KR20240051963A - 환원된 시멘트질 재료를 제공하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
환원된 시멘트질 재료를 제공하는 제조 장치는 가열 디바이스, 환원 디바이스, 및 냉각 디바이스를 포함한다. 환원 디바이스는 가스 밀봉부를 포함하고 가열 디바이스에 연결되는 제1 단부를 가지며, 그에 따라 가열 디바이스로부터의 가열된 시멘트질 재료는 실질적으로 가열 디바이스로부터의 어떠한 가스도 환원 디바이스에 진입되지 않고 환원 디바이스의 제1 단부에 공급될 수 있다. 환원 디바이스는 환원 디바이스에 형성된 환원된 시멘트질 재료가 냉각 디바이스에 제공되도록 냉각 디바이스에 연결된 제2 단부를 갖는다. 환원 디바이스는 시멘트질 재료를 제1 단부로부터 제2 단부로 운반하도록 구성되고 환원제 또는 환원제 전구체를 수용하도록 구성되는 운반 수단을 추가로 갖는다.
Description
시멘트 산업의 친환경 전환 동안, 시멘트 생산이 환경에 미치는 영향을 줄이려고 노력하는 것이 바람직하다. 이를 수행하는 한 가지 방법은 시멘트 클링커와 동일한 양의 에너지를 필요로 하지 않고 CO2를 덜 배출하는 시멘트 대체 재료(supplementary cementitious material)(SCM)로 일부를 대체함으로써 시멘트 가루에서 클링커 양을 최소화하는 것이다. 바람직한 SCM은 시멘트 특성을 갖는 소성 점토이다.
소성 점토를 사용하는 데에는 2개의 주요 동인이 있다. 제1 동인은 점토의 가용성이지만 세계 일부 지역에서는 석회석이 부족하여, 현지에서 이용 가능한 점토 퇴적물로부터 시멘트를 생산하는 것이 매우 매력적이다. 다른 하나는 시멘트 생산으로 인한 전체 CO2 배출량을 크게 낮출 수 있는 엄청난 잠재력으로, 시멘트 생산업체가 CO2 설치 공간이 더 낮은 시멘트를 제공할 수 있게 해준다. CO2 할당량 가격이 증가하고 친환경 어젠다가 제기됨에 따라, CO2 양태는 서구 세계에서 중요한 역할을 할 것으로 예상된다.
소성 점토를 사용하는 데 있어 한 가지 문제는 산소의 존재 하에 고온에 노출될 때 점토가 적색으로 착색된다는 것이다. 이는 산소의 존재 하에 산화철로 산화되는 철 화합물이 점토에 존재하기 때문이다. 점토에 시멘트질 특성을 제공하기 위해서는, 통상적으로 600℃ 내지 900℃ 범위의 활성화 온도로 점토를 가열하여 활성화해야 한다. 점토 소성 시스템에서, 점토는 고온과 과도한 산소에 노출되어 연료를 연소시키며, 이로 인해 점토가 적색으로 변한다. 시장에서는 회색 시멘트를 요구하고 적색 시멘트는 요구하지 않기 때문에, 활성화된 점토와 클링커를 혼합하여 시멘트를 생산할 때 적색은 대부분의 고객에게 바람직하지 않다.
점토의 적색 착색을 회피하기 위해 여러 다양한 기술이 존재한다. EP3218320 B1호에서는, 철의 산화를 회피하기 위해 점토를 환원 조건에서 600 내지 1050℃의 활성화 온도까지 가열한 후, 점토를 환원 조건에서 냉각한다.
US8906155 BB에서는, 점토를 산화 조건에서 소성할 수 있으며, 그 후 점토를 환원 조건에서 열처리한다. 이어서, 환원된 점토를 환원 조건에서 제1 단계로 냉각시켜 안정한 환원 점토 화합물을 획득한 후 추가로 냉각시킨다.
백색 시멘트의 생산에서도 비슷한 문제와 해결책이 일어난다. 시멘트 클링커의 착색을 회피하기 위해, 적어도 화합물 Cr2O3, Mn2O3, 및 Fe2O3의 양을 회색 시멘트 클링커에 비교하여 낮은 레벨로 유지한다.
따라서, 백색 시멘트 생산에는 "표백" 및 "??칭" 프로세스가 필요하다. "표백"에는 Fe(III)를 Fe(II)로 환원시키기 위해 환원 조건에서 클링커층 상으로 제2 화염을 지향시키는 것이 수반된다. 이어서, 철의 재산화를 방지하기 위해, "??칭"이 수행된다. 이는 몇 초 안에 클링커 온도를 1200℃로부터 600℃ 미만으로 급속하게 낮추는 것으로 구성된다. 여기에는 일반적으로 물에 떨어뜨린 후 나사로 빠르게 제거하거나 물 분사 커튼을 통과시키는 것이 수반된다.
