KR20030048146A - 배소로내의 유동층을 안정화시키는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 유동층내의 배소 가스 중 산소 함량을 조절함으로써, 배소에 사용되는 유동층을 안정화시키는 방법에 관한 것이다. 배소하기 위한 세립자 재료는 유동층 상부의 노로 유입되고, 유동층을 유발하는 배소 가스는 화격자를 통하여 노의 하부로 유입된다. 이 방법에서, 유입되는 배소 가스 중 산소의 전체량과 배소되는 재료의 평균 전체 산소 필요량이 계산되고, 상기 산소의 전체량과 평균 전체 산소 필요량간의 비율은 유동층내의 산소 계소가 1 이상이 되도록 조절된다.

Description

배소로내의 유동층을 안정화시키는 방법 {METHOD FOR THE STABILIZATION OF A FLUIDIZED BED IN A ROASTING FURNACE}

배소하기 위한 세립자 재료 (fine-grained material) 는 유동층 상부의 노(勞) 로 유입되고, 유동층을 유발하는 배소 가스는 화격자를 통하여 노의 하부로 유입된다. 이 방법에서, 유입되는 배소 가스 중 산소의 전체량과 배소되는 재료의 평균 전체 산소 필요량이 계산되고, 상기 산소의 전체량과 평균 전체 산소 필요량간의 비율은 유동층내의 산소 계수가 1 이상이 되도록 조절된다.

배소는 여러 가지 상이한 노내에서 실시될 수 있다. 하지만, 요즘에는, 세립자 재료의 배소는 일반적으로 유동층 방법으로 실시된다. 배소되는 재료는 유동층 상부에서 노의 벽부내의 공급 유닛을 통하여 배소로 (roasting furnace) 로 유입된다. 노의 하부상에는 화격자가 제공되고, 정광 (concentrate) 을 유동화하기 위해서 상기 화격자를 통하여 산소-함유 가스가 유입된다. 사용된 산소-함유 가스는 일반적으로 공기이다. 일반적으로, 화격자 하부에는 100 가스 노즐/㎡ 의 정도로 존재한다. 정광이 유동화됨에 따라, 공급 베드의 높이는 고정된 재료의 베드 높이의 대략 절반만큼 상승한다. 화격자의 저항 및 베드의 저항에 의해 노내에 압력 저하가 형성된다. 베드가 유동화상태일 때, 베드의 저항은 대략 베드의 질량이다. 압력 저하는 240 - 280 mbar 의 범위이다.

황화물의 배소는, 예컨대 로젠크비스트, 티. (Rosenqvist, T.) 의 저서 (1974년 미국에서 McGraw-Hill에서 출판한 "추출 야금의 이론"의 245-255 쪽) 에 기재되어 있다. 로젠크비스트에 따르면, 배소는 금속 황화물을 산화시키며, 금속 산화물과 이산화황을 발생시킨다. 예컨대, 황화아연과 황철석은 다음과 같이 산화된다:

2 ZnS + 3 O₂--> 2 ZnO +2 SO₂(1)

2 FeS₂+ 5 1/2 O₂--> Fe₂O₃+ 4 SO₂(2)

추가로, SO₃의 형성, 금속의 황화물화, 및 철산아연 (zinc ferrite) (ZnFe₂O₄) 등의 산화착화합물의 형성과 같은 다른 반응이 발생할 수 있다. 통상적으로, 배소용의 재료로는 구리, 아연, 및 납 황화물이다. 배소는, 일반적으로 황화물과 산화물의 용융점 이하, 일반적으로 900 - 1000℃ 이하의 온도에서 실시된다. 다른 한편으로는, 반응이 합리적인 비율로 발생하도록, 온도는 적어도 500 - 600℃ 의 정도이어야 한다. 상기 저서에서는 다양한 배소 제품을 형성하는데 필요한 조건을 나타내는 밸런스 도면 (balance drawings) 을 도시하였다. 예컨대, 공기가 배소 가스로서 사용될 때, SO₂와 O₂의 부분 압력은 약0.2 atm 이다. 배소 반응은 강한 발열반응이고, 따라서 베드는 냉각 장치를 필요로 한다.

하소 (calcine) 는, 오버플로 구멍 (overflow aperture) 을 통하여 노로부터 부분적으로 제거되고, 가스와 함께 폐기 열 보일러로 부분적으로 운반되어, 그로부터 사이클론 및 정전기 집진기로 운반되어서, 하소가 회수된다. 일반적으로, 오버플로 구멍은 공급 유닛으로부터 노의 반대측상에 위치된다. 제거된 하소는 냉각되어 침출 (leaching) 을 위해서 미세하게 연삭된다.

