KR20070060127A - 금속 또는 금속 화합물의 회수를 위한 방법, 및 이를 위한장치의 용도 - Google Patents

Abstract

버너(20)의 화염(25)을 통해 고상 입자(50)를 공급하는 것을 포함하는, 휘발 성 화합물을 포함하는 금속 함유 고상 입자로부터 금속 또는 금속 화합물을 회수하는 방법이 제공된다. 그 다음 고상 입자의 응집체의 원래 형상 및 상태를 유지하면서 화염(25)으로부터의 열을 이용하여 휘발성 화합물을 증발시킴으로써 원료 생성물(34)을 제공한다. 그 다음 원료 생성물(34)을 회수한다. 고상 화합물을 직접 화염에 제공함으로써, 콤팩트하고 효율적인 플랜트가 제공된다. 버너를 통해 공급되는 금속 함유 고상 입자의 용융을 방지하면서, 만족스러운 방식으로 용융 공정을 제어할 수 있다. 버너의 용도도 기재된다.

Description

금속 또는 금속 화합물의 회수를 위한 방법, 및 이를 위한 장치의 용도{A METHOD AND USE OF AN APPARATUS FOR RECOVERY OF METALS OR METAL COMPOUNDS}

본 발명은 일반적으로 금속 함유 고상 입자 또는 분진을 하소하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 방법을 수행하기 위한 장치의 용도에 관한 것이다.

환경적으로 문제가 되는 다량의 산업 폐기물이 야금 산업의 다양한 공정에서 생성된다. 이러한 폐기물은 주조(foundry) 분진과 슬러지를 포함하는 아연 함유 공급물 뿐 아니라 전기 아크로(ELF) 강철 분진 및 주조 폐기물을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.

제강 및 주조 폐기물로부터 금속을 재활용하기 위한 종래 기술의 플랜트는 문헌(Metals recycling from steelmaking and foundry wastes by Horsehead resource development, 1992, Electric furnace conference proceedings, pages 145-157)에 기재되어 있다. 이 종래 기술의 플랜트를 도 1에 도시한다. 이 문헌에 개시된 플랜트는 처리 물질을 가열하도록 배열되어 재활용 공정을 제공하는 로타리 킬른(rotary kiln)을 구비한다. 이 공정은 두 가지 주요 단계를 포함한다. 제1 단계에서, 아연 함유 공급물과 석탄 또는 코크스의 혼합물과 같은 출발 물질을 제1 킬른에 공급하여, 출발 물질을 철이 풍부한 물질과 분진으로 분리한다. 필터에 수집되는 분진은 산화아연, 및 염, 카드뮴 및 납과 같은 다른 화합물과 원소를 포함한다. 이러한 다른 화합물 및 원소는 불필요한 것으로서, 제2 단계에서 분진을 제2 킬른에 공급하여 거기에서 산화아연, 및 예컨대 염, 카드뮴 및 납과 같은 다른 화합물과 원소를 포함하는 분진으로 분리한다. 이 제2 단계를 하소 단계라고 한다. 하소란 일반적으로 열을 가하여 물질의 물리적 또는 화학적 특성을 전환시키는 것을 의미한다.

상기 기재된 종래 기술의 플랜트에 대한 대안적인 공정 경로는 제1 단계로서 액체 슬래그를 발연(fuming)시키는 단계와, 제2 단계로서 로타리 킬른에서 하소시키는 단계로 구성된다.

처음에 기재한 공정 경로의 제1 및 제2 단계 모두와, 대안적인 공정 경로의 제2 단계에서, 고온의 공기 및 경우에 따라 산소가 공정에 첨가된다. 또한, 로타리 킬른에서 가열 에너지의 대부분이 로타리 킬른의 라이닝(lining)으로부터 물질로 전달된다. 즉, 간접 가열이 이루어진다.

상기 기재한 재활용 공정의 주요 단점은 로타리 킬른이 대형이고 작동이 용이하지 않다는 것이다. 예컨대, 상기 언급한 문헌에 기재된 로타리 킬른은 길이가 100 미터까지, 그리고 직경이 3 미터까지 될 수 있다. 이러한 유형의 로타리 킬른을 구비하는 플랜트는 운전 비용이 많이 든다.

다른 단점은 공정 시간이 더 길다는 것인데, 이는 킬른이 회전하면서 가공된 물질이 중력을 이용하여 수송되기 때문이다. 이러한 비교적 긴 공정은 전체 회수 공정에서 병목 현상을 일으킨다.

