Tesi di fine corso L`impatto ambientale del ciclo siderurgico primario

STEELMASTER 2002
Corso di Formazione Superiore
per addetti delle Aziende Siderurgiche
VI EDIZIONE
9­14 Settembre 14­18 Ottobre 2002
Villalago di Piediluco (TR)
Tesi di fine corso
23­24 Gennaio 2003
Biblioteca storica ThyssenKrupp Acciai Speciali Terni
L’impatto ambientale del ciclo
siderurgico primario:
stato dell’arte, sviluppi tecnologici
Relatore:
Ill.mo Dott. Ing. E. Repetto
Estensori:
Dott. Ing. Fabio Rivara
Dott. Ing. Guido Bonelli
I Indice dei contenuti 1. Introduzione ________________________________________________________________ 1 2. I principali cicli di produzione di ghisa e acciaio___________________________________ 2 2.1 Rilevanza ambientale dell’industr ia sider ur gica pr imar ia _______________________________ 5 2.1.2 Emissioni gassose: ___________________________________________________________________ 6 2.1.3 Residui solidi e sottoprodotti: __________________________________________________________ 12 2.1.4 Acque:____________________________________________________________________________ 13 3. L’agglomerazione __________________________________________________________ 15 3.1 Br eve descr izione dell’impianto e del pr ocesso _______________________________________ 15 Gli additivi __________________________________________________________________________ 15 I combustibili ________________________________________________________________________ 16 Gli impianti di agglomerazione___________________________________________________________ 17 Il processo ___________________________________________________________________________ 19 Le caratteristiche dell’agglomerato ________________________________________________________ 19 3.2 Pr incipali pr oblematiche: ________________________________________________________ 20 3.3 Linee di sviluppo tecnologico: _____________________________________________________ 21 3.4 Analisi delle emissioni in atmosfer a, della contaminazione delle acque, e della pr oduzione di r ifiuti solidi ________________________________________________________________________ 21 3.4.1 Emissioni gassose: __________________________________________________________________ 27 3.4.1.1 Emissioni di materia polverulenta da operazioni di manipolazione, macinatura, vagliatura e trasporto dei materiali di carica e del prodotto: ________________________________________________________ 27 3.4.1.2 Emissioni di fumi dalla griglia di sinterizzazione: ______________________________________ 27 Acqua, Monossido di carbonio, Anidride carbonica: __________________________________________ 27 Polveri: _____________________________________________________________________________ 28 Metalli pesanti: _______________________________________________________________________ 29 Ossidi di zolfo ed Azoto. ________________________________________________________________ 30 Idrocarburi___________________________________________________________________________ 31
I Diossine e furani (PCDD/PCDF): _________________________________________________________ 31 3.4.1.3 3.4.2 Emissioni di materia polverulenta dal raffreddamento dell’agglomerato. ____________________ 32 Emissioni di acqua:__________________________________________________________________ 32 3.4.2.1 acque di lavaggio: ______________________________________________________________ 33 3.4.2.2 acque d raffreddamento:__________________________________________________________ 33 3.4.2.3 acqua di scarico da impianti di trattamento gas a umido:_________________________________ 33 3.4.3 Rifiuti solidi _______________________________________________________________________ 33 3.4.4 Aspetti energetici ___________________________________________________________________ 34 3.5 Miglior i tecniche disponibili ______________________________________________________ 35 4. La produzione del coke ______________________________________________________ 47 4.1 Br eve descr izione dell’impianto e del pr ocesso _______________________________________ 47 Le caratteristiche dei carboni fossili _______________________________________________________ 47 L' impianto e il processo ________________________________________________________________ 50 Caratteristiche del coke per altoforno ______________________________________________________ 54 4.2 Pr incipali pr oblematiche: ________________________________________________________ 56 4.3 Linee di sviluppo tecnologico: _____________________________________________________ 56 4.4 Analisi delle emissioni in atmosfer a, della contaminazione delle acque, e della pr oduzione di r ifiuti solidi ________________________________________________________________________ 57 4.4.1 Emissioni gassose: __________________________________________________________________ 60 4.4.1.1 fase di trasporto e stoccaggio del carbone ____________________________________________ 60 4.4.1.2 operazioni di batteria ____________________________________________________________ 61 caricamento del carbone:________________________________________________________________ 61 riscaldamento delle celle ________________________________________________________________ 61 cokefazione __________________________________________________________________________ 62 sfornamento e spegnimento del coke. ______________________________________________________ 64 4.4.1.3 manipolazione, vagliatura e trasporto del coke ________________________________________ 65 4.4.1.4 raccolta e trattamento del gas di cokeria (COG) con recupero dei sottoprodotti _______________ 66 4.4.2 Emissioni in acqua __________________________________________________________________ 69 4.4.2.1 emissioni a flusso continuo _______________________________________________________ 69
II Acqua di scarico dalla cokeria____________________________________________________________ 69 Acqua di scarico da processi di desorforazione per ossidazione a umido ___________________________ 70 acqua di raffreddamento ________________________________________________________________ 70 4.4.2.2 emissioni a flusso discontinuo________________________________________________________ 70 Spegnimento del coke __________________________________________________________________ 70 4.4.3 Inquinamento del suolo_______________________________________________________________ 71 4.4.4 richiesta di energia __________________________________________________________________ 71 4.5 Miglior i tecniche disponibili ______________________________________________________ 72 5. L’altoforno ________________________________________________________________ 83 5.1 Br eve descr izione dell’impianto e del pr ocesso _______________________________________ 83 Il sistema di caricamento________________________________________________________________ 85 5.2 Pr incipali pr oblematiche _________________________________________________________ 88 5.3 Linee di sviluppo tecnologico______________________________________________________ 89 5.4 Analisi delle emissioni in atmosfer a, della contaminazione delle acque, e della pr oduzione di r ifiuti solidi ________________________________________________________________________ 91 5.4.1 Emissioni gassose: __________________________________________________________________ 96 5.4.1.1 Gas di scarico da Hot Stoves (Cowper): _____________________________________________ 96 5.4.1.2 Emissioni durante la fase di caricamento: ____________________________________________ 96 5.4.1.3 Gas AFO (BFgas), come fonte indiretta______________________________________________ 97 5.4.1.4 Emissioni dal campo di colata (Cast House) __________________________________________ 98 5.4.1.5 Emissioni provenienti dai processi di trattamento loppa (slag processing) ___________________ 99 5.4.2 Emissioni in acqua _________________________________________________________________ 100 5.4.2.1 Acqua di scarico da trattamento a umido del gas AFO _________________________________ 100 5.4.2.2 Acqua di scarico da trattamento loppa ______________________________________________ 100 5.4.2.3 Spurgo (blow down) da circuiti di raffreddamento ____________________________________ 101 5.4.3 Rifiuti solidi e sottoprodotti __________________________________________________________ 101 5.4.3.1 Materia polverulenta da operazioni di colaggio _______________________________________ 101 5.4.3.2 Polveri e fango da trattamento a umido gas AFO _____________________________________ 101 5.4.3.3 Loppa _______________________________________________________________________ 102
III 5.4.4 Aspetti energetici __________________________________________________________________ 104 5.4.4.1 Richiesta di energia ____________________________________________________________ 104 5.5 Miglior i tecniche disponibili _____________________________________________________ 105 6. La riduzione diretta ________________________________________________________ 111 6.1 La tecnologia “INMETCO DRI” _________________________________________________ 113 6.1.2 Descrizione del processo_____________________________________________________________ 113 6.2 Il pr er idotto nel ciclo di pr oduzione dell’acciaio _____________________________________ 117 6.3 La tecnologia del Redsmelt applicata al sistema di smaltimento dei r ifiuti industr iali. L’impianto di Elwood City __________________________________________________________ 117
IV 1. Introduzione Obiettivo del presente studio é quello di fornire una breve descrizione dei processi e delle metodologie inerenti la produzione della ghisa, ponendo in particolare evidenza le problematiche ambientali. L’articolazione del lavoro si basa quindi sul seguente schema, adottato per i principali processi della area primaria (cokeria, agglomerazione e altoforno): 1. Breve descrizione dell’impianto e del processo 2. Principali problematiche 3. Linee di sviluppo tecnologico 4. Analisi delle emissioni in atmosfera, della contaminazione delle acque, e della produzione di rifiuti solidi 5. Panoramica delle migliori tecnologie disponibili per l’ottimizzazione ambientale del processo: misure inerenti il processo stesso (process integrated measures) e tecniche di abbattimento degli inquinanti (end of pipe techniques) Oltre alla dettagliata analisi condotta sui tradizionali processi dell’area primaria, si fornisce nel capitolo 6, una panoramica sulle tecnologie di riduzione diretta, con particolare attenzione alla riduzione diretta a base carbone, processo che si sta recentemente affermando come un’utile tecnologia per il riciclo di wastes industriali, all’interno del ciclo produttivo dell’acciaio. Si riporta inoltre l’esempio dell’impianto di Elwood City (Pa USA), realizzazione su scala industriale di impianto basato su questa tecnologia, nello smaltimento di rifiuti industriali (47.000 t/y) e recupero di elementi metallici puri in essi contenuti e nella produzione di ghisa tramite forno ad arco sommerso (25.000 t/y).
1 2. I principali cicli di produzione di ghisa e acciaio La quasi totalità della ghisa e dell'acciaio sono prodotte secondo i seguenti cicli:
·
convenzionale o ciclo integrale basato sulla produzione di ghisa attraverso l'altoforno e la sua successiva trasformazione in acciaio per mezzo del convertitore ad ossigeno. Tale filiera comprende le operazioni di preparazione della carica ferrifera (agglomerazione o pellettizzazione), la fabbricazione del coke, ed include tutte gli impianti ausiliari all’altoforno. La percentuale di acciaio fabbricato attraverso il ciclo convenzionale é circa il 60% del totale mondiale prodotto
·
da forno elettrico: una carica solida di rottame con possibili aggiunte percentuali di preridotto (pellets o bricchette) viene portata a fusione mediante il calore trasmesso dall’arco elettrico che si instaura tra gli elettrodi del forno ed il rottame stesso. Attraverso questa trafila transita il 40% dell’acciaio prodotto nel mondo Negli ultimi anni sono state avviate numerose iniziative rivolte a sviluppare tecnologie di produzione di metallo liquido alternative all'altoforno con l'obiettivo di semplificare il ciclo produttivo, impiegare combustibili più poveri, minimizzare gli impianti ausiliari, aumentare la flessibilità operativa, controllare maggiormente l'inquinamento atmosferico e, soprattutto, limitare gli investimenti. Fino ad oggi però, i tentativi più avanzati in questa direzione, sono ancora limitati allo stadio pilota o semiscala e non hanno ancora raggiunto obiettivi industriali concreti se si esclude l'esperienza del COREX, processo di riduzione diretta in fase gassosa, ed il processo IMETCO REDSMELT per quanto riguarda la riduzione diretta a fase carbone. Di questi processi innovativi, definiti di "Smelting Reduction”, saranno trattati diffusamente nel capitolo 6. Nelle figure seguenti si schematizzano le principali vie di produzione dell’acciaio e se ne delineano i principali vantaggi e svantaggi.
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2.1 Rilevanza ambientale dell’industr ia sider ur gica pr imar ia L’industria siderurgica rientra nel novero dei settori industriali ad elevata intensità di materiali e di energia. La figura qui sotto mostra uno schema di input/output molto semplificato che elenca e quantifica per sommi capi i principali flussi massici in ingresso nonché la quantità di acciaio grezzo prodotta nell’EU15 nel 1995. Si evince come più di metà delle materie in ingresso si trasformino in gas e sottoprodotti. Questa è una delle ragioni per le quali, da un punto di vista ambientale, il controllo delle emissioni gassose e la gestione dei rifiuti solidi rivestono un’importanza fondamentale. Nel capitolo relativo alla descrizione dei diversi processi che concorrono alla produzione dell’acciaio, è stato sottolineato come coesistano, all’interno ad esempio del medesimo impianto a
5 circuito integrale, differenti impianti, ognuno dei quali ha una specifica e diversa rilevanza da un punto di vista ambientale. Nel prosieguo del presente capitolo, cercheremo di fornire una schematica panoramica dell’impatto ambientale dei processi principali e degli sviluppi tecnologici che potrebbero portare ad un miglioramento complessivo dello stato delle cose. 2.1.2 Emissioni gassose: Nel grafico che segue ad esempio, è fornita una comparazione, a livello delle emissioni dei singoli, più comuni, inquinanti, fra impianti di agglomerazione, cokerie, altiforni, acciaierie ad ossigeno e acciaierie elettriche. Come si vede, l’impianto in generale più inquinante è l’agglomerato, mentre gli altiforni e le acciaierie ad ossigeno sono fra le maggiori sorgenti di polveri; le acciaierie elettriche d’altro canto, possono dare un contributo rilevante per quanto riguarda mercurio ed inquinanti organici.
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In particolare risulta notevole il contributo dell’industria siderurgica, rispetto alle emissioni globali dell’EU15, per quanto riguarda metalli pesanti e diossine/furani (PCDD/F), mentre non è di grande rilevanza per quanto riguarda NOx e SO2. Un discorso analogo si può fare per i residui solidi ed i sottoprodotti, per i quali si sta peraltro cercando di aumentare in maniera significativa il ricircolo all’interno nel processo produttivo. In merito è interessante analizzare i dati contenuti nella seguente tabella:
8 Il discorso ambientale non può prescindere dall’aspetto energetico; nel seguito sono mostrate due interessanti figure dalle quali è possibile avere un’idea, qualitativa e quantitativa, dei flussi energetici coinvolti in un grande impianto siderurgico a circuito integrale.
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2.1.3 Residui solidi e sottoprodotti: La gestione dei residui in un circuito integrale gravita attorno alla presenza dell’impianto di agglomerazione il quale, se da un lato è una delle sorgenti di emissioni gassose più massicce, dall’altro consente elevati gradi di riciclo all’interno del ciclo produttivo. A causa del suo elevato impatto ambientale però, sempre più impianti di agglomerazione vengono fermati il che rilancia in modo serio il problema della gestione dei rifiuti solidi. Solo una quantità piuttosto piccola rispetto ai quantitativi in gioco viene messa in discarica.
12 2.1.4 Acque: La gestione dei quantitativi di acqua in gioco in un impianto a circuito integrale dipendono strettamente dalla disponibilità locale e dalle leggi vigenti. La figura seguente da un esempio della ripartizione delle quantitativi di acqua in un impianto con grande disponibilità di acqua (consumo specifico superiore a 100 m3 H2O//t acciaio, contro valori di 5410 m3 H2O/t acciaio per gli impianti con disponibilità scarsa).
13 Bibliografia essenziale “Processi siderurgici: la fabbricazione della ghisa e dell’acciaio” di Giuseppe Violi, Etas Libri, cap 4, “Integrated Pollution, Prevention and Control, IPPC: Draft Reference Document on best available techniques in the iron and steel industry” Institute for Prospective Technological Studies IPTS. Cap 1 & 3. “L’evoluzione della tecnologia negli impianti siderurgici” di DE MARCHI, GRATTAROLA pubblicazione aziendale SMS Demag ITALIMPIANTI del settembre 1993
14 3. L’agglomerazione 3.1 Br eve descr izione dell’impianto e del pr ocesso L’agglomerazione è un processo metallurgico che converte i minerali fini di ferro in un prodotto (agglomerato) poroso con dimensioni granulometriche e caratteristiche chimico meccaniche adatte all’uso in altoforno. L’evoluzione di questo processo, sin dall'introduzione nel ciclo siderurgico, ha consentito un più razionale uso delle frazioni fini dei minerali all'interno dello stabilimento e attualmente permette inoltre di utilizzare le grandi quantità di minerali fini disponibili sul mercato mondiale. L'agglomerazione consiste nella sinterizzazione delle particelle di minerali omogeneizzati portate a temperatura di incipiente fusione dal calore fornito da un combustibile solido (coke fine) aggiunto alla miscela di agglomerazione. Detta sinterizzazione è dovuta, oltre all'effetto della fusione superficiale dei grani, anche all'accrescimento dei grani stessi ed alla fusione della fase ganga. I materiali che compongono la miscela di agglomerazione sono :
·
I minerali fini omogeneizzati
·
gli additivi in parte già inseriti nei cumuli di omogeneizzato
·
il combustibile solido . A questi componenti va inoltre aggiunta una frazione di agglomerato fine (< 6 + 7 mm) che, come si vedrà, costituisce il riciclo dell'impianto. Appare qui opportuno dare brevi indicazioni sui componenti della miscela di agglomerazione non ancora discussi Gli additivi Servono per correggere la composizione della ganga dell'agglomerato adeguandola a quella della restante carica ferrifera ed alle ceneri del coke in altoforno per la formazione di una scoria con desiderata composizione chimica. Gli additivi di impiego industriale, normalmente utilizzati in granulometria inferiore a 3 mm, sono:
·
calcare
·
dolomite
·
olivina
·
bauxite
·
quarzite Sulla base degli ossidi degli elementi predominanti, si è soliti adottare la seguente classificazione:
·
additivi basici : apportatori di CaO e MgO
·
additivi acidi: apportatori di SiO2 e Al2 O3 Si deve tuttavia osservare che in taluni casi,quale ad esempio quello dell'olivina apportatrice di magnesia e silice, l'inserimento nella prima classe risponde più a criterio consuetudine che a
15 valutazioni i natura chimica . Il ruolo degli additivi in agglomerazione è di particolare rilevanza. Essi controllano infatti aspetti connessi all’evoluzione del processo di sinterizzazione delle particelle ed alla qualità del prodotto. In primo luogo, dovendo il livello termico del processo raggiungere valori tali da consentire il rammollimento e la parziale fusione delle particelle, la temperatura massima raggiunta in agglomerazione deve superare quella di liquidus di quei prodotti di reazione, essenzialmente presenti nella fase ganga, responsabili dei fenomeni di adesione ed inglobamento dei grani. Appare quindi evidente l'importanza della composizione chimica e della quantità di ganga al fine di favorire la formazione di fasi a più basse temperature di liquidus, e quindi anche di contenere il fabbisogno termico del processo. Anche la qualità dell'agglomerato risulta fortemente influenzata dalla presenza degli additivi proprio in funzione delle strutture petrografiche finali risultanti, strettamente collegate con le fasi di neoformazione. Per abbracciare in modo sintetico gli aspetti sopradescritti, sono usati nella pratica industriale due parametri detti indici di basicità dell’agglomerato, dati dal rapporto in peso CaO /SiO2 e CaO+MgO/SiO2 +Al2 O3 . Essi, come si vedrà più avanti, costituiscono un termine di riferimento fondamentale per interpretare l'evoluzione tecnologica del processo e la qualità dell'agglomerato. I combustibili Per fornire l'apporto termico necessario al raggiungimento delle temperature di sinterizzazione, si usano principalmente combustibili solidi intimamente mescolati alla miscela da agglomerare. Le caratteristiche fondamentali alle quali detti combustibili devono rispondere sono: ­elevato potere calorifico ­idonea velocità di combustione. Queste proprietà dipendono dalla natura del combustibile. La sua granulometria inoltre, essendo determinante nei meccanismi di ossidazione, condiziona la velocità di combustione. I combustibili solidi normalmente impiegati sono l’antracite e il coke. Quest’ultimo trova larghissima utilizzazione negli stabilimenti siderurgici quali quelli italiani, produttori di coke metallurgico. In questi casi infatti si sfrutta la disponibilità dei residui di vagliatura del coke per altoforno. Per far fronte a requisiti di combustibilità, tali residui, opportunamente macinati, vengono utilizzati nella granulometria <3 mm. A completamento del quadro, è opportuno accennare : ad un ulteriore apporto termico, corrispondente a circa il 10% del totale, fornito al processo da combustibili gassosi nella fase di innesco dell’agglomerazione (fase di accensione). A questo scopo trovano applicazione gas d'altoforno, gas di cokeria, gas naturale .
