MONTESINOS CASTELLANOS ALEJANDRO (MX)
LEON CAZARES GUSTAVO (MX)
TERNIUM MEXICO S A DE C V (MX)
| KR100791513B1 | 2008-01-04 | |||
| US5667553A | 1997-09-16 |
| R E I V I N D I C A C I O N E S Habiendo descrito la invención, se considera una novedad y se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes cláusulas: 1. Un método para el tratamiento de polvos de horno de arco eléctrico arrastrados por los gases que se forman en dicho horno durante el proceso de fabricación de acero, para disminuir la solubilidad en agua de los óxidos metálicos contenidos en dichos polvos, y así disminuir los problemas ambientales causados por su toxicidad, dicho método estando caracterizado por que comprende: extraer de dicho horno eléctrico los gases a alta temperatura que contienen dichos polvos y además dióxido de carbono; poner en contacto los gases que contienen dichos polvos con una corriente de agua que contiene polvos que se hace circular en un circuito que comprende un primer recipiente de contacto para arrastrar los polvos de los gases en dicha corriente de agua; extraer del primer recipiente una segunda corriente de agua que arrastra dichos polvos y alimentarla a un segundo recipiente para formar una mezcla de dichos polvos y agua con una alcalinidad controlada; extraer de dicho segundo recipiente una corriente de la mezcla de polvos y agua con un valor de pH entre 7.5 y 8.5; alimentar por lo menos una porción de dicha mezcla de agua y polvos al primer recipiente y promover el contacto y la reacción de los polvos contenidos en dicha segunda corriente de agua con el dióxido de carbono contenido en los gases extraídos del horno. 2. El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque comprende además inyectar aire a dichos gases extraídos del horno eléctrico para convertir al menos parcialmente el monóxido de carbono que contienen a dióxido de carbono. 3. Un método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque comprende además agitar la mezcla de polvos y agua en dicho segundo recipiente para formar un lodo fluido que se puede conducir por medio de una bomba y esprearlo en dicho primer recipiente. 4. Un método de conformidad con la reivindicación 1 caracterizado porque comprende además mantener el pH de dicha primera corriente de la mezcla de agua y polvos en un valor entre 7.5 y 8.5. 5. Un método de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque comprende además transferir el lodo ligero del tanque agitado a un tanque de sedimentación para separar los polvos ya tratados y disponer de ellos como desechos no tóxicos. 6. Un sistema para el tratamiento de polvos de horno de arco eléctrico arrastrados por los gases que se forman en dicho horno durante el proceso de fabricación de acero, para disminuir la solubilidad en agua de los óxidos metálicos contenidos en dichos polvos, y así disminuir los problemas ambientales causados por su toxicidad, dicho sistema estando caracterizado por que comprende: un primer ducto en comunicación con dicho horno eléctrico por el cual se extraen los gases a alta temperatura que contienen dichos polvos y además dióxido de carbono; un primer recipiente para poner en contacto los gases que contienen dichos polvos con una corriente de agua que contiene polvos; medios para hacer circular dicha corriente que contiene polvos en un circuito que comprende dicho primer recipiente de contacto para arrastrar los polvos de los gases en dicha corriente de agua; un segundo recipiente provisto de medios para agitar una mezcla de agua con polvos; medios para alimentar por lo menos una porción de dicha mezcla de agua y polvos al primer recipiente donde se promueve el contacto y la reacción de los polvos contenidos en dicha segunda corriente de agua con el dióxido de carbono contenido en los gases extraídos del horno; medios filtrantes para filtrar polvos arrastrados por los gases efluentes de dicho primer recipiente; un tanque de sedimentación en donde separan los polvos ya tratados; y los ductos que conectan dicho primer recipiente con dicho segundo recipiente y con dicho tanque de sedimentación para formar un circuito de recirculación de la mezcla de polvos y agua. 7. Un sistema de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además por comprender medios para medir el pH del contenido de dicho segundo recipiente para controlar su pH en un rango entre 7.5 y 8.5. 8. Un sistema de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además por que dichos medios filtrantes es una casa de bolsas. 9. Un sistema de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además por comprender un tercer recipiente conectado con dicho horno eléctrico donde se separan los polvos de mayor tamaño de los gases a alta temperatura por reducción de velocidad de dichos gases. |
ELÉCTRICO DE ACERACIÓN
Campo de la invención
La presente invención se relaciona con el campo de la industria siderúrgica y la fabricación de acero, más particularmente, la invención se refiere a un proceso y un sistema para el tratamiento de los polvos que se generan en los hornos de arco eléctrico durante la fusión y refinación de materiales ferrosos para eliminar el carácter tóxico de estos polvos y facilitar su manejo y almacenamiento o su desecho sin perjudicar el medio ambiente.
