KR20230093478A - 금속 함유 원료, 폐기물 및/또는 이차 폐기물을 건식 제련하는 방법 및 제련 유닛 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 산화 가스, 환원 가스 및/또는 불활성 가스(G)가 존재하는 상태에서 금속 함유 원료, 폐기물 및/또는 이차 폐기물(M)을 건식 제련하기 위한 방법 및 그 제련 유닛에 관한 것이다.
Description
본 발명은 산화 가스, 환원 가스 및/또는 불활성 가스가 존재하는 상태에서 금속 함유 원료, 폐기물 및/또는 이차 폐기물을 건식 제련(pyrometallurgical smelting)하기 위한 방법 및 그 제련 유닛(smelting unit)에 관한 것이다.
종래 기술로부터, 금속 함유 원료, 폐기물 및/또는 이차 폐기물을 건식 제련하는 방법들 및 상응하는 제련 유닛들은 기본적으로 공지되어 있다. 예컨대 WO 91/05214호는 건식 야금 용융물 내로 유체를 공급하기 위한 TSL(top submerged lance: 상부 침전식 랜스) 시스템 및 그 방법을 개시하고 있고, 유체, 예컨대 산소는 용융물 내로 직접적으로 주입된다.
유럽 특허 EP 0 723 129 B1호는 전기 아크로에서 스크랩, 스크랩과 주철로 이루어진 혼합물, 및 스크랩과 해면철로 이루어진 혼합물을 위한 용융 방법을 개시하고 있다. 로 내에서, 산화 가스는 로의 바닥에 배치된 블라스트 노즐들(blast nozzles)을 통해 최대 10bar의 압력과 168 ~ 360N㎥/h 범위의 유속으로 공급된다. 또한, 산소는 초음속 랜스들(supersonic lances)에 의해 용융 욕조(molten bath) 내로 공급되고, 상기 초음속 랜스들은 용융 금속(molten metal)의 표면 바로 위쪽, 그리고 그에 따라 슬래그상 안쪽의 작동 위치에서 작동한다. 이 경우, 초음속 랜스들은 수평선에 대해 40°내지 50°의 각도로 용융 욕조 내로 산소를 유입시킨다.
또한, 중국 특허 출원 CN 104928493 A호는 용융 반응기를 이용하여 이차 재료에서 금속을 회수하기 위한 방법을 개시하고 있다. 상기 용융 반응기는 냉각 가능한 반응기 벽에 의해 한정되어 있는 원형 챔버를 포함한다. 반응기 벽에는, 복수의 산소 랜스가 슬래그 개구부의 아래쪽에서 수평선에 대해 5°~ 60°의 각도로, 그리고 챔버의 중심에 대해 오프셋되어 배치되어 있으며, 그럼으로써 산소는 용융물 내로 직접적으로 주입될 수 있게 되고, 용융물은 원형 챔버의 안쪽에서 회전될 수 있게 된다.
용융물과 랜스들의 직접적인 접촉을 통해, 종래 기술에서 공지된 랜스들은 매우 거친 조건들로 인해 높은 마모에 노출되어 있다. 그러므로 전문가들의 세계에서는, 상기 유형의 방법들 및 그에 상응하는 제련 유닛들을 개선하려는 요구가 여전히 존재한다.
따라서 본 발명의 과제는, 종래 기술의 단점들을 극복하는데 이용되는 방법 및 제련 유닛을 제공하는 것에 있다.
상기 과제는, 본 발명에 따라서, 특허 청구항 제1항의 특징들을 갖는 방법을 통해, 그리고 특허 청구항 제14항의 특징들을 갖는 제련 유닛에 의해 해결된다.
금속 함유 원료, 폐기물 및/또는 이차 폐기물을 건식 제련하기 위한 본 발명에 따른 방법에 따르면, 상기 금속 함유 원료, 폐기물 및/또는 이차 폐기물이 파쇄된 형태로, 용융 구역, 주반응 구역(main reaction zone) 및 부반응 구역(side reaction zone)을 포함하는 제련 유닛으로 공급되고, 산화 가스, 환원 가스 및/또는 불활성 가스 및/또는 가스 혼합물이 존재하는 상태에서 제련되어, 액체 용융상, 액체 슬래그상(liquid slag phase) 및 가스상(gas phase)이 형성된다.
본원 방법은, 산화 가스, 환원 가스 및/또는 불활성 가스 및/또는 가스 혼합물이, 제련 유닛 내에서 액체 슬래그상의 위쪽에, 그리고 상기 액체 슬래그상과 접촉하지 않게 배치되어 수평선에 대하여 5°내지 85°의 각도로, 바람직하게는 15°내지 80°의 각도로, 보다 더 바람직하게는 25°내지 75°의 각도로, 훨씬 더 바람직하게는 35°내지 70°의 각도로 정렬된 적어도 하나의 인젝터를 통하여 액체 슬래그상 내로 취입되는 것을 특징으로 한다.
동일한 방식으로, 본 발명에 따르면, 산화 가스, 환원 가스 및/또는 불활성 가스 및/또는 가스 혼합물이 존재하는 상태에서 금속 함유 원료, 폐기물 및/또는 이차 폐기물을 건식 제련하기 위해 적합한 제련 유닛으로서, 반응기 벽에 의해 한정된 용융 구역, 주반응 구역 및 부반응 구역, 그리고 반응기 벽에 배치된 적어도 하나의 인젝터를 포함하는 상기 제련 유닛도 제공된다.
