KR101790743B1 - 금속 산화물 함유 물질로부터 얻은 금속 염화물 및 금속 - Google Patents

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Abstract

금속 산화물 함유 물질로부터 적어도 1종의 금속 염화물을 준비하기 위한 방법과 장치는, 적어도 1종의 금속 산화물을 포함하는 하소 생성물을 얻기에 충분한 온도 조건 하에서 금속 산화물 함유 물질을 하소하는 단계와, 하소 생성물을 선택적으로 염소 처리(BB)하여 적어도 1종의 금속 염화물(36B)을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

금속 산화물 함유 물질로부터 얻은 금속 염화물 및 금속{METAL CHLORIDES AND METALS OBTAINED FROM METAL OXIDE CONTAINING MATERIALS}
본 발명은, 석탄층(coal seam)의 인접 암석층(adjacent rock strata)과 같은 금속 산화물 함유 물질, 또는 산업 설비의 고상 부산물(solid byproduct)과 같이 산업에 기인하는 물질(industrial source)로부터 금속 염화물 또는 금속을 생산하는 공정과 장치를 포함하는 고온 야금 공정에 관한 것이다.
<관련 기술 상호 참조>
본 출원은 2006년 3월 23일자에 미국 특허 출원 제11/386,852호의 우선권 주장을 수반하며, 그 내용 전체가 본 발명에 원용된다.
역사적으로, 금속 가공 산업용의 일부 금속은, 높은 중량 분율 예를 들면 50 중량% 이상의 관련 금속 산화물을 함유할 수 있는 광석(고품위 자원)으로부터 생산된다. 철은 일반적으로 적철광(Fe2O3) 또는 자철광(Fe3O4)으로부터, 알루미늄은 보크사이트(Al2O3)로부터, 티타늄은 루타일(TiO2) 또는 티탄철석(ilmenite, FeTiO3)으로부터 생산된다. 이 광석들의 대부분은 한 종류의 금속 산화물만을 함유하여 분리와 정련이 간단하고 함량이 높기 때문에, 금속 가공 산업에서는 이러한 광석들이 우선적으로 선택된다.
그러나, 금속 산화물은 모든 종류의 천연 자원, 예를 들면 화성암, 퇴적암 또는 변성암 물질과 같은 지질학적 광물 내에 존재하고, 산업 폐기물과 같은 인공적인 자원 내에도 존재한다. 그러나 이러한 자원은 금속 산화물 함량이 50 중량% 미만이고, 흔히 여러 금속 산화물의 혼합물 내에 존재한다. 금속 산화물의 함량이 낮고 바람직하지 않은 규산염과 기타 불순물의 함량이 높기 때문에 경제적으로는 불용물(waste)로 분류된다. 예를 들면, 탄광 내의 인접 암석층은 석탄층의 위 또는 아래에 놓인 물질을 의미하는데, 일반적으로 약간의 탄분을 함유하는 암석으로 이루어진다. 석탄 채광 중에, 원하지 않는 인접 암석층이 채굴되기도 한다. 이러한 물질은 일반적으로 상당히 넓은 면적의 지상에 탄광 폐기물(coal mine waste)로서 방기되어 경관을 해친다. 전형적으로 탄광 폐기물은, 인접 암석층의 지질학적 특성에 따라, 탄소 함유 물질(석탄, 타르 등)과, 산화알루미늄, 산화철, 산화티타늄 및 기타 산화물을 포함하는 금속 함유 암석 물질을 포함한다. 일반적으로 탄광 폐기물 내의 금속 산화물의 총 중량 분율은 탄광 폐기물의 15 중량%와 30 중량% 사이의 범위이다. 과거에는, 이 양이 너무 낮아서 탄광 폐기물은 경제적으로 금속 염화물 또는 원소 금속의 자원으로 고려되지 않았다. 석탄을 원료로 하는 발전 설비로부터의 회분(ash)도 지질학적인 기원에 의하여 금속 산화물의 중량 분율이 25% 내지 35%이며, 이러한 회분과 같은 산업 배출 물질을 함유하는 금속 산화물의 경우에도 그 함량이 낮아 경제적이지 못하다.
미국 특허공보 제6,808,695 B1호에는, 고령석, 일라이트(illite) 또는 규토 보크사이트와 같은 점토로부터 알루미늄을 연속 생산하는 공정이 기재되어 있다. 미국 특허공보 제4,349,420호에는 알루미늄 염화물의 생산을 위한 분별 응축/증류 공정이 기재되어 있다.
본 발명은 금속 염화물의 생산과 이러한 금속 염화물로부터의 금속 생산을 위한 방법과 장치에 관한 것이다. 이러한 생산물의 원료는 바람직하게는 가연성 열원(combustible heat source)을 함유할 수 있는 모든 금속 산화물 함유 물질일 수 있다. 또한, 본 방법과 장치에 사용되는 에너지는 공정과 장치에 걸쳐서 다른 부분에 사용되도록 절약되고 재순환된다.
본 발명은 금속 산화물 함유 물질로부터 적어도 1종의 금속 염화물을 준비하는 방법에 관한 것으로, 적어도 1종의 금속 산화물을 포함하는 하소 생성물(calcined product)이 얻어지기에 충분한 온도 조건하에서 금속 산화물 함유 물질을 하소하는 단계와, 하소 생성물을 선택적으로 염소 처리하여 적어도 1종의 금속 염화물을 형성하는 단계를 포함한다.
또한 본 발명은 금속 생산 공정에서 에너지를 절용하는 방법에 관한 것으로, 열원을 연소하여 금속 산화물 함유 물질을 하소하는 단계와, 적어도 1종의 금속 산화물을 염소 처리하는 단계와, 연소 또는 염소 처리 중 적어도 하나로부터의 에너지를 공정의 다른 부분으로 향하게 하는 단계를 포함한다.
또한 본 발명은 금속 산화물 함유 물질을 염소 처리하기 위해 배치되고 구성된 염화 처리기(chlorinator)와 염소 처리기에서 방출된 에너지를 재순환시키기 위하여 배치되고 구성된 에너지 재순환기(recycler)를 포함하는 장치에 관한 것이다.
금속 산화물 함유 물질로부터 적어도 1종의 금속 염화물을 준비하기 위한 방법은 금속 산화물 함유 물질을 건조하는 단계를 또한 포함할 수 있다.
적어도 1종의 금속 산화물은, 알칼리 금속 및 알칼리 토금속, 붕소를 제외한 3B족, 탄소와 실리콘을 제외한 4B족, 모든 천이 금속, 모든 란탄족 및 악티늄족을 포함하는 금속의 적어도 1종의 산화물을 함유할 수 있다.
금속 산화물 함유 물질의 하소는 1450˚F(788℃)와 1750˚F(954℃) 사이의 온도에서 실시될 수 있다.
금속 산화물 함유 물질은 열용량을 가질 수 있고, 하소를 위한 열은 금속 산화물 함유 물질 내에 존재하는 열원에 의해 제공될 수 있다.
하소는 열원의 추가를 포함할 수 있다.
선택적인 염소 처리는 탄화염소화 처리(carbochlorination)를 포함할 수 있다.
선택적인 염소 처리 단계는, 금속 산화물 함유 물질 내의 금속 산화물의 양을 결정하는 단계와, 이 결정에 기초하여 선택적 염소 처리 중에 염소원(source of chlorine)과 탄소원으로부터의 탄소의 양을 이용하는 단계를 포함한다. 염소원의 양은 금속 산화물 함량에 기초하여 0.1 중량% 내지 2 중량%의 초과량을 포함할 수 있다.
적어도 1종의 금속 염화물은 적어도 2종의 금속 염화물을 포함할 수 있고, 본 방법에서는 적어도 2종의 금속 염화물을 분리한다. 분리는 적어도 2종 금속 염화물을 분별 분리하기 위한 압력과 온도에서의 적어도 2종 금속 염화물의 분별 응축/증류를 포함할 수 있다.
적어도 1종의 금속 산화물 함유 물질은 탄광 폐기물 및/또는 고상 산업 부산물을 포함할 수 있다.
금속 산화물 함유 물질로부터의 적어도 1종의 금속 염화물을 얻는 본 방법과 장치는, 가스로부터 고형물(solid)을 분리하는 단계와, 분별 응축/증류에 의해 가스상(gaseous) 금속 염화물을 분리하는 단계를 포함할 수 있다. 가스로부터 고형물을 분리하는 단계는 고형물로부터 액체를 분리하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 분리하는 단계는 가스로부터 액체를 분리하는 단계를 포함한다. 또한, 분별 응축/증류는 대기압과 60psig(4.1기압) 사이의 압력에서의 금속 염화물의 응축과 증류를 포함할 수 있다.
본 방법은 금속 염화물로부터 금속을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 방법은 하소 및 선택적인 염소 처리 중 적어도 하나로부터의 과잉 열을 공정 중에 이용하는 단계를 또한 포함할 수 있다.
본 발명과 장치는 전기를 생성하는 단계를 또한 포함할 수 있다.
공정 및 장치로부터의 에너지를 활용될 수 있다.
본 방법과 장치는, 염소 처리기로부터 방출된 에너지를 수집하고 열을 전기 생성 유닛으로 향하게 하도록 배치되고 구성된 열교환기를 또한 포함할 수 있다.
본 방법과 장치는 염소 처리기로부터의 적어도 1종의 금속 염화물로부터 적어도 1종의 금속을 형성하도록 배치되고 구성된 금속 생산 섹션(metal producing section)을 또한 포함할 수 있다.
본 방법과 장치는 전기 생성 유닛으로부터의 전기를 금속 생산 섹션에 또한 공급할 수 있다.
도 1은 석탄 및 탄광 폐기물 건조 섹션을 나타내는 설비 일부의 개략도이다.
도 2는 유동상 보일러(fluidized bed boiler)라고도 기재된 하소로(calciner)를 나타내는 설비 일부의 개략도이다.
도 3은 염소 처리 시스템을 나타내는 설비 일부의 개략도이다.
도 4는 1차 분리 시스템을 나타내는 설비 일부의 개략도이다.
도 5는 2차 분리 시스템과 알루미늄 생산 시스템을 나타내는 설비 일부의 개략도이다.
