Обжиг цинковых концентратов в кипящем слое
Высокая производительность гетерогенных процессов достигается при правильном выборе размера реагирующих твердых частиц, тщательном перемешивании их с газом и высокой концентрации этих частиц в газе. Эти условия наиболее полно реализуются в процессах, осуществляемых в кипящем (или псевдоожиженном) слое. Псевдоожижением называется таксе состояние слоя твердого зернистого материала, продуваемого восходящим потоком газа, при котором статическое давление слоя уравновешивается гидродинамическим давлением газового потока. Кипящий слой образуется при таком режиме псевдоожижения, при котором часть газа проходит через слой в виде пузырей или ядер, обеспечивающих интенсивное перемешивание всего слоя. При малой скорости газа, проходящего через слой сыпучего материала, лежащего на газопроницаемой поверхности, газ фильтруется через поры между частицами и не вызывает при этом каких-либо физических изменений слоя. Слой остается неподвижным и объем его не изменяется. Такой слой называется фильтрующим. С увеличением скорости газового потока сопротивление слоя растет вследствие трения газа о поверхность зерен и при прохождении газовых струй по каналам различного сечения, образующимся между зернами. Когда скорость газа, пронизывающего слой, достигает некоторой определенной величины, называемой минимальной критической скоростью газа возрастает объем слоя и он начинает «кипеть». С дальнейшим повышением скорости газового потока немного увеличивается высота слоя зернистого материала, но сопротивление его остается практически постоянным. Характер перепада давления в зависимости от скорости движения газа иллюстрируется на рис. 16. При повышении скорости газа потеря напора увеличивается от А до Б экспоненциально, при этом показатель степени изменяется от 1 до 2 в зависимости от величины критерия Рейнольдса. Эта часть кривой соответствует газодинамическому режиму, свойственному фильтрующему слою. В точке Б происходит перелом, указывающий, что потеря напора в слое остается постоянной. При этом объем слоя увеличивается на 5—10%. Прямая БВ соответствует газодинамическому режиму в области псевдоожижения. Точка Б, соответствующая минимальной критической скорости потока газа, может быть определена опытным путем или расчетом по известным формулам с точностью ±10/20%. При достижении критической скорости свойства сыпучего слоя качественно изменяются: он становится похожим на вязкую жидкость, т. е. переходит в псевдоожиженное состояние. Слой становится легкоподвижным и подобно жидкости способен перетекать от верхнего уровня к нижнему, имеет горизонтальную поверхность, течет по трубам, перетекает через пороги и т. д. При более интенсивном продувании газа через слой зернистого материала зерна в слое, подобно пузырькам газа в кипящей жидкости, интенсивно перемешиваются и наблюдается ясно выраженная граница раздела между уровнем кипящего слоя и находящегося над ним газа. В связи с перечисленными свойствами обжигаемого слоя способ называется обжигом в кипящем слое или обжигом в псевдоожиженном слое. При увеличении скорости потока газа сверх критической величины начинается бурление и выбросы пыли. При последующем повышении скорости газа до критического значения максимальной скорости псевдоожижения весь слой переходит во взвешенное состояние. Эта скорость может быть в 30—50 раз больше минимальной критической скорости псевдоожижения. Таким образом, кипящий слой является промежуточным состоянием зернистого материала между фильтрующим, неподвижным и взвешенным слоями, характеризуемым свободным витанием частиц. Если бы в концентрате все частицы были одинакового размера или близки по размерам, т. е. если бы он был монодисперсен, можно было бы найти такую скорость дутья, при которой слой активно кипит при весьма малом выносе частиц пыли. Ho так как реальные концентраты полидисперсны и содержащиеся в них частицы отличаются по размерам в десятки и сотни раз, идеального кипящего слоя создать никогда не удается и при рабочей скорости газа, обеспечивающей кипение слоя, значительное количество мелких частиц удаляется из него, переходит во взвешенное состояние и уносится с газовым потоком. Это обстоятельство усугубляется тем, что рост интенсивности газового потока выше минимальной критической скорости псевдоожижения приводит к образованию каналов в слое и проскоку через них газовых пузырей, что способствует еще большей неоднородности аэросмеси в слое. С увеличением размера частиц тенденция