KR20230135702A - 저온 열분해장치의 배출가스를 이용한 시멘트 제조방법 - Google Patents

저온 열분해장치의 배출가스를 이용한 시멘트 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저온 열분해장치의 배출가스를 이용한 시멘트 제조방법에 관한 것으로서 상세하게는 시멘트 분쇄기(Cement Mill)에서 발생하는 알카리성 분진을 함유한 공기를 열분해기로 공급하여 분진 중 함유된 알카리성 분진과 열분해시 발생하는 산성가스가 중화반응에 의해 열분해기에서 발생되는 가스를 제거하고, 알카리성 분진과 탄산가스(CO2)를 함유하고 있는 소성로 냉각기(Rotary kiln cooler)의 배출가스(Exhausted Gas)를 열분해장치의 연소기(Cumbuster)로 공급하여 연소기(Cumbuster)에서 배출되는 가스에 잔류하는 유해가스를 제거한 후 연소기의 배출가스를 예열기로 공급하여 시멘트 제조에 사용함으로 열분해장치의 폐열을 이용 에너지 회수율을 증대시켜 연료비를 절감하고, 시멘트 제조시 대체연료(RPF)를 직화기에 직접 공급함에 따른 중금속과 불연분(Ash)의 오염을 방지하여 대체 연료를 직접 투입 사용에 따른 시멘트(Cement) 품질의 저하를 억제하는 둥의 효과가 있는 것에 그 특징이 있다.

Description

저온 열분해장치의 배출가스를 이용한 시멘트 제조방법{Cement manufacturing method using exhaust gas of low-temperature pyrolysis device}
본 발명은 저온 열분해장치의 배출가스를 이용한 시멘트 제조방법에 관한 것으로서 상세하게는 시멘트 분쇄기(Cement Mill)에서 발생하는 알카리성 분진을 함유한 공기를 열분해기로 공급하여 분진 중 함유된 알카리성 분진과 열분해시 발생하는 산성가스가 중화반응에 의해 열분해기에서 발생되는 유해가스를 제거하고, 알카리성 분진과 탄산가스(CO2)를 함유하고 있는 소성로 냉각기(Rotary kiln cooler)의 고온의 배출가스(Exhausted Gas)를 열분해장치의 연소기(Cumbuster)로 공급하여 연소기(Cumbuster)에서 배출되는 가스에 잔류하는 유해가스를 제거한 후 연소기의 배출가스를 시멘트 제조장치의 예열기로 공급하여 시멘트 제조에 사용함으로 열분해장치의 폐열을 이용 에너지 회수율을 증대시켜 연료비를 절감하고, 시멘트 제조시 대체연료(RPF)를 직화기에 직접 공급함에 따른 중금속과 불연분(Ash)의 오염을 방지하여 대체 연료를 직접 투입 사용에 따른 시멘트(Cement) 품질의 저하를 억제하는 둥의 효과가 있는 저온 열분해장치의 배출가스를 이용한 시멘트 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 해외 시멘트제조 공업의 경우 각종 폐플라스틱과 공장에서 발생된 폐기물 즉 지정폐기물을 소성로(Rotary Kiln)의 대체 연료로 사용하는 곳이 많다. 물론 국내의 시멘트 공업에서도 소성시설의 일부에 폐기물을 대체연료로 허가하고 있다. 하지만, 소성시설에 자동으로 투입하므로 고체 대체연료(RPF,WDF)의 경우 소성로(Rotary kiln)의 온도조절에 어려움이 많아 기술적으로 한정되어 있고, 또한 직접투입에 따른 유해가스의 발생과 세멘트의 품질저하 즉 대체연료(RPF,WDF)중에 함유된 중금속과 Ash(불연분)분에 의한 품질저하와 별도의 유해가스 처리시설과 처리 약품비등 소요되므로 사용을 기피하고 있다.
한편, 세멘트 제조시 주 연료는 B-C유, 유연탄, 보조 연료는 무연탄이 주로 사용되나, 고가 이므로 폐기물을 대체연료로 사용하였다. 대체연료라 함은 WDF(Waste Derived Fuel), RPF(Refuse Plastic Fuel), 합성수지, 폐목재, 우레탄 파우더, 톱밥, 폐타이어 등이 주로 사용된다.
