KR20230065991A - 산업 분진으로부터 휘발성 성분을 제거하기 위한 방법 및 유용 물질 함유 생성물 - Google Patents
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Abstract
산업 분진으로부터 유용 물질 생성물을 제조하기 위한 방법이 설명된다. 상기 방법은
i) 적어도 하나의 유용 물질 및 휘발성 성분의 제1 농도를 갖는 산업 분진을 600℃ 이상의 작동 온도를 갖는 가열 장치로 제공하는 단계,
ii) 상기 가열 장치로 상기 산업 분진을 처리하는 단계, 이때 상기 처리 단계는
iia) 20℃/min 이상의 속도로 상기 산업 분진을 가열하는 단계,
iib) 30분 이상 동안, 900℃ 내지 1200℃ 범위, 특히 1000℃ 내지 1100℃ 범위의 처리 온도로 상기 가열 장치를 사용하여 상기 산업 분진을 열처리하는 단계, 및
iic) 처리 과정 동안 산화 조건을 제어 및/또는 조절하는 단계를 포함하고,
이때 상기 처리 단계는 산업 분진으로부터 휘발성 성분이 적어도 부분적으로 제거되는 단계를 포함하며, 그리고
iii) 유용 물질 생성물을 제공하는 단계를 포함한다. 또한, 처리된 유용 물질 생성물이 설명된다.
i) 적어도 하나의 유용 물질 및 휘발성 성분의 제1 농도를 갖는 산업 분진을 600℃ 이상의 작동 온도를 갖는 가열 장치로 제공하는 단계,
ii) 상기 가열 장치로 상기 산업 분진을 처리하는 단계, 이때 상기 처리 단계는
iia) 20℃/min 이상의 속도로 상기 산업 분진을 가열하는 단계,
iib) 30분 이상 동안, 900℃ 내지 1200℃ 범위, 특히 1000℃ 내지 1100℃ 범위의 처리 온도로 상기 가열 장치를 사용하여 상기 산업 분진을 열처리하는 단계, 및
iic) 처리 과정 동안 산화 조건을 제어 및/또는 조절하는 단계를 포함하고,
이때 상기 처리 단계는 산업 분진으로부터 휘발성 성분이 적어도 부분적으로 제거되는 단계를 포함하며, 그리고
iii) 유용 물질 생성물을 제공하는 단계를 포함한다. 또한, 처리된 유용 물질 생성물이 설명된다.
Description
본 발명은 산업 분진으로부터 유용 물질 생성물을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 산업 분진 가공을 통해 얻어지는 유용 물질 생성물에 관한 것이다.
따라서 본 발명은 산업 분진을 가공하는 기술 분야와 관련이 있을 수 있다. 특히, 본 발명은 유용 물질 생성물을 얻기 위해 산업 분진으로부터 휘발성 성분을 제거하는 기술 분야와 관련이 있을 수 있다.
예를 들어 금속 생산 또는 가공(예: 제철소)에서 발생하는 산업 분진에는 종종 바람직하고 회수 가능한 유용 물질이 함유되어 있지만, 바람직하지 않은 금속(화합물 및/또는 원소) 및 휘발성 성분(예: 할로겐 화합물)을 포함하는 바람직하지 않은 잔류물도 함유되어 있다. 그러나 재차 원료의 공급원으로 사용될 수 있는 가공된 유용 물질 생성물을 얻기 위해 산업 분진을 경제적으로 가공하는 것은 여전히 기술적 과제이다. 아래에서 이는 할로겐으로 오염된 제철소 분진에서 유용 물질인 산화아연을 얻는 종래 기술의 예를 사용하여 설명된다.
적절한 프로세스를 통해 제철소 분진을 가공하여 얻어지는 주요 생성물은 소위 2차 산화아연으로, 이는 광석에서 얻은 아연정광(zinc concentrate)을 거의 100% 대체하거나 보충할 수 있다. 산화아연 함량이 높은 이러한 재활용 생성물에서 납 함량 및 할로겐 오염 또는 기타 휘발성 성분의 농도로 인해, 종래 방식의 공정(주로 Waelz 공정(Waelz process)이 사용됨)에서 1차 아연 산업의 대체율은 10~15%로 제한되었다. Waelz 산화물(이는 불순물로 오염된 산화아연)은 일반적으로 세척되지만, 잔류 할로겐(불소, 염소, 브롬 또는 요오드) 또는 할로겐 화합물 및 기타 휘발성 화합물을 제거하기 위해 아연 산업의 로스팅 단계에서 장입하는 것이 필수적이다. 그 이유는 아연 추출 전기분해에서 염소가 전극의 부식을 증가시키고 잠재적으로 유해한 염소 가스를 형성할 수 있기 때문이다. 전해질에서 불소의 단점은 음극의 표면 알루미늄 산화물 층을 부식시키고 용해한다는 것이다. 이로 인해 정련된 아연이 음극에 달라붙는 경향이 증가하고 이와 관련된 고장 시간과 결부된 아연 손실은 물론 음극 마모가 증가한다.
그럼에도 불구하고 1차 광석 정광을 2차 산화아연으로 대체하는 것이 바람직하다. 광석 정광을 통해 1차 아연 생산에 도입되는 많은 양의 철 하중은, 현재까지 경제적인 처리 방법이 없고 따라서 높은 비용과 환경 규제에 따라 처리되어야 하는 높은 비율의 침전 잔류물을 야기한다. 생산된 아연 1톤당 1톤의 철 잔류물(주로 자로사이트(jarosite))이 발생한다. 따라서 아연 추출 동안 자연적으로 낮은 철 함량과 함께 2차 산화아연 함량의 증가가 바람직하다. 폐기 대신 이상적으로, 예를 들면 제철소에서 철 합금을 사용하고, 화학 산업에서 할로겐 함유 물질을 사용하며, 건축 자재 산업에서 슬래그를 사용하는 제로 폐기물 공정(zero waste process)이 추구된다. 이는 Waelz 공정 중에 폐기될 잔여물의 비율이 65% 이상인 것과 비교할 때 엄청난 개선을 의미한다.
전기 아크로 분진(electric arc furnace dust, EAFD)의 경우 불순물은 용융된 철 스크랩과 부분적으로는 슬래그 형성제에서 나온다. 표면 코팅, 래커 및 플라스틱 파편은 제철소 분진에서 할로겐 유입의 일반적인 소스이다. 제철소의 일반적인 공정 온도에서 염소와 불소는 납, 칼륨 또는 나트륨과 함께 화합물로서 휘발되고 산화카드뮴 및 특히 산화아연과 같은 다른 휘발성 원소와 함께 분진으로 모인다. EAFD를 재활용 시 주요 생성물은 분진에 포함된 ZnO이다. 이것은 일반적으로 탄소와 함께 환원되어 Zn으로 전환되고 1000℃~1100℃의 공정 온도에서 증발된다(Zn의 끓는점은 907℃임). 기체 아연의 높은 산소 친화력으로 인해 배기가스 시스템에서는 Zn이 ZnO로 즉시 발열 재산화되며, 상기 ZnO는 재활용 공정의 생성물이기도 하다. 제철소 분진에 존재하는 대부분의 할로겐 화합물은 증기압이 높고, 부분적으로 끓는점이 공정 온도보다 낮기 때문에 이들도 증발하여 생성물(ZnO)에 모여 이러한 생성물을 오염시킨다. 이러한 생성물은 1차 아연 산업에서 광석 추출 아연 정광을 거의 100% 대체하여 사용된다. 그러나 할로겐 부가(charging)와 납 농도로 인해 대체율은 1차 아연 생산에서 10~15%로 제한되었다. 한편으로는 산화물의 냉각 효과 때문에 로스터에서 사용하는 것이 바람직하고, 다른 한편으로는 포함된 할로겐 화합물은 바람직하지 않은 케이킹(caking)을 유발할 수 있다.