к образованию проскоков возрастает. При размере части меньше 0,05 мм неоднородность слоя также склонна к увеличению вследствие способности таких малых частиц слипаться под действием электростатических сил. Такие слипшиеся конгломераты становятся газонепроницаемы и ведут себя как крупные частицы. Поэтому кипящий слой можно рассматривать как двухфазную систему, в которой одна фаза — плотная состоит из однородной смеси газа и твердых зерен, а другая представляет крупные газовые пузыри, движущиеся в этой плетней массе. Газовые пузыри барботируют слой и весьма энергично перемешивают зерна и газ. При этом более мелкие зерна быстро проходят путь от загрузки к выгрузке, другие, более крупные, дольше циркулируют в слое. Интенсивность перемешивания увеличивается пропорционально скорости потока и диаметру зерен. Перемешивание газа в кипящем слое примерно в 1000 раз интенсивнее, чем в фильтрующем слое. Среднее время пребывания твердых зерен в кипящем слое может быть определено по формуле где Q — масса кипящего слоя в ванне печи, кг; q — загрузка сырья в печь, кг/ч; φ — доля мелких фракций, уносимых газами. В случаях обжига цинковой обманки в производственных условиях рабочая скорость дутья колеблется в пределах 0,09—0,14 м/сек и обычно превышает скорость витания мелких зерен, которые поэтому уносятся из слоя. Кажущаяся вязкость кипящего слоя зависит от вязкости газа и пористости слоя и колеблется при 20 от 4 до 100 спз, в то время как для воды эта величина равна 1, глицерина 15 и оливкового масла 80. В кипящем слое наблюдаются большие перепады давления и степени его расширения. По величине этого перепада обычно судят о состоянии и характере процесса кипения в слое. Теплопередача в кипящем слое чрезвычайно высока. Опытами установлено, что при одинаковой скорости потока газа, рассчитанной на свободное сечение трубки, общий коэффициент теплопередачи, ккал/(м2*ч*град), составил: в свободном от зерен потоке 14, в потоке, проходящем через неподвижный слой, 44, в потоке, проходящем через кипящий слой, 180. Обжиг в кипящем слое довольно широко применялся в различных областях техники, но для обжига цинковых концентратов был разработан впервые в начале 50 годов в России Г.Я. Лейзеровичем. С тех пор этот способ обжига завоевал широкое признание, на него переведены все цинковые заводы России и многие заводы за рубежом. Подобно печам для обжига во взвешенном состоянии, первые печи для обжига в кипящем слое были созданы путем реконструкции круглых печей с механическим перегребанием типа Веджа или Гересгофа. Печь для обжига в кипящем слое (рис. 17) обычно представляет собой цилиндрическую шахту, выложенную в плотном железном кожухе и футерованную огнеупорным кирпичом. Стенки нижней части шахты, в которой происходит обжиг, иногда кессонированы. На приведенном рисунке тепло слоя отводится змеевиками. Под печи делают из жароупорного бетона, в который заделаны при бетонировании стальные трубки воздухораспределительных сопел, приваренные к стальному днищу, подстилающему бетон. Подину делают сплошной или состоящей из отдельных секций. Воздух в печь подается под подину и проходит через отверстия в соплах в рабочее пространство печи, пронизывая находящийся над подиной слой материала. Этот слой движется по поду от одного конца печи к другому и «вытекает» через разгрузочное отверстие. Концентрат со склада транспортируют в сушильное отделение, где обычно в трубчатых печах подсушивают до содержания влаги 7—8%, при которых он приобретает необходимую для транспортировки сыпучесть, но еще не пылит. Так как при подсушке концентрат комкуется, его перед обжигом измельчают. На отечественных заводах для этой цели успешно применяют дисковые дробилки (или, как их называют, рыхлители), схема которых приведена на рис. 18. Дисковая дробилка состоит из двух вращающихся в противоположных направлениях барабанов с насаженными на них чугунными или стальными дисками диаметром 600 мм. Диски одного барабана входят в промежутки между дисками другого на глубину 130 мм. Зазор между дисками 25—27 мм. Барабаны вращаются со скоростью 750 об/мин. Концентрат загружается сверху, проходит между дисками и разгружается снизу. При этом полностью разрушаются содержащиеся в нем комки. Степень измельчения можно регулировать, меняя расстояние между дисками. Производительность дробилок достигает 40—50 т концентрата в час. Измельченный концентрат с помощью тарельчатого или ленточного питателя загружается в печь. Питатель (рис. 19) имеет регулируемое