시멘트 가마

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시멘트 가마들은 포틀랜드와 다른 종류의 유압시멘트의 제조의 파이로프로세싱 단계에 사용되는데, 이 단계에서 탄산칼슘이 실리카를 함유한 미네랄과 반응하여 규산칼슘의 혼합물을 형성한다. 매년 10억 톤 이상의 시멘트가 만들어지고, 시멘트 가마들은 이러한 생산 과정의 핵심이다. 그들의 용량은 보통 시멘트 공장의 용량을 규정한다. 시멘트 제조의 주요 에너지 소비 및 온실 가스 배출 단계로서, 가마 효율의 향상은 시멘트 제조 기술의 주요 관심사였다. 시멘트 가마에서 나오는 배출은 전 세계 비자연 탄소 배출량의 약 2.5%를 차지할 정도로 온실가스 배출의 주요 원천이다.^[1]

시멘트 클링커 제조

일반적인 제조 공정은 다음 세 단계로 구성된다.

• 석회암과 점토 또는 셰일 혼합물을 분쇄하여 미세한 "원료"를 만든다(Rawmill 참조).
• 시멘트 가마에서 생화물을 소결 온도(최대 1450 °C)로 가열한다.
• 시멘트를 만들기 위해 그 결과로 생긴 클링커를 분쇄한다(시멘트 공장 참조).

2단계에서는 원료를 가마 안으로 공급하고, 가마 연료의 연소로 인한 뜨거운 가스와 접촉하여 점차 가열한다. 생화물의 온도가 상승함에 따라 연속적인 화학 반응이 일어난다.

• 70~110°C - 유수 증발
• 400~600 °C - 점토와 같은 미네랄은 그 성분인 산화물로 분해된다. 주로 SiO와₂ AlO₂₃. dolomite(CaMg(CO₃)₂는 탄산칼슘(CaCO₃), MgO 및 CO로₂ 분해된다.
• 650 ~ 900 °C - 탄산칼슘이 SiO와₂ 반응하여 벨라이트(CaSiO₂₄)를 형성한다(시멘트 산업에서는 C2S라고도 한다).
• 900~1050°C - 남아 있는 탄산칼슘은 산화칼슘(CaO)과 CO로₂ 분해된다.
• 1300~1450°C - 부분(20~30%) 용융이 일어나고, 벨라이트(belite)가 산화칼슘과 반응하여 알라이트(CaO₃·SiO₄)를 형성한다(시멘트 산업에서는 C3S라고도 한다).

알라이트는 포틀랜드 시멘트의 특징적인 성분이다. 일반적으로 반응을 완료하려면 1400–1450 °C의 피크 온도가 필요하다. 부분 용해로 인해 재료가 덩어리나 결절(일반적으로 직경 1~10mm)으로 응집된다. 이것을 클링커라고 한다. 그 다음에 핫클링커는 열을 대부분 회수하는 쿨러로 떨어져 클링커를 약 100℃로 냉각시켜 보관에 편리하게 전달할 수 있다. 시멘트 가마 시스템은 이러한 과정을 수행하기 위해 설계되었다.

초기 역사

포틀랜드 시멘트 클링커는 전통적인 정적 석회 가마의 변형된 형태로 처음 만들어졌다.^[2][3][4] 기본적인 계란 컵 모양의 석회 가마는 원추형 또는 벌집형 형태의 연장선과 함께 제공되어 드레이크를 증가시켜 시멘트 클링커(clinker)를 만드는 데 필요한 높은 온도를 얻었다. 거의 반세기 동안, 이 디자인과 사소한 수정은 제조의 유일한 방법으로 남아 있었다. 가마는 생약 덩어리의 강도에 의해 크기가 제한되었는데, 가마의 전하가 자체 무게로 무너지면 가마는 소멸된다. 이런 이유로 벌집가마는 한 묶음 당 30톤 이상의 찰과상을 만들어 본 적이 없다. 한 묶음이 돌아가는데 1주일이 걸렸다: 가마를 채우는 데 1일, 태우는 데 3일, 식히는 데 2일, 하역하는 데 1일이 걸렸다. 따라서, 가마는 연간 약 1500톤을 생산할 것이다.

1885년경 연속 가마 설계에 대한 실험이 시작되었다. 한 가지 디자인은 샤프트 가마였는데, 용광로와 비슷한 디자인이었습니다. 상부에 덩어리, 연료 등의 형태의 생화물이 계속 첨가되었고, 하단에 클링커가 계속 인출되었다. 기지의 압력에 의해 공기가 통과하여 연료를 연소시켰다. 샤프트 가마는 회전가마에 의해 미끄러지기 전까지 사용 기간이 짧았지만, 1970년부터는 중국 등지에서 제한된 르네상스를 누렸으며, 이때는 수송로에서 멀리 떨어진 시골 지역의 소규모 저기술 발전소에 사용되었다. 그런 가마 수천 개가 중국에서 건설되었다. 일반적인 샤프트 가마는 하루에 100~200톤을 생산한다.

1885년부터는 오늘날 세계 생산량의 95% 이상을 차지하는 회전가마 개발에 대한 시련이 시작되었다.

회전가마

회전가마는 강판으로 만든 관으로 이루어져 있으며, 불브릭으로 줄지어 있다. 관은 약간 기울어져(1~4°) 천천히 축을 중심으로 시속 30~250회전 사이로 회전한다. 상단에서 라믹스를 먹이고, 가마가 회전하면 가마의 반대쪽 끝으로 점차 내리막길을 이동하게 된다. 다른 쪽 끝 연료에서는 가스, 기름, 또는 분쇄된 고체 연료의 형태로 '버너 파이프'를 통해 불어 넣어 가마 튜브의 하부에 큰 동심원 불꽃이 발생한다. 불꽃 아래에서 물질이 이동하면서 최고 온도에 도달한 후 가마 튜브에서 냉각기로 떨어진다. 공기는 먼저 냉각기를 거쳐 가마를 통해 연료 연소를 위해 흡입된다. 냉각기의 공기는 냉각 클링커에 의해 가열되므로 가마에 들어가기 전에 400~800°C가 될 수 있으므로 연료의 강렬하고 빠른 연소를 유발한다.

