KR101157784B1

KR101157784B1 - 산화아연 제조 시스템

Info

Publication number: KR101157784B1
Application number: KR1020120036696A
Authority: KR
Inventors: 김종범; 강경호
Original assignee: 강경호; 김종범
Priority date: 2012-04-09
Filing date: 2012-04-09
Publication date: 2012-06-26
Also published as: CN104245590A; WO2013154250A1; CN104245590B

Abstract

본 발명은 산화아연을 제조하기 위한 시스템에 있어서, 아연을 용융하여 아연용융액을 생성하기 위한 아연용융부; 아연용융부로부터 아연용융액을 공급받아 아연증기를 발생시키기 위한 아연증발관; 아연증발관으로부터 배출되는 아연증기를 공급하기 위한 아연증기공급라인; 브러워의 송풍력에 의해 에어가 이동하는 경로를 제공하고, 아연증기공급라인에 의해 아연증기가 내측으로 공급되며, 에어에 포함된 산소와 아연증기가 반응하여 생성되는 산화아연을 에어와 함께 배출되도록 하는 에어이송라인; 및 에어이송라인에 설치되어 아연증기와 혼합되기 위한 에어를 가열하는 발열부를 포함하고, 아연용융부, 아연증발관 및 아연증기공급라인 중 일부 또는 전부가 에어이송라인 내의 에어가 가진 열 또는 산화아연의 생성에 의한 반응열을 아연의 용융 내지 증발에 이용하도록 에어이송라인에 설치되는 산화아연 제조 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 산화아연 제조시, 가열된 에어로부터 회수되는 열과 산화아연 생성시 발생하는 반응열을 이용하도록 함으로써 에너지를 절감하도록 하고, 환경오염 물질의 발생을 최소화하도록 하여 환경 오염을 줄이는데 기여하며, 아연용융액 표면의 불필요한 산화물 생성을 방지함으로써 이러한 산화물 제거에 필요한 과정과 설비를 줄여서 생산비용을 절감함과 아울러 생산성을 향상시킬 수 있다.

Description

산화아연 제조 시스템{System for producing zinc oxide}

본 발명은 산화아연 제조 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 금속의 아연을 원료로 한 고순도 산화아연분말을 생산할 수 있도록 하고, 산화아연의 생성과정 중에서 아연과 산소의 반응열을 회수하여 아연의 용융열 및 증발열로 대체 공급하며, 이로 인해 외부의 열원 공급을 절감하여 생산원가 및 환경오염을 절감시키도록 하는 산화아연 제조 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 금속아연은 상온에서 산소와 접촉하면 서서히 화학반응을 일으켜서 단단한 피막 형태의 산화아연으로 변하게 된다. 그러나 고온의 아연증기는 산소와 접촉시, 급속히 반응하여 백색 분말형태의 산화아연으로 변하게 된다. 이 원리를 이용한 산화아연의 제조 방법이 건식법에 해당하며, 직접법과 간접법 두 종류가 있다.

또한, 산화아연의 제조방법으로서, 산과 알칼리용액에 용해된 아연을 화학적 반응을 통하여 산화아연으로 추출한 후, 분리 및 정제하는 화학적 방식이 있는데, 이를 습식법이라고 한다.

직접법은 아연광과 석탄을 혼합하여, 회전요에 투입 후, 이를 연소시켜서 산화아연을 제조하는 방법으로서, 생산원가가 낮으나, 심한 환경오염으로 인해 선진국에서는 사라진 제조법이며, 국내에서도 지속적으로 그 사용을 기피하고 있다.

간접법은 아연괴를 고온의 전기로에서 증발시킨 후 아연증기를 에어 중의 산소와 반응시켜 산화아연을 생산하는 방법으로 기본적으로 환경오염이 없고, 고순도의 제품을 생산할 수 있으나, 원료가격이 비싸며, 전기로의 소모 전기가 커져서 생산원가가 높다는 단점을 가지고 있다.

습식법은 아연광을 산 또는 알칼리용액에 녹여 이를 화학적으로 산화아연을 침출 및 정화한 후, 이를 농축 및 건조시켜 생산하는 방법인데, 제품순도와 생산원가가 직접법과 간접법의 중간에 해당하나, 역시 환경오염을 동반하는 문제점을 가지고 있다. 따라서, 상기한 바와 같은 문제점들을 해결할 수 있는 산화아연 제조 시스템을 개발할 필요성을 가지게 되었다.

