KR102428014B1 - 탄소중립 지향의 희소광물 회수 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄소중립을 지향하면서 희소금속을 선광하는 시스템에 있어서; 광석을 파쇄ㆍ선별하여 설정된 입도 범위의 원료광물로 생성하는 파쇄수단(10); 상기 원료광물을 벨트피더(21) 상으로 이송하면서 광학선별기(25)를 이용하여 품위별로 분류하는 소팅수단(20); 원료광물 중에서 중ㆍ고품위의 것을 분쇄하고, 분급기(46)와 부유선광기(48)를 통하여 선광하는 선광수단(40); 및 상기 파쇄수단(10), 소팅수단(20), 선광수단(40)을 설정된 알고리즘으로 제어하는 제어수단(50);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 4차산업 등에 핵심적인 역할을 하면서 지구상에 유한하게 부존하는 자원의 절약과 투자비 절감은 물론 시설규모를 축소함에 따른 에너지 절감과 운영비용 절감을 달성하는 효과가 있다.

Description

탄소중립 지향의 희소광물 회수 시스템 {System for recovering rare mineral orienting carbon neutrality}
본 발명은 희소광물의 회수에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 원료광물에 일련의 공정을 부가하여 희소광물을 추출하기 위한 탄소중립 지향의 희소광물 회수 시스템에 관한 것이다.
리튬, 니켈, 망간, 코발트, 텅스텐, 바나듐 등의 희소광물은 광석 중에 0.2~1% 내외의 극소량으로 혼재되어 있다. 국내 4차산업 등의 성공적인 도입-성장-정착을 위해서는 필수 산업재로 활용되는 희소광물(원료광물)의 확보와 효율적인 개발이 부단하게 추진되어야 한다.
이에 더하여 정밀한 선광기술을 통해서 효율적으로 회수함으로써 유한자원의 보존력을 높이고 개발ㆍ선광 공정에서의 부산물 발생을 최소화할 수 있다. 물론 발생한 부산물을 재활용하여 경제성을 제고하는 것도 간과할 수 없다.
이와 관련되는 선행기술문헌으로서 한국 등록특허공보 제1910333호(선행문헌 1), 한국 등록특허공보 제1493211호(선행문헌 2) 등을 참조할 수 있다.
선행문헌 1은 할로겐산을 포함하는 추출용매와 석탄회를 반응시켜 추출여액을 제조하는 제1단계; 및 추출여액에 비할로겐산 추출용매를 첨가하고, 초음파 진동 열원을 가하여 반응시키는 제2단계;를 포함하며, 제1추출용매는 불산(HF)을 제2추출용매는 질산을 포함한다. 이에, 이트륨(Y), 네오디뮴(Nd) 및 갈륨(Ga)을 고효율로 추출하는 효과를 기대한다.
선행문헌 2는 싸이클론에서 배출된 배가스 중 입자상 물질은 최종 제거하고 미반응 수소는 분리하는 미반응 수소분리 정제장치; 2차 유동 환원로에서 배출된 환원된 희소금속 광석을 성형하는 단광장치; 성형된 희소금속 광석을 용융하여 희소금속을 생산하는 용융로; 등을 포함하다. 이에, 고순도 희소금속의 생산 속도와 순도를 높이는 효과를 기대한다.
그러나, 상기한 선행문헌에 의하면 원료광물의 채굴량 증가로 유발되는 환경오염과 탄소배출량 고조에 대비하기 위한 기술사상이 미흡하다.
한국 등록특허공보 제1910333호 "석탄회로부터 희소 금속 원소 추출 방법 및 희소 금속 원소 추출 장치" (공개일자 : 2018.10.23) 한국 등록특허공보 제1493211호 "다단 유동 수소 환원 반응을 이용한 희소금속 제련 장치 및 방법" (공개일자 : 2015.01.24.)
