KR20220105660A - 개선된 플라즈마 유도된 발연로 - Google Patents

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Abstract

결정된 수준까지 용융된 장입물(molten charge)을 포함할 수 있는 욕 로(bath furnace)를 포함하는, 야금 충전물(metallurgical charge)로부터 적어도 하나의 증발성 금속 또는 금속 화합물을 발연하기 위한 단일-챔버 로(single-chamber furnace)로서, 상기 로는 플라즈마 생성을 위해 비이송식(non-transferred) 플라즈마 토치 및 플라즈마를 결정된 수준 미만으로 주입하기 위한 제1 침지형 인젝터(first submerged injector)를 구비하고, 상기 로는 적어도 하나의 증발성 금속 또는 금속 화합물의 산화된 형태를 형성하기 위한 후연소 영역(afterburning zone), 및 상기 후연소 영역에서 형성된 가스로부터 산화된 형태를 회수하기 위한 회수 영역(recovery zone)을 더 포함하고, 상기 로는 결정된 수준 미만으로 추가 가스를 로에 주입하기 위해 제2 침지형 인젝터(second submerged injector)를 추가로 구비하는 것인, 단일-챔버 로가 개시된다. 야금 충전물로부터 증발성 금속 또는 금속 화합물을 발연하기 위한 로의 용도 및 방법이 추가로 개시되어 있다.

Description

개선된 플라즈마 유도된 발연로
본 발명은 재활용 가능한 물질로도 알려진 1차 및/또는 2차 공급원료, 또는 이들의 조합으로부터 구리, 납, 주석 및 아연과 같은 비철(non-ferrous) 금속의 건식 야금학적 회수 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 일반적으로 발연(fuming)이라고 하는 공정 단계에 의해 용융 슬래그 및/또는 금속의 욕(bath)으로부터 아연 및 납과 같은 휘발성 금속의 회수에 관한 것이다.
구리, 니켈, 납, 주석 및 아연과 같은 비철 금속의 생산 공정은 일반적으로 금속과 금속 산화물이 모두 액체 용융 상태에서 발생하는 적어도 하나의, 일반적으로 복수의 건식 야금 공정 단계를 포함하고, 여기서 금속 산화물은 중력에 의해 고밀도 용융 금속 상으로부터 별도의 저밀도 액체 슬래그 상(slag phase)으로 분리될 수 있다. 슬래그 상이 귀금속에 희박한 경우, 슬래그 상은 일반적으로 공정에서 별도의 흐름으로 회수되며, 이러한 분리는 금속 생산에서 부산물, "종료 슬래그(end slag)" 또는 "최종 슬래그(final slag)"라고도 할 수 있는 부산물로 슬래그를 생성할 수 있다.
WO 2013/133748 A1 및 US 2015/0040722 A1은 산화철 함유 원료로부터 용융된 철(molten iron)을 생산하기 위한 2단계 제련 환원 공정을 개시하고 있다. 원료는 먼저 용융 반응기를 통해 처리되고, 후속적으로 제련형 환원 반응기(smelting reduction reactor)를 통해 처리된다. 두 반응기의 분위기는 엄격하게 분리되어 있어, 액체 철 용융물로의 환원 수율을 증가시키기 위해, 제련형 환원 반응기에서 강한 환원 조건이 유지될 수 있는 반면에, 용융 반응기에서 더 중성인 조건이 유지될 수 있어, 탄소 함유 물질의 연소로 인한 연소 에너지를 더 잘 사용할 수 있다. 제련형 환원 반응기는 침지형 플라즈마 발생기로 가열되며, 석탄이나 석유 코크스와 같은 환원제를 첨가하여 환원 분위기를 얻는다. 반응은 CO 및/또는 H2 및 일반적으로 낮은 함량의 CO2 및 H2O를 포함하는 가연성 가스 혼합물을 생성한다. 불순물을 제거한 후 이 가스 혼합물은 주로 CO 및/또는 H2를 포함하고, 제련형 환원 반응기를 가열하는 플라즈마 발생기로 부분적으로 재순환된다. 나머지 가스 혼합물은 추가 연소, 다른 침지형 플라즈마 발생기 및/또는 산소 함유 가스 및 가연성 가스 혼합물을 용광로(melted furnace) 내용물의 표면 아래의 송풍구(tuyere)에 주입하여 용해 반응기를 가열하는데 사용된다. 철 함유 원료의 모든 황은 일반적으로 용융 반응기에서 반응기 가스로 또는 무광상(matte phase)의 일부로 제거될 것이다. 원료에 존재하는 구리는 일반적으로 용융 반응기 바닥에서 금속 및/또는 무광 구리로 제거될 것이다. 이 공정은 기존의 용광로(blast furnace) 공정보다 CO2 배출량이 훨씬 낮을 수 있다. WO 2013/133748 A1 및 US 2015/0040722 A1은 증발성 금속 또는 금속 화합물의 스트리핑(stripping) 또는 발연에 대해 언급하지 않으며, 설명된 장비는 별도의 제품으로 이를 회수하기 위해 제공되지 않는다. 따라서, 개시된 로는 야금 충전물로부터 증발성 금속 또는 금속 화합물의 발연에 적합하지 않다.
US 4,601,752는 금속을 제조하고/하거나 슬래그를 생성하기 위한 덜 복잡한 공정을 개시하고 있으며, 이는 크롬철광 광석으로부터 페로크롬(ferrochrome)을 생산하는 것으로 예시된다. 미세 분말 산화물 광석은 슬래그 형성제와 함께 3개의 구역 - 상부 산화 구역은 재료가 산소를 포함하는 가스와 함께 아래 중간 영역에서 상승하는 일산화탄소와 수소 가스의 연소에 의해 예열되고 녹을 수 있고, 중간 구역은 예열되고 녹을 수 있는 산화물 재료가 탄소질 재료 및/또는 탄화수소와 주로 플라즈마 발생기를 통해 공급되는 열 에너지를 함유하는 재료의 동시 주입에 의해 적어도 부분적으로 환원되는 슬래그 욕으로 구성되고, 반응기 바닥의 하부 영역은 환원 공정 동안 형성된 금속이 가라앉고 금속 생성물 및 슬래그 부산물이 태핑될 수 있음 - 으로 구성된 단일-챔버 반응기에서 처리된다. 중간 구역으로 유입되는 산소 함유 가스는 99.5 중량%의 순수한 산소이다. 산소 첨가는 챔버에 첨가된 광석 및 첨가제를 예열하고 용융시키기에 충분한 에너지를 생성하도록 제어되며, 따라서 이는 챔버 반응기의 중간 및 상부 구역을 지배하는 보다 산화성 분위기에서 제어된다. 플라즈마 발생기를 통해 공급되는 에너지는 챔버 반응기의 하부를 지배하는 환원 분위기 하에서 슬래그와 탄소 사이의 흡열 반응을 유도하도록 제어된다. 이러한 로에서 나오는 배기 가스의 더 큰 부분은 H2O 및 CO2 제거를 위해 처리되고, 플라즈마 발생기의 공급 가스로서 로로 되돌아간다. 나머지 배기 가스는 연료로 사용하기 위해 공정에서 제거된다. US 4,601,752는 증발성 금속 또는 금속 화합물의 스트리핑 또는 발연에 대해 언급하지 않으며, 설명된 장비는 별도의 제품으로서 이를 회수하기 위해 제공되지 않는다. 도 2의 재료 균형은, 플라즈마 가스와 산소 가스 이외의 가스가 용광로에 유입되지 않음을 보여준다. 또한 이러한 로는 야금 충전물로부터 증발성 금속 또는 금속 화합물의 발연에 적합하지 않다.
WO 2016/078959 A1은 유연한 산화 환원 조건에서 야금 충전물을 제련하고, 금속을 분리하기 위한 단일 욕로를 개시한다. 용광로는 3MW 플라즈마 토치 또는 버너와, 1.5 MW 기존의 소위 "산소 가스(oxygas)" 버너가 구비되어 있다. 이 장치는 동일한 용광로에서 산화 단계 및 환원 단계를 수행할 수 있다. 이 문헌은 제련 및/또는 순한 환원 또는 제련로의 모든 산화 조건을 실행하기 위해 산소 가스 모드를 사용하고, 고도로 환원 조건을 실행하기 위해 플라즈마 모드를 사용할 것을 제안한다. 매우 높은 에너지 입력이 요청되는 경우, 두 가지 가열 기술도 동시에 실행될 수 있다.
비철 금속을 생산하는 건식 야금 공정에서 회수되는 최종 슬래그는 일반적으로 냉각, 과립화 및 분쇄/사이징화되며, 콘크리트 생산, 암석 및 자갈 대체 또는 도로 건설의 골재로 사용될 수 있다. 분쇄할 때, 슬래그는 또한 블라스팅 샌드(blasting sand) 또는 블라스팅 그릿(blasting grit)으로 사용하는 것에 관심을 가질 수 있다.
당업계에 알려진 슬래그 제품에서 발견될 수 있는 물질 중 일부는 환경에 잠재적으로 유해한 것으로 간주된다. 주로 납이지만, 어느 정도 아연도 이러한 바람직하지 않은 물질의 대표적인 예이다. 아연과 납은 둘 다 적어도 부분적으로 슬래그에서 침출될 수 있는 형태로 존재할 수 있는 금속이며, 상당한 수준의 존재는 특히 경제적으로 더 매력적인 응용 분야에서 슬래그 제품의 많은 사용을 배제하고 폐기할 수 있고, 매립지에서 이러한 슬래그의 처리는 훨씬 더 복잡하고 어렵기 때문에, 일반적으로 "유해 폐기물(hazardous waste)"로 간주되어야 한다. 특정 응용 분야에서의 사용 승인은 종종 슬래그의 침출 거동을 시험하여 결정된다. 일반적으로, Pb 및 Zn과 같은 요소는 침출되기 쉽고, 특정 슬래그가 이러한 승인 시험에 실패하도록 할 수 있다.
또한, 본 출원인은, 슬래그가 이러한 건설 조성물에 사용될 때, 슬래그에서 5 중량% 이상 정도의 아연 수준이 콘크리트 및 시멘트와 같은 기타 건설 조성물의 경화를 현저하게 늦추는 것을 발견했다. 경화 속도에 대한 이러한 영향은 상당한 양의 Zn을 함유한 슬래그를 시멘트질 재료 및/또는 콘크리트 또는 시멘트의 골재로 사용하는데 방해가 된다.
이러한 이유들 중 적어도 일부를 위해, 비철 금속 생산자는 종종 소위 "발연(fuming)" 단계를 통해 슬래그 부산물에서 아연, 및 존재하는 경우 납의 수준을 낮추려는 시도를 했다.
Michael Borell, in "Slag - a resource in the sustainable society", during "Securing the Future", an International Conference on Mining and the Environmental Metals and Energy Recovery, which took place in Skellefteε, Sweden in 2005, pp 130-138의 이 절차는 이미 1960년대부터 구리 매트를 생산하는 전기 제련로에서 나온 액체 슬래그를 "박스 퓨머(Box fumer)"라고도 하는 슬래그 발연로에서 환원 가스로 처리할 수 있는 방법과, 구리 제련 슬래그 및 추가 아연 재활용 재료의 아연 함량은 1.2 중량%로 감소되는 배치 공정 단계를 개시한다. 흄드 슬래그(fumed slag)는 침전로에서 추가로 세척되며, 여기서 구리 합금 및 황화구리의 잔여 액적은 슬래그가 과립화되고 탈수되고 도로 건설 목적 및 발파용으로 판매될 수 있기 전에 더 무거운 액상으로 분리될 약간의 체류 시간이 제공된다. 퓨머(fumer)용 환원 가스는 미분탄(pulverized coal)을 로에 주입된 1차 공기에 조심스럽게 혼합하여 수득된다. 이러한 유형의 발연의 문제는, 환원 조건을 유지하기 위해 공기와 석탄의 반응이 주로 일산화탄소 생성으로 제한되어야 하고, 따라서 반응열의 대부분, 즉 일산화탄소를 이산화탄소로 산화시키는 연속적인 반응에 의해 생성되는 부분을 남겨두고, 산화아연과 같은 금속 산화물을 액체 욕에서 제거할 수 있는 원소 금속으로 환원하는 것과 같은 흡열 반응을 유도하기 위해 로의 코어(furnace core)에서 사용할 수 없다는 점이다. 박스 퓨머의 또 다른 단점은 훈증된 금속의 회수와 대기로 배출되기 전에 정화를 위해 냉각, 여과 및 처리되어야 하는 다량의 용광로 배기 가스가 발생한다는 것이다.
US 4,588,436은 탄소질 환원제로 환원에 의해 금속 또는 황화물 형태의 액체 슬래그의 배치로부터 금속을 회수하는 방법을 개시하고 있으며, 온도를 유지하고 환원 및 황화를 수행하는 데 필요한 열 에너지는 슬래그 욕 표면 아래의 플라즈마 발생기에서 예열된 가스를 취입함으로써 제공된다. 휘발성 금속의 증기는 응축기에서 응축되어, 액체 금속으로 회수된다. 형성된 비휘발성 금속과 황화물은 용융된 액적의 형태로 수집되어, 슬래그에서 침전된다. 환원 조건은, 응축기에서 휘발성 금속의 액체 금속 제품으로의 응축을 허용하기 위해 응축기 이후의 다운스트림까지 설명된 바와 같이 공정 전반에 걸쳐 반드시 유지되어야 한다. 휘발성 금속을 포함하는 용광로의 연기도 상당한 안전 위험을 나타낸다. 이들은 반응성이 높고 온도가 높다. 공기의 유입은 아무리 미미하더라도 연기가 자체 발화하여 폭발할 수도 있다.
1992년 9월 12일부터 15일까지 이탈리아 코모에서 열린 유해 폐기물 파괴를 위한 플라즈마 기술에 관한 국제 워크숍에서 발표된 "폐기물 및 유해 폐기물로부터 금속 및 열 에너지 회수를 위한 ScanArc의 플라즈마 기반 공정 개발"에서 ScanArc Plasma Technologies AB는 발연에 의한 야금 산업의 슬래그 환원을 위한 비전이형 침지형 플라즈마 발생기(non-transferred type submerged plasma generator)를 제안했고, 이를 통해 중금속 함량을 줄이고, 금속을 회수하며, 유리화된 비침출 슬래그를 생성할 수 있다. 플라즈마 발생기는 임의의 선택된 산소 전위에서 대부분의 가스에서 작동하여, 매우 높은 사용 가능한 엔탈피를 생성하는 동시에 희박한 가스 혼합물에서도 가스 흐름을 비교적 낮게 유지하므로, 주요 유연성 이점을 제공한다. S.O. Santen은 1993년 5월 11일부터 13일까지 캐나다 온타리오주 해밀턴에 있는 McMaster University에서 열린 제21회 철강 및 제강에 관한 McMaster 심포지엄 "분진, 슬러지 및 스케일의 전처리 및 재생"에서 매우 유사한 이야기를 했다. 이 기술은, 2002년 10월 10일에 공개되고 2002년 10월 31일 이 주제에 관해 열린 공청회 약 2주 전에 공개된 "환경 허가 요청 "아크플래쉬발연 공정(Arcflashfuming Process)에 의한 EAF 분진의 금속가치 회수"에 의해 증언된 바와 같이, 노르웨이에서 Høyanger Sink Gjenvinning AS 현장의 Energy Recycling AS(ERAS)에 의해 상업적으로 적용되었다. 또한, 이 요청은 공정 자체, 원료의 구성 및 슬래그 형성제라고도 불리는 플럭스 성분을 포함한 제품, 작동 파라미터 및 장비 설계에 대해 매우 상세하다.
WO 2005/031014 A1은 또한 열 및 가스 공급원으로서 플라즈마 토치에 부착된 침지형 플라즈마 연소 송풍구(submerged plasma-fired tuyere)를 사용하여 Zn-함유 잔류물을 처리하기 위한 발연 반응기를 기재하고 있다. WO 2008/052661 A1은 고체 환원제가 용융물에 공급되는 산화 가스 혼합물을 생성하는 침지형 플라즈마 토치를 사용하는 Zn 발연 공정을 기재하고 있다.
WO 2016/046593 A1은 침지된 플라즈마 토치로부터의 고온 가스의 제트를 사용하여 야금 충전물의 제련 및 발연을 기술하며, 이로써 생성된 고온 가스(더 정확하게는 "플라즈마")는 적어도 200 MJ/kmol의 엔탈피를 갖는다. WO 2016/156394 A1은 침지된 플라즈마 토치를 사용하여 야금 슬래그로부터 아연을 발연하는 공정을 기술하고 있으며, 이에 의해 생성된 슬래그의 아연 함량은 최대 1.00 중량%이고, 깨끗한 슬래그는 슬래그는 슬래그를 미세하게 분쇄되어 타일을 만들기 위한 규산나트륨과 50/50 혼합물로 활성 바인더로 사용될 때 급속 경화의 이점을 가져왔다.
상기 문헌에 기술된 플라즈마 발연용 로는 열원으로 플라즈마 발생기, 즉 많은 국가에서 다소 고가인 에너지원인 전기를 소비하여 매우 높은 온도의 열을 발생시키는 버너만을 사용하고 있었다.
그러나, 출원인은, 전기 아크의 작동 및 안정을 유지하고 플라즈마 발생기로부터의 고온 가스의 엔탈피 함량이 목적하는 플라즈마를 형성하기에 충분히 높게 유지되도록 산업적 규모의 플라즈마 발생기에 의해 생성될 수 있는 가스 흐름이 제한되어 있음을 발견했다. 이것은 이 문헌의 아래쪽에 더 자세히 설명되어 있다. 따라서, 로의 액체 욕에서 증발성 물질을 스트리핑하기 위해 플라즈마 발생기에 의해 이용 가능하게 될 수 있는 스트리핑 가스의 양에는 한계가 있다. 이것은 또한 플라즈마 발생기에서 주입된 가스가 로에 포함된 액체 욕에서 발생할 수 있는 교반을 제한한다.
슬래그 발연에서, 아연 산화물 및 기타 증발성 금속은 금속이 증발할 수 있도록 각각의 원소 형태로 환원되어야 할 필요가 있기 때문에 강한 환원 조건이 선호된다. 강한 환원 조건은 기체, 액체, 고체 또는 이들의 조합일 수 있는 하나 이상의 환원제, 바람직하게는 고체 환원제, 바람직하게는 탄소를 첨가함으로써 얻어질 수 있고, 이는 로에 주입되는 고온 플라즈마 가스에 첨가될 수 있다. 그러나, 플라즈마 발생기당 이용 가능한 플라즈마 가스의 양이 적기 때문에, 추가 환원제를 도입하는 이 방법은 여전히 제한적이다. 그 후, 로 충전 개구(furnace filling opening)를 통해 바람직하게는 고체 환원제를 욕 표면에 떨어뜨림으로써 추가의 환원제가 로에 첨가될 수 있다.
그러나, 추가 환원제를 도입하기 위한 이러한 추가 방법은 문제를 남긴다.
천연 가스와 같은 기체 환원제는 용광로 충전 개구부를 통해 이 추가 방법으로 도입할 수 없는데, 이는 환원 활성을 전달해야 하는 액체 욕에 도달하지 못하기 때문이고, 이는 로 배기 가스의 흐름에 반대하여 이동하기 위해 기체 환원제가 필요하기 때문이다. 연료유와 같은 액체 환원제의 주입도 덜 선호되는데, 이는 그 기화로 인해 부피 팽창이 커져 로에서 거품이 발생하고 튀는 현상이 발생하고, 환원제의 일부가 의도된 기능을 수행하기 전에 배기 가스와 함께 비말동반될 수 있기 때문이다. 따라서, 적합한 환원제의 선택은 매우 제한적이다.
일반적으로 용광로 상단의 충전 및 배출구를 통해 추가되는 추가 환원제는 용광로 상단의 가스 공간을 통해 아래로 이동해야 액체 표면에 도달할 수 있다. 노 가스가 배기 배관에 들어가기 직전에, 일반적으로 기화된 원소 금속 또는 금속 화합물을 해당 금속 산화물로 산화시키기 위해 추가 공기가 도입된다. 산화물은 상응하는 금속보다 훨씬 더 높은 끓는점과 녹는점을 가지고 있다. 형성된 산화물은 동반된 연도 가스 분진으로 쉽게 나타나며, 로 배기 가스 시스템에서 더 다운스트림에서 이와 같이 회수될 수 있다. 로의 상부를 통과하는 동안, 여분의 환원제는 공기와 접촉하게 되며, 로의 고온에서 환원제의 적어도 일부는 나머지 부분이 액체 욕 표면에 도달하기 전에 쉽게 산화될 수 있다. 이 산화에 의해 생성된 열도 액체 욕에 도달하지 않고, 배기 가스와 함께 남아 있다. 이 열은, 유익한 대신, 배기 가스 처리 시스템에 추가적인 부담이 된다.
액체 욕 표면에 도달할 수 있는 추가 환원제는 액체 욕에 잘 혼합되지 않으면 제 기능을 제대로 수행할 수 없다. 그러나, 플라즈마 발생기에서 사용할 수 있는 가스 흐름은 매우 강한 욕 교반을 일으키지 않는다.
추가 환원제는 또한 액체 욕 표면에 도달하기 전에 스트리핑 가스의 상승하는 흐름에 대해 로 가스 공간을 통해 아래로 이동할 수 있어야 한다. 따라서, 고체 또는 액체 환원제의 입자 또는 액적 크기는, 배기 가스 처리 시스템 내로 스트리핑 가스와 함께 입자 및/또는 액적이 과도하게 비말동반되는 것을 방지할 수 있도록 충분히 높아야 한다. 그러나, 큰 입자는 단위 질량당 제한된 표면을 제공하므로, 액체 욕에 혼합될 때 반응성이 덜하다. 고체 탄소와 같은 대부분의 환원제는 용광로의 액체 욕보다 밀도가 훨씬 낮다. 더 큰 입자는 더 높은 부력을 나타내므로, 액체 욕의 상단에 뜨는 경향이 높아서 고체 환원제와 액체 욕 사이의 접촉 표면을 더욱 감소시킨다.
