KR100322041B1 - 플라즈마를이용한산업폐기물로부터의유가금속회수방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마를 이용하여 산업폐기물을 용해하여 금속철 및 금속아연과 같은 유가금속을 회수하는 방법에 관한 것으로, 플라즈마 발생용 로의 음극봉과 양극 사이에 전원을 인가하여 가스를 플라즈마화하여 발생하는 열에 의해 로의 온도를 1200∼1400℃로 승온하여 산업폐기물을 용해처리하는 것을 특징으로 하며, 본 발명에서는 또한 전기로에서 발생하는 더스트 또는 이러한 더스트 처리시 발생하는 2차 더스트와 같은 산업폐기물에 가한 열에 의해 휘발된 아연을 430∼500℃의 아연포집장치를 통해 회수한다.

본 발명에 의하면, 밀폐형 용해로에서 플라즈마를 열원으로하여 산업폐기물을 처리시 고온으로 승온하여 산업폐기물을 용해처리함으로써 금속철의 회수율을 높이고, 함유된 산화아연 성분을 금속 상태로 환원회수할 수 있을 뿐만 아니라 회수율을 향상시킬 수 있다.

Description

플라즈마를 이용한 산업폐기물로부터의 유가금속 회수방법{RECOVERING METHOD OF VALUABLE METAL FROM INDUSTRIAL WASTE USING PLASMA}

본 발명은 플라즈마를 이용하여 각종 전기로 조업에서 부산물로 발생하는 더스트를 처리하여 유가금속을 회수하는 방법에관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마를 이용하여 산업폐기물을 용해하여 금속철 및 금속아연과 같은 유가금속을 회수하는 방법에 대한 것이다.

일반적으로 전기로 조업 과정에서 발생하는 각종 분진은 대부분 인체에 유해한 중금속을 함유하고 시멘트로 고형화하여매립하거나 용융로 등에서 재처리하여 유가금속을 회수한다.

이러한 더스트를 재처리하는 기술로는 일본특허공개 제 97-263844호, 97-241773호, 96-214546호 등과 같이 더스트로부터직접 유가금속을 회수하는 기술이 있다.

일본특허공개 제 97-263844호의 경우 미량의 유가금속을 함유하고 있는 산업페기물을 유가금속의 성분 비율이 재이용가능하도록 소각로에서 연소시키고, 이 소각재와 아연 슬래그, 분말 코크스를 혼합하여 소결기로 소결후 코크스를 혼합하여예열한 다음, 스토커(Stocker)식의 전열 증류로를 이용하여 용융하여 증류 아연을 얻는 공정으로 되어 있다.

또한, 일본 특허공개 제 97-241773호에서는 아연함유 더스트를 배소하여 휘발시킨후 황산 수용액으로 습식처리하여 더스트중의 아연을 회수하도록 구성된 기술이 개시되고 있다.

그러나 상기 공정은 에비처리 및 후처리 과정이 포함된 대단히 복잡한 공정을 가지는 문제가 있으며, 대부분의 공정이 대기중에 노출되도록 구성되어 휘발된 아연 등의 유가금속을 처리하기에 불편하게 되어 있다.

또한, 노출식으로 되어 있어 처리 대상에 한계를 가지고 있으며, 충분한 열량 공급으로 유가금속의 회수율을 향상시키는데 어려움이 많으며, 아연을 회수하기 위하여 별도 공정에서 처리하지 않으면 안되는 바, 습식처리의 경우 황산 용액 등으로 인한 2차 오염 문제를 해결하는 것이 요구되었다.

또한, 산업폐기물이 전기로에서 발생한 2차 더스트인 경우 일차로 상기 방법으로 처리하여 유가금속을 회수하고 재발생된더스트는 비중이 가벼워 노출식 저항로 등에서는 처리가 거의 불가능하여 대부분을 매립에 의존하고 있는 실정이다.

본 발명자들은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 연구한 결과, 열원으로 사용되는 플라즈마는 특정 에너지에 의해 전자가 여기되어 원자와 분리된 상태로 존재하여 기체, 액체, 고체와 구별하여 제 4의 물질로 칭하여지며, 이러한 플라즈마 상태에 도달하면 매우 높은 에너지를 잠열로 보유하게 되지만 불안정한 상태에 놓이게 되며, 불안정한 상태를 유지시켜 주는 계를 제거하거나, 이 계에서 벗어날 경우 국부적으로는 이온화되어 있어 전하를 띠지만 전기적으로는중성 상태에 있으며, 플라즈마의 온도는 중심부가 1만도에서 2만도 정도이고 외부 온도는 3천도 내지 4천도 정도로 추정되는 것에 착안하였다.