환원 조건에서의 냉각 단계는 통상적으로 물에서 ??칭하거나 물을 분사하여 산소를 치환하고 오일과 같은 탄소 소스를 첨가하여 환원 조건을 제공함으로써 수행된다.
물을 사용한 ??칭 프로세스는, 클링커의 현열을 일반 클링커 제조업체처럼 재활용하지 못하기 때문에 프로세스의 에너지 효율이 상대적으로 떨어지는 원인이 된다.
따라서, 소성 점토의 색상을 제어/변경할 수 있고 동시에 전력 소비 및 이에 따라 CO2 배출량이 감소되는 프로세스를 가능하게 하는 장치 및 프로세스를 제공하는 것이 바람직하다.
따라서, 이러한 배경을 감안하여, 본 발명의 목적은 종래 기술의 일부 단점을 완화할 수 있는 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 제1 양태에서, 이들 목적 및 추가 목적은 환원된 시멘트질 재료를 제공하기 위한 제조 장치에 의해 획득되며, 장치는:
활성화 온도 이상으로 시멘트질 재료 전구체를 가열하여 시멘트질 재료를 형성하도록 구성된 가열 디바이스;
시멘트질 재료를 수용하고 상기 시멘트질 재료를 환원시키도록 구성된 환원 디바이스;
환원된 시멘트질 재료를 냉각시켜 시멘트질 재료의 적어도 일부가 환원된 상태로 유지되게 하도록 구성된 냉각 디바이스를 포함하고;
환원 디바이스는:
가열 디바이스에 연결되고 가스 밀봉 수단을 포함하여, 가열 디바이스로부터의 가열된 시멘트질 재료가 실질적으로 가열 디바이스로부터의 어떠한 가스도 환원 디바이스에 진입되지 않고 반응기의 제1 단부에 공급될 수 있게 하는 제1 단부;
냉각 디바이스에 연결되어, 환원 디바이스를 통과한 환원된 시멘트질 재료가 냉각 디바이스에 제공되게 하는 제2 단부;
시멘트질 재료를 제1 단부로부터 제2 단부로 운반하도록 구성된 운반 수단을 포함하며;
환원 디바이스는 환원제 또는 환원제 전구체를 수용하도록 추가로 구성되어, 환원 분위기가 환원 디바이스에서 달성되고 유지된다.
환원 디바이스의 제1 단부에 가스 밀봉부를 포함하는 제조 장치를 제공함으로써, 상류 프로세스 장비로부터 환원 디바이스를 분리하는 것이 가능하다. 따라서, 프로세스 가스는 가열 디바이스로부터 환원 디바이스로 유동할 수 없다. 환원 디바이스의 환원 분위기는 일산화탄소 및/또는 탄화수소 혼합물과 같은 가연성 가스 뿐만 아니라, 예를 들어 수소 또는 암모니아와 같은 비탄소 함유 환원제를 포함할 수 있다. 가스 밀봉부를 가짐으로써, 가연성 가스가 가열 디바이스로 유입되어 발화되는 것이 방지된다. 이에 의해, 밀봉부는 더 나은 프로세스 제어를 제공하고 또한 안전 조치로서 작용한다. 환원 분위기의 유지 시간 및 환원 전위는 환원제의 더 큰 활용을 제공하고 따라서 환원제 또는 환원제 전구체가 덜 필요한 훨씬 더 큰 정도로 제어될 수 있다. 시멘트질 재료를 열처리하거나 소성하기 위한 가열 디바이스가 탄소질 재료를 환원하기 위한 환원 디바이스와 별개인 제조 장치를 갖는다는 것은, 2개의 프로세스 단계가 동일한 장비에 통합된 경우에 비교하여 환원 디바이스가 훨씬 더 작은 체적을 가질 수 있게 한다. 이는 또한 환원제의 사용량을 감소시키는 데에도 기여한다.
가열 디바이스는 시멘트질 재료 전구체/원료를 원하는 시멘트질 특성을 갖는 재료로 변환하는 데 적합할 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 가열 디바이스는 소성기 또는 가마일 수 있다.
시멘트질 재료는 적절한 재료를 활성화함으로써, 예를 들어 적절한 활성화 온도로 가열하여 원하는 시멘트질 특성을 획득하는 SCM일 수 있으며, 시멘트 클링커의 부분 대체물로서 사용될 수 있다.
시멘트질 재료는 대안적으로 환원 조건 하에서 처리되어 백색으로 색상 변경된 시멘트 클링커일 수 있다. 이러한 시멘트 클링커의 조성은 본 기술 분야의 숙련자에게 널리 알려져 있으며, 통상적으로 회색 시멘트 클링커의 조성에 비교하여 전이 원소의 함량이 낮다.
