KR20200095749A

KR20200095749A - 건식제련공정을 이용한 폐태양광 모듈의 재활용방법

Info

Publication number: KR20200095749A
Application number: KR1020190013499A
Authority: KR
Inventors: 유경근
Original assignee: 한국해양대학교 산학협력단
Priority date: 2019-02-01
Filing date: 2019-02-01
Publication date: 2020-08-11
Also published as: KR102207445B1

Abstract

본 발명은 폐태양광 모듈의 재활용방법에 관한 것이다. 본 발명에서는 폐태양광 모듈을 기존의 금속폐기물 제련공정에 보조폐기물로 투입한다. 폐태양광 모듈은 고로에서 융체의 유동성을 증가시키고 금속의 융점을 낮추는 용제로서 기능한다. 또한 폐태양광 모듈의 실리콘은 실리카로 산화되는 발열반응을 거치며 열을 발생시킴으로써 고로의 온도를 증가시키는 보조연료로서도 기능한다. 또한 폐태양광 모듈 내 포함된 유가금속은 금속폐기물 내 유가금속과 함께 분리회수된다. 즉 본 발명에서는 폐태양광 모듈을 건식제련공정의 용제, 보조연료 및 원료(유가금속)으로 사용하여 제련공정의 경제성을 향상시킨다.

Description

건식제련공정을 이용한 폐태양광 모듈의 재활용방법{RECYCLING METHOD FOR SPENT SOLAR MODULE USING PYROMETALLURGY}

본 발명은 유용 자원 재활용기술에 관한 것으로서, 특히 태양광 발전시스템에서 사용 후 폐기되는 폐태양광 모듈로부터 유용 금속을 분리, 회수하기 위한 방법에 관한 것이다.

정부는 2030년까지 재생에너지 발전 비중을 20%까지 올리겠다는 '재생에너지 3020' 계획을 수립하였다. 재생에너지 중 태양광 발전의 비중이 가장 크다.

이렇게 태양광 발전시스템의 보급이 확대되면서 수명을 다한 폐태양광 모듈도 기하급수적으로 늘어날 전망이다. 태양광 모듈의 사용년한을 대략 25년(제조사의 평균 품질보증 기간) 정도로 볼 때, 폐태양광 모듈 발생량은 2017년에 33.7톤 정도였던 것이 2030년에는 1800여톤, 2040년에는 8만5천톤으로 폭증할 것으로 예상하고 있다. 이에 따라 폐태양광 모듈을 처리하기 위한 방법이 다각적으로 모색되고 있다. 그러나 지금까지는 폐태양광 모듈을 재활용없이 전량 매립하거나, 알루미늄 프레임만 분리하여 재활용하는 수준에 그치고 있으며, 폐태양광 모듈을 전적으로 재활용하는 단계로는 나아가지 못하고 있다. 그러나 폐태양광 모듈이 발생량이 기하급수적으로 증가하는 조건에서 폐태양광 모듈의 재활용은 선택이 아닌 필수적 사항으로 자리잡을 가능성이 크다. 유럽에서는 이미 폐태양광 모듈 신고 의무화 등 법제화를 통해 재활용을 시도하고 있으며, 일본도 2016년 환경성 주도로 태양광 모듈 재활용을 위한 로드맵을 만들었다.

이러한 세계적 추세에 발맞추어 국내에서도 폐태양광 모듈의 재활용 기술에 대한 연구가 활발하게 일어나고 있다. 문제는 기존의 리싸이클링 기술로는 폐태양광 모듈의 재활용이 무척 어렵다는 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 태양광 모듈은 솔라셀의 전면과 후면에 각각 EVA 패널(Ethylene Vinyl Acetate)이 부착되고, EVA 패널의 전후면에는 각각 글라스와 백시트가 적층된다. 그리고 위 적층구조를 알루미늄 프레임에 의하여 고정된다. 알루미늄 프레임과 EVA 패널을 제외하고 나머지 태양광 모듈의 화학적 구성을 보면 실리콘(Si) 및 실리카(SiO2)가 90% 이상을 차지하며, 구리, 은, 납, 주석 등 유용 금속은 3% 이내로 소량 포함되어 있다.