시멘트 생산설비에서 폐기물 처리시 폐유의 경우는 폐유 저장시설을 설치하고 펌프로 폐유를 소성시설의 버너로 공급하여 연소한 경우도 있었고, 폐기물의 경우는 소성시설(Rotary kiln) 입구에 투입구를 설치하여 직접 투입하여 처리하고 있다.
하지만, 혼합된 폐유를 소성시설에 버너를 이용하여 투입하여 처리한다는 것은 발열량이 일정치 않아 클링커의 품질기준인 프리라임(Free Lime)이 높게 나타나는 문제가 발생하여 실패하고 말았다.
특히, 점도가 높은 폐 그리스(Grease)의 처리는 가장 큰 문제로 대두되는데, 이 폐 그리스를 소성시설(Rotary kiln) 입구에 투입시 정량투입이 어려워 투입량이 일정치 않다. 이럴 경우 일산화탄소(CO)의 농도가 상승되어 소성시설의 가동에 지장을 초래하는 폐단이 있다. 또한, 일반 폐기물의 경우 소성시설(Rotary kiln)로 폐기물을 운반하여 인력으로 투입하게 됨으로써 많은 인건비가 소요되는 결점도 있다
따라서, 상기한 종래 문제점을 감안하여 대한민국 특허등록 제0186730호 "시멘트 생산설비에서 폐기물 처리방법"을 안출한 것으로서, 상기한 대한민국 특허등록 제0186730호는 폐기물 소각시설의 연소가스를 소성로 냉각시설(Rotary kiln cooler)의 배출가스(Exchausted gas) 배기관을 폐열 회수 덕트에 연결하여 폐기물 소각시 발생된 고온의 연소가스와 이중에 함유된 산성가스(Hcl,SOx,NOx,CO2)를 시멘트 생산설비 소성로 냉각시설(Rotary kiln cooler)의 배출가스(Exchausted gas)에 함유된 알카리성 분진(CaO)과 석회석 분해시 발생된 탄산가스(CO2)가 닥트(Duct)에서 혼합 예열탑으로 유입시켜 예열시 필요한 온도를 제공받는 것이다.
한편 상기 폐기물 소각 처리시설에서 공급된 유해가스가 다량 함유되어 있는 배기 연소가스를 단순히 소성로에서 이동되는 알카리성 분진(CaO)과 탄산가스(CO2)를 함유한 배출가스를 예열시키는 온도로 사용한 후 열교환이 이루어져 시멘트 원료가 일정한 온도로 예열되면 열교환이 이루어진 배출가스를 외부로 배출하기 때문에 예열탑에서 배출되는 가스에는 미반응의 HCl, SO2, NOX, CO2 등의 유해가스가 포함된 상태로 대기중으로 배출되어 대기오염을 일으키는 문제가 있다.
대한민국 특허등록 제0186730호
상기한 종래 문제점을 감안하여 안출한 것으로서 본 발명의 목적은 시멘트 분쇄기(Cement Mill)에서 발생하는 많은 양의 알카리성 분진을 함유한 공기와 함께 열분해장치로 공급하여 열 분해시 발생하는 산성가스(Hcl,SOx,NOx)와 반응시켜 산성가스를 1차 중화제거하고, 완전히 제거되지 않은 열분해 가스중의 산성가스는 다시 연소기로 이동시켜 소성로 크링크(Clinker)냉각기의 배출가스(Exhausted Gas)를 연소기(Cumbuster)로 공급하여 상기 소성로 크링크 냉각기(Clink cooler)의 배출가스에 포함되어 있는 알카리성 분진과 탄산가스(CO2)와 미반응 산성가스(Hcl,SOx,NOx)를 2차로 연소기에서 완전히 반응 제거하고, 일부 탄산가스(CO2)는 열분해기에서 발생한 가연성 가스중 미분해 탄소(C)와 반응하여 일산화탄산(CO)로 치환되어 완전히 연소된다. 이때 연소기의 연소온도는 850~1,200℃이다.
