KR101632973B1 - 플라즈마를 이용한 유가금속 회수 장치 - Google Patents

Abstract

플라즈마를 이용한 유가금속 회수장치가 제공된다. 상기 플라즈마를 이용한 유가금속 회수장치는 폐기물의 용융 반응이 일어나는 용융로, 상기 용융로에 폐기물을 투입하기 위한 투입부, 용융 반응 후 발생하는 배기가스를 처리하는 가스처리부, 용융 반응 후 발생하는 용융 슬래그 및 용융 금속을 배출하는 배출구, 상기 용용로 내부에 고온의 에너지를 공급하기 위해 플라즈마가 발생하는 플라즈마 토치를 포함한다. 본 발명의 일실시 예에 따른 플라즈마를 이용한 유가금속 회수장치에 의하면 용융로 내부에서 폐기물 용융과정중에 형성되는 용융층 상층부인 슬래그층이 슬래그 배출구를 통해 배출되기 전에 슬래그층에 잔존하는 귀금속 성분들이 메탈층으로 하강하도록 반응로에서 충분한 체류시간을 갖게 장벽(barrier)을 설치하여 유가금속성분을 회수할 수 있는 특징이 있다.

Description

플라즈마를 이용한 유가금속 회수 장치{The Recovery Apparatus Of Valuable Metal Using Plasma}

본 발명은 플라즈마를 이용한 유가금속 회수 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 친환경적인 공정에 의해 대량으로 폐기물을 처리하면서 많은 양의 유가금속들을 단시간에 간단하면서도 경제적인 방법으로 회수할 수 있는 플라즈마를 이용한 유가금속 회수 장치에 관한 것이다.

최근 환경규제의 강화에 따라 매립 및 해양배출을 줄이고, 소각 및 재활용비율을 늘이기 위한 대책을 마련하고 있다. 이에 따라 전자폐기물들을 효과적으로 처리하는 기술의 개발이 필요하며, 자원의 유효이용을 위한 자원 리싸이클링 기술의 개발도 시급한 실정이다, 우리나라는 자원이 한정되어있으며 또한 편재되어 있기 때문에 자원 보전을 목적으로도 라싸이클링을 실시하지 않으면 안된다.

따라서 전자폐기물중 유가성분을 회수하기위한 자원화기술로는 크게 나누어 건식법과 습식법으로 나뉘는데 건식법에서는 전기로 등에서 폐기물을 용융 및 환원하여 용융금속과 슬래그를 분리해내어 유가금속을 회수하는 방법이고, 습식법으로는 회수할 성분을 용매추출하거나 가치 없는 무기성 물질을 용해시켜 유가성분 등을 잔류시키든가 또는 액상으로 전환하여 용해하지 않고 남는 고상과 분리하는 방법이다. 이와 같은 리싸이클링을 하게 되면 자원절약, 에너지절약 및 환경보전의 이점이 있다.

무기물중 금속류는 그 용도가 많고 산업 및 가정에서 적용범위가 넓어 많은 양의 폐기물이 발생할 뿐만 아니라 그 종류도 다양하다. 가정 및 산업현장에서 많이 발생하는 전자 폐기물로는 냉장고, 세탁기, 에어콘, TV를 비롯하여 컴퓨터, 이동전화단말기, 프린터등이 많이 발생하고 있다. 이들 전자폐기물에 함유된 귀금속 성분들은 고가이면서 자원이 고갈되고 있으므로 회수가 필수적이다. 습식법을 적용하면 회수효율이 낮고 처리시간이 길며 폐수등 2차오염 발생이 되며 소량씩 처리가 되고 있으므로 이러한 문제점들을 해결하기 위한 적극적인 처리방법이 요구되고 있다. 또한 용융로내 형성되는 메탈층에 적용되는 금속으로 구리를 사용하는데 구리의 융점이 낮으므로 저융점금속 회수에 적합하며 구리의 단가가 비싼 단점이 있다.

그러나 전자 폐기물에는 금, 은, 구리, 팔라듐등 귀금속들을 다량 함유되어 있으므로 이들 물질들을 적합하게 처리할 수 있는 장치 및 방법이 요구되고 있다.

