Расчет процесса и печи для обжига цинкового концентрата в кипящем слое

 

2.3 Расчет воздуха и газов

    Воздух  при обжиге в кипящем слое  выполняет двоякую роль: во-первых, он является химическим реагентом-окислителем материалов, во-вторых, воздух, проходящий через слой материала, создает состояние его «кипения». Поэтому расчет количества воздуха, необходимого для осуществления процесса, должен учитывать оба указанных момента. В данном разделе производится определение теоретического и практического количества воздуха и образующихся газов по данным приведенных выше таблиц.

    При  обжиге на 100 кг сухого цинкового  концентрата удаляется 30,002 кг  серы (см. таблицы 1, 2 и 3), на окисление которой до сернистого ангидрида требуется такое же весовое количество кислорода. Содержание серного ангидрида в газах при обжиге в кипящем слое цинковых концентратов обычно весьма мало и в данном расчете им пренебрегают. На окисление сульфидов до окислов и сульфатов требуется еще 18,242 кг кислорода (таблица 2,3). Всего на 100 кг сухого концентрата требуется 48,244 кг кислорода.

Теоретическое количество  необходимого для обжига воздуха  равно 

,

где - масса кислорода на 100 кг сухого концентрата;

       - дутье обогащенное кислородом, % в долях;

       m_тр – теоретическое количество воздуха, кг.

  При обжиге  цинковых концентратов в кипящем  слое коэффициент избытка воздуха  α=1,1-1,2. Принимаем значение α=1,3, находим  практическое количество воздуха:

m_пр= α*m_теор=179*1,13=202кг или V_пр=m_пр /ρ_в=202/1,30=155,38м³;

_{В этом количестве воздуха  содержится:}

         _{количество азота:}

              

          _{количество избыточного кислорода:}

                                                         

    С учетом  влаги, содержащейся в исходном  концентрате, практическое удельное  количество воздуха V_уд, м³/т будет равно

,

где m - масса влажного концентрата при влажности равной 6% (m= )

    Количество  и состав газов на 106,4 кг влажного  концентрата приведены в таблице  4.

Таблица 4 - Количество и состав отходящих газов.

Компоненты	Количество
	кг	м	% (объёмн.)
SO	60,004	21	13,88
O	6,296	4,41	2,91
N	147,46	117,97	77,95
H2O	6,4	7,96	5,26
Итого	220,16	151,34	100

 

Составляем таблицу материального  баланса обжига (таблица 5).

Таблица 5 - Материальный баланс обжига.

Приход	кг	Расход	кг
Концентрат	100	Обожженный концентрат	51,82
Влага в концентрате	6,4	Пыль	36,42
Воздух	202	Обжиговые газы	220,16
Итого	308,4	Итого	308,4

 

 

2.4 Расчет печи

 

     1) Потребность в тепле за счет топлива или электроэнергии Q_т, ккал/кг.

Находится по ориентировочной  формуле:

, ккал/кг,

 где t_г - температура газов, выходящих из печи  ̊С;

S - количество выгорающей серы, % исходного содержания;

SO₂ - содержание сернистого ангидрида в отходящих газах, % по объему;

g - количество тепла, выделяемого при обжиге или плавке материала, отнесенное к 1кг-проценту выгорающей серы, ккал/кг_*% S.   Рассчитаем, при следующем значении величин: t_г≈870^о; SO₂≈14%; S≈32%; g =36 ккал/кг*% S.

     Следовательно,  для обжига в кипящем слое  цинкового концентрата заданного  состава топлива и электроэнергии  не требуется.

 

    2) Определение оптимальная количества  дутья К₀,  м³/м²*мин.

Первоначально определяем предельное (минимальное) количество дутья  К, при котором неподвижный слой концентрата переходит в нестабильное состояние. Для рассчитываемой печи значение величин, входящих в формулу  K=

будет следующим:

ω - площадь свободных  проходов между кусками материала, в долях от общей площади сечения  слоя; для сульфидов ω = 0,15, [2, стр. 56];

φ - количество газов, образующихся в печи на единицу дутья ,

φ = ;

φ = = 0,97 м³/м³;

= 151,34 м³ - общий объем отходящих газов [таблица 4];

= 155,38  м³ – практический расход воздуха;

γ  - кажущийся  удельный вес материала, γ = 4000 кг/м³, [2];

- приведенный  удельный вес газов в печи, кг/м³;

= ;

 = = 1,42 кг/м³;

t_ср  - средняя температура газов в слое:

t_ср = ,

t_ср = = 460 °С;

= 20 °С – температура окружающей среды,

= 900 °С – температура газов на вы ходе из слоя равна температуре кипящего слоя ,

 = 220,16 кг – масса ходящих от газов [таблица 4];

величину среднего размера кусков концентрата l_ср определяют на основании данных по его гранулометрическому составу, приведенных в таблице 6.

 Таблица 6 - Гранулометрический состав цинкового концентрата.

Крупность		Ситовой анализ сухой пробы, %
меш	мм
+48	0,295	10
-48+170	-0,295+0,088	20
-170+200	-0,088+0,074	35
-200	-0,074	35
Итого		100

 

          Крупная часть концентрата

              Куски 0,3 мм……………………………..10%(33%)

                         0,19мм……………………………..20%(67%)

                            Итого…………………………...30%(100%)

 

l_ср=0,9·[b·l_мел+(1-b) ·l_кр],

l_ср=0,9· [0,67·0,19+0,33·0,3]=0,203 мм.

