Теоретические основы процесса обжига цинковых концентратов в печи кипящего слоя

Введение

 

Значительный рост производства в народном хозяйстве и его развитие, может быть достигнуто вследствие более полного и комплексного использования сырья, улучшение технико-экономических показателей, повышение производительности труда, а также улучшения качества выпускаемого продукта, - путем автоматизации производственных процессов, разработки и внедрения в промышленность надежных, экономичных систем автоматизации управления технологическими процессами. Все эти задачи становятся особенно актуальными в условиях рыночных отношений.

На сегодняшний день автоматизация широко применяется в ряде отраслей промышленности, таких как электроснабжение, в системах социально-бытового назначения, в жилищном строительстве, машиностроении, металлургии и т.д.

Вследствие чего вытекают следующие направления развития работ по автоматизации, в частности конкретные цели и задачи дипломного проектирования, а именно техническое обоснование и инженерная разработка системы автоматизации управления технологическим процессом обжига цинковых концентратов в печи кипящего слоя в металлургии тяжелых цветных металлов.

Технология обжига цинковых концентратов в печи кипящего слоя

Теоретические основы процесса обжига цинковых концентратов в печи кипящего слоя

 

В настоящее время производство и потребление цинка занимает одно из ведущих мест по переработке тяжелых цветных металлов. В промышленности для получения металлического цинка используют два способа - это пирометаллургический и гидрометаллургический. Однако развитие металлургии цинка пошло по пути гидрометаллургического производства. И сейчас этот способ является основным, обеспечивая более 90% всего получаемого цинка. Он имеет ряд преимуществ перед пирометаллургическим способом, а именно:

1. позволяет полно и комплексно использовать сырье

2. эффективно применяется к бедному и сложному сырью

3. применяется удобный вид энергии - электрический, с наименьшими затратами

4. получаемый цинк высокого качества

5. позволяет полнее осуществить экологические меры и улучшить условия труда.

Производственный процесс получения цинка гидрометаллургическим способом, состоит из сети последующих стадий:

1. подготовка материала к обжигу

2. обжиг цинковых концентратов

3. классификация продуктов обжига

4. выщелачивание

5. очистка раствора от примесей

6. электролиз

7. переплавка катодного цинка в чушковый

обжиг цинковый концентрат автоматизация

Так, как на сегодняшний день основным источником получения цинка по прежнему являются сульфидные цинковые концентраты, получаемые из полиметаллических руд, то основной задачей обжига является, превращение их в окисленные соединения, превращение их в окисленные соединения, наиболее быстро, полнее и с наименьшими затратами. В природе цинк встречается в виде руды, в которой цинк сочетается в соединениях с другими элементами в виде минералов, вкрапленных в горные породы.

Руды в свою очередь подразделяются на сульфидные, в которых металлы находятся в соединениях с серой и окисленные в которых металлы содержатся в виде окислов. Окисленные руды не требуют предварительного обогащения и обжига перед металлургической переработкой в отличии от сульфидных.

Обогащением для свинцово-цинковых руд является процесс флотации, при котором решаются следующие основные вопросы:

1. отделение сульфидных минералов от пустой породы

2. отделение минералов свинца и меди от минералов цинка

3. устранение возможного перехода пирита в свинцовый и цинковый концентраты, и выделение пирита в отдельный продукт

4. извлечение золота и других металлов спутников

В процессе обжига цинковых концентратов в печи кипящего слоя, получаемый продукт переработки, так называемый огарок, должен удовлетворять следующим требованиям, способствующим благоприятным условиям дальнейшей стадии технологической переработки, а именно:

1. иметь высокое содержание высокой фракции (-0,15мм)

2. иметь низкое содержание сульфидной серы (не более 0,1-0,3%)

3. количество сульфатной серы желательно иметь (не более 2-4%)

4. умеренное содержание ферритных и силикатных соединений.

Огарок - наиболее крупная фракция твердых продуктов обжига, отличается от других продуктов высоким содержанием кислоторастворимого цинка. Растворимость огарка в растворах слабой серной кислоты должна быть не менее 90 %. Эти требования обуславливаются из технологической задачи гидрометаллургической обработки огарка. Так, как структурно свободная окись и сульфат цинка легко растворимы в растворе серной кислоты. Тогда, как сульфид цинка и цинк связанный в ферритную форму почти не растворимы.

