BR102019017920A2 - Processo de produção de propantes a partir de rejeitos de flotação de níquel - Google Patents

Abstract

processo de produção de propantes a partir de rejeitos de flotação de níquel. o presente pedido de privilégio de invenção é voltado ao setor de perfuração e exploração de poços de petróleo. propantes são materiais sólidos que possuem resistência mecânica suficiente para resistirem às altas pressões internas, temperaturas e efeitos corrosivos do meio, mantendo a fratura dos poços aberta após a interrupção do processo de fraturamento hidráulico. além disso, devem possuir densidade suficiente para não sedimentarem ao longo do escoamento antes de atingir o interior das fraturas. o processo industrial de produção de propantes a partir do rejeito de oriundos da operação de beneficiamento do minério de níquel é composto pelas seguintes etapas: mistura e homogeneização, moagem, secagem, peletização e sinterização. a produção de propantes a partir de rejeito oriundos da operação de beneficiamento do minério de níquel transformará resíduos industriais em novos produtos com maior valor agregado. além disso, provocará a eliminação de seu estoque e a mitigação do risco de impacto ambientais.

Description

PROCESSO DE PRODUÇÃO DE PROPANTES A PARTIR DE REJEITOS DE FLOTAÇÃO DE NÍQUEL

[001] O presente pedido de privilégio de invenção é voltado ao setor de perfuração e exploração de poços de petróleo. Consiste em um processo para a produção de propantes a partir de rejeitos oriundos da flotação de níquel, sendo os propantes materiais sólidos que possuem resistência mecânica suficiente para resistirem às altas pressões internas, temperaturas e efeitos corrosivos do meio, mantendo a fratura dos poços aberta após a interrupção do processo de fraturamento hidráulico. Além disso, devem possuir densidade suficiente para não sedimentarem ao longo do escoamento antes de atingir o interior das fraturas.

[002] O fraturamento hidráulico é uma das técnicas mais difundidas na estimulação de poços de shale gas e consiste na injeção de uma polpa mineral e aditivos sob alta pressão e vazão superior à pressão de ruptura da rocha, causando assim fraturas que se propagarão durante o bombeamento. As fraturas são mantidas abertas (preservando-se sua permeabilidade) pelas partículas minerais que foram injetadas (Barati e Liangi, 2014).

[003] O crescimento do consumo de propantes é comandado pelo aumento do número dos poços horizontais que serão submetidos ao fraturamento. O mercado de exploração na indústria de petróleo apresenta perspectiva de crescimento de atividades na área de fraturas hidráulicas para a produção de gás e óleo de xisto com a consequente elevação da demanda de produtos químicos e propantes.

[004] Em virtude disso, a produção de propantes a partir de rejeito oriundos da operação de beneficiamento do minério de níquel surge como uma alternativa potencialmente sustentável, pois transformará resíduos industriais em novos produtos com maior valor agregado. Além disso, provocará a eliminação de seu estoque e a mitigação do risco de impacto ambientais.

[005] Existe uma variedade considerável de matérias-primas para a fabricação de propantes, porém os tipos mais utilizados são o quartzo para produção de propantes de areia e a bauxita/caulinita para a produção de propantes cerâmicos.

[006] Do estado da técnica podem ser citados os CN102731073, US4713203, RU2463329, US15/321068, US9714377, US20090118145, CN104560006, WO2015191987A1 e WO2017171811.

[007] O registro CN102731073 descreve um método de fabricação de propantes cerâmicos, através das seguintes etapas: preparação das matérias primas, granulação, secagem, sinterização e resfriamento. A granulação é realizada em um granulador, onde a amostra inicial em pó é pré-tratada para um tamanho de grânulos de 30-50 mesh. Realiza-se a secagem dos grânulos e os mesmos são transportados para um forno rotativo para realizar a sinterização a uma temperatura de 1200-1300° C com a finalidade de obter o propante para ser utilizado em fraturas de poços de petróleo. Os grânulos de propante obtidos pelo invento, possuem densidade de 1,45-1,55 g/cm3 e sua esfericidade pode atingir 0,8 a 0,9.

