منبع پایان نامه با موضوع زیست محیطی، دینامیکی، محیط زیست، عوامل بحرانی

محیط زیست ضروری شد که با صرف هزینه‌های اضافی در فرایند پیرومتالورژی همراه بوده است. علاوه بر این، گسیل گازهای آلاینده و فرّار در محیط کار و فضای اطراف واحد ذوب یکی دیگر از مشکلات فرایندهای پیرومتالورژی است. این گازها تندرستی و سلامت کارگران را به خطر انداخته و باعث آلودگی محیط اطراف واحد ذوب می‌شوند.
از سال 1976، پیشرفتهای قابل‌توجهی در صنعت پیرومتالورژی مس، به ویژه تجهیزات صنعتی مربوط به آن بوجود آمده است. همزمان با پیشرفت صنعت پیرومتالورژی، هزینه‌های اقتصادی نیز به شدت مدنظر بوده است. هزینه های تولید محصولات، عامل اصلی حفظ و بقای واحدهای تولیدی، و میزان سوددهی آنها در شرکتها و کارخانه های تولید کننده مس محسوب می‌گردد. همچنین کاهش قیمت مس در چند سال اخیر، شرکتهای تولیدکننده مس را برآن داشته است که در هزینه های خود و همچنین کاهش این هزینه ها، تجدید نظر کنند، چرا که با توجه به نوع فرایند فرآوری مس و حجم عظیم تجهیزات روش پیرومتالورژی می توان با شناخت بخش‌های اصلی هزینه‌بر، راههای کاهش هزینه را در این مراکز شناسایی و اجرا کرد. جهت افزایش بازدهی هزینه ها و قابل قبول شدن آنها برای شرکتهای معدنی، یکسری عوامل بحرانی مطرح هستند که عبارتند از: میزان انرژی و راندمان مؤثر آن، الزامات کارگری و کاری کمتر، کارابودن فرایند از لحاظ مقررات زیست محیطی، انعطاف پذیری مناسب در استفاده از کنسانتره های با عیار کم و یا نسبتاً کثیف، قابلیت بازیابی محصولات جانبی و جوابگو بودن در سرمایه گذاری کلان.
از حدود سال 1986، اکثر شرکتها فعالیتهای خود را در جهت ایجاد و تأسیس پروژه های جدیدتر برای دستیابی به عوامل حیاتی فوق متمرکز کردند. کوره‌های ذوب قدیمی نیاز به بازبینی گسترده در راستای ارتقاء عملکرد و تقلیل تجهیزات کاری داشتند. هنگام راه اندازی یک روش ذوب جدید و یا روزآمد کردن عملیات ذوب موجود، عوامل اصلی که بایستی مدنظر قرار گیرند عبارتند از: استفاده از اکسیژن غنی شده، انرژی مصرفی و کنترلهای زیست محیطی (Biswas and Davenport., 1980).

1-4-2- ترمودینامیک عملیات ذوب مس
اصول ترمودینامیکی تعیین کننده شرایط عملیاتی فرایند ذوب مس است. واکنش‌های اساسی در عملیات ذوب مس بر مبنای پتانسیل شیمیایی سامانه Cu-Fe-S-O-SiO_2 ارزیابی می شود. پایداری فازهای جامد به عنوان تابعی از پتانسیل گوگرد و اکسیژن در دمای C˚ 1300 درجه سانتی گراد می‏باشد.
به طور کلی در ذوب مس اغلب دوفاز با وزن مخصوص‌های مختلف تشکیل می‌شود:
1-فاز سولفیدی مَت (Matte) نامیده می شود و از سولفید مس 〖Cu〗_2 S و سولفید آهن FeS (به صورت محلول جامد)، تشکیل شده است.
2-سرباره که وزن مخصوص حدود g/〖cm〗^33-5/2 دارد و بنابراین از مَت سبکتر بوده و روی آن قرار می‌گیرد که به راحتی از مَت قابل تفکیک است.

