При обжиге протекают следующие реакции окисления сульфидов:
ZnS+1.5O2=ZnO+SO2(3.1)
ZnS+2O2=ZnSO4 (3.2)
PbS+1.5O2=PbO+SO2(3.3)
2CuFeS2+6O2=Cu2O+Fe2O3+4SO2(3.4)
2CuS+2.5O2=Cu2O+2SO2 (3.5)
2FeS2+5.5O2=Fe2O3+4SO2 (3.6)
2FeS+3.5O2=Fe2O3+2SO2 (3.7)
CdS+1.5O2=CdO+SO2 (3.8)
Продуктами окислительного обжига являются отходящие газы, огарок и пыль. Пыль и огарок представлены оксидными соединениями металлов и их перерабатывают по единой технологии. Отходящие газы содержат сернистый и серный ангидрид, азот, кислород. После очистки их отправляют на производство серной кислоты. Процесс обжига сульфидного концентрата протекает в автогенном режиме при температуре 960-980. Автогенность процесса поддерживают регулированием расходов концентрата и воздушного дутья. Оптимальное соотношение концентрат воздух устанавливают в результате расчета теплового баланса процесса. Тепловой баланс позволяет также определить расход охлаждающей воды в теплообменниках кипящего слоя для поддержания заданной температуры.
Тепловой баланс предопределяет равенство прихода и расхода тепла в агрегат «КС». Приход тепла в обжиговую печь складывается из следующих составляющих: физическое тепло воздуха и концентрата, тепло экзотермических реакций окисления сульфидов металлов. Статьями расхода тепла являются тепло отходящих газов, пыли и огарка, тепло на нагрев и испарение охлаждающей воды.
Для расчета процесса потребуется рассчитать рациональный состав цинкового концентрата, расход воздуха для окисления сульфидов, количество и состав продуктов обжига, тепловой баланс процесса.
Исходные данные:
Химический состав цинкового концентрата, %: 51,0 Zn; 0,9 Pb; 6,9 Fe; 1,5 Cu; 0,3 Cd; 32,2 S; 1,6 SiO2; 1,9 CaO; 1,7 Al2O3; прочие.
Минералогический состав: цинк - в сфалерите ZnS; свинец- в галените PbS; медь- в халькопирите CuFeS2 и ковеллине CuS в соотношение 3:1;остальное железо- в пиритеFeS2 и пирротине FeS в соотношение 2:1; кадмий- в сильфиде.
Исходный цинковый концентрат поступает на обжиг с влажностью 8%
В агрегат подают воздух, обогащенный кислородом до 30%. Избыток воздуха составляет 10% (коэффициент избытка=1,1)
Сульфид цинка в количестве 2,7% от его общего содержания окисляется по (3.2)
Пылевынос при обжиге составляет 30%. По своему составу пыль мало отличается от огарка. В пыли и огарке цинк находится в соединениях: 90% в ZnO; 7% в ZnOFe2O3; 2.7%ZnSO4; 0.3% в ZnS.
Расчет ведем на 100 кг. концентрата.
3.1 Расчет рационального состава концентрата
Таблица 3.1
Рациональный состав цинкового концентрата
| Соединение | ||||||||||||
| Zn | Pb | Cu | Fe | Cd | S | CaO | SiO2 | Al2O3 | Прочие | Всего | ||
| ZnS | ||||||||||||
| PbS | 0,9 | 0,14 | 1,04 | |||||||||
| CuFeS2 | 1,125 | 0,988 | 1,134 | 3,247 | ||||||||
| CuS | 0,375 | 0,189 | 0,569 | |||||||||
| FeS | 1,971 | 1,13 | 3,10 | |||||||||
| FeS2 | 3,941 | 6,781 | 8,462 | |||||||||
| CdS | 0,3 | 0,085 | 0,385 | |||||||||
| CaO | 1,9 | 1,9 | ||||||||||
| SiO2 | 1,6 | 1,6 | ||||||||||
| Al2O3 | 1,7 | 1,7 | ||||||||||
| Прочие | ||||||||||||
| Всего | 0,9 | 1,5 | 6,9 | 0,3 | 34,46 | 1,9 | 1,6 | 1,7 | ||||
Определим количество сфалерита в концентрате, кг:
65,4-97,4
51-х
серы в сфалерите
Определим количество галенита в концентрате, кг:
207,2 свинца содержится в 239,2 галенита
0,9-х
серы в галените
Определим количество халькопирита в концентрате, кг:
количество меди
63,54-183,4
1,125-х
железа в халькопирите
серы в халькопирите
Определим количество ковелина в концентрате, кг:
количество меди 1,5-1,125=0,375кг
серы в ковелине
Количество железа в пирите и пирротине составит, кг:
6,9-0,988=5,912
количество железа в пирите
Определим количество пирита в концентрате, кг:
55,8-119,8
3,941-х
серы в пирите
железа в пирротине
5,912-3,941=1,917 кг
Количество пирротина в концентрате, кг:
серы в пирротине
Количество сульфида кадмия в концентрате, кг:
112,4-144,4
0,3-х
серы в сульфиде кадмия
3.2 Расчет количества отходящих газов и воздуха для обжига
Таблица 3.2
Количество и состав обжиговых газов
| Компоненты | Количество | |||
| кг | нм3 | % объемн. | ||
| SO2 | 63,9 | 23,30 | 17,4 | |
| O2 | 4,93 | 3,45 | 2,8 | |
| N2 | 125,5 | 96,7 | 73,6 | |
| H2 | 8,0 | 9,8 | 6,2 | |
| Итого | 202,3 | 133,3 | 100,0 | |
При образовании сульфата цинка окислится сульфида цинка, кг
760,027=2,1
при этом потребуется кислорода, кг.