상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 금속의 아연을 원료로 한 고순도 산화아연 분말을 생산하도록 하고, 산화아연의 합성과정 중에서 아연과 산소의 반응열을 회수하여 아연의 용융열 및 증발열로 대체 공급하며, 이로 인해 외부의 열원 공급을 절감하여 생산원가 및 환경오염을 절감시키도록 하는데 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적들은 이하의 실시예에 대한 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 측면에 따르면, 산화아연을 제조하기 위한 시스템에 있어서, 아연을 용융하여 아연용융액을 생성하기 위한 아연용융부; 상기 아연용융부로부터 아연용융액을 공급받아 아연증기를 발생시키기 위한 아연증발관; 상기 아연증발관으로부터 배출되는 아연증기를 공급하기 위한 아연증기공급라인; 브러워의 송풍력에 의해 에어가 이동하는 경로를 제공하고, 상기 아연증기공급라인에 의해 아연증기가 내측으로 공급되며, 에어에 포함된 산소와 아연증기가 반응하여 생성되는 산화아연을 에어와 함께 배출되도록 하는 에어이송라인; 및 상기 에어이송라인에 설치되어 아연증기와 혼합되기 위한 에어를 가열하는 발열부를 포함하고, 상기 아연용융부, 상기 아연증발관 및 상기 아연증기공급라인 중 일부 또는 전부가 상기 에어이송라인 내의 에어가 가진 열 또는 산화아연의 생성에 의한 반응열을 아연의 용융 내지 증발에 이용하도록 상기 에어이송라인에 설치되는 산화아연 제조 시스템이 제공된다.

상기 아연용용부, 상기 아연증발관 및 상기 아연증기공급라인은, 상기 에어이송라인을 따라 다수로 설치됨으로써 상기 에어이송라인 내의 다수의 영역에서 아연증기와 에어의 산소가 다중으로 반응하도록 할 수 있다.

상기 에어이송라인은, 내화 및 보온을 위하여 내화보온재가 설치되고, 상기 아연용융부, 상기 아연증발관 및 상기 아연증기공급라인이 내측으로 삽입되도록 설치될 수 있다.

상기 에어이송라인에 공급되는 에어를 상기 발열부에 의해 가열되어 산화아연과 함께 배출되는 에어와의 열교환에 의해 예열되도록 하는 열교환기를 더 포함할 수 있다.

상기 아연용융부 및 상기 아연증발관은, 상기 에어이송라인 내에서 자체 생성된 화학반응열을 아연 용융 및 증발에 필요한 열량으로 회수 및 재공급하도록 SIC(silicon carbide) 또는 열전도성 재질로 이루어질 수 있다.

상기 아연증기공급라인은, 상기 에어이송라인의 내측에 삽입되고, 상기 아연증발관으로부터 공급되는 아연증기를 토출하기 위한 다수의 토출구가 상기 에어이송라인에 삽입되는 측에 형성되는 아연증기공급관을 포함할 수 있다.

상기 아연증기공급관은, 다수로 이루어져서 상기 에어이송라인에 각각 삽입되도록 설치될 수 있다.

상기 아연증발관의 개방측과 상기 아연증기공급라인의 개방측을 감싸도록 마련됨으로써 상기 아연증발관과 상기 아연증기공급라인을 연결시키는 밀폐공간이 형성되고, 상기 아연용융부로부터 오버플로우되는 아연용융액을 상기 아연증발관의 개방측으로 공급하기 위한 유로가 형성되는 증발실포트를 더 포함할 수 있다.

상기 아연증기공급라인은, 입구가 상기 증발실포트 내의 하부로부터 상측으로 돌출되도록 설치될 수 있다.

상기 아연용융부의 상부와 상기 증발실포트 내에 불활성가스를 공급하기 위한 경로를 제공하는 불활성가스공급라인; 및 상기 불활성가스공급라인에 상기 아연용융부와 상기 증발실포트 각각에 불활성가스의 공급을 개폐시키도록 설치되는 제 1 밸브를 더 포함할 수 있다.

상기 브러워에 의해 산화아연과 에어가 배출되는 배출라인 내에 산소 농도를 측정하여, 측정된 산소 농도가 설정된 값을 가지도록 상기 브러워를 제어하는 산소농도제어부를 더 포함할 수 있다.

상기 에어이송라인에서 상기 발열부 후단의 에어 온도를 측정하여, 측정된 온도가 설정된 값을 가지도록 상기 발열부를 제어하는 제 1 온도제어부를 더 포함할 수 있다.

