
본 발명에 따른 장치는, 현존하는 시멘트 플랜트에 쉽게 통합될 수 있다.
본 발명에 따른 장치에 대한 작동 조건의 유연한 조정은 이점이 될 수 있다.
본 발명의 방법의 단계는 연속적으로 그리고/또는 동시에 실행될 수 있다.
또한, 캐리어 가스의 이산화탄소가 예를 들어 탄산 마그네슘 (MgCO3), 탄산 칼륨 (K2C03) 또는 탄산 나트륨 (Na2C03) 의 탈탄으로부터 생성될 수 있다는 것을 주목해야 한다.
일반적으로 원료는 예를 들어 클린커를 생성하기 위하여 시멘트 플랜트에서의 클린커링 가마에 도입되도록 의도되는 석회암 및 점토를 포함하는 원재료의 혼합물이다.
일반적으로, 고체 열매체는, 고체 열매체의 열을 방출하고 열 교환기 내의 다른 요소와 접촉시킴으로써 상기 요소를 가열하기 위하여 열 교환기 또는 반응기 내에 도입되기 이전에 가열되는 입자의 형태인 고체 재료이다. 고체 열매체는 상이한 유형의 재료를 포함할 수 있다. 적합하게는, 고체 열매체는 클린커, 알루미나, 예컨대 커런덤, 또는 실리카, 예를 들어 석영의 입자를 포함한다. 바람직하게는, 고체 열매체는 클린커 입자를 포함한다.
적합하게는, 고체 열매체의 입자는 300 ~ 600 ㎛ 의 평균 크기를 가진다.
적합하게는, 고체 열매체의 입자는 2,000 ~ 4,500 ㎏/㎥ 의 밀도를 가진다. 적합하게는, 입자는, 900℃ 에서 측정될 때, 800 ~ 1,500 J/(㎏℃), 바람직하게는 900 ~ 1,300 J/(㎏℃), 특히 900 ~ 1,100 J/(㎏℃) 의 열 용량을 갖는다.
고체 입자가 고체 입자의 융점 미만이지만 고체 입자의 소결 온도 초과인 온도로 가열되는 때에, 고체 입자는 접촉하는 경우에 서로 부착될 수 있다. 본 발명에 따른 방법에서 사용된 고체 열매체의 입자가 방법에서 사용되는 온도에서 서로 실질적으로 부착되지 않는 것을 이해해야 한다. 고체 열매체가 본 발명에 따른 방법에서 공급되는 최고 온도는 단계 e) 에서의 재가열 온도이다. 일반적으로, 고체 열매체는 단계 e) 의 재가열 동안 약 1,200 ℃ 이하, 바람직하게는 980 ~ 1,150 ℃, 예를 들어 약 1,100 ℃ 의 온도로 재가열된다.
일반적으로, 캐리어 가스는 입자상 재료의 입자를 유동화시킬 수 있도록, 즉 가열될 또는 화학적으로 변환될 입자상 재료의 입자를 부유시키거나 동반할 수 있도록 하는 속도로, 열 교환기 또는 반응기 내에서 순환하는 가스이다.
일반적으로, 역류 유동층 열 교환기/반응기는 2 개의 고체상, 즉 상승하는 것 (원료) 과 원료에 대해 역류 순환하는 것 (고체 열매체) 사이에서 열을 교환할 수 있는 장치이다. 이산화탄소를 포함하여 상승하는 캐리어 가스는 상기 상들을 운반하여 부유시킨다. 본 발명에 따라, 원료 내의 탄산칼슘은 이러한 교환기/반응기 내에서 CaO 및 C02 로 실질적으로 완전하게 전환될 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 방법에서, 단계 c) 에서의 배출 가스의 제 1 부분은 단계 b) 에서의 전체 배출 가스의 약 10 부피% 를 포함하고, 단계 c) 및 d) 에서의 배출 가스의 제 2 부분은 단계 a) 에서의 전체 배출 가스의 약 90 부피% 를 포함한다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 방법에서, 열 교환기의 평균 온도는 980 ~ 1,150 ℃ 이다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 방법에서, 탈탄 단계 a) 를 위해 열 교환기 내에서 원료 입자의 잔류 시간은 약 3.5 초 미만, 바람직하게는 약 3 초 미만이다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 방법에서, 단계 c) 에서의 이산화탄소를 포함하는 배출 가스의 제 1 부분의 냉각은 예를 들어 사이클론 교환 시스템에서 원료를 예열하기 위하여 사용된다.
단계 e) 에서의 고체 열매체의 재가열은 당업자에게 공지된 임의의 적절한 반응기 내에서 실행될 수 있다. 바람직한 반응기는 바람직하게는 밀집상 유동층 반응기 또는 이동층 반응기이다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 방법에서, 원료 입자는 단계 a) 에서의 탈탄 이전에 600 ~ 700 ℃ 의 온도로 가열된다.
