Optimización de los parámetros de operación del proceso de reciclado de zinc

Abstract

RESUMEN:Actualmente el zinc es uno de los metales no ferrosos más utilizados, enseguida del aluminio y cobre. Es ampliamente utilizado en industrias como la metalúrgica, química, agricultura, pinturas, etc. Una parte del zinc que se consume en el mundo proviene del zinc recuperado de fuentes secundarias tales como los polvos de horno de arco eléctrico y residuos del proceso de galvanizado (dross de zinc). Para el reciclado de estos materiales se utiliza un horno rotatorio en el cual se efectúa la reducción de los metales zinc, plomo y cadmio que se evaporan y posteriormente vuelven a oxidarse para dar lugar al denominado Óxido Waelz. El presente estudio tiene como objetivo analizar desde el punto de vista aerodinámico, termodinámico y cinético la reducción de pellets de zinc a alta temperatura, los cuales proveen útiles indicaciones para el proceso Waelz. Para abordar este trabajo de investigación el material de estudio (dross de zinc) se peletizó con dos tipos de agente reductor (Carboss 96 y Antracita P6), respectivamente. La recuperación del zinc a partir de dross de zinc se hizo empleando el proceso pirometalúrgico conocido como proceso Waelz variando la temperatura de 1000, 1100 y 1200 °C con tiempo de residencia de 5, 10, 15 y 20 minutos, respectivamente; se realizó un análisis químico, por difracción de rayos X y MEB de la escoria generada. Los resultados obtenidos de la caracterización del dross de zinc muestran una composición de 64 % de zinc. El análisis DRX muestra la presencia de cuatro fases: ZnO, ZnFe2O4, ZnSiO4 y SiO2; los mejores resultados obtenidos para la recuperación final del zinc durante el proceso Waelz se logró utilizando Carboss 96. El análisis termodinámico que se efectúa en este trabajo permite determinar el efecto de la temperatura y cantidad de carbón para la eliminación de Zn, Pb, Ag y Cd durante el proceso Waelz. La simulación numérica permitió obtener la mejor ubicación y distribución de los pellets dentro del horno de tubo con la cual se logró que los pellets reaccionaran de forma homogénea. El modelo cinético que estudia la reducción del óxido de zinc es el modelo de grano, obteniendo una energía de activación aparente de 140.3624 kJ/mol K y 66.9759 kJ/mol K para Antracita P6 y Carboss 96 con un factor de frecuencia de 559.7425 y 3.5576, respectivamente. ABSTRACT:Today the zinc is one of the most used metals, like aluminum and copper. It is widely used in industries such as metallurgy, chemistry, agriculture, paints, etc. Part of the zinc consumed in the world comes from the zinc recovered from secondary sources such as electric arc furnace dust and residues from galvanizing process (dross of zinc). A rotary kiln is used for the recycling of these materials in which the reduction of metal as zinc, lead and cadmium. These metals evaporate and then oxidize again to give rise to the so called Waelz Oxide. For this reason, the objective of the present study is to analyze from the aerodynamic, thermodynamic and kinetic point view the reduction of high temperature zinc pellets, which provide useful indication for the Waelz process. To approach this research work, the material of study (powders with zinc) was mixed with two types of coke (Carboss 96 and Anthracite P6), respectively. The pellets were characterized by chemical analysis using atomic absorption and X-ray diffraction (XRD); the recovery of zinc from the dross of zinc was done using the pyrometallurgical process known as the Waelz process, using the temperature 1000, 1110 and 1200 °C, with residence time of 5, 10, 15 and 20 minutes, respectively. Chemical, X-ray diffraction and SEM analysis were carried out of the slag generated. The results obtained from the characterization of the zinc powders show a composition of 64% zinc. The XRD analysis show the presence of four phases: ZnO, ZnFe2O4, ZnSiO4 and SiO2; the best results obtained for the final recovery of zinc during the Waelz process were achieved using Carboss 96. The thermodynamic analysis carried out in this work allows to determine the effect of temperature and amount of coal for the elimination of Zn, Pb, Ag and Cd during the Waelz process. The numerical simulation allowed to obtain the location and optimal distribution of the pellets so that they react homogeneously inside the tube furnace. The kinetic model that studies the reduction reaction of zinc oxide is the grain model, obtaining an apparent activation energy of 140.3624 kJ/mol K and 66.9759 kJ/mol K for Anthracite P6 and Carboss 96 with a frequency factor of 559.7425 and 3.5576, respectively.