KR830001366B1 - 회전가마에서의 하소에 의한 생석회 제조방법 - Google Patents

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Description

회전가마에서의 하소에 의한 생석회 제조방법

본 발명은 회전가마의 공급구로 고온가스를 생성하는 고체탄소질 연료를 공급하고 고체 연료의 연소성입자가 처음 나타나는 위치에서 시작하여 가열대역에 있는 노즐블록(nozzle block)위에 배치된 공급물속으로 노즐 블록을 통해 산소를 함유한 가스를 불어넣어 주므로서, 회전가마에서 고온 가스를 하소(

燒)처리하여 생석회(quicklime)를 제조하는 방법에 관한 것이다.

선가마(shaft furnace)에서 보다 회전가마의 열 소모가 크지만 회전가마에서 반응성이 큰 생석회를 제조하는 경향이 크다. 그러나 회전가마는 품질이 고급이며 균일한 석회를 생산하며 입자가 30mm 이하의 작은 것을 가공할 수 있는 것이다. 이러한 석회는 특히 전기로강을 제조하는데 사용되는 것으로서 이것역시 황함량이 적어야 한다. 이러한 황함량은 사용된 연료중의 황함량에 주로 기인한다. 생석회의 황 함량은 저항 함량연료를 사용하면 극소화되며 또한 중앙버어너 또는 쉘버어너(shell burner) 또는 쉘노즐(shell nozzle)에서 생성된 고온의 연소 가스로 회전가마를 가열 하므로서 미연소 연료와 공급물 사이의 직접 접촉을 피하도록 하여야 극소화 된다. (Zement-Kalk-Gips, 제2권, 1969년, 75-81페이지, 불란서 특허 명세서 제1487,240호, 미국특허 제2941791호,독일특허 명세서 제618872호). 저항 함량 연료는 고황 함량 연료보다 가격이 훨씬 비싸므로 저황함량 연료를 사용하면 열소요량이 크기때문에 공정에 소요되는 경비부담이 커지게 된다. 회전가마에 있어서는 열이 공급물의 표면에서 주로 전달되므로 특히 가열대역에서 가마 분위기중의 불꽃과 고온가스로부터 고체공급물로의 고체공급물로의 열전달이 극히 작을 뿐이다. 결과적으로 배기가스는 비교적 비싼 연료가 연소될 때 발생되는 열의 높은 함량을 갖게된다. 이것은 또한 중성 또는 환원분위기에서 하소를 시키므로서, 생석회의 황함량을 극소화 시키는 공정에 알맞다. (독일특허 명세서 제1108603호, 체코슬로바키아 특허 명세서 제127978호). 이러한 공정에는 산소공급에 변화가 있게되면 온도변화가 수반되고 국부적인 가열이 생길위험이 따르게 된다. 이러한 위험은 공기침투를 방지하는 고가의 밀페장치를 구성하여 주므로서 일부 피할 수는 있다.

독일 특허 명세서 제2719347호에서도 공지된 바와같이 고체 탄소질물질을 회전가마의 공급구를 통해 공급하고 노즐불록을 통해 노즐 블록위에 배치된 공급물속으로 그리고 쉘튜우브를 통하여 연료의 연소성 입자가 나타나기 시작하여 가마길이의 50%에서 끝나는 회전가마의 부분에 있는 회전가마의 자유공간속으로 산소를 함유하는 가스를 불어넣어주므로서 반응성이 크며 황함량이 적은 석회를 제조할수 있는 회전가마의 열소요량을 감소시키고 있다.

가마의 그 다음에 있는 부분에 쉘튜우브를 통하여 산소를 함유하는 가스를 공급하던지 쉘버어너 또는 중앙버어너를 통해 연료를 추가로 공급한다. 이 공정에 있어서 고체 연료의 휘발성의 연소성 성분의 열함량이 큰 범위에 까지 활용되기 때문에 회전가마의 가열대역의 길이가 훨씬 줄어들고 전체 에너지소모가 훨씬 절감된다.