따라서, 추가 환원제를 첨가하기 위한 이러한 추가 방법은 효율성 뿐만 아니라 효과도 상당히 결여되어 있다.
따라서, 당업계에 공지된 플라즈마 발생 발연 공정 및 로는 요망되는 사항을 남겨둔다. 특히 더 많은 욕 교반 및/또는 더 많은 발연 가스에 의해 증가된 발연 속도를 제공하는 개선된 플라즈마 구동 발연 공정 및 장치에 대한 요구가 남아 있을 뿐만 아니라, 더 효율적이고 더 효과적인 방법으로 추가 환원제를 도입할 가능성이 있다.
본 발명은 상기 기재된 문제를 해결하거나 적어도 완화시키거나/시키고 일반적으로 개선점을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따르면, 첨부된 청구항들 중 어느 하나에 정의된 바와 같은 장치 및 방법이 제공된다.
하나의 양태에서, 본 발명은 결정된 수준까지 용융된 장입물(molten charge)을 포함할 수 있는 욕 로(bath furnace)를 포함하는, 야금 충전물(metallurgical charge)로부터 적어도 하나의 증발성 금속 또는 금속 화합물을 발연하기 위한 단일-챔버 로(single-chamber furnace) 또는 장치로서, 상기 로는 플라즈마 품질의 제1 고온 가스를 생성하기 위한 적어도 하나의 비이송식(non-transferred) 플라즈마 토치 및 상기 플라즈마 토치로부터 제1 고온 가스를 결정된 수준 미만으로 주입하기 위한 적어도 하나의 제1 침지형 인젝터(first submerged injector)를 구비하고, 상기 로는 발연 가스에서 적어도 하나의 증발성 금속 또는 금속 화합물을 산화시켜 적어도 하나의 증발성 금속 또는 금속 화합물의 산화된 형태를 형성하기 위한 후연소 영역(afterburning zone), 및 상기 후연소 영역에서 형성된 가스로부터 적어도 하나의 증발성 금속 또는 금속 화합물의 산화된 형태를 회수하기 위한 회수 영역(recovery zone)을 더 포함하고, 상기 로는 결정된 수준 미만으로 추가 가스를 로에 주입하기 위해 제1 침지형 인젝터와 상이한 적어도 하나의 제2 침지형 인젝터(second submerged injector)를 추가로 구비하는 것인, 단일-챔버 로가 제공된다.
다른 양태에서, 본 발명은 본 발명에 기재된 로 또는 장치를 사용하여 야금 충전물로부터 적어도 하나의 증발성 금속 또는 금속 화합물을 발연하는 방법을 제공하고, 상기 방법은, 하기 단계:
· 적어도 하나의 증발성 금속 또는 금속 화합물을 포함하는 야금 충전물을 로에 도입하고, 결정된 수준까지 용융 충전물의 욕을 형성하는 단계;
· 적어도 하나의 플라즈마 토치 및 적어도 하나의 환원제로부터의 플라즈마 품질의 고온 가스를 사용하여 상기 욕으로부터 일정량의 적어도 하나의 증발성 금속 또는 금속 화합물을 발연함으로써, 상기 증발성 금속 또는 금속 화합물을 포함하는 발연 가스를 생성하는 단계;
· 후연소 영역에서 발연 가스를 후연소하여, 적어도 하나의 증발성 금속 또는 금속 화합물을 적어도 하나의 증발성 금속 또는 금속 화합물의 산화된 형태로 산화시키는 단계; 및
· 상기 로에서 형성된 가스를 로에서 추출하고, 상기 후연소 단계에서 형성된 가스로부터 적어도 하나의 증발성 금속 또는 금속 화합물의 산화된 형태를 회수하는 단계;를 포함하고,
발연 단계의 적어도 일부 동안에 추가 가스가 적어도 하나의 제2 인젝터에 의해 결정된 수준 미만으로 욕 내로 주입되어, 증발성 금속 또는 금속 화합물을 포함하는 연기의 양을 증가시킨다.
본 발명의 맥락에서 용어 야금 충전물(metallurgical charge)은 건식 야금 공정 단계, 바람직하게는 비철 금속용 생산 공정의 일부인 단계 동안 언제든지 로 내용물 또는 로 장입물(furnace charge)로서 또는 그 일부로서 발생할 수 있는 광범위한 조성 계열을 나타낸다.
바람직하게는, 야금 충전물은 제1 슬래그이고, 본 발명에 따른 방법으로부터 수득된 생성물은 제1 슬래그의 증발성 금속 또는 금속 화합물의 동일한 함량에 비해 감소된 적어도 하나의 증발성 금속 또는 금속 화합물의 함량을 갖는 제2 슬래그이다.
다른 양태에서, 본 발명은 야금 충전물로부터 적어도 하나의 증발성 금속 또는 금속 화합물을 발연하기 위한 본 발명에 따른 로의 용도를 제공한다.
본 출원인은, 발연 단계가 제1 침지형 인젝터에 의해 용융 액체 욕 내로 주입된 플라즈마 토치로부터의 플라즈마 품질의 제1 고온 가스를 사용하는 야금 충전물로부터 증발성 금속 또는 금속 화합물의 발연이 적어도 하나의 제2 침지형 인젝터를 통해 용융 액체 욕으로 추가 가스를 주입함으로써 상당히 개선될 수 있음을 발견했다.
본 출원인은, 추가 침지형 인젝터를 통해 도입된 추가 가스가 용융 야금 충전물로부터 증발성 금속 또는 금속 화합물을 스트리핑하기 위한 추가 주입 지점 및 추가 가스 부피를 제공한다는 것을 발견했다. 본 출원인은, 구리 제련소 슬래그에서 아연을 스트리핑 하는데 사용할 수 있는 플라즈마 토치에서 나오는 플라즈마 또는 고온 가스의 부피만으로, 용융 슬래그 욕을 통해 상승하는 가스 기포의 아연 농도가 최대 40% 몰까지 도달할 수 있음을 발견했다. 기껏해야 아연 발연 반응(I)에 대해 평형에 도달할 수 있기 때문에,
ZnO + C → Zn(g) + CO(g) (I)
플라즈마 토치에서 나오는 플라즈마 품질의 고온 가스의 매우 높은 온도에서 공정이 누리는 유리한 평형 상수에도 불구하고, 가스 기포의 높은 Zn 수준은 결과적으로 상당한 양의 산화아연이 여전히 액체 욕에 남아 있다. 본 출원인은, 기체상의 이러한 농도가 본 발명에 의해 상당히 감소될 수 있다는 것을 발견했는데, 이는 추가 인젝터를 통해 스트리핑에 사용할 수 있는 추가 가스와 이를 통해 달성할 수 있는 액체 욕 전체에 걸쳐 환원제의 존재가 증가하기 때문이다. 플라즈마 토치에 의해 생성될 수 있는 고온 가스의 양이 제한되어 있기 때문에, 본 출원인은, 용융 액체 욕 내로 추가 가스를 주입하는 것이 유리하고, 제1 침지형 인젝터와 상이한 적어도 하나의 제2 침지형 인젝터를 통한 주입 때문에 특히 유리하다는 것을 발견했다.
따라서, 본 발명의 다른 이점은, 본 발명이 용융 액체 욕 내로 적어도 하나 이상의 침지형 가스 주입 지점을 제공한다는 점이다. 이것은 로 내부의 용융 액체 욕의 추가 교반의 이점을 제공하고, 이는 욕에서의 혼합을 개선하고, 로에 도입될 수 있는 온도 및 환원제의 더 균일한 분포를 초래하고, 따라서 또한 일어나는 화학 반응을 촉진시킬 뿐만 아니라 환원제와의 반응에 의해 형성된 환원된 금속 또는 금속 화합물의 보다 균일한 분포를 얻을 수 있다. 따라서, 추가로 침지형 가스 주입 지점은 이러한 메커니즘을 통해 발연 작업을 개선한다.
본 발명의 또 다른 이점은, 환원제를 로 내부의 용융 액체 욕에 추가로 도입하기 위한 적어도 하나의 추가 수단을 제공한다는 점이다. 적어도 하나의 제2 인젝터는 또한 침수형 인젝터이기 때문에, 이 추가 수단은 로의 상단에서 충전 및 배출구 개구부를 통해 큰 입자의 고체 및/또는 액체 환원제를 추가하는 것과 비교하여 적절한 환원제의 더 넓은 선택을 동시에 제공한다. 통상적인 수단으로 충전 개구를 통해 로에 떨어뜨린 코크스 입자는 바람직하게는 평균 입자 크기가 적어도 6 mm이어야 하므로, 대부분의 입자가 로에 떨어질 수 있고 동일한 개구부를 통해 로를 떠나는 배기 가스는 제한적으로 유지되며, 제2 침지형 인젝터는 적합한 환원제를 훨씬 더 폭넓게 선택할 수 있다. 제2 침지형 주입기를 통해 도입된 환원제는 기체, 액체, 고체 또는 이들의 조합일 수 있으며, 고체인 경우 환원제는 훨씬 더 미세한 입도를 가질 수 있어, 높은 표면/부피 비율 및 더 높은 접촉 표면의 추가 이점을 제공하므로 제제가 로 내부의 용융 액체 욕과 접촉할 때 더 높은 반응성을 제공한다. 환원제의 침지된 도입은 환원제와 액체 욕 사이의 보다 긴밀한 접촉의 이점을 제공한다. 이러한 이점은 환원제의 모든 상태에 적용되지만, 환원제가 고체, 특히 미분된 고체인 경우 특히 현저한 것으로 밝혀졌다.
따라서, 본 발명은 야금 충전물로부터 증발성 금속 또는 금속 화합물을 스트리핑하기 위해 더 많은 스트리핑 가스를 제공하는 것 이상을 달성한다. 추가적인 효과는 추가적인 욕 교반으로, 로의 내부의 욕에서 더 균질성을 가져오고, 또 다른 추가 이점은 보다 효율적인 방식으로 더 많고 선택적으로 더 다르고 더 효과적인 환원제를 주입할 수 있는 가능성이다. 이러한 추가 효과는 의도한 화학 반응을 선호하는 개선된 조건으로 인해 더욱 개선된 발연에 기여한다.
본 발명은 특정 양태에 그리고 가능한 특정 도면을 참조하여 이하에 기재될 것이지만, 본 발명은 이에 제한되지 않고, 청구 범위에 의해서만 제한된다. 기재된 임의의 도면은 도식적이며, 비-제한적이다. 도면에서, 일부 구성 요소의 크기는 설명을 위해 과장될 수 있고, 실제 크기대로 도시되지 않을 수 있다. 도면에서 치수 및 상대적인 치수는 본 발명을 실시하기 위한 실질적인 축소에 반드시 대응하는 것은 아니다.
또한, 상세한 설명 및 청구 범위에서 제1, 제2, 제3 등의 용어는 유사한 구성 요소들을 구별하기 위해 사용되며, 반드시 순차적 또는 시간 순서대로 기재하려는 것은 아니다. 이 용어는 적절한 환경에서 상호 교환 가능하며, 본 발명의 양태는 본 명세서에 기재되거나/되고 예시되는 것과 다른 순서로 작동할 수 있다.
또한, 상세한 설명 및 청구 범위에서 용어 상부(top), 하부(bottom), 위에(over), 아래에(under) 등은 설명을 위해 사용되며, 반드시 상대적인 위치를 설명하기 위한 것은 아니다. 이렇게 사용된 용어는 적절한 상황에서 상호 교환 가능하며, 본 명세서에 기재된 본 발명의 양태는 본 명세서에 기재되거나 예시된 것과 다른 배향(orientation)으로 작동할 수 있다.
청구 범위에서 사용되는 용어 "포함하는(comprising)"은 이의 문맥과 함께 나열되는 요소들로 제한되는 것으로 간주되어서는 안된다. 이는 다른 요소들 또는 단계들이 존재하는 것을 배제하지 않는다. 이는 필요에 따라 이들 특징, 정수, 단계 또는 요소들이 제공되는 것으로 간주되어야 하지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계 또는 요소들 또는 이들의 군의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 따라서 "수단 A와 B를 포함하는 물품"의 부피는 제제 A와 B로만 구성된 대상에 국한되지 않을 수 있다. 이는 A와 B가 본 발명과 관련하여 주제에 관심이 있는 유일한 요소임을 의미한다. 이에 따라, 용어 "포함하는(comprise)" 또는 "끼워 넣어지다(embed)"는 더 제한적인 용어 "~으로 필수적으로 이루어지는(consisting essentially of)" 및 "~으로 이루어진(consist of)"을 포함한다. 따라서, "포함하다" 또는 "포함하다"를 "~로 구성되다"로 대체함으로써, 바람직하지만 좁은 양태를 나타내며, 이는 또한 본 발명과 관련하여 본 명세서의 내용의 일부로 제공된다.
달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에서 제공된 모든 값은 제공된 종결점(endpoint)을 포함하는 그 이하를 포함하고, 조성물의 성분 또는 구성 요소(constituent)의 값은 조성물 내 각 성분의 중량% 또는 중량 퍼센트로 표시된다.
본 명세서에 사용된 "중량 퍼센트(weight percent)", "중량%(wt-%)", "중량 퍼센트(percent by weight)", "중량%(% by weight)", "중량ppm(ppm wt)", "중량ppm(ppm by weight)", "중량 ppm(weight ppm)" 또는 "ppm" 및 이들의 변형은, 달리 명시되지 않는 한, 해당 물질의 중량을 조성의 총 중량으로 나누고 적절하게 100 또는 1000000을 곱한 물질의 농도를 나타낸다. 여기에서 사용된 "퍼센트", "%"는 "중량 퍼센트", "중량%" 등과 동의어인 것으로 이해된다.
본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에 사용된 바와 같이, 단수 형태 "a", "an" 및 "the"는 내용이 명백하게 달리 지시하지 않는 한, 복수 지시 대상을 포함한다는 점에 유의해야 한다. 따라서, 예를 들어 "화합물"을 함유하는 조성물에 대한 언급은 둘 이상의 화합물을 갖는 조성물을 포함한다. 또한, "또는"이라는 용어는 내용이 명확하게 달리 지시하지 않는 한, "및/또는"을 포함하는 의미로 일반적으로 사용된다는 점에 유의해야 한다.　
또한, 본 명세서에 사용된 각각의 화합물은 이의 화학식, 화학명, 약어 등에 대해 상호 교환적으로 논의될 수 있다.
플라즈마는 물질의 4번째 상태로 간주되며, 고에너지 측면에서 추가 범주에 의해 고체, 액체 및 기체로 형성된 시리즈를 완성한다. 기체의 온도가 상승함에 따라, 원자의 적어도 일부는 이온과 전자로 분리되고, 이온화된 기체가 형성되는데, 이는 "플라즈마"이지만, 고온 플라즈마 기체라고 할 수 있으며, 다른 출처에서도 단순히 "고온 가스(hot gas)"라고 할 수 있다. 원자의 이온화는 부분적이거나 완전할 수 있으며, 따라서 가스에서 플라즈마로의 전이는 다소 예리하지 않다. 플라즈마의 한 가지 정의적인 특징은 이온화가 지속되어야 한다는 것이며, 이는 고온임을 의미한다.
비이송식 플라즈마 아크 토치에서, 플라즈마 아크(plasma arc)는 전기 아크에 의해 소산되는 에너지에 의해 플라즈마로 변환되는 가스가 흐르는 토치 본체 내부의 두 전극 사이에서 생성된다. 비이송식 플라즈마 토치는 처리할 물질을 전기적으로 접지된 금속 용기에 넣고 애노드로 작용하는 전달된 플라즈마와 대조를 이루므로, 반응 물질은 전기 전도성 물질이어야 한다. 전달된 플라즈마에서, 애노드는 탄소로 만들어질 수도 있다. 그러나, 탄소 전극은 환원 조건을 고정시켜, 발연 공정에 대한 장비의 다양성을 크게 감소시키는 단점이 있다.
플라즈마를 얻기 위해서, 플라즈마 발생기에서 생성된 플라즈마 가스의 엔탈피 함량이 적어도 1　kWh/Nm3이어야 한다. 따라서, 플라즈마 품질의 고온 가스는 엔탈피 함량이 적어도 1　kWh/Nm3이다. 당업계에 알려진 플라즈마 토치는 최대 5 또는 7 MW의 전력을 가질 수 있다. 보다 일반적인 플라즈마 토치는 약 3MW를 전달하므로, 플라즈마 품질의 고온 가스를 3000　Nm3 이상 생성할 수 없다. 보다 일반적인 운영 체제는 3.5-5.5 kWh/Nm3 범위의 엔탈피 함량을 갖는 플라즈마를 전달하는데, 즉 3 MW 플라즈마 토치는 일반적으로 600-800 Nm3/h 범위의 플라즈마 품질의 고온 가스를 생성한다. 따라서, 특정 전력을 갖는 플라즈마 토치는 상응하는 부피 이상의 플라즈마 품질의 고온 가스를 생성할 수 없다.
플라즈마 토치와 관련하여, 지정된 가스 부피는 플라즈마 토치에 공급되는 가스 부피만을 설명하며, 표준/정상 조건에 있다. 플라즈마 발생기(PG)에 의해 생성된 플라즈마 품질의 고온 가스의 부피에 대해 본 발명의 맥락에서 지정된 부피는 PG 자체를 통과한 가스, 즉 "1차 가스(primary gas)" 또는 "기체의 1차 부피(primary volume of gas)"라고 불리는 가스만을 포함한다. 따라서, 이들은 다운스트림에 있는 송풍구에 직접 추가로 공급될 수 있는 추가 가스, 즉 본 발명의 맥락에서 "가스의 2차 부피"라고 하며, 일반적으로 플라즈마 발생기에서 나오고 욕에 함께 주입되는 플라즈마 품질 고온 가스와 함께 혼합되는 추가 가스를 고려하지 않는다. 이 혼합 후에, 단위 부피당 엔탈피 함량이 이러한 가스에 대해 이 문서의 다른 부분에 지정된 하한을 더 이상 준수하지 않을 수 있기 때문에, 혼합 가스가 "플라즈마 품질"이라는 수식어를 더 이상 준수하지 않을 수 있다. 이러한 모든 가스 체적 수치는 "정상" 조건에서 표현된다. 따라서, 온도, 압력, 화학 반응의 변화 또는 플라즈마 발생기 또는 그 다운스트림의 송풍구에서 발생할 수 있는 상 변화에 의해 발생할 수 있는 체적 변화도 고려하지 않는다.
침지형 인젝터(submerged injector)는, 가스 소스와 로의 욕 수준 또는 결정된 액체 수준에 미만인 주입 지점 사이의 연결 파이프 또는 송풍구를 의미하며, 따라서 침지된 위치 또는 작동 중에 침지되도록 의도된 위치에 있다. 이것은 가스와 용융 물질 사이에 보다 직접적이고 집중적인 접촉을 보장한다.
송풍구 또는 인젝터는 마모를 최소화하기 위해 짧아야 한다. 이것은 또한 낮은 열 손실을 보장한다. 송풍구는 가혹한 온도 조건 하에서 마모를 줄이기 위해 냉각될 수 있다. 송풍구는 수평으로 구비되어, 욕의 수준 하에서 로의 벽을 뚫을 수 있다. 송풍구를 공급할 수 있는 플라즈마 또는 산소 가스 연소 여부에 관계 없이 토치 또는 버너는 침지할 수 있는(submergible)(일명 "침지된(submerged)") 위치에서 로의 외부에 위치한다. 바람직하게는, 야금 충전물의 액체 욕이 로에 있을 때, 이들은 용융 덩어리가 송풍구로 역류하는 것을 방지하기 위해 지속적으로 가스를 공급하고, 그렇지 않으면 송풍구가 물에 잠길 수 있고, 송풍구에 심각한 손상을 줄 수 있고 송풍구에 공급할 수 있는 토치나 버너에도 심각한 손상을 줄 수 있다. 대안적으로, 송풍구는 비스듬히 구비될 수 있으며, 여전히 욕 안으로 불어넣지만, 버너나 토치가 욕의 수준보다 높고 로 외부에 있을 수 있다. 이 레이아웃으로 인해 송풍구가 약간 더 길어지지만, 용융된 물질이 버너나 토치로 다시 흘러 들어갈 수 없도록 하기 위해 배열될 수도 있다. 대형 용광로에서는 이것이 덜 권장될 수 있지만, 송풍구는 수직으로 배치될 수도 있다. 추가 가스를 주입하기 위한 송풍구는 유사하게 배열될 수 있는데, 즉 로의 벽에 수직으로 또는 다른 각도로 로의 벽에 침지되어 로의 벽을 관통한다.
비이송식 플라즈마 토치는, 전기 아크가 토치 유닛 내부의 전극들 사이에 유지되는 플라즈마 토치를 사용하는 열 가스 발생기를 의미한다. 가스는 전기 아크가 유지되는 관통 챔버로 입력 포트를 통해 입력된다. 가스는 극한의 온도까지 가열되고, 출력 포트를 통해 적어도 부분적으로는 플라즈마 상태의 고온 가스로 방출된다.
플라즈마 토치와 용광로로의 주입 지점 사이에서, 토치에서 주입 지점으로의 흐름에 피복 가스 또는 희석 가스와 같은 추가 물질이 추가될 수 있다. 본 발명의 맥락에서, 플라즈마 토치에 의해 생성된 고온 가스의 양은 플라즈마 발생기를 통과하는 1차 가스만 포함하고 플라즈마 토치 자체와 플라즈마 품질의 1차 고온 가스가 로에 주입되는 분사 지점 또는 송풍구 사이에 추가될 수 있는 추가 가스 또는 기타 물질과 같은 2차 가스 추가는 배제해야 한다.
