무연탄 재로 부터 알루미나 추출

Abstract

보오크사이트 원광의 매장이 전무한 우리나라에서는 세계적인 원광의 원가상승 과열과 알루미늄 공업 자체의 중요성에 의해 자원의 국산화가 주요한 문제로 되어 있다. 본 연구는 매년 국내에서 700만톤 이상 발생되는 무연탄재로부터 알루미나유출 가능성을 검토해 보았다. 유출공정은 비보오크사이트계 광물처리에 흔히 사용되는 석회ㆍ소다 소결법으로, 고온에서 석회는 규준감과 반응하여 불용성의 규준감 칼슘 ($2CaOㆍSiO_2$), 소다는 알루미나와 반응하여 수용성의 알루민산 소오다($NaAlO_2$)를 생성시켜 물에 녹여 분해시키는 공정이다. 그러나 고온처리에 따른 큰 열량소비로 생산원가가 올라가게 되는데, 여기서 연료로 유류 대신에 값싼 석탄으로 대체할 수 있다면 연료비 절감과 아울러 연소가 끝난 석탄재를 원료로 이용할수 있는 이중의 이점을 갖는다. 이러한 관점에서 소결연료로 석탄을 첨가할 경우와 그리고 국내저질탄 활용을 위해 연탄재 대신 무연탄 자체를 원광으로 사용할 경우의 알루미나 유출실험도 병행하였다. 유출실험결과, 무연탄재의 경우 1,200℃에서 석탄첨가의 경우는 1,150℃ 근처에서 원광에 함유된 알루미나의 70%이상을 유출할수 있었다. 그리고 첨가제인 석회석과 소다회를 과량으로 넣었을 경우에는 이보다 낮은 온도인 1,000 ~ 1,100℃ 에서도 80%이상의 유출물을 얻었다. 석탄이 첨가될 경우 소성과정은 첨가제의 분해반응(가소), 혼합성분간의 고체반응, 그리고 석탄의 연소반응이 복합적으로 일어나기 때문, 그 반응기구가 복잡하다. 전체 공정중 알루미나 수율을 주로 좌우하는 과정이 소성단계이기 때문에, 본 연구에서는 소성단계에서 일어나는 여러 반응을 살펴보고 주요반응의 수식 모델링해석을 시도해 보았다. 고유반응은 $Al_2O_3$ 유출결과와 관련시켜 검토해 보았다. 반응주요 생성물인 $NaAlO_2$ 와 $2CaOㆍSiO_2$ 등의 지금까지 알려진 생성온도 자율로서 온도에 따른 유출율 차이를 설명할 수 있었지만, 기타 반응 분정기에 따른 유출율 변화와 공기중에서 소성물의 유출율 저하현상은 명확히 해명할 수 없었다. 고체반응을 제외한 소성단계는 TGA, DTA, 그리고 유출가스 분석에 의해 다음 4단계를 거치는 것을 확인할 수 있었다. 즉 I. 수분, 휘발분엽발(~ 200℃), II. 석탄연소(400℃ ~ 800℃), III. 첨가제 가소(800 ~ 1,000℃), IV. 미연소탄소의 연소(1,000℃ ~) 의 단계를 갖는다. 1,000℃ 이상의 고온에서 시료를 장입했을 경우는 위의 I, II, III단계는 반응초기에 끝나고, 반응시간의 대부분은 IV단계이다. III의 가소단계는 수식 모델링결과에 의하면 pellet내부로의 열전달이 전체반응의 율속단계이며, IV의 탄소의 연소는 반응초기에는 앞의 가소에 의한 내부의 기공율 증가로 기체 침투가 쉬워 화학반응이 전체 반응속도를 지배한다. 그러나 점차 표면이 소결이 되어감에 따라 기체 침투가 어려워져 반응은 확산지배로 바뀐다.