Не менее вредно образование силикатов, так, как силикаты цинка, свинца и других присутствующих металлов хотя и растворяются в растворе серной кислоты, но образуют паллоидные, труднофильтруемые пульпы. Для того, чтобы огарок полнее использовался, как нейтрализатор, то есть снижен его избыток при выщелачивании, он должен быть мелким и однообразным по крупности [1].

Таким образом технологической задачей обжига цинковых концентратов, как уже отмечалось, является перевод сульфидного цинка, в структурно свободную окись и частично в сульфат, которые легко перерабатываются при выщелачивании, дающие максимальное извлечение цинка, за минимальный промежуток времени и с наименьшими затратами.

Степень полноты прямого извлечения цинка в раствор, определяется глубиной обжига сульфидов цинка, то степенью десульфаризации, которая составляет 97-99%. Путем опытных данных установлено, что константа массопереноса быстро возрастает от 910⁰С и достигает максимального значения при температуре 980⁰С, а затем падает. Таким образом в этом интервале температур 910⁰С-980⁰С, мы получаем максимальный выход оксида цинка в огарке из исходного сульфидного сырья. На рис.1, изображена зависимость этой константы от температуры. При более высоких температурах увеличивается нежелательное содержание в получаемом продукте примесей, в дальнейшем загрязняющих раствор, например: кремнезем, кадмий, медь и т.д. Кроме того более высокая температура чем указанная в интервале 910-970⁰С весьма незначительно влияет на скорость обжига, на рис.2. показана зависимость скорости обжига от температуры.

 

Рис.1. Зависимость константы массопереноса от температуры

 

Рис.2. Зависимость скорости окисления от температуры для ZnS

 

Температура более низкая чем указанный интервал, существенно влияет на скорость окисления сульфидов цинка, но в конечном итоге уменьшает производительность печи. Так, как в этой области температур скорость реакции окисления определяется кинетикой на поверхности зерна, и она мала по сравнению со скоростью диффузии, то именно она является - лимитирующей стадией.

Подчиняясь закону Аррениуса, скорость экспоненциально возрастает с повышением температуры. Таким образом, оптимальный интервал температуры является от 950-980⁰С.

Еще одной особенностью технологического процесса, является его автогенность, позволяющая не только надежно вести процесс обжига, но и утилизировать излишнее тепло, обусловленное экзотермичностью реакции, в частности окисления сульфидного сырья кислородом воздуха и выделения тепла, протекающих в реакционном пространстве печи.

Основные химические реакции протекающие в кипящем слое:

 

ZnS+1.5O₂→ZnO+SO₂+Q

Zno+SO₂+0.5O₂→ZnSO₄+Q

 

Кроме основных реакций могут протекать и другие:

 

ZnS+3ZnSO₄→4ZnO+4SO₂-Q

FeS+2.5O₂→Fe₂O₃+SO₂+ Q

 

Эти химические реакции весьма ограниченно влияют на ведение технологического процесса, так, как их протекание сводится к минимуму, в условиях ведения процесса.

Особенность метода обжига цинковых концентратов в кипящем слое состоит в том, что газ участвующий в физико-химических процессах, в нашем случае это воздух обогащенный кислородом, должен одновременно обеспечивать требуемый аэродинамический режим кипящего слоя.

Различают три состояния слоя:

1. фильтрующий слой

2. кипящий слой

3. слой во взвешенном состоянии

При прохождении газового потока через сыпучую среду цинкового концентрата, с малой скоростью, слой сыпучего материала лежащего на газопроницаемой поверхности, он остается не подвижным и его объем не изменяется - в этих условиях он является фильтрующим.

