KR20100113902A - 알루미늄 드로스와 탄소를 이용한 암모니아수 및 아세치렌가스의 제조방법. - Google Patents

알루미늄 드로스와 탄소를 이용한 암모니아수 및 아세치렌가스의 제조방법. Download PDF

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Abstract

본 발명은 산업 폐기물인 알루미늄 드로스를 이용하여 알루미나 시멘트제조과정에서, 알루미늄 드로스에 포함되어있는 금속알미늄 및 질화알미늄과 탄소를 이용하여 암모니아수와 아세치렌가스를 제조하는 방법으로서,
알루미늄 드로스와 암모니아수(NH4OH)를 이용하여 수소가스를 발생시키고, 수소가스와 탄소를 결합시켜 아세치렌가스를 생성시키는 방법이며,
질화알미늄은 물에 의하여 수화반응이 일어나 아루민산 암모늄이 생성되고 아루민산안모늄을 가수분해시키면 암모니아가스가 생성되고 암모니아가스를 물에 흡수시켜 암모니아수를 제조함으로서 환경오염을 방지하고, 자원의 낭비를 미연에 방지할 수 있으며, 또한 산업체 폐기물의 매립을 방지함으로 인해 자연훼손을 예방할 수 있는 알루미늄 드로스 이용한 암모니아수와 아세치렌가스의 제조방법을 제시한다.
알루미늄 드로스, 아세치렌가스, 암모니아수. 탄소, 수소가스, 탄소, 아루민산암모늄,