이의 처리를 위해 적용가능한 기술로는 플라즈마를 이용하여 용융처리를 하는 것이다. 이 기술이 적용된 plasma 용융로에는 열원으로 plasma torch에서 발생하는 고온의 플라즈마 플레임을 이용하여 상기의 전자 폐기물로부터 유가금속을 회수하는 공정에 적용가능하며 습식처리에 비하여 다음과 같은 장점을 지니고 있다.

1) 용융온도를 단시간에 고온으로 쉽게 올릴수 있다.

2) 로내 분위기를 Plasma gas를 이용하여 환원성과 산화성으로 조정 가능하다.

3) 배기가스 량이 적다.

4) 용융물질을 연속 배출하도록 torch의 driving force를 이용할 수 있다.

5) 이송식 방법으로 torch mode를 조정하여 용융 pool size와 용융깊이의 조정 및 이에 따른 용융량을 극대화할 수 있다.

6) slag와 metal의 반응 접촉면을 최대화하여 유가금속 회수율을 증가시킬 수 있다.

7) 용융 slag와 용융 metal의 온도를 높게 유지할 수 있다.

이와 같은 장점들을 최대한 활용할 수 있도록 플라즈마 공정을 적용해서 폐기물처리를 실시하여 회수율 및 에너지효율을 최대한 높여야 한다.

전자 폐기물에는 냉장고, 세탁기, 에어콘, TV를 비롯하여 컴퓨터, 이동전화단말기, 프린터등이 포함되는데 이들 폐기물에는 일반적으로 무기물과 금속류를 포함하고 있으며 금속에는 금, 은, 구리, 팔라듐등 유가금속들을 다량 함유되어 있으므로 이들 구성물들을 적합하게 처리할 수 있는 장치의 개발이 필요한 실정이다.

이러한 폐기물들은 플라즈마를 이용하여 열적 처리를 할 수 있는데 그 과정은 폐기물을 폐기물 공급장치에 의해 용융로에 투입 후 무기물 및 금속류는 용융, 용융물 배출, 그리고 냉각단계를 거쳐서 처리되고 이중에 일부 남아있을 가연성 물질은 연소과정을 거친 후 2차 연소, 배기가스 정화단계를 거치게 된다. 이러한 목적을 달성하기위해 토치가 장착된 용융설비를 이용한 처리가 행하여져야 하며 처리 시 유가금속은 회수 가능하도록 해야 한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 건식법인 플라즈마 공정을 적용하여 최대한 많은 양의 폐기물을 처리함과 동시에 2차오염이 발생하지 않도록 하는 장치를 제공한다.

또한 폐기물에 함유된 금, 은, 구리, 팔라듐 등 유가금속들은 산화물 형태로 존재하므로 이들 귀금속들을 회수하기 위해서는 높은 온도를 유지하면서 용융처리하면서 환원반응을 유도하여야 하고, 폐수발생을 억제하면서 설비를 운용하기위해서는 환원제와 환원제를 투입하기위한 별도의 투입장치가 필요하므로 이를 위해 추가비용이 요구되며 회수 공정도 복잡해진다. 따라서 이러한 설비와 공정을 단순화시켜 처리시간을 감소시키는 경제성 있는 장치를 제공하여야 한다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 일 양태에 따르면, 폐기물의 용융 반응이 일어나는 용융로, 상기 용융로에 폐기물을 투입하기 위한 투입부, 용융 반응 후 발생하는 배기가스를 처리하는 가스처리부, 용융 반응 후 발생하는 용융 슬래그 및 용융 금속을 배출하는 배출구, 상기 용용로 내부에 고온의 에너지를 공급하기 위해 플라즈마가 발생하는 플라즈마 토치를 포함한다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 용융로 내부의 바닥에 바닥전극이 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 투입부는 폐기물이 임시 저장되는 폐기물 저장소, 상기 폐기물 저장소에 저장된 폐기물을 이송하는 투입 컨베이어, 이송된 폐기물을 상기 용융로 내부로 투입하는 투입 피더를 포함한다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 가스처리부는 불완전 연소된 배기가스를 완전 연소시키는 2차 연소실, 배기가스의 열량을 회수하는 폐열 보일러, 배기가스를 세정 처리하는 분사 건조 흡수장치(SDA, Spray Dry Absorber), 배기가스의 분진을 제거하는 집진기, NOx 성분을 제거하는 선택적 촉매 환원장치(SCR, Selective Catalytic Reduction), 배기가스를 흡입하여 외부로 배출하는 ID 팬 및 굴뚝을 포함한다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 2차 연소실의 과열방지를 위하여 냉각수 주입장치를 더 포함한다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 플라즈마 토치에 전기에너지를 공급하는 전원을 더 포함한다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 플라즈마 토치에 플라즈마 가스를 공급하는 플라즈마 가스 유입장치를 더 포함한다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 용융로 외부에는 용융로 내 반응 및 주요 운전상황을 관찰할 수 있는 관찰창이 형성된다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 배출구의 앞에 잔류 장벽이 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 용융로 내의 용융 금속층은 주철에 의해 용융된 금속층인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 유가금속 회수 장치는 반응로 내에서 2차 오염물 발생 없이 전량처리가 가능하며 전자 폐기물 중에 함유된 고융점의 귀금속들도 용융로 내 유지되고 있는 메탈층의 주철을 이용하여 고효율 회수 가능하므로 귀금속류의 회수율을 최대한 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 플라즈마를 이용한 유가금속 회수 장치의 개략적인 구성도.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 플라즈마를 이용한 유가금속 회수 장치의 개략적인 단면도.