본원의 제련 유닛은, 적어도 하나의 인젝터가 부반응 구역 내에 배치되어 수평선에 대하여 5°내지 85°의 각도로, 바람직하게는 15°내지 80°의 각도로, 보다 더 바람직하게는 25°내지 75°의 각도로, 훨씬 더 바람직하게는 35°내지 70°의 각도로 정렬되어, 산화 가스, 환원 가스 및/또는 불활성 가스 및/또는 가스 혼합물이 액체 슬래그상의 위쪽에서 상기 슬래그상 내로 취입될 수 있는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 따르면, 산화 가스, 환원 가스 및/또는 불활성 가스 및/또는 가스 혼합물이, 액체 슬래그상의 욕 표면(bath level) 위쪽에 배치되어 수평선에 대해 특정한 각도로 배치된 적어도 하나의 인젝터를 통하여, 상기 슬래그상 내로 주입되거나 취입될 수 있다. 산화 가스, 환원 가스 및/또는 불활성 가스 및/또는 가스 혼합물의 상기 유형의 주입을 통해, 액체 슬래그상은, 강한 난류가 액체 용융상의 위쪽에 배치되어 부반응 구역에 있는 가스상 내로 취입되는 방식으로, 강한 난류 상태가 된다. 여기서 놀라운 것으로 확인된 점에 따르면, 그를 통해 공정 중에 액체 용융상에 비해, 적어도 5의 인수(factor)만큼, 바람직하게는 적어도 6의 인수만큼, 보다 더 바람직하게는 적어도 7의 인수만큼, 가장 바람직하게는 적어도 8의 인수만큼 더 큰 표면이 달성되고, 이런 표면은 액체 용융상의 위쪽에 배치되고 부반응 구역에 있는 가스상과의 매우 집중적인 접촉과 증가된 질량 및 에너지 전달을 달성한다. 그 외에도, 수평선에 대해 특정 각도로 적어도 하나의 인젝터를 배치하는 것을 통해, 액체 슬래그상이 회전되고, 그럼으로써 주반응 구역 및 부반응 구역 모두의 안쪽에 난류를 추가로 지원하는 소용돌이(vortex)가 형성되게 된다. 이렇게, 제련 유닛의 안쪽에는, 매우 효과적인 야금 반응을 달성하는 최대 난류 환경이 마련될 수 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 구성들은 종속적으로 기재된 청구항들에 명시되어 있다. 종속적으로 기재된 종속항들에 개별적으로 제시된 특징들은 기술적으로 적합한 방식으로 상호 간에 조합될 수 있고 본 발명의 또 다른 구성들을 한정할 수 있다. 더 나아가, 청구범위에 명시된 특징들은 명세서에서 보다 더 상세하고 정확하게 규정되고 설명되며, 본 발명의 또 다른 바람직한 구성들도 설명된다.
본 발명에서 "접촉하지 않게"라는 표현은, 제련 유닛 내로 산화 가스, 환원 가스 및/또는 불활성 가스 및/또는 가스 혼합물을 주입할 수 있는 적어도 하나의 인젝터가 취입 동안뿐만 아니라 그 사이의 공정 단계들에서도 액체 슬래그상과 연속해서 접촉해 있는 것이 아니라, 상기 슬래그상에 대해 특정한 간격으로 이격되어 있고 그에 따라 전체 공정 동안 욕 표면의 위쪽에 배치되어 있는 것을 의미한다. 그러나 공정의 진행 중에 강력한 난류에 따라 존재하고 그에 따라 방지될 수 없는, 액체 슬래그상 및/또는 액체 용융상의 개별 액적(drop)들의 일시적인 접촉은 상기 "접촉하지 않게"라는 표현과 관련된 상황에서 제외된다.
본 발명에서 "인젝터"란 용어는, 달리 정의되지 않는 한, 대체로 중공 원통형 부재로 형성되어 있는 랜스(lance) 또는 주입관(injection pipe)을 의미한다.
본 발명에서 "제련 유닛(smelting unit)"이란 용어는, 원형 또는 각이 진 베이스면 상에 세워진 중공 원통, 중공 원뿔(hollow cone) 또는 중공 직육면체(hollow cuboid)를 포함하는 종래의 욕 용융 유닛(bath melting unit)이며, 중공 원통, 중공 원뿔 또는 중공 직육면체의 높이가 자신의 길이 및 폭의 수 배인 상기 종래의 욕 용융 유닛을 의미한다. 그러므로 바람직하게는, 용융 구역의 위쪽에 배치되는, 제련 유닛의 주반응 구역은 대체로 원형 및/또는 타원형으로 형성되는 횡단면을 가지고 있다.
예컨대 전기 아크로(EAF), 침전식 아크로(SAF: submerged arc furnace) 또는 유도로(IF)처럼, 종래 기술로부터 통상의 기술자에게 공지된 제련 유닛들은 본 발명에 함께 포함되지는 않는다.
바람직한 방식으로, 액체 슬래그상 내로 비접촉 방식으로 산화 가스, 환원 가스 및/또는 불활성 가스 및/또는 가스 혼합물을 취입하는 적어도 하나의 인젝터는, 인젝터 팁(injector tip)과 관련하여, 액체 슬래그상의 표면까지 0.10m의 최소 간격, 바람직하게는 0.15m의 최소 간격, 보다 더 바람직하게는 0.20m의 최소 간격, 훨씬 더 바람직하게는 0.25m의 최소 간격, 가장 바람직하게는 0.30m의 최소 간격을 가진다. 매우 효과적인 야금 반응을 달성하는 이미 설명한 교반 작용 및 인접한 가스상과 액체 슬래그상의 난류 혼합(turbulent mixing) 외에도, 액체 슬래그상까지 이격되는 배치를 통해, 인젝터의 상당한 마모 감소도 달성된다. 이를 통해, 종래 기술에서 공지된 해결책들에서 매우 높고 비용 집약적인 유지보수 노력을 요구하는 인젝터의 추가도 효과적으로 방지된다.
그러나 액체 슬래그상 내로 비접촉 방식으로 산화 가스, 환원 가스 및/또는 불활성 가스 및/또는 가스 혼합물을 취입하는 적어도 하나의 인젝터는 액체 슬래그상의 표면까지의 최대 간격을 상회해서는 안 된다. 그러므로 바람직하게는 적어도 하나의 인젝터는, 인젝터 팁과 관련하여, 액체 슬래그상의 표면까지 2.50m의 최대 간격, 바람직하게는 2.0m의 최대 간격, 보다 더 바람직하게는 1.50m의 최대 간격, 훨씬 더 바람직하게는 1.0m의 최대 간격, 가장 바람직하게는 0.80m의 최대 간격을 가지고 있다.
