در یک چشم به‌هم زدن!

به گزارش می متالز، ذوب فلش یک روش پیرومتالورژی ذوب کنسانتره‌های سولفیدی است. روشی که بیش از نیم‌قرن از عمر آن می‌گذرد اما به‌دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فردش، هنوز هم طرفداران بسیاری دارد؛ ویژگی‌هایی نظیر مصرف بسیار پایین سوخت‌های فسیلی و سازگاری با محیط‌‌زیست. در کنار این‌ها، ذوب فلش (Flash) عملکرد بسیار سریع و برق‌آسایی دارد و انرژی بالای ناشی از این عملکرد می‌تواند برای ذوب مقادیر بسیار زیاد کنسانتره مورد استفاده قرار گیرد؛ مزیت‌هایی که نمی‌توان از آن‌ها صرف‌نظر کرد. این روش توسط شرکت فنلاندی «اتوکمپو» توسعه داده شده و اولین‌بار در سال 1949 در منطقۀ «ساتاکونتا» فنلاند برای ذوب مس مورد استفاده قرار گرفته است. از این روش، همچنین برای ذوب نیکل و روی هم استفاده می‌شود. در ایران، شرکت ملی صنایع مس ایران در کارخانۀ ذوب خاتون‌آباد  از کورۀ فلش  (Flash Furnace) استفاده کرده است. کورۀ فلش مجتمع مس سرچشمه، دومین تکنولوژی فلش در کشور است که به‌تازگی راه‌اندازی شده. در دنیا دومین شرکتی که از این روش استفاده کرد شرکت تولید نیکل «اینکو» بود. البته اینکو این روش را برای استفادۀ خود تغییر داد. این تکنولوژی، اولین کاربرد صنعتی کورۀ اکسایشی بود. با این حال، تعداد کمی از کوره‌های ذوب هم‌اکنون از این روش استفاده می‌کنند و بیشتر کوره‌ها تکنولوژی شرکت اتوکمپو را به‌کار می‌برند.

فلش چگونه اتفاق می‌افتد؟

فرایند ذوب فلش بر پایۀ بهره‌گیری از گرمای واکنش اکسیداسیون کنسانتره‌های سولفیدی استوار است. احتراق ذرات کنسانترۀ سولفیدی که شامل مقدار زیادی گوگرد است، به‌شدت گرمازاست؛ به‌طوری‌که با افزایش درصد اکسیژن موجود در هوا، کوره‌های ذوب فلش می‌توانند به‌صورت خودسوز گرمای لازم برای ذوب ذرات کنسانتره سولفیدی را تأمین کنند. به همین دلیل، کاهش میزان مصرف سوخت‌های فسیلی و درنتیجۀ آن، کاهش آلاینده‌های زیست‌محیطی در این روش ذوب اتفاق می‌افتد. شارژ کورۀ فلش محتوی ذرات کنسانتره، سیلیس (کمک ذوب) و غبار بازگردانی همراه با جریان هوای پیش‌گرم‌شده یا هوای غنی از اکسیژن است که از طریق مشعل‌های کنسانتره یا مشعل جت مرکزی واقع در سقف محفظۀ واکنش، به داخل آن تزریق می‌شود (معمولاً مقدار کمی سوخت کمکی مانند گاز طبیعی یا مازوت برای تأمین گرمای لازم برای شروع واکنش‌های احتراقی و حفظ دمای کوره در حالت استراحت استفاده می‌شود). هر کورۀ ذوب فلش، از سه بخش اصلی شامل محفظۀ واکنش، ستلر و آپتیک تشکیل شده است.

1. محفظۀ واکنش: شارژ، مخلوطی از کنسانترۀ خشک سولفیدی مس و سیلیس به‌عنوان کمک ذوب و غبار برگشتی فلش و کنورترهاست، که به‌همراه هوای پیش‌گرم 450درجه سانتی‌گراد و مقدار کمی سوخت (مازوت یا گاز طبیعی) و هوای اتمایزینگ (برای پودر کردن سوخت) به‌وسیلۀ چند مشعل از قسمت بالای محفظۀ واکنش وارد آن می‌شود. البته در کوره‌های جدیدتر به‌جای چهار مشعل، از یک مشعل جت مرکزی و به‌جای هوای پیش‌گرم، از هوای غنی از اکسیژن استفاده می‌شود.