산소 가스 버너는, 탄소 함유 연료와 산소 함유 가스를 혼합하고 연소시키는 열 가스 발생기를 의미한다. 산소 가스 버너의 적절한 기능에 필요한 고온에 쉽게 도달하기 위해, 산소 함유 가스는 바람직하게는 산소가 풍부하고, 보다 바람직하게는 낮은 수준의 불활성 성분을 갖는 실질적으로 순수한 산소이다. 이는 화염 온도를 높일 뿐만 아니라, 로 배기 가스 시스템에 의해 처리해야 하는 불활성 가스의 양을 줄여줄인다. 산소 가스 버너의 혼합 영역은 버너 장치 내부에 있는 반면, 산소 가스 버너의 연소 영역은 버너 장치 내부 또는 외부에 있을 수 있다.
본 발명의 맥락에서 야금 충전물은 비철 금속의 생산을 위한 건식 야금 공정 단계에서 액체 용융 상태에서 발생할 수 있는 임의의 조성일 수 있다. 따라서, 야금 충전물은, 예를 들면 적어도 하나의 비철 금속을 포함하는 용융 금속 조성물일 수 있지만, 이러한 공정 단계에서 발생하는 용융 슬래그 상일 수도 있다. 야금 충전물은 용융 액체의 형태일 수 있지만, 대안적으로 모든 종류의 고체 형태를 가질 수 있고, 예를 들어 충전물은 건식 야금 공정 단계가 수행되는 로에서 액체 용융상을 냉각 또는 과립화함으로써 얻을 수 있는 응집체 형태일 수 있다.
야금 슬래그는 일반적으로 순수한 물질이 아니라, 다양한 구성 요소의 혼합물이다. 결과적으로, 야금 슬래그는 명확한 용융 온도를 갖지 않는다. 당업계에서는, 슬래그가 완전히 액체인 온도인 "액상선 온도"라는 용어를 사용하는 것이 일반적이 되었다.
배경 섹션에서 언급했듯이, "발연(fuming)"은 이미 1960년대 초반에 건식 야금 분야에서 상업적으로 사용된 작업이다. 당업자는 특정 금속 또는 금속 화합물은 "발연(fuming)"이라고도 하는 가스로 스트립핑하여 야금 충전물로부터 증발될 수 있으며, 이는 대기에 가까운 압력에서 수행되므로 주석에서 납을 증류할 때처럼 깊은 진공이 필요하지 않은 것을 잘 알 수 있다. 이 능력은 증발성 금속 또는 금속 화합물의 증기압이 충전물에 있는 다른 화합물의 대부분의 증기압보다 훨씬 높기 때문이다. 따라서, 이러한 화합물은 당업계에서 야금 충전물로부터 "증발성"으로 간주되고 지칭된다.
잘 알려진 예는 다른 건식 야금 조성물에서 발생하는 아연의 발연이다. 이러한 아연 발연은 구리 제련 단계 또는 구리 정제 단계 동안 생성된 배기 가스를 통한 아연 제거(보통 일부)와 같은 또 다른 건식 야금 단계의 일부로 수행될 수도 있다. 덜 자주, 발연은 별도의 공정 단계로 수행될 수 있고, 예를 들면 Michael Borell 또는 앞서 논의된 ScanArc에 의해 설명된 "박스 퓨머(Box fumer)"이다. 또한 앞서 논의한 바와 같이, 야금 충전물이 슬래그인 경우, 아연은 주로 비휘발성 산화물 ZnO로 충전물에 존재할 수 있으므로, 발연은 발연에 의해 제거될 수 있는 화합물인 산화물을 원소 금속으로 먼저 환원시켜 활성화해야 할 수도 있다. 다른 예는 US 3,682,623의 배경 섹션에서 논의된 바와 같이 구리 함유 스크랩으로부터 구리를 회수하는 동안 휘발에 의해 산화물로서 납 및 주석을 회수하는 것이다. 또한, 비스무트, 인듐 및/또는 게르마늄과 같은 원소는 본 발명의 맥락에서 증발성 금속 또는 증발성 금속 화합물을 갖는 것으로 알려져 있다. 증발성 금속 화합물은 해당 산화물, 염화물 및/또는 황화물일 수 있다.
본 명세서에서 달리 명시되지 않는 한, 금속 및 산화물의 양은 건식 야금의 일반적인 관행에 따라 표시된다. 각 금속의 존재는, 금속이 원소 형태(산화 상태 = 0)로 존재하는지 또는 일반적으로 산화된 형태(산화 상태 > 0)로 화학적으로 결합된 형태로 존재하는지 여부에 관계없이 일반적으로 전체 존재로 표현된다. 비교적 쉽게 원소 형태로 환원될 수 있고 건식 야금 공정에서 용융 금속으로 자주 발생할 수 있는 금속의 경우, 슬래그의 조성이 주어졌을 때에도 원소 금속 형태의 관점에서 이들의 존재를 표현하는 것은 상당히 일반적이며, 이러한 금속의 대부분은 실제로 산화된 형태로 존재할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 슬래그와 같은 슬래그의 조성은 금속 원소로서 Fe, Zn, Pb, Cu, Sb, Bi의 함량을 특정하는 것이다. 덜 귀금속은 비철 건식 야금 조건에서 환원하기가 더 어렵고 대부분 산화된 형태로 발생한다. 이러한 금속은 일반적으로 가장 일반적인 산화물 형태로 표현된다. 따라서, 슬래그 조성은 일반적으로 각각 SiO2, CaO, Al2O3, Na2O로 표시되는 Si, Ca, Al, Na의 함량을 제공한다.
더 많은 귀금속에 결합된 슬래그의 산소는 원소 금속의 함량만을 제공하는 조성에 반영되지 않기 때문에, 이 방법에 따라 보고된 슬래그 조성은 종종 총 100 중량%에 근접하지 않는다.
본 발명에 따른 장치 또는 로의 양태에서, 장치는 적어도 10%, 바람직하게는 적어도 15%, 보다 바람직하게는 적어도 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50% 또는 55%, 보다 바람직하게는 적어도 60%, 바람직하게는 적어도 70%, 더욱 바람직하게는 적어도 75%, 80%, 90%, 100%, 110%, 120%, 125%, 130%, 140%, 150%, 175%, 200%, 225% 및 훨씬 더 바람직하게는 적어도 230%의 이 토치가 정상 조건에서 체적 단위로 표시되는 엔탈피 함량이 적어도 3.5 kWh/Nm3인 플라즈마를 전달할 때 최고 전력 등급을 갖는 적어도 하나의 플라즈마 토치의 단일 요소에 의해 생성될 수 있는 플라즈마 품질의 고온 가스의 양인 총량의 추가 가스를 적어도 하나의 제2 인젝터를 통해 주입하기 위해 구비된다. 선택적으로, 장치는 500% 이하, 바람직하게는 450% 이하, 보다 바람직하게는 400%, 350%, 325%, 300%, 290%, 280%, 275%, 270%, 265%, 260%, 250%, 240%, 230%, 220%, 210%, 200%, 180%, 165%, 150%, 135%, 120%, 110%, 100%, 90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30% 이하 및 훨씬 더 바람직하게는 20% 이하의 이 토치가 정상 조건에서 체적 단위로 표시되는 엔탈피 함량이 적어도 3.5 kWh/Nm3인 플라즈마를 전달할 때 최고 전력 등급을 갖는 적어도 하나의 플라즈마 토치의 단일 요소에 의해 생성될 수 있는 플라즈마 품질의 고온 가스의 양인 총량의 추가 가스를 적어도 하나의 제2 인젝터를 통해 주입하기 위해 구비된다. 본 출원인은, 본 발명의 주요 이점은 특히 추가 가스 흐름이 추가 환원제용 운반체로 사용될 때, 특히 석탄 분말 또는 페트코크스 먼지와 같은 미세 분말이 추가 환원제로 사용되는 경우, 명시된 하한에 더 가까운 추가 가스 흐름의 양을 제2 인젝터를 통해 주입함으로써 이미 달성될 수 있는 것을 발견했다. 본 출원인은, 상기 요약 섹션에서 대체로 설명된 본 발명의 이점이 추가 가스의 양이 추가로 증가될 때 더욱 향상될 수 있음을 발견하였다. 그러나, 본 출원인은 또한, 액체 욕의 튀김 및 거품 위험을 줄이기 위해, 송풍구와 로 구성의 나머지 부분에 대한 진동 및 기타 유형의 동적 응력을 줄이기 위해, 그리고 예를 들어 후연소 영역과 회수 영역을 통해 용광로 상단의 다운스트림에서 처리해야 하는 가스의 양을 줄이기 위해, 지정된 상한을 준수하는 것을 선호한다.
본 발명에 따른 로 또는 장치의 후연소 영역에서, 발연 가스 내의 적어도 하나의 증발성 금속 또는 금속 화합물은 산화되어, 적어도 하나의 증발성 금속 또는 금속 화합물의 산화된 형태를 형성한다. 이 단계의 목적은, 발연 가스로 대표되는 안전 위험을 줄이고, 발연 가스에서 금속을 더 쉽게 회수할 수 있도록 하는 것이다.
로의 상단 부분에서 형성되는 발연 가스는 안전 위험을 나타낸다. 가스는 매우 고온이다. 가스에 포함된 기화된 금속 또는 금속 화합물은 일반적으로 금속의 환원된 형태를 나타내므로, 산소와 접촉하는 것과 같은 산화 조건에 노출될 때 반응성이 높다. 따라서, 로의 상단 부분에서 형성된 발연 가스는 심각한 안전 위험을 나타낸다. 통제되지 않은 방식으로 장비에 유입되고 로의 발연 가스와 접촉하는 모든 산소, 예를 들면 장치의 배기 처리 부분에서 로 상부 또는 그 하류로 흡입될 수 있는 환경 공기의 일부로서 산소는 기화된 금속 또는 금속 화합물을 쉽게 반응하고 산화시킬 수 있으며, 이 반응은 높은 발열성이다. 불충분하게 제어된 조건, 예를 들어 낮은 혼합 및/또는 특히 상대적으로 정체된 영역에서, 이러한 고온 가스와 산소의 조합은 거의 필연적으로 제어되지 않은 연소, 심지어 가스 구름 폭발로 이어질 수 있다.
안정적이고 상대적으로 빠르게 흐르는 가스 흐름과 좋은 혼합으로, 알려진 공기 또는 다른 산소 가스 공급원과 가스의 이러한 조합은 안정적이고 잘 제어될 수 있는 화염면(flame front)을 생성할 수 있다. 따라서, 본 출원인은, 발연로 상단의 고온 가스는 흡입되어 안정적이고 비교적 빠른 흐름으로 이동하고 산소와 집중적으로 혼합되어 가스 혼합물의 조건이 환원에서 산화로 변경되는 제어된 방식으로 본 발명의 일부로서 후연소 영역을 제공한다. 좋은 혼합 및 고온의 결과는, 화염면이 발생하여 로 상부에서 배출되는 가스 흐름에서 발생하고 확립되며, 이 화염면이 안정된 상태로 쉽게 유지될 수 있다는 것이다. 본 출원인은, 발연로 위의 공간에 이 화염면을 제공하는 것을 선호하여, 안정된 화염면의 복사가 여전히 로의 액체 욕에 도달하고 화염면의 일부 열을 액체 욕으로 되돌릴 수 있다는 이점을 제공한다.
후연소 단계 또는 영역의 또 다른 결과는, 로 상단의 고온의 반응성이 높은 가스로 대표되는 안전 위험이 화염면의 업스트림에 있는 가스 부피로 제한되어 있다는 것이다.
적어도 하나의 증발성 금속 또는 금속 화합물의 산화된 형태는 가장 전형적으로 금속 산화물이다. 금속 또는 금속 화합물의 산화물 형태는 일반적으로 비휘발성이며, 일반적으로 가스 흐름에 동반된 미세 입자의 먼지를 형성하여, 이로부터 더 쉽게 회수할 수 있다.
본 발명에 따른 로는 후연소 영역에서 형성된 가스로부터 적어도 하나의 증발성 금속 또는 금속 화합물의 산화된 형태를 회수하기 위한 회수 영역을 추가로 포함한다. 본 발명에 따른 방법은 또한 로에서 형성되고 연소후 단계를 거친 기체로부터 적어도 하나의 증발성 금속 또는 금속 화합물의 산화된 형태를 회수하는 상응하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 장치 또는 로의 양태에서, 상기 장치는 복수의 제2 인젝터를 포함하고, 각각의 주입기는 각각의 제2 인젝터를 통해 적어도 10%, 바람직하게는 적어도 15%, 보다 바람직하게는 적어도 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 또는 50%, 더욱 바람직하게는 적어도 55%, 바람직하게는 적어도 60%, 더욱 바람직하게는 적어도 65%, 보다 더욱 바람직하게는 적어도 70%, 보다 더욱 바람직하게는 적어도 75%, 바람직하게는 80%의 이 토치가 정상 조건에서 체적 단위로 표시되는 엔탈피 함량이 적어도 3.5 kWh/Nm3인 제1 고온 가스를 전달할 때 최고 전력 등급을 갖는 적어도 하나의 플라즈마 토치의 단일 요소에 의해 생성될 수 있는 플라즈마 품질의 고온 가스의 양인 추가 가스의 양을 각각의 제2 인젝터를 통해 주입하기 위해 구비된다. 선택적으로, 각각의 제2 인젝터는 200% 이하, 바람직하게는 190% 이하, 보다 바람직하게는 180%, 170%, 160%, 150%, 140%, 130%, 125%, 120%, 115%, 110%, 105%, 100%, 95% 이하 및 훨씬 더 바람직하게는 90% 이하의 이 토치가 정상 조건에서 체적 단위로 표시되는 엔탈피 함량이 적어도 3.5 kWh/Nm3인 플라즈마를 전달할 때 최고 전력 등급을 갖는 적어도 하나의 플라즈마 토치의 단일 요소에 의해 생성될 수 있는 플라즈마 품질의 고온 가스의 양인 추가 가스의 양을 제2 인젝터를 통해 주입하기 위해 구비된다.
본 발명에 따른 로 또는 장치의 양태에서, 장치는 압축 가스의 적어도 하나의 공급원에 연결되고/되거나, 적어도 하나의 제2 인젝터에 압축 가스를 공급하기 위한 압축기가 구비된다. 본 출원인은, 이것이 로에 추가 가스를 공급하기 위한 매우 편리한 방법을 제공한다는 것을 발견했다. "압축기(compressor)"라는 용어는 매우 넓은 의미로 해석될 수 있으며, 예를 들어 연소 가스가 대기압보다 높은 압력에서 이용 가능하게 될 수 있는 가스 연소 터빈을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 로 또는 장치의 일 양태에서, 장치에 대한 추가 가스의 공급원은 수소, 질소, 공기, 이산화탄소, 아르곤, 네온, 헬륨, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 및 이들의 조합, 바람직하게는 질소 또는 공기, 보다 바람직하게는 공기, 훨씬 더 바람직하게는 압축 공기로 이루어진 군으로부터 선택된 가스 공급원을 포함한다. 본 출원인은, 질소 및 공기, 바람직하게는 압축 공기가 로에 주입되는 추가 가스의 기초로서 매우 편리한 가스임을 발견했다.
본 발명에 따른 로 또는 장치의 양태에서, 장치는 엔탈피 함량을 변형하기 위해 적어도 하나의 제2 인젝터의 업스트림에서 추가 가스를 열처리하기 위한 수단, 바람직하게는 적어도 하나의 열 교환기를 포함하는 추가 가스를 열처리하기 위한 수단을 포함한다. 작동 중 로에 가스 공급이 로 내부의 액체 욕 온도보다 낮은 온도인 경우, 본 출원인은 이것이 적어도 하나의 제2 인젝터에 의해 주입되기 전에 가스를 가열하는 것을 선호한다. 이는 추가 가스의 주입이 로에 미칠 수 있는 냉각 효과를 감소시키고, 로에 대한 열 균형을 더 쉽게 유지하도록 해준다. 바람직하게는, 이러한 가열은 로에서의 배기 가스를 처리하는 시스템에서 이용 가능한 열을 적어도 부분적으로 사용한다.
본 발명에 따른 로 또는 장치의 양태에서, 장치는 환원제를 적어도 하나의 제2 인젝터의 업스트림에 있는 추가 가스에 도입하기 위한 수단을 더 구비한다. 요약 섹션에서 앞서 설명한 바와 같이, 적어도 하나의 제2 인젝터를 통해 로에 추가 가스를 주입하는 것은 로에 환원제를 추가하기 위한 추가 진입점을 나타낸다. 또한, 적어도 하나의 제2 인젝터가 잠겨 있기 때문에, 적절한 환원제의 선택이 매우 광범위하다.
본 발명에 따른 로 또는 장치의 양태에서, 도입될 환원제는 기체, 액체, 고체 및 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다. 본 출원인은, 본 발명에 따른 추가 가스 주입이 환원제가 기체 또는 액체뿐만 아니라 환원제가 고체인 경우에도 편리하게 도입될 수 있는 환원제의 부피 또는 중량 측면에서 광범위한 환원제에 적합한 담체임을 발견하였다. 또한, 고체 환원제는 매우 미세한 입도를 가질 수 있어, 높은 표면/중량 비율을 제공하므로, 표적 화학 반응에 참여하기 위한 높은 반응성을 제공한다.
본 발명에 따른 로 또는 장치의 양태에서, 장치는 제2 인젝터에 의해 욕 내로 주입될 추가 가스의 람다를 제어하기 위한 수단을 포함한다. 람다("λ")는 버너 및 가연성 연료, 특히 내연 기관과 관련하여 일반적으로 사용되는 매우 편리한 파라미터를 의미하며, 이 파라미터는 분자는 실제 공기 대 연료 비율, 분모는 화학량론에서 동일한 연료의 공기 대 연료 비율의 비율을 나타낸다. 공기/연료 혼합물이 완전 연소에 대한 화학량론에 있는 경우, 람다는 1.0이다. 본 출원인은 이 람다 파라미터를 산소가 존재하는 모든 기체 혼합물뿐만 아니라 가연성 물질과 같이 산소와 쉽게 반응할 수 있는 다른 물질에 적용하고, 다른 물질은 기체, 액체 또는 고체, 또는 이들의 조합일 수 있다. 본 출원인은, 적어도 하나의 제2 분사기를 통해 분사되는 추가 가스의 람다를 제어하는 것이 로 내부의 분위기를 제어하는 매우 편리한 수단이고, 이에 따라 분위기가 다음과 같이 중성인지 산화성 또는 환원성인지 뿐만 아니라 산화 또는 환원의 정도를 설정할 수 있음을 발견했다. 본 출원인은 본 발명에 따른 장치에서 환원제에 대한 추가 첨가점이 매우 다용도이며 주입될 추가 가스의 람다 제어가 로 내부의 산화환원 조건을 제어하기 위한 매우 편리한 방법을 제공하므로, 용광로 내부에서 발생하는 화학 반응을 조정한다는 것을 발견했다. 본 출원인은, 추가 가스 주입과 플라즈마 발생기(들)로부터의 고온 가스 주입의 조합이 광범위한 산화환원 조건을 허용하고, 이에 의해 산화환원 조건이 천연 가스 버너를 사용하는 것과 같은 기존의 가열 수단과 달리 용광로 내부로의 열 입력과 실질적으로 독립적으로 설정될 수 있음을 발견했다.
본 발명에 따른 로 또는 장치의 양태에서, 장치는 추가 가스 산소 및 가스 또는 액체 연료의 일부로서 주입하고 추가 가스의 일부로서 연료의 화염 전파 속도보다 더 높은 적어도 하나의 제2 인젝터의 업스트림에서 또는 다른 위치에서 추가 가스의 속도를 허용하기 위해 구비된다. 본 출원인은, 바람직하게는 추가 가스가 산소를 추가로 포함하는 경우, 추가 가스가 가열되거나 점화되지 않아 연료와 산소가 액체 욕에 도달하기 전에 반응하지 않은 경우에도, 용광로에 입력되는 추가 열은 추가 가스의 일부로 기체 또는 액체 연료를 주입하여 제공할 수 있음을 발견했다. 일반적으로, 로 내부의 액체 욕의 온도는 점화 공급원이 없어도 연료와 추가 가스의 산소가 반응을 시작하는 온도보다 훨씬 높으며, 액체 욕에 주입되면 쉽게 반응할 수 있다. 본 출원인은, 그렇지 않으면 그러한 반응이 적어도 하나의 제2 분사기의 업스트림 뿐만 아니라 제2 인젝터 자체의 도관에서 추가 가스의 흐름 방향에 대해 업스트림로 이동할 수 있다는 것을 발견했기 때문에 이 양태를 선호한다. 이러한 "역화(backfire)" 현상은 도관 또는 인젝터에서 열을 방출하여 온도를 증가시켜, 마모를 일으키거나 인젝터 업스트림 및/또는 내부의 추가 가스 폭발을 유발할 수 있다. 본 출원인은, 추가 가스가 제2 인젝터 또는 이의 업스트림의 다른 위치에서 추가 가스에서 화염 전파 속도보다 더 높은 속도에 도달하도록 하는 장치가 구비된 경우 인젝터 내부 또는 업스트림의 가열로 인한 장비 손상 위험이 감소될 수 있음을 발견했다. 추가 장점은, 추가 가스가 더 낮은 온도에서 주입되어, 제2 인젝터의 마모를 더욱 줄일 수 있다는 것이다.
본 발명에 따른 로 또는 장치의 양태에서, 장치는 로에 대한 의도된 작동 조건 하에서 분사된 연료의 연소가 추가 가스의 엔탈피 증가를 가져와서, 욕으로의 주입 지점에서 추가 가스가 작동 중 로에 있어야 하는 용융된 장입물의 최대 온도인 온도에 있도록 주입된 연료의 양을 제한하기 위해 구비된다. 이것은 또한 제2 인젝터의 마모를 줄이는데 기여한다.
