KR101801530B1 - 석탄회 처리 장치 및 이를 이용한 석탄회 처리 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 석탄회 처리 장치 및 이를 이용한 석탄회 처리 방법에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 석탄회 처리장치는 석탄을 연소하여 배가스와 회분을 배출하는 보일러부; 상기 배출된 배가스로부터 황산을 제조하는 황산제조부; 및 상기 제조된 황산과 회분을 접촉하여 희유 금속 농축액을 생성하는 희유 금속 회수부;를 포함한다.
Description
본 발명은 석탄회 처리 장치 및 이를 이용한 석탄회 처리 방법에 관한 것이다.
희유 금속(rare metal)은 산출량이 적은 것에서 유래된 유용한 금속 원소를 의미하는데, 희유 금속은 분리공정이 매우 복잡하여 많은 비용이 소요되고 있으나, 최근 원자력, 전자공학, 우주개발 등의 실용화에 따라 공업적으로 반드시 필요한 물질로서 그 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 이에 따라 다양한 추출원으로부터 희유 금속을 얻기 위한 노력이 이루어지고 있다. 상기 희유 금속의 주요 추출원으로는 해수 및 고농도 염수, 심해의 광괴(鑛塊) 및 지상의 광석 등이 존재한다.
한편 국내에서 연간 약 900 만톤 발생하고 있는 석탄회(회분)에는 물질의 특성상 석탄에 존재하는 성분들이 농축되는 특성이 있으며, 전술한 리튬 등의 유가(有價) 금속 및 및 희로류 금속 등이 농축 함유되어 있다. 상기 회분은 주로 시멘트 제조의 원료와 도로 메움재 등 건설재료로 사용되고 있으나, 재활용되지 못하고 매립되는 양도 연간 수 백만톤에 달하고 있어 발전소 내 매립지 부족에 따른 대응방안 및 새로운 활용기술 개발이 필요한 실정이다.
따라서, 이러한 성분들의 추출원이 부존자원으로 거의 존재하지 않는 국내의 여건상, 연간 대량으로 생산되는 석탄회로부터 이러한 성분들을 추출하는 방법에 대한 관심이 높아지고 있으며, 이러한 추출 기술을 확보할 수 있다면 경제성뿐 아니라 국가적 차원의 전략물질 확보 방안으로서도 매우 의미 있는 일이 될 수 있다.
한편, 석탄 화력 발전용 보일러는 석탄을 주원료로 사용한다. 상기 석탄에는 약 1.0% 이하의 황화합물이 포함되어 있으며, 이러한 황화합물은 연소 과정에서 약 70% 정도가 배가스로 배출되는 것으로 알려져 있다. 현재 이러한 석탄 연소 과정에서 발생하는 황산화물을 습식방식의 탈황설비를 이용하여 석고 제조 등에 활용되고 있으나, 보다 고부가가치의 경제성 산출을 위한 기술개발이 필요한 실정이다.
본 발명과 관련한 선행기술은 대한민국 공개특허공보 제2009-0106470호(2009.10.09 공개, 발명의 명칭: 석탄회의 처리방법 및 처리장치)에 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 석탄 화력 발전시 배출되는 배가스의 자원화 효율이 우수한 석탄회 처리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 배가스를 이용하여 고품질의 황산을 제조할 수 있는 석탄회 처리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 배가스에 포함된 희유 금속의 회수 효율이 우수한 석탄회 처리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 석탄회 처리 장치를 이용한 석탄회 처리방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 관점은 석탄회 처리장치에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 석탄회 처리장치는 석탄을 연소하여 배가스와 회분을 배출하는 보일러부; 상기 배출된 배가스로부터 황산을 제조하는 황산제조부; 및 상기 제조된 황산과 회분을 접촉하여 희유 금속을 회수하는 희유 금속 회수부;를 포함한다.
한 구체예에서 상기 석탄회 처리장치는, 상기 보일러부와 연결되어 상기 배출된 배가스를 집진하여 회분 및 황화합물을 포함하는 처리가스로 분리하는 집진부;를 더 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 석탄회 처리장치는, 상기 황산제조부와 연결되어 제조된 황산을 저장하는 황산저장부; 및 상기 집진부와 상기 보일러부에서 분리된 회분을 회수하여 저장하는 제1 저장부;를 더 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 희유 금속 회수부는, 상기 제1 저장부 및 상기 황산저장부로부터 각각 이송된 회분 및 황산을 접촉하여 제1 혼합물을 제조하는 제1 반응부; 상기 제1 혼합물이 이송되어 제1 슬러지 및 제1 추출액으로 분리하는 제1 분리부; 상기 제1 슬러지가 이송 및 건조되어 제1 재생회분이 생성되는 제1 건조부; 및 상기 제1 추출액이 이송 및 건조되어 희유금속 농축액을 생성하는 농축액 생성부;를 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 회분 및 황산은 1:0.1 내지 1:10의 중량비로 접촉할 수 있다.