이하, 첨부한 도면들 및 후술되어 있는 내용을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급되지 않는 한 복수형도 포함된다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하, 도 1 내지 도 2를 참조하여, 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마를 이용한 유가금속 회수장치에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 플라즈마를 이용한 유가금속 회수 장치의 개략적인 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 플라즈마를 이용한 유가금속 회수 장치의 개략적인 단면도이다.

도 1, 2를 참조하면 본 발명의 일실시 예에 따른 플라즈마를 이용한 유가금속 회수장치는 크게 용융로(10), 투입부(20), 가스처리부(30), 배출구(40), 플라즈마 토치(50)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 용융로(10)의 내부 바닥에는 바닥전극(70)이 설치되어 이송식 운전이 가능하도록 할 수 있다.

상기 투입부(20)는 전자 폐기물이 임시 저장되는 폐기물 저장소(21), 상기 폐기물 저장소(21)에 저장된 전자 폐기물을 이송하는 투입 컨베이어(22), 이송된 전자 폐기물을 상기 용융로(10) 내부로 투입하는 투입 피더(23)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 가스처리부(30)는 불완전 연소된 배기가스를 완전 연소시키는 2차 연소실(31), 배기가스의 열량을 회수하는 폐열 보일러(32), 배기가스를 세정 처리하는 분사 건조 흡수장치(SDA, Spray Dry Absorber, 33), 배기가스의 분진을 제거하는 집진기(34), NOx 성분을 제거하는 선택적 촉매 환원장치(SCR, Selective Catalytic Reduction, 35), 배기가스를 흡입하여 외부로 배출하는 ID 팬(36) 및 굴뚝(37)을 포함하여 구성될 수 있다.

이때 상기 2차 연소실(31)의 과열방지를 위하여 냉각수 주입장치(미도시)를 추가로 구비할 수 있다.

도 1을 참조하면 폐기물은 외부로부터 이송되어 폐기물 저장소(21)에 임시 저장된다. 설비가 운전되기 시작하여 처리가 시작되면 폐기물 저장소(21)에서 버켓형 투입 컨베이어(22)에 의해 설비상부에 위치한 호퍼로 이동하며 호퍼에서 폐기물은 잠시 보관되면서 대기한다. 처리공정이 진행되면 폐기물은 투입피더(23)에 의해 용융로(10) 내로 정량 투입되어 용융처리 된다. 용융로(10)에는 플라즈마 토치(50)가 장착되어 있으며 토치는 전원(60)에 연결되어있다. 용융로의 내부는 내열벽돌 및 단열벽돌로 싸여져 있으며 용융로(10) 외부는 보온 및 구조물의 강도를 유지하기 위해 금속피로 감싸주었다.