가장 초기에 성공한 회전 가마들은 프레데릭 란소메의 디자인을 바탕으로 1890년경 펜실베이니아에서 개발되었으며,^[5] 지름이 약 1.5m, 길이가 약 15m였다. 그런 가마는 하루에 약 20톤의 찰랑찰랑하게 만들었다. 처음에 연료는 당시 펜실베이니아에서 쉽게 구할 수 있었던 석유였다. 특히 이 연료로 좋은 불꽃을 얻는 것은 쉬웠다. 이후 10년 안에 분쇄된 석탄을 불어서 발사하는 기술이 개발되어 가장 저렴한 연료를 사용할 수 있게 되었다. 1905년까지 가장 큰 가마들은 2.7 x 60m 크기로 하루 190톤을 만들었다. 그 당시, 겨우 15년의 개발 끝에, 회전 가마가 세계 생산의 절반을 차지했다. 이후 가마 용량은 꾸준히 증가해 오늘날 가장 큰 가마에서는 하루 1만톤 가마가 생산되고 있다. 정적 가마와는 대조적으로, 이 물질은 빠르게 통과한다. 즉, 3시간(일부 오래된 습식가마에서는)에서 10분(짧은 사전가마 가마에서는)까지 걸린다. 회전 가마는 하루 24시간 운행하며, 일반적으로 필수 유지관리를 위해 일년에 한두 번 며칠만 정차한다. 회전가마의 주요 정비 작업 중 하나는 타이어와 롤러 표면 가공 및 연삭 작업으로 가마가 최대 3.5rpm의 속도로 완전 가동되는 동안 할 수 있다. 이것은 중요한 규율이다. 왜냐하면 가열과 냉각은 길고, 낭비적이며, 손상을 입히기 때문이다. 18개월 동안 중단되지 않은 주행.

습식 과정과 건조 과정

초기부터, 두 가지 다른 생화제 준비 방법이 사용되었다: 광물 성분은 마른 지반으로 밀가루와 같은 가루를 형성하거나, 물을 첨가하여 페인트의 일관성과 함께 미세한 슬러리(slurry)를 생산하는 습지였다. 그리고 일반적인 수분 함량은 40–45%^[6]이다.

습식 공정은 슬러리가 가마 안으로 유입될 때 물을 증발시키는 데 많은 양의 여분의 연료를 사용한다는 명백한 단점을 겪었다. 게다가, 가마의 길이의 상당 부분이 건조 과정에 투입되었기 때문에, 주어진 클링커 생산에 더 큰 가마가 필요했다. 반면 습식 과정은 여러 가지 장점이 있었다. 경질 광물의 습식 연삭은 대개 건식 연삭보다 훨씬 효율적이다. 슬러리를 가마에서 말리면, 가마의 후속 난방에 이상적일 정도로 세밀한 부스러기를 형성한다. 건조한 과정에서 미세한 분말 원료를 가마에 보관하는 것은 매우 어려운 일인데, 이는 빠르게 흐르는 연소 가스가 가마를 다시 내뿜는 경향이 있기 때문이다. 건식 혼합물을 '감수'하기 위해 마른 가마 속에 물을 뿌리는 것이 관행으로 되어, 여러 해 동안 두 공정의 효율성 차이가 거의 없었고, 압도적으로 많은 가마들이 습식 과정을 이용했다. 1950년까지 건조 구역 열 교환기가 장착된 전형적인 대형 습식 공정 가마는 크기가 3.3 x 120m였고, 하루에 680톤을 만들었으며, 클링커 1톤당 약 0.25–0.30톤의 석탄 연료를 사용했다. 1970년대의 에너지 위기가 새로운 습식 공정 설비의 종말을 고하기 전에, 5.8 x 225m 크기의 가마들은 하루에 3000톤을 만들고 있었다.

습식 공정 역사에 관한 흥미로운 각주는 일부 제조업체들이 실제로 폐연료의 사용을 통해 매우 오래된 습식 공정 시설을 수익성 있게 만들었다는 것이다. 폐연료를 태우는 식물은 연료비가 마이너스다(에너지 함량이 있고 고온과 유지시간이 길어져 시멘트 가마에서 안전하게 폐기할 수 있는 물질을 폐기해야 하는 산업체에서 지불한다). 결과적으로 습식 공정의 비효율성은 제조업체에게 유리하다. 오래된 습식 공정 위치에서 폐기물 연소 작업을 배치함으로써, 연료 소비량이 증가하면 그에₂ 상응하는 CO 배출량이 더 많이 발생하지만, 실제로는 제조 업체의 이익 증가와 같다. 그러한 배출량을 줄여야 한다고 생각하는 제조업체들은 습식 공정의 사용을 포기하고 있다.

프리히터스

1930년대 독일에서는 연료 낭비를 최소화하기 위해 처음으로 가마 시스템을 재설계하는 시도가 있었다.^[7] 이는 두 가지 중요한 발전을 가져왔다.