또한, 본 발명은 탈탄 장치에 관한 것으로 탈탄 장치는:
하부에
- 탈탄될 원료 입자를 공급하는 수단;
- 300 ~ 600 ㎛ 의 평균 크기를 갖는 입자를 바람직하게는 포함하는 고체 열매체를 방출하는 수단;
- 이산화탄소를 포함하는 캐리어 가스를 공급하는 수단
상부에
- 탈탄된 원료 입자를 방출하는 수단;
- 고체 열매체를 공급하는 수단;
- 탈탄 동안 생성되는 이산화탄소를 포함하는 배출 가스의 유동을 방출하는 수단;
을 포함하는 역류 유동층 열 교환기:
상기 고체 열매체를 방출하는 수단으로부터 상기 고체 열매체를 공급하는 수단으로 수용되는 상기 고체 열매체를 가열하는 수단;
상기 배출 가스의 제 2 부분의 이산화탄소를 냉각시키는 수단; 및
이산화탄소를 격리시키는 수단
을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 장치에서, 열 교환기는 단면 감소부 및/또는 배플을 포함한다. 본 발명 및 관련된 청구 범위에서, 용어 《하나 (one)》는 《하나 이상》을 의미한다는 것을 이해해야 한다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 장치를 포함하는 시멘트 플랜트에 관한 것이고, 탈탄된 원료는 클린커링 가마에 공급된다.
도 1 은 고체 열매체 (4) 에 의한 가열 원리를 나타낸다.
도 2 는 고체 열매체 (4) 에 의한 가열 원리를 나타낸다.
도 3 은 본 발명에 따른 장치의 일 실시형태의 일 예의 통상적인 다이어그램을 나타낸다.
도 4 는 단면 감소부 (17) 를 포함하는 본 발명에 따른 장치의 일 예의 다이어그램을 나타낸다.
도 5 는 시멘트 플랜트에서의 본 발명에 따른 장치의 통합의 일 예의 통상적인 다이어그램을 나타낸다.
방법의 설명
클린커의 생산 방법의 특성으로 인해, 본 발명에 따른 이산화탄소를 농축시키기 위한 제안된 시스템은 공지된 방법과 근본적으로 상이하다. 이는 이하의 결과를 기반으로 한다: 생성되는 클린커의 1 톤당 방출된 이산화탄소 820 ㎏ 중에, 535 ㎏ 는 탄산칼슘의 탈탄으로부터 주로 생산되고, 285 ㎏ 는 연료, 예를 들어 석탄의 연소로부터 생산된다. 탈탄은 전적으로 열 현상이다. 탄산칼슘이 간접 가열에 의해 하소되는 인클로저 내에서 하소 반응을 실행함으로써 거의 순수한 이산화탄소의 유동을 생성할 수 있다.
원리
도 1 및 도 2 에 도시된, 본 발명에 따른 방법 및 장치는 2 개의 상호 반응 섹션, 즉 《연소기》 및 《하소기》를 포함하는 유동층 교환기-반응기의 사용을 기반으로 한다.
하소기의 설명
하소기는 탈탄 프로세스가 일어나는 구역이다. 바람직하게는, 고체 열매체에 의해 이러한 구역 내에서 방출되는 열이 980 ~ 1,150 ℃ 의 평균 온도를 유지할 수 있고, 또한 원료의 탈탄 반응의 흡열성 (endothermicity) 을 보상시킬 수 있다. 이러한 구역은 도 3 의 다이어그램에 도시된다.
하소기는 2 개의 고체 유동, 고체 열매체 및 원료 입자에 의해 공급된다. 통상적으로, 하소기를 빠져나오는 이산화탄소의 온도는 직접 사용하기에 매우 높다. 예를 들어, 원료를 600 ℃ ~ 700 ℃ 의 온도까지 예열할 수 있는 수개의 사이클론을 포함하는 원료의 예열 장치 (예를 들어 사이클론 교환기) 내에서 이러한 이산화탄소를 순환시킬 수 있다. 다른 실시형태에 따라, 수증기 및 전력을 생성하기 위하여 보일러 내에서 이산화탄소를 순환시킬 수 있다. 이 단계는 이산화탄소의 온도를 650 ℃ 에서 200 ~ 350 ℃ 까지 감소시킬 수 있다. 이 온도에서, 이산화탄소를 재활용할 수 있다. 온도가 200 ~ 350 ℃ 인, 교환기를 빠져나오는 배출 가스의 일부는 열 교환기에서 캐리어 가스로서 재활용되는 반면에, 다른 일부는 저장소를 향한다.