1-4-2-1- تشکیل مَت
ذوب کنسانتره مس (کالکوپیریت) با مواد گدازآور (سیلیس) طبق واکنش زیر انجام می شود و مَت (مخلوطی از اجزاء سولفیدی) و سرباره (مخلوطی از اجزاء اکسیدی) تشکیل می شود:
2〖CuFeS〗_2+2.5O_2+SiO_2 〖Cu〗_2 S.FeS+FeO+ SiO_2+2 SO_2
اختلاف میل ترکیبی آهن و مس با گوگرد و اکسیژن، بیشترین نقش را در تشکیل مَت و سرباره دارد. تغییرات انرژی آزاد استاندارد این واکنشها در بررسی ترمودینامیکی تولید مَت در دمای C˚1250 مشخص شده اند:
‏ با توجه به تغییرات انرژی آزاد در واکنشهای بالا، مشخص می‏شود که〖Cu〗_2 S پایدارتر از FeS و FeO پایدارتر از 〖Cu〗_2 O است، و اگر مس بصورت اکسید در سرباره موجود باشد، به سولفید مس تبدیل می‏شود:
پیشرفت این واکنش به صورت خودبخودی و از چپ به راست خواهد بود. یعنی تا زمانی که FeS در محیط وجود داشته باشد، 〖Cu〗_2 O ناپایدار خواهد بود و به 〖Cu〗_2 S تبدیل می‏شود. بخش عمده مَت از دو ترکیب سولفیدی 〖Cu〗_2 S و FeS تشکیل می‏شود. این دو ترکیب در دمای C˚ 1250 کاملاً در یکدیگر محلول بوده و مذاب همگنی را تشکیل می‏دهند (شریف، 1376).

1-4-2-2-سرباره کوره
در فرایند استخراج گرمایی مس، سرباره از اکسید شدن سولفید آهن، خوردگی جدارۀ دیرگداز کوره در عملیات ذوب، تجمع اکسیدهای همراه شارژ (مواد باطله) و مواد گدازآور افزودنی کوره تشکیل می‏شود. معمولاً سنگ معدن مس دارای باطله اسیدی است که به طور عمده از سیلیس تشکیل شده است. نقطه ذوب باطله به خاطر داشتن سیلیس (با نقطه ذوب˚C1725)، بسیار بالا می‌باشد و برای اینکه بتوان آن را در شرایط کار کوره (دمای حدود˚C1250) ذوب نمود، بایستی با افزودن مواد گداز آوری همچون CaO وMgO و بخصوص FeO نقطه ذوب آن را پایین آورد. هر چند که این مواد خود دارای نقطه ذوب بالایی هستند (نقطه ذوب CaO حدود˚C2570 می باشد)، ولی ترکیب سیلیس با آنها، انواع سیلیکاتها را تولید می کند که دارای نقطه ذوب بین ˚C 1300-1100 می باشند. یک سرباره خوب باید دارای شرایط زیر باشد:
دمای نسبتاً پایین ( ˚C1200-100) تشکیل و ذوب شود.
تا حد امکان وزن مخصوص پایین داشته باشد (g/〖cm〗^33-5/2)، تا مَت بتواند به آسانی از آن جدا شود.
سیالیت کافی داشته باشد.
سرباره باید با کمترین مواد گدازآور تشکیل شود. زیرا اگر مواد گدازآور زیاد باشد، نقطه ذوب در کوره بالا رفته و مس بیشتری همراه با سرباره خارج می شود.
سرباره بایستی فاقد خاصیت حل کنندگی مَت باشد.

تغییرات ترکیب شیمیایی سرباره معمولاً به صورت زیر است:
جدول1-1-ترکیب شیمیایی سرباره
35-40
Fe (FeO, 〖Fe〗_3 O_4)%
35-40
〖SiO〗_2 %
5-12
〖Al〗_2 O_3 %
0-10
CaO %
0-6
MgO %