• 격자 예열기
• 가스 예열기

격자 예열제

격자 예열기는 체인 모양의 고온의 강철 이동 격자가 들어 있는 챔버로 구성되며, 회전 가마의 냉간 끝에 부착된다.^[8] 드라이파우더 날염은 결절 팬에서 지름 10~20mm의 단단한 알갱이로 변하며, 10~15%의 물을 더한다. 펠릿은 움직이는 격자 위에 실리고, 가마 뒤쪽에서 나오는 뜨거운 연소 가스는 아래에서 펠릿의 침대를 통과한다. 이것은 매우 효율적으로 생약을 마르고 부분적으로 석회화시킨다. 그리고 나서 그 알갱이들은 가마 안으로 떨어진다. 가마에서 가루가 날리는 물질은 거의 없다. 생맥스는 펠릿을 만들기 위해 축축하기 때문에 이를 "세미 건조" 과정이라고 한다. 그리트 프리히터는 '세미위트' 공정에도 적용되는데, 이 공정은 생믹스를 슬러리로 만들어 우선 고압 필터로 물을 빼고, 그 결과로 나온 '필터케이크'를 펠릿으로 밀어 넣어 그라이트에 먹이는 '세미위트' 공정에도 적용할 수 있다. 이 경우 알갱이의 수분 함량은 17~20%이다. 그레이트 예열기는 1950년대와 60년대에 가장 인기가 있었는데, 그 당시 일반적인 시스템은 길이 28m, 폭 4m의 격자판과 3.9 x 60m의 회전 가마를 가지고 있어 하루에 1050톤을 만들며, 클링커 1톤당 약 0.11-0.13톤의 석탄연료를 사용했다. 하루 최대 3000톤까지 시스템을 설치했다.

가스정류 예열기

주요 구성 요소는 원심 작용에 의해 용기의 바깥쪽 가장자리에 던져지고 원추의 꼭지점에 있는 밸브를 통해 빠져나가는 "피질 검출기" ID이다. 사이클로인은 원래 먼지가 많은 가스를 청소하기 위해 사용되어 단순한 건조 공정 가마를 남겼다. 대신, 만약 생믹스의 전체 사료가 사이클론을 통과하도록 장려된다면, 가스가 효율적으로 냉각되어 대기에 열 낭비를 덜 발생시키고 생믹스는 효율적으로 가열되는 매우 효율적인 열 교환이 이루어진다는 것을 알게 된다. 다수의 사이클로인이 직렬로 연결되면 이 효율은 더욱 높아진다.

실제로 사용되는 사이클론 단계 수는 1에서 6까지 다양하다. 에너지는, 팬 파워의 형태로, 사이클론의 끈을 통하여 가스를 끌어들이는데 필요하며, 6 사이클론의 끈에서는, 추가 사이클론에 필요한 추가 팬 파워의 비용이 획득한 효율적 이점을 초과한다. 원재료 건조 시 따뜻한 배기가스를 사용하는 것이 정상이고, 원료가 젖어 있다면 효율이 떨어지는 예열기의 뜨거운 가스가 바람직하다. 이 때문에 가장 흔히 접하는 서스펜션 예열기는 사이클론이 4개다. 예열기 줄의 밑부분을 빠져나가는 고온 사료는 일반적으로 20%의 석회화가 이루어지기 때문에 가마는 후속 처리가 덜 되어 있어 보다 높은 특정 출력을 달성할 수 있다. 1970년대 초에 설치된 전형적인 대형 시스템은 사이클로인의 직경 6m, 즉 5 x 75m의 회전식 가마로 하루 2500t의 석탄을 만들었으며, 클링커 1톤당 약 0.11-0.12t의 석탄연료를 사용했다.

영업정지 예열자의 효율성에 따라 벌금이 부과되는 것은 차단하는 경향이다. 나트륨과 칼륨의 황산염과 염화물과 같은 염분은 가마의 연소 구역에서 증발하는 경향이 있다. 그것들은 증기 형태로 다시 운반되고, 충분히 낮은 온도와 마주쳤을 때 다시 응축된다. 이러한 염분은 다시 원액으로 순환하고 연소 구역으로 다시 들어가기 때문에 재순환 사이클이 스스로 성립한다. 원무 및 클링커에 0.1% 염화물이 함유된 가마는 중간 키의 재료에 5% 염화물이 함유될 수 있다. 응결은 보통 예열기에서 발생하며, 끈적끈적한 액체 염류 침전물은 일반적으로 기체 흐름이 영향을 미치는 표면에서 먼지로 된 생화물을 하드 침전물로 만든다. 이는 가마에 더 이상 공기 흐름을 유지할 수 없을 정도로 예열기를 질식시킬 수 있다. 그런 다음 수동으로 빌드업을 분리해야 한다. 현대적인 설비들은 종종 정기적으로 빌드업을 완성하기 위해 취약한 지점에 자동 장치를 설치한다. 대안으로 접근하는 방법으로는, 염분이 아직 증기 단계에 있는 가마 입구의 가마 배기가스 일부를 "비산"하고, 여기에 있는 고체를 제거하여 버리는 것이다. 이것은 보통 "알칼리 출혈"이라고 불리며 재순환 주기를 깨뜨린다. 또한 클링커의 알칼리 함량을 감소시키기 때문에 시멘트 품질의 이유로도 유리할 수 있다. 그러나 뜨거운 가스는 낭비되기 때문에 공정이 비효율적이고 가마 연료소비를 증가시킨다.

프레알시너스

1970년대에 선구자는 일본에서 개척되었고, 이후 전세계적으로 새로운 대형 설비를 위한 선택 장비가 되었다.^[9] 프리칼시너는 서스펜션 프리히터의 발전이다. 가마에 태울 수 있는 연료의 양은 가마의 크기와 직결된다는 것이 철학이다. 원료를 태우는 데 필요한 연료의 일부를 가마 밖에서 태우면 일정한 가마 크기에 따라 계통의 출력을 높일 수 있다. 서스펜션 예열기의 사용자들은 예열기의 기저부에 여분의 연료를 주입하면 출력이 증가할 수 있다는 것을 발견했다. 논리적인 발전은 분쇄된 석탄을 주입하는 프리히터 밑면에 특수 설계된 연소실을 설치하는 것이었다. 이를 "공기 통과" 프리칼시너라고 하는데, 이는 가마 연료와 석회 연료의 연소 공기가 모두 가마를 통과하기 때문이다. 이런 종류의 프리칼시너는 캘리너에서 연료의 30%(일반적으로 20%)까지 연소시킬 수 있다. 석회관에 더 많은 연료를 주입하면 가마를 통해 더 많은 양의 공기가 유입되어 가마의 불꽃이 지나치게 식을 것이다. 사료는 회전가마에 들어가기 전에 40-60%의 석회화된다.

