Tostación de concentrados de cobre con alto contenido de arsénico

La tostación se define como la oxidación térmica de un material sólido, sin ser aglomerado o sinterizado.

La mejor técnica de tostación es la del lecho circulante fluidizado de material fino, que aumenta considerablemente la superficie de contacto entre la fase sólida y la fase gas, debido a que el lecho se mantiene en movimiento constante.

El Proceso de Tostación de lecho fluidizado fue diseñado para DMH por OUTOTEC para tratar concentrados de cobre caracterizado por su alto contenido de arsénico (5.8 % en promedio), para obtener calcinas con As= 0.3 % y S= 20.0 %, a ser utilizadas en operaciones piro metalúrgicas o hidro metalúrgicas posteriores, basados en la experiencia en:

• Tostador de Boliden Rönskar, Suecia

• Tostador de Lepanto, Filipinas

La tostación parcial se consigue controlando el acceso de aire para oxidar sólo una parte del sulfuro de hierro, lo que deja el sulfuro de cobre relativamente sin modificaciones.

Descripción del tostador de lecho fluidizado

El tostador es un horno de lecho fluidizado de sección cilíndrica, instalado en posición vertical. Está formado por dos cilindros unidos por una columna de cono (7) de aproximadamente del 20% de la altura total del horno.

En la parte superior del cilindro, se encuentran dos conductos de gases de salida (4) por la bóveda del horno; se tiene tres conductos de agua de refrigeración (2) y la entrada al interior del horno de los tres conductos de alimentación de concentrado (1).

En la parte inferior del horno están instalados dos conductos de descarga de calcina (13) y tres boquillas de arranque de los quemadores (11).

La base del cilindro, es de menor diámetro y lleva instalada una placa transversal inferior llamada distribuidor (15), que está provista de 1976 toberas (16) distribuidas uniformemente en toda el área del lecho, equidistantes entre sí, de tal forma que el gas pueda ser distribuido en forma uniforme desde el distribuidor hacia el lecho de partículas.

Unida a la base inferior, se encuentra el cono que forma la cámara de aire o wind box (18), que sirve para uniformizar la presión de soplado de gas (aire) a través del distribuidor, y por donde se conecta el conducto de entrada de aire de fluidización (17)

Las paredes internas, están cubiertas con material aislante térmico (8), material refractario (9) y la pared interna de la bóveda con lana mineral (3).

Partes del tostador de lecho fluidizado:

1. Conductos de alimentación de concentrado (3 conductos).

2. Conductos de agua de refrigeración (3 entradas). Nota: se cambiaron de ubicación a los ductos donde se alojan los quemadores

3. Lana mineral.

4. Conducto de gases de salida (2 conductos).

5. Cámara de postcombustión.

6. Cilindro superior.

7. Columna de cono.

8. Material aislante.

9. Material refractario.

10. Cilindro inferior.

11. Boquillas de arranque del quemador (3 boquillas).

12. Rebose del lecho.

13. Conducto de descarga de calcina (2 salidas).

14. Boquillas de temperatura de lecho.

15. Placa de toberas.

16. Toberas.

17. Conducto de aire de fluidización.

18. Cámara de aire o wind box.

Funcionamiento del horno de lecho fluidizado

El principio de funcionamiento del horno de tostación de lecho fluidizado, es la transferencia de calor por convección que se da desde las partículas que constituyen el lecho y el concentrado.

La característica principal de un horno de lecho fluidizado con gas (aire), es la de tener una masa de partículas sólidas agitadas en forma intensa y en mezcla cercana a la mezcla perfecta. Las partículas son agitadas por efecto del gas (aire pre calentado) que se suministra desde un soplador y que se sopla hacia el horno impulsado a través del conducto de aire de fluidización (17) hacia la cámara de aire (18), continuando su recorrido a través de una placa transversal inferior de toberas llamada distribuidor (15), que está provista de toberas equidistantes entre sí, de tal forma que el gas pueda ser distribuido en forma uniforme desde el distribuidor hacia el lecho de partículas.

El aire de fluidización ingresa por los orificios de las toberas (16) al interior del horno, formando el caudal de fluidización.

El espacio existente entre el lecho y la bóveda del horno, actúa como una cámara de postcombustión (5).

El concentrado que ingresa por el conducto de alimentación (1) es fluidizado y, por la alta superficie de contacto, pierde humedad formándose los gases de escape que salen lateralmente por los conductos de gases de salida (4).

Las partículas sólidas permanecen en la zona densa del lecho hasta su salida por el conducto de descarga de calcina (13).