추가의 단점은 디옥신과 같은 독성 화합물이 존재하는 경우 이것이 분해되지 않고 공정 열에 의해 증발된다는 것이다. 이는 역류식 킬른을 기반으로 하는 하소 공정의 공정 온도가 제한되어 있기 때문이다. 증발된 디옥신은 그 후 플랜트의 가스 세정 구간 또는 주변 대기로 이동하여 환경에 해로운 물질이 된다.

따라서, 이러한 공정에서 유래하는 금속 함유 분진 및 고상 입자의 처리 및 회수는 종종 어렵고 비용이 많이 드는 문제임을 이해할 것이다. 새로운 해결책을 찾으라는 공공 기관 및 소비자로부터의 압력이 점점 증가하고 있다.

지금까지는, 회수된 금속이 고체 형태로 얻어지는, 즉, 회수된 금속이 용융되지 않는 금속 함유 분진의 하소 공정을 위한, 로타리 킬른의 용도에 대한 적절한 대안책이 발견되지 않았다. 그러나, 만족스러운 야금 결과와 에너지 효율성이 높고 환경적으로 안전한 킬른 공정을 조합하는 것은 매우 어렵다. 또한, 분진은 본래 중량이 낮기 때문에, 가스에 의해 쉽게 이동하여 노(furnace)로부터의 배기물과 혼합되므로 수율을 낮추고 환경에 해로운 물질이 되어 버린다.

국제 공개 WO01/86011 A1은, 금속 미분을 버너(20)의 화염에 공급하여 이를 용융시킨 후 응집시키는, 금속의 회수 방법을 개시한다. 그 다음 응집된 생성물을 회수한다.

발명의 개요

본 발명의 목적은 금속 함유 고상 입자로부터 금속 및 금속 화합물을 회수하는 방법으로서, 공지된 기술에서의 상기 언급한 단점을 피하거나 적어도 완화시키는 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 금속 함유 고상 입자로부터 금속 및 금속 화합물을 회수하기 위한 장치의 용도를 제공하는 것이다.

본 발명은 회수되는 금속 또는 금속 화합물을 용융하지 않고, 즉, 고상 입자의 응집체의 원래 형상 및 상태를 유지하면서 금속 함유 고상 입자를 산소 연료 버너의 화염을 통해 직접 공급할 수 있다는 사실에 기초한다. 고상 입자를 버너 화염에 직접, 그리고 버너 화염을 통해 공급하면서 버너를 이용하면, 고상 입자가 버너 화염을 통과한 후에도 용융되지 않은 채로 남아 있도록 가열 공정을 제어할 수 있다.

본 발명의 제1 양태에 따르면, 제1항에 정의된 바의 금속 및 금속 화합물의 회수 방법이 제공된다.

본 발명의 제2 양태에 따르면, 제11항에 정의된 바의 금속 및 금속 화합물을 회수하기 위한 장치의 용도가 제공된다.

본 발명에 따른 방법을 이용하면, 종래 기술의 문제점이 극복되거나 또는 적어도 완화된다. 고상 입자를 화염에 직접 공급함으로써, 콤팩트하고 효율적인 플랜트가 제공된다. 버너를 통해 공급되는 금속 함유 고상 입자의 용융을 방지하면서, 가열 공정을 만족스러운 방식으로 제어할 수 있다.

바람직한 구체예에서, 버너와 함께 산소가 풍부한 가스를 사용함으로써, 공정의 제어가 더욱 강화되고 배기 가스의 부피가 최소화된다.

첨부 도면을 참고로 하여 예를 통해 이제 본 발명을 설명한다.

도 1은 금속 함유 분진으로부터 금속을 회수하기 위한 종래 기술의 플랜트의 개략도이다.

도 2는 본 발명 방법에 이용되는 장치의 개략도이다.

도 3은 본 발명 방법에 이용되는 버너의 단면도이다.

도 4는 도 2에 도시된 버너의 횡단면도이다.

도 5는 본 발명 방법에 이용되는 장치의 대안적인 구체예를 도시한다.

발명의 상세한 설명

하기에서, 본 발명에 따른 방법 및 장치를 상세히 설명한다. 분진 및 고상 입자라는 표현은 본 명세서에서 상호 교환적으로 사용될 것이다. 이들 표현은 고체 상태에 있고 전체 직경이 약 5 mm 이하인 입자를 지칭하는 것으로 이해해야 한다. 응집된 생성물, 즉, 소결 또는 압축된 미분의 응집체는 본 명세서에서는 이에 포함되지 않는다.

종래 기술의 플랜트 및 이의 작동 방법은 도 1을 참고로 하여 이미 설명하였다. 제1 킬른에서, 아연 함유 공급물과 석탄 또는 코크스의 혼합물과 같은 출발 물질을 철이 풍부한 물질 및 아연이 풍부하나 오염된 분진으로 분리한다.