상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 국내외 유한한 광물부존자원인 희소광물의 고갈을 방지하고 선광공정에서 버려지는 부산물의 재활용을 통해서 건자재 및 도료자재 등으로 수익화하기 위한 탄소중립 지향의 희소광물 회수 시스템을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 탄소중립을 지향하면서 희소금속을 선광하는 시스템에 있어서; 광석을 파쇄ㆍ선별하여 설정된 입도 범위의 원료광물로 생성하는 파쇄수단; 상기 원료광물을 벨트피더 상으로 이송하면서 광학선별기를 이용하여 품위별로 분류하는 소팅수단; 원료광물 중에서 중ㆍ고품위의 것을 분쇄하고, 분급기와 부유선광기를 통하여 선광하는 선광수단; 및 상기 파쇄수단, 소팅수단, 선광수단을 설정된 알고리즘으로 제어하는 제어수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 소팅수단의 광학선별기는 희소광물의 종류에 대응하도록 모듈 구조의 발광부와 수광부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 광학선별기는 벨트피더 상의 셀단위로 구분된 원료광물에 대응하여 통과 또는 거부 경로로 연결하는 분리부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 시스템은 보조수단으로서 벨트피더에서 원료광물을 일정한 높이로 유지하는 평탄롤러, 중ㆍ고 품위의 원료광물을 2차로 파쇄하는 롤크러셔, 벨트피더에서 저품위 원료광물을 수거하는 1차수거부, 부유선광기에서 발생하는 폐기물을 수거하는 2차수거부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 제어수단은 마이컴 회로의 제어기를 기반으로 하여 광학선별기의 가동 상태 및 원료광물의 이송 속도를 연계적으로 변동하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 4차산업 등에 핵심적인 역할을 하면서 지구상에 유한하게 부존하는 자원의 절약과 투자비 절감은 물론 시설규모를 축소함에 따른 에너지 절감과 운영비용 절감을 달성하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 시스템을 전체적으로 나타내는 구성도
도 2는 본 발명에 따른 시스템의 주요 공정을 나타내는 구성도
도 3은 본 발명에 따른 시스템의 여타 공정을 나타내는 구성도
도 4는 본 발명에 따른 시스템의 제어 회로를 나타내는 블록도
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 탄소중립을 지향하면서 희소금속을 선광하는 시스템에 관하여 제안한다. 국내 4차산업 등에 필수 산업재로 활용되는 희소광물(원료광물)을 추출하는 시스템을 대상으로 하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 전체적인 시스템은 광석의 파쇄-분쇄-선별-선광-제련 공정을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면 파쇄수단(10)이 광석을 파쇄ㆍ선별하여 설정된 입도 범위의 원료광물로 생성하는 구조를 이루고 있다.
도 1을 참조하면, 파쇄수단(10)을 구성하는 호퍼(11), 죠크러셔(13), 진동선별기(15) 등이 나타난다. 호퍼(11)는 광산에서 채굴되고 소할(braking)된 광석을 저장한다. 죠크러셔(13)는 광석을 1차로 파쇄하며 파쇄비율은 대략 1 : 4~6 정도로 설정한다. 죠크러셔(13)의 가동죠로 하부틈새를 변동함으로써 광석의 파쇄-배출 크기를 조정하며 통과율은 대략 60~80% 내외이다. 진동선별기(15)는 모듈타입의 우레탄망 라버망 또는 일반적인 철망을 갖춘 경사형 또는 수평형으로 설치된다. 죠크러셔(13)와 진동선별기(15)를 거친 광석은 후속 공정에서 필요한 입도 범위를 이루는 원료광물로 활용된다.
한편, 파쇄수단(10)은 공정간에 가변속구동(VSD) 가능한 벨트피더와 컨베이어를 설치하여 광석과 원료광물을 이송한다.
또한, 본 발명에 따르면 소팅수단(20)이 상기 원료광물을 벨트피더(21) 상으로 이송하면서 광학선별기(25)를 이용하여 품위별로 분류하는 구조이다.