한 구체예에서 상기 희유 금속 회수부는, 상기 제1 재생회분이 이송되어 저장되는 제1 회분저장부; 및 상기 희유금속 농축액이 이송되어 저장되는 농축액 저장부;를 더 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 회분은 바텀 애쉬(Bottom Ash) 및 플라이 애쉬(Fly Ash) 중에서 하나 이상 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 석탄회 처리장치는 상기 회분을 회수하여 저장하는 제2 저장부; 상기 제2 저장부 및 황산저장부로부터 각각 이송된 회분 및 황산을 접촉하여 제2 혼합물을 제조하는 제2 반응부; 상기 제2 혼합물이 이송되어 제2 슬러지 및 제2 추출액을 분리하는 제2 분리부; 및 상기 제2 슬러지가 이송 및 건조되어 제2 재생회분이 생성되는 제2 건조부;를 더 포함하며, 상기 제2 추출액은 상기 농축액 생성부;로 이송되어 건조될 수 있다.
한 구체예에서 상기 석탄회 처리장치는 상기 황산제조부에서 황산 제조시 발생하는 반응열을 회수하는 반응열 회수기;를 더 포함하며, 상기 반응열 회수기로 회수된 반응열은, 제1 건조부, 제2 건조부 및 농축액 생성부의 건조열원으로 이용될 수 있다.
한 구체예에서 상기 석탄회 처리장치는 상기 집진부 전단에 구비되어, 상기 보일러부에서 배출된 배가스의 폐열을 회수하는 폐열회수기;를 더 포함하며, 상기 폐열회수기로 회수된 반응열은, 제1 건조부, 제2 건조부 및 농축액 생성부의 건조열원으로 이용될 수 있다.
본 발명의 다른 관점은 상기 석탄회 처리 장치를 이용한 석탄회 처리방법에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 석탄회 처리 방법은 석탄 화력 발전소의 보일러부에서 배출되는 배가스를 집진하여, 회분 및 황화합물을 포함하는 처리가스로 분리하는 단계; 상기 처리가스를 이용하여 황산을 제조하는 단계; 상기 회분 및 황산을 접촉하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물로부터 슬러지 및 추출액을 분리하는 단계; 및 상기 슬러지 및 추출액을 각각 건조하는 단계;를 포함한다.
한 구체예에서 상기 회분은 바텀 애쉬(Bottom Ash) 및 플라이 애쉬(Fly Ash) 중에서 하나 이상 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 황산은, 상기 처리가스에 산소 함유 가스를 투입하여, 제1 혼합가스를 형성하는 단계; 상기 제1 혼합가스를 촉매 존재하에 가열하여 제2 혼합가스를 제조하는 단계; 및 상기 제2 혼합가스를 물과 접촉하는 단계;를 포함하여 제조될 수 있다.
한 구체예에서 상기 회분 및 황산은 1:0.1 내지 1:10의 중량비로 접촉할 수 있다.
한 구체예에서 상기 슬러지를 건조하여 재생회분을 생성하며, 상기 추출액을 건조하여 희유 금속을 회수할 수 있다.
한 구체예에서 상기 슬러지 및 추출액은 상기 황산 제조시 발생하는 반응열을 이용하여 건조될 수 있다.
한 구체예에서 상기 슬러지 및 추출액은 상기 배가스의 폐열, 및 상기 보일러부의 보조스팀열 중 하나 이상을 이용하여 건조될 수 있다.
본 발명에 따른 석탄회 처리장치를 이용한 석탄회 처리방법을 적용시, 석탄 화력 발전 보일러에서 배출되는 배가스에 함유된 회분 및 황화합물을 이용하여, 고품질의 황산을 제조하고, 상기 황산을 이용하여 상기 회분으로부터 고순도의 재생회분 및 희유 금속을 회수할 수 있어, 자원화 효율 및 경제성이 우수하여 환경오염물질 처리 및 고부가가치 부산물의 생산과 활용을 동시에 달성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 석탄회 처리장치를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 구체예에 따른 석탄회 처리장치를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 구체예에 따른 석탄회 처리장치를 나타낸 것이다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
석탄회
처리장치
본 발명의 하나의 관점은 석탄회 처리장치에 관한 것이다. 도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 석탄회 처리장치를 나타낸 것이다. 상기 도 1을 참조하면, 석탄회 처리장치(1000)는 석탄을 연소하여 배가스와 회분을 배출하는 보일러부(101); 상기 배출된 배가스로부터 황산을 제조하는 황산제조부(201); 및 상기 제조된 황산과 회분을 접촉하여 희유 금속을 회수하는 희유 금속 회수부(미도시);를 포함한다.