시멘트질 재료 전구체라는 용어는 시멘트질 특성을 제공하기 위해 아직 열처리되지 않은 시멘트질 재료를 의미한다.
"환원된" 시멘트질 재료라는 용어는 원하는 시멘트 특성을 획득하기 위해 열처리된 후 더 낮은 산화 상태로 환원된 열처리 및 환원된 시멘트질 재료를 의미한다. 환원된 시멘트질 재료의 예는 회색 외관을 갖는 소성 점토 또는 백색 외관을 갖는 시멘트 클링커이다.
활성화 온도라는 용어는 시멘트질 재료가 시멘트질 재료 전구체로부터 형성될 수 있는 온도를 정의하는 데 사용된다. 활성화 온도는 형성을 위한 시멘트질 재료의 유형, 예를 들어, 시멘트 클링커 또는 SCM에 따라 달라진다.
환원 온도라는 용어는 시멘트질 재료가 환원 반응을 받기에 적절한 온도, 즉, 금속 이온(통상적으로 철)이 더 낮은 산화 상태로 환원되는 온도를 정의하는 데 사용된다. 통상적으로, 반응은 특정 온도 간격에서 발생하며 온도가 증가할수록 더 빠르게 진행된다. 환원 온도는 시멘트질 재료의 유형, 환원될 화학 화합물 뿐만 아니라 환원제의 특성에 따라 달라진다. 환원 온도는 통상적으로 반응 온도보다 더 낮다. 이는 통상적으로 시멘트질 재료가 반응성이 있고 반응 속도가 적절한 온도 간격이다. 주어진 시멘트질 재료 및 환원제에 대한 환원 온도는 본 기술 분야의 숙련자에게 널리 알려져 있을 것이다. 환원 온도보다 더 낮은 온도에서, 본 기술 분야의 숙련자는 시멘트질 재료가 안정된 것으로 인식하게 된다.
점토 화합물에 적절한 활성화 온도는 500℃ 내지 1100℃, 바람직하게는 700℃ 내지 900℃, 보다 바람직하게는 800℃ 내지 850℃일 수 있다.
백색 시멘트 클링커에 적절한 활성화 온도는 1300℃ 내지 1500℃, 바람직하게는 1350℃ 내지 1450℃일 수 있다.
활성화된 점토 화합물의 적절한 환원 온도는 200℃ 내지 1000℃, 바람직하게는 400℃ 내지 900℃, 바람직하게는 750℃ 내지 850℃일 수 있다.
백색 시멘트 클링커에 대한 적절한 환원 온도는 500℃ 내지 1200℃, 바람직하게는 600℃ 내지 1000℃, 보다 바람직하게는 800℃ 내지 900℃일 수 있다.
환원제의 유형에 따라, 본 기술 분야의 숙련자는 원하는 환원된 시멘트질 재료를 획득하기 위해 화학 반응을 수행하기 위한 적절한 온도 간격을 결정할 수 있을 것이다.
냉각 디바이스는 바람직하게는 열 회수에 적절한 냉각 수단을 포함한다. 적절한 냉각 수단은 공기 ??칭과 같은 가스 ??칭에 의한 냉각일 수 있다. 열 회수를 증가시키기 위해서는, 물 ??칭에 의한 냉각을 하지 않는 것이 바람직하다. 적절한 냉각 디바이스는 사이클론 또는 유동층 냉각기와 같은 가스 현탁 예열기일 수 있다. 바람직하게는, 냉각 디바이스는 1 스테이지 내지 5 스테이지와 같은 복수의 냉각 스테이지를 포함한다. 바람직하게는, 냉각 디바이스는 산화 조건에서 환원된 시멘트질 재료를 냉각시키도록 구성되지만, 시멘트질을 환원 온도 미만의 온도로 냉각시켜 시멘트질 재료의 적어도 일부를 환원된 산화 상태로 유지하기에 충분히 빠른 냉각 속도로 냉각시키도록 구성된다. 냉각 속도는 25℃/초 내지 1000℃/초, 바람직하게는 100℃/초 내지 300℃/초일 수 있다. 시멘트질 재료의 유형, 시멘트질 재료의 조성 및 원하는 색상에 따라, 환원된 시멘트질 재료를 500℃ 미만의 온도, 예컨대 350℃로 냉각하는 것이 바람직하다. 소성 점토는 통상적으로 원하는 색상을 실질적으로 유지하기 위해 350℃의 온도로 ??칭해야 한다. 백색 시멘트의 경우, 환원된 백색 시멘트 클링커를 800℃ 미만의 온도, 예컨대 600℃로 냉각하는 것이 바람직하다.