Antecedentes de la invención En la operación del horno eléctrico de arco para fabricación de acero, los gases generados por la fusión de los materiales ferrosos chatarra y/o hierro de reducción directa (conocido como DRI, y también como hierro esponja), se extraen a través del llamado "cuarto hoyo" localizado en la tapa del horno. Estos gases arrastran polvos que contienen diversos óxidos metálicos derivados de la chatarra, del hierro de reducción directa y de los aditivos que se agregan para la formación de escoria.
La composición de los polvos de hornos eléctricos de aceración comprende zinc y otros metales pesados tóxicos, lo cual los hace difíciles de reciclar y de disponer de ellos, ocasionando altos costos de almacenaje y cuidado especial para su desecho, por el riesgo de lixiviación de los metales contenidos en los mismos.
La cantidad de polvos generados en la fabricación de acero se estima entre 0.4% y 3.2% de las toneladas de acero producidas, lo cual representa un costo adicional de más de 2 dólares por tonelada de acero.
Se han encontrado en el arte previo varios procesos para el tratamiento de los polvos de horno eléctrico para hacerlos menos tóxicos y perjudiciales al medio ambiente y por lo tanto disminuir los costos relacionados con su almacenaje y eliminación.
La patente de Estados Unidos 5,569,152 describe un método y una composición para tratar los polvos de horno eléctrico de arco de manera que los polvos ya tratados se puedan desechar sin problemas de toxicidad ambiental. La enseñanza de esta patente es formar una composición cementosa agregando a los polvos de horno eléctrico, sulfato de hierro, cal y agua y que además se agrega un agente regulador o amortiguador de pH tal como cal dolomítica di-hidratada o cal hidratada. El agente neutralizador puede ser ácido sulfúrico. También menciona que el agente neutralizador puede ser dióxido de carbono, sin embargo no describe ni sugiere un método práctico para hacer reaccionar los polvos con el dióxido de carbono. Una desventaja de este proceso es que se requiere agregar sulfato ferroso en cantidades importantes, lo cual aumenta el costo del tratamiento tanto por la cantidad consumida como por el aumento en volumen de desecho. La Patente de Estados Unidos 6,991 ,593 describe un método para estabilización de residuos que contienen metales mediante el ajuste del pH, utilizando HCL, H2S0 4 o H 3 P0 4 y un agente reductor que contiene sulfuras (sulfito de sodio) para que el medio sea reductor. De esta manera los polvos se vuelven no lixiviables en los lugares donde se almacenan, haciéndolos aptos para su almacenamiento en rellenos sanitarios. El pH de la mezcla de polvos y agua debe estar entre 8.5 y 12.5.
La Patente de Europea 0 363 429 describe un método para estabilizar químicamente polvos de horno eléctrico utilizando los siguientes reactivos:"Fly Ash", S¡0 2 y Al 2 0 3 ; Polvo de cal CaO; Cal hidratada CaOH y Sulfato de hierro hepta-hidratado.
Este proceso forma con los polvos y estos reactivos un producto parecido al concreto.
Las patentes mencionadas arriba se incorporan a esta descripción de la invención como referencia. Objetivos de la invención
Es por lo tanto un objetivo de la presente invención proporcionar un método y aparato para estabilizar polvos de horno eléctrico de arco de manera que no sean nocivos para el ambiente y se puedan desechar a bajo costo.
Es otro objetivo de la presente invención proporcionar un método y aparato para estabilizar polvos de horno eléctrico de arco utilizando como agente estabilizador dióxido de carbono producido por dicho horno eléctrico de arco y así disminuir la cantidad de dióxido de carbono emitido a la atmósfera en las plantas de fabricación de acero.
Breve descripción de los dibujos La figura 1 muestra un diagrama esquemático de una modalidad preferida del proceso de la invención.
Descripción detallada de la invención
Los polvos de horno eléctrico de arco utilizados para la fabricación de acero, contienen óxidos metálicos que provienen del material ferroso utilizado como materia prima para la fabricación de acero y en el caso de utilizar chatarra de hierro, de los materiales fundentes que se agregan a la carga para formar la escoria necesaria para el ajuste de la composición química del baño de hierro que se transforma en acero.
Típicamente se producen entre 15 y 30 kg de polvos por tonelada de acero líquido, por lo que el problema presentado por la toxicidad de estos polvos es importante en la industria siderúrgica.
