KR101145957B1 - 아연 잔류물로부터 비철 금속의 회수 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 아연-함유 잔류물, 특히 아연 제조 산업 분야에서 생성되는 잔류물로부터 비철 금속을 분리하고 회수하는 방법, 그리고 열 및 가스 공급원으로서 하나 이상의 잠입 플라즈마 토치가 장착된 Zn 휴밍 단일-챔버 반응기에 관한 것으로서,
a) 상기 잔류물에 플래시 또는 교반 배스 휴밍 공정을 실시하여 Fe 함유 슬래그와 Zn 및 Pb 함유 흄을 생성하는 공정; 및
b) Zn 및 Pb 함유 흄을 추출하고, Zn 및 Pb를 밸러리제이션하는 공정을 포함하며,
휴밍 공정 이전 또는 중에 하나 이상의 CaO, SiO2 및 MgO를 용제(flux)로서 첨가하여 하기 수학식 1(모든 농도는 중량%임)을 만족하는 최종 슬래그를 수득하는 것이 특징이다:
Figure 112011054566978-pct00004

Description

아연 잔류물로부터 비철 금속의 회수 방법 및 장치{PROCESS AND APPARATUS FOR RECOVERY OF NON-FERROUS METALS FROM ZINC RESIDUES}
본 발명은 아연-함유 잔류물(zinc-bearing residue), 특히 아연 제조 산업 분야에서 생성된 잔류물로부터 비철 금속(non-ferrous metal)을 회수하는 방법에 관한 것이다.
불순물이 섞인 ZnS 광석(impure ZnS ore)인 혼련물은 Zn을 제조하기 위한 주요한 개시 물질이다. 통상적인 산업 방법은 불순물의 산화물 또는 설페이트와 함께 ZnO를 제조하는 산화 로스팅 공정(oxidative roasting step)을 포함한다. 이후 공정에서 로스트화 혼련물 중의 ZnO는 약산성 조건하에서 또는 중성 조건하에서 침출(leaching)시킴으로써 용액으로 만들어 각각 약산성 침출 잔류물(weak acid leach residue) 및 중성 침출 잔류물(neutral leach residue)로 본 명세서에서 언급되어 있는 Zn-감손 잔류물(Zn-depleted residue)을 생성한다. 그러나 로스팅 공정 중에 Zn 중 일부는 혼련물 중에 존재하는 통상적인 불순물인 Fe과 반응하여 비교적 불용성인 아연 페라이트가 형성된다. 따라서 침출 잔류물은 납 설페이트, 칼슘 설페이트와 기타 불순물 외에도 페라이트 형태의 상당한 양의 Zn을 함유한다. 본 발명에 따르면 페라이트로부터 Zn을 회수하는 방법은 50 내지 200 g/ℓ H2SO4의 높은 산 농도를 이용하여 습식 제련 잔류물(hydro-metallurgical residue)의 특수 처리 공정이 필요하다. 상기 산성 처리의 단점은 Zn 이외에도 거의 모든 Fe과 기타 불순물, 예컨대 As, Cu, Cd, Ni, Co, Tl, Sb도 또한 용해된다는 것이다. Zn의 이후 전해채취 방법(electrowinning)을 방해하는 상기 원소들의 농도가 적다고 하더라도 아연 설페이트 용액에서 상기 원소들은 제거해야 한다. Cu, Cd, Co, Ni 및 Tl은 Zn 분말을 첨가하여 침전시키지만 Fe은 가수분해를 통한 헤머타이트(hematite), 자로사이트(jarosite) 또는 괴시트(goethite)로서 제거하는 것이 통상적이다. 중금속을 세척 제거하는 것은 위험하기 때문에 이러한 Fe-함유 잔류물은 제어가 잘 되는 쓰레기 매립지에서 처리 제거가 이루어지고 있다. 그러나 상기 잔류물의 매립화는 의심이 되는 공정이 환경 파괴 없이 지속 가능하게 되도록 강한 환경 규제가 이루어지고 있다. 상기 처리의 또 다른 단점은 Fe-함유 잔류물 중 In, Ge, Ag 및 Zn과 같은 금속이 손실된다는 점이다.
