Proceso industrial para la obtención de zno purificado a partir de polvos de acería empleando un horno metalúrgico de plasma

Resumen

El polvo de acería es uno de los residuos generados durante las operacionesde fusión y afino en las acerías de arco eléctrico; llegando a suponer,aproximadamente, el 2% de la carga metálica del horno. El polvo de aceríaesta clasificado como residuo peligroso debido fundamentalmente a lapresencia de zinc, plomo y cadmio fácilmente lixiviables. Solo en España segeneran anualmente más de 200000 t de polvo de acería, lo cual lo convierteen un residuo de grave impacto ambiental.Tradicionalmente, la gestión del polvo de acería ha consistido en su depósitoen vertedero, previamente tratado para insolubilizar los metales pesados o sintratamiento alguno. Sin embargo, debido a su contenido en metales de altovalor añadido como hierro y zinc, su reciclado resulta atractivo y se handesarrollado varios procesos tanto pirometalúrgicos como hidrometalúrgicospara ello, siendo el proceso Waelz el más extendido. Estas tecnologías nosatisfacen plenamente el reciclado del polvo de acería debido a sertécnicamente o económicamente demasiado costosas, generar gran cantidadde subproductos o no recuperar todos los metales de interés.En esta memoria se plantea el desarrollo de un proceso, a nivel industrial, parala obtención de ZnO de pureza comercial a partir del polvo de acería,empleando para ello un nuevo concepto de horno metalúrgico que utiliza latecnología de plasma como fuente de energía. El horno empleado ha sidodesarrollado en Inasmet-Tecnalia. Este nuevo proceso cuenta como principalventaja con la recuperación simultáneamente tanto del ZnO como del hierro,generando menor cantidad de escoria que otras tecnologías disponibles;además de lograr consumos energéticos bajos gracias a la sección variable delcanal del horno. Para el desarrollo de este proceso se han llevado a cabo lassiguientes tareas:Determinación analítica del polvo de aceríaLa procedencia del polvo de acería lo hace muy heterogéneo, y su composicióndepende de forma importante de las materias primas empleadas así como delas condiciones de operación del horno. Sin embargo, el control de cualquierproceso industrial comienza por el control de calidad de sus materias primas.Esta es la razón por la cual se ha desarrollado una tarea analítica paradeterminar la composición elemental del polvo de acería así como otraspropiedades de interés.La determinación elemental se ha realizado vía espectrómetro de emisión porplasma de acoplamiento inductivo (ICP-OES), por tratarse de un equipo versátilrelativamente popular en los laboratorios metalúrgicos. Este equipo requiereque la muestra se encuentre disuelta en medio acuoso; por lo que, en primerlugar, se ha realizado un estudio para determinar la forma óptima de digestiónde las muestras (digestión acida y fusión alcalina) optimizando el tiemporequerido, coste de reactivos y posibles pérdidas de material durante losataques.A continuación se han seleccionado las longitudes de onda para analizar cadaelemento en función de su sensibilidad a las concentraciones típicas en elpolvo de acería, así como de posibles interferencias entre elementos o ruido defondo y se ha validado la tarea analizando dos materiales certificados de polvode acería.Por último, para completar la caracterización del polvo de acería, se haestudiado la validez de la determinación de carbono y azufre mediantedetección por infrarrojos y del análisis del tamaño de partícula por difracciónlaser. Para ello se han analizado las desviaciones estándar y, en el caso de ladeterminación de carbono y azufre, se han comparado los valores obtenidoscon los certificados en los dos materiales de referencia.Diseño de compactosEl polvo de acería se introduce en el horno de plasma en forma compactadapara mejorar el contacto íntimo entre las partículas de polvo de acería y dereductor y para reducir la emisión de finos que son recogidos por la aspiracióncontaminando el ZnO enriquecido obtenido del horno.El polvo de acería presenta varios inconvenientes para su compactación; enprimer lugar su granulometría extremadamente fina y en segundo lugar sucomposición en óxidos metálicos; por esta razón, la formulación de loscompactos se ha compuesto de: agua, reductor, aglomerante y agua.Para el mezclado de los diferentes componentes se ha empleado un mezcladorde pastelería, un mezclador Eirich y una turbomezcladora en función de laescala. La compactación se ha realizado en forma de briquetas empleandopara ello dos diferentes embriquetadoras.Se han realizado cuatro diseños de experimentos para estudiar el efecto de lacomposición de los compactos (tipo de polvo de acería, de reductor o deaglomerante, utilización de aditivos) y las condiciones de fabricación (tamañode los compactos, tipo de secado o presión de fabricación). De estos diseñosse ha