이중 질소화합물(NOx)은 열분해기 공급 공기중에 요소수(Urea Water)또는 탄산암모늄((NH4)2CO3)용액을 공급하여 환원반응에 의하여 제거한다. 깨끗해진 연소기 연소가스(850~1,200℃)는 배기 턱트를 통하여 예열기(Preheater)로 공급하여 시멘트 제조의 열원으로 사용한다. 열분해장치의 열회수율은 일반 Stocker소각로 보다 4~5% 높으므로 폐열의 회수율을 증대시켜 에너지 회수율을 극대화 할 수 있다. 또한 시멘트 제조시 대체연료(RPF WDF)를 직화기에 직접 공급함에 따른 중금속과 불연분(Ash)의 오염도 방지하고 대체 연료를 직접 투입 사용에 따른 시멘트(Cement)의 품질의 저하를 억제하는 둥의 효과를 갖는 저온 열분해장치의 배출가스를 이용한 시멘트 제조방법을 제공하는데 있다.
이러한 본 발명의 목적은 시멘트 제조방법에 있어서, 시멘트 분쇄기(Cement Mill)의 시멘트 분쇄시 발생하는 알카리성 분진(CaO,SiO2,Al2O3,Fe2O3)을 공기와 함께 열분해장치로 공급하여 폐기물의 열분해시 발생하는 열분해가스에 포함되어 있는 산성가스와 반응시켜 산성가스를 제거하는 1차반응공정과; 상기 1차반응공정 후 완전히 제거되지 않은 산성가스가 포함된 열분해가스를 다시 연소기로 이동시킴과 동시에 소성로 크링크(Clinker) 냉각기의 배출가스(Exhausted Gas)와 외기를 혼합하여 연소기로 공급하면 상기 냉각기의 배출가스에 포함되어 있는 생석회는 열분해가스에 포함되어 있는 산성가스와 반응하고 탄산가스(CO2)는 미연분의 탄소(C)와 반응하여 일산화탄산(CO)로 치환되는 2차반응공정과; 상기 2차반응공정을 수행한 연소기의 연소가스(850~1,200℃)를 배기 턱트를 통하여 시멘트 제조장치에 설치되어 있는 예열기로 공급하여 시멘트 원료를 예열 및 가열하도록 하는 연소가스 재순환공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 저온 열분해장치의 배출가스를 이용한 시멘트 제조방법에 의하여 달성된다
상기 열분해장치에 요소수 또는 탄산암모늄((NH4)2CO3)용액을 공급하여 질소산화물(NOx)을 제거하도록 한 것을 특징으로 하는 저온 열분해장치의 배출가스를 이용한 시멘트 제조방법에 의하여 달성된다.
이와 같은 본 발명은 아래와 같은 효과가 있다.
1. 시멘트 분쇄기(Cement Mill)의 시멘트 분쇄시 발생하는 알카리성 분진(CaO,SiO2,Al2O3,Fe2O3)을 공기와 함께 열분해장치로 공급하여 열 분해시 발생하는 산성가스와 반응시켜 산성가스를 제거하고,
2. 완전히 제거되지 않은 산성가스는 다시 연소기로 이동시켜 소성로 크링크(Clinker) 냉각기의 배출가스(Exhausted Gas)와 외기를 혼합하여 연소기로 공급하면 상기 냉각기의 배출가스에 포함되어 있는 생석회 분진은 산성가고 탄산가스(CO2)는 미연소 탄소(C)와 반응하여 일산화탄산(CO)로 치환시켜 연소한다,
3. 상기와 같이 깨끗해진 연소가스(850~1,200℃)를 배기 턱트를 통하여 예열기로 재순환 공급하여 시멘트 제조에 사용함으로 열분해장치의 폐열을 이용 에너지 회수율을 증대시켜 시멘트 제조시 시멘트 원료를 약 900℃로 가열할 때 사용되는 연료비를 절감하고,
4. 시멘트 분쇄기(Cement Mill)의 시멘트 분쇄시 발생하는 알카리성 분진(CaO,SiO2,Al2O3,Fe2O3)과 소성로 크링크(Clinker) 냉각기의 배출가스(Exhausted Gas) 등의 유해가스 처리설비 및 약품 사용비 또한 절감하며,
5. 한편 시멘트 제조시 시멘트 원료를 약 900℃로 가열할 때 대체연료(RPF)를 직화기에 직접 공급함에 따른 중금속과 불연분(Ash)의 오염을 방지하여 대체 연료를 직접 투입 사용에 따른 시멘트(Cement)의 품질의 저하를 억제하는 둥의 효과가 있으며, 질소산화물(NOx)은 열분해장치에 분무한 요소수와 반응하여 저온열분해기 및 연소기를 거치면서 제거한다.
