KR101611737B1

KR101611737B1 - 경사형 반응기 및 이를 사용한 처리시스템

Info

Publication number: KR101611737B1
Application number: KR1020140138888A
Authority: KR
Inventors: 우삼제; 이권열
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2014-10-15
Filing date: 2014-10-15
Publication date: 2016-04-14

Abstract

본 발명은 경사형 반응기 및 이를 사용한 처리시스템에 관한 것으로, 반응기는, 내부에 원료가 유입되고 가스를 공급받으며, 수평하게 설치되는 용기본체; 및 상기 용기본체의 내부에서 하부에 경사지게 설치되며, 복수의 노즐공을 구비하여 상기 가스를 상기 원료로 공급하는 분산판을 포함하는 것을 특징으로 하며, 처리시스템은 전술한 반응기를 구비하는 것을 특징으로 한다. 이러한 본 발명에 의하면, 원료의 원활한 선입선출이 이루어질 수 있기 때문에 반응률이 증가할 수 있으며, 궁극적으로 생산성 향상 및 에너지 절감을 도모할 수 있는 효과가 있게 된다.

Description

경사형 반응기 및 이를 사용한 처리시스템 {SLOPING TYPE REACTOR AND TREATMENT SYSTEM USING SAME}

본 발명은 경사형 반응기 및 이를 사용한 처리시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원료의 선입선출(先入先出)이 원활하게 이루어짐으로써 반응률이 증가하고, 에너지 효율이 높은, 경사형 반응기 및 이를 사용한 처리시스템에 관한 것이다.

니켈을 함유하는 광석은 리모나이트(Limonite), 사프로라이트(Saprolite)와 같은 광석이 있으며, 이들 광석은 부동태적 특성을 지니므로 산에 대한 저항성이 커서 산 용해 반응이 느리다. 따라서 효과적으로 니켈을 침출하기 위한 방법으로, 고온 고압하의 오토클레이브(Autoclave)에서 산 용해하여 니켈을 회수하는 방법들이 제시되어 있으며, 이를 'HPAL(High Pressure Acid Leaching)법'이라 부른다.

상온에서의 니켈 침출 반응은 수 개월 이상 침출을 행하여도 니켈 회수율이 85% 정도를 넘지 않으나, 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, 한국 공개특허공보 제2007-0107761호, 일본 공개특허공보 제2010-031341호 등을 들 수 있다. 그러나 HPAL법은 오토클레이브의 고온 고압 하에서 수행하여야 하며, 산성이 강하여 반응기에 티타늄 재질만 주로 사용이 가능한 것으로 알려져 있어서, 이에 따라 설비비가 매우 높고 유지 보수비가 많이 든다는 단점이 있다.

한편, 본 출원인은 한국 공개특허공보 제2012-0065874호에서, 니켈 광석을 환원하여 산으로 용해하고 니켈을 침출하여 침출액을 얻은 다음, 이 침출액으로부터 고액 분리하여 잔사 슬러지를 여과 제거한 후 철을 제거함으로써 페로니켈을 얻는 방법을 제안하였다. 이 방법에 의하면 니켈을 회수함에 있어서 저온 및 상압 하에서도 고속의 산 침출이 가능하며, 따라서 반응기를 고온 고압 상태를 견딜 수 있는 고가의 티타늄 재질로 만들 필요가 없고, 니켈을 안정적이고 효과적으로 회수할 수 있으며, 수소의 사용량을 절감할 수 있어 경제적이다.

이렇게 니켈 광석으로부터 니켈을 회수하기 위해서는, 먼저 필요에 따라 니켈 광석을 건조하여 수분을 제거한 후, 환원 및 침출 반응에 필요한 균일한 입도를 갖는 분말을 얻기 위해 니켈 광석을 분쇄한다.