도 6은 TiCl4 분리 시스템과 티타늄 생산 시스템을 나타내는 예시적인 설비의 개략도이다.
도 7은 염소 처리와 분리 공정의 소규모(bench scale) 실험을 나타내는 개략도이다.
[실시예]
본 발명의 예시적인 실시 형태의 대표적이고 비제한적인 다수의 예를 참조하여, 이하에서 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 하며, 여러 도면에 있어서 동일 도면부호는 유사한 부재를 나타낸다.
본 명세서에 기재된 상세한 내용은, 본 발명의 실시 형태에 대한 설명과 논의를 위한 목적의 예시적인 것에 불과하고, 가장 유용하고 용이하게 이해될 수 있다고 생각되는 본 발명의 원리와 개념적 특징에 관한 설명의 제공을 위하여 제시된다. 이러한 점에서, 본 발명의 기본적인 이해에 필요한 본 발명의 상세 구성만을 나타내었고 그 이상의 설명은 생략하였으며, 당업자라면 도면과 함께 설명을 참조하여 본 발명의 여러 형태를 실제로 구현할 수 있다는 점은 명백하다.
다른 설명이 없다면, 화합물 또는 구성요소에 대한 언급은, 그 화합물 또는 구성요소 자체에 관한 것뿐만 아니라, 화합물들의 혼합물과 같은 다른 화합물 또는 구성요소와의 조합에 관한 것도 포함한다.
여기서 사용된 바와 같이, 단수 형태의 “한” 및 “하나”라는 용어는, 문맥에 명확하게 달리 규정되어 있지 않다면, 복수 개 중 하나라는 의미도 포함한다.
달리 표기되어 있는 경우를 제외하면, 명세서와 청구범위에 사용된 성분의 양, 반응 조건 등을 나타내는 모든 수치는 모든 경우에 "대략"이라는 용어에 의해 수정될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 달리 표기되지 않는 한, 이하의 명세서와 첨부된 특허청구범위에 기재된 수치 파라미터는 본 발명에 의해 얻고자 하는 원하는 물성에 따라 변경될 수 있는 근사치이다. 적어도 청구범위의 균등 원칙의 적용을 제한하려는 의도는 아니지만, 각 수치 파라미터는 유효수자(significant digit)의 개수와 통상의 반올림 방식(rounding approach)의 관점에서 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서 내에서 수치 범위가 개지된 경우에, 이 범위 내의 모든 수치에 대해 개시된 것으로 고려되어야 한다. 예를 들면, 범위가 1부터 대략 50까지인 경우에, 예를 들면 1, 7, 34, 46.1, 23.7 또는 이 범위 내의 다른 모든 수치를 포함하는 것으로 해석된다.
금속 산화물이라는 용어는 금속과 산소로부터 화학적으로 생성될 수 있는 금속 및 산소 함유 화합물을 나타낸다. 주기율표의 알칼리 및 알칼리토류 족, 붕소를 제외한 3B족, 탄소와 실리콘을 제외한 4B족, 모든 천이 금속, 모든 란탄족 및 악티늄족은 금속인 것으로 간주되다. 붕소, 탄소 및 실리콘을 포함하여 모든 다른 원소들은 비금속인 것으로 간주된다. 산화물이라는 용어는 과산화물, 초산화물(superoxide) 및 아산화물과 같은 중간 형태의 화합물을 또한 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 금속 산화물과 다른 물질로 분해될 수 있는 화합물도 금속 산화물 함유 물질인 것으로 고려된다는 점을 이해하여야 한다. 발명의 제한하려는 것은 아닌 예를 들자면, 금속 탄산염은 가열과 같은 처리 시에 금속 산화물과 이산화탄소로 분해되므로, 금속 산화물 함유 물질인 것으로 고려될 수 있다. 마찬가지로, 금속 산화물과 비금속 산화물로부터 생성된 화합물도 금속 산화물 함유 물질인 것으로 고려될 수 있다. 예를 들면, 규산알루미늄은 산화알루미늄(금속 산화물)과 실리카(비금속 산화물)로부터 생성될 수 있으므로 금속 산화물 함유 화합물이다. 본 방법과 장치는 금속 산화물 함유 물질로부터의 금속 염화물 생산에 관한 것이다. 금속 산화물 함유 물질은 금속 산화물 함량을 가진 모든 물질과 그러한 물질의 혼합물을 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명의 방법과 장치는 모든 금속 산화물 함유 물질을 활용할 수 있다.
금속 산화물 함유 물질은, 통상적으로 금속 염화물 또는 금속을 얻기 위한 경제적 및/또는 유용한 자원으로서 여겨지지 않는 금속 산화물 물질을 또한 포함할 수 있다. 따라서, 금속 염화물 및/또는 금속의 생산에 있어서 경제적 및/또는 유용하다고 여겨지지 않는 낮은 함량의 금속 산화물들과 같이 적어도 1종의 금속 산화물의 함량이 낮은 금속 산화물 함유 물질은 본 발명의 공정과 장치에 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 방법과 장치에 활용되는 물질은 탄광 폐기물과 같은 폐기물, 타르, 정유 후의 폐유(oil refinery waste) 석탄 화력 발전소 고상 부산물, 아스팔트 콘크리트 폐기물을 포함하며, 바람직하게는 탄광 폐기물 및/또는 발전소 고상 부산물이지만, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들면, 본 발명에 따라 활용되는 물질은 금속 산화물의 함량이 작고, 예를 들면 금속 산화물 함량이 5 중량% 내지 40 중량의 범위, 10 중량% 내지 35 중량%의 범위 및 15 중량% 내지 30 중량%의 범위와 같이 50 중량% 미만이다.
바람직하게는, 금속 산화물 함유 물질은, 1종 이상의 금속 염화물의 생성 더욱 바람직하게는 원소 금속의 생성을 적어도 포함하는 공정에 필요한 에너지 요건에 기초하여, 가급적 많은 에너지를 제공할 수 있는 가연 성분(combustible component)을 50% 내지 100%, 더욱 바람직하게는 60% 내지 100%, 특히 바람직하게는 80% 내지 100%를 함유한다. 이상적으로는, 금속 산화물 함유 물질의 고유한 열용량(heat content)은 1종 이상의 금속 염화물의 형성뿐만 아니라 그로부터의 금속의 생산으로부터 공정에 필요한 전체 에너지를 제공하기에 충분하다.
본 방법과 장치는 금속 염화물을 형성하기 위한 금속 산화물 함유 물질의 염소 처리를 포함하며, 금속 염화물은 원소 금속으로 변환될 수 있다. 바람직하게는, 염소 처리는 선택적인 염소 처리를 포함한다. 선택적인 염소 처리는 금속 산화물 함유 물질로부터의 금속 염화물의 생성을 의미한다. 방법의 조건 및 염소 처리제의 양은, 비금속 염화물의 실질적인 생성 없이 금속 염화물을 형성하도록 선택된다. 본 발명과 장치를 제한하기 위한 것이 아닌 예를 들면, 실리카 또는 규산염과 같은 실리콘 함유 물질과 추가로 산화알루미늄 및 산화나트륨을 성분으로 하는 금속 산화물 함유 물질로서 석탄 화력 발전 설비 회분이 사용될 경우에, 본 발명에 따른 선택적인 염소 처리는 염화실리콘이 실질적으로 포함되어 있지 않은 염화알루미늄과 염화나트륨을 제공한다. 또한, 본 발명에 따른 선택적인 염소 처리를 위한 방법 및 장치는 염소 처리제 이외의 황-함유 화합물과 같은 촉매를 사용하지 않고 필요로 하지도 않는다는 점을 이해하여야 한다. 생성된 비금속 염화물의 양은 이상적으로 0이거나, 초기 물질의 중량에 기초하여 실질적으로 대략 10 중량% 미만, 더욱 바람직하게는 5 중량% 미만, 특히 바람직하게는 1 중량%이다.
염소 처리제는 염소원과 환원제를 포함한다. 염소원은 염소 가스 및/또는 원소 염소를 제공하는 모든 화합물을 포함할 수 있다. 환원제는 금속 산화물 내에 함유된 산소를 환원시킬 수 있는 어떠한 화합물이라도 포함할 수 있으며, 예를 들면 탄소를 비롯하여 석탄, 유기 화합물, 천연 가스, 일산화탄소 등의 탄소 함유 화합물을 포함할 수 있고, 철과 같은 다른 금속도 환원제로서 고려될 수 있다. 염소원과 환원제는 혼합물로 존재할 수 있고 그리고/또는 예를 들면 포스겐(phosgene)과 같은 염소 처리된 유기 물질 또는 클로로포름이나 4염화탄소와 같은 지방족 화합물 또는 클로로벤젠과 같은 염소 처리된 방향족 화합물을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 염소 처리제는 수분을 함유하지 않는다. 원소 염소원 및/또는 환원제는 어떠한 방법으로도 건조될 수 있고, 예를 들면 환원제는 금속 산화물 함유 물질에 대해 시재된 건조 공정과 유사한 방법으로 건조될 수 있다. 또한, 염소 처리제는 염화수소를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 금속 산화물 함유 물질로부터 금속 염화물을 준비하기 위한 방법과 장치를 제공하며, 염소 처리는 탄화염소화를 포함하고, 바람직하게는 선택적인 염소 처리를 사용하여 선택적인 탄화염소화를 제공한다. 이와 관련하여 탄화염소화는, 전술한 바와 같은 염소 처리제 바람직하게는 염소 가스 및 탄소 함유 환원제 바람직하게는 석탄과 같은 탄소원의 사용에 의해, 금속 산화물로부터 금속 염화물을 생성하기 위한 방법을 나타낸다. 또한, 염소원은 염소 처리된 유기 물질을 포함할 수 있다. 이러한 물질의 어떠한 조합이라도 이용될 수 있다. 본 방법에서 염소와 탄소 함유 환원제의 조합에 의해, 금속 산화물로부터 금속 염화물이 생성된다. 그에 따라, 금속 산화물의 산화물 음이온은 일산화탄소 및/또는 바람직하게는 이산화탄소를 형성할 수 있다.
