KR20230053066A

KR20230053066A - 계단식 유동에 의한 패각 소성으로 생석회 생산 및 생산방법

Info

Publication number: KR20230053066A
Application number: KR1020210136200A
Authority: KR
Inventors: 김용환
Original assignee: 김용환
Priority date: 2021-10-14
Filing date: 2021-10-14
Publication date: 2023-04-21

Abstract

계단식 유동에 의한 패각 소성으로 생석회 생산 및 생산방법 { Quicklime production and production method by shell calcination by step flow}에 관한 발명이다.
자치 구성으로는 계단식 화격자(100), 원료 투입구(110), 생석회 저장 빈(120), 압입송풍기 및 버너(130), 배열 회수보일러(140), 유인 송풍기(150), 맨홀(160), 내화물 (170), 보온재 (180), 생석회 배출구(190)로 이루어져 있다.
본 발명은 패각을 소성하여 고품질의 생석회를 생산하기 위한 것으로, 얇고 잘 부스러지는 패각의 특성으로 인해 둥글둥글한 석회석 분쇄석을 사용하는 소성로(Kiln)에 패각을 그대로 적용할 수가 없는 한계를 극복하기 위해 패각의 특성을 이용해 생석회를 생산하고 생산방법에 관한 것이다.
즉, 다수의 계단식 화격자에 다수의 버너를 배치하여 중력과 통풍력이 작용하게 하여 다양한 입도(Particle Size)의 패각을 소성할 때 큰 입자는 체류시간을 길게하고 작은 입자나 연소되는 과정에서 소성이 이루어진 입자는 체류시간을 짧게하여 고품질의 생석회를 생산하기 위한 것이다.
또한 다수의 버너로 열부하를 분사시키면서도 고온 영역을 넓게 하여 반응속도를 빠르게 하여 소성 체류시간을 단축하는 설비 구성으로 설비규모가 적게하여 방열손실을 줄이고 배기가스의 질소산화물을 저감하는데 그 목적이 있다. 계단식 화격자에서 부족한 체류시간을 보완하기 위해 소성로 내부에 저장 빈을 둔다.

Description

계단식 유동에 의한 패각 소성으로 생석회 생산 및 생산방법 { Quicklime production and production method by shell calcination by step flow}

본 발명은 패각에 소성하여 생석회(CaO)를 생산하는 장치와 방법에 관한 것이다.

더욱 상세하게는 굴, 백합, 가리비 등 패각을 소성하는 것으로 소성로에 투입될 때부터 다양한 크기가 함께 투입되고 소성로를 통과하는 과정에서도 부스러지지만 연소과정에서 중력과 통풍력을 이용하여 입도(Particle Size)별 체류시간을 달리하여 작은 입자는 소성로 내의 체류시간을 줄여서 과하게 소성되는 것을 방지하고 큰 입자는 소성로 내 체류시간을 증가시켜 덜 소성이 되지 않도록 하여 고품질의 생석회를 생산한다. 특히 KS E 3077 규격에 맞는 침강성 탄산칼슘을 제조하기에도 용이하다.

또한 연소버너를 다수 설치하여 연소과정에서 열부하를 분산시켜 배기가스의 질소산화물(NOx) 배출을 저감하면서도 1,000℃ 부근의 고온영역을 확대하여 소성 체류시간을 단축하여 소성로의 규모를 적게하고 간단하게 하는데 있다.

생석회(CaO)를 제조하는 방법은 석회석(CaCO3 95%이상)을 약 1,000℃에서 소성하여 이산화탄소(CO2)를 제거하여 생산한다. 패각은 탄산칼슘(CaCO3) 성분이 약 90% 이상으로 소성을 통한 생석회를 생산하는 연구가 활발히 진행되어 왔음에도 아직 국내 패각 발생량 20만 톤을 대체할 마땅한 기술은 없는 실정이다.