2. ناحیۀ ته‌نشین‌ساز یا ستلر: این قسمت از کورۀ فلش، امکان جدایش مواد ذوب‌شده را براساس اختلاف وزن مخصوص به دو فاز مات و سرباره فراهم می‌کند. به‌منظور تخلیۀ مات از کورۀ فلش، چند مجرا در نزدیکی کف کوره تعبیه شده است. در سمت غربی کورۀ فلش هم، مجاری سرباره قرار دارد که امکان خروج پیوستۀ سرباره را مهیا می‌کند.

3. دودکش کورۀ فلش یا آپتیک: در فرآیند ذوب کنسانترۀ مس، حجم زیادی گاز داغ با ناخالصی‌های فلزی و SO2 و غبار تولید می‌شود. در فرایند فلش، این محصولات از مسیر خروجی که در سمت مقابل محفظۀ واکنش قرار دارد، به بیرون از کوره هدایت می‌شوند.

به این ترتیب، ذرات کنسانتره با حرکت در محفظۀ واکنش، با حرارت دریافتی از طریق انتقال حرارت جابه‌جایی از فاز گاز، انتقال حرارت تابشی از دیواره‌ها و محیط و همچنین، حرارت دریافتی از احتراق سوخت کمکی گرم می‌شوند. براساس ترکیب شارژ ورودی، ابتدا ترکیبات پیچیدۀ کالکوپیریت و پیریت به ترکیبات ساده‌تر سولفید آهن، سولفید مس و گوگرد تجزیه می‌شوند. سپس مواد ذوب‌شده در بخش ستلر ته‌نشین می‌شوند و گوگرد رهاشده نیز طی یک واکنش به‌شدت گرمازا سریعاً به دی‌اکسید گوگرد تبدیل می‌شود. گوگرد در دماهای بالا در تماس با اکسیژن قرار می‌گیرد. در شرایط غنی از اکسیژن، مقدار قابل‌توجهی دی‌اکسید گوگرد و مقادیر ناچیزی تری‌اکسید گوگرد و منواکسید گوگرد حاصل می‌شود. از همین‌رو، با جمع‌آوری این گازها می‌توان به تولید اسید سولفوریک دست زد.