또한 본 발명은 분별 응축/증류에 의하여 가스상 금속 염화물의 분리를 위한 방법과 장치를 제공한다. 고온 가스상 금속 염화물의 혼합물은, 바람직하게는 대기압보다 큰 압력에서 서서히 냉각된다. 여러 금속 염화물의 압력/온도 상태도에 따르면, 압력 증가는 통상의 대기압에서 발생하는 승화(desublimation)(가스-고체 변환) 대신에 금속 염화물의 응축(가스-액체 변환)을 일으킨다. 승화에 비하여 금속 염화물의 응축은 금속 염화물의 혼합물의 분리에 더욱 효율적이므로 바람직하다. 따라서, 본 발명은 가스로부터 액체로의 분별 응축/증류를 이용함으로써 금속 염화물의 고순도 분리를 달성한다.
본 방법과 장치는 에너지적으로 열원의 효율적인 사용을 제공할 수 있어 공정이 에너지적으로 실용적이 되게 한다. 공정 내에 방출된 열/에너지는 공정의 다른 부분에 에너지를 공급하도록 전환될 수 있다. 예를 들면, 하소기 또는 염소 처리기 내에 생성된 열은, 공급된 양의 금속 산화물 함유 물질의 건조에 제공되어 수분 또는 습기를 제거할 수 있다. 또한, 하소기 또는 염소 처리기로부터의 열은 공정 외부에서 이용될 수 있거나, 예를 들면 전기 생성에 이용될 수도 있으며, 생성된 전기는 그 후에 외부에서 이용되고 그리고/또는 분리된 금속 염화물의 원소 금속으로의 환원을 위하여 금속 생성 섹션 내부에서 사용될 수도 있다.
또한, 에너지적으로 열의 효율적인 사용의 범위 내에서, 본 방법과 장치는 금속 산화물 함유 물질의 열용량의 사용을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 공정에 어떠한 외부의 열용량의 공급원도 필요로 하지 않는다. 본 발명의 범위를 제한하지 않는 예를 들면, 탄광 폐기물이 금속 산화물 함유 물질로서 사용될 경우에, 바람직하게는 석탄의 추가와 같은 어떠한 추가 에너지도 공정에 추가되지 않으며, 탄광 폐기물의 석탄 함량은 공정에 필요한 모든 에너지 또는 실질적으로 모든 에너지를 제공하기 위하여 이용된다. 그러나, 공정의 에너지 요건에 기초하여, 탄광 폐기물의 전체 중량의 10 중량% 이하, 20 중량% 이하, 30 중량% 이하의 양의 석탄이 추가될 수 있다. 천연 가스는 하소기의 연소-정지(flame-out) 방지원으로 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 공정과 장치는 한 장소에 모두 위치한 시스템의 일부일 수 있거나, 서로 근거리에 위치할 수 있거나 서로에 대하여 원거리에 위치할 수 있는 여러 공정 단계와 장치를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 금속 산화물을 금속으로 처리하기 위한 공정과 장치는 경제성 및/또는 처리 효율성을 위하여 한 장소에 위치하고 실시된다. 따라서, 공정의 일부가 여러 위치에서 실시될 수 있고 장치가 여러 위치에 배치될 수 있으나, 금속 산화물 함유 물질을 금속으로 처리하기 위한 장치는 한 장소에 위치한 시스템을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명은 수분 또는 습기로부터 금속 산화물 함유 물질 및/또는 탄소 함유 물질과 같은 물질을 건조하기 위한 건조 섹션을 포함하는 설비를 제공할 수 있다. 건조 섹션은 건조 물질을 하소 섹션까지 이송하는 컨베이어 또는 벨트와 같은 이송 장치를 구비할 수 있고, 하소 섹션에서 공급된 건조 물질이 하소될 수 있다.
하소 섹션은 고온 회분을 염소 처리 섹션으로 이송하는 이송 부재를 또한 포함할 수 있다. 염소 처리 섹션은 염소 처리, 바람직하게는 선택적 염소 처리, 특히 바람직하게는 선택적 탄화염소화 처리를 위해 배치되고 구성된 반응 체임버를 포함할 수 있다. 예를 들어 반응 체임버는, 건조 석탄과 같은 건조 탄소 함유 물질, 천연 가스 또는 기름을, 하소 섹션으로부터의 고온 고상 생성물 또는 염소와 같은 염소원과 결합시키는 적절한 유입구를 포함할 수 있다. 또한, 반응 체임버는 질소와 같은 가스용의 유입구를 포함할 수 있다. 염소 처리 섹션은 고온 고상 생성물로부터 금속 염화물을 형성하는 역할을 하고, 금속 염화물은 그 후 분리 섹션으로 향하거나 이송된다. 염소 처리 섹션 내의 압력은 분리 섹션의 제1 단계 분별 응축/증류 유닛 내의 압력보다 클 수 있다.
건조 섹션, 하소 섹션 및 염소 처리 섹션은 건조, 하소 및 염소 처리를 얻기에 충분한 어떠한 장치라도 포함할 수 있다. 그러한 장치는 고정상(fixed bed) 또는 유동상(fluidized bed) 구조일 수 있고, 질소와 같은 불활성 가스 또는 공기 및 연도 가스(flue gas)와 같은 다양한 유동 매체를 포함할 수 있다.
분리 섹션은, 액체로부터 고형물을 분리하고 가스로부터 고형물을 분리하는 사이클론과 같은 분리기와 함께, 가스로부터 액체를 분리하는 분리기를 포함할 수 있다. 또한, 분리 섹션은 원하는 각 금속 염화물 생성물에 대하여 적어도 하나의 분별 응축/증류 유닛을 포함할 수 있고, 여기에서 물리적 성질이 다른 가스상 금속 염화물이 효율적으로 분리될 수 있다. 분리 섹션은 후속 공정 및 처리를 위해 분리된 염화물을 이송하는 이송 장치를 또한 포함할 수 있으며, 예를 들면 본 방법과 장치는, 전기 분해와 같은 공정에 의해 또는 알칼리 및 알칼리 토금속과 같은 환원제의 사용에 의해, 얻어진 금속 염화물로부터 금속이 생성될 수 있는 반응기 체임버를 구비하는 금속 생산 시스템을 포함할 수 있다. 분리 섹션은 분리를 달성하기 위한 어떠한 장치라도 포함할 수 있으며, 바람직하게는 가스상 금속 염화물의 분리를 위한 적어도 하나의 분별 응축/증류 유닛을 포함하고, 바람직하게는 다수의 응축/분별 유닛일 수 있다.
전술한 사항 이외에, 금속 산화물 함유 물질은 연소에 적합하도록 충분한 정도로 건조될 수 있다. 물질의 건조는 물질 내의 수분과 습기와 같은 자유수(free water)를 제거하는 작용을 할 수 있다. 건조 물질은 공정 내에 에너지적으로 바람직하지 않은 증기 생성을 방지하므로 바람직하다. 바람직하게는, 하소기에 장입하기 전에 물질 내에는 자유수가 함유되어 있지 않다. 그러나, 금속 산화물 함유 물질의 전체 중량을 기준으로 0 중량%와 10 중량% 사이의 범위의 자유수 함량은, 불필요한 증기 생성으로 인해 열의 과동한 낭비와 같은 공정의 저해 없이 허용될 수 있다. 건조는 폐기물에 수분, 습기 또는 비결합수(unbound water)가 존재하지 않을 때까지 계속되는 것이 바람직하다.
건조 물질은 하소기로 이송되어, 1450˚F(788℃) 내지 1750˚F(954℃), 바람직하게는 1500˚F(816℃) 내지 1600˚F(871℃), 특히 바람직하게는 1550˚F(843℃) 내지 1570˚F(854℃)의 온도에서 하소된다. 하소는, 물질의 용융 또는 휘발 성분의 방출 또는 분쇄와 같은 변화를 일으키지 않으면서, 고온에서 물질을 가열하는 공정 또는 처리이다. 불연성(non-combustible) 물질은 MgAl2(SiO4)3과 같은 다양한 화학식을 가진 다양한 규산알루미늄을 포함할 수 있다. 이러한 불연성 물질의 하소는 알루모실리케이트(alumosilicate) 구조 내의 결합을 끊고 알루모실리케이트를 산화알루미늄, 산화마그네슘 및 실리카로 분해함으로써 구조의 변화를 일으킨다. 하소된 물질은 공정의 중간 물질로서의 역할을 한다.
하소는 공기 및/또는 재순환 연도 가스와 같은 산화 분위기 내에서 실시될 수 있다. 금속 산화물 함유 물질 내에 존재하는 가연성 물질 산화 분위기 내에서 연소될 수 있고 그에 따라 공정에 사용될 수 있는 열을 제공한다. 예를 들면, 탄광 폐기물이 사용될 경우, 하소 중의 연소는 금속 산화물 함유 물질 내에 존재하는 열용량에 의해 촉진될 수 있다. 따라서, 예를 들면, 탄광 폐기물 내에 존재하는 잔류 석탄과 같은 탄소 물질은 열원으로서 작용할 수 있다. 필요하다면, 가연성 물질의 보충원, 예를 들면 석탄, 천연 가스 또는 오일 등이 추가될 수도 있다.
연소 후에, 고온 고상 생성물은 염소 처리 체임버로 이송될 수 있고, 여기에서 염소 처리, 바람직하게는 선택적 염소 처리, 특히 바람직하게는 탄화염소화 처리에 의해 금속 염화물이 생성된다. 고온 고상 생성물은 염소 처리제, 바람직하게는 건조 염소 처리제와 혼합될 수 있다.
또한, 염소 가스와 같은 염소원은 금속 설비로부터의 재순환 공정으로부터 공급될 수 있다. 예를 들면, 염소 가스는 금속 설비 및/또는 염소 저장 유닛으로부터의 재순환 공정으로부터 공급될 수 있다. 환원제는 건조기로부터 공급될 수 있다. 환원제의 양과 염소의 양 모두는, 선택적인 염소 처리가 바람직한 경우에 금속 산화물의 염소 처리가 이루어지도록 제어될 수 있다. 평가된 양은, 산화물 함유 물질 내에 존재하는 금속 산화물의 함량, 예를 들면 탄광 페기물 또는 회분 내에 존재하는 금속 산화물의 중량 분율을 나타내기 위한 분석 방법에 의해 결정될 수 있다. 환원제와 염소의 평가량은 알루미늄, 철 및 티타늄에 대해 여기에 나타낸 화학식을 만족하도록 계산될 수 있다.
