Principios teóricos y prácticos de la tostación de concentrados de zinc (página 2)
Enviado por José Puga Bullón
Siempre que se reconozca a tiempo el comienzo de diferencia de temperatura como indicación de inhomogeneidad, se puede normalizar la capa de fluidización adoptando las siguientes medidas: aumentar la cantidad de aire y al mismo tiempo verificar que se reduzca la resistencia del lecho; para esto último se debe sacar 1 ó 2 placas de control de la altura del lecho en el aliviadero. Un aumento de la cantidad de aire de fluidización, disminuyendo la resistencia del lecho significa un revolvimiento del lecho fluidizado, de modo que se mezclen entre sí zonas con turbulencia diferente. De la descarga del horno se ha de tomar una muestra para realizar análisis de malla en la descarga del aliviadero y se compara con las fracciones de malla con valores anteriores de operación normal. Se debe mantener el caudal de aire aumentado y la resistencia de lecho disminuida hasta que se haya alcanzado de nuevo el espectro granulométrico original o normal.
Es indispensable comprobar a qué causa se debió la inhomogeneidad
Si fue demasiado grande el porcentaje de grumos del concentrado, se ha de colocar en la zaranda vibratoria una malla de 15 mm
Si se sospecha engrosamientos de granos por influencia térmica (sinterización superficial), bajar la temperatura del lecho por inyección de agua. En casos extremos hacer estudios para comprobar si se ha de aumentar la superficie de enfriamiento.
2. Temperatura de salida del horno
En servicio normal la temperatura a la salida del horno se ajusta entre 930-970 ºC, en hornos de más de 250 t/día de capacidad. Directamente no existe una forma de regular la temperatura a la salida del horno. Si se sobrepasa la temperatura antes mencionada, se ha de intentar bajar la temperatura disminuyendo el caudal de aire primario; si esta medida no es suficiente disminuir la carga de concentrado
Caudal de aire
El caudal de aire conducido al horno de tostación se compone de:
Aire primario: este se registra en el caudalímetro de aire y se puede ajustar al valor deseado automáticamente desde el panel de control, o manualmente con ayuda de las palas directrices delante de la soplante.
Aire secundario: este entra inevitablemente por las cintas lanzadoras (slingers belt) y su cantidad no se puede determinar con exactitud. Sólo es posible un cálculo aproximado e indirecto con la ayuda de la medida de la concentración de SO2 a la salida del horno
Ambos componentes juntos forman el aire de combustión del proceso.
De acuerdo a diseño, en servicio normal se debería insuflar para el mantener una capa homogénea, un caudal de aire específico de 530 m3N/h/m2 de superficie de parrilla; este vendría ser el valor óptimo.
El valor mínimo admisible en servicio permanente es de 480 m3N/h/m2 y en casos excepcionales hasta 450 m3N//h/m2. Este valor se usa con poca carga de concentrados. Si se usan valores menores a los indicados se pueden causar fenómenos de desmezclado y conducir a perturbaciones en el funcionamiento del horno.
El máximo valor admisible en servicio permanente es de 600 m3N/h/m2 y se aplica cuando hay sobrecarga. Si se sobrepasa este valor se puede ocasionar aumento de la temperatura a la salida del horno por re-combustión. Además se corre el peligro de la "formación de canal" en el lecho fluidizado, por excesivo aumento de la velocidad del aire en las toberas.
Los valores de cargas de aire mencionadas, son válidas para resistencias de lecho normal de 160 a 180 mbar.
Granulometría del lecho fluidizado
La granulometría del lecho fluidizado se comporta de acuerdo a los siguientes factores:
Caudal de aire
Temperatura del lecho
Granulometría del concentrado tratado
Contenido de humedad
Resistencia de cama o altura del lecho
La resistencia de cama o altura del lecho es la pérdida de presión del aire primario al atravesar la capa de partículas en tostación y fluidización. Se mide en milibar (mbar). Como presión previa a la caja de viento de distribución del aire primario. En operación normal su valor es aproximadamente de 160 a180 mbar.
La descarga del horno se puede comparar con la descarga de una represa, ya que por encima del nivel fijado hay una descarga permanente. Durante el calentamiento del horno se añaden placas de acero termoestable a la descarga para evitar descargar sólidos de la cama, y luego con la alimentación de concentrado y una vez alcanzada la resistencia de cama normal, se retiran las placas adicionales que se pusieron al iniciar el calentamiento y se continúa con la operación normal.
