Обжиг сульфидных концентратов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Теоретическая часть

1.1 Печи для обжига сульфидных концентратов в кипящем слое

1.2 Окислительный обжиг сульфидных медных концентратов

1.3 Научные основы окислительного обжига медных концентратов

1.4 Практика обжига медных концентратов

2. Технологические расчеты

2.1 Обжиг медных концентратов в кипящем слое

2.2 Выход обоженного медного концентрата и его химический и рациональный состав

2.3 Тепловой баланс обжига

2.4 Расчет размеров печи для обжига в кипящем слое

Литература



Введение

печь обжиг сульфидный концентрат

Производства цветных и черных металлов связано с протеканием высокотемпературных, весьма энергоёмких процессов. Как развитие металлургии в целом, так и различных ее переделов всегда сопряжено с совершенствованием существующих или внедрением новых теплотехнических процессов.

В современном понимании печь - это тепловой агрегат, в котором происходит получение теплоты из того или иного вида энергии и передача ее материалу, подвергаемому обработке.

Подвергающее большинство процессов, протекающих в печах, совершается при высоких температурах и связано с большими затратами тепловой энергии. Высокая энергоёмкость печных процессов делает металлургическую теплотехнику ответственной за энергетические показатели работы печей, на долю которых приходится очень большая часть всей энергии. Тепломассообменные процессы, протекающие в рабочем пространстве печей, сложны и многообразны.

Большое разнообразии конструкций и режимов работы печей, применяемых на заводах цветной металлургии, обусловлено существованием огромного количества постоянно совершенствуемых технологий производства различных цветных металлов и сплавов. Основное назначение печи состоит в том, чтобы создать в ее рабочем пространстве наиболее благоприятные условия для реализации технологического процесса в результате использования тепла, которое принято называть рабочим видом энергии. Всех процессов, протекающих в печи, главным является технологический. все остальные подчиняются ему и их развитие должно быть таким, чтобы технологический процесс проходил с наилучшими количественными и качественными показателями.

Создание новых и совершенствование существующих конструкций печей - сложная научно-техническая задача, решение которой связано с изучением опыта работы агрегатов различного назначения в производственных условиях и детальным исследованием протекающих в их рабочем пространстве процессов тепло- и массопереноса.

В технических науках, в рамках которых изучают производство отдельных групп цветных и редких металлов, в качестве основных классификационных признаков печей обычно используют вид и основные характеристики реализуемых в них процессов, а также особенности конструкций отдельных агрегатов. В общей теории печей классификационными признаками служат режимы их тепловой работы.

Печи могут быть отнесены к одному классу, если они имеют, по крайней мере, один общий отличительный признак. Его выбор зависит от характера систематизируемых данных. Например, когда основным объектом изучения служат процессы теплогенерации, печи делят на классы по виду источника тепла; при систематизации данных технологических исследований - по характеру протекающих в них технологических процессов; при анализе тепловой работы - по режимам их работы и т.д. Внутри класса различают типы и группы печей с двумя, тремя и большим числом отличительных признаков.



1. Теоретическая часть

1.1 Печи для обжига сульфидных концентратов в кипящем слое

Печи (реакторы) кипящего слоя являются основными агрегатами для проведения высокотемпературного окислительного обжига полидисперсных сульфидных концентратов, используемых в качестве сырья при производстве цинка, меди, молибдена и ряда других металлов. Выделяющееся в них тепло используют на нагрев и сушку шихты, термическую диссоциацию неустойчивых химических соединений, а также на то, чтобы обеспечить благоприятные температурные условия для проведения обжига сульфидов. По энергетическому признаку обжиговые печи представляют собой печи-теплогенераторы с массообменным режимом тепловой работы. Их название связано с особым аэродинамическим состоянием слоя перерабатываемого материала, при котором твердые частицы и газообразный окислитель образуют псевдогомогенную (внешне однородную) систему, ведущую себя подобно кипящей жидкости.

1. Окислительный обжиг сульфидных медных концентратов

Назначение и сущность окислительного обжига медных концентратов

Как уже говорилось, при отражательной плавке сырой шихты происходит в основном расплавление шихты и отделение сульфидов от оксидных соединений пустой породы. Содержание меди в получающемся штейне лишь немногим выше ее содержания в концентрате. Практически все железо, которое было связано в концентрате с серой, так и остается связанным с ней и почти целиком переходит в штейн. Меняется лишь форма его соединения: пирит при плавке разлагается и переходит в пирротин. В результате количество получающегося штейна оказывается высоким, а содержание в нем меди низким, особенно при плавке концентратов с малым содержанием пустой породы. Чтобы управлять составом |штейна и хотя бы частично использовать серу концентрата для производства серной кислоты, уменьшая тем самым выбросы серы в атмосферу, перед отражательной плавкой и некоторыми другими видами плавок в технологическую схему иногда вводят частичный окислительный обжиг.

Обжигом называют пирометаллургический процесс, проводимый в интервале температур 600--1200°С с целью изменения химического и фазового состава перерабатываемого сырья. За исключением обжига со спеканием, обжиговые процессы являются твердофазными.

В цветной металлургии применяют несколько видов обжига: окислительный, восстановительный, кальцинирующий и хлорирующий. Все виды обжиговых процессов относятся к категории подготовительных операций перед плавкой или гидрометаллургической переработкой исходного сырья. При производстве меди и никеля практически используют только окислительный обжиг во всех разновидностях.

Окислительный обжиг применяют для подготовительной обработки сульфидных материалов (руд, концентратов и полупродуктов) перед плавкой или выщелачиванием с целью частичного или полного перевода сульфидов в оксиды по реакции

2MeS + 30₂ = 2МеО + 2S0₂ + Q. (38)

Разновидностью окислительного обжига является сульфатизи-рующий обжиг:

MeS + 20₂ = MeS0₄ + Q. (39)

Сульфатизирующий обжиг применяют только в гидрометаллургии с целью перевода извлекаемых металлов в водорастворимые сульфаты, а железа -- в нерастворимые оксиды.