석회석을 원료로 생석회를 생산하는 공정에 패각을 사용하기에는 어려움이 많은데 패각은 성분이 석회석과 달리 염분(Cl), 유기물이 많이 포함되어 있으며 모양도 얇고 잘 부스러지는 특성이 있다. 특히 이 얇고 잘 부스러지는 패각의 특성으로 인해 둥글둥글한 분쇄석을 만들어 투입소성하는 석회석 소성로(Kiln)에 패각을 그대로 적용할 수가 없다.

석회석 소성로는 주로 수평형 타입인 로터리 킬른(Rotary)과 수직형 타입의 샤프트(Shaft Kiln)이 대표적인데 두 타입 모두 패각을 적용하기에 어려움이 있다.

먼저, 로터리 킬른의 경우 부스러진 작은 입자는 킬른 내에서 연소열에 의해 과하게 소성이 되고 있을 때에도 큰 입자는 충분한 소성이 이루어지지 않아서 적절한 소성 체류시간을 맞출 수가 없으며, 전처리를 통한 입도분리후 소성로를 활용하는 경우가 최근에 이루어지고 있지만 입도분리 과정도 야적 입도분리 수송운반 등 많은 공정에 소요된다. 이에 반해 수직형 소성로인 샤프트 킬른은 상부에서 원료가 투입되면 중간층에서 소성이 이루어지면서 점점 아래로 원료가 이동한다. 하부에서 연소용 공기가 예열되어 상부로 이동하는데 석회석과 달리 부스러진 굴 패각이 연소용 공기가 배기가스의 이동 통로가 막아버려서 현재의 기술로는 샤프트 킬른으로 굴 패각 소성을 사용하고 있는 사례는 없다.

굴 패각의 대부부을 이루는 탄산칼슘(CaCO3)이 소성될 때 열분해 식은 아래와 같다.

1mol 1mol 1mol

100g 56g 44g

탄산칼슘이 열분해 될 때 열을 흡수하는 흡열반응이 진행되며 역반응도 가능한 평행 반응하다. 즉, 고온일수록, 이산화탄소의 제거속도가 빠를수록 정반응 속도가 빨라진다. 또한 이산화탄소가 제거되므로 소성전후 부피는 큰 변화가 없지만무게는 달라진다.

소성반응 속도를 빠르게 하기 위해 고온에서 오래 머무르게 할 필요가 있는데 로터리킬른의 경우 회전체인 킬른 중간에 버너를 연소할 수가 없으므로 흡열반응이 모두 진행될 때가지의 열을 단일의 버너로 공급하다 보니 버너 주변의 연소열을 600℃ 이상으로 높여야 하므로 단일의 버너를 사용할 경우 버너 주변에서 화염으로 열부하가 집중되어 배기가스의 질소산화물(thermal NOx)농도가 상승한다. 버너를 몇 개로 나누어 열 부하를 분산할 수 있다면 배기가스의 질소산화물 농도를 저감할 수 있을 것이다.

출원번호 10-1997-0058818 (패각을 주원료로 한 고순도 석회분말의 제조방법, 1997), 공개번호 특1999-0038927

전통 호분(합분) 제조기술 연구 : 소성방법을 중심으로(국립문화재연구소, 이한형 등, 2008) 굴 패각을 이용한 침강성 탄산칼슘 제조 및 자원화를 통한 온실가스 감축량 산정에 관한 연구 (호서대, 박승철,2015) 소성된 굴패각의 액상소석회로의 전환특성(경북대, 하수현, 2020)

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 다양한 입도(Particle Size)의 패각을 소성할 때 큰 입자는 체류시간을 길게 하고 작은 입자나 연소되는 과정에서 소성이 이루어진 입자는 체류시간을 짧게하여 고품질의 생석회를 생산하기 위한 것이다.

또한 다수의 버너를 사용하여 고온 영역을 확대하여 반응속도를 빠르게 하여 소성 체류시간을 단축하면서도 열부하 집중을 방지하여 질소산화물 발생을 저감하고 설비규모가 적게하여 방열손실을 줄이고 설비 구축을 용이하게 하는데 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 패각을 화염에 직접 닿게하여 흡열반응을 상쇄시킬수 있는 열을 공급하고 열 분해 반응속도를 증가시키기 위해 소성로 내에 계단식 화격자를 설치하고 다수의 버너를 계단식 화격자에 근접하여 설치한다.

