ينتج عن كل طن من الصلب المُنتَج في فرن القوس الكهربائي ما بين 15 و25 كيلوغرامًا من الغبار، وهو عبارة عن جزيئات دقيقة يتم التقاطها بواسطة مرشح الغبار. بالنسبة لمصهر ينتج 500 ألف طن سنويًا، يصل إنتاج الغبار إلى ما بين 7500 و12500 طن سنويًا. يُصنَّف هذا الغبار كنفايات خطرة في معظم الدول لاحتوائه على معادن ثقيلة، أبرزها الزنك والرصاص والكادميوم، والتي قد تتسرب إلى المياه الجوفية في حال دفنها.
تُشارك شركة مونتي إنتليجنس في أنظمة معالجة غبار أفران القوس الكهربائي منذ أكثر من عقد. تُعدّ مشكلة الغبار التزامًا بيئيًا وفرصة اقتصادية في آنٍ واحد، لأن غبار أفران القوس الكهربائي يحتوي عادةً على نسبة زنك تتراوح بين 15 و30%، وهي نسبة أعلى من العديد من رواسب خام الزنك التي يتم استخراجها حاليًا.
يعكس تركيب غبار أفران القوس الكهربائي مزيج الخردة. قد يحتوي الغبار الناتج عن مصانع صهر الخردة المجلفنة على نسبة زنك تتراوح بين 25 و35%. أما الغبار الناتج عن مصانع صهر الخردة الثقيلة والخردة المنزلية، فقد يحتوي على نسبة زنك تتراوح بين 8 و15% فقط. يحدد محتوى الزنك الجدوى الاقتصادية لإعادة التدوير: فعند تجاوز نسبة الزنك 15% تقريبًا، تحقق إعادة تدوير الغبار عائدًا إيجابيًا بشكل عام. أما عند انخفاض نسبة الزنك عن 10%، فقد تتجاوز تكلفة إعادة التدوير قيمة الزنك المستخلص، ويصبح تثبيته ثم التخلص منه في مكب النفايات الخيار الأمثل اقتصاديًا، على الرغم من أن التوجهات التنظيمية الحالية تُعارض هذا الخيار.
يستحق محتوى الرصاص في غبار أفران القوس الكهربائي اهتمامًا خاصًا لأنه يؤثر على كلٍ من عملية إعادة التدوير وقابلية تسويق منتج الزنك المستخلص. يتراوح محتوى الرصاص عادةً بين 1 و5%. يتشابه الرصاص والزنك كيميائيًا بدرجة تجعل فصلهما اقتصاديًا أمرًا صعبًا. تُنتج عملية فرن ويلز، وهي تقنية إعادة التدوير السائدة، منتج أكسيد الزنك الذي يحتوي عادةً على 0.5-2% من الرصاص. يُعد هذا مقبولًا لصناعة صهر الزنك، التي يمكنها تنقية المادة بشكل أكبر. مع ذلك، قد تتطلب مواصفات الرصاص الأكثر صرامة في بعض الأسواق خطوات تنقية إضافية تزيد من التكلفة.
تُعدّ عملية فرن ويلز العملية الأساسية لإعادة تدوير غبار أفران القوس الكهربائي، حيث تعالج ما يقارب 80% من إجمالي الغبار المعاد تدويره عالميًا. الفرن عبارة عن فرن أسطواني دوّار، يتراوح طوله عادةً بين 40 و60 مترًا وقطره بين 3 و4 أمتار، ويميل بزاوية تتراوح بين 2 و3 درجات عن الوضع الأفقي. يُخلط غبار أفران القوس الكهربائي مع مُختزل كربوني - عادةً ما يكون مسحوق فحم الكوك أو الفحم - ويُغذّى إلى الفرن. ومع تحرّك الشحنة داخل الفرن بفعل الدوران والجاذبية، تصل درجات الحرارة إلى ما بين 1100 و1300 درجة مئوية.
عند هذه الدرجات الحرارية، يُختزل أكسيد الزنك الموجود في الغبار بواسطة الكربون إلى بخار الزنك المعدني: ZnO + C → Zn(g) + CO. يخرج بخار الزنك من الفرن مع الغازات المنبعثة، ثم يُعاد أكسدته إلى أكسيد الزنك بواسطة الهواء المُدخل فوق الشحنة: 2 Zn(g) + O2 → 2 ZnO. يُجمع أكسيد الزنك في كيس تجميع أسفل الفرن. يحتوي هذا المنتج، المسمى أكسيد ويلز، عادةً على نسبة زنك تتراوح بين 55 و65%، ويُباع لمصاهر الزنك كمادة خام ثانوية.