상기 배가스는 희유 금속, 회분(석탄회), 및 황화합물을 포함할 수 있다. 또한 상기 희유 금속은, 희토류 금속 및 유가 금속을 포함할 수 있다. 상기 한 구체예에서 상기 황화합물은, 황(S), 황화수소(H2S) 및 이산화황(SO2) 등을 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 회분은 바텀 애쉬(Bottom Ash) 및 플라이 애쉬(Fly Ash) 중에서 하나 이상 포함할 수 있다.
한 구체예에서 석탄회 처리장치(1000)는, 보일러부(101)와 연결되어 상기 배출된 배가스를 집진하여 회분, 및 황화합물을 포함하는 처리가스로 분리하는 집진부(102);를 더 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 보일러부에서 배출된 배가스는 예열기(미도시)를 통해 가열되어 집진부(102)로 유입될 수 있다. 상기 배가스를 가열시, 집진부(102)에서의 집진 효율과 후술할 황산 제조시 공정 효율성이 우수할 수 있다.
집진부(102)는 보일러부(101)에서 배출된 배가스를 집진하여 회분 및 황화합물을 포함하는 처리가스로 분리하는 목적으로 포함될 수 있다. 집진부(102)는 통상적인 집진 장치를 포함할 수 있다. 예를 들면, 전기집진기(Electric Precipitator, EP)를 사용할 수 있다.
한 구체예에서 집진부(102)에서 분리된 회분은, 플라이 애쉬일 수 있다.
한 구체예에서 석탄회 처리장치(1000)는, 황산제조부(201)와 연결되어 제조된 황산을 저장하는 황산저장부(202); 및 집진부(102)와 보일러부(101)에서 분리된 회분을 회수하여 저장하는 제1 저장부(301);를 더 포함할 수 있다.
한 구체예에서 집진부(102)에서 분리된 처리가스는, 황산제조부(201)로 유입되어 황산(H2SO4)을 제조하여, 황산저장부(202)로 이송되어 저장될 수 있다. 한 구체예에서, 집진부(102) 후단에는 유량분배수단(미도시)이 구비되어, 유량배분을 통해 필요한 유량의 처리가스를 운전상황에 맞게 분배하여 유입시하여 황산을 제조할 수 있다. 또한, 집진부(102)에서 분리된 회분은, 제1 저장부(301)로 유입되어 저장된다. 또한, 상기 회분은 그대로 배출하여 재활용하거나, 매립지로 이송하여 폐기할 수 있다.
한 구체예에서 상기 희유 금속 회수부(미도시)는, 제1 저장부(301) 및 상기 황산저장부로부터 각각 이송된 회분 및 황산을 접촉하여 제1 혼합물을 제조하는 제1 반응부(302); 상기 제1 혼합물이 이송되어 제1 슬러지 및 제1 추출액으로 분리하는 제1 분리부(303); 상기 제1 슬러지가 이송 및 건조되어 제1 재생회분이 생성되는 제1 건조부(304); 및 상기 제1 추출액이 이송 및 건조되어 희유금속 농축액을 생성하는 농축액 생성부(401);를 포함할 수 있다.
상기 도 1을 참조하면, 제1 저장부(301) 및 황산저장부(202)에 저장된 회분 및 황산은 각각 제1 반응부(302)로 이송되며, 상기 이송된 회분 및 황산을 접촉하여 제1 혼합물을 제조할 수 있다. 한 구체예에서 상기 회분 및 황산은 1:0.1 내지 1:10의 중량비로 접촉할 수 있다. 상기 범위에서, 상기 회분에 포함된 중금속이 용이하게 용탈될 수 있다.
제1 분리부(303)는 상기 제1 혼합물이 이송되어 제1 슬러지 및 제1 추출액으로 분리한다. 상기 제1 분리부(303)는 통상적인 것을 사용할 수 있다. 예를 들면, 고액분리장치를 사용할 수 있다.
제1 분리부(303)에서 분리된 제1 슬러지는 제1 건조부(304)로 이송되어 건조되어, 제1 재생회분이 생성된다.
또한, 제1 분리부(303)에서 분리된 제1 추출액은 농축액 생성부(401)로 이송되어 건조되어, 상기 제1 추출액에 포함된 희유 금속이 회수된다.
