بخشی از مقاله
چکیده
امروزه یکی از مهمترین منابع سرب بازیافتی باتریهای سرب-اسیدی هستند که به روش پیرومتالورژیکی مورد بازیابی قرار میگیرند. ذوب سرب در کورههای مختلفی انجام میگیرد که یکی از پرکاربردترین آنها کورههای گردان کوتاه هستند. فرمولاسیون بار ورودیاین نوع کورهها بسیار مهم بوده و در صورتی که شارژ ورودی کوره بهینه نباشد، میزان سرب سرباره بالا بوده و با توجه به تناژ بالای تولید، سالانه مقدار زیادی سرب به صورت پسماند در طبیعت رها شده و علاوه بر آلودهسازی منابع آبی به خصوص سفرههای زیرزمینی بهرهوری اقتصادی کارخانهها را نیز تحت تأثیر قرار خواهد داد. لذا در این پژوهش بعد از شبیهسازی فرآیند توسط نرمافزار HSC جهت تعیین دمای بهینه فرآیند، سعی بر این شد تا با استفاده از طراحی آزمایش اثر میزان افزودنیهایی مانند کک، آهن و کربنات سدیم مورد بررسی قرار گرفته و فرمولاسیون بهینه شارژ ورودی کوره به دست بیاید.
کلیدواژه: ذوب سرب، کوره گردان، فرمولاسیون شارژ.
-1مقدمه
سرب بازیافتی حاصل از بازیابی سرب موجود در محصولات حاوی سرب به ویژه باتریهای سرب-اسیدی، سرب ثانویه نامیده میشود.[1] سرب ثانویه یکی از مهمترین منابع تأمین سرب جهانی است، زیرا به طور متوسط حدود 85 درصد از محصولات تجاری حاوی سرب قابل بازیافت هستند.[2] سرب ثانویه را میتوان با استفاده از فرآیندهای پیرومتالورژیکی یا هیدرومتالورژیکی به دست آورد، ولی تا به حال فرآیندهای هیدرومتالورژیکی تنها در مراحل اولیه بازیافت مورد استفاده قرار گرفتهاند. در کل روشهای پیرومتالورژی در سه مرحله خردایش و افتراق، ذوب و تصفیه انجام میشوند.[3] نرخ بازیافت باتریهای قراضه به ویژه باتریهای سرب-اسیدی در کشورهای صنعتی مانند ژاپن، ایالات متحده و کشورهای اتحادیه اروپا در حال رشد بوده و روز به روز اهمیت آن بیشتر میشود.[4]
فرآیند ذوب کردن و کاهش دادن اغلب در کورههای گردان کوتاه انجام میگیرد، که در آن سرب قراضه از Pb، PbO2 و PbSO4 تشکیل شده و با کربن و آهن به عنوان عوامل کاهنده و کربنات سدیم به عنوان کمکذوب جهت جذب گوگرد داخل این کورهها شارژ میشوند6]،5و.[7 ممکن است در فرآیند ذوب از سیستمهای سربارهای FeO-SiO2-CaO نیز استفاده شود که در این صورت از کورههای دیگری مانند کوره بلند استفاده خواهد شد که دمای کاری آنها بالاتر است.[8] اما در کورههای گردان کوچک از سیستمهای سربارهای سودایی استفاده میشود که در این صورت واکنشهای اکسایش-کاهشی در دماهای بالاتر از 1000 درجه سانتیگراد رخ داده و سرباره تولدی شده معمولاً حاوی مقادیر زیادی اکسید آهن است. یک ترکیب نمونه از سرباره در جدول 1 آورده شده است.[9] همانطور که مشاهده میشود، ترکیبات آهنی و سدیمی بیشترین مقدار را در این ترکیب دارند.