تحتوي المخلفات غير المتطايرة من فرن ويلز - الخبث - على أكسيد الحديد والجير والسيليكا وبقايا المعادن الثقيلة. كان هذا الخبث يُدفن في مكبات النفايات، ولكنه يُستخدم بشكل متزايد كمادة ركامية في بناء الطرق أو كمادة خام في صناعة الإسمنت. يجب أن يجتاز الخبث اختبارات الترشيح (مثل اختبار TCLP في الولايات المتحدة أو EN 12457 في أوروبا) ليُصبح مؤهلاً لهذه الاستخدامات المفيدة.
تشمل التقنيات البديلة لفرن ويلز فرن الموقد الدوار (RHF)، وفرن المواقد المتعددة (MHF)، والعمليات القائمة على البلازما. يستخدم فرن الموقد الدوار موقدًا دوارًا مسطحًا بدلًا من الأسطوانة المائلة، مما يسمح بفترات بقاء أقصر وتحكم أدق في درجة الحرارة. أما فرن المواقد المتعددة، فيستخدم مواقد متراصة مزودة بأذرع متحركة لنقل المواد بين المستويات. وتستخدم عمليات البلازما قوسًا كهربائيًا أو شعلة بلازما للوصول إلى درجات الحرارة العالية اللازمة لتبخير الزنك، مع ميزة استخدام الكهرباء بدلًا من الوقود الأحفوري كمصدر للطاقة.
لكل تقنية مزاياها وعيوبها. يُعد فرن ويلز الخيار الأقل تكلفة رأسمالية للإنتاجية العالية (أكثر من 50,000 طن سنويًا)، ولكنه يتميز بتكاليف تشغيل أعلى نظرًا لاستهلاكه فحم الكوك. أما فرن التسخين بالهواء المضغوط (RHF) فيتميز بكفاءة طاقة أفضل وانبعاثات أقل، ولكنه يتطلب مواد تغذية أكثر تجانسًا. تتميز عمليات البلازما بأقل أثر بيئي، ولكنها الأعلى تكلفةً من حيث الكهرباء، وهو ما قد يُعد ميزةً في حال توفر الكهرباء منخفضة الكربون وتطبيق تسعير الكربون.
تتراوح معدلات استخلاص الزنك في عمليات أفران ويلز التجارية عادةً بين 90 و95%. وتشير معدلات الاستخلاص الأقل من 90% عادةً إلى وجود مشكلة في العملية، كعدم كفاية ظروف الاختزال في الفرن، أو قصر مدة التفاعل، أو سوء خلط الغبار والمادة المختزلة. ويمكن تحقيق معدلات استخلاص أعلى من 95% من خلال التشغيل الأمثل للفرن، ولكن قد لا تبرر التكلفة الإضافية لهذه النسبة القليلة المتبقية قيمة الزنك الإضافي المستخلص.
تُعدّ الخبث الغني بالحديد الناتج عن أفران الصهر مصدرًا هامًا يستحق اهتمامًا أكبر مما يحظى به عادةً. ينتج فرن ويلز، الذي يُعالج 100 ألف طن من غبار أفران القوس الكهربائي سنويًا، حوالي 60 ألف طن من الخبث. يحتوي هذا الخبث على نسبة حديد تتراوح بين 30 و40%، والتي يُمكن استخلاصها وإعادتها إلى عملية صناعة الصلب. يجري تطوير العديد من التقنيات لاستخلاص الحديد من خبث ويلز، بما في ذلك الفصل المغناطيسي والاختزال بالصهر، ولكن لم تُعتمد أي منها تجاريًا على نطاق واسع حتى الآن.
تُوفر شركة مونتي إنتليجنس أنظمة معالجة وتكييف الغبار لعمليات أفران القوس الكهربائي، بما في ذلك النقل الهوائي، والتكوير، والتخزين. كما نقدم استشارات حول استراتيجية إعادة تدوير الغبار، سواءً كان ذلك الاستثمار في إعادة التدوير في الموقع، أو الشحن إلى فرن ويلز المركزي، أو التعاقد مع جهة معالجة خارجية.
اتصل بـ helenxu@cnlymonte.com لتقييم خيارات إدارة الغبار في فرن القوس الكهربائي الخاص بك.