하소기는 2 개의 부분을 포함한다. 하소기의 기저부에 위치되는 제 1 부분은 고체 열매체의 입자의 밀집상 유동층을 통상적으로 포함한다. 바람직하게는, 이러한 부분 내의 고체 열매체의 보유율은 20 ~ 40 %, 더 바람직하게는 30 ~ 40 % 이고, 상기 백분율은 주어진 부분의 부피 단위당 고체 열매체의 입자의 부피에 의해 표현된다. 유동 방법은 이산화탄소를 포함하는 캐리어 가스에 의해 실행된다. 원료가 공급되고, 고체 열매체는 가스의 속도가 비교적 낮은 이 부분 내에서 추출된다. 원료는 600 ℃ ~ 700 ℃ 의 온도로 예열된다. 이러한 부분의 단면적은, 가스의 유동 속도가 원료 입자를 들어올리기에 충분하면서 (자유 낙하 속도보다 더 큼) 고체 열매체의 입자의 적절한 유동을 보장하도록 계산되었다는 점을 주목해야 한다. 원료는 원료의 분산, 및 원료와 고체 열매체 사이의 접촉 효율을 개선하기 위하여 고체 열매체의 입자의 유동층 내에서 바람직하게는 공급된다. 탈탄 구역에서 원료의 도입 이전에 원료의 예열은 이 부분에서 실행될 수 있다.
바람직하게는, 이러한 제 1 부분은 후술되는 제 2 부분의 직경보다 더 큰 직경을 가진다. 이러한 더 큰 직경은 더 작은 직경보다 더 밀집된 유동층을 생성할 수 있다.
더 작은 직경을 가지는 제 2 부분은 하소기의 상부에서 바람직하게는 980 ~ 1,150 ℃ 의 온도에서 연소기를 빠져나오는 고체 열매체에 의해 주입된다. 이러한 부분의 단면적은, 가스의 유동 속도가 원료의 공압식 이송 중에 클로깅 속도보다 더 높고 고체 열매체의 자유 낙하 속도보다 더 낮도록 계산되었다. 따라서, 이러한 부분에서, 원료 및 이산화탄소를 포함하는 가스는 상승되는 반면에 고체 열매체는 원료 및 가스에 대해 역류 유동한다.
추가로, 이러한 부분은 추가의 디바이스, 예를 들어 원료의 고체 열매체의 입자의 분산을 개선할 수 있고, 따라서 열 교환을 개선할 수 있는 좁은 그리고 넓은 구역을 구비할 수 있다. 이러한 변형예는 예를 들어 도 4 에 도시된다.
바람직하게는, 하소기는 하소기의 길이의 중간에서 좁혀진 단면을 갖는다. 이는 열 교환기 내의 일부를 취하는 원료 입자의 순환 속도 및 고체 열매체의 입자의 순환 속도를 증가시킬 수 있고, 입자들의 혼합 또는 재순환 운동을 생성할 수 있다. 따라서, 이는 원료 입자와 고체 열매체의 입자 사이의 접촉을 개선할 수 있다.
바람직하게는, 하소기의 길이를 따라서 수개의 단면 감소부가 있을 수 있다. 이는 원료 입자와 고체 열매체의 입자 사이의 접촉을 훨씬 더 개선할 수 있고, 따라서 열 교환을 개선할 수 있다.
변형예에 따라, 하소기는 원료 입자와 고체 열매체의 입자 사이의 접촉을 개선하고 따라서 열 교환을 개선하기 위한 배플을 포함할 수 있다. 또한, 이러한 변형예는 하소기의 높이를 감소시킬 수 있다.
하소기의 출구에서, 하나 이상의 사이클론을 포함하는 분리기는 배출 가스로부터 고체 입자 (하소된 원료: CaO + Si02 등) 를 분리하기 위하여 설치될 수 있다. 따라서 분리된 고체 입자는 클린커링 가마를 향한다. 배출 가스는 탈탄에 의해 생성되는 이산화탄소 및 이산화탄소를 포함하는 캐리어 가스를 포함한다. 열 효율을 개선하고 작업의 유연성을 증가시키기 위하여, 하소된 원료를 부분적으로 재활용할 수 있다.
게다가, 하소기의 출구는 하나 이상의 사이클론을 포함하는 분리기를 향해 동반되는 고체 열매체의 입자의 수를 줄이기 위하여 넓혀진 구역에 의해 장착될 수 있다 (도 3).
바람직하게는, 캐리어 가스는 적어도 90 부피%, 예를 들어 95 부피% ~ 100 부피% 의 이산화탄소를 포함한다.
바람직하게는, 하소기는 980 ~ 1,150 ℃ 의 평균 온도에서 작동하는 유동층 교환기/반응기를 포함한다. 이는 반대방향으로 순환하는 2 개의 고체 유동에 의해 공급된다: 일 유동은 상승하는 원료 입자를 포함하고, 다른 유동은 연소기 내에서 가열되고 원료에 대해 역류 순환하는 고체 열매체의 입자를 포함한다.
바람직하게는, 속도가 캐리어 가스의 속도와 동등한, 사이클론 교환기를 빠져나오는 가스 유동의 일부는 재활용되는 반면에, 탈탄에 의해 제조되는 이산화탄소를 포함하는 다른 일부는 저장 구역을 향한다. 따라서, 캐리어 가스는 본 발명에 따른 방법에서 폐쇄된 루프 내에서 순환한다.
