전해채취 - Cellhouse 디자인: 생산량, 전류효율, 전류밀도 및 전해조 개수

습식제련(LX-SX-EW) 공정을 통한 금속의 생산량이 정해지면, 플랜트의 사이즈를 계산할 수 있습니다. 전해조가 모여있는 cellhouse의 크기는 전해조의 개수와 설치되는 전해조의 구성에 따라 정해집니다.

 

생산량과 전해조의 개수는 상관관계에 있지 않습니다. 그러나 생산량에 비하여 과도하게 많은 전해조를 설치하는 것은 생산과정에서 필요한 운영비, 노동비 등의 상승을 의미하며, 구리 전해채취의 경우, ISA Process™, Kidd Process™ 혹은 이 둘을 합친 IsaKidd Process™(Glencore) 등 이를 최소화하기 위한 Process의 설계 및 많은 플랜트 디자인 경험, 데이터를 이용하여 새로운 플랜트를 설계할 때 참고합니다. (전해조의 배치에는 Crane의 Capacity 또한 고려대상임)

Electrowinning crane*

[참고] Cellhouse의 구조/배치

아래는 cellhouse 디자인 시 고려되어야할 주요사항들 입니다.

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생산속도(생산량) - Production rate

 

전해채취를 통한 금속의 생산속도(전착속도)는 다음의 식 (1)을 이용하여 구할 수 있습니다.

 

 

K: 암페어-시 당 금속의 전착량(Cu²⁺의 경우 약 1.185g/A·hr)*

A:음극 면적(m²)

n: Cellhouse 내 총 음극 개수

C_D: 전류 밀도(A/m²)

C_E: 전류 효율(%)

10^-6(t/g)

[참고] 전해조의 구성 및 금속 석출량 계산

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전류효율 - Current efficiency

 

전류효율을 이론적으로 구하는 것은 쉽지 않으며, 구리의 경우는 목표치(90~95%)를 두고 설계합니다. 전류효율을 실제 플랜트에서 95%를 최대치로 두고 운전하며, 그 이상의 전류효율에서 운전하는 것은 공정에 다른 악영향을 미칠 수 있습니다. (망간, 염소 등 다른 불순물을 제어하기 위하여 실제 달성할 수 있는 전류효율보다 낮게 운전하는 경우가 있음)

 

실제 공장을 운영하는 경우에는 전류 효율(current efficiency)을 실제 생산량과 이론적으로 생산되는 양의 비율인 식 (2)를 이용하여 계산합니다.

 

 

M_P: 실제 생산량

M_T: 이론적 생산량

 

실제 전착량과 이론적 전착량이 차이 나는 이유는 주로 아래와 같습니다.

 

· 단락(Short Circuit)

· 음극에서 Fe³⁺를 환원시키는 데 사용되는 전류

 

Cellhouse 내에 존재하는 철(Fe²⁺와 Fe³⁺)는 음극과 양극 사이를 오가며, 음극에서는 Fe³⁺ 이온의 환원 반응 그리고 양극에서는 Fe²⁺ 이온의 산화반응이 일어납니다.

 

· 음극 반응: Fe³⁺ + e^- → Fe²⁺

· 양극 반응: Fe²⁺ → Fe³⁺ + e^-

 

위의 반응을 통하여, 철 이온은 계속하여 전류를 소모하게 되며 적절한 방법으로 제거해주어야 합니다.

[참고] 주요 불순물(Fe, Mn, Cl)의 유입, 영향 및 제어

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전류밀도와 음극면적 - Current density & cathode area

 

(1) 전류밀도

 

일반적으로 구리 전해채취 시, 가장 많이 채택되는 전류밀도는 300A/m²입니다. (공정 조건 및 금속의 종류에 따라 변할 수 있음)

 

 

C_D: 전류 밀도

A: 공급 전류(Amp)

AREA: 음극면적(m²)

 

전류밀도는 음극에 전착되는 구리의 밀도와 밀접한 관련이 있으며, 전류밀도 270 – 350A/m²의 범위에서 충분히 조밀한 구조를 가진 구리를 생산할 수 있습니다.

 

· 전류밀도가 높을수록: 밀도 높은(미세한 결정 혹은 가루형태의) 구리가 음극에 전착됩니다.

· 전류밀도가 낮을수록: 밀도 낮은(굵은 결정의) 구리가 음극에 전착됩니다.

 

전류밀도가 무작정 높은 경우에는, 가루형태의 구리를 얻게 될 수도 있기 때문에, 공정의 전해액 내 구리농도에 따라 운전되는 전류의 밀도 또한 적절한 선에서 유지되어야 합니다. (Spent electrolyte Cu²⁺ 농도 수치의 10배 이하)

 

(2) 음극면적(Cathode Area)

 

Cellhouse 내의 모든 음극의 전착면적을 의미하며, 따라서 음극의 개수와 전착면적의 곱으로 구할 수 있습니다.

 

AREA_TOT: 음극면적(m²)

AREA: 음극 각 면의 전착면적(m²)

2: 음극 당 전착면 수

n: Cellhouse 내 음극 총 개수

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전해조 당 음극의 개수와 전해조의 배치

 

(1) 전해조당 음극의 개수

 

생산량(production rate)과의 정해진 상관관계는 없습니다. 그러나, 생산량에 따라 많이 사용되는/선호되는 전해채취 cellhouse의 전해조당 음극의 개수는 아래와 같습니다. (이는 30 – 84/Cell 정도의 범위에서 결정됩니다.)

 

· 5-15ktpa: 30-36cathode/cell

· 20-30ktpa: 45cathode/cell

· 40ktpa and above: 60-66cathode/cell

 

전해조에 들어가는 음극의 개수는 아래의 이유로 3의 배수 개씩 놓습니다.

 

· 구리를 음극에서 떼어내는(Harvesting) 동안 나머지 음극은 전해조 내에서 생산 지속: 음극이 Harvesting을 위해 전해조로부터 제거된 동안, 남아있는 음극들은 평소 운전조건보다 높은 전류밀도에서 금속이 전착됨

· Harvesting을 위해 매 3번째 음극만을 전해조에서 빼내, Open Circuit 상태 방지: 전해조 내에서는 양극과 음극이 병렬연결이나, 전해조끼리는 직렬연결로 구성되어 있기 때문에 모든 음극을 제거하는 경우 전력공급이 중단됨

 

(2) 전해조의 배치

 

Cellhouse 내의 전해조는 2의 배수 개로 배치를 하며, 이는 부스바(busbar) 설치의 최적화와 관련이 있습니다.

Cellhouse 내 전력공급 구조 모식도

인접한 전해조끼리는 부스바를 서로 공유합니다. 즉, 전류가 흐르는 방향 기준으로 이전 셀의 음극과 다음 셀의 양극은 서로 부스바로 연결되어 있습니다. 반면, 동일한 셀에서의 양극과 음극은 전해질(electrolyte)을 통하여 전기적으로 연결되어 있습니다.