[008] O documento US4713203 descreve um método de fabricação de propantes cerâmicos, utilizando como matéria prima a bauxita. O processo é realizado através das seguintes etapas: separação da fração fina da bauxita, pelotização dos finos de bauxita com água, tratamento dos pellets para remoção da umidade e sinterização. A lama contendo bauxita foi tratada com soda caustica para atingir pH =11 e em seguida passou pela etapa de decantação para separar as fases leve e pesada. A fração leve foi enviada para um Spray dryer para a secagem dos sólidos. Os sólidos secos foram pelotizados com água em um misturador EIRICH. Os grânulos foram secos para que a umidade ficasse abaixo de 2% e em seguida forma enviados para um forno rotativo. A etapa de sinterização foi realizada a uma temperatura máxima de 1500 °C.

[009] O registro RU2463329 demonstra um experimento 1: 485g de areia de quartzo-feldspato foi secada por 1 hora sobre temperatura de 150°C, 485g de serpentinito pré-aquecido a 1000°C, 30g de aditivo de complexo sinterizante composto por 10g de brucita, 10g de faialite, 6g de colemanita e 4g fluorsilicato de sódio, foram submetidos à moagem simultânea numa fração menor que 30 μm. A composição fracional foi monitorada por Horiba LA-300, analisador de tamanho de partícula. O material resultante foi granulado e calcinado a uma temperatura de 1150°C. Um segundo experimento menciona 920g de olivina seca por 1 hora a 150°C, 4g de aditivo de complexo sinterizante composto por 1g de brucita, 1g de faialite, 1g de colemanita e 1g de fluorsilicato de sódio foram moídos simultaneamente a uma fração menor que 30 μm. A composição fracional foi monitorada por Horiba LA-300, analisador de tamanho de partícula. O material resultante foi granulado e calcinado a uma temperatura de 1200°C. Um terceiro experimento cita 980g de dunito seco a uma temperatura de 150°C por uma hora, 20 g de aditivo de complexo sinterizante composto por 5 g de brucita, 10g faialite, 3g de colemanita e 2g de fluorsilicato de sódio que foram moídos simultaneamente a uma fração inferior a 30 μm. A composição fracional foi monitorada por Horiba LA-300, analisador de tamanho de partícula. O material resultante foi granulado e calcinado a uma temperatura de 1220°C.

[010] O próximo registro US15/321068 requer um propante experimental preparado pela mistura de diatomito DialFil® 615, adquirido da Imerys World Minerals, Inc. com razão de 50:50 de caulinita por peso. A composição química do DialFil® 615 é de 89% de SiO2, 4% de Al2O3, 1,7% Fe2O3, 0,2% P2O5 1,4% CaO, 0,6% MgO, 1,7% Na + K2O. O ligante de álcool polivinílico foi adicionado a 2% em relação ao peso total de diatomito e caulinita. A mistura foi granulada usando um misturador Eirich, que formou pellets de propante "verde" de diversos tamanhos de mesh. Em seguida, estes pellets foram separados em um mesh 12/40, onde a parte retida foi aquecida em um forno a 1200°C por uma hora.

[011] Os pellets aquecidos foram separados para formar uma remessa de propante de mesh 20/40. Para se obter a porosidade do propante, mediu-se a densidade aparente usando óleo e frasco de Le Chatelier e a densidade absoluta usando um picnômetro de Hélio. A diferença entre densidade aparente e densidade absoluta foi utilizada para determinar a porosidade das partículas propantes. A densidade aparente variou de 2,05 g/cm3 a 2,15 g/cm3, enquanto a densidade absoluta média foi de 2,51 g/cm3.

[012] A porosidade calculada variou de 14% a 18%, gerando uma média de 16% de porosidade interna. A resistência mecânica foi examinada a partir do uso de um API para teste de esmagamento de propantes sobre cargas de 2500 psi e 5000 psi. Quando submetido à pressão de 2500 psi, o percentual de finos do propante variou de 4,3% a 4,8%. Por outro lado, o percentual de finos gerados sobre pressão de 5000 psi variou de 20,6% a 21,3%.

[013] Por conseguinte, o experimento teve como enfoque apontar a melhor combinação de propriedades químicas e mecânicas que favorecem o uso de propantes para a preservação de fraturas de rochas a partir do fraturamento hidráulico. Observou-se que a adição de diatomito à composição da matéria prima reduz a resistência do produto final, apesar de aumentar a porosidade do mesmo. Por outro lado, a redução da quantidade de diatomito auxilia no aumento da resistência do propante, porém diminui a sua porosidade, reduzindo a condutividade do mesmo. Em relação à influência de temperatura de aquecimento (1200-1500°C), temperaturas elevadas contribuíram significativamente para o aumento de resistência (fator positivo) e diminuição da porosidade (fator negativo). Acredita-se que esta redução de poros no produto final ocorre devido ao "derretimento" da estrutura do diatomito como consequência das elevadas temperaturas.

