Обжиг цинковых концентратов

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 образуют зону кипящего слоя, в которой начинается и протекает большинство реакций обжига сульфидных компонентов концентрата, находящегося в псевдоожиженном 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 К.С. 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.

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.1[5, c.46-49]

3. Пути совершенствования процесса обжига в КС

Наиболее перспективными направлениями совершенствования процесса обжига в КС можно считать:

Оптимизация аэродинамики псевдоожижения за счет увеличения высоты кипящего слоя. Повышение уровня кипящего слоя (принятый в цинковой промышленности уровень равен 1-2м) до 1,5-2 м способствует улучшению качества огарка вследствие лучшего массообмена в плотном, равномерно псевдоожиженном слое и увеличению времени контакта твердых частиц со свежими порциями кислорода, подаваемого через распределительную решетку. Как показывают эксперименты, в печах КС с невысоким слоем время такого контакта твердых частиц не превышало 1,5-2 ч. При увеличении толщины слоя и размеров печи время пребывания материала в слое достигает 5ч. Поэтому не смотря на сравнительно низкую скорость диффузионных процессов подачи кислорода внутрь частицы концентрата и обратного движения газообразных продуктов окисления, огарки в таких печах редко содержат более 0,2-0,3% сульфидной серы. Следует также отметить возможность создания устройств по изменению высоты кипящего слоя. Регулируя высоту в зависимости от физико-химических свойств перерабатываемого сырья, можно подобрать такие условия, при которых огарок будет иметь заданное качество. Также изменяя высоту кипящего слоя и, следовательно, его объем можно нивелировать изменяющуюся порозность слоя, т.е. предотвращать перераспределение воздуха по площади пода, образование поршневых проскоков и связанных с этим явлениями повышенного пылевыноса и залегания материала на подине печи;

Снижение пылевыноса созданием наиболее рациональной формы аппарата При анализе конструктивных особенностей печей КС рост отношения надслоевого объема (V) к площади пода (S) значительно влияет на пылевынос и качество огарка. Так увеличение этого отношения на печах одного из отечественных цинковых заводах с 2,57 до 8,6 позволило снизить содержание сульфидной серы в пыли и повысить растворимость цинка в них с 76 до 89,4%. При реконструкции печей цинко-электролитного завода в г. Кырджали увеличение высоты печей с 7,74 до 11,8м позволило увеличить отношение V/S с 7,8 до 13,54м, вследствие чего пылевынос снизился с 50,1 до 31,6 %. В последнее время при строительстве новых печей наблюдается тенденция к увеличению отношения до 22-25 за счет как высоты печи, так и строительства печей с расширяющейся кверху реакционной камерой;

Интенсификация процессов применением кислородно-воздушного дутья и повышенных температур. Большой интерес представляет увеличение температуры в кипящем слое. Так исследования по обжигу цинковых концентратов (49-50%Zn; 30-32%S2; 4-6 %Fe; 3-4%SiO2) при 1090-1120 0C и удельной производительности 9,5-12т/м2сут показали, что пылевынос уменьшается до 25%, содержание кислорастворимого цинка в огарке повышается до 95-96%. Сравнительные опыты, проведенные при тех же режимах, но при температуре обжига 950 0C, дали следующие результаты: удельная производительность 5,37 т/м2сут; пылеунос 42,4%; содержание в огарке цинка в кислорастворимой форме 91,7%.

Также изменения конструкции печей направлены на увеличение единичной мощности печей (до 500-800 т/сут) за счет увеличения площади пода (до 72-123 кв. м). Повышение единичной мощности оборудования снижает эксплуатационные расходы, повышает производительность труда. В ряде случаев предприятия не имеют запасных печей КС или даже работают на единственной крупнотоннажной печи. Поэтому на период ремонта печи или сернокислотной установки, потребляющей обжиговый газ, предусмотрено хранение запаса огарка в специальных хранилищах, из которых он поставляется на выщелачивание.

Интенсификация обжига за рубежом достигается увеличением высоты печных камер (до 12-17 м) и расширением верхней части печи (в 1,3-1,5 раза), т.е. за счет увеличения отношения надслоевого объема печи к площади пода, которое достигает 20-25. Это позволяет повысить скорость дутья в КС при малой скорости газа в надслоевом пространстве и умеренных избытков воздуха.3[1, c.149]

3.1 Обжиг на дутье, обогащенном кислородом.