양호한 배소를 위하여, 베드를 제어하는 것이 중요하고, 즉 베드는 안정된 구조를 가져야 하며 다른 양호한 유동 특성을 가져야 하고, 제어상태에서 유동화되어야 한다. 연소는 가능한 완전 연소되어야 하고, 즉 황화물은 산화물로 완전히 산화되어야 한다. 또한, 하소는 노 외부로 완전히 나와야 하고, 즉 하소의 입자 크기는 어떠한 한계이내어야 한다. 하소의 입자 크기는 정광의 화학적 및 광물학적 조성물 및 배소 가스의 온도의 영향을 받는다고 공지되어 있다.

아연 배소기에서 처리되는 황화아연의 정광은 시간이 지남에 따라 보다 불순물이 섞여지게 된다. 정광은, 섬아연광에 가깝지는 않지만, 상당한 양의 철을 포함할 수 있다. 철은, 섬아연광 격자내에 용해되거나 황철석 또는 자황철석 형태로 용해된다. 추가로, 정광은 종종 황화납 및/또는 황화구리를 포함한다. 정광의 화학적 조성물과 광물학적 조성물은 다양하게 변한다. 상기 방식으로, 정광의 산화에 필요한 산소량도 변하고, 또한 연소시 생성되는 열량도 변하게 된다. 배소기를 사용하는 현재의 기법에서, 정광의 공급은, 예컨대퍼지 이론을 사용하여 베드의 온도에 따라서 조절된다. 따라서, 유동층내의 산소 압력이 너무 낮게 저하할 위험, 즉 정광을 배소하는데 산소량이 불충분할 위험이 있다. 그 결과, 베드는 일반적으로 덩어리를 형성하지 않지만 매우 미세하게 형성되며, 동시에 베드의 후방 압력은 매우 낮게 저하할 수 있는데, 이는 미세한 베드가 유동화를 차단하고 채널이 형성되기 때문이다. 유동층의 실제 산소 요구량은 공지되어 있지 않다. 왜냐하면, 일반적으로 정광 혼합물은 정확한 조성물을 바탕으로 미리 연속적으로 계산되지 않고, 산소 함량을 측정하기 위해서 베드내의 어떠한 장치도 없기 때문이다. 따라서, 유동층 노의 작동은 조절 및 안정적으로 유지하기가 어렵다.

또한, 처리되는 황화아연 정광의 입자 크기는 변한다. 그 결과, 정광의 어느 부분이 베드내에서 연소할 것인지를 알기가 어렵고, 또한 베드 상부에서 어느 부분이 배기 가스에 의해 운반되는지를 알기가 어렵다. 베드 상부에서 상당한 양의 연소가 실시되면, 일반적인 경우보다 더 적게 베드내에서 에너지가 생성되고, 조절 방법에 따라서 공급량을 증가시킬 수 있다.

전술한 바와 같이, 상기 문헌의 밸런스 계산 및 밸런스 다이어그램으로부터, 구리와 철은 함께 및 별개로, 배소 온도 및 심지어 더 낮은 온도에서 용융되는 산황화물을 형성할 수 있음을 알 수 있다. 유사하게, 아연과 납, 및 철과 납은 둘 다 낮은 온도에서 용융 황화물을 형성한다. 상기 종류의 황화물 형성이 가능하고, 또한 베드내의 산소량이 일반적으로 정광을 산화시키는데 필요한 양보다 적을 때도 가능하다.

유동층 배소시, 제품의 덩어리 형성이 일반적으로 발생하고, 즉 하소는 정광 공급물보다 명확하게 더 굵어진다. 그럼에도 불구하고, 전술한 용융 황화물의 형성은 불안정한 정도로 덩어리 형성을 증가시키고, 즉 황화물을 중심으로 하는 덩어리는 화격자 주변에서 이동하게 된다. 이 덩어리는 화격자상에 형성물 (build-ups) 을 유발하여, 시간이 지남에 따라, 화격자 아래의 가스 노즐을 차단한다. 아연 배소기에서, 불순물을 함유한 형성물은 특히 정광 공급 유닛 아래의 화격자 일부분에서 노내에 형성됨을 알 수 있다.

니베르그, 제이. (Nyberg, J.) 등의 논문 (2000년 10월 22-25일, 미국, 피츠버그에서 개최된 납-아연 심포지엄 2000 에 기재된 "Kokkola 아연 배소기에서의 최근 프로세스의 개선"의 399-415 쪽) 에서, 배소기의 유동층은, 일반적으로 베드내의 가장 미세한 분획물 (fraction) 의 퍼센트가 증가할 때, 불안정한 상태쪽으로 이동하게 된다고 기재되어 있다. 이 경우에 있어서, 베드는 유동화되기에 너무 미세하고 채널이 형성되기 때문에, 제어 열 부재의 온도는 발산한다. 추가로, 베드의 후방 압력은 감소하고 공급물도 저하된다.