상기 도 1을 참조하면, 상기 농축액 저장부(미도시)는 상기 건조된 제1 슬러지가 이송되어 저장되는 제1 회분저장부(305); 및 상기 희유 금속 농축액이 이송되어 저장되는 농축액 저장부(402);를 더 포함할 수 있다.
한 구체예에서 농축액 저장부(402)에 저장된 상기 희유금속 농축액은, 희유금속 회수부(미도시)로 이송되어, 희유 금속을 회수할 수 있다. 한 구체예에서 상기 희유 금속 회수부 에서는 분별결정법, 분별침전법, 선택적 산화환원법, 이온교환 크로마토그래피법, 용매추출법 및 추출 크로마토그래피법 중 하나 이상을 사용하여 상기 희유금속 농축액으로부터 희유 금속을 회수할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 구체예에 따른 석탄회 처리장치(2000)를 나타낸 것이다. 상기 도 2를 참조하면, 석탄회 처리장치(2000)는 보일러부(101)에서 배출된 회분(바닥회: Bottom ash) 및 집진부(102)에서 분리된 회분(비회: fly ash) 중 하나 이상을 회수하여 저장하는 제2 저장부(601); 제2 저장부(601) 및 황산저장부(202)로부터 각각 이송된 회분 및 황산을 접촉하여 제2 혼합물을 제조하는 제2 반응부(602); 상기 제2 혼합물이 이송되어 제2 슬러지 및 제2 추출액을 분리하는 제2 분리부(603); 및 상기 제2 슬러지가 이송 및 건조되어 제2 재생회분이 생성되는 제2 건조부(604);를 더 포함할 수 있다. 상기 제2 추출액은 농축액 생성부(401)로 이송되어 건조될 수 있다.
또한, 석탄회 처리장치(2000)는, 상기 건조된 제2 슬러지가 이송되어 저장되는 제2 회분저장부(605);를 더 포함할 수 있다.
한 구체예에서, 제2 저장부(601)로 이송되는 회분은, 바텀 애쉬일 수 있다. 또한, 보일러부(101)에서 배출되는 회분은 그대로 배출하여 재활용하거나, 매립지로 이송하여 폐기할 수 있다.
상기 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 석탄회 처리장치(1000, 2000)는, 상기 황산 제조부(201)에서 황산 제조시 발생하는 반응열을 회수하는 반응열 회수기(501);를 더 포함할 수 있다.
상기 도 1 및 도 2를 참조하면, 한 구체예에서 반응열 회수기(501)로 회수된 반응열은, 제1 건조부(304), 제2 건조부(604) 및 농축액 생성부(401)의 건조열원으로 이용될 수 있다. 상기 반응열을 건조 열원으로 이용시, 공정효율성 및 경제성이 우수할 수 있다.
한 구체예에서 석탄회 처리장치(1000)는 집진부(102) 전단에 구비되어, 보일러부(101)에서 배출된 배가스의 폐열 및 보일러부(101) 보조 스팀열 중 하나 이상을 회수하는 폐열회수기(미도시)를 더 포함할 수 있다. 한 구체예에서 상기 폐열회수기로 회수된 반응열은, 제1 건조부(304), 제2 건조부(604) 및 농축액 생성부(401)의 건조 및 가열열원으로 이용될 수 있다.
한 구체예에서 상기 보조 스팀의 온도는 100℃~450℃ 일 수 있으며, 보일러부(101)에서 배출되는 상기 배가스의 온도는 300℃~450℃ 일 수 있다. 상기 배가스의 폐열을 건조 열원으로 이용시, 공정효율성 및 경제성이 우수할 수 있다.
석탄회
처리방법
본 발명의 다른 관점은 상기 석탄회 처리장치를 이용한 석탄회 처리방법에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 석탄회 처리방법은 (S101) 배가스 집진단계; (S102) 황산 제조단계; (S103) 혼합물 제조단계; (S104) 혼합물 분리단계; (S105) 건조단계;를 포함한다. 좀 더 구체적으로, 상기 석탄회 처리방법은 (S101) 석탄 화력 발전소의 보일러부에서 배출되는 배가스를 집진하여, 회분 및 황화합물을 포함하는 처리가스로 분리하는 단계; (S102) 상기 처리가스를 이용하여 황산을 제조하는 단계; (S103) 상기 회분 및 황산을 접촉하여 혼합물을 제조하는 단계; (S104) 상기 혼합물로부터 슬러지 및 추출액을 분리하는 단계; 및 (S105) 상기 슬러지 및 추출액을 각각 건조하는 단계;를 포함한다.
이하, 상기 석탄회 처리방법을 단계별로 상세히 설명하도록 한다.
