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Fusión Flash Fusión Flash
Fusión Flash OKFusión Flash INCO
Fusión Flash OutokumpuFusión Flash OutokumpuFSF ampliamente adoptado desde 1970 (30 hornos aprox.) Usa, JapónSe sopla aire-O2, concentrado seco + fundente SiO2 en un crisol a 1250ºCDentro de horno caliente partículas reaccionan “rápidamente” con O2
1. Se controla cuidadosamente oxidación de Fe y S del concentrado
2. Existe un gran generación de calor3. Se funden los sólidos
Proceso de “fusión” continuoAl usar $ O2 se hace auto térmicoProceso adecuado para partículas de concentrado de 50 μm
Productos FSF OutokumpuProductos FSF Outokumpu
Mata fundida de 60% CuEscoria hierro-silicato con 1.2% CuGases con polvos arrastrados 10-70% SO2
Mata se envía a conversión para oxidación Cu Escoria se envía a ttmiento para recuperar CuGases van a ttmiento SO2 (H2SO4)Las metas de FSF OK son producir
1. Composición, Tº de mata constante CPS2. Escoria que va a tratamiento para obtener una
escoria descartable3. Gases ricos en SO2 H2SO4 eficientemente
Realizar 1, 2 y 3 rápidamente y con eficiencia energética
DiseñoDiseño
24 [m] L 7 ½ [m] W 2 [m] H (1988)Torre de Reacción de 6 [m] D 7 [m] HUp take gases de 5-6 [m] D 9 [m] HQuemador de concentrado que funde 3000 tpd8 sangrías de mata y 6 de escoriaCaracterísticas Principales:
1. Quemadores de concentrado (1- 4), que se mezclan con O2 soplando dentro del horno
2. Torre de Reacción donde ocurre mayoritariamente reacción entre O2 y partículas de concentrado
3. Sedimentador donde se colecta gotas de mata y escoria y forman capas separadas
4. Sangrías con bloques de Cu refrigerados5. Up-Take para evacuar gases 10-40% SO2
Detalles de ConstrucciónDetalles de Construcción
Interior ladrillos de MgO o MgO·Cr2O3
Están apoyados exteriormente por chaquetas de Cu refrigeradas en zonas de mayor desgaste y acero 1-3 [cm]El techo son ladrillos de MgO·Cr2O3 suspendido en barras de aceroLa torre de reacción y varias partes del horno están refrigeradas para evitar sobre calentamiento y debilitamiento de la estructuraQuemador consiste de 2 tubos concéntricos una central donde se alimenta concentrado y un anulo para el aire/O2
Una eficiente dispersión se alcanza con concentrado seco
Operación en Estado EstableOperación en Estado Estable
Alimentación estable de soplado de O2/N2, concentrado/fundente seco y circulante por el quemador Conc.Combustión continua combustible en quemadores aux. crisol y/o torre.Descarga continua de gases a recuperadores de calor, remoción de polvo y captura de SO2
Sangrado intermitente de mata que va a conversión y escoria que va a recuperación
Equipos AuxiliaresEquipos Auxiliares
Para entradas:1.Secador de concentrado2.Planta de producción de oxígeno3.Sopladores (y algunas veces
precalentadores de aire)Para salidas:
1.Caldera recuperadora de calor2.Sistema de recuperación y reciclo de
polvos3.Ventiladores extractores de gas4.Planta de acido sulfúrico5.Sistema de tratamiento de escoria
ControlControl
AJUSTA 5 PARÁMETROSTasa de alimentación de concentradoTasa de alimentación de fundenteTasa de inyección de sopladoEnriquecimiento de oxígenoTasa de combustible fósil
OBJETIVOFusión estable de concentrado a la máxima tasa de fusiónProducción de mata, escoria y gases a composición y temperatura constantes
Temperatura y ley de eje especificaTemperatura y %SiO2 especifico
DesarrolloDesarrollo
Mejorar captura SO2
Disminuir consumo energíaAumentar productividadMejorar condiciones de trabajoDisminuir costos
Optimo O2 en el SopladoOptimo O2 en el Soplado
En 1990 se encontró que la mejor manera de operar un FSF es:Una ley de Eje entre 60 a 65%Suficiente $ oxígeno de modo que la operación sea auto térmicaUna ley de 60 a 65% requiere un $ O2 de 45 a 80% para ser auto térmicaMenos O2 requerirá combustible en la torre
Mas O2 requerirá oxidar menos Fe y S para evitar sobrecalentamiento en la torre, por lo cual, disminuye la ley del eje
Beneficios de Uso de O2Beneficios de Uso de O2
1. Menos requerimiento de combustible fósil2. Bajo flujo de gases a través del horno Flash y su
sistema de manejo de gases3. Alta concentración de SO2 en los gases de
salida, buena eficiencia de captura de SO2
El bajo flujo de gas es importante porque la torre de reacción, up-take, y equipos de manejo de gases son mas pequeñosAlta concentración de SO2 permite beneficiar los gases diluidos de los CPS para una captura eficiente y producción de H2SO4
Concentrados bajos en Fe y S (Cu2S) requieren mayor $ O2
Optima Ley del ejeOptima Ley del eje
Se selecciona de acuerdo a1. Obtener tanto calor como sea posible para oxidar Fe
y S en el horno Flash2. Maximizar la generación de SO2 y minimizarla en los
CPS (ineficiente)3. Aumentar la temperatura del horno para adecuarse a
los mayores puntos de fusión de ejes de mayor ley y escorias ricas en magnetita
4. Mantener suficiente Fe y S en la mata de modo tal de llevar a cabo la conversión auto térmicamenteDe lo anterior se selecciona 60 a 65%Además con esta ley la magnetita sólida generada se deposita en las paredes de la torre de reacción y sedimentador lo que provee una capa protectora en la paredes y chaquetas
Máxima Tasa de FusiónMáxima Tasa de Fusión
Tasa Fusión aumenta al aumentar tasa de alimentación de aire, O2, concentrado y fundenteEsto se hace hasta que alguna parte del horno o de la fundición se sobrecargue, limite es:
1. La tasa de fusión depende de zona donde ocurren las reacciones (torre), a una tasa mayor no reaccionará en la torre y resultara en concentrado “no fundido” que cae al crisol.