이와 관련하여, 주지할 사항은, 액체 슬래그상의 욕 표면이 전체 공정 동안 정적 욕 표면 또는 슬래그 레벨을 갖는 것이 아니라, 오히려 상기 욕 표면이 다른 공정 단계로 인해 달라질 수 있다는 점이다. 그러므로 매우 바람직하게는, 액체 슬래그상 내로 비접촉 방식으로 산화 가스, 환원 가스 및/또는 불활성 가스 및/또는 가스 혼합물을 취입하는 적어도 하나의 인젝터는, 액체 슬래그상의 표면까지 0.30m 내지 2.0m 범위의 간격, 매우 바람직하게는 0.50m 내지 1.70m 범위의 간격이 보장되는 방식으로, 제련 유닛 내에 위치된다.
바람직하게는, 산화 가스, 환원 가스 및/또는 불활성 가스 및/또는 가스 혼합물은, 1/4의 최소 깊이로, 바람직하게는 1/3의 최소 깊이로, 보다 더 바람직하게는 2/4의 최소 깊이로, 훨씬 더 바람직하게는 2/3의 최소 깊이로, 가장 바람직하게는 3/4의 최소 깊이로 액체 슬래그상 내로 침투하는 방식으로, 상기 액체 슬래그상 내로 취입된다. 주입되는 산화 가스, 환원 가스 및/또는 불활성 가스 및/또는 가스 혼합물의 속도 및 가스 흐름 임펄스의 특정한 설정을 통해 침투 깊이가 설정될 수 있으며, 그럼으로써 필요한 경우, 그리고 두 매개변수에 따라서, 액체 용융상 내에까지의 침투 역시도 달성될 수 있게 된다. 그에 따라, 필요한 경우, 액체 슬래그상의 아래쪽에 배치되는 금속 함유 용융상이 개질될 수도 있다. 또한, 가스 제트를 통해서는 액체 슬래그상 내의 공동부들(cavitations)이 단시간 파열 개방(tear-open)될 수 있고, 그 다음 상기 공동부들 내로는 금속 함유 원료, 폐기물 및/또는 이차 폐기물이 인입되어 슬래그상의 안쪽에서 보다 더 충분히 분해된다.
바람직한 변형 실시예에서, 적어도 하나의 인젝터를 통하여 슬래그상 내로 취입되는 산화 가스, 환원 가스 및/또는 불활성 가스 및/또는 가스 혼합물은 적어도 50m/s의 속도로, 바람직하게는 적어도 100m/s의 속도로, 보다 더 바람직하게는 150m/s의 속도로, 훨씬 더 바람직하게는 적어도 200m/s의 속도로, 추가로 바람직하게는 적어도 250m/s의 속도로, 가장 바람직하게는 적어도 300m/s의 속도로 취입될 수 있고, 여기서 언급되는 속도 값들은, 각각의 가스가 인젝터에서 유출될 때, 다시 말해 인젝터의 팁에서 가지는 유출 속도이다.
최대 속도와 관련하여, 바람직하게는, 산화 가스, 환원 가스 및/또는 불활성 가스 및/또는 가스 혼합물은 최대 1000m/s의 속도로, 보다 더 바람직하게는 최대 800m/s의 속도로, 훨씬 더 바람직하게는 최대 600m/s의 속도로, 추가로 바람직하게는 최대 550m/s의 속도로, 가장 바람직하게는 최대 450m/s의 속도로 액체 슬래그상 내로 취입된다.
이와 관련하여, 매우 바람직하게는, 적어도 하나의 인젝터는 라발 노즐(Laval nozzle)을 포함하고, 이런 라발 노즐을 통해서는 산화 가스, 환원 가스 및/또는 불활성 가스 및/또는 가스 혼합물이 액체 슬래그상 내로 취입된다. 라발 노즐은, 노즐 목부(nozzle throat)에서 서로 인접하는 수렴 섹션(convergent section) 및 발산 섹션(divergent section)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 최협폭 횡단면에서의 반경, 유출구 반경뿐만 아니라 노즐 길이는 각각의 설계 사례에 따라서 상이할 수 있다. 상기 유형의 라발 노즐은, 본원에서 참조되고 본 발명의 개시의 일부분을 나타내는 독일 공보 DE 10 2011 002 616 A1호로부터 공지되어 있다.
또 다른 바람직한 변형 실시예에서, 라발 노즐은, 추가로, 동축 노즐 또는 환상 간극 노즐(annular gap nozzle)을 더 포함하고, 이러한 노즐을 통해서는 제2 산화 가스, 환원 가스 및/또는 불활성 가스 및/또는 가스 혼합물이 슬래그상쪽으로 분사될 수 있다. 바람직하게는 초음속형 라발 노즐을 포함하는 인젝터에 의해 제1 산화 가스, 환원 가스 및/또는 불활성 가스 및/또는 가스 혼합물이, 액체 슬래그상으로 침투하는 방식으로, 액체 슬래그상 내로 취입되는 반면에, 제2 산화 가스, 환원 가스 및/또는 불활성 가스 및/또는 가스 혼합물은 환상 간극 노즐을 통하여 슬래그상쪽으로 분사되기만 하고 슬래그상으로 침투하지는 않는다. 그러므로 제2 산화 가스, 환원 가스 및/또는 불활성 가스 및/또는 가스 혼합물은, 본 발명에서, "차단 가스(sheathing gas)"로 지칭되고, 그에 반해 제1 산화 가스, 환원 가스 및/또는 불활성 가스 및/또는 가스 혼합물은 하기에서 "반응 가스(reaction gas)"로 지칭된다.
