ES2231565T3 - Metodo para la estabilizacion de un lecho fluidizado en un horno de tostacion. - Google Patents

Abstract

Método de estabilización de un lecho fluidizado usado en la tostación de un material de grano fino, caracterizado porque se calcula la cantidad total de oxígeno en el gas de tostación a alimentar y la necesidad total media de oxígeno del material a tostar y se regula la razón entre ellas de manera que esta razón o coeficiente de oxígeno en el lecho sea superior a 1, y con el fin de ajustar el coeficiente de oxígeno, se toma la medición del contenido de oxígeno en el lecho fluidizado.

Description

Método para la estabilización de un lecho fluidizado en un horno de tostación.

Esta invención se refiere a un método para estabilizar un lecho fluidizado usado en tostación por ajuste del contenido de oxígeno del gas de tostación en el lecho. El material de grano fino para tostación es alimentado dentro del horno por encima del lecho fluidizado y el gas de tostación, produce el lecho fluidizado, se alimenta en el fondo del lecho a través de una parrilla. En este método, se calcula la cantidad total de oxígeno en el gas de tostación, a alimentar y la cantidad media total de oxígeno necesaria del material a tostar y se regula la relación entre ellas de manera que el coeficiente de oxígeno en el lecho sea superior a 1.

La tostación puede realizarse en varios hornos diferentes. Sin embargo, hoy en día, la tostación de material de grano fino tiene lugar usualmente con el método de lecho fluidizado. El material a tostar se alimenta dentro del horno de tostación vía las unidades de alimentación previstas en la pared del horno encima del lecho fluidizado. En el fondo del horno hay una parrilla, a través de la cual se alimenta gas que contiene oxígeno con el fin de fluidizar el concentrado. El gas que contiene oxígeno utilizado usualmente es aire. Hay usualmente del orden de 100 toberas de gas/m^{2} bajo la parrilla. Al fluidizarse el concentrado, la altura del lecho de alimentación asciende a aproximadamente la mitad de la del lecho de material fijo. La caída de presión en el horno es formada por la resistencia de la parrilla y la del lecho. La resistencia del lecho es más o menos la masa del lecho cuando el lecho se encuentra en un estado fluidizado. La caída de presión es del orden de 240-280 mbar.

La tostación de sulfuros es descrita, por ejemplo, en el libro de Rosenqvist, T.:Principles of Extractive Metallurgy, pp. 245-255, McGraw-Hill, 1974, USA. De acuerdo con Rosenqvist, tostación es la oxidación de sulfuros metálicos, que da lugar a óxidos de metal y dióxido de azufre. Por ejemplo, el sulfuro de cinc y la pirita se oxidan como sigue:

2 \ ZnS \ + 3 \ O_{2} \rightarrow \ 2 \ ZnO + 2 \ SO_{2}

2 \ FeS_{2} \ + \ 5 \ ^{1}/_{2} \ O_{2} \rightarrow \ Fe_{2}O_{3} + 4 \ SO_{2}.

Además, pueden ocurrir otras reacciones tales como la formación de SO_{3}, la sulfatación de metales y la formación de óxidos complejos tales como ferrita de cinc (ZnFe_{2}O_{4}). Son materiales típicos para la tostación los sulfuros de cobre, cinc y plomo. La tostación tiene lugar comúnmente a temperaturas inferiores al punto de fusión de los sulfuros y óxidos, generalmente por debajo de 900-1000ºC. Por otro lado, con el fin de que se produzcan las reacciones a una tasa razonable, la temperatura debe ser por lo menos del orden de 500-600ºC. El libro presenta dibujos de balance, que muestran las condiciones exigidas para la formación de varios productos de tostación. Por ejemplo, cuando se usa aire como gas de tostación, la presión parcial de SO_{2} y O_{2} es de aproximadamente 0,2 atm. Las reacciones de tostación son fuertemente exotérmicas, y por consiguiente el lecho necesita una disposición de enfriamiento.

La calcina se retira del horno parcialmente vía una abertura de rebose, y es transportada parcialmente con los gases a la caldera de gas residual y desde allí al ciclón y los precipitadores electrostáticos, de donde se recupera la calcina. Usualmente, la abertura de rebose se localiza en el lado opuesto del horno con respecto a las unidades de alimentación. La calcina retirada es enfriada y molida finamente para lixiviación.