16 Gli impianti di agglomerazione Il processo continuo di agglomerazione si svolge su un nastro a griglia mobile del tipo Dwight Lloyd sul quale viene convogliata la miscela contenente circa 3% di coke fine. Nella seguente figura é riportato lo schema del processo di agglomerazione. Da una serie di sili vengono estratti in quantità controllate, a mezzo di dosatori automatici, i singoli componenti della miscela: omogeneizzato, additivi, coke e agglomerato fine di riciclo. I materiali così prelevati dai sili, a mezzo nastro vanno ad un tamburo rotante dove subiscono mescolamento e, mediante aggiunta di acqua, una prima umidificazione. Passano quindi in un secondo tamburo dove viene completata la loro umidificazione e nel quale vengono granulati. La miscela passa poi ad una tramoggia munita di distributore che la deposita sulla griglia a nastro per uno spessore di 30+60 cm, al di sopra di uno strato di 2 + 3 cm di agglomerato con pezzatura 10 + 20 mm detto "protezione di griglia" . Il nastro è costituito da carrelli grigliati indipendenti e tenuti a contatto fra di loro dall'azione delle ruote di movimento alle due estremità del nastro stesso. Questo passa, a tenuta,al di sopra di casse collegate ad un ventilatore che aspira aria dall'ambiente attraverso lo strato di miscela depositata sul nastro stesso. Il combustibile dello strato superficiale di miscela si accende quando passa sotto il forno di accensione, disposto all'inizio del nastro e provvisto di bruciatori alimentati a gas. La combustione del coke, così iniziata, procede attraverso lo strato, man mano che il nastro avanza, per effetto dell'aria aspirata dal basso; si ha quindi, con l’avanzare del fronte di combustione, l'agglomerazione della miscela fino ad averne, il completamento allo scarico del nastro stesso. Un frangizolle provvede alla rottura dei pezzi più grossi di agglomerato che viene vagliato per l'eliminazione della frazione fine (0­7 mm) che viene riciclata; la parte restante passa in un raffreddatore circolare dal quale esce, dopo circa un'ora, a temperatura sufficientemente bassa da consentire il suo trasporto a mezzo di nastri di gomma. Dopo ulteriori vagliature che separano i fini da riciclare e la frazione 10/ 20 mm che costituisce lo strato di protezione della griglia, l'agglomerato viene inviato all'altoforno.
17 Lo schema di impianto di agglomerazione
18 Il processo Durante la fase di agglomerazione la zona di combustione ha uno spessore di pochi millimetri ed avanza verso la griglia con una velocità di alcuni centimetri al minuto, essa è preceduta da una zona nella quale si decompongono i carbonati; ancora più avanti, nel senso di avanzamento del fronte di fiamma, si trova la zona dalla quale i prodotti della combustione fanno evapora re l'acqua di umidificazione della miscela cedendo il loro calore sensibile. Infine si ha la zona di miscela umida. In quest’ultimo strato si ha una parziale condensazione dell'acqua evaporata dagli strati superiori con conseguente aumento dell'umidità fino al raggiungimento di una temperatura corrispondente al punto di rugiada dei gas. Il processo di agglomerazione è caratterizzato dai seguenti fattori: ­permeabilità della miscela ­combustione del coke e scambi termici tra gas e solido ­reazioni chimiche (riduzione ed ossidazione degli ossidi di ferro, formazione di nuovi composti, calcinazione dei carbonati,desolforazione) ­raffreddamento del materiale agglomerato ­il riciclo. La permeabilità, che condiziona la portata di aria che attraversa lo strato dipende dalla composizione mineralogica e particolarmente dalla granulometria della miscela, dallo stato di aggregazione delle frazioni finissime (conseguenza dei trattamenti di mescolamento e granulazione) e delle aggiunte di acqua di umidificazione. A quest'ultima variabile gli agglomeratori dedicano particolare attenzione allo scopo di individuare le condizioni ottimali. Le caratteristiche dell’agglomerato La resistenza dell’agglomerato alle sollecitazioni meccaniche è fattore di grande importanza poiché esso deve sopportare notevoli cadute, compressione e abrasione. Bassi valori di resistenza meccanica producono grande quantità della frazione di riciclo all'impianto di agglomerazione e diminuzione della permeabilità della carica dell'altoforno a causa della produzione di fini. La resistenza meccanica viene determinata con due prove apposite. Nella prova di caduta un campione di 20 Kg di agglomerato, con granulometria superiore a 10 mm, viene fatto cadere quattro volte da una altezza di due metri su una piastra di acciaio. Con la prova al tamburo ISO, invece, il campione viene fatto girare per 10 minuti in un cilindro rotante a 25 giri/minuto L'indice di resistenza meccanica dell’agglomerato è dato dalla percentuale della frazione + 10 mm, che si ritrova dopo la prova rapportata al peso iniziale.
19 La resistenza meccanica è influenzata dal contenuto in coke della miscela. Esiste un valore ottimo di combustibile che porta alla massima resistenza. Un buon agglomerato deve avere, dal punto di vista chimico, il più alto contenuto in ferro ed una composizione della ganga che riduca al minimo l'uso dei fondenti in altoforno. Un parametro importante è inoltre il contenuto di ossido di ferro Esso infatti permette di stimare il grado di ossidazione dell'agglomerato e quindi la quantità di ossigeno legata al ferro da asportare nella riduzione in altoforno. Per caratterizzare l'agglomerato dal punto di vista del comportamento in questo processo si è soliti effettuare due test tecnologici:
·
la riducibilità
·
la degradazione. La prima, la riducibilità, riguarda gli aspetti della cinetica di riduzione e misura la tendenza di un agglomerato ad essere più o meno facilmente ridotto in un atmosfera di CO La degradazione invece è un indice della diminuzione della resistenza meccanica dell'agglomerato durante la riduzione a bassa temperatura (300/600°C). Essa infatti misura la tendenza di un agglomerato a produrre fini nelle prime fasi di riduzione nell'altoforno durante la trasformazione ematite­magnetite. Pur nella diversità dei metodi usati nei vari paesi, è tuttavia comune l'opinione che la riducibilità e la degradazione dell'agglomerato siano fattori importanti per determinare la produttività e il consumo di combustibile nell'altoforno. Per migliorare le prestazioni di questo processo si è, da molti anni, svolto un intenso lavoro nel mondo, peraltro non ancora esaurito, per individuare i fattori del processo di agglomerazione che possono aumentare la riducibilità e ridurre la degradazione. 3.2 Pr incipali pr oblematiche: Le principali problematiche del processo di agglomerazione sono da collegarsi quasi esclusivamente a: a) aspetti ecologici e soprattutto legati grande quantità di gas (circa 1500 Nm 3 per tonnellata di agglomerato prodotto) in uscita dall’impianto, che a seguito di sempre più stringenti e rigorose leggi sulla protezione dell’ambiente, determinano ingenti costi di investimento e di gestione in sistemi di abbattimento degli inquinanti. b) riduzione dei consumi energetici
20 3.3 Linee di sviluppo tecnologico: Lo sviluppo della tecnologia attuale é soprattutto orientato a dare una risposta alle problematiche succitate. Si ricorda il processo EOS (Emission Optimised Sintering) sviluppato dalla LURGHI (esiste un analogo sistema della SUMITOMO) che consiste nel ricircolo di parte dei gas con l’obbiettivo di :
·
mantenere o addirittura migliorare le caratteristiche dell’agglomerato;
·
minimizzare il dispendio energetico;
· ridurre drasticamente le emissioni ;
·
minimizzare la portata di gas (fino a soli 300 Nm 3 /t agglomerato) per assicurare minori costi di depurazione Sempre con riferimento all'abbattimento delle polveri e alle emissioni di SO2 il centro di ricerca LECES (Iaboratoire d’Etude et de Controle de l'Environnement Siderurgique) della CECA, ha sviluppato un processo che prevede di sostituire i tradizionali elettrofiltri, che hanno dimostrato di non poter raggiungere le efficienze di filtrazione richieste dalle vigenti leggi in materia, con filtri a maniche che utilizzano come rivestimento le polveri stesse e calce. Il recupero di calore relativo al raffreddamento dell’agglomerato prodotto consente di ridurre i consumi energetici 3.4 Analisi delle emissioni in atmosfer a, della contaminazione delle acque, e della pr oduzione di r ifiuti solidi Nella figura che segue è possibile individuare uno schema tipico di un impianto di agglomerazione, comprensivo delle fasi preliminari di stoccaggio e preparazione delle materie prime (minerale di ferro, calce, “coke breeze” cioè polvere di coke di diametro medio inferiore ai 5 mm), nonché di quelle finali di raffreddamento del prodotto e successiva vagliatura con ricircolo della parte più fine (<5mm come fini di ritorno e fra 10­20 mm come sottostrato di protezione della griglia, all’inizio del processo di agglomerazione).
21 Come si vede sono qui indicate le principali sorgenti di emissioni gassose, anche se in realtà esse possono essere minori in numero in quanto i sistemi di abbattimento sono di solito integrati. Le portate in gioco variano dai 300000 a 1600000 Nm3/h di gas, con un valore specifico compreso fra 1500 e 2500 Nm 3 di gas/t di agglomerato posto sulla grata, mentre per il sistema di raffreddamento, di solito costituito da un tamburo rotante attraversato da aria forzata, le portate assolute sono pari a 100000 a 1000000 Nm 3 /h mentre quelle specifiche sono paragonabili a quelle del processo di sinterizzazione. Nelle tabelle che seguono vengono riassunti schematicamente tutti i flussi di massa che interessano un impianto di agglomerazione, compresi gli inquinanti che troviamo in output:
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Come si vede il numero delle sostanze inquinanti presenti nei fumi di processo è estremamente elevato e la tipologia delle sostanze coinvolte è, dal punto di vista ambientale, fra le più critiche; in ragione infatti della eterogeneità delle materie prime coinvolte e della natura del processo, si sviluppano sostanze inquinanti quali ossidi di zolfo e azoto, acido fluoridrico e cloridrico, idrocarburi, monossido di carbonio, particolati (metalli pesanti, soprattutto ferro ma anche piombo), e tracce rilevanti di PAH (idrocarburi Policiclici Aromatici) e composti alogenati aromatici quali diossine e furani (PCDD/PCDF) e PCB (Poli Cloro Bifenili). Le reazioni chimiche e metallurgiche che portano alla formazione di tali composti possono essere brevemente riassunte nelle seguenti:
·
evaporazione dell’umidità;
·
preriscaldamento e calcinazione dei composti basici, ignezione del coke breeze e reazioni fra carbone, pirite, composti clorurati e fluorurati ed ossigeno dell’aria;
·
decomposizione degli idrati e dei carbonati;
·
reazione fra ossido di calcio ed ematite;
·
reazione fra la fase silicica e l’ossido di calcio;
·
formazione del solfuro di calcio e dei composti metallici clorurati;
·
riduzione degli ossidi metallici a ferro nella zona ad alta temperatura. E’ possibile sintetizzare le differenti emissioni in: 1. Emissioni gassose: §
Emissioni di materia polverulenta da operazioni di manipolazione, macinatura, vagliatura e trasporto dei materiali di carica e del prodotto; §
Emissioni di fumi dalla griglia di sinterizzazione; §
Emissioni di materia polverulenta dal raffreddamento dell’agglomerato. 2. Emissioni in acqua: §
Acqua di scarico da trattamento a umido del gas (opzionale); §
Acqua di raffreddamento e lavaggio; 3. Rifiuti solidi: §
Rifiuti solidi da trattamento gas (opzionale);
26 4. Aspetti energetici: §
3.4.1
Richiesta di energia. Emissioni gassose:
3.4.1.1 Emissioni di materia polverulenta da operazioni di manipolazione, macinatura,
vagliatura e trasporto dei materiali di carica e del prodotto: Si tratta soprattutto di emissioni di polveri di metalli pesanti, in funzione della composizione dei materiali trattati. Possono essere ridotte mediante adeguati accorgimenti quali sistemi di aspirazione sui macchinari interessati. 3.4.1.2 Emissioni di fumi dalla griglia di sinterizzazione: Acqua, Monossido di carbonio, Anidride carbonica: vengono emessi in modo differente, a seconda del punto di griglia considerato; nel grafico seguente è possibile ricavare un andamento della concentrazione delle emissioni, in funzione della posizione sulla griglia:
27 Polveri: come si vede dalla figura seguente è possibile individuare, nell’analisi della distribuzione granulometrica delle polveri, due massimi relativi, corrispondenti grossomodo (le differenti curve si riferiscono a differenti impianti ma come si vede l’andamento è comune) ai diametri pari a 0.1/1 e 100 micrometri. Tale caratteristica “miscela di polvere a due componenti” è spiegabile attraverso due differenti processi di formazione: la frazione grossolana si forma all’inizio della griglia subito dopo il caricamento delle materie prime e viene pertanto estratta dalla carica stessa e dagli strati inferiori, mentre le frazione fine si forma nella zona di vera e propria sinterizzazione, una volta completato il processo di evaporazione dell’umidità della carica. La composizione della polvere grossolana dipende quindi direttamente dalla carica, ma si può affermare che essa può essere separata dal gas con elevatissime efficienze mediante l’uso di elettrofiltri. La frazione fine invece ha una composizione che dipende dal processo di sinterizzazione ed è sempre ricca di cloruri alcalini (KCl, NaCl) o in genere di composti alcalini (Na2SO4), che hanno in comune un’elevatissima resistività elettrica (fra 10 12 e 10 13 Ωcm) che tende a formare strati isolanti sulle piastre dei precipitatori elettrostatici (ESP), abbattendone l’efficienza al di sotto del 60%.
28 La presenza di tali polveri fini è la ragione per la quale non si riescono ad ottenere concentrazioni in uscita dagli elettrofiltri, seppur ben mantenuti ed eserciti, posti in coda a impianti di agglomerazione, non inferiori a 100/150 mg/m 3 . Ciò rappresenta un problema significativo, specialmente alla luce delle nuove direttive che mirano sempre più a limitare le emissioni di polveri fini (PM10). Metalli pesanti: si tratta soprattutto di tre elementi distinti:
·
Piombo: durante il processo di sinterizzazione il piombo reagisce a PbO, PbCl2 e probabilmente a PbCl4, questi composti sono relativamente volatili ed entrano facilmente nella fase gassosa, il che porta a concentrazioni dell’ordine di 70 mg Pb/Nm 3 gas, che confrontati con circa 2100 Nm 3 gas/t sinter, portano a circa 150 g Pb/t sinter. Si tenga presente che la presenza di composti di piombo nel gas di scarico non dipende tanto dalla concentrazione di questo elemento nella carica, quanto dalla concentrazione del cloro. Tali composti vengono difficilmente separati a livello di ESP e richiedono pertanto di solito successivi lavaggi ad umido.
·
Mercurio: le emissioni di mercurio sono di solito molto limitate e dipendono direttamente dalla concentrazione di tale elemento nella carica.