제1 및/또는 제2 산화 가스 및/또는 가스 혼합물은 바람직하게는 산소, 공기 및/또는 산소 농후 공기(oxygen enriched air)를 포함하는 계열에서 선택된다. 제1 및/또는 제2 환원 가스 및/또는 가스 혼합물은 바람직하게는 천연가스, 특히 메탄, 일산화탄소, 수증기, 수소, 특히 그린 수소(green hydrogen), 및/또는 이들의 가스 혼합물들을 포함하는 계열에서 선택된다. 제1 및/또는 제2 불활성 가스 및/또는 가스 혼합물은 바람직하게는 질소, 아르곤, 이산화탄소, 및/또는 이들의 가스 혼합물들을 포함하는 계열에서 선택된다.
그린 수소란 용어는, 본 발명의 의미에서, 상기 그린 수소가 전기분해로 물을 산소와 수소로 분할하는 것을 통해 제조되었고, 전기분해를 위해 필요한 전류는 풍력, 수력 및/또는 태양광과 같은 재생 가능한 에너지들에서 기인하는 것을 의미한다.
제련 유닛 내로, 반응 가스 외에도, 추가로 반응성 및/또는 불활성 차단 가스 및/또는 차단 가스 혼합물을 유입시키는 가능성은, 바람직하게는 액체 슬래그상 및 가스상 내에서 화학 퍼텐셜(chemical potential)의 제어 및 산소 부분 압력의 조절 모두를 허용한다. 이 경우, 가스상의 화학 퍼텐셜은 제련할 금속 함유 원료, 폐기물 및/또는 이차 폐기물로 이루어진 반응; 액체 용융 및 슬래그상에서 상기 반응에 기인하는 반응 가스 버블; 및 공급되는 차단 가스;의 화학 퍼텐셜을 통해 형성된다.
바람직한 변형 실시예에서, 액체 슬래그상 내로 취입되는 반응 가스의 조성은 일정하게 유지될 수 있는 반면, 차단 가스의 조성은 가스 분위기의 화학 퍼텐셜의 최적의 제어를 위한 요구에 따라서 목표한 바대로 변경될 수 있다.
그에 보충하여, 그리고/또는 그 대안으로, 또 다른 바람직한 변형 실시예에서, 슬래그상쪽으로 분사되는 차단 가스의 조성은 일정하게 유지될 수 있는 반면, 액체 슬래그상 내로 공급되는 반응 가스 또는 반응 가스 혼합물의 조성은 화학 퍼텐셜의 최적의 제어를 위한 요구에 따라서 목표한 바대로 변경될 수 있다.
반응 가스가 액체 슬래그상 내로 취입되는 바람직한 유량(flow rate)은 적어도 300N㎥/h, 바람직하게는 적어도 350N㎥/h, 보다 더 바람직하게는 적어도 400N㎥/h, 훨씬 더 바람직하게는 적어도 450N㎥/h, 가장 바람직하게는 적어도 500N㎥/h이다. 유량은 기준에 따른 변수를 나타내기 때문에, 상기 유량은 유닛 크기에 따라서 보다 더 커질 수 있다.
이미 앞서 설명한 것처럼, 액체 용융상은 수평선에 대해 특정한 각도로 적어도 하나의 인젝터를 배치하는 것을 통해 회전되고, 그럼으로써 주반응 구역 및 부반응 구역 모두의 안쪽에 소용돌이가 형성되게 된다. 액체 슬래그상 내에서의 매우 효율적인 소용돌이, 즉 분쇄된 금속 함유 원료, 폐기물 및/또는 이차 폐기물의 첨가에 대하여 바람직하게 작용하는 소용돌이를 달성하기 위해, 바람직하게는 반응 가스는 적어도 하나의 인젝터를 통하여 가상의 유동 링(flowing ring)에 대해 접선으로 슬래그상 내로 취입되고, 유동 링은, 주반응 구역의 내경의 0.1배 내지 0.9배, 보다 더 바람직하게는 그 내경의 0.1배 내지 0.8배, 훨씬 더 바람직하게는 그 내경의 0.2배 내지 0.7배, 가장 바람직하게는 그 내경의 0.2배 내지 0.6배에 해당하는 지름을 가진다. 바람직한 것으로 확인된 점에 따르면, 액체 슬래그상의 특정한 회전 속도에서, 상기 액체 슬래그상의 중심에 용오름 현상(spout)이 형성될 수 있고, 이런 용오름 현상을 통해서는 분쇄된 금속 함유 원료, 폐기물 및/또는 이차 폐기물은 액체 용융상 내로 직접적으로 유입될 수 있고, 그리고/또는 액체 슬래그상에 의해 적어도 직접적으로 수용되고 그에 따라 공정 중에 훨씬 더 빠르게 분해될 수 있다. 종래 기술에서 공지된 공정들과 달리, 분해 공정은 의도하는 주반응 구역에서, 또는 액체 슬래그상 내에서 일어나지만, 그 표면들에서는 일어나지 않는다.
그러므로 매우 바람직한 변형 실시예에서, 금속 함유 원료, 폐기물 및/또는 이차 폐기물은 액체 슬래그상의 위쪽에 배치되는 제련 유닛의 개구부를 통해 슬래그상의 중심 내로 목표한 바대로 공급된다.
이 경우, 반응 가스가 제련 유닛의 벽에 배치된 적어도 2개, 보다 더 바람직하게는 적어도 3개, 훨씬 더 바람직하게는 적어도 4개, 가장 바람직하게는 적어도 5개의 인젝터를 통하여 액체 슬래그상 내로 취입되고, 복수의 인젝터는 바람직하게는 제련 유닛의 주연을 따라서 동일한 간격으로 배치될 때, 앞서 설명한 효과가 매우 바람직하게 작용한다.
