KR101543927B1

KR101543927B1 - 산화열을 활용한 니켈농축물 건조방법

Info

Publication number: KR101543927B1
Application number: KR1020130164067A
Authority: KR
Inventors: 이병필; 정형준
Original assignee: 주식회사 포스코; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2013-12-26
Filing date: 2013-12-26
Publication date: 2015-08-12
Also published as: KR20150076358A

Abstract

본 발명은 상온의 단열장치 내부에 니켈 습식제련 공정에서 제조되는 니켈농축물을 주입하는 단계; 상기 단열장치 내부에서 공기와 원활히 접촉하도록 니켈농축물을 교반하여 니켈농축물의 산화반응을 유도하는 단계; 및 상기 산화반응에 의한 산화열로 수분이 증발하여 발생된 수증기를 단열장치 외부로 배출하는 단계를 포함하는 산화열을 이용한 니켈농축물 건조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 높은 온도를 부여하는 건조로를 거치지 않기 때문에 투자비나 공정원가에서 큰 효과를 얻게 되며, 기존 건조로의 높은 온도에 의해 니켈농축물의 미분특성상 비산되어 발생하는 공정 손실도 막을 수 있다.

Description

산화열을 활용한 니켈농축물 건조방법{Drying Method of Nickel Concentrate by oxidation fever}

본 발명은 니켈 습식제련 공정에서 발생하게 되는 니켈농축물의 건조방법에 관한 것이다.

리모나이트(limonite), 사프로라이트(saprolite)와 같은 광석은 니켈을 다량 함유하고 있는 산화광으로서, 이들 광석은 산에 대한 저항성이 커서 산에 대한 용해 반응이 느리다. 따라서 효과적으로 니켈을 침출하기 위한 방법으로, 고온 고압 하의 오토클레이브(autoclave)에서 산에 용해하여 니켈을 회수하는 방법들이 제시되어 있으며, 이를 'HPAL(High Pressure Acid Leaching)법'이라 부른다.

니켈 침출 반응을 상온에서 행하는 경우에는 수 개월 이상 침출을 행하여도 니켈 회수율이 85% 정도를 넘지 않는 반면, HPAL법을 사용하면 2시간 이내에 90% 이상의 니켈 침출이 가능하여 산화광 니켈 습식 제련의 대표적인 방법이라 할 수 있다. 이와 같은 HPAL 법에 의한 니켈 회수에 대한 기술로는, 한국공개특허공보 제2007-7020915호, 일본공개특허공보 제2010-031341호 등을 들 수 있다.

한편, HPAL과는 다른 방법으로서 한국공개특허공보 제2009-0031321호에는 석유화학 탈황 폐 촉매에서 V, Mo를 회수하고 남은 잔사를 수소 환원한 후 산 침출하여 니켈을 회수하는 방법이 개시되어 있다. 또한, 한국등록특허 10-1203731, 한국공개특허공보 2011-0145181 등에서는 저품위 니켈 산화광에서 니켈을 효율적으로 회수하기 위하여 환원 후 상온, 상압에서 산침출 하고, 여과, 석출하여 니켈을 회수하는 방법이 개시되어있다.

습식공정을 활용한 니켈 제련 기술은 산을 활용한 침출 후에 최종 농축물을 용매추출이나 이온교환수지 등을 거쳐 정제한 후 최종 제품인 금속 Ni을 만들거나 습식공정을 거쳐 농축된 니켈농축물을 건조, 소성을 거친 후 전기로(Submerged Arc Furnace)에서 용융환원하여 스테인리스의 원료인 합금철 FeNi을 만들기도 한다.

이와 같은 니켈 산화광의 습식제련 공정에서는 대부분 중간 산물로 니켈농축물이 얻어진다. 니켈농축물은 습식공정의 특성상 많은 수분을 포함하고 있으며, 분말의 입도가 수십㎛ 수준의 미분으로 작아 실제 니켈 제품으로 제조하는데 어려움이 있다. 이를 해결하기 위해 현재에는 수분을 일반적인 건조로를 활용하여 150도 내외에서 건조하여 3%이하로 수분을 제거하고, 800도 내외의 소성을 거쳐 용융환원을 하고 있다. 그러나 건조과정에서 미분의 농축물은 비산되어 높은 공정 손실율을 갖게 된다.