(S101)
배가스
집진단계
상기 단계는 석탄 화력 발전소의 보일러부에서 배출되는 배가스를 집진하여, 회분 및 황화합물을 포함하는 처리가스로 분리하는 단계이다.
(S102) 황산 제조단계
상기 단계는 상기 처리가스를 이용하여 황산을 제조하는 단계이다. 한 구체예에서 상기 황산은 통상적인 공정을 통해 제조될 수 있다. 예를 들면 습식 공정을 통해 제조될 수 있다. 예를 들면 (a) 제1 혼합가스 형성단계; (b) 제2 혼합가스 형성단계; 및 (c) 수화단계;를 포함할 수 있다. 좀 더 구체적으로, (a) 상기 처리가스에 산소 함유 가스를 투입하여, 제1 혼합가스를 형성하는 단계; (b) 상기 제1 혼합가스를 촉매 존재하에 가열하여 제2 혼합가스를 제조하는 단계; 및 (c) 상기 제2 혼합가스를 물과 접촉하는 단계;를 포함하여 제조될 수 있다.
(a) 제1 혼합가스 형성단계
상기 처리가스에 산소 함유 가스를 투입하여, 제1 혼합가스를 형성하는 단계이다. 한 구체예에서, 상기 처리가스에 포함된 황 화합물은, 하기 식 1과 같은 반응을 통해 제1 혼합가스를 형성할 수 있다.
[식 1]
H2S + 1/2O2 = H2O + SO2 + 518 KJ/mol
(b) 제2 혼합가스 형성단계
상기 단계는 상기 제1 혼합가스를 촉매 존재하에 가열하여 제2 혼합가스를 제조하는 단계이다. 구체에에서 상기 촉매로는 오산화바나듐(V2O5)을 사용할 수 있다. 상기 촉매를 적용시 이산화황을 삼산화황으로 전환 효율이 우수하여 고품질 황산을 제조할 수 있다. 한 구체예에서 상기 제1 혼합가스는 300℃~450℃로 가열할 수 있다. 상기 온도로 가열시 하기 식 2와 같이 반응이 진행되어 이산화황(SO2)을 삼산화황(SO-3)으로 전환하는 효율이 우수하여 고품질의 황산을 제조할 수 있다.
[식 2]
SO2 + 1/2O2 = SO3 + 99 KJ/mol
(c) 수화단계
상기 단계는 상기 제2 혼합가스를 물과 접촉하여 하기 식 3과 같은 반응을 통해 황산(H2SO4)을 제조하는 단계이다. 상기 “접촉”은 상기 삼산화황(SO3)이 물과 반응하여, 물에 삼산화황이 흡수되는 것을 의미하는 것일 수 있다.
[식 3]
SO3 + H2O = H2SO4(g) + 101 KJ/mol
또한, 상기 생성된 가스상의 황산은, 하기 식 4와 같은 응축 공정을 더 실시하여, 액상의 황산으로 제조할 수 있다.
[도 4]
H2SO4(g) = H2SO4(l) + 90 KJ/mol
상기와 같이 황산 제조시 95% 이상의 순도를 갖는 황산 제조가 가능할 수 있다. 상기 황산은 전술한 황산저장부(202)에 이송되어 저장된 다음, 회분에 함유된 중금속을 용탈하기 위해 사용된다.
한 구체예에서 상기 황산 제조시 발생하는 반응열은, 전술한 바와 같이 반응열 회수기(501)를 통하여 회수될 수 있다.
(S103) 혼합물 제조단계
상기 단계는 상기 회분 및 황산을 접촉하여 혼합물을 제조하는 단계이다. 상기 회분은, 전술한 집진기(102)에서 분리된 회분 및, 보일러부(101)에서 배출된 회분 중에서 하나 이상을 사용할 수 있다. 상기와 같이 회분 및 황산을 접촉시, 상기 회분에 포함된 중금속 성분이 용탈되어 제거될 수 있어, 고순도의 슬러지를 회수할 수 있다.
한 구체예에서 상기 회분 및 황산은 1:0.1 내지 1:10의 중량비로 접촉할 수 있다. 상기 범위에서, 상기 회분에 포함된 중금속 성분이 용이하게 제거될 수 있다.
(S104) 혼합물 분리단계
상기 단계는 상기 혼합물로부터 슬러지 및 추출액을 분리하는 단계이다. 상기 분리는, 통상적인 고액분리 장치를 이용하여 슬러지 및 액상의 추출액으로 분리할 수 있다. 이때 상기 추출액은 희유 금속 이온을 함유할 수 있다.