Окисление сульфидов тяжелых цветных металлов и железа до сульфатов возможно только при 500--600 °С. При 700--900 °С и выше их окисление протекает по реакции (38).

Частичный окислительный обжиг применяют для подготовки медных, медно-цинковых и медно-никелевых руд и концентратов к плавке на штейн. Его можно проводить с получением порошкообразного продукта -- огарка (обжиг на «порошок») или со спеканием (агломерирующий обжиг). Полным окислительным обжигом (обжигом «намертво») готовят к восстановительной плавке на металл измельченный никелевый файнштейн и богатый никелевый концентрат.

Основным назначением окислительного обжига медных концентратов перед плавкой на штейн являются частичное окисление сульфида железа и перевод последнего в оксидную форму для того, чтобы при последующей плавке огарка больше железа перешло в шлак. Тогда штейны будут получены с большим содержанием меди. Конечный состав штейна при этом определяется тем, сколько серы было удалено при обжиге, т. е. сколько сульфидов железа было окислено. Обычно степень десульфуризации при обжиге составляет 70--75%.

Окисление сульфидов при обжиге осуществляется при повышенных температурах (700--900 °С). Необходимая для процесса обжига теплота получается за счет экзотермических реакций окисления сульфидов.

Выделяющейся в условиях обжига рудных концентратов и пром-продуктов тяжелых цветных металлов теплоты, как правило, более чем достаточно для самопроизвольного протекания процесса в практических условиях, т. е. обжиговые процессы, применяемые в металлургии меди и никеля, являются типичными автогенными процессами.

Получающиеся при обжиге газы содержат (в зависимости от технологии) 6--12% SО₂, что позволяет до 70% серы исходного концентрата использовать для производства серной кислоты.

Кроме того, в процессе обжига шихта нагревается и тщательно перемешивается с флюсами. Плавка горячей, хорошо термически подготовленной шихты в отражательной печи протекает быстрее и требует меньшего расхода топлива. Повышение производительности печей и сокращение расхода топлива -- также важная причина, побуждающая иногда вводить в технологическую схему процесс обжига.

1.3 Научные основы окислительного обжига медных концентратов

Процесс окислительного обжига сульфидных медных концентратов включает следующие элементарные стадии: нагрев и сушку шихты, термическую диссоциацию высших сульфидов и других неустойчивых химических соединений, воспламенение и горение (окисление) сульфидов.

Нагрев шихтовых материалов сопровождается удалением влаги и происходит как за счет теплопередачи от горячих газов, так и за счет теплоты реакций окисления. После нагрева шихты до температуры около 350--400 °С начинаются почти одновременно процессы диссоциации сульфидных минералов, воспламенение продуктов их разложения и других сульфидов.

Окисление сульфидов начинается с их воспламенения Температура воспламенения -- это та температура, при которой количество выделяющегося тепла становится достаточным для начала интенсивного горения всей массы обжигаемого сульфидного материала При более низкой температуре скорость окисления сульфидов настолько мала, что выделяющаяся в результате реакции теплота полностью теряется на возмещение тепловых потерь в окружающее пространство. Температура воспламенения сульфидов фактически определяет начало процесса обжига.

Температура воспламенения отдельных сульфидов различна и зависит от их индивидуальных физико-химических свойств и тонины помола. В табл. 12 приведена температура воспламенения некоторых сульфидов в зависимости от их крупности.

Из данных табл. 12 следует, что наименьшую температуру воспламенения имеет присутствующий в шихте в наибольших количествах пирит, что обычно и определяет температуру воспламенения концентрата. Температура воспламенения сульфидов ограничивает возможный нижний температурный предел проведения процесса обжига.

Окислению высших сульфидов предшествует их диссоциация [см. реакции (5) -- (8)].

Присутствие кислорода в атмосфере обжиговых печей способствует протеканию реакции диссоциации, поскольку связывает выделяющуюся серу в SO₂, что снижает ее парциальное давление в газовой фазе. Реакции диссоциации протекают с поглощением теплоты, что не позволяет сильно разогреваться частице и ее поверхности в начальной стадии окисления. Кроме того, выделяющиеся пары элементарной серы препятствуют доступу кислорода к поверхности сульфидов. Иными словами, пока бурно протекают реакции диссоциации, преимущественно окисляются выделяющиеся пары элементарной серы.

Для ускорения процесса окисления нужен интенсивный массообмен в газовой фазе, обеспечивающий удаление от поверхности твердых частиц продукта реакции -- S0₂, а следовательно, облегченный подвод к частице окислителя. Вполне естественно, что более крупные частицы будут окисляться медленнее. В конечном итоге внутри окисляемой частицы может сохраниться сульфидное ядро.

Окисление низшего сульфида железа (пирротина) можно выразить следующими суммарными реакциями:

3FeS + 50₂ = Fe₃0₄ + 3S0₂; (40)

2FeS + 31/2О₂ = Fe₂0₃ + 2S0₂. (41)

Реакции эти не отражают механизма окисления, а лишь фиксируют конечный результат процесса. Обычно в огарке присутствуют как магнетит, так и гематит. При частичном обжиге отношение Fe₂0₃/Fe₃0₄ в основном определяется температурой и временем обжига. При повышении температуры это отношение возрастает, но незначительно и составляет =1:1.

Наиболее надежные данные о составе равновесных фаз дают диаграммы состояния. На рис. 75 приведены изотермические разрезы диаграммы состояния системы Fe--S--О. Они показывают, что в зависимости от конечного состояния равновесия (температуры, p_so2 и р_о2) получаются различные конечные продукты.

При низких температурах и высоких парциальных давлениях S0₂ и 0₂ стабильными фазами являются сульфаты, а при более высоких температурах оксиды. Таким образом, нижний предел температур проведения окислительного обжига определяется температурой полного разложения сульфатов, соответствующей практически 750 °С. Сульфатизирующий обжиг, наоборот, проводят при низких температурах.