При постепенном увеличении скорости газового потока, сопротивление слоя возрастает, в следствии трения газа о поверхность зерен концентрата и при прохождении струй газовой среды по каналам различного сечения образующихся между зернами концентрата. Достигая скорости газового потока равной гидростатическому давлению, обусловленному весом зерна, слой концентрата становится похож на вязкую жидкость, то есть переходит в псевдоожиженное состояние. Под действием силы тяжести перетекает от верхнего уровня к нижнему, всегда имеет горизонтальную поверхность, образуя кипящий слой. Скоростной напор воздуха, обеспечивающий псевдоожиженное состояние назван минимальной критической скоростью. В свою очередь минимальная критическая скорость зависит от гранулометрического состава концентрата находящегося в слое и рассчитывается теоретически. Однако практическое ее значение будет несколько выше минимально необходимого. Это значение находится между минимальным и максимальным, при котором слой загруженного в печь концентрата переходит во взвешенное состояние и составляет 0,11м/сек. Следовательно, кипящий слой - промежуточное состояние, между неподвижным фильтрующим состоянием слоя и перехода его во взвешенное состояние. Такое повышение интенсивности газового потока - выше минимальной необходимой скорости, обеспечивают образование газовых пузырей, которые двигаясь в слое, барботируют его, энергично перемешивая зерна и газ в кипящем слое. Доля газового объема кипящего слоя - называется пористостью слоя. При таком интенсивном перемешивании одни зерна преимущественно мелкие быстро проходят путь от загрузки в выгрузке, другие более крупные, больше циркулируют в кипящем слое [2,3].

Наиболее целесообразно размещать сливной порог, в печах кипящего слоя на высоте от 1.8-2.0 м, для выгрузки огарка. Это обуславливается тем, что уменьшение высоты кипящего слоя ниже указанных размеров, приводит к большому проскоку воздуха через слой, и увеличивается пылевынос из печи и ухудшается качество не только пыли но и огарка. При увеличении также высоты кипящего слоя происходит ухудшение, он приобретает большую тепловую энергию и плохо реагирует на изменение количества подаваемого в печь концентрата. В УК МК АО "Казцинк" в промышленных условиях высота кипящего слоя "КС-5" составляет от 1800мм, она рассчитана исходя из скорости протекания химической реакции, гидродинамических условий, обеспечивающее хорошее качество псевдоожижения и теплотехнических условий, обеспечивающих достаточную тепловую инерцию печи.

Использование воздуха обогащенного кислородом в качестве газа подаваемого в печь, при обжиге цинкового концентрата, дает возможность существенно увеличить скорость обжига, а также производительность печи, и что не менее важно повысить содержание сернистого ангидрида в отходящих газах, удешевить очистку газов, уменьшить потери тепла с отходящими газами. Опытными данными было установлено, что при повышении содержания кислорода в газовой смеси, подаваемой в печь, с 21% до 78,2% скорость процесса обжига в кипящем слое возрастает примерно вдвое, кроме того улучшается качество огарка. Получаемый огарок содержит почти вдвое меньше силикатного и ферритного цинка, что указывает на возможность повышения извлечения цинка при выщелачивании. На рис.3 показана зависимость десульфаризации при стационарной температуре, от концентрации кислорода в атмосфере обжига.

 

Рис.3. Зависимость окисления сульфида цинка от концентрации кислорода в газовой среде, при температуре равной 950⁰С

 

Кривая 1 - концентрация кислорода 50%;

Кривая 2 - концентрация кислорода 20%;

Кривая 3 - концентрация кислорода 10%;

Из приведенного рисунка видно, что скорость процесса окисления сульфидного цинка увеличивается почти вдвое при повышении концентрации кислорода в подаваемом в печь газа до 50-60%. Однако дальнейшее повышение концентрации кислорода в газе, не только не эффективно с экономической точки зрения, но и при эксплуатации промышленной системы управления технологическим процессом, делает ее неустойчивой. При температуре 950⁰С критическим значением концентрации кислорода в газе, делающим процесс управления неустойчивым является 0,0014кг/м³.

Для экономики цинкового производства существенное значение имеют обжиговые газы, направленные на сернокислотное производство, которые получены в результате окислительного процесса сульфида цинка. Одной из важнейших характеристик обжиговых газов является процентное содержание в них сернистого ангидрида, которое в зависимости от химического состава сырья и условий протекания технологического процесса может достигать 12-13% но не менее 6%. при воздушном дутье не обогащенным кислородом не менее 8%. Содержание свободного кислорода (12-14) %.

Обжиговые газы так же характеризуются и запыленностью, зависящей от гранулометрического состава концентрата и аэродинамического режима печи кипящего слоя.