결과적으로 고황함량 연료를 많이 사용하여 주어진 황함량을 가진 석회를 제조할 수 있거나 주어진 황함량을 가진 고체연료를 사용하므로서 황함량이 적은 석회를 제조하게 된다. 왜냐하면 고체연료가 덜 사용되기 때문이다.

본 발발의 목적은 이제까지 상술한 공정을 개선하고 회전가마의 열 소요량을 감소시켜 반응성이 크고 황함량이 적은 생석회를 제조하는데 있다.

본 발명에 의해 이 목적을 달성하자면

(가) 고체연료의 연소성입자가 나타나기 시작하고 공급물의 온도 상승이 되지않는 가열대역에 있는 노즐 블록위의 공급물속으로 산소를 함유한 가스를 노즐 블록을 통하여 불어넣고,

(나) 그 다음에 연속되는 하소대에 있는 노즐 블록위의 공급물속으로 산소를 함유한 가스를 노즐블록을 통해 불어넣을 때 공급물의 온도가 일정하게 유지되는 속도로 불어넣으며,

(다) 가마의 분위기중에 연소성 가스성분을 가지는 가마의 자유공간 속으로 산소를 함유하는 가스를 불어넣고,

(라) 가마의 자유공간으로 산소를 함유하는 가스를 불어넣는 속도를 조절하므로서 배기가스에 연소성가스 성분이 함유되지 않도록 한다.

고체탄소질 연료를 입자크기가 100mm가지의 것을 사용한다. 입자크기의 상한선은 분쇄조작에 따라 좌우된다. 연료는 석회에 대해 황함량이 허용되는 범위내에서 충분히 작은 량으로 SO₂와 SO₃를 발생하는 것을 선택한다. 특히 적당한 것으로는 반응성이 크고 코우크스화되지 않는 석탄이 좋다. 석탄은 수분함량이 60%까지 이거나 건조된 상태 또는 휘발되지 않은 상태의 것을 사용한다. 길이가 긴 회전가마는 공급구를 통해 석탄을 공급하는 것이 좋다. 짧은 회전가마는 예열기를 장치하여 공급구를 통해 휘발되지 않는 석탄을 공급하는 것이 좋다. 연소성의 휘발성분이 많은 석탄을 공급할때는 폐가스중의 연소성의 휘발성분의 양이 거의 없도록하며 이성분을 가마에서 활용한다. 고체연료의 연소성 입자는 공급물의 회전면의 하부에의는 가열대역에서 나타나기 시작한다. 각각의 입자가 로울링 베드의 면위에서 굴러내려 오면서 고온위가마 가스에 의해 가열되며 공급구에서 어느정도 떨어진 거리에 도달하면 먼저 점화온도에 도달한 후 로울링 베드로 들어가게 된다. 이것이 산소를 함유하는 가스를 노즐블록을 통하여 베드로 불어넣는 1차지점이다. 결과적으로 점화성 및 점화된 고체 연료입자가 로울링 베드의 차거운 내부로 들어갈 때 점화온도이하로 냉각되지는 않지만 로울링 베드에서 계속하여 연소된다.

