KR101643136B1 - 고체 또는 용융 물질들을 처리하기 위한 방법 - Google Patents

고체 또는 용융 물질들을 처리하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고체 또는 용융 및/또는 발화 물질들, 측히 파쇄 경량 잔류물들을 완전히 작업하거나 환원하기 위한 방법에 관한 것이고, 이를 위해 고체 또는 용융 물질들이 흑연 본체 상에 로딩되고, 이는 적어도 부분적으로 유도성으로 가열된다. 흑연의 탄소로부터 다양한 환원제가 유입된다. 환원된 및/또는 가스제거된 용해물이 수집된다. 환원제들이 고체 또는 용융된 공급원료와 함께 유입된다. 수증기, 산소, 이산화탄소 및/또는 할로겐들 도는 할로겐화 탄화수소들과 함께, 천연 가스, 탄화 수소, 수소, 일산화탄소 및/또는 암모니아가 환원제로서 유입된다.

Description

고체 또는 용융 물질들을 처리하기 위한 방법{METHOD FOR PROCESSING SOLID OR MOLTEN MATERIALS}
본 발명은 고체 또는 용융 물질들 및/또는 발화성 물질들, 특히 파쇄 경량 잔재물들(shredder light fractions), 파쇄 사용 타이어들(shredded used tires), 기름 흑피(oily mill scale), PCB(폴리염화 비페닐), 오염된 사용 목재, 오염 발굴 물질(contaminated excavated material)(다이옥신 또는 푸란(furans)), 석유 증류 잔류물 및 마른 하수 슬러지를 처리 및/또는 환원(reduce)시키기 위한 방법에 관한 것이다.
분진(Dusts) 및 슬래그(slags), 특히 쓰레기 슬래그들, 파쇄 경량 잔류물들, 코팅 알루미늄 포일들과 같은 복합 재료들, 철강 슬래그들 및 비철 야금 및 무기 기술(inorganic technology)은 다수의 금속 산화물들을 포함하고, 철강 슬래그들의 경우에 상당한 양의 중금속 산화물들이 슬래그에 포함된다. 이러한 바람직하지 않은 금속 산화물들 및 특히 크롬, 바나듐, 몰리브덴, 텅스텐, 코발트, 망간, 납, 구리 및 아연의 산화물들을 환원시키기 위해, 탄소를 포함하는 적절한 환원 금속 욕조(reducing metal bath), 특히 철 욕조 상으로 용해된 액체를 쏟는 것이 제안되었고, 이에 의해 상기 환원된 금속들은 금속 레귤러스(regulus) 내로 통과된다. 그러나, 이러한 방법의 경제적 구현을 위해, 대부분의 경우에서 용해물의 현열(sensible heat)을 활용할 수 있도록 출발 물질을 직접 용해물로서 사용하는 것이 필요하다. 더욱이, 이러한 타입의 모든 산화 환원 반응에서, 슬래그는 금속 욕조와 평형 상태에 있으며, 평형 조건으로 인해 중금속 산화물들은 슬래그에 잔류하는 산화물들이 분석 검출 한계 아래일 수 있는 범위까지 결코 완전히 환원되지 않을 수 있다. 특히, 이것은 주로 1,000 ppm을 초과하는 수량으로 상기 환원된 슬래그들에 잔존하는 크롬 및 바나듐 산화물에 적용된다.
유리들 및 특히 유리 용해물은, 중금속 산화물들의 극소량 트레이스들조차 이러한 금속 용해물들로부터 정량적으로 제거된다면, 금속 산화물들이 각 색깔들을 유리에 나누어 주기 때문에 오직 무색 방식으로 생산될 수 있다. 유리 또는 유리 용해물을 처리할 때, 정제(fining)가 대체로 가장 미세한 유리 기포들을 한층 안정되게 제거하기 위해 추가적으로 요구될 수 있는데 이는 금속 산화물들을 제거하기 위해 환원 공정들에서 또한 형성되기 때문이다. 이것은 오직 적절히 높은 온도에서 및 적절히 낮은 점성 용해물에 의해 및 가스의 탈출을 여전히 가능하게 하는 상대적으로 낮은 욕조 레벨에 의해 실행될 것이다.
이러한 관계에서, 적어도 부분적으로 유도성으로 가열된, 코크 덩어리(lumpy coke)를 포함하는 베드 또는 컬럼 상으로 고체 입자들 및/또는 용해물들을 공급하고 환원된 및/또는 가스제거된 흘러나오는 용해물을 수집하는 것이 WO 2006/079132 A1에 이미 제안되었다. 이러한 코크 베드는 알려진 금속 배드들 보다 실질적으로 더 높은 환원 전위(reduction potential)를 가지며, 용해 및 환원 작동 모두는 코크 베드 내에서 또는 코크 입자들 상에 직접 수행된다. 그러나, 그 방법은 상대적으로 높은 황 함유물을 가지며 매우 높은 유도 주파수들에서 오직 커플링되어서, 전기 장비의 견지에서 상대적으로 높은 비용을 요구하는 코크 베드의 결점을 포함한다. 각각의 주파수들은 약 50 내지 100 kHz이고, 이는 차례로 요구된 에너지가 스킨 효과로 인해 코크 베드의 외측 에지 상에 오직 유입될 수 있다. 또한 벌크의 중심에 코트 베드를 충분히 가열하기 위해, 유도 가열 에지 존에서 동일한 것의 중심까지 코트를 통해 열 전도가 오직 매우 작은 범위까지 발생하였기 때문에, 높은 입력이 요구된다. 더욱이, 알려진 방법은 코트가 점차 환원 반응의 과정에서 점차 소모되어서 연속으로 리필되어야하는 결점을 포함하며, 이는 장치 측면에서 상대적으로 고가 대책을 요구한다. 주된 문제는 매우 가열된 벌크 상에 차가운 코크를 공급할 때, 코크가 극도로 미세한 분진으로 분해되어서 벌크의 충분히 높은 다공성이 더 이상 보장되지 않고 높은 압력 손실이 수용되어져야 한다는 것이다.