obtenido un mapa de efectos que permite seleccionar la formulación y lascondiciones de fabricación de las briquetas más adecuadas para cadasituación, en función del efecto que se desee.Purificación del ZnO enriquecidoEl ZnO enriquecido que se obtiene al procesar el polvo de acería posee entorno al 70% de ZnO, 7% de PbO y 0.7% de Fe2O3, siendo el resto sales de Nay K. Este material no tiene salida comercial directa por lo que debe someterse aun proceso de purificación.La primera purificación ha consistido en la eliminación del PbO. El PbO estamuy restringido en aplicaciones como la farmacéutica, industria del caucho opara la alimentación animal; sin embargo no supone problemas técnicos en laindustria cerámica. Por esta razón, la eliminación del plomo aumenta el valordel ZnO enriquecido.La eliminación del PbO se ha llevado a cabo por métodos térmicosaprovechando la diferencia en la tensión de vapor entre el PbO y el ZnO. Paraello, en primer lugar, se ha realizado un diseño de experimentos para estudiarla influencia del binomio temperatura/tiempo en el tratamiento sobre la eficaciade la eliminación. A continuación, las condiciones de tiempo y temperatura sehan traducido en consumos eléctricos, para el equipo concreto empleado en eltrabajo, y se han establecido las condiciones óptimas de eliminación de PbO enfunción de este consumo. Por último, se ha estudiado el efecto de la utilizaciónde un horno rotativo en vez de solera fija sobre la eliminación de PbO.La segunda etapa de purificación ha consistido en la eliminación de loshalógenos; lo cual es un requisito indispensable independientemente de lasalida comercial que se le dé al ZnO enriquecido debido que puede ocasionarproblemas de corrosión en las instalaciones.La eliminación de los halógenos se ha llevado a cabo mediante su disoluciónen agua a temperatura ambiente para así separarlas del material. Sin embargo,al igual que ha ocurrido en el diseño de compactos, la alta variabilidad en lacomposición del polvo de acería hace que no sea viable establecer unascondiciones de purificado generales y sea necesario establecerlas en funciónde la composición de este. Para ello se han desarrollado las siguientesherramientas.En primer lugar se ha calculado la ecuación cinética que sigue la disolución delos compuestos halogenados. Esta ecuación cinética permite calcular el tiempode contacto líquido-sólido necesario para alcanzar el equilibrio y se hadeterminado mediante un ensayo en un reactor de mezcla perfecta midiendo laconcentración de cloruros en el agua de forma continua mediantepotenciometría.En segundo lugar se ha determinado el equilibrio ternario de la operación delixiviación mediante el diagrama de Janecke. Este diagrama permite diseñar lascondiciones del proceso (cantidad de disolvente, número de etapas y flujo decorrientes) en función de la concentración de halógenos en el ZnO enriquecidoy se ha calculado analizando las diferentes fases de los lixiviados de 11 puntosde equilibrio.Diseño de instalaciones industrialesPor ultimo, se ha realizado un estudio de la viabilidad económica del procesocompleto de reciclado de polvo de acería, desde su recepción hasta la salidade un material purificado con salida comercial en la industria electrolítica. Eneste sentido se ha estudiado la forma más adecuada, tanto desde el punto devista técnico como económico y de estrategia empresarial.En primer lugar se ha realizado el diseño de las instalaciones de las diferentesunidades (embriquetado, procesado y purificado), desarrollando los diagramasde flujo, el cálculo de las corrientes y el dimensionado de los equipos.Inicialmente se han barajado dos posibilidades opuestas: la instalación depequeñas unidades en las propias acerías o la instalación de una plantacentralizada para el tratamiento de los polvos de acería a nivel estatal ;finalmente se ha escogido la opción de la instalación de pequeñas unidades.En segundo lugar, se ha realizado la valoración económica de la instalacióndiseñada. Los ensayos realizados anteriormente han permitido obtener datosprecisos para poder determinar la inversión necesaria. Se ha dispuesto dedatos probados tanto de la capacidad de tratamiento del horno metalúrgico deplasma como del proceso de purificado, los cuales han permitido conocer laspropiedades del ZnO purificado y del arrabio y estimar sus valores en elmercado. Además, se han evaluado los costes del inmovilizado, defuncionamiento, de mano de obra y de gestión de residuos.Por último, se ha realizado un estudio del riesgo de la rentabilidad de lainversión a través de la simulación de Montecarlo, debido a que varios de losfactores que afectan a esta rentabilidad pueden sufrir variaciones durante lavida de la planta. Los resultados de todas estas simulaciones han resultadopositivos y cumplen los requisitos para justificar el proceso de recicladodesarrollado en este trabajo.