상기한 구조로 이루어진 태양광 모듈에서 유가금속을 재활용하기 위해서는 먼저 알루미늄 프레임을 분리한 후, EVA 패널을 제거한 후, 침출공정(습식제련)을 이용하여 유가금속을 녹여서 분리해야 한다. 그런데 EVA 패널을 분리하기가 매우 어렵다. 기존의 EVA 패널을 가열하여 제거하는 방식으로는 완벽한 제거가 어렵다. 또한 톨루엔 등의 방향족 유기용매를 이용하여 EVA 패널을 팽윤시켜 분리할 수 있는데, 방향족 유기용매는 유해성 물질로서 사용상의 제한이 많아 상용화가 쉽지 않다. 더욱이, 태양광 모듈 전체에서 유가금속이 차지하는 비중은 매우 적으며, 구성성분의 대부분을 차지하는 실리콘을 다시 원래의 상태로 돌려 재활용하는 것은 매우 어렵다.

정리하면, 폐기물로부터 유가의 금속이나 재료를 분리하여 다시 사용할 수 있는 형태로 변환하는 기술, 즉 전통적 개념의 재활용 기술로는 폐태양광 모듈의 처리는 현실적으로 불가능하다. 물론 기술개발을 전제로 미래의 어느 시점에는 폐태양광 모듈의 재활용이 가능할 것이다.

그렇다면 현재와 가까운 미래에 계속적으로 발생하는 폐태양광 모듈의 처리를 환경에 부담을 주는 매립 방식이 아니라, 유의미하게 활용할 수 있는 해결책이 모색되어야 한다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 환경에 부담을 더하지 않고 폐태양광 모듈을 산업원료로서 유의미하게 다시 사용할 수 있는 새로운 개념의 재활용 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 건식제련을 이용한 폐태양광 모듈 재활용방법은, 유가금속을 포함하는 타겟폐기물과 용제(flux), 연료 및 공기를 고로에 투입하고, 상기 타겟폐기물과 용제를 용융시켜 용탕을 형성하되, 상기 용탕에서 비중이 높은 금속 성분은 상기 고로의 하부에, 비중이 낮은 슬래그는 상부에 위치시켜 층분리함으로써 금속 성분과 슬래그 성분을 상호 분리하여 회수하는 건식제련방법을 수행하되,

상기 고로에 산업폐기물로서 실리콘과 유가금속을 포함하는 보조폐기물을 투입함으로써, 상기 보조폐기물에 포함된 유가금속은 상기 고로의 하부에서 금속으로 회수하며, 상기 실리콘은 산소와 결합하여 실리카로 변환되는 과정에서 발열함으로써 상기 고로의 온도를 증가시키며, 상기 실리카는 상기 용탕의 유동성을 증대시키며 최종적으로 상기 고로의 상부에 슬래그로 부상됨으로써,

상기 타겟폐기물과 보조폐기물로부터 유가금속을 분리회수하되, 상기 보조폐기물은 용제 및 발열원으로도 기능하는 것에 특징이 있다.

본 발명의 일 예에서 상기 보조폐기물은 폐태양광 모듈이며, 상기 폐태양광 모듈은 금속소재의 프레임을 제거한 상태로, 실리콘으로 이루어진 태양전지와, 상기 태양전지에 부착되는 EVA 패널을 포함한다. 여기서, 상기 폐태양광 모듈은 수 mm 내지 수 cm 단위로 파쇄하여 상기 고로에 투입하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 예에서, 상기 건식제련방법은 TSL(Top Submerged Lance) 공정인 것이 바람직하다.

본 발명에서는 상기 고로의 온도를 900℃ 이상의 일정 범위의 목표온도로 유지하기 위해 필요한 전체발열량에서 상기 폐태양광 모듈 내 실리콘이 산소와 결합하는 과정에서 발생하는 제1발열량을 제외한 나머지 제2발열량을 상기 연료의 연소를 통해 확보함으로써 상기 연료의 투입량을 저감한다.

또한, 상기 폐태양광 모듈의 실리콘의 산화반응을 통해 SiO₂를 형성시킴으로써, 상기 타겟폐기물에서 유가금속을 분리하기 위한 건식제련방법에서 용제 중 하나로 투입되는 SiO₂로 이루어진 석영 물질을 대체할 수 있다.