운반 수단은 시멘트질 재료를 제1 단부로부터 제2 단부로 운반하도록 구성된다. 바람직하게는, 운반 수단은 또한 시멘트질 재료와 환원제 사이의 더 나은 접촉을 제공하기 위해 환원 디바이스에서 시멘트질 재료를 혼합하도록 구성된다. 운반 수단은 블레이드를 포함하는 회전 샤프트, 드래그 체인 또는 스크류 컨베이어와 같은 기계적 운반 수단일 수 있다. 대안적으로, 운반 수단은 시멘트질 재료를 유동화하기 위해 가스 또는 액체가 이용되는 유동층 또는 공기 활주와 같은 비기계적 운반 수단일 수 있다. 기체는 입자를 직접 유동화할 수 있는 반면, 액체는 환원 디바이스에 제공될 때 기화되도록 프로세스 온도보다 더 낮은 끓는점을 갖도록 선택되어야 한다. 적절한 액체의 일 예는 물일 수 있다.
하나 이상의 실시예에서, 제조 장치는 환원 디바이스의 제2 단부에 위치된 가스 밀봉 수단을 더 포함하고, 제2 단부는 환원 디바이스를 통과한 환원된 시멘트질 재료가 실질적으로 환원 디바이스로부터의 어떠한 가스도 냉각 디바이스에 진입되지 않고 냉각기에 제공되도록 냉각 디바이스에 연결된다.
제2 단부 부분에 가스 밀봉부를 가짐으로써, 환원 디바이스의 환원 분위기는 상류 및 하류 프로세스로부터 완전히 격리된다. 이는 또한 산소가 존재할 수 있는 냉각기에서 환원 분위기의 가연성 가스가 점화되는 것을 방지한다. 대신, 소비 환원제를 포함하는 과잉 가스는 전용 가스 출구에 의해 환원 디바이스로부터 제거될 수 있다. 바람직하게는, 가스 출구는 시멘트질 재료가 가스 출구에 진입할 수 없도록 배열되고 배향된다. 과잉 가스는 가열 디바이스의 바람직한 위치에 추가될 수 있고, 적어도 부분적으로 환원 디바이스로 재활용되거나 다른 프로세스에서 기체상 연료로서 사용될 수 있다.
하나 이상의 실시예에서, 환원 디바이스는 미립자 형태의 시멘트질 재료를 수용하도록 구성되고, 운반 수단은 미립자 시멘트질 재료가 조밀한 상으로 있는 동안 미립자 시멘트질 재료를 제1 단부로부터 제2 단부로 운반하도록 구성된다. 조밀한 상이란 미립자가 입자의 어떠한 실질적인 동반도 없이 조밀한 현탁액에 현탁되어 통상적으로 완전히 탈기된 상태에서 동일한 재료 밀도의 25%를 초과하는 벌크 밀도를 획득하는 것을 의미한다. 조밀한 상의 미립자 재료는 실질적으로 비-동반되는 것을 특징으로 하고, 즉, 고체 입자의 수직 속도는 현탁 가스의 상향 속도보다 더 낮다. 조밀한 상이란 입자가 가스에 현탁되지 않음(비-동반 유동)을 의미한다.
하나 이상의 실시예에서, 환원 디바이스는 유동화 수단을 갖게 구성된다. 유동화 수단은 환원 디바이스에서 재료의 우수한 혼합을 제공한다.
양호한 유동화를 보장하기 위해, 시멘트질 재료는 그레인 크기가 1 내지 5000 ㎛인 미립자 형태인 것이 바람직하다. 하나 이상의 실시예에서, 제조 장치는 시멘트질 재료를 1 내지 500 ㎛의 그레인 크기로 소형화하는 데 적절한 분쇄 수단을 포함한다.
하나 이상의 실시예에서, 유동화 수단은 가스 또는 액체의 펄스에 의해 유동화되도록 구성된다. 가스 맥동은 미립자의 유동화를 획득하기 위해 더 적은 가스를 이용한다. 따라서, 열 교환 및 세정해야 하는 가스가 적어지게 된다. 따라서, 맥동에 의한 유동화는 일정한 가스 유동에 비교하여 더 비용 효율적이고 더 환경 친화적인 유동화를 제공한다. 펄스는 0.1 내지 10 Hz의 주파수와 0.5 내지 7 bar의 압력에서 제공된다.
유동화 수단을 환원 디바이스에 제공하는 것은 가스 밀봉부가 루프 밀봉부 형태가 되게 할 수 있다. 유체와 같이 거동하는 미립자 시멘트질 재료를 갖는 것은 시멘트질 재료가 유동화되는 동안 루프 밀봉부를 통해 유동하게 되지만, 가열 디바이스로부터의 임의의 프로세스 가스가 환원 디바이스에 진입하는 것을 실질적으로 방지할 수 있다. 대안적으로, 가스 밀봉 수단은 스크류 공급기일 수 있다.