상기 에어이송라인에서 상기 아연증기공급라인 사이마다 냉각용 에어를 공급하기 위하여 연결되는 에어공급라인; 상기 에어공급라인에 냉각용 에어의 공급을 개폐하도록 설치되는 제 2 밸브; 및 상기 에어이송라인에서 상기 에어공급라인의 연결측 후단의 에어 온도를 측정하여, 측정된 온도가 설정된 값을 가지도록 상기 제 2 밸브를 제어하는 제 2 온도제어부를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 산화아연 제조 시스템에 의하면, 산화아연 제조시, 가열된 에어로부터 회수되는 열과 산화아연 생성시 발생하는 반응열을 이용하도록 함으로써 에너지를 절감하도록 하고, 환경오염 물질의 발생을 최소화하도록 하여 환경오염을 줄이는데 기여하며, 아연용융액 표면의 불필요한 산화물 생성을 방지함으로써 이러한 산화물 제거에 필요한 과정과 설비를 줄여서 생산비용을 절감함과 아울러 생산성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화아연 제조 시스템를 도시한 구성도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화아연 제조 시스템의 요부를 도시한 단면도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니고, 본 발명의 기술 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 식으로 이해 되어야 하고, 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하며, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 부여하고, 이에 대해 중복되는 설명을 생략하기로 한다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 산화아연 제조 시스템(100)은 아연용융부(110)와, 아연증발관(120)과, 아연증기공급라인(130)과, 에어이송라인(140)과, 발열부(150)를 포함할 수 있으며, HRSR 시스템(Heat Recycle Self Reaction System)으로 구현될 수 있다.

아연용융부(110)는 아연(Zn; a), 예컨대 아연괴를 용융하여 아연용융액(b)을 생성하기 위한 것으로서, 일례로 용융로가 사용될 수 있고, 열원으로부터 공급되는 열에 의해 아연(a)을 용융시키도록 에어이송라인(140)과는 별개로 설치되거나, 다른 예로서 본 실시예에서처럼 에어이송라인(140) 내의 에어(air)가 가진 열 또는 산화아연(ZnO)의 생성에 의한 반응열을 아연의 용융에 이용하도록 에어이송라인(140)에 설치될 수 있고, 이 경우 에어이송라인(140) 내측으로 삽입되도록 설치될 수 있다.

아연용융부(110)는 발열부(150)에서 공급되는 열원 또는 에어이송라인(140) 내에서 자체 생성된 화학반응열을 아연 용융에 필요한 열량으로 회수 및 재공급하도록 SIC(silicon carbide) 또는 열전도성 재질로 이루어질 수 있다. SIC(silicon carbide)는 열전단계수가 높은 비금속 재질로서, 팽창 계수가 낮고, 변형이 거의 일어나지 않으며, 화학적 안정성을 가지고 있고, 설치와 보수가 용이하며, 운전 중 아연 용융에 필요한 온도를 용이하게 승온시킬 수 있다.

아연증발관(120)은 아연용융부(110)로부터 자연적으로 또는 인위적으로 아연용융액(b)을 공급받아 아연증기(c)를 발생시키기 위한 것으로서, 단일 또는 다수로 이루어질 수 있고, 일례로 별도의 열원을 통해서 아연용융액(b)의 증발에 필요한 열을 공급받도록 에어이송라인(140)과는 별개로 설치되거나, 다른 예로서 본 실시예에서처럼 에어이송라인(140) 내의 에어가 가진 열 또는 산화아연의 생성에 의한 반응열을 아연용융액(b)의 증발에 이용하도록 에어이송라인(140)에 설치될 수 있고, 이 경우 에어이송라인(140) 내측으로 삽입되도록 설치될 수 있다.

아연증발관(120)은 발열부(150)에서 공급되는 열원 또는 에어이송라인(140) 내에서 자체 생성된 화학반응열을 아연 증발에 필요한 열량으로 회수 및 재공급하도록 SIC(silicon carbide) 또는 열전도성 재질로 이루어질 수 있다.

아연증기공급라인(130)은 아연증발관(120)으로부터 배출되는 아연증기(c)를 공급하기 위한 것으로서, 본 실시예에서처럼 에어이송라인(140)의 내측에 삽입되고, 아연증발관(120)으로부터 공급되는 아연증기(c)를 토출하기 위한 다수의 토출구(131)가 에어이송라인(140)이 삽입되는 측에 형성되는 아연증기공급관(132)을 포함할 수 있다. 여기서, 아연증기공급관(132)은 길이방향을 따라 토출구(131)가 다수로 형성될 수 있고, 다수로 이루어져서 에어이송라인(140)에 각각 삽입되도록 설치됨으로써 에어이송라인(140) 내의 아연증기(c) 균일성을 높일 수 있으며, 발열부(150)의 열원 또는 자체 생성 반응 열의 공급을 위하여 아연용융부(110)와 마찬가지로 SIC(silicon carbide) 재질로 이루어질 수 있다.

