KR102293336B1 - 산화니켈과 산화몰리브덴의 수소 환원 장치 - Google Patents

산화니켈과 산화몰리브덴의 수소 환원 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산화니켈과 산화몰리브덴의 수소 환원 장치에 관한 것으로, 산화니켈(Nickel Oxide=NiO)과 산화몰리브덴(Molybdenum Oxide=MoO3)의 수소 환원(Hydrogen Reduction)을 이용한 제련 기술에 있어, 연속적이고 자동화된 수소 환원프로세서(Process)를 갖는 장치로써, 산화니켈과 산화몰리브덴의 광석 분말을 예열하기 위한 예열용 로터리 킬른(Rotary Kiln)과 예비 수소 환원을 위한 1차 수소 환원용 로터리 킬른 및 고온에서 수소 환원을 수행할 2차 고온 수소 환원 로터리 킬른을 설치하며, 상기 설치된 각각의 로터리 킬른의 가열원은 고주파를 이용한 전기유도가열 또는 SiC Heat 가열 방식이고, 상기 설치된 각각의 로터리 킬른 챔버의 내벽은 그라파이트(Graphite) 또는 실리콘 카바이드(Silicon Carbide) 및 질화실리콘(Si3N4) 재질 중에서 어느 하나가 선택되어 성형되는 산화니켈과 산화몰리브덴의 수소 환원 장치를 구현함으로써, 높은 열효율과 자동화로 연속적인 생산성은 물론 간단한 설비로 고장이 없으며 투자비와 유지보수비를 크게 절감할 수 있는 효과가 있다.

Description

산화니켈과 산화몰리브덴의 수소 환원 장치{Apparatus for hydrogen reduction of nickel oxide and molybdenum oxide}
본 발명은 수소 환원 장치에 관한 것으로, 특히 기존 환원 장치의 구조와 수소의 소모량을 획기적으로 개선시켜, 연속적이면서 자동화된 수소 환원 장치를 통한 금속산화물을 대량으로 환원시킬 수 있도록 한 산화니켈과 산화몰리브덴의 수소 환원 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 금속광물의 환원 및 제련 방법에는 크게 습식제련법과 건식제련법으로 분류된다.
습식제련법은 금속광물을 염산, 황산 등과 같은 화학용액으로 침출 또는 용해한 후 치환반응에 의해 금속을 환원하거나 전기분해를 통하여 제련하는 방법이다. 건식제련법은 대용량의 제련법으로 현존하는 대부분의 금속제련 업체가 채택하는 방법이며, 가장 보편적인 제련법으로 광석을 용융하여 환원하는 제련법이다. 그리고 제련하고자 하는 금속광물을 가열 용융시키고 여기에 코크스, 실리콘, 알루미늄 등의 환원제를 투입하여 환원하는 방법과 금속산화물을 분쇄하여 분말화한 후 알루미늄과 같은 산화반응열이 높은 금속 분말을 혼합하여 테르밋 반응(Thermit Reaction)을 일으켜 환원하는 제련법이 있다.
상기와 같은 제련법들은 장단점이 있으며 특히 대부분의 기업이 채용하는 제련법인 고로(高爐)용광로 법이나 전기로 제련법은 엄청난 공해를 유발시키는 제련법이다. 습식제련법도 화공약품을 사용하기 때문에 수질 공해가 발생한다. 이러한 환경적 문제 때문에 공해가 없거나 적게 발생하는 제련기술의 개발은 세계의 모든 제련기업들이 추구하는 화두이며 숙제이다.
지금까지 개발되어 있는 가장 친환경적인 제련기술은 수소 환원(Hydrogen Reduction)이며, 연구개발 단계를 지나 일부 양산기술로 발전했다. 그러나 아직 두 가지 난제로 인해 모든 금속의 제련에는 한계를 가지고 있다. 첫 번째 문제는 환원제로 사용되는 수소의 가격이 지나치게 높다는 것이다. 수소 가격은 수소자동차 등의 출현으로 수소의 수요가 크게 늘어남에 따라 세계 각국의 기술자들이 활발한 연구를 진행하고 있어 머지않아 현재 시가의 30% 이하로 떨어질 것으로 기대되고 있다. 두 번째는 수소와 반응시킬 수 있는 최적의 반응로를 개발하지 못한 점이다. 반응로의 경우 현재까지 상용화 된 프로세서는 회전하는 컨베이어(Conveyer) 위에 환원할 광석분말을 담은 용기(Batt)를 얹어 수소가 충진 된 챔버(Chamber) 내로 이송시켜 수소 환원이 일어나도록 하는 방법이다. 이는 Fe, Ni 등의 저융점 금속광물은 환원 후 챔버의 내부 벽이나 용기에 달라붙는 스틱(stick)현상이 발생하는 문제점이 있다.
한편, 대한민국 등록특허공보(B1) 제10-0844106호(2008.07.04.)의 로터리 킬른식 금속산화물 환원장치에 의하면, 금속산화물을 가열하는 가열존과, 가열된 금속산화물을 냉각하는 냉각존을 일체의 머플로 구성하고, 금속산화물이 가열 및 냉각과정을 통하여 지속적으로 환원 반응할 수 있도록 가열존에서 냉각존으로 갈수록 하향 경사지게 구성하며, 머플은 모터에 의하여 일정한 속도로 회전되도록 구성하여 니켈 혹은 몰리브덴과 같은 금속산화물을 대량으로 환원시킬 수 있도록 한다.
그러나 위 특허기술은 앞서 언급된 값비싼 수소가스 자체를 환원제로 사용함에도 불구하고 사용량이 과다할 뿐만 아니라, 챔버내부 벽체를 내열 스테인리스강을 사용함에 따라 고온의 가열존에서 환원반응 후 머플 내부에 환원된 금속이 엉겨 붙는 문제점은 여전히 포함하고 있다.