29 ·
Zinco: Normalmente il contenuto di zinco nella carica è di circa 70/200 g/t. Alle elevate temperature presenti nelle zone di incenerimento, calcinazione ed ossidazione lo zinco tende a evaporare rapidamente, anche se poi reagisce quasi intermente a Zinco­ferrite, restando nella carica. La quota parte che rimane nel gas può essere facilmente separata a mezzo ESP. Nei fumi di processo la concentrazione raggiunge i 50 mg/m 3 . Ossidi di zolfo ed Azoto. Gli ossidi di zolfo (soprattutto SO2) presenti nel gas di scarico sono originati dalla combustione dei composti di zolfo presenti nella carica principalmente nel coke breeze. L’input totale di zolfo varia tra 0.28­0.81 kg/t di sinter mentre le concentrazioni di emissione sono normalmente fra i 400­1000 g SO2/N m3, il che corrisponde a circa 800­2000 g SO2/t di sinter. Tali valori rappresentano una media sulle concentrazioni dei fumi sull’intera griglia di sinterizzazione. Nella figura che segue è invece rappresentato l’andamento delle concentrazioni di NOX e SO2 in funzione della lunghezza della griglia (singole vind­boxes), con l’andamento delle temperature dei fumi. I valori elencati si ottengono mediante l’uso di una carica contenente bassi valori di zolfo e minimizzando il consumo di combustibile. Le temperature nel fronte di fiamma della griglia di sinterizzazione causano la formazione di NOX attraverso differenti reazioni: “fuel­NOX” formato dalla combustione di azoto presente nei composti organici della carica, “prompt­NOX” formato dalla reazione di decomposizione dei composti con azoto molecolare che avvengono nella zona di combustione, e “thermal­NOX” realizzato dalla reazione dell’ossigeno molecolare e dell’azoto molecolare presenti nell’aria di combustione. Il
30
primo tipo di NOX è il più importante e rappresenta l’80% del totale. Nella figura sono mostrate emissione dell’ordine di 480­770 g NOX/t di sinter, il che rappresenta concentrazioni pari a 230­ 370 mg NOX/Nm3. Fino ad ora sono stati utilizzati sistemi di abbattimento degli NOX soltanto su alcuni impianti giapponesi; essi sono basati su una riduzione catalitica selettiva (SCR) con ammoniaca. Idrocarburi Le emissioni di idrocarburi consistono principalmente di prodotti della pirolisi e di una combustione incompleta dei materiali di carica contenenti carbonio. Residui riciclati quali scaglie di laminazione (contenenti olio fino al 10%) e polvere d’altoforno (contenente dal 25 al 38% di carbonio), sono le principali sorgenti di emissione di idrocarburi dalla griglia di agglomerazione. Le emissioni di idrocarburi avvengono per evaporazione prima che la zona di ossidazione raggiunga gli strati più bassi del letto di agglomerazione. I composti più comunemente presenti sono metano, alifatici, fenoli, olefine e aromatici. Concentrazioni di emissione riportate si attestano fra 50 e 110 mg C/Nm3. Diossine e furani (PCDD/PCDF): solo recentemente è divenuto chiaro come gli impianti di agglomerazione possano essere una sorgente significativa di emissioni di policloro di benzodiossine e policloro di benzofurani. Concentrazioni fino a 43 ng I­TEQ/Nm3, sono state infatti rilevate a valle dei trattamenti di abbattimento che normalmente sono filtri elettrostatici a tre o quattro stadi. La generazione di PCDD/F può avere diverse origini quali:
·
PCDD/F già presenti nel materiale di carica possono venir emessi se non sono distrutti durante il processo di sinterizzazione;
·
Formazione per condensazione di composti chimicamente correlati quali clorobenzeni, clorofenoli, eteri difenilici e policloro bifenili (PCB), presenti nella carica;
·
Formazione attraverso il processo “de novo sintesi”. Il criterio base di tale processo implica la presenza di una struttura grafitica imperfetta, cloro inorganico, rame o ferro come catalizzatori, una atmosfera ossidante e un range di temperatura di 250­450 °C. Nella figura che segue è possibile vedere l’andamento delle emissioni di questi composti per le diverse casse a vento:
31 3.4.1.3 Emissioni di materia polverulenta dal raffreddamento dell‛agglomerato. Al termine della griglia di sinterizzazione il materiale agglomerato cade dalla stessa e viene successivamente frantumato, vagliato e raffreddato. Nel caso in cui l’aria di raffreddamento sia ricircolata nel processo per sfruttarne il calore sensibile, la polvere contenuta è parimenti ricircolata, senza emissioni dirette; in caso contrario si procede alla depurazione, solitamente per via elettrostatica. In molti impianti però non è prevista alcuna depurazione di tali fumi di raffreddamento, nonostante il loro contenuto di polveri sia del tutto paragonabile a quello dei fumi provenienti dalla griglia di sinterizzazione (300­500 g/t di sinter). 3.4.2 Emissioni di acqua: Si possono elencare tre differenti tipi di emissioni acquose all’interno degli impianti di agglomerazione:
32 3.4.2.1
acque di lavaggio: E’ comune, nel caso di impianto siderurgici, un forte effetto di deposizione di polveri all’interno dei locali e dei capannoni; per evitare che tali polveri possano contaminare le acque superficiali, di solito si procede alla loro periodica rimozione con sistemi a secco. Alcuni impianti però utilizzano sistemi di pulizia ad acqua, che generano un fango ricco di solidi sospesi e metalli pesanti che dovrebbe essere trattato opportunamente prima del suo scarico in fognatura. Le quantità in gioco sono di circa 450 m3/giorno per un impianto di produttività attorno ai 11.000 t sinter/giorno. 3.4.2.2
acque d raffreddamento: Solitamente si utilizza acqua di raffreddamento dei ventilatori e della cappa di ignezione della carica, posta all’inizio della griglia di agglomerazione. Le quantità in gioco sono nell’ordine dei 500 m3/h, ma essa è solitamente completamente riciclata. 3.4.2.3
acqua di scarico da impianti di trattamento gas a umido: E’ la fonte più significativa, ma è presente solo nel caso in cui i più comuni elettrofiltri siano sostituiti da impianti di trattamento gas a umido (tipicamente torri Venturi di lavaggio). L’acqua di lavaggio è fortemente contaminata (solidi sospesi, metalli pesanti, diossine, PB, idrocarburi, composti di zolfo, cloro e fluoro) e deve essere necessariamente trattata, prima di essere scaricata in fogna. 3.4.3 Rifiuti solidi Solitamente esiste una totale ricircolazione dei residui solidi (tipicamente polveri da elettrofiltro), senza quindi generazione di emissioni solide. Talvolta però si prevede, per evitare di aumentare sensibilmente le emissioni di alcali e cloruri metallici, di espellere dal processo di ricircolazione le polveri fini degli ultimi stadi dell’elettrofiltro, solitamente più ricche di tali composti.
33 Nel caso di trattamento a umido del gas, è prevista la deposizione in discarica del fango essiccato. 3.4.4 Aspetti energetici La richiesta energetica media di un impianto di agglomerazione si aggira sui 1480GJ/t di sinter in termini di energia termica e di 105 MJ/T di sinter di energia elettrica. La perdita più sensibile di energia è con i fumi, che vengono però di solito ricircolati.
34 3.5 Miglior i tecniche disponibili Ragioni che spingono allo Tipo Descrizione Miglioramenti ambientali Applicabilità Effetti correlati Impianti di riferimento Aspetto economico sviluppo della metodologia Tecniche inerenti il processo Alcuni sottoprodotti hanno un elevato contenuto di oli, che potrebbe portare ad un aumento Praticamente tutti gli impianti utilizzano Riciclaggio di Tutti i sottoprodotti di un impianto siderurgico contenenti più del 50% di ferro possono essere delle emissioni di idrocarburi e diossine.Inoltre tale tecnica. le Warren Consolidated materiali ferrosi utilmente riciclate nell’impianto di sinterizzazione. Materiali quali scaglie di laminazione, polveri nell’impianto di di diversa provenienza e fanghi sono utilizzati e normalmente rappresentano il 10/20% della sinterizzazione carica. Si risparmia una quantità di Applicabile ad impianti si possono creare accumuli eccessivi nel rifiuti pari alle quantità riciclate. nuovi ed esistenti. processo di alcali e cloruri. Per soddisfare i Porre a discarica eventuali Si risparmia sulle materie prime e sui Industries della Youngtown Sinter sottoprodotti è estremamente costi di deposito dei rifiuti. Company in Ohio USA ha utilizzato come costoso severi limiti emissivi può essere necessario carica nel 1992 solo materiali di riciclo. dotarsi di impianti di abbattimento fumi dedicati(tipicamente filtri a maniche) La deoleazione necessita di Di solito entrano nel processo con le scaglie di laminazione e portano alla liberazione di impianti dedicati e di costi idrocarburi e diossine. Le tecniche possibili sono: aggiuntivi per la combustione e Abbassamento del ­ Utilizzare solo scaglie di laminazione a basso contenuto d’olio Riduzione delle emissione di successiva postcombustione dei idrocarburi e diossine. Esistono numerosi impianti pilota per la agglomerazione devono comunque essere deoleazione delle scaglie, ma nessun smaltiti, con aggravio dei relativi costi. impianto di taglia industriale. Applicabile ad impianti contenuto in oli ­ Deoleare le scaglie per surriscaldamento ad 800 °C e I sottoprodotti non riciclati nell’impianto di post­combustione, ma consente Nessun dato disponibile. nuovi ed esistenti. della carica l’utilizzo di scaglie altamente fumi. contaminate evitando emissioni – Deoleare le scaglie a mezzo solventi indesiderate ed ulteriori costi di trattamento fumi. Applicabile ad impianti I composti solforati sono introdotti principalmente dal coke breeze e tendono a rimanere nuovi ed esistenti. Abbassamento del parzialmente nell’agglomerato (il che può disturbare nell’altoforno in quanto aumenta la contenuto di zolfo produzione di loppa e le emissioni di H2S). Risulta importante sia l’utilizzo di minerale di ferro della carica che di coke a basso zolfo. Nella stessa direzione va il consumo specifico di coke breeze (che Riduzione delle emissioni di Ragioni correlate al rispetto dei Occorre tenere presente Nessun particolare ulteriore effetto. SO2 Nippon Steel, Yawata/Wacamatsu Works Nessun dato disponibile. limiti in emissione. che non sempre risulta facile reperire materie negli ultimi anni è passato da 80 a 50 kg/t di sinter). prime a basso zolfo L’uso di miscela coke/antracite è più Evitare l’antracite In molti impianti viene utilizzata come combustibile insieme al coke breeze pure antracite. Ciò Si riducono le emissioni di Applicabile ad impianti Nella maggior parte degli impianti europei Nessun particolare ulteriore effetto. come combustibile porta a processi di distillazione con produzione di idrocarburi. idrocarburi. nuovi ed esistenti. Ragioni correlate al rispetto dei conveniente dell’uso esclusivo di non si usa più antracite. limiti in emissione. coke breeze. Da un punto di vista concettuale gli elevati costi di investimento vengono Questa tecnica permette di EOS riduce le emissioni in atmosfera e il ridurre la portata complessiva consumo specifico di energia del processo di ripagati dal risparmio di coke breeze L’alto livello dei costi di Consiste nel ricircolo di una quota parte del gas di scarico prelevato dalle windboxes, alla di fumi da trattare e limita le Processo di e dalle minori quantità di fumi da agglomerazione. La presenza dei ventilatori di investimento limita griglia di sinterizzazione, con un opportuno reintegro di aria fresca. Nella figura della pagina emissioni di inquinanti sinterizzazione trattare, con un tempo di ricircolo determina però un notevole consumo fortemente l’applicabilità successiva è schematizzato il processo. Per poter realizzare questo particolare processo, è riducendo parimenti il consumo Ottimizzato (EOS) di energia elettrica, comunque trascurabile se di tali sistemi a impianti necessario coprire l’intera griglia con una cappa a tenuta. di combustibile solido. Si veda Hoogovens IJmuiden, Olanda, area di 2 Ragioni correlate al rispetto dei ammortamento che si aggira sui griglia di 132m . limiti in emissione.
sette anni per impianti eserciti con confrontato al risparmio di coke breeze. Esiste eisistenti. alti tenori di combustibile solido, ma la tabella alla pagina un problema di formazione di CO il cui livello successiva per i valori in gioco. deve essere controllato nell’ambiente di lavoro. che possono salire a 10 o più anni per impianti già eserciti a livelli più bassi di coke. 35 Concettualmente simile al sistema EOS, risulta più sofisticato in quanto la ricircolazione del gas avviene in modo parzializzato e specifico, a seconda delle caratteristiche chmico­fisiche dei gas provenienti dalle diverse sezioni della griglia. Nella figura alla pagina successiva è 2 mostrato lo schema di processo per una griglia di 480 m . Questa metodologia consente Zona1: sezione di preriscaldamento, gas con alto O2, basse umidità e T, riciclato a Esistono 5 impianti in Giappone che L’alto livello dei costi di di ridurre sensibilmente la Ricircolazione centrogriglia; Zona2: gas con bassa SO2, basso O2, bassa T ed elevata umidità, che viene scaricato a metodologia. I dati riportati nelle tabelle elevati costi di investimento vengono ampiamente bilanciata da dalla forte riduzione 56%), e emissioni di SO2 (­ Zona3: gas ad elevata SO2, basso O2, bassa T ed elevata umidità, che viene scaricato a Ragioni correlate al rispetto dei ripagati dal risparmio di coke breeze successive si riferiscono all’impianto di tali sistemi a impianti camino dopo depolverazione in ESP limiti in emissione.
e dalle minori quantità di fumi da di coke. Tobata 3, Yawata Works, Nippon Steel eisistenti. trattare. 63%) ed NOx (­3%). Corporation. camino dopo depolverazione in ESP e desolforazione a umido con idrossido di magnesio. Zona4: gas ricco di SO2 alto O2, bassa umidità, T molto alta, corrispondente alla sezione calda attorno al fronte di fiamma, pompe e ventilatori, che viene però fortemente l’applicabilità 28%), emissione di polveri (­ gas di scarico adottano a livello industriale questa investimento limita quantità di gas in emissione (­ parzializzata dei Da un punto di vista concettuale gli Esiste un aumento di consumo di elettricità per riciclato nella prima parte della griglia subito dopo la zona di ignezione. 36 Ragioni che spingono Livelli d’emissione Tipo Descrizione Applicabilità Effetti correlati Impianti di riferimento Aspetto economico allo sviluppo della ottenuti metodologia Tecniche di trattamento fumi E’ il sistema più comunemente utilizzato per trattare grandi volumi di gas di scarico, almeno nella EU. Il principio informatore di tali apparecchiature è quello di caricare negativamente le L’efficienza media di un particelle contenute nel gas mediante la generazione di un campo elettrico opportuno, in modo comune ESP è del 95% circa; tale che esse migrino verso delle lastre di raccolta caricate positivamente e periodicamente Possono essere Praticamente tutti gli impianti di in alcuni particolari casi pulite solitamente con metodi a percussione. Per ottenere la massima efficienza occorre che le 14 9 installati anche su favorevoli si può arrivare al particelle interessate abbiano una resistività compresa fra 10 e 10 Ωm. Alcuni composti quali impianti esistenti; i 99%. Nel caso di ESP asserviti ESP (precipitatori MEEP sono stati installati su due fortissimo consumo di energia elettrica; per MEEP possono alcali, cloruri di metalli pesanti, ossidi di calcio presentano resistività specifiche superiori, il che ad impianti di agglomerazione elettrostatici) sinterizzazione europei montano ESP. Queste apparecchiature hanno un Si veda la tabella nelle pagine Germania (Krupp Hoesch Stahl, successive. fare un esempio un ESP di capacità pari ad essere installati in rende meno efficiente il processo di separazione. A fianco agli ESP tradizionali, si possono Ragioni correlate all’inasprirsi impianti in Giappone e a due in arrivano a garantire 3 delle leggi riguardanti i limiti in 1milione di Nm /h si hanno consumi di 300­ coda ad un normale identificare tre importanti sviluppi: concentrazioni di polveri MEEP: Precipitatori elettrostatici ad elettrodi semoventi, i piatti di raccolta si muovono e emissione. Dortmund). Un ESCS è presso 400 kW. 3 ESP quale stadio di l’impianto di sinterizzazione della NSC affinazione. Wakamatsu­Yawata. comprese fra 20­160 mg/Nm . vengono a contatto con spazzole pulitrici che rimuovendone a fondo i depositi migliorano Per MEEP e ESCS si l’efficienza di captazione. 3 ottengono <40 mg/Nm . ESCS:Separatore elettrostatico a distanza maggiorata; è un ECS esercito a voltaggi superiori al normale (70­200 kV) grazie ad una distanza maggiore fra gli elettrodi. L’efficienza di filtrazione Sono filtri ad altissima efficienza che sfruttano il passaggio del gas da trattare attraverso la raggiunge il 99%e si torta di polvere che si forma periodicamente sulla superficie delle maniche di tessuto del filtro raggiungono valori di stesso. Esistono più celle di filtrazione in parallelo che dispongono di un elevato numero di concentrazione in emissione maniche; periodicamente una delle celle va off­line e viene “lavata” controcorrente per 3 I filtri a maniche generano un notevole Applicabile ad impianti inferiori a 10mg/Nm . Nella quantitativo di polveri secche che in linea di I filtri a maniche sono utilizzati massima possono essere ricircolate diffusamente in tutti gli impianti; all’interno del processo di sinterizzazione. segnaliamo la Stahlwerke Bremen nuovi ed esistenti, permettere la separazione della torta che, raggiunto uno spessore troppo elevato causa perdite tabella che segue sono Come per altri impianti l’utilizzo compatibilmente però Filtri a tessuto (detti di carico troppo elevate che compromettono il processo. Spesso è possibile prevedere evidenziati i valori d’emissione con le condizioni “a maniche”) l’ignezione, nelle polveri di opportuni additivi che a seconda dei casi possono svolgere la ottenuti in differenti impianti, in di tecniche moderne e costose Si veda la tabella allegata. Nei casi di additivazione con sostanze GmbH, per l’utilizzo di additivi è favorito dall’inasprirsi dei adsorbenti risulta spesso improponibile il particolarmente efficaci conto diossine limiti di emissione. riutilizzo e si rende necessaria la e acidi alcalini. specifiche che funzione di adsorbenti (polvere di coke lignite per adsorbire diossine e mercurio, calce per HF, uno dei quali si è proceduto possono variare da HCl e ridurre il punto di ignizione). In generale l’utilizzo dei filtri a maniche è consigliato ma all’aggiunta di additivi. In caso a caso. esistono problemi legati alla temperatura massima sopportabile dal tessuto di filtrazione (non particolare, nella figura superiore a 120°C), e alla tendenza all’impaccamento delle torte di filtrazione in presenza di successiva, è evidenziato composti quali i cloruri alcalini, i cloruri di metalli pesanti e gli ossidi di calcio. l’abbattimento ottenuto nei deposizione in discarica. confronti di PCDD/PCDF. Sono dispositivi largamente utilizzati che si basano sul principio della forza centrifuga e sul momento d’inerzia dei corpi solidi.che vanno bene però solo come pretrattamento di correnti Applicabile ad impianti Ciclone Non sono impianti Il miglioramento delle particolarmente dispendiosi, ma condizioni di pretrattamento offrono un trattamento non può portare ad un risparmio particolarmente risolutivo. sugli impianti a valle.