число оборотов. При нормальной работе печи газы не просачиваются и герметизации питателя не требуется. При ненормальном ходе печи герметизация питателя желательна. Следует оговорить, что надежно герметизированное загрузочное устройство создать трудно. На ряде заводов, на которых печи работают под давлением, герметизация загрузки достигается воздушным потоком, подаваемым под давлением большим, чем поддерживается в печи, и отсекающим поток поднимающегося кверху газа. Загрузку ведут большей частью на поверхность кипящего слоя, но в некоторых случаях с помощью опущенных вниз труб — течек и непосредственно в слои. Материал поступает через одну или две форкамеры площадью 1—1,5 м2. В форкамеры воздух подается отдельно от всего пода, с большей скоростью, чем средняя по печи, чтобы предупредить «залегание» на подине загружаемого холодного концентрата. Конструкция воздухораспределительных сопел на разных заводах различна. Одна из конструкций приведена на рис. 20. Сопло состоит из стального стакана 2, который приваривается к листу, находящемуся под бетонной плитой. Воздухораспределительная крышка сопла 1, крепится стержнем 3, с помощью шайбы 4 и гайки 5. Крышка фиксируется пальцем 6. Срок службы сопел достигает 1,5 лет, а ремонт подины такой конструкции требует не более 3 суток. Живое сечение подины на отечественных заводах обычно равно 0,8%, но может достигать 1—1,2% (50 сопел на 1 пода). Высота порога, через который разгружается огарок, и соответственно высота кипящего слоя составляет 1—1,2 м. Огарок из печи может разгружаться двумя способами — в кюбели или закрытые вагонетки или в желоб, по которому течет оборотный электролит. Образующаяся при этом пульпа передается в выщелачивательный цех. Способ разгрузки огарка определяется схемой его последующего выщелачивания. В России огарок в кюбели не разгружают. Помимо перечисленных способов, на УКСЦК применяют шнек-трубы — воздухоохлаждаемые трубы с винтовой поверхностью по образующей цилиндра, на «Укрцинке» — скребковые конвейеры, а также пневмотранспорт огарка на «Укрцинке» и Лениногорском цинковом заводе. Обычно высота печей составляет 7—12 м. Диаметр печей колеблется в пределах 5—7 м и площадь пода от 20 до 40 Объем печной камеры достигает 432 м2, число сопел на 1 пода 50. Обжиг проводят при температуре кипящего слоя 900 —950 °С, 900—950 °С под сводом печи и 500—600 °С перед циклонами. Средний расход воздуха при обжиге около 2000 м3/т концентрата. Линейная скорость дутья, отнесенная к площади пода, равна около 10 см/сек; давление в воздухопроводе перед печью колеблется в пределах 1000—2200 вод. ст. При заданном удельном расходе воздуха эта скорость пропорциональна производительности печи и обратно пропорциональна площади ее поперечного сечения. Процесс обжига в кипящем слое протекает весьма интенсивно, с большим выделением тепла, которое должно отводиться из слоя для поддержания в нем заданной температуры. Тепло отходящих из печи газов при наличии котлов-утилизаторов может быть использована для получения пара энергетических параметров. При обжиге цинковых концентратов утилизация избыточного тепла позволяет получить до 0,85 т энергетического пара на 1 т концентрата. Газы после охлаждения в котлах-утилизаторах или стояках поступают в циклоны, откуда эксгаустерами передаются в электрофильтры. После очистки в электрофильтрах их направляют на сернокислотное производство. Газы после электрофильтров содержат 0,08—0,15 г/м3 пыли. Пыль из циклонов с помощью коротких уплотняющих шнеков разгружают так же, как огарок из печи. Вынос из печи пыли при обжиге в кипящем слое колеблется в широком диапазоне и зависит от гранулометрического состава зернистых материалов и гидродинамического режима обжига. Около 95% выносимой с газовым потоком пыли улавливается в стояках, циклонах и газоходах и 4—6% — в электрофильтрах. Существующие в промышленности системы пылеулавливания обеспечивают очистку газов от пыли на 99,5%. Необходимо создать такой режим обжига, при котором улавливаемая пыль являлась бы готовым продуктом, так как в гидрометаллургическом производстве она направляется на выщелачивание. В случае необходимости возврата пыли в печь для повторного обжига ее необходимо укрупнить окатыванием. Возврат большого количества пыли ухудшает условия псевдоожижения из-за канального проскока газов. Производительность печи с точки зрения гидродинамического режима определяется формулой где Q — удельная производительность печи, т. е. масса зернистого