도 1은 본 발명의 기술이 적용된 저온 열분해장치의 배출가스를 이용한 시멘트 제조방법을 보여주는 공정도.
이하에서는, 본 실시예에 대하여 첨부되는 도면을 참조하여 상세하게 살펴보도록 한다. 다만, 본 실시예가 개시하는 사항으로부터 본 실시예가 갖는 발명의 사상의 범위가 정해질 수 있을 것이며, 본 실시예가 갖는 발명의 사상은 제안되는 실시예에 대하여 구성요소의 추가, 삭제, 변경 등의 실시변형을 포함한다고 할 것이다.
첨부도면 도 1은 본 발명의 기술이 적용된 저온 열분해장치의 배출가스를 이용한 시멘트 제조방법을 보여주는 공정도로써 이에 따른 본 발명에 있어서 시멘트의 제조방법은 광산에서 채광된 석회석은 조세기(Crusher)를 통과하면서 대형 석회석을 30mm 크기로 분쇄한다. 한편 상기 조세기에서 일정한 크기로 파쇄된 석회석의 성분을 분석하여 주성분인 석회(CaC), 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 산화철(Fe2O2)을 포함한 원료를 일정한 성분이 되도록 필요한 비율로 배합하여 원료분쇄기를 이용하여 100㎛ 이하 크기로 분쇄한다.
상기 일정한 크기로 분쇄된 석회석을 저장기에서 저장 보관하며 일정량을 다음 공정에 공급한다. 상기 저장기에 저장된 석회석은 예열기로 이송되며 상기 예열기에서는 분쇄된 원료를 주 가열기인 소성로에 투입하기 전에 약 900℃까지 가열하여 소성로의 열효율 및 생산성을 증가 시키기 위한 설비이다.
상기 소성로는 분쇄된 원료를 1,400~1,500℃로 가열하여 시멘트 원료들이 화학반응을 일으켜 조약돌 형태의 시멘트 반제품인 크링커(CLINKER)를 생산하게 된하며 상기 예열기와 소성로 작업을 일반적으로 소성공정이라 한다.
상기 소성로에서 조약돌 형태의 시멘트 반제품인 크링커(CLINKER)가 제조되면 상기 크링커(CLINKER)는 냉각기를 통과하여 약100℃ 이하로 냉각되며, 상기 냉각기를 통해 배출되는 배출가스는 약200~250℃로 냉각되어 배출되며 상기한 배출가스에는 다량의 생석회(Ca0) 분진과 탄산가스(CO2)가 포함되어 있으며, 염화물(CaCl2),황화물(CaSO4) 산성가스 등과 불연분(Ash)가 혼합되어 배출되어 있다.
상기 소성로에서 배출된 고온의 크링커(CLINKER)를 100℃ 이하로 냉각기에서 급냉시킨 후 냉각된 크링커(CLINKER)에 석고 등을 첨가하여 미세한 분말로 시멘트분쇄기를 사용하여 완재품인 시멘트를 만들며, 상기와 같이 제조된 시멘트는 물류이송수단 즉 전용 화물열차, 트럭, 선박을 이용하여 출하기지로 이송된다.
