ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОБЖИГА В ПЕЧАХ КИПЯЩЕГО СЛОЯ ТОНКОДИСПЕРСНЫХ СУЛЬФИДНЫХ ЦИНКОВЫХ КОНЦЕНТРАТОВ. Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук Научный руководитель доктор технических наук, профессор
 Скачать 6.68 Mb.
|
Конструктивные изменения печей кипящего слояПодача шихты в печи КС обжигового цеха ЧЦЗ производилась через форкамеру печи из расходного бункера с помощью ленточных транспортеров с регулировкой скорости движения ленты. Подобный выбор такой схемы подачи шихты был обусловлен возможностями реконструкции обжигового цеха с переходом обжига концентратов в механических многоподовых печах на печи кипящего слоя, а также отсутствием надежного оборудования по подаче шихты в пространство обжиговой печи. Схема пода печи представлена на рисунке 5.2, где форкамера печи обозначена сектором «А». Назначение форкамеры в обжиговой печи - загрузка в печь КС шихты из сульфидных концентратов, предварительная подготовка шихты к окислению в объёме печи. Площадь пода форкамеры составляет порядка 5 % от общей площади пода печи, подача воздуха в форкамеру осуществляется через отдельную воздушную коробку. Количество подаваемого воздуха в воздушные коробки печи и форкамеры различны, что приводит к различным параметрам кипящего слоя, обусловленные различными скоростями газовых потоков. Оценивая тепловой эффект от экзотермических реакций, условия их протекания, можно выделить несколько зон в печи.  Рисунок 5.2 – Схема подины печи кипящего слоя с подачей концентрата через форкамеру печи Расчет теплового баланса печи в литературных источниках [1,17] представлен в виде общего прихода тепла и его расходов. Печь кипящего слоя представлена как единый объект, находящийся в тепловом равновесии. При этом делается допущение, что процессы окисления сульфидного концентрата идут равномерно по всей площади печи, слой имеет идеальную теплопередачу между частицами с равномерным распределением температур в пространстве печи. Все эти допущения не объясняют различия температур в различных точках кипящего слоя, различие в концентрации SO2 в различных зонах печи. Методики расчетов теплового баланса в печах КС изложены в работах [93 – 97]. Принимая в расчет кинетику окисления сульфидов, скорость перемещения материала в печи на примере печи КС ЧЦЗ с загрузкой концентрата через форкамеру было предложено с различными допущениями сделать тепловые балансы отдельных зон печи. Это должно показать реальную картину распределения тепла и соответственно возможность перераспределения температур по площади пода печи. Данный расчет выполнен для условий работы печи КС ЧЦЗ с допущениями низкой тепло- и массопередачи в кипящем слое и не может отличаться математической точностью, но позволяет выделить зоны печи с избытком или недостатком тепла. Зона А печи – форкамера печи. Характеризуется повышенным расходом воздуха обогащённого кислородом в дутье на единицу площади пода печи. В форкамере происходит удаление влаги из шихты и начинаются реакции окисления сульфидов. Статья приход тепла – экзотермические реакции, физическое тепло воздуха и шихты, статья расхода тепла – испарение влаги шихты, тепло отходящих газов, нагрев обжигаемого материала, потери через футеровку печи. Зона В печи – зона выхода из форкамеры печи. Воздушное дутьё обогащённое кислородом, общий расход воздушного дутья ниже примерно в два раза, чем в форкамере. Продолжаются реакции окисления сульфидов. Статьи прихода тепла - экзотермические реакции, физическое тепло воздуха, статьи расхода тепла – тепло отходящих газов, нагрев обжигаемого материала, потери через футеровку печи. Зона С печи – зона водоохлаждаемых кессонов. На первой половине зоны применяется воздушное дутье обогащенное кислородом, вторая половина зоны - воздушное дутье. Скорости реакций окисления сульфидов сильно замедлены из-за диффузионного торможения. Статьи прихода тепла – экзотермические реакции, физическое тепло воздуха, статьи расхода тепла – утилизация с помощью водоохлаждающих элементов (кессоны), тепло отходящих газов, тепло огарка, потери