Внедрение обжига на дутье, обогащенном кислородом, заводах подняло технический уровень гидрометаллургии цинка на новую, более высокую ступень. Это мероприятие позволило значительно повысить производительность печей КС, улучшить качество продуктов обжига, увеличить содержание сернистого ангидрида в отходящих газах, полнее использовать мощности сернокислотного производства.

На первый взгляд представляется, что применение кислорода, на производство которого затрачивается значительное количество электроэнергии, должно неизбежно привести к удорожанию себестоимости продукции за счет разницы в цене сжатого воздуха и кислорода. Это может иметь место только в том случае, если сопоставлять обжиг на воздушном дутье и дутье, обогащенном кислородом, в отрыве от затрат на сооружение пылеулавливающих, газоочистных сооружений и сернокислотных цехов, в отрыве от конкретных условий свинцово-цинковых предприятий, а также без учета возможности использования попутных компонентов воздуха (аргона и других газов).

Главное экономическое преимущество использования кислорода заключается в его интенсифицирующем воздействии на работу существующих установок, в возможности значительно повысить мощность при небольших затратах на их реконструкцию. Поэтому те цинковые заводы, которые перевели обжиг концентратов на дутье, обогащенное кислородом, получили значительный технико-экономический эффект с относительно небольшими капитальными вложениями. Применение кислорода внесло также качественно новые моменты в технику и технологию обжига сульфидных материалов в кипящем слое.

На скорость основной реакции обжига сульфидов оказывают влияние концентрация кислорода в газовой фазе и температура.

При температуре 900°С и различном содержании кислорода в дутье время для достижения одной и той же степени десульфуризации значительно сокращается по мере обогащения дутья кислородом. Так, десульфуризация на 90% достигается на воздушном дутье за 10мин, при содержании кислорода в дутье 28,7%-за 6,5 мин, 33% - за 5,5 мин, 40%- за 4 мин. и 58% - за 3 мин., т. о. скорость реакций окисления сульфидов возрастает в 2-3 раза.

При промышленных испытаниях обжига на дутье, обогащенном кислородом, было установлено, что удельная производительность печи КС при содержании кислорода в дутье 27% возрастает при общем количестве дутья на печь 16 тыс. м3/ч с 5,92 до 8,45т/(м2*сут), или на -12%. Выявлена также закономерность роста производительности печи КС на 23% при обогащении дутья кислородом до 24% и на 37%- при обогащении до 26%.

Высокая скорость окисления сульфида цинка воздухом, обогащенным кислородом, объясняется тем, что при одной и той же скорости диффузии воздуха к ядру сульфида (имеется в виду, что плотность зерна сульфида одна и та же) количество вступающего в контакт с сульфидом кислорода значительно больше, что ускоряет процесс десульфуризации. Поскольку реакция окисления сульфида является экзотермической, увеличение скорости ее протекания вызывает повышенное выделение тепла в единицу времени, что при постоянной величине теплопотерь приводит к резкому возрастанию температуры в зоне кипящего слоя. Более высокая температура слоя в свою очередь способствует ускорению обжига цинкового концентрата.[5, c.46,49]

3.2 Обжиг с рассредоточенной подачей кислорода

Для увеличения производительности печей до 320-420 т/сут концентрата на ЧЦЭЗ во время реконструкции печей были установлены элементы испарительного охлаждения газов на вертикальном стояке, циклонах и своде с подачей шихты на обжиговые печи с помощью ленточных транспортеров.

Основные параметры процесса обжига.