В процессе окислительного обжига сульфидного сырья в печах КС образуются три продукта: огарок, пыль, газ. Пыль состоит из мелких фракций продуктов обжига.

В пыли по сравнению с огарком содержится меньше цинка. Содержание сульфатной серы в пыли выше, чем в огарке. В печах кипящего слоя наблюдается значительный пылевынос, который может достигать до 95% всего получаемого продукта. В промышленных условиях УК МК АО "Казцинк" в частности печи "КС-5"составляет 30-40%.

 

Таблица 1. Химический состав концентрата.

Концентраты	Zn	Cd	Pb	Cu	Fe	Sобщ	As	Sb	SiO2
Зыряновский	53,0	0, 20	0,45	1,10	7,50	3,50	0,06	0,008	1,24
Текелийский	46,44	0,14	2,4	0,06	7,1	30,8	0,021	0,020	3,24

 

Таблица 2. Распределение твердых продуктов обжига.

Наименование продукта	Всего продукта
Огарок	65%
Пыль из циклонов	29%
Пыль из электрофильтра	4%
Пыль из газоходов	2%

 

Таблица 3. Химический состав огарка.

Содержание компонентов, %
Общий цинк	Кислоторастворимый цинк	Водорастворимый цинк	Сера сульфидная (Ss)	Сера сульфатная (Sso4)
58-62	53-58	3,0-4,5	0,2-0,1	0,8-1,2

 

1.2 Технология и оборудование обжигового цеха в условиях УК МК АО "Казцинк"

 

Процесс обжига концентрата в печах КС в УК МК АО "Казцинк" осуществляется следующим образом. Шихта со склада концентратов грейферным краном загружается в приемный бункер обжигового цеха. Из бункера подается в дисковую дробилку на измельчение. Зазор между дисками (7,5 +2,5) мм. При транспортировке серы для пуска печей обязательно ее увлажнение до 12 % с целью предотвращения возгорания при дроблении. Шихта, прошедшая дробление в дисковой дробилке, выгружается на наклонный ленточный транспортер. С ленточного наклонного транспортера шихта подается на ленточный загрузочный транспортер. Для увеличения производительности печей КС применяется подшихтовка огарком подаваемого с участка классификации элеваторами № 1 и № 2 на загрузочный транспортер. С загрузочного транспортера шихта сбрасывается плужковыми сбрасывателями в приемные бункера печей КС. На каждой печи изготовлено по два приемных бункера. Бункера-накопители находятся непосредственно в печном отделении, изнутри бункера футерованы винипластом для устранения зависания материалов. Из бункера шихта, ленточным питателем, с регулируемой скоростью движения ленты, подается через течку в "кипящий слой" форкамеры. Форкамера служит для загрузки шихты в слой печи и позволяет регулировать "кипение" материала в нем путем изменения подачи количества воздуха от воздуходувной машины. Расход воздуха на форкамеру (900-2000) нм³/ч.

На УК МК АО "Казцинк" печь кипящего слоя выполнена в следующем аппаратурном исполнении. Основными элементам печи КС являются: Корпус печи, выполненный из листовой стали (10-12) мм. Внутренняя поверхность кожуха печи оклеена двумя слоями асбеста листового и футерована шамотным кирпичом. Нижняя часть печи на расстоянии 1,2 м от пода печи футеруется кирпичом толщиной 375 мм. Высота печного пространства составляет 9,65 м. От объема рабочего пространства печи зависит степень выноса пыли и степень выжигания сульфидной серы. Свод печи купольный из шамотного кирпича. Чтобы придать своду герметичность, поверхность кирпича закладывается листовым асбестом на жидком стекле [4].

Ответственным элементом конструкции печи является воздухораспределительная подина, от которой зависит производительность. Подина печи выполняется из отдельных металлических секций толщиной 20 мм. В подину вмонтированы воздухораспределительные щелевые сопла из нержавеющей стали удобные в обслуживании и простые в изготовлении. На подину в зависимости от площади устанавливается (1500-2350) сопел, "живое" сечение которых может изменяться от 0,5 до 0,6 %. В нашем случае площадь пода составляет 45 м². От конструкции подины зависит не только производительность печи, но и нормальное кипение слоя, получение кондиционных огарка и газа, продолжительность службы печи. Требования предъявляемые к подине:

1. поступление газовой смеси через подину печи должно быть равномерным по всему сечению;

2. обжигаемый концентрат не должен просыпаться через подину;

3. подина должна быть жаростойкой, в случае залегания на ней горячего огарка, быть простой в изготовлении и дешевой;

4. распределяющие воздух сопла, пришедшие в негодность, должны легко и быстро заменяться;

5. подина должна обладать достаточной продолжительностью службы.