본 발명에 따른 로 또는 장치의 양태에서, 적어도 하나의 제2 인젝터는 제1 체적과 다른 미리 결정된 수준 미만의 로의 내부 공간의 일부로서 제2 체적을 향해 추가 가스를 조준하고 있고, 적어도 하나의 제1 인젝터는 제1 고온 가스를 조준한다. 본 출원인은, 이러한 특징이 본 발명과 관련된 이점을 향상시키고 위의 요약 섹션에서 설명된 바와 같은 개선된 욕 교반, 더 균질한 액체 욕 조성, 개선된 화학 반응 및 가장 확실하게 증발성 금속 또는 액체 욕의 금속 화합물의 개선된 스트리핑을 향상시킨다는 것을 발견하였다.
본 발명에 따른 로 또는 장치의 양태에서, 적어도 하나의 제1 인젝터는 로의 측벽에 위치되고, 적어도 하나의 제2 인젝터는 바람직하게는 적어도 하나의 제1 인젝터와 실질적으로 동일한 높이에서 작동하는 로의 수평 둘레를 따라 적어도 하나의 제1 인젝터의 반대편에 있는 로의 벽에 위치된다. 본 출원인은 위의 요약 부분에 설명된 바와 같이 이 설정이 본 발명의 목적하는 효과를 얻는데 매우 편리하고 효과적이라는 것을 발견했다. 적어도 하나의 제1 인젝터는 로의 측벽에 대해 대략 수직인 방향으로 추가 가스를 주입할 수 있다. 그러나, 본 출원인은, 추가 가스가 액체 욕에서 수직 순환을 위한 추가 구동을 제공하고 욕 교반을 개선하고 액체 욕의 상단 위에 액체 욕의 대부분으로 떠 있을 수 있는 더 많은 환원제를 끌어들이기 때문에 수평면이 있는 각도로 아래쪽 또는 위쪽으로 추가 가스를 주입하는 것을 선호한다. 본 출원인은 위쪽 방향을 선호하는데, 이는 액체 욕에서 토러스 모양(torus-shaped)의 순환 경로를 만드는데 더 좋을 수 있기 때문이다.
본 발명에 따른 로 또는 장치의 일 양태에서, 상기 장치는 로의 측벽의 수평 둘레를 따라 분포된 적어도 2개, 바람직하게는 적어도 3개의 제1 인젝터를 포함하며, 이에 의해 적어도 하나의 제2 침지형 인젝터는 용광로 수직 축에 대해 거의 가까운 미리 결정된 수준 미만의 용광로 내부 공간의 일부로서 용적을 향하는 추가 가스를 조준하고, 및/또는 적어도 하나의 제2 침지형 인젝터는 적어도 2개의 제1 인젝터 중 가장 가까운 2개의 위치들 사이에 대략 동일한 거리에서 로 측면을 따라 배치된다. 로의 측벽을 따라 위치된 적어도 하나의 제2 침지형 인젝터가 있는 양태에서, 적어도 하나의 제2 인젝터는 바람직하게는 주입된 추가 가스를 제1 인젝터가 제1 고온 가스를 조준하는 체적과 상이한 미리 결정된 수준 이하로 로의 내부 공간의 일부로서 체적을 향하도록 조준한다. 본 출원인은, 이것이 본 발명에 의해 얻어지는 유리한 효과를 향상시키고 위의 요약 섹션에서 전반적으로 설명된다는 것을 발견하였다.
본 발명에 따른 로 또는 장치의 양태에서, 상기 장치는 적어도 하나의 제1 인젝터의 업스트림에 있는 제1 고온 가스 내로 환원제를 도입하기 위해 추가로 구비된다. 이것은 다른 수단, 예를 들어 추가 가스와 함께 도입될 수 있는 양 및/또는 공급 포트를 통해 첨가될 수 있는 양보다 더 많은 환원제가 로에 도입될 수 있다는 이점을 가져온다. 적어도 하나의 제1 인젝터를 통해 도입될 수 있는 추가 환원제의 양은 로에 투입되는 엔탈피와 무관하다. 따라서, 이러한 환원제 도입 방법은 로 내부 분위기의 산화 환원 특성을 제어하는데 매우 편리한다. 추가 이점은, 제1 인젝터를 통해 도입된 환원제가 로에의 최고 온도의 엔탈피 투입과 함께 도입된다는 것이다. 더 높은 온도에서, 목적하는 아연 발연 반응(I)의 평형 상수는 증발 가능한 물질인 아연 금속의 형성에 유리하다. 따라서, 제1 고온 가스와 함께 도입된 환원제의 효율성이 더 높으며, 이 분사도 침지형 인젝터를 통해 이루어지기 때문에, 제1 고온 가스와 액체 욕의 액체가 매우 밀접하게 접촉하기 때문에 매우 효율적이고, 이는 욕의 액체와 접촉하지 않고 액체 욕 표면에 도달할 수 있는 이 환원제가 거의 없음을 의미한다.
본 발명에 따른 로 또는 장치의 양태에서, 적어도 하나의 제1 인젝터의 업스트림에 도입되는 환원제는 기체, 액체, 고체, 및 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다. 본 출원인은, 플라즈마 토치로부터 제1 고온 가스를 제1 인젝터를 통해 도입하는 것이 추가 환원제를 도입하기 위한 매우 다양한 옵션을 제공한다는 것을 발견했고, 이는 환원제의 선택, 특히 물질의 상태뿐만 아니라 도입될 수 있는 양과 관련하여 매우 관대하기 때문이다.
본 발명에 따른 로 또는 장치의 일 양태에서, 장치는 적어도 하나의 플라즈마 토치로부터의 플라즈마 품질의 제1 고온 가스의 양보다 많은 여분의 제1 고온 가스를 생성하기 위한 적어도 하나의 산소 가스 버너가 추가로 구비된다. 이것은 용광로로의 추가 엔탈피 입력이 플라즈마 발생기에 의해 제공되는 엔탈피 입력 이상으로 제공될 수 있는 이점을 가져온다. 이것은 로, 장치 및/또는 전체 공정에 걸쳐 유리한 열 균형의 유지를 용이하게 할 수 있다.
본 발명에 따른 로 또는 장치의 양태에서, 상기 장치는 결정된 수준 미만으로 여분의 제1 고온 가스를 주입하기 위한 적어도 하나의 침지형 제3 인젝터를 구비한다. 이것은 여분의 제1 고온 가스와 액체 욕 사이의 매우 긴밀한 접촉의 이점을 가져오는데, 이는 여분의 제1 고온 가스에서 로 내부의 액체 욕으로의 열 전달에 유리하다. 이것은 열 전달을 매우 효과적으로 만든다.
적어도 하나의 산소 가스 버너를 포함하는 본 발명에 따른 로 또는 장치의 양태에서, 적어도 하나의 산소 가스 버너는 결정된 수준 미만에 위치된다.
본 발명에 따른 장치의 양태에서, 플라즈마 토치는 결정된 수준 미만에 위치된다.
고온 가스 및/또는 플라즈마 발생기를 결정된 수준 미만에 위치시키는 특징은 매우 짧은 연결 파이프를 허용하며, 고온 가스 또는 플라즈마 발생기가 로 외부의 주입 지점 수준에 위치할 수 있다. 그러나, 용광로 내부의 용융 덩어리에 의한 발전기 범람을 방지하기 위한 조치가 필요하다. 따라서, 인젝터를 통한 지속적인 보호 가스 흐름이 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 로 또는 장치의 양태에서, 후연소 영역은 단일-챔버 로의 일부로서 결정된 수준 이상으로 제공된다. 바람직하게는, 후연소 영역은 후연소 영역으로부터 로의 액체 욕 상으로 복귀할 수 있는 복사열 때문에 액체 욕 위에 제공된다. 본 명세서의 다른 곳에서 설명한 바와 같이, 후연소 영역에서 산화 조건은 증발성 금속 또는 금속 화합물을 해당 산화 형태로 산화시킬 목적으로 설정된다. 발연 단계에서 생성된 환원형의 산화가 완전히 전환되어 얻어지는 한 가지 주요 효과는, 산화된 형태를 포함하는 가스가 더 이상 가연성이 아니므로, 발연 단계에서 발생하는 가스가 나타내는 안전 위험이 포함되어 후연소 영역 또는 단계에서 다운스트림로 제거된다는 점이다. 후연소 단계의 2차 목적은 환원제의 탄소와 금속 산화물로서 슬래그에서 이용 가능한 산소의 반응에 의한 발연 단계에서 생성되었을 수 있는 대부분의 일산화탄소를 이산화탄소로 산화시키는 것, 및/또는 수소를 물로 산화시키는 것이다. 이는 안전 위험을 더욱 감소시키고, 대기로의 최종 방출을 포함하여 로 배기 가스의 추가 처리를 더 쉽고, 더 안전하고, 더 환경적으로 허용 가능하게 만든다.
바람직하게는, 본 출원인은 발연 가스에 산화제를 도입함으로써 후연소를 수행하고, 바람직하게는 산화제는 산소이다.
본 발명에 따른 로 또는 장치의 양태에서, 후연소 영역은 바람직하게는 공기, 산소 농축 공기 및 정제된 산소 가스로부터 선택되는 산소 함유 가스의 공급원과의 연결부를 포함한다. 본 출원인은 공기를 사용할 수 있기 때문에 공기를 사용하는 것을 선호한다. 바람직하게는, 본 출원인은 용광로의 상부를 떠나는 발연 가스의 흐름에 산소 함유 가스를 주입함으로써 산소를 도입한다. 일반적으로, 로의 상부를 떠나는 발연 가스는 전형적으로 적어도 로 스택 및 선택적으로 스택의 업스트림에 유도된 통풍 팬을 포함하는 다운스트림에 있는 배기 가스 처리에 의해 생성되는 통풍 팬 때문에 대기압보다 낮은 압력에 있다. 따라서, 산소 함유 가스는 대기압에서 이용가능하게 될 수 있다. 본 출원인은 대기압보다 높은 압력에서 산소 함유 가스를 제공하는 것을 선호하는데, 이는 설명한 바와 같이 생성된 자연 통풍 또는 유도 통풍에 의해 로 배기 가스 처리 장비로 유입되는 발연 가스와 산소 함유 가스의 공급원 사이에 더 높은 압력 차이를 제공하기 때문이다. 더 높은 압력 차이는 발연 가스로의 산소 함유 가스의 흐름이 더 정확하게 제어하기 더 쉽다는 이점을 가져온다.
더 간단한 양태에서, 본 출원인은 환경 공기가 흡입될 수 있는 다운스트림에 있는 배기 가스 처리 장비와 로를 연결하는 덕트에 대기에 대한 적어도 하나의 개구부를 제공한다. 바람직하게는, 덕트의 개구부 크기는 제어할 수 있다. 복수의 개구부가 제공되어, 산소 함유 가스와 발연 가스의 보다 빠르고 친밀한 혼합의 이점을 제공할 수 있다.
본 출원인은 후연소 영역에서 산화 반응이 일어나는 안정된 화염면이 형성될 수 있음을 발견했다. 본 출원인은, 발연 가스가 더 빠르게 이동하고 산소 함유 가스와의 혼합이 더 빠르고/더 강할수록 화염면이 더 안정하다는 것을 발견했다.
본 출원인은 후연소 영역에서 산화 반응이 실질적으로 완료되도록 상당한 과량의 산화제를 후연소 영역에 제공하거나 이러한 단계를 밟는 것을 선호한다. 이것은 안전 위험이 후연소 영역 또는 단계 및 그 업스트림에 완전히 포함되도록 한다. 또한, 궁극적으로 배출되는 배기 가스에 독성 가스인 일산화탄소와 수소가 실질적으로 없음을 보장한다.
본 발명에 따른 로 또는 장치의 양태에서, 장치는 회수 영역의 업스트림에서 후연소 영역에서 형성되거나 형성된 가스를 냉각하기 위한 냉각 영역을 추가로 포함한다. 냉각은 다양한 적절한 방식으로 수행될 수 있다.
한 가지 적절한 방법은 소위 폐열 보일러, 즉 후연소 단계에서 나온 가스의 열을 사용하여 증기를 생성하는 열교환기를 제공하는 것이다. 이점은, 열이 증기를 생성하는데 사용되며, 증기가 사용되는 곳에서 전력이나 열을 전달하기 위해 다른 곳에서 사용할 수 있다는 것이다. 따라서, 다른 대안과 비교하여 폐열 보일러에 대한 높은 투자 비용은 생성되는 증기의 가치로 보상될 수 있다. 그러나, 적절한 크기의 증기 소비자가 본 발명에 따른 로 부근에서 항상 이용 가능한 것은 아니다.
냉각의 또 다른 적절한 방법은, 냉각수 측의 물이 증기 생성을 피하기 위해 충분히 빠르게 순환하여 뜨거운 물만 생성되는 복사 냉각기를 사용하는 것이다. 바람직하게는, 대부분의 열이 냉각기에서 제거되면, 물이 복사 수냉각기(radiation water cooler)로 재순환된다. 이러한 온수는 바람직하게는 다수의 주거용 건물을 난방하는 것과 같은 난방 서비스에 경제적으로 가치 있는 용도로 사용될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 난방 서비스에 사용한 후 물을 재활용한다. 추가적으로 및/또는 대안으로서, 뜨거운 물은 통상적인 냉각탑에서 냉각될 수 있다. 냉각탑에서 증발한 물의 양은 나머지 물을 복사 냉각기로 되돌리기 전에 보충해야 한다. 이러한 물 순환에서 염분이 축적되기 때문에, 순환은 일반적으로 배출 흐름도 제공해야 하며 배출 물의 양도 보충해야 한다. 또한, 복사 수냉각기는 냉각 단계의 가스 측 다운스트림에서 처리해야 하는 가스의 양을 변경하지 않는다는 이점도 있다. 복사 수냉각기의 또 다른 이점은, 이 냉각 단계가 후연소 영역과 결합될 수 있는 것이며, 이는 후연소 단계가 복사 수냉각기 내부에서 수행될 수 있음을 의미한다. 이 양태는 장비의 추가 단순화를 가져오고, 따라서 투자 비용의 감소를 가져온다.
냉각의 또 다른 방법은 분무 냉각 또는 "증발 냉각(evaporative cooling)"이다. 이 방법은 고온 가스 흐름에 물을 주입하는 것을 포함하며, 주입된 물은 가스 흐름에서 증발 열을 빼낸다. 이 방법은 매우 효과적이고 빠르며, 장비가 거의 필요하지 않으므로, 투자 비용이 저렴하다. 단점은, 이 방법이 냉각 단계의 다운스트림에서 처리해야 하는 가스의 양이 증가한다는 것이다.
다른 적절한 방법은 한 쪽에는 후연소 단계의 가스가 있고, 예를 들어 열교환기의 다른 쪽에는 환경 공기가 있는 가스/가스 열교환기를 사용하는 것이다. 이것은 부피가 작고 냉각 단계의 다운스트림에서 처리되어야 하는 가스의 흐름을 증가시키지 않는다는 이점을 가져온다.
바람직한 냉각 단계는 위에 열거된 것들로부터 선택된 다수의 유사하거나 상이한 냉각 방법을 포함할 수 있다. 적절한 조합은, 예를 들어 고온 입구측에 먼저 복사 수냉각기를 제공하여 후연소 단계로부터의 가스 온도를, 예를 들어 약 1500 ℃에서, 예를 들어 약 1000 ℃로 가져온 다음 분무 냉각기(spray cooler)에 의해 가스 온도를 약 200 ℃로 더 낮추었고, 이는 후속 회수 영역에서 사용되는 장비에 대해 충분히 낮을 수 있다.
본 발명에 따른 로 또는 장치의 양태에서, 회수 영역은 가스 여과 영역, 바람직하게는 적어도 하나의 가스 여과 천을 포함하는 가스 여과 영역을 포함한다. 본 출원인은 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 천으로 만든 필터 슬리브를 사용하는 것을 선호하는데, 이는 이들이 최대 약 260 ℃의 가공 온도를 견딜 수 있기 때문이다.
일반적으로, 가스 처리 순서의 마지막 장비는 회수 영역의 가스를 배출 스택으로 밀어넣고 후연소 구역, 선택적 냉각 영역 및 회수 영역의 순서를 통해 가스를 흡입함으로써 업스트림의 통풍을 향상시키기 위한 송풍기 또는 환기 장치이다. 송풍기 또는 환풍기의 사용은, 배출 스택의 자연 통풍 요구 사항이 감소되어 스택이 덜 높게 건설될 수 있다는 이점을 가져온다.
본 발명에 따른 로 또는 장치의 양태에서, 로는 일반적으로 원통형 형상을 가지며, 바람직하게는 로는 또한 더 작은 원형 바닥을 향해 테이퍼링되는 원추형 하부 섹션을 가지며, 이에 의해 로의 원통형 형상은 가장 큰 내부 직경 d를 가지고, 로는 하단에서 상단까지의 전체 내부 높이 h를 가지며, h 대 d의 비는 적어도 0.75, 바람직하게는 적어도 0.80, 보다 바람직하게는 적어도 0.85, 훨씬 더 바람직하게는 적어도 0.90, 더욱 더 바람직하게는 적어도 0.95, 바람직하게는 적어도 1.00, 보다 바람직하게는 적어도 1.05, 훨씬 더 바람직하게는 적어도 1.10, 더욱 더 바람직하게는 적어도 1.15, 바람직하게는 적어도 1.20, 보다 바람직하게는 적어도 1.25, 훨씬 더 바람직하게는 적어도 1.30이다. 본 발명의 맥락에서, 로의 내부 직경은 로의 벽의 2개의 대향하는 표면 사이의 거리이며, 내화 라이닝(refractory lining)이 존재하는 경우 건설 당시 로의 내화 라이닝의 표면이다. 내경은 "동결 라이닝(freeze lining)"이라고도 할 수 있는 층인 동결 슬래그 표면에 가능한 축적을 배제하는 것으로 간주된다. 본 출원인은, 이러한 특징이 작동 중 로 욕에서 용융 물질이 덜 튀는 이점을 가져온다는 것을 발견했다. 이러한 튀는 용융 물질은 고온으로 인해 문제를 일으킬 수 있고 이러한 물질 성장이 가스 흐름 및/또는 공급물 도입 기능을 손상시키는 것과 같은 다른 작동 문제를 일으킬 수 있는 용광로 공급 포트 및/또는 용광로 배기 배관과 같은 임의의 단단하고 더 차가운 표면에 대해 응고될 수 있다.
본 발명에 따른 로 또는 장치의 양태에서, 로는 원추형 하부 섹션을 포함하고, 결정된 수준은 대략 원통형 형상이 원추형 하부 섹션으로 전환되는 높이에 있다. 본 출원인은, 원뿔형 하부 섹션이 대부분의 침지형 인젝터 및 바람직하게는 또한 침지형 인젝터에 대한 공급의 상응하는 제공자가 장치가 점유할 수 있는 플롯 공간의 양을 제한하는 동시에 최소한의 연결 배관을 갖는 로 내부의 액체 욕으로의 매우 효과적인 주입을 위해 배열될 수 있는 매우 편리한 설정을 제공한다는 것을 발견했다. 이 배열은 제1 인젝터를 로의 중심 수직 축에 더 가깝게 가져오는 이점을 가져오고, 이는 욕 교반에 유리하다. 이 배열은 또한 제1 고온 가스가 주입되는 바닥 부분에서 더 높은 교반을 제공하고 - 장치에 더 작은 바닥 부분의 로의 벽에 송풍구가 제공되는 양태에서 - 추가 가스가 주입되는 반면 더 큰 직경 덕분에 상단 부분이 튀는 것이 적다. 또 다른 이점은, 상부 섹션에서 토러스 형태의 액체 흐름이 형성될 수 있다는 점이며, 이는 욕 내부의 액체 수준의 상부에 떠 있을 수 있는 고체 환원제의 입자를 끌어당기는데 유용하다.
본 발명에 따른 로 또는 장치의 양태에서, 로는 특히 용융 금속 및/또는 매트와의 접촉이 발생할 수 있는 내부 내화 라이닝이 제공된다. 이것은 높은 용융 온도 및/또는 높은 액상선 온도를 갖는 야금 충전물이 처리되거나 처리될 수 있다는 이점을 가져온다. 내화 라이닝은 유리된 용융 금속 및/또는 무광상이 발생할 수 있는 바닥 부분에 제공되는 것이 바람직하며, 이러한 액체로부터의 화학적 및/또는 기계적 공격으로부터 증가된 저항의 이점을 가져온다.
본 발명에 따른 로 또는 장치의 양태에서, 로의 주변 벽은 수냉식이다. 본 출원인은, 이것이 작동 중 로 내부에서 발생할 수 있는 매우 높은 온도에 대해 장비의 수명을 연장하는데 도움이 된다는 것을 발견했다. 추가적인 이점은 용광로 측벽에 대해 용광로 내부에 동결 라이닝이 형성될 수 있다는 것이다. 이러한 동결 라이닝은 작동 중 로 내부의 매우 높은 온도에 대해 추가적인 단열을 제공할 수 있으며, 로의 벽에 제공되었을 수 있는 내화 재료에 대한 추가 보호를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 양태에서, 적어도 하나의 제2 인젝터를 통해 주입되는 추가 가스의 양은 적어도 10%, 바람직하게는 적어도 15%, 보다 바람직하게는 적어도 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50% 또는 55%, 보다 바람직하게는 적어도 60%, 바람직하게는 적어도 70%, 더욱 바람직하게는 적어도 75%, 80%, 90%, 100%, 110%, 120%, 125%, 130%, 140%, 150%, 175%, 200%, 225% 및 훨씬 더 바람직하게는 적어도 230%의 이 토치가 정상 조건에서 체적 단위로 표시되는 엔탈피 함량이 적어도 3.5 kWh/Nm3인 제1 고온 가스를 전달할 때 최고 전력 등급을 갖는 적어도 하나의 플라즈마 토치의 단일 요소에 의해 생성될 수 있는 플라즈마 품질의 제1 고온 가스의 양이다. 선택적으로, 적어도 하나의 제2 인젝터를 통해 주입되는 추가 가스의 양은 500% 이하, 바람직하게는 450% 이하, 보다 바람직하게는 400%, 350%, 325%, 300%, 290%, 280%, 275%, 270%, 265%, 260%, 250%, 240%, 230%, 220%, 210%, 200%, 180%, 165%, 150%, 135%, 120%, 110%, 100%, 90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30% 이하 및 훨씬 더 바람직하게는 20% 이하의 이 토치가 정상 조건에서 체적 단위로 표시되는 엔탈피 함량이 적어도 3.5 kWh/Nm3인 플라즈마를 전달할 때 최고 전력 등급을 갖는 적어도 하나의 플라즈마 토치의 단일 요소에 의해 생성될 수 있는 플라즈마의 플라즈마의 양 품질의 고온 가스의 양이다. 본 출원인은, 본 발명의 주요 이점은 특히 추가 가스 흐름이 추가 환원제용 운반체로 사용될 때, 특히 석탄 분말 또는 페트코크스 먼지와 같은 미세 분말이 추가 환원제로 사용되는 경우, 명시된 하한에 더 가까운 추가 가스 흐름의 양을 제2 인젝터를 통해 주입함으로써 이미 달성될 수 있는 것을 발견했다.