궁극적인 발전은 "공기 분리형" 프리칼시너인데, 이 프리칼시너에서는 냉방기의 뜨거운 연소 공기가 가마를 우회하여 냉각기에서 직접 덕트로 도착한다. 일반적으로 연료의 60~75%가 선취기에서 연소된다. 이러한 시스템에서는 회전가마에 들어가는 사료가 100% 석회화된다. 가마는 사료를 소실 온도까지 올리면 된다. 이론적으로는 예열기에서 연료를 모두 태우면 최대 효율이 달성되지만, 소결작업은 부분 용융과 결절을 수반해 클링커를 만드는 것으로 회전가마의 굴림작용이 가장 효율적인 방법으로 남아 있다. 대규모 현대식 설비에는 일반적으로 4~5 사이클로인의 두 개의 평행 현이 있으며, 하나는 가마에, 다른 하나는 예열실(prealcinstalciner chamber에 부착되어 있다. 6 x 100m의 회전 가마는 클링커 1톤당 약 0.10-0.11톤의 석탄 연료를 사용하여 하루에 8,000–10,000톤의 석탄을 만든다. 이 가마는 거대한 프리히터 탑에 의해 왜소해졌고 이러한 시설에서는 더 시원하다. 이런 가마는 연간 300만 톤의 클링커를 생산하며, 30만 톤의 석탄을 소비한다. 직경 6m는 회전 가마 크기의 한계로 나타나는데, 이 크기 이상에서는 강철 껍질의 유연성이 관리가 불가능해지고, 가마가 구부러질 때 방화벽이 무너지는 경향이 있기 때문이다.

공기 분리형 프리칼시너의 특별한 이점은 알칼리성 가마 배기가스의 많은 비율 또는 심지어 100%를 알칼리성 블리딩으로 제거할 수 있다는 것이다(위 참조). 이는 시스템 열 입력의 40%에 불과하므로 단순한 서스펜션 예열기 블리딩보다 낮은 열 낭비량으로 수행할 수 있다. 이 때문에 지금은 시멘트 공장에서 고알칼리 원재료만 구할 때 공기 분리형 프리알시저를 항상 처방하고 있다.

첨부된 수치는 북미에서 보다 효율적인 프로세스(데이터를 쉽게 이용할 수 있는)의 사용을 향한 움직임을 보여준다. 그러나 예를 들어, 태국은 북아메리카의 두 배나 되는 가마당 평균 생산량은,

보조 장비

가마 튜브 및 예열기 외에 필수 장비는 다음과 같다.

• 쿨러
• 연료 공장
• 팬
• 배기 가스 청소 장비

쿨러즈

초기 시스템은 회전식 쿨러를 사용했는데, 회전식 실린더는 가마와 유사하게 회전하고 있었고, 그 안에 뜨거운 클링커가 떨어졌다.^[10] 클링커가 아래로 내려가면서 공기 흐름을 따라 폭포처럼 진행되면서 연소 공기가 냉각기를 통해 끌어올려졌다. 1920년대에는 위성 냉각기가 보편화돼 최근까지 계속 사용됐다. 이는 가마 관에 부착된 한 세트의 튜브(일반적으로 7-9)로 구성된다. 가마에 밀봉되어 별도의 운전이 필요 없다는 장점이 있다. 1930년경부터 격자 냉각기가 개발되었다. 이것은 직사각형 챔버에 둘러싸인 차가운 공기가 통풍되는 천공 격자로 구성된다. 0.5m 깊이의 클링커 침대가 격자를 따라 움직인다. 이러한 냉각기는 클링커를 급속 냉각시키는 두 가지 주요 이점을 가지고 있는데, 이는 (1250 °C 이하에서 열역학적으로 불안정한 열역학적으로 냉각이 느린 상태에서 벨라이트 및 자유 CaO로 되돌아가기 위해) 품질 관점에서 바람직하며, 회전하지 않기 때문에 뜨거운 공기를 연료 건조 또는 프리칼시너로 사용하기 위해 클링커에서 덕트할 수 있다. 연소 공기 후자의 장점은 그들이 현대 시스템에서 사용되는 유일한 유형이 되었다는 것을 의미한다.

연료 공장

연료 시스템은 두 가지 범주로 나뉜다.^[11]

• 직접 사격
• 간접사격

직사화에서는 연료공장에 제어된 속도로 연료를 공급하고, 미세한 제품은 즉시 가마 안으로 날려버린다. 이 시스템의 장점은 위험한 지상 연료를 저장할 필요가 없다는 것이다: 그것은 만들어지는 즉시 사용된다. 이러한 이유로 그것은 오래된 가마들을 위한 선택 시스템이었다. 단점은 연료공장이 항상 가동되어야 한다는 것이다. 연료공장이 고장나면, 보조장치가 없으면 가마를 멈춰야 한다.

간접 연소에서는 연료가 간헐적으로 작동하는 제분기에 의해 접지되며, 미세한 제품은 연료 제분 기간에도 가마를 공급하기에 충분한 크기의 사일로에 저장된다. 미세한 연료는 조절된 속도로 사일로에서 계량되어 가마 안으로 날아든다. 이 방법은 가마와 선취기 둘 다 같은 계통의 연료를 공급받을 수 있기 때문에 선취기 계통에 선호된다. 미세한 연료를 안전하게 보관하기 위해서는 특별한 기술이 필요하며, 휘발성이 높은 석탄은 보통 불활성 대기(예: CO₂)에서 밀링된다.