и будет получено сульфата цинка, кг.
Окислится сфалерита (по 3.1) в количестве, кг.
76-2,1=73,9
для этого потребуется кислорода, кг.
при этом получится диоксида серы, кг.
Для окисления галенита (по 3.3) потребуется кислорода, кг.
получится диоксида серы, кг.
Для окисления халькопирита (по 3.4) потребуется кислорода, кг.
получится диоксида серы, кг.
Для окисления ковелина (по 3.5) потребуется кислорода, кг.
получится диоксида серы, кг.
Для окисления пирита (по 3.6) потребуется кислорода, кг.
получится диоксида серы, кг.
Для окисления пирротина (по 3.7) потребуется кислорода, кг.
получится диоксида серы, кг.
Для окисления сульфида кадмия (по3.8) потребуется кислорода, кг.
получится диоксида серы, кг.
Всего потребуется кислорода для окисления сульфидов концентрата, кг.
1,4+36,5+0,21+1,701+0,24+6,216+,1,98+0,128=48,375
В печь для обжига подается дутье, обогащенное кислородом до 30%, тогда масса обогащенного воздуха составит, кг
48,375100/30=161,25
Избыток воздуха составляет 10%, тогда практическое количество воздуха составит, кг.
161,251,1=177,38
В этом количестве воздуха содержится, кг.
кислорода 177,380,3=53,21
азота 177,380,7=124,17
Получится при обжиге диоксида серы, кг.
48,6+0,23+2,27+0,382+0,904+2,26+0,171=72,133
Цинковый концентрат поступает на обжиг с влажностью 8%
в газовую фазу перейдет:
азота 124,17
кислорода 53,21-48,375=4,835
сернистого ангидрида 72,133
воды 8,0
3.3 Расчет количества и состава пыли и огарка
Пылевынос при обжиге составляет 30%. Все компоненты огарка переходят в пыли на 30%.
Таблица 3.3
Количество и состав пыли
| Соединения | Соединения компонентов, кг | |||||||||||||
| Zn | Pb | Cu | Fe | Cd | Ss | O2 | SiO2 | CaO | Al2O3 | Прочие | Всего | |||
| ZnO | 13,77 | 3,37 | 17,14 | |||||||||||
| ZnOFe2O3 | 1,07 | 1,82 | 1,05 | 3,94 | ||||||||||
| ZnSO4 | 0,413 | 0,2 | 0,4 | 1,02 | ||||||||||
| ZnS | 0,046 | 0,022 | 0,068 | |||||||||||
| PbO | 0,27 | 0,021 | 0,291 | |||||||||||
| Fe2O3 | 0,25 | 0,11 | 0,36 | |||||||||||
| Cu2O | 1,05 | 0,132 | 1,18 | |||||||||||
| CdO | 0,09 | 0,013 | 0,103 | |||||||||||
| SiO2 | 0,48 | 0,48 | ||||||||||||
| Al2O3 | 0,51 | 0,51 | ||||||||||||
| CaO | 0,57 | 0,57 | ||||||||||||
| Прочие | 0,6 | 0,6 | ||||||||||||
| Итого,кг | 15,3 | 0,27 | 1,05 | 2,07 | 0,09 | 0,2 | 0,022 | 5,096 | 0,48 | 0,57 | 0,51 | 0,6 | 26,26 | |
Содержание компонентов в пыли (таблица 3.3) составит, кг:
цинка 510,3=15,3
свинца 0,90,3=0,27
меди 1,50,3=0,45
железа 6,90,3=2,07
кадмия 0,30,3=0,09
оксида кальция 1,90,3=0,57
кремнезема 1,60,3=0,48
глинозема 1,70,3=0,51
прочих 20,3=0,6.
