FUNDAMENTOS DE METALURGIA EXTRACTIVA. MI4100-Pirometalurgia Prof. Gabriel Riveros 10 Septiembre de 2010 Tratamiento de Gases

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1 FUNDAMENTOS DE METALURGIA EXTRACTIVA MI4100-Pirometalurgia Prof. Gabriel Riveros 10 Septiembre de 2010 Tratamiento de Gases 1

2 Consideraciones Ambientales Figura 1. Efecto en la salud por exposición al SO 2. El área marcada señala el rango en el cual el aumento de mortalidad ha sido reportada. 2

3 Consideraciones ambientales Tabla I. Regulaciones de emisión para las fundiciones en Chile Empresa Fundición SO 2 (µg/nm 3 ) As tpa Codelco Chuquicamata 1000(1h);250(1d);80(año) 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) 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. 3

4 Características gas de proceso Tabla II. Características gases de proceso en fundición de cobre Equipo Teniente/ Noranda Horno Flash Outokumpu Convertidor Peirce- Smith Convertidor Flash Limpieza escoria (HLE) Horno ánodos Flujo Gas (Nm 3 /h) T (ºC) SO 2 (%) Carga Polvo (g/nm 3 ) Tipo proceso Continuo Continuo 4-8 Batch Continuo 0,1 Batch < 0,1 Batch 4

5 Figura 2. Diagrama general de procesos de tratamiento de gases 5

6 Figura 3. Rango de tamaño de partículas de varios procesos metalúrgicos y rangos de trabajo de equipos de limpieza de gases. 6

7 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. 7

8 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 SO 2 producido. El gas debe ser enfriado de tal manera de mantener la concentración de SO 2 requerido para la producción de ácido sulfúrico. 8

9 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 9

10 Formación de SO 3 y punto de rocío del ácido El grado de formación de SO 3 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 SO 2 a SO 3 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 SO 3 es limitada. Además la formación de SO 3 requiere largos tiempos de residencia en dicho rango de temperatura. 10

11 Formación de SO 3 y punto de rocío del ácido La generación de SO 3 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 SO 3. El contenido de vapor de agua juega un rol importante en la generación de ácido a baja concentración de SO 3. Se debe notar que éste no es afectado por la lluvia de agua apara enfriar el gas. 11

12 . Figura 5. Contenido deso 3 y punto de rocío de gas de conversión 12

13 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 O 2 y SO 2 Oxidación: Cu 2 S + 2O 2 = 2CuO + SO 2 FeS + 3/2O 2 = FeO +SO 2 CuFeS 2 + 3O 2 = CuFeO 2 +SO 2 Sulfatación: CuO + SO 2 + 1/2O 2 = CuSO 4 2FeO + 3SO 2 + 2O 2 = Fe 2 (SO 4 ) 3 Respecto a las reacciones: Importantes y esperadas en los sistemas de manejo de gases por la naturaleza sulfurada de los polvos. 13

14 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 SO 3. 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

15 Figura 6. Zonas de sulfatación de polvo 15

16 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 Zn Pb Fe

17 Características de los polvos de convertido Mezclas de PbO y PbSO 4 forman oxisulfatos, uno de los cuales tiene un punto de fusión de 732 ºC; PbO y Cu 2 O 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 ºC, esto para evitar la adhesión de compuestos semi fundidos a las paredes de éstos. 17

18 Figura 7. Distribución de As en una fundición 18

19 Producción de ácido sulfúrico Purificación gas SO 2 o Remoción polvo o Enfriamiento y limpieza húmeda o Producción gas limpio y seco Conversión SO 2 a SO 3 o Catalizador (V 2 O 5 ), aumento tº gas 425 a 625 ºC o Reacción oxidación SO 2 + O 2 = 2SO 3 o Tasa de conversión > 97 % Absorción o SO 3 absorbido en H 2 SO 4 al 98 % o Reacción SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4 o Temperatura proceso 260 a 300 ºC o Gases de cola: 0,16 % SO 2 (contacto simple), 0,05 % SO 2 (doble contacto) 19

20 Producción de ácido sulfúrico Figura 8. Diagrama de flujo del proceso de producción de ácido sulfúrico 20

21 Usos del ácido sulfúrico o Lixiviación de minerales o Industria del papel o Fabricación fertilizantes fosfatados o Producción pigmentos inorgánicos o Fibras textiles o Explosivos o Refinación del petróleo o Detergentes o Sales metálicas o Baterías de automóviles o Alcoholes o Entre otros usos en la industria química 21