Al iniciar el flujo de aire a través de un lecho estático de partículas, la caída de presión aumenta linealmente con el aumento del caudal de aire, hasta alcanzar un valor en el cual el empuje del aire sobre el lecho se hace igual al peso de éste. En estas condiciones para ese flujo de aire, se alcanza un valor constante de la cantidad de aire que percola entre las partículas y que define la velocidad mínima de fluidización del sólido y a esta mezcla de partículas y gas en condiciones de mínima fluidización se le denomina emulsión.

Cualquier aumento de la cantidad de gas por encima de este valor no aumenta el valor de la caída de presión a través del lecho y el exceso de gas forma burbujas de gas o columnas de gas que ascienden a lo largo del lecho, en forma muy similar a las burbujas o columnas de gas en un líquido en ebullición.

Esta característica única de los lechos fluidizados por gas de formar burbujas o columnas de gas tiene la ventaja de producir una vigorosa e intensa agitación y mezcla del lecho, el que se puede aproximar a una mezcla perfecta, así como tener la ventaja de producir un alto grado de transferencia de calor y trasferencia de materia en el lecho.

De esta forma, el gas que fluidiza el lecho se divide fundamentalmente en dos cantidades principales:

•Una cantidad de gas que percola entre las partículas y cuya cantidad se caracteriza por la velocidad mínima de fluidización y cuyo valor es aproximadamente constante e independiente de la cantidad total de gas soplado al lecho. Esta cantidad de gas depende esencialmente de las características del material a fluidizar (tamaño y forma de las partículas: coeficiente de esfericidad, densidad del sólido, altura de lecho: caída de presión, velocidad de alimentación de concentrado, relación de concentrado y caudal de aire).

•El resto del gas, que es la diferencia entre el gas total soplado al lecho menos el gas que percola entre las partículas, forma burbujas de gas o columnas de gas que son las causantes del movimiento del sólido en el lecho y por lo tanto de la mezcla de éste.

Características principales del tostador de lecho fluidizado de concentrados de cobre

TAG: 5140-TST-01

• Capacidad : 70 t/h

• Humedad : = 10% (entre 8 a 10 %)

• Temperatura de diseño : 700° Celsius.

• Tecnología : Outotec Lecho fluidizado

• Tiempo de operación: 24 h/d 330 días al año

• Vida útil : 20 años

• Diámetro : 12.2 m

• Altura : 24.5 m

• Carcasa de acero revestida de ladrillos refractarios

• Área del lecho: 50 m2

• Área del espacio libre (free board): 100 m2

• Precalentamiento: tres quemadores para calentar el lecho a aprox. 600°C

• Arena: 2-4% del concentrado, como material inerte para estabilizar el lecho

• Tolva de alimentación en la parte superior del tostador: actúa como sello para evitar que el gas del proceso escape al ambiente

• Alimentador rotativo de accionamiento hidráulico

• Alimentación por tres tuberías desde la tolva de alimentación

• Aire de fluidización: aire precalentado a 200-280°C

• Aire por tonelada de concentrado: debe ser tan bajo como sea posible, una vez elegida la temperatura de tostación.

• Temperatura de tostación: 650-700°C

• Presión en el tostador: presión negativa

• Azufre en calcina: tanto azufre como sea posible (>de 20 %)

• Arsénico: =0.3 %

• Agua de refrigeración: tres puntos de adición; sólo como afinamiento de la temperatura de proceso

• Descarga del horno: parte inferior del lecho, por encima de las toberas

Zonas del tostador de lecho fluidizado

Los hornos de lecho fluido de régimen burbujeante o de columnas de gas (turbulentos) tienen varias zonas que las caracterizan:

-La zona inferior de entrada del gas o plenum que sirve para uniformar la presión de soplado a través del distribuidor,

-El distribuidor de gas provisto de toberas.

-El lecho fluidizado propiamente tal, el cual puede ser de distinta altura en condiciones fluidizadas (expandida).

-La zona de desagregación del sólido eyectado por la violenta erupción de las burbujas o colapso de las columnas de gas en la superficie del lecho. Parte de este sólido eyectado retorna al lecho.

-La zona libre superior del reactor o free board donde el arrastre de sólidos (finos), es aproximadamente constante. Esta zona en algunos reactores tiene un diámetro mayor que la zona del lecho para disminuir la velocidad espacial del gas y reducir así el arrastre de sólidos.

Variables en el proceso de tostación

Las principales variables en el proceso de tostación son:

• Tamaño y forma de las partículas.

• Porosidad.

• Velocidad de aire sobre la velocidad de fluidización de las partículas.

• Caída de presión (resistencia del lecho en kPa).

• Tiempo de residencia de la calcina dentro del lecho.

• Altura de lecho.

• Velocidad de alimentación de concentrado.

• Capacidad de carga del tostador.

• Razón (relación) de concentrado y caudal de aire.

• Temperatura.

Mecanismos de tostación

Los principales mecanismos de tostación son:

• 1. Difusión de oxígeno a través de la capa límite.