페라이트-함유 잔류물의 대안적인 처리 공정은 슬래그(slag), 및 Zn과 Pb 함유 흄(Zn and Pb containing fume)을 생성하는 왈즈 킬른(Waelz kilns)을 사용하여 몇몇 공장에서 사용한다. 유사하게 돌첼 타입(Dorschel type)의 회전 불꽃 소성로(rotary flame-fired furnace)는 배치식 공정(batch process)으로 사용할 수 있다. 또 다른 접근 방법에서 침출 잔류물은 Zn과 Pb 함유 흄, 매트(matte) 및 슬래그를 생성하는 하프 샤프트 블라스트 노(half shaft blast furnace)에서 연료로서 코크스(coke)를 사용하여 처리한다. 상기의 열식 제련 처리 공정(pyro-metallurgical treatment)은 일반적으로 Zn과 Pb의 회수에 탁월하며, 이것들 중에서도 Ag, Ge 및 In의 회수에 매우 바람직하다.
그러나 상기 공정들은 현대의 아연 용융정련기(zinc smelter)용으로 부적합하여 큰 단일-용기 작동으로 규모를 늘릴 수 없다. 이러한 사실 때문에 상기 공정은 오늘날의 Zn 용융정련기용으로는 비용면에서 효율적인 해결책이 아니다.
US 2,932,566에서 산화성 방위아연 물질(oxidic zinciferous material)은 블라스트 노에서 코크스로 용융되며, Zn은 노의 기체로부터 회수된다. 실시예에서 61 %의 FeO, 16 %의 SiO2, 11.5 %의 CaO 및 3 %의 Al2O3를 갖는 최종 슬래그를 수득하기 위해서 용제(fluxes)를 첨가한다. US 4,072,503에서, Zn-, Fe- 및 Pb-함유 잔류물은 하나의 실시예에서 43 %의 FeO, 24 %의 SiO2, 13 %의 CaO, 6 %의 MgO 및 5 %의 Al2O3를 갖는 최종 슬래그를 수득하는 DC 아크로(DC arc furnace)에서 흄된다. 상기에서 언급한 종래 문헌에서의 용융정련 공정은 약 1300 ℃의 온도에서 교반 배스(agitated bath) 또는 플래시 용융정련기(flash smelter)에서는 실시하지 않으며, 충전상(packed bed) 또는 스틸 배스 구조물(still bath configuration)에서 실시한다.
최근 문헌에서는 Zn-함유 Fe계 2차 잔류물, 예컨대 EAF 더스트의 고온 처리를 언급한다. 상기 온도는 실제로 하나의 단일 작동에서 슬래그 중의 Zn 함량을 낮게 내리고 Zn-휴밍 비율을 높게하기 위해서 필요하다. 공지된 배스 또는 플래시 용융정련 공정에서, 지금까지 통상적으로 사용된 슬래그의 화이아리트(fayalite) 타입(2FeO.SiO2)은 제련 작동 중에 이것의 용융점(약 1100 ℃) 이상으로 가열한다. 이러한 슬래그의 강한 과열로 용기의 내화 라이닝(refractory lining)의 수명이 현저하게 낮아진다. 상기 결과를 막기 위해 수냉 라이닝(water-cooled lining)을 사용하지만 열 손실이 매우 커진다. 따라서 상기 용융정련기에서의 배치식(batchwise operation)은 배스 라이닝을 보호하고 에너지 소비를 제한하기 위해서 의도적으로 저온에서 작동시키지만; 이러한 결과로서 불연속적이며 느린 휴밍(fuming)이 일어난다.
본 발명의 첫번째 목적은 용기 라이닝의 부식 작용을 피하고, 적당한 값으로 열 손실이 제한된 고속 Zn-휴밍 방법을 제공하는 것이다.
