proyecto
Aumento de Productividad y Disminución de Emisiones mediante Uso de Toberas de Alta Presión en Reactores de Fusión de Concentrados de Cobre
Registro en:
16COTE-66367
2016-66367-INNOVA_PRODUCCION
Autor
Pablo Gaete Haller
Corporacion Nacional del Cobre de Chile
Institución
Resumen
Aumentar la Productividad de los Reactores de Fusión mediante el Aumento del Nivel de Enriquecimiento de Oxígeno lo que Permitirá Procesar una Mayor Cantidad de Concentrados Material Secundario Calcinas y Concentrados de Escoria Desarrollar un Prototipo de Reactor de Fusión con Tecnología de Toberas de Alta Presión que Permita el Diseño de un Reactor Industrial que se Adapte a las Necesidades de las Fundiciones a Nivel Nacional. Determinar el Rango de Velocidades de Gas en la Tobera que Permiten Alcanzar un Régimen de Jet con un Nivel de Splashing No Superior al Actual:actualmente el Aire Ingresa al Convertidor Teniente en un Régimen de Burbujeo lo que Produce el Ingreso de Material Líquido al Interior del Extremo de la Tobera Formando una Acreción lo que Progresivamente Va Obstruyendo el Flujo de Aire Limitando la Disponibilidad y Productividad del Reactor. Para Evitar la Formación de Estas Acreciones el Aire Tiene que Ingresar al Baño a una Velocidad que Genere un Régimen de Jet (lo que Requiere una Mayor Presión del Aire de Soplado) lo cual Permite Evitar el Ingreso de Material al Interior del Extremo de la Tobera. Por ello como Primera Etapa se Requiere Determinar la Velocidad a la cual el Flujo de Aire Pasa de Burbujeante a Jet para las Condiciones de Operación del Reactor. Además Analizar Cómo Afecta este Régimen de Soplado en la Hidrodinámica del Baño en Cuanto a la Intensidad de Agitación Splashing (proyección de Partículas) y Sloping (formación de Olas en la Superficie del Baño). Disminuir las Emisiones de Gases Fugitivos en las Campanas de Captura de Gases mediante la Eliminación de los Giros del Reactor por el No Retorno de Materiales Líquidos y por la Reducción del Flujo de Gases de Proceso Debido al Mayor Enriquecimiento del Aire de Soplado . Estudiar la Interacción entre Toberas de Soplado y Alimentación de Concentrado por la Zona Superior (tipo Bbf con Garr-gun) y Determinar las Dimensiones de la Zona de Agitación y Sedimentación del Reactor:en el Proceso de Fusión del Bottom Blowing Furnace el Concentrado es Alimentado al Reactor a Través de la Bóveda del Reactor sobre el Baño por lo que se Estudiará la Ubicación de las Descargas de Concentrado en el Baño Respecto a las Toberas Alta Presión para Asegurar un Proceso de Mezclado y Digestión del Material Sólido. En Base a los Resultados Anteriores se Determinarán los Criterios de Diseño para Determinar las Dimensiones del Reactor Extensiones de las Zonas de Agitación y Sedimentación Según los Parámetros Operacionales Requeridos. Estudiar la Interacción entre Toberas de Soplado y Toberas de Inyección de Concentrado (tipo Ct):en el Proceso de Fusión del Convertidor Teniente el Concentrado es Alimentado al Reactor mediante Toberas de Inyección que se Encuentran bajo el Baño y Están Ubicadas entre las Toberas de Soplado de Aire. El Uso de Toberas de Alta Presión Implicará Reducir en Aproximadamente a Menos de la Mitad del Número de Toberas de Soplado de Aire Actuales. Por lo Tanto se Estudiará la Ubicación de las Toberas de Inyección de Concentrado Respecto a las Toberas de Alta Presión para Asegurar un Proceso de Mezclado y Digestión del Material Sólido en el Baño. Evaluar el Efecto de la Ubicación (fondo y Lateral) Espaciado y Condiciones de Operación de las Toberas de Soplado en la Estabilidad Fluidodinámica del Baño y de las Fases para Pasaje de Escoria Abierto (tipo Bbf) y Cerrado (tipo Ct):una Vez Determinada la Velocidad de la Tobera para Alcanzar el Régimen de Jet se Realizarán Pruebas en un Modelo a Escala del Reactor Industrial para Evaluar la Interacción entre las Toberas y su Efecto en Cuanto a la Agitación Splashing y Sloping del Baño. Además se Analizará las Dimensiones de la Zona Agitada y de Sedimentación (baño sin Agitación). Dado que la Agitación del Baño es Dependiente de las Alturas de la Fase Escoria y Metal Blanco se Estudiará el Efecto de Trabajar el Reactor Industrial con una Altura de Fase Escoria (pasaje de Evacuación de Escoria Cerrado) y con una Altura Mínima de Fase Escoria (pasaje de Evacuación de Escoria Abierto). Mejorar la Estabilidad Operacional del Proceso mediante la Utilización de Toberas de Alta Presión Realizar Análisis Comparativo entre las Toberas Tipo Alsi y Dongying:en la Industria Actualmente Existen Dos Toberas de Soplado a Alta Presión. La Tecnología Alsi (air Liquid Shrouded Injector) Desarrollada por Bustos Et al 1995 la cual Fue Comercialmente Implementada en la Fundición de Falconbridge (xtrata Nickel) en Canadá en la Fundición de Thai Copper en Tailandia y la Tecnología Empleada por el Bottom Blowing Furnace Basada