에어이송라인(140)은 브러워(blower; 141)의 송풍력에 의해 에어가 이동하는 경로를 제공하고, 아연증기공급라인(130)에 의해 아연증기(c)가 내측으로 공급되며, 에어에 포함된 산소와 아연증기(c)가 반응하여 생성되는 산화아연(ZnO)을 에어와 함께 배출되도록 밀폐된 구조로 이루어질 수 있으며, 외부로부터 열을 빼앗기지 않도록 함과 아울러 고온에 따른 화재 위험을 방지하기 위한 내화 및 보온을 위하여 내화보온재(142)가 외측면에 설치될 수 있다. 한편 브로워(141)를 통과하여 배출되는 산화아연은 제품포장실로 이송되어 제품, 예컨대 분말 형태로 포장되도록 한다. 이때, 산화아연에 포함된 에어는 포장과정에서 분리되어 대기중으로 방출된다.

아연용용부(110), 아연증발관(120) 및 아연증기공급라인(130)은, 에어이송라인(140)을 따라 다수로 설치됨으로써 에어이송라인(140) 내의 다수의 영역, 예컨대 다수의 산화반응이 발생하는 영역에서 아연증기(c)와 에어의 산소가 다중으로 반응하도록 하고, 본 실시예에서처럼 각각 3개로 이루어짐으로써 1차 반응부, 2차 반응 및 3차 반응부를 구성할 수 있다.

한편, 아연증발관(120)과, 아연증기공급라인(130)에는 증발실포트(170)가 설치될 수 있다.

증발실포트(170)는 아연증발관(120)의 개방측과 아연증기공급라인(130), 예컨대 아연증기공급관(132)의 개방측을 감싸도록 마련됨으로써 아연증발관(120)과 아연증기공급라인(130)을 연결시키는 밀폐공간이 형성되고, 아연용융부(110)로부터 오버플로우되는 아연용융액(b)을 아연증발관(120)의 개방측으로 공급하기 위한 유로(171)가 형성되고, 내화보온재로 감싸여질 수 있다. 또한, 아연증기공급라인(130)은 입구가 증발실포트(170) 내의 하부로부터 상측으로 돌출되도록 설치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 산화아연 제조 시스템(100)은 불활성가스공급라인(180)과, 제 1 밸브(181)를 더 포함할 수 있는데, 불활성가스공급라인(180)은 아연용융부(110)의 상부와 증발실포트(170) 내에 불활성가스를 공급하기 경로를 제공하도록 하는데, 외부의 불활성가스공급부로부터 불활성가스, 예컨대 아르곤가스(Ar)를 공급받아 일측이 양단으로 분기되어 아연용융부(110)의 상부와 증발실포트(170)에 각각 공급되도록 한다. 또한, 제 1 밸브(181)는 불활성가스공급라인(180)에 아연용융부(110)와 증발실포트(170) 각각에 불활성가스, 예컨대 아르곤가스(Ar)의 공급을 개폐시키도록 설치되는데, 본 실시예에서처럼 불활성가스공급라인(180)의 분기라인 각각에 설치되도록 한 쌍으로 이루어질 수 있다.

증발실포트(170)는 아연용융부(110)로부터 아연증발관(120) 및 아연증기공급라인(130)을 독립시키는 역할을 하여, 기밀 유지에 의해 에어의 상호 유통을 차단한다. 또한, 불활성가스공급라인(180)에 의해 아연용융부(110)와 아연증발관(120)에 불활성가스를 주입하여 이들 내부에 잔존하는 에어를 배출함과 아울러 아연용융액(b)과 에어를 서로 격리시켜서 아연용융액(b)에 산화피막이나 불필요한 산화물의 생성을 근본적으로 차단하도록 한다.