2. El flujo de calor máximo que puede ser extraído desde la torre de reacción - la tasa de fusión, y por ende la generación de calor mayores producirán sobrecalentamiento y daño
3. FSF modernos aumentaron tasa de fusión mejorando el diseño del quemador y la extracción de calor ha aumentado “diseñando” chaquetas
Cuellos de BotellaCuellos de Botella
Los mas importantes son:1.Tasa máxima de producción de oxígeno2.Capacidades máximas de la caldera
recuperadora de calor y captura de polvos3.Tasa máxima de captura de SO2 en la planta
de acido sulfúrico4.Tasa máxima de la Conversión (subsiguiente)
Además al aumentar la tasa de fusión pueden aumentar las perdidas de Cu en las escorias, especialmente en FSF seguido de HELETiempo de residencia disminuye en FSF disminuye
MejorasMejoras
Aumentar $ O2 a nivel de autotermia mejora captura SO2 y productividadOperar a ley de eje mayor, mejora captura de SO2, disminuye consumo Energía y baja necesidad de conversiónUn solo quemador concentrado asegura distribución uniformeRefrigeración mas efectiva, mejora campaña del hornoControl automáticoAumentar sangrías de mata por todo el crisol, evita formación de Fe3O4
Mecanismos de Fusión FlashMecanismos de Fusión Flash
Partículas de Concentrado seco se inyectan continuamente a un horno caliente rodeadas por un gas oxidante O2/N2
Partículas “ven” superficie caliente y llamas en el horno y comienzan a calentarse por calor transferido por radiaciónPartículas alcanzan Tº de igniciónFeS2 = FeS + ½ S2 a 600ºC2CuFeS2 = Cu2S + 2FeS + ½S2 a 500ºC Al mismo tiempo S2 comienza a ser rápidamente oxidado por el O2 que lo rodea½ S2 + O2 = SO2 + calorCalor generado calienta y funde las partículas creando una reacción en cadena
Mecanismos de Fusión Flash (2)Mecanismos de Fusión Flash (2)
Oxidación continúa hasta que partículas se oxidan completamente, hasta cuando O2/ que la rodea se agota, o si cae en la escoriaLas siguientes partículas que entran al horno “ven” y son calentadas por las partículas oxidadas y calientes – la fusión continua hasta que la alimentación de concentrado/O2-N2 se detieneEl tiempo de residencia en la torre es 1 – 3 s, por lo tanto, oxidación debe ser rápida
1. Partículas pequeñas de concentrado2. Distribución uniforme de O2 – N2 3. $ O2 lo que aumenta % O2 sobre superficie
Mecanismos post FusiónMecanismos post Fusión
Partículas sobre y sub – oxidadas que caen en la escoria reaccionan hasta alcanzar el equilibrio, según
FeS + Fe3O4 = 10FeO + SO2
Cu2O + FeS = Cu2S + FeO
FeS y Cu2S finales se hunden hasta la mataSimultáneamente, los óxidos de Fe, SiO2 y otros óxidos se fijan en la escoria
2FeO + SiO2 = Fe2SiO4
Fusión Flash INCO International Nickel CoFusión Flash INCO International Nickel Co
Cu:1980 (Chino), Marczeski-Aldrich 1986Cu-Ni: 1990 Sudburry (2)
“Toda la metalurgia no ferrosa será beneficiada con el uso de oxígeno barato . . . la aplicación de oxígeno revolucionara el arte de fundir y posiblemente cambiara toda la operación y equipamiento"F.W. Davis en el U.S. Bureau of Mines 75 años atrás
InstalacionesInstalaciones
2002:Almalyk, Uzbekistan,1975Hayden, Arizona, 1986Hurley, New Mexico, 1993Sudbury, Ontario (2 Hornos), 1997
CaracterísticasCaracterísticas1. Usa O2, 95 a 98%, en vez de aire $2. Aire y concentrado, se soplan horizontalmente3. No requiere caldera recuperadora Q.4. Se usa para sedimentar mata de escoria de
conversión fundida
Toda la energía para fusión proviene de la oxidación del Fe y S del concentrado alimentadoMuy pocas veces se requiere combustible fósil
ProductosProductos
Mata 55 a 60 % en peso CuEscoria < 1 % en peso CuGases (Salida) 70 a 80 % SO2
La mata se envía a conversión en CPSLa escoria se envía al escorial, algunas veces a recuperaciónLos gases de proceso se envía a enfriamiento, remoción de polvo y captura de SO2 (H2SO4 y SO2(l))SO2 es un agente reductor y se usa para blanqueamiento, como fumigante y preservador de alimentos.Liquido se usa para purificar productos del petróleo