팬

많은 양의 가스가 가마 시스템을 통해 이동되어야 한다.^[12] 특히 서스펜션 프리히터 시스템에서는 이를 구동하기 위해 시스템 출구에서 높은 수준의 흡착이 개발되어야 한다. 선풍기도 냉방침대를 통해 공기를 밀어내고, 연료를 가마 안으로 밀어넣는 데 사용된다. 팬은 시스템에서 소비되는 전력의 대부분을 차지하며 일반적으로 클링커 톤당 10–15 kW/h에 달한다.

가스청소

현대의 가마에서 나오는 배기 가스는 일반적으로 클링커 1톤당 2톤(또는 STP에서 1500입방미터)에 달한다.^[13] 이 가스들은 다량의 먼지를 운반한다. 일반적으로 1입방미터 당 30그램이다. 국가별 환경규제는 이를 (일반적으로) 입방미터당 0.1g으로 줄여야 하므로 먼지 포획 효율이 99.7% 이상이어야 한다. 포획 방법으로는 정전식 침전기와 백필터가 있다. 시멘트 가마 배출도 참조한다.

가마 연료

1차 발사에 사용된 연료로는 석탄, 석유 코크스, 중유, 천연가스, 매립 오프 가스, 정유공장 플레어 가스 등이 있다.^[14] 클링커는 주로 복사열전달에 의해 최고 온도에 도달하고, 이를 위해서는 밝은(즉, 높은 복사율)과 뜨거운 불꽃이 필수적이기 때문에, 가마를 연소하기 위해서는 발광 불꽃을 내는 석탄과 같은 높은 탄소연료가 선호되는 경우가 많다. 값싸고 쉽게 구할 수 있는 곳에서는 천연가스를 사용하기도 한다. 그러나 발광 불꽃이 훨씬 적게 발생하기 때문에 가마 생산량이 낮아지는 경향이 있다.^[15]

대체연료

이러한 1차 연료 외에도 다양한 가연성 폐자재가 가마에서 공급되고 있다. 이러한 대체 연료(AF)에는 다음이 포함된다.

• 중고차 타이어
• 오수 슬러지
• 농업폐기물
• 매립가스
• 연료 공급 중단(RDF)
• 화학 및 기타 유해 폐기물

시멘트 가마는 다음과 같은 이유로 유해 물질을 폐기하는 매력적인 방법이다.

• 다른 연소 시스템(예: 소각로)보다 훨씬 높은 가마 내 온도
• 산성 연소 물질을 흡수할 수 있는 고탄성 원료 물질에 의해 제공되는 가마의 알칼리성 조건,
• 중금속을 그 구조로 흡수하는 클링커의 능력

폐차된 자동차 타이어의 사용이 눈에 띄는 사례로, 다른 수단에 의해 처리되기 매우 어렵다. 통 타이어는 보통 가마에서 전열가마의 위쪽 끝부분으로 굴리거나, 긴 습식가마를 따라 중간 구멍으로 떨어뜨리는 방식으로 도입된다. 어느 경우든 높은 가스 온도(1000–1200 °C)는 타이어의 거의 즉각적이고 완전하며 매연이 없는 연소를 유발한다. 또는 타이어를 5-10mm 칩으로 잘라서 프리칼리너 연소실에 주입할 수 있다. 타이어의 강철과 아연은 클링커에 화학적으로 통합되어, 그렇지 않으면 원료로 공급되어야 하는 철을 부분적으로 대체한다.

안전운전을 유지하기 위해서는 연료와 연소생물에 대한 높은 수준의 모니터링이 필요하다.^[16]

가마 효율을 극대화하기 위해서는 고품질의 재래식 연료가 최선의 선택이다. 그러나 연료, 특히 유해 폐기물을 태우면 유독성 배출이 발생할 수 있다.^[17] 따라서 시멘트 가마 운영자는 방출이 지속적으로 최소화되도록 많은 공정 변수를 면밀히 감시할 필요가 있다. 미국에서는 시멘트 가마터가 EPA에 의해 대기오염의 주요 발생원으로 규제되고 있으며 엄격한 대기오염관리 요건을 충족해야 한다.^[18]

가마제어

가마 운영의 목적은 필요한 화학적, 물리적 성질을 가진 클링커(clinker)를 가능한 최저의 운영비로 환경기준에 부합하는 동시에 최대한의 비율로 만드는 것이다.^[19] 가마는 제어 전략에 매우 민감하며, 잘 운영되지 않는 가마는 시멘트 공장 운영비를 쉽게 배가시킬 수 있다.^[20]

원하는 클링커 광물의 형성은 위에 언급된 온도 단계를 통해 생화물을 가열하는 것을 포함한다. 가마에서 가장 뜨거운 부분인 불꽃 아래에서 일어나는 마무리 변형은 벨라이트(CaSiO₂₄)와 산화칼슘의 반응으로 알라이트(CaO₃·SiO₅)를 형성한다.

Ca₂SiO₄ + CaO → Ca₃SiO₅

또한 다음과 같이 시멘트 화학자 표기법(CCN)에서 약칭한다.

CS₂ + C → CS₃

규산염 트리칼슘은 1250 °C 이하에서 열역학적으로 불안정하지만 빠른 냉각에 의해 상온에서 측정 가능한 상태로 보존할 수 있다. 느린 냉각에서는 벨라이트(CaSiO₂₄)와 CaO로 되돌아가는 경향이 있다.