증발실포트(170)는 유로(171)와 아연증기공급관(132)을 제외하고는 전체가 밀봉되어 있고, 내측으로 불활성가스의 주입으로 인해 이보다 비중이 낮은 에어가 유로(171)와 아연증기공급관(132)을 통해 외부로 배출되고, 내부에서 아연증기공급관(132)이 상측으로 돌출되도록 설치됨으로써 내부의 에어가 모두 배출되고, 비중이 무거운 불활성가스 만이 남아 있도록 된다. 또한, 외부로 노출된 아연용융부(110) 내의 아연용융액(b) 상부 표면은 비중이 무거운 아르곤가스에 의해 에어와 차단되고, 브로워(141)를 가동하면 아연증기공급관(132) 내의 압력이 부압으로 변하여 유로(171)를 통해서 아연용융부(110)로부터 아연용융액(b)이 아연증발관(120)으로 공급되도록 함과 아울러 아연증기공급관(132)을 통해 아연증기(c)가 에어이송라인(140) 측으로 이동하도록 한다. 또한, 유로(171)는 워터 씰(Water seal) 형태로 가공되어 있어 아연용융부(110)로부터 증발실포트(170) 내의 에어 유입을 완벽하게 차단할 수 있다. 또한, 시스템의 정상 가동중에는 아연용융부(110)에만 미량의 불활성가스를 공급하면 증발실포트(170)와 아연증기공급관(132) 내부는 계속되는 아연증기(c)의 압력과 부피 팽창으로 인해 에어의 역류 및 유입이 방지된다.

발열부(150)는 에어이송라인(140)에 설치되어 아연증기(c)와 혼합되기 위한 에어를 가열하는데, 일례로 전기발열체, 즉 전기에너지를 열에너지로 변환하는 히팅수단이 사용될 수 있다.

에어이송라인(140)에는 열교환기(160)가 설치될 수 있는데, 이러한 열교환기(160)는 에어이송라인(140)에 공급되는 에어를 산화아연과 함께 배출되는 고온 에어와의 열교환에 의해 예열되도록 하고, 일례로 관류형 열교환기가 사용되고, 이때의 튜브 및 기타 부품을 SIC 튜브나 고온에서 사용가능한 재질을 사용하여 제작될 수 있다. 또한, 에어이송라인(140)으로 최초 유입되는 에어는 열교환기(160)에 의해 반응을 마친 고온의 산화아연과 에어와의 열교환에 의해, 1차로 가열하게 되고, 발열부(150)를 통과하여 2차 가열되어 필요한 온도로 조정될 수 있다.

이와 같이, 시스템이 정상 가동되어 배출되는 산화아연과 에어의 온도가 1,300℃ 정도에 도달하여, 이의 열교환을 통하여 도입되는 에어를 가열하게 되므로, 발열부(150)의 구동용 전원 공급이 불필요하거나, 사용량을 대폭 줄일 수 있어 외부 전원의 소모량을 현저히 줄일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 산화아연 제조 시스템(100)은 산소농도제어부(192)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 산소농도제어부(192)는 산화아연과 에어가 배출되는 배출라인(191) 내에 산소 농도를 측정하여, 측정된 산소 농도가 설정된 값을 가지도록 브러워(141)를 제어하도록 하고, 일례로 측정된 산소 농도가 설정된 값에 미달인 경우 산소의 부족으로 판단하여 브러워(141)의 출력을 높이도록 하고, 측정된 산소 농도가 설정된 값에 초과하는 경우 산소의 과다로 판단하여 브러워(141)의 출력을 낮추도록 하며, 산소농도측정센서와 제어부가 일체를 이루도록 구성되거나, 별개를 이루도록 구성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 산화아연 제조 시스템(100)은 제 1 온도제어부(193)를 더 포함할 수 있다.

제 1 온도제어부(193)는 에어이송라인(140)에서 발열부(150) 후단의 에어 온도를 측정하여, 측정된 온도가 설정된 값, 예컨대 제품 생산 상황에 따라 적절한 950~1,200℃를 가지도록 발열부(150)를 제어할 수 있고, 제 1 온도제어부(193)는 예컨대, 측정된 온도가 설정된 값 미만인 경우 발열부(150)에 의한 가열온도를 높이도록 발열부(150)를 제어하고, 측정된 온도가 설정된 값 초과인 경우 발열부(150)에 의한 가열온도를 낮추도록 발열부(150)를 제어하게 되고, 온도센서와 제어부가 일체를 이루도록 구성되거나, 각각 별개로 구성될 수도 있다.