또한, 분쇄공정에서 얻어진 광석 분말을 소성 처리함으로써 니켈 광석에 포함된 결정수를 제거하게 된다. 분말로 된 니켈 함유 원료의 환원 반응시 환원 공정에서 원료 내에 포함된 결정수가 수분으로 방출되는데, 이러한 수분은 환원 반응을 느리게 하여 반응 효율을 저하시키는 요인으로 작용하기 때문에 결정수를 제거한 후에 환원 처리하는 것이 바람직하다.

이와 같이 하여 전처리된 니켈 함유 원료의 니켈을 환원한다. 이러한 환원은 수소를 환원 가스로 사용하여 반응기 내에서 이루어질 수 있다. 환원 공정에 의해 높은 활성을 갖는 니켈 금속을 생성할 수 있으며, 이 때문에 산에 의해 용이하게 용해시킬 수 있어 후속의 산 침출 공정을 고속으로 수행할 수 있게 한다.

여기서, 분말로 된 니켈 함유 원료와 환원 가스 사이의 대향류(Counter Flow) 기술이 필요하다. 이러한 요구를 해결하기 위해 수직 유동형 반응기가 채용될 수 있다.

하지만, 수직 유동형 반응기는 우선 두께가 두껍고 무거운 원료에 적용되도록 설계된 구조여서 원료의 원활한 선입선출이 이루어지지 않아 반응률이 떨어지기 때문에, 다단식으로 반응기를 설치해야 하는 문제가 있게 된다.

또한, 다단식으로 반응기를 배치함으로써, 공급되는 환원 가스의 입력압이 높거나 환원 가스의 유입량이 많아야 하는 문제도 있다.

이에 본 발명은 원료의 선입선출이 원활하게 이루어짐으로써 반응율이 증가하고, 에너지 효율이 높게 되는, 경사형 반응기 및 이를 사용한 처리시스템을 제공하는 데에 그 주된 목적이 있다.

본 발명의 한 양상에 따른 반응기는, 내부에 원료가 유입되고 가스를 공급받으며, 수평하게 설치되는 용기본체; 상기 용기본체의 내부에서 하부에 경사지게 설치되며, 복수의 노즐공을 구비하여 상기 가스를 상기 원료로 공급하는 분산판; 상기 분산판과 상기 용기본체의 바닥 사이에 형성되어 상기 노즐공과 연통하는 공간부; 상기 가스의 공급을 위해 상기 용기본체에 연결되는 가스도관; 및 상기 가스도관으로부터 상기 용기본체로 뻗어 상기 공간부와 연통하는 적어도 하나의 분기관을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 양상에 따른 처리시스템은, 제1반응기; 제2반응기; 상기 제1반응기의 배기구에 일측이 연통되어, 배가스로부터 반응용 가스를 분리하고 회수하는 스크러버; 및 상기 스크러버의 타측에 연통되어, 회수된 상기 가스를 상기 제2반응기로 공급하는 복귀 라인을 포함하고, 상기 제1반응기와 상기 제2반응기는 전술한 반응기인 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 원료의 원활한 선입선출이 이루어질 수 있기 때문에, 반응율이 증가할 수 있는 효과가 있다.

이에 따라, 처리시스템 내에 반드시 다단식으로 반응기를 설치하지 않아도 되며, 공급되는 가스의 압력 내지 유입량을 감소시켜 보다 안정적으로 시스템을 운용할 수 있는 효과가 있게 된다.

또한, 본 발명에 의하면, 복수의 반응기를 사용하는 경우에, 원료와 그 역방향으로 흐르는 가스 간 반응율이 증대됨은 물론, 반응기들 사이에 연속회전식 밸브를 설치함으로써 원료에 의한 실링(Sealing)이 가능하게 되는 부가적인 효과도 얻게 된다.

따라서, 본 발명에 의하면 궁극적으로 생산성 향상 및 에너지 절감을 도모할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 경사형 반응기 및 이를 사용한 처리시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.