Per particelle di dimensioni polverose al fine di separarne le frazioni più grossolane. Talvolta, per migliorare l’efficienza >10 micrometri, l’efficienza è complessiva, si utilizzano più cicloni in serie, differentemente dimensionati per separare le pari a circa il 90%. Nessuno in particolare. nuovi ed esistenti. frazioni di diversa granulometria. 37 Impianti ovunque. Si tratta di una tecnica di chemiassorbimento in acqua addizionata con, soluzioni di opportuni reagenti, della SO2 presente nel gas di scarico I reagenti più comunemente utilizzati sono: Scoria di acciaio polverizzata (contiene 30­40% CaO) Desolforazione ad Calce idrata [Ca(OH)2] Il fango di gesso generato nel processo non I costi sono estremamente sempre è sufficientemente puro da essere elevati, sia quelli di investimento venduto e va quindi posto in discarica ad alti che quelli di gestione, tanto che di Si possono ottenere efficienze di desolforazione superiori al 90%. Questo sistema non Tutti gli impianti citati in tabella Applicabile ad impianti i vedano gli impianti citati nella relativa costi, previo comunque la disidratazione. umido Cloruro di calcio [CaCl2] influisce sugli NOx, ma abbatte Idrossido di magnesio [Mg(OH)2] La conseguenza di tale assorbimento è la formazione di solfato di calcio (gesso) e magnesio nuovi ed esistenti. hanno installato tali trattamenti solito è meglio ridurre le emissioni tabella che troverete di seguito. per poter rientrare nei valori di L’acqua di lavaggio viene invece quasi di SO2 riducendo lo zolfo in input. completamente ricircolata con tassi di Nella tabella che segue sono spurgo sufficientemente bassi. riportati i dati economici di rilievo. comunque anche parte di HF, emissione imposti dalla legge. HCl e polveri. che una volta disidratati possono, in alcuni casi, essere rivenduti come sottoprodotto. Applicabile ad impianti nuovi ed esistenti. Si In pratica si utilizza un carbone attivo di alta qualità per effettuare un adsorbimento a secco La possibilità di rimuovere, con utilizza questa tecnica Aumenta il consumo globale di energia e quando ci sia vengono generate piccole quantità di acqua, un unico impianto una vasta Si conseguono efficienze di delle sostanze inquinanti; in particolare SO2, HCl, HF, Hg e se si desidera anche NOx Carbone attivo desolforazione (>95%) e l’esigenza di iniettando NH3 prima del letto di adsorbimento. Il processo può essere mono o bi stadio e rigenerato RAC I costi di installazione, esercizio e Jap. manutenzione sono elevati efficienze può rendere che va trattata. Non si generano residui denitrificazione (80­90%), porta alla formazione come sottoprodotto di acido solforico. La rigenerazione del letto viene gamma di inquinanti con ottime Sinter plant N°3 Nagoya Works, NSC rimuovere solidi in quanto l’adsorbente viene ricircolato competitivo questo metodo in contemporaneamente e parzialmente combusto. confronto ad altri più economici molto elevate realizzata per via termica o con acqua. ma meno flessibili.
più inquinanti. Richiede grandi spazi. 38 Metodo EOS: Schema di processo:
39 Dati di riduzione delle emissioni:
40 Metodo SWGR di ricircolazione parzializzata dei gas di processo: Caratteristiche dei gas ricircolati: Confronto con i metodi tradizionali:
41 Filtro a maniche:
42 43
Desolforazione ad umido:
44 45
Bibliografia essenziale “Processi siderurgici: la fabbricazione della ghisa e dell’acciaio” di Giuseppe Violi, Etas Libri, cap 4, “Integrated Pollution, Prevention and Control, IPPC: Draft Reference Document on best available techniques in the iron and steel industry” Institute for Prospective Technological Studies IPTS. Cap 4, pagg 23­81. “Il sinter per altoforno” pubblicazione aziendale SMS Demag ITALIMPIANTI del aprile 1998 Dipartimento mantenimento e capitalizzazione del know “Aggiornamenti sulla tecnologia dell’altoforno­ preparazione della carica ferrifera” pubblicazione aziendale SMS Demag ITALIMPIANTI gennaio 200 Dipartimento mantenimento e capitalizzazione del know “Recent developments in iron ore sintering” di P.R: DAWSON tratto da Ironmaking and Steelmaking 1993 Vol2 No 2 “L’evoluzione della tecnologia negli impianti siderurgici” di DE MARCHI, GRATTAROLA pubblicazione aziendale SMS Demag ITALIMPIANTI del settembre 1993
46 4. La produzione del coke 4.1 Br eve descr izione dell’impianto e del pr ocesso La cokefazione è il processo di distillazione con cui da una miscela di opportuni carboni fossili vengono prodotti i principali combustibili dell'area ghisa di uno stabilimento siderurgico:
·
il coke metallurgico
·
il gas di cokeria
·
il catrame Nonostante esistano tutt'oggi alcuni altiforni operanti a carbone di legna, il coke, materiale non fusibile, ricco di carbonio, resistente e permeabile, è il combustibile solido più diffuso per la fabbricazione della ghisa. Esso rappresenta, come detto, il residuo solido del processo di distillazione che comporta produzione del gas di cokeria e di una importante ed utile serie di sottoprodotti (catrame, benzolo, ammoniaca). Le caratteristiche dei carboni fossili Le materie prime del processo di cokefazione appartengono ad un ristretto campo dei carboni fossili che, come è noto, sono rocce organiche composte di un aggregato di sostanze eterogenee comprendenti materiali organici ed inorganici I materiali organici derivano principalmente dai residui delle piante che hanno subìto vari gradi di decomposizione, dapprima nei bacini di accumulo della torba e poi, via via, per periodi di tempo corrispondenti ad ere geologiche, più o meno profonde alterazioni di natura chimica e fisica, note col termine di “carbonizzazione”. Nei carboni, dispersi nella matrice carboniosa, sono presenti componenti non combustibili essenzialmente costituiti da materiali inorganici cui viene dato il nome di ceneri. I diversi tipi di carbone sono caratterizzati dal diverso "grado di evoluzione o carbonizzazione o rango" cui corrispondono differenti caratteristiche chimiche e
47 fisiche che condizionano il comportamento del carbone nelle sue molteplicità di impiego. La torba e le ligniti rappresentano uno stadio poco evoluto a partire dalla materia vegetale, viceversa i carboni magri e l’antracite,rappresentano uno stadio molto evoluto, anche se distante da quello finale rappresentato dalla grafite. L’ampia gamma dei carboni fossili, compresi tra questi casi estremi, è stata oggetto di molte classificazioni che in generale traggono origine dal differente comportamento dei carboni soggetti: all’azione del calore. Per individuare i carboni di interesse per la cokefazione e introdurre le nozioni fondamentali circa il meccanismo di formazione del coke, appare opportuno esaminare i fenomeni connessi al riscaldamento di un carbone sottoposto ad un incremento di temperatura (3°C/min) fuori dal contatto dell'aria . Nella fase preliminare si osserva l’espulsione dell'umidità e piccole quantità di qualche gas semplice (CO2 , CO ecc.) senza peraltro notare importanti variazioni di peso e particolari cambiamenti di consistenza e di colore del carbone. Procedendo col riscaldamento si rileva tuttavia una "soglia termica critica",tipica di ciascun carbone e a temperatura tanto più elevata quanto più evoluto è il carbone, alla quale è associato lo sviluppo di sostanze liquide a temperatura ambiente, accompagnate da gas (catrame, altri prodotti pesanti, idrocarburi aromatici, fenoli, ecc). La quantità di sostanze pesanti sviluppate passa per un massimo e cessa verso i 550°C, per quasi tu:ti i carboni. A partire da questo livello termico si intensifica la liberazione di gas e principalmente di idrogeno che mostra un massimo a circa 700°C per poi svanire quasi completamente a 1000­1100 °C Ponendo attenzione alla fase solida si può osservare che tra I 350­500°C si ha la fusione del carbone seguita a più alte temperature da un processo di risolidificazione che dà luogo ad un residuo (denominato semicoke o coke, a seconda della temperatura finale raggiunta) che può considerarsi il prodotto solido della cokefazione. Alla quantità di gas e di materie bituminose, sviluppata dal carbone durante il riscaldamento e misurata secondo modalità normalizzate alla temperatura di 915°C, viene dato il nome di "materie volatili”
48 lI loro contenuto, riferito al peso secco di carbone depurato dalle ceneri, varia con il rango dei carboni: per i meno evoluti si aggira sul livello di circa il 50% e tende a decrescere per i più evoluti cui corrisponde un livello di circa 0.4%. La fusione del carbone e lo sviluppo delle materie volatili hanno una grande importanza pratica perché sono all'origine dell'agglomerazione e rigonfiamento dei carboni e della formazione del coke. Questo si presenta pulverulento, agglomerato e più o meno spugnoso a seconda dell'importanza delle materie volatili e della fluidità dei carboni nel corso della fusione. Si può tuttavia osservare che non tutti i carboni sono fusibili. I carboni non fusibili non danno alcuna indicazione di fluidità e di dilatazione. Per converso i fusibili presentano differenti livelli di fluidità e dilatazione. II limiti di fusibilità dei carboni si situano verso il 14/16 % di materie volatili dalla parte dei carboni evoluti (antraciti e carboni magri sono inerti in questo particolare senso) e verso il 35 + 40% dalla parte dei carboni poco evoluti (ligniti e carboni a lunga fiamma secchi non fondono più). All’interno di tale campo i carboni (COKING COALS) fondono e sono caratterizzati da un più o meno elevato indice di rigonfiamento. Si ha in generale una buona relazione tra l'attitudine di un carbone al rigonfiamento ed il suo potere agglomerante. Questa attitudine passa per un massimo per i carboni con 22/26% di materie volatili. I carboni con un tenore di materie volatili nell'intorno di tale campo costituiscono i cosiddetti carboni da coke (coking coals) per distinguerli da quelli normalmente impiegati per scopi energetici. Le considerazioni svolte consentono di introdurre le principali determinazioni impiegate per caratterizzare un carbone da coke. Esse sono:
·
l'analisi immediata (percentuali di umidità, materie volatili e ceneri)
·
l'analisi elementare (percentuali di C,H,N,S)
·
­composizione chimica delle ceneri
·
­il potere calorifero
·
l'indice di rigonfiamento libero
·
la fluidità
49 ·
la dilatazione I primi quattro parametri individuano l’aspetto chimico più elementare dei carboni che peraltro , in relazione alle condizioni di origine e al rango, presentano complesse strutture organiche di difficile determinazione. Il gruppo del ultime tre e si rivela molto utile per definire le proprietà agglomeranti e cokeficanti dei singoli carboni o delle loro miscele. E' frequente il caso che un carbone commercialmente definito singolo sia invece costituito da più componenti. Ciò comporta spesso serie difficoltà di interpretazione del suo comportamento. Un importante ausilio a questo riguardo viene dalla determinazione delle caratteristiche petrografiche ottenute dall'analisi al microscopio ottico. In analogia con le rocce inorganiche che sono costituite da una serie di minerali, i carboni, rocce organiche, presentano alI'osservazione microscopica una serie di componenti detti "macerali". Il gruppo principale è quello della vitrinite costituendo il 60 + 80% dei macerati presenti in un carbone. Tralasciando di affrontare il problema della individuazione qualitativa dei singoli macerali e della determinazione della loro composizione percentuale, appare opportuno qui rilevare che la caratteristica petrografica di più corrente uso è quella che si riferisce alle misure di riflettenza della vetrinite. Queste misure consentono infatti di determinare il rango di un carbone esistendo una correlazione fra il rango e il potere riflettente eventuale. L' impianto e il processo I carboni fossili fini (<6 mm) o in pezzatura ( > 6 mm) stoccati nei parchi primari subiscono prima della cokefazione un trattamento preliminare che comprende la macinazione in mulini a martelli per ridurre la dimensione granulometrica a livelli ~ 3 mm e la miscelazione dei differenti costituenti. Per la distillazione della miscela si impiegano oggi le batterie dei forni a coke. Esse sono costituite da gruppi o camere orizzontali, raggruppate in numero variabile in funzione della capacità dell'impianto, ma generalmente comprese fra 30 e 70 celle (larghe 300 + 500 mm, alte da 3 a 7,5 m, e lunghe 10 + 17 m) e separate con pareti di refrattario da camere di riscaldamento o piedritti ove circolano fumi di combustione prodotti da bruciatori a gas. La massa di refrattario è composta di silice e riscaldata fino ad una temperatura dell'ordine di 1250 + 1350°C.
50
Le celle sono chiuse alle due estremità trasversali da porte in acciaio a tenuta stagna e rivestite all'interno di refrattario. Al di sotto delle celle si trovano i rigeneratori, impilaggi di mattoni alternativamente riscaldati dai fumi o riscaldanti l’aria di combustione. Nei forni del tipo bipartito (vedi Fig. 4) i piedritti sono suddivisi, a mezzo di opportuna parete di divisione, in due gruppi: ­montanti, ove si sviluppa la fiamma, ­discendenti, che raccolgono i fumi di combustione provenienti dai primi e li evacuano verso i rigeneratori. Attraverso un gioco di inversione i semipiedritti sono alternativamente montanti e discendenti Poiché i carboni esposti all'azione ossidante del l'aria subiscono un processo di invecchiamento che deteriora le proprietà cokeficanti,si evitano lunghi periodi di soggiorno all'ambiente, programmando l'elaborazione di quelli già suscettibili al­ l'ossidazione in tempi più vicini possibile alla data di arrivo in stabilimento. Nella parte superiore la cella possiede uno o due uscite per permettere l'espulsione del gas di distillazione che si produce durante la cokefazione. Un collettore (bariletto) raccoglie il gas della batteria e lo invia agli impianti di trattamento chimico per la produzione dei sottoprodotti. La Cokefazione è un processo discontinuo: la miscela di carica fresca è infornata, con apposita macchina detta caricatrice, nelle celle. Qui cokifica nel corso di un intervallo di tempo variabile a seconda della temperatura di cottura, della larghezza del forno, delle caratteristiche desiderate del coke. Normalmente si impiegano da 14 a 20 ore. Il coke ad alta temperatura viene scaricato mediante apposita macchina,detta sfornatrice, situata dalla parte opposta allo scarico. Essa è munita di un braccio (asta sfornatrice) in grado di coprire tutta la sezione della cella e di penetrare al suo interno costringendo la massa del coke a cadere su un carro mobile. Il coke ancora incandescente viene sottoposto ad un'operazione di spegnimento, normalmente ad umido, che consiste nel posizionare il carro sotto una torre dove getti di acqua opportunamente dosati vengono spruzzati sul coke per raffreddarlo al di sotto del rischio di riaccensione, senza per altro provocare tassi eccessivi di umidità.
51 Dall' istante di caricamento dei carboni nella cella si ha una continua evoluzione delle temperature all'interno della cella stessa, con la formazione di una "zona plastica" corrispondente alla temperatura della soglia termica critica alla quale I carboni fondono Detta zona è la sede della formazione e liberazione dei prodotti volatili più pesanti che tendono a gonfiarla riempiendo i vuoti e formando una fase omogenea che dopo risolidificazione dà il semicoke. All'interno della zona plastica si trova il carbone in fase di essiccamento e riscaldamento . all'esterno il semicoke. Questo. soggetto ad una temperatura crescente. continua a sviluppare le materie volatili dando luogo ad una contrazione che in genere si accompagna alla formazione del coke propriamente detto. Nel corso della cottura si ha lo spostamento dei due strati plastici verso il centro della cella . Allorché essi tendono a confondersi ed a sparire, lasciando che anche sull'asse della cella si sia giunti alla formazione del coke, ha luogo la fine della cokefazione. La produttività dei forni a coke è fortemente influenzata dalle caratteristiche della miscela e dalle condizioni operative dell'impianto Merita di sottolineare che la densità di carica nelle celle ed il regime termico del processo giocano un ruolo fondamentale influenzando gli scambi termici ed i tempi necessari alla cottura.