그럼에도 불구하고 1차 광석 정광을 2차 ZnO로 대체하는 것이 바람직하다. 로스팅 단계의 하중을 완화하기 위해, Waelz 튜브(Waelz tube)와 같은 일반적인 재활용 공정에서 오염된 2차 ZnO는 복잡한 다운스트림 소다 세척 공정을 거친다. 이 경우 매우 낮은 수준의 염소와 알칼리 함량에 도달할 수 있지만 이러한 방식으로 납과 불소를 제거하는 것은 불가능하다. 또한, 오염된 ZnO의 열처리 변형예도 있다. 그러나 이들은 불리하게도 높은 에너지 소비 및 높은 아연 손실을 특징으로 하며, 1차 아연 생산을 위해 효율적으로 침출 가능한 산화아연을 제공할 수 있도록 처리 후에 분쇄가 필요하다.
본 발명의 과제는 유용 물질을 포함하는 산업 분진에서 휘발성 성분을 효율적이고 견고한 방식으로 제거할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제는 독립 특허 청구항들에 따른 대상들에 의해 해결된다. 바람직한 구현예들은 종속 특허 청구항들에서 나타난다.
본 발명의 한 양상에 따르면, (가열 장치에서) 산업 분진으로부터 유용 물질 생성물을 제조하기 위한 방법(또는 상기 가열 장치를 작동시키기 위한 상응하는 방법)이 설명된다. 상기 방법은
i) 적어도 하나의 유용 물질(예: 금속 산화물, 특히 산화아연) 및 제1 농도의 휘발성 성분(예: 유용 물질이 아닌 할로겐 및 금속)을 포함하는 (분진 입자 또는 응집된 분진 입자로서) 산업 분진을, 600℃ 이상(특히 700℃ 이상, 보다 특히 800℃ 이상)의 작동 온도를 갖는 가열 장치(즉, 예열된 가열 장치)로 제공하는 단계,
ii) 상기 (예열된) 가열 장치를 통해 산업 분진을 처리하는 단계를 포함하며, 이 경우 처리는
iia) 20℃/min 이상(특히 30℃ 이상, 보다 특히 50℃ 이상, 보다 특히 100℃ 이상, 보다 특히 150℃ 이상)의 속도(또는 가능한 최대 증가 속도)로 산업 분진을 (극히 빠르게) 가열하는(예: 상기 가열 장치를 사용하여) 단계,
iib) 30분 이상(특히 60분 이상, 보다 특히 120분 이상) 동안, 900℃ 내지 1200℃ 범위, 특히 1000℃ 내지 1100℃ 범위의 처리 온도로 가열 장치를 사용하여 산업 분진을 (표적) 열처리하는 단계, 및 (동시에)
iic) 처리 과정 동안 산화 조건을 (표적) 제어 및/또는 조절하는(예: 공기/산소의 공급을 제어/조절함으로써) 단계를 포함한다.
상기 처리 단계들은 산업 분진의 휘발성 성분이 (적어도 부분적으로) 제거되는 방식으로 수행된다. 상기 방법은 또한,
iii) 유용 물질 생성물을 제공하는 단계를 포함한다.
설명된 처리를 통해 얻은 유용 물질 생성물은 바람직하게는 적어도 하나의 유용 물질 및 제1 농도의 휘발성 성분보다 (상당히) 낮은 제2 농도의 휘발성 성분을 포함한다(휘발성 성분은 상당히 분해되거나 (본질적으로) 제거된 반면, 유용 물질은 유지되며, 특히 농축될 수 있음).
이와 관련하여 "제공"이라는 용어는 가열 장치에/내부로의 모든 산업 분진 추가를 지칭할 수 있다. 이와 관련하여 "분진"이라는 용어는 고체 입자 형태의 모든 물질을 지칭할 수 있다. 입자는 상이한 크기를 가질 수 있고 기원이 다를 수 있다. 일 예에서, 입자는 일정 기간 동안 가스, 특히 공기에 현탁된 상태로 남아 있을 수 있다. 다른 일 예에서, 분진은 밀리미터 범위 이하의 크기, 특히 미크론 범위의 크기를 갖는 입자를 가질 수 있다.
산업 분진은 공정의 시작 물질이자 추출물이다. 공정 생산물은 유용 물질이다. 본 문서의 범위 내에서, "산업 분진"이라는 용어는 특히 제조 산업에서 본질적으로 분진 형태의 폐기물로서 발생하는 추출물을 지칭할 수 있다. 예를 들어, 금속 함유 분진은 금속 생산 또는 금속 가공 산업에서 생성되거나 예컨대, 생산 폐기물로서 생성될 수 있다. 예시적인 예에서, 산업 분진은 제철소(예: 스크랩 용융을 위한 전기 아크로)에서 공정 동안 소위 제철소 분진으로 발생할 수 있다.
공정이 반복적으로 수행되는 경우에는 사용된 산업 분진 자체가 이전 공정 수행에서 얻은 유용 물질 생성물이거나 그러한 유용 물질 생성물을 기반으로 할 수도 있다.
산업 분진은 하나 이상의 소스에서 발생하는 여러 유형의 분진으로 구성되거나 포함될 수 있다. 산업 분진은 예를 들어 분진 입자와 같은 분말 형태이거나 덩어리 형태의 응집된 분진 입자, 예를 들어 펠릿일 수 있다.
산업 분진은 적어도 하나의 유용 물질(예를 들어 유리하게는 바람직하거나 경제적으로 관련된 금속 산화물, 특히 산화아연) 및 제1 농도의 불순물을 함유한다. 본원에서 산업 분진의 함량은 유용 물질로 이해되어야 하며, 원료로서의 그의 활용이 요구된다. 유용 물질 외에도 산업 분진에는 다른 내용물(본원에서는 불순물로 언급됨)도 함유되어 있다. 이러한 불순물은 경우에 따라 유용 물질의 활용하기 어렵게 만들 수 있다. 경제적이고 기술적으로 합리적인 활용을 가능하게 하기 위해 목표는 유용 물질을 풍부하게 하거나 적어도 부분적으로 산업 분진에서 불순물을 제거하는 것이다. 유용 물질 생성물에는 적어도 하나의 유용 물질이 포함되어 있으며, 복수의 상이한 유용 물질이 포함될 수도 있다.
본 발명에 따른 방법을 이용하면 산업 분진 중의 불순물이 적어도 부분적으로 제거된다. 상기 방법은 적어도 하나의 유용 물질을 포함하는 유용 물질 생성물을 제공하는 것을 가능하게 한다. 상기 유용 물질 생성물은 산업 분진의 불순물(경우에 따라 휘발성 성분) 제1 농도에 비해 (경우에 따라 상당히) 낮은 불순물(경우에 따라 휘발성 성분)의 제2 농도를 갖는다. 제2 농도는 또한 0이거나 본질적으로 0일 수 있다. 불순물은 상당히 분해되거나 필요에 따라 제거되는 반면 유용 물질은 유지되며, 특히 농축된다.
본 발명에 따르면, 산업 분진은 먼저 600℃ 이상의 작동 온도를 갖는 가열 장치에 제공된다. 산업 분진은 예를 들어 분진 또는 응집 후 덩어리로 제공될 수 있다. 준비 단계에는 가열 장치의 가열 작업에 산업 분진을 사용할 수 있도록 하는 것이 포함되며, 예를 들어 분진은 상기 가열 장치에 공급된다. 따라서 가열 장치는 산업 분진이 제공될 때 이미 600℃ 이상으로 예열되어 있다. 작동 온도는 바람직하게는 700℃ 이상, 특히 바람직하게는 800℃ 이상이다.