한편, 본 발명의 또 다른 예에서는 폐태양광 모듈을 보조폐기물이 아닌 타겟폐기물로 사용할 수도 있다.

즉, 본 발명은, 유가금속 및 실리콘을 포함하는 타겟폐기물과 용제(flux), 연료 및 공기를 고로에 투입하고, 상기 타겟폐기물과 용제를 용융시켜 용탕을 형성하되, 상기 용탕에서 비중이 높은 금속 성분은 상기 고로의 하부에, 비중이 낮은 슬래그는 상부에 위치시켜 층분리함으로써 금속 성분과 슬래그 성분을 상호 분리하여 회수하는 건식제련방법을 수행하되,

상기 고로에 보조금속을 투입함으로써, 상기 타겟폐기물에 포함된 유가금속 및 보조금속은 상기 고로의 하부에서 금속으로 회수하며, 상기 실리콘은 산소와 결합하여 실리카로 변환되는 과정에서 발열함으로써 상기 고로의 온도를 증가시키며, 상기 실리카는 상기 용탕의 유동성을 증대시키며 최종적으로 상기 고로의 상부에 슬래그로 부상됨으로써,

상기 타겟폐기물로부터 유가금속을 분리회수하며, 상기 타겟폐기물 내 실리콘은 용제 및 발열원으로도 기능하는 것에 특징이 있다.

이 때 상기 보조금속은 구리, 납, 주석, 아연 등이 사용될 수 있으며, 특히 구리를 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 건식제련을 이용하여 폐태양광 모듈을 재활용할 수 있는 방법을 제시한다. 즉 기존의 금속폐기물로부터 유가금속을 회수하는 건식제련 공정에 접목하여, 폐태양광 모듈을 원료, 용제 및 연료로 활용함으로써 폐태양광 모듈로부터 유가금속을 회수할 뿐만 아니라, 건식제련 공정의 용제 및 연료투입량을 획기적으로 저감할 수 있다는 이점이 있다.

한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.

도 1은 결정질 태양광 모듈의 구조를 설명하기 위한 개략적 분리사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 예에 따른 건식제련을 이용한 폐태양광 모듈의 재활용방법의 개략적 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 예에 따른 건식제련을 이용한 폐태양광 모듈의 재활용방법이 적용되는 TSL 공정을 설명하기 위한 개략적 도면이다.
도 4는 폐태양광 모듈을 타겟폐기물로 사용하여 단독공정을 수행하는 방법의 개략적 흐름도이다.
※ 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.

본 발명은 건식제련방법을 이용하여 폐태양광 모듈을 새로운 개념으로 재활용하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 재활용방법에서 주요 대상은 폐태양광 모듈이지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 실리콘과 유가금속을 포함하는 산업폐기물은 모두 재활용 대상이 될 수 있다. 또한 본 발명은 주로 TSL(Top Submerged Lance) 공정에 활용하지만, 이에 한정되는 것은 아니며 건식제련을 이용한 다양한 리싸이클링 공정에 사용될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 건식제련을 이용한 폐태양광 모듈 재활용방법(이하, '폐태양광 모듈 재활용방법'이라 함)에 대하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 예에 따른 폐태양광 모듈의 재활용방법의 개략적 흐름도이며, 도 3은 TSL 공정을 설명하기 위한 개략적 도면이다.

앞에서 설명한 바와 같이, 본 예에서 재활용 대상이 되는 폐태양광 모듈은 솔라셀, EVA 패널, 글라스, 백시트가 적층되어 있으며, 그 테두리에 알루미늄 프레임이 고정된다.

먼저 폐태양광 모듈로부터 알루미늄 프레임을 분리하여 제거한다. 알루미늄 프레임은 별도로 수집되어 재활용될 수 있다. 프레임이 제거된 적층모듈에서 글라스는 부착 강도에 따라 분리여부를 결정한다. 알루미늄 프레임처럼 물리적으로 쉽게 분리할 수 있는 경우라면 제거할 수도 있으며, 부착된 상태로 사용할 수도 있다.