이하, 본 발명이 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명된다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명에 따른 경사형 반응기 및 이를 사용한 처리시스템을 개략적으로 도시한 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 반응기는 내부에 원료(1)가 유입되고 가스(2)를 공급받으며, 수평하게 설치되는 용기본체(11); 및 이 용기본체(11)의 내부에서 하부에 경사지게 설치되며, 복수의 노즐공(12)을 구비하여 가스(2)를 원료(1)로 공급하는 분산판(13)을 포함하고 있다.

용기본체(11)에는 원료(1)를 위한 유입구(15)와 배출구(16)가 마련되어 있으며, 높이방향보다 수평방향으로 길게 설치된다. 배출구(16)는 분산판(13)의 하류에서 원료(1)가 자유 낙하할 수 있도록 형성되어 있는데, 이 배출구(16)는 용기본체(11)와 일체로 제조되거나, 호퍼 형태로 제조된 후 용기본체(11)에 결합하여 부가될 수 있다.

분산판(13)은 수십 내지 수백 개의 가스공급용 노즐공(12)이 일정 간격으로 형성된 다공판으로 될 수 있다. 이러한 분산판(13)은 가스도관(14)을 통해 유입되는 가스(2)를 원료(1)로 균일하게 분산시켜 공급하게 된다. 노즐공(12)은 가스(2)를 용기본체(11)의 내부공간을 향하여 연속적으로 분사한다.

분산판(13)은 예컨대 스테인리스강과 같은 내열성 재질로 만들어지는 것이 좋다. 이 분산판(13)은 용기본체(11)의 유입구(15)로부터 배출구(16)로 향하여 하향 경사지게 설치된다. 분산판(13)과 용기본체(11)의 바닥 사이에는 분산판(13)의 각 노즐공(12)과 연통하는 공간부(19)가 형성되어 있다.

가스의 공급을 위한 가스도관(14)이 용기본체(11)의 외부에 배치되어 용기본체(11)에 연결될 수 있으며, 이 가스도관(14)으로부터 용기본체(11)로 뻗은 적어도 하나의 분기관(18)이 분산판(13)과 용기본체(11)의 바닥 사이에 형성된 공간부(19)와 연통하고 있다.

이에 따라 가스도관(14)으로부터 공간부(19)로 주입된 가스(2)는 복수의 노즐공(12)을 통해 용기본체(11)의 내부공간에 있는 원료(1)를 향하여 균일하게 분사될 수 있다. 복수의 노즐공(12)이 가스(2)를 일정하게 분사함으로써, 원료층이 분산판(13) 위에서 부상하거나 들썩거릴 수 있게 되고, 이러한 부상 또는 들썩거림을 통해 원료층이 운동에너지를 얻어 경사진 분산판(13)을 따라 점차 아래로 그리고 순차적으로 유동하게 되는 것이다. 물론, 유동과 동시에 원료(1)와 가스(2)는 예컨대 환원 반응과 같은 반응이 이루어질 수 있게 된다.

분산판(13)의 경사각은 조절가능하다. 이러한 분산판(13)의 경사각을 조절함으로써 원료(1)의 이동속도 내지 처리속도를 조절할 수 있게 된다. 분산판(13)의 경사각을 높게 하면 원료층이 빨리 진행하게 되고 낮추면 느리게 진행한다.

추가적으로 용기본체(11)의 상부에는 배기구(17)가 형성되어 용기본체(11) 내에서 상승한 배가스를 배출할 수 있다.

또, 용기본체(11) 내에는 히터(미도시)가 설치될 수 있다. 히터는 분산판(13)의 아래에 위치되어도 된다. 이러한 히터로는 전기를 사용하는 열선 형태의 히터가 바람직하지만, 반드시 이에 한정되지 않는다.

나아가, 용기본체(11) 내에는 열교환기(미도시)가 설치될 수 있다. 이 열교환기에 의해, 고온의 배가스가 갖는 폐열이 가스를 예열하는 데에 사용될 수 있다.