본 발명의 목적은, 종래기술의 문제점을 해소함과 동시에 수소 환원 챔버 내부에 그라파이트(Graphite) 재질의 라이닝 튜브를 적용한 3개의 로터리 킬른을 수평 혹은 수직으로 설치하되, 1차 로터리 킬른에서는 건조 및 예열을 하며, 2차 로터리 킬른에서는 저온 수소 환원을 실시하고, 3차 로터리 킬른에서는 고온 수소 환원을 시행토록 함으로써, 연속적이면서 자동화된 수소 환원 장치를 통한 니켈 혹은 몰리브덴과 같은 금속산화물을 대량으로 환원시킬 수 있으며, 2차 및 3차 로터리 킬른의 가열원을 전기유도가열 또는 SiC Heat 가열 시스템을 채택하여 온도제어가 신속하고 정확하게 할 수 있을 뿐만 아니라, 구조가 간단하여 설치비와 유지 보수비를 크게 줄일 수 있도록 한 산화니켈과 산화몰리브덴의 수소 환원 장치를 제공한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 산화니켈과 산화몰리브덴의 수소 환원 장치에 있어서, 상기 장치는 제1 호퍼(Hopper,110)를 통해 장입된 광석(NiO 또는 MoO3) 분말을 교반시키기 위한 다수개의 날개(120)가 내경에 용접되며, 스테인리스강으로 제작된 원통형의 제1 챔버(130A)를 1~10RPM으로 회전 및 교반시키면서 LPG 또는 LNG 가스버너(140)를 상기 제1 챔버 내부로 직접 분사하여 200℃ 내지 300℃로 가열시켜 건조 및 예열 기능을 수행하는 제1 로터리 킬른 장치(100)와; 상기 제1 로터리 킬른 장치에서 건조 및 예열된 광석 분말을 회전이 가능하고 내경에는 그라파이트(Graphite) 재질의 라이닝 튜브(Lining Tube)로 성형된 원통형의 제2 챔버(130B) 내부로 장입시킨 후, 1~10RPM으로 회전 및 교반시키면서 제1 수소개질장치(260)를 통해 부탄가스를 개질하여 생산한 수소 주입 및 고주파를 이용한 전기유도가열 또는 SiC Heat 가열 중에서 어느 하나에 의해 1차로 저온 수소 환원반응 기능을 수행하는 제2 로터리 킬른 장치(200)와; 상기 제2 로터리 킬른 장치(200)에서 1차로 수소 환원반응을 시킨 광석 분말을 회전이 가능하고 내경에는 그라파이트(Graphite) 재질의 라이닝 튜브(Lining Tube)로 성형된 원통형의 제3 챔버(130C) 내부로 장입시킨 후, 1~10RPM으로 회전 및 교반시키면서 제2 수소개질장치(360)를 통해 부탄가스를 개질하여 생산한 수소 주입 및 고주파를 이용한 전기유도가열 또는 SiC Heat 가열 중에서 어느 하나에 의해 2차로 고온 수소 환원반응 시 광석 분말의 입자간의 초음파 진동에 의해 엉겨 붙는 것을 방지하고 효율적인 환원반응이 발생하도록 촉매 역할을 하는 초음파발생장치(400)와 환원된 니켈 또는 몰리브덴 금속을 냉각시키기 위한 쿨링챔버(Cooling Chamber,500)를 갖는 제3 로터리 킬른 장치(300)가 포함되는 것을 특징으로 하는 산화니켈과 산화몰리브덴의 수소 환원 장치를 제공한다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 제2 로터리 킬른 장치(200)는, 상기 제1 로터리 킬른 장치(100)로부터 장입된 산화니켈(NiO) 또는 산화몰리브덴(MoO3)의 광석 분말을 상기 제2 챔버(130B) 내부로 장입시키는 제2 호퍼(210)와, 상기 제2 챔버(130B) 내경에 다수개로 장착되며, 상기 제2 호퍼(210)를 통해 장입된 광석의 분말이 상기 내경의 측벽을 따라 상승하였다가 자유낙하 되면서 자연스런 교반작용으로 수소와의 환원반응이 촉진되도록 하는 제1 스크류(Screw,220)와, 상기 제2 챔버(130B)의 외경에 장착되며, 상기 제2 챔버(130B)와 상기 제2 챔버(130B)의 내부에 장입된 광석 분말을 500℃ 내지 700℃로 온도 조절 가능한 제1 전기유도가열장치(230)와, 상기 제2 챔버(130B)의 내경에는 제1 전력공급조절수단(231)을 갖는 상기 제1 전기유도가열장치(230)에 의해 쉽게 가열이 가능한 그라파이트(Graphite)와 실리콘카바이트(SiC) 및 질화실리콘(Si3N4) 재질 중에서 어느 하나가 선택되어 원통형으로 성형되는 제1 라이닝 튜브(First Lining Tube,240)와, 상기 제2 챔버(130B)의 외경에는 대향되는 한 쌍의 롤러(R-R)에 의해 상기 제2 챔버(130B)가 회전될 시 상기 제2 챔버(130B)를 홀딩(Holding)함과 동시에 상기 제2 챔버(130B)의 회전 기능을 돕도록 하는 제1 스틸 슬리브(Steel Sleeve,250)와, 상기 제2 챔버(130B)의 입구 쪽에 설치되며, 부탄가스(Butane Gas)를 개질한 수소를 저장하고 공급하는 제1 수소개질장치(260)와, 상기 제2 챔버(130B)의 출구 쪽 상단에 설치되며, 수소 환원 반응에서 발생된 수증기(H2O)와 수소의 환원된 수소 기체(H2)가 함께 배출하도록 하는 제1 통기공(Vent Hole, 270)과, 상기 제2 챔버(130B)의 출구 쪽 하단에 설치되며, 상기 제2 챔버(130B)의 제1 튜브(240)에서 1차로 환원된 니켈 또는 몰리브덴 금속산화물을 제3 로터리 킬른 장치(300)의 제3 호퍼(310)로 장입시키는 제2 배출구(280)가 각각 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 제3 로터리 킬른 장치(300)는, 상기 제2 로터리 킬른 장치(200)로부터 1차 수소 환원 반응을 거친 산화니켈(NiO) 또는 산화몰리브덴(MoO3)의 광석 분말을 상기 제3 챔버(130C) 내부로 장입시키는 제3 호퍼(310)와, 