Расчет процесса и печи для обжига цинкового концентрата в кипящем слое

     В отечественной  практике принята конструкция  подины, представляющая собой стальной  лист, в который на расстоянии 250-300мм между центрами вставлены  чугунные сопла; пространство  между соплами залито жаропрочным  бетоном слоем 200 мм. Сопла имеют различную конфигурацию. Наиболее часто используют сопла грибкового типа, имеющие от 4 до 8 отверстий диаметром 4-5 мм. На каждой печи устанавливают 1500-2000 таких сопел. Находят также применение сопла щелевой конструкции.

 В процессе обжига  температура играет существенную  роль. Температура может изменяться  от 850 до 980 ⁰C. При малой температуре процесс обжига проходит медленно и не полно, при высокой температуре материал оплавляется и обжиг проходит не качественно. Для регулирования температуры используют (охлаждая) водяные охладители (7), получая пар, а также определенную температуру поддерживают скоростью загрузки. Чтобы концентрат при обжиге не укрупнялся, необходимо поддерживать температуру не более 970 ⁰C.

   Умеренное содержание  растворимой сульфатной серы  достигается при температуре  950-970 ⁰C. При повышении температуры одновременно возникает необходимость решения вопроса по отводу и утилизации избыточного тепла из зоны КС. При низких температурах обжиг сульфидных материалов способствует образованию сульфатов и вследствие того, что давление диссоциации при этих температурах ниже, и вследствие того, что давление Рso₃  в печных газах выше.

 

Рисунок 1. Печь кипящего слоя для обжига цинкового концентрата

1 - падина; 2 - форсунка для  розжига печи; 3 - загрузочная камера; 4 - корпус печи; 5 - отверстие для  выхода газов; 6 - сливной порог; 7 - змеевик (охладитель); 8 - воздушная  камера; 9 - задвижка с пневмоприводом; 10 - футеровка печи;

11 - свод.

     Равномерность  подачи воздуха, обеспечивающей  стабильность кипящего слоя, эффективность  использования сжатого воздуха  и степень выноса пыли с  обжиговыми газами обусловливает  конструкция воздухораспределительных  сопел. Каждое сопло имеет от 4 до 28 отверстий диаметром от 3 до  10 мм, через которые сжатый воздух выходит либо вертикально, либо горизонтально, либо наклонно. Применяют и комбинированные сопла.

      Число сопел  в печи устанавливают с таким  расчетом, чтобы общая площадь  живого сечения отверстий всех  сопел составляла 0,7-1,0% от площади  подины. Обычно устанавливают 50 сопел  на 1м² подины.

      Форкамеры,  подина печи и сливной порог (6) образуют зону кипящего слоя, в которой начинается и протекает большинство реакций обжига сульфидных компонентов концентрата, находящегося в псевдосжиженном состоянии. Форкамеры и сливной порог для увеличения продолжительности пребывания материала в этой зоне расположены на противоположных сторонах печи. Площадь форкамеры составляет обычно 1,5-2м².

      Сливной  порог служит для выгрузки  огарка из печи и ограничения  высоты кипящего слоя. Высота  кипящего слоя оказывает существенное  влияние на происходящие в  нем процессы. При недостаточной  высоте слоя увеличивается пылевынос  из печи, возможны продувы воздуха  в отдельных местах с образованием  воронок, что приводит к уменьшению  вертикальной скорости воздуха  в другой части слоя и может  вызвать залегание материала  на подине печи.

       Вместе  с тем работа печи на высоком  слое увеличивает продолжительность  пребывания материала в зоне  кипящего слоя, уменьшает вынос  тонких частиц из печи, создает  более благоприятные условия  для сульфатообразования. Поэтому  за рубежом при строительстве мощных обжиговых печей современной конструкции проявляется тенденция к увеличению высоты слоя до 1,8-2 м вместо обычно принятой в практике высоты 1,0-1,2 м. Однако чрезмерно в этом случае для «кипения» слоя под подину приходится подавать воздух под большим давлением, а, следовательно, расходовать большее количество электроэнергии.

    Отечественная цинковая промышленность завершила переход на обжиг концентратов в автоматически управляемом кипящем слое в 1958 г., для чего были реконструированы многоподовые печи. После реконструкции печи имели внутренний диаметр 5—6,5 м, площадь пода 20—35 м², высоту рабочей камеры 7,5—10 м (на зарубежных заводах высота печей резко колеблется: от 4,5—5,0 до 15—17 м), объем 150—320 м³, количество воздушных сопел 30—50 шт. на 1 м³ пода при числе воздушных струй (число отверстий в соплах) до 1700 на 1 м² и площади этих отверстий 0,7—1,0% от площади подины.

     Производительность  таких печей составляет по  концентрату от 130 до 180 т/сут при  удельной нагрузке по сухому  концентрату 5—5,5 т/(м²*сут). Считая на объем печи, это в 3—4 раза больше прежней. При влажности 8—9% концентрат хорошо обжигается в печах с кипящим слоем, достаточно сыпуч, не зависает в бункерах, не нарушает работу автоматических устройств.