중력에 의해 계단식 화격자로 낙하시켜 화격자 위에서 머무를 때 소성 체류시간을 발생시키며 패각이 각 화격자의 저장공간을 초과하여 유입될 때 다음 화격자로 떨어지면서 이동하도록 한다. 다음 화격자로 떨어질 때 작용하는 중력과 함께 수평으로 설치된 버너의 통풍력은 수평으로 작용한다.

화격자에서 낙하할 때 통풍력에 의해 큰 패각이나 소성이 적게 진행된 무거운 입자는 버너 가까이 떨어지게 되고 작거나 소성이 많이 진행된 가벼운 입자는 버너 멀리 떨어져 버너 가까이 떨어진 입자는 버너 멀리 떨어진 입자보다 고온의 열에 노출되면서 소성이 골고루 이루어진다.

한편 소성이 완료된 입자는 중력보다는 통풍력의 영향을 밭아 저장 빈에 먼저 도달하게 되며, 입자가 너무 적어서 소성이 완료되지 않은 입자라도 저장 빈에서 500~600℃ 부근에서 20~30분 정도의 체류시간을 부여하여 소성을 완성시킨다.

소성로 내부가 고온에서 견뎌내며 방열손실을 줄이기 위해 소성로 내부에는 내화물을 소성로 외부에는 보온재를 설치한다.

연료는 버너에서는 LNG, LPG 등 가스연료와, 등유, 부생연료유 등 액체연료 모두 가능하며, 원료인 굴 패각과 함께 석탄, 우드펠릿 등 고체연료와 함께 혼입하고 버너에서 과잉공기비를 크게하여 고체연료로 연소가 가능한 설비이다.

본 발명에 따른 계단식 유동 소성로에 의하여 조각크기가 다른 입자들이 섞여 있는 굴 패각을 소성로 내에서 체류시간을 달리하여 생석회 생산 품질을 높을 수 있고 입도를 분류하기 위한 별도의 전처리가 필요하지 않으며 화염의 열부하를 분산시키므로써 연소가스중 질소산화물 발생을 감소시킬 수 있는 잇점이 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 소성로 내의 화격자 배열 구조를 나타낸 측면도이고, 도 2는 도 1에 대한 사시도이며 도 3은 계단식 화격자에서 패각이 떨어지는 모양을 나타낸 사시도이며, 도 4는 패각이 계단식 화격자에서 떨어져 다음 화격자로 이동할때 통풍력에 의해 무거운 입자는 버너 가까이 가벼운 입자는 버너에서 먼 곳으로 떨어지는 것을 도시하였다.

이하에서는, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한 다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙여 설명한다.

도 1 내지 도 4를 참고하면, 본 발명의 발명의 바람직한 실시예에 따른 소성로 내의 화격자 배열 구조(100)는 계단식 낙차부 배열로 다단 설치되는 다수의 화격자, 원료 투입구(110), 계단식 화격자에서 부족한 체류시간을 보충하는 생석회 저장 빈(120), 원료투입구 전단에서 통풍력과 화염을 공급하는 압입 송풍기와 일체를 이룬 버너(130), 배기가스의 열을 회수하고 후단 유인통풍기가 작동할 수 있도록 배기가스 온도를 저감시키는 배열회수보일러(140), 소성로 내에 통풍력을 부가하여 소성로 전체를 음압분위기로 만드는 유인송풍기(150), 소성로 내 정비환경을 용이하게 하는 맨홀(160), 소성로 내의 고온에서 열변형을 방지하고 외부방열을 차단하기 위한 내화물(170)과 보온재(180) 생산된 생석회를 배출하는 생석회 배출구(190)을 포함한다.