본 발명에 따른 방법에 의해 제조된 이산화탄소는 예를 들어 원료의 수분을 감소시키기 위하여 그라인더-드라이어 (grinder-dryer) 에서 사용될 수 있거나, 다른 예에 따라, 전력을 생성하기 위하여 사용될 수 있다.
바람직하게는, 하소기를 빠져나오는 배출 가스는 주로 이산화탄소를 포함하고, 즉 적어도 약 90 부피%, 즉 적어도 95 질량% 의 이산화탄소를 포함한다. 하소기를 빠져나오는 배출 가스는 특히 공기 및 수증기일 수 있는 소량 (예를 들어 최대 약 10 부피%) 의 다른 가스를 포함한다.
바람직하게는, 탈탄될 원료 입자가 하소기를 통과한 후에, 탈탄의 레벨은 적어도 약 90 % 이다.
본 발명에 따라 사용된 하소기는 유동층 열 교환기이다. 이러한 열 교환기는 1 초과의 슬렌더 비 (slenderness ratio) 를 갖는다. 바람직하게는, 이는 거의 약 10 도의 수직 위치에 있다. 나머지 상세한 설명 및 관련된 청구범위에서, 용어 《상부》및《하부》는 수직 위치와 관련하어 사용된다.
하소기는 이하를 포함하는 역류 유동층 열 교환기이다:
교환기의 하부에서:
- 탈탄될 원료 입자를 공급하는 수단;
- 바람직하게는 300 ~ 600 ㎛ 의 평균 크기를 갖는 입자, 예를 들어 클린커, 알루미나 (예를 들어 커런덤) 또는 실리카 (예를 들어 석영) 를 포함하는 고체 열매체를 방출하는 수단;
- 이산화탄소를 포함하는 캐리어 가스를 공급하는 수단;
교환기의 상부에서
- 원료의 탈탄된 입자를 방출하는 수단;
- 고체 열매체를 공급하는 수단;
- 탈탄 방법 중에 생성되는 이산화탄소를 포함하는 배출 가스의 유동을 방출하는 수단.
바람직하게는, 고체 열매체의 입자는 클린커의 입자이다.
바람직하게는, 클린커는 예를 들어 클린커의 전체 질량에 대해 23 질량% 이상의 높은 함량의 실리카를 갖는 클린커이다.
바람직하게는, 클린커는 예를 들어 클린커의 전체 질량에 대해 2.5 질량% 이하의 낮은 함량의 철을 갖는 클린커이다.
바람직하게는, 클린커는 23 % 이상의 실리카 함량 및 2.5 % 이하의 철 함량 모두를 갖는 클린커이고, 백분율은 클린커의 전체 질량에 대해 질량으로 표현되었다. 이러한 변형예는 클린커의 입자의 소결 온도를 증가시킬 수 있다.
바람직하게는, 클린커는 3 이하의 CaO/Si02 비를 갖는 클린커일 수 있다. CaO/Si02 비는 또한 시멘트 분야에서 통상적으로 사용되는 기호를 이용하여 《C/S》로 쓰여질 수 있다.
바람직하게는, 클린커는 65 % 이상의 C3S 의 양을 갖는 클린커일 수 있다.
바람직하게는, 클린커는 3 이하의 CaO/Si02 비와 65 % 이상의 C3S 의 양을 갖는 클린커일 수 있다.
예를 들어, 시멘트는 이하에 나타낸 식을 가질 수 있다:
Figure pct00001
열의 관점으로부터, 고체 열매체는 980 ~ 1,150 ℃, 예를 들어 약 1,100 ℃ 의 온도에서 하소기에 진입하고, 820 ~ 950 ℃, 예를 들어 약 930 ℃ 의 온도에서 하소기를 빠져나온다. 이산화탄소는 200 ~ 350 ℃, 예를 들어 약 200 ℃ 의 온도에서 하소기에 진입하고, 900 ~ 980 ℃, 예를 들어 약 960 ℃ 의 온도에서 하소기를 빠져나온다. 원료는 600 ~ 700 ℃, 예를 들어 약 620 ℃ 의 온도에서 하소기에 진입하고, 하소된 연료는 860 ~ 950 ℃, 예를 들어 약 930 ℃ 의 온도에서 분리기를 빠져나온다.
일반적으로, 유동층 열 교환기를 빠져나오는 이산화탄소의 온도는 이러한 이산화탄소를 직접 재활용하기에 너무 높다. 따라서, 이러한 이산화탄소를 냉각시킬 필요가 있다. 예를 들어, 수개의 사이클론을 일반적으로 포함하고 600 ~ 700 ℃ 의 온도에서 원료를 예열시킬 수 있는 예열 장치 내에서 이러한 이산화탄소를 순환시킬 수 있다. 바람직하게는, 이러한 단계는 이산화탄소의 온도를 200 ~ 350 ℃ 로 줄일 수 있고, 이러한 온도는 이산화탄소를 재활용하기에 적합하다. 다른 실시형태에 따라, 수증기와 전력을 생성하기 위하여 보일러 내에서 이산화탄소를 순환시킬 수 있다.