다음으로, 본 발명에 따른 처리시스템에 대해 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 처리시스템은, 전술한 반응기를 적어도 하나를 구비하는 것을 특징으로 한다. 예를 들어, 한 쌍의 반응기, 즉 제1반응기(110)와 제2반응기(120)를 구비할 수 있다.

이러한 경우에, 제1반응기(110)의 배출구(16)는 제2반응기(120)의 유입구(15)에 연결될 수 있다. 제1반응기(110)의 유입구(15) 또는 제2반응기(120)의 배출구(16)에는 스크류피더(200)가 연결될 수 있다.

스크류피더(200)는 제1반응기(110)의 유입구(15)에 연통되어 원료(1)를 공급할 수 있는데, 제1반응기(110) 내부의 높은 압력 조건 하에서 원료(1)를 원활히 투입하기 위하여 무축형 스크류피더인 것이 좋다. 스크류피더(200)의 스크류가 갖는 회전수는 모터에 인가되는 전원의 전압 또는 주파수를 제어하여 이루어질 수 있다.

각 반응기(110, 120)에서는 예컨대 환원 공정과 같은 공정을 통해 원료를 처리할 수 있는바, 예를 들어 전술한 바와 같이 니켈 광석으로부터 니켈을 환원함으로써 니켈을 회수처리할 수 있다. 이와 같은 니켈 함유 광석의 분말로부터 니켈을 회수하기 위해, 각 반응기 내에서 반응용 가스를 사용하여 환원하는 공정을 거치게 된다.

환원시 사용되는 가스(1)로는 수소를 사용한다. 이와 같이 수소를 반응용 가스로 사용함으로써, 저온에서 환원 공정을 수행할 수 있다. 또한, 비표면적이 1 ~ 100m²/g로서 높은 활성을 갖는 니켈 금속을 생성할 수 있으며, 이로 인해 산에 의해 용이하게 용해시킬 수 있어 산 침출 공정을 고속으로 수행할 수 있다. 수소를 단독으로 사용할 수 있음은 물론, 수소를 함유하는 가스를 사용할 수도 있다.

수소를 반응용 가스로 사용하여 니켈 함유 광석의 분말로부터 환원함에 있어서, 이론적 반응은 다음 반응식과 같이 표현된다.

[반응식]

(NiFe)OFe₂O₃ + 4H₂ = (NiFe) + 2Fe + 4H₂O

그러나 실제 환원 반응에서는 2배 이상의 과잉의 수소가 필요하다. 이때, 반응기의 온도는 550 내지 950℃ 범위인 것이 바람직하다. 환원 온도가 550℃ 이하인 경우에는 환원이 충분히 일어나지 않아 침출시 회수율이 저하하며, 950℃ 이상인 경우에는 반응율이 더 이상 상승하지 않고 입자 간 소결만 일어나 작업성에 악영향을 미치기 때문이다.

특히 제2반응기(120)에서는 환원되는 원료(1)의 높은 열로 수소를 데우고, 역으로 원료(2)는 상대적으로 차가운 수소에 의해 냉각되는 열교환이 이루어질 수 있다. 따라서, 전체 시스템의 에너지 효율이 향상되며, 원료의 냉각으로 인해 후속 공정에 도움이 되어 공정의 효율성도 높이는 장점이 있게 된다.

또, 제1반응기(110)에는 히터가 내장되어 반응에 필요한 열을 공급할 수 있다.

한편, 반응식에서와 같이, 분말로 된 니켈 함유 원료의 환원 반응시 수소와 산소가 결합하여 수증기를 발생할 수 있는데, 원료가 후술한 것처럼 극미분 형태이기 때문에 반응에 의해 생성된 수증기가, 표면적이 작은 원료에 접촉할 기회가 적어 반응기 내에서 별다른 영향을 끼치지 못하게 된다. 이러한 수증기는 바로 배가스와 함께 배출되어, 수증기에 의해 원료의 온도가 떨어지거나 반응율이 저하되는 문제가 없게 된다.