1.4 Практика обжига медных концентратов

В настоящее время для обжига медных концентратов на «порошок» используют преимущественно обжиговые печи кипящего слоя (КС). Механические многоподовые печи сохранились на ряде зарубежных предприятий, а в Советском Союзе -- на Красноуральском медеплавильном комбинате. Распространенность обжига в медной промышленности характеризуется следующими цифрами: за рубежом обжигу подвергают 4%, а в Советском Союзе -- около 30% перерабатываемых медных концентратов.

На рис. 76 приведена схема, поясняющая сущность процесса обжига в кипящем слое. Если под перфорированной решеткой /, на которой помещен слой концентрата 2, постоянно повышать давление, то вначале (участок I), несмотря на значительное возрастание давления, количество воздуха, проходящего через слой материала, возрастает медленно. Когда давление достигает определенной величины, расход воздуха начинает резко возрастать при не-, большом дальнейшем увеличении давления. При давлении р слой материала поднимается, объем, занимаемый слоем концентрата, увеличивается, происходит резкое увеличение пористости материала, частицы концентрата переходят в состояние витания -- непрерывного возвратно-поступательного движения в вертикальной плоскости. По внешнему виду такой слой витающих частиц напоминает кипящую жидкость, почему процесс и получил название «обжиг в кипящем слое». В этом состоянии кипящий слой твердого материала приобретает основные свойства жидкости -- подвижность, текучесть, способность принимать форму и объем вмещающего сосуда и т. д.

Увеличение давления на участке II ведет к дальнейшему увеличению объема, занимаемого витающими частицами концентрата, свободное пространство между частицами возрастает. Чрезмерное увеличение расхода дутья переведет шихту во взвешенное состояние, что будет сопровождаться интенсивным пылевыносом обжигаемых частиц.

Таким образом, формирование кипящего слоя проходит в два этапа. Вначале образуется разрыхленный (фильтрующий) слой, который при определенных параметрах дутья переходит в псевдо-ожиженное состояние.



Характерной особенностью процессов, протекающих в кипящем слое, является то, что каждая частица шихты со всех сторон омывается газами, благодаря чему эффективно используется огромная активная поверхность концентрата. Хороший контакт сульфидных частиц с газами и их большая удельная поверхность обусловливают высокую скорость протекания реакций, а следовательно, и высокую удельную производительность печи (до 20--25 т/м² в сутки), во много раз превышающую удельную производительность механических многоподовых печей.

Высокая скорость протекания процесса обусловливает практически полное использование кислорода, несмотря на сравнительно небольшое время его пребывания в слое (примерно 3 с). Это в свою очередь является причиной получения богатых по содержанию S0₂ газов (12--13%). Отсутствие в газах свободного кислорода несколько меняет термодинамическую обстановку протекания реакций, способствуя разложению сульфатов в слое материала.

Другой, не менее важной особенностью протекания процессов в кипящем слое является очень высокая интенсивность массо- и теплообмена. Печь КС может рассматриваться как аппарат идеального смешения. В вертикальных разрезах практически не удается обнаружить ни разности температур, ни разности состава материала в различных частях печи.

Высокие скорость протекания реакций окисления и удельная производительность агрегата являются причиной того, что при обжиге обычных по составу концентратов (28--32% S) даже при использовании холодного воздушного дутья в процессе выделяется избыточное количество тепла. Если не принимать специальных мер, температура будет непрерывно возрастать, превысит температуру начала плавления материала, он начнет спекаться и даже плавиться. В предельном случае кипение вообще прекратится и в печи образуется козел. Для того чтобы этого не происходило и температура удерживалась в заданных пределах (750--800 °С), необходимо отводить избыточное тепло из слоя.

Для регулирования температуры применяют несколько способов, которые в каждом конкретном случае выбирают с учетом характера технологического процесса и условий производства. Можно, например, изменять скорость питания печей исходным материалом, возвращать в печь часть охлажденных продуктов обжига (огарка, пыли или газов), подавать в кипящий слой инертные жидкие или газообразные материалы (воду, азот и т. д.), вводить в слой обжигаемого материала охлаждаемые элементы, устанавливать в кладке на уровне кипящего слоя водоохлаждаемые кессоны.

Продувание воздуха через слой мелких материалов (70 мкм) неизбежно связано со значительным выносом пыли. В зависимости от удельной производительности печи, а следовательно, и от скорости движения газов вынос пыли может достигать 85--90% от массы шихты. Поэтому печи кипящего слоя оборудуют мощной системой пылеулавливания (циклоны, электрофильтры). Уносятся в первую очередь наиболее мелкие, хорошо обожженные частицы. Поэтому пыль является готовым продуктом и объединяется с огарком.

Отличительной особенностью пыли часто является повышенное содержание в ней сульфатов. Если печь и газовый тракт недостаточно герметизированы и имеет место подсос воздуха, то при понижении температуры создаются благоприятные условия для образования вторичных сульфатов, что нежелательно.

Для уменьшения пылевыноса и дальнейшего увеличения удельной производительности печей КС может быть использована грануляция (окатывание шихты). Для обжига в кипящем слое гранулы должны быть не слишком крупными и иметь по возможности одинаковый размер. Обжиг гранул в кипящем слое позволяет увеличить скорость газов в печи, а вместе с этим и удельную производительность. Пылеунос при этом уменьшается.

Другой прием уменьшения пылеуноса -- повышение температуры в газовом пространстве печи для укрупнения частиц за счет их слипания при частичном оплавлении. Повышение температуры может быть достигнуто, например, подачей кислорода выше кипящего слоя. Температура при этом возрастает за счет дополнительного окисления сульфидов. Укрупнившиеся частицы опускаются в слой огарка.