상기 문헌은 매우 낮은 산소 함량 상태에서도 작용하는 아연 황화물의 산화모델에 대한 연구도 포함한다. 상기 모델에 따라서, 아연 산화물은, 정상적인 고체-가스 반응을 통해서가 아니라 가스 반응을 통하여 낮은 산소 압력에서 형성된다. 이는 응축된 아연 산화물이 매우 미세하다는 것을 의미한다. 하지만, 가스 공급물과 산소량을 증가시키기 위해 화격자 아래의 팬 전력이 항상 충분하지 않다. 또한 다른 한편으로는, 배소기 이후의 산성 장치 (acid plant) 는용량 제한을 유발할 수 있다. 또한, 정광은 매우 미세할 수 있고, 가스 공급량이 증가된다면, 재료는 더이상 유동층에 머물지 않고, 대신 가스 유동으로 날아가버린다. 때때로, 정광의 품질은, 베드의 온도에서 공급물의 감소 및 상기 수단에 의한 충분한 레벨의 산소량의 증가에 따라 변하지 않도록 한다. 또한, 상기 조절 방법이 불가능한 경우도 있을 수 있다.

배소 상태를 조절하는 다른 방법이 시도되었다. 미국특허 제 5803949 호에서는, 공급물의 입자 크기를 조절함으로써 안정화되는, 금속 황화물의 배소에서 유동층을 안정화시키는 방법을 개시하였다. 미국특허 제 3957484 호에서, 정광은 슬러리로 공급됨으로써 안정화된다. 맥라겐, 씨. (Maclagan, C.) 등의 논문 (2000년 10월 22-25일, 미국, 피츠버그에서 개최된 납-아연 심포지엄 2000 에 기재된 "징코 (Zincor) 에서 플루오-고체 (Fluo-Solids) 배소의 산소 농축" 의 417-426쪽) 에서, 배소기의 배기 가스의 산소 함량은 보일러 또는 사이클론 이후의 가스 라인으로부터 실시된 측정에 의해 제어된다고 개시하였다. 하지만, 상기 측정으로부터 유동층의 상태에 대해서는 알 수가 없고, 왜냐하면 가스 라인 측정은 이미 누출된 공기를 포함하기 때문이다.

본 발명은, 유동층내의 배소 가스 (roasting gas) 중 산소 함량을 조절함으로써, 배소에 사용되는 유동층을 안정화시키는 방법에 관한 것이다.

전술한 결함을 수정하기 위해서, 본 발명에 따른 방법은 베드내의 가스 중 산소 함량을 조절함으로써 미세한 재료를 배소하는데 사용하기 위해서 유동층을 안정화시키도록 개선되었다. 예컨대, 황화아연 정광을 아연 산화물로 산화시키기 위해서, 유동층의 산소 계수는 이론적으로 1 이상 이어야 한다. 산소 계수는, 배소 가스 중 전체 산소 공급물이 계산되어 정광 공급 혼합물에 필요한 전체 산소와 비교될 때 획득된다. 개선된 방법에 따라서, 산소 계수는 1 이상, 바람직하게는 1.03 이상으로 조절된다. 또한, 보다 정확한 조절을 위해서, 산소 함량은 베드 그 자체내에서 측정된다. 산소 계수를 조절하여 유동층을 안정화시킴으로써, 화격자상에 형성된 형성물로 인한 생산 중단 및 용량 손실을 방지한다. 본 발명의 주요 특징은 첨부된 청구항에서 명백히 설명할 것이다.

본 발명의 방법에 따라서, 2 개의 공정 데이터를 바탕으로 산소 계수를 조절할 수 있고, 우선 조사된 각 정광의 화학적 및 광물학적 조성물의 계산된 산소 필요량을 이용하여 공급 혼합물 (Nm³O₂/t 정광 혼합물) 의 평균 산소 필요량을 계산한다. 정광 혼합물의 산소 필요량은 혼합물이 변하게 될 때마다 공정 제어기구에 입력된다. 필요한 제 2 공정 데이터는 전체 산소 필요량이고, 이 전체 산소 필요량은 연속적으로 측정되는 정광 공급물 (t/h) 과 공급 혼합물의 산소 필요량을 바탕으로 계산된다. 배소시, 공정 제어기구는 공정의 산소 계수를 측정하고, 즉 전체 산소 공급물과 계산된 전체 산소 필요량을 비교한다. 전체 산소 공급물은 화격자를 통하여 유입되는 가스량과 산소 함량을 측정함으로써 획득된다. 제어 기구에는 적절한 한계값이 주어지고, 산소 계수가 이 한계값 이하로 떨어지면, 상기 기구는 정해진 방식, 예컨대 경보나 어떠한 조절 과정으로 반응한다. 상기 종류의 조절 과정은, 상황에 따라서, 상이한 결합물내에서 함께또는 별개로 화격자 공기 또는 산소 농축물의 온도와 양을 변화시킴으로써, 산소 계수를 정확한 범위로 조절할 수 있다. 순수 산소는 산소 농축물로서 화격자 가스와 함께 유입될 수 있다.