본격적인 건식제련 공정에 투입하기에 앞서 프레임이 제거된 폐태양광 모듈을 수 mm 내지 수 cm 크기로 파분쇄하는 전처리를 수행한다.

본 발명이 적용되는 건식제련방법에 대하여 간략하게 설명한다.

건식제련은 열을 이용하여 대상 원료를 유동 가능한 용융상태 또는 가스상태로 전환시킨 후, 가스와 융체로 분리하거나(휘발제련), 융체에서 물질간 비중차이를 이용하여 타겟물질과 불순물을 상호 분리(용융제련)하는 방법을 말한다.

원료(광석)는 타겟금속과, 불순물로 이루어지는데, 타겟금속은 비중이 커서 아래로 가라앉고 비중이 낮은 불순물(슬래그)는 위쪽으로 뜨게 된다. 아래로 가라앉는 금속은 그 성분에 따라 합금(금속만 존재), 매트(금속에 황성분 포함), 스파이스(금속에 비소나 안티모니가 포함)로 칭한다. 슬래그는 원료에 불순물로 존재하는 성분으로 주로 SiO₂, CaO, Al₂O₃로 이루어진다. 다만 금속이라고 해도 타겟금속이 아닌 경우 불순물로 취급될 수 있다. 예컨대 철이 불순물로 취급되는 경우, 철 성분을 선택적으로 산화시켜 FeO 형태로 비중을 가볍게 만들어 슬래그로 제거할 수 있다.

타겟금속을 획득하기 위한 제련에서 불순물이란 제거해야할 대상에 불과하지만, 불순물이 부족한 경우 오히려 불순물 성분을 인위적으로 추가하여 공정을 촉진시킨다. 이렇게 별도로 추가되는 불순물을 용제(flux)라고 하며, 주로 SiO₂, CaO, Al₂O₃, FeO를 혼합하여 사용한다. SiO₂ 용제는 주로 석영 광석을 사용한다. 용제는 점도가 낮기 때문에 융체의 유동성을 증대시켜 원료 성분들 사이의 비중 분리를 촉진한다. 또한 원료들의 녹는점을 내리는 역할도 한다.

본 발명은 상기한 바와 같은 건식제련 공정을 활용하되, 원료는 천연광석이 아닌 금속폐기물이다.

본 발명에서는 금속폐기물(타겟폐기물)을 고로에 투입하고, 연료(주로 석탄, 환원제)와 공기/산소(산화제) 및 용제를 함께 투입하여 고로에서 발화시킴으로써 금속폐기물을 용융시킨다. 고로의 온도는 적어도 900 ℃ 이상에서 목표 온도범위를 유지한다. 목표온도는 1000 ℃ 이상인 것이 바람직하다. 고로에서 용융된 금속은 하부로 가라앉고, 슬래그는 상부로 뜨면서 하부의 금속만을 분리할 수 있다. 타겟금속 중 증기압이 커서 휘발성이 강한 은, 납, 인듐 등은 가스상태로 배출되므로 배기관에서 별도로 회수할 수 있다. 본 발명에서 중요한 특징 중 하나는 실리콘을 주성분으로 하며 유가금속을 포함하는 보조폐기물을 고로에 별도로 투입한다는 것이다. 본 실시예에서는 폐태양광 모듈을 보조폐기물로 사용한다.

폐태양광 모듈은 용제로서의 역할이 가장 크지만, 유가금속을 포함하고 있으므로 원료로도 기능하며, 고로 내에서 발열반응을 일으키므로 연료의 역할도 한다. 즉, 앞에서 설명한 것처럼, 건식제련에서는 융체의 유동성을 증대시키기 위하여 용제를 투입한다. 특히 금속폐기물이 원료인 경우 용제의 투입은 더더욱 필요하다. 천연광석의 경우 그 자체에 SiO₂, Al₂O₃ 등의 불순물을 다량 포함하고 있지만, 금속폐기물 내에는 불순물의 함량이 부족하기 때문이다. 따라서 금속폐기물의 건식제련에 있어서 용제의 투입이 필수적인데, 기존에는 SiO₂ 용제로서 주로 석영 광석을 사용하였다. 본 발명에서는 폐태양광 모듈을 투입하고, 폐태양광 모듈에서 솔라셀의 주성분인 실리콘(Si)이 고로에서 산소와 반응하여 SiO₂를 형성함으로써 용제로서 기능하게 된다. 폐태양광 모듈의 주성분인 실리콘을 SiO₂ 용제로 재활용하는 것이다. 실리콘을 투입하는 경우 또 다른 이점은 고로의 온도를 증가시키는 것이다. 즉 실리콘이 산소와 결합하여 실리카(SiO₂)를 형성하는 반응은 발열반응으로서, 실리콘 1몰당 910.7kJ/mol의 열량을 발생시킨다. 따라서 폐태양광 모듈을 용제로 사용하면 그 발열량만큼 연료의 투입량을 줄일 수 있는 이점이 있다. 즉 실리콘은 용제로서 기능하지만, 연료로도 작용하게 된다. 또한 실리콘으로부터 만들어진 실리카는 금속의 융점을 낮추는 역할도 수행한다.