공급물내에서 계속하여 일어나는 연소는 휘발성의 연소성분이 방출될때 연쇄 반응과 같이 연소되어 공급물의 단면을 신속히 퍼져나가게 된다. 연소성 휘발성분의 열함량을 완전히 활용하여 공급물을가열하고 열 전달에 필요한 열교환 표면적이 크게 증가된다. 약 2.5-3.5m정도의 간격으로 노즐블록을 추가하여 위에 나온 바 있는 가열대역부분에 장치한다. 이 간격을 구성하여 주면 베드중으로 산소를 충분하고도 효율적으로 송입할 수 있고 가마구조를 약화시키지도 않는다. 각 송입위치에서 가마주변에 일정간격으로 구성한 환상 배치의 노즐블록에다 조즐블록을 장치한다. 주변간격은 보통 2.5-3.5m이다. 제어 메카니즘을 사용하여 각 노즐블록을 통한 유속(流速)을 0으로 조절할 수있다. 더욱이 노즐블록을 나사선을 따라 배치해도 된다. 산소를 함유하는 가스는 보통 공기로 되어있다 ."노즐블록"이란것은 가마벽과 회전가마의 내화성 내장구조물을 통과하는 가스공급기로서 내화성 내장구조물의 내면에 위치하며 이 내면으로 부터 바깥으로 나 안쪽으로 다소 방사상의 간격을 가진것이다. 앞에서 나온 바 있는 (가)의 회전가마의 부분은 회전가마의 각 지점, 즉 회전가마내의 입자가 약 300℃에 도달되는 즉시 로울링 베드속으로 들어가서 소요의 하소온도 가까이 가열되는 지점에서 시작된다. 산소를 함유하는 가스가 노즐블록을 통해 공급물속으로 송입되는 속도를 조절하므로서 공급물을 가능한한 신속하게 하소 온도로 가열한다. 연료중의 휘발성분은 이 가열대역에서 방출되어 공급물위의 가마의 자유공간에서 연소된다.

앞서 나온바 있는 (나)의 회전가마의 하소대역에 있는 노즐 블록도 마찬가지로 구성시켜 작용이 되게 한것이다. 이 하소대역에서 연료중의 고체탄소가 공급물층에서 주로 연소된다. 하소 온도를 900-1100℃정도로 조절하는데 950-1050℃로 하는것이 좋다. 산소를 함유하는 가스를 노즐 블록을 통해 공급물속으로 공급하는 속도를 조절하여 하소대역 길이 전체를 통해 될 수 있는한 온도를 일정하게 유지한다. 공급물에 대한 가스 송입은 온도가 떨어지게 되면, 즉 공급물중의 고체연료가 거의 소모될 경우에는 중단된다

(다)에서 언급한 가마의 자유공간에 있어서 가마 분위기중의 연소성 성분은 공급물로 피복되지 않은 노즐블록이나 쉘튜우브를 통해 산소를 함유하는 가스를 공급하므로서 연소된다. 쉘튜우부는 가마를 방사상으로 관통하는 것으로서 유출구는 가마의 단면 중심에 있고 가마의 세로축에 평행하게 되어있다. 따라서 유출구는 공급물로 인해 피복되지 않기 때문에 단지 한개의 쉘튜우브만이 각각의 송입위치에 소요될 뿐이다. 가마의 자유공간속으로 송입되는 가스의 위치와 각 위치에서의 송입속도를 조절하므로서 가마분위기 중으로 유입되는 연소성분을 사실상 완전히 연소시켜 회전가마를 나가도록 한다. 결과적으로 가마중에서 연소성 휘발성분이 활용되는 것이다. 송입제어는 가마분위기중에 존재하고 있는 유리산소의 양을 감안하여 가마의 해당부분에서 연소성 휘발성분이 방출되는 속도에 따라 좌우된다. 산소를 함유하는 가스로는 보통 공기를 사용한다.

본 발명에 의한 공정에 있어서 공급물과 가마분위기를 병류로 이동시키고 또한 공급물과 가마분위기를 서로 역류 방향으로 이동시키는 회전가마에서 실시한다. 역류방향조작에 비하여 병류조작은 열을 보다 양호하게 활용할 수 있으나 원료를 예열하자면 배기가스의 열을 활용하기위한 장치에보다 많은 경비가 소요된다. 따라서 배기가스를 사용하여 무관계한 열을 발생시켜야만한다.

본 발명의 보다 우수한 특징으로는, 고체탄소질연료의 일부를 미분말 석탄의 부화학량론적인 연소에 의하여 중앙버어너를 통해 도입한다. 이렇게 하므로서 단순한 방식으로 극히 미분말한 석탄까지 도입할 수게 된다. 중아 버어너를 공급구 쪽에 설치하여 병류조작을 하고 회전가마의 방출구쪽에도 설치하여 역류조작도 한다.