Description

알루미늄 드로스와 탄소를 이용한 암모니아수 및 아세치렌가스의 제조방법.{Aluminum dross and carbone use water ammonia and acctylene gas process method}
본발명은 아세치렌가스 및 암모니아수제조방법에 관한기술로서 폐기물인 알미늄드로스(산화알미늄)와 폐활성탄을 이용한것을 특징으로한 제조방법이다.
- 아세치렌가스제조의 종래기술 아세치렌 가스 제조방법은 카바이트를 물과 수화반응에서 아세치렌가스(C2H2)를 제조, 또는 고온(1100 - 1300℃)에서 이온화된 물과 석탄등의 탄소와 결합시켜 제조하고있음.
- 암모니아제조의 종래기술
암모니아의 상업적인 주요생산법으로는 성분 원소(질소와 수소)로부터 직접 합성하는 하버-보슈법이 있다(하버-보슈법). 코크스로(爐)의 부산물로 얻어지는 암모니아는 하버-보슈법에 의해 얻어지는 암모니아로 대체되고 있다.
본 발명은 산업 폐기물 중에서 알루미늄을 용해시 발생되는 알루미늄 드로스 와 폐활성탄을 이용하여 암모니아 및 아세치렌가스를 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다.
통상적으로, 알루미늄은 산화가 잘되는 금속이기 때문에 알루미늄을 용해하는 경우에는 항상 알루미늄 드로스가 발생하게 된다. 상기 알루미늄 드로스는 알미늄괴를 용해 후 주조할 때 용해로에서 걷어내고, 일부는 알루미늄 용탕을 주형에 부을 때 용해로 또는 도가니에 남게되며, 용탕을 주조하는 도중에서 용탕 유로(runner) 등에서 금속 알미늄이 산화되어 발생된다.
알미늄드로스를 걷어낼때 분말 금속알미늄이 포함되어 나온다.
알미늄 드로스의 성분은 다음과같다.
산화알미늄 70%이상
금속알미늄 10%이상
질화알미늄 5%이상
탄소 5%이상
기타불순물 10%이하
상기한 바와 같은 알루미늄 폐도로스를 처리하는 종래의 방법으로는 알루미늄을 용해하여 자동차부품 및 여러 가지 생활용품을 제조하는 업체에서 알루미늄 괴를 용해시 발생된 폐기물(산화알미늄-알미늄 도로스) 또는 알미늄 스크랩을 수집하여 알미늄괴를 생산하는 과정에서 발생된 폐기물(산화알미늄-알미늄 드로스)은 폐기물매립장에 매립하여 폐기하는 것이 일반적인 처리방법으로 처리되고 있다.
또한 탄소는 알미늄 드로스에 일부포함되어 있으나 부족하므로 석탄, 갈탄, 무연탄등에서 얻을수 있으나 폐기물인 폐활성탄을 이용할수 있으므로 수돗물 제조과정 또는 일반 산업체에서 발생되는 폐활성탄을 이용하는것이 바람직 하므로 이를 아세치렌 가스제조에 사용하는 새로운방법을 제시한다.
알미늄드로스는 폐기물 매립장에서 매립을 하면 지하수 또는 비로인하여 자연적으로 암모니아가스가 발생하여 악취가 발생하고 수소가스 및 아세치렌가스가 발생되어 화재가 발생하므로 많은 문제가 발생되고 있는 실정이다.
전술한 점들을 참조할 때, 일반적인 알루미늄 드로스 및 폐활성탄 처리방법은 폐기물매립장에 매립하여 폐기하므로 극심한 환경오염과 자원낭비로 인해 더 이상 실용화될 수 없어 보다 직접적이고 효율적인 처리방법이 절실히 요구되고 있다.
전술한 바와 같은 요구를 만족시키기 위해 본 발명은 산업 폐기물인 알루미늄 드로스및 폐활성탄을 재활용하여 환경오염을 방지하고 자원낭비를 막을 수 있는 알루미늄 드로스와 폐활성탄을 이용한 아세치렌가스의 제조방법을 제안한다.
본 발명은 알루미늄 드로스에 함유되어있는 회수불가능한 미분말 금속알미늄을 이용한 암모니아수 및 아세치렌가스의 제조방법을 제안한다.
잔여 폐기물인 알미늄드로스(산화 알미늄)는 요업 또는 제철공장의 용해로에 사용되는 고온용 부정형내화물인 케스타블과 알루미나 시멘트를 제조할수있으며 이때 소요되는 연료는 아세치렌가스를 사용하여 제조하는 알루미늄 드로스를 이용한 아세치렌가스의 제조방법을 제안한다.
본 발명은 회수불가능 미분말 형태의 금속 알루미늄을 암모니아수를 이용하 여 가수분해시켜 발생된 수소가스를 폐활성탄의 탄소와 결합시켜 아세치렌가스를 제조함으로 고열량의 연료를 값싸게 생산할 수 있도록 하는 알루미늄 드로스와 폐활성탄을 이용한 아세치렌가스의 제조와 알루미늄드로스 중에 포함되어있는 질화알미늄은 물과 쉽게 반응하여 알루민산암모니움으로 변화되므로, 알루민산암모니움을 가수분해시키면 수산화알루미늄과 암니아가스발생이 동시에 이루어지고 있음으로 이를 외부공기와 차단된 반응기(밀폐용기)속에서 반응시켜 체계적으로 구분시켜 분리하고 용도별로 사용할 수 있게하는 방법임.
상기한 바를 달성하기 위한 견지에 있어, 본 발명은 알루미늄 드로스중에 금속알루미늄의 함량이 10%이고 질화알루미늄의 함량이 5%인 알루미늄드로스 1㎏속에는 금속알루미늄 100g과 질화알루미늄 50g이 함유되어 있으며 금속알루미늄과 물, 암모니아수 및 탄소와 반응했을때 반응식은 다음과 같다.
Al(27g)+NH4OH(35g)+H2O(18g)+3C(36g)→NH4AlO2(76g)+1.5C2H2 상기와같이 금속알루미늄 100g과 반응하는 암모니아수,물 및 탄소의 비율은 암모니아(100g×35g/27g)129.6g,물(100g×18g/27g)66.7g,탄소(100g×36g/27g)133.3g의 당량비율로 반응하며 반응후에는 아루민산암모늄(100g×76g/27g)281.5g이만들어지고 아세치렌가스는 (100g×39g/27g)144.4g이 얻어진다.
아세칠렌가스는 용해도가 낮으므로 기화하여 방출되는 것을 포집하여 연료용가스로 활용하며 아세칠렌가스의 저위발열량이 13,380Kcal/N㎥ 이므로 중량을 부피로 환산하였을때 144.4g×22.4/18g =124.4ℓ이되므로 알루미늄드로스 1Kg에서 얻 을 수 있는 열량은 (13,380Kcal/N㎥ × 0.1244㎘)1,664.6Kcal의 열량을 얻을 수 있다. 그러므로 알루미늄드로스를 아루미나시멘트로 소성하는데 소요되는 열량은 (1Kg×비열0.23Kcal/Kg×1800℃×효율35/100) 1,182Kcal/Kg임이므로 소성용 연료로 충분하다. 또한 질화알루미늄은 물과 수화반응을 하여 다음 반응식과 같이된다.