본 발명은 전술된 결점들을 방지하면서, 특히 간단하며 경제적인 방식으로 고체 물질 뿐만 아니라 용해물도 주요 범위까지 중금속 산화물로부터 정량적으로 제거될 수 있고 특히 다수의 중금속 산화물들이 검출 한계 아래까지 제거될 수 있고, 동시에 처리 과정에서 형성되거나 충전된 용해물들이 완전히 가스 제거되거나 정제될 것이 보장되어야 하는 효과에 대한 처음에 정의된 종류의 방법을 개선하는데 목적이 있다. 특히, 파쇄 경량 잔해물(shredder light fractions)들과 같은 문제가 있는 물질들을 기꺼이 처리할 수 있어야 한다.
이러한 목적을 해결하기 위해, 본 발명에 따른 방법은 본질적으로 고체 또는 용융 물질들이 적어도 부분적으로 유도 가열된 흑연 본체 상에서 충전되고, 흑연의 탄소와 상이한 작용제를 환원시키고, 플로우-오프(flowing-off) 환원 및/또는 가스 제거된 용해물이 수집된다는 점에 있으며, 상기 환원제들은 고체 또는 용융 충전 물질들과 함께 유입되며, 상기 환원하는 작용제로서, 천연 가스, 갈탄 분진, 탄화수소들, 수소, 일산화탄소 및/또는 암모니아가 수증기, 산소, 이산화탄소 및/또는 할로겐들 또는 수소 할로겐들과 함께 유입된다.
환원제들이 유도 가열된 벌크 자체에 의해 더 이상 형성되지 않고 유입되고, 특히 고체 또는 용융된 충전 물질들과 함께, 또는 고체 또는 용융된 충전 물질들 또는 발화 물질들로서 유입되기 때문에, 유도 가열 흑연 본체가 소모되지 않거나 단지 무시할 수 있는 정도만 소모되어서, 흑연을 리필하기 위한 고가 장치들이 완전히 제거된다. 흑연 벌크가 기본적으로 완전히 소모되지 않기 때문에, 벌크 내에서 흑연 파라미터들의 축선 및 반경 그라디언트를 조절할 수 있게 되었다. 따라서 예를 들어 온도 및 유동 조건들을 최적화하기 위해, 크기, 형상, 결정 함유물 및 개별적인 흑연 본체들의 전기 전도성에 국부적으로 영향을 주어서 각 효과들을 달성하는 것이 가능하다. 이미 언급된 반응물에 덧붙여, 산화되고 미리 열 처리된 강철 분쇄 분진(steel mill dusts)이 또한 활용될 수 있다. 납, 할로겐들 및 알카리들이 반응로 외측에서 미리 열처리 동안 방출되어서 매우 순수한 아연이 선택적으로 산화물 형태로 본 발명에 따른 방법의 배기 가스로부터 리턴되게 할 수 있다.
환원제는 고체 또는 용융 충전 물질들의 성분으로서 또는 충전 물질들과 분리되게 유입될 수 있다.
파쇄 경량 잔해물은 흑연 상에 충전되며 약 1500-2000℃에서 가스화된다. 높은 온도 및 환원 분위기로 인해, 다이옥신, 푸란 및 PCBs가 즉시 파괴된다. 마찬가지로 타르가 가스화된다. 생산된 열 분해 코크는 수증기 및/또는 산소의 첨가로 가스화된다. 포함될 수 있는 유황은 적절히 조정된 슬래그에서 칼슘 황화물로서 용해된다. 금속 및 슬래그 성분들은 액화되어 분리되게 탭될(tapped) 수 있다. 생산된 오염 가스는 가스 처리로 흡입되어서 정화된다. 가스화 작용제로서 산소 및 주입된 수증기로 인해, 정화된 가스는 공기에 의해 희석되지 않고, 따라서 질소 산화물(NOx)을 면한다. 바람직하게 가스는 용광로들에서 환원 가스로서 또는 직접 환원 프로세스를 위해 사용되고, 시멘트 환원 클링커 가마(cement clinker kilns)에서 교대의 연료 가스로서 다양한 야금 (사전 가열) 용광로들을 위해, 전기로 직접 변환(예 가스 엔진들)을 위해, 높은 H2 함유물로 인해 피셔 트롭시(Fischer-Tropsch) 분석을 위해 사용된다.
