KR20200087622A - 석고를 시멘트 원료로 이용하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 석고(CaSO4)를 시멘트제조 공정의 소성열원으로 열분해(CaO+SO3) 하여 CaO는 시멘트원료의 주성분으로 사용하고 기체로 배기되는 SO3는 물과 기액반응 으로 황산을 제조하는 고안으로 대량으로 부산되는 석고처리의 문제 를 시멘트 주원료인 석회석 대용으로 대량사용이 가능하며 기존의 시멘트공장 에서 황산 회수시설을 보완하면 석회석을 석고로 대체하며 CO2 방출량을 저감 하며 황산을 부산물로
생산할 수 있다.

Description

석고를 시멘트 원료로 이용하는 방법{The Using Method of Gypsum for Cement Raw Material}
석고의 성분은 CaSO4로 호수등의 증발잔류암인 천연석고와 화학공정 으로 생성되는 화학석고로 분류되며 화학석고는 인광석으로 인산 제조시 부산되는 인산석고와 화력발전소등 배연유황을 탄산칼슘으로 포집하여 생성되는 배연 탈황석고 및 티탄과 불산 제조시 부산되는 티탄석고, 불산석고 및 기타 석고로 이루어진다. 석고는 함수량에 의해 무수(경)석고, 반수석고, 2수석고로 구분된 다. 화학석고는 일부 정제하여 산업용 소재로 이용되나 품질과 경제성 으로 제한적이어 매립 또는 야적 보관되어 유지비 및 환경문제가 발생될 수 있다. 석고의 주용도는 시멘트 응결지연제, 건축 내외장재, 보드(Board), 도자기와 주물의 형재(型材), 고무와 Plastic등의 충진제, 몰탈용, 살충제등의 희석제, 연마제 용도로 사용되고 있다.
시멘트는 석회석, 점토, 철광석, 규석, 반토혈암, Fly-Ash, Shale등의 원료 에서 주 성분 산화칼슘(CaO)과 부성분 산화철(Fe2O3),산화알루미늄(Al2O3), 이산화규소 (SiO2) 4성분을 배합하여 170mesh 정도의 입도로 분쇄하여 혼분을 제조하고 혼분을 소성로 (Kiln)에서 1450℃ 소성하여 크링카(Clinker)를 제조 하고 석고를 3~5% 혼합하여 325mesh로 분쇄하여 시멘트를 제조한다.
석고(CaSO4+물)는 163℃에서 물이 분리되어 무수석고로 되며 1400℃ 에서 산화칼슘 (CaO)과 SO3(기체)로 분해된다. 본 고안은 별도의 열원없이 시멘트 소성로의 열로 석고를 열분해하여 시멘트의 주성분 산화칼슘 (CaO)대체원료로 이용하고 배출 되는 SO3가스를 물과 기액 반응으로 용이하게 황산을 제조하며 석회석의 탄산가스(CO2)
배출이 없어 배기를 청정하게 시멘트를 제조할 수 있다.
인광석의 주성분은 석회(CaO) 45~50%와 인산(P2O5) 30~35%로 구성되며 인산은 인광석을 2mmØ 이하로 분쇄하고 혼합반응기에서 황산과 반응하면 석고(CaSO4)와 인산 (H3PO4 Ortho-phosphoric acid)이 되며 여과하여 인산을 분리하고 석고는 2수석고로 반응하여 매립 또는 적치되며 인산량의 약 5배량 부산된다. 화력발전소등 연소가스에 함유되는 SOx(SO2, SO3)를 탄산칼슘으로 건식 또는 습식으로 반응하면 석고로 탈황되어 침전된다.
인광반응식 : CaO + P2O5 + H2SO4 + 2H2O → CaSO4 + 2H3PO4
탈황반응식 : CaCO3 + SO3 → CaSO4 + CO2
석회석은 약900℃ 부터 탈탄산(CO2↑)되어 산화칼슘(CaO)이 되고 부성분과 융합되어 크링카의 주요 수경성 화합물인 C3S(Alite 3CaO.SiO2), C2S(Belite 2CaO.SiO2), C3A (Aluminate Phase 3CaO.Al2 O3), C4AF(Ferrite Phase 4CaO.Al2O3.Fe2O3)가 생성된다. 보통시멘트의 조성은 대략 C3S 52, C2S 23, C3A 9, C3AF 10, 석고 3~5%로 조성된다.