[014] A próxima patente US 9714377 B2 descreve primeiramente, a separação de rejeitos minerais sólidos do fluido de mineração, que são levados a um moinho martelo, onde são pulverizados e sofrem um processo de remoção de hidrocarbonetos. Os rejeitos minerais pulverizados são misturados com um agente ligante, podendo ser amido ou álcool polivinílico. A mistura em forma de pellets é direcionada a uma coluna de aquecimento, na qual os mesmos são mantidos serem derretidos. Em seguida, os pellets derretidos são processados em partículas liquidas de formato esférico, que são resfriadas numa zona de resfriamento da coluna dando origem ao propante esférico.

[015] O próximo registro US 20090118145 A1 descreve misturas de diversas concentrações de dopante de carbonato de potássio e caulinita possuindo 46-60%m em relação à quantidade de alumina. A caulinita e o carbonato de potássio foram combinados e transformados em pó (aproximadamente 10 microns) por um moinho de jato. As misturas foram colocadas em um misturador Eirich a velocidades de 10 e 60 rpm. Água foi adicionada ao misturador em quantidade suficiente para garantir a formação de pellets arredondados e esféricos, entre 18% e 22% do peso das misturas.

[016] A caulinita e o carbonato de potássio foram, em seguida, misturados entre 2 e 6 minutos com água, juntamente com o material em pó de mesma constituição das misturas para facilitar a formação e o revestimento dos pellets. Ademais, a matéria prima foi secada em um forno a 110°C, resultando em pellets verdes contendo menos de 1% de umidade, que foram levados a uma mufla com taxa de aquecimento de 16°C/min até chegar na temperatura de sinterização (1450°C, 1500°C e 1550°C), permanecendo por 30 minutos nesta última condição.

[017] O documento CN104560006 discute sobre a utilização de uma matéria-prima para a produção de propantes cerâmicos em fornos rotativos a elevadas temperaturas. A matéria-prima utilizada é composta pela mistura dos seguintes materiais: rejeitos de magnésio, manganês em pó e bauxita. Nesta patente, uma série de passos para a produção do propante é discutida, como a realização da pesagem dos componentes da matéria prima na devida razão estequiométrica, seguida do processo de aglutinação e pelotização dos mesmos, promovendo a esfericidade e arredondamento desejados para o produto final, além de comentar sobre o processo de sinterização do composto obtido em um forno rotativo.

[018] O preparo desse propante confere a ele alta resistência para a utilização nas suas aplicações, além de ser uma maneira viável de se destinar os rejeitos de mineração.

[019] O registro seguinte WO2015191987A1 aborda uma forma de preparo de propantes através de uma matéria prima que contenha lignossulfonato de sódio, esteratos de alumínio e zinco. O processo é realizado por meio de um corpo rotativo (engrenagem pelletizadora) que extrui o material de alimentação através de um ralo, onde ocorre a transformação do composto com coloração esverdeada o qual é secado e, em seguida, sinterizado, obtendo-se propante como produto final. O material de alimentação utilizado deve conter um precursor cerâmico, um aglutinante, um lubrificante e água, sendo que o aglutinante deve conter uma certa proporção de lignossulfonato de sódio e o lubrificante deve ser composto por estereatos de alumínio, estereatos de zinco ou ácido oleico. Os propantes formados devem ter uma densidade maior ou igual a 3,7 g/cm3.

[020] Por fim, o documento WO2017171811se trata da obtenção de um propante proveniente de uma espécie de lama concentrada, não especificada, que é utilizada em poços juntamente com fluidos de fraturamento e agentes dispersantes.

[021] O mapeamento tecnológico referente à produção de propantes cerâmicos revelou a predominância do uso de rejeitos aluminossilicatos (bauxita, caulinita) como matéria prima, a utilização de forno rotativo na etapa de sinterização e a faixa de temperatura entre 1150°C e 1300°C (próximo do ponto de fusão da matéria prima). Através da pesquisa foi possível constatar que não há nenhum processo de fabricação de propantes a partir da Lama Cinza (resíduo da flotação de níquel).