52 Schema del forno biripartito Schema del processo di cokefazione
53 In questi ultimi anni si stanno sviluppando nuove tecniche per aumentare la densità di carica ed allargare il campo dei carboni impiegabili, quali ad esempio quelle che si riferiscono alla compattazione e al riscaldo della miscela da infornare nonché alla bricchettazione parziale dei carboni, alle quali tuttavia non potremo dedicare qui particolare attenzione. Caratteristiche del coke per altoforno Le ­funzioni del coke in altoforno, che si riferiscono allo sviluppo del calore necessario al fabbisogno termico ed alla necessità di assicurare una.sufficiente permeabilità alla colonna di carica, condizionano una serie di requisiti di qualità che abbracciano aspetti di natura chimica,fisica e tecnologica. Se si prescinde dal contenuto di materiali: volatili che deve essere il più basso possibile ad indicare un grado sufficiente di cottura, alla primaria funzione di combustibile deve essere ricondotta l'esigenza di privilegiare il coke con bassa umidità, alto contenuto di Carbonio fisso e limitato contenuto di ceneri. Si mira in tal modo infatti a contenere i fabbisogni termici del processo connessi alla disidratazione ed alla fusione di materiale inerte. Ove poi si consideri che nell'analisi immediata il carbonio fisso è calcolato per differenza a 100 del contenuto di materiali volatili, di ceneri e di zolfo, tendere al più alto livello di carbonio significa preferire coke a contenuto di zolfo più basso possibile e soddisfare un obiettivo metallurgico di primario interesse dato il carattere di elemento nero dello zolfo in siderurgia Nel quadro delle caratteristiche fisiche, particolare interesse è rivolto alla granulometria del coke, che non deve contenere significative quantità di frazioni fini né presentare uno spettro particolarmente allargato. Questo obiettivo, che si ottiene con operazioni di condizionamento che prevedono vagliature e frantumazioni, risponde ad esigenze di carattere fluodinamico tendenti a contenere le perdite di carico in altoforno . Se é pratica normale usare in altoforno coke di pezzatura tra i 25 e I 70 mm si tende per le più grandi unità a spostare verso livelli maggiori il limite granulmetrico inferiore. Il trasporto del coke dalla cokeria all'altoforno, Il caricamento e la permanenza in forno, comportano, nella pratica corrente, una serie di sollecitazioni meccaniche,
54 dovute a cadute da altezze talvolta notevoli e alla abrasione dei singoli pezzi con conseguente produzione di fini. A tale produzione, che è tanto più alta quanto meno resistente é il coke, fa riscontro, da una parte la riduzione della resa di coke utile per altoforno, dall'altra un forte deterioramento della permeabilità del processo. La valutazione della resistenza meccanica a freddo del coke è stata oggetto, già da molto tempo, di studi che hanno permesso di definir le procedure per la sua determinazione e le specifiche per il coke. I criteri oggi più usati per misurarla consistono nell'adozione di un tamburo rotante, a velocità costante (25 giri/min) (Tamburo Micum), nel quale un determinata massa di coke ( 50 Kg) di data granulometria ( > 60 mm) viene introdotto e mantenuto per un numero totale di giri 100 oppure 500. Dopo trattamento il coke viene scaricato e vagliato con vagli a maglie tonde da 40, 20 e 10 mm. Si definiscono così i 4 indici più usati:
·
M40 e M10, che indicano rispettivamente la frazione maggiore di 40mm, e minore di 10 mm nel caso di 100 giri
·
I20 e I10 che analogamente sono rappresentative della frazione > di 20 mm e < 10mm nel caso di 500 giri. Nonostante le specifiche varino da stabilimento a stabilimento , si può tuttavia ritenere che un buon coke debba avere: M40 > 75+80% M10 < 7+8% associato a I20 >80% I10<18% La degradazione granulometrica del coke non è dovuta esclusivamente ai fattori di trasporto esterni a:l'altoforno, ma anche ai seguenti fenomeni inerenti alle condizioni interne al processo: quali l'attacco chimico dovuto all'azione di gas contenenti CO2 ed H20, lo shock termico per elevati gradienti di temperatura ed infine l'abrasione a caldo in presenza di forti compressioni dovute al peso della carica sovrastante. Per caratterizzare il comportamento del coke caldo ed in atmosfera chimicamente aggressiva sono stati messi a punto differenti metodi tesi a stimare la cosiddetta reattività del coke,cioè la sua tendenza a gassificare per effetto della reazione
55 CO2 + Cà 2CO in un campo di temperatura compreso tra 1000 e 1200 °C. Alla gassificazione, che, secondo molti autori,risulta essere catalizzata dalla presenza di alcali quali potassio e sodio, si accompagna una significativa riduzione della resistenza meccanica per l’indebolimento delle pareti del coke (spessore tra I fori del coke)ed un aumento della sua porosità . Per tali considerazioni un coke d'altoforno caratterizzato da bassa reattività sembra essere quello che meglio assicura una buona permeabilità del processo. 4.2 Pr incipali pr oblematiche: Le principali problematiche del processo di agglomerazione sono riconducibili a a) elevati costi fissi nella realizzazione di cokerie che determinano ingenti investimenti e fanno si che il coke sia una delle principali voci di costo della siderurgia primaria b) grande impatto ambientale: l’impianto di produzione coke si colloca al primo posto tra gli impianti siderurgici per emissioni inquinanti c) obsolescenza degli impianti. Visto l’elevato costo fisso i gestori tendono a sfruttare al massimo le cokerie esistenti. 4.3 Linee di sviluppo tecnologico: Le linee di sviluppo della tecnologia tradizionale riguardano soprattutto interventi finalizzati a: a) allungare la vita utile dell’impianto: attività di manutenzione ordinaria e straordinaria per spingere la campagna di un impianto a 40 anni b) aumentare della produttività: più stretti controlli nella qualità delle miscele e della densità della carica. c) automatizzare il processo: le fasi di posizionamento, controllo carica e combustione, possono avvenire in maniera automatizzata al fine di ridurre
56 l’utilizzo di manodopera in campo: Inoltre l’utilizzo di sistemi esperti consente l’ottimizzazione delle sequenze di carica d) adottare dispositivi atti a diminuire l’impatto ecologico: depolverazione al caricamento e captazione fumi allo sfornamento, utilizzo di porte con maggior efficienza di tenuta. e) eliminare con più efficaci dispositivi di desolforazione e denaftalizzazione nell’area sottoprodotti gli elementi corrosivi dal ciclo del gas di cokeria. 4.4 Analisi delle emissioni in atmosfer a, della contaminazione delle acque, e della pr oduzione di r ifiuti solidi Nelle tabelle che seguono vengono riassunti schematicamente tutti i flussi di massa che interessano una cokeria compresi gli inquinanti che troviamo in output:
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59
E’ possibile sintetizzare le differenti emissioni in: 1. Emissioni gassose: §
durante la fase di trasporto e stoccaggio del carbone §
durante operazioni di batteria (carica del carbone , riscaldo e accensione, cokefazione, sfornamento, spegnimento del coke) §
manipolazione, vagliatura e trasporto del coke §
raccolta e trattamento del gas di cokeria (COG) con recupero dei sottoprodotti 2. Emissioni in acqua: §
emissioni a flusso continuo §
emissioni a flusso discontinuo 3. Inquinamento del suolo: 4. Richiesta di energia 4.4.1 Emissioni gassose:
4.4.1.1 fase di trasporto e stoccaggio del carbone La manipolazione del carbone avviene secondo i seguenti passaggi, che danno luogo ad emissioni di polveri amplificate dal fattore vento:
·
scarico del carbone da nave a parco;
·
stoccaggio del carbone. Una ulteriore fonte di inquinamento delle falde acquifere é rappresentato dalla percolazione delle acque piovane.
·
trasporto del carbone a mezzo nastri
·
preparazione del carbone: operazioni di miscelazione e macinazione
·
carico della torre carbone
60 ·
carico della macchina caricatrice 4.4.1.2 operazioni di batteria caricamento del carbone: esistono svariate tecniche per il caricamento dei forni a coke con carbone in polvere ( 70­80% < 3mm) attraverso i fori di carica. Usualmente si utilizzano macchine caricatrici a gravità. Indipendentemente dal sistema utilizzato occorre controllare il flusso del carbone, in modo da garantire un caricamento privo di emissioni. Elemento essenziale per minimizzare queste emissioni é la geometria dei fori di carica. riscaldamento delle celle Al fine di migliorare il rendimento energetico, al di sotto delle celle di cokefazione si trovano dei rigeneratori, impilaggi di refrattario che scambiano calore dai gas di scarico con l’aria comburente o con il gas AFO. La figura seguente riporta uno schema del sistema di riscaldo di un forno a coke con evidenziati i punti di emissione: se i piedritti non sono completamente integri privi di fratture (peraltro frequenti in questi casi) può accadere che il gas di cokeria si misceli a quello di scarico e venga quindi emesso a camino
61
Schema delle possibili emissioni durante la fase di riscaldo delle celle cokefazione il processo di cokefazione inizia immediatamente dopo il caricamento, con produzione di gas ed evaporazione del contenuto di umidità che si aggira sul 8­ 10%. Il COG viene aspirato in condotti verticali ed inviato al collettore principale.
62 Grazie al suo elevato potere calorifico, viene utilizzato come combustibile, dopo una opportuna purificazione .Il carbone rimane all’interno dei forni fino a che ha raggiunto i 1000­1100 °C. A seconda della larghezza delle celle e delle condizioni di riscaldamento, il processo può durare dalle 14 alle 24 H. La figura seguente mostra le principali sorgenti di emissione durante la cokefazione: emissioni dalle porte, dai fori di carica, dalle tubazioni di raccolta COG, ed in caso di fratture nelle pareti emissioni di COG attraverso i gas di riscaldamento.
63 Schema delle possibili emissioni durante la fase di cokefazione sfornamento e spegnimento del coke. Il coke viene estratto dei forni e caricato sulla Transfert car per mezzo di una macchina sfornatrice. Il contatto con l’ossigeno atmosferico determina una immediata accensione del coke che inizia a bruciare. Per arrestare questo processo, la transfert car si sposta velocemente sotto la torre di spegnimento ove il coke viene investito da un ‘enorme massa d’acqua. Nella figura seguente sono indicate tutte le sorgenti emissive durante questa fase
64 Schema delle possibili emissioni durante la fase di sfornamento Tutte le suddette emissioni possono essere eliminate adottando un processo di spegnimento a secco. 4.4.1.3
manipolazione, vagliatura e trasporto del coke Dopo lo spegnimento il coke viene trasportato a mezzo nastro, verso gli impianti di macinatura e vagliatura; la frazione più piccola (<20 mm) viene solitamente inviata all’impianto di agglomerazione, mentre quella più grossolana (20 –70 mm) viene inviata all’altoforno. Durante queste fasi é frequente un emissione di polvere. 1000 Kg di carbone producono 750/800 Kg di coke e 325 Nm 3 di COG.
65 4.4.1.4
raccolta e trattamento del gas di cokeria (COG) con
recupero dei sottoprodotti Il gas di cokeria ha un potere calorifico relativamente elevato grazie alla presenza di idrogeno, metano, CO, ed idrocarburi. Inoltre esso contiene composti di valore recuperabili quali catrame, oli leggeri (BTX; benzene toluene, xilene), zolfo e ammoniaca. composizione di un comune gas di cokeria non depurato Produzione densità H2 CH4 CXHY CO H2S BTX m /h/t coal kg/Nm 3 Vol % Vol % Vol % Vol % g/Nm 3 g/Nm 3 12/25 0.53/0.62 39/50 32/42 7/8.5 4/6.5 6.5/8.3 23/30 di COG 3 Catrame e naftalina devono essere rimossi per primi poiché possono intasare le tubazioni; Per ogni tonnellata di coke prodotto si riescono a recuperare circa 40 kg di catrame dal quale si ricavano olio d’antracene, olio leggero, e naftalene. I composti solforati e l’ammoniaca, causano corrosione dei condotti e generano emissioni di SO2. Per ogni tonnellata di coke prodotto si producono 3 kg di ammoniaca e 2.5 kg di H2S e 15 kg di olio leggero. Nelle due tabelle successive sono schematizzate le emissioni in atmosfera relative ai principali composti inquinanti ed alle varie fasi del processo sopra descritte
66 67
68
4.4.2
Emissioni in acqua
4.4.2.1
emissioni a flusso continuo Acqua di scarico dalla cokeria Dopo la rimozione della ammoniaca per distillazione il refluo acquoso contiene molti inquinanti organici (fenoli) ed inorganici (cianuri, e residui ammoniacali) a causa dell’elevata contaminazione esso deve essere depurato in opportuni impianti di trattamento a fanghi attivi. La composizione di tale acqua di scarico varia considerevolmente da impianto ad impianto; nella tabella seguente sono indicati alcuni valori di riferimento.
69 Acqua di scarico da processi di desolforazione per ossidazione a umido Questo tipo di reflui deve essere trattato in impianti di trattamento non biologici a causa della loro composizione che é riassunta nella successiva tabella acqua di raffreddamento Normalmente vi é un marcato utilizzo di acqua di raffreddamento indiretto nelle fasi di trattamento del COG. Tale acqua di raffreddamento fa parte di circuiti chiusi con un consumo di acqua di reintegra pari a circa 10 m 3 /h a causa di perdite per evaporazione o spurgo. 4.4.2.2 emissioni a flusso discontinuo Spegnimento del coke le operazioni di spegnimento, se non é previsto un sistema di raccolta dell’acqua non evaporata possono generare enormi flussi di acqua di scarico.
70 Solitamente si riutilizza per successive docce l’acqua raccolta negli spegnimenti precedenti. 4.4.3
Inquinamento del suolo Negli impianti di trattamento gas il catrame il catrame ed altri composti organici (BTX) sono recuperati dal COG. Perdite e spillaggi di questi composti possono causare inquinamento del suolo. Possibili misure per evitare tali contaminazione sono:
·
minimizzare il numero di flange
·
garantire anche nel tempo l’ispezionabilità di tubi e flange 4.4.4
richiesta di energia La tabella seguente riporta il fabbisogno energetico di una cokeria senza considerare il trattamento del gas di cokeria. Inoltre il bilancio energetico tra i flussi di energia in entrata e quelli in uscita mostra una considerevole perdita di energia stimabile intorno a 0.3 GJ/t coke. Grazie alla produzione di COG la cokeria gioca un importante ruolo nella produzione e gestione dell’energia in un impianto a ciclo integrato.
71 4.5 Miglior i tecniche disponibili Ragioni a favore dello sviluppo Tipo Descrizione Miglioramenti ambientali Applicabilità Effetti correlati Impianti di riferimento Aspetto economico della metodologia Tecniche inerenti il processo Garantire alla cokeria un regime di funzionamento costante e privo Una significativa parte delle emissioni é transitori è la più importante tecniche per minimizzare i rischi determinata da trafilamenti di gas tra le ambientali. Le alte fluttuazioni di temperatura che si registrano camera di riscaldo ed i forni oppure da Regime di In ogni impianto si funzionamento tenta di realizzare durante i transitori determinano infatti shock termici sulle murature deformazioni termiche indotte nel sistema E’ una tecnica applicabile sia a costanti e Nessuno effetto collaterale. refrattarie aumentando le possibilità di perdita di tenuta e di chiusura delle porte, condizioni abbassando l’efficienza dell’impianto.Prerequisito essenziale per operative di regime stazionario possono marce costanti è la dotazione dell’impianto di macchine ad elevata evitare tali emissioni ed allungare la vita condizioni di marcia impianti esistenti sia ai nuovi. permanenti privi costanti e non affette di fluttuazioni da transitori. affidabilità che possano inoltre garantire alta produttività utile dell’impianto La manutenzione all’impianto deve essere continua e pianificata secondo un sistematico programma eseguita da personale Il costo relativo al appositamente formato. Tale programma oltre a prevedere la personale esperto Manutenzione quotidiana verifica dei sistemi di tiranterie, consiste in una completa Si evitano le rotture nella muratura sistematica e manutenzione da condursi su ogni singola cella ogni 3 anni che refrattaria responsabili dei trafilamenti di Applicabile ad ogni impianto, utilizzato in Si garantisce un Cokeria di Sidmar manutenzione è elevato funzionamento più regolare Gent Belgio dal 1986 (1.5 ECU/t coke), ma possibile e si aumenta la vita ampliamente compensato dell’impianto Nessuno effetto collaterale. continua all’impianto dura circa una settimana. Durante questo periodo si effettuano tutte gas, le perdite dalle porte e l’emissioni di le riparazioni con iniezione di malta sulla suola del camera di nuovo od esistente. fumo nero a camino distillazione, revisione completa delle superfici di tenuta, pulizia e dalla maggiore smontaggio completo delle porte con eventuale rifacimento della produttività che si ottiene tamponatura refrattaria. La tenuta delle porte delle celle è un problema essenziale per evitare le emissioni in aria. Due sono le misure per minimizzare questo effetto: 1) utilizzo di porte di nuova concezione con guarnizione Cokeria 1 Hoogovens I valori di emissioni con questa nuova Migliorie sulle flessibili precaricate a molla Applicabile ad impianti nuovi ed, Ijmuiden Olanda tipologia di porte sono sensibilmente porte e sui telai 2) con maggiori difficoltà anche su Attenta pulizia della porta e delle telaio ad ogni Nessuno effetto collaterale Cokeria Huttenwerke inferiori a quelle degli impianti dotati di di tenuta. impianti esistenti. sfornamento Krupp, Huckingen porte tradizionali. Questa nuova tipologia di porte è però indicata a grandi cokerie , Germania per impianti con celle alte meno di 5 m le usuali porte con coltelli di tenuta se opportunamente mantenute, possono comunque evitare le emissioni. 72 Non disponibile Abbattimento emissioni
Il calore per il processo di distillazione é fornito dalla combustione di un combustibile gassoso nel piedritto e trasferito nella camera di distillazione per conduzione dalle pareti. I principali agenti inquinanti sono:
Cokeria Huttenwerke Per impianti privi di dispositivi di ricircolo ·
NOx generazione condizionata dalla alta temperatura di fiamma, Krupp, Huckingen o bruciatori multi step aria, i valori di NOx Riduzione delle Efficacissimo abbattimento per ottenere una combustione a fiamma “fredda” si utilizza: emissioni Germania più bassi registrati vanno dai 700 ai 1800 a) Ricircolo dei gas di scarico che vengono mischiati all’aria durante la fase di delle emissioni NOx e SO2 Applicabile solo a nuovi impianti Nessun effetto collaterale Cokeria Prosper Non disponibile g/tcoke, nei moderni impianti con ricircolo che consente di rientrare nelle Bottrop Germania comburente ed al combustibile il valore delle emissioni scende a 100 combustione disposizioni di legge b) iniezione dell’aria di combustione a più step Cokeria Lucchini g/tcoke c) Temperatura di distillazione più bassa (minore produttività)
·
Piombino Italia SO2 e particolato: strettamente legato alla percentuale di SO2 del combustibile, che può variare, in funzione dell’efficienza di desolforazione del COG, da 50 a 1000 mg/Nm3. I sistemi di raffreddamento a secco consentono da un alto di eliminare quasi totalmente le emissioni e dall’altro il recupero del Elevatissimi costi fissi calor sensibile del coke attraverso la generazione di vapore utilizzato poi per la produzione di energia 110 MECU per un Lo schema di processo è riportato in figura successiva, Il coke, impianto di 2 Mt/y , circa sfornato viene raccolto sul carro trasferitore in una cesta 10 volte maggiori di un raccoglitrice, e portato ai piedi della torre di spegnimento. Un impianto tradizionale ad sistema di sollevamento carica la cesta sulla cima della torre. In Minimizza le emissioni di polvere,CO, H2S umido. Thyssen Stahl questa posizione il coke viene scaricato nelle sottostanti condotti di Emissioni di polveri nella fase di (acido solfidrico), consente notevoli I costi operativi sono di Ragioni ambientali e di Duisburg D Spegnimento a spegnimento a tenuta stagna, ove durante la sua discesa viene recuperi energetici. Si produce infatti per Applicabile ad ogni impianto, trasporto del coke ormai circa 7­8 €//t coke mentre recupero energetico in paesi in Kokei Kaiserstuhl secco del coke fatto lambire in contro corrente da un gas inerte che ne determina il una tonnellata di coke 0.5 tonnellate di nuovo od esistente raffreddato , consumo elettrico il guadagno indotto dalla cui il costo dell’energia é produzione di energia é elevato (Giappone)
Dortmunt D raffreddamento da 1000 °C a 200 °C.. Il gas inerte (76% N + CO+ dei ventilatori di processo vapore a pressione di 40 bar e Raahe Stell Raahe FIN CO2+ O) entra nella parte inferiore della camera di spegnimento ad strettamente legato al temperatura 440 °C equivalenti a 1.5GJ una temperatura di 175°C, per uscirne a circa 800 °C, viene costo energetico del convogliato in una camera detta di DROPOUT ove vengono paese (in Germania separati i residui di coke, e successivamente viene fatto fluire in un 7/8ECU /coke) e può far particolare scambiatore di calore, ove raffreddandosi in un circuito si che il processo sia chiuso, determina la generazione di vapore. I gas così raffreddato antieconomico. a temperatura di 200 °C viene ulteriormente depurato con un sistema a ciclone, e fatto ricircolare da un ventilatore di processo. 73 Cokeria Huttenwerke Lo sviluppo di cokerie con celle più alte e più larghe ha due benefici:
Se le tenute e le porte sono Krupp, Huckingen Aumento della ·
diminuisce a parità di produzione il numero degli sfornamenti efficacemente manutenute si può pensare Germania larghezza ed /giorno
che la diminuzione delle perdite per le murature refrattarie sono Applicabile solo a nuovi impianti altezza delle ·
riduce la lunghezza delle superfici di tenuta trafilamento sia proporzionale alla Kokei Kaiserstuhl soggette a maggiori sollecitazioni Dortmunt D celle La tabella successiva fornisce una panoramica delle dimensioni diminuzione della lunghezza delle Cokeria Prosper N3 caratteristiche degli impianti superfici di tenuta Bottrop Germania 74 Non disponibile Ragioni ambientali
Impianti di Tipo Descrizione Livelli d’emissione ottenuti Applicabilità Effetti correlati Ragioni che spingono allo Aspetto economico riferimento sviluppo della metodologia Tecniche di trattamento fumi Questa operazione viene solitamente realizzata da macchine caricatrici “a Caricamento smokeless: gravità”; le tecniche utilizzate sono di tre diversi tipi: Coke oven 2, Hoogovens Carica senza fumo “ smokeless” :utilizza tenute a gas fra le bocche di Ijmuiden, NL Minimizzazione carica e la macchina caricatrice. Vengono caricati simultaneamente Il tempo di emissione durante la fase di carica Si riescono a ridurre le emissioni delle emissioni quattro fori in un tempo molto breve e un’iniezione di vapore o acqua nel può essere ridotto fino a 10­30 secondi di Sistemi applicabili anche ad impianti durante la fase di carica sia in durante la carica collo d’oca del tubo ascensionale determina un’opportuna depressione. emissione “visibile”. Il parametro determinante esistenti. termini di concentrazione di polvere Caricamento a maniche telescopiche: Non disponibile Limiti sulle emissioni di polveri. N.D. Limiti sulle emissioni Coke oven 1 NSC, Chiba dei forni Caricamento con maniche telescopiche:sistema a carica simultanea dei è la sovrapressione presente nel forno. che in termini di durata. Works, Jap. quattro fori, che sfrutta una connessione telescopica che permette di Coke oven 1 Hoogovens aspirare i gas durante la fase di carica. Essi vengono poi bruciati, inviati ad Ijmuiden, NL un collettore principale e ad un sistema di depolverazione. Durante il periodo di cokefazione possono accadere emissioni diffuse di gas dalle aperture del forno, che possono essere minimizzate sigillando Sigillatura dei tubi opportunamente queste aperture dopo le fasi di caricamento e Le tenute ad acqua sui tubi ascensionali Le tenute ad acqua generano Molti impianti nel mondo un’acqua di scarico che deve essere adottano tali opportunamente trattata. accorgimenti. Sistema applicabile con più efficacia ascensionali e dei sfornamento. permettono di ridurre le emissioni di CO, ad impianti nuovi. fori di carica Un esempio di questo tipo di sigillature è rappresentato dalle tenute ad idrocarburi e polveri in maniera significativa. acqua che possono essere realizzate sui portelli dei tubi ascensionali del forno. Durante la fase di spegnimento ad umido del coke si genera una forte Sistema di minimizzazione evaporazione di acqua che trascina con sé una elevata quantità di polveri raccolte dal letto di coke investito dalla massa di acqua di spegnimento. Con una torre di spegnimento adeguatamente Molti impianti nel mondo Un aumento del consumo energetico delle emissioni Inoltre si genera un pennacchio bianco di grandi proporzioni che ha un progettata si riescono ad abbattere le emissioni Sistema applicabile con più efficacia adottano torri di per i sistemi di nebulizzazione durante lo elevato impatto psicologico sulla popolazione. Per minimizzare l’emissione di polveri da 400 g di polveri/t di coke a meno ad impianti nuovi. coke di polveri occorre progettare adeguatamente la torre di spegnimento, di 25. spegnimento dotate dei riempimento a separatori lamellari. 75 impone misure restrittive da parte torri nuove sono significativi. sistemi descritti. dotandola di sistemi di abbattimento polveri ad umido e di un sistema di pennacchi generati in questa fase esistenti o di erezione di d’acqua. spegnimento del L’elevato impatto psicologico dei I costi di revamping di torri delle autorità locali.
