MI 4100 - U

FUNDAMENTOS DE
METALURGIA
EXTRACTIVA
MI4100-Pirometalurgia
Prof. Gabriel Riveros
10 Septiembre de 2010
Tratamiento de Gases
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Consideraciones Ambientales
Figura 1. Efecto en la salud por exposición al SO2. El
área marcada señala el rango en el cual el aumento
de mortalidad ha sido reportada.
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Consideraciones ambientales
Tabla I . Regulaciones
fundiciones en Chile
de emisión para las
Empresa
Fundición
SO2
(µg/Nm3)
As
tpa
Codelco
Chuquicamata
1000(1h);250(1d);80(año)
400-800
Xstrata
Altonorte
1000(1h);250(1d);80(año)
126
Enami
Paipote
1000(1h);250(1d);80(año)
34
Codelco
Potrerillos
1000(1h);250(1d);80(año)
150-800
MSA
Chagres
1000(1h);250(1d);80(año)
95
Codelco
Ventanas
1000(1h);250(1d);80(año)
120
Codelco
Caletones
700(1h);250(1d);60-80(año
375
Los límites altos se aplican en el caso que no hay
asentamiento humano en 8 km a la redonda de la
fuente de emisión.
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Características gas de proceso
Tabla II.
Características gases de proceso en
fundición de cobre
Equipo
Flujo
Gas
(Nm3/h)
T
(ºC)
SO2
(%)
Carga
Tipo
Polvo
proceso
(g/Nm3)
Teniente/
Noranda
50.000 –
135.000
600 900
12 -20
10 -20
Continuo
Horno
Flash
Outokumpu
20.000 –
60.000
1200 1400
35 - 80
90 - 250
Continuo
Convertidor
PeirceSmith
40.000 –
90.000
550 700
4-8
Batch
Convertidor
Flash
20.000
1200 1300
35 - 40
Continuo
Limpieza
escoria
(HLE)
7.000 –
10.000
700 800
0,1
Batch
Horno
ánodos
5.000 –
10.000
1100 1200
< 0,1
Batch
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Tratamiento de gases
Figura 2. Diagrama general de procesos de
tratamiento de gases
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Tratamiento de gases
Figura 3. Rango de tamaño de partículas de varios
procesos metalúrgicos y rangos de trabajo
de equipos de limpieza de gases.
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Tratamiento de gases
Figura 4. Técnicas utilizadas para la remoción de
partículas desde un flujo de gas: a) cámaras
sedimentación, b) separadores centrífugos, c)
lavadores húmedos, d) filtros de manga, y e)
precipitador electrostático.
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Tratamiento de gases
Características del gas de proceso de la fundición
Los sistemas de manejo de gases son la mayor
fuente de pérdidas de tiempo y actividades de
mantención.
Estas dependen de los procesos de la fundición y de
los sistemas de limpieza de gases.
Los problemas típicos incluyen:
Atascamiento de salida de gases y ductos por el
polvo emitido por los reactores
Corrosión de los equipos de manejo de gases
debido al punto de rocío del ácido sulfúrico por el
alto flujo de gas de SO2 producido.
El gas debe ser enfriado de tal manera de
mantener la concentración de SO2 requerido para
la producción de ácido sulfúrico.
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Tratamiento de gases
Reducción de la eficiencia de los instrumentos de
enfriamiento/limpieza debido al ensuciamiento y
destrucción de las superficies y formación de
acreciones.
Problemas mecánicos con los equipos de captura
de polvo
Transporte de polvo al sistema de producción de
ácido
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Tratamiento de gases
Formación de SO3 y punto de rocío del ácido
El grado de formación de SO3 en el sistema de
manejo de gases depende de varios factores:
Temperatura de los gases de salida
Contenido de oxígeno del gas
Tiempo de residencia del gas
Contenido de polvo y características de éste.
La tasa de conversión de SO2 a SO3 es pequeña a
elevada temperatura. Sí el gas se enfría bajo los 760
ºC puede tomar lugar una rápida conversión en la
presencia de un catalizador tal como acero oxidado y
polvo.
Una vez que el gas alcanza la temperatura de 371
ºC la formación de SO3 es limitada. Además la
formación de SO3 requiere largos tiempos de
residencia en dicho rango de temperatura.
10
Tratamiento de gases
Formación de SO3 y punto de rocío del ácido
La generación de SO3 se evita:
Enfriamiento rápido del gas de salida bajo los 371
ºC
Minimizando la infiltración de aire en el sistema
de manejo de gases.