불활성 가스인 아르곤을 플라즈마 가스로 사용할 경우 청정 열원으로 고온을얻을 수 있으며, 수소, 질소, 일산화탄소 등의 가스를 플라즈마 가스로 사용할 경우 일반적인 방법으로는 제조가 어려운 화합물을 합성할 수 있다.

또한, 야금 측면에서는 전기 및 가스의 다량 사용에 기인하는 원가 상승에 기인하여 많이 이용되고 있지는 않으나 전기가격이 저렴한 북유럽을 중심으로 제련공정에의 플라즈마 이용 가능성이 꾸준히 검토되고 있으며 일부 실용화되기도 하였다.

이때, 플라즈마는 청정열원으로 사용되며, 용탕의 표면에서 내부로 열을 전달하여야 하는 여타 열원에 비하여 용탕의 저부로부터 열전달이 시작되므로 비교적 높은 열효율을 기대할 수 있고 용탕의 교반 효과가 우수하며 열분포가 고른 장점을 가진다.

본 발명은 상기 설명한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 아연 회수율을 향상시키기 위해 밀폐형노체에서 아연 증기를 휘발시키도록 하고 열원으로 플라즈마를 사용하여 더스트에 충분한 열량을 주어 산화철 및 산화아연의 환원을 용이하게 한 플라즈마를 이용한 산업폐기물로부터의 유가금속 회수방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1 은 본 발명을 실시하기 위한 장치를 모식적으로 도시한 도면,

도 2 는 본 발명의 실시예1에서 로의 승온 온도에 따른 금속철 회수율을 도시한 도면,

도 3 은 본 발명의 실시예1에서의 노내 승온 온도에 다른 슬래그 발생율을 도시한 도면,

도 4 는 본 발명에서의 노내 승온 온도에 따른 금속 아연 회수율을 도시한 도면,

도 5 는 본 발명의 실시예2에서의 로의 승온 온도에 따른 금속철 회수율을 나타낸 도면,

도 6 은 본 발명의 실시예2에서의 로의 승온 온도에 따른 슬래그 발생율을 나타낸 도면이다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1:원료장입장치 2:로 3:음극전극봉 4:양극

5:아연포집장치 6:전원공급장치 7:배가스처리장치

21:아연증기 배출구 22:출탕구 31:플라즈마가스 공급통로

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 산업폐기물로부터 유가금속을 회수하는 방법은, 전기로더스트 또는 상기 전기로더스트 처리시 발생하는 2차더스트를 환원제인 분코크스와 혼합하여 로에 장입하는 단계와; 상기 장입단계후 로 내부로 질소가스를 공급하는 단계와; 상기 로의 음극전극봉 및 양극 사이에 1500-1800A, 150-170V의 전압을 인가하여 질소가스를 플라즈마화시키는 단계와; 상기 플라즈마 생성시 발생된 열을 이용하여 로 내부 온도를 1200∼1400℃로 승온시킴과 동시에 산업폐기물을 장입시켜 산화아연은 환원휘발시키고 바닥에 모인 용융금속철 및 슬래그는 분리하여 금속철만을 회수하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 구성이다.

또한, 본 발명에서는 전기로에서 발생하는 더스트 또는 이러한 더스트 처리시 발생하는 2차 더스트와 같은 산업폐기물에가한 열에 의해 휘발된 아연을 430∼500℃의 아연포집장치를 통해 회수한다.

이하에서는 양호한 실시예와 관련하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

먼저, 본 발명을 실시하기 위한 더스트와 같은 산업폐기물로부터 유가금속을 회수하기 위한 장치를 도 1 과 관련하여 설명하면 다음과 같다.

플라즈마를 발생하기 위한 로(2)의 바닥에는 양극 전극(4)이 구비되고, 플라즈마 가스의 공급통로(31)가 형성된 음극 전극봉(3)은 로(2) 중앙부를 관통하여 상하로 연장하도록 설치되며, 로(2)에는 전기로 1차 더스트나 전기로 2차 더스트와같은 산업폐기물을 로(2) 내부에 투입하기 위한 원료장입장치(1)가 로 상부에 구비되며, 로(2)의 측벽 상부 중앙에는 휘발한 아연을 회수하기 위한 아연 증기 배출구(21)가 구비되고 로측벽 하부에는 얻어진 금속철 및 슬래그를 분리회수하기위한 출탕구(22)가 구비된다.