반응이 불완전하면 과도한 양의 산화칼슘이 클링커에 남는다. 클링커 품질을 추적하기 위한 수단으로 무료 CaO 함량의 정기적인 측정이 사용된다. 가마 제어의 매개변수로서, 무료 CaO 데이터는 빠른 자동 샘플링 및 분석에도 불구하고 데이터가 도착할 때 10분 "기존"이 될 수 있고, 분 단위 제어를 위해 더 즉각적인 데이터를 사용해야 하기 때문에 다소 효과적이지 않다.

벨라이트를 알라이트로 변환하려면 부분 용융이 필요하며, 그 결과 액체는 반응이 일어나는 용제가 된다. 액체의 양, 즉 마감 반응의 속도는 온도와 관련이 있다. 클링커 품질 목표를 충족하기 위해 클링커는 필요한 정도까지 마무리 반응이 일어나도록 최고 온도에 도달해야 한다는 것이 가장 분명한 관리다. 가마의 뜨거운 끝에서 일정한 액체 형성을 유지하는 또 다른 이유는 소결 물질이 댐을 형성하여 냉각기 상류 사료가 가마 밖으로 밀려나오는 것을 막았기 때문이다. 석회화 구역의 사료는 이산화탄소를 진화하는 분말이기 때문에 매우 유동적이다. 연소구 냉각, 미연소 자재를 냉각기에 넣는 것을 '밀어내기'라고 하며, 생산상실을 유발하는 것 외에도 막대한 피해를 입힐 수 있다.

단, 효율적인 운영을 위해서는 전체 가마 시스템에 걸쳐 안정된 상태를 유지할 필요가 있다. 각 단계의 피드는 다음 단계에서 처리할 수 있도록 "준비"된 온도여야 한다. 이를 보장하기 위해서는 사료와 가스의 온도를 모두 최적화하여 모든 지점에서 유지해야 한다. 이를 달성하기 위해 사용할 수 있는 외부 제어장치는 거의 없다.

• 공급 속도: 가마의 출력을 정의함
• 회전식 가마 속도: 급이 가마 관을 통해 이동하는 속도를 제어한다.
• 연료 분사 속도: 시스템의 "핫 엔드"가 가열되는 속도를 제어하는 기능
• 배기 팬 속도 또는 전원: 가스 흐름을 제어하고 시스템의 "핫 엔드"에서 "콜드 엔드"로 열을 끌어내는 속도를 제어한다.

프리칼시너 가마의 경우 다음과 같은 추가 제어를 이용할 수 있다.

• 가마 및 석회관에 대한 연료의 독립적 제어
• 여러 프리히터 문자열이 있는 독립 팬 컨트롤.

팬 속도와 연료 속도의 독립적 사용은 연료를 태울 수 있는 충분한 산소가 항상 있어야 하며, 특히 이산화탄소에 대한 탄소를 태울 수 있어야 한다는 사실에 의해 제한된다. 일산화탄소가 형성되면 이는 연료 낭비를 의미하며, 또한 가마의 감소 조건을 나타내며, 이는 클링커 광물 구조를 파괴하기 때문에 어떠한 경우에도 피해야 한다. 이₂ 때문에 O, CO, NO, SO에₂ 대해서는 배기가스를 지속적으로 분석한다.

클링커 피크 온도에 대한 평가는 항상 문제가 있었다. 고온 클링커의 화학적 공격성과 연마성 특성 때문에 접촉 온도 측정이 불가능하고, 적외선 화력측정 등 광학적 방법은 연소지대의 먼지와 흄이 많은 대기 때문에 어렵다. 전통적인 평가 방법은 클링커의 침상을 보고 경험에 의해 액체 형성의 양을 추론하는 것이었다. 액체가 더 많이 형성될수록 클링커는 더 단단해지고, 재료의 침대는 가마에서 솟아오르는 면으로 더 높이 올라간다. 일반적으로 분말 같은 "신선한" 사료를 볼 수 있는 범위를 넘어 액체 형성 구역의 길이를 평가하는 것도 가능하다. 적외선 측정 능력이 있건 없건 카메라는 이를 용이하게 하기 위해 가마 후드에 탑재된다. 가마 벽면 높은 곳에 끈적끈적한 사료를 타면 가마의 편심 회전 부하가 증가하기 때문에 많은 가마에서 같은 정보를 얻을 수 있다. 자세한 정보는 배기 가스 분석기를 통해 얻을 수 있다. 질소와 산소의 NO 형성은 고온에서만 발생하므로 NO 레벨은 공급과 불꽃의 결합 온도를 나타낸다. SO는₂ 클링커에서 황산칼슘의 열분해로 형성되며, 클링커 온도를 나타내기도 한다. 현대의 컴퓨터 제어 시스템은 대개 이러한 모든 정보 출처의 기여를 이용하여 "계산된" 온도를 만든 다음 그것을 제어하기 시작한다.

공정 제어의 연습으로서, 가마 제어는 여러 가지 상호 관련 변수, 비선형 반응, 변동 공정 지연으로 인해 매우 어렵다. 컴퓨터 제어 시스템은 1960년대 초에 처음 시도되었는데, 초기에는 주로 공정 측정이 잘 되지 않아 결과가 좋지 않았다. 1990년 이후, 새로운 설비에서는 복잡한 고급 감독관제 시스템이 표준이 되었다. 이들은 '그저 충분' 연소구 온도를 유지하는 전문가 시스템 전략을 사용하여 작동하며, 그 이하에서는 가마의 작동 상태가 대재앙적으로 악화되어 신속한 대응, "칼날" 제어가 필요하다.

시멘트 가마 배출량

시멘트 공사의 배출은 연속적 및 불연속적 측정 방법에 의해 결정되며, 이러한 측정 방법은 해당 국가 지침과 표준에 설명되어 있다. 연속 측정은 주로 먼지, NO_x 및 SO에₂ 사용되며, 주변 오염 법규에 따라 관련된 나머지 매개변수는 대개 개별 측정으로 불연속적으로 결정된다.