Принимаем для расчета содержание цинка в пыли в следующих формах: 90% в виде ZnO; 7% в ZnOFe2O3; 2,7% в ZnSO4 и 0,3% в виде ZnS.
Определяем количество цинка в оксиде цинка, кг:
15,30,9=13,77.
Количество оксида цинка составит, кг:
Кислорода в оксиде цинка содержится, кг:
Количество цинка, связанного в ферритную форму, составит, кг:
15,30,07=1,07.
Количество феррита цинка составит, кг:
Кислорода в феррите цинка содержится, кг:
Железа в феррите цинка содержится, кг:
Определяем содержание цинка в сульфате, кг:
15,30,027=0,413.
Рассчитываем количество сульфата, кг:
Кислорода в сульфате содержится, кг:
Серы в сульфатной в сульфате цинка содержится, кг:
Цинка содержится в пыли в сульфиде цинка, кг:
15,30,003=0,0459.
Сульфида цинка содержится в пыли, кг:
Серы связано в сульфиде цинка, кг:
Свинец в пыли содержится в виде оксида свинца. Определяем количество оксида свинца, кг:
Кислорода в оксиде свинца содержится, кг:
Медь содержится в пыли в виде оксида меди (I), определяем количество оксида меди (I), кг:
В оксиде меди (I) содержание кислорода составляет, кг:
Количество железа в оксиде железа (III) в пыли содержится, кг:
2,07-1,82=0,25.
Содержание оксида железа (III) в пыли составит, кг:
Количество кислорода в оксиде железа (III) составит, кг:
0,36-0,25=0,11.
Оксид кадмия в пыли присутствует, кг:
Кислорода в оксиде кадмия содержится, кг:
В огарок перешло 70% компонентов концентрата (таблица 3.4), кг:
цинка 510,7=35,7
свинца 0,90,7=0,63
меди 1,50,7=1,05
железа 6,90,7=4,83
кадмия 0,30,7=0,21
оксида кальция 1,90,7=1,33
кремнезема 1,60,7=1,12
глинозема 1,70,7= 1,19
прочих 20,7=1,4
Таблица 3.4
Количество и состав огарка
| Соединения | Соединения компонентов, кг | |||||||||||||
| Zn | Pb | Cu | Fe | Cd | Ss | O2 | SiO2 | CaO | Al2O3 | Прочие | Всего | |||
| ZnO | 32,13 | 7,86 | ||||||||||||
| ZnOFe2O3 | 2,499 | 4,26 | 2,45 | 9,21 | ||||||||||
| ZnSO4 | 0,964 | 0,47 | 0,94 | 2,38 | ||||||||||
| ZnS | 0,11 | 0,054 | 0,164 | |||||||||||
| PbO | 0,7 | 0,054 | 0,75 | |||||||||||
| Fe2O3 | 0,57 | 0,25 | 0,82 | |||||||||||
| Cu2O | 0,05 | 1,13 | 1,18 | |||||||||||
| CdO | 0,21 | 0,03 | 0,24 | |||||||||||
| SiO2 | 1,12 | 1,12 | ||||||||||||
| Al2O3 | 1,19 | 1,19 | ||||||||||||
| CaO | 1,33 | 1,33 | ||||||||||||
| Прочие | 1,4 | 1,4 | ||||||||||||
| Итого,кг | 35,7 | 0,7 | 0,05 | 4,83 | 0,21 | 0,47 | 0,054 | 12,71 | 1,12 | 1,33 | 1,19 | 1,4 | 59,8 | |
В расчете примем, что цинк в огарке находится в следующих соединениях: 90% ZnO; 7% ZnOFe2O3; 0,3% ZnS и 2,7% ZnSO4.
Цинка в оксиде цинка содержится, кг:
35,70,9=32,13.
Определяем содержание оксида цинка составляет, кг:
Количество кислорода в оксиде цинка составляет, кг:
Цинка содержится в феррите цинка огарка, кг:
35,70,07=2,499.
Феррита в огарке содержится, кг:
Кислорода в феррите цинка содержится, кг:
Железа содержится в феррите цинка, кг:
Цинка содержится в сульфате цинка огарка, кг:
35,70,027=0,964.