열 교환기 내에 고체 열매체의 입자들을 재순환시키기 위하여, 축적되는 고체 열매체의 입자를 규칙적으로 추출하도록 유동층 열 교환기의 기저부에 수문 (floodgate) 이 있을 수 있다.
연소기의 설명
도 3 에 도시된 이러한 디바이스는 820 ~ 950℃ 의 온도에서 하소기를 빠져나오는 고체 열매체를 가열할 수 있다. 이는 연료 (바람직하게는 석유 코크스) 의 공기의 연소가 필요한 에너지를 제공하는 밀집상 유동층 반응기 또는 이동층 반응기일 수 있다. 연소기의 출구에서, 고체상, 즉 주로 고체 열매체는 하나 이상의 사이클론을 포함하는 분리기에 의해 연기로부터 분리된다. 고체 열매체는 하소기를 향하지만, 연기는 에너지 회수 시스템 (예를 들어 사이클론을 포함하는 교환기) 내에서 또는 수증기 및 전력을 생성하기 위하여 보일러 내에서 사용될 수 있다.
특히 소모 현상에 의해 유발되는 고체 열매체의 손실을 보상시키기 위하여, 고체 열매체의 추가의 공급이 가능하다.
바람직하게는, 고체 연료는 석유 코크스, 천연 가스, 폐기물 또는 이들의 혼합물을 포함한다.
실시형태에 따라, 본 발명에 따라 사용된 연소기는 산소-연소 모드에서, 즉 연소 가스 내의 이산화탄소의 농도를 증가시기 위하여 산소가 풍부하고 질소가 실질적으로 없는 가스의 혼합에 의해 연소용 공기를 교체함으로써 작동될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 장치에 의해 추출된 이산화탄소의 양은 예를 들어 30% 만큼 증가될 수 있다.
본 발명에 따라 사용된 연소기는 고체 열매체를 방출하는 수단 및 고체 열매체를 공급하는 수단에 연결되는, 고체 열매체를 가열하는 수단이다.
바람직하게는, 고체 열매체는 폐쇄된 루프 내에서 순환한다.
열의 관점으로부터, 바람직하게는, 고체 열매체는 820 ~ 950 ℃, 예를 들어 약 930 ℃ 의 온도에서 연소기에 진입하고, 980 ~ 1,150 ℃, 예를 들어 약 1,100 ℃ 의 온도에서 연소기를 빠져나온다.
하소기의 작동 조건의 선택
CaO 로의 탄산칼슘의 탈탄 반응은 가역적이고 매우 흡열 반응이다:
Figure pct00002
열역학의 관점에서, 이는 단지 800℃ 초과 및 CO2 의 부분 압력에 대하여 평형 압력 (Peq) 보다 낮은 가스 분위기에서 일어날 수 있다:
Figure pct00003
T 는 켈빈 온도
통상적으로, 예비 하소기는 이하의 조건에서 작동한다:
- 평균 온도 T = 900 ℃
- 평균 전체 압력 P = 1.013 × 105 Pa
- 장치 내의 이산화탄소의 평균 부분압력 PCO2 = 30000 Pa.
따라서, 평형에서의 이산화탄소의 압력과 예비 하소기 내의 이산화탄소의 실제 부분 압력 사이의 차이에 의해 나타나는 반응의 구동력은 78727 Pa 와 같다.
본 발명에 따른 방법에 의한 탈탄 동안, 하소기의 분위기는 실질적으로 순수한 이산화탄소를 포함하고; 따라서 이산화탄소의 부분 압력은 해수면에서 약 1.013 × 105 Pa 이다. 바람직하게는, 하소기의 평균 온도는 공지된 예비 하소기 내에 존재하는 반응의 동일한 구동력을 유지하기 위하여 980 ~ 1,150 ℃ 이어야 한다. 그러므로, 순수한 이산화탄소 분위기에서 탈탄 반응기를 작동시키기 위해서는 탈탄 반응기의 평균 작동 온도의 합당한 증가가 필요하다.
동역학의 관점에서, 온도의 증가는 반응기 내의 입자의 잔류 시간의 현저한 감소를 허용할 수 있고, 따라서 하소기의 높이의 감소를 허용할 수 있다. 하소기를 빠져나오는 제품 (하소된 원료) 의 온도는 일반적으로 860℃ ~ 950 ℃ 이다.
역류 유동층 열 교환기의 치수의 관점에서, 교환기의 단면은 일반적으로 원하는 재료의 순환 유동에 관한 것이고, 교환기의 높이는 일반적으로 가열될 입자의 교환기 내의 원하는 잔류 시간에 관한 것이다.