환원제는 전구체로서 제1 단부에 위치되는 가스 밀봉부를 통해 환원 디바이스 내로 도입될 수 있다. 환원제 전구체는 실제 환원제로 변환되는 성분을 의미한다. 예로는 환원 챔버에서 가열된 시멘트질 재료와 접촉하여 일산화탄소로 변환되는 고체 석탄이 있을 수 있다. 환원제는 석탄, 폐기물 연료, 석유 제품, 석유 코크스, 바이오매스, 탄소 함유 가스, 수소, 암모니아 및, 예를 들어 요소와 같은 암모니아 형성 전구체를 포함하는 목록으로부터 선택될 수 있다.
하나 이상의 실시예에서, 환원 디바이스는 고체, 액체 또는 기체상 환원제 또는 환원제 전구체를 제공하도록 구성된 환원제 입구를 포함한다. 환원제 입구는 시멘트질 재료가 제1 단부로부터 제2 단부로 운반되는 동안 환원제와 접촉하게 되도록 환원 디바이스에 위치될 수 있다.
하나 이상의 실시예에서, 환원 디바이스는 루프 밀봉부로서 구성된다. 환원 디바이스는, 예를 들어 U자형, V자형, W자형 또는 루프 밀봉부가 유동화된 미립자 재료를 포함하는 제1 단부로부터 제2 단부로 가스가 유동하는 것을 방지하는 다른 형상을 가질 수 있다. 루프 밀봉부 구성에서, 환원 디바이스는 사용 동안 가스가 제1 단부로부터 제2 단부로 유동하는 못하도록 유동화된 미립자 재료로 채워지는 밀봉 부분에 의해 분리된 제1 단부와 제2 단부를 갖는다. 유동화된 미립자 재료는 제1 단부에 진입하는 미립자 재료의 중량으로 인해 제1 단부로부터 제2 단부로 유동하며, 이는 루프 밀봉부를 통해 제2 단부를 향해 재료를 가압한다.
다른 양태에 따르면, 본 발명은 환원된 시멘트질 재료를 제조하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은:
- 전이 원소를 포함하고 활성화 온도를 갖는 시멘트질 재료 전구체를 제공하는 단계;
- 활성화 온도 이상의 산화 조건에서 시멘트질 재료 전구체를 열처리하여 시멘트질 재료를 형성하는 단계;
- 열처리 단계로부터 어떠한 프로세스 가스도 실질적으로 제공하지 않고 시멘트질 재료를 환원 디바이스에 제공하고 시멘트질 재료의 온도를 환원 온도 이상으로 유지하는 단계;
- 환원제 또는 환원제 전구체를 환원 디바이스에 제공하고 시멘트질 재료를 환원제와 접촉시켜 환원된 시멘트질 재료를 제공하는 단계;
- 환원된 시멘트질 재료를 산화 조건 하에서 환원 온도 미만인 온도로 냉각하여 냉각된 환원된 시멘트질 재료를 제공하는 단계를 포함한다.
전이 원소를 포함하는 시멘트질 재료는 백색 시멘트 클링커 또는 철, 망간, 바나듐, 크롬 또는 산화된 조건으로부터 환원된 조건으로 색상 변경을 겪은 기타 전이 원소 산화물을 포함하는 활성화된 점토일 수 있다.
시멘트질 재료를 환원 단계에 제공하는 단계는 시멘트질 재료 전구체를 열처리하는 단계 후에 수행된다. 즉, 단계는 별개의 프로세스 장비에서 별개로 수행된다.
산화 조건 하에서의 냉각은 바람직하게는 공기 ??칭에 의해 또는 적어도 부분적으로 냉각된 고체와의 혼합에 의해 수행된다. 반응이 충분히 빠르지 않으면 환원된 시멘트질 재료 중 일부가 산화될 수 있으므로 냉각 속도는 시멘트질 재료의 최종 색상에 영향을 미친다. 환원된 시멘트질 재료라는 용어는 환원 반응을 겪은 시멘트질 재료를 의미한다. 산화 조건에서 환원된 시멘트질 재료의 일부를 냉각시키면 다시 산화될 수 있지만, 냉각된 환원된 시멘트질 재료는 열처리된 시멘트질 재료의 산화 상태보다 더 낮은 평균 산화 상태를 가져야 한다. 특정 용례에서, 이는 산화된 시멘트질 재료의 색상과 상이한 색상을 제공한다. 바람직한 색상 제어에 따라, 환원된 시멘트질 재료의 적어도 50 w/w%, 바람직하게는 60 w/w%, 바람직하게는 70 w/w%, 바람직하게는 80 w/w%, 바람직하게는 90 w/w%, 바람직하게는 95 w/w%가 열처리된 시멘트질 재료보다 낮은 산화 스테이지에 있는 것이 충분하고 바람직할 수 있다.
하나 이상의 실시예에서, 환원된 시멘트질 재료는 환원된 시멘트질 재료가 냉각 단계를 거치는 어떠한 환원제도 없이 실질적으로 냉각 디바이스에 제공된다.