Para la buena tostación es importante controlar el lecho, es decir, el lecho debe ser de construcción estable y tener otras buenas propiedades de fluidización y la fluidización tiene que estar bajo control. La combustión debería ser lo más completa posible, es decir, los sulfuros deben oxidarse completamente en óxidos. La calcina tiene que salir también del horno bien, es decir, el tamaño de partícula de la calcina debe estar comprendido dentro de cierto límites. Es sabido que el tamaño de partícula de la calcina se ve afectado por la composición química y mineralogía del concentrado así como por la temperatura del gas de tostación.

Los concentrados de sulfuro de cinc manipulados en tostadores de cinc se han vuelto más impuros en el curso del tiempo. Los concentrados ya no son en ningún sitio blenda de cinc casi pura, esfalerita, sino que pueden contener una cantidad considerable de hierro. El hierro está disuelto en el artículo de esfarelita o bien en forma de pirita o pirrotita. Además, los concentrados contienen a menudo plomo y/o cobre sulfídicos. La composición química y mineralogía de los concentrados varían enormemente. De este modo la cantidad de oxígeno requerida para la oxidación de los concentrados varía también, como ocurre con la cantidad de calor producida por combustión. En la técnica usada corrientemente, se regula la alimentación de concentrado del tostador de acuerdo con la temperatura del lecho usando lógica aproximada, por ejemplo. Por ello existe el peligro de que la presión de oxígeno en el lecho fluidizado descienda excesivamente, es decir, que la cantidad de oxígeno sea insuficiente para tostar el concentrado. En consecuencia, el lecho no se aglomera normalmente sino que permanece excesivamente fino y al mismo tiempo la contrapresión del lecho puede caer demasiado baja, porque un lecho fino deja de fluidizar y se producen chimeneas. La demanda de oxígeno verdadera de un lecho fluidizado es desconocida, porque generalmente la mezcla de concentrado no se calcula continuamente con anterioridad sobre la base de su composición precisa, ni tampoco hay dispositivos en el lecho para medir el contenido de oxígeno. Por consiguiente, el funcionamiento de un horno de lecho fluidizado es difícil de regular y de mantener estable.

El tamaño de partícula de los concentrados de sulfuro de cinc a tratar varía también. En consecuencia, es difícil saber qué parte del concentrado arderá en el lecho cuando y qué parte por encima del lecho transportado por el gas de escape. Si se produce una cantidad significativa de la combustión por encima del lecho, se crea menos energía en el lecho que la usual y, dependiendo del método de regulación, esto puede incrementar la alimentación.

Como se ha dicho anteriormente, es sabido por cálculos de balance y diagramas de balance de la literatura que el cobre y hierro juntos y por separado forman oxisulfuros, que se funden a las temperaturas de tostación e incluso también a temperaturas más bajas. De forma similar, el cinc y plomo así como el hierro y plomo forman, ambos sulfuros fundidos a bajas temperaturas. Es posible está clase de aparición de sulfuro y aumenta la probabilidad si la cantidad de oxígeno contenida en el lecho es menor que la normalmente necesaria para oxidar el concentrado.

Durante la tostación en lecho fluidizado se produce normalmente aglomeración del producto, es decir, la calcina es claramente más gruesa que la alimentación de concentrado. La formación antes mencionada de sulfuros fundidos aumenta no obstante la aglomeración en un grado perturbador, puesto que los aglomerados con sus núcleos de sulfuro permanecen en movimiento alrededor de la parrilla. Los aglomerados ocasionan acumulaciones sobre la parrilla y, con el tiempo, bloquean las toberas de gas que hay bajo la parrilla. Se ha observado en tostadores de cinc que se forman en el horno acumulaciones que contienen componentes impuros, particularmente en la parte de la parrilla situada bajo las unidades de alimentación de concentrado.