용융로(10) 내부의 용융실에는 플라즈마 토치(50)와 용융실 바닥에 설치된 바닥전극(70)에 의해 이송식 운전이 가능하며 폐기물을 용융이 되면 용융실 바닥에는 도 2에 도시된 바와 같이 용융 슬래그(800)층 및 용융 금속(900)층이 형성된다. 이때 용융 슬래그 내에 존재하는 금속성분은 비중차에 의해 용융 슬래그하부에 있는 용융 금속층으로 하강한다. 용융공정이 균일하지 못하게 진행되거나 로내를 예열할 경우에는 LPG가스 노즐이 용융실 상부에 설치되어 있어 필요시 열량을 공급할 수 있다. 충분한 양의 용융슬래그가 만들어지면 배출구(40)를 통해 배출되어 용융 슬래그 컨테이너(80)에 저장되고, 용융로 내 용융 금속층에서 용융 금속이 적정량 발생되면 용융실 측면에 형성된 배출구(40)를 통하여 용융 금속(900)이 배출되어 용융 금속 컨테이너(90)에 저장된 후 추후 외부로 반출되어진다.

용융실에서 발생한 배기가스는 용융로(10) 측면에 부착된 2차 연소실(31)로 이동된다. 2차 연소실(31)에서는 불완전 연소된 배가스가 완전연소가 되도록 하며 완전연소 된 배기가스는 폐열보일러(32)에서 열량을 회수한 후 분사 건조 흡수장치(SDA, Spray Dry Absrber, 33)에서 세정처리하고 집진기(34)에서 분진을 제거한다. 그리고 필요에 따라 선택적 촉매 환원장치(SCR, Selective Catalytic Reduction, 35)에서 NOx성분을 제거하고 ID Fan(36)을 통과한 후 굴뚝(37)을 통해 대기로 방출된다.

그 외에 부대설비로는 플라즈마 토치(50)에 전기에너지를 공급하는 전원(60)이 있으며 토치 내에 공기, 아르곤(Ar), 스팀 등 플라즈마 가스를 공급하는 플라즈마가스 유입장치(미도시), 2차 연소실 과열방지를 위한 냉각수 주입장치(미도시)로 구성되어있다. 용융로(10)에는 용융로(10) 내 반응 및 주요 운전상황을 관찰할 수 있는 관찰창(미도시)이 구성되어 있으며 용융로(10) 하부에는 바닥전극(70)이 부착되어 토치의 이송식 운전도 가능하다.

플라즈마 토치(50)에서 내부에는 음극과 양극이 있어 먼저 두전극간에 아크가 발생하고 주위에 흘려준 가스에 의해 플라즈마 불꽃이 발생한다. 이때 불꽃의 온도는 약 10,000℃를 상회하는 고온으로 높은 에너지를 갖는다. 플라즈마 가스로 Ar, N2, H2, He 및 steam 등이 사용가능하다. 이때 공기를 채택하는 경우 별도의 가스 공급장치가 필요하지 않다는 장점이 존재하게 된다.

플라즈마 토치(50)에 의해 공급되는 고온의 에너지로 인해 폐기물은 용융로(10)에서 용융된다. 이때 무기물은 슬래그로 제조되면서 용융 슬래그(800)층을 형성하고 금속은 용융되면서 용융 슬래그(800)층의 아래에 용융 금속(900)층을 형성한다.

용융 슬래그(800)층을 형성한 용융 슬래그(800)는 용융로(10)내에서 일정한 높이가 되면 배출구(40)를 통해 용융로(10) 외부로 오버플로우(overflow) 방식으로 배출되면서 용융 슬래그 콘테이너(80)에 담겨진다. 용융 금속(900)층을 형성한 용융 금속(900)도 마찬가지로 용융로(10)내에서 적정량이 쌓이게 되면 배출구(40)를 통해 외부로 배출되어 용융 메탈 콘테이너(90)에 담겨지게 된다. 용융로(10)내 용융물 상부에서 슬래그층을 이루는 액상의 용융 슬래그(800)에 일부 존재하게 되는 금속 성분은 슬래그와의 비중차에 의해 용융 금속(900)층으로 하강한다. 이때 슬래그층에서 배출구(40) 앞에 잔류 장벽(500)을 설치하면 용융 슬래그(800)는 배출구(40)로 즉시 배출되지 않고 용융로(10)내에 잔류하게 되어 용융로(10)내에서의 체류시간이 길어지게 되므로 용융 슬래그(800)층에 잔존하는 금속성분이 하강할 수 있는 충분한 시간을 확보할 수 있게 된다.

