철강제련 폐기분진에서 금속아연의 회수

ReSEAT 전문연구위원

황용길

년도 어느 화창한 봄날, 부산시 용호동의 동국 제강 에 견학 갔다가 제강 분진이 용호만에 그대로 폐기 되고 있는 것을 보고 발길을 돌릴 수 없어서 분진 시료를 채취한 뒤 학교 실험실에 와서 분석했다. 그 결과, 분진 중에 아연 30%이 상, 납이 약 5%정도 함유되어 있었다. 그 당시 한국에서 전기로 제강하는 회사는 동국 제강뿐이었음으로 우리나라에서는 내가 처 음 분석하고 조사하게 된 것이다. 1960년대 초기에 우리나라는 금 속 아연을 전량 수입해서 아연 용융 도금, 아연 합금 등으로 사용 해왔는데, 나는 1964년도에 건식 제련법으로 금속 아연 생산 계획

을 했었다. 하지만, 자원 문제로 실패한 뒤 귀중한 금속 아연과 납 이 포함된 분진이 폐기되는 것을 보고 그냥 방치할 수 없어서 금속 자원 회수와 동시에 공해 처리도할 수 있다는 생각으로 새로운 연 구를 하게 된 것이다.

처음 제강 분진을 이용한 환원 실험은 대학원 학생의 연구 과제로 정하고 환원실험을 하도록 지시했다. 한 대학원생이 새로 구입한 전기로를 이용해서 환원 실험한 결과, 환원철이 생성되고 아연은 환원·

휘발하여 산화되면서 노벽에 부착하거나 포집 실에 일부 회수 되었다.

그런데 로 내에서 환원된 아연은 재 산화되어 발열체에 부착하거나 재차 환원되어 비산 했는데, 문제는 발열체가 환원제 역할을 하면서 소비되어 결국 전기로를 사용할 수 없게 된 것이다. 당시 대학원생은 전기로를 사용할 수 없기 때문에, 난처한 상황이었다. 나는 그에게 실험을 하다 보면 이런 경우가 있다고 안심시키며 실험으로 인해 발열체 침식 원리를 새롭게 알게 되지 않았냐며 이로 인해 실험의 중요성을 깨닫게 되었으니, 이후 어떤 연구든지 시료와 시험기기를 면밀히 검토해야 함을 명심하고 항상 주의하기 바란다고 당부했다.

학교 연구실에서 환원, 포집 및 중화 실험과 아연 전해액 채취 실험에 대한 기초 실험을 완료하였다. 선일 자원 주식회사는 제강 분진 중의 아연 회수에 대한 필자의 개발 법을 인수해서 공장을 건설하고 습식아연제련을 한 달에 아연 20톤 규모로 수년 동안 생산해왔지만, 규모도 작고 회전 환원 로의 트러블 및 오일 쇼크 등 여러 문제가 연달아 생기는 바람에 사업을 전향했다. 현재 우리나라의 제강 분진은

1년에 십만 톤 이상 발생하고 있지만, 아직 각 제강 회사에서는 대용량 으로 처리할 수 없는 상황이어서 금속 아연 2만톤 (약 2만톤×2백10 만원/Zn톤= 4백20억)이상이 폐기되고 있는 실정이다. 제강분진의 화학 성분 분석치는 중량비로, Zn30%, Pb 4.5%, Fe 31%, Cl 6.1% 정도 이다. 이 분진 시료를 무연탄과 혼합하여 가열하면 산화아연은 환원되어 금속아연이 된다. 로 내에서 환원된 금속아연은 비등하기 때문에 산화 되면 산화아연으로 회수된다. 환원 제련에 의해 포집한 산화물을 조산화 아연이라 하고, 이 조산화아연은 Zn 약50wt%, 염소가 약17wt%로 농축되어 중간 제품으로 생산되었다.

조산화아연의 화학 성분 중의 염소가 17% 전후로 농축되어 있음으로 이러한 원료는 도료용으로도 활용할 수 없고 건식이나 습식 전해채취 용으로도 사용할 수없는 제품이므로 염소를 제거해야 건식이나 습식 전해채취용 원료로 사용할 수 있다. 이 어려운 점을 해결하는 방법으로 철강제련 시, 포집기에서 회수한 분진을 원료로 사용한 아연제련방법을 개발 했다.

회수한 조산화아연을 X-선회절 분석한 결과, 아연은 일부가 ZnO로 바뀌고 대부분이 비정질 염기성염화아연으로 되었으며 납은 염기성 황산납으로 되어 있었다. 이 시료를 소다회와 반응 시켜서 염기성탄산 아연과 염기성탄산납으로 형성될 때, 소금물이 된 염소는 여과하여 제거한다. 여과를 통해 회수한 염기성 탄산아연과 염기성 탄산납을 묽은 황산으로 용해한 뒤 황산아연 용액과 황산납 침전물을 여과해 분리 회수했다. 이 실험까지 연구원들은 화학 분석과 침출 실험을 수없이

반복하며 피로한 나날을 보냈지만, X-선회절분석에 의해 화합물구조를 알 수 있게 되면서 기쁜 마음으로 정리할 수 있었다. 이 기술에서 가장 중요한 공정은 염소를 제거하는 문제였다. 산화아연원료 중에 염소가 함유되어 있으면 건식 제련 시 아연이 휘발 응축하는 도중, 염화물과 접촉하여 산화아연이나 염화물로 되어 응축 관 벽에 부착하는 해로운 점이 있고 습식 전해법에서는 양극 납판을 침식하여 막대한 손해를 끼치는 문제점을 이론과 실제 공정에서 해결하였을 때에 안도의 기쁨은 실제 체험해 보지 않은 사람은 느끼지 못할 것이다.