Se puede incorporar una descarga por la parte inferior del horno, en la parrilla , la cual se abrirá periódicamente por medio de un dispositivo denominado atizador mecánico, cuyo objetivo es la descarga de los granos gruesos en el nivel de la parrilla, y que no son descartados durante la descarga normal. En algunos casos el funcionamiento de este dispositivo contribuye considerablemente a la estabilidad de la operación.
Tiro o tiraje en el horno
El tiro en el horno se ha de ajustar a +/- 0 mbar. En los hornos grandes, por la fuerza ascensional natural está permitido incluso una presión pequeña de 0.1-0.2 mbar como máximo. El tiro en el horno se debe regular con ayuda de la compuerta tipo persiana del ventilador intermedio, de tal manera que no se perciban emanaciones de gas por las ventanas del horno. Hay que tener en cuenta que al aumentar el tiro en el horno, ocasiona el aumento de ingreso de aire falso (aire secundario) y en consecuencia se produce mayor sulfatación de los sólidos después del horno.
Influencia de materias extrañas en la tostación de concentrados de Zinc
Los minerales de zinc (en su mayoría blendas) en su estado natural se encuentran casi siempre asociadas a compuestos secundarios que se tratan de separar en la flotación, pero algunos permanecen aún después de la flotación en cantidades más o menos pequeñas, pero que pueden influenciar o perturbar la normal operación de la tostación. Entre estos tenemos:
Hierro: casi siempre en forma de pirita, retarda la tostación ya que favorece la formación de SO3 y SO4Zn, que cuando están en grandes cantidades provoca la formación de escorias, debido a la gran fusibilidad de las piritas, cuyo núcleo contiene porciones inalterables de pirita. Por otro lado la pirita (FeS) se enciende más fácilmente que la blenda (ZnS), de manera que por la combustión de la pirita el proceso de tostación es más rápido.
A elevada temperatura el hierro contenido en la blenda forma ferritas Fe2ZnSO4; esto se puede evitar introduciendo un exceso de oxígeno durante la tostación. Si por la presencia accidental de materias reductoras se forman compuestos ferrosos, con el ácido silícico casi siempre presente en los concentrados, se pueden transformar en silicatos , que son fácilmente fusibles y envuelven parte del material, evitando su oxidación
Cadmio: el sulfuro de cadmio (CdS) se oxida a óxido de cadmio (CdO) y una parte se volatiliza y se incorpora a las partículas volantes.
Manganeso: lo mismo que el hierro forma silicatos que sinterizan fácilmente y pueden envolver partículas de blenda sin oxidar.
Plomo: el plomo funde, por lo cual tiende a formar aglomeraciones. El plomo por el proceso de tostación pasa a óxido (PbO) y luego a SO4Pb, que reacciona con los sulfuros de Zn y de Pb y se reduce a metal, y que por la temperatura elevada que existe en el horno, se volatiliza aproximadamente entre 8 a 22 % del plomo que ingresa. A esta volatilización se oponen el oxígeno y el anhídrido sulfúrico, formándose sulfato de plomo (SO4Pb) que puede pasar hasta la Planta de Ácido Sulfúrico.
Plata: el sulfuro de plata se trasforma en sulfato de plata por la tostación y a altas temperaturas se volatiliza.
Mercurio: el mercurio se volatiliza totalmente, encontrándose en el polvo volante o en los lodos de la Planta de Ácido.
Arsénico y Antimonio: se oxidan y se volatilizan completamente.
Fluor: en la tostación se volatiliza del 31 al 100%, según el grado de trituración y de la proporción de sílice (SiO2). Una parte se separa como FSi y otra parte como ácido fluorhídrico (HF), que debe ser eliminado en la Planta de Ácido Sulfúrico por su efecto perjudicial en los equipos y el proceso de preparación de ácido sulfúrico.
Calcio y Magnesio: pasan de carbonatos a sulfatos
Bario: permanece como sulfato de bario.
Planta de Tostación de concentrados de zinc en la Refinería de Zinc de Cajamarquilla
Descripción General
La tostación de concentrados de zinc (blenda) constituye la primera etapa en la metalurgia del zinc y en la Refinería de Zinc de Cajamarquilla esta se lleva a cabo en un Tostador de Cama Turbulenta (TLR por su nombre en inglés Turbulent Layer Roaster), en el cual se produce la oxidación de la blenda (sulfuros de zinc y de otros metales) por acción del oxígeno del aire a una temperatura de entre 900-950 ºC. Este proceso se produce con liberación de calor (reacción exotérmica) y en él la acción del calor y del oxígeno separan el azufre de los metales, obteniéndose como productos la calcina (óxido de zinc y óxidos de otros metales: hierro, cobre, cadmio, plata, etc.) y una masa gaseosa formada principalmente por el anhídrido sulfuroso que sirve de materia prima para la elaboración del ácido sulfúrico.