이 문서의 범위 내에서, "가열 장치"라는 용어는 특히 재료, 특히 산업 분진을 가열하기에 적합한 모든 장치를 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 이를 위해, 가열 장치는 재료가 유입될 수 있고 열처리가 이루어질 수 있는 공동을 가질 수 있다. 가열 장치 내부의 온도는 특히 제어 또는 조절될 수 있다. 또한, 예를 들어 산화 공정에 의해(예를 들어 버너에 의해) 열이 발생하면 공기 및/또는 산소와 같은 산화제의 공급을 제어할 수 있다. 가열할 재료가 유입될 때 가열 장치는 이미 가열되었을 수 있다. 또한, 설명된 가열 장치에 의해서는 매우 빠른 가열(예를 들어, 적어도 150℃/min)이 달성될 수 있다. 일 예에서, 가열 장치는 야금 처리 장치일 수 있다. 예시적인 예에서, 가열 장치는 내화성의 회전 가능한 용기이다. 또 다른 실시 형태는, 예를 들어, 버너와 배기 측을 결합하는 TBRC(Top Blown Rotary Converter) 또는 SRF(Short Rotary Furnace) 또는 반대 측에서 점화 및 배기가스 배출을 분리하는 waelz 튜브를 포함한다.
제공 단계 후에는, 예를 들어 가열 장치에서 가열 장치에 의해 처리 단계가 수행된다. 상기 처리 단계는 예를 들어 가열 장치에서 가열 장치에 의해 수행될 수 있는 산업 분진의 가열을 포함한다. 이러한 가열은 적어도 20℃/min, 바람직하게는 30℃/min, 특히 바람직하게는 적어도 50℃/min, 특히 바람직하게는 적어도 100℃/min, 매우 특히 바람직하게는 최소 150℃/min이다. 이러한 가열은 극히 빠르며 가열 중 증가율은 가능한 한 높게 선택된다. 본 발명에 따르면, 처리는 30분 이상(바람직하게는 60분 이상, 특히 바람직하게는 120분 이상, 가장 바람직하게는 150분) 동안 900℃ 내지 1200℃(바람직하게는 1000℃ 내지 1100℃)의 온도 범위의 처리 온도로 가열 장치(예를 들어 가열 장치에서)에 의한 열처리를 포함한다.
처리 중에는 산화 조건이 설정된다. 따라서 산업 분진은 처리 중에 산화 조건에 노출된다. 산화 조건의 설정은 바람직하게는 표적화된 방식으로 수행된다. 산화 조건은 제어 및/또는 조절될 수 있다. 따라서 환원 조건이 없는 것으로 설정되고, 경우에 따라 가열 장치에서 산화 조건이 어떻게 형성되는지가 선택적으로 조절 및/또는 제어된다. 이는 예를 들어 산화제(예: 공기 및/또는 산소)의 공급을 제어 및/또는 조절하거나 열원으로서 사용되는 버너로의 공기 및/또는 산소의 공급을 제어 및/또는 조절하여 수행할 수 있다(추가로 또는 대안으로 전기 가열 장치를 선택할 수 있다).
이 문서의 범위 내에서 "유용 물질 생성물"이라는 용어는 본 발명에 따른 방법 단계들을 사용하여 위에서 설명한 산업 분진에서 얻은 생성물을 지칭한다. 유용 물질 생성물은 분진 형태일 수 있지만, 유용 물질 생성물은 바람직하게는 분진 입자의 덩어리 형태일 수도 있다. 유용 물질 생성물은 예를 들어 산화아연 또는 산화구리와 같은 금속 산화물일 수 있는 적어도 하나의 유용 물질이 존재하는 것을 특징으로 한다. 유용 물질 생성물은 산업 분진에 비해 불순물 농도가 현저히 감소된 것을 특징으로 한다. 특히, 할로겐 및/또는 원치 않는 금속의 비율을 크게 줄일 수 있다. 바람직한 일 예에서, 유용 물질 생성물 내의 유용 물질의 농도는 공급된 산업 분진에 비해 증가될 수 있다.
불순물은 산업 분진의 휘발성 성분일 수 있다. 이 문서의 범위 내에서, "휘발성 성분"이라는 용어는 특히 특정 온도에서(경우에 따라 하나 이상의 화학 반응 후) 증발에 의해 가스상으로 전환되는 산업 분진의 성분을 지칭할 수 있다. 일례로, 특정 온도는 산업 분진의 용융 온도 이하인 것으로 정의될 수 있다. 추가 예에서, 특정 온도는 예를 들어 1500℃ 미만일 수 있다. 휘발성 성분은 예를 들어 염소 또는 불소의 할로겐 화합물일 수 있고; 예를 들어 불화납은 1293℃에서 휘발성이고, 또는 염화납은 950℃에서 휘발성이다.
예시적인 실시예에 따르면, 본 발명은 유용 물질을 포함하는 산업 분진으로부터 휘발성 성분의 (적어도 부분적인) 제거가 가열 장치에서
- 600℃ 이상의 산업 분진을 삽입하는 단계,
- (적어도) 20℃/min 이상의 속도로 가열하는 단계, 및
- (적어도) 30분 동안 900℃ 내지 1200℃ 범위에서 열처리하고, 이 경우 산화 조건이 제어 및/또는 조절되는 단계를 포함하는 특정 처리 공정이 수행되는 경우 효율적이고 견고한 방식으로 가능하다는 구상에 기초할 수 있다.
예를 들어 산업 분진으로부터의 바람직하지 않은 휘발성 성분과 같은 불순물을 선택적으로 휘발시키려는 수많은 실험이 선행 기술에서 이미 이루어졌으며, 이 경우 휘발성 성분은 산업 분진의 가치를 상당히 감소시키거나 이를 사용할 수 없게 만든다. 그러나 이러한 실험은 모두 실패했다. 현재 산업 분진에서 휘발성 성분을 효율적이고 강력하며 동시에 경제적으로 제거할 수 있다고 알려진 열처리 공정은 없다.
그러나 이제 본 발명에 따른 방법에 의해서는 놀랍게도, 산업 분진으로부터의 휘발성 성분이 효율적이고 강력한 방식으로 제거될 수 없다는 기술적 편견이 극복될 수 있다는 사실이 광범위하고 집중적인 연구 과정에서 발견되었다.
성공적인 공정 및 이와 관련된 최대 달성 가능한 불순물, 특히 산업 분진의 휘발성 성분 추출률을 위해서는 처음 몇 분 동안의 온도 제어와 추가 열처리가 결정적으로 중요하다. 따라서 불순물, 특히 휘발성 성분이 산업 분진에 포함된 다른 화합물과 반응하여 비휘발성 화합물을 형성할 시간이 주어지지 않는다. 이와 동시에 지정된 공정 온도에서 휘발성이 아닌 새로운 화합물의 형성이 효율적으로 억제되거나 방지된다.
특정 이론에 얽매이지 않으면서, 현재 - 휘발성 성분 사이의 화학 반응을 통해 - 종래의 온도 변화는 항상 비휘발성 성분의 형성을 초래한다는 사실이 가정된다. 예를 들어, 끓는점이 2533℃로 높은 불화칼슘이 형성될 수 있다. 그러나 대조적으로 본 발명의 조건은 비휘발성 성분에 대한 화학 반응을 억제하고 대신에 휘발성 성분에 대한 화학 반응을 촉진한다; 예를 들어, 불화칼슘과 산화납의 반응으로 불화납이 형성되는데, 이는 끓는점이 1293℃에 불과하다. 동일한 방식으로, 본 발명에 따른 조건의 정확한 적용만이 휘발성 성분이 반응하여 또 다른 휘발성 성분 및 비휘발성 성분을 거의 또는 전혀 형성하지 않게 하는 것으로 보인다.