그에 추가로, 그리고/또는 그 대안으로, 분쇄되고, 그리고/또는 경우에 따라 분말형인 금속 함유 원료, 폐기물 및/또는 이차 폐기물은, 적어도 하나의 인젝터의 영역에 배치되는 적어도 하나, 바람직하게는 적어도 2개, 보다 더 바람직하게는 적어도 3개의 주입 랜스(injection lance)를 통하여 액체 슬래그상 내로 첨가될 수 있다. 적어도 하나, 바람직하게는 복수의 주입 랜스를 통해서는, 분쇄되고, 그리고/또는 경우에 따라 분말형인 재료가 직접적으로 액체 슬래그상 내로, 보다 더 바람직하게는 액체 슬래그상의 안쪽에서 적어도 하나의 인젝터에 의해 생성된 공동부 내로 직접적으로 취입될 수 있고, 그리고/또는 인젝터의 가스 버블 내로 직접적으로 취입될 수 있으며, 그럼으로써 분쇄되고, 그리고/또는 경우에 따라 분말형인 금속 함유 원료, 폐기물 및/또는 이차 폐기물은 그 다음 액체 슬래그상 내에 도달하게 된다. 따라서, 상기 원료, 폐기물 및/또는 이차 폐기물은 최소의 손실로 효과적으로 변환될 수 있다. 매우 효과적인 변환은, 재료가 0.01 내지 5.0㎜의 평균 입자 크기, 바람직하게는 3.5㎜ 미만의 평균 입자 크기, 보다 더 바람직하게는 3.0㎜ 미만의 평균 입자 크기를 보유할 때 달성된다.
또 다른 바람직한 변형 실시예에서, 적어도 하나의 인젝터를 통하여 슬래그상 내로 취입되는 반응 가스는 맥동식으로 취입될 수 있다.
본원의 제련 공정에서 사용되는 금속 함유 원료, 폐기물 및/또는 이차 폐기물은, 현저한 비율의 탄화수소를 함유하고 있는 점에 한해, 제련 공정의 집중적인 냉각을 요구하는 높은 에너지 함량을 포함할 수 있다. 그러므로 매우 바람직한 변형 실시예에서, 산화 가스, 환원 가스 및/또는 불활성 가스 및/또는 가스 혼합물은 적어도 하나의 인젝터를 통해 압축되어 공급되어 제련 유닛의 내부에서 단열 팽창(adiabatic expansion)되고 그런 다음 단열 팽창된 가스 및/또는 가스 혼합물로서 액체 슬래그상 내로 취입된다. 산화 가스, 환원 가스 및/또는 불활성 가스 및/또는 가스 혼합물 내지 반응 가스의 단열 팽창을 통해, 제련 유닛의 내부에서 직접적인 냉각 효과가 일어나며, 이런 냉각 효과를 통해서는 공정의 에너지/열 밸런스가 목표한 바대로 제어된다. 이렇게, 바람직하게는 라발 노즐을 포함하는 인젝터의 압력, 유동 및/또는 노즐 기하구조의 설정을 통해, 적어도 10J/N㎥의 냉각 효과, 보다 더 바람직하게는 적어도 100J/N㎥의 냉각 효과, 훨씬 더 바람직하게는 적어도 1.0J/N㎥의 냉각 효과, 가장 바람직하게는 적어도 5.0kJ/N㎥의 냉각 효과가 달성될 수 있는 방식으로, 반응 가스의 단열 팽창이 설정될 수 있다.
출력 값들(power values)과 관련하여 주지할 사항은, 상기 출력 값들이 DIN1343:1990-01에 준하는 표준 세제곱미터에 관련되는 출력 정격(power rating)이라는 점이다.
달성 가능한 냉각 효과의 최댓값은 물리적으로 원칙상 주울-톰슨 효과(Joule-Thompson effect)를 통해 제한된다. 그러므로 바람직하게는 라발 노즐을 포함하는 인젝터의 압력, 유동 및/또는 노즐 기하구조의 설정을 통해, 최대 100KJ/N㎥의 냉각 효과, 보다 더 바람직하게는 최대 90KJ/N㎥의 냉각 효과, 훨씬 더 바람직하게는 최대 80KJ/N㎥의 냉각 효과, 가장 바람직하게는 최대 70KJ/N㎥의 냉각 효과가 달성될 수 있는 방식으로, 반응 가스의 단열 팽창이 설정될 수 있다.
여기서 주지할 사항은, 본원에서 명시되는 냉각 효과가 양의 주울-톰슨 계수(μ)를 보유하는 가스 및/또는 가스 혼합물에 의해서만 달성될 수 있다는 점이다.
또한, 바람직한 것으로 확인된 점에 따르면, 제련 유닛의 안쪽에서 반응 가스의 단열 팽창을 통해, 액체 슬래그상의 큰 비표면(specific surface)의 형성이 재차 증가될 수 있고, 이러한 형성은, 최종적으로 에워싸는 가스 분위기와의 매우 집중적인 접촉으로 이어지면서, 화학 반응뿐만 아니라 그의 변환도(degree of conversion)도 증가시킨다.
결과적으로 냉각 매체로서도 이용되는 반응 가스를 이용한, 제련 유닛의 내부에서의 직접적인 냉각을 통해, 통상적으로 냉각 패널 및/또는 냉각 채널들의 사용을 통해 수행되는 외부 냉각 조치들은 바람직한 방식으로 확대될 수 있으며, 이는 전체 냉각 관리를 상당히 간소화하고 개선한다. 또한, 직접적인 냉각을 통해, 제련 유닛의 내화 라이닝(fire-proof lining)의 유효수명도 연장될 수 있으며, 이는 제련 유닛의 운영 경제성에 바람직하게 작용한다.
본 발명에 따른 방법은, 기본적으로, 금속 함유 원료, 폐기물 및/또는 이차 폐기물을 건식 제련하기 위해 제공된다. 보다 구체적으로는, 상기 원료, 폐기물 및/또는 이차 폐기물은, 특히 유기물 함유 스크랩과 같은, 안티몬, 비스무트, 납, 철, 갈륨, 금, 인듐, 구리, 니켈, 팔라듐, 백금, 로듐, 루테늄, 은, 아연 및/또는 주석을 함유한 원료, 폐기물 및/또는 이차 폐기물이다.