니켈농축물에 포함된 니켈과 철의 산화열만을 이용함으로써 니켈농축물의 건조단계에서 발생하는 공정 손실율을 최소화하기 위한 니켈농축물의 건조 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 구현예는 상온의 단열장치 내부에 니켈 습식제련 공정에서 제조되는 니켈농축물을 주입하는 단계; 상기 단열장치 내부에서 공기와 원활히 접촉하도록 니켈농축물을 교반하여 니켈농축물의 산화반응을 유도하는 단계; 및 상기 산화반응에 의한 산화열로 수분이 증발하여 발생된 수증기를 단열장치 외부로 배출하는 단계를 포함하는 산화열을 이용한 니켈농축물 건조방법이다.

상기 니켈농축물은 건조중량 기준 SiO₂, Al₂O₃, 및 MgO를 포함하는 맥석류 40 내지 50중량%, Ni 5 내지 15중량% 및 Fe 40 내지 50중량%를 포함하는 혼합물 100중량부; 및 상기 혼합물 100중량부 대비 수분 25 내지 35중량부 포함하는 것이 바람직하다.

상기 니켈농축물의 평균 입도는 10 내지 30㎛일 수 있고,

상기 단열장치는 내부의 상대습도가 20 내지 40%로 유지되도록 제어되는 것이 바람직하며,

상기 니켈농축물의 교반시 교반 속도는 3 내지 10rpm인 것이 바람직하다.

또한, 상기 수증기는 최초 니켈농축물에 포함된 수분양 대비 시간당 3 내지 5%의 양으로 배출될 수 있으며

상기 수증기 배출 단계 완료 후 니켈농축물에 포함된 수분함량은 10 내지 15%인 것이 바람직하다.

높은 온도를 부여하는 건조로를 거치지 않기 때문에 투자비나 공정원가에서 큰 효과를 얻게 되며, 니켈농축물의 미분특성에 의해 건조 시 발생되는 손실도 막을 수 있다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 상온의 단열장치 내부에 니켈 습식제련 공정에서 제조되는 니켈농축물을 주입하는 단계; 상기 단열장치 내부에서 공기와 원활히 접촉하도록 니켈농축물을 교반하여 니켈농축물의 산화반응을 유도하는 단계; 및 상기 산화반응에 의한 산화열로 수분이 증발하여 발생된 수증기를 단열장치 외부로 배출하는 단계를 포함하는 산화열을 이용한 니켈농축물 건조방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 상기 니켈농축물은 건조중량 기준 SiO₂, Al₂O₃, 및 MgO를 포함하는 맥석류 40 내지 50중량%, Ni 5 내지 15중량% 및 Fe 40 내지 50중량%를 포함하는 혼합물 100중량부; 및 상기 혼합물 100중량부 대비 수분 25 내지 35중량부 포함할 수 있다. 또한, 상기 니켈농축물의 입도는 1 내지 100㎛ 일 수 있으며 보다 바람직하게는 평균 입도가 10 내지 30㎛일 수 있다.

즉, 니켈 습식 제련에서 발생하는 니켈농축물은 미분의 금속 분말을 다량 함유하고 있는데, 본 발명은 상기 니켈 및 철과 같은 금속 분말이 공기와 접촉하여 발생하는 산화열을 건조에 필요한 에너지원으로 최대한 이용하고자 하는 것이다. 산화열을 이용하여 건조를 유도하면 150℃의 높은 온도에서 별도로 건조할 필요가 없어지므로, 제조비용의 절감과 공정의 단축 효과를 얻을 수 있다.

일반적으로 니켈과 철의 산화열은 다음과 같다.