한 구체예에서 상기 희유 금속은 루테늄(Ruthenium, Ru), 로듐(Rhodium, Rh), 팔라듐(Palladium, Pa), 은(Silver, Ag), 오스뮴(Osmium, Os), 이리듐(Iridium, Ir), 플래티눔(Platinum, Pt), 금(Gold, Au), 스칸듐(Scandium, Sc), 이트륨(Yttrium, Y), 란타눔(Lanthanum, La), 세륨(Cerium, Ce), 프라세오디뮴(Praseodymium, Pr), 네오디뮴(Neodymium, Nd), 프로메튬(Promethium, Pm), 사마륨(Samarium, Sm), 유로퓸(Europium, Eu), 가돌리늄(Gadolinium, Gd), 터븀(Terbium, Tb), 디스프로슘(Dysprosium, Dy), 홀뮴(Holmium, Ho), 에르븀(Erbium, Er), 툴륨(Thulium, Tm), 이터븀(Ytterbium, Yb) 및 루테튬(Lutetium, Lu) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
(S105) 건조단계
상기 단계는 상기 슬러지 및 추출액을 각각 건조하는 단계이다.
한 구체예에서 상기 슬러지를 건조하여 재생회분을 생성하며, 상기 추출액을 건조하여, 희유 금속 이온이 함유된 희유 금속 농축액을 생성할 수 있다. 상기 희유 금속 농축액은, 통상적인 방법을 이용하여 희유 금속을 회수할 수 있다. 예를 들면, 분별결정법, 분별침전법, 선택적 산화환원법, 이온교환 크로마토그래피법, 용매추출법 및 추출 크로마토그래피법 중 하나 이상을 사용하여 상기 희유금속 농축액으로부터 희유 금속을 회수할 수 있다.
한 구체예에서 상기 황산 제조시 발생하는 반응열은, 반응열 회수기로 회수된 후, 슬러지 및 추출액을 건조하기 위한 열원으로 사용될 수 있다. 상기 반응열을 건조 열원으로 이용시, 공정효율성 및 경제성이 우수할 수 있다.
다른 구체예에서 상기 슬러지 및 추출액은 상기 배가스 폐열, 및 보일러부의 보조스팀열 중 하나 이상을 열원으로 이용하여 건조될 수 있다. 상기 배가스 폐열, 및 보조스팀열을 건조 열원으로 이용시, 공정효율성 및 경제성이 우수할 수 있다.
상기 석탄회 처리방법을 적용시, 석탄속에 포함된 황성분이 연소하는 과정에서 발생하는 황화합물을 회수하여 고품질의 황산을 제조하고, 회분의 중금속 성분을 제거하여 재생회분을 제조할 수 있는 공정을 제시함으로써 효과적인 환경오염물질 처리 및 고부가가치 부산물의 생산과 활용을 동시에 구현할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
실시예
도 2와 같은 석탄회 처리장치(2000)를 이용하여 석탄회를 처리하였다.
석탄 화력 발전소의 보일러부(101)에서 배출되는 배가스를 집진부(102)에서 전기 집진하여, 회분(플라이 애쉬(fly ash)) 및 황화합물을 포함하는 처리가스로 분리하였다.
상기 회분은 제1 저장부(301)로 이송되어 저장되고, 처리가스는 황산제조부(201)로 유입되어, 황산을 제조하였다. 좀 더 구체적으로 상기 처리가스에 산소 함유 가스를 투입하여, 제1 혼합가스를 형성하는 단계; 상기 제1 혼합가스를 촉매(오산화 바나듐, V2O5 -) 존재하에 400℃로 가열하여 제2 혼합가스를 제조하는 단계; 및 상기 제2 혼합가스를 물과 접촉하고 가스상의 황산을 제조한 다음, 이를 응축하여 액상의 황산을 제조하여 황산저장부(202)로 유입하여 저장하였다. 이때, 황산 제조 공정에서 발생한 반응열은, 반응열 회수기(501)를 통해 회수되었다.
제1 저장부(301) 및 황산저장부(202)로부터 각각 회분 및 황산을 제1 반응부(302)로 이송하고, 회분 및 황산을 1:2 중량비로 접촉하여, 제1 혼합물을 제조하였다. 그 다음에, 상기 혼합물은 제1 분리부(303)로 이송되어 제1 슬러지 및 제1 추출액으로 분리하였다. 상기 제1 슬러지는 제1 건조부(304)로 이송 및 건조되어 제1 재생회분을 형성하고, 상기 제1 추출액은 농축액 생성부(401)로 이송 및 건조하여, 희유 금속 농축액을 생성하였다. 상기 제1 재생회분은 제1 회분저장부(305)로 이송하여 저장되고, 상기 희유 금속 농축액은 농축액 저장부(402)로 이송되어 저장되었다.