이러한 이유 때문에 강제 교반과 특수하게 배합된 냉동-라이닝 슬래그를 결합한 방법을 기재하고 있다. 교반에 의해서 기체상 또는 액체상이건 상관없이 반응 화합물은 예를 들어 랜스(lances), 도관(tuyeres), 플라즈마 토치(plasma torches) 또는 기타 높은 운동량 주입 기술(momentum injection techniques)인 자연 대류(natural convection) 이상의 수단으로 효과적으로 혼합되는 것으로 알려져 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 발명된 Zn-휴밍 공정을 실시하기 위해 특히 적당한 소위 잠입 플라즈마 토치 노(submerged plasma torch furnace)에 관한 것이다.
Zn-, Fe- 및 Pb-함유 잔류물 중의 금속가의 밸러리제이션(valorisation)에 있어서의 발명된 방법은
a) 상기 잔류물에 플래시 또는 교반 배스 휴밍 공정을 실시하여 Fe-함유 슬래그와 Zn- 및 Pb-함유 흄을 생성하는 공정; 및
b) Zn- 및 Pb-함유 흄을 추출하고, Zn 및 Pb를 밸러리제이션하는 공정을 포함하며, CaO, SiO2 및 MgO를 휴밍 공정 이전 또는 중에 용제로서 첨가하여 하기 수학식 1을 만족시키는 최종 슬래그 조성물을 수득하는 것을 특징으로 한다:
Figure 112006029646142-pct00001
(상기 수학식 1에 있어서,
모든 농도는 중량%로 나타냄)
특별히 적응시킨 냉동-라이닝 슬래그 조성물(공정 온도에서 과열시킬 필요가 없음)로 교반 배스 또는 플래시 용융정련 방법의 사용을 조합시킴으로써 연속적으로 진행시킬 수 있는 신속한 휴밍 공정이 이루어진다. 슬래그는 용기의 내화 라이닝 상에 보호용 크러스트(protective crust)를 용이하게 형성하여 적당하게 단열된다. 또한 발명된 방법의 수율은 종래 문헌의 공정과 비교하여 매우 높다. 본 발명은 중성 침출 잔류물 또는 약산성 침출 잔류물을 처리하는데 특히 적당하다.
용제 첨가물에 있어서의 유일한 공급원으로서는 돌로마이트 및/또는 석회석을 사용하는 것이 유리하다. 최종 슬래그 중의 MgO의 농도는 5 중량% 이하가 바람직하다.
Cu가 존재한다면, 매트 또는 합금상은 휴밍 공정 중에 생성되며, 상기는 귀금속의 유효 부분(significant part)과 Cu의 유효 부분을 함유한다. 본 명세서에서 용어인 유효(significant)는 개별 금속들의 적어도 30 중량%를 회수하는 것에 해당하는 것으로 이해될 것이다.
Ge가 존재한다면 Ge의 대부분은 Zn과 Pb와 함께 휴밍된다. 그 다음에 예를 들어 Fe 히드록사이드와의 공침(coprecipitation) 또는 탄닌산 첨가에 의해서 이를 흄으로부터 분리할 수 있다. 기타 유용한 분리 기술은 용매 추출법과 이온-교환 수지를 사용하는 방법이 있다.
휴밍 공정은 플라즈마 플래시 노와 잠입 랜스 노와 같은 반응기에서 실시할 수 있다. 열, 가스 및 운동량 공급원으로서 플라즈마 토치에 부착된 하나의 플라즈마 발화 도관(plasma fired tuyere)(여기서 도관은 플라즈마가 용융 슬래그상(slag phase)의 표면 아래에서 발생되도록 배치되어 있음)를 포함하는 단일 챔버 잠입 플라즈마 반응기는 Zn-휴밍 분야에서 새로운 개념으로 구성되어 있으며, 특히 본 발명의 방법을 실시하기에 매우 적당하며, 그 이유는 소량의 발생 기체에 높은 에너지 생성이 결합되기 때문이다. 상기 반응기는 수냉 주변 벽(water-cooled peripheral wall)을 구비하며, 연속 공정이 가능하다.