через футеровку печи. Зона D печи – зона выгрузки огарка из печи. Воздушное дутье без обогащения кислородом. Реакции окисления сульфидов заканчиваются. Статьи прихода тепла - экзотермические реакции, физическое тепло воздуха, статьи расхода тепла – тепло отходящих газов, тепло огарка, потери через футеровку печи. Контроль температуры в кипящем слое осуществляется с помощью термопар установленных через футеровку печи. На рисунке 5.2 термопары установлены в точках 1,3,4,5,6 (термопара №2 установлена на газоходе печи). Методика расчета теплового баланса описана в литературе [1,17]. Учитывая конструктивные особенности печи КС обжигового цеха, количество загружаемой шихты и количество дутья представим в таблице 5.1 окончательные данные по статьям прихода и расхода тепла. Исходными данными являлись химический анализ состава шихты, влажность шихты 11 %, расход воздушного дутья на печь 17000 нм3/час (в том числе расход дутья на форкамеру 2000 нм3/час, расход кислорода в дутье 3000 нм3/час). Как видно из таблицы, расчетные данные по концентратам и обжиговой печи ЧЦЗ совпадают с данными литературных источников [17]. Среднее время пребывания материала в печи определяется из соотношения количества материала в печи и удельной производительности печи. Для обжиговых печей ЧЦЗ с высокой удельной производительностью среднее время пребывания материала в печи составляет 5 – 6 часов. Соответственно средняя скорость перемещения материала в печи составит 1,0 – 1,2 м/час. Учитывая все эти факторы, получим, что время пребывания материала в форкамере (зона А) составит 20 – 30 минут, в зоне выхода из форкамеры (зона В) составит 90 – 120 минут. Таблица 5.1 – Тепловой баланс печи кипящего слоя при обжиге 100 кг цинкового концентрата
Учитывая все эти факторы, получим, что время пребывания материала в форкамере (зона А) составит 20 – 30 минут, в зоне выхода из форкамеры (зона В) составит 90 – 120 минут. Обратимся к результатам исследований по продолжительности обжига цинковых концентратов. Скорость окисления сфалерита очень высока в первоначальный момент времени за счет непосредственного контакта кислорода с сульфидом, далее при образовании на поверхности зерна сульфида образуется окисная пленка, и скорость окисления падает из-за необходимости диффузии кислорода через оксид цинка. Скачков Б.И. [27] приводит следующие данные: при температуре 900 оС зерно сульфида цинка диаметром 0,27 мм окисляется на 50 % за 0,6 минуты, а полностью окисляется за 20 минут. Результаты замеров концентрации SO2 в печи также показывают наибольшую концентрацию в районе выхода из форкамеры. За один час полностью окисляется зерно эквивалентным диаметром 2,5 мм. На основании литературных данных и данных результатов лабораторных опытов описанных в главе 5 можно предположить, что при достаточном количестве кислорода полный обжиг шихты должен проходить в зонах А и В. Основным ограничивающим фактором обжига шихты будет являться количество окислителя в данной зоне. Расчет теплового эффекта от обжига шихты в форкамере. Принимаем для расчета следующие данные: Расход воздушного дутья – 2000 нм3/час (в том числе кислорода 577 нм3/час). Количество подаваемой шихты (влажностью 11 %) – 16650 кг/час. Количество окислителя в воздушном дутье форкамеры (кислород воздуха и подаваемый кислород) примерно равно 876 нм3/час, что позволяет окислить за один час примерно 2530 кг сульфидов. Расчет сделан по теоретическому расходу дутья с учетом избытка воздуха. По расчету тепла экзотермических реакций протекающих в форкамере не хватает на обеспечение баланса (минус 2080011 ккал, дисбаланс 41%) но в форкамере, по показаниям термопар, поддерживается температура кипящего слоя равная температуре кипящего слоя в печи. Часть шихты, которая не окислилась из- за отсутствия в зоне форкамеры кислорода, за счет активного перемешивания материала перемещается в зону В печи КС. Расчет теплового эффекта от обжига шихты в районе выхода из форкамеры. По отношению величины площади зоны В к площади пода печи принимаем для расчета количество воздушного дутья – 