고체 입자들 및/또는 용해물들이 유도 가열된 흑연 본체 상으로 충전되고 환원제들이 유입되기 때문에, 발생하는 환원 반응과 독립적으로 환원를 위해 필요한 열 에너지를 제공할 수 있게 되었다. 이 경우에서 흑연 본체는 바람직하게 흑연 덩어리(lumpy graphite)의 베드, 컬럼 또는 벌크에 의해 형성될 수 있다. 또는, 흑연 본체는 통과 채널(through-going), 보어들 또는 동류의 것을 포함하는 흑연 블록으로서 구성될 수 있다. 이러한 모든 구성들이 공통적으로 갖는 것은 베드, 컬럼 또는 벌크의 흑연 덩어리들 사이에, 또는 채널들 또는 흑연 블록의 보어들에서 잔존하는 간극들(clearances)이고, 이러한 간극들에서 환원 반응이 주로 기체 상태에서 발생한다. 흑연 본체의 이러한 간극들에서 환원은 즉시 발생하고, 또한 용해 응집은 높은 난류(high turbulence) 및 표면력으로 인해 발생할 것이다. 반응 메커니즘은 일산화탄소에 의한 금속 및 이산화탄소로의, 또는 수소에 의한 금속 및 물로의 금속 산화물의 간접 환원, 및 탄소에 의한 금속 및 일산화탄소로의 금속 산화물의 직접 환원 양쪽을 포함할 수 있다. 이산화탄소는 반응 탄소에 의해 일산화탄소로 변환되며, 물을 형성하는 것은 물 기체 반응을 통해 수소 및 일산화탄소에 대해 탄소와 반응할 것이다.
본 발명에 따라 방법은 필요한 열 에너지 및 환원제를 분리 제공하는 것을 가능하게 하기 때문에, 복수의 상이한 환원제가 사용될 수 있고, 실제 사용된 환원제는 환원 요구 조건들 및 경제적 측면에 따라 선택될 수 있다.
매우 양호한 전기 전도체인 흑연은 실질적으로 더 낮은 유도 주파수들 및 특히, 0.5 kHz를 넘는 주파수들에서 결합하여서 전기 설비의 견지에서 전술된 결점들이 회피된다. 흑연의 전기 전도성은 온도와 함께 감소된다. 그러나 흑연의 결합이 이미 더 낮은 유도 주파수들에서 유도된다는 사실은 언급된 스킨 효과를 피하는데 조력하여서 입력 에너지가 흑연 본체의 단면 내로 더 깊게 침투하여서 더 균일한 유도 가열을 가능하게 한다. 그러나 이 경우 유도 주파수는 대개 자유롭게 선택될 수 있어서 더 강한 스킨 효과를 의도적으로 달성하기 위해 더 높은 주파수들을 선택하는 것이 또한 고려된다. 이것은 에지 존이 과열된 에지 존에서 가스의 높은 점성으로 인해, 반응로의 내화 물질이 에지 존에서 발생하는 점성-관련, 최소화된 질량 전달에 의해 보호되면서, 반응 가스들의 대부분이 반응로의 중심 쪽으로 포커싱될 범위까지 가열된다면 도움이 될 것이다. 동시에, 흑연의 열전도성이 코크의 열전도성보다 복수로(by a multiple) 더 높아서 열 전도에 의한 온도 평형이 더 균일한 유도 가열에 덧붙여 흑연 본체의 전체 단면 위에서 발생할 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 방법은 또한 고체 또는 용융 물질들 및 흑연의 탄소와 상이한 환원제 및, 선택적으로, 고체 또는 용융 충전 물질들(molten charging materials)이 흑연 베드 내로 흡수되는 효과까지 발전될 수 있다. 이것은 압력 그라디언트가 흑연 벌크의 축 길이에 걸쳐 조절되는 점에서 달성될 수 있고, 이러한 압력 그라디언트는 입자들 및 가스들이 벌크의 충전 단부에서 탭 단부까지 유동하게 한다. 이러한 방법으로, 본 발명에 따른 방법의 안전한 어플리케이션이 보장될 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 상응하여 석탄 분진(coal dust) 또는 갈탄 분진이 상기 환원제로서 유입된다면, 코크 베드(예, WO 2006/079132 A1)의 것보다 복수로 더 높은 환원 전위가 달성된다. 유도 가열 흑연 본체와 충돌하거나 그 간극들 내로 침투하는 경우, 같은 유입 산소/수증기와 함께 석탄 분진은 일산화탄소 및 수소로 변환되어서 반응체들의 높은 효율적인 환원을 보장한다. 추가 장점은 석탄 분진이 코크보다 실질적으로 더 저렴하는 것에 있다. 매우 비용 효율적인 방식으로 사용할 수 있는 갈탄 분진은 특히 본 발명의 방법의 구현에 적합하다. 일 측면에서, 순수 석탄 분진과 반대로 수반 물질과 상대적으로 강하게 로딩되는 갈탄 분진은 다수의 휘발성화된 물질들이 열분해 동안 높은 환원 전위를 갖는 결과를 가져오기 때문에 그리고, 다른 한편으로, 갈탄 분진에 포함된 상대적으로 높은 황 함유물이 완전히 슬래그 잔류물 내로 통과되기 때문에, 따라서 이러한 종류의 갈탄 사용에 포함된 배기 가스 탈황(gas desulfurization)의 문제점들 및 비용을 전체적으로 제거한다.
바람직한 방식으로, 상기 방법은 또한 고체 환원제들이 캐리어 가스 및, 특히 질소, C02, O2 또는 공기의 조력으로 유입되는 효과로 발전된다. 이것은 한편으로, 환원 또는 용해될 물질들의 벌크의 표면 상에 균질한 분산을 보장하고, 다른 한편으로 생산 가스의 대부분의 양의 형성을 방지하여서 벌크로부터 입자들의 과도한 유입을 피하고 벌크의 압력 손실을 제한할 것이다.