본 발명의 의미에서, 유기 성분들을 함유하는 스크랩이 유기물 함유 스크랩으로서 해석된다. 바람직한 유기물 함유 스크랩들은, 전자 폐기물, 자동차 파쇄 스크랩 및/또는 변압기 파쇄 스크랩, 특히 경량 분쇄 파편(schredder light fraction)을 포함하는 계열에서 선택된다.
본 발명에서 "전자 폐기물"이란 용어는, EU 지침 2002/96/EG에 상응하게 정의되는 전자 레거시 장치(electronic legacy device)를 의미한다. 상기 지침에 의해 파악되는 장치 카테고리들은, 대형 가정 기기; 소형 가정 기기; IT 및 통신 기기; 전자오락기구의 기기; 조명 기구; 전기 및 전자 공구(고정되어 있는 산업용 대형 공구는 제외); 전기 장난감뿐만 아니라 스포츠 및 여가 기기; 의료 기기(이식되고 전염된 모든 제품은 제외); 모니터링 및 점검 공구; 및 자동 출력 장치;에 관계된다. 상응하는 장치 카테고리에 속하는 개별 제품들과 관련하여서는 지침의 별첨 IB가 참조된다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 그 외에도 금속 함유 원료, 폐기물 및/또는 이차 폐기물을 건식 제련하기 위한 방법에 관한 것이며, 상기 원료, 폐기물 및/또는 이차 폐기물은, 파쇄된 형태로, 용융 구역, 주반응 구역 및 부반응 구역을 포함한 제련 유닛으로 공급되고, 그리고 산화 가스, 환원 가스 및/또는 불활성 가스 및/또는 가스 혼합물이 존재하는 상태에서 제련되고, 그럼으로써 액체 용융상, 액체 슬래그상 및 가스상이 형성되게 되고, 산화 가스, 환원 가스 및/또는 불활성 가스 및/또는 가스 혼합물은 적어도 하나의 인젝터를 통해 압축되어 공급되어 제련 유닛의 안쪽에서 단열 팽창되고, 그런 다음 바람직하게는 적어도 10J/N㎥의 냉각 효과가 달성되는 방식으로, 단열 팽창된 가스 및/또는 가스 혼합물로서 액체 슬래그상 내로 취입된다.
본 발명 및 기술적 환경은 하기에서 도면들에 근거하여 보다 더 상세하게 설명된다. 여기서 주지할 사항은, 본 발명이 도시된 실시예들을 통해 제한되지 않아야 한다는 점이다. 특히 분명히 다른 방식으로 설명되지 않는 점에 한해, 도면들에서 설명되는 내용들에서 부분 양태들을 발췌하여 본원 명세서 및/또는 도면들에서의 다른 구성요소들 및 지식들과 조합할 수도 있다. 특히 주지할 사항은, 도면들과 특히 도시된 크기 비율이 개략적인 것일 뿐이라는 점이다. 동일한 도면부호들은 동일한 대상들을 나타내며, 그럼으로써 경우에 따라 다른 도면들에서의 설명이 보충적으로 고려될 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 제련 유닛의 일 변형 실시예를 도시한 개략적 단면도이다.
도 2는 절단선 A-A에 따라서 제련 유닛을 절단하여 도시한 도면이다.
도 2는 절단선 A-A에 따라서 제련 유닛을 절단하여 도시한 도면이다.
도 1에는, 산화 가스, 환원 가스 및/또는 불활성 가스 및/또는 가스 혼합물(G)이 존재하는 상태에서, 하기에서 제련 대상 재료(M)로 지칭되는 금속 함유 원료, 폐기물 및/또는 이차 폐기물을 건식 제련하기 위해 제공되는 본 발명에 따른 제련 유닛(1)의 일 변형 실시예가 개략도로 도시되어 있다. 산화 가스, 환원 가스 및/또는 불활성 가스 및/또는 가스 혼합물(G)은 하기에서 반응 가스(G)로 지칭된다.
본원에서 도시된 제련 유닛(1)은, 하부 영역에 베이스면(2) 및 이 베이스면(2)으로부터 수직으로 뻗어 있으면서 대체로 원통형으로 형성된 반응기 벽(3)을 포함하는 종래 욕 용융 유닛의 형태로 형성되고, 상기 반응기 벽은 원추형으로 형성된 제1 영역(4)과 원추형으로 형성된 제2 영역(5)을 포함한다. 제련 유닛(1)은 용융 구역(6), 주반응 구역(7) 및 부반응 구역(8)을 포함한다.
제련 유닛(1)의 제1 원추형 영역(4)은, 용융 구역(6) 및 주반응 구역(7)을 에워싸는 방식으로 구성된다. 주반응 구역(7)의 위쪽에는 부반응 구역(8)이 뻗어 있다.
제1 원추형 영역(4) 내에서는, 파쇄된 제련 대상 재료(M)가 반응 가스(G)가 존재하는 상태에서 제련되고, 그럼으로써 액체 용융상(9) 및 액체 슬래그상(10)이 형성되게 된다.
도 1의 도면에 기초하여 확인할 수 있는 것처럼, 반응 가스(G)는 반응기 벽(3)에 배치된 인젝터(11)들을 통하여 제련 유닛(1) 내로 취입된다. 인젝터(11)들은 제1 원추형 영역(4)과 제2 원추형 영역(5) 사이에서 링 요소(12) 내에 배치되고, 상기 링 요소는 특유의 방식으로 형성된 수냉식 포트(13)들을 포함하고, 이들 포트 내에 인젝터(11)들이 그에 상응하게 포지셔닝되어 있다.
반응 가스(G)는, 본원에 도시된 변형 실시예에서, 제련 유닛(1) 내에서 액체 슬래그상(10)의 위쪽에, 그리고 부반응 구역(8) 내에 배치된 인젝터(11)들을 통하여 슬래그상(10) 내로 취입된다. 인젝터(11)들은, 도면에 근거하여 확인할 수 있는 것처럼, 특정한 각도로 정렬되어 액체 슬래그상(10)의 위쪽에 배치된다. 각도는 예컨대 수평선(H)에 대하여 5°내지 85°의 범위일 수 있다.