Определяем количество сульфата цинка, кг:
В сульфате цинка содержится кислорода, кг:
Серы в сульфате цинка содержится, кг:
Цинка содержится в сульфиде цинка огарка, кг:
35,70,003=0,11.
Сульфида цинка в огарке содержится, кг:
Содержание серы в сульфиде цинка составит, кг:
0,164-0,11=0,054.
Свинца содержится в оксиде свинца огарка 0,7кг, количество оксида свинца составит, кг:
Кислорода в оксиде свинца содержится, кг:
Оксида меди (I) содержится в огарке, кг:
Кислорода в оксиде меди (I) содержится, кг:
1,18-1,05=1,13.
Железа содержится в оксиде железа (III) огарка, кг:
4,83-4,26=0,57.
Оксида железа (III) в огарке содержится, кг:
Кислорода в оксиде железа (III) находится, кг:
0,82-0,57=0,25.
Определяем количество оксида кадмия в огарке, кг:
Кислорода в оксиде кадмия содержится, кг:
0,24-0,21=0,03.
Полный материальный баланс процесса обжига цинковых концентратов сведен в таблице 3.5.
Таблица 3.5
| Материалы | Содержание компонентов, кг | ||||||||||
| Всего, кг | Zn | Pb | Cu | Fe | Cd | O2 | N2 | S | Прочие | ||
| Поступило: Цинковый концентрат Влага концентрата Воздух | |||||||||||
| 0,9 | 1,5 | 6,9 | 0,3 | 32,2 | |||||||
| 177,71 | 53,31 | 124,4 | |||||||||
| Итого, кг | 285,71 | 0,9 | 1,5 | 6,9 | 0,3 | 53,31 | 124,4 | 32,2 | |||
| Получено: Огарок Пыль Газ | |||||||||||
| 59,8 | 35,7 | 0,7 | 0,05 | 4,83 | 0,21 | 12,74 | 0,054 | 1,4 | |||
| 26,26 | 15,3 | 0,27 | 1,048 | 2,07 | 0,09 | 5,096 | 0,022 | 0,6 | |||
| 202,3 | 35,47 | 124,4 | 32,12 | ||||||||
| Итого | 288,36 | 0,97 | 1,098 | 6,9 | 0,3 | 53,3 | 124,4 | 32,197 | |||
3.4 Расчет теплового баланса процесса обжига цинковых концентратов
Расчет теплового баланса ведется на 108 кг влажного концентрата.
Расчет прихода тепла.
1. Определяем физическое тепло концентрата
где с1 - теплоемкость концентрата = 0,75 кДж/кгград;
m1 - масса концентрата, кг
t1 - температура концентрата = 15.
2. Определяем физическое тепло воздуха
где с2 - теплоемкость воздуха = 1,3 кДж/нмград;
V2 - объем воздуха = 138,4 нм3;
t2 - температура воздуха = 25
3. Рассчитываем тепло экзотермических реакций
Приход тепла от экзотермических реакций составит, кДж:
Расчет расхода тепла.
1. Определяем тепло, уносимое огарком и пылью:
где с1 - теплоемкость огарка и пыли = 0,9799 кДж/кг•град;
m1 и m2 - масса огарка и пыли, кг:
t1 и t2 - температура огарка и пыли,.
Материальный баланс процесса обжига цинковых концентратов по годовой производительности сведен в таблице 3.6
Таблица 3.6
Материальный баланс по годовой производительности
| Материалы | Содержание компонентов, тыс. тонн | ||||||||||
| Всего, тыс. тонн | Zn | Pb | Cu | Fe | Cd | O2 | N2 | S | Прочие | ||
| Поступило: Цинковый концентрат Влага концентрата Воздух | 168.3 | 2.97 | 4.95 | 22.77 | 0.99 | 106.26 | 6.6 | ||||
| 26.4 | 118.5 | ||||||||||
| 586.443 | 175.02 | 410.52 | |||||||||
| Итого, кг | 942.843 | 168.3 | 2.97 | 4.95 | 22.77 | 0.99 | 175.02 | 410.52 | 32,2 | 125.1 | |
| Получено: Огарок Пыль Газ | 246.67 | 147.01 | 2.88 | 0.2 | 19.92 | 0.86 | 52.55 | 0,222 | 5.77 | ||
| 85.78 | 49.97 | 0.88 | 3.42 | 6.76 | 0.32 | 16.64 | 0,07 | 1.96 | |||
| 660.86 | 115.87 | 406.38 | 104.92 | 26.13 | |||||||
| Итого | 993.31 (288,36) | 196.98 | 3.76 | 3.62 | 26.82 | 1.18 | 185.01 | 406.3 | 105.212 | 33.86 | |