본 발명에 따른 방법의 양태에서, 적어도 하나의 제2 인젝터를 통해 주입되는 추가 가스의 양은 적어도 10%, 바람직하게는 적어도 15%, 보다 바람직하게는 적어도 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50% 또는 55%, 보다 바람직하게는 적어도 60%, 바람직하게는 적어도 70%, 더욱 바람직하게는 적어도 75%, 80%, 90%, 100%, 110%, 120%, 125%, 130%, 140%, 150%, 175%, 200%, 225% 및 훨씬 더 바람직하게는 적어도 230%의 이 토치가 정상 조건에서 체적 단위로 표시되는 엔탈피 함량이 적어도 3.5 kWh/Nm3인 제1 고온 가스를 전달할 때 최고 전력 등급을 갖는 적어도 하나의 플라즈마 토치의 단일 요소에 의해 생성될 수 있는 플라즈마 품질의 제1 고온 가스의 양이다. 선택적으로, 각각의 제2 인젝터는 200% 이하, 바람직하게는 190% 이하, 보다 바람직하게는 180%, 170%, 160%, 150%, 140%, 130%, 125%, 120%, 115%, 110%, 105%, 100%, 95% 이하 및 훨씬 더 바람직하게는 90% 이하의 이 토치가 정상 조건에서 체적 단위로 표시되는 엔탈피 함량이 적어도 3.5 kWh/Nm3인 제1 고온 가스를 전달할 때 최고 전력 등급을 갖는 적어도 하나의 플라즈마 토치의 단일 요소에 의해 생성될 수 있는 플라즈마 품질의 고온 가스의 양인 추가 가스의 양이 주입된다.
본 발명에 따른 방법의 양태에서, 적어도 하나의 제2 인젝터를 통해 주입된 추가 가스는 수소, 질소, 공기, 이산화탄소, 아르곤, 네온, 헬륨, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 및 이들의 조합, 바람직하게는 질소 또는 공기, 보다 바람직하게는 공기, 훨씬 더 바람직하게는 압축 공기로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 가스를 포함한다. 본 출원인은, 질소 및 공기, 바람직하게는 압축 공기가 로에 주입되는 추가 가스의 기초로서 매우 편리한 가스임을 발견했다.
본 발명에 따른 방법의 양태에서, 적어도 하나의 제2 인젝터를 통해 주입된 추가 가스는 엔탈피 함량, 바람직하게는 적어도 하나의 열교환기를 사용하여 수행되는 추가 가스의 열처리를 변형하기 위해, 적어도 하나의 제2 인젝터의 업스트림에서 열처리된다. 가스가 로 내부의 액체 욕의 온도보다 낮은 온도에서 로에 공급되는 경우, 본 출원인은 이것이 적어도 하나의 제2 인젝터에 의해 주입되기 전에 가스를 가열하는 것을 선호한다. 이는 추가 가스의 주입이 로에 미칠 수 있는 냉각 효과를 감소시키고, 로에 대한 열 균형을 더 쉽게 유지하도록 해준다. 바람직하게는, 이러한 가열은 로에서의 배기 가스를 처리하는 시스템에서 이용 가능한 열을 적어도 부분적으로 사용한다.
본 발명에 따른 방법의 한 양태에서, 적어도 하나의 제2 인젝터로 들어가는 추가 가스의 온도는 로 내의 욕 온도와 최대 동일하고, 바람직하게는 로 내의 욕의 온도보다 적어도 섭씨 20도 낮고, 더욱 바람직하게는 적어도 50도, 훨씬 더 바람직하게는 적어도 100도, 더욱 더 바람직하게는 적어도 섭씨 200도 낮다. 이는 주입 지점 또는 송풍구의 마모 및 파열이 적다는 이점을 제공한다. 선택적으로, 적어도 하나의 제2 인젝터에 들어가는 추가 가스의 온도는 로 내의 욕의 온도보다 섭씨 최대 400도 낮고, 바람직하게는 최대 350도, 더 바람직하게는 최대 300도, 훨씬 더 바람직하게는 최대 250도, 바람직하게는 최대 200, 보다 바람직하게는 최대 150, 훨씬 더 바람직하게는 최대 100, 바람직하게는 최대 75, 보다 바람직하게는 최대 50, 훨씬 더 바람직하게는 로 내의 욕의 온도보다 최대 섭씨 25도 낮다. 이는 주입 지점 또는 송풍구를 통과하여 로에 들어가는 추가 가스의 냉각 효과로 인해 발생할 수 있는 주입 지점 또는 송풍구 입구에 고형 슬래그가 축적될 위험이 낮다는 이점을 가져온다.
본 발명에 따른 방법의 양태에서, 적어도 하나의 제2 인젝터를 통해 주입되는 추가 가스는 적어도 하나의 제1 환원제, 바람직하게는 산소 및 희가스 이외의 원소를 함유하고, 로 내부의 조건에서 산소와 반응할 수 있는 임의의 물질로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 환원제, 바람직하게는 산화되기 쉬운 화학적으로 결합된 형태의 탄소 및/또는 수소를 포함하는 모든 물질, 더욱 바람직하게는 천연 가스, 기체 및/또는 액체 탄화수소, 연료유, 고무, 플라스틱, 바람직하게는 적어도 하나의 폴리올레핀으로 만들어진 플라스틱, 보다 바람직하게는 폐 고무 및/또는 플라스틱, 목탄 또는 코크스, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 환원제, 더욱 더 바람직하게는 코크스, 훨씬 더 바람직하게는 페트코크를 포함하며, 후자는 원유 처리로부터 탄소가 많이 풍부한 부산물이다. 요약 섹션에서 앞서 설명한 바와 같이, 적어도 하나의 제2 인젝터를 통해 로에 추가 가스를 주입하는 것은 로에 환원제를 추가하기 위한 추가 진입점을 나타낸다. 또한, 적어도 하나의 제2 인젝터가 잠겨 있기 때문에, 적절한 환원제의 선택이 매우 광범위하다.
제1 환원제를 사용하는 본 발명에 따른 방법의 양태에서, 제1 환원제는 바람직하게는 미립자 형태, 보다 바람직하게는 최대 6 mm의 평균 입자 직경을 갖는 미립자, 훨씬 더 바람직하게는 최대 5, 4, 3, 2 또는 1 mm, 바람직하게는 최대 500 ㎛, 더욱 바람직하게는 최대 250, 200, 150, 100 또는 심지어 50 ㎛인 고체이다. 본 출원인은, 적합한 고체 환원제가 매우 다양하고 품질이 다양하며, 다양한 공급원으로부터 입수가능함을 발견하였다. 또한, 이러한 적합한 고체 환원제 중 몇몇은 상당한 경제적 가치를 요구할 수 있는 대안적 성질이 거의 또는 전혀 없다. 따라서, 이들 고체 환원제는 본 발명에 따라 사용하기에 매우 흥미로운 공급원을 나타낸다. 본 명세서의 다른 곳에서 설명된 바와 같이, 더 작은 입자 크기는 더 높은 표면 대 중량비를 제공할 뿐만 아니라, 더 적은 부력을 제공하는 이점을 가져오고, 따라서 환원제의 더 효율적이고 더 효과적인 사용을 제공한다.
본 발명에 따른 방법의 양태에서, 적어도 하나의 제2 인젝터를 통해 주입된 추가 가스는 산소 및 로의 작동 조건 하에서 연소에 의해 용광로에 추가 가스가 용광로의 용융된 장입물의 온도보다 낮은 온도의 주입 지점에 있는 경우 추가 가스가 용광로에 가져올 수 있는 냉각 효과의 적어도 50%를 보상하는데 적합한 양의 연료를 더 포함한다. 본 출원인은, 설명된 냉각 효과의 적어도 75%, 바람직하게는 적어도 100%를 보상하는 양의 연료를 추가하는 것을 선호한다. 본 출원인은, 바람직하게는 추가 가스가 또한 산소, 더욱 바람직하게는 추가 가스 내의 목적하는 람다에 도달하기 위해 적어도 충분한 산소를 추가로 포함할 때, 추가 가스의 일부로서 기체 또는 액체 연료를 주입함으로써 로에의 추가 열 입력이 제공될 수 있음을 발견하였다. 일반적으로, 로 내부의 액체 욕 온도는 점화원이 없어도 연료와 추가 가스 내의 산소가 반응하기 시작하는 온도보다 높다. 추가 가스에 충분한 산소가 존재하기 때문에, 추가 가스가 용해로 장입물과 접촉하면 추가된 연료가 쉽게 연소된다. 본 출원인은, 연소 반응이 제2 인젝터 및/또는 적어도 하나의 제2 인젝터로 이어지는 도관에서 추가 가스의 흐름 방향에 대해 업스트림로 이동하지 않도록, 가스 흐름이 충분히 높게 쉽게 설정될 수 있음을 발견했다. 따라서, 이러한 "역화(backfire)" 현상의 위험은 매우 낮다. 본 출원인은, 추가 가스가 제2 인젝터 또는 그 업스트림의 다른 위치, 즉 추가 가스의 화염 전파 속도보다 더 높은 속도에 도달하는 경우, 인젝터 내부 또는 업스트림의 가열로 인한 장비 손상 위험이 쉽게 제거될 수 있음을 발견했다. 본 출원인은, 이 조건이 아주 쉽게 충족될 수 있음을 발견했다.
본 발명에 따른 방법의 양태에서, 적어도 하나의 제2 인젝터를 통해 주입된 추가 가스는 1.0 미만, 바람직하게는 최대 0.9, 보다 바람직하게는 최대 0.8, 더욱 더 바람직하게는 최대 0.7, 더욱 더 바람직하게는 최대 0.6의 기체 및 액체 가연성 물질만을 고려한 제1 람다를 갖는다. 람다("λ")는 버너 및 가연성 연료, 특히 내연 기관 엔진과 관련하여 일반적으로 사용되는 매우 편리한 파라미터를 의미하며, 이 파라미터는 분자는 실제 공기 대 연료 비율을, 분모는 화학량론에서 동일한 연료의 공기 대 연료 비율을 갖는 비율을 나타낸다. 공기/연료 혼합물이 화학량론에 있으면, 람다는 1.0이다. 본 출원인은, 이 제1 람다 파라미터를 산소가 존재하는 모든 기체 혼합물과 가연성 물질과 같이 산소와 쉽게 반응할 수 있는 다른 물질(다른 물질이 기체 또는 액체 또는 이들의 조합인 경우)에 적용한다. 본 출원인은, 공정에서 고체 환원제가 사용되지 않는 경우, 적어도 하나의 제2 인젝터를 통해 주입되는 추가 가스의 제1 람다를 제어하는 것이 로 내부의 분위기를 제어하는데 매우 편리한 수단이어서, 이에 의해 대기가 중성인지, 산화 또는 환원 여부와 산화 또는 환원 정도를 설정하는 것을 발견했다. 본 출원인은, 본 발명에 따른 장치에서 환원제에 대한 추가 첨가점이 매우 다용도이며 주입될 추가 가스에서 하기에 추가로 설명되는 바와 같이 제1 람다 및/또는 제2 람다의 제어가 로 내부의 산화환원 조건을 제어하고 로 내부에서 발생하는 화학 반응을 조정하는 매우 편리한 방법을 제공하는 것을 발견했다. 본 출원인은, 추가 가스 주입과 플라즈마 발생기(들)로부터의 제1 고온 가스 주입의 조합이 광범위한 산화환원 조건을 허용하고, 이에 의해 산화환원 조건이 천연 가스 버너를 사용하는 것과 같은 기존의 가열 수단과 달리 로에의 열 입력과 사실상 독립적으로 설정될 수 있음을 발견했다.
본 출원인은, 또한 본 명세서에서 앞서 설명한 대부분의 환원제와 같은 고체 가연물을 포함하여 공정에 사용되며 추가 가스에 추가되는 모든 가연물을 고려하는 제2 람다를 고려한다. 본 발명에 따른 방법의 양태에서, 적어도 하나의 제2 인젝터를 통해 주입되는 추가 가스는 0.6 미만, 바람직하게는 최대 0.5, 보다 바람직하게는 최대 0.4, 훨씬 더 바람직하게는 최대 0.3, 훨씬 더 바람직하게는 최대 0.2의 제2 람다를 갖는다. 본 출원인은, 이러한 낮은 제2 람다 값이 아연과 같은 야금 슬래그로부터 금속 발연에 매우 유리하다는 것을 발견했다.
본 발명에 따른 방법의 양태에서, 적어도 하나의 제2 인젝터를 통해 주입된 추가 가스는 가연성이며, 추가 가스는 적어도 하나의 제2 인젝터에서 추가 가스의 화염 전파 속도보다 높은 속도에 도달한다. 본 출원인은, 바람직하게는 추가 가스가 또한 산소를 추가로 포함하는 경우, 추가 가스의 일부로서 기체 또는 액체 연료를 주입함으로써 로에의 추가 열 입력이 제공될 수 있음을 발견했다. 일반적으로, 로 내부의 액체 욕 온도는 점화원이 없어도 연료와 추가 가스 내의 산소가 반응하기 시작하는 온도보다 높다. 본 출원인은, 이러한 반응이 적어도 하나의 제2 인젝터로 이어지는 도관 및 제2 인젝터 자체에서 추가 가스의 흐름 방향에 대해 업스트림로 이동할 수 있음을 발견했다. 이러한 "역화(backfire)" 현상은 인젝터의 도관에서 열을 방출하여 인젝터 업스트림 및/또는 내부의 추가 가스의 온도를 증가시킬 수 있다. 본 출원인은, 추가 가스가 인젝터 또는 그 업스트림의 다른 위치에서 추가 가스의 화염 전파 속도보다 높은 속도에 도달하는 경우 인젝터 내부 또는 업스트림의 이러한 가열로 인한 장비 손상 위험이 쉽게 감소되거나 심지어 제거될 수 있음을 발견했다.
본 발명에 따른 방법의 양태에서, 적어도 하나의 증발성 금속 또는 금속 화합물은 원소 형태의 금속 또는 증발성 금속 함유 화합물이고, 바람직하게는 금속은 아연, 납, 주석, 비스무트, 카드뮴, 인듐, 게르마늄 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되고, 이에 의해 증발성 화합물은 예를 들어 산화물, 황화물, 염화물, 또는 이들의 조합일 수 있다. 본 출원인은, 본 발명에 따른 방법이 규정된 목록에서 선택된 금속 또는 금속 함유 화합물을 증발에 의해 제거하는데 매우 적합하다는 것을 발견했다. 본 출원인은, 이 공정이 야금 충전물로부터 특정된 금속 중 하나를 회수하기 위한 매우 경쟁력 있는 대안을 제공한다는 것을 발견했다.
본 발명에 따른 방법의 양태에서, 증발성 금속 또는 금속 화합물 중 금속보다 덜 귀한 금속, 바람직하게는 철 및/또는 알루미늄, 바람직하게는 미립자의 형태로 첨가되는 덜 귀금속, 더욱 바람직하게는 최대 5, 4, 3, 2 또는 1 mm, 바람직하게는 최대 500 ㎛, 더욱 바람직하게는 최대 250, 200, 150, 100 또는 심지어 50 ㎛의 평균 입자 직경을 갖는 미립자가 로에 첨가되며, 이에 의해 슬래그 내의 덜 귀한 금속의 농도는 바람직하게는 공정 조건에서 슬래그에서의 용해도 한계 미만으로 유지된다. 본 출원인은, 이것이 액체 욕의 일부로서 로 내부에 존재할 수 있는 슬래그 상의 유동성 개선의 이점을 가져온다는 것을 발견했다. 그러나, 본 출원인은, 용해도를 초과하면 특정 화합물의 로에서 별도의 상이 형성될 수 있기 때문에, 이러한 화합물의 농도를 액체 욕 내의 화합물의 용해도 한계 미만으로 유지하는 것이 바람직하다는 것을 발견했다. 이러한 별도의 상은 주입된 추가 가스 및/또는 플라즈마 토치에 의해 생성된 제1 고온 가스 및/또는 산소 가스 버너에 의해 생성된 추가 제1 고온 가스(존재하는 경우)와 액체 욕의 다른 액체 사이의 접촉을 손상시킬 위험이 있으므로, 로에서 목적하는 화학 반응을 손상시킬 수 있으며, 특히 증발성 금속 또는 금속 화합물의 증발을 손상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 양태에서, 제2 환원제가 적어도 하나의 제1 인젝터의 업스트림에서 플라즈마 품질의 제1 고온 가스에 첨가된다. 이것은 추가 가스와 함께 도입될 수 있는 양보다 더 많은 환원제가 로에 도입된다는 이점을 가져온다. 적어도 하나의 제1 인젝터를 통해 도입될 수 있는 추가 환원제의 양은 로에 투입되는 엔탈피와 무관하다. 따라서, 이러한 환원제 도입 방법은 로 내부 분위기의 산화 환원 특성을 제어하는데 매우 편리한다. 추가 이점은, 제1 인젝터를 통해 도입된 환원제가 로에의 최고 온도의 엔탈피 투입과 함께 도입된다는 것이다. 더 높은 온도에서, 목적하는 아연 발연 반응(I)의 평형 상수는 증발성 금속 또는 금속 화합물인 아연 금속의 형성에 유리하다. 따라서, 플라즈마 토치에서 제1 고온 가스와 함께 도입된 환원제의 효율성이 더 높으며, 이 주입도 침지형 인젝터를 통해 이루어지기 때문에, 제1 고온 가스와 액체 욕에서의 액체가 매우 밀접하게 접촉하기 때문에 매우 효율적인데, 이는 욕의 액체와 접촉하지 않고 액체 욕 표면에 도달할 수 있는 이 환원제가 거의 없음을 의미한다.
제2 환원제를 사용하는 본 발명에 따른 방법의 양태에서, 제2 환원제는 기체, 액체 및 고체, 및 이들의 조합으로부터 선택되고, 바람직하게는 제2 환원제는 천연 가스, 기체 및/또는 액체 탄화수소, 연료유, 목탄 또는 코크스, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고, 훨씬 더 바람직하게는 코크스, 더욱 더 바람직하게는 페트코크, 바람직하게는 고체 미립자 형태, 더 바람직하게는 최대 6 mm, 훨씬 더 바람직하게는 최대 5, 4, 3, 2 또는 1 mm, 더욱 더 바람직하게는 최대 500 ㎛, 바람직하게는 최대 250, 200, 150, 100 또는 심지어 50 ㎛의 평균 입자 직경을 갖는 미립자이다. 본 출원인은, 제1 인젝터를 통한 플라즈마의 도입이 추가 환원제 도입을 위한 매우 다양한 옵션을 제공한다는 것을 발견했는데, 이는 환원제의 선택, 특히 물질의 상태와 관련하여 또한 도입될 수 있는 양과 관련하여 매우 관대하기 때문인 것을 발견했다.
본 발명에 따른 방법의 양태에서, 슬래그 내의 산소 전위를 10 내지 10-9 Pa (즉, 10-4 내지 10-14 atm) 범위 내로 조정하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 슬래그 내의 산소 전위는 제1 및/또는 제2 환원제의 첨가에 의해 조정된다. 플라즈마 토치의 사용 덕분에, 거의 모든 산소 전위가 열 발생량과 결합될 수 있다. 하나 이상의 증발성 금속 또는 금속 화합물의 회수와 함께, 로에 도입된 재료로부터 다른 금속도 추출될 수 있다. 일 양태에서, 슬래그 내의 산소 전위는 슬래그 내의 금속 화합물을 용융 금속 상으로 선택적으로 환원시키기에 적합하게 만들어질 수 있다. 슬래그로부터 환원될 수 있는 전형적인 금속의 예는 Cu, Ni, Sn, Pb, Ag, Au, Pt 및 Pd이다. 그 후, 용융 금속 상은 로의 바닥에서 수집될 수 있다. 그 후, 용융 금속 상은 배출구 포트를 통해 연속적으로 또는 간헐적으로 제거될 수 있다. 이를 위해 로의 바닥에 내화 라이닝이 제공될 수 있다. 로 내로 도입된 재료 및 이에 따라 슬래그가 황 또는 황 화합물을 포함하는 다른 양태에서, 또한 무광상이 수득될 수 있다. 슬래그의 산소 전위는 황이 산화되는 것을 방지하기에 적합하게 만들어질 수 있다. 그 후, 금속은 용융 무광상으로 회수될 수 있다. 무광상의 슬래그로부터 회수할 수 있는 금속의 예는 Fe, Cu, Ni, Sn, Pb, Ag, Au, Pt 및 Pd이다. 또한, 용융된 무광상은 로 바닥에서 수집될 수 있다. 용융된 무광상은 배출구를 통해 연속적으로 또는 간헐적으로 제거될 수 있다. 또 다른 양태에서, 산소 전위 및 황 함량의 적절한 조정에 의해 금속상 및 무광상 둘 모두가 얻어질 수 있다. 비제한적 예로서, Au, Pt 및 Pd는 금속 상으로 환원될 수 있는 반면, Cu 및 Ni는 무광상을 형성하도록 만들어질 수 있다. 무광상은 일반적으로 금속 상보다 밀도가 낮고 두 상이 서로 다소 용해되지 않은 상태로 남아 있기 때문에, 일반적으로 금속 상 위에 나타난다. 무광상과 금속 상은 별도의 배출구 또는 공통 배출구를 통해 로에서 추출될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 양태에서, 후연소는 단일-챔버 로 내부에서 수행된다. 이것은 훨씬 더 컴팩트한 장비 설계를 나타내는 이점을 가져오므로, 투자 비용을 절감한다.
