Krótki opis techniczny

W produkcji i odlewaniu metali nieżelaznych szeroko stosuje się odzyskiwanie energii i ciepła. Procesy pirometalurgiczne charakteryzują się wysoką intensywnością cieplną, a gazy technologiczne zawierają dużo energii cieplnej. W rezultacie, do odzyskiwania ciepła wykorzystuje się tu palniki rekuperacyjne, wymienniki ciepła i kotły. Można wytwarzać parę i elektryczność w celu ich wykorzystania na miejscu lub gdzie indziej albo do wstępnego podgrzania gazów technologicznych lub paliwa gazowego. Techniki stosowane do odzyskiwania ciepła różnią się w zależności od miejsca. Na techniki te wpływ ma wiele czynników, takich jak potencjalne możliwości wykorzystania ciepła i energii w danym miejscu lub w jego pobliżu, zakres pracy oraz potencjał gazów lub ich składników do zatykania lub pokrycia wymienników ciepła.

Poniżej przedstawiono typowe przykłady stanowiące techniki, które należy wziąć pod uwagę dla zastosowania w procesach wytwarzania metali. Przedstawione tu techniki można wprowadzić do wielu z istniejących procesów:

• Gorące gazy wytwarzane podczas wytapiania lub prażenia rud siarczkowych przeprowadzane są prawie zawsze przez kotły wytwarzające parę. Wytwarzaną parę można wykorzystywać do produkcji elektryczności i/lub do celów ogrzewania. Przykładem może być tu wytwarzanie przez piec do wytapiania miedzi 25% zapotrzebowania energii elektrycznej (10,5 MVA) z pary wytwarzanej przez kocioł ciepła odpadowego z pieca zawiesinowego. Oprócz wytwarzania elektryczności, para wykorzystywana jest jako para technologiczna w suszarce koncentratów a resztkowe ciepło odpadowe używane jest do wstępnego podgrzewania powietrza spalania.
• Inne procesy pirometalurgiczne są również silnie egzotermiczne, w szczególności w przypadku stosowania powietrza spalania wzbogaconego tlenem. W wielu procesach, nadwyżka ciepła wytwarzana na etapach wytapiania lub procesu konwertorowego wykorzystywana jest do topienia materiałów wtórnych bez zastosowania dodatkowego paliwa. Na przykład, ciepło wydzielane w konwertorze Pierce-Smitha wykorzystywane jest to topienia złomu anodowego. W takim przypadku, materiał złomowy wykorzystywany jest do chłodzenia procesu przy dokładnym sterowaniu dodatkami; w ten sposób unika się konieczności chłodzenia konwertora za pomocą innych środków w różnym okresie cyklu. W wielu innych konwertorach, do chłodzenia można wykorzystywać dodatki złomu; konwertory niezdolne do takiego wykorzystywania są dostosowywane do takich możliwości.
• Zastosowanie powietrza wzbogaconego tlenem lub tlenu w palnikach powoduje zmniejszenie zużycia energii przez umożliwienie wytapiania samorodnego lub kompletnego spalania materiałów zawierających węgiel. Znacznie zmniejszone są objętości gazów odpadowych, umożliwiając w ten sposób stosowanie mniejszych wentylatorów.
• Na bilans energii w operacji wytapiania może również wpływać materiał wykładziny pieców. W takim przypadku, stwierdza się, że materiały ogniotrwałe o małej masie mogą mieć korzystny wpływ przez zmniejszenie pojemności cieplnej i magazynowania ciepła w instalacji. Czynnik ten musi być zrównoważony z trwałością wykładziny pieca i przenikania metalu do wykładziny i może nie być odpowiedni we wszystkich przypadkach.
• Osobne osuszanie koncentratów w niskich temperaturach zmniejsza zapotrzebowanie energii. W przeciwnym przypadku, wymagana jest energia do przegrzania pary w piecu do wytapiania i następuje istotny wzrost ogólnej objętości gazów powodujący konieczność zastosowania większych wentylatorów.
• Produkcja kwasu siarkowego z dwutlenku siarki emitowanego na etapach prażenia i wytapiania jest procesem egzotermicznym, obejmującym wiele etapów chłodzenia gazów. Ciepło generowane w gazach podczas procesu konwertorowego i ciepło zawarte w wytwarzanym kwasie może być wykorzystywane do wytwarzania pary i/lub gorącej wody.
• Ciepło jest odzyskiwane przez wykorzystanie gorących gazów z etapów wytapiania do wstępnego podgrzania wsadu piecowego. W podobny sposób można wstępnie podgrzewać paliwo gazowe i powietrze spalania lub stosować w piecu palnik rekuperacyjny. W takich przypadkach poprawia się sprawność cieplną. Na przykład, prawie wszystkie piece szybowe do wytapiania złomu katodowego/miedzi opalane są gazem ziemnym; w zależności od średnicy i wysokości pieca, konstrukcja umożliwia uzyskanie sprawności cieplnej (wykorzystanie paliwa) na poziomie od 58% do 60%. Zużycie gazu jest na poziomie ok. 330 kWh/tonę metalu. Sprawność pieca szybowego jest wysoka, zasadniczo wskutek wstępnego podgrzewania wsadu w piecu. W gazach odlotowych może występować wystarczająca ilość ciepła resztkowego dla odzyskania i ponownego użycia do podgrzania powietrza spalania i gazu. Układ odzyskiwania ciepła wymaga zmiany kierunku piecowych gazów kominowych przez odpowiedniej wielkości wymiennik ciepła, wentylator przenoszący i układ kanałów. Odzyskiwane ciepło jest na poziomie ok. od 4% do 6% zużycia paliwa piecowego.
• Istotną techniką jest tu chłodzenie przed instalacją filtrów workowych, gdyż w ten sposób chroni się filtry przed oddziaływaniem wysokich temperatur umożliwiając w ten sposób szersze możliwości doboru tkanin. Czasami na tym etapie można odzyskiwać ciepło. Na przykład, w typowym układzie stosowanym dla pieca szybowego do wytapiania metali, gazy z górnej części pieca doprowadzane są kanałami do pierwszego z dwóch wymienników ciepła, wytwarzającego wstępnie podgrzane powietrza spalania w piecu. Temperatura gazów za takim wymiennikiem ciepła może być w zakresie od 200 do 450⁰ Drugi wymiennik ciepła obniża temperaturę gazu do 130⁰C przed filtrem workowym. Za wymiennikami ciepła występuje zwykle cyklon służący do usuwania większych cząsteczek, który pracuje również jako chwytacz iskier.
• Tlenek węgla wytwarzany w piecu elektrycznym lub w piecu szybowym jest wychwytywany i spalany jako paliwo dla kilku różnych procesów lub dla wytwarzania pary albo innej energii. Mogą tu być wytwarzane znaczne ilości gazów; istnieją przykłady, gdzie podstawowa część energii zużywanej w instalacji wytwarzana jest z CO zbieranego z instalacji elektrycznego pieca łukowego. W innych przypadkach, CO wytworzony w piecu elektrycznym spalany jest w piecu w celu wytworzenia części ciepła wymaganego dla procesu wytapiania.
• Recyrkulacja zanieczyszczonego gazu odpadowego z powrotem przez palnik tlenowo-paliwowy powoduje znaczne oszczędności energetyczne. Palnik odzyskuje ciepło odpadowe w gazie, wykorzystuje zawartość energetyczną zanieczyszczeń i usuwa je. Proces taki może zmniejszyć również ilość tlenków azotu.
• Często wykorzystuje się zawartość cieplną gazów technologicznych lub pary do podwyższenia temperatury roztworów do ługowania. W niektórych przypadkach część przepływu gazów można skierować do płuczki wieżowej w celu odzyskania ciepła w wodzie, wykorzystywanej następnie do celów ługowania. Ochłodzony gaz zawracany jest następnie do głównego przepływu dla dalszego oczyszczenia.