작동의 바람직한 모드에 따라, 가스들은 본 발명에 의해 제공된 유도 가열 흑연 본체로, 특히 덩어리의 흑연(lumpy graphite)을 포함하는 베드 또는 벌크 내로 분사될 수 있어서 흑연의 산화환원 반응 전위가 넓은 한계들 내에서 제어될 수 있게 한다. 예를 들어, 산화 환원 전위는 오직 귀금속들이 그 금속 산화물들로부터 환원되는 프로세스 제어를 가능하게 하도록 중성화될 수 있고, 반면 더 적은 귀금속들이 용해물에 남을 것이다. 동시에, 산화 환원 전위의 조절에 덧붙여, 이러한 가스 공급은 또한 온도의 변경을 가능하게 하여서 흑연 본체의 각 지역들에 휘발성 물질들을 재응결한다. 흑연 본체의 온도는 간단하고 상대적으로 작은 구조의 반응로에서 매우 많은 수의 상이한 파라미터들을 고려할 수 있는 완전한 프로세스 제어를 가능하도록 전력 입력을 변경하여 유도 가열 동안 특히 간단한 방식으로 제어된다. 적절하게 높은 온도에서, 심지어 크롬 및 바나듐 산화물을 환원시키는 것이 쉽게 가능할 것이다.
충전 물질들은 바람직하게 매우-가열된(red-hot) 흑연 본체 상으로 직접 충전될 수 있고, 이에 의해 본 발명의 방법의 경우에, 유리 용해물의 정제 또는 급격한 탈가스화가 예를 들어 상대적으로 얇은 층으로 인해 적절히 상승된 온도에서 달성될 것이다. 전반적으로, 2000 ℃ 이상의 온도는 유도 가열 흑연 본체, 특히, 흑연 덩어리를 포함하는 유도성 가열 베드 또는 컬럼을 통해 쉽게 달성될 수 있다. 덩어리 물질의 사용은 주로 가스들 및 액체 용해물들에 대해 목표된 투과성을 보장하기 위해 제공된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 본 방법은 또한 흑연이 구형, 실린더, 블록, 조립상 콤팩트(pelletized compacts) 및/또는 전극 파편(debris)의 형태로 사용되는 효과까지 발전된다. 흑연이 벌크에 존재하는 기하 형상을 적절히 선택하는 것에 의해, 벌크 밀도 및 그에 따라 벌크를 통해 기대될 압력 손실은 각 요구조건들에 적응될 수 있다. 특히 비용 효율적인 방법으로, 기하학적으로 매우 적합한 형상에서, 흑연이 사용 전극들의 형태 및 전기 강철 생산에서 적용된 알루미늄 전기 분해(=SPL -> 소모 포트라이너(spent potliner))로부터 사용 흑연 캐소드들의 형태로 활용될 수 있다. SPLs은 15%까지 알카리들 및 1 %까지 CN (시안화물)을 포함하고, 주요 알루미늄 생산으로부터 흑연 전극들이 사용되고, 전세계적으로 엄청난 처리 문제점을 구성한다. SPLs을 사용하면, 시안화물은 T>900℃에서 붕괴되고 (HCN->H2+C+N2) 알카리들이 형성하는 생산 슬래그 내로 통과한다. 수증기를 사용하면, SPL로부터 시안화나트륨이 하기 공식에 따라 슬래그의 Na20 내로 용해된다 :
NaCN + H2O -> Na20 + HCN
이러한 경우에서 흑연 본체들의 크기는 직경의 측면에서 약 5mm 내지 약 5cm 사이의 범위이다.
그러나, 바람직하게, 흑연 본체들은 또한 압축되고 선택적으로 소결된 흑연 및 촉매 분말의 혼합물로 구성될 수 있어서, 벌크에 특정 촉매 속성들을 나누어 주고 각 경우에 적절하게 간주될 화학적 및 물리적 프로세스 요구사항들에 이를 적응한다. 이러한 맥락에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 전기 전도성을 조절하기 위해 적절한 염분 및/또는 금속들 또는 세라믹들에 의해 흑연 본체들을 가압하는 것을 고려할 수 있다.
최적의 수준으로 흑연 벌크 또는 컬럼의 유동 속성을 조절하기 위해, 본 발명에 따른 상기 방법은 바람직하게 또한 흑연 본체들이 그 마이크로-속성들에 대해 조절된 방식으로 구성되는 효과까지 발전된다. 바람직한 방식으로, 본 발명의 방법은 상기 유도 가열이 낮고 높은 주파수를 선택하는 것에 의해, 2 개의 상이한 주파수들에서 전류를 인가하여 이루어지도록 수행된다. 높은 주파수는 바람직하게 3 내지 15 kHz 범위이고 흑연을 유도 가열하도록 제공된다. 낮은 주파수는 바람직하게 0.5 kHz 미만이고 로렌쯔 힘이 흑연 본체상에 작용하게 하여 흑연 본체를 이동하게 만든다. 결과적으로, 뜨거운, 환원 충전 원료(stock)는 동일한 것에 작용하는 전기 역학적 임펄스로 인해 흑연 본체들에 의해 교반(agitated)된다. 이 교반 효과는 질량 전달/열 교환에 의해 반응들을 상당히 가속시킨다.