      Мелкая часть концентрата

               Куски 0,08 мм…………………………….35%(50%)

                          0,07мм……………………………..35%(50%)

                            Итого………………………….....70%(100%)

l_ср=0,9·[b·l_мел+(1-b) ·l_кр],

l_ср=0,9· [0,5·0,07+0,5·0,08]=0,067 мм.

 

      Весь концентрат

                Крупная часть 0,203 мм……………………30%

                Мелкая    0,067мм…………………………70%

                             Итого…………………………......100%

 

    Так  как для всего концентрата l_мел=, l_кр= 0,33l_кр, т.е l_мел<0,415_*l_кр, поэтому для расчета среднего размера куска следует применить формулу:

l_ср= 0,05·l_кр + 0,95·l_мел = 0,05·0,203 + 0,95·0,067 = 0,074 мм (l_ср = 74·10^-6 м).

    Подставляя  найденные значения в формулу,  определяем предельное количество  дутья:

K =   ,

K = = 7,41 м³/м²·мин;

 

    Оптимальное  количество дутья, обеспечивающее  создание устойчивого кипящего  слоя цинкового концентрата, определяется  как: К₀=(1,2~1,4)К.

    При  сравнительно небольшой величине  пылеуноса, принятой равной 40% в  расчете, берем наименьшее значение  коэффициента (1,2)

К₀=1,2*7,41=8,89 м³/м²*мин.

 

   3) Удельная производительность печи.

a = ,

a = = 9 т/м²·сутки;

 

где: 1440 – число минут в сутках;

f₁ – коэффициент нахождения печи под дутьем, доли единицы;

 f₁ = 0,93-0,97;

в предыдущих расчетах найдено: удельный практический расход воздуха на 1 т обжигаемого материала V_уд = 1460 м³/т .

    Полученная  величина удельной производительности  находится в пределах, достигнутых  в заводской практике.

 

    4) Минимальное время пребывания концентрата в печи, обеспечивающее завершение обжига.

Определяется  по формуле:

,

;

 коэффициент (4 5) учитывает возможную неравномерность промышленного процесса обжига, укрупнение кусков концентрата в результате его слёживания и окатывания в транспортных устройствах, а также и некоторый резерв, создающий гарантию полного обжига всей массы перерабатываемого материала;

где: ω - линейная скорость распространения процесса обжига в глубину слоя или куска материала для цинкового концентрата ω = 0,004 м/час;

         l_ср  - наибольший размер кусков концентрата l_ср = 0,3 мм.

 

    5) Площадь пода печи.

 Находится  по формуле:

,

;

где: А - заданная суточная производительность по исходному сырому концентрату, т/сутки; а - удельная суточная производительность.

А = годовая произв./кол.дней=115000/365=315 т/сутки,

При круглой форме  печи внутренний диаметр ее будет

D=1,13

,

D=

,

диаметр печи с учётом футеровки:

D_н = D + 2(l_ш + l_в + l_с),

D_н = 6,7 + 2(0,25 + 0,02 + 0,008) = 7,26 м.

 

    6) Минимальный объем кипящего  слоя.

 Рассчитываем  по формуле:

,

;

   где ∆V - удельный объем концентрата в кипящем слое.

   где γ_тв - удельный вес концентрата, т/м³.

   7) Толщина кипящего слоя.

Определяется  по формуле:  .

   Значение  коэффициента принимается в зависимости  от размеров печи и от химического  и гранулометрического состава  концентрата. С увеличением размеров  печи, крупности концентрата и  содержания серы в нем величина  коэффициента принимается большей.

   В данном  случае для богатого серой  концентрата и значительных размеров  печи принимаем наибольшее значение  коэффициента.

   Заводские  печи, обжигающие цинковые концентраты,  имеют толщину (высоту) кипящего  слоя 0,7 - 1,2 м.

8) Общая  высота печи.

 Определяется  по формуле:

Н_п = (4-7)*Н_к,

Н_п = (4-7)*Н_к=7*1,2=8,4 м;

Чем мельче материал, обрабатываемый в печи, и больше величина К₀, тем большее значение коэффициента (4 7) рекомендуется принимать.

 

    9) Гидравлическое сопротивление кипящего слоя.

 Определяется  по формуле:

   Подставим в эту формулу следующие значения величин:

Н_к=1,2 м; γ_тв=400 кг/м³; δ=0,75 (величина δ определяется скоростью воздуха и гранулометрическим составом концентрата; для каждого конкретного материала надо знать или определять зависимость величины δ от К₀; величиной γ_г в данном расчете пренебрегаем ввиду относительно малого ее значения).

∆р=1,2*4000(1-0,75)=1200 мм. вод. ст.

    10) Параметры воздуходувки.

     Давление  воздуха на воздуходувке определяется  по формуле:

р=(1,3~1,5)_*(∆р+∆р_п),

р=1,5_*(1200+100) = 1950 мм.вод.ст.;

   При условии,  что ∆р_п=100 мм.вод.ст. Расход воздуха на одну печь определяется по удельному расходу V_уд=1460 нм³/т и производительности печи А=342 т/сутки.

,

;

   По величине  давления и расхода воздуха  выбирают воздуходувную машину. Для проектируемой печи может  быть выбрана воздуходувная машина Хабаровского завода типа К-360-21-1 следующей характеристики: производительность 360 м³/мин; давление 2600 мм. вод.ст., [3].

      11) Размеры и число дутьевых сопел.

   Для проектируемой печи принимаем сопло грибообразной формы с 4 выходными отверстиями  диаметром по 10 мм (рисунок 2). Скорость истечения воздуха из сопла находим по формуле: