KR20010080042A - 중금속을 포함하는 잔류물의 열처리 방법 - Google Patents

중금속을 포함하는 잔류물의 열처리 방법 Download PDF

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로메인 프리덴
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Abstract

본 발명은 세 개의 영역으로 나누어져 있고, 각각의 영역은 여러 개의 차례로 구성된 다단노상로에서 중금속을 포함한 잔류물의 열처리방법에 관한 것이다. 상기의 방법은 하기의 공정으로 이루어져 있다.;
중금속을 포함하는 잔류물을 지속적으로 다단노상로의 제 1 영역의 최상부 로상에 주입하고, 잔여금속들을 서서히 제 2 영역으로 이동시키고 건조되는 과정; 환원제와 탈황제를 제 2 영역의 최상부 로상에 계속적으로 주입하고, 환원제를 탈황제가 건조된 잔류물과 혼합하고, 혼합물은 800 ℃가 되도록 가열하여 생석회가 되도록 한 후 서서히 제 3 영역으로 이동시키는 과정; 제 3 영역에서 1000 ℃로 혼합물을 가열하여 금속을 환원시키고 나머지 생성되는 폐가스들을 각각 소모시켜 분리하는 과정; 및 다단노상로 용광로로부터 혼합물을 방출하는 과정.

Description

중금속을 포함하는 잔류물의 열처리 방법 {Method for the heat treatment of residues containing heavy metals}
상기의 과정들은 중금속을 포함하는 다량의 잔류물을 슬러지 형태로 생성한다. 이러한 잔류물들은, 예를 들면, 침전조를 여과하는 과정 중에 발생하고, 다량의 물과, 아연, 니켈, 몰리브데늄, 코발트, 구리, 그리고 철 같은 다양한 금속을 수산화 이온, 염화 이온 그리고 황산이온의 형태로 포함한다. 이러한 잔여금속들의 폐기 비용이 매우 비싸고 그것의 최종 저장도 문제가 된다. 슬러지들은 일반적으로 특수 처리장에 저장된다.
이러한 중금속을 포함하는 슬러지들의 전형적인 조성은 아래의 표에 나타나 있다.
Ni, Cu,Fe, Mo,Co, Zn(%) S(%) Cl(%) CaO(%) 비활성 물질(5) H2O(%)
슬러지 15-50 >30 1-15 >5 10-30 1-5 10-75
본 발명은 금속의 표면 처리, 피클링(pickling), 클리닝, 금속화 그리고 주석 코팅 과정에서 얻어진 중금속을 포함하는 잔류물, 예를 들면 슬러지(slug)를 열처리하는 방법에 관한 것이다.
도 1은 중금속을 포함한 잔류물의 열처리를 위한 다단노상로의 단면도
따라서, 본 발명의 목적은 중금속을 포함하는 이러한 잔류물들의 열처리 방법을 제안하는데 있다.
본 발명에 의해, 상기의 문제는 3개의 영역으로 나누어져 있고, 각 영역에 여러 개의 로상이 적층된 다단노상로(multiple-hearth furnace)내에서 중금속을 포함하는 잔류물의 열처리 방법에 의해서 해결되며, 과정은 아래와 같다.
(a) 중금속을 포함하는 잔류물을 지속적으로 다단노상로의 제 1 영역의 최상부 로상에 주입하고, 잔여금속들을 서서히 제 2 영역으로 이동시키고 건조되는 과정;
(b) 환원제와 탈황제를 제 2 영역의 최상부 로상에 계속적으로 주입하고, 환원제를 탈황제가 건조된 잔류물과 혼합하고, 혼합물은 800 ℃가 되도록 가열하여 생석회가 되도록 한 후 서서히 제 3 영역으로 이동시키는 과정;
(c) 제 3 영역에서 1000 ℃로 혼합물을 가열하여 금속을 환원시키고 나머지 생성되는 폐가스들을 각각 배출시켜 분리하는 과정; 및
(d) 다단노상로 용광로로부터 혼합물을 방출하는 과정.
본 발명의 중요한 장점은 혼합물로 존재하는 금속산화물, 황화물, 염화물 등이 환원되여 분리될 수(특히 철과 아연) 있는데 있다. 상기의 분리된 단편 (fraction)은 다른 과정을 위한 공급물질(feed materials)을 구성한다. 따라서 부산물이 잔류물들의 중요한 부분으로부터 제조되어 진다. 상기의 과정들을 거친 후에 상기의 철 성분은 강 제조공장의 생산라인으로 재이송 될 수 있다. 중금속산화물들은 중금속을 재생하는 원료로 사용될 수 있을 정도로 농축된다. SiO2, Al2O3, MgO, 등과 같은 비활성 물질로 구성된 재와 잉여 환원제가 남게된다.