제1반응기(110)와 제2반응기(120)의 사이에는 원료(1)의 연속적인 이송을 위해 연속회전식 밸브(210)가 설치될 수 있다. 이 연속회전식 밸브(210)는 원료(1)를 연속으로 이송하기 위한 것이어서, 상류의 제1반응기(110) 내 원료(1)가 연속회전식 밸브(210)를 거쳐 하류의 제2반응기(120)로 낙하되어 이송될 수 있다.

이러한 연속회전식 밸브(210)를 사용하면, 예컨대 니켈 함유 원료를 제2반응기(120) 쪽으로 연속하여 공급할 뿐만 아니라, 제1반응기(110) 내 배출구(16) 쪽 또는 연속회전식 밸브(210)의 상부에 일정량의 원료를 쌓아서 제2반응기(120)의 수소가 제1반응기(110) 쪽으로 역류하는 것을 방지할 수 있다.

전술한 분쇄공정에서 얻어진 원료, 즉 광석 분말의 입도가 1㎜ 이하 내지 10㎛ 이상으로 되어서, 일정량의 니켈 함유 원료가 제1반응기(110)의 배출구(16) 또는 연속회전식 밸브(210)의 상부에 축적되기만 하여도 기밀한 실링이 가능하게 됨으로써, 수소의 이동을 차단하게 되는 것이다.

연속회전식 밸브(210)의 회전수를 조절함으로써, 제1반응기(110) 내 배출구(16) 쪽에 일정한 양의 원료(1)가 적층되는 것을 유지할 수 있다.

밸브(210)의 상부 또는 하부에는 예컨대 익스팬션 조인트(Expansion Joint)와 같은 신축 이음기구(미도시)가 더 연결될 수 있다.

제2반응기(120)의 하류에는 물탱크 또는 수조(500)가 연결될 수 있는데, 바람직하게는 스크류피더(200)를 매개로 하여 연결될 수 있지만, 반드시 이에 한정되지 않고 제2반응기(120)의 배출구(16)의 하단에 일체로 결합되어도 된다. 이 경우에는, 별도의 연결수단 없이 제2반응기(120)가 수조(500)에 바로 이어져 원료의 배출이 원활하게 이루어질 수 있다.

각 반응기(110, 120)의 용기본체(11)의 상부에는 가스의 배출을 위한 배기구(17)가 형성되어 있다. 특히, 제2반응기(120)의 배기구(17)는 제1반응기(110)의 가스도관(14)에 연통되어 제2반응기(120)에서 배출된 반응용 가스, 즉 수소를 제1반응기(110)에서 재활용할 수 있게 된다. 전술한 바와 같이, 제2반응기(120)에서는 환원되는 원료의 높은 열로 수소를 데우고, 역으로 원료는 냉각이 이루어질 수 있다.

제1반응기(110)의 배가스로부터 반응용 가스를 분리하기 위해서는 고체, 액체 및 기체를 분리할 수 있는 수단이 필요하며, 이를 위해 스크러버(300)를 사용할 수 있다. 스크러버(300)는 제1반응기(110)의 배기구(17)에 연통되어 배가스를 공급받는다.

스크러버(300) 내에 미스트를 주입함으로써, 배가스에 포함된 분진을 흡수할 수 있고, 나아가 주입된 미스트에 의해 배가스가 냉각되어 수증기가 액상의 물로 응축될 수 있다.

이에 의해 기상의 반응용 가스는 복귀 라인(400)으로 회수하여, 버퍼탱크(420)에 저장 또는 보관할 수 있다. 회수된 반응용 가스를 운송하는 복귀 라인(400)에는 블로워 등과 같은 송풍수단(410)이 마련되어 있어, 반응용 가스를 복귀 라인(400)에 연결된 제2반응기(120)의 가스도관(14)을 통해 제2반응기(120)의 내부로 원활히 공급할 수 있다.