본 발명에 따른 방법의 양태에서, 후연소는 바람직하게는 공기, 산소 농축 공기 및 정제된 산소 기체로부터 선택되는 산소 함유 기체를 후연소 영역으로 도입하는 것을 포함한다. 본 출원인은, 이 옵션이 후연소 영역의 기능을 수행하기 위한 비교적 간단하고 낮은 투자 비용 옵션을 나타낸다는 것을 발견했다. 본 출원인은 앞서 설명한 바와 같이 단순히 공기를 사용하는 것을 선호한다.
본 발명에 따른 방법의 양태에서, 적어도 하나의 증발성 금속 또는 금속 화합물의 산화된 형태는 분진으로서 기체로부터 회수된다. 본 출원인은, 이 옵션이 예를 들어 US 4,588,436에 설명된 바와 같이 금속이 응축되어 액체 금속 상을 형성하는 대안에 비해 훨씬 더 안전한데, 이는 로에서 나오는 배기 가스의 자연 발화 및/또는 폭발 위험은 실질적으로 후연소 영역의 배출구에서 끝나기 때문인 것을 발견했다. 본 출원인은, 또한 이 옵션이, 예를 들면 US 4,588,436에 설명된 대안에 비해 투자 비용이 비교적 낮다는 것을 발견했다.
본 발명에 따른 방법의 양태에서, 기체로부터 적어도 1종의 증발성 금속 또는 금속 화합물의 산화된 형태의 회수는 적어도 1종의 증발성 금속 또는 금속의 산화된 형태를 함유하는 기체를 필터, 바람직하게는 필터 천을 사용하여 여과하는 것을 포함한다. 앞서 설명한 바와 같이, 본 출원인은, 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)의 천으로 만든 필터 슬리브를 사용하는 것을 선호한다. 이러한 가스 필터에서, 가스 속도는 국부적으로 매우 낮을 수 있다. 그러나, 산소는 존재할 것으로 예상된다. 따라서, 금속 또는 금속 화합물의 환원된 형태의 사실상 전체가 그의 산화된 형태로 산화되어, 자발적 발화 및/또는 폭발의 위험이 허용 가능하게 낮도록 하는 것이 본 발명에 따른 방법에서 중요하다.
본 발명에 따른 방법의 양태에서, 상기 방법은 기체로부터 적어도 하나의 증발성 금속 또는 금속 화합물의 산화된 형태를 회수하는 것의 업스트림에 냉각 단계를 추가로 포함한다. 앞서 설명한 바와 같이, 다양한 적절한 냉각 방법이 적용될 수 있다.
일반적으로 가스 처리 순서의 마지막 단계는 송풍기 또는 환기 장치이고, 이는 회수 영역의 가스를 배출 스택으로 밀어넣고 후연소 영역, 선택적 냉각 영역 및 회수 영역의 순서를 통해 가스를 흡입함으로써 업스트림의 통풍을 향상시킨다.
본 발명에 따른 방법의 양태에서, 상기 방법은 용융 금속 상의 형성을 포함하고, 상기 방법은 로에서 용융 금속 상을 제거하는 단계를 추가로 포함한다. 본 출원인은, 본 발명에 따른 방법이 덜 휘발성인 금속을 원소 형태로 환원시킴으로써 야기되는 별도의 용융 액체 상의 형성을 가능하게 할 수 있음을 발견했다. 이것은 순수한 금속 상 또는 용융 합금일 수 있다. 이러한 상황에서, 별도의 부산물로서 로에서 별도의 용융 금속 상을 제거하는 것이 매우 편리하다. 합금의 경우, 합금의 적어도 하나의 금속이 합금에서 다른 금속의 일부와 별도로 회수되도록 합금을 추가로 가공하는 것을 선호할 수 있다. 이러한 추가 처리는 건식 야금 단계 및/또는 전해 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 양태에서, 금속 장입물이 슬래그를 포함하고, 슬래그는 황 및/또는 황 화합물을 포함하고, 상기 방법은 용융 무광상을 형성하는 단계 및 로에서 용융된 무광상을 제거하는 추가 단계를 더 포함한다. 이는 선택적으로 공정으로부터 액체 용융 금속 또는 합금의 회수에 추가되는 옵션이다.
본 발명에 따른 방법의 양태에서, 야금 충전물은 액체로서 로에 도입된다. 이것은 장치 및/또는 용광로에서 작동되는 공정의 일부로서 야금 충전물을 용융 및/또는 제련할 필요가 없다는 이점을 가져오며, 이는 용광로의 열 균형 및 따라서 공정 및 이의 장치, 즉 용광로 자체의 생산성에 유리하다.
본 발명에 따른 방법의 양태에서, 야금 충전물은 야금 슬래그이고, 바람직하게는 야금 슬래그는 구리 제련 슬래그(copper smelting slag), 구리 정련 슬래그(copper refining slag), 및 이들의 조합으로부터 선택되고, 상기 방법은 제2 슬래그를 생성한다. 본 출원인은, 본 발명에 따른 방법(및 장치)이 명시된 대로 공급원료를 처리하는데 매우 적합하다는 것을 발견했다.
본 발명에 따른 방법의 양태에서, 용융 슬래그는 슬래그의 액상선 온도보다 섭씨 50도 미만의 평균 온도를 갖는다. 이것은, 로의 벽의 내부 표면에 대해 형성되고 내화 라이닝을 보호하는 고체 슬래그의 동결 라이닝이 적절한 보호 및 단열을 제공하기에 충분한 두께로 쉽게 유지되는 이점을 제공한다. 이러한 동결 라이닝은 가열로의 고온 액체 슬래그와 가열로 벽 사이의 단열 역할을 하기 때문에, 가열로의 열 균형 측면에서 매우 유익하며, 기계적 무결성을 보호하기 위해 냉각되는 것이 바람직하다. 따라서, 동결 라이닝은 용광로에서 냉각된 벽으로의 열 손실을 줄인다.
본 발명에 따른 방법의 양태에서, CaO, Al2O3, 및 이들의 조합으로부터 선택된 산화물이 바람직하게는 적어도 1000 ℃, 바람직하게는 적어도 1050 ℃, 보다 바람직하게는 약 1150 ℃의 온도에서 퓨머 로의 슬래그에 첨가된다. 이 특징은, 발연 단계 후 제2 슬래그의 최종 조성이 더욱 최적화되고 안정화될 수 있다는 추가 이점을 제공하고, 광물학에도 영향을 미칠 수 있어 슬래그를 특정 최종 용도에 더 적합하게 만든다. 본 출원인은, 명시된 바와 같은 고온 및 용융 상태에서의 첨가가 목적하는 효과를 얻는데 더 효과적이라는 것을 발견했다.
본 발명에 따른 방법의 양태에서, 로 내 슬래그의 온도는 적어도 이전 단락에 명시된 바와 같은 온도, 보다 바람직하게는 보다 더 높은 온도, 예컨대 적어도 1200 또는 1250 또는 1300 ℃이고, 더 바람직하게는 약 1350 ℃이다. 이는 증발성 금속 또는 금속 화합물과 액체 슬래그의 전구체 사이에 보다 유리한 평형 상수의 이점을 제공한다. 더 높은 온도의 또 다른 이점은, 이것이 오버플로에 의해 수행되는지 또는 로의 벽 내에 적절하게 위치한 하단 탭 구멍에서 하단 탭핑에 의해 수행되는지에 관계없이, 로에서 흄드 슬래그(fumed slag)의 제거, 소위 "탭핑(tapping)"을 용이하게 한다는 것이다.
본 발명에 따른 방법의 양태에서, 방법은 제2 슬래그를 냉각시켜 고체가 되는 단계, 바람직하게는 제2 슬래그를 먼저 액체로서 로에서 제거하는 단계를 추가로 포함한다. 이점은, 퓨머로가 제2 슬래그가 냉각되는 동안 추가 슬래그 처리를 위해 방출될 수 있다는 것이다. 슬래그는 슬래그를 공기 및/또는 물, 가능하게는 환경 공기와 같은 냉각 매체와 접촉시킴으로써 냉각 및/또는 고화될 수 있다.
제2 슬래그가 냉각되는 본 발명에 따른 방법의 양태에서, 냉각은 액체 제2 슬래그를 물과 접촉시킴으로써 수행된다. 본 출원인은, 물로 냉각하는 것이 매우 효과적이며 다양한 방식으로 적용되어 비교적 잘 제어된 냉각 속도를 얻을 수 있음을 발견했다.
제2 슬래그가 냉각되는 본 발명에 따른 방법의 양태에서, 제2 슬래그는 초당 적어도 30 ℃, 바람직하게는 초당 적어도 40 ℃, 더욱 바람직하게는 초당 적어도 50 ℃ 또는 60 ℃의 속도로 냉각된다. 본 출원인은, 명시된 바와 같이, 더 높은 냉각 속도에서, 더 높은 비결정질 함량의 슬래그가 얻어질 수 있으며, 이는 슬래그가 건설 산업에서 바인더로 사용되는 경우와 같이, 특정 최종 용도에 관심이 있는 것을 발견했다.
제2 슬래그가 냉각되는 본 발명에 따른 방법의 양태에서, 방법은 고체 제2 슬래그를 분쇄하는 단계, 바람직하게는 제2 슬래그를 분말로 분쇄하는 단계를 추가로 포함한다.
제2 슬래그가 냉각되는 본 발명에 따른 방법의 양태에서, 제2 슬래그는 초당 40 ℃ 미만, 바람직하게는 초당 최대 30 ℃, 보다 바람직하게는 초당 최대 20 ℃의 속도로 냉각된다. 본 출원인은, 명시된 바와 같이, 냉각 속도가 낮을수록, 슬래그의 비결정질 함량이 낮아질 수 있으므로, 결정도가 높아져, 슬래그가 골재 또는 장식 목적으로 사용되는 경우와 같이 특정 최종 용도에 관심이 있는 것을 발견했다.
제2 슬래그가 상기 방법에 의해 형성되는 본 발명에 따른 방법의 양태에서, 상기 방법은 건설 산업을 위한 개체의 생산 동안 바인더 또는 골재로서 제2 슬래그를 첨가하는 단계를 추가로 포함한다. 본 출원인은, 제2 슬래그가 골재용 바인더, 바람직하게는 활성 바인더, 바람직하게는 포졸란 활성을 갖는 바인더로서 사용될 수 있음을 발견했다. 본 출원인은, 슬래그가 포틀랜드 시멘트와 같은 시멘트를 부분적으로 대체할 때와 같이 시멘트 대체에서 바인더로 작용할 수 있을 뿐만 아니라, 지오폴리머 조성물을 생산하기 위한 바인더로도 작용할 수 있음을 발견했다.
슬래그가 건설 산업을 위한 개체의 생산 동안 바인더로서 사용되는 본 발명에 따른 방법의 양태에서, 개체는 골재를 추가로 포함하고, 여기서 골재는 바람직하게는 모래 및/또는 제2 슬래그를 포함한다.
슬래그가 건설 산업을 위한 개체의 생산 동안 바인더로서 사용되고 개체가 골재를 추가로 포함하는 본 발명에 따른 방법의 양태에서, 상기 방법은 개체의 생산 동안 활성제를 첨가하는 단계를 추가로 포함한다. 본 출원인은, 제2 슬래그가 활성 바인더로서 작용할 수 있으며, 적절한 활성제와 반응할 수 있어 골재에 대한 강력한 결합 특성을 나타낼 수 있음을 발견했다. 따라서, 제2 슬래그는 포틀랜드 시멘트를 대체하거나, 코팅, 접착제, 복합재 등에 내화 및 내열성 특성을 부여하는 "지오폴리머(geopolymer)"로 간주되는 경우, 개체의 유일한 바인더로 사용될 수 있다.
활성제를 사용하는 본 발명에 따른 방법의 양태에서, 활성제는 수산화나트륨, NaOH, 수산화칼륨, KOH, 규산나트륨, Na2SiO3, 규산칼륨, K2SiO3, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되고, 바람직하게는 활성제는 NaOH이다.
건설 산업을 위한 개체가 형성되는 본 발명에 따른 방법의 일 양태에서, 건설 산업을 위한 개체는 건축물 요소(construction element)이다.
건축물 요소가 형성되는 본 발명에 따른 방법의 양태에서, 건축물 요소는 타일, 포장 재료, 블록, 콘크리트 블록, 및 이들의 조합으로 이루어진 목록으로부터 선택된다.
건설 산업을 위한 개체가 형성되는 본 발명에 따른 방법의 양태에서, 건설 산업을 위한 개체는 발포 구조를 갖는다.
본 발명에 따른 용도의 양태에서, 야금 충전물은 구리 제련 슬래그 및 구리 정련 슬래그, 및 이들의 조합으로부터 선택된다.
본 발명에 따른 용도의 양태에서, 증발성 금속 또는 금속 화합물은 아연, 납, 주석, 비스무트, 카드뮴, 인듐, 게르마늄, 및 이들의 조합으로부터 선택된다.
본 발명에 따른 방법의 양태에서, 방법의 적어도 일부는 바람직하게는 컴퓨터 프로그램에 의해 전자적으로 모니터링 및/또는 제어된다. 본 출원인은, 전자적으로, 바람직하게는 컴퓨터 프로그램에 의해 본 발명에 따른 방법의 단계를 제어하는 것이 훨씬 더 예측 가능하고 방법 목표에 더 가까운 결과와 함께 훨씬 더 나은 공정의 이점을 가져온다는 것을 발견했다. 예를 들면, 온도 측정을 기반으로, 필요에 따라, 압력 및/또는 수준 측정 및/또는 공정 흐름에서 채취한 샘플의 화학적 분석 결과 및/또는 온라인으로 얻은 분석 결과와 함께, 제어 프로그램은 전기 에너지의 공급 또는 제거, 열 또는 냉각 매체의 공급, 흐름 및/또는 압력 제어와 관련된 장비와 관련한 기기를 제어할 수 있다. 본 출원인은, 이러한 모니터링 또는 제어가 연속 모드로 작동되는 단계에서 특히 유리하지만, 배치 또는 반배치로 작동되는 단계에서도 유리할 수 있음을 발견했다. 또한 및 바람직하게는, 본 발명에 따른 방법의 단계를 수행하는 동안 또는 수행한 후에 얻은 모니터링 결과는 또한 본 발명에 따른 공정이 단지 일부인 전체 공정의 일부로서, 본 발명에 따른 공정의 업스트림 또는 다운스트림에 적용되는 방법 및/또는 본 발명에 따른 방법의 일부로서 다른 단계의 모니터링 및/또는 제어에 사용된다. 바람직하게는, 전체 공정은 전자적으로, 더 바람직하게는 적어도 하나의 컴퓨터 프로그램에 의해 모니터링된다. 바람직하게는, 전체 공정은 가능한 한 많이 전자적으로 제어된다.
본 출원인은, 컴퓨터 제어가 본 명세서에 설명된 방법을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다른 방법의 모니터링 및/또는 제어를 위해, 하나의 컴퓨터 또는 컴퓨터 프로그램에서 적어도 하나의 다른 컴퓨터 또는 컴퓨터 프로그램 또는 동일한 컴퓨터 프로그램의 모듈로 전달되는 데이터 및 지침을 제공하는 것을 선호한다.
실시예 1
이 실시예 1에서, 3개의 플라즈마 발생기가 구비된 로가 제공되었다.
"장치", "반응기(the reactor)" 또는 "발연기(the fumer)"라고도 하는 로는 약 7.34 m의 하단에서 상단 공급 포트의 총 높이를 가졌다. 로 상단은 상단 공급 포트와 배기 가스(off-gas) 배출 덕트로 구성된 돔(dome)으로 형성되었다. 높이가 1.09 m인 상부 돔 아래에서, 용광로는 5.50 m의 외부 직경을 갖는 약 3.00 m 높이의 수직 축을 중심으로 원통형인 상단 부분으로 구성되었다. 이 상단 부분 아래에서, 용광로는 약 3.19 m의 직경과 1.00 m의 높이를 갖는 하단 원통형 부분에서 끝나는 약 1.66의 높이 거리에 걸쳐 테이퍼링되었다. 하단 돔의 높이는 0.60 m였다. 하단 원통형 부분의 높이는 1.00 m이고, 테이퍼링된 부분의 높이는 1.66이다.
작동하는 동안, 로는 적어도 플라즈마 품질의 제1 고온 가스와 추가 고온 가스의 진입 지점의 가장 높은 개구부보다 높은 용융 액체 욕를 포함해야 한다. 본 출원인은 그 목적을 위해 적어도 테이퍼링된 부분의 바닥만큼 높은 용광로의 액체 레벨을 유지하는 것을 선호한다. 더욱 바람직하게는, 액체 수준은 테이퍼링된 부분의 높이 어딘가에서 다소 높게 유지된다. 필요한 경우, 수준은 테이퍼링된 부분 위로 올라가도록 허용될 수 있지만, 정적 헤드가 제1 고온 가스 및/또는 추가 가스를 도입하여 욕 교반을 겪을 정도로 부담이 되는 수준 미만에 있어야 한다.
용광로 쉘은 내화 라이닝으로 잘 보호된 부분을 제외하고 이중벽 수냉식 합금강 구조로 제공되었으며, 작동 중 이중벽 내부 공간에는 순환 펌프의 일부로 흐르는 냉각수가 제공된다. 이 냉각은 반응기 벽의 구조적 무결성, 특히 기계적 강도를 보호하기 위해 제공된다. 냉각은 또한 용광로 내부의 액체 슬래그의 일부가 액체 수준 미만에 있는 소위 "동결 라이닝(freeze lining)"에서 벽에 대해 응고되도록 하지만, 액체 수준 위의 대부분의 로의 벽에도 튀기 때문에 발생한다. 이러한 고체 동결 라이닝은 다양한 형태의 화학적 및 기계적 마모로부터 벽을 보호한다. 이는 또한 단열을 제공하여, 용광로 내용물에서 냉각수로 손실될 수 있는 열을 줄인다. 또한 일부 용융 금속 상이 공정 중에 형성될 수 있기 때문에, 하단 원통형 부분과 하단 돔에는 적절한 내화 재료, 이 경우 단열 벽돌, 내화 라이닝 및 내화 콘크리트 조합으로 라이닝되었다. 이 부분의 대부분은 수냉식 시스템의 일부가 아니다.
바닥 원통형 부분의 벽, 따라서 작동 중 액체 수준 미만에는 동일한 높이에서 주변을 따라 제공되고, 고온 가스를 용광로 벽에 수직인 방향으로 송풍구를 통해 용광로에 주입하기 위한 3개의 플라즈마 발생기(PG)가 대략 등거리로 제공되었다.
플라즈마 발생기는 적어도 부분적으로 플라즈마로 변형된 매우 고온 가스를 생성하는 장치이다. 일반적인 가스 온도는 3500-5000 ℃이다. 이 가스는 전기 에너지로 가열된다. 두 전극의 높은 전압 차이는 전극들 사이에 전기 아크를 생성한다. 작동 중인 이 반응기에서, 공기는 아크를 통해 불어넣어지고, 아크의 에너지에 의해 가열되었다. 전류가 증가함에 따라, 더 많은 공기가 가열될 수 있고, 더 많은 전력이 공기로 전달될 수 있다. PG 전력(W - Watt로 표시)은 전압(V - Volt) * 전류(A - Ampere)로 정의된다. 이러한 유형의 플라즈마 작동에서, PG 공칭 전력(nominal power)과 PG를 통해 날릴 수 있는 공기의 양 사이에는 관계가 있다.
실시예에서 반응기의 3개의 플라즈마 발생기는 3 MW의 공칭 전력을 가졌고, 로 작동 동안, 각각은 300-900 Nm3/h 범위 내의 압축 공기의 양이 공급되었다. 생성된 가스에 대한 기준 엔탈피 3.5 kWh/Nm3에서, 플라즈마 발생기는 각각 "1차 가스(primary gas)"로서 이러한 플라즈마 품질의 고온 가스를 857 Nm3 생성할 수 있었다.
PG는 반응기 벽에 직접 구비되지 않았다. 이들은 송풍구를 통해 용광로에 처음으로 고온(플라즈마 생성 및 플라즈마 품질) 가스를 불어넣었다. 송풍구는 반응기에 개구부를 형성하는 노즐이며, 이를 통해 고온 가스가 반응기로 공급될 수 있다. 이 송풍구는 필요한 경우 천연 가스 및/또는 추가 공기의 2차 부피를 PG의 고온 가스에 혼합하는데 추가로 사용될 수 있다. 바람직하게는, 본 출원인은 용광로에 고온 액체 욕이 있을 때, 항상 송풍구를 통해 상당한 양의 2차 가스를 유지한다. 목적은, PG를 차단 및/또는 제거해야 하는 경우에도, 고온 액체가 송풍구로 들어가는 것을 방지하고 일부 액체가 냉각되고 응고되는 송풍구로 업스트림에서 흘러 들어갈 위험을 피하기 위해 송풍구를 통해 흐르는 충분한 가스가 남아 있도록 하는 것이고, 이는 송풍구가 의도한 용도에 다시 완전히 적합하기 전에 제거하는데 상당한 부담이 된다.
작동 중에, 90-200　Nm3/h의 천연 가스가 해당 송풍구의 구멍을 통해 각 PG의 제1 고온 가스에 추가되었다. 또한, 100-250　Nm3/h의 범위의 속도로, 추가 공기가 일반적으로 이러한 각 송풍구를 통해 추가되었다. 따라서, 이러한 부피는 2차 가스 부피로 간주된다.