본 발명에서 폐태양광 모듈을 고로에 투입하는 양은 금속폐기물(타겟폐기물)의 양에 따라 결정된다. 즉 폐태양광 모듈과 나머지 용제들을 합한 질량은 타겟폐기물의 질량 대비 40~70배 정도이다. 폐태양광 모듈과 나머지 용제들을 합한 전체 질량에서 폐태양광 모듈은 10~40%의 비중으로 포함된다. 예컨대, 용제로 작용하는 물질이 FeO, SiO₂, CaO라고 할 때, SiO2의 함량이 10~40% 정도를 차지한다. 보다 구체적으로 후술하는 TSL 공정이라면 용제로 작용하는 물질이 FeO, SiO₂, CaO이고 이들의 투입량은 각각 57%, 31%, 12% 수준이다. 타겟폐기물에도 용제로 작용하는 위 성분들이 포함될 수 있는 바, 타겟폐기물의 조성에 따라 투입량은 변화될 수 있다. 예컨대 FeO의 경우 타겟폐기물에도 다수 포함되어 있으므로, 전체적으로 FeO의 양은 대략 별도로 투입되는 FeO의 양은 위의 수치보다 작을 것이다. 투입량은 산업폐기물의 종류 및 분리회수하고자 하는 물질에 따라 약간씩 달라질 수 있다.

한편, 폐태양광 모듈에는 은, 구리, 납, 주석이 소량으로 존재하는데, 은, 구리, 납, 주석의 비중(g/cm³)은 각각 10.49, 8.96, 11.34, 7.265로 실리콘의 비중 2.329에 비하여 매우 크다. 따라서 실리콘 및 실리카는 슬래그로 거동하며, 위의 유가금속들은 고로의 하부로 가라앉아 금속으로 회수할 수 있다. 물론 증기압이 큰 은이나 납 중 일부는 휘발하여 고로 상부의 배기관을 통해 회수할 수 있다. 이에 폐태양광 모듈은 유가금속을 회수하기 위한 원료로서도 기능하게 된다. 다시 한 번 정리하면, 폐태양광 모듈은 용제, 원료(유가금속) 및 보조연료로서 기능하게 된다. 기존에 용제로서 석영광석을 별도로 구입하여 투입하였다면, 폐기물로 분류되어 매립되던 폐태양광 모듈을 용제로 사용함으로써 공정의 경제성을 향상시킬 수 있으며, 폐태양광 모듈 내 유가금속도 회수할 수 있는 바, 경제성은 더욱 향상될 수 있다. 특히 폐태양광 모듈의 배출량이 증대되면 유가금속의 회수량도 늘어나게 되므로 전통적 개념의 재활용기술로서도 유의미하다고 할 것이다.

본 발명에 따라 폐태양광 모듈을 용제로 사용할 때 EVA 패널이 문제될 수 있는데, EVA의 화학식은 (C₂H₄)_n(C₄H₆O₂)_m으로 탄소와 수소 및 산소로 이루어진 바, 고로 내에서 이산화탄소 또는 수증기 형태로 변환되므로 유독가스 등이 발생하지 않으며 공정에 영향을 미치지 않는다. 더 나아가 EVA는 발열원으로 기능하므로 연료 투입의 저감 효과가 있어 오히려 공정에 도움이 된다. 종래에 폐태양광 모듈을 재활용함에 있어서 가장 문제가 되었던 EVA 패널은 본 발명에서는 오히려 발열원으로 작용하므로 폐태양광 모듈 재활용에서 순기능을 수행한다.