본 발명의 상세한 설명을 하기에 설명하였다.
휴밍 단계는 잔류물의 환원-용융정련 공정을 구성하며, 환원제, 예컨대 천연 가스, LPG, 석탄 또는 코크스, 및 용제, 예컨대 석회석(CaCO3), 돌로마이트(MgCO3, CaCO3) 및 실리카(SiO2)를 높은 용융점을 갖는 신속한 휴밍 슬래그를 생성하기 위해 첨가한다. 이러한 높은 용융점은 슬래그의 제한된 과열과 부합된다. 상기는 냉동-라이닝, 즉 냉각된 용기 벽의 내면상에 크러스트의 형성을 촉진시킨다. 과열을 제한하면 결과적으로 비교적 안정하고 두꺼운 크러스트가 형성되어 부식으로부터 용기 라이닝을 효과적으로 보호하고 단열을 양호하게 한다.
따라서 냉각된 벽에 대한 열 손실은 크게 감소한다. 또한 슬래그의 비교적 낮은 실리카 함량은 휴밍 속도를 향상시키기 위한 것이다. 슬래그의 용융점은 1250 ℃ 이상, 바람직하게는 1300 ℃ 이상이다.
도 1은 3원 CaO-FeO-SiO2 상 다이아그램의 슬래그 조성을 설명하고 있다. 대표적인 종래 문헌의 화이아리트 슬래그는 참조 부호 1, 2 및 3의 영역으로 나타내었다. "Phase Equilibria and Thermodynamics of Zinc Fuming Slags", E. Jak and P. Hayes, Canadian Metallurgical Quarterly, vol 41, No 2, pp 163-174, 2002를 참조한다. 본 발명에 따른 슬래그 조성물은 참조 부호 4(0 중량% MgO에 있어서)와 참조 부호 4 + 5(5 중량% MgO에 있어서)로 나타내었다.
대부분의 경우에 Zn-함유 잔류물은 석회석 및/또는 돌로마이트만 사용하는 상기 표준에 따라 용제화시킬 수 있다. 실리카 첨가를 최소화하면 슬래그 중에 요구되는 높은 용융점과 신속한 휴밍 반응 속도가 수득된다. MgO의 효과는 슬래그의 용융점을 추가로 증가시키는 것이다. 이의 비교적 높은 비용 때문에 최종 슬래그 중의 MgO의 농도를 5 중량%로 제한하는 것이 추천된다.
휴밍 공정에서 Zn과 Pb는 흄 중에 농축되어 있다. Cu는 분리 매트상 중에 수집된다. 상기 흄의 침출을 통해서 Zn과 Pb는 Pb-함유 잔류물과 Zn-함유 침출 액상 중에 분리될 수 있다. Zn-, Fe- 및 Pb-함유 잔류물이 또한 Ge를 함유한다면 흄 중에 존재하는 Ge를 분리한 후 Ge가 풍부한 휴밍 운동 중에 배치식으로 처리될 수 있다. 흄으로부터의 Ge 분리는 침출과 이후에 Fe 히드록사이드와의 공침 또는 탄닌산의 첨가에 의해서 실시되는 것이 바람직하다. 동일한 원리가 In에도 적용된다.
상기에서 언급한 반응기 타입은 그것 자체로 큰 규모이며 단일한 용기의 작동에 적합하다. 전체적인 공정은 간결하며, 고온에서 단일한 용융정련/휴밍 반응기를 사용하며, 환경적으로 허용가능한 최종 생성물을 생성하면서 금속가 회수율도 높다. 따라서 본 발명은 습식 제련 Zn 잔류물 처리로 경제적인 면에서 경쟁력이 있는 필수 기본적으로 폐기물이 없는 방법을 제공한다. 슬래그는 콘크리트에서 자갈대체물(gravel substitute)로서 업그레이드될 수 있는 Fe에 있어서의 환경적으로 허용가능한 산출물이다. 금속 Fe의 실제 밸러리제이션은 계획된 잔류물 중 이것의 농도가 비교적 낮고 내재 가치(intrinsic value)도 낮기 때문에 중요하지 않다.