상기 제3 챔버(130C)의 내경에 다수개로 장착되며, 상기 제3 호퍼(310)를 통해 장입된 광석의 분말이 상기 내경의 측벽을 따라 상승하였다가 자유낙하 되면서 자연스런 교반작용으로 수소와의 환원반응이 촉진되도록 하는 제2 스크류(Screw,320)와, 상기 제3 챔버(130C)의 외경에 장착되며, 상기 제3 챔버(130C)와 상기 제3 챔버(130C)의 내부에 장입된 광석 분말을 900℃ 내지 1300℃로 온도 조절 가능한 고주파를 이용한 제2 전기유도가열장치(330)와, 상기 제3 챔버(130C)의 내경에는 제2 전력공급조절수단(331)을 갖는 상기 제2 전기유도가열장치(330)에 의해 쉽게 가열이 가능한 그라파이트(Graphite)와 실리콘카바이트(SiC) 및 질화실리콘(Si3N4) 재질 중에서 어느 하나가 선택되어 성형되는 제2 라이닝 튜브(2nd Lining Tube,340)와, 상기 제3 챔버(130C)의 외경에는 대향되는 한 쌍의 롤러(R-R)에 의해 상기 제3 챔버(130C)가 회전될 시 상기 제3 챔버(130C)를 홀딩(Holding)함과 동시에 상기 제3 챔버(130C)의 회전 기능을 돕도록 하는 제2 스틸 슬리브(Steel Sleeve,350)와, 상기 제3 챔버(130C)의 입구 쪽에 설치되며, 부탄가스(Butane Gas)를 개질한 수소를 저장하고 공급하는 제2 수소개질장치(360)와, 상기 제3 챔버(130C)의 출구 쪽 상단에 설치되며, 수소 환원 반응에서 발생된 수증기(H2O)와 수소의 환원된 수소 기체(H2)가 함께 배출하도록 하는 제2 통기공(Vent Hole, 370)와, 상기 제3 챔버(130C)의 출구 쪽 하단에 설치되며, 상기 제3 챔버(130C)의 튜브(340)에서 2차로 환원된 니켈 또는 몰리브덴 금속산화물을 쿨링챔버(Cooling Chamber,500)로 배출시키는 제3 배출구(380)가 각각 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 제1 로터리 킬른 장치(100) 내지 제3 로터리 킬른 장치(300)는, 연속적이면서 자동화된 수소 환원 장치를 통해 니켈 혹은 몰리브덴 금속산화물을 대량으로 환원시키기 위해 수직타입(Vertical Type)과 수평타입(Horizontal Type) 중에서 어느 하나가 선택되어 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 제2 로터리 킬른 장치(200)와 제3 로터리 킬른 장치(300)는, 외부는 단열시스템이 구비된 고정 구조이고, 내부는 원통형의 회전이 가능한 챔버(Second Chamber)를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 산화니켈과 산화몰리브덴의 수소 환원 장치는 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
(1) 본 발명은, 당 발명은 산화니켈(NiO), 산화몰리브덴(MoO3)의 수소 환원에 의한 제련법에 있어, 3개의 로타리 킬른을 수직 혹은 수평방식으로 설치함으로써, 연속적이면서 자동화된 수소 환원 시스템을 통한 니켈과 몰리브덴을 용이하게 제련할 수 있다.
(2) 본 발명은, 수소 환원 챔버인 2차 및 3차 로터리 킬른의 내부를 그라파이트(Graphite)나 질화규소(Silicon Nitride) 또는 탄화규소(Silicon Carbide) 재질로 제작하여 고주파 유도전류로 가열함으로써, Fe, Ni 등의 환원 금속이 수소 환원 후 챔버 내부에 달라붙은 현상을 방지하고 고온가열 및 에너지 절감 효과를 얻을 수 있다.
(3) 본 발명은, 로터리 킬른 내부에 초음파발진장치를 통해 초음파를 조사함으로써, 수소 환원 효율을 높임은 물론 분말입자 간에 엉켜 붙거나 분말의 표면에 환원금속의 코팅막이 형성되는 것을 방지할 수 있으며, 로터리 킬른 타입의 반응 Chamber 구성에 따른 장치가 간단하여 설치비와 유지보수비가 저렴한 효과가 있다.
도 1은 종래의 기술을 나타낸 도면
도 2는, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 산화니켈과 산화몰리브덴의 수소 환원 장치에 대한 제1 로터리 킬른 장치를 나타낸 도면
도 3은, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 산화니켈과 산화몰리브덴의 수소 환원 장치에 대한 제2 로터리 킬른 장치를 나타낸 도면
도 4는, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 산화니켈과 산화몰리브덴의 수소 환원 장치에 대한 제3 로터리 킬른 장치를 나타낸 도면
도 5는, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 산화니켈과 산화몰리브덴의 수소 환원 장치에 대한 수평방식을 나타낸 도면
도 6은, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 산화니켈과 산화몰리브덴의 수소 환원 장치에 대한 수직방식을 나타낸 도면
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 2 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 산화니켈과 산화몰리브덴의 수소 환원 장치의 핵심 기술적 구성은, 크게는 제1 로터리 킬른 장치(100)와 제2 로터리 킬른 장치(200), 제3 로터리 킬른 장치(300), 초음파발생장치(400) 및 쿨링챔버(Cooling Chamber,500)로 이루어진다.