Al2O3 + 3Cl2 + 3C -> 2AlCl3 + 3CO
Al2O3 + 3Cl2 + 1.5C -> 2AlCl3 + 1.5CO2
Fe2O3 + 3Cl2 + 3C -> 2FeCl3 + 3CO
Fe2O3 + 3Cl2 + 1.5C -> 2FeCl3 + 1.5CO2
TiO2 + 2Cl2 + 2C -> TiCl4 + 2CO
TiO2 + 2Cl2 + C -> TiCl4 + CO2
염화물과 환원제의 양을 제한할 뿐만 아니라, 황 함유 화합물, 예를 들면 황화수소와 같은 촉매를 생략하면, 산화실리콘의 염소 처리가 방지된다. 따라서, 원하지 않은 부산물(side product)의 형성이 최소화될 수 있다. 선택적인 염소 처리 후에, 주로 산화실리콘을 포함하는 염소 처리되지 않은 잔류물은, 예를 들면 NaCl 또는 MgCl2와 같은 액상 용융물, 또는 예를 들면 AlCl3, FeCl3와 같은 가스로서 존재하는 형성된 금속 염화물로부터 분리될 수 있다.공정 내에 형성된 일산화탄소 재순환되어 추후에 이산화탄소로 연소될 수 있다. 예를 들면, 금속 산화물 함량에 기초한 화학량론적인 양이 이용될 수 있다. 또한, 금속 염화물의 최대 수율을 달성하기 위하여, 금속 산화물 함량에 기초하여, 대략 10 중량% 이하, 바람직하게는 대략 5 중량% 이하, 더욱 바람직하게는 대략 2 중량% 이하, 특히 바람직하게는 0.1 중량% 내지 2 중량%의 과잉 염소가 염소 처리기 내로 보내질 수 있다. 또한, 금속 산화물의 함량에 기초하여, 대략 10 중량% 이하, 바람직하게는 대략 5 중량% 내지 대략 10 중량%, 특히 바람직하게는 7 중량% 내지 10 중량%의 과잉 환원제가 사용될 수 있다.
염소 처리 후에, 고형물은 가스 및 존재할 수도 있는 액체로부터 분리되고, 가스 및 존재할 수 있는 액체는 분리 방법을 거치게 된다. 바람직하게는, 금속 염화물의 가스의 혼합물은 분별 응축/증류에 의해 분리된다.
예를 들면, 가스상 금속 염화물은 분리 섹션 내로 보내질 수 있고, 여기에서 가스는 상승된 압력에서 서서히 냉각됨으로써 분별 응축되고 증류된다. 분리 섹션 내의 압력은 증가하여 대기압(~14.7psig) 내지 80psig(5.4기압), 바람직하게는 대략 20psig(1.4기압) 내지 70psig(4.8기압), 특히 바람직하게는 40psig(2.7기압) 내지 60psig(4.1기압)의 범위에 이른다. 증가한 압력에서 가스는 분별적으로 냉각되고, 그 결과, 여러 화학종(species)의 금속 염화물에 대해 하나의 화학종의 금속 염화물의 응축 및 증류가 이루어진다. 응축 및 증류 온도는 증가한 압력에 따라 다르며 100˚F(37.8℃)와 1000˚F(538℃) 사이의 범위일 수 있다. 상승 압력이 50psig(3.4기압)로 선택되면, 금속족(metal group) 알루미늄, 티타늄 및 철을 포함하는 금속 염화물의 응축 및 증류 온도는 275˚F(135℃)와 675˚F(357℃) 사이의 범위일 수 있으나, 본 방법과 공정의 범위를 이에 한정되는 것은 아니다. 응축 및 증류 온도는 당해 분야에 공지된 각 화학종에 대한 상태도로부터 도출할 수 있다. 또한, 금속 염화물 가스의 분별 냉각 이외에도, 본 방법은 필요한 경우에 여러 화학종의 금속 염화물 사이의 최대 분리를 얻기 위하여 냉각 공정 중에 상승 압력을 변화시킬 수 있게 한다.
액체 또는 가스로서 금속 염화물 및 염소 처리제의 부식성에 의해 본 방법과 장치는 생성된 금속 염화물 또는 반응하지 않은 염소 처리제와 장치의 사이의 반응을 방지하기 위하여 비반응성 및 부식 저항성 재료를 포함할 수 있다는 점을 이해하여야 한다. 이러한 보호 대책은 부식 저항성 재료의 사용을 포함한다. 본 발명의 범위를 제한하지 않는 예를 들면, 염소 처리기의 벽은 고함량 실리카산(silica acid) 벽돌 또는 탄화규소 결합 벽돌을 포함하는 내화성 라이닝(refractory lining)으로 보호될 수 있고, 유출구, 금속 염화물 이송 파이프 및 기타 부식 반응 부재는 세라믹으로 라이닝된 파이프 또는 부식 저항성 고함량-니켈 합금 파이프를 포함할 수 있다. 400˚F(204℃) 미만의 온도에 대해서는, 사불화물 처리된 폴리에틸렌(tetrafluorinated polyethylene) 라이닝이 고려될 수 있다.
탄광 폐기물 또는 발전 설비 고상 부산물이 금속 산화물 함유 물질로 사용되는 이하의 본 발명의 비제한적 실시예에 관한 도면을 참조하여, 금속 염화물 및 금속 생산을 위한 예시적인 공정과 장치에 대하여 논의한다. 예를 들면, 탄광 폐기물은 5 중량% 내지 35 중량% 탄소, 0.25 주얄% 내지 0.75 중량% 수소, 10 중량% 내지 12 중량% 수분, 35 중량% 내지 45 중량% 이산화실리콘, 15 중량% 내지 25 중량% 산화알루미늄, 1 중량% 내지 3 중량% 산화철, 0.5 중량% 내지 1.5 중량% 산화티타늄, 및 미량의 기타 금속 산화물을 함유할 수 있다. 본 방법의 적용에 전술한 조성의 탄광 폐기물이 사용되지만, 다른 조성의 탄광 폐기물도 고려될 수 있다. 따라서, 다른 실시예에서 고려되는 금속 산화물의 범위를 제한하는 것은 아니지만, 탄광 폐기물은 예를 들면 다양한 농도의 갈륨, 인듐, 게르마늄, 주석, 납, 안티몬, 비스무트, 바나듐, 크롬, 베릴륨, 망간, 코발트, 니켈, 동, 아연, 지르코늄, 루테늄, 오스뮴, 로듐, 이리듐, 또는 우라늄의 산화물을 함유할 수 있다. 유사하게, 발전 설비 회분은 다양한 함량의 금속 산화물을 함유할 수 있다.
도 1에서, 폐기물(1) 및/또는 천연 석탄(virgin coal)(1')은 벨트 또는 스크류 구동식 컨베이어에 의해 분쇄기(crusher)로 이송되고 대략 1mm 내지 대략 2mm, 바람직하게는 대략 3mm 내지 6mm, 더욱 바람직하게는 대략 4m 크기의 미세한 입자로 분쇄되어 건조기(A)로 이송된다. 분쇄 물질은 라인(2)을 통해 건조기(A)로 이송된다. 냉각수 파이프(14)는 냉각탑(K)과 냉각수 펌프(I)로부터 증기 응축기(G)를 통해 냉각수를 공급한다. 증기 응축기(G)는 터빈(D1, D2)으로부터의 증기(9)를 응축하고, 따라서 냉각수를 대략 주위 온도(ambient temperature)부터 대략 212˚F(100℃)까지, 바람직하게는 대략 80˚F(26.7℃)부터 대략 180˚F(82.2℃)까지, 더욱 바람직하게는 대략 100˚F(37.8℃)부터 대략 140˚F(60.0℃)까지 가열한다. 보일러 공급수인 응축물(7a)은 유지 탱크로서 작용하는 보일러 급수 탱크(F)로 향한다. 그 후 물은 보일러 급수 펌프(E)에 의해 보일러/하소기(B)로 펌핑되고 사이클이 반복된다. 송풍기(J)로부터 송풍된 가열기(H) 내의 대기를 주위 온도부터 대략 212˚F(100℃)까지, 바람직하게는 80˚F(26.7℃)부터 대략 180˚F(82.2℃)까지, 더욱 바람직하게는 대략 95˚F(35.0℃)부터 대략 105˚F(40.6℃)까지 가열하기 위하여, 증기 응축기로부터의 따뜻한 냉각수 흐름(11A)이 사용된다. 따뜻한 냉각수(11)는 유동상 건조기(A) 내의 석탄 가열을 위해서도 사용된다. 가열기(H)의 배출수는 라인(13A 및 13)을 통해 냉각탑(K)으로 회송된다. 가열된 공기(13)는 물질 건조기(A)의 건조를 위해 사용되고, 순환 냉각수(11)는 건조기 내의 열교환기 파이프를 통해 흘러 물질 건조에 필요한 대부분의 에너지를 공급한다. 건조된 물질은 라인(17)을 통해 공기와 함께 방출된다. 이 건조 공정에서 생성된 약간의 따뜻한 공기(12A)와 물(11B)은 도 3에 도시된 염소 처리 반응을 위한 석탄 건조에 사용된다. 석탄 건조기에 사용된 물(11B)은 라인(13B)을 통해 냉각탑으로 회송된다.
