Предварительный обжиг цинковых концентратов для дистилляционного процесса

Конрольная работа

по дисциплине: «Металлургия тяжелых металлов»

на тему: «Предварительный обжиг

цинковых концентратов для дистилляционного процесса»

Выполнил: студент гр

Челябинск

2009 год

На цинковом дистилляционном заводе подвергают предварительному обжигу концентрат такого состава (в мас.%):

Таблица 1. Химический состав концентрата

Zn

Pb

Cu

Fe

S

Cd

SiO2

CaO

MgO

Прочие

52,5

2,5

1,7

5,8

31,9

0,5

2,1

0,6

0,9

1,5

Требуется рассчитать:

1. Рациональный состав сырого (необожжённого) концентрата;

2. Количество обожжённого цинкового концентрата, а также его химический и рациональный состав;

3. Количество воздуха, необходимого для предварительного обжига концентрата до порошка;

4. Количество и состав обжиговых газов;

5. Материальный баланс обжига;

6. Тепловой баланс обжига.

Подсчитаем рациональный состав сырого концентрата, полагая, что металлы в нём находятся в виде следующих соединений: Zn в виде ZnS; Pb-PbS; Cu-CuFeS2; Cd-CdS; Fe-FeS2 и Fe7S8 ;CaO-CaCO3и Mg-MgCO3. Расчёт ведём на 100 кг концентрата.

Количество жидкого минерала по элементам, входящим в этот минерал, рассчитывают по соотношениям атомных масс. Приведём примеры расчетов.

Количество ZnS (сфалерит) на 100 кг концентрата:

65,4 кг Zn требуют 32 кг S (по молекулярным массам)

52,5 кг Zn - x кг S;

xs=(52,5•32)/65,4=25,69 кг, mZnS=78,19 кг.

Количество PbS (галенит) на 100 кг концентрата:

207,2 кг Pb требуют 32 кг S

2,5 кг Pb - x кг S;

xS=(2,5•32)/207,2=0,39 кг, mPbS=2,89 кг.

Количество CuFeS2 (халькопирит) на 100 кг концентрата:

183,4 кг CuFeS2 содержат 63,6 кг Cu

x кг CuFeS2 - 1,7 кг Cu;

xCuFeS>2>=(183,4•1,7)/63,6=4,9 кг.

В халькопирите содержится серы:

183,4 кг CuFeS>2> содержат 64 кг S

4,9 кг CuFeS>2> - x кг S;

xS=(4,9•64)/183,4=1,71 кг.

В CdS содержится серы:

116,36 кг CdS содержат 32 кг S

0,5 кг Cd содержат x кг S;

xS=(32•0,5)/116,36=0,14 кг.

Количество железа в халькопирите:

183,4 кг CuFeS>2> содержат 55,8 кг Fe

4,9 кг CuFeS>2> - x кг Fe;

xFe=(4,9•55,8)/183,4=1,49 кг.

Согласно расчёту требуется серы для образования, кг:

ZnS-25,69;

PbS-0,39;

CuFeS>2>-1,71;

CdS-0,14

Итого: 27,93.

Остальная часть серы в количестве 31,9-27,93=3,97 кг будут связана с железом в виде FeS2 (пирит) и Fe7S8 (пирротин). Для этих соединений осталось железа 5,8-1,49=4,31 кг.

Примем, что с пиритом связано «а» кг железа, тогда с пирротином (4,31-а) кг железа. Если количество серы в пирите «b» кг, то в пирротине (3,97-b) кг серы. Составляем два следующих уравнения:

для пирита:

55,8 кг Fe требуют 64 кг S

а кг Fe - b кг S;

x =b=(64•a)/55,8=1,147a

для пирротина:

(55,8•7) кг Fe требуют (32•8) кг S

(4,31-а) кг Fe - (3,97-b) кг S.

Отсюда, (3,97-1,147а)=(4,31-а)•0,655;

а=2,33 кг;

b=2,67 кг.

Количество FeS>2>=2,33+2,67=5 кг;

Количество Fe>7>S>8>=(4,31-2,33)+(3,97-2,67)=3,28 кг.

Количество CaCO>3>:

56,1 кг CaO требуют 44,0 кг CO

0,6 кг CaO - x кг CO;

xСО>2> =(0,6•44)/56,1=0,47 кг,

mСaCO>3>=0,6+0,47=1,07 кг.