도 2를 참조하여, 상기 제1 로터리 킬른 장치(100)는, 장입용 제1 호퍼(110)를 통해 챔버(Chamber,130)로 장입된 광석(NiO 또는 MoO3) 분말을 교반시킴과 동시에 건조 및 예열을 위한 수단으로, 상기 호퍼(Hopper,110)를 통해 장입된 광석(NiO 또는 MoO3) 분말을 교반시키기 위한 다수개의 날개(120)가 내경에 용접되며, 스테인리스강으로 제작된 원통형의 제1 챔버(First Chamber, 130A)를 1~10RPM으로 회전 및 교반시키면서 LPG 또는 LNG 가스버너(140)를 통해 건조 및 예열 기능을 수행한다.
여기서 상기 원통형의 제1 챔버(130A)는 감속기능을 갖는 3상 모터와 연결되는 대향된 한 쌍의 롤러(R-R)나 체인(Chain)의 구동장치에 의해 1~10RPM으로 회전되며, 상기 제1 호퍼(Hopper,110)와 밀폐구조를 갖는다. 그리고 상기 건조 및 예열된 광석(NiO 또는 MoO3) 분말은 제1 배출구(150)를 통해 제2 로터리 킬른 장치(200)의 제2 호퍼(210)로 자동으로 이송된다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 제1 로터리 킬른 장치(100)의 건조 및 예열은, 상기 LPG 또는 LNG 가스버너(140)를 사용하여 상기 원통형의 챔버(Chamber,120) 내부로 직접 분사하여 200℃ 내지 300℃의 가열을 통해 상기 원통형의 챔버(130) 내부에 장입된 광석 분말을 건조 및 예열시킬 수 있다.
또한 도 3을 참조하여, 상기 제2 로터리 킬른 장치(200)는, 상기 제1 로터리 킬른 장치(100)로부터 장입된 니켈 혹은 몰리브덴과 같은 금속산화물을 1차로 저온 수소 환원을 실시하는 수단으로, 상기 제2 로터리 킬른 장치(200)는 외부는 단열시스템이 구비된 고정 구조이고, 내부는 원통형의 회전이 가능한 제2 챔버(Second Chamber,130B)를 갖으며, 상기 제1 로터리 킬른 장치(100)에서 건조 및 예열된 광석 분말을 상기 제2 챔버(130B) 내부로 장입시킨 후, 1~10RPM으로 회전 및 교반시키면서 제1 수소개질장치(260)를 통해 부탄가스를 개질하여 생산한 수소 주입 및 고주파를 이용한 제1 전기유도가열에 의해 1차로 저온 수소 환원반응 기능을 수행한다.
여기서 상기 제2 챔버(130B)는, 감속기를 갖는 3상 모터와 연결되는 대향된 한 쌍의 롤러(R-R) 구동장치에 의해 1~10RPM으로 회전된다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 제2 로터리 킬른 장치(200)는, 먼저 상기 제1 로터리 킬른 장치(100)로부터 장입된 산화니켈(NiO) 또는 산화몰리브덴(MoO3)의 광석 분말을 상기 제2 챔버(130B) 내부로 장입시키는 제2 호퍼(210)를 구비한다.
다음은 상기 제2 챔버(130B) 내경에 다수개로 장착되며, 상기 제2 호퍼(210)를 통해 장입된 광석의 분말이 상기 내경의 측벽을 따라 상승하였다가 자유낙하 되면서 자연스런 교반작용으로 수소와의 환원반응이 촉진되도록 하는 제1 스크류(Screw,220)가 구비된다.
또한 상기 제2 챔버(130B)의 외경에 장착되며, 상기 제2 챔버(130B)와 상기 제2 챔버(130B)의 내부에 장입된 광석 분말을 500℃ 내지 700℃로 온도 조절 가능한 제1 전기유도가열장치(230)가 구비된다.
여기서, 상기 500℃ 내지 700℃의 온도로 가열하는 이유는, NiO 또는 MoO3의 1차 수소 환원 온도이기 때문이며, 이때 온도의 조절은 고주파를 이용한 유도전기의 공급량 조절을 통해 이루어진다.
또한 본 발명의 실시 예에 따른 상기 제1 전기유도가열장치(230)의 온도의 조절은, 상기 제1 전기유도가열장치(230)에 내장된 고주파유도전기를 공급하는 전력공급조절수단(231)을 통해 이루어진다.
여기서 본 발명의 실시 예에 따른 상기 제2 로터리 킬른 장치(200)의 가열원은 고주파를 이용한 전기유도가열 또는 SiC Heat 가열 방식 중에서 어느 하나를 선택하여 채택할 수 있으며, 상기 고주파를 이용한 전기유도가열 및 SiC Heat 가열 방식은 온도제어가 보다 신속하고 정확하게 할 수 있는 특징이 있다. 그리고 상기 고주파를 이용한 전기유도가열 또는 SiC Heat 가열 방식은 후술되는 제3 로터리 킬른 장치(300)의 가열원으로 사용될 수 있다.
또한 상기 제2 챔버(130B)의 내경에는 상기 제1 전기유도가열장치(230)에 의해 쉽게 가열이 가능한 그라파이트(Graphite)와 실리콘카바이트(SiC) 및 질화실리콘(Si3N4) 재질 중에서 어느 하나가 선택되어 원통형으로 성형되는 제1 라이닝 튜브(First Lining Tube,240)를 갖는다.
여기서 일반적인 내화물인 Magnesia, Alumina 등도 내열성은 높지만, 열전도율이 나쁘고 고주파유도전류에 의해 가열이 되지 않기 때문에 사용할 수 없다. 또한 종래기술의 히터(Heater) 방식의 가열시스템을 설치할 수도 있지만 초기 가열시간이 길고 Heater의 잦은 고장율과 고온 가열을 위해서는 값 비싼 몰리브덴 Heater를 사용해야 하는 단점이 있다.