이 실시예에서 사용된 천연 가스는 메탄 84.206 부피%, 에탄 3.646 부피%, 프로판 0.572 부피% 및 질소 9.966 부피%로 구성되었다. 1 부피% 미만의 잔여량은 고급 알칸, 주로 부탄과 펜탄으로 구성되었다.
각각의 플라스마 발생기-송풍구 조합의 반대편에 추가 가스를 용광로에 주입하기 위한 추가 송풍구가 제공되어, 전체 용광로에 대해 3개도 제공되었다. 이 추가 송풍구 또는 인젝터는 본 발명에 따른 제2 침지형 인젝터를 나타낸다. 이들은 또한 로의 벽에 수직인 방향으로 추가 가스를 주입하도록 배열되었지만, 욕에 위쪽으로 비스듬히 주입하기 위해 선호하는 옵션으로 변경할 계획이다.
제2 침지형 인젝터는 플라즈마 발생기의 다운스트림에서 사용된 것과 동일한 유형의 송풍구를 사용하여 구성되었다. 이러한 송풍구, 및 따라서 PG의 다운스트림의 송풍구는 수냉식이며, 원통형 모양이고, 이중벽이며, 용광로 벽을 통해 작동 중 용광로에 있을 것으로 예상되는 액체 욕 수준 미만의 용광로 공간으로 돌출된다. 송풍구의 이중벽에 2차 가스를 주입하기 위해 송풍구가 제공된다. 송풍구의 내부 실린더는, 2차 가스가 1차 가스가 통과하는 송풍구의 중심 체적으로 들어갈 수 있도록 하는 복수의 구멍이 제공되고, PG의 업스트림의 경우 PG 자체에서 생성된 플라즈마 품질의 고온 가스가 된다. 구멍은 바람직하게는 송풍구를 통과하는 1차 가스와 2차 가스의 혼합을 촉진하기 위해 가스에 추가 속도를 제공하기 위한 관(spout)으로 제공된다. 제2 침지형 인젝터를 사용하여, PG는 송풍구를 통해 액체 욕 방향으로 돌출되고 바람직하게는 송풍구가 로로 연장되는 한 사실상 돌출하는 단순한 파이프로 대체되었다. 이 파이프를 통해 선택적으로 일정량의 천연 가스로 보완된 압축 공기와 같은 1차 가스를 밀어낼 수 있다. 미분탄과 같은 추가 환원제는 1차 가스 또는 그 성분 중 하나에 혼합될 수 있다.
3개의 추가 인젝터 각각에 작동 중 30-60　Nm3/h의 천연 가스와, 적절한 경우에 추가 환원제로서 약 150-200　kg/hr의 분탄(powder coal)이 혼합된 300-600　Nm3/h의 압축 공기의 1차 및 2차 가스 총량을 공급했다. 분탄은 평균 입경이 120 ㎛였다. 추가 송풍구의 업스트림에서의 가스 압력은 6 bar 게이지였다. 추가 송풍구의 가스 속도는 일반적으로 작동 중에 330 m/s 이상이었다.
분탄 주입을 위해, 이중 가압 용기 시스템을 사용하였다. 상단 용기는 압력 잠금 장치 역할을 했다: 일반적으로 배출 밸브를 통해 압력 용기 상단에 위치한 호퍼에서 채워질 때 대기압으로 유지되었다. 호퍼는 일반적으로 공급 벨트 또는 나사를 사용하는 기계적 운송 수단으로 채워졌지만, 선택적으로 큰 가방 하역(big bag unloading) 수단으로도 채워졌다. 충전 후, 이 용기는 주입 압력으로 가압되었다. 이어서, 주입 압력으로 유지되는 하부 용기는 내용물을 상부 용기로부터 하부 용기로 배출함으로써 채워질 수 있다. 바닥 용기에서, 분탄을 분사 공기로 공급하기 위해 중량 조절 공급 시스템이 제공되었다. 그 후, 공기 및 분탄은 압력에 의해 추가 주입기로 이동하고 액체 슬래그로 이동한다. 이중 용기 시스템의 이점은 반응기 내 환원제의 유입이 중단 없이 유지될 수 있다는 것이다.
송풍구, 플라즈마 발생기 및 인젝터는 모두 수냉식이었다.
용광로 상단에는, 용광로 배기 가스가 실린더 중앙을 통과하고 냉각수가 실린더 벽을 통해 밀어지는 이중 벽 금속 실린더로 제공된 복사 냉각기가 제공되었다.
용광로 상단과 복사 냉각수 사이에서, 환경 공기가 유입되어 용광로 배기 가스와 혼합된다. 기체에 존재하는 증발된 아연과 CO는 기체의 고온에서 공기 중의 산소와 접촉하여, 이러한 물질이 자발적으로 발화하여 후연소 영역을 형성한다. 용광로 내부의 상당한 통풍과 냉각수 덕분에, 배기 가스는 고속으로 흐른다. 공기가 배기 가스와 빠르고 집중적으로 혼합되도록 적절하게 설계된 개구부를 통해 환경 공기가 들어갈 수 있다. 결과적으로, 안정적인 화염면이 복사 냉각기 내부에 설정되고, 복사열의 일부가 후연소 영역에서 로의 액체 욕으로 다시 다운스트림에서 복사된다. 로 상부 및 복사 수냉각기에는 압력 하에 있는 공기가 로 배기 가스 내로 주입될 수 있는 복수의 주입 지점이 또한 제공된다. 이 기능은 개구부를 통해 환경 공기가 유입되도록 하는 것과 동시에 사용될 수 있다. 그러나, 바람직하게는, 환경 공기가 유입되도록 하기 위한 개구가 실질적으로 폐쇄되고, 실질적으로 모든 필요한 산소가 주입 지점을 통해 도입된다. 이 작동 모드는 산소 유입이 통풍이 허용되는 대안보다 더 안정적이고 더 잘 제어할 수 있기 때문에 선호된다.
후연소 영역 내부에서, 가스는 최대 1500 ℃의 온도에 도달한다.
후연소 영역을 떠나는 가스는 약 1200 ℃의 온도였다. 복사수 냉각기의 다운스트림에서, 약 6-7000리터/시간의 물이 가스 흐름에 주입되었다. 이 분무 냉각 단계는 가스 온도를 약 220 ℃까지 낮춘다.
분무 냉각 단계의 습한 가스는 다공성 PTFE 슬리브가 원통형 스터브 위에 제공되고 슬리브가 후연소 영역에서 형성된 증발성 금속 또는 금속 화합물의 산화된 형태로 대표되는 먼지를 보유하는 가스 필터로 보내졌다.
가스 필터의 다운스트림에서, 환기 장치는 용광로에서 흡입을 제공하고 여과된 가스를 배출 스택으로 불어넣는다.
발연 공정과 로는 배치 모드에서 작동되었다. 아래에 보고된 작동 배치는 잘 정의되고 구별 가능한 일련의 공정 단계로 구성된다. 다른 공정 단계 동안, 목적하는 효과에 따라, 다소간의 전력, 분탄, 공기 및 천연 가스가 반응기에 공급되었다. PG, 송풍구 및 추가 인젝터(또는 송풍구)의 작동은 공정 단계에 따라 다양했다. 이제, 다양한 단계에 대해 자세히 설명한다.
제1 공정 단계: 로의 액체 충전:
배치 시작 시, 업스트림 구리 제련소에서 나온 76900 kg의 액체 슬래그가 슬래그 포트를 서로 다른 용광로 사이로 옮기는 브리지 크레인의 칭량 장치로 측정한 순 중량이 각각 약 19톤인 4개의 슬래그 포트에 공급되었다.
업스트림 구리 제련소에서, 슬래그는 제련로에서 쏟아지기 전에 잘 혼합된다. 따라서, 슬래그 조성은 균질한 것으로 간주될 수 있다. 슬래그에서 대부분의 금속 조성은 유도 결합 플라즈마 원자 방출 분광법(ICP-AES), 유도 결합 광 방출 분광법(ICP-OES)이라고도 하며, 때로는 간단히 ICP라고도 하며 SiO2의 경우 X선 회절(XRF)에 의해 측정된다. 사용된 XRD 기술은 내부 표준물질로서 Al2O3을 사용하는 Topas Academic Software V5를 사용한 Quantitative X-ray Diffraction Analysis이다.
[표 I] 공급물 슬래그 조성
Figure pct00001
이 공정 단계에서, PG는 각각 1400 kW의 전력 수준과 1차 가스로 PG당 약 437 Nm3/h의 평균 공기 흐름으로 설정되었다. 또한, 다음과 같은 2차 가스를 사용했다. 송풍구를 통한 천연 가스 흐름은 125 Nm3/h로 제어되었다. 송풍구를 통한 공기 흐름은 100 Nm3/h 수준으로 제어되었다.
제2 침지형 인젝터로서 추가 인젝터를 통한 1차 및 2차 가스의 총 유량은 인젝터 당 380 Nm3/h의 공기로 설정되었으며, 천연 가스는 44 Nm3/h의 속도로 추가되었다. 이 공정 단계에서 분탄 주입은 아직 활성화되지 않았다.
제2 공정 단계: 발연 단계
액체 슬래그를 채운 후, 발연 단계를 시작했다. 이 단계에서, 에너지 및 환원제의 투입을 증가시켜, 증기로서 아연의 휘발을 촉진시킨다.
PG는 각각 2500 kW의 전력 수준과 PG당 714 Nm3/h의 평균 1차 공기 흐름으로 설정되었다. 또한, 다음과 같은 2차 가스를 사용했다. 천연 가스는 PG 다운스트림의 각 송풍구에 148 Nm3/h의 속도로 추가되었다. 송풍구를 통한 추가 공기 흐름은 100 Nm3/h로 설정되었다.
추가 인젝터를 통한 1차 및 2차 가스의 총 흐름은 인젝터 당 380 Nm3/h의 공기가 공급되었다. 천연 가스는 44 Nm3/h로 각 인젝터에 추가되었다. 각 인젝터에 대한 분탄 주입은 180 kg/h로 설정되었다.
에너지와 환원제의 투입으로 인해 액체 슬래그에서 휘발성 화합물의 발연이 발생했다. 가장 휘발성이 강한 원소는 Zn이었다. 이는 산화아연(ZnO)으로 슬래그 내에 존재했다. 반응기의 온도는 1180-1250 ℃ 범위로 유지되어, 슬래그가 유체로 남아 있도록 했다. 다양한 환원제, 즉 분탄과 다양한 천연 가스 투입 덕분에, ZnO는 금속성 아연(Zn)으로 환원된다. 대기압에서, Zn은 906 ℃ 이상의 온도에서 기화될 수 있다. 따라서, Zn은 슬래그 욕에서 증발하고, 로에서 로 배기 가스 처리 장비로 공정 가스의 일부로 수송되었다.
반응기의 배출 가스 배출 덕트에서, 다량의 공기가 공정 가스와 혼합되어, 공정 가스의 완전한 후연소를 유발했다. 남아 있는 CO, Zn, H2는 이 단계에서 완전히 산화된다. 증기 형태의 아연은 ZnO로 산화되어, 고체 입자를 형성한다. 따라서, 이 ZnO는 연소된 공정 배기 가스 스트림에서 먼지를 형성했다. 이 연소 후(post combustion 또는 after-burning) 단계는 냉각 단계가 뒤따른다. 냉각 단계의 출구에서, 공정 가스의 온도는 220 ℃ 미만이었다. 공정 가스는 이후 PTFE 천이 있는 백 필터(bag filter)에서 여과되었다. 여과 후, 공정 가스는 스택을 통해 대기로 배출되었다. ZnO 먼지 입자는 필터에서 회수되고, 냉각되어, 먼지 사일로(dust silo)에 저장된다. 사일로에서, Zn이 풍부한 먼지 제품은 판매를 위해 사일로 트럭으로 내릴 수 있다.
발연 중에 샘플을 채취하여, 빠르지만 약간 덜 정확한 XRF 방법으로 분석했다. 로의 슬래그에서 목적하는 Zn 수준에 도달하면, 발연이 중단되고, 트리밍 단계가 시작되었다.
제3 공정 단계: 트리밍(trimming)
이 단계의 목적은 용광로 장입물에 남아 있는 마지막 분탄을 산화시키고, 슬래그를 더 적합한 탭핑 온도로 가열하는 것이다. 목표 온도는 1220-1250 ℃였다.
PG는 각각 2500 kW의 전력 수준에서 계속 작동했으며, 평균 1차 공기 흐름은 PG당 714 Nm3/h였다. 또한, 다음과 같은 2차 가스를 사용했다. 송풍구를 통한 천연 가스 흐름은 102 Nm3/h로 설정되었다. 송풍구를 통한 공기 흐름은 100 Nm3/h로 설정되었다.
추가 인젝터를 통한 1차 및 2차 가스의 총 흐름으로서, 이러한 제2 침지형 인젝터에는 각각 380 Nm3/h의 공기와 44 Nm3/h의 천연 가스가 공급되었다. 분탄 주입은 이 트리밍 단계에서 중단되었다.
트리밍 단계가 완료된 후, 슬래그 샘플을 채취하지 않았다. 탭핑이 즉시 시작되었다.
제4 공정 단계: 슬래그 태핑 및 과립화
이 단계의 목적은 반응기에서 액체 슬래그를 추출하는 것이다. 반응기 측면에 위치한 탭 구멍을 뚫고, 액체 슬래그를 라운더(launder)에서 반응기 밖으로 흘려보냈다. 그 라운더로부터, 슬래그 생성물은 다량의 물이 떨어지는 슬래그 스트림에 분무되는 물 과립화 시스템에 의해 과립화되어, 액체 슬래그를 응고시키고 형성된 고체를 ±1 mm의 입자로 분해한다.
PG는 PG당 606 Nm3/h의 평균 1차 공기 흐름과 함께 각각 2000 kW의 전력 수준에서 이 태핑 및 과립화 단계 동안 계속 작동했다. 2차 가스로서, 송풍구로의 천연가스 유량 128 Nm3/h를 설치한 후, 송풍구로 직접 유입되는 기류를 100 Nm3/h로 설정하였다.
추가 인젝터는 또한 1차 및 2차 가스에 대해 인젝터당 380 Nm3/h의 속도로 공기와 총 44 Nm3/h의 천연 가스로 계속 작동했다. 분탄 주입이 중단되었다.
과립화 후, 최종 생성물의 샘플을 취하였다. 조성은 발연 단계 직후의 슬래그 조성에 가까운 것으로 간주된다.
각 공정 단계에서 PG에 대한 추가 작동 파라미터를 표 II에 나타냈으며, 여기서 "엔탈피"는 PG에 대한 입력 전력과 PG에 공급되는 공기 흐름으로부터 계산된다.
[표 II] PG 작동 파라미터
Figure pct00002
배치 중 슬래그 조성의 변화는 표 III에 나타냈고, 이는 각 단계 후에 채취한 슬래그 샘플의 분석 결과를 보여준다.
[표 III] 슬래그 조성의 진화
Figure pct00003
출력물 재료의 조성
이 배치는 약 10500 kg의 필터 먼지를 생성했으며, 대표적인 샘플에 대한 ICP 분석 결과는 표 IV와 같은 조성을 가지고 있다.
[표 IV] 필터 먼지 제품의 조성
Figure pct00004
제2 배치는 비교 목적으로 수행되었으며, 그 동안에는 추가 송풍구가 아직 설치되지 않았다. 발연 단계 동안 유사한 양의 환원제를 제공하기 위해, 공급 포트를 통해 6-10 mm 범위의 입자 크기를 갖는 거친 페트코크를 도입함으로써 동일한 양의 탄소를 도입하였다.
액체 슬래그 공급물의 양과 조성은 공급 시간, 트리밍 시간 및 태핑 시간과 마찬가지로 제1 배치와 매우 유사했다. 주로, 발연 시간이 달랐다.
과립화 후 생성물과 필터 먼지의 양 및 조성은 유사하였다.
최종 슬래그에서 매우 유사한 Zn 함량을 얻기 위한 발연 단계에 필요한 시간은 앞서 기재된 본 발명에 따른 배치와 비교하여 이 비교 배치에서 상당히 더 길었다. 이는, 비교 배치가 실시예와 비교하여 아연 발연 속도가 상당히 낮았으며, 따라서 본 발명은 발연 단계 동안 아연 발연 속도를 유의미하게 증가시켰음을 의미한다.
실시예 2
이 실시예 2에서, 실시예 1에서와 동일한 로가 사용되었지만, 제2 침지형 가스 주입과 관련하여 다른 구성이 사용되었다. 천연가스 공급량은 물론 품질도 동일했다.
3개의 플라즈마 발생기-송풍구 조합의 동일한 수준 또는 높이에서, 이번에는 추가 가스 및 미세 코크스를 로에 주입하기 위한 단일 제2 침지형 인젝터로서 하나의 추가 인젝터-송풍구 조합이 제공되었다. 송풍구는 수냉식이었고, 350-400 Nm3/h의 일정한 속도의 공기가 송풍구를 통해 주입되었고, 이후에 송풍구 내벽의 구멍을 통해 주입되었다. 이 실시예에서는 천연 가스 공급을 사용하지 않았다.
추가 인젝터-송풍구 조합 내부에 위치한 인젝터는 로의 벽에 수직인 방향으로 액체 슬래그 욕에 추가 가스를 공급하고 있었다. 작동 동안, 1차 가스로서 100-400　Nm3/h의 양의 압축 공기가 추가 인젝터에 공급되었으며, 여기에는 적절한 경우 추가 환원제로서 약 100-700 kg/hr의 분탄이 혼합되었다. 분탄은 평균 입경이 120 ㎛였다. 제2 침지형 인젝터 어셈블리의 업스트림에 있는 압축 가스의 압력은 6 bar 게이지였다.
추가 인젝터-송풍구 조합의 가스 속도는 작동 중 일반적으로 150 m/s 이상이었다.
제1 공정 단계: 로의 액체 충전:
다음 예외를 제외하고, 실시예 1의 일부로 이 단계에서와 동일한 절차, 품질 및 양이 사용되었다.
단일 추가 인젝터-송풍구 조합의 일부로 단일 추가 송풍구를 통한 2차 가스의 흐름은 350 Nm3/h의 공기로 설정되었으며, 천연 가스는 추가되지 않았다. 단일 추가 인젝터-송풍구 조합의 일부로서 추가 인젝터를 통한 1차 가스의 흐름은 200 Nm3/h의 공기로 설정되었다. 미세 코크스 주입은 이 공정 단계에서 아직 활성화되지 않았다.
제2 공정 단계: 발연 단계
실시예 1과 동일한 절차를 적용하였다.
PG는 다시 각각 2500 kW의 전력 수준과 PG 당 714 Nm3/h의 평균 1차 공기 흐름으로 설정되었다. 또한, 다음과 같은 2차 가스를 사용했다. 천연 가스는 PG 다운스트림의 각 송풍구에 148 Nm3/h의 속도로 추가되었다. 송풍구를 통한 추가 공기 흐름은 100 Nm3/h로 설정되었다.
단일 추가 인젝터-송풍구 조합의 일부로서 추가 송풍구를 통한 2차 가스 흐름은 350 Nm3/h의 공기였으며, 여기에는 천연 가스가 추가되지 않았다. 1차 가스로서, 추가 인젝터-송풍구 조합의 일부로서 추가 인젝터를 통한 흐름은 200 Nm3/h의 공기로 설정되었다. 미세 코크스 주입은 이 공정 단계에서 700 kg/h로 설정되었다.
반응기의 온도는 1180-1250 ℃ 범위로 유지되어, 슬래그가 유체로 남아 있도록 했다. 다양한 환원제, 즉 분탄과 다양한 천연 가스 투입 덕분에, ZnO는 금속성 아연(Zn)으로 환원된다. 따라서, Zn은 슬래그 욕에서 증발하고, 로에서 로 배기 가스 처리 장비로 공정 가스의 일부로 수송되었다.
발연 중에 샘플을 채취하여, 빠르지만 약간 덜 정확한 XRF 방법으로 분석했다. 로의 슬래그에서 목적하는 Zn 수준에 도달하면, 발연이 중단되고, 트리밍 단계가 시작되었다.
제3 공정 단계: 트리밍(trimming)
목표 온도는 다시 1220-1250 ℃였다.
PG는 각각 2500 kW의 전력 수준과 PG당 평균 공기 흐름이 714 Nm3/h로 계속 작동되었다. 또한, 다음과 같은 2차 가스를 사용했다. 송풍구를 통한 천연 가스 흐름은 102 Nm3/h로 설정되었다. 송풍구를 통한 공기 흐름은 100 Nm3/h로 설정되었다.
단일 추가 인젝터-송풍구 조합의 일부로서 추가 송풍구를 통한 2차 가스 흐름은 350 Nm3/h의 공기로 설정되었으며, 천연 가스는 추가되지 않았다. 단일 추가 인젝터-송풍구 조합의 일부로서 추가 인젝터를 통한 1차 가스 흐름은 200 Nm3/h의 공기로 설정되었다. 미세 코크스 주입은 이 공정 단계에서 아직 활성화되지 않았다.
트리밍 단계가 완료된 후, 슬래그 샘플을 채취하지 않았다. 탭핑이 즉시 시작되었다.
제4 공정 단계: 슬래그 태핑 및 과립화
실시예 1과 동일한 절차를 적용하였다.
PG는 PG당 606 Nm3/h의 평균 1차 공기 흐름과 함께 각각 2000 kW의 전력 수준에서 이 태핑 및 과립화 단계 동안 계속 작동했다. 2차 가스는 128 Nm3/h의 송풍구로의 천연 가스 흐름과 100 Nm3/h의 송풍구로 직접 공기 흐름을 사용했다.