La desolforazione del COG viene solitamente effettuata per ragioni commerciali; specialmente in quegli impianti dotati di un numero elevato di cokerie che generano quindi quantità di COG in surplus rispetto al fabbisogno dell’impianto siderurgico, il gas viene venduto all’esterno come combustibile. Per poter essere venduto però, occorre ridurne il contenuto Desolforazione del 3 di H2S (che arriva a 8 g/Nm ). Solitamente la desolforazione può essere Processi di ossidazione ad umido: Efficienza sino al 99.9% che corrisponde a contenuti Gli impianti che utilizzano 3 residui di H2S nel COG inferiori a 1mg/Nm Si generano dei flussi di acqua i differenti tipi di tecniche contaminata che va opportunamente di desolforazione sono trattata elencati nella medesima Sistema applicabili sia ad impianti Processi ad assorbimento: COG nuovi che esistenti. eseguita secondo due differenti processi: ­ processi di ossidazione ad umido per la produzione di S elementare – processi ad assorbimento di H2S e successiva conversione ad H2SO4 Efficienza sino al 95% che corrisponde a contenuti residui di H2S nel COG fra i tabella 3 500/1000mg/Nm Nella tabella della pagina successiva sono schematicamente i vari tipi di processi utilizzati, appartenenti alle due succitate categorie. 76 I costi di erezione ed Come detto, sono ragioni esercizio di alcuni impianti economiche, legate alla sono riportati nella tabella possibilità di commercializzare il alle pagine successive. COG dopo i descritti trattamenti
Schema dell’impianto di spegnimento a secco Tabella riassuntiva delle dimensioni caratteristiche di vari tipi di cokeria
77 Sigillatura dei tubi ascensionali e dei fori di carica:
78 Sistema di riduzione delle emissioni durante la fase di spegnimento ad umido:
79 Desolforazione del gas COG: Confronto fra i differenti processi: ossidazione ad umido/processi di assorbimento
80 Impianti di riferimento per le due famiglie di processi di desolforazione: Confronto economico fra differenti processi:
81 Bibliografia essenziale “Processi siderurgici: la fabbricazione della ghisa e dell’acciaio” di Giuseppe Violi Etas Libri, cap 4 “Integrated Pollution, Prevention and Control, IPPC: Draft Reference Document on best available techniques in the iron and steel industry” Institute for Prospective Technological Studies IPTS. Cap 6 pag 99­156. “Aggiornamenti sulla tecnologia dell’altoforno­ i carboni e la produzione del coke” pubblicazione aziendale SMS Demag ITALIMPIANTI gennaio 2000 Dipartimento mantenimento e capitalizzazione del know how “Manufacture of metallurgical coke and recovery of coal chemicals” di J.L: SUNDHOLM, H.S. VALIA,F.J.KIESSLING 1999 the AISE Steel Foundation “L’evoluzione della tecnologia negli impianti siderurgici” di DE MARCHI, GRATTAROLA pubblicazione aziendale SMS Demag ITALIMPIANTI del settembre 1993
82 5. L’altoforno 5.1 Br eve descr izione dell’impianto e del pr ocesso L’altoforno é il punto focale di uno stabilimento a ciclo intergrato. La sua primaria funzione é quella di produrre metallo liquido partendo da materiali solidi, sfruttando l’energia del coke. Il gas di bocca, sottoprodotto del sistema, rende disponibile elevate portate di energia residua, sia in forma chimica sia termica e meccanica (potere calorifico 800 kcal/Nm 3 , temperatura T=250°C e pressione 1.5bar), virtuosamente utilizzata all’interno dello stabilimento. L’altoforno é un forno a tino dal particolare profilo costituito di due tratti tronco conici uniti in corrispondenza della loro base maggiore da una zona cilindrica detta ventre. La parte troncoconica superiore è detta tino, mentre la parte troncoconica convergente verso il basso è denominata sacca. La sacca è raccordata inferiormente ad un tratto cilindrico, il crogiolo, destinato a raccogliere la ghisa prodotta e la scoria. Il forno è costituito da armature e fasciame di sostegno in carpenteria metallica, con rivestimento in refrattario raffreddato ad acqua (cassette, piastre) nelle zone termicamente più sollecitate. Nella parte alta del forno, si trovano le apparecchiare per la carica dei materiali, per la tenuta, per la captazione ed il convogliamento dei gas che fluiscono dalla bocca. Nella parte compresa tra la sacca e il crogiolo sono posizionati degli ugelli (tubiere), attraverso i quali si insuffla aria comburente preriscaldata. Nella parte bassa del crogiolo sono presenti uno o più fori di colata da cui sono spillati ad intervalli regolari il metallo (ghisa) e la scoria (loppa). La carica é costituita da minerale ferrifero (agglomerato, ­pellets, minerale pezzatura), dal combustibile (coke) e dai fondenti (dolomite calcare, quarzite). Durante la marcia si ha il graduale movimento delle materie solide verso il basso controcorrente con un flusso gassoso proveniente dalla zona di combustione. La discesa della carica avviene in circa 6 ore, l'efflusso del gas riducente in. una decina di secondi. Le trasformazioni dei materiali, nella loro discesa dalla bocca
83 al crogiolo, possono essere descritte in accordo alle zone di temperatura nelle quali hanno luogo secondo il seguente schema:
·
I Zona ­Essiccamento e preriscaldo. Nella zona che comprende l'intervallo di temperatura da 20°C a 400°C non avvengono reazioni chimiche, ma solo processi fisici di de­umidificazione. Il materiale di carica incontra il gas caldo che ha finito di reagire nella parte inferiore del forno e scaldandosi cede per evaporazione l'acqua eventualmente contenuta.
·
II Zona ­Riduzione indiretta –decomposizione dei fondenti Dai 400 ai 1100°C avviene prevalentemente la riduzione degli ossidi di ferro e la decarbonatazione degli eventuali carbonati. A titolo di esempio si può indicare la decomposizione del calcare (CaCO3), sostanza comunemente usata come fondente CaO3à CaO + CO2
·
III Zona ­Riduzione diretta e rammollimento: In questa zona si ha il completamento della riduzione degli ossidi di ferro, il rammollimento ed il successivo gocciolamento della carica ridotta. Il ferro, procedendo verso zone a più alta temperatura, rammollisce e solubilizza il carbonio proveniente dal coke che accompagna il materiale ferrifero lungo tutta la discesa. La presenza del carbonio nel ferro, provoca una diminuzione della temperatura di liquidus facilitando così la fusione alle temperature esistenti nel forno.
·
IV Zona ­Combustione : mediante un condotto toroidale munito di ugelli situati subito al di sotto della sacca, avviene l'immissione nel forno dell'aria comburente già preriscaldata nei cowpers ad alta temperatura (circa 1300 C negli impianti tecnologicamente più avanzati) Il vento opportunamente umidificato con aggiunta di vapor d’acqua reagisce con il coke ossidandolo secondo la reazione C+O2 àCO2 Generando quindi Co2 che per le temperature esistenti reagisce successivamente con il C secondo l’equilibrio di Boudouard CO2+C à2CO L’ambiente fortemente riducente, al di la della zona di turbinio davanti alle tubiere provoca la decomposizione del vapor secondo la reazione H2O+CàCO+H2
84 Risulta in definitiva che il gas riducente prodotto dalle tubiere contiene Co, H2 N2
·
V Zona ­Crogiolo Nella parte del crogiolo, immediatamente sottostante alle tubiere, si verificano quelle reazioni più strettamente legate agli equilibri metallo­scoria. La ghisa e la scoria a contatto fra loro si separano per densità, decantando nel crogiolo. Il sistema di caricamento Il sistema di caricamento comprende l'insieme dei dispositivi atti alle seguenti azioni: l) Trasporto dei singoli componenti la carica .dai sili di immagazzinamento alla bocca del forno; 2) Introduzione dei materiali nel forno evitando di mettere in comunicazione diretta l’interno forno con ambiente esterno; 3) Captazione dei gas di scarico. Problemi di natura fluodinamica impongono che il sistema funzioni in modo da realizzare l'introduzione separata dei singoli componenti dando luogo ad un riempimento per strati. Tale esigenza è essenzialmente connessa al divario esistente nello spettro granulometrico dei singoli materiali, sia per le loro diverse modalità di trattamento, sia per le differenti prestazioni degli impianti di fabbricazione a monte dell’altoforno. Infatti pur prescindendo dalle fluttuazioni tipiche dell’esercizio industriale, la dimensione media del coke é circa 3 volte maggiore di quella degli altri componenti. Il caricamento per strati contrasta efficacemente la penetrazione delle particelle più piccole negli spazi liberi, permettendo così un più alto grado di vuoto ed una minore resistenza al flusso del gas. L’introduzione separata dei componenti, unitamente all'esigenza di isolare l'atmosfera del forno da quella ambiente, dà al caricamento un particolare carattere discontinuo, caratterizzato da una ciclicità a frequenza sufficientemente alta da non compromettere, data l'inerzia del sistema, la possibilità di operare di fatto in regime stazionario. La successione con cui i materiali vengono introdotti nel forno viene rigorosamente ripetuta e quella relativa ad un ciclo viene definita sequenza di carica. Risulta tuttavia inevitabile in tal modo la formazione di strati misti in corrispondenza della zona di separazione tra due strati successivi.
85 Per evitare eccessivi abbassamenti del grado di vuoto con conseguenti elevate perdite di carico del gas è necessario contenere il più possibile il numero degli strati misti. Ciò si ottiene spesso, nell'ambito di un ciclo realizzando la formazione di un solo strato di coke. Il peso di un singolo strato di coke viene denominato “coke base” mentre quello dei rimanenti costituenti viene detto "letto di fusione". Il computo della composizione del letto di fusione viene effettuato in relazione al coke base , tenendo conto degli obbiettivi di qualità della ghisa, di quantità e composizione della loppa, nonché della disponibilità dei materiali. Occorre sottolineare l'esigenza che il caricamento proceda mantenendo le oscillazioni di livello nel forno entro un intervallo piccolo e rigidamente controllato. Il sistema è quindi progettato in modo che i tempi di preparazione dei lotti (estrazione dai sili e trasporto fino alla bocca) siano brevi e consentano un rapido ripristino ove, per motivi accidentali, esso dovesse scendere al di sotto del valore prefissato. La sequenza di carica, il coke base, il letto di fusione, e la sua composizione, il livello di carica costituiscono le principali variabili del caricamento cui l'altofornista assegna un assetto ottimale sulla base delle esperienze e di indagini sperimentali che spesso precedono l'avviamento dei singoli impianti. Assume particolare significato, nella conduzione dell’altoforno, il rapporto tra il letto di fusione sul coke base, più semplicemente detto rapporto Minerali/Coke.(M/C). Esso infatti ha immediati riflessi metallurgici connessi con il consumo di energia termica perché di fatto stabilisce la quantità di combustibile solido per unità di ferro elaborata ed inoltre svolge un ruolo determinante per il governo dei fenomeni aerodinamici dell'altoforno. Basta a questo scopo osservare che, per effetto della maggiore dimensione granulometrica del coke, alla variazione del rapporto Minerale/Coke sono in genere dovute le più significative variazioni della dimensione media dell'intera colonna di carica. La moderna tecnologia dà particolare rilievo alla problema della distribuzione del rapporto M/C lungo il raggio con lo scopo di controllare la distribuzione radiale della velocità del gas.