인젝터(11)들 각각은 각각 하나의 라발 노즐(14)을 포함하고, 이 라발 노즐을 통해서 반응 가스(G)가 초음속 속도로 슬래그상(10) 내로 취입될 수 있다. 또한, 반응 가스(G)는, 바람직하게는 각각 하나의 라발 노즐(14)을 포함하는 인젝터(11)들을 통해 압축되어 제련 유닛(1) 내로 공급되어 제련 유닛(1)의 안쪽에서 단열 팽창되고, 그런 다음 특히 바람직하게는 발열성으로 진행되는 반응 공정 중에 공정에 매칭되는 열량이 제거될 수 있는 방식으로, 단열 팽창된 반응 가스로서 액체 슬래그상(10) 내로 취입된다.
또한, 인젝터(11)들 각각은 외측에 동축 노즐(15)을 포함하고, 이런 동축 노즐을 통해서는 차단 가스(미도시)가 액체 슬래그상(10)쪽으로 분사될 수 있다.
도 2에는, 절단선 A-A에 따르는 제련 유닛(1)의 도면이 도시되어 있다. 여기서는, 특히 상호 간에 동일한 간격으로 배치되어 있는 3개의 인젝터(11)를 확인할 수 있고, 이들 인젝터를 통해서는 반응 가스(G)가 가상의 유동 링(16)에 대하여 접선으로 액체 슬래그상(10) 내로 취입되고, 유동 링(16)은 주반응 구역(7)의 내경의 0.1배 내지 0.9배에 해당하는 지름을 가질 수 있다.
제련 대상 재료(M)는, 슬래그상(10)의 위쪽에 배치되는 제련 유닛(1)의 개구부를 통해, 상기 슬래그상의 중심 내로 공급될 수 있다. 그에 추가로, 또는 그 대안으로, 상기 제련 대상 재료는, 인젝터(11)의 영역 내에 배치되는 주입 랜스(18)을 통하여 액체 슬래그상(10)으로 공급될 수도 있다.
1: 제련 유닛
2: 베이스면
3: 반응기 벽
4: 제1 원추형 영역
5: 제2 원추형 영역
6: 용융 구역
7: 주반응 구역
8: 부반응 구역
9: 용융상
10: 슬래그상
11: 인젝터
12: 링 요소
13: 포트
14: 라발 노즐
15: 동축 노즐
16: 가상의 유동 링
17: 개구부/장입 시스템
18: 주입 랜스
M: 제련 대상 재료
H: 수평선
G: 반응 가스
2: 베이스면
3: 반응기 벽
4: 제1 원추형 영역
5: 제2 원추형 영역
6: 용융 구역
7: 주반응 구역
8: 부반응 구역
9: 용융상
10: 슬래그상
11: 인젝터
12: 링 요소
13: 포트
14: 라발 노즐
15: 동축 노즐
16: 가상의 유동 링
17: 개구부/장입 시스템
18: 주입 랜스
M: 제련 대상 재료
H: 수평선
G: 반응 가스
Claims (16)
- 금속 함유 원료, 폐기물 및/또는 이차 폐기물(M)을 건식 제련하기 위한 건식 제련 방법으로서, 상기 금속 함유 원료, 폐기물 및/또는 이차 폐기물이 파쇄된 형태로, 용융 구역(6), 주반응 구역(7) 및 부반응 구역(8)을 포함하는 제련 유닛(1)으로 공급되고, 산화 가스, 환원 가스 및/또는 불활성 가스 및/또는 가스 혼합물(G)이 존재하는 상태에서 제련되어, 액체 용융상(9), 액체 슬래그상(10) 및 가스상이 형성되는, 상기 건식 제련 방법에 있어서,
상기 산화 가스, 환원 가스 및/또는 불활성 가스 및/또는 가스 혼합물(G)이, 상기 제련 유닛(1) 내에서 상기 액체 슬래그상(10)의 위쪽에, 그리고 상기 액체 슬래그상과 접촉하지 않게 배치되어 수평선에 대하여 5°내지 85°의 각도로 정렬된 적어도 하나의 인젝터(11)를 통하여 상기 액체 슬래그상(10) 내로 취입되는 것을 특징으로 하는 건식 제련 방법. - 제1항에 있어서, 상기 액체 슬래그상(10)과 접촉하지 않고 상기 액체 슬래그상(10) 내로 상기 산화 가스, 환원 가스 및/또는 불활성 가스 및/또는 가스 혼합물(G)을 취입하는 상기 적어도 하나의 인젝터(11)는, 상기 액체 슬래그상(10)의 표면까지 0.10m의 최소 간격, 바람직하게는 0.15m의 최소 간격, 보다 더 바람직하게는 0.20m의 최소 간격, 훨씬 더 바람직하게는 0.25m의 최소 간격, 가장 바람직하게는 0.30m의 최소 간격을 가지는 것을 특징으로 하는 건식 제련 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 인젝터(11)를 통하여 상기 슬래그상(10) 내로 취입되는 상기 산화 가스, 환원 가스 및/또는 불활성 가스 및/또는 가스 혼합물(G)은 적어도 50m/s의 속도로, 바람직하게는 적어도 100m/s의 속도로, 보다 더 바람직하게는 150m/s의 속도로, 훨씬 더 바람직하게는 적어도 200m/s의 속도로, 보다 더 바람직하게는 적어도 250m/s의 속도로, 가장 바람직하게는 적어도 300m/s의 속도로 취입되는 것을 특징으로 하는 건식 제련 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 인젝터(11)는, 상기 액체 슬래그상(10) 내로 상기 산화 가스, 환원 가스 및/또는 불활성 가스 및/또는 가스 혼합물(G)을 취입하는 라발 노즐(14)을 포함하고, 바람직하게는 추가로 상기 액체 슬래그상(10)쪽으로 제2 산화 가스, 환원 가스 및/또는 불활성 가스 및/또는 가스 혼합물(G)을 분사하는 동축 노즐(15)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 건식 제련 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 산화 가스, 환원 가스 및/또는 불활성 가스 및/또는 가스 혼합물(G)은 적어도 300N㎥/h의 유량으로, 바람직하게는 적어도 350N㎥/h의 유량으로, 보다 더 바람직하게는 적어도 400N㎥/h의 유량으로, 훨씬 더 바람직하게는 적어도 450N㎥/h의 유량으로, 가장 바람직하게는 적어도 500N㎥/h의 유량으로 상기 슬래그상(10) 내로 취입되는 것을 특징으로 하는 건식 제련 방법.