[022] Entretanto, novos propantes estão sendo desenvolvidos a partir de novas matérias primas como, por exemplo, rejeito de vidro, rejeitos de mineração, rejeitos de fluidos de perfuração, etc., visando substituir a areia de sílica e bauxita com a finalidade de melhorar o desempenho deste material através do aumento do seu tempo de vida, das suas resistências em meio ácido/salino e ao esmagamento, além do aumento da condutividade e da redução do impacto ambiental.

[023] A lama cinza (resíduo da flotação de níquel), matéria prima utilizada no desenvolvimento do propante, já possui propriedades magnéticas sendo diferencial para possibilitar, através de técnicas de medição magnéticas, o comportamento fluidodinâmico (porosidade, permeabilidade e produtividade) dos reservatórios de hidrocarbonetos, se tornando um diferencial no produto.

[024] Dessa forma, a utilização de rejeitos de beneficiamento mineral configura uma solução inteligente do ponto de vista sócio ambiental, porque, de um lado, minimiza a lavra de novos recursos naturais para produção de propantes e, de outro, evita a construção de barragens para a disposição dos rejeitos, minimizando os riscos e impactos associados.

[025] A descrição a qual se segue busca destacar a proposta em nível de seu princípio, sem limitar-se ao desenho ou modelos dos componentes, tendo como referência o seguinte fluxograma abaixo listado:

[026] Figura 1, desenho esquemático representando as principais etapas do processo de produção de propantes a partir de rejeitos de flotação de níquel;

[027] O processo industrial de produção de propantes a partir do rejeito oriundo da operação de beneficiamento do minério de níquel é composto pelas seguintes etapas: mistura e homogeneização, moagem, secagem, peletização e sinterização.

[028] A preparação da matéria prima é uma etapa essencial para garantir a qualidade final do produto desejado e, de acordo com a figura 1, é iniciada com o processo de homogeneização onde o rejeito na forma de lama, oriundo da operação de beneficiamento do minério de níquel, é direcionado para um tanque de mistura (1) com teor de sólidos em torno de 93%. Em seguida, é adicionada água ao tanque para diluir essa lama, prosseguindo o processo para a etapa de moagem que consiste no recebimento da matéria-prima em um moinho de bolas (2) para a formação de uma camada fina em pó destes compostos.

[029] A classificação do material fino é realizada através de hidrociclones (3), sendo que a parcela direcionada ao underflow do hidrociclone (saída inferior do ciclone na qual as partículas maiores e mais pesadas são retiradas) retorna para o moinho de bolas (2), enquanto que a parcela em trânsito no overflow (saída do ciclone em que partículas menores e menos densas são retiradas pela parte superior) é enviada a um espessador (4) para realizar a concentração dos sólidos. O material do underflow, depois de passar novamente ao moinho de bolas (2), é encaminhado ao espessador (4) e, em seguida, é bombeado para o filtro prensa (5) a fim de realizar a secagem do material e reduzir a umidade, sendo posteriormente enviado para a etapa de peletização.

[030] Para a etapa de peletização, utiliza-se um misturador intensivo (6) com tempo e rotação definidos para que o valor de arredondamento/esfericidade seja atingido e a qualidade do produto garantida.

[031] Na etapa de peletização no misturador intensivo (6) em processo contínuo adiciona-se aditivo (diatomita, dióxido de titânio, cromita, boro, magnetita, óxido de magnésio) na proporção de 2,5% de massa (em relação à matéria-prima de entrada) para garantir a qualidade do produto desejado. Além disso, é acrescentada água para permitir o crescimento das partículas, a aglomeração das mesmas, o arredondamento, a esfericidade e a umidade final de 16% em massa no produto que sai do misturador intensivo.

[032] Finalizada essa etapa, o material deve ser seco em secador (7) a uma temperatura de aproximadamente 100°C para a retirada da umidade dos pellets formados. Os pellets secos, são enviados para a etapa de sinterização.

[033] Na etapa de sinterização, o produto é transferido a um forno rotativo (8) onde é submetido à temperatura inferior ao ponto de fusão do material (aproximadamente 1.100 a 1.250°C), atendendo assim às especificações exigidas para a classe de propante sintético, conforme a norma ABNT NBR ISO 13503-2.