제 1 온도제어부(193)는 냉각된 설비의 초기 가동시 1차 반응부의 아연용융부(110) 및 아연증발관(120)의 필요 열량을 공급하거나 설비의 정상온도 보장을 위한 보충열원으로 사용되며, 산화아연의 반응량이 증가하여 발열량이 증가함으로써 발열부(150)의 가열 온도 및 전기공급량이 서서히 감소되도록 제어할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 산화아연 제조 시스템(100)은 에어공급라인(194)과, 제 2 밸브(195)와, 제 2 온도제어부(196)를 더 포함할 수 있으며, 본 실시예에서처럼 1차 내지 3차 반응부를 가지게 되는 경우, 이들이 다수로 마련될 수 있다. 여기서, 에어공급라인(194)은 에어이송라인(140)에서 아연증기공급라인(130) 사이마다 냉각용 에어를 공급하기 위하여 연결된다. 또한, 제 2 밸브(195)는 에어공급라인(194)에 냉각용 에어의 공급을 개폐하도록 설치된다. 또한, 제 2 온도제어부(196)는 에어이송라인(140)에서 에어공급라인(194)의 연결측 후단, 예컨대 산화반응이 일어나는 영역의 에어 온도를 측정하여, 측정된 온도가 설정된 값을 가지도록 제 2 밸브(195)를 제어하고, 온도센서와 제어부가 일체를 이루도록 구성되거나, 각각 별개로 구성될 수도 있다. 또한, 2차 및 3차 반응부에서 산화아연이 생성되어 반응열이 발생하게 되면, 온도가 산화아연의 생산량과 비례하여 지속적으로 상승하므로 설비 보호를 위하여, 제 2 온도제어부(196)는 에에공급라인(194)을 통해서 외부의 저온 에어를 에어이송라인(140)으로 투입하여 산화용 에어의 공급과 동시에 냉각을 병행할 수 있도록 제어하게 되는데, 이때의 온도 제어 범위는 950~1,300℃일 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 산화아연 제조 시스템의 작용을 설명하기로 한다.

상온으로 냉각되어 있는 아연용융부(110), 아연증발관(120) 및 아연증공급라인(130)을 발열부(150)에 전원을 공급함으로써 700℃까지 가열하고, 불활성가스공급라인(180)을 통해서 불활성가스를 투입하여 아연용융부(110)와 아연증발관(120) 내부의 에어를 불활성가스로 치환한다.

불활성가스로의 치환을 마치면, 아연용융부(110)에 아연(a), 예컨대 아연괴를 넣어 아연용융액(b)을 생산하고, 아연용융액(b)을 유로(171)를 통해서 아연증발관(120)에 공급하는데, 이때, 아연증발관(120)에 설치된 관찰창을 통하여 아연증발관(120)의 3/4까지 채운다. 이때, 불활성가스공급라인(180)를 통해서 불활성가스를 지속적으로 공급하여 용융아연액(b)이 에어와 접촉하여 산화피막물이 생성되는 것을 방지한다.

아연증발관(120)에 아연용융액(b)이 규정량만큼 채워지면, 제 1 온도제어부(193)의 설정온도를 950℃로 자동전환하여 발열부(150)의 공급 전원을 자동운전으로 바꾸어, 1차 반응부의 에어이송라인(140) 내의 산화반응이 일어나는 영역의 온도를 계속 유지시킬 수 있도록 하며, 브로워(141)를 수동으로 저속운전 개시하여 산화아연 생산에 필요한 에어를 에어이송라인(140)에 공급하기 시작한다.

1차 반응부의 온도가 950℃에 도달하게 되면, 아연증발관(120) 내에 있는 아연용액(b)은 증발하여 아연증기(c)가 되어 밀폐된 아연증발관(120)에서 아연증기공급관(132)을 통해서 에어이송라인(140) 내측으로 유입되기 시작하며, 이미 공급되고 있는 외부에서 들어오는 에어와 반응하여 산화아연의 생산이 시작되도록 한다. 이와 동시에 아연용융액(b)이 증발되는 양만큼 아연용융부(110)에 아연괴를 계속 공급하여 준다.

산화아연 생산이 시작되면, 산소농도제어부(192)에 의해 산화아연과 에어에 대한 산소측정을 통하여 에어이송라인(140)으로 공급되는 에어의 양을 산화아연의 생산에 부족하지 않도록 브러워(141)의 운전속도, 즉 공급 에어량을 제어하게 된다.

1차 반응부의 산화아연이 정상적으로 생산되고, 운전이 안정화되면, 아연증기(c)와 에어가 에어이송라인(140) 내의 산화 반응 영역에서 지속적인 발열 산화반응으로 자체 열원을 생산하게 되며, 이 열원은 배출되는 산화아연과 에어에 함유되어 열교환기(160)를 통하여 에어이송라인(140)에 유입되는 외부의 에어를 가열시키고, 다시 부족한 열원은 발열부(150)에서 보충하여 산화반응이 일어나는 영역에 도달하는 공기의 온도가 950℃를 계속 유지시키도록 한다. 이때, 브로워(141)는 산소농도제어부(192)에 의하여, 발열부(150)는 제 1 온도제어부(193)에 의하여 각각 자동 운전됨으로써, 공급되는 에어량과 규정 온도를 유지하도록 한다.