제2 킬른에서, 아연이 풍부한 분진을 불순물 함량이 낮은 아연이 풍부한 생성물로 하소시킨다.

도 2를 시작으로, 개괄적으로 10으로 표시한, 금속 및 금속 화합물의 회수 및 개량을 위한 플랜트의 전체적인 개략도를 도시한다. 본 명세서에서, "회수"라는 용어는 생성되는 원료의 추가 처리가 필요하거나 필요하지 않은 회수를 포함하고자 한다. 플랜트(10)는 국제 특허 공개 WO 01/86011에 기재된 플랜트와 실질적으로 동일하다. 플랜트를 노(30)의 측벽에 설치된 버너(20) 주위에 세운다. 버너는 소위 산소 연료 버너로서, 연료유, 프로판, 천연 가스 또는 부탄과 같은 연료를 제1 공급 라인(21)을 통해 공급하고, 산소를 제2 공급 라인(22)을 통해 공급한다. 본 명세서에서 "산소"라는 용어는 O₂ 함량이 21%를 초과하는 가스, 바람직하게는 O₂ 함량이 90-99.5%인 소위 공업용 산소를 의미한다. 금속 함유 분진 또는 고상 입자를 제3 공급 라인(23)을 통해 공급한다. 하기 설명으로부터, 본 발명 방법은 주조 분진을 포함하는 아연 함유 공급물 뿐 아니라 전기 아크로(EAF) 강철 분진, 웰즈 킬른(Waelz kiln) 분진, 슬래그 발연로 분진, 납 및 구리 플랜트 분진 및 주조 폐기물에 적용 가능함이 명백할 것이다. 따라서, 통상적으로 분쇄 및 소결로 인해 생성되는 생성물을 의미하는 미분, 및 통상적으로 필터에 수집된 생성물을 의미하는 분진 모두 뿐 아니라 분말과 같은 다른 동등한 물질도 본 발명 방법에 사용 가능한 원료이다.

금속 함유 고상 입자는 카드뮴, 납, 여러가지 염, 염화나트륨, 염화칼륨, 산화물, 불화물 등과 같은 불필요한 화합물도 함유한다. "화합물"이라는 용어는 원소를 포함하는 것으로 이해해야 한다.

도 3 및 4를 참고로 하여 이하에 버너(20)를 더욱 상세히 설명한다.

제3 공급 라인(23)도 개괄적으로 40으로 표시한 공급기에 연결되어 있다. 공 급기(40)는 고상 입자가 공급되는 사일로(42)를 구비한다. 고상 입자는 사일로(42)로부터 압력 용기(44)로 이동한 후, 압력 용기(44)로부터 버너(20)에 연결된 제3 공급 라인(23)으로 더 이동한다. 이 배치를 이용하여, 고상 입자가 버너(20)로 공급되는 소정의 속도가 확보된다.

대안적인 구체예에서, 고상 입자를 운반체로서 작용하는 유체에 혼합하여, 버너(20)로 공급되는 슬러리를 생성한다.

노의 바닥에, 노(30)에 공급되는 물질로부터 생성되는 충전물(34)이 수집된다.

도 3 및 4를 참고로 하여 이제 버너(20)를 상세히 설명한다. 버너(20)는 도 2에 도시된 3개의 공급 라인(21-23)이 연결된 주요부(24)를 포함한다. 이 부분(24)에 실질적으로 원형 횡단면이 제공되는데, 도 4를 보면 공급 라인(21-23)의 배열이 더욱 상세하게 나타나 있다. 주요부(24)의 중심축으로부터 일정한 거리에 배치된 6개의 동일한 거리에 있는 파이프(21a-f) 형태의 제1 공급 라인(21)을 통해 연료가 제공된다. 고리 모양의 외측부(22)를 통해 산소가 공급되어, 파이프(21a-f)를 통해 공급된 연료를 둘러싼다. 마지막으로, 버너 내에 동축으로 배치된 파이프(23)를 통해 고상 입자가 공급된다.

이미 언급한 바와 같이, 버너(20)를 노(30)의 측벽에 장착한다. 바람직한 구체예에서, 버너를 기울여 배치할 수 있다. 즉, 버너를 수평선 및 수직선에 대해 상이한 각으로 배치할 수 있다. 하소 공정에 대한 소정의 특성을 얻기 위해 상이한 배향을 이용할 수 있다.

하기에서, 금속 및 금속 화합물의 회수 방법을 상세히 설명한다.