상기와 같이 시멘트를 제조할 때 냉각기에서 크링커를 급냉시킨 후 냉각된 크링커(CLINKER)에 석고 등을 첨가하여 미세한 분말로 시멘트분쇄기를 이용하여 미분할 때 상기 시멘트분쇄기에서 알카리성 분말 산화칼슘(CaO), 생석회(CaCO3) 등이 발생하게 되는데, 상기 알카리성 분말이 다량 포함되어 있는 가스와 외기를 송풍기를 이용하여 열분해장치로 공급한다.
상기 알카리성 분진(CaO, CaCO3)을 공기와 함께 열분해장치로 공급하면 열분해시 발생하는 산성가스와 반응시켜 산성가스를 제거하고, 완전히 제거되지 않은 산성가스 상기 연소기로 열분해가스를 이동시켜 완전 연소시킨다.
상기 소성로 크링크(Clinker) 냉각기의 배출가스(Exhausted Gas)와 외기를 송풍기를 이용하여 연소기로 공급하면 상기 냉각기의 배출가스에 포함되어 있는 생석회는 산성가스가 반응하고 탄산가스(CO2)는 탄소(C)와 반응하여 일산화탄산(CO)로 치환되어 깨끗해진 연소기 연소가스(850~1,200℃)를 배기 턱트를 통하여 예열기로 공급한다.
상기 연소가스는 예열기로 이동되어 분쇄된 원료를 주 가열기인 소성로에 투입하기 전에 약 900℃까지 가열하여 소성로의 열효율 및 생산성을 증가시키고 열분해장치의 폐열을 시멘트 제조장치에 있어서 예열기의 열원으로 사용하기 때문에 이용 에너지 회수율을 증대시켜 연료비를 절감하고, 시멘트 제조시 대체연료(RPF)를 직화기에 직접 공급함에 따른 중금속과 불연분(Ash)의 오염을 방지하여 대체 연료를 직접 투입 사용에 따른 시멘트(Cement)의 품질의 저하를 억제하는 둥의 효과를 얻을 수 있다.
상기에서와 같이 직화기에 사용함으로 직화시 사용시 배출되는 가스를 여과하기 위해 별도의 유해가스 처리설비의 약품 사용비 또한 절감된다. 한편 대체원료중에 함유된 불순물과 중금속 및 중화반응으로 생성된 염화물(CaCl2), 황화물(CaSO4)은 열분해기의 배출 불연분(Ash)과 함께 배출되므로 시멘트의 품질 또한 향상 시킨다. 그리고 질소산화물(NOx)은 시멘트분쇄기의 공기를 송풍기를 이용하여 열분해장치로 공급시 분무한 요소수와 반응하여 열분해기 및 연소기를 거치면서 제거된다. 반응식은 다음과 같다
[반응식]
< 열분해 연소반응 >
H2 + 1/2O2 → H2O + Q(열량)
C + O2 → CO2 + Q
C + CO2 → 2CO - Q
C + H2O → CO + H2 - Q
CO + 1/2O2 → CO2 + Q
< 중화반응 >
CaO + 2Hcl → CaCl2 + H2O
CaO + SO2 + 1/2O2 → CaSO4 ↓
CaCO3 + 2Hcl → CaCl2 + H2O + CO2
CaCO3 + SO2 + 1/2O2 → CaSO4 ↓ + CO2
< De-NOx 반응 >
2NO + (NH2)2CO + 1/2O2 → 2N2 + 2H2O + CO2
2NO + (NH4)2CO3 + 1/2O2 → 2N2 + 4H2O + CO2
여기서 연소가스에 포함된 CaCO3와 CaSo4와 CaCl2는 고체 상태이므로 에쉬배출과 함께 토출된다.
한편 시멘트분쇄기 내부에서 반응하는 생석회(CaO)의 양이 적을 때 시멘트분쇄기에는 시멘트 반제품인 크링커(CLINKER)가 있어 상기 크링커(CLINKER)에는 1.5%의 생석회(CaO)가 잔류하기 때문에 생석회(CaO)이 적어 반응이 일어나지 못하는 문제점이 보안된다.