한편, 산화아연의 제조시 아래의 화학식 1을 따르게 된다.

[화학식1]

Zn + ½O₂ = ZnO + 반응열

이때, 산화아연 생산시 흡열량은 855.5Kcal/kg(반응용 공급공기 가열열량 포함)이고, 산화아연 반응시 발열량은 1433.9Kcal/kg이며, 상기와 같이 발열량은 원료 아연의 가열, 용융, 증발 및 산화용 에어까지 가열하기에 충분하며, 나머지 578.4Kcal/kg 열량은 일부 설비 열손실로 없어지거나, 폐열회수로 제3의 장소에 재이용이 가능한 열량이 된다.

1차 반응부의 자동운전이 안정화된 후 2차 반응부도 상기한 바와 같은 순서와 동일한 순서로 운전 개시하게 되고, 동시에 제 2 온도제어부(196)에 의해 자동으로 에어이송라인(140)에서 산화반응이 일어나는 영역에 대한 온도가 외부에서 유입되는 냉각용 에어의 양을 조절함으로써 2차 반응부의 온도가 1,300℃를 초과하지 않도록 한다.

1차 및 2차 반응부의 운전이 안정화된 후, 3차 반응부 역시, 상기한 바와 같은 순서로 운전을 개시하는데, 이때, 제 2 온도제어부(196)에 의해 자동으로 온도가 조절되도록 한다.

2차 및 3차 반응부의 아연용융부(110)와 아연증발관(120)에서 필요한 열원은 에어이송라인(140)에서 1차, 2차, 3차 반응부에 의한 산화 반응이 일어나는 영역에서 발생하는 자체 발열을 이용하게 되고, 1차 반응부의 필요열원은 1차로 산화 반응이 일어남으로써 발생되는 반응열과 열교환기(160)를 통해 회수되는 열원, 그리고 발열부(150)를 통한 보충 열원을 사용하게 된다.

시스템의 운전이 모두 안정화된 후, 산소농도제어부(192)와 제 1 및 제 2 온도제어부(193,196)의 미세조정을 통하여 발열부(150)의 사용 전력이 최소화되도록 재조정할 수 있다. 이때 이론상 열평형은 자체발생 회수열만으로 외부열원이 필요하지 않으나, 설비의 설계, 재료, 구조적인 열 손실의 발생을 감안, 이를 보충할 수 있는 외부 열원, 예컨대 발열부(150)의 전기 발열체를 이용할 수 있다.

아래의 표 1은 종래의 기술과 본 발명을 에너지 소모를 비교한 것이고, 아래의 표 2는 종래의 기술과 본 발명의 환경영향을 비교한 것이다.

공법	원료	주에너지	에너지사용량	비고
직접법	광석	석탄		환경오염 엄중하여 비교대상에서 제외
습식법	광석	석탄		환경오염 엄중하여 비교대상에서 제외
간접법	아연괴	석탄	430kg/표준석탄
간접법	아연괴	전기	920kwh
본 발명	아연괴	전기	40kwh

공법	폐기배출현황(kg)				사용 산소량(kg)
	배출형식	배출폐가스			제품생산시 반응용	에너지연소시필요량	합계
	배출형식	CO2	SOx	NOx
석탄식 간접법	직접배출	1118.00	10.32	3.01	196.61	813.09	1009.70
전기식 간접법	간접배출	323.14	0	0	196.61	213.80	410.41
본 발명	간접배출	12.78	0	0	196.61	9.30	205.91

표 1 및 표 2에서 비교한 바와 같이, 본 발명의 경우 종래의 기술, 특히 간접법에 비하여 소모에너지 및 배출 폐가스의 양이 현저히 감소됨을 알 수 있다.

이와 같이 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이러한 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

110 : 아연용융부 120 : 아연증발관
130 : 아연증기공급라인 131 : 토출구
132 : 아연증기공급관 140 : 에어이송라인
141 : 브러워 142 : 내화보온재
150 : 발열부 160 : 열교환기
170 : 증발실포트 171 : 유로
180 : 불활성가스공급라인 181 : 제 1 밸브
191 : 배출라인 192 : 산소농도제어부
193 : 제 1 온도제어부 194 : 에어공급라인
195 : 제 2 밸브 196 : 제 2 온도제어부