용융 금속(900)층에는 구리를 사용하여 귀금속 포집 및 용융로(10)내온도 유지를 하여 용융공정을 수행하였으나 고융점의 귀금속류의 원활한 포집을 위해 구리보다 용융점이 높은 주철로 용융 금속(900)층을 형성하도록 하였으며, 또한 귀금속이 함유된 벌크(bulk)형 메탈로부터 귀금속을 분리하기 위해서는 주철이 구리보다 유리하므로 용융공정에서 주철을 적용함으로써 금속의 회수율을 최대한 높일 수 있도록 하였다.

이상에서 대표적인 실시 예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시 예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.

10 : 용융로
20 : 투입부
21 : 폐기물 저장소
22 : 투입 컨베이어
23 : 투입 피더
30 : 가스처리부
31 : 2차 연소실
32 : 폐열 보일러
33 : 분사 건조 흡수장치(SDA, Spray Dry Absorber)
34 : 집진기
35 : 선택적 촉매 환원장치(SCR, Selective Catalytic Reduction)
36 : ID 팬
37 : 굴뚝
40 : 배출구
50 : 플라즈마 토치
60 : 전원
70 : 바닥 전극
80 : 용융 슬래그 컨테이너
90 : 용융 금속 컨테이너
500 : 잔류 장벽
800 : 용융 슬래그
900 : 용융 금속

Claims (10)

1. 전자 폐기물의 용융 반응이 일어나며, 전자 폐기물이 용융되면서 용융 슬래그층과 용융 슬래그층의 아래에 용융 금속층이 형성되는 용융로;
   상기 용융로에 전자 폐기물을 투입하기 위한 투입부;
   용융 반응 후 발생하는 배기가스를 처리하는 가스처리부;
   용융 반응 후 발생하는 용융 슬래그 및 용융 금속을 배출하는 배출구;
   상기 용용로 내부에 에너지를 공급하기 위해 플라즈마가 발생하는 플라즈마 토치;
   상기 용융로 바닥의 내부에 설치된 바닥전극;
   상기 용융로 상부에 설치되며, 용융공정이 균일하지 못하게 진행되거나 로내를 예열할 경우 열량을 추가로 공급하는 LPG가스 노즐;
   상기 용융로의 상부로부터 배출구를 향해 설치되며, 용융슬래그층에 잔존하는 귀금속 성분들이 용융 금속층으로 하강할 수 있게 용융로에서 체류시간을 갖도록 용융슬래그가 배출구로 바로 빠져나가는 것을 억제하는 잔류 장벽:을 포함하여 구성하되,
   상기 잔류장벽의 하단부는 상기 배출구의 최저점보다 낮은 용융 슬래그층까지 위치되어 용융 슬래그가 배출되는 것을 간섭하며,
   상기 용융로 내의 용융 금속층은 주철에 의해 용융된 금속층인 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 유가금속 회수장치.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 투입부는 폐기물이 임시 저장되는 폐기물 저장소, 상기 폐기물 저장소에 저장된 폐기물을 이송하는 투입 컨베이어, 이송된 폐기물을 상기 용융로 내부로 투입하는 투입 피더를 포함하는 플라즈마를 이용한 유가금속 회수장치.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 가스처리부는 불완전 연소된 배기가스를 완전 연소시키는 2차 연소실, 배기가스의 열량을 회수하는 폐열 보일러, 배기가스를 세정 처리하는 분사 건조 흡수장치(SDA, Spray Dry Absorber), 배기가스의 분진을 제거하는 집진기, NOx 성분을 제거하는 선택적 촉매 환원장치(SCR, Selective Catalytic Reduction), 배기가스를 흡입하여 외부로 배출하는 ID 팬 및 굴뚝을 포함하는 플라즈마를 이용한 유가금속 회수장치.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 2차 연소실의 과열방지를 위하여 냉각수 주입장치를 더 포함하는 플라즈마를 이용한 유가금속 회수장치.
   
6. 제 1항에 있어서,
   상기 플라즈마 토치에 전기에너지를 공급하는 전원을 더 포함하는 플라즈마를 이용한 유가금속 회수장치.
   
7. 제 1항에 있어서,
   상기 플라즈마 토치에 플라즈마 가스를 공급하는 플라즈마 가스 유입장치를 더 포함하는 플라즈마를 이용한 유가금속 회수장치.
   
8. 제 1항에 있어서,
   상기 용융로 외부에는 로내 반응 및 운전상황을 관찰할 수 있는 관찰창이 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 유가금속 회수장치.
   
9. 삭제
10. 삭제

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