전류 브릿지들이 인접 흑연 피스들에서 형성되고 이에 의해 열 손실이 야기되는 것을 방지하기 위해, 상기 방법은 바람직하게 흑연 본체가 흑연 및 불활성 패킹 본체들( inert packing bodies), 특히 촉매적으로 활성인 CaO 또는 MgO 본체들의 혼합물의 벌크로서 유입되는 방식으로 수행된다. 불활성 패킹 본체들은 주로 개별적인 흑연 피스들 사이의 직접 접촉들을 방지하여서, 각 흑연 피스가 분리된 가열 셀을 형성하게 한다.
바람직한 방식으로, 본 발명에 따른 방법은 아연-함유 강철 분쇄 분진들이 충전 물질들과 함께 충전되어서 황과 결합하도록 수행된다(Zn0 + H2S -> ZnS + H20).
고체 또는 용융 물질들 및/또는 발화 물질들, 특히 파쇄 경량 잔류물을 처리하거나 환원시키기 위한 장치는 고체 또는 용융 물질에 대한 공급 개구 및 처리 용해물에 대한 탭 개구를 구비한다. 이러한 장치는 흑연 본체를 필수구성으로 포함하는 관형 또는 낙하산형(chute-like) 하우징, 및 상기 하우징을 둘러싸는 가열 장치로 특징화되며, 상기 흑연 본체를 유도 가열하기 위한 하나 이상의 유도 코일을 포함한다. 산화 환원 전위를 조절하고 및/또는 국부적 냉각을 제공하기 위해, 상기 구성은 가스들을 공급하기 위한 파이프들이 상기 하우징에 연결되도록 바람작하게 고안된다. 특히 간단한 방식으로, 상기 구성은 관형 하우징이 Al2O3 또는 MgO와 같은 전기적 절연 물질에 의해, 또는 적어도 하나의 전기적 절연 포일 또는 매트(mat)에 의해 형성되고, 그리고 냉각된 유도 코일에 의해 둘러싸이도록 고안될 수 있다. 예를 들어, 이러한 전기적 절연 포일은 고온 저항성 크롬-강옥(chromium-corundum) 매트들로 구성되고 초기에 이들의 기계적 지지는 보통 수냉 유도 코일에 의해 달성된다. 용융 물질을 공급할 때, 또는 용해물의 형성 동안, 유도 코일이 적절히 냉각되기 때문에 전기적 절연 포일은 슬래그 또는 용해 코팅에 의해 급속하게 커버되어서, 컬럼의 기계적 안정성을 실질적으로 강화시키며, 동시에 내화 물질이 갖는 문제점들을 완전히 제거한다. 그러나, 또한 내화물 질량(refractory mass)으로 유도 본체들을 캐스팅하여서 유도 본체들이 또한 기계적 속성들을 취할 수 있게 하는 것을 고려할 수 있다. 이 경우에 내화물 질량은 자철광, 스피넬(spinel) 또는 강옥(corundum) 뿐만 아니라 내화 콘크리트로 구성될 수 있다.
간단한 방식으로 흑연 본체, 특히 흑연 덩어리의 베트 또는 컬럼의 온도를 섹션으로 변경할 수 있기 위해, 상기 구성은 바람직하게 관형 하우징의 축 방향으로 유도 코일이 몇 개의 섹션들로 분할되도록 고안되고, 개별 온도 측정 수단 및/또는 개별 파워 입력 측정 수단이 바람직하게 관형 하우징의 축선으로 연속적인 섹션들을 위해 제공되며, 및 온도 및 산화 환원 방식은 전력 및/또는 분사될 가스들 및/또는 가스 볼륨들을 조절하여 개별 섹션들에서 제어된다.
본 장치는 킬링 존 또는 정온 존(killing or tranquillization zone)이 가열 장치의 지역에 위치되는 환원 존을 축선으로 후속하도록 배치되는 방식으로 구성된다. 상기 영역에서, 상기 반응존에서 발생하는 반응 생산물이 혼합되며, 용해 방울들이 응집하여서, 균질한 생산 가스를 얻는다. 바람직한 방식으로, 킬링 존은 킬링 존의 축선 길이가 관형 하우징의 명확한 너비의 1 내지 2 배에 상응하도록 치수화되어서 가스들의 철저한 혼합을 달성하고, 동시에 기체 상에 존재하는 고체 입자들이 용해되게 한다. 유량을 낮추기 위해, 반응로의 직경은 바람직하게 이러한 영역에서 조절된다.
아래에서, 본 발명은 도면에 의해 개략적으로 도시된 본 장치의 예시적인 실시예에 의해 더 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 흑연 컬럼을 수용하기 위한 반응로의 구성을 도시하고;
도 2는 반응로의 다른 구성이고;
도 3은 산업 어플리케이션에서 본 발명에 따른 방법의 통합을 도시한 처리 계획도이고;
도 4는 충전 장치의 바람직한 구성이고; 및
도 5는 반응체 분진의 다량을 충전하기 위한 장치의 바람직한 실시예이다.