مقدار سیلیس موجود در سرباره بسیار مهم است. اگر مقدار سیلیس از 25%کمتر شود نقطه ذوب سرباره و وزن مخصوص آن بالا خواهد بود و اگر سیلیس از 50%بیشتر شود، بازهم نقطه ذوب بالا رفته و سیالیت سرباره به شدت کم می شود. وجود اکسید مغناطیسی آهن (〖Fe〗_3 O_4) در سرباره باعث بالا رفتن نقطه ذوب، کم شدن سیالیت و بخصوص بالا رفتن انحلال‌پذیری مَت توسط سرباره می‏شود و به این ترتیب تلفات مس در کوره ذوب افزایش می یابد. از طرف دیگر وجود اکسید آهن (FeO) برای پایین آوردن نقطه ذوب و بالا بردن سیالیت سرباره لازم است. روابط بین اجزاء سرباره کوره فلاش را می توان به طور تقریبی با بررسی نمودار فازی سیستم FeO- CaO- 〖SiO〗_2 مطالعه کرد. با مطالعه سرباره های صنعتی بر این اساس، مشخص می شود که همه آنها در ناحیه دمای پایین سیستم FeO- CaO- 〖SiO〗_2 قرار دارند. سرباره ها تمایل به اشباع شدن از 〖SiO〗_2 نیز دارند. به عبارت دیگر ممکن است مقدار آن به 35% یا بیشتر نیز برسد. علاوه بر داشتند تعادل مناسب در تقسیم مس بین فازهای مَت و سرباره، سرباره بایستی آنقدر سیال باشد که مَت بتواند از آن عبور کرده و ته نشین شود. به این منظور سرباره باید دارای حداقل گرانروی باشد.

1-4-3-روشهای کلی استخراج مس
روش مورد استفاده در استخراج مس به ماهیت و ترکیبات مس موجود در کانسنگ بستگی دارد. به طور کلی سه روش اساسی برای استخراج مس وجود دارد (رضوی زاده، 1372):
ذوب مستقیم (Direct Smelting) یا روش کاهش
شستشوی اسیدی (Leaching) یا روش هیدرمتالورژی
تغلیظ کردن (Concentration) یا روش تهیه مَت

1-4-3-1-روش ذوب مستقیم
این روش برای استخراج مس از سنگهای اکسیدی پرعیار به کار می‏رود (درصد مس موجود در کلوخه ها بایستی از 9% بیشتر باشد). این روش قدیمی بوده و امروزه بعلت کمیاب شدن سنگهای اکسیدی پرعیار، در صنعت به کار نمی‌رود. اساس این روش بر حذف کامل گوگرد از سنگ معدن و کاهش بعدی آن توسط عوامل کاهنده ماند کربن و یا گازCO قرار دارد. این روش به دلایل تلفات زیاد مس در سرباره و مصرف سوخت و انرژی بالا، غیراقتصادی می باشد.

1-4-3-2-روش شستشوی اسیدی
این روش در مورد سنگهای اکسیدی و به خصوص کربناتها به کار می‏رود. سنگهای مورد مصرف در این روش می تواند کم عیار باشد، همچنین ممکن است که سنگهای گوگرد دار را نیز مورد عمل تشویه قرار داده و سپس در یک حلال، حل کرده و مس آن را به روشهای مختلف جداکرد. این روش از نقطه نظر بهداشت محیط زیست نسبت به روش کاهش و تشکیل مَت دارای مزایای بیشتری است. در هر حال هیدرومتالورژی مس و تهیه مس از طریق تشکیل مات، دو روش اصلی متالورژی مس می باشند.

1-4-3-3-روش تغلیظ کردن
این روش برای ترکیبات گوگردی مس یا مس طبیعی با عیار کم به کارگرفته می‏شود. ابتدا سنگهای معدنی مس گوگرد دار در کوره های ذوب به مَت مس که مجموعه ای از سولفیدهای مس و آهن است، تبدیل شده . سپس توسط یک مبدل مس خام از آن به دست می‏آید، که بعداً مورد تصفیه قرار می گیرد. این روش دارای مزایای: 1) وجود کافی عناصر گرمازا در مَت، که مبدل را بی نیاز از سوخت خارجی می کند، 2) درجه خلوص بالاتر مس خام (نسبت به روش کاهش) و 3) عدم احتیاج به تشویه و یا در صورت لزوم یک تشویه جزئی می‏باشد.