따라서 본 발명의 실시 예에서는 그라파이트(Graphite)의 융점 및 승화온도가 3,642℃이고, 실리콘카바이트(SiC)의 융점은 2,830℃, 질화실리콘(Si3N4)의 융점은 1,900℃로 내열성이 높을 뿐만 아니라 열전도율이 높아 전기유도가열 또는 SiC Heat 가열에 의해 쉽게 가열이 가능하다. 또한 상기 Graphite 등은 금속과의 습윤성(Wettability)이 아주 낮아 환원된 니켈이나 몰리브덴이 제2 로터리 킬른 장치(200)의 내부 표면에 달라붙지 않는 특징이 있기 때문에 이들 재질 중의 어느 하나가 선택 적용될 수 있다.
또한 상기 제2 챔버(130B)의 외경에는 대향되는 한 쌍의 롤러(R-R)에 의해 상기 제2 챔버(130B)가 회전될 시 상기 제2 챔버(130B)를 홀딩(Holding)함과 동시에 상기 제2 챔버(130B)의 회전 기능을 돕도록 하는 제1 스틸 슬리브(Steel Sleeve,250)가 구비된다.
여기서 본 발명의 실시 예에 따른 상기 제1 스틸 슬리브(Steel Sleeve,250)를 상기 제2 챔버(130B)의 중앙에 위치하도록 함으로써, 상기 제2 챔버(130B)의 내부에 설치된 상기 제1 라이닝 튜브(240) 양단부분의 밀봉이 보다 용이하도록 하는데 그 특징이 있다.
또한 상기 제2 챔버(130B)의 입구 쪽에 설치되며, 부탄가스(Butane Gas)를 개질한 수소를 저장하고 공급하는 제1 수소개질장치(260)가 구비된다.
여기서 상기 수소개질장치(260)를 설치하는 이유는, 앞서 배경기술에서 문제점으로 언급된 바와 같이, 환원용으로 사용되는 수소는 전기분해를 통해 생산된 산업용 수소를 사용할 수 있지만 보다 수소 환원 원가를 낮추기 위해서는 값싼 부탄가스(Butane Gas)를 개질하여 사용하는 것이 비용을 크게 줄일 수 있기 때문이다.
따라서 본 발명의 실시 예에 따른 상기 수소개질장치(260)는 제2 로터리 킬른 장치(200)뿐만 아니라 제3 로터리 킬른 장치(300)에도 적용되며, 개질수소 주입은 제1 수소개질장치(260) 및 제2 수소개질장치(360)를 통해 부탄가스(Butane gas)를 개질하여 생산한 수소가 사용될 수 있다.
또한 상기 제2 챔버(130B)의 출구 쪽 상단에 설치되며, 수소 환원 반응에서 발생된 수증기(H2O)와 수소의 환원된 수소 기체(H2)가 함께 배출하도록 하는 제1 통기공(Vent Hole, 270)이 구비된다.
여기서 상기 통기공(Vent Hole, 270)을 설치하는 이유는, 공지된 니켈 및 몰리브덴의 수소 환원 반응식에서 보는 바와 같이 다음과 같다.
즉,
NiO + H2 = Ni + H2O
MoO3 + 2H2 = MoO + 2H2O → 1차 환원
MoO + H2 = Mo + H2O → 2차 환원
상기 반응식에서 사용되는 수소의 당량 비를 중량비로 계산하면 매우 미미하다. 왜냐하면 Nickel의 원자량은 54이고 Molybdenum의 원자량은 97인데 비해 수소의 원자량은 1이기 때문이다. 그러나 실제로 반응실(Reaction Chamber)에서는 밀폐된 상태로 반응을 할 수 없다. 따라서 통기공(Vent Hole, 270)을 통해 환원 반응에서 발생된 수증기(H2O)와 수소(H2)가 함께 배출되도록 해야 하기 때문이다.
마지막으로, 상기 제2 챔버(130B)의 출구 쪽 하단에 설치되며, 상기 제2 챔버(130B)의 제1 튜브(240)에서 1차로 환원된 니켈 또는 몰리브덴 금속산화물을 제3 로터리 킬른 장치(300)의 제3 호퍼(310)로 장입시키는 제2 배출구(280)가 구비된다.
도 4를 참조하여, 상기 제3 로터리 킬른 장치(300)는, 상기 제2 로터리 킬른 장치(200)로부터 장입된 니켈 혹은 몰리브덴과 같은 금속산화물을 2차로 고온 수소 환원을 실시하는 수단으로, 상기 제3 로터리 킬른 장치(300)의 외부는 단열시스템이 구비된 고정 구조이고, 내부는 원통형의 회전이 가능한 제3 챔버(Third Chamber,130C)를 갖으며, 상기 제2 로터리 킬른 장치(200)에서 1차로 수소 환원반응을 시킨 광석 분말을 상기 제3 챔버(130C) 내부로 장입시킨 후, 1~10RPM으로 회전 및 교반시키면서 제2 수소개질장치(360)를 통해 부탄가스를 개질하여 생산한 수소 주입 및 고주파를 이용한 제2 전기유도가열에 의해 2차로 고온 수소 환원반응 기능을 수행한다.
여기서 제3 챔버(Third Chamber,130C)는 감속기를 갖는 3상 모터와 연결되는 대향된 한 쌍의 롤러(R-R)의 구동장치에 의해 1~10RPM으로 회전된다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 제3 로터리 킬른 장치(300)의 세부 기술적 구성은, 상기 제2 로터리 킬른 장치(200)의 세부 기술적 구성 요소들을 포함하며 부호와 일부 구성에 차이 정도가 있다.
즉, 상기 제3 로터리 킬른 장치(300)는, 먼저 상기 제2 로터리 킬른 장치(200)로부터 1차 수소 환원 반응을 거친 산화니켈(NiO) 또는 산화몰리브덴(MoO3)의 광석 분말을 상기 제3 챔버(130C) 내부로 장입시키는 제3 호퍼(310)를 갖는다.