Количество MgCO>3>:

40,3 кг MgO требуют 44,0 кг CO>2>

0,9 кг MgO - x кг CO;

xCO>2> =(0,9•44)/40,3=0,98 кг,

mMgCO>3> =0,9+0,98=1,88 кг.

Данные по рациональному составу сырого концентрата приведены в табл.2.

Таблица 2.

Рациональный состав сырого цинкового концентрата, %

Соединение

Zn

Pb

Cu

Cd

Fe

S

CaO

MgO

CO2

SiO2

Прочие

Всего

ZnS

52,5

25,69

78,19

PbS

2,5

0,39

2,89

CuFeS>2>

1,7

1,49

1,71

4,90

CdS

0,5

0,14

0,64

FeS>2>

2,33

2,67

5,00

Fe>7>S>8>

1,98

1,30

3,28

CaCO>3>

0,6

0,47

1,07

MgCO>3>

0,9

0,98

1,88

SiO>2>

2,1

2,10

Прочие (по

разности)

0,05

0,05

Итого:

52,5

2,5

1,7

0,5

5,8

31,90

0,6

0,9

1,45

2,1

0,05

100

Подсчитаем рациональный состав огарка. Принимаем, что концентрат обжигают в виде порошка в печи с механическим перегребанием, а затем на спекательной машине. В предварительно обожжённом концентрате оставляем 7,9% общей серы, причём 0,9% находится в виде SSO3 и 7,0% в виде SS. В концентрате наиболее трудно обжигающийся сульфид ZnS, поэтому допустим, что вся сульфидная сера будут связана в огарке только с цинком. Сульфатную серу распределяем следующим образом: половину свинца, оксида кальция и оксида магния связываем в сульфатную форму, а остальную серу связываем с цинком в ZnSO4.

Принимаем, что все карбонаты, присутствующие в концентрате, при обжиге диссоциируют полностью; железо окисляется наполовину до Fe>2>O>3> и наполовину до Fe>3>O>4>; вся медь окислиться до Cu>2>O и весь кадмий-до CdO.

Принимаем, что полуобожжённого концентрата будет получено 87% от сырого. Тогда в огарке будет содержаться 0,783 кг SSO3 и 6,09 кг SS.

Результаты подсчётов рационального и химического составов полуобожжённого концентрата представлены в табл.3.

Количество ZnS:

65,4 кг Zn требует 32 кг S>S>

x кг Zn - 6,09 кг S>S>

x>Zn>=(65,4•6,09)/32=12,45 кг,

m>ZnS>=12,45 + 6,09=18,54 кг.

Количество PbO:

207,2 кг Pb требует 16 кг O>2>

1,25 кг Pb - x кг O>2>

x>O>>2>=(1,25•16)/207,2=0,097 кг,

m>PbO>=1,25 + 0,097=1,347 кг.

Количество Cu>2>O:

127,2 кг Cu требует 16 кг O>2>

1,7 кг Cu - x кг O>2>

x >O>>2>=(16•1,7)/127,2=0,2 кг,

m>Cu>>2>>O>=1,7+ 0,2=1,9 кг.

Количество Fe>2>O>3>:

111,6 кг Fe требует 48 кг O>2>

2,9 кг Fe - x кг O>2>

x>O>>2>=(2,9•48)/111,6=1,25 кг,

m>Fe>>2>>O>>3>=1,25 + 2,9=4,15 кг.

Количество Fe>3>O>4>:

167,4 кг Fe требует 64 кг O>2>

2,9 кг Fe - x кг O>2>

x>O>>2>=(2,9•64)/167,4=1,11 кг,

m>Fe>>3>> >>O>>4>=1,11 + 2,9=4,01 кг.

Количество CdO:

112,4 кг Cd требует 16 кг O>2>

0,5 кг Cd - x кг O>2>

x>O>>2>=(0,5•16)/112,4=0,07 кг,

m>CdO>=0,5 + 0,07=0,57кг.

Количество PbSO>4>:

303,2 кг PbSO>4> содержат 207,2 кг Pb

x кг PbSO>4> - 1,25 кг Pb

x>PbSO>>4>=(303,2•1,25)/207,2=1,83 кг.

В PbSO>4> содержится серы:

303,2 кг PbSO>4> содержат 32 кг S>S>>0>>3>

1,83 кг PbSO>4> - x кг S>S>>0>>3>

x>SO>>3>=(1,83•32)/303,2=0,19 кг.