단일 추가 인젝터-송풍구 조합의 일부로 추가 송풍구를 통한 2차 가스의 흐름은 350 Nm3/h의 공기였으며, 천연 가스는 추가되지 않았다. 단일 추가 인젝터-송풍구 조합의 일부로서 추가 인젝터를 통한 1차 가스 흐름은 200 Nm3/h의 공기로 설정되었다. 미세 코크스 주입은 이 공정 단계에서 아직 활성화되지 않았다.
과립화 후, 최종 생성물의 샘플을 취하였다. 조성은 발연 단계 직후의 슬래그 조성에 가까운 것으로 간주된다.
각 공정 단계에서 PG에 대한 추가 작동 파라미터는 실시예 1의 일부로서 표 II에 나타낸 것과 동일했다.
이 실시예의 최종 결과는 실시예 1의 결과와 매우 유사했지만, 비교를 위해 실시예 1의 일부로 배치를 수행한 경우보다 더 짧은 시간에 다시 얻었다.
본 출원인은, 본 발명에 따른 양태 및 실시예 2에서도 상당한 생산율 증가가 확립될 수 있음을 발견하였다. 본 출원인은, 이 효과가 (i) 더 높은 욕 교반, (ii) 더 많은 스트리핑 가스, (iii) 더 많은 환원제, 그리고 아마도 가장 중요하게는 (iv) 환원제가 훨씬 더 반응성이도록 훨씬 더 작은 입자 크기를 갖는 고체 환원제를 사용하는 것에 기인한다. 이 효과는 거친 페트코크스에 비해 훨씬 빠르게 목표 발연 작동 조건에 도달할 수 있도록 한다. 유익한 효과의 조합으로 인해, 연소 단계가 전체 작동에서 훨씬 더 빨라졌고, 이는 후연소 영역에서 제거해야 하는 열이 훨씬 더 빠르게 증가하고 또한 트리밍 단계가 필요한 시간이 약 4분의 1에서 2-3분으로 줄어들 수 있기 때문에 거의 10배에 가까운 상당한 시간이 감소될 수 있음을 보여준다. 제2 침지형 인젝터(들)가 있는 발연로는 더 높은 처리량으로 더 안정적으로 작동할 수 있으며, 최대 성능에 더 가깝게 작동할 수 있다.
이제 본 발명을 완전히 설명하였고, 본 발명이 청구 범위에 의해 정의된 바와 같이, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고, 청구된 범위 내에서 광범위한 파라미터 내에서 수행될 수 있음을 당업자는 이해할 것이다.

Claims (71)

  1. 결정된 수준까지 용융된 장입물(molten charge)을 포함할 수 있는 욕 로(bath furnace)를 포함하는, 야금 충전물(metallurgical charge)로부터 적어도 하나의 증발성 금속 또는 금속 화합물을 발연(fuming)하기 위한 단일-챔버 로(single-chamber furnace)로서,
    상기 로는 플라즈마 품질의 제1 고온 가스를 생성하기 위한 적어도 하나의 비이송식(non-transferred) 플라즈마 토치 및 상기 플라즈마 토치로부터 제1 고온 가스를 결정된 수준 미만으로 주입하기 위한 적어도 하나의 제1 침지형 인젝터(first submerged injector)를 구비하고,
    상기 로는 발연 가스에서 적어도 하나의 증발성 금속 또는 금속 화합물을 산화시켜 적어도 하나의 증발성 금속 또는 금속 화합물의 산화된 형태를 형성하기 위한 후연소 영역(afterburning zone), 및 상기 후연소 영역에서 형성된 가스로부터 적어도 하나의 증발성 금속 또는 금속 화합물의 산화된 형태를 회수하기 위한 회수 영역(recovery zone)을 더 포함하고,
    상기 로는 결정된 수준 미만으로 추가 가스를 로에 주입하기 위해 제1 침지형 인젝터와 상이한 적어도 하나의 제2 침지형 인젝터(second submerged injector)를 추가로 구비하는 것인, 단일-챔버 로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 토치가 정상 조건에서 체적 단위로 표시되는 엔탈피 함량이 적어도 3.5 kWh/Nm3인 제1 고온 가스를 전달할 때, 최대 정격 전력을 갖는 적어도 하나의 플라즈마 토치의 단일 요소에 의해 생성될 수 있는 제1 고온 가스의 양의 적어도 10%인 추가 가스의 총량을 적어도 하나의 제2 인젝터를 통해 주입하기 위한 장치를 구비하는 것인, 단일-챔버 로.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    복수의 제2 인젝터를 포함하고,
    각각의 인젝터는, 상기 토치가 정상 조건에서 체적 단위로 표시되는 엔탈피 함량이 적어도 3.5 kWh/Nm3인 제1 고온 가스를 전달할 때, 최대 정격 전력을 갖는 적어도 하나의 플라즈마 토치의 단일 요소에 의해 생성될 수 있는 제1 고온 가스의 양의 적어도 10%인 추가 가스의 양을 각각의 제2 인젝터를 통해 주입하기 위해 구비되는 것인, 단일-챔버 로.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    압축 가스의 적어도 하나의 공급원에 연결되고/되거나, 적어도 하나의 제2 인젝터에 압축 가스를 공급하기 위한 압축기를 구비하는, 단일-챔버 로.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치에 대한 추가 가스의 공급원은 수소, 질소, 공기, 이산화탄소, 아르곤, 네온, 헬륨, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 가스 공급원, 바람직하게는 질소 또는 공기, 보다 바람직하게는 공기, 훨씬 더 바람직하게는 압축 공기를 포함하는 것인, 단일-챔버 로.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    엔탈피 함량을 변형하기 위해 적어도 하나의 제2 인젝터의 업스트림에서 추가 가스를 열처리하기 위한 수단, 바람직하게는 적어도 하나의 열교환기를 포함하는 추가 가스를 열처리하기 위한 수단을 포함하는, 단일-챔버 로.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 제2 인젝터의 업스트림에 있는 추가 가스에 환원제를 도입하기 위한 수단을 추가로 구비하는, 단일-챔버 로.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    도입될 환원제는 기체, 액체, 고체, 및 이들의 조합으로부터 선택될 수 있는 것인, 단일-챔버 로.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    제2 인젝터에 의해 욕으로 주입될 추가 가스의 람다를 제어하기 위한 수단을 포함하는, 단일-챔버 로.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    추가 가스 산소 및 기체 또는 액체 연료의 일부로서 주입하고, 적어도 하나의 제2 인젝터 내 또는 업스트림의 다른 위치에서 추가 가스의 속도를 추가 가스의 일부로서 연료의 화염 전파 속도보다 높게 허용하도록 구비되는, 단일-챔버 로.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 로에 대해 의도된 작동 조건 하에서 분사된 연료의 연소가 추가 가스의 엔탈피 증가를 제공하여, 욕으로의 분사 지점에서 추가 가스가 작동 중에 로에 있어야 하는 용융된 장입물의 온도 이하인 온도가 되도록 분사되는 연료의 양을 제한하도록 추가로 구비되는, 단일-챔버 로.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 제2 인젝터는, 적어도 하나의 제1 인젝터가 플라즈마 품질의 제1 고온 가스를 조준하는 제1 체적과 상이한 미리 결정된 수준 미만의 로 내부 공간의 일부로서 제2 체적을 향해 추가 가스를 조준하는 것인, 단일-챔버 로.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 제1 인젝터는 로의 측벽에 위치되고, 적어도 하나의 제2 인젝터는 바람직하게는 적어도 하나의 제1 인젝터와 사실상 동일한 높이에서 작동하는 로의 수평 둘레를 따라 적어도 하나의 제1 인젝터의 반대편에 있는 로의 벽에 위치되는 것인, 단일-챔버 로.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 로의 측벽의 수평 둘레를 따라 분포된 적어도 2개, 바람직하게는 적어도 3개의 제1 인젝터를 포함하고,
    적어도 하나의 제2 침지형 인젝터는 로의 수직 축에 거의 가까운 미리 결정된 수준 미만의 로의 내부 공간의 일부로서 체적을 향해 추가 가스를 조준하고/하거나, 적어도 하나의 제2 침지형 인젝터는 적어도 2개의 제1 인젝터의 2개의 가장 가까운 위치들 사이에서 대략 동일한 위치에서 로의 측벽을 따라 위치하는 것인, 단일-챔버 로.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 제1 인젝터의 업스트림에서 제1 고온 가스 내로 환원제를 도입하도록 추가로 구비되는 것인, 단일-챔버 로.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 제1 인젝터의 업스트림에 도입될 환원제는 기체, 액체, 고체, 및 이들의 조합으로부터 선택될 수 있는 것인, 단일-챔버 로.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 플라즈마 토치로부터의 플라즈마 품질의 제1 고온 가스의 양 초과의 여분의 제1 고온 가스를 생성하기 위한 적어도 하나의 산소 가스 버너를 더 구비하는, 단일-챔버 로.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    결정된 수준 미만으로 여분의 제1 고온 가스를 주입하기 위한 적어도 하나의 침지된 제3 주입기를 더 구비하는, 단일-챔버 로.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 산소 가스 버너는 결정된 수준 미만에 위치하는 것인, 단일-챔버 로.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    플라즈마 토치는 결정된 수준 미만에 위치되는 것인, 단일-챔버 로.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    후연소 영역은 단일-챔버 로의 일부로서 결정된 수준 위로 제공되는 것인, 단일-챔버 로.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    후연소 영역은 바람직하게는 공기, 산소 농축 공기 및 정제된 산소 가스로부터 선택되는 산소 함유 가스의 공급원과의 연결부(connection)를 포함하는 것인, 단일-챔버 로.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    회수 영역의 업스트림에서 후연소 영역에 형성된 가스를 냉각하기 위한 냉각 영역(cooling zone)을 더 포함하는, 단일-챔버 로.
  24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    회수 영역은 가스 여과 영역, 바람직하게는 적어도 하나의 가스 여과 천(gas filter cloth)을 포함하는 가스 여과 영역(gas filtering zone)을 포함하는 것인, 단일-챔버 로.
  25. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 로는 일반적으로 원통형 형상을 갖고, 바람직하게는 로는 또한 더 작은 직경의 원통형 바닥 부분을 향해 테이퍼링되는 원추형 하단 부분을 갖고, 이에 의해 로의 원통형 형상은 최대 내부 직경 d를 가지고, 로는 하단에서 상단까지의 전체 내부 높이 h를 가지며, d에 대한 h의 비율은 적어도 0.75인 것인, 단일-챔버 로.
  26. 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 로는 원추형 하단 부분을 포함하고, 결정된 수준은 대략 원통형 형상이 원추형 하단 부분으로 전환되는 높이에 있는 것인, 단일-챔버 로.
  27. 제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 로는 내부 내화 라이닝(internal refractory lining)이 제공되는 것인, 단일-챔버 로.
  28. 제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 로의 주변 벽은 수냉식인(water-cooled) 것인, 단일-챔버 로.
  29. 제1항 내지 제28항 중 어느 한 항에 기재된 로를 사용하여 야금 충전물로부터 적어도 하나의 증발성 금속 또는 금속 화합물을 발연시키는 방법으로서,
    상기 방법은,
    · 적어도 하나의 증발성 금속 또는 금속 화합물을 포함하는 야금 충전물을 로에 도입하고, 결정된 수준까지 용융된 장입물의 욕을 형성하는 단계;
    · 적어도 하나의 플라즈마 토치 및 적어도 하나의 환원제로부터의 플라즈마 품질 고온 가스를 사용하여 욕으로부터 일정량의 적어도 하나의 증발성 금속 또는 금속 화합물을 발연시킴으로써, 증발성 금속 또는 금속 화합물을 포함하는 발연 가스를 생성하는 단계;
    · 후연소 영역에서 발연 가스를 후연소하여, 적어도 하나의 증발성 금속 또는 금속 화합물을 적어도 하나의 증발성 금속 또는 금속 화합물의 산화된 형태로 산화시키는 단계; 및
    · 상기 로에서 형성된 가스를 로에서 추출하고, 상기 후연소 단계에서 형성된 가스로부터 적어도 하나의 증발성 금속 또는 금속 화합물의 산화된 형태를 회수하는 단계;를 포함하고,
    발연 단계의 적어도 일부 동안에 추가 가스가 적어도 하나의 제2 인젝터에 의해 결정된 수준 미만으로 욕 내로 주입되어, 증발성 금속 또는 금속 화합물을 포함하는 연기(fume)의 양을 증가시키는 것인, 방법.
  30. 제1항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 제2 인젝터를 통해 주입된 추가 가스의 양은, 상기 토치가 정상 조건에서 체적 단위로 표시되는 엔탈피 함량이 적어도 3.5 kWh/Nm3인 제1 고온 가스를 전달할 때, 최고 정격 전력을 갖는 적어도 하나의 플라즈마 토치의 단일 요소에 의해 생성될 수 있는 제1 고온 가스의 양의 적어도 10%인 것인, 방법.
  31. 제29항 또는 제30항에 있어서,
    상기 로는 복수의 제2 인젝터를 포함하고,
    각각의 제2 인젝터를 통해 주입되는 추가 가스의 양은, 상기 토치가 정상 조건에서 체적 단위로 표시되는 엔탈피 함량이 적어도 3.5 kWh/Nm3인 제1 고온 가스를 전달할 때, 최고 정격 전력을 갖는 적어도 하나의 플라즈마 토치의 단일 요소에 의해 생성될 수 있는 제1 고온 가스의 양의 적어도 10%인 것인, 방법.
  32. 제29항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 제2 인젝터를 통해 주입된 추가 가스는 수소, 질소, 공기, 이산화탄소, 아르곤, 네온, 헬륨, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 및 이들의 조합, 바람직하게는 질소 또는 공기, 보다 바람직하게는 공기, 훨씬 더 바람직하게는 압축 공기로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 기체를 포함하는 것인, 방법.
  33. 제29항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 제2 인젝터를 통해 주입된 추가 가스는, 엔탈피 함량을 변형하기 위해 적어도 하나의 제2 인젝터의 업스트림에서 열 처리되고, 바람직하게는 추가 가스의 열처리가 적어도 하나의 열 교환기를 사용하여 수행되는 것인, 방법.
  34. 제29항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 제2 인젝터에 들어가는 추가 가스의 온도는 로 내의 욕의 온도와 많아야 동일하고, 바람직하게는 욕의 온도보다 적어도 섭씨 100도 낮은 것인, 방법.
  35. 제29항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 제2 인젝터를 통해 주입된 추가 가스는 적어도 하나의 제1 환원제를 포함하는 것인, 방법.
  36. 제29항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 환원제는 고체인 것인, 방법.
  37. 제29항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 제2 인젝터를 통해 주입된 추가 가스는, 로의 작동 조건 하에서 연소에 의해, 추가 가스가 로의 용융된 장입물의 온도보다 낮은 온도의 주입 지점에 있는 경우, 추가 가스가 로에 가져올 수 있는 냉각 효과의 적어도 50%를 보상하는 로에 엔탈피 입력을 가져오는데 적합한 양의 연료 및 산소를 추가로 포함하는 것인, 방법.
  38. 제29항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 제2 인젝터를 통해 주입된 추가 가스는 람다가 1.0 미만인 것인, 방법.
  39. 제29항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 제2 인젝터를 통해 주입된 추가 가스는 가연성이며, 추가 가스는 적어도 하나의 제2 인젝터에서 추가 가스의 화염 전파 속도보다 높은 속도에 도달하는 것인, 방법.
  40. 제29항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 증발성 금속 또는 금속 화합물은 원소 형태의 금속 또는 증발성 금속 함유 화합물이고, 바람직하게는 금속은 아연, 납, 주석, 비스무트, 카드뮴, 인듐, 게르마늄, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고, 또한 바람직하게는 금속 함유 화합물은 염화물, 산화물, 황화물 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것인, 방법.
  41. 제29항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서,
    증발성 금속 또는 금속 화합물의 금속보다 덜 귀한 금속, 바람직하게는 철 및/또는 알루미늄이 로에 첨가되는 것인, 방법.
  42. 제29항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 제1 인젝터의 업스트림에서 플라즈마 품질의 제1 고온 가스에 제2 환원제가 첨가되는 것인, 방법.
  43. 제29항 내지 제42항 중 어느 한 항에 있어서,
    제2 환원제는 기체, 액체 및 고체, 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것인, 방법.
  44. 제29항 내지 제43항 중 어느 한 항에 있어서,
    슬래그 내의 산소 전위를 10 내지 10-9 Pa 범위 내로 조정하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
  45. 제29항 내지 제44항 중 어느 한 항에 있어서,
    후연소는 단일-챔버 로 내부에서 수행되는 것인, 방법.
  46. 제29항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서,
    후연소는 바람직하게는 공기, 산소 농축 공기 및 정제된 산소 가스로부터 선택되는 산소 함유 가스를 후연소 영역으로 도입하는 것을 포함하는 것인, 방법.
  47. 제29항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 증발성 금속 또는 금속 화합물의 산화된 형태는 먼지로서 기체로부터 회수되는 것인, 방법.
  48. 제29항 내지 제47항 중 어느 한 항에 있어서,
    기체로부터 적어도 하나의 증발성 금속 또는 금속 화합물의 산화된 형태의 회수가 적어도 하나의 증발성 금속 또는 금속 화합물의 산화된 형태를 함유하는 가스를 필터, 바람직하게는 필터 천을 사용하여 여과하는 것을 포함하는 것인, 방법.
  49. 제29항 내지 제48항 중 어느 한 항에 있어서,
    기체로부터 적어도 하나의 증발성 금속 또는 금속 화합물의 산화된 형태를 회수하는 것의 업스트림에 냉각 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  50. 제29항 내지 제49항 중 어느 한 항에 있어서,
    용융 금속 상의 형성을 포함하고,
    상기 방법은 용융 금속 상을 로에서 제거하는 단계를 추가로 포함하는 것인, 방법.
  51. 제29항 내지 제50항 중 어느 한 항에 있어서,
    금속 충전물은 슬래그를 포함하고,
    상기 슬래그는 황 및/또는 황 화합물을 포함하고,
    상기 방법은 용융된 무광상(matte phase)을 형성하는 단계 및 용융된 무광상을 로에서 제거하는 추가 단계를 추가로 포함하는 것인, 방법.
  52. 제29항 내지 제51항 중 어느 한 항에 있어서,
    야금 충전물은 액체로서 로에 도입되는 것인, 방법.
  53. 제29항 내지 제52항 중 어느 한 항에 있어서,
    야금 충전물은 야금 슬래그(metallurgical slag)이고,
    상기 방법은 제2 슬래그를 생성하는 것인, 방법.
  54. 제29항 내지 제53항 중 어느 한 항에 있어서,
    용융 슬래그(molten slag)는 슬래그의 액상선(liquidus) 온도보다 섭씨 50도 미만의 평균 온도를 갖는 것인, 방법.
  55. 제53항 또는 제54항에 있어서,
    CaO, Al2O3, 및 이들의 조합으로부터 선택되는 산화물은 바람직하게는 적어도 1000 ℃, 바람직하게는 약 1150 ℃의 욕 온도에서 로의 욕에 첨가되는 것인, 방법.
  56. 제53항 내지 제55항 중 어느 한 항에 있어서,
    제2 슬래그를 냉각시켜 고체가 되도록 하는 단계를 추가로 포함하고, 바람직하게는 제2 슬래그는 우선 액체로서 로에서 제거되는 것인, 방법.
  57. 제53항 내지 제56항 중 어느 한 항에 있어서,
    냉각은 액체 제2 슬래그를 물과 접촉시킴으로써 수행되는 것인, 방법.
  58. 제56항 또는 제57항에 있어서,
    제2 슬래그는 초당 적어도 30 ℃의 속도로 냉각되는 것인, 방법.
  59. 제56항 내지 제58항 중 어느 한 항에 있어서,
    고체 제2 슬래그를 분쇄하는 단계, 바람직하게는 제2 슬래그를 분말로 분쇄하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  60. 제56항 내지 제59항 중 어느 한 항에 있어서,
    제2 슬래그는 초당 40 ℃ 미만의 속도로 냉각되는 것인, 방법.
  61. 제56항 내지 제60항 중 어느 한 항에 있어서,
    건설 산업을 위한 개체(object)의 생산 동안 바인더 또는 골재(aggregate)로서 제2 슬래그를 첨가하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  62. 제56항 내지 제61항 중 어느 한 항에 있어서,
    슬래그는 바인더로 사용되고, 개체가 골재를 추가로 포함하고, 상기 골재는 바람직하게는 모래 및/또는 제2 슬래그를 포함하는 것인, 방법.
  63. 제56항 내지 제62항 중 어느 한 항에 있어서,
    개체의 생산 동안 활성제를 첨가하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  64. 제56항 내지 제63항 중 어느 한 항에 있어서,
    활성제는 수산화나트륨, NaOH, 수산화칼륨, KOH, 규산나트륨, Na2SiO3, 규산칼륨, K2SiO3, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인, 방법.
  65. 제61항 내지 제64항 중 어느 한 항에 있어서,
    건설 산업을 위한 개체는 건축물 요소(construction element)인 것인, 방법.
  66. 제61항 내지 제65항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 건축물 요소는 타일, 포장 재료, 블록, 콘크리트 블록 및 이들의 조합의 목록에서 선택되는 것인, 방법.
  67. 제61항 내지 제66항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 건설 산업을 위한 개체는 발포 구조를 갖는 것인, 방법.
  68. 야금 충전물로부터 적어도 하나의 증발성 금속 또는 금속 화합물을 발연하기 위한 제1항 내지 제28항 중 어느 한 항에 기재된 로의 용도.
  69. 제68항에 있어서,
    야금 충전물은 구리 제련 슬래그 및 구리 정련 슬래그 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것인, 용도.
  70. 제68항 또는 제69항에 있어서,
    증발성 금속 또는 금속 화합물은 아연, 납, 주석, 비스무트, 카드뮴, 인듐, 게르마늄, 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것인, 용도.
  71. 제29항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법의 적어도 일부는 바람직하게는 컴퓨터 프로그램에 의해 전자적으로 모니터링 및/또는 제어되는 것인, 방법.
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