En el artículo por Nyberg, J. y cols.: Recent Process Improvements in the Kokkola Zinc Master, Lead-Zinc Symposium 2000, Pittsburgh, USA, 22-25 Octubre, 2000, páginas 399-415, se dice que el lecho fluidizado del tostador se mueve generalmente hacia un estado inestable cuando aumenta el porcentaje de la fracción más fina del lecho. En este caso, las temperaturas de los termoelementos de control divergen, como resultado del hecho de que el lecho es demasiado fino para la fluidización y se producen chimeneas. Además, la contrapresión del lecho desciende y la alimentación también desciende.

La literatura contiene investigación sobre un modelo de oxidación de sulfuro de cinc, que trabaja con contenidos de oxígeno extremadamente bajos. De acuerdo con este modelo, se forma óxido de cinc a bajas presiones de oxígeno a través de reacciones de gas y no a través de una reacción sólido-gas como es normal. Esto quiere decir que el óxido de cinc concentrado es extremadamente fino. Sin embargo, la potencia de los ventiladores que hay debajo de la parrilla no siempre es suficiente para incrementar la alimentación de gas e igualmente la cantidad de oxígeno. Por otro lado, la planta de ácido que hay después del tostador puede ocasionar limitaciones de capacidad. El concentrado puede ser también tan fino que, si se incrementa la alimentación de gas, el material ya no permanecerá en el lecho fluidizado sino que en su lugar "volará" al flujo de gas. A veces la calidad del concentrado no permite cambios en la temperatura del lecho y con ello la reducción de alimentación y por este medio el incremento en la cantidad de oxígeno a un nivel suficiente. Puede haber también situaciones en las que no sea posible ninguno de los métodos de regulación arriba indicados.

Se han ensayado diferentes modos de regular las condiciones de tostación. La patente US 5.803.949 se refiere a un método de estabilización del lecho fluidizado en la tostación de sulfuros de metal, donde la estabilización ocurre por el control del tamaño de partículas de la alimentación. En la patente US 3.957.484 la estabilización ocurre por alimentación del concentrado como una suspensión. En el artículo de MacLagan, C. y cols.: Oxygen Enrichment of Fluo-Solids Roasting at Zincor, Lead-Zinc Symposium 2000, Pittsburgh, USA, 22-25 Octubre 2000, páginas 417-426, se dice que el contenido de oxígeno del gas de escape del tostador es controlado por mediciones tomadas de la línea de gas después de la caldera o del ciclón. Estas mediciones no hablan, sin embargo, del estado del lecho fluidizado, porque las mediciones de la línea de gas ya incluyen el aire de fuga.

Con el fin de corregir las deficiencias presentadas más arriba, se ha desarrollado ahora un método de acuerdo con la presente invención para estabilizar un lecho fluidizado para usar en la tostación de material fino por regulación del contenido de oxígeno en el gas del lecho. Con el fin de oxidar, por ejemplo, concentrado de sulfuro de cinc en óxido de cinc, el coeficiente de oxígeno del lecho fluidizado debería ser en teoría por lo menos uno. El coeficiente de oxígeno se obtiene cuando se calcula la alimentación de oxígeno total del gas de tostación y se compara con la necesidad de oxígeno total de la mezcla de alimentación de concentrado. De acuerdo con el método ahora desarrollado, se ajusta el coeficiente de oxígeno para que sea superior a 1, preferiblemente 1,03 por lo menos. Con el fin de efectuar un ajuste más preciso, se mide también el contenido de oxígeno en el lecho mismo. La estabilización del lecho fluidizado por regulación del coeficiente de oxígeno impide las pérdidas de capacidad que resultan de la acumulación formada sobre la parrilla y las paradas de producción que ocasionan. Los rasgos esenciales de la invención resultarán evidentes en las reivindicaciones adjuntas.