Повышение степени использования технического кислорода на ЧЦЭЗ на 1т Zn в очищенном растворе с 371 до 324,7 нм3 O2 (удельный расход технического кислорода на 1т переработанной шихты снизился с 195,3 до 170,8 нм3/т) было достигнуто за счет следующего технического решения:

Воздушная коробка под подиной печи разделяется посредством стальной перегородки на 2 сектора площадью 14 и 18 м2. подвод воздушного дутья по секторам становится отдельным, при этом появляется возможность раздельной регулировки как расход воздуха, так и степени обогащения его техническим кислородом. На форкамеру и сектор подины, прилегающий к ней, подается дутье, обогащенное кислородом, а на другой сектор подины - обычное воздушное дутье. Такое техническое решение позволило повысить концентрацию кислорода в дутье на форкамере и на подине (18 м2), где проходит основной поток шихтовых материалов. [8,c.20,21]

3.3 Системы загрузки шихты, пылеулавливания, газоочистки и отвода тепла.

Шихта загружается в печь скоростным ленточным забрасывателем, который представляет собой передвижную машину, состоящего из забрасывающего устройства и кожуха. Забрасыватель распределяет выброшенную шихту по поверхности «кипящего слоя» на длину 2,2-2,5м и ширину 0,5-1м при скорости движения ленты 7м/с. С увеличением скорости движения ленты с 7 до 20 м/с длина забрасывания шихты увеличилась с 2,5м до 6,5м.

По отношению с выгрузкой огарка подаваемого шнеком, огарок при выходе из печи получается более дисперсный. При остановке печи на подине не наблюдается накопления крупных кусков огарка.

Печи КС снабжены системой пылеулавливания состоящей из котла-утилизатора (если он включен в систему пылегазового тракта), одной или двух ступеней циклонов для грубого пылеулавливания и электрофильтров для тонкого пылеулавливания. Для грубой очистки отходящих газов от пыли почти на всех заводах применяют циклоны, которые в одну ступень позволяют снизить запыленность отходящих газов с 140-160 до 3-8 г/м3. [1, c.149]

Пыль из циклонов выгружают при помощи герметизирующих устройств. Примером такого устройства может служить широко распространенный в промышленности короткий шнек (4-6 витков) с затвором из выгружаемой пыли. После циклонов дымососами разных типов отходящие газы через коллектор грязного газа отправляют на тонкую очистку от пыли. Тонкую очистку газов от пыли осуществляют в сухих электрофильтрах. Запыленность газов после электрофильтров обычно не превышает 0,1-0,2г/м3. Очищенный газ используют для производства серной кислоты. [2, c.91] В современных условиях развития производства огромное внимание должно уделяться экологическим проблемам.

Санитарно - защитная зона вокруг заводов, расположенных в черте города не превышает 1 км, поэтому на ЧЦЭЗ, расположенном в центре многомиллионного города, постоянно ведется работа по внедрению экологических технологий, изменению вопросов в атмосферу, сбросов в водоемы и утилизации в производственном цикле образующихся твердых отводов.

Все обжиговые газы печей КС на утилизацию в сернокислотный цех. При этом их очищают от пыли, селена, ртути и других примесей. После извлечения из очищенных газов в сернокислотном цехе сернистого ангидрида их выбрасывают в атмосферу.

Утилизация газов цинкового производства обеспечивает экономический эффект и решает вопросы экологии.

Внедрение комплекса мероприятий, главное из которых система двойного контактирования, позволило обеспечить допустимые ПДВ, причем содержание сернистого ангидрида не превышает 0,05%.

Схема контактного узла постоянно совершенствовалась для обеспечения автотермичности его работы. С этой целью были введены дополнительные теплообменные поверхности как на первой, так и на второй стадиях контактирования; для очистки газов, отходящих от первой стадии абсорбции был установлен патронный фильтр оригинальной конструкции, в котором газы очищались от брызг и тумана серной кислоты, проходя через слой фторинового полотна; на двух системах были установлены контактные аппараты конструкции Сумского филиала института «Гипрохим», работающие по схеме 3+1 (3 слоя катализатора на первой стадии, 1 слой - на второй). Внедрение двойного контактирования позволило снизить выбросы сернистого ангидрида до предельно допустимых норм.[9, c.52,54]

В начале 90-х годов был реализован масштабный проект тотальной замены фильтрующих сооружений новыми, современными JET-фильтрами, разработанными и сконструированными инженерами КЦМ.

JET-фильтры обеспечивали низкое содержание пыли в технологических и вентиляционных газах (6-9 мг/нм3) с достижением европейских стандартов.