материала, обжигаемого в единицу времени, отнесенная к единице площади пода, равная q/TL2; w — линейная рабочая скорость восходящего потока газа в кипящем слое, равная L/T; q — расход газа, отнесенный к массе обжигаемого материала, равный L3/9. Оптимальный технологический режим обжига определяется максимальной полнотой реакций, протекающих при взаимодействии твердой и газсобразной фаз. Так как технологических газов достаточно для обеспечения необходимого гидродинамического режима, то при выборе рабочей скорости восходящего газового потока обязательно соответствие между этой скоростью и скоростью реакционного взаимодействия, зависящей ст температуры, размера зерен, химического и минералогического состава реагирующих веществ. При увеличении зерен скорости газа возрастают, а скорость реагирования вследствие уменьшения удельной поверхности твердой фазы понижается, что ограничивает рост производительности. Оптимальный размер зерен определяется графически, как видно из рис. 21. На оси ординат отложены эквивалентные удельной производительности печи объемные скорости газового потока, которые для кривой гидродинамической характеристики дают величину рабочей скорости псевдоожижения, а для кривой кинетической характеристики — скорость технологического процесса, т. е. скорость превращения единицы объема твердого вещества и газа при оптимальном режиме процесса. На оси абсцисс отложены размеры зерен. В точке M кривые пересекаются и абсцисса этой точки соответствует размеру зерен, обеспечивающему максимальную производительность печи. Промышленное применение воздушно - кислородного дутья при обжиге цинковых концентратов в кипящем слое было осуществлено под руководством А.М. Вартаняна. Обжиг на воздушном дутье при температуре 900, 940 и 975 °С при расходе воздуха 15 тыс. м3/ч показал, что с ростом температуры увеличивается удельная производительность с 5 до 6,5 т/(м2*сутки), содержание SO2 в газах увеличивается с 8 до 9,6%, выход пыли снижается с 38 до 18,6% и содержание сульфидной серы в пыли увеличивается с 0,67 до 1,6%. Обжиг на обогащенном кислородом дутье проводили при увеличенной поверхности охлаждающих кессонов при температуре 850, 950 и 970 °С и расходе воздушно-кислородного дутья 15 тыс. м3/ч. При этом удельная производительность печи выросла с 6,55 до 8,80 т/сутки), содержание SO2 в газах увеличилось с 8,18 до 15,12% (на 80%), выход пыли снизился с 40 до 36%, содержание сульфидной серы в пыли осталось на уровне 0,18%, а в огарке — всего 0,07%. Производительность печи по концентрату повысилась на 50% при 900—940 °С и на 70% при 970 °С. Растворимость цинка в огарке повысилась на 3% и составила 95 вместо 92%, что позволило повысить извлечение цинка в чушковый металл на 0,6%. Объем отходящих газов сократился на 35%, что позволило на такую же величину увеличить сернокислотное производство. Удельная производительность печи может быть увеличена: а) повышением рабочей скорости псевдоожижения, растущей до определенной величины с увеличением размера зерен; б) повышением температуры процесса; в) повышением концентраций реагирующих веществ; г) увеличением высоты кипящего слоя и д) снижением удельного расхода газа. Возможна загрузка в печь не только сухого концентрата, HO и пульпы. Так, на заводе Акита (Япония) в печь загружают водную пульпу концентрата. Пульповым насосом через дюймовое сопло с помощью сжатого воздуха пульпу равномерно распределяют по поверхности кипящего слоя. Воздух в кипящий слой подают турбовоздуходувкой мощностью 74,6 квт через сопла, вмонтированные в подину печи; скорость воздуха в соплах 45 см/сек. Температура кипящего слоя (930 °С) поддерживается постоянной, автоматически, подачей воды в кипящий слой. Печные газы проходят последовательно через котел-утилизатор, два циклона и скруббер, после чего их направляют на сернокислотный завод. Извлечение серы в газы составляет 76% (столь низкое извлечение связано с проведением сульфатизирующего обжига). На заводе Косака (Япония) кожух печи выполнен из стальных листов, футеровка — из огнеупорного кирпича. Между кожухом и кладкой — теплоизоляционный слой. В дне печи установлена плита с 400 отверстиями, через которые в печь вдувают воздух под давлением 0,21—0,255 кГ/см2. Труба для разгрузки огарка расположена на высоте 1,5 м над подиной. Пульпу из концентрата и отработанного электролита подают из смесителя в печь на отметке несколько выше уровня кипящего слоя. Температура обжига 670—700 °С поддерживается автоматически с точностью ±5 град. |