De acuerdo con el presente método, es posible realizar el ajuste del coeficiente de oxígeno sobre la base de dos datos de proceso: primeramente calcular la necesidad de oxígeno media de la mezcla de alimentación (Nm^{3}O_{2}/t mezcla de concentrado) usando las necesidades de oxígeno calculadas de la composición química y mineralógica estudiada de cada concentrado. La necesidad de oxígeno de la mezcla de concentrado se introduce en el equipo de control del proceso cada vez que se cambia la mezcla. El segundo dato de proceso requerido es la necesidad de oxígeno total, que se calcula sobre la base de la necesidad de oxígeno de la mezcla de alimentación y la alimentación de concentrado (t/h) a medir continuamente. Durante la tostación, el equipo de control del proceso mide el coeficiente de oxígeno del proceso, es decir, compara la alimentación de oxígeno total con la necesidad de oxígeno total calculada. La alimentación de oxígeno total se obtiene midiendo la cantidad de gas a alimentar vía la parrilla y su contenido de oxígeno. Se da al equipo de control un valor límite apropiado, y si el contenido de oxígeno cae por debajo de este límite, el equipo reacciona de la manera prescrita, por ejemplo, con una alarma o un cierto procedimiento de ajuste. Estas clases de procedimientos de ajuste son, dependiendo de la situación, el ajuste del coeficiente de oxígeno a la gama correcta, bien sea cambiando la temperatura, la cantidad de aire de la parrilla o enriquecimiento de oxígeno ya sea por separado o juntos en diferentes combinaciones. Se puede alimentar oxígeno puro con el gas de parrilla como enriquecimiento de oxígeno.

Como se ha dicho anteriormente, con realizaciones de la técnica anterior de tostación no ha sido posible determinar qué parte del concentrado se oxidará en el lecho y qué parte solamente encima del lecho y cuál será el porcentaje de aire de fuga. No existe pues imagen precisa de la suficiencia de la cantidad de oxígeno en el lecho. Por consiguiente, con el fin de especificar la acción de ajuste, es necesario llevar también a cabo medición del contenido de oxígeno en el lecho. En la presente invención se puede realizar el ajuste fino del contenido de oxígeno bien sea continuamente o por ejemplo solamente cuando se cambia la mezcla de alimentación. Se usa sondas por ejemplo como dispositivo de medida. Basándose en esta medición se lleva a cabo las acciones antes descritas que sean necesarias para ajustar el coeficiente de oxígeno a la gama correcta. En particular, cuando se usa enriquecimiento de oxígeno habría que tener presente la evitación de gastos superfluos o la alimentación de oxígeno en exceso, ya que el oxígeno puro es caro.

La invención es descrita adicionalmente en el ejemplo siguiente:

Ejemplo 1

Se comparó un concentrado con una composición de esfalerita con un concentrado de cinc que contenía pirita. El cálculo de la necesidad de oxígeno de los concentrado puso de manifiesto que la necesidad de oxígeno del concentrado de esfalerita en tostación es 338 Nm^{3}/t y para el concentrado que contiene pirita 378 Nm^{3}/t. En otras palabras, la necesidad de oxígeno del concentrado que contiene pirita es más de un 10% mayor que la del concentrado de esfalerita. Los contenidos de mineral de los concentrados aparecen en la tabla 1.

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Claims (11)

1. Método de estabilización de un lecho fluidizado usado en la tostación de un material de grano fino, caracterizado porque se calcula la cantidad total de oxígeno en el gas de tostación a alimentar y la necesidad total media de oxígeno del material a tostar y se regula la razón entre ellas de manera que esta razón o coeficiente de oxígeno en el lecho sea superior a 1, y con el fin de ajustar el coeficiente de oxígeno, se toma la medición del contenido de oxígeno en el lecho fluidizado.

2. Método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque se ajusta el coeficiente de oxígeno para que sea por lo menos 1,03.

3. Método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque se ajusta el coeficiente de oxígeno cambiando la temperatura.

4. Método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque se ajusta el coeficiente de oxígeno cambiando la cantidad de aire de tostación.

5. Método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el gas de tostación es aire.

6. Método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el aire enriquecido en oxígeno se usa como gas de tostación.

7. Método de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque se ajusta el coeficiente de oxígeno cambiando el enriquecimiento de oxígeno del gas de tostación.

8. Método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque se realiza continuamente la medición del contenido de oxígeno del lecho.

9. Método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque se lleva a cabo la medición del contenido de oxígeno del lecho cuando se cambia la mezcla de alimentación.

10. Método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el material a tostar es un concentrado de cinc.

11. Método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el material a tostar es un concentrado de sulfuro que contiene hierro.