전술한 바와 같이, 배소하는 종래 기술의 실시형태에 있어서는, 베드내에서 및 베드상의 어느 부분에서만 정광의 어느 부분이 산화될 것인가와 몇 퍼센트의 공기가 누출될 것인가를 결정할 수 없었다. 따라서, 베드내의 충분한 산소량을 정확하게 도시한 것은 없다. 따라서, 조절 작용을 설명하기 위해서, 또한 베드내에서의 산소 함량 측정이 수행될 필요가 있다. 본 발명에서, 산소 함량의 정밀한 조절은 연속적으로 또는 예컨대 공급 혼합물이 변할 때에에만 실시될 수 있다. 측정 장치로서, 예컨대 프로브가 사용된다. 상기 측정을 바탕으로, 산소 계수를 정확한 범위로 조절할 필요가 있을 때 전술한 작용이 실시된다. 특히, 산소 농축물을 사용할 때, 순수 산소는 고가이기 때문에, 과도한 산소 공급으로 인한 비용 소비를 방지하도록 명심해야 한다.

본 발명은 이후의 실시예에서 더 자세히 설명된다.

실시예 1

섬아연광 조성물을 함유한 정광은 황철석을 함유한 아연 정광과 비교된다. 정광의 산소 필요량 계산에서는, 배소시 섬아연광 정광의 산소 필요량이 338 Nm³/t 이고, 황철석을 함유한 정광의 산소 필요량이 378 Nm³/t 이며, 즉 황철석을 함유한 정광의 산소 필요량은 섬아연광을 함유한 정광의 산소 필요량보다 10% 더 큼을알 수 있다. 정광의 미네랄 함량은 표 1 에 도시되었다.

미네랄	섬아연광 함유 정광	황철석 함유 정광
	w-%	w-%
CuFeS2	0.09	1.73
FeS	2.54	2.85
FeS2	0.35	21.63
ZnS	91.66	68.11
PbS	1	3.11
CdS	0.24	0.18
SiO2	0.94	0.43
CaSO4	0.83	0.1
CaCO3	1.05	0.5
기타	1.3	1.36

Claims (11)

1. 세립자 재료의 배소에 사용되는 유동층을 안정화시키는 방법에 있어서,

   유입되는 배소 가스내의 전체 산소량과 배소되는 재료의 평균 전체 산소 필요량이 계산되고, 상기 전체 산소량과 평균 전체 산소 필요량간의 비율은 베드내의 산소 계수가 1 이상이 되도록 조절되며, 산소 계수를 조절하기 위해서, 유동층으로부터 산소 함량이 측정되는 것을 특징으로 하는 유동층을 안정화시키는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 산소 계수는 1.03 이상으로 조절되는 것을 특징으로 하는 유동층을 안정화시키는 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 산소 계수는 온도를 변화시킴으로써 조절되는 것을 특징으로 하는 유동층을 안정화시키는 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 산소 계수는 배소 공기의 양을 변화시킴으로써 조절되는 것을 특징으로 하는 유동층을 안정화시키는 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 배소 가스는 공기인 것을 특징으로 하는 유동층을 안정화시키는 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 배소 가스로서 산소-농축된 공기가 사용되는 것을 특징으로 하는 유동층을 안정화시키는 방법.
7. 제 6 항에 있어서, 산소 계수는 배소 가스의 산소 농축물을 변화시킴으로써 조절되는 것을 특징으로 하는 유동층을 안정화시키는 방법.
8. 제 1 항에 있어서, 베드로부터의 산소 함량 측정은 연속적으로 실시되는 것을 특징으로 하는 유동층을 안정화시키는 방법.
9. 제 1 항에 있어서, 베드로부터의 산소 함량 측정은 공급 혼합물이 변할 때 실시되는 것을 특징으로 하는 유동층을 안정화시키는 방법.
10. 제 1 항에 있어서, 배소되는 재료는 아연 정광인 것을 특징으로 하는 유동층을 안정화시키는 방법.
11. 제 1 항에 있어서, 배소되는 재료는 철-함유 황화물 정광인 것을 특징으로 하는 유동층을 안정화시키는 방법.