도 2에서, 건조된 물질은 라인(17)을 통해 대형 공급기(feeder)(P)에 채워지고 폐기물과 열원(heat source)의 혼합물은 라인(18)을 통해 방출되어 컨베이어(Q, 라인 19)에 의해 유동상 하소기(B)에 공급된다. 열원은 보일러의 열용량(heat content)을 증가시켜 추가 증기 및 전기 생산을 위하여 부가된다. 예를 들면, 본 방법과 설비가 전기적으로 자급되도록, 탄광 폐기물 공급에 대해 대략 30 중량%까지의 범위의 추가 석탄이 사용될 수 있다. 라인(20)을 통해 공급된 천연 가스가 연소 정지(flame-out) 방지원 및/또는 보충 연료로서 사용된다. 보일러 내용물(boiler content)은 대략 1450˚F(788℃)부터 대략 1750˚F(954℃), 바람직하게는 대략 1475˚F(802℃)부터 대략 1650˚F(899℃), 더욱 바람직하게는 대략 1550˚F(843℃)부터 1570˚F(854℃)까지의 제어된 온도 범위 내에서 연소된다. 라인(25)으로부터의 약간의 연료 가스 재순환과 더불어 연소 공기는 라인(26)을 통해 보일러 하부에 부가되며, 고형물을 균일하게 상승시키고 유동화하도록 설계된 분배 살포 파이프(distribution sparge pipe)를 통과한다. 공기 유동과 속도는 소정의 베드 높이와 전술한 온도 범위의 유지를 위하여 제어된다. 회분 내의 내부 결합은 끊어지고 개개의 각 산화물에는 어떠한 화학적인 물 결합(chemical water bond)도 존재하지 않는다. 예를 들면, 탄광 폐기물 회분은 전형적으로 대략 55.6% 내지 65% 산화실리콘, 대략 25% 내지 35% 산화알루미늄, 대략 2% 내지 4% 산화철, 대략 1% 내지 2% 산화티타늄 및 잔량의 여러 미량 물질의 조성을 가진다. 혼입된 수소는 탄소와 함께 연소되어 열용량에 기여한다. 혼입된 물은 비등되어 연료 가스와 함께 라인(6)을 통해 방출된다. 대부분의 고형물(회분)은 연료 가스와 함께 방출되어, 적어도 하나의 사이클론 분리기(S)를 포함하는 가스/고형물 분리 시스템으로 보내진다. 잔류 회분은 라인(27)을 통해 보일러 하부로 낙하하고, 컨베이어(R)에 의해, 사이클론 분리기 이후의 라인(28)으로부터 분리된 고형물과 합쳐진다. 라인(27, 28) 내의 흐름은 호퍼(T)와 같은 유지 장치로 낙하한 후에, 예를 들면 스크류 구동식 컨베이어 시스템(U)과 같은 이송기(transporter)에 의해 염소 처리 시스템으로 이송된다. 여기에서 금속 산화물은 석탄(환원제)과 같은 탄소원 및 염소 가스와 같은 염소원과 혼합되어 금속 산화물의 염화물을 생성한다. 회분의 산화물 함량은 기재된 화합물에 한정되는 것은 아니다. 회분은 과산화물과 같은 중간 산화물 및 초산화물(superoxide)을 함유할 수 있다. 염소 처리 공정은 이하에 기재되어 있다.
도 2를 계속 참조하면, 라인(24)을 통해 송풍기(W)로부터 송풍된 연소 공기는, (사이클론 이후의) 연료 가스(22)에 의해 가열기(V) 내에서 대략 275˚F(135℃) 내지 대략 325˚F(163℃)의 범위, 최적으로는 대략 300˚F(149℃)로 예열된다. 공기 예열 후에, 대략 1300˚F(704℃)로 냉각된 연료 가스(23)는 이후에 하류측(도 3 참조)에서 사용되며, 예를 들면 재순환 유닛 또는 궤도차(railcar)와 같은 중간 저장 유닛으로부터의 염소 가스와 같은 염소원을 증발시키고 가열시키기 위하여 사용된다. 고온 공기는 알루미늄 생산 셀(aluminum production cell) 및 티타늄 생산 셀 내의 용융염 전해질의 가열을 보조한다. 보일러의 과열기(super heater) 내에서 생성된 증기는, 라인(6)을 통해 증기 터빈(D1, D2)에 이송되기 전에 대략 500psi(34기압)와 대략 800˚F(427℃)를 상회한다. 염소 처리기(chlorinator)로부터의 증기(39)는 터빈(D1, D2)으로 진입하기 전에 흐름(6)과 합류한다. 터빈으로부터의 저압 증기는, 공급수(7b)로서 보일러에 다시 이송되기 전에, 다른 공정 증기의 가열 또는 냉각을 위하여, 가장 일반적으로는 알루미늄 셀 내의 염 전해질의 가열 또는 냉각을 위하여 사용될 수 있다. 터빈 증기 이후의 잔류물은 응축기(G)에 직접 이송되어 응축되고 공급수 흐름(10)으로서 다시 보일러/하소기에 펌핑된다.
도 3에서, 석탄(탄소 환원제) 등의 탄소 함유 물질(carbonaceous material)과 같은 환원제는, 공정 중에 부식성 염화수소의 형성의 방지를 위하여 탄화염소화 처리(carbochlorination) 전에 건조된다. 전술한 바와 같이, 이는 소규모로 재현된 도 1의 폐기물 건조 시스템 내에서 달성될 수 있다. 석탄은 라인(30)을 통해 건조기(X)의 상부로 이송된다. 가열 공기(12A)는 석탄을 유동화하고, 온수(11B)는 내부 열교환기 파이프를 통과할 때에 1차 열전달 유체로서 사용된다. 물은 라인(13B)을 통해 건조기로부터 방출되고 냉각탑(K, 도 1)으로 회송된다. 유동화 공기는 따뜻한 건조 석탄과 함께 라인(31)을 통해 건조기(X)의 상부를 떠나고, 사이클론 분리기(Y) 및/또는 백 필터(bag filter)(Z)를 통과하여, 공기(32)로부터 석탄(33)이 분리된다. 분리된 석탄은 1mm 내지 20mm, 바람직하게는 3mm 내지 6mm, 특히 바람직하게는 4mm의 입자 크기로 분쇄되고 컨베이어(AA)에 의해 라인(34)을 통해 염소 처리기에 공급된다. 필터를 거친 공기(15B)는 주위 분위기로 배출된다.
도 3을 계속 참조하면, 사이클론(S)으로부터의 회분은 스크류 구동식 컨베이어 시스템(라인 29)과 같은 이송 장치(U)에 의해 염소 처리기(BB)에 이송되고, 건조된 탄소원 및 염소 처리기(BB)의 유동상 반응기 내의 염소 가스와 같은 염소원과 혼합된다. 고온 회분 금속 산화물은 염소원에 의해 염소 처리되어 금속 염화물과 산소를 생성한다. 산소는 탄소원에 의해 환원되는데, 다시 말하자면 고온 산소는 탄소와 연소하여 CO와 CO2의 혼합물을 생성한다. 염소는 2개의 공급원으로부터 유래하는데, 대부분은 금속 설비로부터 직접 반응기 내로 재순환(42)되고 필요한 보충량은 액화되어 궤도차에 의해 라인(40)에 유입된다. 액상 염소는 공기 또는 질소(44)에 실려 궤도차(GG)로부터 직접 증발기(FF)로 향하고, 증발기에서 보일러로부터의 고온 연료 가스(23)에 의해 증발한다. 궤도차는 안전 기구로서 세정기(scrubber)에 통기(45)되어 있다. 그 후 연료 가스(43)는, 여러 가스를 분리하여 추가 처리하기 위한 목적으로 일련의 분리기를 통과한다. 그 후 염소 가스(41)는 반응기에 공급된다. 전술한 바와 같이 필요한 염소의 양은, 초기 재료를 함유하는 금속 산화물 또는 보일러(B)로부터의 고온 회분 내의 금속 산화물의 중량 분율에 대한 분석에 의해 결정된다. 바람직하게는, 금속 염화물의 최대 수율을 얻기 위하여, 대략 5 중량% 이하, 더욱 바람직하게는 대략 2 중량% 이하, 특히 바람직하게는 대략 0.1 중량% 내지 대략 2 중량%의 과잉 염소가 염소 처리기 내로 향한다. 유사하게, 원하지 않는 부산물의 생성 없이 금속 염화물의 최대 수율을 얻기 위하여, 라인(34)을 통해 반응기 내로 공급된 건조 환원제(석탄)는 대략 10 중량% 미만, 바람직하게는 대략 5 중량% 내지 대략 10 중량%, 더욱 바람직하게는 대략 7 중량% 내지 대략 10 중량% 미만의 과잉량을 가진다. 염소 처리기 내의 이상적인 유동상을 얻기 위하여, 질소(44B)와 같은 건조 불활성 가스가 염소 처리기(BB)의 하부에 추가된다. 염소 처리기 내부의 압력은 여러 수준으로 유지될 수 있고, 압력은 분리 유닛의 제1 단계보다 높은 것이 바람직하다.
주로 이산화실리콘을 함유하고 염소 처리되지 않은 고형물은, 금속 염화물, 과잉 염소 및 다른 가스와 함께 라인(35)을 통해 대략 2000˚F(1093℃)로 반응기를 떠난다. 이러한 방출 온도는, 항시 변동될 수 있는 흐름(29)의 조성에 따라 달라진다. 반응기는 적어도 사이클론 분리기(CC)를 포함하는 분리 시스템 내로 직접 방출하고, 사이클론 분리기에서 라인(38)을 통해 배출되는 고형분은, 라인(36)을 통해 배출되는 액상/가스 혼합물로부터 분리된다. 분리기(DD)는 라인(36A)을 통과하는 가스로부터, 라인(36B)을 통해 액상 알칼리/알칼리토금속 염화물을 분리한다. 흐름(36A)은 가스로부터 잔류 액체 및 고형물의 분리를 위하여 추가 분리 장치(사이클론, 원심 분리기, 또는 필터)를 통과할 수 있다. 가스로부터 분리된 모든 고형물은 라인(38)을 통해 컨베이어(EE)에 의해 고형물 처리 설비로 보내진다. 분리기로부터 액상이 제거된 가스는 그 후 냉각되고, 그 자체 에너지에 의해 보일러(HH) 내의 라인(10A)(도 1)으로부터 공급되는 물의 흐름을 비등시키고, 그에 따라 과열된 증기를 생성하며, 과열된 증기는 전기 생성을 위하여 라인(39)을 통해 터빈(D1, D2)(도 1)으로 이송된다. 보일러(HH)는 보일러 공급수 펌프(E)(도 1)로부터 공급수를 수용한다. 대략 500˚F(260℃) 내지 1000˚F(538℃), 더욱 바람직하게는 대략 615˚F(324℃) 내지 630˚F(332℃), 특히 바람직하게는 대략 620˚F(327℃)의 온도의 냉각 가스(39A) 대부분은 1차 분리 시스템에 보내지지만, 일부는 염소 처리기에 다시 재순환(37B)될 수 있다.