Для осуществления обжига в кипящем слое сульфидных материалов применяют печи с вертикальным рабочим пространством, отличающиеся устройством отдельных узлов, геометрическими размерами и формой поперечного и вертикального сечений. В поперечном сечении печи КС могут быть круглыми, прямоугольными или эллиптическими, в вертикальном -- цилиндрическими или расширяющимися кверху.

Независимо от особенностей конструкции любая обжиговая печь КС (рис. 77) имеет ряд обязательных узлов и деталей: вертикальную шахту со сводом, под с соплами, воздухораспределительные камеры, загрузочное (форкамера) и разгрузочное устройства и газоход. Места загрузки и разгрузки обычно располагаются на противоположных сторонах печи.



Рабочая камера печи выполнена в виде металлического кожуха, футерованного изнутри шамотным кирпичом и покрытого снаружи слоем теплоизоляционного материала. Свод печи изготовлен из огнеупорного кирпича.

Под печи представляет собой устройство, обеспечивающее равномерное распределение подаваемого в слой обжигаемого материала воздуха и предотвращающее провал мелкого сыпучего материала в воздушные камеры. Обычно его выполняют из жароупорного бетона с отверстиями для воздухораспределительных сопел колпачкового типа (рис. 78). Сопла располагаются равномерно по всей площади пода в шахматном порядке с расстоянием между рядами 200--300 мм. Количество сопел на 1 м² пода колеблется от 30 до 50 шт.

Конструктивно сопло состоит из головки с отверстиями и направляющей трубки. Почти каждое действующее металлургическое предприятие использует сопла различной конструкции. На рис. 79 показано устройство сопел трех типов.

Загрузку шихты осуществляют через форкамеру (см. рис. 78), имеющую повышенную плотность размещения воздушных сопел. Обжигаемый материал может подаваться с любым содержанием влаги вплоть до пульпы.

Разгрузка огарка из печей КС осуществляется через сливной порог (рис. 80,а) или через донную течку, расположенную на уровне подины (рис. 80,б). Высота размещения сливного порога (обычно 1,5--2 м) определяет уровень кипящего слоя. Через порог огарок «сливается» самопроизвольно по мере загрузки шихты и образования в печи его избыточного количества. В случае донной разгрузки огарка высоту кипящего слоя регулируют скоростью разгрузки материала с помощью шибера (стопора).

Конструкция обжиговых печей КС очень проста, а их работа легко поддается автоматизации и механизации.

Аппаратурная схема обжигового передела на медеплавильном заводе состоит из двух отделений: подготовки шихты и собственно обжига (рис. 81).

Отделение подготовки шихты предназначено для складирования и дозировки сырьевых материалов, их подсушки в трубчатых печах, смешения компонентов шихты в механизированном шихтарнике и транспортирования готовой шихты в обжиговое отделение.

Печи КС для обжига медных шихт имеют цилиндрическую форму с вертикальными стенками или с расширенным надслоевым пространством. Ниже приводятся основные характеристики некоторых обжиговых печей медного производства:

Диаметр печи, м:

в зоне кипящего слоя .... 4,6 4,7 4,2

в надслоевом пространстве . . 4,6 7,5 5,0

Высота печи, м 9,6 11,0 10,0

Площадь пода, м²:

общая 16,5 17,5 24,0

форкамеры -- 2,0 4,5

Высота сливного порога, м . . . 1,7 1,7 Донный слив

Число сопел:

в подине 840 885 960

в форкамере -- 84 179

В результате обжига медных шихт в печах КС получаются следующие продукты: огарок, пыль из циклонов и электрофильтров и газы.

При обжиге медной шихты вследствие различия у частиц крупности и массы происходит сегрегация компонентов в самом кипящем слое, что приводит к перераспределению элементов между огарком и пылью. Огарок обогащается более крупными частицами флюсов (кварца и известняка), а пыль -- менее крупными (химическими соединениями меди, железа, цинка и др.). При этом пыли обогащены и серой. Смешение уловленной пыли с огарком устраняет вредное влияние сегрегации компонентов шихты.



Составы шихты и продуктов обжига в печах КС на примере одного из отечественных заводов приведены в табл. 13.

Пылевынос из печей КС при прочих равных условиях определяется конфигурацией (объемом) надслоевого пространства. В печах цилиндрической формы вынос пыли достигает 90% от загрузки, а в печах с расширением кверху он может снижаться до 30%.

Все твердые продукты обжига поступают в общий бункер, где перемешиваются и оттуда далее направляются на плавку.

Концентрация SО₂ в обжиговых печах КС внутри самой печи составляет 14--15%. Однако в системе газоходов и пылеулавливания вследствие подсосов воздуха она снижается до 11 --12% В связи с тем что сернокислотному производству требуются газы с 7-- 8% S0₂, к обжиговым газам подмешивают бедные конвертерные газы, содержащие около 3% SO₂.

Важным показателем процесса обжига является распределение ценных спутников между продуктами обжига. Согласно имеющимся практическим данным переход ценных спутников в пыль при обжиге характеризуется следующими цифрами, %: 60--80 As; 20--40 Sb; 10--15 Bi; 25--50 Se; 10--20 Те; 5--10 In; 50--70 Tl; 5--20 Cd; 5--10 Pb; 5--7 Zn.

Механические многоподовые печи до сравнительно недавнего времени являлись основными обжиговыми печами, применяемыми не только в медной и никелевой промышленности, но и в целом в цветной металлургии. В настоящее время этот вид обжига почти утратил свое практическое значение.

В основе его лежит принцип окисления сульфидов кислородом воздуха на поверхности слоя, лежащего на поду. Для интенсификации процесса окисления сульфидного материала поверхностный слой непрерывно обновляется путем пере-гребания.