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용융 구역(6)의 위쪽에 배치된 상기 제련 유닛(1)의 주반응 구역(7)은 대체로 원형 및/또는 타원형으로 형성되는 횡단면을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 건식 제련 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 제1 산화 가스, 환원 가스 및/또는 불활성 가스 및/또는 가스 혼합물(G)은 상기 적어도 하나의 인젝터(11)를 통하여 가상의 유동 링(16)에 대하여 접선방향으로 상기 액체 슬래그상(10) 내로 취입되고, 상기 유동 링(16)은 상기 주반응 구역(7)의 내경의 0.1배 내지 0.9배에 해당하는 지름을 가지는 것을 특징으로 하는 건식 제련 방법.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 인젝터(11)를 통하여 상기 액체 슬래그상(10) 내로 취입되는 상기 제1 산화 가스, 환원 가스 및/또는 불활성 가스 및/또는 가스 혼합물(G)이 맥동식으로 취입되는 것을 특징으로 하는 건식 제련 방법.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 산화 가스 및/또는 가스 혼합물(G)은 산소, 공기 및/또는 산소 농후 공기를 포함하는 계열에서 선택되고; 상기 환원 가스 및/또는 가스 혼합물은 천연가스, 특히 메탄, 일산화탄소, 수증기, 수소, 특히 그린 수소, 및/또는 이들의 가스 혼합물을 포함하는 계열에서 선택되고; 상기 불활성 가스 및/또는 가스 혼합물은 질소, 아르곤, 이산화탄소, 및/또는 이들의 가스 혼합물을 포함하는 계열에서 선택되는 것을 특징으로 하는 건식 제련 방법.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 산화 가스, 환원 가스 및/또는 불활성 가스 및/또는 가스 혼합물(G)이 상기 적어도 하나의 인젝터(11)를 통하여 압축상태로 공급되어, 바람직하게는 10J/N㎥ 내지 100KJ/N㎥ 범위의 냉각 효과가 달성되도록, 상기 제련 유닛(1)의 내부에서 단열 팽창된 다음, 단열 팽창된 가스 및/또는 가스 혼합물이 상기 액체 슬래그상(10) 내로 취입되는 것을 특징으로 하는 건식 제련 방법.
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 함유 원료, 폐기물 및/또는 이차 폐기물이 상기 액체 슬래그상(10)의 위쪽에 배치된 개구부(17)를 통해 상기 액체 슬래그상(10)의 중심 내로 공급되는 것을 특징으로 하는 건식 제련 방법.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 함유 원료, 폐기물 및/또는 이차 폐기물은, 경우에 따라 추가적으로, 상기 제련 유닛(1)의 벽(3)에 배치된 적어도 하나의 주입 랜스(18)를 통해 상기 액체 슬래그상(10) 내로 취입되는 것을 특징으로 하는 건식 제련 방법.
- 제12항에 있어서, 상기 적어도 하나의 주입 랜스(18)는 적어도 하나의 인젝터(11)의 영역에 배치되는 것을 특징으로 하는 건식 제련 방법.
- 산화 가스, 환원 가스 및/또는 불활성 가스 및/또는 가스 혼합물(G)이 존재하는 상태에서 금속 함유 원료, 폐기물 및/또는 이차 폐기물(M)을 건식 제련하기 위한 제련 유닛(1)으로서, 반응기 벽(3)에 의해 한정된 용융 구역(6), 주반응 구역(7) 및 부반응 구역(8), 그리고 반응기 벽(3)에 배치된 적어도 하나의 인젝터(11)를 포함하는 상기 제련 유닛에 있어서,
상기 산화 가스, 환원 가스 및/또는 불활성 가스 및/또는 가스 혼합물(G)이 상기 액체 슬래그상(10)의 위쪽에서 상기 액체 슬래그상 내로 취입될 수 있도록, 상기 적어도 하나의 인젝터(11)가 상기 부반응 구역(8) 내에 배치되어 수평선에 대해 5°내지 85°의 각도로 정렬되어 있는 것을 특징으로 하는 제련 유닛(1). - 제14항에 있어서, 상기 적어도 하나의 인젝터(11)가 상기 반응기 벽(3) 내부의 선택적으로 냉각되는 포트(13)에 끼워져 있는 것을 특징으로 하는 제련 유닛(1).
- 금속 함유 원료, 폐기물 및/또는 이차 폐기물(M)을 건식 제련하기 위한 건식 제련 방법으로서, 상기 금속 함유 원료, 폐기물 및/또는 이차 폐기물이 파쇄된 형태로, 용융 구역(6), 주반응 구역(6) 및 부반응 구역(8)을 포함하는 제련 유닛(1)으로 공급되고, 산화 가스, 환원 가스 및/또는 불활성 가스 및/또는 가스 혼합물(G)이 존재하는 상태에서 제련되어, 액체 용융상(9), 액체 슬래그상(10) 및 가스상이 형성되는, 상기 건식 제련 방법에 있어서,
상기 산화 가스, 환원 가스 및/또는 불활성 가스 및/또는 가스 혼합물(G)이 적어도 하나의 인젝터(11)를 통해 압축상태로 공급되어, 바람직하게는 적어도 10J/N㎥의 냉각 효과가 달성되도록, 상기 제련 유닛(1)의 내부에서 단열 팽창된 다음, 단열 팽창된 가스 및/또는 가스 혼합물이 상기 액체 슬래그상(10) 내로 취입되는 것을 특징으로 하는 건식 제련 방법.
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