시멘트 플랜트에서의 본 발명에 따른 장치의 통합
도 5 는 시멘트 플랜트에서의 본 발명에 따른 장치의 통합의 예를 나타낸다. 이러한 통합은 생산 사슬의 필수적인 수정을 수반하지 않는다.
상세한 설명 및 첨부된 청구범위:
고체 열매체의 입자들의 평균 크기는 체질 방법 (sieving method) 을 이용하여 측정될 수 있다. 이러한 방법의 원리는 서로 싸여진 일련의 체들에서 입자를 분류하는 것이다. 체 메시 (sieve meshes) 의 치수는 상부에서 하부로 감소한다. 입자들은 가장 높은 체에 위치되고, 진동에 의해, 입자들은 입자의 크기에 따라 상이한 체에 걸러진다.
고체 입자 재료가 소결되기 시작하는 온도는 그 중에서도 재료의 융점과 그 재료의 입자의 크기에 의존한다. 융점은 열량 측정법에 의해 측정될 수 있다. 소결 온도는 일반적으로 켈빈 온도에서의 융점의 0.6 ~ 0.8 배이다. 불순물이 섞인 재료의 소결 온도는 일반적으로 순수한 재료보다 비교적 더 낮다. 모든 경우에, 본 발명의 관점에서, 실질적인 소결 없이 (즉, 실질적인 응집 없이) 작동하기 위한 고체 열매체의 용량은 당업자에 의한 정기 시험에 의해 결정될 수 있다.
열 분석 방법 (가열 및 냉각 곡선 이용) 은 고온 재료의 용융 온도를 측정하기 위하여 사용될 수 있다. 이 방법은 재료의 용융 또는 응고 중에 발생하는 열의 흡수 또는 방출에 의존한다. 열전대는 (예를 들어 텅스텐의) 도가니 내에 위치되고, 이 재료의 샘플은 재료의 상태가 변할 때까지 가열되거나 냉각된다. 재료의 온도는 결합 또는 응고 동안 실질적으로 일정하게 유지되고, 시간에 대한 온도의 곡선은 융점 또는 응고점에서 시간 축에 평행하게 그리고 실질적으로 편평하게 유지된다. 열전대는 공지된 용융 온도를 갖는 재료를 이용하여 용융 온도의 결정 이전에 조정될 수 있다.
밀도는 유체 (예를 들어 물) 를 대신함으로써 공지된 질량의 샘플의 부피을 측정함으로써 결정될 수 있다.
고체 열매체의 입자의 열용량은 열량 측정법에 의해 측정될 수 있다.
도 1 에 따라, 제 1 구역 (11) 에서는 연료 (5) 에 의한 공기 (6) 의 연소가 발생한다. 연기 (7) 는 제 1 구역 (11) 으로부터 방출된다. 고체 열매체 (4), 예를 들어 그라운드 클린커 (ground clinker) 의 입자는 가열된다. 고체 열매체 (4) 는 원료 (1) 와 접촉하는 탈탄 구역 (10) 으로 도입된다. 그 후, 이산화탄소 (3) 가 방출된다. 이산화탄소 (3) 의 일부는 유동층 교환기-반응기 내에 캐리어 가스로서 사용되도록 재활용된다. 고체 열매체 (4) 는 재순환되고, 그 후 재가열된다. 하소된 원료 (2) 는 탈탄 구역 (10) 으로부터 방출된다. 온도, 처리기간 및 상이한 재료와 상이한 가스의 순환 유동은 각각의 특정한 설치에 적합해야 한다.
본 발명에 따른 방법과 장치의 원리는 도 2 에 도시된다. 다이어그램은 다음을 포함한다:
- 연료 (석유 코크스, 천연 가스, 폐기물 등; 5) 의 공기 (6) 에서의 연소에 의해 고체 열매체 (4) 를 가열할 수 있는,《연소기》(11) 로 불리는 가열 구역: 상기 연소기 (11) 는 밀집상 유동층 교환기-반응기 또는 이동층 교환기-반응기일 수 있다. 본 발명에 따라 사용되는 고체 열매체 (4) 의 입자는 300 ~ 600 ㎛ 의 평균 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 고체 열매체 (4) 는 그라운드 클린커의 입자, 알루미나 (예를 들어 커런덤) 의 입자 또는 실리카 (예를 들어 석영) 의 입자일 수 있다. 연기 (7) 는 연소기 (11) 로부터 방출된다.
- 고온의 고체 열매체 (4) 로부터 원재료 (원료; 1) 를 향한 열 전달 구역:《하소기》(10) 로 불리는 이 구역은 원료 (1) 가 탈탄되는 구역이다. 이는 역류 작동하는 유동층 교환기-반응기이다. 즉, 원료 (1) 및 이산화탄소를 포함하는 가스 (3) 는 상승하는 반면에, 고체 열매체 (4) 는 원료 (1) 와 가스 (3) 에 대해 역류 순환한다. 하소된 원료 (2) 는 탈탄 구역 (10) 으로부터 방출된다. 하소기 (10) 를 빠져나오는 이산화탄소 (3) 는 가스-고체 분리 시스템 (15) 을 통과한다. 이산화탄소 (3) 의 일부 (3a) 는 하소기 (10) 를 작동시키기 위하여 캐리어 가스로서 사용되도록 재활용된다.