본 발명을 역류공정에 사용할 때 나타나는 특징에 의할 것 같으면 새로운 고체 탄소질 연료의 일부를 회전가마의 방출구로부터 도입하여 전체 공급물 층에 대한 분배하게 되어있다. 이때 함입공기를 이용하여 기압식으로 도입하는 것이 좋다. 이러한 방법으로 도입된 연료의 입자크기는 15mm이하이다. 갈탄같이 연소성 휘발성분의 함량이 많은 석탄으로된 고체연료를 사용하여 분사한다.

이 경우에 있어서 공급구에서의 석탄공급속도와 석탄분사속도를 조절하므로서 연소성 휘발성분이 가마 분위기 중에서 거의 완전히 연소되며 사실상 배기가스중에 휘발성분이 함유되지 않는다. 건조석탄을 분사하는 것이 좋다.

본 발명의 다른 특징에 의하면 역류 조작에 있어서 중앙버어너를 사용하여 회전가마의 방출구로부터 열을 도입하여 방출구에서 도입되는 산소를 함유한 가스를 약 1100-1250℃정도로 가열할 수 있다. 중앙에서 공급되는 공기는 예열된 공기로서 회전가마에서 방출되는 새석회를 냉각시키면 회수된다. 석탄분말로 연소되는 중앙버어너를 이용하여 공기를 일정온도로 가열한다. 이렇게 하므로서 냉각시에 회수되는 열을경제적으로 활용할 있수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면 역류 조작에 있어서 점화성 고체 연료입자가 나타나기 이전에 가열대역에 있는 가마의 자유공간으로 최소한 한개의 쉘 튜우브를 통하여 산소를 함유하는 가스를 송입한다. 이러한 방법에 있어서 연소성 휘발성분은, 특히 고속으로 방출될 경우에 회전가마에서 사실상 완전히 연소된다.

본 발명의 다른 특징에 의하면 역류조작에 있어서 수직식 냉각기에서 최종 하소가 일어나며 이 냉각기에서 나오는 배기가스는 회전가마로 송입된다. 이 방법에 있어서 잔존 고체탄소는 냉각기의 파일(pile)에 있는 최상부층에서 반응하며 CO가 연소하여 CO₂를 생성하므로서 냉각공기에 열이 추가로 공급되기 때문에 회전가마에도 열이 공급된다. 이렇게 되므로써 전체 공정에서 열이 경제적 및 효율적으로 개선시키는 것이다.

본 발명의 또 한가지 특징에 의하면 회전가마를 병류공정으로 조작하고 칼슘을 함유하는 재료를 공급구를 통해서 가열된 상태에서 공급함과 아울러 탄화물질을 냉각된 상태에서 공급하며 노즐블록을 통하여 도입되는 산소를 함유한 가스를 공급구 바로뒤에 있는 공급물을 통해 송입한다. 이 경우에 있어서 탄화물질은 중앙버어너없이도 연소되며 차거운 탄화물질은 극히 짧은 가마에서도 가열이 된다. 따라서 가마의 길이를 통해 더운 배기가스를 재순환시키므로서 칼슘을 함유한 재료가 있는 수직 가마를 예열할 수 있다.

본 발명을 실시예에 따라 상술하기로 한다.

그런데 본 발명에서 사용한 시험용 회전가마는 길이가 12m이고 안지름이 0.8m인 것이었다. 가마에는 노즐블록의 1m간격, 즉 가마길이에 대하여 1m간격으로 설치하였고 노즐블록을 부착하여 공기를 일정속도로 공급할 수 있게 하였으며 상호간에 무관계하게 폐쇄되게 한 것이다. 역규조작에 있어서는 쉘 튜우브에 공급구쪽으로부터 1m떨어지게 구성하였고 이 튜우브에 공급구쪽으로 유출구를 구성하였다.