다음은 상기 제3 챔버(130C)의 내경에 다수개로 장착되며, 상기 제3 호퍼(310)를 통해 장입된 광석의 분말이 상기 내경의 측벽을 따라 상승하였다가 자유낙하 되면서 자연스런 교반작용으로 수소와의 환원반응이 촉진되도록 하는 제2 스크류(Screw,320)가 구비된다.
또한 상기 제3 챔버(130C)의 외경에 장착되며, 상기 제3 챔버(130C)와 상기 제3 챔버(130C)의 내부에 장입된 광석 분말을 900℃ 내지 1300℃로 온도 조절 가능한 제2 전력공급조절수단(331)을 갖는 제2 전기유도가열장치(330)가 구비된다.
또한 상기 제3 챔버(130C)의 내경에는 상기 제2 전기유도가열장치(330)에 의해 쉽게 가열이 가능한 그라파이트(Graphite)와 실리콘카바이트(SiC) 및 질화실리콘(Si3N4) 재질 중에서 어느 하나가 선택되어 성형되는 제2 라이닝 튜브(2nd Lining Tube,340)를 갖는다.
또한 상기 제3 챔버(130C)의 외경에는 대향되는 한 쌍의 롤러(R-R)에 의해 상기 제3 챔버(130C)가 회전될 시 상기 제3 챔버(130C)를 홀딩(Holding)함과 동시에 상기 제3 챔버(130C)의 회전 기능을 돕도록 하는 제2 스틸 슬리브(Steel Sleeve,350)가 구비된다.
또한 상기 제3 챔버(130C)의 입구 쪽에 설치되며, 부탄가스(Butane Gas)를 개질한 수소를 저장하고 공급하는 제2 수소개질장치(360)가 구비된다.
또한 상기 제3 챔버(130C)의 출구 쪽 상단에 설치되며, 수소 환원 반응에서 발생된 수증기(H2O)와 수소의 환원된 수소 기체(H2)가 함께 배출하도록 하는 제2 통기공(Vent Hole, 370)이 구비된다.
마지막으로 상기 제3 챔버(130C)의 출구 쪽 하단에 설치되며, 상기 제3 챔버(130C)의 튜브(340)에서 2차로 환원된 니켈 또는 몰리브덴 금속산화물을 쿨링챔버(Cooling Chamber,500)로 배출시키는 제3 배출구(380)가 구비된다.
한편 도 4를 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 제3 로터리 킬른 장치(300)에는, 산화니켈 또는 산화몰리브덴이 수소와 환원반응을 하는데 있어 광석 분말의 입자간의 초음파 진동에 의해 엉겨 붙는 것을 방지하고 보다 효율적인 환원반응이 발생하도록 촉매역할을 하는 초음파발생장치(400)가 더 포함된다.
여기서 니켈은 그 융점이 1,455℃로 낮아 입자간 또는 입자의 표면에 용융(Meltdown) 되어 수소의 지속반응을 방해할 수 있어 이러한 현상을 방지하는데도 기여하도록 한다. 즉 제3 로터리 킬른 장치(300)의 내부에 초음파발생장치(310)를 통해 초음파를 조사함으로써, 수소 환원 효율을 높임은 물론 니켈 분말입자 간에 엉켜 붙어 산화니켈 혹은 산화몰리브덴의 코팅막이 형성되는 것을 방지할 수 있는 특징이 있다.
또한 도 4를 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 제3 로터리 킬른 장치(300)에는, 환원된 니켈 또는 몰리브덴 금속의 냉각을 위한 쿨링챔버(Cooling Chamber,500)가 더 포함된다.
한편, 도 5 및 도 6을 참조하면, 제1 로터리 킬른 장치(100) 내지 제3 로터리 킬른 장치(300)는 연속적이면서 자동화된 수소 환원 장치를 통한 니켈 혹은 몰리브덴과 같은 금속산화물을 대량으로 환원시키고 투자비 및 유지보수를 위해 수직타입(Vertical Type)과 수평타입(Horizontal Type) 중에서 어느 하나가 선택되어 설치될 수 있다.
이러한 배치 방식은 수소의 소모량을 크게 줄임과 동시에 니켈 혹은 몰리브덴과 같은 금속산화물을 대량으로 환원시킬 수 있을 뿐만 아니라, 수소 환원용 반응장치의 설치비용과 유지보수비를 크게 줄일 수 있는 특징이 있다.
이와 같이, 수소 환원용 반응 Chamber의 구조에 따라 수소의 사용량은 이론적 소요량의 수배 내지 수십 배의 양이 될 수 있다. 기존의 수소 환원용 반응 Chamber는 일반적으로 기차처럼 긴 터널 형태로 제작되어 있고 그 Chamber 하부 바닥에 메쉬 벨트(Mesh Belt)로 된 이송용 회전 장치를 설치하고 그 Mesh Belt 위에 세라믹으로 된 Batt를 장착하고 여기에 수소와 반응할 NiO 또는 MoO3 분말을 담아 구동시킨다. 이러한 구조는 반응에 필요한 공간보다 수배의 공간이 필요하게 되어 수소의 소요량이 과다할 뿐만 아니라 Mesh Belt 등의 구동창치를 내열강으로 제작해야하므로 고장률이 높고 장치 설치비가 매우 많이 든다. 특히 광석 분말에 들어있는 유황(Sulfur)과 환원 반응 시 발생한 물(H2O)이 반응하여 황산(H2SO4)이 되며 이 황산이 내열강 Chamber를 부식시켜 구멍이 뚫리는 사고가 발생한다. 또한 Batt에 담겨있는 NiO 또는 MoO3는 상층부부터 수소와 환원반응을 하게 되고 정치된 상태에서 반응함에 따라 반응효율이 떨어질 수밖에 없다. 이러한 이유로 기존의 Mesh Belt Type 의 수소 환원 장치는 수소의 소비량을 높게 하여 경제성이 떨어진다. 또 다른 기존의 수소 환원 시스템은 유동화(Fluidizing) Process이며 이 공법은 장방형의 길다란 반응 Chamber 속에 NiO, 또는 MoO3를 담아놓고 Chamber 바닥에 수소가스를 분사시켜 NiO, MoO3가 가스와 함께 유동(Fluidize) 하면서 환원반응을 일어나게 하는 방법이다. 이 방법은 수소와 금속산화물과의 접촉 면적을 극대화 시킬 수 있는 장점은 있으나 반응가스인 수증기(H2O)의 선별 배출이 어렵고 니켈이나 몰리브덴의 환원 정도를 파악하기가 곤란한 점이 있다. 또한 배치 타입(Batch Type)이 역시 가능하지만 연속적인 대량 생산은 어렵다. 그리고 수소의 소모량을 많게 하여 제조원가를 높이고 환원용 반응장치의 투자비가 많이 소요될 뿐만 아니라 유지 보수비도 높은 문제점이 있다.