잠입 플라즈마 발화 도관이 장착된 단일-챔버 반응기는 특히 상기에서 설명한 방법에 사용하기 위해서 설계하였다. 개시 도중에 반응기는 잠입될 때까지 플라즈마 도관에 의해 용융되는 슬래그로 채워진다. 그 다음에 Zn-함유 잔류물을 건조 또는 마쇄 공정(comminuting)과 같은 임의의 특이 공급물 제조 공정을 거치지 않고 첨가한다. 플라즈마 도관에 의해 제공되는 에너지는 가치있는 금속, 예컨대 Zn, Pb, Ge 및 In을 휴밍시키고 공급물을 용융시킨다. 환원제는 도관을 통해서 공급(천연 가스, LPG)되거나 또는 공급물에 첨가(석탄, 코크스)될 수 있다. 슬래그가 기타 더 무거운 상보다 더 낮은 부식 특성을 갖기 때문에, 도관은 이들이 슬래그상(slag phase)에만 접촉되는 깊이로 잠입되는 것이 바람직하다.
본 발명의 슬래그 조성물의 사용은 반응기 주변의 수냉과 조합되는 것이 바람직하며; 측벽의 수냉은 냉각-라이닝을 용이하게 하여, 상기에서 언급한 것과 같이 유리한 결과를 갖는다.
잠입 랜스 노에 대한 이러한 노의 잇점은 열 공급원으로서 전류를 사용하는 것으로부터 기인한다. 잠입 플라즈마 반응기는 생성되는 방출 가스의 총량을 최소화시키면서 실제로 광범위한 범위의 산소 포텐셜에서 작동할 수 있는 능력을 통해서 높은 유연성이 획득된다. 감소된 방출 가스의 양은 환경적으로 유해한 가스, 예컨대 CO2의 방출이 적게 발생되는 콤팩트한 장치를 만든다. 용융상이 어떠한 요동도 없이 침강되는 플라즈마 플래시 노와 달리, 잠입 플라즈마는 환원 카이네틱을 매우 크게 촉진시키며 습기차거나 또는 습식인 물질들을 직접 노에 공급하는, 적당한 수준의 배스 요동을 유도한다.
하기의 실시예는 로스트화 및 이후의 침출 혼련 잔류물 중에 함유된 상이한 비철 금속을 분리하는 방법을 설명한다.
주로 아연 페라이트(ZnO.Fe2O3), 납 설페이트(PbSO4), 칼슘 설페이트(CaSO4), 아연 설페이트(ZnSO4) 및 불순물로서 CaO, SiO2, MgO, Al2O3, Ag, Cu 및 Ge로 구성된 약산성 침출 잔류물 1500 kg을 건조시키고, 85 % 이상의 C의 순도를 갖는 코크스 150 kg과 완전히 혼합시킨다. 상기 공급물을 돌로마이트 90 kg과 석회석 60 kg으로 용제화시킨다.
그 다음에 상기 혼합물을 12 kg/분의 공급 속도로 플래시 휴밍용의 1 MW 공기 플라즈마 토치에 부착된 도관을 통해서 주입시킨다. 노 벽은 수냉시키고, 개시시에 내화성의 박층으로 보호한다. 용융정련 2 시간 후 슬래그를 탭핑(tapping)한다. 회수된 흄은 Zn과 Pb가 풍부하며, ZnO, PbO 및/또는 PbSO4로서 존재한다.
상기 슬래그는 본 발명에 따른 최종 슬래그 조성물이 수득되는 공급물이 용제화되기 때문에 제한된 과열인 1325 ℃에서 탭핑한다. 슬래그와 흄 다음에 분리된 Cu 함유 매트를 탭핑한다.
상이한 공급물과 생성물의 분석은 상 전역의 금속 분포와 함께 표 1에 나타내었다. "기타(others)"라는 용어는 불순물을 나타내며, 산소와 같은 결합 원소를 의미한다. 코크스에 있어서, "기타(others)"라는 용어는 회분 함량을 나타내며; 용제에 있어서는 Al2O3와 같은 불순물을 나타낸다.
