Aprovechamiento del calor residual en hornos rotativos de calcinación para la producción de ferroníquel en Cerro Matoso

Grupo M3

Juan Sebastian Barón Bovea

Wilmariam Charris Orozco

Sofía Carolina García Barreneche

Sergio Andrés Gnecco Dávila

Neido Andrés Payares Ospino

Sebastian Alberto Santiago Torres

1. Planteamiento del problema

La obtención y procesamiento de ferroníquel se ha convertido en uno de los puntos más importantes y críticos de la metalurgia extractiva en los últimos años [1]. Este incremento tiene su origen en las propiedades mecánicas y térmicas del níquel que permiten que se convierta en el elemento ideal para la producción de acero inoxidable. La gran resistencia a la corrosión y al calor que proporciona el níquel mejoran en gran porcentaje el rendimiento de estos aceros [2]. 

El acero inoxidable es el metal sintético más importante del mundo, y su producción se ha incrementado sustancialmente en los últimos años. Esto convierte a la producción de ferroníquel en un proceso imprescindible en la actualidad. Las tasas de producción de metales como cobalto, molibdeno, tantalio o vanadio son demasiado pequeñas para ser sustitutos viables del níquel [3]. En Latinoamérica, se encuentra una de las minas más grandes del mundo a cielo abierto de este mineral: Cerro Matoso, Colombia.

La obtención de ferroníquel se lleva a cabo por medio de distintos procesos como se presentan en la sección 2.4.1. A manera de resumen, se ejecutan las etapas de extracción, preparación del mineral, calcinación, reducción-fusión y refinación. Tanto en la etapa de secado (preparación) como en la de calcinación se emplean hornos rotativos (proceso RKEF, Rotary Kiln-Electric Furnace). 

El proceso RKEF es usado con alta frecuencia en países como China debido a la alta eficiencia de producción y su gran adaptabilidad con distintos tipos de minerales lateríticos. El uso de hornos rotatorios es variado y ampliamente empleado en otras industrias, tales como la producción de cemento, la metalurgia, en productos químicos, etc., debido a su mezclado eficiente y capacidad de transferencia de calor [4].

Sin embargo, el gran consumo energético que exige el uso de estos hornos y la gran cantidad de calor de rechazo requieren alternativas a implementar para la recuperación de energía, con el fin de mejorar el proceso RKEF. Solamente para el horno de fundición se requieren alrededor de 7237 kWh por cada tonelada de ferroníquel [5]. Para poner en contexto, durante la fase de molienda del proceso de producción de cemento se emplean hornos que consumen 100 kWh/tonelada [6], es decir, 1,38% de lo demandado por el horno de fundición. Para el caso de la fase de calcinación se demandan alrededor de 308 kg de gas natural y 10,053 Nm3 de aire comprimido por tonelada de FeNi, y se llega a requerir hasta un 44% de la energía total [5].

Teniendo en cuenta que la pérdida de energía en el agua de refrigeración y las paredes son factores inevitables en el proceso RKEF, se deben analizar alternativas a emplear en el mejoramiento de la planta de Cerro Matoso, en Colombia. Una de las principales medidas de ahorro de energía en el proceso de producción de ferroníquel consiste en el aprovechamiento energético de calor residual del horno de calcinación [7]. Este calor puede ser aprovechado para reducir los requerimientos energéticos demandados por el proceso de secado. El presente proyecto se centra en el análisis de la transferencia de calor asociada en el proceso de calcinación y se buscan alternativas para la recuperación de energía que se puedan implementar en Cerro Matoso, esto con el fin de reducir las exigencias energéticas inherentes en el proceso de secado.

2. Solución del problema