Многоподовая обжиговая печь с механическим перегребанием (рис. 82) представляет собой вертикальный цилиндрический кожух, установленный на колоннах и футерованный изнутри шамотным кирпичом. По высоте внутреннее пространство печи разделено на отдельные рабочие камеры арочными подами. Наибольшее распространение в медной промышленности получили десятиподовые обжиговые печи, имеющие десять рабочих и один подсушивающий под (верхний открытый). По вертикальной оси печи установлен пустотелый центральный вал, на котором закрепляют перегребатели (рукояти) с гребками. Вал опирается на подпятник и приводится во вращение через редуктор и коническую шестерню электродвигателем постоянного тока. На нижнюю секцию насажена также воздушная камера для подвода сжатого воздуха, охлаждающего вал и перегребатели. Скорость вращения вала 1--2 об/мин. Гребки на перегребателях закреплены под углом, благодаря чему при вращении вала материал на поду не только перемешивается, но и перемещается в зависимости от наклона плоскости гребка к оси перегребателя от центра к периферии или от периферии к центру печи.

На нечетных подах материал движется от периферии к центру, на четных -- в обратном направлении. Для пересыпания материала с пода на под имеются отверстия: на нечетных подах в центре, на четных -- на периферии. Таким образом, материал проделывает в печи зигзагообразный путь.

Герметизация загрузки печей достигается установкой специального устройства-- «мигалки» (рис. 83).

Загрузочная воронка 6 (см. рис. 83) работает следующим образом. Когда пере-гребатель 7 сушильного пода находится над воронкой, стержень 8 поворачивает рычаг 1 и закрепленную на этой оси заслонку 5 в сторону, и шихта из воронки свободно просыпается на первый рабочий под (счет подов идет сверху вниз). После того как перегребатель 7 прошел воронку и вышел из соприкосновения с поворотным % рычагом 1, заслонка 5 под действием противовеса 4 возвращается в прежнее поло-

Загрузочная камера, футеруемая шамотным кирпичом, имеет арочный свод и непосредственно примыкает к стенке печи. Загрузку концентрата производят с помощью ленточных или тарельчатых питателей. В слой материал поступает сверху через специальный патрубок, установленный в кладке свода загрузочной камеры. Возможна также подача материала ниже уровня поверхности кипящего слоя. Выгрузку огарка осуществляют через сливной порог, разделяющий реакционную шахту и камеру выгрузки. Последняя представляет собой съемную футерованную шамотным кирпичом коробку, вплотную примыкающую к стенке печи.



2. Технологические расчеты

2.1 Обжиг медных концентратов в кипящем слое

Требуется рассчитать: химический и рациональный состав; количество воздуха, необходимого для обжига, а также количество и состав обжиговых газов; материальный баланс обжига; тепловой баланс обжига.

Химический состав рассчитываемого рационального состава медного концентрата, следующий, %: Сu - 13,9; Fе - 31,9; S - 34,9; Zn - 1,3; SiO₂ - 2,9; Al₂O₃ - 4,91, СаО-2,9 и другие элементы - 7. В основные минералы входят: халькопирит CuFeS₂, пирит FeS₂, пирротин Fe₇S₈, сфалерит ZnS, силикаты и другие (здесь, пирротин участвует в виде моноклидной формы).

Расчеты ведем на 100 кг шихты.

Первоначально, рассчитываем количество серы в сфалерите:

Х₁ (S) = 32 1,3: 65 = 0,64 кг

Исходя из этого, общее количество сфалерита равняется:

(ZnS) = 0,64 + 1,3 =1,94 кг

Рассчитываем содержание железа и серы в халькопирите:

отношение количества серы к количеству меди, т.е. равняется, 17 кг, а количество железа:

Х₂ (Fe) = 56 13,4: 64 = 11,7 кг

Общее количество халькопирита равняется:

(CuFeS₂) = 13,9 + 11,7 + 13,9 = 38,5 кг

находим остаточное количество серы и железа:

(S) = 34,9 - 13,9 - 0,64 = 20,36 кг;

(Fe) = 31,9 - 11,7 = 20,2 кг.

Обозначим, содержание железа в пирите через Х₃ кг и содержание в пирротине через 19,1-Х₃ кг. Содержание серы связанной в пирите Х₃ 64: 56, а содержание серы в пирротине (20,2 - Х₃) (32 8): (56 7) кг.

Общая сумма получившихся результатов равняется общему остатку серы:

Х₃ 64: 56 + (20,2 - Х₃) (32 8): (56 7) = 16,54 кг

Решив уравнение, находим, что Х₃=8,3 кг. Здесь, находим количество серы в пирите:

(S) = 8,3 64: 56 = 9,5 кг.

Общее количество пирита равно: 8,3 + 9,5 = 17,8 кг.

Содержание железа в пирротине Fe = 19,1 - Х₃ = 19,15 - 8,3 = 10,8 кг, а содержание серы S = 256 10,8: 392 = 7,05 кг. Из этого выходит, что общее количество пирротина равняется 10,8 + 7,05 = 17,85 кг. Полученные результаты расчетов вносим в таблицу 5.

Таблица 5

Рациональный состав медного концентрата, %

Наименование минералов	Сu	Fe	S	Zn	прочие	Всего
Халькопирит	13,9	11,7	13,9	-	-	38,5
Пирит	-	8,3	9,5	-	-	17,8
Пирротин	-	10,8	7,05	-	-	17,85
Сфелерит	-	-	0,64	1,3	-	7,45
SiO2					2,9	2,9
Al2O3					4,9	4,9
СаО					2,9	2,9
Прочие	-	-	-	-	7	7
Всего	13,9	31,9	34,9	1,3	17,7	100

Обжиг осуществляется по технологической схеме, представленной на рис.1.

За последние годы все отечественные цинковые гидрометаллургические заводы стали обжигать свои концентраты только в кипящем слое.

Выход пыли и ее химический и рациональный состав

Выход пыли при обжиге в кипящем слое зависит от целого ряда причин: от качества исходного концентрата, его крупности, влажности; от метода подготовки концентрата к обжигу в кипящем слое; от режима самого обжига: температуры процесса, скорости воздуха при его поступлении в камеру печи и др.