Для достижения полной утилизации сернистых газов был ускоренно внедрен разработанный КЦМ совместно с Болгарской АН метод нестационарного окисления SO2 и производство Н2SO4 из бедных газов. Этот метод позволяет при производстве Н2SO4 использовать газы с содержанием от 0,8 до 1,8% (объемн.) SO2. Все объекты этого технологического и экологического проекта будут закончены к концу 2003г.[7, c.12]

На Усть-Каменогорском свинцово-цинковом заводе внедрены в производство термосифоны, работающие на принципе испарительного охлаждения. Их устанавливают под сводом печи. Это позволяет более полно утилизировать тепло отходящих газов, снижает капитальные затраты на футеровку верхней части печи. За счет установки термосифонов снижает выход пыли до 25%, производительность печи увеличивается в 1,5-2,0 раза, снижается температура и объем отходящих газов, увеличивается концентрация SO2 в технологических газах. На предприятиях в связи с этим получают горячую воду и пар для технологических целей, что снижает себестоимость цинкового передела.

При обжиге выделяется огромное количество тепла, которое необходимо отводить от процесса. При обжиге основное количество тепла выделяется от горения сульфида цинка, которого в концентрате более 70% (по массе), т.е. все реакции окисления сульфидов металлов экзотермичные и процесс обжига относят к автогенным режимам, т.е. без затрат топлива, то для соблюдения теплового баланса, а также для предотвращения разрушений в печи КС устанавливают водо-охлаждаемые кессоны. При сгорании 1 кг сульфида цинка выделяется 9055кДж, что эквивалентно 0,3 кг условного топлива. Для отвода избыточного тепла существует традиционная система, включающая в себя: котел-утилизатор, который устанавливают позади печи, циклон и электрофильтр. Котлы-утилизаторы имеют ряд недостатков, таких как сложность конструкции, ненадежность и др. [1, c.152]

4. Теоретические основы процесса обжига

При обжиге, главным образом, происходит процесс окисления сульфидов. Механизм окисления включает следующие стадии:

1.адсорбция молекулярного кислорода на поверхности сульфидов и диссоциации его на атомарный кислород;

2. диффузия кислорода внутрь решетки сульфида и встречной диффузии серы на поверхность раздела фаз;

3. образование первичных соединений сульфида с атомарным кислородом;

4. химическое взаимодействие образовавшегося промежуточного продукта с оставшимся в центре зерна сульфидом и сжигании сульфидов материала выделением оксида и диоксида серы;

5. химические взаимодействия оксидов поверхностей пленки с сернистыми газами и образование вторичного сульфата.2

Обжиг ведется в одну стадию. Концентрат непрерывно загружают в рабочую зону печи КС, а продукт самотеком удаляется из печи. Кипящий слой характеризуется постоянством температуры во всех его точках (940-980?С) и интенсивным теплообменом.1 Основное тепло (около 70%) выделяется от сгорания сульфидных материалов. Это тепло отводят с помощью специальных аппаратов. [4, c.106,122]

Материал в КС текуч, интенсивно перемешивается, что обеспечивает однородность слоя по составу и температуре.3 [1, c.145]

4.1 Химизм процесса обжига цинковых концентратов

Под химизмом процессов подразумевается совокупность химических превращений происходящих в определенной последовательности взаимодействия исходных веществ. Химизм процесса характеризуется первичными, промежуточными и конечными продуктами превращений. Соответственно последовательные реакции делят на первичные, вторичные, а их продукты называют первичными, вторичными. Закономерность изменчивости химизма окисления при повышении температуры вызывает смену первичного продукта окисления MeS, происходит в такой последовательности: при низких температурах MeSO4, при более высоких MeO, а далее -Meo.

Рассмотрим химизм процессов в более широком диапазоне условий, чтобы представить последствия отклонения от принятых в практике режимов. Сульфид цинка встречается в концентратах в двух модификациях: распространяется - сфалерит б-ZnS и более редка- вюрцит в-ZnS. При нагреве переход б-в происходит при 1020?С, при более низких температурах в-ZnS существует как метастабильный. Химизм окисления этих модификаций одинаков.