도 1은 흑연 베드 또는 흑연 컬럼(16)을 포함하고 베이스(2) 및 하우징(3)을 포함하는 반응로(1)를 도시한다. 상부 부분에서 고체 입자들 또는 용해물들에 대한 충전 단부에 인접하게 위치된 하우징(3)은 유입된 배치들(batches)에 대한 디퓨저를 형성하면서 원뿔형으로 테이퍼져서, 분진들, 슬래그들, 용해물들 및/또는 슬러리들에 대해 또는 용융 산화물 유리들에 대해 공급 장치를 지지하고, 본 케이스에서 공급 장치는 환원되거나 가스 제거될 물질들이 웜 컨베이어(worm conveyor, 5)에 의해 공급되는 투입 사이클론(4)을 포함하고, 환원될 상기 물질들이 충전 깔데기형 장치(6)에서 축적되어 유지되고, 선택적으로 환원제 및 원한다면 SiO2와 같은 첨가제와 혼합된다. 이러한 경우에서 투입 사이클론은 질소와 같은 불활성 가스와 작동되고, 축선 방향으로 조절될 수 있는 랜스(7)가 탄소 분진을 유입하기 위해 추가적으로 제공될 수 있다. 이러한 투입 사이클론은 예를 들어 WO 03/070651에서 설명된다. 축선 지역에서 하우징(3)은 유도 코일(8)에 의해 둘러싸이고 이를 통해 흑연 벌크 또는 베드(16)가 유도 가열될 수 있다. 킬링 존(9)은 유도 코일들(8)을 포함하는 하우징(25)부를 후속하도록 배열되고, 어떠한 열 에너지도 킬링 존 내로 유입되지 않으며, 이는 결과적으로 반응을 후속하는 킬링 및 혼합 존으로서 작용한다. 변위 본체는 가장 간단한 경우에서 10으로 표시되고, 흑연 코어 지역을 장애가 없게 유지하는(keep free) 기능을 하고, 이는 될 수 있는 한 가열하기 어렵고, 유동 제어를 최적화하는 기능을 할 수 있다. 동시에, 변위 본체를 통해 추가 가스들을 공급하거나, 변위 본체에 다른 유도 본체들을 제공하는 것을 고려할 수 있다.
챔버(11)에서, 반응 가스들은 금속 용해물로부터 분리되고, 용해물이 탭 개구(13)를 통해 흘러 나오면서 가스들이 개구(12)를 통해 배출된다. 흑연 벌크(16)가 예를 들어 흑연 구형들 또는 전극 파편을 추가하여 갱신될 수 있는 개구가 14로 표시된다. 가스 공급 및 온도 컨트롤이 축 길이, 즉 반응로의 축선(15)의 길이방향으로 산화 환원 그라디언트 및 온도 그라디언트 모두의 조절을 허용하여서, 탭 지역(13)에서 성공적인 철-산화물-프리(iron-oxide-free) 및 중금속-산화물-프리 슬러그 및 금속 탭들을 보장하고 이러한 위치 상에 내화물 문제를 또한 회피한다.
반응로(1)의 하우징(3)의 벽은 간단한 내화 포일로 구성될 수 있고, 상기 내화 포일은 적절한 슬래그 또는 용해 코팅들을 형성하기 위해 용해 동안 용해물의 흘러 내림에 의해 적셔진다. 코일(8)은 수냉 구리 전도체로 설계되어서, 벽의 적절한 냉각을 보장하며, 따라서 슬래그 또는 용해된 코팅 층의 형성을 보장한다.
공급 장치(4)와 흑연 본체(16) 사이에 사전 연소 또는 예열 존(17)이 배열되고, 그 내로 사전 연소 또는 예열을 위한 에너지 캐리어 및/또는 산화 가스를 유입하기 위한 적어도 하나의 도관(미도시)이 통할 수 있다.
공급 단부/탭핑 단부에서 연소후에, CO를 CO2로 연소시키는 것이 기본적으로 가능하여 화석열 입력에 의해 효율 증가를 가져올 수 있다. 이 경우에, 어떻든 매우 불활성인 흑연 벌크 표면이 흑연 카본과 부두아 반응(Boudouard reaction)을 크게 억제할 수 있도록 용해된 슬래그에 의해 부분적으로 커버된다.
더욱이, 흑연 컬럼에 형성된 용해 금속은 탄소 분진에 의해 탄소로 처리될 수 있거나, 금속 철, 바나츔, 크롬, 텅스텐의 탄화물과 같은 금속 욕조에 분산된 탄화물들을 형성한다. 원칙적으로, 상대적으로 짧은 흑연 컬럼을 사용할 경우에도 60 ppm 미만으로 슬래그들로부터 크롬을 환원시키는 것이 또한 가능하다. 슬래그의 순도는 특히 "삼분의 일 슬래그"에 대해 매우 중요하며, 이는 고품질 건설 및 공구 강재를 생산하기 위한 일랙트로슬래그 재용해 프로세스(electroslag remelting process)에서 사용된다. 상기 슬래그는 CaF2(형석), CaO(급속 석회) 및 Al2O3(강옥)을 삼분의 일씩(중량 기준)을 필수 구성으로 포함하고, 일부 경우들에서 MgO, SiO2 및 동류의 것을 포함한다. 본 발명에 따른 방법은 H, P, S, N2, C Pb, Bi, CN, Na, K 및 B 불순물들이 특히 효과적인 방식으로 제거될 수 있기 때문에, 특히 이러한 슬래그들의 생산을 위해 적절하다. 현재, 상기 슬래그는 전기로에서 초고-순도(ultra-pure) 출발 물질들을 용해하여 생산된다. 그러나, 전기 아크 (약 8000 ℃, 플라즈마) 및 전극 물질(흑연)에서 매우 높은 온도는 Ca 및 Al의 매우 바람직하지 않은 탄소화 및 탄화물 형성 뿐만 아니라 부분적으로 흑연-전극 잔류 황에 의해 황화(sulfurization )를 야기한다. 마찬가지로, 공기의 질소는 이러한 슬래그에 용해될 것이다. 가능한 추가적인 불순물이 생산된 슬래그에 남을 것이다.