Пример, что концентрат содержит 6 % влаги при поступлении в камеру печи и что подготовка концентрата к обжигу ограничивается лишь просевом через сито 8-10 мм. Обжиг такого концентрата при средней линейной скорости воздуха, поступающего в камеру печи, порядка 9-12 м/сек сопровождается пылевыносом в количестве 30-40 % от исходного сухого концентрата. Предварительное гранулирование концентрата позволило бы в несколько раз повысить производительность обжиговой печи и раза в 3-4 сократить пылевынос, по гранулирование в этом расчете не предусматривается. Цинковый концентрат оставляем таким же, каким он был принят для обжига в многоподовой печи, чтобы сделать некоторые сравнения результатов обжига концентрата по разным методам.

Принимаем, что 1/3 часть всех компонентов концентрата, кроме свинца, кадмия и серы, переходит в пыль, удаляемую из обжиговой камеры, и не делаем подсчетов пыли циклонной, газоходной и пыли электрофильтров, так как для составления материального и теплового баланса самой печи этого не требуется, а пыль, уловленная из обжиговых газов разными способами, направляется вместе на выщелачивание.

Пыль при обжиге в кипящем слое мало обогащается свинцом и кадмием по сравнению с исходным концентратом; примем, что половина свинца и кадмия перейдет в пыль.

По данным практики заводов принимаем, что в пыли содержится 0,4 % сульфидной серы и 4,7 % сульфатной ; вся сульфидная сера связана с цинком, а сульфатная--со свинцом, а остальная с цинком.

Результаты расчета рационального и химического состава пыли приведены в табл. 25.



Таблица 25

Рациональный и химический состав пыли, кг

Соеди-нения	Zn	Pb	Cd	Cu	Fе	SS	SSO4	SiO2	Al2O3	CaO	O2	Про-чие	Всего
ZnS	0,27					0,13							0,4
ZnSO4	2,71						1,33				2,66		6,70
ZnO	14,02										3,43		17,45
PbSO4		1,46					0,22				0,44		2,12
CdO			0,09								0,01		0,10
CuO				0,31							0,08		0,39
Fе2O3					2,33						1,00		3,33
SiO2								1,65					1,65
Al2O3									0,20				0,20
CaO										0,13			0,13
Прочие												0,23	0,23
Итого: кг %	17,0 52,1	1,46 4,5	0,09 0,3	0,3 0,9	2,3 7,1	0,13 0,4	1,55 4,7	1,65 5,0	0,20 0,6	0,13 0,4	7,62 23,3	0,23 0,7	32,7 100,0

2.2 Выход обоженного медного концентрата и его химический и рациональный состав

Принимаем в огарке содержание сульфидной серы равным 0,2 %, а сульфатной - 1 %. При расчете рационального состава обоженного концентрата будем считать, что все железо находится в огарке в виде Fe2O3, Cu виде CuO, Cd в виде CdO, 50 % Pb в виде PbSO4, Ca в виде CaSO4, остальная сульфатная сера связана с цинком в виде ZnSO4, вся S связана с цинком в виде ZnS.

Без учета безвозвратных потерь основные компоненты цинкового концентрата перейдут в огарок в следующих количествах, кг:

Cu………………13,9 - 1,39 =12,51

Zn………………1,3 - 0,13 = 1,17

Cd………………0,17 - 0,09 = 0,08

Fe……………..….31,9 - 3,9 = 4,67

SiO2……………..4,96 - 1,65 = 3,31

Al2O3………….…0,60 - 0,20 = 0,40

CaO………….…..0,40 - 0,13 = 0,27

Прочие………….0,69 - 0,23 = 0,46

Результаты расчета рационального и химического состава обоженного концентрата приведены в табл. 26.

Таблица 26

Рациональный и химический состав обоженного концентрата, кг

Соеди-нения
ZnS ZnSO4 ZnO PbSO4 PbO CdO CuO Fе2O3 Al2O3 CaSO4 SiO2 Прочие
Итого Кг %	34,0 59,3	0,47 2,6	0,08 0,1	1,26 1,1	4,6 8,1	0,12 0,2	0,60 1,0	3,31 5,7	0,4 0,7	0,27 0,5	11,4 19,9	0,46 0,8	57,45 100,0

Количество воздуха, необходимого для обжига, количество и состав обжиговых газов

Примем, что в обжиговых газах 95 % S находится в виде SO₂ и 5 % S в виде SO₃. Количество серы удаляемой при обжиге в газы:

31 - (0,13 + 1,55 + 0,12 + 0,60) = 31 - 2,4 = 28,6 кг.

С этой серой будет связано следующее количество кислорода, кг:

в виде SO2………

в виде SO3……….

Теоретически необходимое количество кислорода для обжига 100 кг концентрата, кг:

для образования SO2………………..27,17

для образования SO3………………..2,15

для образования окислов и сульфатов пыли и

огарка (согласно табл. 2 и 3) ……………..19,06

И т о г о:……… …………………..48,38

С этим количеством кислорода будет введено азота

= 162 кг.

Теоретически необходимое количество воздуха составит

48,38 + 162 = 210,38 кг, или 210,38: 1,293 = 162 м3.

В концентрате содержится 6 % влаги.

Состав обжиговых газов при теоретическом расходе воздуха приведен в табл. 27.

Таблица 27

Теоретический состав обжиговых газов

Компоненты	кг	м3	% (объемн.)
SO2 SO3 CO2 N2 H2O	54,34 3,58 0,31 162,00 6,00	19,0 1,0 0,16 129,7 7,47	12,08 0,63 0,10 82,44 4,75
И т о г о	226,23	157,33	100,00

При теоретическом количестве воздуха в газах содержится SO2 + SO3 = = 12,08 + 0,63 = 12,71 %.

Практически обжиг концентратов в кипящем слое осуществляют с небольшим избытком воздуха, примем его равным 20 % от теоретического количества.