     На отечественных  предприятиях многолетней практикой  установлена оптимальная высота  кипящего слоя 1,2-1,5 м. Такая высота обеспечивает достаточную продолжительность контакта сульфидных зерен с кислородом воздуха и необходимый массообмен для получения заданной степени десульфуризации.

      Недостатком  технологического процесса в  печах кипящего слоя является  значительный вынос (до 30 %) материала  при обжиге, но в настоящее  время благодаря усовершенствованиям  в устройстве данной печи столь  значительные потери удалось  снизить.

 

 

 

2. Металлургические расчеты

2.1 Материальный баланс

Состав сухого концентрата, %: 50,0 Zn; 1,5 Pb; 1,0 Cu; 0,3 Cd; 8,0 Fe; 32,0 S;  2,8 SiO₂; 3,0 Al₂O₃; 1,4 прочие.

  С учетом исходных данных составляем таблицу минералогического состава цинкового концентрата (таблица 1).

Таблица 1 - Минералогический состав цинкового концентрата.

Соедине- ния	Содержание компонентов, кг.
	Zn	Pb	Cu	Fe	Cd	S	SiO2	Al2O3	Прочие	Итого
ZnS	50					24,5				74,5
PbS		1,5				0,23				1,73
CuFeS2			1,0	0,88		1,0				2,88
Fe7S8				4,06		2,68				6,74
FeS2				3,06		3,51				6,57
CdS					0,3	0,08				0,38
SiO2							2,8			2,8
Al2O3								3,0		3,0
Прочие									1,4	1,4
Итого	50,0	1,5	1,0	8,0	0,3	32,0	2,8	3,0	1,4	100

 

 

2.2 Расчет рационального состава огарка и пыли

     При приближенных расчетах, поскольку пыль при обжиге в кипящем слое обычно является конечным продуктом, можно принять составы огарка и пыли одинаковыми. Однако заводская практика показывает, что составы огарка и пыли несколько отличаются один от другого по содержанию в них серы. Разница в содержании остальных элементов при существующих условиях обжига цинковых концентратов в кипящем слое - способе загрузки, температуре процесса и др. - незначительна.

В данном расчете, за исключением серы, распределение  всех элементов исходного концентрата  в огарок и пыль принимается по данным заводской практики равным 3:2, т.е. 60% - в огарок и 40% в пыль.

В пыли и огарке металлы  находятся в виде следующих соединений: цинк - в виде окисла ZnO, сульфата ZnSO₄ и сульфида  ZnS, причем вся сульфидная сера связана с цинком как с наиболее плотным и трудноокисляющимся сульфидом; свинец и кадмий - в виде окислов и сульфатов. В расчете принято, что 50% - в виде окислов PbO и CdO, а 50% - в виде сульфатов PbSO₄ и CdSO₄; медь и железо - в виде окислов Cu₂O и Fe₂O₃ .

Составляем таблицу рационального состава огарка (таблица 2).

Таблица 2 -  Рациональный состав огарка.

Соединения	Содержание компонентов, кг.
	Zn	Pb	Cu	Fe	Cd	S	S	O2	SiO2	Al2O3	Пр.	Всего
ZnO	28,71							7,062				35,772
ZnSO4	0,865					0,423		0,847				2,135
ZnS	0,425						0,207					0,675
PbO		0,45						0,036				0,486
PbSO4		0,45				0,07		0,14				0,66
Fe2O3				4,8				2,07				6,87
Cu2O			0,6					0,075				0,675
CdO					0,09			0,012				0,102
CdSO4					0,09	0,026		0,052				0,168
SiO2									1,68			1,68
Al2O3										1,8		1,8
Прочие											0,84	0,84
Итого	30,0	0,9	0,6	4,8	0,18	0,519	0,207	10,294	1,68	1,8	0,84	51,82

 

 

         Составляем таблицу рационального состава пыли (таблица 3).

 

Таблица 3 -  Рациональный состав пыли.

Соединения	Содержание компонентов, кг.
	Zn	Pb	Cu	Fe	Cd	S	S	O2	SiO2	Al2O3	Пр.	Всего
ZnO	17,529							4,306				21,835
ZnSO4	2,099					1,026		2,052				5,177
ZnS	0,372						0,182					0,554
PbO		0,3						0,024				0,324
PbSO4		0,3				0,047		0,093				0,44
Fe2O3				3,2				1,38				4,58
Cu2O			0,4					0,05				0,45
CdO					0,06			0,008				0,068
CdSO4					0,06	0,017		0,035				0,112
SiO2									1,12			1,12
Al2O3										1,2		1,20
Прочие											0,56	0,56
Итого	20,0	0,6	0,4	3,2	0,12	1,09	0,182	7,948	1,12	1,2	0,56	36,42