또한, 로(2)에 인접하여 배출구(21)를 통하여 유출된 아연증기로부터 아연을회수하기 위한 아연포집장치(5)가 구비되고,이로부터 하류에 배가스처리장치(7) 및 연돌(8)이 설치된다.

로(2)에 설치된 음극전극봉(3) 및 양극(4)에는 전원공급장치(6)로부터 전원이 공급되어 양극과 음극봉 사이에 플라즈마를 발생하도록 구성된다.

상기와 같은 구성의 플라즈마 발생장치를 사용하여 산업폐기물로부터 금속철 및 아연을 회수하는 공정을 설명하면, 음극전극봉(3)의 중앙에 형성된 질소가스와 같은 플라즈마 가스 공급통로(31)로 질소를 플라즈마 가스로 공급하면서 음극봉(3)과 양극(4)에 전원, 예컨대 1500-1800A, 150-170V의 전압을 인가하여 전기적 접점에서 아크를 발생하여 질소가스를 플라즈마화시켜 노내에 존재하는 더스트를 용해시키며, 이어 산업폐기물을 원료장입장치(1)를 통해 로(2)에 장입시키면 플라즈마의 열로 직접 가열하여 우선 산화아연을 환원휘발시키고 아연포집장치(5)에서 430∼500℃ 범위에서 금속아연을 회수한다.

즉, 로(2) 내에서 휘발되어 배가스와 함께 배출되는 기상아연에 아연포집장치(5)에서 430-500°C로 녹인 액체상태의 납을 상기 배가스에 직접 분무하여 납과 아연의 열교환에 의해 로내에서 발생된 기상의 아연을 액상의 아연으로 응축, 회수하게 된다.

이어서, 로(2)의 온도가 1200∼1400℃ 가 되도록 공급전압을 조절하여 승온하여 산업폐기물을 용해시키며, 바닥에 모인용융 금속철 및 슬래그를 분리하여 출탕구(22)를 통해 출탕하여 금속철을 회수한다.

이하에서는 실시예와 관련하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

실시예 1

원료인 전기로에서 발생한 더스트와 환원제로 분코크스를 17% 혼합하여 골고루 혼합하여 장입량이 350㎏이 되도록 하였으며 플라즈마를 원활하게 발생하도록 전해철 70㎏을 함께 장입하였다. 산업폐기물인 전기로 더스트의 환원온도를 1100∼1450℃ 범위에서 각각 1100℃, 1200℃, 1300℃, 1400℃, 1450℃ 범위로 하여 장입된 산업폐기물을 용해하여 금속철 및 아연을 회수하였다. 출탕된 금속철 및 슬래그의 회수량을 측정하여 온도별 금속철 회수율을 측정하여 도 2 에 나타내었다.

금속철의 회수율은 투입되는 원료 350㎏ 중에서 회수가능한 량을 표 1에 나타낸 바와같은 화학 분석표를 이용하여 계산한다음, 계산된 예측치와 실제 회수량의 비에 의하여 계산하였다.

더스트에 함유된 철성분은 주로 Fe2O3로 구성되므로 순수한 철의 경우 산소 3개와 철원지 2개가 결합한 형태이므로 중량비로 보면 대략 Fe2O3량의 70% 정도가 금속철로 회수가능하므로 이론 회수가능량은 다음과 같이 구할 수 있다.

이론회수가능량=(장입량-코크스량)×Fe2O3성분비×(산화철/금속철)(무게비)

도 3 은 노내 온도에 따른 슬래그 발생율을 나타낸 것으로, 슬래그는 출탕과정에서 얻어지는 슬래그와 실험후 로에서 슬래그층을 회수하여 측정한 것이다. 슬래그에는 미반응 더스트량이 포함된 것으로 이는 이미 분코크스와 혼합된 원료이므로 이가운데 더스트만을 분리하는 것은 불가능하기 때문이다. 로온이 상승함에 따라 슬래그 발생량은 감소하는 것으로 나타났다.

[표 1]

도 2 로부터 알 수 있는 바와같이, 로(2)의 온도가 상승할수록 금속철의 회수량이 증가함을 알 수 있다. 이는 온도가 상승할수록 산화철이 금속으로 되기 쉽기 때문에 슬래그량이 감소한 반면 금속철의 회수량은 증가한 것으로 보인다.

그러나, 1400℃ 이상에서는 회수율 증가비율이 크지 않아 1200∼1400℃ 범위로 로온을 승온시키는 것이 가장 바람직함을알 수 있다.