설명된 방법은 추가로, 산업 분진을 유용 물질로 환경친화적인 재활용을 가능하게 하며, 반면에 이러한 산업 분진은 일반적으로 복잡하고 덜 환경친화적인 방식으로 처리되거나 고비용으로 폐기되어야 했다.
산화아연과 같이 추출된 유용 물질은 1차 광석 정광을 대체할 수 있으며 유연한 적용 옵션을 제공할 수 있다. 고순도 산화아연의 경우 경제적으로 관련된 고품질 산화아연용 시장(예: 타이어 산업, 세라믹 생산, 화학 산업)에서 곧바로 사용이 가능할 수 있다.
요약하면 설명된 공정은 이전의 공정보다 더 효율적이고 에너지 최적화되고 자원을 절약하는 것으로 설명될 수 있으므로 보다 환경친화적인 대안을 나타낸다.
일 실시예에 따르면, 불순물은 휘발성 성분을 포함한다. 일 실시예에서, 휘발성 성분은 주로 원소 이외의 화합물에서 할로겐, 특히 불소 및/또는 염소를 포함한다. 추가로 또는 대안적으로, 휘발성 성분은 바람직하지 않거나 경제적으로 무관한 금속, 특히 원소가 아닌 화합물 내의 금속, 보다 특히 납, 카드뮴, 나트륨, 칼륨, 칼슘으로 이루어진 그룹의 금속을 포함한다. 이는 산업 분진의 가치를 크게 감소시키는 바람직하지 않은 성분을 목표한 바대로 제거할 수 있다는 이점을 가질 수 있다.
추가의 실시예에 따르면, 유용 물질은 금속 산화물(특히, 산화아연 및/또는 산화구리)을 포함한다. 이는 산업 분진 폐기물이 산업 관련 재료의 원료 저장 창고(raw materials warehouse)가 될 수 있다는 이점을 가질 수 있다. 산업 분진, 특히 금속 생산 또는 금속 가공에서 발생하는 분진은 공정상 본래 많은 수의 금속 또는 금속 산화물과 같은 금속 화합물을 포함하며, 이는 예를 들어 2차/고순도 금속 또는 금속 산화물과 같은 금속 화합물의 생산에 유용한 유용 물질이 될 수 있다.
추가의 실시예에 따르면, 산업 분진은 적어도 본질적으로 분진 입자의 형태로, 특히 금속 생산 또는 금속 가공에서 발생하는 분진 입자의 형태로 존재한다.
또 다른 실시예에 따르면, 분진 입자는 제철소 분진 또는 구리 산업 분진을 포함한다. 특히, 전기 아크로 분진(EAFD), 주조 공장 분진, 통합 강철 제조 경로의 분진, 소결 플랜트 분진으로 구성된 그룹의 분진 중 적어도 하나의 분진을 포함한다. 이는 다양한 산업 관련 생산 공정에서 발생하는 분진 입자를 효율적으로 처리할 수 있다는 이점을 제공할 수 있다.
추가의 실시예에 따르면, 산업 분진을 제공하는 단계는 산업 분진의 분진 입자를 응집시키는 단계를 포함한다. 그 결과 분진 축적을 크게 방지할 수 있으므로 본 발명에 따른 방법을 더욱 효율적으로 수행할 수 있다. 일 예에서, 분진 입자는 (예를 들어 펠릿타이저 플레이트를 사용하여) 펠릿화에 의해 응집될 수 있다. 다른 일 예에서는 강제 혼합기의 도움으로 응집이 가능해질 수 있다. 응집체의 요구되는 생강도를 위한 첨가제로는 물이 충분할 수 있다. 예를 들어, 물과 함께 이미 존재하는 할로겐은 필요한 결합력을 제공할 수 있다.
추가의 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 방법은 불연속적으로 또는 배치 방식으로(특히 응집된 산업 분진의 배치를 사용하여) 수행된다. 이는 요구되는 열처리가 목표한 바대로 그리고 강력한 방식으로 수행된다는 이점을 가질 수 있다.
통상적으로 원하는 경제적 효율성을 달성하기 위해 유용 물질 생성물의 제조 공정이 항상 연속적으로 수행되어야 한다고 가정하지만, 놀랍게도 본 경우에는 정반대, 즉 불연속 공정이 원하는 결과로 이어질 수 있다는 사실이 밝혀졌다. 바람직한 일 예에서, 산업용 분진은 응집체가 처리를 위한 배치로서 공급될 수 있도록 응집된다. 유용 물질 생성물을 제조하기 위한 본 발명의 공정은 각 배치에 대해 바람직한 요구 조건이 충족되도록 보장하기 위해 배치 방식으로 작동될 수 있다.
추가의 실시예에 따르면, 산업용 분진의 제공은 특히 응집된, 산업용 분진을 건조하는 단계를 포함한다. 그 결과 너무 빨리 빠져나가는 수증기로 인한 파열이 방지되기 때문에 방법은 훨씬 더 효율적으로 수행될 수 있다. 일 예에서, 건조 온도는 105 내지 350℃, 특히 200 내지 300℃ 범위이다. 요구되는 건조 시간은 일 예에서 24 내지 72시간, 특히 40 내지 60시간이다.
추가의 실시예에 따르면, 열처리는 적어도 0.1bar의 수증기 분압이 존재하도록 가열된 분위기에서 수증기를 제어 및/또는 조절하는 단계를 포함한다. 분압은 (이상적인) 가스 혼합물에서 단일 성분 또는 부분의 분압을 의미할 수 있다. 이 경우 제어 및/또는 조절은 예를 들어 산업 분진의 습도를 통해 또는 버너를 사용할 때 버너에 공급되는 물질의 유형(예: 연료, 산화제 또는 그 비율)을 통해 발생한다. 가열된 분위기에서 수증기는 또한, 가열 용기의 압력 조건 및/또는 온도 조건 및/또는 부피 조건을 제어 및/또는 조절함으로써 제어 및/또는 조절될 수 있다.
추가의 실시예에 따르면, 열처리는 산업 분진을 혼합하는 단계를 포함한다. 이는 특히 산업 분진으로 채워진 가열 장치의 적어도 일부를 (적어도 일시적으로) 회전시킴으로써 달성될 수 있다. 이것은 재료의 일정한 혼합과 활성 표면적 증가가 가능하여 균일한 처리를 보장한다는 이점을 가질 수 있다. 일 예에서, 회전 속도는 1~10rpm, 특히 2~3rpm 범위일 수 있다.
추가의 실시예에 따르면, 산화 조건의 설정은 산화 조건을 제어 및/또는 조절하는 단계를 포함한다: 연소 공기 비율이 과화학정량적 방식으로, 특히 1.1 내지 1.5 범위(보다 특히 1.3 내지 1.4 범위)가 되는 방식으로 산화제(특히 산소 및/또는 공기)를 연료에 공급하는 단계로서, 이 경우 상기 범위의 한계값이 함께 포함되었다. 이것은 목표한 바대로 제어 또는 조절될 수 있는 효율적인 산화 조건이 존재한다는 이점을 가질 수 있다.
추가의 실시예에 따르면, 산업 분진은 유용 물질의 제1 농도를 갖고, 처리는 유용 물질 생성물이 유용 물질의 제2 농도를 갖는 방식으로 유용 물질을 농축하는 단계를 포함하며, 이 경우 유용 물질의 제2 농도는 유용 물질의 제1 농도보다 크다. 이는 유용 물질이 유용 물질 생성물에 농축된다는 장점이 있다. 그 결과 상기 유용 물질 생성물이 훨씬 더 가치가 큰 원료로 형성될 수 있다.