3390 нм3/час (в том числе кислорода 978 нм3/час). Количество окислителя в дутье позволяет обжечь за час примерно 4290 кг сульфидов, что позволяет рассчитать тепловые потоки. В зоне В преобладание прихода тепла с экзотермическими реакциями над расходом тепла с отходящими газами существенное. Даже приняв во внимание продолжающийся нагрев материала и удаление из него влаги, избыток тепла составляет 1814714 ккал (дисбаланс 36 %). Расчет теплового эффекта в зоне охлаждающих кессонов. По отношению величины площади зоны С к площади пода печи принимаем для расчета количество воздушного дутья – 6780 нм3/час (в том числе кислорода 1690 нм3/час). Количество окислителя в дутье позволяет обжечь за час примерно 7415 кг сульфидов, что позволяет рассчитать тепловые потоки. На участке кессонов печи приход и потери тепла примерно одинаковы (плюс 441274 ккал, дисбаланс 5 %) с небольшим превышением прихода тепла. Расчет теплового эффекта в зоне выгрузки из печи По отношению величины площади зоны D к площади пода печи принимаем для расчета количество воздушного дутья – 3300 нм3/час (в том числе кислорода 693 нм3/час). Количество окислителя в дутье позволяет обжечь за час примерно 3040 кг сульфидов, однако на предыдущих зонах печи мы уже обожгли за час 14235 кг сульфидов из 15000 кг, поэтому считаем по остатку сульфидов – 765 кг. Зона выгрузки огарка из печи также примерно совпадают по приходу и расходу тепла с небольшим преобладанием расхода тепла (минус 175977 ккал, дисбаланс 16 %). Представленный здесь расчет тепловых балансов по зонам печи КС обжигового цеха ЧЦЗ весьма приблизителен, так как при активном перемешивании материала нет четких границ по зонам печи. Из расчета можно сделать вывод о «холодной» зоне печи (форкамера) и «горячей» зоне печи (выход из форкамеры). Неоднородность температуры в различных точках кипящего слоя в больших печах отмечается многими авторами, особенно это проявляется в печах с загрузкой материала в одной точке печи (форкамера). Данное явление отмечается и для печей Лурги большой производительности с площадью пода 123 м2 с подачей шихты с помощью забрасывателя. Подавая в печь примерно 700 кг шихты в минуту при использовании тонкодисперсных концентратов специалисты компании Hindustan Zinc Limited (HZL) столкнулись с аварийными остановками печей из-за образования настылей в зоне подачи концентрата. Неравномерность кипения слоя, недостаточное выделение тепла в зоне загрузки из-за отсутствия достаточного количества окислителя в зоне реакции спровоцировало образование сульфатов. Сульфаты послужили цементационной связкой между частицами, что приводило к образованию настылей в зоне загрузки печи КС [99]. Для решения проблемы были предприняты следующие меры – предварительная микрогрануляция шихты, увеличение зоны загрузки печи за счет перенастройки забрасывателя, улучшение теплового баланса зоны загрузки за счет измененного расположения кессонов системы охлаждения. Для печей КС ЧЦЗ проведенные исследования Гинцветмета показали неравномерное протекание процесса обжига. Неравномерность процесса характеризует концентрация SO2 по горизонтальному сечению печи. Измерения показали, что в зоне выгрузки огарка (зона D печи) концентрация SO2 меньше (3,6 – 6,2 %), чем в области выхода из форкамеры (14,0 – 16,0 %). Основываясь на данных исследованиях, на обжиговых печах ЧЦЗ переделаны подины с подачей дополнительного кислорода в зоны загрузки концентрата в печь. В работе [100] изучалось влияние концентрации кислорода в реакционной зоне печи на процесс укрупнения огарка. Исследуя обжиг цинковых концентратов с высоким содержанием примесей в виде железа, свинца, меди делается вывод об интенсификации процесса укрупнения огарка при низкой концентрации кислорода в зоне реакции (т.