1-4-4-واکنش‌های شیمیایی
‏ واکنش‌های اصلی در داخل کوره بین گوگرد و اکسید آهن و مس انجام می‌شود. محیط اکسیدکننده کوره باعث سوختن گوگرد نیز می‌شود و به طور کلی مقدار گوگردی که در این کوره سوخته و به صورت 〖SO〗_2 خارج می‌شود، بستگی به مقدار گوگرد موجود در کانسنگ داشته و مقدار آن ممکن است تا30% کل گوگردی که وارد کوره می‌شود، نیز برسد.
سوختن این مقدار گوگرد مقدار زیادی انرژی گرمایی تولید می‌کند که در محاسبه انرژی کوره بایستی مورد توجه قرار گیرد. با توجه به این که واکنش‌پذیری مس با گوگرد، بیشتر از سایر عناصر موجود در کانی بوده و همچنین میل ترکیبی مس با اکسیژن کمتر از سایر فلزات و عناصر موجود می‌باشد، لذا می‌توان گفت هنگام تولید مَت مس، ابتدا تمام مس موجود در کانسنگ و سپس آهن در محیط گوگرد دار، سولفیده می‌شود. در حقیقت مقدار گوگرد موجود در سنگ معدن، عیار مَت را تعیین می‌کند.

1-5-اثرهای زیست محیطی ذوب کانسنگهای فلزی

فرایندهای ذوب و پالایش کانسنگهای فلزی به تولید گسیلهای گازی، ریزگرد، و پسماند مایع و جامد (سرباره) منجر می ‌شود. این مواد زائد به هوای اطراف گسیل شده، در سامانه‌های آب تخلیه شده و یا در سطح زمین دور ریخته می‌شوند (شکل 1-2). مهم‌ترین شکل آلودگی ناشی از صنعت تولید فلز، تخلیه گسیلها در جو است. دودکشهای بلند آلاینده‌ها را در ارتفاعی تخلیه می‌کتتد تا هنگام پراکنده شدن در جو پایینی به طور مؤثری رقیق شوند و به کیفیت هوا آسیبی نرسانند(Dobrin and Potvin, 1992). در جدول 1-2 آثار زیست محیطی ذوب مس و راههای کنترل آن آورده شده است، ودر بخشهای بعد اثرهای زیست محیطی فرایند ذوب بررسی می‌شود.

شکل1-1-اثرهای زیست محیطی ذوب فلزات (Dudka and Adriano, 1997)

جدول1-2-آلاینده‌های مهم ذوب کنسانتره‌های سولفیدی مس، اثرات و راههای کنترل آن (Chesti, 1991)
فرایند
آلاینده‌های تولید شده
اثر زیست محیطی
راههای جلوگیری
ذوب
ریزگرد و گاز
تهدید رشد حیات گیاهان
-کنترل شدید فرایند ذوب به منظور جلوگیری از تولید گازهای غنی از 〖SO〗_2 و حذف آنها
-استفاده از هوای غنی از اکسیژن برای ذوب
تشویه
گاز حاوی〖SO〗_2
تولید مشکلات متعدد بوم شناختی
متوقف نمودن فرایند ذوب، زمانی که واحد تولید اسید فعال نبوده یا تعطیل است. همچنین هنگامی که گازهای 〖SO〗_2 جذب نمی‌شوند.
تبدیل

-خارش و مشکلات مربوط به آن در بدن
-خوردگی تجهیزات کارخانه
-تهویه مناسب
-بازیابی گوگرد از گازهای حاوی〖SO〗_2 بصورت گوگرد عنصری، 〖SO〗_2 مایع یا H_2 SO_4
-مخلوط کردن جریان گاز عنی از 〖SO〗_2 با گاز حاوی〖SO〗_2 کم برای تولیدH_2 SO_4
-حذف〖SO〗_2 از راه شستشو با آمونیاک یا نمک قلیایی
-اصلاح دهانه کنورتور برای کاهش نشت گاز در فضای پیرامون
-شستشوی گاز باطله برای بازیابیZn
-استفاده از سیستم‌های پیشرفته تصفیه گاز/غبارگیری سیلکونها، گازشوها، جداکننده‌های الکتروستاتیک برای گازهای واحد تشویه و سیلکونهای چندگانه، گازشوهای
ونتوری

1-5-1- فروکاهی خاک
خاک سطحی