추가의 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 방법은 (특히 가열 동안 및/또는 열처리 동안): (적어도 부분적으로) 할로겐 및/또는 금속의 화학 반응을 억제하여 비휘발성 성분(예: 불화칼슘)을 형성하는 단계를 포함한다. 추가적으로 또는 대안적으로: 할로겐 및/또는 금속의 화학 반응을 촉진하여 휘발성 성분(예: 불화납)을 형성한다. 이것은 본질적으로 휘발성 성분만이 불순물로서 존재하거나 새로운 비휘발성 물질이 형성되지 않는다는 이점을 제공할 수 있으며, 그 결과 이러한 불순물 또는 새로 형성된 물질은 비휘발성 잔류물 없이 증발될 수 있다.
추가의 실시예에 따르면, 방법은 다음 특징 중 적어도 하나를 갖는다:
i) 산업 분진으로부터 염소, 납, 카드뮴으로 구성된 그룹 중 적어도 하나의 성분 함량의 90% 이상, 특히 적어도 95% 이상을 제거,
ii) 산업 분진으로부터 불소 및 칼륨으로 구성된 그룹 중 적어도 하나의 성분 함량의 80% 이상, 특히 85% 이상을 제거,
iii) 산업 분진에서 45%(특히 50%) 이상의 나트륨을 제거.
상기 특성들은 예를 들어 불순물, 특히 휘발성 성분을 제거하는 효율성을 반영하고, 산업 분진의 가치를 높은 비용 없이 크게 높일 수 있는 방법을 보여준다.
추가의 실시예에 따르면, 산업 분진의 가열은 30℃/min 이상, 바람직하게는 50℃/min 이상, 특히 바람직하게는 100℃ 이상, 매우 특히 바람직하게는 150℃ 이상의 속도로 수행된다. 예시적인 실시예들에서, 이들 매개변수는 특히 효율적인 것으로 밝혀졌다.
추가의 실시예에 따르면, 가열 장치에서 산업 분진의 열처리는 30분 이상 동안, 바람직하게는 60분 이상 동안, 특히 바람직하게는 120분 이상 동안, 매우 특히 바람직하게는 180분 이상 동안 수행된다. 예시적인 실시예들에서, 이들 매개변수는 특히 효율적인 것으로 밝혀졌다.
본 발명의 추가 양상에 따르면, 금속 산화물, 특히 산화아연 및/또는 산화구리를 제공하는 방법이 기술되며, 이 방법은 i) 본 발명에 따른 방법에 따라 유용 물질 생성물을 제조하는 단계 및/또는 상응하게 제조된 유용 물질 생성물을 사용하는 단계, 및 ii) 고순도 금속 산화물 및/또는 2차 금속 산화물을 제공하기 위해 유용 물질 생성물을 추가로 처리하는 단계를 포함한다.
추가의 실시예에 따르면, 유용 물질 생성물의 추가 처리는 전기분해 없이 수행된다. 이것은 에너지와 비용을 절약할 수 있다는 이점을 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 처리된 유용 물질 생성물이 설명되며, 이는 산업 분진으로 만들어지고 i) 산화아연(특히 적어도 10 중량%, 보다 특히 적어도 20 중량%, 보다 특히 적어도 25 중량%, 보다 특히 적어도 30 중량%의 산화아연)을 포함하고, 그리고 다음 중 적어도 하나의 특징을 포함한다: a) 0.2 중량% 이하의 불소 농도, b) 2 중량% 이하의 할로겐 농도, c) 1 중량% 이하의 납 농도, d) 카드뮴 농도 0.05 중량% 이하의 카드뮴 농도, e) 5 중량% 이하의 휘발성 물질 농도.
추가의 실시예에 따르면, 처리된 유용 물질 생성물은 (본질적으로) 응집된 형태로 존재하는 분진 입자를 갖는다. 이러한 특징은 분진 입자가 (예: 펠릿으로) 응집된 제조 공정을 반영할 수 있다. 이는 (과도한) 분진 축적이 방지되는 이점이 있다. 또한, 예를 들어 공기 흐름에 의한 분진 운반이 바람직하게 방지될 수 있다.
추가의 실시예에 따르면, 유용 물질 생성물은 (본질적으로) 응집된 분진 입자를 포함한다.
이하에서는 본 발명의 일부 예시적인 실시예가 상세히 설명된다.
예시적인 일 실시예에 따르면, 제어된 산화 조건 하에서 목표한 바대로 열처리함으로써 제철소 분진으로부터 할로겐 및 기타 휘발성 성분을 선택적으로 제거하는 방법, 이러한 방법에 의해 얻을 수 있는, 유해한 동반 원소(accompanying element) 및 화합물이 거의 없는 제철소 분진 및 고순도 2차 산화아연을 제조하기 위한 이의 용도가 설명된다.
예시적인 일 실시예에 따르면, 분진에서 산화아연을 추출할 수 있도록 하기 위하여 휘발성 성분(예를 들어, 할로겐 및 납 화합물 또는 납)으로 오염된 제철소 분진을 대부분의 할로겐 화합물 및 기타 휘발성 성분이 제거되도록 처리할 필요가 있을 수 있으며, 상기 산화아연은 1차 광석 정광의 대체와 관련하여 1차 아연 산업에 더 많은 사용 옵션을 제공하거나 고순도 산화아연을 생산하는 경우에 경제적으로 매력적인 고품질 산화아연(타이어 산업, 세라믹, 화학 산업 등) 시장에서 곧바로 사용할 수 있다. 이것은 또한, 그 후에 아연 추출 전기분해(1차 공정의 일부) 생략으로 인해 에너지와 관련하여 높은 에너지 절약 가능성으로 이어질 것이다.
예시적인 일 실시예에 따르면, 본 발명의 과제는 예를 들어 전기 아크로에서 철 스크랩을 용융할 때 발생하는 산화아연 함유 제철소 분진에서 할로겐 화합물 및 기타 휘발성 성분을 제거하는 방법을 제공하는 것이다. 따라서 이와 같은 방식으로 처리된 제철소 분진은 고순도 2차 산화아연 생산의 출발점을 제공한다. 이와 동시에 광석 정광에 비해 사용되는 2차 산화아연의 양이 증가하더라도 1차 아연 제조에서 발생하는 철 잔류물의 비율이 크게 줄거나 대안적으로 제철소 분진을 처리할 때 추가되는 부가가치가 크게 증가할 수 있다. 이는 재활용 생성물인 산화아연이 고품질 산화아연 시장에서 상당히 높은 가격에 판매될 수 있음으로써 발생한다. 새로운 공정을 통해 생성물 품질이 향상되면 상기 새로운 공정은 이전 공정보다 더 효율적이고 에너지가 최적화되며 자원을 절약하므로 보다 환경친화적인 대안이 된다.
예시적인 일 실시예에 따르면, 상기 방법은 다음 단계들을 포함한다: i) 산업 분진의 응집 단계, ii) 건조 단계, iii) 제어된 산화 조건 하에서 목표한 바대로의 열처리 단계. 처리 종료 시에는 염소, 납 및 카드뮴이 90% 이상 제거되고, 불소가 80% 이상 제거되며, 그리고 제철소 분진에서 (또는 제공된 산업 분진에서) 칼륨 및 나트륨 함량이 크게 감소한다(예: 최소 50%). 중요한 측면은, 산화 조건으로 인해 제철소 분진에 포함된 산화아연이 고체 물질에 거의 완전히 남아 불순물 제거의 결과로 귀금속 농도가 증가한다는 것이다. 따라서 할로겐 화합물 및 기타 휘발성 화합물이 대부분 제거된 제철소 분진은 일반적인 재활용 공정에서 고품질의 2차 산화아연 제조 또는 상기 객관적으로 설명된 열처리 단계에 맞게 조정된 후속 환원 공정 단계에서 고품질 산화아연 제조를 위한 출발 생성물로서 사용될 수 있다.