하나 이상의 실시예에서, 환원 디바이스로부터의 과잉 가스가 열처리 단계에 제공된다. 과잉 가스는 환원 디바이스에 제공된 환원제, 일산화탄소, 부분적으로 산화된 탄화수소, 물(증기)과 같은 환원 디바이스에서 형성된 가스일 수 있다. 다른 프로세스 단계로부터의 프로세스 가스와 실질적으로 격리된 환원 디바이스를 가짐으로써, 과잉 가스는, 예를 들어 공기에 의해 희석되지 않으며, 따라서 가열 단계에서 연료로서 이용될 수 있다. 과잉 가스의 예로는 일산화탄소 및 부분적으로 산화된 탄화수소가 있다.
하나 이상의 실시예에서, 시멘트질 재료는 미립자 재료로서 제공되며, 시멘트질 재료는 환원 디바이스에서 유동화된다. 이는 시멘트질 재료의 양호한 혼합 특성을 제공하므로 시멘트질 재료와 환원제 사이의 양호한 접촉을 제공한다.
하나 이상의 실시예에서, 환원된 시멘트질 재료는 백색 시멘트 클링커이다.
하나 이상의 실시예에서, 환원된 시멘트질 재료는 회색 외관을 갖는 소성 점토이다.
추가의 현재 바람직한 실시예 및 추가 이점은 다음의 상세한 설명 및 첨부된 종속 청구항으로부터 명백해질 것이다.
본 발명은 현재 바람직한 실시예의 비제한적인 예에 의해 그리고 개략도를 참조하여 이하에서 더 상세히 설명될 것이고, 도면에서:
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 환원 디바이스를 포함하는 제조 장치의 개요를 도시하고;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 환원 디바이스의 개략도를 도시하며;
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 환원 디바이스의 개략도를 도시한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 환원 디바이스를 포함하는 제조 장치의 개요를 도시하고;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 환원 디바이스의 개략도를 도시하며;
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 환원 디바이스의 개략도를 도시한다.
도 1은 환원된 시멘트질 재료를 제조하기 위한 제조 장치(1)를 도시한다. 점토 광물 함유 화합물 또는 클링커 전구체(석회석, 실리카/모래, 카올리나이트 점토와 같은 알루미나 소스) 형태의 시멘트질 재료 전구체는 고온 프로세스 가스를 이용하여 건조하고 소형화하기 위해 분쇄기(5)에 제공된다. 이어서, 전구체 재료는 필터 디바이스(12)에 제공되고 추가로 호퍼(13) 형태의 투여 디바이스에 제공된다. 호퍼(13)로부터, 전구체 재료는 재료 엘리베이터(14)를 통해 파이로 프로세스 시스템에 원하는 양이 첨가될 수 있다. 다음에, 전구체 재료는 예열 사이클론(2)의 형태로 가열 디바이스에 제공되거나 대안적으로 소성기(3)에 제공된다. 예열 사이클론(2)으로부터, 예열된 전구체 재료는 원하는 온도 프로파일을 조절하고 제공하기 위해 소성기(3)의 상이한 위치에 추가될 수 있다. 소성기(3)는 산화 조건 하에서 작동하고 전구체 재료는 활성화(반응)되어 산화된 시멘트질 재료를 형성한다. 이어서, 산화된 시멘트질 재료는 사이클론 분리기(6)에 제공되어 소각로의 온도 제어를 위해 소성기로 재순환될 수 있거나, 산화된 시멘트질 재료가 더 낮은 산화 상태로 환원되는 환원 디바이스(4)로 재순환될 수 있다. 그 후, 환원된 시멘트질 재료는 3 스테이지 냉각 사이클론(7a, 7b, 7c)의 형태인 냉각 디바이스에 제공되며, 여기서 환원된 시멘트질 재료는 공기 ??칭에 의해 환원 온도 미만인 온도로 냉각됨으로써 산화된 시멘트질 재료보다 더 낮은 평균 산화 스테이지를 갖는 안정적인 시멘트질 재료를 제공한다. 최종 제품은 재료 출구(8)를 통해 가장 낮은 냉각 사이클론 스테이지로부터 제거될 수 있다. 주변 공기는 가스 입구(9)를 통해 추가되고 고체 재료에 대한 역류로 제공된다. 주변 공기는 냉각 사이클론(7a, 7b, 7c)에서 고온의 환원된 시멘트질 재료와 접촉하면서 가열되게 된다. 가스가 소성기(3)에 추가되기 전에 고온 가스 발생기(10)를 이용하여 추가 열 에너지가 공기에 제공될 수 있다.