도 4에서, 보일러(HH)로부터의 가스 흐름(37A)은 1차 흡수기(II)의 중앙으로 진입하고, 후술할 재순환 액체에 의해 냉각된다. 상향 유동하는 가스가 하향 유동하는 액체와 접촉하므로, 가스는 대략 330˚F(166℃) 내지 대략 370˚F(188℃), 최적으로는 (흡수기의 하부에서) 대략 350˚F(177℃)로 냉각되어 FeCl3를 응축시킨다. 1차 흡수기의 하부의 (고중량의 주요한) 흐름(49A)은 응축 FeCl3, 가스상 AlCl3, TiCl4 및 기타 미량 금속 염화물을 함유한다. 고중량 주요 흐름의 일부는 최적의 흡수를 얻기 위하여 1차 흡수기의 유입구에 다시 재순환(49B)된다. 1차 분리 용기(vessel)의 상부 흐름(45)은 가스상 AlCl3, TiCl4 및 기타 미량 금속 염화물을 함유한다. 이 흐름은 응축기(JJ, KK)를 통과하여 AlCl3와 TiCl4를 냉각시키고 응축시킨다. 대략 210˚F(98.9℃) 내지 대략 220˚F(104℃), 최적으로는 대략 215˚F(102℃)의 액상 AlCl3와 가스상 TiCl4를 함유하는 1차 응축기(JJ)의 응축물(46B) 및 기타 미량 금속 염화물은 1차 흡수기로 회송되어 액체 공급의 대부분으로서 사용된다. 응축되지 않은 가스(46A)는 0˚F(-17.8℃) 미만의 온도에서 냉각 액체로서 TiCl4를 제거하기 위하여 보조 응축기(sub-condenser)를 통과한다. 이러한 보조 응축을 달성하기 위하여 저온 냉장 시스템이 필요하다. 응축물(47A)은 1차 분리 용기로 돌아가서 액체 공급의 일부로서 사용되고, 응축되지 않은 가스(47B)는 TiCl4 응축물 시스템(도 5) 내의 추가 처리를 위하여 이송된다.
도 4를 계속 참조하면, 1차 흡수기의 하부로부터의 응축 금속 염화물(49A)은 1차 증류 칼럼(LL)에 보내지고, 여기에서 FeCl3가 더욱 경량의 AlCl3와 TiCl4로부터 증류된다. FeCl3는 칼럼의 하부 흐름(52)을 통해 제거되고, AlCl3와 TiCl4는 증류물(50)로서 제거된다. 리보일러(OO)의 온도는 대략 640˚F(338℃) 내지 대략 675˚F(357℃), 최적으로는 대략 660˚F(349℃)로 유지된다. 필요한 증기 유량에 따라, 비등 염화물(53A)은 1차 증류 칼럼으로 돌아가고, 잔류물은 FeCl3 생성물(product)(53B)이다. 라인(50) 내의 증류물 흐름은, 대략 330˚F(166℃) 내지 대략 370˚F(187℃), 최적으로는 대략 350˚F(177℃)의 온도로 유지되는 응축기(MM)를 통과한다. 응축물은 그 후 용기를 수용하는 환류 드럼(reflux drum)(NN)으로 향하고, 여기에서 재순환에 의한 환류 유량에 따라 일부는 1차 증류 칼럼으로 회송(51B)되고 나머지(51A)는 2차 분리 시스템(도 5)에 공급된다. 1차 분리 시스템은, 대략 140˚F(60.0℃)와 대략 675˚F(357℃) 사이의 온도에서 FeCl3 및/또는 AlCl3가 승화되거나 고형화되는 압력보다 높은 압력으로 유지된다. 바람직하게는, 이 압력은 대기압보다 크고 대략 80psig(5.4기압) 이하이고, 더욱 바람직하게는 대략 20psig(1.4기압) 내지 대략 60psig(4.1기압), 특히 바람직하게는 대략 35psig(2.4기압) 내지 대략 45psig(3.1기압)이다.
도 5에서, 1차 증류 칼럼으로부터의 증류물(51A)은 2차 흡수기(PP)로 흐르고, 후술할 상방의 액체에 의해 냉각된다. 상향 유동 가스는 하향 유동 액체와 접촉하므로, 가스는 280˚F(138℃) 내지 330˚F(166℃), 최적으로는 (흡수기(PP)의 하부에서) 300˚F(148℃)로 냉각된다. 오버헤드(overhead condenser) 응축기(QQ)는 흡수기(PP)의 상부를 210˚F(98.9℃) 내지 220˚F(104℃), 최적으로는 215˚F(102℃)의 온도로 유지한다. 흐름(55)은 냉각되고, 가스 혼합물 내의 일부 TiCl4는 응축되어 흡수기(PP)로 회송된다. 응축물은 흡수기(56B)에 다시 회송되는 흐름(56A)과 TiCl4 분리 시스템으로 향하는 흐름(56B)으로 분할된다. 냉각물이 AlCl3와 접촉함에 따라, 유입 흐름(51A)은 대략 330˚F(166℃) 내지 365˚F(185℃), 최적으로는 대략 355˚F(179℃)로 냉각된다. 2차 흡수기의 하부의 (고중량의 주요) 흐름(54A)은 응축 AlCl3, 약간의 가스상 TiCl4 및 기타 미량의 금속 염화물을 함유한다. 고중량 흐름의 일부는 최적 흡수를 얻기 위해 2차 흡수기의 유입구로 재순환(54B)되고, 나머지는 2차 증류 칼럼(RR)으로 이송된다.
도 5를 계속 참조하면, 2차 증류 칼럼 내에서 고중량이고 따라서 고융점의 AlCl3는 하부 흐름(59) 내에서 제거되고, 부분적인 리보일러(UU)는 대략 390˚F(199℃) 내지 430˚F(221℃), 최적으로는 410˚F9210℃)로 유지된다. 필요한 칼럼 증기 유량에 따라, 흐름(60A)은 칼럼으로 다시 비등된다. 하부 잔류물(60B)은 AlCl3로 정제된다. 이와 같이 정제된 AlCl3의 흐름은 그 후 고형 AlCl3로 응축되고 라인(61)으로부터 수집되고 알루미늄 셀 공간으로 보내진다. 증류물 흐름(57)은 대략 280˚F(138℃) 내지 330˚F(166℃), 최적으로는 대략 300˚F(149℃)의 온도로 유지되는 응축기(SS)를 통과한다. 응축물(58)은 그 후 용기를 수용하는 환류 드럼(TT)으로 향하고, 여기에서 재순환에 의한 환류 유량에 따라 일부는 2차 증류 칼럼(58A)으로 분할되고 나머지(58B, 58C)는 TiCl4 분리 시스템과 1차 흡수기에 각각 공급된다. 흐름(47B)은 1차 분리 시스템(도 4) 내의 보조 응축기(KK)로부터 유래한다. 제2 단계 분리 시스템은, 대략 280˚F(138℃) 내지 대략 430˚F(221℃)의 온도에서 AlCl3의 승화 압력보다 높은 압력으로 유지된다. 바람직하게는, 압력은 대기압보다 크고 대략 60psig(4.1기압) 이하이고, 더욱 바람직하게는 대략 20psig(1.4기압) 내지 40psig(2.7기압)이고, 특히 바람직하게는 대략 25psig(1.7기압) 내지 35psig(2.4기압)이다.
도 6을 참조하면, TiCl4, 미량의 바나듐 화합물 및 기타 비-응축 가스를 함유하는 2차 증류 칼럼(RR)으로부터의 흐름(58B)은 TiCl4 증류 칼럼(WW) 내로 진입한다. 칼럼은 비-응축 가스, 모든 염화바나딜(Vanadyl Chloride, VOCI3) 및 모든 사염화바나듐(VCl4)으로부터의 TiCl4의 분리를 보조한다. 바나듐 화합물은 염소 및 유리 산소(liberated oxygen) 또는 물과 반응하는 회분 내의 미량의 산화바나듐으로부터 형성되어 염소 처리기 내에 축적된다. TiCl4의 융점은 VOCl3의 융점보다 높으므로, TiCl4는 칼럼(WW)으로부터 하부 흐름(62)으로 배출되고, VOCl3는 증류물(64)로서 비-응축 가스와 함께 배출된다. 증류물은 응축기(XX)로 진입하고 대략 155˚F(68.3℃) 내지 대략 165˚F(73.9℃), 최적으로는 대략 160˚F(71.1℃)로 응축 및 냉각된다. 응축물(65)은 환류 드럼(I1)으로 향하고, 여기에서 환류 유량에 따라 칼럼으로 회송(65A)되거나 추후 처리를 위해 이송(65B)된다. 하부 흐름(62)은 리보일러(YY)로 진입하여, 여기에서 TiCl4가 비등하고 295˚F(146℃) 내지 310˚F(154℃), 최적으로는 300˚F(149℃)까지 가열된다. 증기(63A)는 필요한 증기 유량에 따라 칼럼에 회송되고, 액체(63B)는 응축기(ZZ)로 이송되어 온도가 대략 275˚F(135℃) 내지 290˚F(143℃)까지 감소한다. 주로 VCl4인 응축물(66B)은 추후 정제를 위하여 수집된다. 그 후 비-응축 가스(66A)는 과냉기(A1)로 진입하여 온도가 0˚F(-17.8℃) 미만까지 감소한다. 모든 TiCl4는 응축되고 라인(67)을 통해 티타늄 생산 설비까지 이송된다. 비-응축 가스(70)는 추후 처리를 위하여 흐름(65B)과 합류한다. 응축기(ZZ)는 냉각수(흐름 68)에 의해 냉각되고, 과냉각기(A1)는 연속 냉각 루프(흐름 69)에 의해 냉각된다. 바람직하게는, TiCl4 정제 시스템은, 최적 조업을 위하여, 대기압보다 크고 40psi(2.7기압) 미만으로, 보다 바람직하게는 대기압보다 크고 대략 20psig(1.4기압) 미만, 특히 바람직하게는 대기압보다 크고 17psig(1.2기압) 미만으로 유지된다.