От температуры начала заметного окисления сфалерита и до 900?С первичным твердым продуктом является ZnS. Следовательно, при температуре < 900-1000?С окисление идет по реакции:

ZnS+1.5O2=ZnO+SO2 (2.1)

Причем, чем интенсивней окисление ZnS за счет повышения t и Pо2, тем больше дебаланс между убылью количества ZnS и прибылью количества ZnO в обжигаемых образцах. Обусловлено протеканием реакции:

ZnSтв+O2=Znпар+SO2 (2.2)

Далее пары цинка окисляются.

Изоморфное железо при окислении сразу образует ZnFe2О4, полностью связывается с цинком в феррит. Феррит, полученный при t?<1000?С, фактически немагнитен и плохо растворим в растворах H2SO4. Но при t>1000?С становится ферромагнитным с той же растворимостью Связывание Fe2+ в силикаты, уменьшает фирритизацию Zn в огарке.

В окалинах на зернах сфалерита сульфатная сера обнаруживается во внешней части, это свидетельствует об образовании сульфата цинка. При этом образуются или ZnSO4 (на воздухе в изотермических условиях устойчив до 670?C) или ZnO*2ZnSO4 (760?С). При наличии в газовой фазе SO3 эти сульфаты не диссоциируют и при более высоких температурах. Т.о., вторичные сульфаты в зависимости от t и Рso3 образуются по реакциям:

ZnO+SO3 = ZnSO4, ZnFe2O4+SO3 = ZnSO4+Fe2O3 (2.3) или 3ZnO+2SO3=ZnO*2ZnSO4 (2.4)

3ZnFe2O4+2SO3=ZnO*ZnSO4+Fe2O3 (2.5)

При повышении температуры степень сульфатиризации ZnO и ZnFe2O4 изменяется, проходя через максимум. Температура максимума сульфатиризации зависит от концентрации SO3 в газовой форме, а значит от концентрации SO2 и O2, при чем с повышением кислорода в дутье до 28%, такие показатели работы печи, как производительность- увеличиваются, содержание SO2 в отходящих газах - увеличивается, содержание цинка в огарке - увеличивается, с дальнейшим же ростом кислорода в дутье происходит обратное.1 [2, c.92]

Для гидрометаллургической обработки имеет значение влияние условий обжига на растворимость феррита цинка. Чем мельче, пористей феррит, тем легче он растворяется. Укрупнению феррита способствует обжиг с t>1000?С, быстрое охлаждение огарка дает обратный эффект, но более слабый.

ZnSiO4 - кислорастворимое силикатное образование технологически опасно. В условиях КС - образование результат сростков ZnS с породообразующими минералами, спекание соударяющихся зерен. Усилению образования способствует обжиг t>1000?С, когда частичная отгонка цинка в результате реакции (2.1)с последующей конденсации окислившегося цинка на силикатных фазах. Аналогичным образом усиливается и ферритизация цинка.

4.2 Термодинамика процессов

Реакции 2.1; 2.2 с повышением температуры сильно экзотермичны (?Н>0), они вызывают значительную убыль энергии Гиббса (?G<0) и имеют большие численные значения константы равновесия (Кр>1). Последнее свидетельствует о необратимом протекании этих реакций вправо во всем интервале температур.

Вторичные реакции окисления SO2 и сульфатизации оксидов металлов имеют умеренные значения Кр, поэтому эти реакции обратимы и протекают не до конца, а в ограниченной степени определяемой условиями обжига (Т, Ро2). Однако реакции окисления низших оксидов до высших имеют большие Кр и протекают до конца.

Такой анализ целесообразно применять для определения последовательности образования первичных и вторичных продуктов окисления сульфидов в зависимости от температуры и состава газовой фазы. В условиях обжига единственным продуктом окисления ZnS при 600-1000?С является ZnO, хотя вероятность образования первичного сульфата возрастает с понижением температуры, а первичного цинка- с повышением температуры. Но для образования первичного ZnSO4 необходимы очень высокие Po2, а для образования первичного цинка- чрезвычайно низкие Po2 и Po3, которые могут реализоваться при более высоких температурах около поверхности сульфида.

Страницы: 1, 2, 3