원료인 굴 패각이 투입되기 전에 버너(130)와 유인송풍기(150)를 가동하여 소성로 내부를 400℃이상 예열시킨후 원료투입구(110)에 원료를 투입한다. 소성로 내부온도는 버너의 화염이 900~1,000℃까지 상승하기까지 원료투입을 서서히 증가시키며 버너의 온도가 900~1,000℃가 도달하면 원료을 정상적으로 투입한다.

버너의 화염이 계단식 화격자의 패각을 소성하고 통과하더라도 화격자에서 화염의 체류시간이 극히 짧기 때문에 화격자 후단의 배기가스 온도는 500이상 높아서 이 온도는 소성로 후단에 설치되어 있는 유인송풍기(150)를 작동시키기에는 너무 높은 온도이다. 따라서 소성로와 유인송풍기에 사이에 있는 배열회수보일로(140)에서 열을 회수하여 이용함과 동시에 유인송풍기 입구 배기가스 온도를 약 150℃까지 저감하여 유인송풍기 작동에 무리가 없도록 한다.

도 3 및 도 4에서와 같이 하나의 화격자 위에서 큰 패각이나 소성이 적게 진행된 무거운 입자는 다음 화격자로 이동하게 될 때 버너 가까이 떨어지게 되고 작은 입자와 소성이 많이 진행된 입자는 통풍력에 의해 버너에서 보다 멀리 떨어져 버너 가까이 떨어진 입자는 버너 멀리 떨어진 입자보다 고온의 열에 노출되면서 전체적으로 소성이 골고루 이루어진다. 한편 소성이 진행된 입자는 점점 통풍력이 크게 작용하여 저장 빈에 먼저 도달하게 된다.

이상으로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참고하여 상세하게 설명하였다. 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 범위는 상술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범 위의 의미, 범위, 및 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

본 발명은 패각을 시간당 수십 kg 소성하는 작은 규모의 소성로에서 부터 버너와 계단식 화격자 배치수를 많게 하여 시간당 수십 톤(ton)의 굴 패각을 처리하는데까지 다양하게 실시가 가능하다.

석회석과 패각은 기본적으로 600℃ 이상에서 이산화탄소가 제거되기 때문에 소성로에 내화물은 필수적으로 설치하여 온도를 높일 수 이 있으나, 기존의 로터리킬른의 경우 설비가 매우 커져서 파이롯트 규모의 설비조차 구축하기 어려웠다.

때문에 실험실에서 작은 규모의 소성로는 주로 전기로를 사용하지만 전기로는 노 내부의 가스 순환이 느려 배기가스의 이산화탄소 분압이 높아져 소성이 완성되기까지 많은 시간이 소요되었다.

본 발명은 소규모로도 연소로 구현이 가능하고, 연속적 작업이 가능하며, 대규모의 소성로 또한 적용이 가능한 잇점이 있다.

또한 고품질의 생석회 뿐만 아니라, 체류시간을 짧게 하거나 온도를 낮게하여 탄산칼슘 비료 생산도 가능하며, 로타리킬른과 조합하여 로타리킬른은 건조로로 본 발명품은 소성로로 활용 등 더욱 다양한 설비활용이 가능하다.

100 : 계단식 화격자
110 : 원료 투입구
120 : 생석회 저장 빈(Bin)
130 : 압입송풍기 및 버너 ( Forced Draft Fan, F.D.Fan & Buner)
140 : 배열 회수보일러 (Heat Recovery Steam Generator, HRSG)
150 : 유인 송풍기 (Induced Draft Fan, I.D.Fan)
160 : 맨홀
170 : 내화물
180 : 보온재
190 : 생석회 배출구

Claims

입자별 체류시간을 달리하여 소성할 수 있는 버너, 계단식 화격자 및 유인송풍기, 계단식 화격자에서 부족한 소성체류시간을 부가하는 저장 빈,유인송풍기를 작동할 수 있도록 배기가스 온도를 낮추는 배열회수보일러, 소성로 방열손실을 줄여 소성로 내의 온도를 높게 유지하도록 하는 내화물로 패각 소성로
제1항의 계단식 화격자 장치로 패각을 원료로 생석회를 제조하는 방법