도 6을 계속 참조하면, 전해 환원 공정을 위하여, 유지 탱크(B1)로부터의 TiCl4는 펌프(C1)에 의해 열교환기(D1)를 통해 펌핑되어, 라인(71A)을 통해 셀에 이송된다. TiCl4는 라인(72)을 통해 공급된 용융염 전해질 내에서 분해되고 음극에서 용융 티타늄으로 전기분해된다. 양극에서 생성된 염소는 진공에 의해 셀로부터 제거되고 라인(42)(도 3을 또한 참조)을 통해 염소 처리기에 재순환된다. 용융 티타늄은 라인(74A)을 통해 셀로부터 수집되고 잉곳 또는 슬라브로 응고된다. 이 공정은 효율의 최대화를 위하여 연속적으로 작업될 수 있다. 이 공정은 기나타 방법(Ginatta Method)이라고 불린다.
도 6을 계속 참조하면, 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 같은 환원제에 의한 TiCl4의 환원을 위한 제2 연속 공정이 유동상 반응기(E1) 내에서 실시된다. 환원제는 라인(77)을 통해 수직형 반응기 내에 채워지고, 라인(76)으로부터 추가 불활성 가스가 보충되는 라인(75)을 통해 공급되는 불활성 가스에 의해 유동화된 후에, TiCl4와 반응하여 흐름(79)을 통하여 티타늄 분말과 알칼리 염화물 또는 알칼리토류 염화물을 생성한다. TiCl4 증기가 반응기 내로 도입되고 반응열이 알칼리 염화물 또는 알칼리토류 염화물의 융점 쪽으로 온도를 변화시키기 전에, 베드는 예열될 수 있다. 환원제가 녹는 것을 방지하기 위하여, 예를 들면 증기 또는 냉각제 재킷을 포함하는 온도 제어 시스템이 적소에 배치될 수 있다. 일단 유동화되고 반응이 일어나면, 방출물(79)은 사이클론과 선택적인 필터를 포함하는 유닛(F1)에 의해 분리되고, 라인(80)을 통해 분리 용기(H2)에 공급된다. 용융 티타늄은 반응기로부터 흐름(78)을 통해 직접 분리 용기(H2)로 제거될 수도 있다. 이 용기는 라인(74C)을 통해 알칼리 금속 염화물 또는 알칼리토금속 염화물 및 모든 비반응 환원제로부터 용융 티타늄을 분리하고, 용융 티타늄은 라인(81)을 통해 제거된다. 티타늄은 그 후에 필요에 따라 추가 정제를 위하여 이송될 수 있다. 염화물은 그 후에 염화물의 전해 셀 내에서 분리된 후에 염소 처리기로 다시 재순환된다. 이 셀 내에서 생성된 염소는 염소 처리기로 회송된다. 미국 특허공보 제6,995,703호는 유사한 공정을 개시하며, 그 내용 전체가 참조되어 여기에 원용된다.
염화티타늄으로부터 티타늄을 얻는 또 다른 방법은 용융 마그네슘 또는 나트륨에 의한 화학적 환원이다. 크롤(Kroll) 공정이라고 불리는 마그네슘 공정은 스테인리스강 레토르트 용기(retort pot) 내에서 실시된다. 과잉 마그네슘이 가열된 후에, 액상 TiCl4가 서서히 공급된다. 마그네슘의 마그네슘 염화물로의 반응과 TiCl4의 Ti로의 반응은 수일에 걸쳐서의 회분식(batch) 공정으로 실시된다. 반응이 진행됨에 따라, MgCl2는 레토르트로부터 주기적으로 제거된다. 반응이 종료된 후에, Ti는 "스펀지" 또는 다공성 금속으로서 제거된다. 그 후 스펀지는, 모든 불순물을 제거하기 위한 목적으로, 진공 아크로 내에서 수차례 용해 및 냉각된다. MgCl2 염은 용융 마그네슘과 염소를 생성하는 전해 셀을 통과한다. 마그네슘은 티타늄 반응기로 다시 이송되고 염소는 염소 처리기로 이송된다. 이러한 회분식 화학 환원 공정은 금속 나트륨의 사용에 의해 실시될 수도 있다. 이는 크롤 공정과 유사하지만 나트륨으로 마그네슘을 대체한 헌터(Hunter) 공정으로 알려져 있다. 크롤 및 헌터 공정은 모두 회분식 시스템 내에서 실시되고 반응 용기로부터 티타늄 스펀지를 추출하는 과정을 포함한다.
염화알루미늄(AlCl3)의 생산을 위한 현행 방법은 보크사이트(Al2O3를 함유하는 광석)와 순수 알루미늄의 염소 처리이다. AlCl3 셀은 성공적으로 조업되어 왔으나, AlCl3를 생산하기 위한 높은 비용 때문에 경제적이지는 못한 것으로 여겨진다. 이러한 전기분해 공정은 현재 사용되는 홀-헤롤트(Hall-Heroult) 공정에 비하여 전력이 절반 미만으로 소비된다. 홀-헤롤트 공정은 3.0V 내지 4.0V에서 생산된 알루미늄 1lb(0.456kg)당 대략 6.35kwh 내지 8.25kwh를 사용한다. 하루에 100톤의 알루미늄을 생산하는 알루미늄 제련 설비는 1270MWhr 내지 1450MWhr를 사용한다. AlCl3 전기분해 공정은 1.8V에서 생산된 알루미늄 1lb(0.456kg)당 대략 2.88kwh를 사용한다. 하루에 100톤의 알루미늄을 전기분해로 생산하기 위해서는 576MWhr가 사용된다.
AlCl3의 전기분해에 의하여 알루미늄을 생산하기 위한 공정은 아래와 같이 실시될 수 있다.
도 5를 참조하면, 무수(anhydrous) AlCl3는 분리 공정으로부터 라인(61)을 통해 전해 셀(VVI) 공간 내로 이송될 수 있다. 배관 파이프로부터, 고형물이 개개의 셀의 공급 탱크 내로 분배된다. 각 탱크는 과압 생성의 방지를 위하여 세정기 시스템에 통기된다. 세정기 팬은 각 공급 탱크에 약간의 진공 상태를 유지하고, 필요에 따라서는 셀을 시동할 때에 염소의 세정을 위해 사용되기도 한다. 공급 라인 내의 모든 가스로부터 공급 탱크를 격리하기도 하는 회전식 밸브에 의해 AlCl3가 셀에 공급된다. AlCl3는 하방으로 유동하고, 셀 내의 용융염 전해질의 정수압을 극복하기 위해 부가되는 무수 염소 가스에 의해 AlCl3가 가압된다. 염소는 AlCl3의 신속한 용해를 위하여 AlCl3를 용융염 전해질 내에 분산시킨다.
도 5를 계속 참조하면, AlCl3 전해 셀(VVI)은 염소 및 염 분위기에 대해 내성이 있는 차열 벽돌 또는 산질화실리콘(oxysilicon nitride)으로 이루어진 완전 내화성 라이닝(lining) 및 탄소강 외각부(shell)로 구성된다. 각 셀은 고온 차열 상태로 절연되어 열 손실을 최소화하고 셀 온도를 유지한다. 셀 내에는, 음극에서 생성되는 용융 알루미늄을 수집하기 위한 하측 섬프(lower sump)가 존재한다. 셀의 상측 영역에는, AlCl3를 연속 공급하는 용융 염욕 저장기가 존재한다. 셀 뚜껑은 3개의 포트(port)를 포함하며, 하나는 라인(61)을 통해 저장기 내로 AlCl3를 공급하기 위한 것이고, 하나는 생성된 염소를 라인(42A)으로 통기하기 위한 것이고, 나머지 하나는 하측 알루미늄 금속 섬프의 하부 내로 연장되는 침지 튜브(dip tube)용의 세 번째 라인(61A)이다. 침지 튜브는 셀로부터 용융 알루미늄의 제거를 위해 사용된다. 용융 알루미늄이 하측 섬프의 하부로부터 디캔터(decanter) 내로 흐를 수 있도록 하여 알루미늄을 혼입 전해질로부터 분리하는 것도 가능하다. 알루미늄은 그 후 저장 탱크에 공급되고, 전해질은 펑핑되거나 압력에 의해 셀에 공급된다. 저장기 하방에는 상측 단자 양극, 여러 쌍극 전극(bipolar electrode) 및 하측 단자 음극이 존재하고, 모두 탄소로 이루어진다. 전극들은 중첩 방식으로 배치된다. 각 전극간 공간(inter-electrode space)은 (양극 표면으로서 작용하는) 하나의 전극의 상면과 (음극 전극으로서 작용하는) 또 다른 전극의 반대쪽 하면에 의해 경계가 정해진다. 전류, 양극 표면적 및 전압은 k-인자(k-factor) 방정식이라고 칭하는 방정식으로 조합된다. k-인자가 낮을수록, 셀은 100%의 효율에 가깝게 작동된다. 양극-음극 거리가 작을수록 셀은 더욱 효율적이다. 전해질 욕은 셀의 비어 있는 공간을 채우며, 욕이 전극들 사이를 통과하고 통전됨에 따라, 알루미늄 금속이 음극에서 형성되고 염소 가스가 양극에서 형성된다. 양극에서 생성된 염소 가스는 부양성이 있고 그 이동은 욕의 순환이 이루어지게 하도록 활용되며, 알루미늄은 음극 표면으로부터 이동하는 욕에 의해 탈락되어 외측으로 유동하는 욕으로부터 침강한다. 전기는 버스 바(buss bar)를 통해 셀들로 그리고 셀들 사이에 흐르고, 셀들 내에서 전해질을 통해 음극으로부터 양극으로 흐른다. 전류 밀도는 양극 표면적 in2 당 5amp 내지 15amp의 범위이다.