н. кислородный коэффициент). При наличии равномерно кипящего слоя сыпучих материалов, обладающего высоким коэффициентом теплопередачи, проблемы локального перегрева слоя не существует. Однако, при неоднородном, плохо кипящем, «вязком» слое локальные перегревы приводят к укрупнению частиц слоя за счет спекания. Проблема локального перегрева в зоне подачи шихты в кипящий слой усугубляется использованием мелкодисперсного концентрата обладающего большой реакционной способностью. На стадии подготовки шихты к обжигу на складе концентратов было внедрено применение распульпованного шлама очистных сооружений. Использование шлама позволило сократить количество мелкодисперсных фракций в концентрате, позволило провести микрогрануляцию вторичных цинксодержащих соединений (ВЦС), имеющих пылевидную структуру. Положительный опыт гранулирования шихты для печей кипящего слоя уже описан в литературе [101]. Процесс микрогрануляции требует специального оборудования (например, шнек-смеситель конструкции Лурги). Применяемое на складе концентратов ЧЦЗ оборудование не могло обеспечить стабильного качества подаваемой шихты, большое значение имел человеческий фактор. В дополнение к изменению технологии приготовления шихты необходимо было внедрить изменение способа загрузки печи в печь. Увеличение производительности печей требует рассредоточения концентрата в зоне загрузки. В настоящее время применяются следующие технические решения – подача шихты на большую площадь поверхности кипящего слоя с помощью забрасывателей или высокоскоростных ленточных питателей. Возможна подача распульпованной шихты с помощью насосов высокого давления, но при этом в печь вводится избыточная влага. Цель – предотвратить локальное выделение тепла от экзотермических реакций в слое. Применяемое на ЧЦЗ техническое решение о подаче шихты в обжиговую печь через загрузочную трубу в форкамеру приводит к локальной подаче шихты в печь на площадь примерно 0,2 м2. Воздушное дутье распределяет шихту по форкамере площадью менее 2 м2. Удельный расход воздушного дутья на единицу площади пода форкамеры примерно в два раза выше, чем удельный расход воздушного дутья на подину печи. Это вынужденная мера для печи с высокой производительностью (в печь подается порядка 16,5 т/час шихты с влажностью 10 – 14 % при температуре от 5 до 25 оС). Высокий удельный расход воздушного дутья в форкамере приводит к увеличению скорости газовых потоков, увеличению пылевыноса и сегрегации по крупности частиц огарка [100]. При возможном прекращении или при недостаточном количестве подаваемой шихты наблюдаются подсосы атмосферного воздуха в рабочее пространство печи. Увеличение производительности печи с использованием воздушного дутья обогащенного кислородом привело к повышенной нагрузке кипящего слоя форкамеры. Возникали ситуации, когда на границе перехода «подина форкамеры – подина печи» образовывались участки из малоподвижного материала, которые препятствовали продвижению частиц слоя в пространстве печи. Это характеризуется выбросами пыли и газа через загрузочную трубу форкамеры. В дальнейшем участки малоподвижного материала под воздействием высоких температур превращаются в агломерационные спеки. Влияние на технологические процессы в печи, качество получаемого обожженного материала при ухудшении качества кипящего слоя описано в работах [103 – 105]. Для устранения отрицательных факторов связанных с подачей шихты в печь через форкамеру целесообразно подавать шихту в печь, распределяя её по возможно большей площади кипящего слоя. Механизмами рассредоточенной подачи шихты в печь кипящего слоя являются забрасыватели шихты. Вне зависимости от конструкции забрасывателя принципом его работы является придание высоких скоростей частицам шихты перед подачей их в кипящий слой печи и распределение шихты по большей площади поверхности слоя. Компания «Outotec» ставит на свои печи ленточные забрасыватели, представляющие собой высокоскоростные ленточные транспортеры. Частицы шихты за счет высокой скорости ленты транспортера разгоняются до скорости ленты и при изменении направления движения ленты по инерции пролетают в рабочее пространство печи. На заводе «КазЦинк» г. Усть-Каменогорск, Казахстан используют роторные забрасыватели, принцип действия которых основан на придании частицам шихты центробежного ускорения. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||