В PbSO>4> содержится кислорода:

303,2 кг PbSO>4> содержат 64 кг O>2>

1,83 кг PbSO>4> - x кг O>2>

x>O>>2>=(1,83•64)/303,2=0,39 кг.

Количество CaSO>4>:

136,1 кг CaSO>4> содержат 57,1 кг CaO

x кг CaSO>4> - 0,3 кг CaO

x>CaSO>>4>=(136,1•0,3)/57,1=0,72 кг.

В CaSO>4> содержится серы:

136,1 кг CaSO>4> содержат 32 кг S>S>>0>>3>

0,72 кг CaSO>4> - x кг S>S>>03>

x>SO>>3>=(0,72•32)/136,1=0,17 кг.

В CaSO>4> содержится кислорода:

136,1 кг CaSO>4> содержат 48 кг O>2>

0,72 кг CaSO>4> - x кг O>2>

x>O>>2>=(0,72•48)/136,1=0,25 кг.

Количество MgSO>4>:

120,3 кг MgSO>4> содержат 40,3 кг MgO

x кг MgSO>4> - 0,45 кг MgO

x>MgSO>>4>=(120,3•0,45)/40,3=1,34 кг.

В MgSO>4> содержится серы:

120,3 кг MgSO>4> содержат 32 кг S>S>>0>>3>

1,34 кг MgSO>4> - x кг S>S>>0>>3>

x>SO>>3>=(1,34•32)/120,3=0,356 кг.

В MgSO>4> содержится кислорода:

120,3 кг MgSO>4> содержат 48 кг O>2>

1,34 кг MgSO>4> - x кг O>2>

x>O>>2>=(1,34•48)/120,3=0,53 кг.

Количество ZnSO4:

161,4 кг ZnSO>4> содержат 32 кг S>S>>0>>3>

x кг ZnSO>4> - 0,067 кг S>S>>0>>3>

x>ZnSO>>4>=(161,4•0,067)/32=0,34 кг.

В ZnSO>4> содержится цинка:

161,4 кг ZnSO>4> содержат 65,4 кг Zn

0,34 кг ZnSO>4> - x кг Zn

x>Zn>=(65,4•0,34)/161,4=0,14 кг.

В ZnSO>4> содержится кислорода:

161,4 кг ZnSO>4> содержат 64 кг O>2>

0,34 кг ZnSO>4> - x кг O>2>

x>O>>2>=(64•0,34)/161,4=0,13 кг.

Zn>ZnO>=52,5-12,45-0,13=39,92 кг.

Количество ZnO:

65,4 кг Zn требует 16 кг O>2>

39,92 кг Zn - x кг O>2>

x>O>>2>=(39,92•16)/65,4=9,77 кг,

m>ZnO>=39,92 + 9,77=49,69 кг.

Таблица 3.

Рациональный состав полуобожжённого концентрата, %

Соеди-

нения

Zn

Pb

Cu

Cd

Fe

SS

SSO3

CaO

MgO

SiO2

O2

кг

%

ZnO

39,92

9,77

49,69

56,94

ZnSO4

0,14

0,067

0,13

0,337

0,37

ZnS

12,45

6,09

18,54

21,24

PbO

1,25

0,097

1,347

1,54

PbSO4

1,25

0,19

0,39

1,83

2,10

CaO

0,3

0,3

0,34

CaSO4

0,17

0,3

0,25

0,72

0,83

MgO

0,45

0,45

0,52

MgSO4

0,356

0,45

0,53

1,336

1,53

Fe2O3

2,90

1,25

4,15

4,76

Fe3O4

2,90

1,11

4,01

4,59

Cu2O

1,70

0,2

1,9

2,18

SiO2

2,1

2,1

2,41

CdO

0,50

0,07

0,57

0,65

Итого:

кг

52,50

2,50

1,7

0,50

5,80

6,09

0,78

0,6

0,9

2,1

13,797

87,3

—

%

60,20

2,86

1,95

0,57

6,65

6,98

0,85

0,69

1,03

2,41

15,81

—

100

Из этой таблицы видно, что после уточнения выход огарка составил 87,27 % от сырого цинкового концентрата. Подсчитаем десульфурацию при обжиге.

При обжиге должно выгорать серы:

31,9-(0,78+6,09)=25,03 кг.

Десульфурация составит, следовательно:

(25,03•100)/31,9=78,46 %.

Принимаем, что 8% S сгорает в SO>3> и остальные 92%-в SO>2>. Масса серы, сгорающей в SO>3>, составит:

25,03•0,08=2 кг.