도 3 은 아연포집장치(5)의 온도를 각각 400℃, 430℃, 450℃, 470℃, 500℃, 520℃, 550℃로 고정하였을 때, 회수되는아연량을 측정한 것이다. 더스트에 함유된 아연 성분은 ZnO 상태로 구성되어 있어 순수한 아연의 경우 산소 1개와 아연원자 1개가 결합한 형태이므로 무게비로 보면 대략 ZnO량의 80% 정도가 금속 아연으로 회수가능하므로 이론 회수가능량은다음과같이 구해진다.

이론회수가능량 = (장입량-코크스량)×ZnO성분비×산화아연/금속아연(무게비)

도 4로부터 알 수 있는 바와같이, 회수되는 아연량은 포물선 형상을 그리므로 적정 회수 구간이 존재한다. 약 470℃로 아연포집장치의 온도를 유지하는 경우 최대의 회수율을 보였다.

그러나, 노체의 온도가 올라갈수록 철, 아연 등의 유가금속을 금속 상태로 환원하기는 쉬우나 반면에 온도가 높아짐에 따라 가스 체적이 증가하여 노내에서유속이 빨라지고 이에 따라 아연포집장치의 온도를 제어하기 어려운 단점을 가지고 있어서 430∼500℃ 정도의 적정 온도 구간에서 로의 온도와 연동하여 아연을 회수하는 것이 경제적임을 알 수 있다.

실시예 2

본 실시예는 실시예1과 달리 전기로에서 발생하는 부산물인 더스트를 처리하여 발생하는 2차 더스트로부터 유가금속을 회수하는 것에 대한 실시예이다.

이러한 2차 더스트의 화학성분이 표 2 에 나타내지고 있는바, 본 실시예에서는 환원제로서 미분의 분코크스 8%를 함유하여 원료 장입량이 1,120kg이 되도록 준비하여 염기도 조정용 석회석을 3% 정도 혼합하여 골고루 혼합하였으며, 플라즈마 발생을 원활히 하기 위하여 전해철을 70kg 장입하였다.

[표 2]

기타 금속철의 회수율을 구하는 방식은 실시예1과 동일하나, 그 결과는 도 5 도시와 같이 본 실시예의 경우는 1400℃이상으로 승온시키면 금속철 회수율이 저하하고, 도 6 도시와같이, 슬래그 발생율도 오히려 증가하므로 1200∼1400℃로 승온시키는 것이 가장 바람직함을 알 수 있다.

한편, 아연포집장치에 의한 아연 시험은 실시예 1의 경우와 동일하게 실시하였는바, 그 결과는 도 4 도시와 동일하여 실시예 1의 경우 아연 회수율이 430∼500℃온도 구간에서 가장 양호하였던 것과 동일하였다.

따라서, 상기 설명한 바와같은 본 발명에 의하면, 밀폐형 용해로에서 플라즈마를 열원으로하여 전기로 1 차 더스트 및 2차 더스트와 같은 산업폐기물을 처리시 고온으로 승온하여 산업폐기물을 용해처리함으로써 금속철의 회수율을 높이고, 함유된 산화아연 성분을 금속 상태로 환원회수할 수 있을 뿐만 아니라 회수율을 향상시킬 수 있다.

Claims (2)

1. 산업페기물로부터 유가금속을 회수하기 위한 방법으로,

   전기로더스트 또는 상기 전기로더스트 처리시 발생하는 2차더스트를 환원제인 분코크스와 혼합하여 로(2)에 장입하는 단계와;

   상기 장입단계후 로(2) 내부로 질소가스를 공급하는 단계와;

   상기 로(2)의 음극전극봉(3) 및 양극(4) 사이에 1500-1800A, 150-170V의 전압을 인가하여 질소가스를 플라즈마화시키는 단계와;

   상기 플라즈마 생성시 발생된 열을 이용하여 로(2) 내부 온도를 1200∼1400℃로 승온시킴과 동시에 산업폐기물을 장입시켜 산화아연은 환원휘발시키고 바닥에 모인 용융금속철 및 슬래그는 분리하여 금속철만을 회수하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 산업폐기물로부터의 유가금속 회수방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 산업폐기물 용융시 발생하는 기체상태의 아연을 430∼500℃의 아연포집장치를 통하여 분무되는 액상의 납과 접촉, 열교환에 의해 응축시켜 금속아연을 회수하는 것을 특징으로 하는 산업폐기물로부터의 유가금속 회수방법.