Towards sustainable processes: the revamping of a ferrite pruduction plant

The ongoing rise in raw material costs such as water and methane, coupled with a growing awareness of environmental issues, has generated the need for manufacturing companies to improve their production process. The goal is to become more efficient, reduce waste, and cut down any consumption that can be restrained through a more conscious use of resources. These needs need not necessarily result in additional costs for the company. Thanks to process knowledge and engineering, it’s possible to find solutions that lead to production improvements and a reduction of overall costs. This thesis will analyze the process of ferrite production and all the units responsible for removing pollutants from the outflows at the ILPEA plant in Malgesso (VA). First, the current plant will be described; then, it will be compared with the plant proposed and analyzed in this thesis, with particular attention to variations in energy and water consumption. Finally, it will be demonstrated how the dust produced will be managed more efficiently with the new plant. The existing plant primarily comprises: (1) rotating kilns that allow for the calcination of iron oxide and other substances to produce the final ferrite; (2) an exhaust gas treatment plant (which, being rich in dust and HCl, must be treated in a wet scrubber); (3) treatment tanks where all the wastewater used, both for treating ferrite and from the scrubber, gathers. The existing process doesn’t have a heat recovery system, as a result all the thermal power of the kilns (approximately 4300 kW) isn’t utilized at all. As for water consumption, the wet scrubber consumes 25m3/h, in contrast to 1,5m3/h consumed by the ferrite treatment; the scrubber, therefore, is the unit that uses the most water. The new plant will be designed around these points: recovery of energy exiting the kilns and reduction of water consumption by the water and gases treatment units. The wet scrubber system will be replaced by a dry filter (baghouse) which will save water for flue gases treatment and also reduce, simultaneously, the amount of dust released into the atmosphere, going from 26 mg/N m3 to 2,1 mg/N m3. Moreover, there will be a significant improvement in HCl concentration due to the potential for injecting NaOH directly into the flues gases. For energy recovery, an economizer will be installed following the filter, which will enable the recovery of approximately 900 kW from a flow of dust-free air; this will decrease from 220°C to 120°C to prevent acidic condensation. Secondly, 80 kW will be recovered from the ferrite exiting the kilns through an air-solid prototype exchanger. To improve water consumption in the plant, the intention is to introduce a vacuum evaporator that allows recovery of the ferrite treatment wash water (since the first four washes are highly acidic and are currently externally disposed of). Through simulations, it is estimated to recover 89% of the incoming water (0,56m3/h) and to produce waste that is almost solid and easily disposable. The idea is to have the evaporator run on the steam generated by the energy recovered, with a requirement of 350 kW. The new plant, designed as such, will lead to an 89% reduction in water consumption and 23% energy recovery; besides, the system will also enable a 92% improvement in HCl emissions and dust.

Il continuo aumento dei costi delle materie prime come acqua e metano e una presa di coscienza sempre maggiore delle problematiche ambientali hanno creato il bisogno nelle aziende manifatturiere di migliorare il processo produttivo per diventare più efficienti, ridurre gli sprechi e in generale ridurre tutti quei consumi che possono essere contenuti attraverso un utilizzo più consapevole delle risorse. Queste necessità non devono per forza tradursi in un costo aggiuntivo a carico dell’azienda: grazie alla conoscenza del processo e all’ingegneria, è possibile trovare delle soluzioni che possano portare a delle migliorie produttive e ad una riduzione dei costi generali. Verranno analizzati il processo attraverso il quale si produce ferrite e tutte le unità preposte alla rimozione di inquinanti dai flussi uscenti dall’impianto ILPEA di Malgesso(VA). Per primo verrà descritto l’impianto at- tuale; in seguito, questo sarà comparato con l’impianto proposto e analizzato in questa tesi, facendo attenzione alla variazione di consumo di energia e d’acqua; infine, verrà mostrato come, con il nuovo impianto, le polveri prodotte verranno gestite in modo più efficiente. L’impianto attuale è composto principalmente da: (1) forni rotanti che permet- tono la calcinazione dell’ossido di ferro e di altre sostanze per arrivare alla ferrite finale; (2) l’impianto di trattamento dei fumi esausti (che essendo ricchi di polveri e HCl, devono es- sere abbattuti in un impianto a umido); (3) dalle vasche di trattamento, dove convogliano tutte le acque utilizzate sia per trattare la ferrite sia provenienti dallo scrubber. Il processo attuale non ha un sistema di recupero calore, di conseguenza, tutta la potenza termica dei forni( circa 4300 kW) non viene recuperata in alcun modo. Per quanto riguarda il consumo di acqua, lo scrubber a umido consuma 25 m3/h, a confronto con i 1,5 m3/h con- sumati dal trattamento della ferrite: lo scrubber è dunque l’unità che consuma più acqua. Il nuovo impianto deve essere progettato seguendo questi punti: recupero dell’energia us- cente dal forno, riduzione del consumo d’acqua delle unità di trattamento acqua e fumi. Il sistema a scrubber umido verrà sostituito da un filtro a secco (baghouse) che permet- terà di risparmiare acqua per il trattamento dei fumi e di ridurre, allo stesso tempo, la quantità di polveri rilasciate in atmosfera, passando da 26 mg/N m3 a 2,1 mg/N m3; vi sarà inoltre un netto miglioramento della concentrazione di HCl, grazie alla possibilità di iniettare NaOH direttamente nei fumi. Per il recupero di energia verrà installato un economizer dopo il filtro, che permetterà di recuperare circa 900 kW da un flusso di aria senza polveri; quest’ultimo passerà da 220 °C a 120 °C per evitare condense acide. In secondo luogo, dalla ferrite in uscita dai forni verranno recuperati 80 kW attraverso uno scambiatore prototipo aria/solido. Per migliorare il consumo di acqua nell’impianto l’idea è quella di introdurre un evaporatore sottovuoto che permetta un recupero dell’acqua dei lavaggi di trattamento della ferrite ( dato che i primi quattro lavaggi sono fortemente acidi e vengono attualmente smaltiti da esterni). Tramite simulazioni, si stima di recu- perare l’89% dell’acqua entrante (0,56 m3/h) e di produrre un rifiuto pressochè solido e facilmente smaltibile. L’idea è quella di far funzionare l’evaporatore grazie al vapore che si genera dal recupero di energia, con un fabbisogno di 350 kW. Il nuovo impianto, così composto, porterà ad una riduzione del consumo d’acqua pari all’89% e ad un recupero di energia pari al 23%; oltre a questo, il sistema permetterà anche un miglioramento delle emissioni di HCl e delle polveri del 92%.