대조적으로, 본 발명에 따른 방법은 다수의 장점을 제공한다 :
- 실질적으로 낮은 온도, 균일하게 분산되고 쉽게 조절가능한 온도 레벨들, 어떠한 온도 피크도 없음(유도성 가열 흑연 본체 베드);
- 초고순도 "카본 블랙들"의 추가에 의해 목표되지 않은 엘리먼트들의 부분 기화 하에서 환원, 이에 의해 실질적으로 더 바람직한 원료 상황;
- 본 발명에 따른 환원에 의해 사용된 삼분의 일 슬래그들의 "재생"의 선택; 극단적으로 고가인 해로운 낭비 침전물들(deposits)의 방지; 및 Ni, Cr, V, W, Mo, Ta 및 동류의 것과 같은 가치있는 합금 구성요소들의 회수;
- 흑연 베드 내로 흡수되기 때문에(이것은 전기로에서 생산을 위해 큰 문제를 구성함: "캡핑(capping)," 불균질 용해 물질), 반응로 내의 충전 원료의 어떠한 브리지 형성(bridge formation)도 없음;
- 매우 비용 효율적인 연속 용해 공정, 작은 반응로 볼륨 (전기로만 불연속);
- 유입 존에서 내화물과 어떠한 슬래그 접촉도 없기 때문에, 어떠한 내화물 문제들도 없음;
- 열로의 전기 에너지의 높은 변환 효율, 전극 로(electrode furnace)와 비교되는 매우 낮은 열 손실;
- 가장 낮은 가능한 배기 가스 양; 흡입 가스는 바람직하게 Ar과 같은 불활성 가스, 그러나 또한 질소 또는 바람직하게 F2, 및 H2O, C12, O2 또는 그 혼합물과 같은 활성 가스이다.
일반적으로, 다른 기원의 액체 슬래그들이 사용될 수 있으며, 무엇보다도 간단한 방법으로 니켈 산화물, 철 산화물, 인 산화물, 아연 산화물, 납 산화물, 망간 산화물, 구리 산화물, 바나듐 산화물 및 크롬 산화물을 줄이는 것이 가능하다. 흑연의 양호한 전기 전도성으로 인해, 에너지 효율의 높은 수준이 달성되어서, 흑연 탄소의 실질적 불활성 행동으로 인해, 높은 안정성이 높은 온도에서도 유지된다.
도 2는 다시 흑연 컬럼(16)을 포함하는 반응로(1)를 도시한다. 도 1의 반응로와 달리, 현재 반응로는 축선 지역에서 응집 존(18)에 의해 형성된 킬링 존을 포함하고, 여기서 가스 비율의 감소(reduction)가 탭 단부의 방향으로 반응로의 연속 단면 확대에 의해 달성된다. 이에 의해 동일한 것에 작용하는 전단력을 감소시키는 것에 의해, 부분적으로 부동을 유지하는 환원된 용해 입자들을 응집하는 것이 가능하고, 가스 상태로부터 이들을 제거하는 것이 가능하다. 이러한 원자로에서, 내화물 베드가 19로 표시되고, 이는 흑연 본체 또는 그 위에 위치된 흑연 벌크에 대해 지지 아치로서 제공된다. 내화물 베드(19)의 지역에서, 단면이 다시 탭 단부의 방향으로 감소되어서, 다시 이미 응집된 용해 입자들에 상호 접근하게 하고 추가로 응집을 촉진한다.
도 3에 따른 도시에서, 반응로는 다시 1로 표시되며, 여기서 환원될 반응체들이 유지되는 저장소 또는 빈스(bins)가 20으로 표시된다. 셀룰러 휠 수문들(cellular wheel sluices)을 통해, 상이한 반응체들이 믹서(22)에 제어되어 제공되고, 이로부터 반응체 혼합물이 다른 셀룰러 휠 수문(23) 및 운반 수단(24)을 통해 반응로(1)의 충전 깔데기형 장치(6)에 공급될 수 있다. 슬래그들 및 금속 용해물들이 반응로의 탭 단부 상에 탭되어서, 뜨거운 배기 가스들이 물을 공급하는 동안 가열 교환기(25)에 공급된다. 열교환기에서, 고품질 환원 또는 연료 가스가 수성 가스 반응을 후속하여 일산화탄소 및 수소로부터 형성된다. 물 또는 수증기의 추가에 의해, 여전히 존재할 수 있는 Zn 증기가 수소를 형성하면서 ZnO로 변환된다. 결과적인 배기 가스가 분진 분리기(26)에 공급되고, 여기에 여전히 가능하게 존재하는 제 2 분진이 침전되어서, 순소 연소 가스가 예를 들어 출구 덕트(27)를 통해 클링커 가마(clinker kiln) 또는 환원로에 공급될 수 있다. 제 2 분진은 셀룰러 휠 수문(28)을 통해 분리된 분진으로부터 방출될 수 있다.