수분함량이 36%이고 입자크기가 25mm 이하인 아역청탄으로 된 연료를 사용하였으며 석탄의 조성은 건조석탄 기준으로 다음과 같다.

고정탄소(fixed carboniFC) 48% 휘발성분 44%

회분 8%

공급되는 석회석의 입자크기는 8-40mm이었다.

[실시예 1]

회전가마를 사용하여 역류 조작을 했다.

공급재료

석회석 600kg/h 석탄

가) 공급구, 25mm이하 125kg/h

나) 방출구, 10mm이하 45mm

공기공급 900st.m³/h

가) 공이 30%는 공급물고 가마의 자유공간속으로 동일비율로 가열대역으로 공급

나) 공기 50%는 공급물과 가마의 자유공간속으로 동일 비율로 하소대역으로 공급

다) 공기 20%는 방출구로부터 가마의 자유공간속으로 중앙공급

가열대역

가마길이의 약 40% 한쪽의 고체온도 880℃

한쪽의 가스온도 1110℃

하소대역

가마길이의 약 60% 고체온도 :

가) 방출구앞 최대 1m 970℃

나) 방출구 930℃

가스의 최고온도

방출구앞 1m 1160℃

배기가스

온도 660℃ 연소성분℃ 0.5이하

산소 약 1%

방출된 고체

석회의 CO₂함량 1%이하 CF 함량 0.1이하

회분의 입자크기 1mm이하

방출된 고체를 냉각드럼중에서 물 방울을 뿌리면서 간접적으로 냉각시킨 후 회분을 분리하였다.

사용한 장치로서는 냉각시에 회수된 열을 활용할 수가 없었다. 열소모량을 판단함에 있어서 비교적 작은 시험용 가마의 벽을 통해 열을 분산되게 하여야 한다.

하소대역으로 공급된 공기를 가스공간속으로 동일한 속도록 공급하였을때 가스 공간중의 가스의 온도가 평균 100℃ 상승하였고 배기가스가의 온도는 750℃ 상승하였으나 탈산성화를 그 이상 충분하게 할 수가 없었으며 CO₂함량 4-8%사이에서 변화하였다. 가마에서 나온 고체중의 탄소함량은 거의 5%로 증가하였다. 가스중의 연소성분의 함량은 거의 동일하였다. 먼저 상술된 바와같은 조작 방식에 있어서 공급구를 통한 석탄공급량을 증가시키고 방출구에서의 중앙 송입장치를 통한 석탄 공급량을 감소시켰을 때 배기가스중의 연소성분의 비율은 증가되었으며 배기가스의 온도는 강화되었다. 공급구를 통해 석탄을 150kg/h의 속도로 공급하고 방출구를 통해, 20kg/h의 속도로 공급하였을때 배기가스의 온도는 600℃이하로 떨어졌고 배기가스중의 연소성분은 거의 3%정도로 나타났다.

냉각시에 회수된 열을 활용하므로서 열소비가 약 8-12%정도 감소되었다.

[실시예 2]

회전가마를 사용하여 병류조작을 하였다 .가스점화식 중앙버어너를 가마의 공급구에 설치하여 표면에 있는 석탄입자를 점화온도로 가열하였다. 이들 입자가 베드로 들어갈 때 석탄의 휘발성분의 열함량이 쉘노즈(shell nozzle)을 통해 공급되는 공기에 의해 방출되며 베드는 하소온도로 가열된다.

하소를 위해 공급되는 재료의 공급속도와 품질은 역류조작의 경우에서와 같이 일정하였다. 그러나 석탄을 25mm이하의 입자크기로 하여 공급구를 통해 1시간당 습한석탄 170kg을 공급하였다. 중앙 버어너로 공급되는 공기를 제외하고는 공기를 약 950 표준 m³/h의 속도로 공급하였다. 이 공기중 약 60%정도를 가열대역으로 공급하였으며, 이 가열대역과 하소대역에 있어서 공기를 가스공간과 베드로 거의 동일비율로 공급하였다.