도 3 의 다이어그램은 특히 하소기 (10) 의 예와 연소기 (11) 의 예를 포함한다. 또한, 다이어그램은 수개의 사이클론 (9b) 을 포함하는 원료 (1) 의 예열 장치를 통해 이산화탄소 (3) 를 통과시킴으로써 재활용 이산화탄소 (3) 가 냉각되는 것에 따른 변형예를 포함한다.
도 3 에 따라, 하소기 (10) 는 다음을 포함한다:
- 하소기 (10),
- 고체 열매체 (4) 의 순환
- 원료 (1) 의 순환
- 가스-고체 분리 시스템 (사이클론; 15),
- 사이클론 (9b) 을 포함하는 교환기 또는 다른 유형의 교환기에 의한, 이산화탄소 (3) 를 포함하는 가스 배출물에 대한 에너지 회수 시스템,
- 이산화탄소 (3 및 3a) 의 순환.
도 3 에 따라, 하소기 (10) 의 출구에, 하나 이상의 사이클론을 포함하는 분리기 (15) 가 설치된다. 이 때문에, 하소된 원료 (2) 를 포함하는 고체상과 이산화탄소 (3) 를 포함하는 기체상을 분리할 수 있다. 이러한 이산화탄소 (3) 는 수개의 사이클론 (9b) 을 포함하는 원료 (1) 의 예열 장치를 통과한다. 이산화탄소 (3) 의 일 부분 (3a) 은 캐리어 가스를 제공하기 위하여 하소기 (10) 내에서 재활용된다. 이산화탄소 (3) 의 다른 부분 (3b) 은 특정 사용을 위해 저장되거나 제공된다. 다른 한편으로는, 하소기 (10) 는 고체 열매체의 입자의 더 밀집된 상을 형성할 수 있는 넓혀진 기저부를 포함한다.
도 3 에 따라, 연소기 (11) 는 연료 (예를 들어 석탄; 5) 의 공기 (6) 에서의 연소에 의한 고체 열매체 (4) 의 가열을 보장한다. 연소기 (11) 의 출구에서, 고체상, 즉 주로 고체 열매체 (4) 는 적어도 하나의 사이클론을 포함하는 분리기 (16) 에 의해 연기로부터 분리된다.
도 4 의 하소기 (10) 는, 난류를 생성하고 상승하는 원료 (1) 와 원료에 대해 역류 순환하는 고체 열매체 (4) 사이의 열교환을 개선할 수 있는 감소 단면부 (17) 를 포함한다. 가스 (3) 는 상승한다.
상이한 참조 부호는 도 5 에 주어진 이하의 요소에 해당한다: 1: 원료; 2: 하소된 원료; 3: 이산화탄소; 4: 고체 열매체; 5: 연료; 6: 공기; 7: 연기; 8: 그라인더; 9: 원료의 예열기; 10: 하소기; 11 : 연소기; 12: 클린커링 가마; 13: 클린커 냉각기/공기 예열기; 14: 클린커; 18: 에너지 회수 디바이스; 19: 예열기.
도 5 는, 연소기 (11) 및 하소기 (10) 가 고체 열매체 (4) 를 통해 함께 상호작용하고, 원료의 예열 장치 (9) 및 클린커링 가마 (12) 사이에 위치되는 것을 도시한다. 하소기 (10) 내에 생성되는 이산화탄소 (3) 는, 클린커링 가마 (12) 로부터의 연기 (7) 와 함께, 별개로 처리될 이산화탄소 (3) 를 혼합하지 않기 위하여, 클린커링 가마 (12) 를 회피하는 순환을 따른다. 이는 클린커링 가마 (12) 의 연기 (7) 에 포함되는 다른 가스 및 이산화탄소 (3) 를 분리하기 위한 복잡한 그리고 값비싼 단계를 회피할 수 있다.