کورۀ فلش سرچشمه

در کارخانۀ ذوب سرچشمه، تکنولوژی فلش جایگزین تکنولوژی قدیمی ریورب شده است و البته برخی اصلاحات دیگر نیز در خط قدیمی رخ داده. این خط جدید ذوب، شامل تجهیزاتی ازجمله استیم‌درایر (Steam Dryer) یا خشک‌کن بخار، بویلر (Boiler) بازیافت حرارت به‌همراه سوپر هیتر، فیلترهای الکترواستاتیک و فن‌های گاز پروسس است. علاوه بر این، تجهیزات جانبی‌ای مثل سیستم‌های گازهای خروجی کنورتر پیرس-اسمیت یعنی هودها نوسازی شده‌اند. همچنین، آندهای یک و دو نوسازی و آند چهار نصب شده است. چرخ ریخته‌گری یک این کارخانه کاملاً تعویض و چرخ ریخته‌گری دو هم مدرنیزه شده است. ظرفیت تولید کارخانۀ مس سرچشمه با دو کورۀ ریورب که تکنولوژی‌ای قدیمی است، 148هزار تن در سال است که با ذوب فلش، در صورت تأمین کنسانترۀ کافی (یعنی 1244000 تن) به حدود 281هزار تن مس آندی، یعنی نزدیک به دو برابر در سال می‌رسد. از سوی دیگر، دو کورۀ ریورب سرچشمه هرکدام در روز 75هزار لیتر مازوت (سوخت سنگین) به‌همراه 32هزار مترمکعب گاز طبیعی مصرف می‌کردند که با افتتاح کورۀ فلش، مصرف سوخت سنگین به صفر رسیده و با مقدار کمی (275 مترمکعب در ساعت) گاز طبیعی جایگزین شده است. البته برای گرم نگه‌داشتن ستلر، تعدادی مشعل کمکی در این منطقه روشن می‌ماند. بر این اساس، با راه‌اندازی ذوب فلش صرفه‌جویی‌ای در حدود 12 میلیون لیتر گازوئیل، حدود 53 میلیون لیتر سوخت سنگین و 10 میلیون مترمکعب گاز طبیعی در سال اتفاق می‌افتد.
در کنار مصرف زیاد سوخت در کوره‌های ریورب، در این کوره‌ها روش ذوب انعکاسی است و به‌همین دلیل، فرایند ذوب در آن‌ها طولانی است. اما در کوره‌های فلش، با توجه به این‌که کنسانتره‌های مس واکنش گرمازای شدید با اکسیژن دارند، می‌توان از این انرژی برای ذوب خود کنسانتره استفاده کرد. درواقع، در مشعل کورۀ فلش از اکسیژن به‌عنوان سوخت استفاده می‌شود و این اکسیژن، واکنش سریعی با کنسانتره‌ای که خشک شده، انجام می‌دهد. رطوبت کنسانتره در کوره‌های ریورب، هفت درصد است، اما در کوره‌های فلش، رطوبت به زیر 0.3 درصد می‌رسد. مشعل جت با 95درصد اکسیژن میانی و هوای پروسس که با اکسیژن 40درصد غنی شده، عملیات ذوب را انجام می‌دهد؛ به همین دلیل، ذوب بسیار سریع اتفاق می‌افتد. در فلش، ذوب در کسری از ثانیه انجام می‌شود و چون در این کوره‌ها حجم زیادی از انرژی تولید می‌شود، می‌توان تا بیش از 4000 تن کنسانتره مس را در روز شارژ کرد.
مزیت دیگر این روش، خنک‌کاری کوره‌های فلش است. در این روش، چون سیستم واترژاکت پیشرفته‌ای دارد و عملیات خنک‌کاری در تمام قسمت‌های کوره انجام می‌شود، آجرهای نسوز عمر بالایی پیدا می‌کنند و خنک‌کاری به شکلی بهتر در این کوره‌ها انجام می‌گیرد. مزیت دیگر این روش، عیار بالای ماتی است که از کوره‌های فلش بیرون می‌آید. در کوره‌های ریورب، کنسانتره با 25درصد عیار وارد می‌شود و در نهایت عیار مات خروجی کوره‌های ریورب، 28 تا 30درصد و گاهی‌اوقات بالای 30درصد است و فقط پنج تا شش درصد غنی‌سازی در کوره‌های ریورب صورت می‌گیرد، اما در کوره‌های فلش، کنسانتره 25درصد وارد می‌شود و مات با عیار 60درصد تولید می‌شود. بنابراین، عملیات تبدیل که مرحلۀ بعد از تولید مات است، هم کوتاه‌تر، هم ساده‌تر و هم کم‌هزینه‌تر می‌شود؛ چراکه بیشتر عملیات غنی‌سازی در کوره‌های فلش انجام می‌گیرد.

منابع:
- شبیه‌سازی عددی اثر مقدار گوگرد موجود در ذرات کنسانتره بر دمای شعله و تولید آلاینده‌های کورۀ فلش ذوب مس، ندا رجبی و محمد مقیمان، مجلۀ مهندسی مکانیک مدرس، مهر 1396، دورۀ17، شمارۀ7
- مطالعۀ پارامتریک مصرف سوخت و نشر آلاینده‌های کورۀ فلاش مجتمع ذوب مس خاتون‌آباد، علیرضا عرب سلغار و سیدحسین منصوری، دومین کنفرانس احتراق ایران.