따라서 본 발명의 실시 예에서는 제1 로터리 킬른(100)에서는 산화니켈(NiO) 또는 산화몰리브덴(MoO3)의 광석 분말을 예열 및 건조하고, 제2 로터리 킬른(200)에서는 저온(500도C~700도C)에서 수소 환원 반응을 시키고, 제3 로터리 킬른(300)에서는 고온(900도C~1300도C)에서 수소 환원 반응을 시켜 환원 반응을 마무리 하도록 한다. 그리고 상기 제1 로터리 킬른(100) 내지 제3 로터리 킬른(300)은 적층식으로 수직 배열을 할 수도 있고, 일렬로 설치하는 수평 배열로 설치함으로써 앞서 언급된 종래의 문제점들을 모두 해소할 수 있는 독특한 특징이 있다.
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 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 제1 로터리 킬른 장치 110 : 제1 호퍼
120 : 교반날개
130A,130B,130C : 제1 챔버 내지 제3 침버
140 : 가스버너 200 : 제1 로터리 킬른 장치
210 : 제2 호퍼 220 : 제1 스크류
230 : 제1 전기유도가열장치 231 : 제1 전력공급조절수단
240 : 제1 라이닝 튜브 250 : 제1 스틸 슬리브
260 : 제1 수소개질장치 270 : 제1 통기공
280 : 제2 배출구 300 : 제3 로터리 킬른 장치
310 : 제3 호퍼 320 : 제2 스크류
330 : 제2 전기유도가열장치 331 : 제2 전력공급조절수단
340 : 제2 라이닝 튜브 350 : 제2 스틸 슬리브
360 : 제2 수소개질장치 370 : 제2 통기공
380 : 제3 배출구 400 : 초음파발생장치
500 : 쿨링챔버

Claims (11)

  1. 산화니켈과 산화몰리브덴의 수소 환원 장치에 있어서,
    상기 장치는 제1 호퍼(Hopper,110)를 통해 장입된 광석(NiO 또는 MoO3) 분말을 교반시키기 위한 다수개의 날개(120)가 내경에 용접되며, 스테인리스강으로 제작된 원통형의 제1 챔버(130A)를 1~10RPM으로 회전 및 교반시키면서 LPG 또는 LNG 가스버너(140)를 상기 제1 챔버 내부로 직접 분사하여 200℃ 내지 300℃로 가열시켜 건조 및 예열 기능을 수행하는 제1 로터리 킬른 장치(100)와;
    상기 제1 로터리 킬른 장치에서 건조 및 예열된 광석 분말을 회전이 가능하고 내경에는 그라파이트(Graphite) 재질의 라이닝 튜브(Lining Tube)로 성형된 원통형의 제2 챔버(130B) 내부로 장입시킨 후, 1~10RPM으로 회전 및 교반시키면서 제1 수소개질장치(260)를 통해 부탄가스를 개질하여 생산한 수소 주입 및 고주파를 이용한 전기유도가열 또는 SiC Heat 가열 중에서 어느 하나에 의해 1차로 저온 수소 환원반응 기능을 수행하는 제2 로터리 킬른 장치(200)와;
    상기 제2 로터리 킬른 장치(200)에서 1차로 수소 환원반응을 시킨 광석 분말을 회전이 가능하고 내경에는 그라파이트(Graphite) 재질의 라이닝 튜브(Lining Tube)로 성형된 원통형의 제3 챔버(130C) 내부로 장입시킨 후, 1~10RPM으로 회전 및 교반시키면서 제2 수소개질장치(360)를 통해 부탄가스를 개질하여 생산한 수소 주입 및 고주파를 이용한 전기유도가열 또는 SiC Heat 가열 중에서 어느 하나에 의해 2차로 고온 수소 환원반응 시 광석 분말의 입자간의 초음파 진동에 의해 엉겨 붙는 것을 방지하고 효율적인 환원반응이 발생하도록 촉매 역할을 하는 초음파발생장치(400)와 환원된 니켈 또는 몰리브덴 금속을 냉각시키기 위한 쿨링챔버(Cooling Chamber,500)를 갖는 제3 로터리 킬른 장치(300)가 포함되는 것을 특징으로 하는 산화니켈과 산화몰리브덴의 수소 환원 장치.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 로터리 킬른 장치(200)는, 상기 제1 로터리 킬른 장치(100)로부터 장입된 산화니켈(NiO) 또는 산화몰리브덴(MoO3)의 광석 분말을 상기 제2 챔버(130B) 내부로 장입시키는 제2 호퍼(210)와,
    상기 제2 챔버(130B) 내경에 다수개로 장착되며, 상기 제2 호퍼(210)를 통해 장입된 광석의 분말이 상기 내경의 측벽을 따라 상승하였다가 자유낙하 되면서 자연스런 교반작용으로 수소와의 환원반응이 촉진되도록 하는 제1 스크류(Screw,220)와,
    상기 제2 챔버(130B)의 외경에 장착되며, 상기 제2 챔버(130B)와 상기 제2 챔버(130B)의 내부에 장입된 광석 분말을 500℃ 내지 700℃로 온도 조절 가능한 제1 전기유도가열장치(230)와,
    상기 제2 챔버(130B)의 내경에는 제1 전력공급조절수단(231)을 갖는 상기 제1 전기유도가열장치(230)에 의해 쉽게 가열이 가능한 그라파이트(Graphite)와 실리콘카바이트(SiC) 및 질화실리콘(Si3N4) 재질 중에서 어느 하나가 선택되어 원통형으로 성형되는 제1 라이닝 튜브(First Lining Tube,240)와,