VentajasVentajas
Pequeño tamaño de su suministro de sopladoPequeño tamaño de equipos de manejo de gases
Lo anterior se debe a su casi ausencia de nitrógeno en el soplado y gases de salida
Detalles de ConstrucciónDetalles de Construcción
Es una estructura refractaria de Cr2O3MgO con chaquetas de cobre refrigeradas en las áreas de mayor desgasteSus componentes básicos son:
1.Quemadores de concentrado, dos en cada extremo, secador de concentrado, secador de fundente y reciclaje de materiales que son soplados dentro del horno.
2.Una salida de gases central donde son conducidos a enfriamiento, remoción de polvo y captura de SO2
3.Sangrías para retirar mata y escoria
Quemadores de ConcentradoQuemadores de Concentrado
El quemador de concentrado es un tubo de acero inox. revestido con refractarios y con chaquetas refrigeradas con agua, de ¼ [m] D 1 [cm] de espesorEl O2 se sopla horizontalmente pasando por un baffle, mientras que el concentrado y fundente caen a través de un sistema de alimentaciónLos quemadores se insertan dentro del horno mediante collares de cobre refrigerados con agua en las paredes laterales. Se remueven fácilmente para inspección y limpiezaEstán angulados 5 grados hacia dentro y 5 grados hacia abajo (llama sobre baño)Se inyecta una lanza O2 en la salida de gases para quemar S2 evitando acreciones
Refrigeración con AguaRefrigeración con Agua
Paredes laterales y del extremo equipados con chaquetas refrigeradas con agua planas e inclinadas para mantener integridad del hornoEsto causa depósitos de Magnetita protectoresEsto hace una campaña de 6 añosRazón excesiva erosión del refractario (línea de escoria)
Sangrías de Mata y EscoriaSangrías de Mata y Escoria
Mata: 4 lateralesEscoria: 1 en extremoBlock de ladrillo refractario con placa de cobre refrigerada con aguaNivel escoria 0.5 mNivel de mata 0.2 a 1 mSangrías se rotan para “lavar” magnetita
Up - takeUp - take
Hecha de ladrillo refractarioSe inyecta O2 para eliminar S pirítico, para que no ppte, en equipos de enfriamiento y colección de polvos
Equipos AuxiliaresEquipos Auxiliares
SecadorPlanta de OxígenoEquipo de Refrigeración de GasesSistema de Recuperación y Reciclo de PolvosSistema de Captura de SO2
Sistema de Recuperación de Cobre (opcional)
Salida de Gases y polvosSalida de Gases y polvos
Los gases son enfriados y limpiados del polvo en:
1.Un enfriador evaporativo (rociadores de agua) donde el gas se enfría de 1230ºC a 80ºC y el 90% del polvo es atrapado quedando como barro
2.Ciclones, lavadores (scrubbers), PES húmedosGases de salida contienen 60-75% SO2
Sólidos recuperados contienen 35% Cu
Operación y Control EstablesOperación y Control Estables
Soplado de O2, concentrado seco, fundente y polvos/circulanteSangrado intermitente de mata y escoria
MetasMetas
Fundir concentrado a una tasa determinada (tph)Mantener la temperatura del horno y su mata y escoria a su temperatura especificada (1250ºC)Producir una escoria fácil de descargar que contenga el menor contenido de Cu posible
Estrategia de ControlEstrategia de Control
Fijar la alimentación de concentrado seco a su valor predefinidoAjustar el flujo de O2 de modo tal que el Fe y S sean oxidados a la tasa exacta (es decir, genere el calor exacto) para mantener el horno a la Tº requeridaAjustar la razón flujo/concentrado de alimentación para alcanzar la composición de escoria especificadaControlar la ley del eje mezclando los materiales de alimentación
Inco versus OKInco versus OK
OK tiene un quemador INCO 4Refrigeración de la torre vertical del OK, maneja el calor liberado mucho mejor que el horizontal INCOOK recupera calor en calderasSoporte en Operación e Ingeniería
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