Claims

산화아연을 제조하기 위한 시스템에 있어서,
아연을 용융하여 아연용융액을 생성하기 위한 아연용융부;
상기 아연용융부로부터 아연용융액을 공급받아 아연증기를 발생시키기 위한 아연증발관;
상기 아연증발관으로부터 배출되는 아연증기를 공급하기 위한 아연증기공급라인;
브러워의 송풍력에 의해 에어가 이동하는 경로를 제공하고, 상기 아연증기공급라인에 의해 아연증기가 내측으로 공급되며, 에어에 포함된 산소와 아연증기가 반응하여 생성되는 산화아연을 에어와 함께 배출되도록 하는 에어이송라인; 및
상기 에어이송라인에 설치되어 아연증기와 혼합되기 위한 에어를 가열하는 발열부를 포함하고,
상기 아연용융부, 상기 아연증발관 및 상기 아연증기공급라인 중 일부 또는 전부가 상기 에어이송라인 내의 에어가 가진 열 또는 산화아연의 생성에 의한 반응열을 아연의 용융 내지 증발에 이용하도록 상기 에어이송라인에 설치되는 것을 특징으로 하는 산화아연 제조 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 아연용용부, 상기 아연증발관 및 상기 아연증기공급라인은,
상기 에어이송라인을 따라 다수로 설치됨으로써 상기 에어이송라인 내의 다수의 영역에서 아연증기와 에어의 산소가 다중으로 반응하도록 하는 것을 특징으로 하는 산화아연 제조 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 에어이송라인은,
내화 및 보온을 위하여 내화보온재가 설치되고, 상기 아연용융부, 상기 아연증발관 및 상기 아연증기공급라인이 내측으로 삽입되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 산화아연 제조 시스템.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 에어이송라인에 공급되는 에어를 상기 발열부에 의해 가열되어 산화아연과 함께 배출되는 에어와의 열교환에 의해 예열되도록 하는 열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산화아연 제조 시스템.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 아연용융부 및 상기 아연증발관은,
상기 에어이송라인 내에서 자체 생성된 화학반응열을 아연 용융 및 증발에 필요한 열량으로 회수 및 재공급하도록 SIC(silicon carbide) 또는 열전도성 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 산화아연 제조 시스템.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 아연증기공급라인은,
상기 에어이송라인의 내측에 삽입되고, 상기 아연증발관으로부터 공급되는 아연증기를 토출하기 위한 다수의 토출구가 상기 에어이송라인에 삽입되는 측에 형성되는 아연증기공급관을 포함하는 것을 특징으로 하는 산화아연 제조 시스템.
제 6 항에 있어서, 상기 아연증기공급관은,
다수로 이루어져서 상기 에어이송라인에 각각 삽입되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 산화아연 제조 시스템.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 아연증발관의 개방측과 상기 아연증기공급라인의 개방측을 감싸도록 마련됨으로써 상기 아연증발관과 상기 아연증기공급라인을 연결시키는 밀폐공간이 형성되고, 상기 아연용융부로부터 오버플로우되는 아연용융액을 상기 아연증발관의 개방측으로 공급하기 위한 유로가 형성되는 증발실포트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산화아연 제조 시스템.
제 8 항에 있어서, 상기 아연증기공급라인은,
입구가 상기 증발실포트 내의 하부로부터 상측으로 돌출되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 산화아연 제조 시스템.
제 8 항에 있어서, 상기 아연용융부의 상부와 상기 증발실포트 내에 불활성가스를 공급하기 위한 경로를 제공하는 불활성가스공급라인; 및
상기 불활성가스공급라인에 상기 아연용융부와 상기 증발실포트 각각에 불활성가스의 공급을 개폐시키도록 설치되는 제 1 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산화아연 제조 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 브러워에 의해 산화아연과 에어가 배출되는 배출라인 내에 산소 농도를 측정하여, 측정된 산소 농도가 설정된 값을 가지도록 상기 브러워를 제어하는 산소농도제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산화아연 제조 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 에어이송라인에서 상기 발열부 후단의 에어 온도를 측정하여, 측정된 온도가 설정된 값을 가지도록 상기 발열부를 제어하는 제 1 온도제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산화아연 제조 시스템.
제 2 항에 있어서, 상기 에어이송라인에서 상기 아연증기공급라인 사이마다 냉각용 에어를 공급하기 위하여 연결되는 에어공급라인;
상기 에어공급라인에 냉각용 에어의 공급을 개폐하도록 설치되는 제 2 밸브; 및
상기 에어이송라인에서 상기 에어공급라인의 연결측 후단의 에어 온도를 측정하여, 측정된 온도가 설정된 값을 가지도록 상기 제 2 밸브를 제어하는 제 2 온도제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화아연 제조 시스템.