아연제련공장의 공정은 첫째, 조산화아연 제조 공정인 로타리킬른 일종의 회전식 환원로에 무연탄과 분진을 혼합하여 공급하면서 1200℃

근방에서 환원 제련하여 포집 실에서 조산화아연을 회수한다. 조산화 아연을 회수한 다음, 탈염처리하고 황산아연을 회수하여 정제한 용액을 전기 분해법으로 생산해 만든 아연 99.97%의 아연괴를 처음 보았을 때, 연구원들은 이것이 우리가 고생해서 제조한 아연이구나! 춤을 추듯 기뻐하던 일들이 새삼 떠오른다. 공장 건설 단계에서는 많은 고충이 있었다.

첫 번째 고충은 분진과 무연탄 분말을 혼합하여 단광을 제조하는 회사가 국내에 없었다는 점이다. 할 수 없이 디스크에 경사도와 회전 속도를 조정하며 실험한 결과를 기초로 하여 단광기를 제작했다. 처음 시운전을 할 때 성공적인 모습을 보며 안도감을 느꼈다. 벨트콤베어나 저장 탱크는 용량과 규격 정도만 제시해도 제조하는 회사가 있어서 이것은 별문제가 없었는데, 가장 큰 문제는 분진 10t/day 처리할 수

있는 Rotary kiln 설계 및 제조였다. 국내에서 시멘트 킬 이외에는 설치 해본 일이 없기 때문에 설계자를 구할 수 없었고 외국에 의뢰해 보려 해도 그 비용이 막대하다보니 할 수 없이 직접 외국 10만 톤 이상 처리하는 로타리킬의 사진을 보고 맞줄임했다. 크기를 20m, 내부 직경 1.5m로 정하고 기울기는 1~5로 조절할 수 있는 구조의 설계안을 공작소에 의뢰하여 제조한 뒤 내화벽돌은 샤모트 연화를 내장했다.

한심한 일이었지만, 어쨌건 로타리킬의 설치가 끝나고 마음을 졸이며 시운전을 지켜보았다. 다행히 정상적으로 가동이 되는 것을 본 전 직원과 나는 함께 손뼉을 치며 환호성을 질렀다.

제강분진 처리 공정이 가동 되면서, 1978년 오일 쇼크로 BC오일을 구하기 어려워졌고 값이 폭등하였다. 여기에 로타리킬은 작업을 시작한 지 7일도 못 되서 로 내부에 노괴가 형성되었고, 반 용융상태로 되면서 메주 덩어리처럼 응집되어 굴러 나왔다. 결국, 노괴(accretion)가 점점 커져서 조업을 중단하고 냉각된 노를 뜯어낸 뒤 다시 조업을 하다 보니 작업 효율이 급격히 떨어졌다. 로타리킬 조업은 처음 경험해 보는 일이라 도저히 해결할 방법이 보이지 않았다. 막연한 상황에서 시행 착오를 겪으며 가동을 이어나갔다.

원료수집 작업 역시 어려웠다. 용융아연 도금 공장 등에서 발생하는 분진 등의 폐기물을 중화공정을 통해 처리한 후, 정제 황산아연 수용액을 전기 분해해서 전기 아연 생산은 정상적이었다. 하지만 생산 규모나 원료 조달 문제가 있어서 사업성 악화로 결국 사업을 중단하게 되었다. 돌이켜 보면 모든 공정별 시설이 처음 계획하고 실행하는

것이었기에, 숙련공이 전혀 없는 상황에서 공장을 가동 한다는 것은 대단히 무모한 일이었다. 이 문제를 해결할 때까지 정신적 육체적 고통을 무릅쓰고 모든 공정을 정상 가동 시켰을 때는 그간의 고생이 한 순간에 회복되는 기분이었다.

로타리킬은 조업은 선진국인 일본에서도 초창기 시절 한 번쯤 겪었던 현상이라고 했다. 나중에 직접 알아보니, 일본의 조업 법은 많이 개선 되었지만 노괴 형성에 의한 로타리킬은 조업은 1개월 내지 2개월에 한 번씩 보수해서 조업하는 실정이었다. 현재 제강 분진 처리하는 공정 에서는 세계적으로 로타리킬은법이 대세를 이루고 있다. 1993년, 우리 나라의 한국 신 철강 기술연 구 조합은 세계 전기로 제강 분진 처리 현황 조사를 나를 비롯한 몇 명의 연구원들에게 의뢰했다. 우리는 세계 전기로 분진 처리를 조사한 결과 일본, 미국, 독일, 스페인 등의 여러 국가에서 회전로 식 로타리킬은 법을 사용하고, 연간 5만 톤에서 약 10만 톤의 규모로 처리하는 방법이 대세를 이루고 있는 중이었다.

특히, 이들 철강 회사들은 몇 개의 회사가 합작해서 제강 분진을 처리하며 유가금속을 회수함과 동시에 친환경적인 방식을 선택하고 있었다. 우리나라도 각 제강 회사가 합작해서 연간 약 10만 톤 규모의 제강 분진 처리 회사를 설립하여 로타리킬은 법으로 유가금속을 회수 하기를 기대해본다. 어떠한 과제나 공정 개발에 성공하는 데는 오랜 세월 걸린다는 것을 수 많은 연구 경험을 통해 진작 깨달은 것이지만, 당시 내가 연구했던 제강 분진 처리 과정을 지금까지 검토해 봐도 공정

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