보통시멘트 크링카의 혼분원단위는 1.56~1.60 내외이며 혼분의 성분조성은 CaCO3(석회석)77.7%, Al2O3(점토)9.6%, SiO2(규석)10.6%, Fe2O3(철광석)2.1% 내외 이며 원료의 성분함량에 따라 가감 조정된다. 주원료 석회석의 성분은 CaCO3, SiO2, Al2O3, Fe2O3, MgO로 구성됨으로 시멘트원료 조성과 근사한 성분의 석회석은 단일 원료로 시멘트제조가 가능하며 규석, 점토 및 철광석의 부성분 원료도 부분적 첨가 없이 시멘트원료로 사용될 수 있다. 원료배합비율에 의해 보통시멘트, 조강시멘트, 중용열시멘트, 저열시멘트 등으로 제조된다. 대부분의 시멘트공장은 대부분 보통시멘트 (Ordinary Portland Cement)를 생산한다.
1. 포틀랜드시멘트와 주요 수경성 화합물(저자 최상흘) 2. セメント.セツコウ.石灰 ハンドブック 無機マテリアル學會編 技報堂出版
화학석고는 주성분 CaSO4 95%, SiO2 2%, 기타 3% 내외로 조성되며 CaO 41.19%와 SO3 58.81% 로 구성된다. 석고를 시멘트원료의 CaO 성분으로 이용할 수 있도록 시멘트제조의 소성열로 SO3와 불순물 P2O5, K2O, F 성분을 분해 승화하여 기체로 제거하며 SO3가스는 환경물질임으로 회수하여 자원화 하는 방안을 고안하고 저 한다.
시멘트제조의 소성공정 온도는 400~700℃ 온도대 에서 점토등 원료의 수분이 탈수되고 700~900℃ 온도대 에서 석회석은 탈탄산(CaCO3→CaO+CO2↑)되어 CaO로 되어 700~1300℃에서 부성분과 수경성화합물 C2S, C3A 및 C4AF의 생성반응이 이루어지고 1300℃ 부터 C3S가 생성되어 수경성화합물 조성이 완성된다.
시멘트제조 소성온도는 예열탑(Pre-heating tower)에서 약 900℃ 가열되고 소성로 소성대(Sinter zone)에서 1450℃로 가열되어 수경성화합물인 크링카 (Clinker)광물이 완성되어 냉각기로 배출된다. 석고는 163℃에서 탈수되고 1400℃ 부터 CaO 와 SO3로 열분해 되고 P2O5는 563℃에서 K2O는 1320℃ 에서 분해됨으로 원료조합시 열분해 후 잔류 CaO량으로 혼분성분을 배합하여 석회석 대신 화학석고로 시멘트제조가 가능하다.
시멘트 소성로에서 배출되는 SO3가스는 집진 후 Scrubber로 유도하여 분무등 물과 기액반응(SO3+H2O → H2SO4)하여 황산으로 회수한다. 황산의 농도는 유황광을 연소하여 SO3가스를 Scrubber에서 물과 합성하여 황산을 제조하는 방법과 같이 용이하게 99% 까지 상품화 농도로 회수할 수 있다.
석고를 시멘트원료의 석회석 대체원료로 대량 사용이 가능하여 양산되는 화학석고를 재활용하여 화학석고의 매립 또는 저장에 따른 환경등의 문제를 해소할 수 있으며 시멘트공장은 석회석 열분해의 CO2방출이 없음으로 지구 온난화물을 저감하며 배기의 SO3를 황산으로 회수하여 상품화가 가능하다.
1. 인산석고를 900℃에서 2시간 가열하고 200mesh로 체별하여 1000g을 10℃/분 속 도로 1400℃로 승온하며 중량을 측정하였으며 결과는 다음과 같이 열분해로 감 량되었다.
1180℃-1000g, 1200℃-980g, 1300℃-920g, 1400℃-700g
이론적 44% 감량 후의 잔량 560g 까지의 미감량 140g은 1400℃ 이상에서 경시하 여 감량이 610g 까지 완성었다. 미감량 50g은 R2O3 및 SiO2등 불순물로 판단된다.
2. 전기로 온도를 1450℃로 승온 후 시료를 냉각하고 시료에 물을 첨가하여 발열반 응됨 으로 석고가 생석회(CaO)로 열분해 되었음이 검사되었다

Claims (2)

  1. 석고를 시멘트제조용 원료로 사용하는 것;
    상기 석고는 천연석고와 화학석고인 탈황석고 및 인산석고, 티탄석고, 불산 석고인 것을 특징으로 하는것.
  2. 제1항에서 석고를 시멘트원료로 시멘트소성로에서 소성시 석고가 분해되어 배기가스로 배출되는 SO3를 물과 반응하여 황산을 제조하는 방법.

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Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1. 포틀랜드시멘트와 주요 수경성 화합물(저자 최상흘)
2. セメント.セツコウ.石灰 ハンドブック 無機マテリアル學會編 技報堂出版

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