우선, 분진을 공급기(40)의 사일로(42)에 공급한다. 상기 설명한 공정에 사용되는 분진은 금속 함유 고상 입자이다. 분진을 구성하는 고상 입자는 통상적으로 전체 직경이 약 5 mm 미만, 바람직하게는 약 1 mm 미만이다.

분진은 사일로로부터, 압축 공기, 산소, 질소 또는 아르곤과 같은 운반 가스로서도 작용하는 가스를 이용하여 압력이 유지되는 압력 용기(44)로 낙하한다. 압력 용기(44) 내 압력을 이용하여, 그 후 분진은 용기(44) 내 압력 수준, 사일로(42) 내 고상 입자의 양 등에 의해 결정되는 속도로 산소 연료 버너(20)로 운반된다.

제1 및 제2 공급 라인(21 및 22)을 통해 각각 공급되는 연료 및 산소의 양에 의해 산소 연료 버너(20)의 작동이 제어된다. 공급 라인은 종래와 같이 연료 및 산소의 공급원(미도시)에 연결되어 있다.

도 3 및 4를 참고로 하여 버너(20)의 작동을 이제 상세히 설명한다. 공급기에 의해 제어되는 속도로 분진이 중앙 공급 파이프(23)를 통해 공급된다. 도 4를 보면 산소 엔벨로프는 고리 모양의 공급 영역(22)을 통해 공급되는 반면, 연료는 6개의 연료 공급 파이프(21a-f)에서 공급된다. 산소 연료 혼합물은 연료 및 산소의 공급 속도에 의해 길이, 온도 등과 같은 특성이 제어되는 화염(25)을 생성시킨다. 산소 함량이 높고 온도가 높을수록, 1900-2500℃ 정도로 높은 이론적인 화염 온도 및 100 m/초의 화염 속도가 얻어진다.

따라서, 분진을 화염(25)의 중앙부에 주입한다. 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 화염(25)으로 그리고 화염(25)을 통해 주입되는 분진은 화염의 열에 의해 용융되지 않은 채로 남아 있다. 즉, 고상 입자의 응집체의 원래 형상 및 상태가 유지된다. 이는 고상 입자가 매우 짧은 시간 동안 그리고 엄격하게 제어된 조건 하에서 화염에 머무르기 때문에 가능한 것이다. 예컨대, 고상 입자는 1 초 미만 동안, 더욱 바람직하게는 1/2 초 미만 동안 화염에 머무를 수 있다. 따라서, 높은 화염 온도에도 불구하고 입자가 용융되지 않으면서 하소가 이루어지도록 입자의 가열을 조절할 수 있다.

기본적으로, 공정은 연소된 연료의 양과 화염에 공급되는 고상 입자의 비에 의해 제어된다. 그러나, 가열 공정은 화염(25)의 온도 및 속도, 주입되는 고상 입자의 에너지 함량 또는 밀도, 화학량론, 즉, 첨가되는 연료에 대한 산화 가스의 비, 산화 가스의 산소 함량, 산소 및 첨가되는 연료의 공급 속도, 분진의 주입 속도 및 이의 특성, 화염 내 고상 입자의 이동 시간, 및 경사(tilting)와 같은 버너의 배열 및 특성이라는 여러가지 매개 변수에 의해 제어된다. 따라서, 산화아연 입자와 같은 하소된 고상 입자가 노(30)의 바닥으로 낙하하여 충전물(34)에 첨가되도록 입자의 가열을 조절할 수 있다. 그 다음 입자는 추가 공정을 위한 원료로서 사용될 수 있다. 예컨대, 산화아연은 아연에 대한 원료로서 사용될 수 있다.

바람직한 구체예에서, 공정은 화학량론에 따라 또는 아화학량론에 따라 실시된다.

증발된 화합물이 1 이상의 배기 출구(미도시)를 통해 노(30)에서 배출되므로 여러가지 편리한 방식으로 처리한다. 비교적 높은 화염 온도를 이용하는 본 발명 방법은 디옥신과 같은 일부 불필요한 독성 화합물을 분해함으로써 이것이 주변 대기로 유입되는 것을 방지한다.

본 발명에 따른 방법 및 장치의 용도에 대한 바람직한 구체예를 설명하였다. 당업자는 이것들이 첨부된 청구 범위 내에서 변경될 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 산소 연료 버너(20)를 예시했지만, 21%를 초과하는 소정의 산소 농도가 얻어지는 한, 플라즈마 버너와 같은 다른 동등한 버너를 사용할 수 있다. 6 이외의 다른 수의 연료 파이프를 구비한 버너와 같이 개시된 것과 다른 배열을 가진 산소 연료 버너도 사용할 수 있다.