이제, 일 실시예에 따른 환원 디바이스(40)를 더 상세히 도시하는 도 2를 참조한다. 환원 디바이스(40)는 실질적인 U자형에 의해 형성된 루프 밀봉부 배열(43) 형태의 가스 밀봉부를 갖는 제1 단부(41)를 갖는다. 제1 단부(41)는 가열 디바이스에 연결된 입구(42)를 포함하고, 그에 따라 가열 디바이스로부터 가열된 시멘트질 재료는 반응기의 제1 단부에 공급될 수 있다. 가열 디바이스(3)로부터 제공된 어떠한 가스도 루프 밀봉부 배열을 통과할 수 없으며 가열 디바이스(3)로부터의 프로세스 가스는 환원 구역(45)에 진입할 수 없다. 가스 노즐 형태의 다수의 유동화 수단은 유체(50)를 주입하여 시멘트질 재료를 유동화시키기 위해 환원 디바이스(40)의 하부 표면을 따라 위치된다. 도시된 실시예에서, 환원제는 유체(50b)와 함께 주입되어 유동화된 시멘트질 재료와 환원제를 포함하는 분말 컬럼(44)을 형성한다. 소비된 또는 과잉 환원제는 출구 가스(102)에 포함되며 가스 출구(46)를 통해 제거될 수 있고 임의로 소성기의 버너에 제공될 수 있다. 가스 출구(46)는 출구 가스 내의 환원제의 함량을 분석하여 환원 디바이스(40)에 첨가된 환원제의 양을 조절하는 가스 분석 수단을 포함할 수 있다. 환원 구역(45)은 제1 단부(41)와 제2 단부(51) 사이에 격리되어 있으며, 따라서 환원 분위기를 제공하고 유지하도록 구성된다. 제2 단부(51)는 실질적인 U자형에 의해 형성된 루프 밀봉부 배열(49) 형태의 가스 밀봉부를 갖는다. 유동화된 환원된 시멘트질 재료의 재료 컬럼(48)으로 인해, 출구 가스(102)는 루프 밀봉부 배열(49)을 통해 냉각 디바이스(7)로 유동할 수 없다. 환원된 시멘트질 재료(101)는 출구(52)를 통해 제거된다. 유동화 유체(50)는 다양한 유형의 가스 또는 액체일 수 있다. 50a, 50b, 50c, 50d로서 제공되는 유체는 동일한 유체 또는 상이한 유체일 수 있다. 예로서, 유체(50a)는 공기일 수 있는 반면, 가스(50c 및 50d)는 N2과 같은 불활성 가스일 수 있다. 유체(50b)로는 환원제를 포함하는 가스가 제공될 수 있다. 대안적으로, 액체가 프로세스 환경에서 증발하고 유동화 가스로서 증기를 제공하도록 액체가 제공될 수 있다. 유동화 유체를 제공하고 시멘트질 재료를 유동화함으로써, 시멘트질 재료는 환원 디바이스(40)를 통해 운반된다. 제1 재료 컬럼(47)의 중량은 시멘트질 재료를 환원 디바이스(40)를 통해 가압한다.
이제, 환원 디바이스(80)의 다른 실시예를 도시하는 도 3을 참조한다. 환원 디바이스(80)는 환원 디바이스(40)와 동일한 원리로 작동하지만, 시멘트질 재료를 유동화하기 위한 가스를 제공하지 않는다. 환원 디바이스(80)는 시멘트질 재료와 환원 분위기를 받고 수용하도록 구성된 환원 용기(81)를 포함한다. 입구(82)는 환원 디바이스(80)의 제1 단부에 위치된다. 스크류 공급기(83) 형태의 가스 밀봉부는 실질적으로 가열 디바이스로부터 어떠한 프로세스 가스도 제공하지 않고 환원 용기(81)에 시멘트질 재료를 제공한다.
재료 출구(90)는 환원 디바이스(80)의 제2 단부에 위치된다. 재료 출구(90)는 제1 단부로부터 제2 단부로 시멘트질 재료(99)의 운반 및 혼합을 또한 제공하는 스크류 공급기(84)에 의해 환원 용기(81)로부터 격리된다. 환원 디바이스(80)는 입구(85)를 통해 환원제 또는 환원제 전구체를 수용하도록 구성된다. 소비 환원제를 포함하는 출구 가스는 가스 출구(86)를 통해 환원 용기(81)로부터 제거된다.