도 1에서, 소팅수단(20)을 구성하는 벨트피더(21), 컨베이어(23), 광학선별기(25) 등이 나타난다. 벨트피더(21)는 파쇄수단(10)에서 적정 입도로 선별된 원료광물을 가변속구동(VSD)으로 이송한다. 광학선별기(25)는 벨트피더(21) 상의 원료광물을 품위에 따라 구별하여 품위가 낮은 것을 후속 공정으로 보내지 않도록 유도한다. 이와 같은 공정을 생략하는 경우 저품위 원료광물이 일련의 공정을 거치면서 비용의 증가는 물론 탄소배출량 증가를 초래한다. 컨베이어(23)는 광학선별기(25)를 거친 품위별 원료광물을 후속 공정으로 이송한다.
한편, 컨베이어(23)는 NN-범포벨트로 커버되는 3본/1조 형태의 롤러를 사용하고 30˚ 쓰루(through)를 부가하여 원료광물의 낙하를 방지한다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 소팅수단(20)의 광학선별기(25)는 희소광물의 종류에 대응하도록 모듈 구조의 발광부(26)와 수광부(27)를 구비하는 것을 특징으로 한다.
도 2를 참조하면, 광학선별기(25)를 구성하는 발광부(26)와 수광부(27)가 나타난다. X선 루미네선스(luminescence) 방식은 리튬, 다이아몬드의 희소광물에 적용할 수 있다. X선 트랜스미션(transmission) 방식은 리튬, 다이아몬드 외에 텅스텐, 주석, 인회석에 적용할 수 있다. 라인 스캐닝(컬러) 방식은 라임스톤, 마그네사이트, 암염, 에머랄드 등에 적용할 수 있다. 레이저 스캐터링 방식은 수정에 적용할 수 있다. 물론 광학선별기(25)는 다앙한 파장(주파수) 범위의 레이저 광선과 음파를 복합적으로 적용할 수도 있다. 발광부(26)와 수광부(27)는 벨트피더(21)의 주변에 이격 또는 인접하도록 배치되며, 각각 모듈 구조로 설치되기 때문에 공정 조건에 따라 교체 또는 증감이 용이하다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 광학선별기(25)는 벨트피더(21) 상의 셀단위로 구분된 원료광물에 대응하여 통과 또는 거부 경로로 연결하는 분리부(28)를 구비하는 것을 특징으로 한다.
도 2에서, 광학선별기(25)를 구성하는 분리부(28)가 설치된 상태를 나타낸다. 분리부(28)는 벨트피더(21) 상에서 발광부(26)와 수광부(27)보다 하류측에 인접하게 설치된다. 벨트피더(21)는 일정한 면적으로 분할되어 원료광물을 수용하는 더수의 셀을 갖추도록 형성한다. 이와 같은 셀은 벨트피더(21)의 폭방향으로 병렬로 배치될 수 있다. 각각의 셀은 통과(pass) 경로의 슈트 및 거부(reject) 경로의 슈트에 동시에 연통된다. 분리부(28)는 양측 슈트의 교차점에 설치되는 솔레노이드 작동식 가동판(디버터)을 포함하여 구성된다.
또한, 본 발명에 따르면 선광수단(40)이 원료광물 중에서 중ㆍ고품위의 것을 분쇄하고, 분급기(46)와 부유선광기(48)를 통하여 선광하는 구조이다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 선광수단(40)을 구성하는 버킷엘리베이터(41), 쿠션빈(42), 볼밀(43), 트위스트선별기(44), 분급기(46), 부유선광기(48) 등이 나타난다. 버킷엘리베이터(41)는 통과 경로의 원료광물을 쿠션빈(42)에 투입한다. 쿠션빈(42)은 원료광물을 볼밀(43)에 투입하기 전에 일시 저장한다. 볼밀(43)은 회전하는 원통형의 내부에 미디어(볼)을 장입하고 공전-자전-낙하운동으로 원료광물을 미립자 형태로 분쇄한다. 트위스트선별기(44)는 분쇄된 원료광물을 1차적으로 분급한다. 도 3(a)처럼 분급기(46)는 습식 사이클론을 기반으로 2차적으로 분급하면서 설정된 압력과 유량으로 이송한다. 도 3(b)처럼 부유선광기(48)는 급수관의 원수를 이용하여 다단계로 희소광물의 정광을 추출한다. 부유선광기(48)의 상류에는 시약공급기(53)를 설치하는 것이 좋다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 시스템은 보조수단으로서 벨트피더(21)에서 원료광물을 일정한 높이로 유지하는 평탄롤러(31), 중ㆍ고 품위의 원료광물을 2차로 파쇄하는 롤크러셔(33), 벨트피더(21)에서 저품위 원료광물을 수거하는 1차수거부(35), 부유선광기(48)에서 발생하는 폐기물을 수거하는 2차수거부(37)를 구비하는 것을 특징으로 한다.