Ni + 1/2O₂ = NiO + 235.6 kJ/mole (4.0MJ/kg)

3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄ + 1,100 kJ/mole (6.4MJ/kg)

상기 반응식에 따라 계산하면 니켈농축물 1톤당 발열량은 2,536MJ 정도이며, 이는 35% 수분 증발을 가정하였을 때 필요한 열량인 910MJ의 2.8배에 해당하는 열량이다. 즉, 니켈농축물의 산화열 중 36% 즉, 산화열의 건조 열효율이 36%일 경우라도 이론적으로 모든 수분을 건조할 수 있다.

다만, 산화열의 열손실이 최소화 되도록 상기 건조단계에서는 단열장치를 이용하는 것이 바람직하며, 단열장치 내부의 상대습도를 20 내지 40%로 제어할 수 있어야 한다. 상대습도가 20% 미만으로 유지되기 위해서는 배출되는 공기가 많아야 하는데, 그 경우 배출공기에 의한 열손실이 너무 크기 때문에 건조효율이 떨어질 수 있고, 상대습도가 40% 초과하기 위해서는 포화수증기량이 높아야 하는데 포화수증기량이 많으면 수분이 잘 건조되지 않아 시간이 매우 오래 걸릴 수 있다.

한편, 본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 단열장치 내로 주입된 니켈농축물은 공기와의 접촉이 원활하게 일어날 수 있도록 3 내지 10rpm의 속도로 교반해주는 것이 바람직하다. 상기 교반 속도가 3rpm미만일 경우 공기와의 접촉이 원활하지 않아 산화속도가 느리고 그에 따라 건조되는 시간이 오래 걸릴 수 있다. 또한 상기 교반속도가 10rpm을 초과할 경우 속도가 너무 빠르므로 오히려 니켈과 공기가 미접촉될 수 있는 상황이 발생할 수도 있고, 10rpm 초과하더라도 건조속도가 더 이상 향상되지는 않는다. 공기와 접촉된 니켈농축물은 니켈 및 철에 의한 산화열이 발생되면서 내부 수분을 증발시키게 되고 이에 의해 수증기가 발생한다.

상기 니켈농축물의 교반 단계에서는 산화열로 인하여 단열장치 내부의 온도가 50 내지 70℃로 상승할 수 있다. 산화열에 의한 열배출이 전혀 일어나지 않는다면 그 이상으로도 상승할 수 있으나 열배출이 전혀 일어나지 않기 위해서는 발생한 수증기를 내부에 가두어둬야 한다. 그러나 상술한 바와 같이 단열장치 내부의 상대습도를 20 내지 40%로 유지되는 것이 바람직하고, 이를 위해서는 발생되는 수증기를 적절한 양으로 배출되어야 한다. 어느 정도의 수증기가 배출이 됨에 따라 단열장치의 열손실을 피할 수는 없다. 따라서 단열장치 내부의 온도는 계속해서 상승하지는 않는다.

단열장치를 통해 열손실을 제로화할 수는 없으나, 최소화할 수는 있다. 산화열의 36%만을 이용하여도 수분을 충분히 증발시킬 수 있을 것으로 예상되므로 어느 정도의 열손실은 허용이 가능하다. 다만, 단열장치를 사용하지 않고 자연건조할 경우 열 손실이 지나치게 방대하여 수분 증발에 사용되는 산화열은 매우 미미할 수 있고, 이에 따라 수분증발은 수% 수준에 그칠 수 밖에 없으며 건조시간도 수개월에 달할 수 있다.

본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 상기 산화열에 의하여 5 내지 6시간동안 15 내지 25%의 수분이 증발되어 건조되는 것이 바람직하다. 이 때, 발생한 수증기는 단열기 외부로 배출시켜 단열기의 상대습도를 20 내지 40%로 유지하는 것이 바람직하다. 이에 상기 수증기는 최초 니켈농축물에 포함된 수분양 대비 시간당 3 내지 5%의 양으로 배출되는 것이 바람직하다. 배출되는 수증기 양이 시간당 3%미만일 경우 배출이 원활하게 되지 않아 단열기 내부 습도가 상승되므로 바람직하지 않고, 시간당 5%를 초과하여 배출되는 것은 산화속도상 불가능할 수 있다.