Масса серы, сгорающей в SO2:

25,03•0,92=23,03 кг.

Рассчитаем необходимое количество кислорода. Количество кислорода для образования сернистого ангидрида SO2:

(23,03•32)/32=23,03 кг.

Масса SO2=23,03+23,03=46,06 кг.

Количество кислорода для образования серного ангидрида SO3:

(48•2)/32=3 кг.

Масса SO3=2+3=5 кг.

Теоретически требуется кислорода при обжиге 100 кг концентрата:

• для окисления металлов (согласно табл.3)-13,797 кг;

• для окисления серы до SO2-23,03 кг;

• для окисления серы до SO3–3 кг.

Итого: 39,827 кг.

Кислород в печь вводится вместе с воздухом, в котором содержится 23% кислорода, что составит:

(39,827•77)/23=133,3 кг азота.

Теоретическое количество воздуха составит:

39,827+133,3=173,16 кг.

Объём этого воздуха=m/p=173,16/1,293=133,92 м3

Результаты расчётов сведём в табл.4.

Таблица 4. Теоретический состав обжиговых газов

Компоненты

кг

м3

об.%

p, кг/м

SO2

46,06

16,10

13,17

2,86

SO3

5,00

1,38

1,13

3,62

CO2

1,45

0,76

0,62

1,90

N 2

133,3

103,119

85,08

1,25

Итого:

185,81

121,359

100

Практически обжиг проводится при большом избытке воздуха; примем в данном расчёте двойное количество воздуха.

В состав избыточного воздуха входит:

O2: 173,16•0,23=39,827 кг или 30,8 м3

N2: 173,16•0,77=133,3 кг или 103,119 м3

Итого: 173,16 кг или 133,92 м3

Количество и состав обжиговых газов при двойном избытке воздуха приведён в табл.5.

Таблица 5. Количество и состав обжиговых газов при двойном избытке воздуха

Компоненты

кг

p, кг/м

м3

об.%

SO2

46,06

2,86

16,10

6,34

SO3

5,00

3,62

1,38

0,54

CO2

1,45

1,90

0,76

0,30

N2

259,94

1,25

207,96

81,91

O2

38,82

1,428

27,68

10,91

Итого:

351,27

253,88

100

Материальный баланс предварительного обжига цинковых концентратов представлен в табл.6.

Таблица 6. Материальный баланс обжига

Приход

кг

Расход

кг

Сырой

Концентрат

100,0

Полуобожжённый

Концентрат

87,30

Воздух

Газы:

азот

259,94

кислород

38,82

сернистый ангидрид

46,06

серный ангидрид

5,00

двуокись углерода

1,45

невязка

0,05

Итого

338,62

Итого:

438,62

Тепловой баланс обжига

Приход тепла:

1. Окисление сульфида цинка по реакции:

ZnS+1,5O2=ZnO+SO2+105630 кал.

По этой реакции окислится (39,92•97,4)/65,4=59,45 кг ZnS.

Количество цинка, соответствующее данному количеству ZnS берём из табл.3. При этом будет получено (105630•59,45•103)/97,4=64473,34 ккал.

2. Окисление сульфида цинка по реакции:

ZnS+2O2=ZnSO4+185380 кал.

По этой реакции окислиться (0,14•97,4)/65,4=0,209 кг Zn и будет получено (185380•0,209•103)/97,4=397,77 ккал.

3. Окисление сульфида свинца по реакции:

PbS+1,5O2=PbO+SO2+100820 кал.

Количество сульфида свинца, окисляющееся по этой реакции

(1,25•239,2)/207,2=1,44 кг PbS,

При этом будет получено (100820•1,44•103)/239,2=606,94 ккал.

4. Окисление сульфида свинца по реакции:

PbS+2O2=PbSO4+196960 кал.

Окислиться по этой реакции (1,25•239,2)/207,2=1,44 кг PbS, и будет получено (196960•1,44•103)/239,2=1185,71 ккал.

5. Окисление сульфида кадмия по реакции:

CdS+1,5O2=CdO+SO2+26360 кал.

По этой реакции будет получено (26360•0,64•103)/144,4=116,83 ккал.

6. Окисление сульфида меди по реакции:

Cu2S+1,5O2=Cu2O+SO2+91800 кал.

Окислиться по этой реакции (1,7•159,2)/127,2=2,13 кг Cu2S и будет получено (91800•2,13•103)/159,2=1228,29 ккал.