본 발명에 따른 처리스시템에서는 단지 2개 이하의 반응기를 사용해도 되기 때문에, 공급되는 반응용 가스의 압력 또는 유입량을 줄일 수 있는 장점이 있고, 새로운 반응용 가스를 공급받을 수도 있지만, 대부분 복귀 라인을 통해 회수하여 가스를 사용하므로 비용도 절감할 수 있는 장점이 있게 된다.

본 발명에 따른 반응기를 사용한 처리시스템은 설명의 편의상 니켈 회수 공정에 사용되는 시스템을 예로 들어 설명되었지만, 본 발명이 반드시 이에 한정되어 적용되지 않고 다른 임의의 물질을 처리하는 공정에 이용될 수 있음을 밝혀둔다.

또한, 도면 등에는 단지 한 쌍의 반응기를 사용한 처리시스템이 도해되고 있지만, 이에 한정되지 않으며 2 이상의 반응기를 적용하여 다단식의 처리시스템을 구성할 수도 있음은 당연하다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

11: 용기본체 13: 분산판
110: 제1반응기 120: 제2반응기
200: 스크류피더 300: 스크러버
400: 복귀라인 410: 송풍수단
420: 버퍼탱크 500: 수조

Claims

내부에 원료가 유입되고 가스를 공급받으며, 수평하게 설치되는 용기본체;
상기 용기본체의 내부에서 하부에 경사지게 설치되며, 복수의 노즐공을 구비하여 상기 가스를 상기 원료로 공급하는 분산판;
상기 분산판과 상기 용기본체의 바닥 사이에 형성되어 상기 노즐공과 연통하는 공간부;
상기 가스의 공급을 위해 상기 용기본체에 연결되는 가스도관; 및
상기 가스도관으로부터 상기 용기본체로 뻗어 상기 공간부와 연통하는 적어도 하나의 분기관
을 포함하는 반응기.
제1항에 있어서,
상기 용기본체에는 상기 원료를 위한 유입구와 배출구가 구비되어 있고,
상기 분산판은 상기 유입구로부터 상기 배출구로 향하여 하향 경사지게 설치되는 것을 특징으로 하는 반응기.
제2항에 있어서,
상기 배출구는 상기 분산판의 하류에서 상기 원료가 자유 낙하할 수 있도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반응기.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 용기본체의 상부에는 배기구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반응기.
제1항에 있어서,
상기 분산판의 경사각은 조절가능한 것을 특징으로 하는 반응기.
제1항에 있어서,
상기 용기본체에는 히터가 설치되는 것을 특징으로 하는 반응기.
제1반응기;
제2반응기;
상기 제1반응기의 배기구에 일측이 연통되어, 배가스로부터 반응용 가스를 분리하고 회수하는 스크러버; 및
상기 스크러버의 타측에 연통되어, 회수된 상기 가스를 상기 제2반응기로 공급하는 복귀 라인
을 포함하고,
상기 제1반응기와 상기 제2반응기는 제1항 내지 제3항, 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 반응기인 처리시스템.
제9항에 있어서,
상기 제1반응기의 배출구가 상기 제2반응기의 유입구에 연결되는 것을 특징으로 하는 처리시스템.
제10항에 있어서,
상기 제1반응기와 상기 제2반응기 사이에는 회전식 밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 처리시스템.
제10항에 있어서,
상기 제1반응기에는 히터가 설치되고, 제2반응기에는 히터가 생략되는 것을 특징으로 하는 처리시스템.
제10항에 있어서,
상기 제2반응기의 배기구는 상기 제1반응기의 가스도관에 연통되어 있는 것을 특징으로 하는 처리시스템.
삭제
제9항에 있어서,
상기 복귀 라인에 배치되는 송풍수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 처리시스템.