Количество избыточного воздуха: 210,38 0,20 = 42,08 кг. В избыточном воздухе содержится

Количество воздуха, необходимого для обжига 100 кг концентрата:

210,38 + 42,08 = 252,46 кг,

или 252,46: 1,293 = 195 м3,

что на 41,6 % менее количества воздуха (333,93 м3) нужного при подовом обжиге. Такое большое сокращение расхода воздуха на обжиг в кипящем слое объясняется малым количеством избыточного воздуха по сравнению с подовым обжигом.

Количество и состав обжиговых газов, практически получаемых в реакционной камере кипящего слоя, приведены в табл. 28.

Результаты подсчетов сведем в общую таблицу материального баланса (табл. 23).

Таблица 28

Количество и состав обжиговых газов

Компоненты	кг	м3	% (объемн.)
SO2 SO3 CO2 N2 О2 H2O	54,34 3,58 0,31 191,40 9,68 6,00	19,0 1,0 0,16 155,5 6,77 7,47	10,0 0,5 0,10 81,9 3,6 3,9
И т о г о	265,31	189,90	100,00



Таблица 11

Материальный баланс обжига

Приход	кг	Расход	Кг
Концентрат Влага в концентрата Воздух	100,0 6,0 252,46	Обоженный концентрат Пыль Обжиговые газы	57,45 35,5 265,31
И т о г о	358,46	И т о г о	358,46

2.3 Тепловой баланс обжига

П р и х о д т е п л а.

1. Окисление сульфида цинка по реакции

СuS + 1,5O2 СuO + SO2 + 105630 кал.

Окислится по этой реакции

при этом будет получено

2. Окисление сульфида цинка по реакции

СuS + 2O2 СuSO4 + 185380 кал.

Окислится по этой реакции

будет получено

3. Окисление сульфида свинца по реакции

PbS + 1,5O2 PbO + SO2 + 100820 кал.

Окислится по этой реакции

будет получено

.

4. Окисление сульфида свинца по реакции

PbS + 2O2 PbSO4 + 196960 кал.

Окислится по этой реакции

будет получено

5. Окисление сульфида кадмия по реакции

CdS + 1,5O2 CdO + SO2 + 97320 кал.

Окислится по этой реакции 0,22 кг CdS, будет получено

6. Окисление CuFeS2, FeS и FeS2.

Расход тепла на диссоциацию, кал:

CuFeS2 до CuS и FeS (по 144,9 кал на 1 кг Fe)………144,90,83=120

FeS2 до FeS (по 222 кал на 1 кг Fe)……………………..2221,57=349

И т о г о:……………………………….469

Приход тепла от окисления сульфидов следующий.

Окисление FeS до Fe2O3 происходит по реакции

2FeS + 31/2O2 Fe2O3 + 2SO2 + 292980 кал.

Окислится по этой реакции

при этом будет получено

.

Окисление Cu2S по реакции

Cu2S + 2O2 2CuO + SO2 + 126160 кал.

Окислится по этой реакции

.

При этом будет получено

Суммарный тепловой эффект этих реакций:

18353 + 951 - 469 = 18835 кал.

7. Реакции с известняком:

СаСО3 СаО + СО2 - 42498 кал

СаО + SO3 CaSO4 + 96070 кал.

Расход тепла на диссоциацию всего известняка:

Приход тепла от образования сульфата кальция:

Суммарный эффект:

462 - 302 = 160 кал.

Общий приход тепла составит 106396 кал.

Р а с х о д т е п л а. Принимаем 920-950о в кипящем слое и 850о под сводом печи. В этом случае можно принять для подсчетов теплового баланса температуру обожженного концентрата 900о, а температуру пыли и обжиговых газов, покидающих печь 800о.

1. Потеря тепла с обожженным цинковым концентратом:

57,45 0,22 900 = 11375 кал.

2. Потеря тепла с пылью:

32,7 0,2 800 = 5232 кал.

3. Потеря тепла с отходящими газами, кал:

с SO2……….…..54,34 0,183 800 = 7953

с SO3………..…...3,58 0,183 800 = 524

с CO2…………..0,31 0,2602 800 = 65

с N2…………...194,4 0,2622 800 = 39337

с O2…………….9,68 0,2427 800 = 1880

с H2O……………6,0 0,4957 800 = 2379

И т о г о:………….……………..………52138

4. На испарение воды:

540 6 = 3240 кал.

Результаты подсчетов теплового баланса обжига медных концентратов в кипящем слое сведем в общую табл. 29.

Таблица 29

Тепловой баланс обжига цинковых концентратов в кипящем слое

№	Приход тепла	кал	%	№	Расход тепла	кал	%
1	Окисление СuS до CuO	76023	71,4	1	Потери с обожженным концентратом	11375	10,7
2	Окисление СuS до СuSO4	9669	9,1	2	Потери с пылью	5232	4,9
3	Окисление PbS до PbO	338	0,3	3	Потери с отходящими газами	52138	49,1
4	Окисление PbS до PbSO4	1223	1,2	4	На испарение воды	3240	3,0
5	Окисление CdS до CdO	148	0,1	5	Избыток тепла, потери через кладку (по разности)	34411	32,3
6	Окисление CuFeS2, FeS и FeS2	18835	17,7
7	Реакции с известняком	160	0,2
И т о г о	106396	100	И т о г о	106396	100

Из рассмотрения статей теплового баланса видно, что около половины тепла уходит с горячими (800о) газами и около одной трети избыточного тепла имеется в самом кипящем слое. Это открывает большие возможности для попутного получения пара за счет тепла отходящих газов и самого кипящего слоя. На некоторых отечественных и зарубежных заводах это тепло уже используется для получения пара.