• 2. Difusión de oxígeno a través de la capa de productos.

• 3. Reacción química entre el oxígeno y el sulfuro metálico.

• 4. Difusión del anhídrido sulfuroso a través de la capa de producto.

• 5. Difusión del anhídrido sulfuroso a través de la capa límite.

Reacción de Tostación: 2MeS + 3O2 ? 2MeO + 2SO2

La tostación es una reacción heterogénea y la velocidad de reacción es controlada por:

• La turbulencia del gas

• La concentración de oxígeno en el gas

• El tamaño de la superficie de contacto entre la fase sólida y la fase gaseosa.

La reacción más rápida se produce durante una suspensión turbulenta de material fino, preferiblemente con un flujo en contracorriente

La composición del producto calcinado del tostador se puede controlar por la temperatura y la presión parcial del oxígeno. Para evitar el exceso de oxidación del hierro se puede bajar la temperatura. Otro método es controlando la presión parcial del oxígeno y de este modo sólo oxidar parcialmente el concentrado

Es esencial el control del oxígeno potencial para la formación de magnetita, ya que la operación con más condiciones oxidantes resultará en formación de hematita; esta se debe evitar, ya que el arsénico presente formará con la hematita arseniato de hierro que acompañará al material tostado, sin poder ser eliminado.

Temperaturas más altas de 700°C fomentan la eliminación de arsénico por la formación de As4O6 (g), sin embargo, cuando el concentrado es parcialmente tostado a temperaturas por encima de 725°C, se puede producir cierta viscosidad seguida por aglomeración o sinterización de la calcina como resultado de los compuestos de fundición de baja temperatura en el concentrado.

El Tostador de DMH está diseñado para una velocidad de gas y un tiempo de residencia adecuado para producir una calcina de bajo contenido de arsénico.

Se utiliza aire precalentado a 280°C como agente oxidante y fluidizante. La calcina debe contener tanto azufre como sea posible y por lo tanto el aire por tonelada de concentrado debe ser tan bajo como sea posible, una vez elegida la temperatura de tostación.

Para una buena estabilidad del lecho y una tostación superior, se agrega arena con paso de malla entre 10 y 100, en un rango de 2 a 4 %

Etapas principales del proceso

• Alimentación de concentrado en condiciones de sellado (estanco al gas del horno de tostación)

• Tostación parcial en condiciones controladas

• Separación de calcina en dos etapas de ciclones en serie

• Refrigeración indirecta de calcina con agua de refrigeración

• Combustión posterior del gas de salida del tostador

• Refrigeración del gas de salida del tostador en una torre de refrigeración adiabática

• Eliminación de polvo en el precipitador electrostático caliente.

Manejo de gas de proceso, incluyendo separación de calcina y polvo

REACCIONES EN EL HORNO DE TOSTACIÓN DMH

Problemas de aglomeración y/o sinterización en el lecho

Este es un problema que puede ser recurrente y es producido por distintas causas:

a) Material aglomerado en la alimentación (colpas de concentrado de alta humedad) que caen sin disgregarse al lecho.

b) Aumento de temperatura local en el lecho, que a su vez puede ser producida por material aglomerado alimentado anteriormente o por una fluidización no uniforme en todo el plato de distribución, (toberas tapadas).

c) Formación de eutécticos de bajo punto de fusión tipo As2S3 – Cu2S – FeS u otros. Este problema se acentúa si hay zonas de mayor temperatura en el lecho fluido y es más severo para temperaturas del lecho por sobre 715-720ºC.

d) Enfriamiento localizado en ciertas áreas del lecho causado por goteo o chorreo de agua de los pulverizadores (mala dispersión del agua, que es frecuente).

e) Desprendimiento de masas o colpas de polvo adherido al free board (no muy frecuente). Esto puede producir de fluidización de zonas del distribuidor que luego

se propagan al total del lecho y se detecta generalmente por una súbita disminución de la temperatura del lecho

f) Cambio en la composición mineralógica del concentrado. Por ej., la presencia de plomo (PbS) forma eutécticos de bajo punto de fusión con otros sulfuros (< 500ºC).

g) Paradas de emergencia del reactor de tostación: si no se controla la temperatura del lecho, este puede sinterizarse

h) Paradas o detenciones frecuentes del tostador

Autor:

José Puga Bullón/

Abril 2014

Preparado en base a los siguientes documentos:

– Manual de Operaciones 5140 Área de Tostación-CODELCO

-Curso N°1 Teoría y fundamentos de la tostación de concentrados altos en arsénico en lecho fluidizado WILKOMIRSKY Y ASOCIADOS Ingenieros Consultores

-Manual de Operación N10DM07-I1-OUTOTEC-MMH-INFPR02-5000-130 OUTOTEC