Controlando la generación de polvo de los
reactores
Diseño adecuado de los ductos para alcanzar una
óptima velocidad de los gases.
El punto de rocío de los gases en la fundición de
sulfuros depende principalmente del contenido de
SO3. El contenido de vapor de agua juega un rol
importante en la generación de ácido a baja
concentración de SO3. Se debe notar que éste no es
afectado por la lluvia de agua apara enfriar el gas.
11
Tratamiento de gases.
Figura 5. Contenido deSO3 y punto de rocío de gas
de conversión
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Tratamiento de gases
Sulfatación de polvo
Los mayores constituyentes del polvo son óxido de
cobre hierro junto con un amplio rango de impurezas
volátiles. Este polvo es reactivo y se oxida y sulfata en
presencia de O2 y SO2
Oxidación:
Cu2S + 2O2 = 2CuO + SO2
FeS + 3/2O2 = FeO +SO2
CuFeS2 + 3O2 = CuFeO2 +SO2
Sulfatación:
CuO + SO2 + 1/2O2 = CuSO4
2FeO + 3SO2 + 2O2 = Fe2(SO4)3
Respecto a las reacciones:
Importantes y esperadas en los sistemas de
manejo de gases por la naturaleza sulfurada de los
polvos.
13
Tratamiento de gases
Los polvos no reactivos ocasionan problemas
operacionales por su adherencia y reacción en las
paredes y tubos de calderas.
Las calderas son afectados por ensuciamiento y
embanque .
Las fundiciones hacen ingreso intencional de aire y
oxígeno para quemar intencionalmente el polvo
arrastrado con los gases.
Termodinámicamente la formación de sulfatos
puede ser esperada bajos condiciones similares a
la formación de SO3.
La sulfatación ocurre en el rango de temperatura
de 427 ºC a 871 ºC
Las reacciones de sulfatación son exotérmicas y
pueden producir sobre calentamiento en los
ductos de gases.
14
Tratamiento de gases
Figura 6. Zonas de sulfatación de polvo
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Tratamiento de gases
Características de los polvos de convertidor
La temperatura de los polvos de convertidor varía
entre las fundiciones, dependiendo de la
composición del polvo.
La temperatura del gas que deja la campana
puede estar por sobre los 816 ºC, suficientemente
alta como para que algunos componentes del
polvo estén en estado semi sólido.
Tabla II. El punto de fusión de óxidos, sulfuros y
sulfatos (ºC)
Compuesto
Punto fusión (ºC)
Oxido
Sulfuro
Sulfato
Cu
1232
810
771
Zn
1982
1866
732
Pb
1985
788
1171
Fe
1188
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Tratamiento de gases
Características de los polvos de convertido
Mezclas de PbO y PbSO4 forman oxisulfatos, uno
de los cuales tiene un punto de fusión de 732 ºC;
PbO y Cu2O forma un eutéctico a 677 ºC.
Otros componentes también contribuyen a bajar
la temperatura del polvo, As, Sb, Se y Te están
presentes en cantidades significativas y se
volatilizan parcialmente en el convertidor.
Para efectos prácticos la temperatura se fija en
los gases que entran a los ductos de alta
velocidad en el rango de 649 – 677 ºC, esto para
evitar la adhesión de compuestos semi fundidos a
las paredes de éstos.
17
Tratamiento de gases
Figura 7. Distribución de As en una fundición
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Producción de ácido sulfúrico
Purificación gas SO2
o Remoción polvo
o Enfriamiento y limpieza húmeda
o Producción gas limpio y seco
Conversión SO2 a SO3
o Catalizador (V2O5), aumento tº gas 425 a 625 ºC
o Reacción oxidación SO2 + O2 = 2SO3
o Tasa de conversión > 97 %
Absorción
o SO3 absorbido en H2SO4 al 98 %
o Reacción SO3 + H2O = H2SO4
o Temperatura proceso 260 a 300 ºC
o Gases de cola: 0,16 % SO2 (contacto simple),
0,05 % SO2 (doble contacto)
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Producción de ácido sulfúrico
Figura 8. Diagrama de flujo del proceso de
producción de ácido sulfúrico
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Usos del ácido sulfúrico
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
Lixiviación de minerales
Industria del papel
Fabricación fertilizantes fosfatados
Producción pigmentos inorgánicos
Fibras textiles
Explosivos
Refinación del petróleo
Detergentes
Sales metálicas
Baterías de automóviles
Alcoholes
Entre otros usos en la industria química
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