86 Alle marce periferiche, praticate negli anni passati caratterizzate dal alte velocità del gas alle pareti del forno, si sono via via preferite marce centrali quelle che privilegiano il flusso del gas al centro del forno con l'obiettivo di contenere le sollecitazioni termiche alle pareti ed allungare la vita dell'impianto. Le conoscenze più recenti hanno permesso di stabilire che c'è un limite alla centralità di marcia ove si considerino gli aspetti economici del processo. I fattori connessi alla produttività, al consumo di combustibile ed alla vita dell'impianto indicano l’esistenza di condizioni ottimali perseguibili attraverso un'oculata distribuzione radiale del rapporto M/C. Un contributo alla soluzione di questo problema , come si vedrà, è stato dato allo sviluppo dei sistemi di caricamento dal punto di vista impiantistico. Fin dai primi anni 70, il sistema più comunemente usato era quello a doppia campana: i materiali, generalmente trasportati da un nastro mobile di caricamento, vengono scaricati in una tramoggia rotante che distribuisce il lotto di carica sulla superficie della campana superiore, detta campana piccola per distinguerla da quella inferiore detta grande. Un opportuno circuito dotato di valvole e automatismi consente di mettere in comunicazione il volume tra due campane con l’ambiente esterno o con l’interno altoforno. Attraverso queste chiusure a tenuta stagna, il passaggio del materiale avviene dalla campana piccola alla grande senza che il forno depressurizzi. La successiva chiusura della campana piccola e le operazioni di messa in pressione della zona tra le due campane consentono l'apertura della campana grande e la caduta dei materiali sulla bocca del forno. La chiusura di quest'ultima completa l'operazione di introduzione di un lotto di materiale di carica. In questi sistemi la distribuzione radiale del rapporto M/C, determinata dalla differente energia cinetica e dal differente angolo di riposo dei ferriferi e del coke, può essere modificata principalmente agendo sul livello di carica e sul coke base. La scarsa flessibilità e gli evidenti problemi di tenuta hanno posto rapidamente dei limiti alla adozione di detto sistema via via che le dimensioni degli altiforni sono aumentate. L’invenzione del sistema di caricamento a piastre mobili ha tuttavia consentito di prolungare l'uso del sistema a doppia campana. Gruppi di piastre d’usura orientabili sono posizionate circonferenzialmente all’apice del tino, un
87 meccanismo consente di variare il loro posizionamento in modo da intercettare e modificare la traiettoria del getto dei materiali nella caduta dalla campana grande. E' stata così ampliata la flessibilità del sistema che con opportuno posizionamento delle piastre può far pervenire il materiale in zone prescelte e persino sull'asse del forno. Ancor più recente è l'applicazione del sistema di caricamento privo di campane. Questo dispositivo è costituito da una scivola distributrice al di sopra del livello di carica. La scivola, di sezione circolare o rettangolare, mossa da adeguati automatismi, ruota intorno all'asse verticale del forno disponendosi secondo angoli discreti selezionabili dall’utente. Il materiale di carica viene introdotto attraverso moti indipendenti di rotazione e di inclinazione della scivola. Due tramogge, poste nella parte più alta, costituiscono serbatoio di accumulo di materiale che attende di essere caricato. Ciascuna tramoggia è munita di valvola a saracinesca che regola il flusso di uscita della carica e di un sistema di valvole a tenuta di gas garantendo l’isolamento dell’interno forno dall’ambiente in modo analogo a quello descritto per il sistema a doppia campana. Questo sistema inventato negli 70, grazie alla sua semplicità impiantistica e la capacità di realizzare desiderate distribuzioni radiali del rapporto M/C, é ormai addottati su quasi tutti i forni di grande produzione. 5.2 Pr incipali pr oblematiche Il ciclo produttivo della ghisa basato sull’altoforno, presenta alcune caratteristiche negative legate a: a) elevata complessità impiantistica b) scarsa flessibilità operativa e necessità di costanti ed alti livelli produttivi per consentire un adeguata economia di scala c) sensibile impatto ambientale (imputabile principalmente alla cokeria e all’agglomerato e alle emissioni dei trattamenti secondari) d) elevati costo di investimento
88 5.3 Linee di sviluppo tecnologico Le linee principali di sviluppo tecnologico sono tese a minimizzare gli effetti delle problematiche sopraevidenziate, sono dunque legati a: a) sostituzione del coke con combustibili ausiliari meno costosi: la tecnica di insufflare combustibili ausiliari in altoforno ha permesso di ridurre sensibilmente il consumo specifico di coke (da 400 Kg/tghisa a 250 Kg/tghisa) con evidenti ricadute benefiche sull’impatto ambientale. I combustibili utilizzati sono oli combustibili, gas naturale, ma soprattutto carbone precedentemente condizionato granulometricamente. Alti volumi di iniezione di polverino di carbone causano l’abbassamento della temperatura di fiamma , é allora necessario, oltre certi livelli di insufflazione, sostenere la combustione con arricchimento del vento con ossigeno. Gli attuali livelli medi di insufflazione di carbone sono di 150 /200 kg/tghisa con un risparmio di coke di oltre 100 kg/tghisa e un risparmio sul costo di produzione della ghisa dell’ordine del 8%. b) sostituzione del vento caldo con ossigeno miscelato a gas di bocca ricircolato, associata elevatissimi tassi di insufflazione polverino: Nippon steel ha condotto ricerche su modelli matematici volti a testare questa importante innovazione che dovrebbe garantire alta produttività, basso consumo di coke, minori costi di investimento. c) abbattimento dei vapori nella fase di trattamento della loppa grazie all’utilizzo di tecnologie IMBA o AJO­TECH, che garantiscono la granulazione della loppa non già in vasca ma in ambiente chiuso con recupero di vapore e ricircolo dell’acqua di processo.
89 d) trattamento di depolverazione del gas AFO a secco: oltre al tradizionale sistema ad umido si tenta di introdurre una linea di trattamento a secco con elettrofiltri o filtri a maniche in grado di abbattere più efficacemente polveri e gas acidi e) recupero energia: applicazione sulla linea del gas di bocca di una turbina che recuperi l’energia di pressione del gas. Nel caso di un altoforno moderno di grandi dimensioni, con una pressione di bocca di 2.2 bar si producono 15MW di energia elettrica con la possibilità di recuperare l’investimento in 5 anni. f) allungamento delle campagne: grande attenzione si pone alle pratiche operative e agli interventi di manutenzione, cosi come in fase di rifacimento alla qualità dei materiali refrattari e dei più efficaci sistemi di raffreddamento (piastre di rame) al fine di prolungare ben oltre i 10 anni la vita utile del forno. g) automazione e sistemi di controllo: sempre più spinti sistemi di acquisizione dati e di elaborazione con simulatori virtuali del processo, consentono all’operatore non solo un monitoraggio continuo e dettagliato delle variabili di processo, ma anche forniscono all’altofornista efficaci strumenti di previsione.
90 5.4 Analisi delle emissioni in atmosfer a, della contaminazione delle acque, e della pr oduzione di r ifiuti solidi
91 Nelle tabelle che seguono vengono riassunti schematicamente tutti i flussi di massa che interessano un altoforno, compresi gli inquinanti che troviamo in output:
92 I fattori di emissione che trovate riportati nella tabella successiva, sono riferiti ad una singola tonnellata di acciaio liquido, in modo da facilitare la somma delle emissioni dalle varie unità produttive. I dati si riferiscono agli impianti dei maggiori produttori europei. La seconda tabella completa la prima, fornendo i fattori di emissione in aria (dopo abbattimento) per le principali singole operazioni che concorrono al funzionamento dell’intero processo.
93 94
E’ possibile sintetizzare le differenti emissioni in: 5. Emissioni gassose: §
Gas di scarico da Hot Stoves (Cowper); §
Emissioni durante la fase di caricamento; §
Gas AFO (BFgas), come fonte indiretta; §
Emissioni dal campo di colata (Cast House); §
Emissioni provenienti dai processi di trattamento loppa (slag processing). 6. Emissioni in acqua: §
Acqua di scarico da trattamento a umido del gas AFO; §
Acqua di scarico da trattamento loppa; §
Spurgo (blow down) da circuiti di raffreddamento. 7. Rifiuti solidi e sottoprodotti: §
Materia polverulenta da operazioni di colaggio; §
Polveri e fango da trattamento a umido gas AFO;
95 §
Loppa. 8. Aspetti energetici: §
Richiesta di energia. 5.4.1 Emissioni gassose:
5.4.1.1
Gas di scarico da Hot Stoves (Cowper): Tali emissioni si presentano solo durante la cosiddetta fase a caldo durante la quale viene utilizzato combustibile misto (gas AFO con gas di cokeria o gas naturale) per riscaldare opportunamente gli impilagli che fungeranno da scambiatori di calore durante la successiva fase a vento freddo. In particolare nei casi in cui sia presente gas di cokeria nella miscela di combustione, esiste il pericolo di forti emissioni di SO2 al camino. I valori in gioco sono approssimativamente i seguenti: ­ 100.000/240.000 Nm 3 gas/h, per AFO; ­ 160/400 mg SO2/Nm 3 di gas; ­ 70/400 mg NOx/Nm 3 di gas; prodotti a causa delle elevatissime temperature vigenti in camera di combustione (fino a 1500 °C); ­ 50 (camera di combustione esterna)/2500 (c.d.c. interna) mg CO/ Nm 3 di gas. 5.4.1.2
Emissioni durante la fase di caricamento: Dal momento che i moderni forni sono eserciti a pressioni interne molto superiori a quella atmosferica (da 0.25 a 2.5 bar gauge), è necessario che i sistemi di caricamento (siano essi a doppia campana o privi di campana), consentano una perfetta tenuta. In alcuni casi, soprattutto per sistemi più antiquati o
96 malfunzionanti, capita che vi siano sbuffi di gas AFO, che portano emissioni soprattutto di CO e polveri. 5.4.1.3
Gas AFO (BFgas), come fonte indiretta Il gas d’altoforno è una materia preziosa in quanto dotato di un potere calorifico (2.7­4 MJ/Nm 3 ) non elevato, ma comunque sufficiente a consentirne il riutilizzo in molti processi collaterali che richiedono l’uso di massicce quantità di combustibili gassosi, quali i Cowper e la cokeria. Ecco perché esso è considerata, essendo ricco di CO, polveri di metalli pesanti, ammoniaca, cianuri, idrocarburi e PAH, una sorgente indiretta di emissioni. Solitamente il gas AFO viene sottoposto a due successivi trattamenti per garantirne le caratteristiche necessarie al suo riutilizzo e stoccaggio a gasometro; tipicamente una prima depolverazione in cicloni o sacca a polveri ed un successivo trattamento ad umido, dai quali il contenuto di polveri è abbassato a circa 10 mg/Nm 3 di gas. Nelle due tabelle successive sono mostrati i valori associati al gas AFO prima e dopo i trattamenti di depurazione. Si tenga presente che la polvere separata a secco nei separatori inerziali viene solitamente riciclata agli impianti di agglomerazione, quando presenti, mentre i fanghi, altamente contaminati, del processo ad umido devono essere seccati e posti in discariche controllate.
97 5.4.1.4
Emissioni dal campo di colata (Cast House) Durante il colaggio della ghisa vi è una inevitabile emissione di polveri in atmosfera soprattutto al momento del contatto fra ghisa e loppa e l’ossigeno dell’aria. Sui campi di colata degli altiforni è pertanto predisposto un apposito sistema di depolverazione dotato di cappe aspiratrici poste sui fori di colata, sulle rigole, sullo skimmer e sui tilting di caricamento siluri. Esiste pure una emissione di SO2 derivante soprattutto dalla loppa. I dati in gioco sono i seguenti:
98 ­ 400/700 g di polvere emessa/t di ghisa prodotta; ­ 200.000/700.000 m 3 /h di fumi aspirati dal sistema di depolverazione; ­ 10 mg polvere/Nm 3 nei fumi in uscita dai filtri a maniche asserviti al sistema di depolverzione; ­ 5.4.1.5
2/270 g SO2 emessi/t ghisa Emissioni provenienti dai processi di trattamento loppa
(slag processing) La reazione fra l’acqua di granulazione e la loppa fusa, in particolare con i suoi composti solforati (CaS e MnS), genera sia vapore che emissioni diffuse di H2S e SO2, che portano a forti problemi di odore e di corrosione. I valori in emissione variano molto a seconda del processo di granulazione utilizzato (vasche, processo INBA, processo OCP). L’acqua utilizzata in tutti questi processi viene riciclata integralmente a meno di periodici reintegri (blow up ) e spurghi (blow down).
99 5.4.2 Emissioni in acqua
5.4.2.1
Acqua di scarico da trattamento a umido del gas AFO L’acqua proveniente dal sistema di depurazione del gas AFO viene normalmente trattata e reintegrata nel ciclo. Un’idea del sistema di gestione delle acque di un altoforno è fornito nella figura seguente: L’eccesso scaricato è nell’ordine di 0.1/3.5 m 3 H2O/t ghisa. 5.4.2.2
Acqua di scarico da trattamento loppa L’eccesso scaricato è nell’ordine di0.2/10 m 3 H2O/t ghisa.
100 5.4.2.3
Spurgo (blow down) da circuiti di raffreddamento Quantità trascurabili. 5.4.3 Rifiuti solidi e sottoprodotti
5.4.3.1
Materia polverulenta da operazioni di colaggio La quantità di polveri mediamente separata dal filtro a maniche asservito all’impianto di depolverazione campo di colata si attesta sui 0.5/1.5 kg/t di ghisa, e può essere riciclata all’impianto di sinterizzazione ove presente. Nel caso tale impianto non fosse disponibile risulta necessaria una deposizione in discarica. 5.4.3.2
Polveri e fango da trattamento a umido gas AFO Normalmente le quantità di polveri separate nel primo ciclone sono di 6/17 kg/t di ghisa e di 3/5 kg/t di ghisa, per quanto riguarda i fanghi del trattamento ad umido. Nelle tabelle successive sono fornite le composizione tipiche rispettivamente per le polveri da ciclone e per i fanghi da trattamento ad umido (scrubbing). Le polveri da trattamento a secco sono solitamente riciclate all’impianto di sinterizzazione mentre per i fanghi, visto il loro elevato contenuto di zinco e
101 piombo, si rende necessaria la deposizione in discarica. Il diagramma a torta sottostante da un’idea dei rapporti in gioco fra materiale riciclato ed allontanato: 5.4.3.3
Loppa Essa rappresenta di fatto un sottoprodotto, i cui riutilizzi sono indicati nel diagramma a torta sottostante. Gli indici di produzione di loppa sono dell’ordine di: 210/310 kg/t di ghisa prodotta, per una composizione qui descritta:
102 103
5.4.4 Aspetti energetici
5.4.4.1
Richiesta di energia L’altoforno è il processo che in generale consuma più energia fra quelli del ciclo siderurgico; si vedano in tabella le quantità in gioco: Si tenga presente che la maggior parte degli impianti, dotati di una adeguata pressione di bocca, sono in grado di montare delle turbine di recupero a valle degli impianti di depurazione. Inoltre con il passare del tempo, grazie a sempre più sofisticate tecniche di iniezione di combustibile direttamente alle tubiere, si è generato un trend di sempre più forte riduzione della quantità di coke necessaria per t di ghisa prodotta.
104 5.5 Miglior i tecniche disponibili Ragioni a favore dello sviluppo Tipo Descrizione Miglioramenti ambientali Applicabilità Effetti correlati Impianti di riferimento Aspetto economico della metodologia Tecniche inerenti il processo L’iniezione diretta di agenti riducenti (polverino di carbone PCI, oli combustibili, plastica, gas naturale) a livello tubiere consente un E’ una tecnica applicabile anche ad notevole risparmio di coke direttamente caricato alla bocca, il che Approssimativamente ogni kg di PCI iniettato alle installazioni esistenti con costi di Mediamente con una iniezione di Iniezione diretta di tubiere evita di dover produrre 0.85/0.95 kg di coke, la investimento relativamente modesti. I modesti costi di circa 180 kg di PCI/t di ghisa, si ha un globale. Vi è un limite però alla riduzione di coke caricato, poiché esso agenti riducenti Bassi costi, risparmio di coke, sempre E’ una tecnica ormai porta ad una riduzione della richiesta di energia e dell’inquinamento più stringenti misure legislative contro comunemente utilizzata in installazione sono ripagati dal cui produzione, come visto, è estremamente Molto dipende anche dal tipo di risparmio energetico medio attorno al ha la irrinunciabile funzione di sostenere la carica ferrifera e di le cokerie, possibilità di utilizzare tutti i più moderni impianti. inquinante. marcia del singolo impianto e dalla risparmio energetico. 3.6% della domanda totale dell’AFO. polverino di carbone anche scadente. renderla permeabile ai gas che la risalgono. Nella tabella presentata qualità della ghisa prodotta. alla pagina successiva si possono vedere i rapporti raggiunti, considerando che 270kgdi PCI/t di ghisa sia il punto estremo. Come visto il gas AFO è dotato di una certa quantità di CO ed H2 che Recupero gli conferiscono un potere calorifico modesto ma comunque Si risparmia energia grazie ad un potere calorifico 3 compreso fra 2.7/4 MJ/Nm pari a circa 5GJ/t di ghisa energetico dal gas sufficiente al riutilizzo, spesso previa miscelazione con altri gas, nelle prodotta, cioè il 30% circa del fabbisogno totale lordo di Vi è la necessità di depurare il gas Praticamente tutti i prima di stoccarlo, il che porta a moderni AFO adottano Applicabile ad ogni impianto, nuovo Si risparmiano grandissime od esistente. AFO generare fanghi e residui solidi. altre parti di impianto. Ragioni economiche quantità di energia. tale metodologia. energia dell’AFO. L’energia così prodotta dipende dalla pressione di Recupero esercizio del forno, dalle perdite di carico subite dal gas Problemi di corrosione e incrostazioni energetico sfruttando la Il gas AFO è dotato di una pressione di poco inferiore a quella di nei sistemi di convogliamento e soprattutto in quelli di Applicabile ad impianti nuovi e, con esercizio del forno e si presta, dopo la depurazione, ad un recupero depurazione. Mediamente le turbine installate sono sui maggiori difficoltà e costi anche su pressione di bocca energetico per mezzo di una turbina ad espansione. 15 MW, il che porta ad una produzione di energia pari a Il tempo di pay­back di tale sulla girante impongono una Metodologia ovunque impianto può variare, a depurazione del gas particolarmente applicata. seconda delle condizioni Ragioni puramente economiche. impianti esistenti. accurata. gas AFO peculiari, da 3 a 10 anni. circa il 2% del fabbisogno totale lordo di energia dell’AFO. Esistono diverse tecniche di ottimizzazione della gestione dei cowper che possono portare ad un risparmio energetico di entità significativa: Recupero ­ preriscaldo del gas combustibile Il preriscaldo del gas combustibile I vantaggi in senso ambientale sono appunto Applicabile ad impianti, nuovi ed energetico a livello ­ gestione computerizzata del cowper rappresentati dal risparmio energetico, che può ­ utilizzo di bruciatori di ultima generazione ­ analisi on­line dell’O2 per la gestione della Il vantaggio economico di ­ Acefalia, E­Gijon questa soluzione non è così ­ Thyssen Stahl AG, D­ rilevante, e va quindi valutato NOx, che possono però essere esistenti. dei Cowper. ­ Sidmar, B­Gent può portare a maggiori emissioni di raggiungere i 0.5GJ/t di ghisa prodotta. Ragioni puramente economiche. riequilibrate utilizzando bruciatori Duisburg caso per caso. adeguati. combustione Durante la periodica fase di preriscaldo delle rigole, successiva ad ogni rifacimento del rivestimento refrattario delle stesse, se la matrice Utilizzo di refrattari legante dei refrattari contiene catrame, vengono rilasciati idrocarburi Applicabile ad impianti, nuovi ed delle rigole privi di Nessuno. di varia natura, in particolare VOC e PAH. Se si utilizzano rivestimenti esistenti. catrame. refrattari privi di catrame si possono abbattere drasticamente tali emissioni. 105 Hoogovens Ijmuiden NL Non disponibile Restrizioni legislative
Ragioni a favore dello sviluppo Tipo Descrizione Miglioramenti ambientali Applicabilità Effetti correlati Impianti di riferimento Aspetto economico della metodologia Tecniche di post­trattamento Il gas d’altoforno, a causa del suo contenuto residuo di polveri, L’utilizzo dei sistemi di trattamento cianuri, ammoniaca e composti solforati deve essere depurato prima Gli impianti più moderni hanno sistemi gas ad umido generano un flusso di di depurazione che garantiscono acqua contaminata (solidi sospesi, basse perdite di carico ed elevate metalli pesanti, ammoniaca, cianuri), emissione inferiori a 10 mg/Nm . Le perdite di carico di efficienze di depurazione. Applicare che deve necessariamente essere tali sistemi possono arrivare a 0.1­0.2 bar. queste metodologie su impianti trattata in impianti appositi che esistenti può essere talvolta molto generano un fango difficilmente difficilmente realizzabile. riutilizzabile nel ciclo produttivo che va di essere inserito in rete. Solitamente si utilizza un processo a due stadi, il primo a secco per separare la frazione grossolana di polveri Solitamente si ottengono concentrazioni di polveri in Trattamento del gas AFO (sacca a polveri o ciclone), il secondo a umido per la frazione fine 3 (sistemi tipo gole Venturi o con gole anulari). Molti impianti nel mondo Il costo di tali sistemi ex­novo Ragioni legate ai limiti in emissione adottano tali impianti. è rilevante. del gas, una volta bruciato. Occorre inoltre tenere presente che l’utilizzo ormai diffuso di turbine ad espansione per la produzione di energia elettrica che sfruttano il salto di pressione del gas, impongono basse perdite di carico sui quindi posto in discariche controllate. sistemi di depurazione gas a monte. Il costo di realizzazione di un Durante le fasi di colaggio della ghisa e della loppa, si generano delle sistema integrato di emissioni di fumi dovute al contatto fra il ferro metallico della ghisa e depolverazione rigole e l’ossigeno atmosferico che danno luogo a ossidi. La loppa non Fra gli altiforni che campo di colata, incluso filtro reagisce con l’ossigeno in quanto già ossidata, ma gli ossidi alcalini in Considerando il sistema di depolverazione del campo L’installazione di un sistema di praticano sia la Le sempre più stringenti misure a maniche, ventilatori, motori essa contenuti possono evaporare dando luogo a polvere. Anche di colata nel suo complesso (aspirazione di: fori di depolverazione del campo di colata depolverazione del campo Depolverazione di legislative in tema di emissioni e accessori può andare da 5 durante il tappamento del foro di colata vengono generati pennacchi colata, rigole, skimmer, tiltings) si ottengono portate fori di colata e ricchi di polveri, difficilmente controllabili Le tecniche utilizzate per Applicabile ad impianti, nuovi ed determina un aumento del fabbisogno di colata che la copertura impongono di prendere tutte le a 10 milioni di euro attuali, in 3 specifiche di gas dell’ordine di 1200/3300 Nm /t di esistenti. di energia dovuto alla necessità di e flussaggio delle rigole rigole contromisure necessarie a funzione delle dimensioni evitare le emissioni dalle rigole sono pertanto: ghisa che generano grazie all’utilizzo di filtri a maniche, azionare grandi ventilatori, citiamo: minimizzare la quantità di fumi dell’altoforno. I costi di ­ copertura delle rigole con cappe mobili; non più di 20g di polveri/t ghisa. quantificabile in circa 3MJ/t di ghisa. BF7, Hoogovens Ijmuiden, emessi. esercizio dovranno ­ flussaggio della superficie della ghisa con azoto. BFA, Voest Alpine, Linz comprendere l’energia Mentre per aspirare i fori di colata sono previste cappe mobili di elettrica, e le parti di ricambio aspirazione dotate di grandi portate. del filtro. Si tratta di una evoluzione del metodo precedente che consente però La copertura quasi totale delle rigole di risparmiare in quanto si evita di dover installare un filtro a maniche impedisce agli operatori di vedere il dedicato, prevedendo solo un sistema di aspirazione di ridotte comportamento della ghisa e della Si passa dai normali 0.5­1.5 kg polvere/t ghisa a Il vantaggio economico di Soppressione della dimensioni sul foro ghisa. 0.012 kg polvere/t ghisa. polvere durante la Stahlwerke Bremen, Tale limitazione non sempre è vista BFD­Bremen, in attività Applicabile ad impianti, nuovi ed In pratica si tratta di coprire completamente le rigole con opportune Nella figura seguente è possibile vedere l’andamento colata loppa. questo metodo su quelli esistenti. coperture sigillate e flussando il piccolo gap fra copertura e ghisa con Ragioni economiche ed ecologiche.