이 조작에 있어서 가마에서 나오는 고체중의 고정탄소의 잔존함량과 석회의 최종 산성도(CO₂함량)는 각각 0.1% 및 1% 이하이었다. 중앙 버어너로 천연가스를 16표준 m³/h로 공급하였는데 이 버어너에 10%과잉의 공기를 공급하였다. 가마의 방출구를 나가는 배기가스의 온도는 1050℃이었고 함유된 2%의 산소와 연소성분은 검출되진 않았다. 가열대역은 가마길이의 40%정도를 차지한 것이다.

공급물의 온도는 가열대역의 공급구에서 890℃이었고 가마의 방출구에서는 990℃로 상승하였다. 가스의 온도는 가마의 공급구로부터 약 1.5m정도되는 곳에서 최대 1250℃가 된 후 가마의 방출구에서는 1050℃로 떨어졌다. 고온의 배기가스를 사용하여 수직 예열 장치에서 석회석을 예열하였다. 이렇게 하므로서 가마의 공급구에 중앙 버어너를 설치할 필요가 없었던 것이다.

본 발명의 장점은 회전가마의 어떠한 위치에서도 열소모 반응에 의해 열이 소비되는 속도에 따라서만 열이 발생되기 때문에 회전가마의 열소비를 저하시킬 수 있다는 것이다. 따라서 동일한 연료를 가지고서도 황의 함량이 거의 없게하여 석회로 공급할 수 있다. 고속도록 베드를 통과하는 가스는 석회중의 황함량을 감소시키는 경향도 있다 베드중에서 CO₂와 C가 반응하여 CO₂의 분압이 보다 저하되기 때문에 하소는 촉진되고 보다 활성인 석회가 제조된다. 열 전달계수가 개선되기 때문에 내부 설비가 필요없고 단지 벽만을 통한 열의 소모가 약간있을 뿐이다. 가스와 베드의 온도가 서로 거의 같기 때문에 국부 가열을 피할 수 있다. 온도가 낮을 수록 내화성 내장구조물의 수명이 연장되고 표면이 환상으로 박리되지도 않는다.

또한 조작도 극히 융통성이 발휘되며 가마를 고도의 효과적인 요소를 가지고서 조작할 수 있을 뿐더러 가마의 단위 단면적당 생산속도가 크게된다.

Claims (1)

1. 회전가마의 공급구로 고온가스를 생성하는 고체 탄소질연소를 공급하고 고체연료의 연소성입자가 처음 나타나는 위치에서 시작하는 가열대역에서 노즐블록 위에 위치한 공급물속으로 노즐블록을 통해 산소를 함유한 가스를 불어넣어 주므로서 회전가마에서 고온 가스로 하소처리하여 생석회를 제조하는 방법에 있어서, 가마길이의 40-70%로 구성되고 고체연료의 연소성 입자가 나타나는 데서 시작하고 공급물의 온도상승이 더이상 되지 않는 곳에서 끝나는가열대역에 있는 노즐블록 위의 공급물속으로 산소를 함유한 가스를 노즐블록을 통하여 불어넣고, 가마길이의 30-60%로 구성되고 가열대역에 연속되며 하소대역에 있는 노즐블록위의 공급물속으로 산소를 함유한 가스를 노즐블록을 통해 공급물의 온도가 일정하게 유지되는 속도로 불어넣고, 가마분위기중에 연소성가스성분을 가지는 가마의 자유공간속으로 산소를 함유하는 가스를 불어넣고, 배기가스에 연소성 가스성분이 함유되지 않도록 가마의 자유공간속으로 산소를 함유하는 가스를 불어넣는 속도를 조절함을 특징으로 하는 회전가마에서의 하소에 의한 생석회 제조방법.