상기한 종래 일반적인 제조방법에 의한 생산된 시멘트와 본 발명에 있어서 시멘트분쇄기에 소성로에서 배출되는 230℃의 배출가스 411,200N㎥/h 양과 선회식 연소기에서 배출되는 1,000℃의 연소가스 31,345N㎥/h 양과 석회석 142t/h, 물 35ml/h를 공급하여 생산된 시멘트의 수분함수량과 시멘트분말 크기 분포를 실험을 통해 살펴보았다.
수분함수량 시멘트 입자 크기(㎛)
종래 1% 이하 44㎛기준 90% 이상
본 발명 0.7 이하 44㎛기준 90% 이상
상기 실험에서 알 수 있듯 시멘트를 분쇄하는 시멘트분쇄기에 약300~400℃ 온도를 갖는 연소가스를 공급하면 시멘트분쇄기에 의해 분쇄되는 시멘트를 예열하는 효과를 나타내기 때문에 분쇄작업이 용이하다는 것을 알 수 있으며 상기 온도 분위기에서 시멘트에 흡착된 수분을 제거하는 효과도 얻을 수 있다.
한편 상기 실험 조건과 동일하게 시멘트에 포함되어 있는 유해가스 잔류여부를 측정하였다.
중금속 잔류여부 잔류성 유기오염물질
(다이옥신·퓨란류)		 방사설물질
종래 Cr 150ppm이하 0.1ng-TEO/Nm3 없음
본 발명 Cr 125ppm이하 0.05ng-TEO/Nm3 없음
상기 표에서 알 수 있듯 약300~400℃ 온도를 갖는 연소가스에 포함된 산성가스가 시멘트와 반응하여 시멘트에 포함되어 있는 유해가스를 중화시켜 제거할 수 있음을 알 수 있다.
이와 같은 본 발명의 소성로의 배출가스와 선회식 연소기의 배출가스를 이용한 시멘트 제조방법은 시멘트 제조공정 중 소성로에서 배출되는 가스에는 생회석(CaO)이 다량 포함된 배출가스와 산업폐기물 및 생활 일반쓰레기 등의 고형연료를 사용하는 선회식 연소장치에서 배기되는 연소가스를 시멘트분쇄기에 공급하여 시멘트분쇄기에서 미분되는 생석회와 반응시킴으로서 연소가스에 포함되어 있는 각종 유해가스 및 산성가스를 제거하며 그로 인하여 연소가스의 여과장치를 별도로 설치하지 않아도 되며 연소가스와 시멘트분쇄공정시 필요한 열원을 공급하여 고품질의 시멘트를 얻을 수 있도록 하는 등의 효과가 있는 유용한 발명이다.

Claims (2)

  1. 시멘트 제조방법에 있어서,
    시멘트 분쇄기(Cement Mill)의 시멘트 분쇄시 발생하는 알카리성 분진(CaO)을 공기와 함께 열분해장치로 공급하여 열분해시 발생하는 열분해가스에 포함되어 있는 산성가스와 반응시켜 산성가스를 제거하는 1차반응공정과;
    상기 1차반응공정 후 완전히 제거되지 않은 산성가스가 포함된 열분해가스를 다시 연소기로 이동시킴과 동시에 소성로 크링크(Clinker) 냉각기의 배출가스(Exhausted Gas)와 외기를 혼합하여 연소기로 공급하면 상기 냉각기의 배출가스에 포함되어 있는 생석회는 열분해가스에 포함되어 있는 산성가스와 반응하고 탄산가스(CO2)는 탄소(C)와 반응하여 일산화탄산(CO)로 치환되는 2차반응공정과;
    상기 2차반응공정을 수행한 연소기의 연소가스(850~1,200℃)를 배기 턱트를 통하여 시멘트 제조장치에 설치되어 있는 예열기로 공급하여 시멘트 원료를 예열 및 가열하도록 한 것을 특징으로 하는 저온 열분해장치의 배출가스를 이용한 시멘트 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열분해장치에 요소수 또는 탄산암모늄((NH4)2CO3)용액을 공급하여 질소산화물(NOx)을 제거하도록 한 것을 특징으로 하는 저온 열분해장치의 배출가스를 이용한 시멘트 제조방법.
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