Una planta de tostación de concentrados de zinc está constituida por diversos equipos que pueden agruparse en los siguientes sistemas:
1) Sistema de alimentación de concentrados al tostador: está integrado por dos tolvas de almacenamiento de concentrado, dos fajas extractoras de concentrado, una faja de alimentación, un plato giratorio y dos alimentadores de catapulta (slingers belt)
2) Un soplador de aire, para proporcionar el aire de fluidización
3) Equipo auxiliar: el tostador de cama turbulenta tiene como equipo auxiliar a un equipo de precalentamiento para las puestas en marcha, formado por un soplador auxiliar, una bomba de petróleo, quemadores y lanzas de petróleo
4) Sistema de transporte y depuración de gases, formado por:
Una caldera La Mont: formada por paquetes evaporadores y un circuito de agua-vapor para aprovechar el calor generado en la tostación y generar vapor sobrecalentado de 350 ºC y 40 bar de presión. Esto permite enfriar los gases a aproximadamente 350ºC y recuperar partículas sólidas.
Dos ciclones para recuperar partículas sólidas
Dos electrofiltros (hot cottrell) para recuperar partículas muy finas
Un soplador intermedio que succiona los gases del tostador para enviarlos a la Planta de Ácido Sulfúrico: permite regular el tiro dentro del tostador, mediante una válvula de persiana
5) Sistema de transporte de calcina formado: por transportadores de cadena, un enfriador seccional y un molino de bolas
6) Panel de control: desde aquí se visualizan los parámetros de operación y pueden modificarse en caso de desviaciones o de cambios.
La capacidad de diseño de la Planta de Tostación fue originalmente de 601.5 Tm secas/día y se consideró que en operación normal debería trabajar 330 días al año.
Tostador de cama turbulenta de Cajamarquilla
a) Constitución
El tostador de cama turbulenta es el equipo donde se realiza la oxidación de la blenda (SZn) a óxidos metálicos, con liberación de anhídrido sulfuroso, el cual es materia prima para la fabricación de ácido sulfúrico.
El tostador de cama turbulenta está construido de chapa de fierro y lleva:
Un revestimiento interior compuesto de: una capa de ladrillos refractarios, una capa de ladrillos aislantes y cemento refractario (castable) destinados a proteger la chapa del tostador e impedir pérdidas de calor.
Un revestimiento exterior de lana mineral y chapa de aluminio, destinados a evitar pérdidas de calor y a proteger del medio ambiente al equipo.
El tostador de cama turbulenta está formado de: una caja cónica o caja de viento en la parte inferior, una parte cilíndrica inferior, un cono de transición, una parte cilíndrica superior y la bóveda. La parte cilíndrica inferior está separada de la caja de viento por un emparrillado, al cual se le ha soldado aproximadamente 10,000 toberas de fierro fundido, El emparrillado se llena con cemento refractario (castable) afín que pueda soportar las altas temperaturas desarrolladas en el momento de la tostación (aproximadamente 950 ºC).
Para cumplir su función el tostador cuenta con los siguientes dispositivos:
Un equipo de precalentamiento formado por tres quemadores, nueve lanzas de petróleo y un ventilador auxiliar
Dispositivos de refrigeración del lecho formado inicialmente por siete serpentines refrigerantes y dos inyectores de agua.
Dispositivos de descarga de calcina: una descarga superior continua (over flow) y una descarga inferior que se puede programar mediante un atizador de accionamiento neumático.
Dos ventanas de alimentación para introducir la blenda al interior del tostador, mediante las catapultas de alimentación de alta velocidad.
Control de temperaturas constituida por termopares
b) Funcionamiento
Para iniciar el funcionamiento del tostador de cama turbulenta se deberá calentar el lecho compuesto de material tostado (calcina) con el sistema de precalentamiento hasta 850-900 ºC.