도 4에서, 반응체 분진을 충전하기 위한 셀룰러 휠 수문이 29로 표시되고, 상기 반응체 분진은 고체 또는 가스 상태로 존재하는 탄소 캐리어들을 따라 반응로(1)에 공급될 수 있다. 셀룰러 휠 수문(29)은 반응로(1)의 하우징(3)을 관통하는 공급 덕트(30) 내로 개방된다. 공급 덕트(30)는 도 4에 섹션으로 도시된, 회전되게 장착된 버섯 형상 분배 본체(31)로 지향된다. 이로부터, 그루브들(32)은 분배 본체(31) 상에 제공되고, 상기 분배 본체는 공급된 반응체 분진을 끌고 가서 반응체 분진이 흑연 벌크(16)의 방향으로 하향 슬라이딩되게 한다. 분배 본체(31)의 회전 속도에 따라, 반응체 분진은 반응로(1)의 중심으로부터 상이하게 벗어나 떨어져서 흑연 벌크 상에 반응체들의 어플리케이션 프로파일의 간단한 제어를 가능하게 한다.
도 5에서, 2 개의 셀룰러 수문들은 33으로 표시되고, 상대적으로 대량의 반응체 분진이 흑연 벌크(16) 상에 충전되게 한다. 적절한 각도에서 흑연 벌크(16)의 표면에 지향된 수직 홈통(Downspouts)이 34로 표시된다. 흑연 벌크(16) 내에 최적 온도 분배를 달성하도록 기능적으로 가열될 수 있는 변위 본체가 35로 표시된다. 개구(12)의 지역에서, 변위 본체(35)는 흑연 벌크를 지지하고, 탭핑은 변위 본체(35)를 주기적으로 오실레이팅하여 최적화될 수 있으며, 이에 의해 흑연 벌크(16)는 동시에, 늦추어지고(loosened) 흑연 벌크(16)의 막힌 지역들이 필요한 경우 다시 치워진다.

Claims (18)

  1. 고체 또는 용융 물질들(solid or molten materials)을 처리 또는 환원하기 위한 방법으로서,
    고체 또는 용융 물질들이 적어도 부분적으로 유도성 가열된(inductively heated) 흑연 본체(graphite body) 상으로 충전되고,
    상기 흑연의 탄소와 상이한 환원제들이 도입되고, 그리고
    흘러 나오는(flow-off) 환원된 또는 가스제거된 용해물이 수집되며,
    상기 환원제들은 상기 고체 또는 용융 물질들과 함께 도입되고, 그리고,
    상기 환원제들로서, 천연 가스, 석탄 분진, 갈탄 분진, 탄화 수소, 수소, 일산화탄소 또는 암모니아가 수증기, 산소, 이산화탄소 또는 할로겐들 또는 할로겐화 수소들과 함께 도입되고,
    상기 흑연 본체는 흑연 덩어리(lumpy graphite)의 베드(bed)에 의해 형성되고,
    상기 고체 또는 용융 물질들과 상기 환원제가 상기 베드 내로 흡수되고(sucked into) 그리고 상기 베드의 충전 단부(charging end)에서 유입되어 상기 베드의 탭 단부(tap end)로부터 유출되는 것이 가능하도록, 상기 흑연 베드의 축 길이에 걸쳐 압력 그라디언트(pressure gradient)가 조절되는 것을 특징으로 하는
    고체 또는 용융 물질들을 처리 또는 환원하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 흑연 본체는 상기 흑연 덩어리의 베드를 대신하여, 관통 채널들, 또는 보어들을 포함하는 흑연 블록으로 구성된
    고체 또는 용융 물질들을 처리 또는 환원하기 위한 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    석탄 분진 또는 갈탄 분진이 상기 환원제로서 도입되는
    고체 또는 용융 물질들을 처리 또는 환원하기 위한 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 환원제로서 고체 환원제들이 캐리어 가스의 조력으로 도입되는
    고체 또는 용융 물질들을 처리 또는 환원하기 위한 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 흑연 본체의 산화 환원 전위가 가스들을 분사함으로써 제어되며, 상기 흑연 본체의 온도가 전력 입력을 변경함으로써 그리고 가스들을 분사함으로써 제어되는
    고체 또는 용융 물질들을 처리 또는 환원하기 위한 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    유리 입자들 또는 유리 용해물들이 상기 흑연 본체 상으로 충전되는
    고체 또는 용융 물질들을 처리 또는 환원하기 위한 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    구형, 실린더, 블록, 조립상 콤팩트(pelletized compacts) 또는 전극 파편(electrode debris)의 형태로 흑연으로부터 상기 흑연 본체가 형성되는
    고체 또는 용융 물질들을 처리 또는 환원하기 위한 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흑연 본체는 흑연 및 촉매 분말에 의해 형성된
    고체 또는 용융 물질들을 처리 또는 환원하기 위한 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흑연 본체는 전기 전도성을 조절하기 위해 염분 또는 금속 또는 세라믹과 함께 가압되는
    고체 또는 용융 물질들을 처리 또는 환원하기 위한 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유도성 가열은 2개의 상이한 주파수들에서 전류를 인가함으로써 이루어지는(effected)
    고체 또는 용융 물질들을 처리 또는 환원하기 위한 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 2 개의 상이한 주파수들 중 하나는 3 내지 15 kHz의 범위이고 다른 주파수는 0.5 kHz 미만인
    고체 또는 용융 물질들을 처리 또는 환원하기 위한 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흑연 본체는 흑연과 불활성 패킹 본체들의 혼합물로서 도입되는
    고체 또는 용융 물질들을 처리 또는 환원하기 위한 방법.
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