도 2에 도시된 구체예에서는, 버너를 노의 측벽에 배치한다. 그러나, 노의 상부와 같이 다른 적절한 위치에 설치하는 것도 가능함을 이해할 것이다. 또한, 1개 이상의 버너를 구비한 배열도 가능하다. 도 5에서, 다른 대안적인 구체예를 도시하는데, 여기서 버너(20)는 로타리 킬른(30')의 일단부에 제공되어 있다. 이러한 방식으로, 버너가 입구 말단부에 구비되도록 기존의 플랜트를 개장하여 종래 기술의 역류 공정 대신에 병류 공정을 제공할 수 있다. 도 2를 참고로 하여 설명한 구체예와 동일한 방식으로 고상 입자가 버너에 공급되지만, 킬른(30')의 회전에 의해 고상 입자가 수송된다는 점이 다르다.

상기 설명한 구체예에서, 고상 입자는 공급기를 이용하여 노에 공급된다. 그러나, 공급 기어 등을 이용하여 운반되는 경우, 노에 공급되는 입자는 자유 유동성(free-flowing) 상태일 수 있다.

도면에서는 건조된 출발 재료를 도시하였다. 분진 입자가 물 또는 슬러지와 같은 액체 중에 혼합된 경우, 예컨대 공급 스크류를 구비하는 적절한 공급 배치가 제공되어야 한다. 또한 노에 도달했을 때, 습윤 부분이 화염의 고온에 의해 증발하여, 노(30)를 통해 발생하는 배기물이 된 후, 이어서 배기 출구(미도시)를 통해 배출된다.

Claims (11)

1. a) 버너(20)의 화염(25)을 통해 고상 입자(50)를 공급하는 단계;

   b) 고상 입자의 응집체의 원래 형상 및 상태를 유지하면서 화염(25)으로부터의 열을 이용하여 휘발성 화합물을 증발시킴으로써 원료 생성물(34)을 제공하는 단계; 및

   c) 원료 생성물(34)을 회수하는 단계

   를 포함하는, 휘발성 화합물을 포함하는 금속 함유 고상 입자로부터 금속 또는 금속 화합물을 회수하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 버너(20)는 산소 연료 버너인 것인 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, O₂ 함량이 21% 이상인 산화 가스를 버너에 공급하는 것인 방법.
4. 제3항에 있어서, O₂ 함량이 90% 이상인 산화 가스를 버너에 공급하는 것인 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 고상 입자(50)는 산화아연을 포 함하는 것인 방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 휘발성 원소는 카드뮴, 납, 여러가지 염, 염화나트륨, 염화칼륨, 산화물 및 불화물을 포함하는 군에서 선택되는 원소인 것인 방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 고상 입자(50)의 직경은 약 5 mm 미만이고, 더욱 바람직하게는 약 1 mm 미만인 것인 방법.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 b)의 하소 공정은 화염(25)의 온도 및 속도, 고상 입자의 에너지 함량 또는 밀도, 버너(20)에 첨가되는 연료에 대한 산화 가스의 비, 산화 가스의 산소 함량, 산소 및 첨가되는 연료의 공급 속도, 배기 가스 중 산소 함량, 고상 입자의 공급 속도 및 이의 특성, 화염 내 고상 입자의 이동 시간(travel time), 및 경사(tilting)와 같은 버너 배열 및 특성이라는 매개 변수들 중 적어도 일부를 이용하여 제어하는 것인 방법.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 a)는 실질적으로 화염(25)의 중앙부에 고상 입자(50)를 공급하는 것을 포함하는 것인 방법.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 고상 입자는 1 초 미만 동안, 더 욱 바람직하게는 1/2 초 미만 동안 화염(25)에 머무르는 것인 방법.
11. - 작동 중에 화염(25)을 발생시키는 버너(20),

    - 버너에 연결되어 버너(20)의 화염(25)을 통해 휘발성 화합물을 포함하는 금속 함유 고상 입자를 공급하기 위한 공급기(40),

    - 고상 입자의 응집체의 원래 형상 및 상태를 유지하면서 화염(25)으로부터의 열을 이용하여 휘발성 화합물을 증발시킴으로써 원료 생성물(34)을 제공하도록 버너(20)의 화염(25)을 제어하기 위한 디바이스(21, 22), 및

    - 원료 생성물(34)을 회수하기 위한 디바이스(30)

    를 포함하는 장치의, 휘발성 화합물을 포함하는 금속 함유 고상 입자로부터 금속 또는 금속 화합물을 회수하기 위한 용도.

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