다음의 배출물 설명은 건식 공정 기술을 바탕으로 한 현대식 가마 식물을 가리킨다.

이산화탄소

클링커 연소 과정 중에₂ CO가 방출된다. 이산화탄소가₂ 이 가스들의 주요 비중을 차지한다. 이산화탄소₂ 배출은 원료와 에너지 둘 다 관련이 있다. 원재료 관련 배출은 석회석 탈탄소화(CaCO₃ -> CaO₂ + CO) 시 생산되며, 총₂ CO 배출량의 약 절반을 차지한다. 석탄보다 수소 함량이 높은 연료를 사용하고 대체 연료를 사용하면 온실가스 순배출을 줄일 수 있다.^[16]

먼지

포틀랜드 시멘트 1t을 제조하려면 원재료 약 1.5~1.7t, 석탄 0.1t, 클링커(다른 시멘트 성분과 황산염제 외에) 1t을 생산 중 분진도에 접지시켜야 한다. 이 과정에서 원재료 가공, 연료 준비, 클링커 연소 및 시멘트 연삭의 단계가 미립자 부품의 주요 배출원을 구성한다. 1960년대까지만 해도 시멘트 회전 가마 공장 스택에서 최대 3,000 mg/m의³ 입자 방출량을 측정했지만, 오늘날에는 일반적으로 30 mg/m의³ 법적 한계가 있으며 훨씬 낮은 수준을 달성할 수 있다.

질소산화물(NO_x)

클링커 연소 과정은 질소산화물(NO_x)을 형성하는 고온 공정이다. 형성된 양은 주 불꽃 온도(일반적으로 1850–2000 °C)와 직접 관련이 있다. 이 화합물의 약 5%를 일산화탄소(NO)가 차지하는 비율은 약 95%이며, 이산화질소(NO₂)는 회전식 가마 공장의 배기가스에 존재한다. 대기 중 NO의 대부분이 NO로₂ 변환되기 때문에 배출량은 세제곱미터당 NO로₂ 주어진다.

감량 조치가 없다면, 대부분의 경우 회전 가마 공장의 배기 가스에 있는 공정 관련 NO_x 함량은 예를 들어, 규격을 상당히 초과할 것이다. 폐기물 연소 플랜트에 대한 유럽 법률(신규 플랜트의 경우 0.50 g/m³, 기존 플랜트의 경우 0.80 g/m³) 감량 조치는 발전소 운영을 평활하고 최적화하는 것을 목적으로 한다. 기술적으로는 단계별 연소율과 선택적 비 촉매 NO 감소율(SNCR)을 적용하여 배출 제한 값에 대처한다.

원료 혼합물을 포틀랜드 시멘트 클링커로 전환하려면 높은 공정 온도가 필요하다. 회전 가마 소결 구역의 가마 충전 온도는 약 1450 °C이다. 이들에 도달하기 위해서는 약 2000 °C의 불꽃 온도가 필요하다. 응고 품질의 이유로 연소 과정은 산화 조건에서 이루어지며, 연소 공기 중 분자 질소의 부분 산화로 인해 일산화탄소(NO)가 형성되는 것이 지배적이다. 이 반응을 열 NO형성이라고도 한다. 그러나 예열기에서 우세하게 낮은 온도에서 열 NO 형성은 무시할 수 있다. 여기서 연료에 결합된 질소는 연료 관련 NO라고 알려진 것을 형성할 수 있다. 단계연소는 NO: 석회화기 연료를 불충분한 연소 공기로 첨가한다. 이로 인해 CO가 형성된다.
그러면 CO는 NO를 분자 질소로 감소시킨다.

2 CO + 2 NO → 2 CO₂ + N₂.

그런 다음 뜨거운 3차 공기가 첨가되어 남은 CO를 산화시킨다.

이산화황(SO₂)

황은 원재료와 연료를 통해 클링커 연소 공정으로 유입된다. 원재료에 따라 황화나 황산염으로 묶인 황을 함유할 수 있다. 시멘트 산업에서 회전식 가마 시스템에 의한 SO₂ 배출량이 높은 것은 흔히 원재료에 함유된 황화물이 산화되어 가마 예열기에 만연한 370 °C~420 °C의 온도에서 SO를₂ 형성하기 때문이다. 황화물의 대부분은 원재료에 함유된 피라이트나 마카사이트다. 독일 원료 퇴적물에서와 같이 황화농도가 발견되는 경우, SO₂ 배출농도는 현장 위치에 따라 최대 1.2g/m까지³ 발생할 수 있다. 수산화칼슘을 주입해 SO배출량을₂ 낮추는 경우도 있다.

연료가 들어간 황 입력은 회전 가마에서 연소하는 동안 완전히 SO로₂ 변환된다. 예열기와 가마에서는 이 SO가₂ 반응하여 가마에 산화 조건이 유지된다는 전제하에 클링커에 묶인 알칼리 황산염을 형성한다.

일산화탄소(CO) 및 총 탄소

CO와 유기 결합 탄소의 배기가스 농도는 발전소 등 에너지 변환 발전소에 사용되는 연료의 연소율 기준이다. 이와는 대조적으로 클링커 연소 공정은 클링커 품질을 이유로 항상 과도한 공기로 작동해야 하는 재료 변환 공정이다. 고온 범위 내에서 거주 시간이 길어지면 연료가 완전히 연소된다.