2AlN(82g) + 4H2O(72g) → 2NH4AlO2(154g)
상기반응과같이 질화알루미늄은 아루미늄드로스 1Kg중에 50g이 함유되어있으므로 물의 소요량은 (50g×72g/82g)43.9g이되며 물에의하여 가수분해하여 아루민산암모늄이 생성하며 상기금속알미늄의 반응과 동시에 반응하며 질화암모늄에 의해서 발생되는 알루민산암모늄은 (50g×154g/82g)93.9g이 되며 총 알루민산아모늄의 발생량은 375.4g이 되며 2차 가수분해 반응은 다음과 같다
NH4AlO2(77g) + H2O(18g) → Al(OH)3(78g) + NH3(17g)
NH3(17g) + H2O(18g) → NH4OH(35g)
상기 반응식과 같이 가수분해가되어 수산화알루미늄과 암모니아가스가 생성되어 암모니아가스는 기화하여 배출되는 것을 압축냉각 및 물에 흡수시켜 재사용하며,
암모니아수(농도18%)는 아루미늄드로스1Kg당 (50g×70g/82g×100/18) 237.1g/Kg이 얻어어진다.
이상으로 살펴본 바와 같이, 본 발명은 산업폐기물인 알루미늄 드로스및 폐 활성탄을 재활용하여 아세치렌가스와 암모니아를 생성함으로써 폐기물 매립으로 인한 환경오염을 방지하고, 자원의 낭비를 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.
폐기물에서 연료를 생산하여 제품생산에 사용함으로 국가 청정에너지 개발정책에도 부합될것이며,
상기 알루미늄드로스를 원료로 하여 부정형내화물(케스타블) 및 알루미나 시멘트를 생산하여 산업 원자재로 활용할 수 있으며, 또한 산업체 폐기물의 매립을 방지함으로 인해 자연훼손을 예방할 수 있으며 전량 수입에 의존하는 아루미나 시멘트를 폐기물에서 생산하므로 수입대체 효과가 큰게 장점이다.
이하 본 발명의 실시 예를 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 후술 될 상세한 설명에서는 상술한 기술적 과제를 이루기 위해 본 발명에 있어 대표적인 실시 예를 제시할 것이다. 그리고 본 발명으로 제시될 수 있는 다른 실시 예들은 본 발명의 구성에서 설명으로 대체한다.
본 발명에서는 금속 미분말 알루미늄 및 암모니아수를 이용한 가수분해 방법으로 산업 폐기물인 알루미늄 드로스에 함유되어있는 분말형태의 금속알미늄을 밀폐된 회전식 혼합 용기속에서 암모니아수을 이용하여 1차로수소가스를 발생시킨다. 2차로 발생된 수소는 폐활성탄속의 탄소와 결합하여 아세치렌가스가 생성되는 과정이며, 이때 회전식 혼합용기의 온도는 60°~ 80°C로 유지시키며 회전식 혼합용기의 회전속도는 아세치렌가스 발생량에 기준하여 조절될수 있는 구조로된 장치가 특징이며(아세치렌 발생량에 반비례시켜 일정량의 가스발생토록함), 수소와 폐활성탄의 탄소를 결합시켜 아세치렌가스 제조방법을 구현하고자 한다,
알루미늄 드로스에 암모니아수를 혼합하여 반응시키게 되면 발열하면서 물은 OH기로 변화되고 금속알루미늄(Al)은 수용액 속에서 존재하는 암모니아(NH4OH)와 반응하여 NH4AlO2로 변환되고 수소(H2) 가스가 발생되며, 수소(H2)는 탄소(C) 와 결합하여 아세치렌가스(C2H2)가 생성되어 방출되므로 이를포집하여 연료로 사용한다, NH4AlO2는 가열(130 - 135℃)하면 암모니아가스(NH3)와 수산화알미늄(Al(OH)3)로 변화됨.
암모니아가스는 물에 용해시켜 암모니아수로 회수하여 재사용함.
알루미늄 드로스 성분은 폐기물 발생산업체 및 발생후 처리기간 및 외부조건에 따른 차이가 발생된다. 알루미늄 드로스는 상온에서도 수분만 있으면 암모니아와 수소가 발생되며 수소는 알루미늄 드로스에 포함되어 있는 탄소와 결합하여 아세치렌가스로 변화하여 악취와 화재가 발생된다.
이를 체계적으로 제어하여 유용한 아세치렌가스와 암모니아수를 생산할수 있는 방법을 제시한다.
이와 같은 반응은 아래의 반응식과 같이 구체적으로 정리할수있으며, 하기 반응식에 의해 아세치렌가스 및 암모니아수가 생성된다.
첫 번째로: 아세치렌가스발생
- 2H2O + 2NH4OH + 2Al+ 6C (수화반응60-80℃) → 2NH4AlO2 + 3C2H2↑
두 번째로: 암모니아 회수
- NH4AlO2 +H2O (가수분해 130-135℃, 3bar) → Al(OH)3 + NH3 ↑
- NH3 + H2O (냉각흡수 20-30℃) → NH4OH
암모니아 발생량에 80%정도의 물에 흡수시켜 암모니아 회수를 위한 공정.
세 번째로: 질화알루미늄의 수화반응에서 암모니아 가스생성
- AlN + 2H2O (수화반응60-80℃) → NH4AlO2
- NH4AlO2 +H2O (가수분해 130-135℃, 3bar) → Al(OH)3 + NH3 ↑
상기는 수산화알미늄과 암모니아분리공정
- NH3 + H2O (냉각흡수 20-30℃) → NH4OH
상기는 암모니아 회수공정
가수분해 과정에서 증발 기화된 NH3가스는 냉각흡수탑에서 H2O에 흡수시켜 새로운 암모니아가 생성됨. Al(OH)3를 소성시키면 Al2O3 + 3H2O가 된다.
이와 같이 암모니아를 사용하는 것은 “세 번째”의 화학반응에서 새로운암모니아가 생성되므로 다른 알루미늄 용해방법이 있으나 자체 생성된 암모니아를 사용하도록 하여 원가절감을 구현할 수 있도록 하기 위함이다.
회수과정에서 암모니아는 물에흡수시켜 수용액 상태로 아세치렌가스는 기체로 되어 분리되는 것이다.
이때 분리된 아세치렌가스 및 가연성 기체는 본 발명에서는 곧바로 연소실로 유도시켜 이를 아루미나 시멘트 소성용 연료로 사용할 수 있도록 한다.
이상과 같이, 상기의 화학반응에 의해 생성되는 물질은 고순도의 제품인 암모니아수(NH4OH), 아세치렌(C2H2)가스이며, 생산된 아세치렌가스는 산화알미늄 소성용으로 사용되며, 소성된 산화알미늄은 부정형내화물(케스타블), 급결제 및 내식성 알루미나 시멘트 제조에 사용된다.
잉여 암모니아는 황산에 중화시켜 농업 및공업용으로 활용되는 유산암모늄((NH4)2SO4)을 생산할수있다.