또한 보일러부(101)에서 배출된 회분(바텀 애쉬(bottom ash))을 제2 저장부(601)에 저장한 다음, 제2 저장부(601) 및 황산저장부(202)로부터 각각 이송된 회분 및 황산을 제2 반응부(602)로 이송하고, 회분 및 황산을 1:2 중량비로 접촉하여, 제2 혼합물을 제조하였다. 그 다음에, 상기 제2 혼합물을 제2 분리부(603)로 이송하여 제2 슬러지 및 제2 추출액으로 분리하였다. 상기 제2 슬러지는 제2 건조부(604)로 이송 및 건조되어 제2 재생회분을 형성하고, 상기 제2 추출액은 농축액 생성부(401)로 이송 및 건조되어 희유 금속 농축액을 생성하였다. 상기 제2 재생회분은 제2 회분저장부(605)로 이송하여 저장되었다.
이때 반응열 회수기(501)로 회수된 상기 반응열은, 제1 건조부(304), 제2 건조부(604) 및 농축액 생성부(401)의 건조열원으로 이용하였다.
하기 표 1은 석탄 화력 발전소에서 발생하는 회분에 포함된 희유 금속 함량을 분석한 결과를 나타낸 것이다.
상기 표 1에서, Favg: 플라이 애쉬의 평균 희유 금속 함량(mg/Kg), Bavg: 바텀 애쉬의 평균 희유 금속 함량(mg/Kg), Pavg: 폰드 애쉬(Pond ash, 석탄회분 매립장에 저장되어 있는 석탄회)의 평균 희유 금속 함량(mg/Kg)을 나타낸다. 상기 표 1을 참조하면, 상기 회분에는 희유 금속이 다량 함유되어 있으며, 특히 이트륨 및 네오디뮴 성분의 함량이 높은 것을 알 수 있다.
하기 표 2는 상기 회분 및 황산을 접촉하여 혼합물 제조시, 희유 금속 중 이트륨 및 네오디뮴의 추출율을 측정한 결과를 나타낸 것이다. 좀 더 구체적으로 플라이 애쉬 10mg에 물 200mg를 혼합한 후, 황산으로 추출액을 제조한 후 희유 금속 중 이트륨 및 네오디뮴의 추출율을 측정한 결과를 나타내었다.
상기 표 2를 참조하면, 본 발명에 따른 혼합물 제조시, 희유 금속 추출율이 우수한 것을 알 수 있었다.
하기 표 3은, 회분과 접촉하는 용매의 종류에 따른 회분에 함유된 중금속 추출 결과를 나타낸 것이고, 하기 표 4는 회분과 용매를 접촉한 이후, 중금속 용출실험 결과를 나타낸 것이다.
상기 표 3 및 표 4의 결과를 참조하면, 본 발명에 따라 제조된 황산과 회분을 접촉시, 중금속을 추출하여 제거 효과가 우수하여, 회분에 함유된 중금속 제거를 통해 고순도의 재생 회분을 생산할 수 있음을 알 수 있었다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
101: 보일러부 102: 집진부
201: 황산제조부 202: 황산저장부
301: 제1 저장부 302: 제1 반응부
303: 제1 분리부 304: 제1 건조부
305: 제1 회분저장부 401: 농축액 생성부
402: 농축액 저장부 501: 반응열 회수기
601: 제2 저장부 602: 제2 반응부
603: 제2 분리부 604: 제2 건조부
605: 제2 회분저장부 1000, 2000: 석탄회 처리장치
201: 황산제조부 202: 황산저장부
301: 제1 저장부 302: 제1 반응부
303: 제1 분리부 304: 제1 건조부
305: 제1 회분저장부 401: 농축액 생성부
402: 농축액 저장부 501: 반응열 회수기
601: 제2 저장부 602: 제2 반응부
603: 제2 분리부 604: 제2 건조부
605: 제2 회분저장부 1000, 2000: 석탄회 처리장치
Claims (17)
- 석탄을 연소하여 배가스와 회분을 배출하는 보일러부;
상기 배출된 배가스로부터 황산을 제조하는 황산제조부;
상기 제조된 황산과 회분을 접촉하여 희유 금속을 회수하는 희유 금속 회수부;
상기 보일러부와 연결되어 상기 배출된 배가스를 집진하여 회분 및 황화합물을 포함하는 처리가스로 분리하는 집진부;
상기 황산제조부와 연결되어 제조된 황산을 저장하는 황산저장부; 및
상기 집진부와 상기 보일러부에서 분리된 회분을 회수하여 저장하는 제1 저장부;를 포함하며,
상기 희유 금속 회수부는,
상기 제1 저장부 및 상기 황산저장부로부터 각각 이송된 회분 및 황산을 접촉하여 제1 혼합물을 제조하는 제1 반응부;
상기 제1 혼합물이 이송되어 제1 슬러지 및 제1 추출액으로 분리하는 제1 분리부;
상기 제1 슬러지가 이송 및 건조되어 제1 재생회분이 생성되는 제1 건조부; 및
상기 제1 추출액이 이송 및 건조되어 희유 금속 농축액을 생성하는 농축액 생성부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 석탄회 처리장치.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 회분 및 황산은 1:0.1 내지 1:10의 중량비로 접촉하는 것을 특징으로 하는 석탄회 처리장치.