클링커 연소 과정 중 CO와 유기 결합 탄소의 배출은 자연 원재료(지질 역사 과정에서 암석에 통합된 생물과 식물의 유해물질)를 통해 유입되는 소량의 유기성분에 의해 발생한다. 이것들은 가마사료 예열 중에 변환되어 산화되어 CO와₂ CO를 형성한다. 이 과정에서 유기 미량가스(총유기탄소)의 소량도 형성된다. 클링커 연소 과정의 경우, 따라서 청정 가스의 CO 및 유기 미량 가스의 함량은 연소 조건과 직접 관련이 없을 수 있다. 방출되는₂ CO의 양은 클링커 1톤당 약 0.5톤이다.^[21]

다이옥신 및 후란(PCDD/F)

시멘트 업계의 회전 가마와 고전적인 소각장은 주로 클링커 연소 시 발생하는 연소 조건에 따라 차이가 있다. 가마 공급과 회전식 가마 배기가스는 역류로 전달되어 완전히 혼합된다. 따라서 회전 가마에서 온도 분포와 거주 시간은 연료를 통해 유입되거나 그것에서 파생된 유기 화합물이 완전히 파괴되는 데 특히 유리한 조건을 제공한다. 그 때문에 시멘트 로터리 가마에서 나오는 배기가스에서는 매우 낮은 농도의 폴리염화디벤조-p-다이옥신과 디벤조푸란(콜로쿼럴 "다이옥신과 푸란")만을 발견할 수 있다.

폴리염화비페닐(PCB)

PCB의 방출 거동은 다이옥신과 푸란과 비교된다. PCB는 대체 원료와 연료를 통해 프로세스에 도입될 수 있다. 시멘트 산업의 회전식 가마 시스템은 이러한 미량 성분을 사실상 완전히 파괴한다.^{[citation needed]}

다순환 방향족 탄화수소(PAH)

회전 가마 배기가스의 PAHs(EPA 610에 따르면)는 질량 기준으로 90% 이상을 차지하는 나프탈렌이 지배하는 분포에서 주로 나타난다. 시멘트 산업의 회전식 가마 시스템은 사실상 연료를 통한 PAHs 입력물을 완전히 파괴한다. 배출은 원재료 내 유기성분에서 발생한다.

벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌(BTEX)

로터리 가마의 배기가스에는 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌 등이 있는 것이 일반적이다. BTEX는 예열기 내 유기 원료 성분의 열분해 과정에서 형성된다.

기체 무기염소 화합물(HCl)

염소화물은 클링커 연소 과정의 원료와 연료에 포함된 사소한 추가 성분이다. 연료가 연소되거나 가마 사료가 가열될 때 방출되며, 주로 가마 사료의 알칼리와 반응하여 알칼리 염소화물을 형성한다. 이들 화합물은 초기에 증기가 발생하여 700 °C~900 °C의 온도에서 가마 사료나 가마 분진에 응축된 후, 회전식 가마 시스템에 재진입하여 다시 증발한다. 회전식 가마와 예열기 사이의 영역에서 이 사이클은 코팅 형성을 초래할 수 있다. 가마 입구에서 우회하면 알칼리 염화 주기의 효과적인 감소와 코팅 축적 문제를 줄일 수 있다. 클링커 연소 과정에서 기체성 무기염소 화합물은 전혀 배출되지 않거나 매우 소량만 배출된다.

기체 무기 불소 화합물(HF)

회전 가마에 존재하는 불소 중 90~95%는 클링커에 묶여 있고, 나머지는 연소 과정 조건 하에서 불소 칼슘이 안정된 형태로 먼지와 결합되어 있다. 측정 가스 필터를 통과하는 초미세먼지 분율은 시멘트 업계의 회전식 가마 시스템에서 가스 불소 화합물의 함량이 낮은 인상을 줄 수 있다.

추적 요소

클링커 연소 프로세스에서 개별 요소의 방출 거동은 입력 시나리오, 발전소 내 거동 및 분진 수집 장치의 강수 효율에 의해 결정된다. 원재료와 연료를 통해 연소과정에 유입되는 미량원소는 그 변동성에 따라 예열기 및/또는 회전가마의 핫존에서 전부 또는 부분적으로 증발할 수 있으며, 가스 단계에서 존재하는 성분과 반응하며, 가마 시스템의 냉각기 부분에서 가마 사료를 응축할 수 있다. 이는 변동성 및 운영 조건에 따라 가마와 예열기로 제한되거나 복합 건조 및 연삭 공장도 포함하는 사이클이 형성될 수 있다. 연료에서 나오는 미량 원소는 처음에는 연소 가스로 들어가지만, 가마와 예열기의 유지 능력 때문에만 극히 작은 범위에서 방출된다.

클링커 연소 과정에서 만연한 조건 하에서 비휘발성 요소(예: 비소, 바나듐, 니켈)는 클링커에서 완전히 결합된다.

납, 카드뮴 등의 원소는 회전가마와 예열기 사이의 구간에서 염화물과 황산염이 과다하게 반응하여 휘발성 화합물을 형성한다. 이러한 화합물은 넓은 표면적 때문에 700 °C~900 °C의 온도에서 가마 공급 입자에 응축된다. 이와 같이 가마예열기에 축적된 휘발성 원소는 사이클론 예열기에서 다시 침전되어 거의 완전히 클링커에 남게 된다.

탈륨(염화물)은 450 °C~500 °C의 온도에서 사이클론 예열기의 상부 영역에서 응축된다. 그 결과 프리히터, 원료건조, 배기가스 정화 사이에 사이클이 형성될 수 있다.

수은과 그 화합물은 가마와 예열기에서 침전되지 않는다. 가스의 냉각으로 인해 배기가스 노선에 응축되며, 원료 입자에 의해 부분적으로 흡착된다. 이 부분은 가마 배기가스 필터에 침전되어 있다.

클링커 연소 과정 중의 미량 원소 거동 및 분진 수집 장치의 높은 강수 효율로 인해 미량 원소 배출 농도는 전반적으로 낮다.

참조

위키미디어 커먼즈에는 시멘트 가마와 관련된 미디어가 있다.