Breve descrizione tecnica

Il recupero di energia e calore è pratica comune nei processi di produzione e colata dei metalli non ferrosi. L'attività pirometallurgica è fortemente energivora e produce fumi di processo ad alto contenuto di calore che ben si prestano all'impiego di bruciatori recuperativi, scambiatori di calore e caldaie di recupero. Il vapore o l'energia elettrica possono essere prodotti per l'utilizzo sul posto o per utenze esterne. Le modalità di recupero variano da sito a sito, in base a fattori quali le potenziali utenze di calore ed energia all'interno o in prossimità dell'installazione, la dimensione dell'impianto e il potenziale impatto dei fumi sullo sporcamento degli scambiatori di calore

Gli esempi che seguono rappresentano tipiche applicazioni da considerare nei processi di produzione dei metalli non ferrosi e che possono essere implementate anche su processi esistenti:

• I gas caldi prodotti durante la fusione o l'arrostimento dei minerali di solfuro vengono convogliati a caldaie per la produzione di vapore. Quest'ultimo può quindi essere sfruttato per produrre energia elettrica e/o calore per riscaldamento. Un esempio pratico di tale applicazione coinvolge il processo di fusione del rame, dove il calore di scarto del forno a riverbero viene sfruttato per produrre vapore in caldaia. A sua volta il vapore viene utilizzato sia nel processo (per preriscaldare l'aria comburente e per fornire calore alla fase di concentrazione) che come vettore per la generazione di energia elettrica, a copertura di circa il 25% del fabbisogno elettrico del forno stesso (10,5 MVA).
• Alcuni processi pirometallurgici sono fortemente esotermici, specialmente se viene utilizzato ossigeno per arricchire l'aria comburente. In molti casi il calore in eccesso generato durante la fase fusoria o di trasformazione viene poi recuperato per fondere materiali secondari senza alcun consumo aggiuntivo di combustibile. Ad esempio nel convertitore Pierce-Smith, per il raffreddamento del processo, viene dosato in maniera controllata del rottame, che fonde sottraendo parte del calore presente.
• Il consumo di energia dei bruciatori si riduce utilizzando aria comburente arricchita in ossigeno in quanto viene favorita l'ossidazione completa del carbonio. Ciò si traduce anche in una portata minore dei fumi di combustione, con conseguente riduzione delle dimensioni e delle potenze dei ventilatori
• Il bilancio energetico del processo fusorio è influenzato dal materiale di rivestimento del forno. I materiali refrattari a massa ridotta riducono infatti la conducibilità e l'inerzia termica dell'impianto. Tutto ciò ovviamente non deve andare a scapito della vita utile del rivestimento del forno né permettere infiltrazioni di metallo fuso tra i blocchi di refrattario stesso. Per questo motivo l'impiego di refrattari a massa ridotta non è una soluzione adatta per tutte le applicazioni
• L'essiccazione a bassa temperatura dei concentrati riduce il fabbisogno energetico a causa degli importanti quantitativi di energia richiesti per surriscaldare il vapore associati a cospicui volumi di fumi da movimentare con ventilatori di grossa taglia
• Il processo esotermico di produzione dell'acido solforico a partire dal biossido di zolfo emesso dalle fasi di arrostimento e fusione richiede diversi stadi di raffreddamento. Il calore generato potrebbe invece essere sfruttato per generare vapore e/o acqua calda.
• Il calore dei fumi prodotti dal processo fusorio è utile per preriscaldare il materiale di carica del forno. Per analogia il preriscaldo può essere applicato anche all'aria comburente o al combustibile stesso, in alternativa all'installazione di bruciatori recuperativi. In tutti questi casi aumenta notevolmente l'efficienza termica del processo produttivo. Per esempio, il forno a tino per la fusione del rottame di rame è alimentato a metano ed è caratterizzato da un'efficienza termica (sull'energia primaria in ingresso) del 58-60%, a seconda del diametro e dell'altezza del forno stesso; il consumo specifico di metano è indicativamente di 330 kWh per tonnellata di metallo. Questi valori indicano un alto livello di efficienza del processo, dovuto alla struttura del forno stesso, che consente di preriscaldare la carica in ingresso. Il calore residuo è infine sufficiente per preriscaldare il metano e l'aria comburente richiesti dal bruciatore. L'impianto di recupero del calore richiede l'inserimento di uno scambiatore e di ventilatori nel condotto fumi del forno. Il calore recuperato rappresenta circa il 4-6% del consumo di combustibile del forno.
• L'abbattimento della temperatura dei fumi a monte dei filtri a maniche è fondamentale per proteggere il filtro stesso da rischi di incendio o da usura precoce. Da questa operazione talvolta è possibile recuperare il calore in eccesso dei fumi. Per esempio in una tipica configurazione per forni fusori a tino, i fumi aspirati dalla sommità del forno vengono convogliati in un primo scambiatore di calore che preriscalda l'aria comburente. La temperatura dei fumi dopo questo stadio è compresa tra 200 e 450 C⁰ . Segue poi il passaggio in un secondo scambiatore, al termine del quale la temperatura scende a 130⁰C, a monte del filtro a maniche. Tra gli scambiatori e il filtro normalmente viene interposto un ciclone, che rimuove eventuali particelle incandescenti.
• Il monossido di carbonio prodotto in un forno elettrico o in un altoforno viene captato e avviato a combustione per diversi processi o per produzione di vapore o altre forme di energia. Il CO è prodotto in quantità significative ed esistono numerosi esempi in cui buona parte dell'energia utilizzata dall'impianto deriva dallo sfruttamento del monossido di carbonio aspirato dall'EAF. In altri casi il CO si ossida all'interno del forno stesso, liberando ulteriore energia utile per la fusione.
• Il ricircolo del gas di scarico attraverso un bruciatore ad ossigeno consente significativi risparmi di energia poiché recupera il calore dei fumi e rimuove alcuni inquinanti ancora presenti (ad esempio CO) provvedendo alla loro completa ossidazione. L'ambiente riducente che si crea favorisce anche la diminuzione degli NOx.
• Il calore recuperato dai fumi di processo per riscaldare i liquidi di lisciviazione è una pratica piuttosto diffusa. In alcuni casi parte del gas è inviato a uno scrubber dove cede calore all'acqua che verrà poi utilizzata per il processo di lisciviazione. I fumi raffreddati vengono quindi indirizzati ai trattamenti di depurazione.