도 1 및 도 2에서, 보조수단의 평탄롤러(31), 롤크러셔(33), 1차수거부(35), 2차수거부(37) 등이 나타난다. 평탄롤러(31)는 벨트피더(21)의 상류측에 설치되고 셀에 수용되는 원료광물의 높이를 일정하게 유지한다. 롤크러셔(33)는 분리부(28)의 패스 경로에 연결되고, 중품위 이상의 원료광물을 2차적으로 파쇄한다. 롤크러셔(33)는 콘 크러셔, 쟈이레토리 크러셔, 임팩 크러셔 등으로 대체할 수 있다. 1차수거부(35)는 분리부(28)의 거부 경로에 연결되고, 컨베이어(23)를 통하여 저품위 원료광물을 수집한다. 1차수거부(35)의 광물은 건자재, 골재, 도료 등으로 재활용 가능하다. 2차수거부(37)는 분급기(46) 또는 부유선광기(48)에 연결되고, 폐기물 수준인 광미(슬러지)를 수집한다. 2차수거부(37)의 광미는 시멘트 부원료로 재활용 가능하다.
또한, 본 발명에 따르면 제어수단(50)이 상기 파쇄수단(10), 소팅수단(20), 선광수단(40)을 설정된 알고리즘으로 제어하는 구조를 이루고 있다.
도 5를 참조하면, 제어수단(50)의 제어기(52)에 소팅수단(20), 선광수단(40), 공정검출기(54), 분리구동기(56) 등이 연결된 상태를 나타낸다. 공정검출기(54)는 파쇄수단(10), 소팅수단(20), 선광수단(40)의 주요부에서 가동 상태에 대응한 신호를 검출한다. 분리구동기(56)는 분리부(28)를 구성하는 다수의 솔레노이드에 대한 주소 제어를 수행한다. 파쇄수단(10), 소팅수단(20), 선광수단(40)의 주요부에 대한 가변속구동(VSD)은 가변속구동기(58)를 통하여 수행된다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 제어수단(50)은 마이컴 회로의 제어기(52)를 기반으로 하여 광학선별기(25)의 가동 상태 및 원료광물의 이송 속도를 연계적으로 변동하는 것을 특징으로 한다.
제어기(52)는 마이크로프로세서, 메모리, 입출력인터페이스을 갖춘 마이컴 회로로 구성한다. 제어기(52)는 공정검출기(54)의 신호를 입력하여 광학선별기(25)의 가동 상태 및 원료광물의 이송 속도를 인지한다. 제어기(52)는 원료광물의 파쇄ㆍ분쇄 입도와 이송량, 분리부(28)를 통과하는 이송량 등을 인지한다. 제어기(52)는 광학선별기(25)의 발광부(26)와 수광부(27)를 가동한다. 이외에 제어기(52)는 분급기(46)에서 분급된 원료광물이 후속된 부유선광기(48)로 수송하기 전에 적정한 농도와 유량을 갗고 있는지 모니터링한다.