La composición química de los polvos varía de acuerdo con el tipo de materia prima utilizada para la fabricación de acero y de los materiales agregados a la carga metálica como fundentes y para formar una capa de escoria que ayuda a eliminar elementos químicos indeseables en la composición final del acero fabricado. La materia prima puede ser chatarra de acero o hierro de reducción directa (DRI), también conocido como hierro esponja, que tiene entre 60% y 70% aproximadamente de óxidos de hierro y de 5% a 10% aproximadamente de otros óxidos metálicos.
Con referencia a la figura 1 , el numeral 10 designa en forma general un horno eléctrico de arco para la fabricación de acero. Se alimentan al horno materiales ferrosos que pueden ser chatarra de acero, hierro de reducción directa (HRD), briquetas de hierro (HBI), arrabio en forma sólida o líquida, o mezclas de estos materiales además de cal, ferroaleaciones y otros materiales para producir el acero. Una composición típica de los polvos de horno eléctrico para fabricación de acero es la siguiente:
(% en Peso) Horno 1 Horno 2 Horno 3 Horno 4
Óxido de Sodio 3.81 4.12 1 .132 3.216
Óxido de Potasio 0 0 0.843 4.095
Óxido de Magnesio 5.71 7.25 4.973 5.719
Óxido de Aluminio 0.9 1 .03 0.944 1 .474
Óxido de Calcio 5.6 5.92 6.44 5.6
Óxido de Cromo 0.059 0.18 0 0
Óxido de Fierro 71 .5 61 .1 26.77 50.33
Óxido de Manganeso 0.95 1 .45 4.938 1 .04
Óxido de Níquel 0.0032 0.0055 0 0
Óxido de Cobre 0.033 0.049 0 0
Óxido de Zinc 7.44 13.1 39.84 12.3
Óxido de Plata 0.0008 0.0008 0 0
Óxido de Cadmio 0.0008 0.0017 0 0
Óxido de Plomo 0.065 0.21 1 .378 0.866
Óxido de Silicio 0.14 0.15 5.075 4.754
Óxido de Mercurio 0.00008 0 0 0
Óxido de Bario 0.0039 0 0 0
Durante el proceso de fusión, y en su caso de refinación, de los materiales en el horno, se forman gases a alta temperatura 12 que se extraen por un ducto enfriado por agua 14. Los gases calientes con polvos derivados de los materiales ferrosos alimentados al horno se combinan con aire inyectado por el ducto 16 para transformar el CO presente en dichos gases a CO 2 y pasan a una cámara de sedimentación de polvos 18 para separar las partículas grandes de polvos 19 y los gases con polvos finos 20. Las partículas grandes de polvo 19 son extraídas periódicamente de dicha cámara 18 y se llevan a unas fosas de sedimentación 22.
Los gases con polvos pasan del ducto 23 a un recipiente 28 donde se ponen en contacto con una mezcla (como un lodo ligero fluido) de polvos y agua que se alimentan por los tubos 30 y 33 a unas boquillas 32 que espreanel agua con polvos y en esta forma los polvos se ponen en contacto y reaccionan con el CO2 de los gases extraídos del horno.
Mediante este contacto, los gases se limpian de los polvos y salen del recipiente 28 por el ducto 34 a filtros o "casa de bolsas" 36 donde se limpian completamente de polvos antes de ser expelidos a la atmósfera por una chimenea adecuada 42 de manera conocida en el arte.
Los óxidos metálicos que son considerados tóxicos se transforman a carbonatos con el CO2 de los gases del horno eléctrico por lo cual, dejan de ser solubles en agua y se evita la lixiviación y pueden ser almacenados en campo abierto.
Después de contactar la mezcla de polvos y agua en el recipiente 28, los gases pasan por el tubo 34 a los filtros 36 donde se separan las partículas de polvos más pequeñas 38 que opcionalmente se pasan a la fosa de sedimentación 22 para integrarse a los polvos tratados 40 que se extraen de la fosa de sedimentación 22 para ser almacenados a campo abierto. Una vez filtrados los gases en los filtros 36 se expelen a la atmósfera por una chimenea adecuada 42, de manera conocida en el arte.