한편, 실리콘은 실리카로 전환되어 슬래그로 배출되는데, 슬래그는 토목 및 건축재료로 재활용이 가능하다.

본 발명에서 폐태양광 모듈을 보조폐기물로 투입함에 따라, 금속폐기물의 건식제련에서 용제, 연료로서 재활용되며, 유가금속은 금속폐기물 내 유가금속과 함께 회수되며, 실리콘은 슬래그로서 활용될 수 있다. 기존에 폐태양광 모듈의 재활용은 유가금속의 분리회수 또는 실리콘의 재활용의 측면에서만 연구되었으며, EVA 패널 제거의 어려움 및 실리콘 재활용의 어려움으로 인하여 실제 상용화에는 한계가 있었다. 그러나 본 발명에서는 폐태양광 모듈을 금속폐기물의 건식제련에서 보조폐기물로 투입함으로써 폐태양광 모듈의 모든 구성성분이 산업원료로서 재활용된다. 실리콘을 다시 실리콘으로 재사용할 수 있도록 하는 것이 최선의 재활용이지만, 현재의 기술수준으로는 이를 상용화할 수 없다.

이러한 조건에서 본 발명에 따른 재활용방법이 폐태양광 모듈을 산업원료로서 재사용할 수 있는 새로운 해결책이 될 것으로 기대한다.

또한 본 발명은 기존의 공정에 접목하여 즉시 상용화가 가능하다는 이점이 있다. 예컨대, 금속폐기물을 건식제련을 통해 재활용하는 방법 중 대표적인 공정은 TSL 공정이며, 본 발명 역시 주로 TSL 공정에 적용하는 것을 예정하고 있다.

TSL 공정은 다양한 변형 예가 있지만, 도 4에 도시된 예를 참고하면, TSL 시스템은 제1로(smelting furnace)와 제2로(cleaning furnace)를 구비한다. 각 로의 상부에는 배기가스 또는 휘발성분을 배출하기 위한 배기관이 마련되며, 공정에 따라 유가금속을 회수할 수 있는 장치와 연결된다. 또한 제1로의 상부로 금속폐기물과 석탄연료 및 용제가 투입되며, 장입관을 통해 공기/산소가 공급된다. 석탄과 공기가 만나 발화함으로써 로의 온도가 올라가고, 원료가 용융된다.

TSL 공정에서 공기/산소는 산화제로 작용하고, 석탄연료는 환원제로 작용하는데, 이들의 투입량을 조절하여 고로 내 산화 및 환원 환경을 조절할 수 있다.

제1로에서는 공기와 함께 별도로 산소를 투입하여 고로 내의 환경을 산화 분위기가 우세하게 만든다. TSL 공정에서는 금속제련의 공정부산물 및 각종 금속폐기물 등 다양한 폐기물을 원료로 투입하기 때문에 회수하고자 하는 금속이 산화물, 황화물 등 다양한 형태로 존재한다. 이에 제1로에서는 산화 분위기를 우세하게 만들어 금속이 산화물로 변화되는데 우호적인 환경을 조성한다. 금속이 산소와 결합하여 산화물이 되면 비중이 가벼워지므로 부상하게 된다. 그렇다고 하여 제1로에서 모든 금속이 산화물로 전환되는 것은 아니며, 도면에 도시된 바와 같이 합금, 스파이스, 매트 등 금속상으로 제1로의 하부에 가라앉는다.

제1로에서 슬래그 및 융체의 상부에 배치된 성분들은 제2로로 이송된다. 제2로에서도 석탄연료, 용제와 함께 공기를 주입하되, 그 투입량을 조절하여 전체적으로 환원 분위기를 우세하게 조성한다. 석탄은 연소과정에서 산소를 소모하므로 금속은 산소를 잃고 비중이 무거워져 하부로 가라앉는다. 금속과 슬래그가 층분리되면 이들을 별도로 배출하여 금속과 슬래그를 분리회수한다.