Una vez alcanzada esta temperatura, el concentrado de zinc es comenzado a alimentarse al tostador por el sistema de alimentación por medio de las catapultas de alimentación, que permite la distribución uniforme del concentrado dentro del tostador. La blenda al caer al lecho fluidizado dentro del tostador, encuentra material con la temperatura suficiente para que los sulfuros reaccionen autógenamente en el medio ambiente oxidante. El aire es introducido mediante un soplador de gran capacidad a través de la caja de viento, luego por las toberas del emparrillado pasa al tostador, cumpliendo la doble misión de proporcionar oxígeno para la oxidación y de mantener en constante fluidización el lecho.
La parte fina de los concentrados alimentados al tostador es acarreada por los gases y la parte gruesa se va acumulando en el lecho. La parte del cono de transición y el cilindro superior se denominan "cámara de combustión posterior agrandada" y tiene como finalidad posibilitar la tostación total, especialmente del material fino y evitar la combustión posterior de los sulfuros en la caldera, que podría traer el deterioro prematuro de los tubos de la caldera.
Una vez que se ha logrado estabilizar las temperaturas del lecho, luego de haberse alimentado concentrado, se apaga el sistema de precalentamiento del tostador, manteniéndose el calor necesario para el proceso de tostación mediante el calor liberado por la oxidación de los sulfuros.
Los parámetros más importantes a regularse en un tostador de cama turbulenta son los siguientes:
Temperatura del lecho: los sulfuros al oxidarse liberan calor y ceden el calor necesario para continuar la tostación. Para controlar el calor están instalados dentro del tostador serpentines refrigerantes (cooling coils) por los cuales circula agua y enfrían indirectamente el lecho. En caso que las temperaturas del lecho todavía estén por encima de las temperaturas de operación se agrega agua directamente al lecho por inyectores.
Alimentación de concentrado: la alimentación de concentrado se puede regular desde el panel por medio del aumento o disminución de la velocidad de las fajas extractoras; también se puede regular con la volante de la compuerta de descarga de las tolvas de alimentación de concentrados.
Aire de tostación: se regula desde el panel, manipulando una válvula del soplador principal y la cantidad de aire a introducir al tostador depende de la cantidad de concentrado que se está alimentando y de la resistencia de cama.
Resistencia de cama: esto es la resistencia que ofrece el lecho a dejar pasar el aire hacia el tostador y depende de la cantidad de calcina almacenada dentro del tostador. Para que no se eleve demasiado la resistencia de cama, se deberá :
Descargar en forma continua: por la descarga superior (over flow), cuyo funcionamiento se puede comparar con una represa, donde el material en exceso es continuamente descargado (se hace una regulación inicial de la altura de descarga y luego permanece constante)
Descargar en forma periódica: por medio del atizador automático para realizar la evacuación del grano grueso del piso del tostador.
Regular el tiraje a la salida del tostador: el tostador deberá trabajar a un tiraje de 0 mbar a la salida del tostador. Cuando el concentrado contiene gran porcentaje de finos, se deberá trabajar en +0.1 ó 0.2 mbar, para evitar la pronta salida del material fino sin tostarse completamente, junto con los gases, lo cual dará una calcina de mala calidad, con alto contenido de azufre como sulfuro (S/S=). El tiraje se regula desde el panel y acciona una compuerta tipo persiana en la entrada del soplador intermedio.
Datos técnicos del tostador de cama turbulenta de Cajamarquilla:
Área de tostación : 100m2
Altura del tostador : 19.465 metros
Quemadores para calentamiento inicial : 3
Lanzas de petróleo para calentamiento inicial : 9
Toberas (inyectores de aire) : 9888
Abertura de las toberas : 6mm
Caudal de aire de tostación : entre 48,000 y 56,000 m3N/h
Resistencia del lecho : 160-180 mbar
Presión dentro del horno : 0.0 a 0.2 mbar
Azufre como sulfuro en la calcina : 0.20-0.40 %
Producción de vapor : 26 a 29 TM/h
Temperatura de operación : 900-970 ºC
Concentrado tratado (de diseño) : 601.5 TMS/día
Bibliografía
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Fluidized-Bed roasting of zinc concentrates G.M. Shteingart Tsvetnye Metally/Non ferrous metals
Fluidization in Metallurgical Extractive Y. Kondo, Y. Fukunaka and Z. Asaki
La tostación José Vidalón G. INCITEMI
Palabras claves: Tostación, Tostadores de cama turbulenta o tostadores de lecho turbulento (Turbulent Layer Roaster), Fluidización, lecho fluidizado, concentrados de zinc,
Autor:
José Puga Bullón
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