[034] A etapa de sinterização é a etapa mais importante do processo, sendo necessário controlar a taxa de aquecimento do material que passa pelo forno, como também o tempo de residência para evitar a fusão do material.

[035] O material sinterizado, que sai à temperatura elevada do forno, é enviado para um resfriador rotativo (9) com o intuito de diminuir a sua temperatura. Após o resfriamento, adiciona-se resina nanomagnética como etapa de finalização/coaching.

[036] A produção de propantes a partir de rejeito oriundos da operação de beneficiamento do minério de níquel transformará resíduos industriais em novos produtos com maior valor agregado. Além disso, provocará a eliminação de seu estoque e a mitigação do risco de impacto ambientais.

[037] A grande inovação do produto se deve ao fato de a matéria-prima utilizada se tratar de um rejeito mineral nunca antes utilizado com intuito de fabricar propantes, o qual possui propriedades magnéticas que trazem a possibilidade de inferir, através de técnicas de medição magnéticas, o comportamento fluidodinâmico (porosidade, permeabilidade e produtividade) dos reservatórios de hidrocarbonetos, se tornando um diferencial no produto.

Claims (5)

1. “PROCESSO DE PRODUÇÃO DE PROPANTES A PARTIR DE REJEITOS DE FLOTAÇÃO DE NÍQUEL”, CARACTERIZADO por o processo industrial de produção em questão empregar as etapas de mistura e homogeneização, moagem, secagem, peletização e sinterização do minério de níquel;
2. “PROCESSO DE PRODUÇÃO DE PROPANTES A PARTIR DE REJEITOS DE FLOTAÇÃO DE NÍQUEL”, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO por o processo de homogeneização do rejeito na forma de lama, oriundo da operação de beneficiamento do minério de níquel, ocorrer em um tanque de mistura (1) com teor de sólidos em torno de 93%, onde, em seguida, água é adicionada ao tanque para diluir essa lama, prosseguindo o processo para a etapa de moagem que consiste no recebimento da matéria-prima em um moinho de bolas (2) para a formação de uma camada fina em pó destes compostos;
3. “PROCESSO DE PRODUÇÃO DE PROPANTES A PARTIR DE REJEITOS DE FLOTAÇÃO DE NÍQUEL”, de acordo com as reivindicações 1 e 2, CARACTERIZADO por a classificação do material em pó ser realizada através de hidrociclones (3), sendo que a parcela direcionada ao underflow do hidrociclone (saída inferior do ciclone na qual as partículas maiores e mais pesadas são retiradas) retorna para o moinho de bolas (2), enquanto que a parcela em trânsito no overflow (saída do ciclone em que partículas menores e menos densas são retiradas pela parte superior) é enviada a um espessador (4) concentrador dos sólidos;
4. “PROCESSO DE PRODUÇÃO DE PROPANTES A PARTIR DE REJEITOS DE FLOTAÇÃO DE NÍQUEL”, de acordo com a reivindicação 1 a 3, CARACTERIZADO por o material do espessador (4) ser bombeado para um filtro prensa (5) para secagem e redução da umidade, sendo posteriormente enviado para a etapa de peletização onde é utilizado um misturador intensivo (6) para arredondamento/esfericidade do material e onde é adicionado aditivo (diatomita, dióxido de titânio, cromita, boro, magnetita, óxido de magnésio) na proporção de 0,75 m3/h e 6 m3/h de água para crescimento das partículas, aglomeração das mesmas e o arredondamento;
5. “PROCESSO DE PRODUÇÃO DE PROPANTES A PARTIR DE REJEITOS DE FLOTAÇÃO DE NÍQUEL”, de acordo com as reivindicações de 1 a 4, CARACTERIZADO por o material, após a etapa de peletização, ser seco em secador (7) a uma temperatura de aproximadamente 100°C para a retirada da umidade dos pellets formados, sendo os pellets secos enviados para a etapa de sinterização onde o produto é transferido a um forno rotativo (8) para ser submetido à temperatura inferior ao ponto de fusão do material (aproximadamente 1.100 a 1.250°C), finalizado com o envio do material para um resfriador rotativo (9) e adição de resina nanomagnética na etapa de finalização/coaching, originando o propante.

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