본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 상기 수증기 배출 단계 완료 후 니켈농축물에 포함된 수분함량은 10 내지 15%인 것이 바람직하다. 수증기가 더 이상 배출되지 않는다는 것은 산화열에 의한 건조 즉, 수분증발이 모두 완료된 것으로 볼 수 있다. 이 때, 산화열에 의한 건조 효율상 10% 미만의 수분을 포함하는 것은 거의 불가능하고, 15% 초과의 수분이 남아 있는 경우 환원단계 등의 이후 공정에 영향을 미칠 수 있으므로 건조를 조금 더 진행시키는 것이 바람직하다. 10 내지 15% 정도의 수분은 건조 단계 이후 수반되는 소성단계에서 모두 증발 될 수 있으며 이는 입자의 비산에는 영향을 미치지 않는 정도이므로 건조는 수분양이 10 내지 15% 일 때 건조를 마무리하는 것이 바람직하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

실시예

실시예에 사용한 니켈농축물은 페로니켈을 제조하기 위한 니켈 습식 제련 공정에서 발생한 함수율 30%인 니켈농축물을 대상으로 하였다. 또한, 상기 니켈농축물은 수분을 제외한 건조중량 기준으로 니켈 10중량%, 철 40중량% 및 잔부 SiO2, Al2O3 및 MgO를 포함한 맥석류 50%를 포함하고 있었다.

상기 준비된 니켈농축물을 상대습도가 25%인 단열장치에 주입하였다. 이 때, 니켈농축물이 공기와 잘 접촉될 수 있도록 단열장치에 장착된 교반기를 가동시켜 5rpm의 속도로 교반해 주었다. 또한, 단열장치의 외부로 수증기가 배출되도록 팬을 가동하였으며, 한 시간마다 니켈농축물의 함수율 및 단열장치 내부의 온도를 측정하였다. 그 결과는 하기 표 1에 나타내었다.

시간	함수율(%)	온도(℃)
0	30	25
1	28.1	25.7
2	25.7	26.3
3	23.9	29.4
4	17.6	60.2
5	14.3	57.8
6	12.9	48.2
7	12.6	36.5
8	12.4	30.1
9	11.8	27.2
10	11.3	25.7

상기 표 1의 결과를 통해 알 수 있듯이, 산화열에 의해 단열장치의 온도는 약 60도까지 승온하였고, 함수율은 5 내지 6시간 사이에 15% 이하로 급격하게 감소되었다. 또한, 이 후에는 완만하게 감소하는 경향을 보여, 산화열에 의한 수분증발이 5 내지 6시간 만에 완료되었다는 것을 확인할 수 있었다.

Claims

상온의 단열장치 내부에 니켈 습식제련 공정에서 제조되는 니켈농축물을 주입하는 단계;
상기 단열장치 내부에서 공기와 원활히 접촉하도록 니켈농축물을 3 내지 10rpm 의 속도로 교반하여 니켈농축물의 산화반응을 유도하는 단계; 및
상기 산화반응에 의한 산화열로 수분이 증발하여 발생된 수증기를 단열장치 외부로 배출하는 단계를 포함하고,
상기 니켈농축물은 건조중량 기준 SiO₂, Al₂O₃, 및 MgO를 포함하는 맥석류 40 내지 50중량%, Ni 5 내지 15중량% 및 Fe 40 내지 50중량%를 포함하는 혼합물 100중량부; 및 상기 혼합물 100중량부 대비 수분 25 내지 35중량부 포함하고,
상기 단열장치는 내부의 상대습도가 20 내지 40%로 유지되도록 제어되는 산화열을 이용한 니켈농축물 건조방법.
삭제
제 1 항에 있어서, 상기 니켈농축물의 평균 입도는 10 내지 30㎛인 산화열을 이용한 니켈농축물 건조방법.
삭제
삭제
제 1 항에 있어서, 상기 수증기는 최초 니켈농축물에 포함된 수분양 대비 시간당 3 내지 5%의 양으로 배출되는 산화열을 이용한 니켈농축물 건조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 수증기 배출 단계 완료 후 니켈농축물에 포함된 수분함량은 10 내지 15%인 산화열을 이용한 니켈농축물 건조방법.