Обжиг цинковых концентратов в печах КС

2.1 Обжиг цинковых концентратов в печах КС

Первой стадией технологической схемы получения Zn является обжиг Zn концентратов в печах КС, основной целью которого является перевод нерастворимого ZnS в воднорастворимый ZnO. Обжиг позволяет применить к переработке цинковых концентратов гидрометаллургическую технологию. При обжиге стремятся получить огарок, соответствующий требованиям последующих гидрометаллургических процессов. Очень важно, чтобы продукт обжига был порошкообразным.

Многие отечественные заводы перерабатывают концентраты не одной, а нескольких обогатительных фабрик. Такие концентраты часто отличаются как по химическому, так и по гранулометрическому составу. Поэтому концентраты разных месторождений перед обжигом усредняют. Иногда концентраты обезвоживают до состояния пульпы (>30% влаги). Шихта в виде пульпы предпочтительна, когда цинковый завод находится рядом с обогатительной фабрикой, или когда в шихту идут сильно различающиеся по составу концентраты, Однако загрузка пульпы увлажняет отходящие газы, и это усложняет их переработку, усиливает коррозию оборудования и газоотводящих систем. Пульпу сложнее, чем сухую шихту равномерно распределить по кипящему слою.

В настоящее время в промышленности проводят обжиг в весьма производительных, экономичных и автоматизируемых печах кипящего слоя. При ней, как правило, находится аппарат для пылеулавливания, называемый циклоном. Они предназначения для грубой очистки газов от пыли, способны за одну стадию снизить запыленность отходящих газов с 140-160 до 3-6 г/м². После циклонов дымососами разных типов отходящие газы отправляют через коллектор грязного газа на тонкую отчистку от пыли, позволяющих уменьшить запыленность до 0,1-0,2 г/ м². Применяют электрофильтры. Очищенный газ идет на производство серной кислоты.¹[2, c.91]

Достоинством окислительного обжига является следствием сжигания концентрата, приведенного в особое состояние псевдоожижения. Концентрат непрерывно загружают в рабочую зону печи, а продукт обжига самотеком удаляется из печи. Кипящий слой характеризуется постоянством температуры во всех его точках и интенсивным теплообменом (t=940-980С). Необходимо также отметить, что кипящий слой характеризуется высокими значениями теплопроводности самого слоя, которая достигает 2500 Вт/м^{2 0}С и более. Следовательно, выравнивание температуры по слою происходит с высокими скоростями.2 При продувании снизу через слой сыпучего материала газа этот слой при определенных параметрах дутья (поток воздуха перед печью разделяется на два, один поступает в форкамеру, другой в основную часть печи) будет разрыхляться до такого состояния, что приобретет свойства жидкости. Псевдоожиженное состояние наступает при скорости газового потока, когда его подъемная сила будет уравновешиваться массой сыпучего материала. При минимальной

критической скорости слой сыпучего материала переходит в псевдожидкое состояние, а при максимальной во взвешенное состояние со свободным витанием частиц. В рабочем пространстве печи выше уровня кипящего слоя происходит обжиг части более мелких зерен во взвешенном состоянии. Для активации обжига этой составляющей шихты в зону взвешенного состояния подают вторичное дутье.

Рассмотрим процесс обжига в печи кипящего слоя более подробно с помощью химизма, термодинамики и кинетики.¹[2, c.83]

2.1.1 Влияние условий обжига на технологические показатели процесса

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 холодильники, 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.

На обжиг поступает сульфидный цинковый концентрат, часто после обогащения крупностью < 0,076мм и поэтому измельчению не подлежит. Необходимо усреднять шихту перед обжигом. На цинковых заводах усреднение осуществляют послойной шихтовкой разных концентратов и оборотных материалов на бетонированных площадках и последующим перемешиванием их с помощью грейферных кранов. В ряде случаев в схему подготовки цинковых концентратов включают магнитную сепарацию для удаления из них металлических предметов.

Концентрат в печь подают в виде пульп или в сухом виде. В виде пульпы шихту подают в том случае, когда завод находится рядом с обогатительной фабрикой, когда в шихту идут сильно различающиеся по составу концентраты, т. к. такую шихту легче перемешивать. Однако такую шихту труднее распределить по кипящему слою печи. Шихта увлажняет отходящие газы из-за чего их труднее перерабатывать, усиливается износ оборудования и газоотводящих систем.²¹ При большой влажности концентратов их подсушивают во вращающихся барабанных печах с форсуночным или топочным отоплением до остаточной влажности 6-8%. Для разрушения комков используют дисковые дробилки. [1, c.146]