en las Utilizadas por el Reactor Qsl (queneau Schuhmann Lurgi) de los Años 70. Se Efectuará un Análisis Fluidodinámico de Ambos Diseños en Particular Relacionado con la Pérdida de Carga Penetración y Efectos en la Agitación del Baño. Actualmente los Hornos de Fusión/conversión bajo Baño Utilizados por Codelco y Otras Empresas Utilizan Toberas de Inyección y Soplado Ubicadas de Forma Lateral en el Reactor para Alimentar Concentrado y el Aire Enriquecido en Oxígeno Requerido por el Proceso Respectivamente. El Aire Enriquecido en Oxígeno es Ingresado por la Tobera en un Régimen Sub-sónico (a una Velocidad del Orden de 100 M/s y una Presión del Aproximadamente 140 Kpa). Este Régimen se Caracteriza por la Formación de Burbujas de Gran Tamaño (brimacombe Et Al. 1973) las Cuales al Desprenderse desde la Tobera se Favorece el Ingreso de Material Líquido por el Extremo de la Tobera el que al Entrar en Contacto con el Aire Produce la Solidificación Localizada de Material en el Interior Obstruyendo Progresivamente el Área de Flujo. Actualmente este Material es Eliminado mediante un Punzado Mecánico el cual Va Deteriorando Paulatinamente la Tobera y el Material Refractario que Recubre la Parte Interna del Reactor. Por Otro Lado este Régimen de Inyección Limita el Nivel de Enriquecimiento en Oxígeno del Aire de Soplado (en Procesos de Fusión Menor que 42% y Conversión Menor que 30%) ya que las Reacciones Químicas Exotérmicas Ocurren en la Cercanía de la Tobera Produciendo una Zona de Alta Temperatura que Disminuye Aún Más la Vida Útil del Material Refractario y de la Tobera. La Limitante Anterior Tiene Dos Efectos el Primero es Limitar la Productividad del Equipo Tanto por Disponibilidad (mayor Número de Detenciones por Reparaciones del Material Refractario y Toberas) como por Cantidad de Oxígeno que se Puede Alimentar al Reactor (mayor Cantidad de Concentrado Material Secundario Calcinas y Concentrados de Escoria que se Pueden Procesar). El Segundo Efecto es el Nivel de Emisiones en las Campanas de Captura de Gases de Proceso que No Son Captadas (5 a 10%vol Emisiones Fugitivas) Debido al Volumen de Gases de Proceso Generado. Además este Último Efecto Requiere un Alto Nivel de Inversiones en el Manejo de Gases. Esta Condición de Desgaste del Material Refractario y Toberas Presenta una Notable Diferencia con los Procesos Siderúrgicos de Inyección bajo Baño (queneau And Schuhmann 1974). En Estos Procesos las Condiciones de Flujo se Establecen de Manera Tal de Solidificar las Acreciones en Torno al Extremo de la Tobera Protegiendo el Refractario de la Alta Temperatura sin Obstruir el Área de Flujo. Esto Permite el Uso de Altos Niveles de Enriquecimiento sin Afectar la Disponibilidad del Equipo. Para Lograr Esa Condición la Inyección de Aire Debe Hacerse en un Régimen de Jet el que se Caracteriza por Producir un Flujo Continuo de Pequeñas Burbujas que Impiden el Ingreso de Metal a la Tobera al Mismo Tiempo que Alejan la Reacción Química de la Zona. Sin Embargo para Alcanzar este Régimen de Operación se Requieren Velocidades de Inyección de la Mezcla Aire Más Oxígeno del Orden de los 300 M/s lo que Implica Operar el Sistema a una Presión de 600 Kpa (alta Presión) (brimacombe Et Al. 1973). Si Bien en la Industria Pirometalúrgica del Cobre la Tecnología Qsl los Desarrollos Basados en ella (sks y Bottom Blowing Furnace) y los Convertidores Hoboken Utilizan Toberas de Soplado de Aire Enriquecido a Alta Presión a la Fecha No Existe una Metodología que Permita el Diseño de Toberas de Alta Presión Debiendo Evaluarse Caso a Caso (kapusta Et Al. 2015, Arthur Et Al. 1992). Esto ha Llevado al Desarrollo de Dos Caminos Divergentes Uno Basado en las Toberas Alsi las Cuales Sólo se Han Usado en el Proceso de Conversión (hoboken) y Otro Basado en los S-injector Usados en la Tecnología Qsl de Fusión de Concentrados de Plomo (usado Posteriormente por la Tecnología Sks y Bbf). Cada una de Estas Alternativas Implica una Fluidodinámica Compleja que Requiere de Pruebas de Laboratorio y Desarrollo de Prototipos para Asegurar su Implementación Exitosa (kapusta Et Al. 2015). En este Contexto se Propone el Desarrollo de un Prototipo en Frío (reactor y Toberas) Basado en Similitud Geométrica y Dinámica del Proceso el cual Permitirá Diseñar un Reactor de Fusión bajo Baño con Toberas de Soplado de Alta Presión. Las Pruebas Desarrolladas en el Prototipo Serán Apoyadas con Simulación Fluidodinámica Computacional de Forma Tal de Validar su Representatividad. Los Resultados Permitirán Determinar los Parámetros de Operación de un Reactor de Fusión de Concentrados de Cobre con Toberas de Alta Presión Tal que Asegure el Régimen de Jet al Mismo Tiempo que No se Afecte la Hidrodinámica del Baño en Cuanto a la Intensidad de Agitación Splashing (proyección de Partículas) y Sloping (formación de Olas en la Superficie del Baño). Corporación de Fomento de la Producción