제1로 및 제2로에서 배출된 금속은 후공정을 통해 개별 금속 단위로 회수할 수 있다. 예컨대 90 ℃, 1몰의 염산에 금속을 투입하면, 은은 고체로 잔존하며 구리, 주석, 납은 용해되므로, 순수한 은을 회수할 수 있다. 이어서 염산의 온도를 점차적으로 상온까지 낮추면 납이 염화납으로 석출되어 분리할 수 있다. 주석과 구리가 용해되어 있는 용액은 TBP 용매추출제를 사용하여 각각 분리할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 건식제련을 이용하여 폐태양광 모듈을 재활용할 수 있는 방법을 제시한다. 즉 기존의 금속폐기물로부터 유가금속을 회수하는 건식제련 공정에 접목하여, 폐태양광 모듈을 원료, 용제 및 연료로 활용함으로써 폐태양광 모듈로부터 유가금속을 회수할 뿐만 아니라, 건식제련 공정의 용제 및 연료투입량을 획기적으로 저감할 수 있다는 이점이 있다.

본 발명에서는 폐태양광 모듈로부터 유가금속을 별도로 분리하려는 기존의 재활용 개념에서 벗어나, 폐태양광 모듈을 건식제련의 용제 및 보조연료로 사용하면서 유가금속도 회수할 수 있는 새로운 개념을 제시했다는데 큰 의의가 있다. 또한 본 공정은 별도의 설비투자가 필요없이 기존의 건식제련 공정에 접목할 수 있는 바, 즉시 상용화가 가능하다는 이점이 있다.

지금까지 본 발명에서 폐태양광 모듈은 보조폐기물로 활용하였다. 즉 기존의 공정에서 타겟폐기물(금속폐기물)을 재활용하는 공정에 투입되어 용제, 보조연료로 사용하도록 하였다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 도 4에 도시된 바와 같이 폐태양광 모듈을 타겟폐기물로 하여 공정을 진행할 수도 있다. 다만 이렇게 할 경우, 실리콘 성분에 비하여 금속 성분이 너무 적어 층분리가 용이하지 않으므로, 구리, 아연, 납, 주석 등의 보조금속을 별도로 투입하여 분리효율을 향상시킬 수도 있을 것이다. 보조금속의 투입량은 폐태양광 모듈과 용제를 합한 양의 1/40 내지 1/70 수준이다. 폐태양광 모듈을 용제로 사용한 도 2의 예와 반대로 하면 되며, 이는 앞에서 설명하였으므로 별도의 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.