Температура обжига в кипящем слое поддерживают в пределах 950-980⁰С, расход воздуха, приведенного к нормальным условиям, составляет 16000-28000м³/ч, упругость дутья 2000-4000 мм вод. ст. Давление газа под сводом печи выдерживают 3-5 мм вод. ст. Температура выходящих из печи газов 500-550⁰С.

Воздухонагнетатель производительностью 28800нм³/час и с давлением 1,6 кгс/см² подает воздух в воздушные коробки печи и форкамеры, откуда через воздухораспределительные сопла проходит в печь. Скорость воздуха в соплах должна быть в пределах 55-60 м/с, что предотвращает просыпание огарка через подину и обеспечивает нормальный ввод воздуха в каждую точку пода печи.

Если поступающий материал содержит 30-32% серы, то выходящий из печи огарок содержит сульфидной серы не более 0,2-0,3%. Распространение материала по слою происходит в течении 2-3 мин, а полная сменяемость материала в ванне печи - за 10-12 ч (в зависимости от объема ванны и количества поступающего материала в единицу времени).

Для стационарного теплового режима обжига необходим тепловой баланс в печи, который обеспечивается отводом излишнего тепла из слоя:

с обжиговыми газами примерно 60%;

с огарком и через стенки печи около 20%, оставшееся тепло отводится специальными средствами, во избежание перегрева слоя.

Отбор тепла при работе печей КС осуществляется системой УИО (установка испарительного охлаждения). В систему УИО входят охлаждающие элементы аэрохолодильника, кессоны слоя, кессоны свода, термосифоны, циклоны-охладители предназначенные для охлаждения отходящих газов. УИО печи КС предназначена для поддержания стабильности процесса обжига цинковых концентратов и снижения температуры отходящих газов, поэтому избыток тепла снимается как от кипящего слоя, так и отходящих газов. В результате съёма тепла вырабатывается пар, направляемый в общий паропровод на технологические нужды.

Избыток тепла из кипящего слоя необходимо отводить во избежание быстрого повышения температуры слоя и спекания материала. Отвод тепла от кипящего слоя осуществляется с помощью кессонов слоя. Конструкция кессонов слоя принята типа труба в трубе. Подвод котловой воды осуществляется по внутренней трубе. Отвод пароводяной смеси - по наружной.

 

Таблица 4. Технологические показатели печи КС УК МК АО "Казцинк".

Производительность печи, т/сут	130
Температура, 0С:
В кипящем слое	950-980
Под сводом печи	650-700
На входе в циклоны	550-600
На входе в электрофильтры	300-350
На выходе из электрофильтров	240-280
Расход воздушно-кислородного дутья, нм3/час	16000-28000
Упругость дутья в печь, мм вод. ст.	2000-4000
Разрежение под сводом, мм вод. ст.	0÷ (-) 2
Выход огарка с пылями от концентрата, %	88-91
Растворимость огарка, %	88-93
Количество огарка класса - 0,15 мм, %	76-80
Характеристика печи:
Площадь пода печи, м2	45
Высота печи, мм	22000
Количество выходных отверстий для газа	2
Размер отверстий для выхода газа, м	0,8х1,2
Живое сечение сопел, %	0,5-0,8
Тип сопел из нержавеющей стали	щелевые
Размер щели, мм	1,8х57
Количество форкамер, шт.	1
Количество щелевых сопел, шт.	2327
Футеровка печи	Шамотный кирпич
Подина	Огнеупорный кирпич
Конструкция кессонов	Трубчатые
Количество кессонов на печь	20
Полезная площадь охлаждения одного кессона, м2	1,2
Общая полезная площадь охлаждения, м2	24
Вид воздушной коробки	Общая конусная
Объем воздушной коробки, м3	28
Количество циклонов СИОТ №12, шт.	4