Figure 112011054566978-pct00006
슬래그 분석으로 침출가능한 중금속, 예컨대 Pb의 양이 최소임을 알 수 있으며, 이것은 슬래그가 환경적으로 깨끗한 것이다. 슬래그 중의 높은 비율의 "기타(others)"는 산소가 금속과 결합한 결과라고 생각된다.
슬래그의 환경적 안정성은 슬래그 자체, 및 30 % 슬래그와 10 % 시멘트를 함유하는 콘크리트를 형성한 후 슬래그에 대해 시험하였다. 상기 시험은 European 기준 NEN 7343에 따라서 실시하였으며, 물질은 4 mm 이하로 부수고, 산성수로 여과하였다. 침출력은 비철 제련 슬래그에 있어서의 표준인 Flemish VLAREA("Vlaams reglement voor afvalvoorkoming en -beheer")에 따라 평가하였다. 슬래그와 슬래그-함유 콘크리트 양자(兩者)의 침출력은 건축 산업에서의 제품으로 적용가능한 한계점을 밑도는 것으로 입증되었다.
따라서 본 발명의 방법으로 하기와 같은 금속을 분리하였다:
- 상이한 잔류물 중의 Pb와 Ge, 및 침출 액상 중의 Zn을 분리하기 위한 공지된 방법으로 처리할 수 있는 흄 중의 Zn, Pb 및 Ge;
- 전형적인 Cu와 귀금속 생산공정을 사용하여 정제할 수 있는 매트 또는 합금 중의 Cu와 귀금속; 및
- 예를 들어 콘크리트 중의 자갈 대체물로서 재사용가능하며, 불활성이고, 환경적으로 깨끗한 슬래그 중의 Fe.

Claims (11)

  1. Zn, Fe 및 Pb 함유 잔류물 중 금속가의 밸러리제이션 방법으로서,
    a) 상기 잔류물에 플래시 또는 교반 배스 휴밍 공정을 실시하여 Fe 함유 슬래그와 Zn 및 Pb 함유 흄을 생성하는 공정; 및
    b) 상기 Zn 및 Pb 함유 흄을 추출하고, Zn 및 Pb를 밸러리제이션하는 공정을 포함하며,
    상기 휴밍 공정 이전 또는 중에 하나 이상의 CaO, SiO2 및 MgO를 용제로서 첨가하여 하기 수학식 1을 만족하는 최종 슬래그 조성물을 수득하는 것을 특징으로 하는 방법:
    (수학식 1)
    Figure 112011054566978-pct00003
    (상기 수학식 1에 있어서,
    모든 농도는 중량%로 나타냄)
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 Zn, Fe 및 Pb 함유 잔류물은 중성 침출 잔류물 또는 약산성 침출 잔류물인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    돌로마이트 및 석회석 중 하나 또는 양자(兩者)를 용제로서 첨가하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    최종 슬래그 중의 MgO의 농도는 5 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 Zn, Fe 및 Pb 함유 잔류물은 Cu와 귀금속을 함유하며, 상기 휴밍 공정 중에 Cu의 유효 부분과 귀금속의 유효 부분을 함유하는 매트 또는 합금이 생성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 Zn, Fe 및 Pb 함유 잔류물은 Ge를 함유하며, Ge의 주요 부분은 Zn 및 Pb와 함께 휴밍되며, 이후에 분리되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    Fe 히드록사이드와 공침 또는 탄닌산의 첨가에 의해 Ge를 분리하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    플라즈마 플래시 노 및 잠입 랜스 노로 이루어진 군으로부터 선택된 반응기에서 실시하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    열 및 가스 공급원으로서 하나 이상의 플라즈마 도관을 포함하며 용융상을 함유하는 반응기에서 상기 휴밍 공정을 실시하며, 상기 도관은 상기 용융상의 표면 아래에서 플라즈마가 발생하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
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