7. Окисление пирита по реакции:

4FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2+790600 кал.

По этой реакции будет получено тепла (790600•5,00•103)/479,2=8249,17 ккал.

8. Окисление FeS по реакции:

2FeS+3,5O2=Fe2O3+2SO2+292980 кал.

Окислиться по этой реакции mFe(Fe2O3)табл 3-mFe(FeS2)табл 2=2,9-2,33=0,57 кг железа, что даёт (0,57•87,8)/55,8=0,9 кг FeS. При этом будет получено тепла (292980•0,9•103)/175,6=1501,61 ккал.

9. Окисление FeS по реакции:

3FeS+5O2=Fe3O4+3SO2+411720 кал.

2,9 кг Fe в виде FeS составит (2,9•87,8)/55,8=4,56 кг FeS. При этом будет получено тепла (411720•4,56•103)/263,4=7127,73 ккал.

10. Образование сульфата кальция по реакции:

CaO+SO3=CaSO4+96070 кал.

По этой реакции будет получено тепла (96070•0,72•103)/136,1=508,23 ккал.

11. Образование сульфата магния по реакции:

MgO+SO3=MgSO4+67210 кал.

По этой реакции будет получено тепла (67210•1,336•103)/120,3=746,41 ккал.

12. Окисление серы по реакции:

1/2S>2> + O>2> = SO>2>

По этой реакции будет получено тепла:

для халькопирита: (70960•0,43•103)/32=947,98 ккал;

для пирротина: (70960•0,16•103)/32=360,34

Всего получено тепла 87450,35 ккал.

Расход тепла

1. Потери тепла с отходящими газами, нагретыми до °С, ккал:

Q=mi•ci•t.

SO2: 46,06•0,177•580=4728,52

SO3: 5,00•0,177•580=513,30

CO2: 1,45•0,2493•580=209,66

N2: 259,94•0,2571•580=38761,73

O2: 38,82•0,2371•580=5338,45

Итого: 49551,66

2. Потери тепла с обожжённым концентратом, нагретым до 620°С:

87,30•0,22•620=11907,72 ккал.

3. Расход тепла на разложение карбонатов по реакциям:

CaCO3=CaO+CO2-42498 кал;

(42498•1,07•103)/100,1=454,27 ккал;

MgCO3=MgO+CO2-28108 ккал;

(28108•1,88•103)/84,3=626,85ккал;

Итого-1081,12 ккал.

4. Испарение воды на подсушивающем поде. Допустим, что в концентрате 6% H2O, и вся она испаряется на подсушивающем поде, тогда расход тепла составит λ•m=540•100•0,06=3240 ккал.

5. Разложение CuFeS>2> и Fe>7>S>8> примерно одинаков и равен 144,9 ккал/кг. Тогда на разложение этих соединений будет затрачено тепла

(1,49+1,98)•144,9=502,8 ккал.

6. Теплоизлучение и другие потери тепла определяются по разности. Результаты расчета теплового баланса обжига представлены в табл.7.

Таблица 7. Тепловой баланс обжига цинковых концентратов

№

Приход тепла

ккал

%

№

Расход тепла

ккал

%

1

Окисление сульфида цинка до оксида

64473,34

73,48

1

Унос с отходящими газами

49551,66

57,52

2

Окисление сульфида цинка до сульфата

397,77

0,45

2

Унос с огарком

11907,72

13,82

3

Окисление PbS до PbO

606,94

0,69

3

На разложение карбонатов

1081,12

1,26

4

Окисление PbS до PbSO4

1185,71

1,36

4

На испарение воды из концентрата

3240

3,76

5

Окисление CdS до CdO

116,83

0,13

5

На разложение сульфидов

CuFeS2 и Fe7S8

502,8

0,58

6

Окисление Cu2S до Cu2О

1228,29

1,40

6

Теплоизлучение (по разности)

19858,73

23,06

7

Окисление FeS2 до Fe2O3

8249,17

9,43

8

Окисление FeS до Fe2O3

1501,61

1,72

9

Окисление FeS до Fe3O4

7127,73

8,15

10

Образование CaSO4

508,23

0,59

11

Образование MgSO4

746,41

0,86

12

Окисление серы

1308,32

1,5

Итого

86142,03

100

Итого 87450,35 100

Выводы

1. При данном обжиге избытка тепла нет, поэтому зачастую требуется подтопка посторонними источниками тепла.

2. Целесообразно воздух, нагретый при охлаждении печи, вводить в печь для обжига.