Содержание кислорода в дутье не должно превышать 29-30%, так как растворимость цинка и удельная производительность при дальнейшем увеличении его концентрации растет не значительно. Кроме того, при содержании в дутье свыше 30% О₂ трудно устранить возрастающий избыток тепла в слое, например при помощи трубчатых кессонов, применяемых на печах.²[2, c.93] Обогащение дутья кислородом до 30% позволяет повысить производительность обжига до 9т/м³, а содержание SO₂ в газах достигает 14-16%; однако быстрее изнашивается футеровка печи и требуется интенсивный отвод тепла из-за возможности оплавления огарка, все это ограничивает добавление кислорода.[3, c.204]

Пылевынос при обжиге составляет 30-50% и зависит от дисперсности шихты и гидродинамического режима обжига. До 90-95% выносимой газовым потоком пыли улавливается в циклонах и 3-6%- в системе тонкого пылеулавливания. При переработке в кипящем слое гранулированного материала вынос пыли снижается до 5-25%. В большинстве случаев состав пылей и огарков одинаков.[4, c.123]

В зарубежной практике при высокой скорости дутья воздуха выпуск огарка через сливной порог невысок (18-40%), большая часть материала уносится в пыль.

Уменьшению пылевыноса способствует увеличение надслоевого объема, а также возврат циклонной пыли в КС (циклон возврата), что ведет к укрупнению пыли и повышает долю материала, выгружаемого из печи через сливной порог.

Скорость дутья также влияет на процесс. При повышении скорости дутья (до 600-675м³/м²ч) усиливается пылевынос из печи КС. В зарубежной практике при форсированном дутье воздуха выпуск огарка через порог невысок. Это увеличивает долю обжига шихты во взвешенном состоянии и снижает производительность по обожженному материалу, пригодному для выщелачивания, а также несет другие нежелательные последствия. В производстве нормальное состояние кипящего слоя создается при давлении 15-16 кПа, из них 4-6 кПа приходится на преодоление гидравлического сопротивления подины печи.

Конструкция печи влияет на показатели процесса. Чтобы избежать значительного пылеуноса и повысить степень десульфуризации, печи КС делают с большим объемом надслоевого пространства: высокие (12-17м) и расширяющиеся в верхней части (в 1,3-1,5 раза). Из-за этого скорость газа при выходе из КС значительно уменьшается и пыль оседает обратно или дольше витает в надслоевом пространстве и полней окисляется. Такая конструкция позволяет повысить концентрацию SO2 в отходящих газах (до 10%) и интенсифицирует обжиг. Обычно печи состоят из одной или нескольких рабочих камер. Последние получили наибольшее распространение в промышленности.³

В условиях псевдоожижения необходимо учитывать явление сегрегации, которое заключается в преимущественном накапливании частиц определенного размера (плотности) в различных по высоте зонах слоя. Сегрегация оказывает влияние на пылевынос из КС. Сепарация, основанная на сегрегации, требует более низких расходов ожижающего реагента, дает более четкое разделение на фракции и позволяет разделять смеси разнородных частиц одинакового размера не подающихся традиционному рассеву. Тем не менее использование сегрегации сдерживается необходимостью поддержания параметров в узких пределах и несовершенством аппаратурного оформления.

Качество огарка определяется соответствием его указанным выше требованиям. Чтобы в огарке содержалось не более 0,1-0,3% сульфидной серы, необходимо достичь степени десульфуризации концентрата при обжиге 90-99,7%. Столь высокая степень десульфуризации сопряжена на завершающей стадии окисления зерен концентрата с малыми скоростями процесса: ничтожна и сильно экранирована окалиной поверхность сульфидного ядра в окисленных зернах. Поэтому быстротечное горение зерна не обеспечит столь низких остаточных содержаний сульфидной серы в огарке. Это достигается благодаря длительному пребыванию в КС основной части материала. Например, для печи с подом 72м², производительностью 575т/сут. и пылеуносом 60% (зарубежная практика) время пребывания 8,6 часов, найдено по формуле ф_1/2=M/kвm:

где М- количество огарка в КС;

m - производительность печи по концентрату;

k - коэффициент сокращения массы огарка по сравнению с массой исходного концентрата (0,85-0,90);

в - доля концентрата, которая не уносится из печи КС в пыль.

Для зарубежной практики время пребывания 8,5-10ч, а для отечественной характерно время пребывания 12-14ч. Длительное пребывание материала в печи позволяет достичь необходимую степень десульфуризации.

Умеренное содержание растворимой сульфатной серы (<2-4%) достигается благодаря тому, что при 950-970 ⁰C вторичные сульфаты цинка образуются в малой степени даже при повышенных Сso₂ в газовой фазе. Чтобы концентрат при обжиге не укрупнялся, необходимо, чтобы температура в КС не превышала 970 ⁰C.

Для нормальной работы системы теплоотъема и пылеулавливания серьезные помехи создают пылевые отложения в пылегазовом тракте. Повышение Сso₂  в отходящих газах вызывает сульфатизацию и упрочнение этих пылевых отложений, что затрудняет их удаление. Сульфатизация отложений становится возможной по мере охлаждения пыли.[2, c.92]