La fusione della plastica, a volte presente in piccole quantità nei rottami, fornisce ulteriore calore utile per la fusione.

Il beneficio del preriscaldo dell'aria comburente è ben noto. Un salto termico di 400°C dell'aria in ingresso permette di innalzare la temperatura di fiamma di 200°C, che possono arrivare a 300°C con un preriscaldo dell'aria di 500°C. Una fiamma più calda consente una maggiore efficienza sia fusoria che energetica.

Oltre che all'aria comburente, il preriscaldo si può applicare anche al materiale di carica del forno. Studi di letteratura indicano un risparmio di energia dell'8% per ogni 100°C di salto termico della carica. In pratica con un preriscaldo di 400°C si possono ottenere risparmi del 25%, che salgono al 30% per un salto di 500°C. Questa tecnica è applicata in molti processi, come ad esempio nella produzione di ferrocromo.

Il recupero termico è dunque un'opportunità molto importante in questo settore, data la forte incidenza del costo dell'energia sul bilancio complessivo dell'attività produttiva. Molte tecniche di recupero sono relativamente semplici da implementare su impianti esistenti ma possono talvolta verificarsi problemi di sporcamento delle superfici degli scambiatori ad opera di composti metallici. Per questa ragione in questi impianti giocano un ruolo fondamentale sia la corretta progettazione che la presenza di adeguati sistemi di pulizia che mantengano sempre efficienti le varie apparecchiature.

Questi risparmi, pur derivando da singole apparecchiature di impianto, tuttavia dipendono molto dalle condizioni sito-specifiche ed economiche del processo.