- 제1항에 있어서, 상기 희유 금속 회수부는, 상기 제1 재생회분이 이송되어 저장되는 제1 회분저장부; 및
상기 희유금속 농축액이 이송되어 저장되는 농축액 저장부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 석탄회 처리장치.
- 제1항에 있어서, 상기 회분은 바텀 애쉬(Bottom Ash) 및 플라이 애쉬(Fly Ash) 중에서 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 석탄회 처리장치.
- 제1항에 있어서, 상기 석탄회 처리장치는 상기 회분을 회수하여 저장하는 제2 저장부;
상기 제2 저장부 및 황산저장부로부터 각각 이송된 회분 및 황산을 접촉하여 제2 혼합물을 제조하는 제2 반응부;
상기 제2 혼합물이 이송되어 제2 슬러지 및 제2 추출액을 분리하는 제2 분리부; 및
상기 제2 슬러지가 이송 및 건조되어 제2 재생회분이 생성되는 제2 건조부;를 더 포함하며,
상기 제2 추출액은 상기 농축액 생성부로 이송되어 건조되는 것을 특징으로 하는 석탄회 처리장치.
- 제8항에 있어서, 상기 석탄회 처리장치는 상기 황산제조부에서 황산 제조시 발생하는 반응열을 회수하는 반응열 회수기;를 더 포함하며,
상기 반응열 회수기로 회수된 반응열은, 제1 건조부, 제2 건조부 및 농축액 생성부의 건조열원으로 이용되는 것을 특징으로 하는 석탄회 처리장치.
- 제9항에 있어서, 상기 석탄회 처리장치는 상기 집진부 전단에 구비되어, 상기 보일러부에서 배출된 배가스의 폐열을 회수하는 폐열회수기;를 더 포함하며,
상기 폐열회수기로 회수된 반응열은, 제1 건조부, 제2 건조부 및 농축액 생성부의 건조열원으로 이용되는 것을 특징으로 하는 석탄회 처리장치.
- 석탄 화력 발전소의 보일러부에서 배출되는 배가스를 집진하여, 회분 및 황화합물을 포함하는 처리가스로 분리하는 단계;
상기 처리가스를 이용하여 황산을 제조하는 단계;
상기 회분 및 황산을 접촉하여 혼합물을 제조하는 단계;
상기 혼합물로부터 슬러지 및 추출액을 분리하는 단계; 및
상기 슬러지 및 추출액을 각각 건조하는 단계;를 포함하며,
상기 슬러지 및 추출액은 상기 황산 제조시 발생하는 반응열을 이용하여 건조되는 것을 특징으로 하는 석탄회 처리방법.
- 제11항에 있어서, 상기 회분은 바텀 애쉬(Bottom Ash) 및 플라이 애쉬(Fly Ash) 중에서 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 석탄회 처리방법.
- 제11항에 있어서, 상기 황산은,
상기 처리가스에 산소 함유 가스를 투입하여, 제1 혼합가스를 형성하는 단계;
상기 제1 혼합가스를 촉매 존재하에 가열하여 제2 혼합가스를 제조하는 단계; 및
상기 제2 혼합가스를 물과 접촉하는 단계;를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 석탄회 처리방법.
- 제11항에 있어서, 상기 회분 및 황산은 1:0.1 내지 1:10의 중량비로 접촉하는 것을 특징으로 하는 석탄회 처리방법.
- 제11항에 있어서, 상기 슬러지를 건조하여 재생회분을 생성하며,
상기 추출액을 건조하여 희유 금속을 회수하는 것을 특징으로 하는 석탄회 처리방법.
- 삭제
- 제11항에 있어서, 상기 슬러지 및 추출액은 상기 배가스의 폐열, 및 상기 보일러부의 보조스팀열 중 하나 이상을 이용하여 건조되는 것을 특징으로 하는 석탄회 처리방법.
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