The Rotary Kiln Evolution - 로타리 킬른의 발전

원래 로타리 킬른은 주로 시멘트와 석회(lime)에 주로 사용되는 용어였다. 시멘트는 1960~1970년에 어떤 한 이스라엘의 지질학자에 의해 기원전 12,000,000년 경 석회석과 oil shale(기름을 포함한 흙) 사이의 반응으로 만들어졌을 것이라 보고되었다. 

자연적으로 발생한 시멘트는 그렇지만 인공적으로 만들어진 것은 약 기원전 3000~300년 사이에 이집트인으로부터 시멘트가 만들어지기 시작되었다. 첫 시멘트는 진흙과 벽돌을 묶기 위해 밀짚을 혼합한 형태인데, 이것을 이집트인들은 피라미드와 같이 거대한 건축물을 짓는 데 사용했다. 

발전은 이후 중국에서도 진행되었는데, 이는 만리장성을 짓기 위해서였다. 

이후 19세기 경 미국에서 운하(Erie Canal)를 건설하기 위해 시멘트가 대량으로 필요하게 되었는데, 이것이 시맨트 기업이 많이 생겨난 계기가 되었다. 

1824년에 portland cement 라는 곳에서도 시멘트를 만들었는데, 고르게 갈린 석회암과 크기별로 잘 나누어진 진흙을 킬른에서 열처리하는 기술을 사용했는데, 초기에는 stationary kilns 즉, 회전하지 않고 열처리하는 형태가 사용되었다. 

회전하기 시작하는 열처리 장비의 시작은 1870년대 후반에 Thomas Millen과 그의 두 아들이 시멘트를 만드는 실험에서 하수관에서 연소시키는 실험을 했는데, 이것이 첫 로타리 킬른 실험일 것이다. 

이후, 1885년에 영국 기술자 F. Ransome이 약간 기울어진 수평 킬른에 대해 특허를 출원했는데, 회전이 가능해서 물질들에 열을 가하면서 점차적으로 이동시킬 수 있었다. 이것이 우리가 알고 있는 로타리 킬른의 기본 이동현상이다. 

이 새로운 타입의 킬른으로 인해 처리 용량이 크게 증가하면서도 동시에 기존의 형태에 비해 고르게 열처리할 수 있어서 기존의 킬른을 빠르게 대체했다. 어느 정도냐 하면 이 기술로 인해 Portland cement 회사의 생산 능력을 약 8배 개선시켰다. 

이후 미국에서 토마스 에디슨이 로타리 킬른을 개선시켰는데, 기존의 길이가 약 20m에 해당하는 일반적인 킬른과 달리 45m에 해당했다. 이것을 Edison portland 시멘트 회사에 적용시켰다. 지금은 이보다 더 긴 150m에 해당하는 킬른도 다수 존재한다. 이외에도 1900년대에 이르러 다양한 형태의 킬른이 특허 등록이 되면서 킬른 기술이 빠르게 발전하기 시작했다. 

킬른이 발전하면서 시멘트 이외에도 물질을 열처리하는 다양한 공정에 적용되기 시작했다. 광석의 열처리나, 수분 제거, 코크스의 열처리, 위험한 폐기물 등의 매립 등의 분야에 새롭게 적용되기 시작했다. 

로타리 킬른의 모식도

로타리 킬른의 특성은 2000K에서 2~5초의 체류시간을 갖기 때문에 유기 폐기물과 용매를 태우는 상업적인 소각로를 대체할 수 있다. 하지만 문제가 없는 것은 아니다. 분진의 발생, 낮은 열 효율, 완전히 균일하지는 않은 제품의 질 등은 여전히 문제점이다. 

제품의 균일성을 위해서 킬른 내에서 1시간 이상의 체류 시간을 갖는다거나, 분진 발생 저감 또는 낮은 열 효율의 개선 등 킬른의 성능을 개선할 여지는 많이 존재한다.

그러기 위해선 물질과 에너지의 이동현상에 대한 이해가 필요하다. 각각의 입자에 대해 열이 어떻게 전달 되는지, 전달 속도는 어떤지 등에 대한 이해가 필요하다. 그렇기 때문에 킬른을 발전시키거나 잘 사용하기 위해서는 이동현상에 대해 깊게 공부할 필요가 있다.