Ogni tonnellata di acciaio prodotta in un forno ad arco elettrico (EAF) genera dai 15 ai 25 kg di polvere, ovvero particolato fine catturato dal filtro a maniche. Per un impianto di fusione con una capacità produttiva di 500.000 tonnellate all'anno, ciò si traduce in una quantità di polvere annua compresa tra 7.500 e 12.500 tonnellate. Questa polvere è classificata come rifiuto pericoloso nella maggior parte dei paesi perché contiene metalli pesanti, principalmente zinco, piombo e cadmio, che possono disperdersi nelle falde acquifere se smaltita in discarica.
MONTE INTELLIGENCE è attiva nel settore dei sistemi di gestione delle polveri provenienti da forni ad arco elettrico (EAF) da oltre un decennio. Il problema delle polveri rappresenta sia un obbligo ambientale che un'opportunità economica, poiché le polveri provenienti da forni EAF contengono in genere dal 15% al 30% di zinco, concentrazioni superiori a quelle riscontrabili in molti giacimenti di minerale di zinco attualmente sfruttati.
La composizione delle polveri provenienti da forni elettrici ad arco (EAF) riflette la composizione del materiale di scarto. Le polveri provenienti da impianti che fondono rottami zincati possono contenere dal 25 al 35% di zinco. Le polveri provenienti da impianti che fondono principalmente rottami pesanti e rifiuti domestici possono contenerne solo dall'8 al 15%. Il contenuto di zinco determina la redditività economica del riciclo: al di sopra del 15% circa, il riciclo delle polveri generalmente genera un profitto. Al di sotto del 10%, il costo del riciclo può superare il valore dello zinco recuperato e la stabilizzazione seguita dallo smaltimento in discarica diventa la scelta economicamente più vantaggiosa, sebbene le tendenze normative stiano spingendo contro questa opzione.
Il contenuto di piombo nelle polveri dei forni ad arco elettrico (EAF) merita attenzione perché influisce sia sul processo di riciclaggio che sulla commerciabilità del prodotto di zinco recuperato. Il contenuto tipico di piombo varia dall'1% al 5%. Piombo e zinco sono chimicamente sufficientemente simili da rendere difficile la loro separazione economicamente vantaggiosa. Il processo del forno Waelz, la tecnologia di riciclaggio dominante, produce un ossido di zinco che in genere contiene dallo 0,5% al 2% di piombo. Questo è accettabile per l'industria della fusione dello zinco, che può ulteriormente raffinare il materiale. Tuttavia, specifiche più stringenti sul contenuto di piombo in alcuni mercati potrebbero richiedere ulteriori fasi di purificazione che aumentano i costi.
Il processo del forno Waelz è il principale sistema di riciclo delle polveri provenienti dai forni ad arco elettrico (EAF), trattando circa l'80% di tutte le polveri riciclate a livello globale. Il forno è un forno cilindrico rotante, tipicamente lungo 40-60 metri e con un diametro di 3-4 metri, inclinato di 2-3 gradi rispetto all'orizzontale. Le polveri provenienti dai forni EAF vengono miscelate con un riducente carbonioso, solitamente polvere di coke o carbone, e introdotte nel forno. Man mano che la carica si muove attraverso il forno per rotazione e gravità, le temperature raggiungono i 1100-1300 °C.
A queste temperature, l'ossido di zinco presente nella polvere viene ridotto dal carbonio a vapore di zinco metallico: ZnO + C → Zn(g) + CO. Il vapore di zinco esce dal forno con i gas di scarico e viene riossidato a ossido di zinco dall'aria introdotta sopra la carica: 2 Zn(g) + O2 → 2 ZnO. L'ossido di zinco viene raccolto in un filtro a maniche a valle del forno. Il prodotto, chiamato ossido di Waelz, contiene tipicamente il 55-65% di zinco e viene venduto alle fonderie di zinco come materia prima secondaria.
Il residuo non volatile del forno di Waelz, ovvero la scoria, contiene ossido di ferro, calce, silice e metalli pesanti residui. Storicamente, questa scoria veniva smaltita in discarica, ma sempre più spesso viene utilizzata come aggregato nella costruzione di strade o come materia prima nella produzione di cemento. Per poter essere impiegata in questi usi benefici, la scoria deve superare test di lisciviazione (come il test TCLP negli Stati Uniti o la norma EN 12457 in Europa).
Le tecnologie alternative al forno Waelz includono il forno a crogiolo rotante (RHF), il forno a crogioli multipli (MHF) e i processi al plasma. L'RHF utilizza un crogiolo rotante piatto anziché un cilindro inclinato, il che consente tempi di permanenza più brevi e un controllo della temperatura più preciso. L'MHF utilizza crogioli sovrapposti con bracci oscillanti per spostare il materiale tra i vari livelli. I processi al plasma utilizzano un arco elettrico o una torcia al plasma per raggiungere le alte temperature necessarie alla volatilizzazione dello zinco, con il vantaggio di utilizzare l'elettricità anziché i combustibili fossili come fonte di energia.
Ogni tecnologia presenta dei compromessi. Il forno Waelz è l'opzione con il minor costo di investimento iniziale per elevati volumi di produzione (oltre 50.000 tonnellate all'anno), ma ha costi operativi più elevati a causa del consumo di coke. Il forno RHF offre una maggiore efficienza energetica e minori emissioni, ma richiede un materiale di alimentazione più uniforme. I processi al plasma hanno il minor impatto ambientale ma il costo dell'elettricità più elevato, il che può essere un vantaggio se è disponibile elettricità a basse emissioni di carbonio e se è in vigore un sistema di tariffazione del carbonio.
Nei forni Waelz a livello commerciale, i tassi di recupero dello zinco si attestano in genere tra il 90% e il 95%. Tassi di recupero inferiori al 90% indicano solitamente un problema di processo: condizioni riducenti insufficienti nel forno, tempo di permanenza troppo breve o scarsa miscelazione di polvere e agente riducente. Tassi di recupero superiori al 95% sono raggiungibili con un funzionamento ottimizzato del forno, ma il costo aggiuntivo per ottenere questi ultimi punti percentuali potrebbe non essere giustificato dal valore dello zinco recuperato.
Le scorie ricche di ferro provenienti dal forno rappresentano un flusso di materiale che merita maggiore attenzione di quanta ne riceva solitamente. Un forno Waelz che lavora 100.000 tonnellate di polveri di forno elettrico ad arco all'anno produce circa 60.000 tonnellate di scorie. Queste scorie contengono il 30-40% di ferro, che potrebbe essere recuperato e reimmesso nel processo di produzione dell'acciaio. Diverse tecnologie per il recupero del ferro dalle scorie Waelz sono in fase di sviluppo, tra cui la separazione magnetica e la riduzione mediante fusione, ma nessuna ha ancora raggiunto un'ampia diffusione commerciale.
MONTE INTELLIGENCE fornisce sistemi di gestione e condizionamento delle polveri per le operazioni dei forni ad arco elettrico (EAF), tra cui trasporto pneumatico, pellettizzazione e stoccaggio. Offriamo anche consulenza sulla strategia di riciclo delle polveri, valutando se investire nel riciclo in loco, spedire a un forno centrale Waelz o affidarsi a un impianto di trattamento esterno.
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