예시적인 일 실시예에 따르면, 다음과 같은 이점이 달성될 수 있다: i) 유용 물질(특히 산화아연)의 생성물 품질이 상승하고, ii) 생산된 유용 물질의 적용 분야에 1차 야금과 고품질 금속이 모두 포함되며, iii) 1차 금속 제조에서 침전 잔류물의 비율이 줄어들 수 있고, iv) 목표한 바대로 배기가스 경로 및 냉각을 통해 공정 설비가 부식 증가(할로겐 부하 증가로 인한)로부터 보호될 수 있으며, v) 분리되어 농축된 할로겐 잔류물이 상응하는 (산업) 용도를 위한 원료로 다시 사용될 수 있으며(화학 산업에서 추가 처리, 예: 염화납을 사용한 납 화합물 추출), vi) 에너지 소비가 금속 산화물 추출을 위한 바로 후속하는 환원 단계에서 고온 충전에 의해 낮게 유지될 수 있고, vii) 기술된 공정은 소규모 설비(예: 연간 10,000톤 생산)에서도 수행될 수 있는 반면, 종래 기술의 Waelz 튜브 사용은 연간 약 100,000톤의 최소 톤수에서만 가능하다.
이하에서는 본 발명의 두 가지 예시적인 실시예를 상세히 설명한다.
실시예 1
(제1) 공정 단계에서, 결과적으로 과도한 분진 축적을 방지하기 위해 응집을 수행하였다. 이 경우 펠릿타이저 플레이트를 사용한 펠릿화와 강제 혼합기를 사용한 응집이 모두 가능하다. 응집체의 요구되는 생강도를 위한 첨가제로는 물이 충분하다. 물과 함께 제철소 분진에 포함된 할로겐 화합물은 필요한 결합력을 제공한다. 제공된 제철소 분진에는 염소와 불소가 포함된 할로겐 화합물과 납 및 카드뮴이 포함된 기타 휘발성 성분이 포함되어 있다. 분진은 특히, 전기 아크로 분진(EAFD)이지만 예를 들면 주조 공장 분진, 2차 야금을 포함한 통합 강철 제조 경로의 분진, 소결 플랜트 분진 및 구리 산업 분진과 같은 유사한 잔류물도 사용된다.
전기 아크로 경로에서 나오는 아연 함량이 높은 제철소 분진의 일반적인 조성은 아래 표 1에 요약되어 있다.
| 중량% | 제철소 분진 |
| Zn | 15.0~40.0 |
| Pb | 2.0~6.0 |
| Cl | 0.1~5.0 |
| F | 0.1~1.5 |
| Cd | 0.01~0.3 |
| Fe | 15.0~35.0 |
| CaO | 3.5~15.0 |
| MgO | 1.5~9.0 |
| SiO2 | 1.0~8.0 |
추가 공정 단계에서, 너무 빨리 빠져나가는 수증기로 인한 추후의 파열을 방지하기 위해 분진 덩어리를 철저히 건조하였다. 이 경우 건조 온도는 105 내지 350℃(특히 200 내지 300℃) 범위이다. 필요한 건조 시간은 24 내지 72시간, 일반적으로 40 내지 60시간이지만 중량 상수에 도달할 때까지이다.
추가 공정 단계에서, 생성된 분진 덩어리를 가열 장치(예: 야금 처리 장치)에 장입하고 제어된 산화 조건 하에서 휘발성 성분의 선택적 휘발을 위해 목표한 바대로 열처리하였다. 가열 장치로는 내화 벽돌로 둘러싸인 회전 용기가 사용된다. 이 경우 점화 위치와 배기가스 경로는 부차적인 역할을 한다. 버너와 배기 측을 결합할 수 있는 TBRC(Top Blown Rotary Converter) 또는 SRF(Short Rotary Furnace)로 설계는 waelz 튜브와 같이 점화 및 배기가스 추출을 반대 측에서 분리하는 것도 생각할 수 있다. 공정 온도는 900 내지 1200℃(특히 1000 내지 1100℃)이다. 제철소 분진으로부터 상당 부분의 할로겐 화합물 및 기타 휘발성 성분을 필요에 따라 제거하면 처리 시간은 2 내지 3시간(바람직하게는 1.5시간)이 될 수 있다.
용기의 회전 운동에 의해 일정한 혼합을 보장하고 공급된 재료의 활성 표면을 증가시켜 덩어리의 균일한 처리를 보장하였다. 회전 속도는 1~10rpm(특히 2~3rpm) 범위일 수 있다.
점화는 순수한 산소 또는 공기를 사용하여 가스를 연소시키는 버너를 통해 수행된다. 제어된 산화 조건은 제어 및/또는 조절된 산소/공기 공급에 의해 달성된다. 연소 공기 비율(λ)은 기존 분진 조성에 따라 1.1 내지 1.5(특히 1.3 내지 1.4)이다.
가열 단계에서, 바람직하게는 150℃/min(시점마다)의 가열 속도를 제공하였다. 이렇게 하면 제철소 분진의 할로겐 화합물 및 기타 휘발성 성분이 공급 재료(특히 비휘발성 성분)의 다른 화합물과 반응할 시간이 주어지지 않는 것이 보장된다. 따라서 지정된 공정 온도에서 휘발성이 아닌 발생 가능한 화합물의 형성이 효과적으로 방지된다. 설명된 온도 제어(특히 설명된 분위기 조성)가 처리 시간의 이 단계에서 따르지 않으면 할로겐 및 기타 휘발성 성분의 효율적인 제거가 불가능하다.
이에 대한 예로는 설명된 것과 다른(특히 너무 느린) 가열 속도에서 발생하는 불화칼슘 또는 염화칼슘의 형성 가능성이 언급될 수 있다. 불소는 우세한 조건에서 나트륨, 칼륨 또는 납과 함께 휘발되는 경향이 있지만 불화칼슘의 증발에 의한 제거는 배제된다. 이러한 시나리오에서 처리된 제철소 분진에 남아 있는 불소 함량은 이러한 공정 단계에서 생산되는 생성물의 달성 가능한 품질을 감소시킨다. 900 내지 1200℃(특히 1000 내지 1100℃)의 우세한 온도에서, 산업 분진으로부터의 분진에 함유된 휘발성 화합물, 특히 존재하는 할로겐 화합물은 즉시 휘발되기 시작한다.
공정의 제1 단계에서는, 카드뮴, 납 및 염소 원소의 농도가 감소하지만, 존재하는 불소 화합물이 비휘발성 불화칼슘으로 크게 전환되지 않고 나트륨, 칼륨 및 불소 함량도 감소한다. 산화카드뮴 외에 납은 부분적으로는 산화납으로 증발하지만, 기체 상태의 산화납과 다른 불화물의 반응을 통해 염화납 및 잠재적으로 형성된 불화납으로도 증발한다.
빠른 가열 속도와 함께 불소 수율을 다시 높일 수 있는 추가 공정이 발생한다. 이미 존재할 수 있는 불화칼슘은 가스 상태의 산화납과 다시 반응하여 불화납과 산화칼슘을 형성하여 효율적인 휘발을 가능하게 한다. 그러나 이것은 빠른 가열 속도와 반응 용기의 설정/제어된 분위기 조건에서만 발생하여 산화납이 조기에 증발하는 것을 방지한다. 즉, 다음 방정식의 열 반응 창에서 중요한 반응물이 누락되지 않도록 하는 것이 중요하다.
CaF2(s) + PbO(g) = PbF2(g) + CaO(s)
염소와 불소뿐만 아니라 나트륨과 칼륨의 함량 감소는 주로 제철소 분진에 존재하는 납, 나트륨 및 칼륨과 함께 할로겐 화합물의 추가 증발로 인한 것이다. 처리의 제2 단계에서는, 불소가 포함된 나트륨 및 칼륨과 같이 증기압이 낮은 화합물(예: 필터 하우스)의 안정적이지만 느린 휘발이 수행된다.
처리 종료 시에는 염소, 납 및 카드뮴이 90% 이상 제거되고, 불소가 80% 이상 제거되며, 그리고 원래 산업 분진에 비해 제철소 분진의 칼륨 및 나트륨 함량이 크게 감소한다(예: 50% 이상).
또한 이 경우 산화 조건으로 인해 제철소 분진에 포함된 산화아연이 고체 물질에 거의 완전히 남아있어 결과적으로 귀금속 농도가 증가하는 것이 중요하다.
따라서 할로겐이 대부분 제거된 제철소 분진은 일반적인 재활용 공정에서 2차 산화아연 제조 또는 상기 선행하는 단계에 맞게 조정된, 새로 개발된 고품질 산화아연 제조를 위한 출발 생성물로서 사용될 수 있다.
실시예 2
출발점으로는 100% 스크랩이 포함된 건설용 철강 제조를 위한 전기 아크로의 작동에서 발생하는 제철소 분진과 스크랩이 약 20%인 LD 컨버터 작동에서 발생하는 제철소 분진이다. 아래에 설명된 처리 및 측정 계획에 따라 두 가지 실험을 수행하였다. 하나의 실험은 전기 아크로 분진 단독으로 수행하였고, 두 번째 실험은 혼합 분진(80% 전기 아크로 분진 + 20% LD 분진)으로 수행하였다. 아래의 표 2 및 3은 실험에 사용된 분진의 조성을 나타낸다.
| 전기 아크로 분진 | |||
| 성분 | 함량[중량%] | 성분 | 함량[중량%] |
| F | 0.49 | Mg | 0.89 |
| Cl | 5.20 | Mn | 1.20 |
| Na | 2.20 | Si | 1.10 |
| K | 1.70 | Al | 0.75 |
| Fe | 15.50 | Zn | 35.20 |
| Ca | 2.10 | Pb | 2.80 |
| Cr | 0.24 | Ni | 0.02 |
| Cu | 0.32 | Cd | 0.12 |
| 혼합 분진(전기 아크로 분진 80% + LD 분진 20%) | |||
| 성분 | 함량[중량%] | 성분 | 함량[중량%] |
| F | 0.40 | Mg | 1.98 |
| Cl | 4.25 | Mn | 0.99 |
| Na | 1.80 | Si | 1.55 |
| K | 2.45 | Al | 0.63 |
| Fe | 19.40 | Zn | 30.5 |
| Ca | 2.38 | Pb | 2.90 |
| Cr | 0.23 | Ni | 0.21 |
| Cu | 0.63 | Cd | 0.10 |
분진을 펠릿타이저 플레이트를 사용하여 응집하였다. 응집을 위한 생강도를 달성하기 위해 첨가제로서 물을 혼합하였다. 물과 함께 높은 할로겐 함량은 필요한 결합력을 보장하여 충분한 생강도를 보장한다. 산화칼슘의 수화는 보조 효과가 있다. 펠릿화가 완료된 후, 응집체를 조심스럽게 건조시켰다. 건조는 200℃에서 48시간 동안 수행하였다. 건조 후 펠릿을 TBRC로 설계되고 내화 벽돌로 둘러싸인 회전 야금 용기에서 사용하였다. 목표한 바대로의 열처리를 위한 에너지 입력은 CH4/O2 버너를 통해 수행하였으며, 이때 상기 버너는 제어 및/또는 조절된 O2 공급을 통해 공정 과정 동안 제어된 산화 조건도 보장하였다. 처리는 40kg 배치로 수행하였다.
제어된 산화 조건 하에서 목표한 바대로의 열처리 동안 선택된 공정 매개변수는 아래 표 4에 나열되어 있다.
| 공정 매개변수 | 값 |
| 온도(T) | 1100℃ |
| 연소 공기 비율(λ) | 1.2 |
| 회전 속도(n) | 2rpm |
| 가열 속도(ΔT) | 150℃/min |
| 처리 시간(t) | 2.5h |
처리 동안에는 퍼니스 분위기(furnace atmosphere)의 영구적으로 설치된 온도 측정 외에도 충전층의 우세한 온도도 규칙적인 간격으로 점검하였다. 10분의 샘플링 간격은 제어된 산화 조건에서 표적 열처리의 범위 내에서, 제철소 분진에서 할로겐 및 기타 휘발성 성분(예: 필터 하우스를 통해)을 제거하는 공정의 진행 상황을 지속적으로 모니터링할 수 있도록 하였다.
처리가 완료된 후, 처리된 분진 덩어리를 용광로에서 제거하고 강철 주형으로 옮겨 실온으로 냉각시켰다. 완전히 식힌 후 최종 분석을 위해 샘플을 채취하였다. 측정 결과는 아래 표 5에서 확인할 수 있다.
| 실험 1 | 전기 아크로 분진 | |
| 처리 전 | 처리 후 | |
| 질량 | 40.00 kg | 33.48 kg |
| 원소 | 중량% | |
| Cl | 5.2 | 0.26 |
| F | 0.49 | 0.05 |
| Na | 2.2 | 0.68 |
| K | 1.7 | 0.22 |
| Pb | 2.8 | 0.11 |
| Cd | 0.12 | < 0.02 |
| Zn | 35.2 | 38.24 |
| 실험 2 | 혼합 분진 | |
| 처리 전 | 처리 후 | |
| 질량 | 40.00 kg | 34.60 kg |
| 원소 | 중량% | |
| Cl | 4.25 | 0.23 |
| F | 0.4 | 0.08 |
| Na | 1.8 | 1.00 |
| K | 2.45 | 0.42 |
| Pb | 2.9 | 0.30 |
| Cd | 0.1 | < 0.01 |
| Zn | 30.5 | 33.1 |
측정 결과는 두 경우 모두 아연 함량이 크게 증가함을 보여준다. 이는 할로겐 및 기타 휘발성 성분이 제거되었기 때문이다.
반면에 염소 및 불소 함량은 제어된 산화 조건에서 표적 열처리를 통해 크게 줄일 수 있다. 또한 납, 카드뮴, 칼륨 및 나트륨 원소가 상당히 제거됨을 보여준다.
따라서 제어된 산화 조건 하에서 표적 열처리에 의해 제철소 분진에서 할로겐 및 기타 휘발성 성분을 제거하기 위한 본 발명에 따른 방법의 도움으로 제철소 분진 및 기타 금속 함유 분진에서 바람직하게는 Cl, F, Cd, Pb, K 및 Na와 같은 불순물을 제거하는 것이 가능하다. 상기 원소들은 오늘날 확립된 제철소 분진 재활용 공정에서 감소된 산화아연 품질의 주요 원인이다. 따라서 제철소 분진에서 고순도 산화아연을 추출할 수 있으며, 그 결과 한편으로는 1차 아연 산업의 잔류물 하중을 획기적으로 줄이고, 다른 한편으로는 고품질 산화아연용(타이어 산업, 세라믹스, 화학공업 등) 시장에서 가능한 적용을 통해 추가적인 가치를 얻을 수 있다.
보충적으로 "포함하는"이라는 표현은 다른 요소나 단계를 배제하지 않으며, "a" 또는 "an"(단수)은 복수를 배제하지 않음을 유의해야 한다. 또한, 상기 예시적인 실시예들 중 하나를 참조하여 설명된 특징들 또는 단계들은 위에서 설명된 다른 실시예들의 다른 특징들 또는 단계들과 조합하여서도 사용될 수 있음을 유의해야 한다.