    상기 제2 챔버(130B)의 외경에는 대향되는 한 쌍의 롤러(R-R)에 의해 상기 제2 챔버(130B)가 회전될 시 상기 제2 챔버(130B)를 홀딩(Holding)함과 동시에 상기 제2 챔버(130B)의 회전 기능을 돕도록 하는 제1 스틸 슬리브(Steel Sleeve,250)와,
    상기 제2 챔버(130B)의 입구 쪽에 설치되며, 부탄가스(Butane Gas)를 개질한 수소를 저장하고 공급하는 제1 수소개질장치(260)와,
    상기 제2 챔버(130B)의 출구 쪽 상단에 설치되며, 수소 환원 반응에서 발생된 수증기(H2O)와 수소의 환원된 수소 기체(H2)가 함께 배출하도록 하는 제1 통기공(Vent Hole, 270)과,
    상기 제2 챔버(130B)의 출구 쪽 하단에 설치되며, 상기 제2 챔버(130B)의 제1 튜브(240)에서 1차로 환원된 니켈 또는 몰리브덴 금속산화물을 제3 로터리 킬른 장치(300)의 제3 호퍼(310)로 장입시키는 제2 배출구(280)가 각각 구비되는 것을 특징으로 하는 산화니켈과 산화몰리브덴의 수소 환원 장치.
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제3 로터리 킬른 장치(300)는, 상기 제2 로터리 킬른 장치(200)로부터 1차 수소 환원 반응을 거친 산화니켈(NiO) 또는 산화몰리브덴(MoO3)의 광석 분말을 상기 제3 챔버(130C) 내부로 장입시키는 제3 호퍼(310)와,
    상기 제3 챔버(130C)의 내경에 다수개로 장착되며, 상기 제3 호퍼(310)를 통해 장입된 광석의 분말이 상기 내경의 측벽을 따라 상승하였다가 자유낙하 되면서 자연스런 교반작용으로 수소와의 환원반응이 촉진되도록 하는 제2 스크류(Screw,320)와,
    상기 제3 챔버(130C)의 외경에 장착되며, 상기 제3 챔버(130C)와 상기 제3 챔버(130C)의 내부에 장입된 광석 분말을 900℃ 내지 1300℃로 온도 조절 가능한 고주파를 이용한 제2 전기유도가열장치(330)와,
    상기 제3 챔버(130C)의 내경에는 제2 전력공급조절수단(331)을 갖는 상기 제2 전기유도가열장치(330)에 의해 쉽게 가열이 가능한 그라파이트(Graphite)와 실리콘카바이트(SiC) 및 질화실리콘(Si3N4) 재질 중에서 어느 하나가 선택되어 성형되는 제2 라이닝 튜브(2nd Lining Tube,340)와,
    상기 제3 챔버(130C)의 외경에는 대향되는 한 쌍의 롤러(R-R)에 의해 상기 제3 챔버(130C)가 회전될 시 상기 제3 챔버(130C)를 홀딩(Holding)함과 동시에 상기 제3 챔버(130C)의 회전 기능을 돕도록 하는 제2 스틸 슬리브(Steel Sleeve,350)와,
    상기 제3 챔버(130C)의 입구 쪽에 설치되며, 부탄가스(Butane Gas)를 개질한 수소를 저장하고 공급하는 제2 수소개질장치(360)와,
    상기 제3 챔버(130C)의 출구 쪽 상단에 설치되며, 수소 환원 반응에서 발생된 수증기(H2O)와 수소의 환원된 수소 기체(H2)가 함께 배출하도록 하는 제2 통기공(Vent Hole, 370)와,
    상기 제3 챔버(130C)의 출구 쪽 하단에 설치되며, 상기 제3 챔버(130C)의 튜브(340)에서 2차로 환원된 니켈 또는 몰리브덴 금속산화물을 쿨링챔버(Cooling Chamber,500)로 배출시키는 제3 배출구(380)가 각각 구비되는 것을 특징으로 하는 산화니켈과 산화몰리브덴의 수소 환원 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 로터리 킬른 장치(100) 내지 제3 로터리 킬른 장치(300)는, 연속적이면서 자동화된 수소 환원 장치를 통해 니켈 혹은 몰리브덴 금속산화물을 대량으로 환원시키기 위해 수직타입(Vertical Type)과 수평타입(Horizontal Type) 중에서 어느 하나가 선택되어 설치되는 것을 특징으로 하는 산화니켈과 산화몰리브덴의 수소 환원 장치.
  9. 삭제
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 로터리 킬른 장치(200)와 제3 로터리 킬른 장치(300)는, 외부는 단열시스템이 구비된 고정 구조이고, 내부는 원통형의 회전이 가능한 챔버(Second Chamber)를 갖는 것을 특징으로 하는 산화니켈과 산화몰리브덴의 수소 환원 장치.
  11. 삭제
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KR102471943B1 (ko) * 2022-03-18 2022-11-29 주식회사 제이케이메탈소재 페로니켈 슬래그를 재활용한 주강용 세라믹 샌드 제조방법

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