Claims (16)
- 환원된 시멘트질 재료를 제공하기 위한 제조 장치이며,
활성화 온도 이상으로 시멘트질 재료 전구체를 가열하도록 구성된 가열 디바이스;
시멘트질 재료를 수용하고 상기 시멘트질 재료를 환원시키도록 구성된 환원 디바이스;
환원된 시멘트질 재료를 냉각시켜 시멘트질 재료가 환원된 상태로 적어도 부분적으로 유지되게 하도록 구성된 냉각 디바이스를 포함하고;
환원 디바이스는:
가열 디바이스에 연결되고 가스 밀봉 수단을 포함하여, 가열 디바이스로부터의 가열된 시멘트질 재료가 실질적으로 가열 디바이스로부터의 어떠한 가스도 환원 디바이스에 진입되지 않고 환원 디바이스의 제1 단부에 공급될 수 있게 하는 제1 단부;
냉각 디바이스에 연결되어, 환원 디바이스를 통과한 환원된 시멘트질 재료가 냉각 디바이스에 제공되게 하는 제2 단부;
시멘트질 재료를 제1 단부로부터 제2 단부로 운반하도록 구성된 운반 수단을 포함하며;
환원 디바이스는 환원제 또는 환원제 전구체를 수용하도록 추가로 구성되어, 환원 분위기가 환원 디바이스에서 달성되고 유지되는, 환원된 시멘트질 재료를 제공하기 위한 제조 장치. - 제1항에 있어서, 제2 단부는 환원 디바이스를 통과한 환원된 시멘트질 재료가 실질적으로 환원 디바이스로부터의 어떠한 가스도 냉각 디바이스에 진입되지 않고 냉각기에 제공되도록 냉각 디바이스에 연결되고 가스 밀봉 수단을 포함하는, 환원된 시멘트질 재료를 제공하기 위한 제조 장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 환원 디바이스 및 운반 수단은 분말 형태의 시멘트질 재료를 수용하도록 구성되고, 시멘트질 재료는 조밀한 상으로 제1 단부로부터 시멘트 단부로 운반되는, 환원된 시멘트질 재료를 제공하기 위한 제조 장치.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 환원 디바이스는 유동화 수단을 갖게 추가로 구성되는, 환원된 시멘트질 재료를 제공하기 위한 제조 장치.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 유동화 수단은 가스 또는 액체의 펄스에 의해 유동화되도록 구성되는, 환원된 시멘트질 재료를 제공하기 위한 제조 장치.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 가스 밀봉 수단은 루프 밀봉부인, 환원된 시멘트질 재료를 제공하기 위한 제조 장치.
- 제4항 내지 제6항에 있어서, 환원 디바이스는 루프 밀봉부로서 구성되는, 환원된 시멘트질 재료를 제공하기 위한 제조 장치.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 소비 환원제를 포함하는 과잉량의 가스를 환원 디바이스로부터 제거하기 위한 가스 출구를 더 포함하고, 임의로, 과잉량의 가스는 가열 디바이스에 제공되는, 환원된 시멘트질 재료를 제공하기 위한 제조 장치.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 냉각 디바이스는 바람직하게는 공기 ??칭에 의해 산화 조건에서 냉각되도록 구성되는, 환원된 시멘트질 재료를 제공하기 위한 제조 장치.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 냉각 디바이스는 1 스테이지 내지 5 스테이지와 같은 복수의 냉각 스테이지를 포함하는, 환원된 시멘트질 재료를 제공하기 위한 제조 장치.
- 환원된 시멘트질 재료를 제조하는 방법이며,
- 전이 원소를 포함하고 활성화 온도를 갖는 시멘트질 재료 전구체를 제공하는 단계;
- 활성화 온도 이상의 산화 조건에서 시멘트질 재료 전구체를 열처리하여 시멘트질 재료를 형성하는 단계;
- 열처리 단계로부터 어떠한 프로세스 가스도 실질적으로 제공하지 않고 시멘트질 재료를 환원 디바이스에 제공하고 시멘트질 재료의 온도를 환원 온도 초과로 유지하는 단계;
- 환원제 또는 환원제 전구체를 환원 디바이스에 제공하고 가열된 시멘트질 재료를 환원제와 접촉시켜 환원된 시멘트질 재료를 제공하는 단계;
- 환원된 시멘트질 재료를 산화 조건 하에서 환원 온도 미만인 온도로 냉각하여 냉각된 환원된 시멘트질 재료를 제공하는 단계를 포함하는, 방법. - 제11항에 있어서, 환원된 시멘트질 재료는 실질적으로 어떠한 환원제도 없이 냉각 디바이스에 제공되는, 방법.
- 제11항 또는 제12항에 있어서, 환원 디바이스에서 발생된 임의의 과잉 가스는 열처리 단계에 제공되는, 방법.
- 제11항 내지 제13항에 있어서, 시멘트질 재료는 분말로서 제공되고, 시멘트질 재료는 환원 디바이스에서 유동화되는, 방법.
- 제11항 내지 제14항에 있어서, 시멘트질 재료는 백색 시멘트 클링커, 바람직하게는 파쇄되거나 분쇄된 백색 시멘트 클링커인, 방법.
- 제11항 내지 제14항에 있어서, 시멘트질 재료는 열적으로 활성화된 점토 광물 함유 화합물인, 방법.
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