Образование ферритов цинка и при обжиге в кипящем слое происходит почти в такой же степени, как при других, менее совершенных методах обжига, вследствие чего процент кислото-растворимого цинка мало повышается (на 1-2 %). Работами проф. Ф.М. Лоскутова с сотрудниками изучена возможность повышения процента кислоторастворимого цинка до 97-98 независимо от качества исходного концентрата. Достигается это разрушением ферритов цинка при температуре 700-800о и при слабой восстановительной атмосфере. Обожженный концентрат при выходе из печи кипящего слоя по своей температуре хорошо подготовлен для осуществления в другой камере печи восстановительного обжига для разрушения ферритов цинка. При таком осуществлении процесса обжига цинковых концентратов в кипящем слое будет использовано тепло огарка и резко улучшится его качество.

2.4 Расчет размеров печи для обжига в кипящем слое

В расчете этих печей определяют следующие наиболее важные их характеристики:

1. Потребность в тепле от сгорания топлива или преобразования электроэнергии Q_T, ккал 1кг находят по приблизительной формуле (258), выведенной ранее из обобщенного уравнения теплового баланса обжиговых и плавильных печей, перерабатывающих сульфидные материалы:

где t_г -- температура газов выходящих из печи, °С;

S -- количество выгорающей серы, % от исходного содержания;

S0₂ -- содержание сернистого ангидрида в отходящих газах, % (объемн.);

g -- количество тепла, выделяемого при обжиге или плавке материала, отнесенное к 1 кг- % выгорающей серы, ккал%кг- % S).

При значительном количестве выгорающей серы S величина Q_T может получиться отрицательной, что будет указывать на избыток тепла в печи, который необходимо отводить при помощи соответствующих теплообменных устройств.

Определенная по формуле (258) величина Q_T носит приблизительный характер и может служить только для ориентировки расчета печи. В последующем ходе расчета окончательное значение Q_T определяют по тепловому балансу печи.

2. Оптимальное количество дутья К_о, м³/(м³*Мин). Вначале определяют предельное количество дутья К, при котором неподвижный фильтрующий газы слой материала переходит в нестабильное состояние. Величину К рассчитывают по формуле (41), выведенной ранее из сопоставления массы кусков материала и динамического давления струек газов, пронизывающих слой:

где щ -- площадь свободных проходов между кусками материала, в долях от общей площади сечения слоя; щ = 0,15ч0,22 (для сульфидов щ = 0,15; для частиц шарообразной формы, например окатышей, щ = 0,215);

ц -- количество газов, образующихся в печи на единицу дутья, м³/м³

р -- кажущаяся плотность материала, кг/м³

с^r₀-- приведенная плотность газов в печи, кг/м³;

t^r -- средняя температура газов в слое, °С;

l_ср -- средний размер кусков материала, м.

3. Удельная производительность печи a, m/(м²*сутки). Расчетная формула выводится из уравнения баланса и движения газов:

Для печей кипящего слоя, работающих без подтопки углеродистым топливом, расход его х = 0. Величина подсоса воздуха для рабочего пространства печи V, = 0. При этих условиях уравнение (5) упрощается и принимает вид

Выражение, находящееся в правой части этого уравнения, есть V_r -- объем газов, проходящий через печь в единицу времени, приведенный к нормальным условиям: =

Так как приведенный к нормальным условиям объем газов для каждого состава перерабатываемого материала и определенного режима ведения процесса обжига пропорционален приведенному объему воздуха, расходуемого на обжиг, то

V_r=bv_neчи

V₁=bv_уд

Где v_neчи общий объем воздуха, подаваемый в печь в единицу времени, м³/ч удельный расход воздуха на 1 т обжигаемого материала, м³/т. Величина V_уд определяется при расчете технологического процесса обжига; переходный коэффициент.

Подставляя выражение для V_T и V_x в упрощенное уравнение (5), получит

bV_yд=bV_печи

После преобразования получим формулу

A=т/сутки

Разделим обе части этой формулы на F -- рабочую площадь печи м²:

Так как

=K₀ м³/(м².ч)

о получаем формулу для расчета удельной производительности печи:

где а -- удельная производительность печи, m/(м² * сутки);

ф-- время работы печи в течение суток, ч; эта величина обычно составляет 0,93--0,97 от календарного времени;

-- удельный расход воздуха на 1 т обжигаемого материала, м³/т;

К'_а -- оптимальное количество дутья, м³/{м²-ч).

Величину K'_Q определяют по величине К'_а, м^3/(м² -мин), найденной по формуле (69):

K₀=60K_{0 M}³/(м².ч)

4. Минимальное время пребывания материала в печи, обеспечивающее завершение процессов окисления, т_пр, и рассчитывают по формуле, основанной на линейной скорости распространения процесса обжига в глубину слоя или куска материала w, м/ч:

)ч

5. Общую высоту печи Н_п, м, находят по формуле, учитывающей необходимость значительного свободного объема газового пространства над уровнем кипящего слоя, для снижения уноса пыли и полного завершения процесса обжига:

H_n=(4

Чем мельче материал, обрабатываемый в печи, и больше величина К₀, тем большее значение коэффициента рекомендуется принимать в формуле



Литература

1. Диомидовский Д.А. «Металлургические печи» Москва. 1970 г.

2. Кривандин В.А., Белоусов В.В. «Теплотехника Металлургического производства» учебное пособия для вузов. М. МИСиС. 2002г.

3. Кобахидзе В.В. Тепловая работа и конструкции печей цветной металлургии. М. МИСиС 1994 г.

4. Мастрюков Б.С. «Теория, конструкции и расчеты металлургических печей». Москва, «Металлургия» 1978г.

5. Арутюнов В.А., Неведомская М.Н. Лабораторный практикум по металлургической теплотехнике. М. МИСиС. 1999 г.

6. Лоскутов Ф.М., Цейдлер А.А. «Расчеты по металлургии тяжелых цветных металлов» - Москва, 1963.

7. Абдурахмонов С.А., Ахтамов Ф.Э. Методическое указание к курсовому проекту по курсу металлургическая теплотехника Навоий. 2010г.

Размещено на Allbest.ru