초록 ▼

전기로 분진의 화학 조성은 CaO-SiO₂-FeO-ZnO을 주성분으로 하는 융점이 2,000℃이상의 고융점 화합물인 2CaO·SiO₂(DicalciumSilicate)와 $FeO_x$·ZnO(Franklinite)의 혼합물로 이루어져 있으며, 분진의 대부분이 그 크기가 1㎛ 이하인 극 미분의 형태임을 알 수 있다. 이와 같은 전기로 분진의 고융점 특성 및 미분 특성은 분진 처리에 있어 많은 어려움을 제고하며, 결국 분진의 환경적처리비용의 증대 및 분진 중 다량 함유되어 있는 Zn 등의 유가 금속의 폐기라는 문제점

전기로 분진의 화학 조성은 CaO-SiO₂-FeO-ZnO을 주성분으로 하는 융점이 2,000℃이상의 고융점 화합물인 2CaO·SiO₂(DicalciumSilicate)와 $FeO_x$·ZnO(Franklinite)의 혼합물로 이루어져 있으며, 분진의 대부분이 그 크기가 1㎛ 이하인 극 미분의 형태임을 알 수 있다. 이와 같은 전기로 분진의 고융점 특성 및 미분 특성은 분진 처리에 있어 많은 어려움을 제고하며, 결국 분진의 환경적처리비용의 증대 및 분진 중 다량 함유되어 있는 Zn 등의 유가 금속의 폐기라는 문제점을 제공하는 가장 큰 원인이 되어져 왔다
따라서, 본 연구에서는 고융점의 미분인 전기로 분진의 처리 및 분진으로부터 Zn 회수를 효율적으로 달성하기 위한 연구로서 고체 환원 기구의적용 및 저온에서의 회수 공정화 및 Agglomeration 기법 도입을 통한 회수 공정중 재분진 억제라는 2가지 방안을 적용한 기술적 개념으로 상온에서 미분 광석과 탄소를 혼합 조립하여 환원제와 산화물을 공존시키고, Boudouard 반응 영역에서 탄소와 산화물 원료를 고체 환원시킴으로서 유가금속을 회수하고 맥석성분을 슬래그 융체로서 분리함으로써 재분진과 같은 공정상 문제점을 해결할 수 있는 "탄소 내장 Pellet법"을 적용하여 기존의 미분의 분진처리 기술의 문제점인 가열시 분체간 가스 팽창에 의한 높은 재분진율과 낮은 접촉면적에 의한 낮은 반응 효율 그리고 고온가열에 의한 경제성을 극복하고자 한다
탄소내장 Pellet법을 전기로 분진 처리에 적용하는 경우, 유가 금속인 Zn와 Fe는 높은 증기압의 기상과 탄소 포화 액상으로 회수 가능하고,2CaO·SiO₂와 $FeO_x$·ZnO의 고융점 화합물로 구성된 전기로 분진을 고체탄소로 환원하는 경우 2,000℃이상의 융점의Franklite중 ZnO를 선택적으로 환원하고, 미환원된 FeO는 2CaO·SiO₂의 반응을 통하여 저융점의 CaO-SiO₂-$FeO_x$융체(약1,200℃)와 높은 증기압 Zn gas 상태로서 분리회수 할 수 있을 것으로 기대된다
용융 슬래그 중 Zn화합물의 안전상과 열역학적 거동에 의해 지배되는 Zn 환원의 반응효율을 극대화하기 위해서는 CaO-SiO₂-FeO계 슬래그중 Zn와 ZnO의 탄소환원에 관한 열역학적 연구가 중요함에도 불구하고 이에 관한 연구는 현재까지 매우 미비한 실정이며, 특히 전기로 분진의용융 슬래그 중 Zn의 환원 속도를 결정하는 슬래그 중 Zn의 안정성에 관한 연구는 거의 이루어진 바 없다 따라서, 본 연구에서는 전기로 분진의 탄소 내장법에 의한 환원 공정에 있어서 Zn 산화물의 환원회수 효율에 미치는 제반 조업 조건의 영향을 열역학적으로 검토하여 그 영향을 정량적으로 도출하여 공정의 적용에 대한 기초 data를 제공함과 동시에, 전기로 분진의 Zn 회수율에 관한 속도론적 고찰을 수행함으로써, 전기로 분진의 처리 및 분진 중 유가 자원인 Zn의 회수율을 극대화하기 위한 최적 조업 조건을 도출 하고자 하였다

목차 Contents

• 표지 ...1
• 최종보고서 ...2
• 제출문 ...3
• 요약문 ...4
• 목차 ...8
• 제 1 장. 서 론...10
• 제 1 절. 연구 배경...10
• 제 2 절. 기술의 개요 및 연구 목표...13
• 제 2 장. 고체환원법에 의한 전기로 분진의 Zn 회수에 관한 열역학적 연구...19
• 제 1 절. 실험원리 및 방법...19
• 1. 실험 원리...19
• 2. 실험 방법...22
• 제 2 절. 실험결과 및 고찰...26
• 1. ZnO의 선택 환원 조건...26
• 가. Ag 중 Zn의 활동도...26
• 나. ZnO의 선택 환원 조건(Stability Diagram)...29
• 2. Franklinite의 선택 환원 조건...33
• 2.1. Franklinite 중 ZnO의 활동도...33
• 제 3 절. 결론...43
• 제 3 장. 고체 환원법에 의한 전기로 분진의 Zn회수에 관한 속도론적 연구....44
• 제 1 절. 실험원리...44
• 1. General kinetics...44
• 가. Gas mass transfer...46
• 나. Gas diffusion...48
• 다. Gas / metal interfacial reaction...49
• 2. 실험 원리...50
• 가. ZnO 환원반응...50
• 나. Franklinite 환원반응...53
• 다. 탄소내장 franklinite 반응...55
• 3. 지금까지의 연구...58
• 제 2 절. 실험 방법...61
• 1. 실험 장치...61
• 2. 실험 방법...64
• 3. Mass spectrometer data 분석 방법...66
• 제 3 절. 실험 결과...67
• 1. Pure ZnO에 관한 영향...67
• 가. 유속에 관한 영향...67
• 나. 산소 분압의 영향...72
• 다. 온도에 관한 영향...76
• 2. Franklinite에 관한 영향...79
• 가. Franklinite 반응...79
• 나. 산소분압 영향...81
• 다. 온도의 영향...85
• 3. 탄소 내장 Franklinite에 관한 영향...88
• 가. 탄소 배합비에 관한 영향...88
• 나. 산소분압 영향...90
• 다. 온도의 영향...93
• 제 4 절. 고찰...96
• 1. ZnO의 환원 반응의 속도상수의 도출...96
• 2. Franklinite의 환원 반응의 속도상수 도출...102
• 3. ZnO와 Franklinite의 반응 구동력의 차이...107
• 4. 탄소 내장 Franklinite 영향...111
• 제 5 절. 결 론...114
• 제 4 장. 적용...115
• 1. 분진 중 Zn의 선택환원 공정...115
• 2. 선택환원조건에서 속도론적 고찰을 통한 적용 가능성...119
• 제 5 장. 총론...122
• 참고 문헌...123