이때, 제어기(52)는 광학선별기(25)를 통한 통과ㆍ거절의 품위 기준을 변경할 수 있으며, 변경된 기준에 따라 주요 공정에서 원료광물의 이송 속도의 증감을 유발한다. 일예로 원료광물의 물성이나 종류에 따라 품위 기준이 낮아져 통과 측의 이송량이 증가하면 그 상류측 속도를 낯추고 그 하류측 속도를 높인다.
이와 같은 방식으로 원료광석 100%를 파쇄후 30~50%만 분쇄-선광공정을 거치도록 제어하여 유효광물의 정광 10%를 확보하고 50~70% 광석의 수익화를 도모할 수 있다. 선광공정에서 발생되는 광미가 80% 감축되어 투자비와 운전비가 절감되고 탄소 중립화에 기여한다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음이 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.
10: 파쇄수단 11: 호퍼
13: 죠크러셔 15: 진동선별기
20: 소팅수단 21: 벨트피더
23: 컨베이어 25: 광학선별기
26: 발광부 27: 수광부
28: 분리부 31: 평탄롤러
33: 롤크러셔 35:1차수거부
37: 2차수거부 40: 선광수단
41: 버킷엘리베이터 42: 쿠션빈
43: 볼밀 44: 트위스트선별기
46: 분급기 48: 부유선광기
50: 제어수단 52: 제어기
54: 공정검출기 56: 분리구동기
58: 가변속구동기

Claims (5)

  1. 탄소중립을 지향하면서 희소금속을 선광하는 시스템에 있어서;
    광석을 파쇄ㆍ선별하여 설정된 입도 범위의 원료광물로 생성하는 파쇄수단(10);
    상기 원료광물을 벨트피더(21) 상으로 이송하면서 광학선별기(25)를 이용하여 품위별로 분류하는 소팅수단(20);
    원료광물 중에서 중ㆍ고품위의 것을 분쇄하고, 분급기(46)와 부유선광기(48)를 통하여 선광하는 선광수단(40); 및
    상기 파쇄수단(10), 소팅수단(20), 선광수단(40)을 설정된 알고리즘으로 제어하는 제어수단(50);을 포함하되,
    상기 소팅수단(20)의 광학선별기(25)는 희소광물의 종류에 대응하여 X선 루미네선스 방식, X선 트랜스미션 방식, 라인 스캐닝 방식을 선택적으로 적용하도록 모듈 구조의 발광부(26)와 수광부(27)를 구비하고,
    상기 광학선별기(25)는 벨트피더(21) 상의 셀단위로 구분된 원료광물에 대응하여 통과 또는 거부 경로로 연결하는 분리부(28)를 구비하며,
    상기 시스템은 보조수단으로서 벨트피더(21)에서 원료광물을 일정한 높이로 유지하는 평탄롤러(31), 중ㆍ고 품위의 원료광물을 2차로 파쇄하는 롤크러셔(33), 벨트피더(21)에서 저품위 원료광물을 수거하는 1차수거부(35), 부유선광기(48)에서 발생하는 폐기물을 수거하는 2차수거부(37)를 구비하는 것을 특징으로 하는 탄소중립 지향의 희소광물 회수 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어수단(50)은 마이컴 회로의 제어기(52)를 기반으로 하여 광학선별기(25)의 가동 상태 및 원료광물의 이송 속도를 연계적으로 변동하는 것을 특징으로 하는 탄소중립 지향의 희소광물 회수 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP0552821A2 (en) * 1988-05-06 1993-07-28 Gersan Establishment Monitoring an apparatus which uses scanned radiation
KR101493211B1 (ko) 2014-07-25 2015-02-24 한국에너지기술연구원 다단 유동 수소 환원 반응을 이용한 희소금속 제련 장치 및 방법
KR101910333B1 (ko) 2017-07-24 2018-10-23 한국전력공사 석탄회로부터 희소 금속 원소 추출 방법 및 희소 금속 원소 추출 장치
KR102051607B1 (ko) * 2019-03-25 2019-12-04 주식회사 광산기공 연속공정 방식의 텅스텐 정광 추출 시스템

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