Podczas przetapiania złomu elektronicznego lub akumulatorów w zbiornikach metalurgicznych, zawartość cieplna tworzyw sztucznych wykorzystywana jest do topienia zawartości metali oraz innego dodatkowego złomu oraz składników żużlotwórczych.

Zalety wstępnego podgrzewania powietrza spalania używanego w palnikach są dobrze udokumentowane. W przypadku używania powietrza podgrzanego wstępnie do 400°C, następuje wzrost temperatury płomienia o około 200°C a przy wstępnym podgrzaniu do 500°C, temperatura płomienia wzrasta o 300°C. Wzrost temperatury płomienia powoduje wzrost efektywności wytapiania i zmniejszenie zużycia energii.

Alternatywą dla wstępnego podgrzewania powietrza spalania jest wstępne podgrzewanie materiału ładowanego do pieca. Teoria wskazuje, że przy każdym wstępnym podgrzaniu o 100°C uzyskuje się oszczędność energii na poziomie 8%; w praktyce stwierdza się, że wstępne podgrzanie do 400°C prowadzi do 25% oszczędności energii, a wstępne podgrzanie do 500°C do oszczędności energii na poziomie 30%. Wstępne podgrzanie wykonuje się w różnych procesach, np. wstępne podgrzanie wsadu piecowego za pomocą gorących piecowych gazów odlotowych podczas produkcji żelazochromu.

Z tych względów odzyskiwanie ciepła i energii jest istotnym czynnikiem w tym przemyśle, odzwierciedlającym dużą część kosztów przypadających na energię. Stosunkowo łatwo jest tu zmodernizować wiele technik dla odzyskiwania energii; jednak czasami występują pewne problemy polegające na osadzaniu się związków metali w wymiennikach ciepła. Odpowiednia konstrukcja opiera się na gruntownym poznaniu uwalnianych związków i ich zachowaniu w różnych temperaturach. Dla utrzymania sprawności cieplnej stosuje się również mechanizmy czyszczenia wymienników ciepła.

Oszczędności te będące przykładami dla poszczególnych składników instalacji, są w sposób decydujący uzależnione od określonego terenu i szczególnych warunków procesu, włączając w to efektywność ekonomiczną.