제 1 영역에서 중금속을 포함하는 잔류물은 가열저항기에 의하여 간접적으로 가열되거나, 버너에 의해서 직접적으로 약 200 ℃ 정도로 가열되고, 따라서 물은 완전하게 증발되고, 그 다음에 제 2 영역으로 옮겨진다. 제 2 영역에서 환원제와 탈황제가 중금속을 포함하는 잔류물과 혼합되고, 이 혼합물은 약 800 ℃정도로 가열되어 하소된다. 혼합물에 존재하는 탄산염과 황산염은 분해되어 금속산화물로 변환되고, 이산화탄소와 이산화황은 방출된다. 이산화황은 탈황제와 반응하여, 다단노상로내 공기중에 포함된 황 함유물의 함량은 낮게 유지된다. 혼합물의 온도가 800 ℃에 도달하면 하소가 완성되고 혼합물은 제 3 영역으로 보내져 더욱 가열된다. 그것이 특정 온도에 도달하자마자(약 900 ℃ 이상) 금속산화물들은 환원제와 반응하기 시작하여, 중금속은 기화되고 폐가스와 함께 다단노상로로부터 방출된다.
중금속은 중금속이 형성된 제 3 영역의 로상에서 배출되고, 다른 폐가스들과는 별도로 처리된다. 상기의 폐가스들은 연속적으로, 예를 들면 후-연소(after-combustion) 용기에서, 산화되고 중금속은 중금속산화물로 변환되고, 그것은 필터장비를 통해서 다른 폐기가스로부터 분리될 수 있다.
동시에 또는 나중에 다단노상로에 잔류하고 있는 산화철은 금속성 철로 환원된다. 상기 방식으로 생성된 금속성 철은 주입된 잔사, 환원제의 재 및 과량의 환원제와 함께 로에서 방출된다.
본 공정에서 중금속을 포함하는 슬러지 형태의 잔여금속이 공급되어지고, 선택적인 공정 제어와 지속적인 순환에 의해서 응집화가 방지된다. 공급물질과는 무관하게 상기 공정은 미세하세 분말화된 최종 제품을 공급한다. 상기 공정은 재-형성(ash-forming) 환원제를 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 고형의 최종 제품이 미세 분말임에 따라 상기 철에서 재를 분리하는 것이 용이하다. 이러한 분리는 예를 들면, 스크린(screen)에 의해 고온의 상태에서 이루어질 수 있다.
700 ℃ 이하로 냉각된 후 자기 분리기로 환원된 철을 재와 잉여의 환원제로부터 분리할 수 있다. 상기 방식으로 얻어진 직접 환원된 철의 품질은 실질적으로 환원제의 잔사양과는 무관하다. 상기의 얻어진 철은 그 다음에 브리켓(briquettes)으로 처리되거나 용해로(전기로 등)에 직접 투입되어 처리된다.
생성된 잔사는 분리가스화 반응기에서 미사용된 환원제와 함께 사용될 수 있으며, 재-형성 성분이 액체 용재로 분리되고 형성된 조가스(crude gas)가 연소 또는 환원 가스로서 다단노상로에서 사용되는 것이 바람직하다.
따라서, 상대적으로 높은 비율의 재를 함유한 저비용의 환원제의 사용 및/또는 과량의 환원제를 가지고 작업하는 것이 가능해지며, 이는 잔사의 응집을 방지한다.
과량의 환원제를 사용하는 경우 잔사로부터 미사용된 환원제를 분리하여 재사용할 수 있다. 예를 들면, 미사용된 환원제가 굵은 입자인 경우 잔사를 스크린(screen)하는 방식에 의해 가능해진다. 상기 미사용된 환원제는 다단노상로에 직접 회송될 수 있다.
그러나, 환원제의 주입(charge) 또한 여러 단계로 나누어질 수 있다.
굵은 입자(coarse-gained) 환원제(1∼3 mm)는 다단노상로의 제 2 영역의 상층에 주입되고 미세 입자(fine-grained)의 환원제( <1 mm)는 하층에 주입될 수 있다. 그 결과 폐가스와 먼지의 배출을 방지 할 수 있고 하층에 주입된 미세 환원제 입자에 의해 반응과정이 가속화된다.
굵은 입자의 공급은 환원제의 소비를 감소시키는데, 이는 보다 높은 로상에서 산화 분위기가 더 우세하며, 작은 입자가 폐가스의 H2O 및 CO2와 반응하여 빠르게 소비되기 때문이다.
공정 처리 공간은 다양한 영역으로 세분화되는데, 고형물은 최상부에서 하부로 연속적으로 움직이고, 가스는 하부에서 로를 통과하여 상부로 전도된다. 처리 공간을 다양한 영역으로 세분화함으로써 서로 다양한 영역내 또는 각각의 로상에 처리 상태를 측정할 수 있고, 선별적으로 제어할 수 있다.
그러나, 중금속을 포함하는 잔류물은 또한, 다단노상로에 주입되기 전에 필수 환원제나 탈황제와의 최소 일부분과 혼합될 수 있다. 이것은 특히 높은 수분 함량을 갖는 슬러지를 처리하는 경우에 적용되며, 잔류물이 다단노상로에 주입되기 전에 필수 산화제 또는 탈황제의 최소 일부분과 혼합된다. 슬러지는 일반적으로 끈끈한 점도를 가지고 있어, 환원제의 탈황제와 혼합될 경우 로에 쉽게 주입될 수 있다. 환원제 또는 탈황제와의 혼합물은 가열시 공급물질이 덩어리를 형성하는 것을 방지한다.
중금속을 포함한 잔류물은 각각의 로상에 설치된 레이크(rake)에 의해 연속적으로 순환되고 서서히 하부로 전달된다.
입자의 응집은 지속적인 순환에 의해서 방지된다. 순환 속도는 레이크의 기하학적 구조, 층의 두께 등과 같은 많은 요인에 의해 결정된다. 중금속을 포함한 잔류물, 환원제와 탈황제들은 최소한 1분 내지 3분에 한차례 순환을 하여야 응집이 방지된다.
산소를 포함하는 가스는 선택적으로 로상에 주입될 수가 있는데, 열 수요는 과잉 공정 처리 가스의 연소에 의해 커버되어야 한다.
최소한 250 ℃의 온도를 갖는 산소를 포함하는 가스를 사용하는 것이 바람직하다.
기체 환원제는 다단노상로의 제 3 영역의 하부 로상에 추가적으로 주입될 수 있다. 이는 로상 내의 대기 환원 가능성을 높이며, 산화물의 좀더 완전한 환원을 가능하게 한다.
바람직한 실시예에 의하면, 환원제가 주입되는 로 하부의 하나 또는 그 이상의 로는 버너에 의해 가열된다.
가열시스템의 연도 가스(flue gases)로 인하여 하부에 있는 환원 가스의 농도가 감소하지 않도록 하기 위하여 복사 가열에 의해 간접적으로 에너지를 주입할 수 있다.
바람직한 다른 실시예의 의하면, 가스는 각 영역의 하나 또는 그 이상의 로상의 다단노상로에서 배출된다. 이들 고온 가스는 상기 가스의 양을 줄이고 가스의 환원 가능성을 증가하기 위해 CO2스크러버(scrubber)를 통과하거나, 탄소가 존재하는 추가 반응기를 통과하여, 고온 가스내 CO2가 Boudouard 평형에 따라 일산화탄소를 형성하기 위해 탄소와 반응하고 가스의 환원 가능성은 증가된다. 일산화탄소로 가득찬 가스는 그 후에 다단노상로로 다시 보내진다.
로에서 상부로 흐르는 가스의 일부는 중금속이 기화하는 노상의 하부에서 연결관을 통해 배출되어 주입구를 통해 상기 로상의 상부에서 재 주입될 수 있다. 그 결과 중금속산화물이 중금속으로 환원되고 증발하는 로상에 존재하는 가스 함량은 적다. 중금속은 측벽의 출구를 통해 상기 로상에서 상대적으로 적은 양의 가스로 로에서 배출될 수 있다. 상기 제거된 가스혼합물은 연소되고, 냉각기에서 냉각되며, 결국 대기에 도달하기 전에 여과기에 의해서 정화된다.
적은 양의 폐가스로 인하여 이에 상응하는 로상에서의 가스 유동속도는 낮아지며, 그로 인해 소량의 먼지만이 폐가스와 함께 배출된다. 결국 매우 높은 농도의 중금속이 폐가스내에 존재한다.
다단노상로는 생산력의 증가를 위해 특정 과압에서 작동될 수 있다. 직경약 50 m의 워터 실(water seal)을 통해 봉합된 회전 회로와는 대조적으로, 구동 축 작은 실(seal)만을 가진 다단노상로에서의 과압은 쉽게 이루어진다. 이러한 경우 물질의 공급과 제거에 요구되는 압력 잠금(pressure lock)이 제공되어야 한다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 방법에 의해 중금속을 포함한 잔사의 열처리용 다단노상로의 용도를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예는 첨부된 도면과 함께 하기 설명된다.
도 1은 쌓여 있는 3개의 영역(12, 14, 16)으로 구성되어 있고, 각각의 영역이 여러 개의 로상(18)을 가지고 있는 다단노상로(10)의 단면도를 나타낸다. 외판(20)뿐 아니라 지지되어 있지 않은 상기의 로상(18), 커버(22)그리고 로의 바닥(24)은 내화성 물질로 제조된다.
로(10)로부터 가스를 방출하는 연소 연결관(26, 28, 30)은 각각의 영역(12, 14, 16)에 제공되어 있다. 세 영역(12, 14, 16)의 폐가스의 조성이 다르다. 따라서 다른 영역(12, 14, 16)의 폐가스를 구별하여 각각 처리하는 것이 바람직하다.
중금속을 포함한 잔류물이 제 1 영역의 상부 로상에 주입되는 입구(32)는 커버(22)에 제공되어 있다.
각 로상의 상부에서 경사진 레이크가 장착되는 축(34)은 로의 중앙에 설치된다.
레이크는, 로의 최상부에서 하부로 물질을 운반하기 위해서 하나의 로상에서는 내부에서 외부로, 그리고 나서 하부 로상에서는 외부에서 내부로 물질을 순환시키는 방식으로 고안된다. 축(34)과 레이크는 공냉되고 상기의 공기가 로의 내부로 흘러 들어가서 그곳에서 후-연소에 사용될 수 있도록 주입구가 레이크에 배치된다.
잔류물은 제 1 영역(12)의 제 1 로상에 주입된다. 반면에 환원제와 탈황제는 제 2 영역(14)에 주입되어 중금속을 포함하는 잔류물들과 접촉하게 된다.
제 1 영역(12)을 통해서 운송하는 동안 중금속을 포함하는 잔류물 200 ℃로 가열 건조된다.
환원제와 탈황제가 로로 주입되는 최소한 하나의 입구(36)가 다단노상로(10)의 외판(20)에 제공되는데- 보통 제 2 영역 (14)의 세번째 상단에 위치한다. 이러한 환원제는 액체나 고체 또는 기체로도 존재할 수 있다. 환원제는 일산화탄소, 수소, 천연가스 석유와 석유 유도체 또는 갈탄 코크(lignite coke), 석유 코크, 용광로(Blast furnace) 먼지, 석탄 등과 같은 고형의 탄소 물질이다. 탈황제는 예를 들면 석회(CaO), 석회석(CaCO3) 및/또는 마그네사이트(MgO)를 포함한다.
제 2 영역(14)에 주입된 환원제와 탈황제는 그곳에서 레이크에 의해서 가열된 중금속을 포함한 잔류물과 혼합되고 800 ℃로 가열된다.
제 3 영역(16)에서 중금속을 포함한 잔류물, 환원제 및 탈황제의 혼합물은 1000 ℃로 가열된다. 잔사 중의 산화물들은 다단노상로(10)를 거쳐 운반되면서 고온과 일산화탄소의 존재로 인하여 서서히 환원된다.
다단노상로(10)의 다양한 지점에서 고체, 액체, 기체의 환원제 및 산소를 포함한 가스의 공급 조절을 통해, 그리고 임계점에서 가스의 배출 가능성에 의해 중금속을 포함하는 잔류물의 환원이 정확히 제어될 수 있고, 최적의 상태에서 공정이 수행되도록 한다.
공기나 산소를 포함한 다른 가스, 고온의(350 ℃ 내지 500 ℃)가스를 다단노상로(10)에 주입하기 위한 노즐(38)은 측벽에 배치된다. 고온과 산소의 존재로 인해서 탄소 일부는 연소하여 이산화탄소가 되고, 그 다음 과량의 탄소와 차례로 반응하여 일산화탄소로 전환된다. 일산화탄소는 최종적으로 산화물을 환원한다.
상기 반응은 월등한 흡열반응이므로, 버너(40)를 설치하여 로의 일정한 고온을 유지시키는 것이 바람직하다. 이 경우 가스 또는 분쇄된 석탄이 사용될 수 있다.