도 5 에 도시된 완전한 방법을 따름으로써, 원료 (1) 는 우선 그라인더 (8) 를 통과한다. 그 후, 원료는 원료 (1) 의 예열기 (9) 를 통과한다, 그 후, 원료는 하소기 (10) 를 통과하고 하소된 원료 (2) 의 형태로 하소기를 빠져나온다. 그 후, 이러한 하소된 원료 (2) 는 클린커링 가마 (12) 를 통과하고 클린커 (14) 의 형태로 클린커링 가마를 빠져나온다. 그 후, 클린커 (14) 는 클린커 냉각기/공기 예열기 (13) 를 통과한다. 공기 (6) 는 클린커링 가마 (12) 및 연소기 (11) 를 향해 재배향되기 이전에 클린커 냉각기/공기 예열기 (13) 를 통과한다. 연료 (5) 는 클린커링 가마 (12) 및 연소기 (11) 에 공급하기 위하여 사용된다. 클린커링 가마 (12) 또는 연소기 (11) 로부터의 연기 (7) 는 제 1 유동 (7a) 및 제 2 유동 (7b) 으로 분리된다. 제 1 유동 (7a) 은 원료의 예열기 (9) 와 그라인더 (8) 를 통과하여 방출된다. 제 2 유동 (7b) 은, 예열기 (9) 이전의 제 1 유동 (7a) 과 혼합되기 전에, 우선 예열기 (19) 를 통과하고, 그 후 에너지 회수 장치 (18) 를 통과한다. 에너지 회수 장치 (18) 는 예를 들어 열 교환을 이용하여 작동할 수 있다. 따라서, 회수된 에너지는 예를 들어 전력을 생성하는데 사용될 수 있다.

Claims (12)

  1. 시멘트 플랜트에서의 클린커링 가마 (clinkering kiln) 에서 연소될 원료 (raw meal) 입자들의 탈탄 방법으로서,
    상기 입자는 200 ㎛ 체에 대한 입자의 보유율이 2 질량% 미만이고 90 ㎛ 체에 대한 입자의 보유율이 20 질량% 미만이도록 입자 크기 분포를 가지며,
    상기 탈탄 방법은:
    a) 이산화탄소를 포함하는 상승하는 캐리어 가스 (carrier gas) 내에 부유하는 원료 입자를, 상기 캐리어 가스에 대해 역류 순환하는 고체 열매체 (solid heat carrier) 를 구비하는 유동층 열 교환기에서 탈탄하여, 이산화탄소 및 탈탄된 원료를 포함하는 배출 가스를 제공하는, 상기 탈탄 단계;
    b) 상기 배출 가스와 상기 탈탄된 원료를 분리하는 단계;
    c) 상기 배출 가스를 제 1 부분 및 제 2 부분으로 분리하고, 상기 배출 가스의 상기 제 1 부분을 냉각시키고 재순환시켜, 캐리어 가스를 제공하는 단계;
    d) 상기 배출 가스의 상기 제 2 부분을 격리하는 단계; 및
    e) 상기 고체 열매체를 회수 및 재가열하여 단계 a) 로 재순환시키는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 탈탄 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고체 열매체는 300 ~ 600 ㎛ 의 평균 직경을 갖는 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 탈탄 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 고체 열매체는 클린커, 알루미나 또는 실리카의 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 탈탄 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배출 가스의 상기 제 1 부분은 전체 배출 가스의 약 10 부피% 를 포함하고, 상기 배출 가스의 상기 제 2 부분은 전체 배출 가스의 약 90 부피% 를 포함하는 것을 특징으로 하는 탈탄 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열 교환기의 평균 온도는 980 ~ 1,150 ℃ 인 것을 특징으로 하는 탈탄 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 a) 에서 상기 열 교환기 내의 상기 원료 입자의 잔류 시간은 약 3.5 초 미만인 것을 특징으로 하는 탈탄 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    이산화탄소를 포함하는 상기 배출 가스의 상기 제 1 부분은 원료를 예열하기 위하여 사용되는 것을 특징으로 하는 탈탄 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 e) 의 상기 고체 열매체는 밀집상 (dense pahase) 유동층 반응기 또는 이동층 반응기 내에서 재가열되는 것을 특징으로 하는 탈탄 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 원료 입자는 단계 a) 의 탈탄 이전에 600 ~ 700℃ 의 온도로 가열되는 것을 특징으로 하는 탈탄 방법.
  10. 역류 유동층 열 교환기로서,
    상기 역류 유동층 열 교환기의 하부에
    - 탈탄될 원료 입자를 공급하는 수단,
    - 고체 열매체를 방출하는 수단,
    - 이산화탄소를 포함하는 캐리어 가스를 공급하는 수단
    상기 역류 유동층 열 교환기의 상부에
    - 탈탄된 원료 입자를 방출하는 수단,
    - 고체 열매체를 공급하는 수단,
    - 탈탄 동안 생성되는 이산화탄소를 포함하는 배출 가스의 유동을 방출하는 수단,
    을 포함하는 상기 역류 유동층 열 교환기,
    상기 고체 열매체를 방출하는 수단으로부터 상기 고체 열매체를 공급하는 수단으로 수용된 상기 고체 열매체를 가열하는 수단,
    상기 배출 가스의 제 2 부분의 이산화탄소를 냉각시키는 수단, 및
    이산화탄소를 격리시키는 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 탈탄 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 열 교환기는 감소된 단면 및/또는 배플을 포함하는 것을 특징으로 하는 탈탄 장치.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 따른 탈탄 장치를 포함하는 시멘트 플랜트로서, 탈탄된 상기 원료가 클린커링 가마에 공급되는 것을 특징으로 하는 시멘트 플랜트.
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