tradizionali è schematizzato con favore in quanto accade spesso della generazione di polvere nei due casi. dal 1991 in figura. grandi quantità di azoto. In questo modo si elimina alla sorgente la che si debba intervenire sullo possibilità di formazione di fumo, migliorando sensibilmente anche le skimmer o sulle rigole con interventi condizioni di colaggio in siluro (si veda la figura relativa). rapidi di stasamento. 106 Sistema di soppressione della polvere durante la fase di colata: Confronto delle emissioni con il metodi tradizionale:
107 Confronto con il metodo tradizionale dal punto di vista costi:
108 Caricamento nel siluro, confronto con il metodo tradizionale:
109 Bibliografia essenziale “Processi siderurgici: la fabbricazione della ghisa e dell’acciaio” di Giuseppe Violi Etas Libri, cap 4, pag 159­250 “Integrated Pollution, Prevention and Control, IPPC: Draft Reference Document on best available techniques in the iron and steel industry” Institute for Prospective Technological Studies IPTS. Cap 7 pag 159­198. “Il sinter per altoforno” pubblicazione aziendale SMS Demag ITALIMPIANTI del aprile 1998 Dipartimento mantenimento e capitalizzazione del know how “Aggiornamenti sulla tecnologia dell’altoforno­ preparazione della carica ferrifera” pubblicazione aziendale SMS Demag ITALIMPIANTI gennaio 2000 Dipartimento mantenimento e capitalizzazione del know how “Recent developments in iron ore sintering” di P.R: DAWSON tratto da Ironmaking and Steelmaking 1993 Vol2 No 2 “L’evoluzione della tecnologia negli impianti siderurgici” di DE MARCHI, GRATTAROLA pubblicazione aziendale SMS Demag ITALIMPIANTI del settembre 1993
110 6. La riduzione diretta Si definiscono processi di riduzione diretta quei processi che portano direttamente dal minerale ai prodotti ferrosi, senza il passaggio del metallo allo stato liquido. In tali tecnologie la temperatura di processo è infatti inferiore a quella di liquidus del prodotto. Il prodotto risultante è un materiale a struttura metallica con elevata porosità che viene chiamato spugna di ferro, oppure a seconda dello stato, DRI (direct reduced iron) o HBI (hot briquetted iron). A causa della relativamente bassa temperatura di processo, nella riduzione diretta non avvengono fenomeni di separazione della ganga né veri processi di affinazione, quindi le caratteristiche fisiche del DRI dipendono strettamente da quelle delle materie prime impiegate. Il materiale preridotto può essere utilizzato subito ancora caldo nella filiera produttiva dell’acciaio come succedaneo del rottame nella carica al forno elettrico (con il vantaggioso recupero del calor sensibile) oppure, dopo aver subito bricchettatura, trasportato lontano dal luogo di produzione per essere impiegato successivamente per svariati utilizzi tra cui citiamo la possibilità di essere introdotto in modeste percentuali anche nella carica dell’altoforno allo scopo di aumentare la produttività dell’impianto. Nella tabella seguente si riporta una panoramica delle varianti processistiche tradizionali per la produzione della spugna di ferro. Lo sviluppo di mini­acciaierie per prodotti piani ad alta qualità, ed il crescente costo del rottame ha aumento l’interesse dei produttori verso materie prime alternative quali il preridotto
111 Tabella riassuntiva delle convenzionali tecnologie per la riduzione diretta
112 La produzione mondiale della spugna di ferro è negli ultimi 10 anni in continuo aumento ed è passata dai 20milioni di tonnellate del 1990 alle 50 Mt del 2000 e si prevede per 2010 un quota di produzione vicino ai 90 Mt. Occorre osservare che circa 80% della produzione mondiale viene coperta da impianti che utilizzano come mezzo riducente il solo gas naturale. Tale fatto determina una forte limitazione allo sviluppo di queste tecnologie in paesi poveri di questa pregiata materia prima. 6.1 La tecnologia “INMETCO DRI” Il processo “INMETCO­DRI” rappresenta la più consolidata applicazione industriale nel campo della riduzione diretta a base carbone in forno rotante. Questa tecnologia consente di trattare qualsiasi tipo di materiale, contenente ossidi di ferro, utilizzando un altrettanto ampio spettro di materiali contenenti carbonio, come sostanza riducente e qualunque tipo di combustibile per fornire l’energia chimica richiesta. Vista questa elevatissima flessibilità di gestione è possibile minimizzare il costo di produzione del pre­ridotto scegliendo la migliore combinazione delle materie prime disponibili. Inoltre “INMETCO­DRI” è un processo ad elevato rendimento poiché la gran parte dell’energia chimica dell’elemento riducente viene internamente sfruttata nel processo, dando luogo a gas di scarico ad alto grado di ossidazione. 6.1.2 Descrizione del processo Le figure seguente riporta lo schema di processo di questa tecnologia. Materie prime contenenti ferro in qualunque pezzatura (fini di minerali di ferro, scorie di acciaieria, polveri, fanghi) e materiali riducenti (carbone, antracite, fini di coke, petroleum coke) vengono attraverso macinazione ridotti ad opportune dimensioni, introdotti in dischi di pellettezzazione ove, grazie all’aggiunta di particolari leganti, sono trasformati in “pellets verdi” ovvero palline sferiche di dimensioni tra 8­15mm a basso grado di metalizzazione e di scarse caratteristiche meccaniche. Attraverso un sistema di nastri queste pellets sono introdotte in un forno a suola rotante (RHF vedi figura seguente). Il sottile strato di pellets verdi così costituito viene trasportato dalla rotazione della suola in una camera di combustione, ove i gas caldi di scarico del processo essicano e riscaldano le pellets causando l’espulsione degli elementi volatili del riducente.
113 Schema di funzionamento del forno di riduzione a suola rotante (RHF)
114 Schema di flusso del processo IMETCO­DRI
115 Quando la pellet raggiunge la temperatura di riduzione, incomincia a generare CO dallo strato più esterno verso il centro. Durante il processo di metallizzazione il CO svolge anche una funzione di protezione della pellet contro l’infiltrazione di gas dall’esterno evitando la possibilità di una riossidazione. Per garantire la persistenza di questo velo protettivo occorre progettare un idoneo sistema di combustione dopo un approfondito studio della fluidodinamica del processo. Il profilo di temperatura e la composizione del gas all’interno dl forno sono controllate al fine di ridurre gli ossidi di ferro fino ad un grado di metallizzazione finale del 92 %. Per ottenere queste elevate percentuali di metallizzazione occorre fornire energia termica attraverso la combustione di un materiale ausiliario oltre al CO intrinsecamente prodotto dal meccanismo della riduzione. Si può comunque stimare che il 75% dell’energia termica che il processo richiede viene fornita dal gas di processo e dalle parti volatili del carbone mentre solo il restante 25 % deve essere assicurata dal combustibile ausiliario. Il contenuto di carbonio nelle DRI può essere corretto all’interno di un certo range (1­7%) variando la composizione delle pellets verdi Il DRI è scaricato ad una temperatura superiore ai 1000 °C e può essere proficuamente caricato in un fusore o bricchettato per essere stivato o venduto. L’entalpia dei gas di scarico completamente combusti, è parzialmente recuperata da un sistema di preriscaldo dell’aria comburente e l’eccesso di calor sensibile può essere convenientemente impiegato nella produzione di vapore per cogenerazione. Un impianto basato sulla tecnologia “INMETCO­DRI” con un singolo forno rotante può produrre fino a 500.000 t/y di DRI. Affiancando due forni rotanti la capacità produttiva può facilmente essere portata fino a 1 Mt/y, raggiungendo le taglie di produzione dei più moderni impianti di riduzione diretta a base gas.
116 6.2 Il pr er idotto nel ciclo di pr oduzione dell’acciaio La spugna di ferro, prodotta da un impianto con RHF, trova applicazione nel ciclo di fabbricazione dell’acciaio secondo le seguenti vie:
·
produzione di acciaio via forno elettrico (EAF): il preridotto é caricato caldo nel forno elettrico,come succedaneo del rottame. La temperatura di carica già elevata (900°C) consente di risparmiare fino a 100 kWh per tonnellata di acciaio liquido. La qualità del DRI, ovvero delle materie prime utilizzate nella sua produzione, deve però essere elevata (basso tasso di zolfo e modeste contenuti di ceneri), per evitare alte produzioni di scoria e costosi trattamenti di desolforazione.
·
produzione di bricchette (HBI): la spugna può subire un trattamento di bricchettataura a caldo per essere messa a parco anche per lunghi tempi o per essere commercializzata. Bricchette ad elevati gradi di metallizzazioni e bassi contenuti di impurezze, incontrano ovviamente maggiore favore del mercato. HBI può essere utilizzato in altoforno al fine di aumentare la produttività e conferire al sistema maggiore flessibilità oppure sostituire gli altri elementi di carica in convertitori ad ossigeno.
·
produzione di ghisa attraverso forno ad arco sommerso (SAF): processo “REDSMELT”. Il DRI estratto ad elevata temperatura dal forno rotante (900­1000 °C) viene caricato direttamente in un forno ad arco sommerso (SAF) per la produzione di ghisa. Vista la tipologia del processo ceneri ed eventuali impurezze, presenti nella materie prime utilizzate nella fabbricazione del DRI, non costituiscono un limite insormontabile per la qualità ghisa prodotta. Una ghisa comune può, infatti essere fabbricata partendo da un preridotto anche di non elevata qualità (percentuali di carbonio tra 3.5­4% e tenore di zolfo inferiore a 0.05%). Nel forno ad arco sommerso il calore é generato dalla resistenza elettrica della scoria che quindi deve essere mantenuta ad alti volumi. Il basso tasso di basicità che caratterizza la loppa consente un’efficace rimozione dello zolfo. Poiché le caratteristiche chimiche di questa loppa sono molto simili a quelle prodotta in altoforno si possono utilizzare gli stessi trattamenti. La ghisa una volta colata in lingotti può essere caricata in convertitore ad ossigeno. 6.3 La tecnologia del Redsmelt applicata al sistema di smaltimento dei r ifiuti industr iali. L’impianto di Elwood City Il trattamento e l’eliminazione di rifiuti metallici di derivazione industriale può vantaggiosamente avvenire applicando la tecnologia di riduzione diretta REDSMELT. Gli wastes industriali che possono essere trattati sono: ­ polveri e fanghi d’altoforno
117 ­ polveri e fanghi di convertitori ad ossigeno ­ polveri dal impianti di sinterizzazione ­ polveri da forno elettrico (anche ad altro tasso di zinco e piombo) ­ polveri da processi di produzione di acciai inossidabili (AOD, VOD) ­ scaglie di laminazione e sfridi ­ rifiuti da processi di rivestimento contenenti cromo e nichel. Oltre ai rifiuti ferrosi, residui contenenti altri materiali pericolosi possono essere trattati con il processo “INMETCO” recuperando il loro contenuto di metallo, tra questi ricordiamo: ­ filtri a maniche ­ cromo esavalente ­ batterie e catalizzatori esausti Un impianto di trattamento waste basato sul processo “INMETCO” é in funzione in Elwood city (Pa, USA). In questo sito, si é affiancato al forno a suola rotante di diametro 16.7 metri, un forno ad arco sommerso SAF avente una taglia di 120 tonnellate. L’impianto può smaltire fino a 47000 t/y di materie prime, producendo 25000 t/y di ghisa. Lo schema di processo dell’impianto di trattamento waste é riportato nella figura seguente. Si può distinguere un’area primaria di ricezione classificazione e pretrattamento dei rifiuti. Durante tali processi queste materie prime vengono vagliate e macinate al fine di uniformare la loro pezzatura ed infine stivate in sili di stoccaggio da cui sono prelevate e convogliati, in flussi controllati, sui dischi di pellettizzazione ove le polveri sono trasformate in pellets verdi da 12 millimetri di diametro. Completano l’area trattamento materie prime i sili di stoccaggio dei combustibili quali le polveri di carbone e quello degli additivi e leganti.
118 Schema di flusso impianto di trattamento wastes Elwood city Il processo di riduzione avviene nel forno a suola rotante con diametro di 16.7 metri, il DRI, ivi prodotto, é ad alto grado di metallizzazione fino a 92%, tasso raggiunto con una permanenza in forno dai 12 ai 18 minuti. La produzione specifica di tale macchina é pari a 50/80 kg/h di preridotto per metro quadro di suola. Durante il processo in forno anche gli ossidi dei metalli volatili, quali zinco, piombo e cadmio subiscono riduzione e i metalli passano alla fase gas nei fumi del forno, a seguito dei successivi trattamenti di raffreddamento e depurazione di questi fumi, si ottiene la riossidazione e il recupero di questi metalli insieme ad un piccolo quantitativo di polveri prodotte dalle pellets verdi. Il sistema di trattamento fumi é essenzialmente basato su un processo di postcombustione che causa la completa combustione di qualunque elemento incombusto, successivamente la temperatura dei fumi é rapidamente abbassata per minimizzare la formazione di NOx. In relazione alle specifiche composizione delle materie trattate, i fumi posso subire un trattamento di abbattimento a secco (o semi secco) oppure un processo di depolverazione ad umido. Batterie di filtri a manica o sistemi di trattamento dell’acque di depolverazione recuperano i fini metallici condensati insieme alle altre polveri . L’efficienza percentuale di recupero varia per tipologia di metallo da trattare ma va dal 98 % del Nichel al 86 % del cromo
119 Le emissioni totali di CO, SOx, NOx, particolato, metalli pesanti ed altri inquinanti sono in ogni caso mantenute al di sotto dei limiti imposti dalle più severe normative ambientali adottate dallo stato della Pennsylvania. Bibliografia essenziale “La riduzione diretta” pubblicazione aziendale SMS Demag ITALIMPIANTI del aprile 2000 Dipartimento mantenimento e capitalizzazione del know how “Metal recovery from steel wastes by Inmetco process” di S:BAROZZI tratto da Steel Times May 1997 “L’evoluzione della tecnologia negli impianti siderurgici” di DE MARCHI, GRATTAROLA pubblicazione aziendale SMS Demag ITALIMPIANTI del settembre 1993
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