De la fosa de sedimentación 22, se toma una corriente de polvos y agua por el tubo 44 y se alimentan por medio de una bomba 46 y un tubo 48 a un tanque agitado 50 provisto de un agitador 52 para formar un lodo ligero que se pueda hacer fluir por el tubo 54 y la bomba 56 hacia el recipiente 28 donde es espreado y se pone en contacto con los gases conteniendo CO2 por medio de las boquillas 29. Se agrega agua en una cantidad regulada al tanque agitado 50 por el tubo 62 en cantidad suficiente para que la mezcla de polvos y agua tenga una fluidez adecuada para ser espreada en el recipiente de contacto 28. La mezcla de polvos y agua con un pH controlado que se pone en contacto con los gases conteniendo dióxido de carbono en el recipiente 28, se extrae por el tubo 31 y se recircula al tanque agitado 50. Una porción del lodo ligero de polvos y agua se puede usar también para bajar la temperatura de los gases calientes del horno por medio del tubo 26 y un tubo venturi 24.
Opcionalmente una porción de la mezcla de polvos y agua se puede pasar del recipiente agitado 50 a la fosa de sedimentación 22 por medio del tubo 58 provisto de una válvula 60 para sedimentar los polvos ya tratados y extraerlos para su disposición como productos no tóxicos. Cuando el pH en el recipiente agitado 50 llega a un nivel predeterminado, entre 7.5 y 8.5, el lodo fluido se extrae del tanque de tratamiento y se pasa a filtros o fosas de sedimentación para que una vez separado del agua, se transporte a lugares normales para su acumulación ya que una vez tratado no es considerado como material tóxico.
Por las diferentes cargas metálicas en cada acería, se tienen cantidades y composiciones diferentes en los polvos producidos por cada horno eléctrico, impactando en diferentes capacidades teóricas de retención de CO2.
Típicamente un horno eléctrico de fabricación de acero genera aproximadamente 50 toneladas de CO2 por hora y 2.2 toneladas métricas de polvos, por lo que con los polvos generados en dicho horno se capturarían aproximadamente 0.85 toneladas métricas de CO2 por día.
Ejemplo 1 .
Se preparó una solución de 33.5% en peso de polvos, mezclando 101 g de polvos y 200g de agua. Se alimentó una mezcla de aire y CO2 al dispositivo y se analizó su composición de salida con un cromatógrafo de gases.
Se determinó que por cada m 3 de solución de polvos se capturaron 8.400 kg de CO2, equivalentes 4.667 m 3 de C02 y a 0.025 g de CO2 por gramo de polvos. Ejemplo 2.
Se preparó una solución de 33.5% en peso de polvos, mezclando 101 g de polvos y 200g de agua. Se alimentó una mezcla de aire y C0 2 al dispositivo y se analizó su composición de salida con un cromatógrafo de gases.
Se determinó que por cada m 3 de solución acuosa de polvos se capturaron 5.457 kg de C0 2 , equivalentes a 3.032 m 3 de C0 2 y a 0.016 g de C0 2 por gramo de polvos.
La cantidad de C0 2 removido de los gases del horno por reacción ácido-base en medio acuoso, medida en Kg de C0 2 / tonelada métrica de metal líquido, se ha estimado en el siguiente rango:
Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3 Prueba 4
Mínimo 6.41 4.60 3.22 5.71
Máximo 23.80 14.82 12.42 16.13
Esta cantidad de C0 2 que se evita expeler a la atmósfera es importante para ayudar a la industria de fabricación de acero a cumplir con las regulaciones ecológicas y del medio ambiente tanto en cuanto a las emisiones a la atmósfera como para el manejo de los polvos generados en dicho proceso de fabricación de acero. Una ventaja de la presente invención es que la neutralización de los metales tóxicos de los polvos se lleva a cabo con CO 2 que se genera en el mismo horno que produce los polvos, y que reacciona con los hidróxidos metálicos transformándose a carbonatos que se retienen en los polvos ya tratados, disminuyendo así la cantidad de C0 2 que se emite a la atmósfera.
Con este tratamiento, los polvos que ordinariamente se consideran como material tóxico y que tienen que confinarse en lugares especiales, ya no son materiales o residuos tóxicos y puede disponerse de ellos libremente disminuyendo significativamente los costos actuales por el manejo, almacenamiento y confinamiento especial de estos polvos.
Los costos de capital y de operación de este proceso para neutralizar los polvos de horno de aceración son relativamente muy bajos en comparación con otros procesos que requieren compra de reactivos químicos y equipos más sofisticados.
Se entiende que se han descrito aquí solamente algunas de las modalidades preferidas de la invención y que pueden hacerse muchos cambios a las modalidades descritas, como mejor se adapte la invención para un uso particular, sin apartarse del espíritu y alcance de la misma, la cual se define en las reivindicaciones anexas.