Claims (21)
- 산업 분진으로부터 유용 물질 생성물을 제조하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은
가열 장치를 600℃ 이상의 작동 온도로 예열하는 단계;
600℃ 이상의 작동 온도를 갖는 상기 예열된 가열 장치로 적어도 하나의 유용 물질 및 휘발성 성분의 제1 농도를 갖는 산업 분진을 제공하는 단계;
상기 가열 장치에 의해 상기 산업 분진을 처리하는 단계를 포함하고, 이 처리 단계는
분당 20℃ 이상의 속도로 상기 산업 분진을 가열하는 단계,
30분 이상 동안, 900℃ 내지 1200℃ 범위, 특히 1000℃ 내지 1100℃ 범위의 처리 온도로 상기 가열 장치를 사용하여 상기 산업 분진을 열처리하는 단계, 및
상기 처리 과정 동안 산화 조건을 제어 및/또는 조절하는 단계를 포함하고, 상기 처리는 상기 산업 분진으로부터 휘발성 성분을 적어도 부분적으로 제거하는 단계를 포함하며; 그리고
상기 유용 물질 생성물을 제공하는 단계를 포함하는, 산업 분진으로부터 유용 물질 생성물을 제조하는 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 유용 물질 생성물은 상기 적어도 하나의 유용 물질 및 상기 휘발성 성분의 제1 농도보다 낮은 휘발성 성분의 제2 농도를 갖는, 산업 분진으로부터 유용 물질 생성물을 제조하는 방법. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 휘발성 성분은 할로겐, 특히 불소 및/또는 염소를 포함하고; 그리고/또는
상기 휘발성 성분은 금속을 포함하며,
특히 여기서 금속은 납, 카드뮴, 나트륨, 칼륨, 칼슘으로 이루어진 그룹으로부터 적어도 하나를 포함하는, 산업 분진으로부터 유용 물질 생성물을 제조하는 방법. - 청구항 1 내지 청구항 3 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 유용 물질은 금속 산화물, 특히 산화아연 및/또는 산화구리를 포함하는, 산업 분진으로부터 유용 물질 생성물을 제조하는 방법. - 청구항 1 내지 청구항 4 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 산업 분진은 본질적으로 분진 입자의 형태, 특히 금속 추출 및 금속 가공에서 발생하는 분진 입자의 형태인, 산업 분진으로부터 유용 물질 생성물을 제조하는 방법. - 청구항 5에 있어서,
상기 분진 입자는 제철소 분진 또는 구리 산업 분진을 포함하고,
특히 전기 아크로 분진, 주조 공장의 분진, 통합 강철 제조 경로의 분진, 소결 플랜트 분진으로 구성된 그룹에서 하나 이상의 분진을 포함하는, 산업 분진으로부터 유용 물질 생성물을 제조하는 방법. - 청구항 1 내지 청구항 6 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 산업 분진을 제공하는 단계는
상기 산업 분진의 분진 입자의 응집하는 단계를 추가로 포함하는, 산업 분진으로부터 유용 물질 생성물을 제조하는 방법. - 청구항 1 내지 청구항 7 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 처리 단계는
응집된 산업 분진 배치 방식으로 특히, 장입에 의해 수행되는, 산업 분진으로부터 유용 물질 생성물을 제조하는 방법. - 청구항 1 내지 청구항 8 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 산업 분진을 제공하는 단계는
특히, 응집된 산업 분진의 건조 단계를 포함하는, 산업 분진으로부터 유용 물질 생성물을 제조하는 방법. - 청구항 1 내지 청구항 9 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 열처리 단계는
0.1bar 이상의 수증기 분압이 존재하는 방식으로 가열된 분위기에서 수증기를 제어 및/또는 조절하는 단계를 추가로 포함하는, 산업 분진으로부터 유용 물질 생성물을 제조하는 방법. - 청구항 1 내지 청구항 10 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 열처리 단계는
특히, 상기 가열 장치의 적어도 일부를 통한 적어도 일시적인 회전에 의해 상기 산업 분진을 혼합하는 단계를 추가로 포함하는, 산업 분진으로부터 유용 물질 생성물을 제조하는 방법. - 청구항 1 내지 청구항 11 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 산화 조건을 제어 및/또는 조절하는 단계는
연소 공기 비율이 과화학정량적 방식으로, 특히 1.1 내지 1.5 범위, 보다 특히 1.3 내지 1.4 범위가 되는 방식으로 산화제, 특히 산소 및/또는 공기를 공급하는 단계를 포함하는, 산업 분진으로부터 유용 물질 생성물을 제조하는 방법. - 청구항 1 내지 청구항 12 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 산업 분진은 상기 적어도 하나의 유용 물질의 제1 농도를 갖고, 그리고 상기 처리는
처리된 유용 물질 생성물이 상기 제1 농도보다 더 높은 상기 적어도 하나의 유용 물질의 제2 농도를 갖는 방식으로 상기 유용 물질을 농축하는 단계를 추가로 포함하는, 산업 분진으로부터 유용 물질 생성물을 제조하는 방법. - 청구항 1 내지 청구항 13 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 처리는
비휘발성 성분, 특히 불화칼슘 또는 염화칼슘으로 할로겐 및/또는 금속의 화학 반응의 적어도 부분적인 억제하는 단계; 및/또는
휘발성 성분, 특히 불화납으로 할로겐 및/또는 금속의 화학 반응을 촉진하는 단계를 추가로 포함하는, 산업 분진으로부터 유용 물질 생성물을 제조하는 방법. - 청구항 1 내지 청구항 14 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은
상기 산업 분진으로부터 염소, 납 및 카드뮴으로 구성된 그룹에서 적어도 하나를 90%, 특히 95% 이상 제거하는 단계;
상기 산업 분진으로부터 불소 및/또는 칼륨을 80%, 특히 85% 이상 제거하는 단계;
상기 산업 분진으로부터 나트륨을 45%, 특히 50% 이상 제거하는 특징 중 적어도 하나를 갖는, 산업 분진으로부터 유용 물질 생성물을 제조하는 방법. - 청구항 1 내지 청구항 15 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 산업 분진의 가열은 분당 30℃ 이상, 특히 분당 50℃ 이상, 보다 특히 분당 100℃ 이상, 보다 특히 150℃/min 이상의 속도로 수행되는, 산업 분진으로부터 유용 물질 생성물을 제조하는 방법. - 청구항 1 내지 청구항 16 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
상기 가열 장치에 의한 산업 분진의 열처리는 60분 이상, 특히 120분 이상, 보다 특히 180분 이상 동안 수행되는, 산업 분진으로부터 유용 물질 생성물을 제조하는 방법. - 금속 산화물, 특히 산화아연 및/또는 산화구리를 제공하기 위한 방법에 있어서,
전술한 청구항 중 임의의 어느 하나에 따른 유용 물질 생성물을 제조하고/하거나 상응하게 제조된 유용 물질 생성물을 사용하는 단계; 및
고순도 금속 산화물 및/또는 2차 금속 산화물을 제공하기 위해 유용 물질 생성물을 추가로 처리하는 단계를 포함하는, 금속 산화물, 특히 산화아연 및/또는 산화구리를 제공하는 방법. - 청구항 18에 있어서,
상기 유용 물질 생성물의 추가 처리는 전기분해 없이 수행되는, 금속 산화물, 특히 산화아연 및/또는 산화구리를 제공하는 방법. - 산업 분진, 특히 제철소 분진으로부터 제조된 유용 물질 생성물로서, 이 유용 물질 생성물은
산화아연, 특히 10 중량% 이상의 아연을 포함하고,
0.2 중량% 이하의 불소 농도;
2 중량% 이하의 할로겐 농도;
1 중량% 이하의 납 농도;
0.05 중량% 이하의 카드뮴 농도 또는
5 중량% 이하의 휘발성 성분의 농도 특징 중 적어도 하나를 갖는, 유용 물질 생성물. - 청구항 20에 있어서,
상기 유용 물질 생성물은 본질적으로 응집된 형태로 존재하는 분진 입자를 포함하는, 유용 물질 생성물.
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