Claims (2)

  1. 본 발명은 알루미늄 드로스와 암모니아수(NH4OH) 및 폐카본을 당량 비율로 알루미늄 드로스 1㎏(금속알미늄 함량 100g)과 암모니아 129.6g 및 폐활성탄 (탄소)133.3g,물66.7g을 외부공기와 차단된 반응기 (밀폐용기)속에서 반응을시키면 1차로 수소(H2)가 발생되고 발생된 수소(H2)는 폐활성탄의 탄소와 결합하여 아세치렌(C2H2)가스가 생성되고, 질화알미늄은 동시에 가수분해시켜 암모니아와 수산화알미늄으로 변화하는 과정으로 이루어지는 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 드로스와 암모니아 수용액을 외부공기와 차단된 반응기(밀폐용기)속에서 화학반응시킬 때 하기의 반응식과 같은 반응에 의해 아세치렌가스와 암모니아가 생성됨을 특징으로 하는 알루미늄 드로스 및 폐활성탄을 이용한 아세치렌가스와 암모니아의 제조방법.
    1. 아세치렌가스발생
    - 2H2O + 2NH4OH + 2Al+ 6C (수화반응60-80℃) → 2NH4AlO2 + 3C2H2↑
    2. 암모니아 회수
    - NH4AlO2 +H2O (가수분해 130-135℃, 3bar) → Al(OH)3 + NH3↑
    - NH3 + H2O (냉각흡수 20-30℃) → NH4OH
    3. 질화알미늄에 의한 암모니아가스 생성 및 회수
    - AlN + 2H2O (수화반응60-80℃) → NH4AlO2
    - NH4AlO2 +H2O (가수분해 130-135℃, 3bar) → Al(OH)3 + NH3 ↑
    상기는 수산화알미늄과 암모니아분리공정
    - NH3 + H2O (냉각흡수 20-30℃) → NH4OH
    기화된 NH3가스는 냉각흡수탑에서 H2O에 흡수시켜면 잉여 암모니아수가 생성되는 과정으로 이루어지는 제조방법.
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