Claims

유가금속을 포함하는 타겟폐기물과 용제(flux), 연료 및 공기를 고로에 투입하고, 상기 타겟폐기물과 용제를 용융시켜 용탕을 형성하여, 상기 용탕에서 비중이 높은 금속 성분은 상기 고로의 하부에, 비중이 낮은 슬래그는 상부에 위치시켜 층분리함으로써 금속 성분과 슬래그 성분을 상호 분리하여 회수하는 건식제련방법을 수행하되,
상기 고로에 산업폐기물로서 실리콘과 유가금속을 포함하는 보조폐기물을 투입함으로써, 상기 보조폐기물에 포함된 유가금속은 상기 고로의 하부에서 금속으로 회수하며, 상기 실리콘은 산소와 결합하여 실리카로 변환되는 과정에서 발열함으로써 상기 고로의 온도를 증가시키며, 상기 실리카는 상기 용탕의 유동성을 증대시키며 최종적으로 상기 고로의 상부에 슬래그로 부상됨으로써,
상기 타겟폐기물과 보조폐기물로부터 유가금속을 분리회수하되, 상기 보조폐기물은 용제 및 발열원으로도 기능하는 것을 특징으로 하는 폐태양광 모듈 재활용방법.
제1항에 있어서,
상기 보조폐기물은 폐태양광 모듈인 것을 특징으로 하는 폐태양광 모듈 재활용방법.
제2항에 있어서,
상기 폐태양광 모듈은 금속소재의 프레임을 제거한 상태로, 실리콘으로 이루어진 태양전지와, 상기 태양전지에 부착되는 EVA 패널을 포함하는 것을 특징으로 하는 폐태양광 모듈 재활용방법.
제1항에 있어서,
상기 건식제련방법은 TSL(Top Submerged Lance) 공정인 것을 특징으로 하는 폐태양광 모듈 재활용방법.
제1항에 있어서,
상기 보조폐기물은 폐태양광 모듈이며,
상기 폐태양광 모듈에서 프레임을 제거하고, 나머지 부분을 수 mm 내지 수 cm 단위로 파쇄하여 상기 고로에 투입하는 것을 특징으로 하는 폐태양광 모듈 재활용방법.
제1항에 있어서,
상기 고로의 온도를 900℃ 이상의 일정 범위의 목표온도로 유지하기 위해 필요한 전체발열량에서 상기 폐태양광 모듈 내 실리콘이 산소와 결합하는 과정에서 발생하는 제1발열량을 제외한 나머지 제2발열량을 상기 연료의 연소를 통해 확보함으로써 상기 연료의 투입량을 저감하는 것을 특징으로 하는 폐태양광 모듈 재활용방법.
제1항에 있어서,
상기 폐태양광 모듈의 실리콘의 산화반응을 통해 SiO2를 형성시킴으로써, 상기 타겟폐기물에서 유가금속을 분리하기 위한 건식제련방법에서 용제 중 하나로 투입되는 SiO2로 이루어진 석영 물질을 대체하는 것을 특징으로 하는 폐태양광 모듈 재활용방법.
제1항에 있어서,
상기 타겟페기물 질량 대비
상기 보조폐기물과 용제는 상기 타겟폐기물 질량 대비 40~70배 범위의 양으로 상기 고로에 투입하는 것을 특징으로 하는 폐태양광 모듈 재활용방법.
제8항에 있어서,
상기 보조폐기물과 용제를 합한 질량 전체에서 상기 보조폐기물은 20~70% 수준으로 포함되는 것을 특징으로 하는 폐태양광 모듈 재활용방법.
유가금속 및 실리콘을 포함하는 타겟폐기물과 용제(flux), 연료 및 공기를 고로에 투입하고, 상기 타겟폐기물과 용제를 용융시켜 용탕을 형성하되, 상기 용탕에서 비중이 높은 금속 성분은 상기 고로의 하부에, 비중이 낮은 슬래그는 상부에 위치시켜 층분리함으로써 금속 성분과 슬래그 성분을 상호 분리하여 회수하는 건식제련방법을 수행하되,
상기 고로에 보조금속을 투입함으로써, 상기 타겟폐기물에 포함된 유가금속 및 보조금속은 상기 고로의 하부에서 금속으로 회수하며, 상기 실리콘은 산소와 결합하여 실리카로 변환되는 과정에서 발열함으로써 상기 고로의 온도를 증가시키며, 상기 실리카는 상기 용탕의 유동성을 증대시키며 최종적으로 상기 고로의 상부에 슬래그로 부상됨으로써,
상기 타겟폐기물로부터 유가금속을 분리회수하며, 상기 타겟폐기물 내 실리콘은 용제 및 발열원으로도 기능하는 것을 특징으로 하는 폐태양광 모듈 재활용방법.
제10항에 있어서,
상기 타겟폐기물은 폐태양광 모듈인 것을 특징으로 하는 폐태양광 모듈 재활용방법.
제10항에 있어서,
상기 폐태양광 모듈은 금속소재의 프레임을 제거한 상태로, 실리콘으로 이루어진 태양전지와, 상기 태양전지에 부착되는 EVA 패널을 포함하는 것을 특징으로 하는 폐태양광 모듈 재활용방법.
제10항에 있어서,
상기 타겟폐기물은 폐태양광 모듈이며,
상기 폐태양광 모듈에서 프레임을 제거하고, 나머지 부분을 수 mm 내지 수 cm 단위로 파쇄하여 상기 고로에 투입하는 것을 특징으로 하는 폐태양광 모듈 재활용방법.
제10항에 있어서,
상기 보조금속은 구리인 것을 특징으로 하는 폐태양광 모듈 재활용방법.
제14항에 있어서,
상기 타겟폐기물과 용제를 합한 질량 대비 상기 보조금속은 1/70 ~ 1/40 범위의 질량으로 투입되는 것을 특징으로 하는 폐태양광 모듈 재활용방법.