تحقیقات مختلفی جهت اندازهگیری مقدار سرب موجود در باتری انجام شده است که از جمله آنها میتوان به پژوهش هوتئا و همکارانش اشاره کرد که در آن سرب موجود در شبکه، قطبها و پلها 44درصد، خمیر باتری 56 درصد حاوی 60 درصد سولفات سرب، 19 درصد اکسید سرب و 21 درصد سرب گزارش شده است.[10] در پژوهش دیگری نیز میزان سرب، سولفات و اکسید آن در خمیر باتری به ترتیب 20، 68 و 12 درصد گزارش شده است.[11]
ولی تا به امروز پژوهش جامعی در مورد نحوه بهینهسازی فرمولاسیون شارژ ورودی کورههای ذوب انجام نشده و هدف از این پژوهش انجام مطالعات و آزمایشهای جامع جهت بررسی فرمولاسیون شارژ ورودی کورههای گردان و بهینهسازی آن با استفاده از ذوب مواد اولیه در مقیاس آزمایشگاهی در داخل کوره مقاومتی است. به عبارت بهتر در این تحقیق مقدار مواد اولیه کک، آهن و کربنات سدیم به ازای مقدار مساوی از بار ورودی تغییر داده شده و نتایج حاصله مورد بررسی قرار گرفت تا بهترین فرمولاسیون ترکیب شارژ ورودیبه دست بیاید. جهت این کار از طراحی آزمایش به روش تاگوچی استفاده شد.
-3 مواد و روش آزمایش
-1-3 مواد
ابتدا از شارژ ورودی کورههای گردان نمونهبرداری انجام شده و مورد بررسی قرار گرفت. آنالیز ترکیبی این نمونه با اندازهگیری وزن هر یک از بخشهای باتری به ترتیبی که در جدول 2 نشان داده شده است، به دست آمد. بار ذوب شده در همه آزمایشها بر اساس این آنالیز آمادهسازی شدهاند.
کک مورد استفاده در این آزمایش از همان کک مورد استفاده در کورههای گردان 50 تنی بوده و مورد آنالیز قرار گرفت. نتایج این آنالیز نشان داد که این کک حاوی حدود 70 درصد کربن و بقیه سیلسیس و دیگر مواد آلی هستند. کربنات سدیم مورد استفاده نیز همان کربنات سدیم با گرید صنعتی بود که در کورههای گردان بزرگ مورد استفاده قرار میگیرد. آهن ورودی نیز همان سوفالههای آهنی مورد استفاده در کورههای گردان صنعتی بود.
-2-3 روش آزمایش
همانطور که ذکر شد ابتدا با استفاده از نرمافزار HSC شرایط فرآیند ذوب در داخل کوره گردان شبیهسازی شده و دمای بهینه برای رسیدن به بالاترین بازدهی ذوب به دست آمد تا آزمایشها در این دما انجام شوند. جهت اجرای شبیهسازی ابتدا ترکیب 1000 گرم شارژ ورودی و افزودنیها به همان مقداری که در کورههای گردان صنعتی به شارژ افزوده میشوند، در نرمافزار وارد شده و با ثابت نگه داشتن همه پارامترها تنها دما تغییر داده شد. سپس به منظور بررسی اثر سه پارامتر مقدار کک، سوفاله آهن و کرنبات بر روی میزان بازدهی ذوب است. برای هر پارامتر سه سطح در نظر گرفته شد که در جدول 3 نشان داده شده است. مقادیر ذکر شده در این جدول درصد ماده از کل شارژ آمادهسازی شده در داخل بوته است. به عبارت بهتر منظور از 5 درصد کک، این است که به 100 گرم شارژ 5 گرم کک اضافه شده است. آزمایش-ها با استفاده از روش تاگوچی به نحوی که در جدول 4 نشان داده شده است، طراحی شد. برای انجام آزمایش ابتدا مقدار معینی بار در داخل بوتههای کوچک با توجه به ترکیب شارژ ورودی نشان داده شده در جدول 2 آمادهسازی شده و سپس افزودنیها با توجه به جدول 4 به آن اضافه شدند. در نهایت بوته در داخل کوره مقاومتی در دمای بهینه قرار داده شد تا میزان بازدهی ذوب برای هر آزمایش به دست بیاید.
-4 نتایج
-1-4 شبیهسازی توسط نرمافزار HSC
نتایج مربوط به شبیهسازی انجام شده در محیط نرمافزاری HSC در شکل 1 نشان داده شده است. همانطور که مشاهده میشود در دمای 1200 درجه بیشترین میزان سرب به دست آمدهاست. در واقع این شکل فازهای تعادلی ایجاد شده در هر دما از نظر ترمودینامیکی را نشان میدهد و سینتیک واکنشها را مورد بررسی قرار نمیدهد. ولی با توجه به این که در دماهای بالا سینتیک واکنشها بالاست، لذا در صورتی که از نظر ترمودینامیکی فازهای تعادلی پایدار باشند، از نظر سینتیکی نیز به احتمالزیاد این فازها ایجاد خواهند شد.