이들 버너(40)는 예열 및/또는 추가 가열을 위해 공기를 포함한 가스 또는 분쇄 석탄을 이용하여 점화시킬 수 있다. 부가적인 환원가스는 산소와 연료간의 정략정 비율 또는 공정상에 조과 공기 후연소 과정에서 생산될 수 있다. 분쇄된 석탄의 경우 과량 일산화탄소가 버너에서 생성될 수 있다. 외부 연소 용기를 사용함으로서 연소된 석탄재가 로에 주입되어 철과 혼합되는 것이 방지될 수 있다. 연소 용기 내의 온도는 생성된 슬래그(slag)가 액체형태로 적하되어 유리형태로 처리되는 정도에 의해 결정된다. 일산화탄소의 생성에 의해, 로(10)내의 탄소 운반체의 소비와 최종 제품의 재 함량이 감소된다.
최종 단계 또는 최종 두 단계에서, 기체상의 환원제, 예를들면 일산화탄소 또는 수소사 별도의 노즐(nozzle)을 통해서 공급될 수 있다. 이런 환원력이 증가한 환경에서 금속산화물의 환원이 완전히 이루어진다.

Claims (15)

  1. 3개의 영역으로 구분되어 있고, 각 영역은 여러 개의 로(hearth)가 차례로 구성되어 있는 다단노상로(multiple-hearth furnace)에서, 하기의 과정에 따라 진행되는 중금속을 포함한 잔류물의 열처리방법:
    (a) 중금속을 포함하는 잔류물을 지속적으로 다단노상로의 제 1 영역의 최상부 로상에 주입하고, 잔여금속들을 서서히 제 2 영역으로 이동시키고 건조되는 과정;
    (b) 환원제와 탈황제를 제 2 영역의 최상부 로상에 계속적으로 주입하고, 환원제를 탈황제가 건조된 잔류물과 혼합하고, 혼합물은 800 ℃가 되도록 가열하여 생석회가 되도록 한 후 서서히 제 3 영역으로 이동시키는 과정;
    (c) 제 3 영역에서 1000 ℃로 혼합물을 가열하여 금속을 환원시키고 나머지 생성되는 폐가스들을 각각 배출시켜 분리하는 과정; 및
    (d) 다단노상로 용광로로부터 혼합물을 방출하는 과정.
  2. 제 1항의 방법에 있어서, 상기 탈황제가 석회, 석회석 및/또는 마그네사이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 중금속을 포함한 잔류물의 열처리 방법.
  3. 상기 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 환원제가 액체, 고체 및/또는 기체상태로 다단노상로에 주입되는 것을 특징으로 하는 중금속을 포함한 잔류물의 열처리 방법.
  4. 상기 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 과잉의 환원제가 다단노상로로 주입되는 것을 특징으로 하는 중금속을 포함한 잔류물의 열처리 방법.
  5. 상기 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 중금속을 포함한 잔류물과 최소한의 필요 환원제가 다단노상로에 주입되기 전에 서로 혼합되는 것을 특징으로 하는 중금속을 포함한 잔류물의 열처리 방법.
  6. 상기 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 제 3 영역에서 배출된 폐가스가 후-버너에서 처리되고, 상기의 가스에 포함된 휘발성의 금속은 금속산화물로 전환되고 여과장치에 의해서 폐가스로부터 분리되는 것을 특징으로 하는 중금속을 포함한 잔류물의 열처리 방법.
  7. 상기 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 다단노상로에서 철이 방출된 후 혼합물에서 분리되는 것을 특징으로 하는 중금속을 포함한 잔류물의 열처리 방법.
  8. 상기 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 다단노상로에서 사용되지 않은 환원제가 혼합물에서 분리되는 것을 특징으로 하는 중금속을 포함한 잔류물의 열처리 방법.
  9. 상기 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 또는 그 이상의 로가 직접 또는 간접적으로 가열되는 것을 특징으로 하는 중금속을 포함한 잔류물의 열처리 방법.
  10. 상기 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 산소를 포함하는 가스가 선택적으로 다른 로상에 주입되는 것을 특징으로 하는 중금속을 포함한 잔류물의 열처리 방법.
  11. 상기 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 산소를 포함하는 가스의 온도가 최소한 250 ℃인 것을 특징으로 하는 중금속을 포함한 잔류물의 열처리 방법.
  12. 상기 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 기체상태의 환원제가 다단노상로의 제 3 로의 바닥에 주입되는 것을 특징으로 하는 중금속을 포함한 잔류물의 열처리 방법.
  13. 상기 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 가스가 각 영역에서 다중노상로로부터 배출되는 것을 특징으로 하는 중금속을 포함한 잔류물의 열처리 방법.
  14. 상기 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기의 과정이 고압하에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 중금속을 포함한 잔류물의 열처리 방법.
  15. 상기 청구항 중 어느 한 항의 방법에 따라, 중금속을 포함한 잔류물의 처리를 위한 다단노상로의 용도.
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