용융염 전해질은 적어도 50%의 염화나트륨(NaCl)과 40%의 염화리튬(LiCl)을 함유하여야 한다. 잔부는 적어도 5%의 AlCl3와 각각 1% 미만의 염화칼륨, 염화마그네슘 및 염화칼슘으로 이루어져야 한다. 이러한 전해질 욕은 대략 1220˚F(660℃) 내지 대략 1316˚F(713℃)의 온도로 유지될 수 있다.
이하의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이고, 본 발명의 범위를 한정하기 위한 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 개시 내용, 도면 및 첨부도면에 기초하여 당업자에게는 본 실시예의 변형 실시예와 균등 실시예가 자명할 것이다.
<실시예>
양을 알고 있는 탄광 폐기물이 조대한 분말로 분쇄되고 온도 제어식 전기로 내에 배치되었다. 그 후 온도가 1550˚F(843℃) 내지 1650˚F(899℃)로 승온되었고, 물질이 그 온도에 도달할 때까지 유지되었다. 도 7에서, 여러 시간 동안 고온에서 유지된 후에, 탄광 폐기물은 (미리 조대한 분말로 분쇄한) 천연 석탄과 함께 염소 처리기 내에 공급된다. 동시에, 염소 실린더로부터 라인(1)을 통해 염소가, 그리고 질소 실린더로부터 라인(5b)을 통해 질소가 염소 처리기 내에 공급되었다. 질소의 목적은 베드 유동화를 보조하기 위한 것이다. 하소된 탄광 폐기물 내의 산화물과 염소가 반응함에 따라, 산소가 유리되고 천연 석탄(탄소) 환원제를 연소한다. 스테인리스강 염소 처리기 내의 온도가 1850˚F(1010℃)로 상승하고, 가스, 액체, 유동화 미반응 고형물이 상부로부터 유출(흐름 1a)된다. 반응기 방출물 중 소량은 최적 반응을 위하여 염소 처리기 하부로 재순환(1b)된다. 반응기 방출물(1a)은 고형물 제거 작용을 하는 스크린을 통과하고, 시스템의 압력 제어를 위해 사용되는 스로틀 밸브를 통과한다. 시스템의 시동 시에 스로틀 밸브는 50% 개방되도록 설정된다. 밸브가 개방됨에 따라, 시스템의 압력은 감소하고 반응기 방출물 내의 가스는 팽창하기 시작하고 냉각되며, 이는 FeCl3 응축기의 냉각 효율(cooling duty)을 감소시킨다.
스로틀 밸브를 통과한 후에, 흐름(2)은 FeCl3 응축기의 하부로 진입하고, 내부 코일을 통해 흐르는 물에 의해 냉각된다. 코일을 통해 흐르는 물은 응축기의 온도가 대략 400˚F(204℃)로 유지되도록 제어한다. 이 온도에서, 가스 흐름 내의 FeCl3는 응축되고 응축기의 하부로 낙하한다. 소량의 응축기 배출물이 유입구로 다시 재순환(3b)되어 냉각을 보조한다. 대부분의 배출물(3a)은 AlCl3 응축기로 진입하고, 여기에서 시스템의 압력에 따라 온도가 대략 350˚F(177℃)까지 감소한다. 이는 응축된 따뜻한 AlCl3 증기를 차가운 질소/AlCl3 고형분 및 액체와 접촉시킴으로써 달성된다. 고상 AlCl3는 공급 호퍼 내에 적재되고 질소와 함께 응축기 내로 송풍된다. 질소 라인은 시스템 압력이 균형을 유지하도록 보조하는 스로틀 밸브를 구비한다. 질소/AlCl3 혼합물이 응축기에 진입함에 따라, 시스템 압력에 따라 일부 고형물은 용융된다. 고형물/액체 혼합물은 냉각되고, 응축기의 하부로 이동하는 가스상 AlCl3를 응축한다. 응축기는 사이클론 형상을 가지며, 가스는 혼입 고형분의 분리에 도움이 되도록 접선 방향으로 진입한다. 소량의 AlCl3 응축기 방출물은 흐름(4b)을 통해 응축기의 유입구로 재순환된다. 나머지 가스 흐름(4a)은 FeCl3 응축기와 동일하게 설계된 TiCl4 응축기의 하부로 이송된다. TiCl4 흐름은 유동하는 수돗물에 의해 응축되고 용기의 하부에서 수집된다. 잔류 가스는 수산화나트륨 용액으로 세정되어 표백제(bleach)를 형성한다.
실험 결과는 다음과 같다.
분리:
FeCl3 응축기 내의 Fe 농도 - Fe로서 88%
FeCl3 응축기 내의 Na 농도 - Na로서 10%
FeCl3 응축기 내의 Al 농도 - Al로서 2.4%
AlCl3 응축기 내의 Al 농도 - Al로서 99.4%
AlCl3 응축기 내의 Fe 농도 - Fe로서 0.37%
AlCl3 응축기 내의 Na 농도 - Na로서 0.06%
티타늄은 TiCl4 응축기 내에서 검출되었으나 그 양을 결정할 수 없었다.
30 중량% 산화알루미늄, 3 중량% 산화철, 1.5 중량% 산화티타늄을 함유하는 1lb(0.456kg)의 탄광 페기물의 시작 물질에 기초한 수율:
생성물 용기 내에 0.035lb(15.9g)의 FeCl3가 검출되었으며, 수율이 85.4%이다.
생성물 용기 내에 0.48lb(218g)의 AlCl3가 검출되었으며, 수율이 92.5%이다.
TiCl4의 수율은 결정이 불가하였다.
반응할 수 있었으나 응축되지 않은 염화물은 수율에 포함되어 있지 않다.
*본 발명의 특정 실시예를 참조하여 본 발명을 상세히 설명하였으나, 당해 분야의 기술자에게는 명세서와 도면 검토에 의해 다른 가능한 실시예, 변경 실시예, 대체 실시예 및 균등 실시예가 이해될 수 있을 것이다. 또한, 본 명세서에서의 실시예들의 여러 특징들은 여러 방식으로 조합되어 본 발명의 다른 실시예를 제공할 수 있다. 또한, 특정 용어는 설명의 명확성을 위한 목적으로 사용되었으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 첨부된 청구범위는 본 명세서에 기재된 바람직한 실시예에 대한 설명에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 진정한 사상과 범주 내에 속하는 그와 같은 모든 변형 실시예, 대체 실시예 및 균등 실시에를 포함하여야 한다.
본 발명에 대해 충분히 설명하였으므로, 당해 분야의 기술자라면, 본 발명의 범위 또는 본 발명의 실시 형태로부터 벗어나지 않고, 조건, 형식 및 기타 파라미터의 넓고 균등한 범위 내에서 본 발명의 방법을 실시할 수 있다는 점을 이해할 수 있을 것이다.
여기에 인용된 모든 특허 및 공보 문헌은 그 내용 전체가 참조되어 본 명에 충분히 포함된다. 공보의 인용은 출원일 전의 공지된 내용을 밝히기 위한 것이고, 그러한 공보가 종래 기술인 것으로, 또는 본 발명이 종래 발명으로 인하여 그러한 공보에 선행하는 자격을 갖추지 못한 것으로 해석되지 않아야 한다.

Claims (5)

  1. 적어도 규산알루미늄을 포함하는 불연성 물질과 가연성 물질을 포함하는 적어도 1종의 탄광 폐기물 및 석탄 화력 발전소 회분으로부터 적어도 1종의 금속 염화물을 준비하는 방법으로,
    (a) 열용량을 제공하기 위해 하소기 내의 산화 분위기에서 가연성 물질을 연소하고, 알루모실리케이트 구조 내의 결합을 끊어 불연성 물질의 알루모실리케이트 구조가 변화하도록 하는 데에 충분한 온도 조건 하에서 불연성 물질을 하소하여, 적어도 산화알루미늄을 포함하며, 융융되지 않은 적어도 1종의 금속 산화물을 포함하는 하소 생성물을 얻기 위해, 적어도 1종의 탄광 폐기물 및 석탄 화력 발전소 회분의 미세 입자들을 하소기 내로 장입하는 단계; 및
    (b) (ⅰ) 단계 (a)에서 얻은 하소 생성물을 도입하는 단계, (ⅱ) 적어도 1종의 금속 산화물의 함량에 기초하여 화학량론적인 양으로 염소가 존재하도록 하는 염소 공급원을 포함하는 염소 처리제를 도입하는 단계, (ⅲ) 유동상 염소 처리기에서 하소 생성물과 염소 처리제 및 석탄 입자를 혼합하고, 하소 생성물로부터 적어도 1종의 금속 산화물 함유 재료의 총 중량을 기준으로 비금속 염화물이 1 중량% 미만으로 생성되면서 적어도 염화알루미늄을 포함하는 적어도 1종의 금속 염화물을 형성하기 위해 석탄 입자들을 포함하는 환원제를 유동상 염소 처리기에 도입하는 단계를 포함하여, 유동상 염소 처리기에서 촉매를 사용하지 않으며 탄화염소화 처리하여 단계 (a)의 하소 생성물을 선택적으로 염소 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 염화물 준비 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    선택적인 염소 처리는 하소 생성물 내의 적어도 1종의 금속 산화물의 함량을 결정하는 단계 및 선택적 염소 처리 중에 그 결정에 기초한 염소원의 양과 석탄의 양을 사용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 염화물 준비 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 1종의 탄광 폐기물 및 석탄 화력 발전소 회분은 탄광 폐기물을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 염화물 준비 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    선택적인 염소 처리 단계 후에, 고형상과 가스를 포함하는 적어도 1종의 금속 염화물로부터 적어도 1종의 금속 염화물을 분리하는 단계를 추가로 포함하되, 상기 분리 단계는, 가스로부터 고형물을 분리하는 단계 및 분별 응축/증류에 의해 가스로부터 적어도 1종의 가스상 금속 염화물을 분리하는 단계를 포함하며,
    적어도 1종의 금속 염화물은 액체를 또한 포함하며, 상기 적어도 1종의 금속 염화물 분리 단계에서, 고형물로부터 액체를 분리하는 것을 특징으로 하는 금속 염화물 준비 방법.
  5. 삭제
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