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沸腾炉的设计
沸腾焙烧炉设计
题目年产6万吨锌冶炼沸腾焙烧炉设计
专业冶金工程
班级冶金093
姓名华仔
学号31
第一章设计概述1
1.1设计依据1
1.2设计原则和指导思想1
1.3毕业设计任务1
第二章工艺流程的选择与论证1
2.1原料组成及特点1
2.2沸腾焙烧工艺及主要设备的选择1
第三章物料衡算及热平衡计算3
3.1锌精矿流态化焙烧物料平衡计算3
3.1.1锌精矿硫态化焙烧冶金计算3
3.1.2烟尘产出率及其化学和物相组成计算4
3.1.3焙砂产出率及其化学与物相组成计算6
3.1.4焙烧要求的空气量及产出烟气量与组成的计算7
3.2热平衡计算9
3.2.1热收入9
3.2.2热支出11
第四章沸腾焙烧炉的选型计算13
4.1床面积13
4.2前室面积13
4.3炉膛面积和直径13
4.4炉膛高度14
4.5气体分布板及风帽14
4.5.1气体分布板孔眼率14
4.5.2风帽14
4.6沸腾冷却层面积14
4.7水套中循环水的消耗量14
4.8风箱容积15
4.9加料管面积15
4.10溢流排料口15
4.11排烟口面积15
参考文献15
第一章设计概述
1・1设计依据
根据《冶金工程专业课程设计指导书》。
1.2设计原则和指导思想
对设计的总要求是技术先进;工艺上可行;经济上合理,所以,设计应遵循的原则和指导思想为:
1、遵守国家法律、法规,执行行业设计有关标准、规范和规定,严格把关,精心设计;
2、设计中对主要工艺流程进行多方案比较,以确定最佳方案;
3、设计中应充分采用各项国内外成熟技术,因某种原因暂时不上的新技术要预留充分的可能性。
所采用的新工艺、新设备、新材料必须遵循经过工业性试验或通过技术鉴定的原则;
4、要按照国家有关劳动安全工业卫生及消防的标准及行业设计规定进行设计;
5、在学习、总结国内外有关厂家的生产经验的基础上,移动试用可行的先进技术;
6、设计中应充分考虑节约能源、节约用地,实行自愿的综合利用,改善劳动条件以及保护生态环境。
1.3毕业设计任务
一、沸腾焙烧炉专题概述
二、沸腾焙烧
三、沸腾焙烧热平衡计算
四、主要设备(沸腾炉和鼓风炉)设计计算
五、沸腾炉主要经济技术指标
第二章工艺流程的选择与论证
2.1原料组成及特点
本次设计处理的原料锌精矿成分如下表所示
D组锌精矿的化学成分
化学成分
Zn
Pb
Cu
Cd
Fe
S
CaO
MgO
SiO2
其他
WB(%)
49.7
1.39
0.28
0.22
8.47
30.61
1.05
0.36
5.21
2.71
2.2沸腾焙烧工艺及主要设备的选择
金属锌的生产,无论是用火法还是湿法,90%以上都是以硫化锌精矿为原料。
硫化锌不能被廉价的、最容易获得的碳质还原剂还原,也不容易被廉价的,并且在浸出一电积湿法炼锌生产流程中可以再生的硫酸稀溶液(废电解液)所浸出,因此对硫化锌精矿氧化焙烧使之转变成氧化锌是很有必要的。
焙烧就是通常采用的完成化合物形态转变的化学过程,是冶炼前
对矿石或精矿进行预处理的一种高温作业。
硫化物的焙烧过程是一个发生气固反应的过程,将大量的空气(或富氧空气)通入硫化矿物料层,在高温下发生反应,氧与硫化物中的硫化合产生气体SQ,有价金属则变成为氧化
物或硫酸盐。
同时去掉砷、锑等杂质,硫生成二氧化硫进入烟气,作为制硫酸的原料。
焙烧过程得到的固体产物就被称为焙砂或焙烧矿。
焙烧过程是复杂的,生成的产物不尽一致,可能有多种化合物并存。
一般来说,硫化物的氧化反应主要有:
1)硫化物氧化生成硫酸盐
MeS+2Q2=MeSQ
2)硫化物氧化生成氧化物
MeS+1.5Q2=MeQ+SQ
3)金属硫化物直接氧化生成金属
MeS+2Q2=MeQ+SQ
4)硫酸盐离解
MeSQ=MeQ+SQ3
SQ3=SQ+0.5Q2
此外,在硫化锌精矿中,通常还有多种化合价的金属硫化物,其高价硫化物的离解压一般都比较高,故极不稳定,焙烧时高价态硫化物离解成低价态的硫化物,然后再继续进行其焙烧氧化反应过程。
在焙烧过程中,精矿中某种金属硫化物和它的硫酸盐在焙烧条件下都是不稳定的化合物时,也可能相互反应,如:
FeS+3FeSQ4=4FeQ+4SQ2
由上述各种反应可知,锌精矿中各种金属硫化物焙烧的主要产物是MeQMeSQ以及SQ、SQ和Q。
此外还可能有MeQFezQ,MeOSiQ?
等。
沸腾焙烧炉炉体(下图)为钢壳内衬保温砖再衬耐火砖构成。
为防止冷凝酸腐蚀,钢壳外面有保温层。
炉子的最下部是风室,设有空气进口管,其上是空气分布板。
空气分布板上是耐火混凝土炉床,埋设有许多侧面开小孔的风帽。
炉膛中部为向上扩大的圆锥体,上部焙烧空间的截面积比沸腾层的截面积大,以减少固体粒子吹出。
沸腾层中装有的冷却管,炉体还设有加料口、矿渣溢流口、炉气出口、二次空气进口、点火口等接管。
炉顶有防爆孔。
操作指标和条件主要有焙烧强度、沸腾层高度、沸腾层温度、炉气成分等。
1焙烧强度习惯上以单位沸腾层截面积一日处理含硫35%矿石的吨数计算。
焙烧
强度与沸腾层操作气速成正比。
气速是沸腾层中固体粒子大小的函数,一般在1〜
3m/s范围内。
一般浮选矿的焙烧强度为15〜20t/(md);对于通过3X3mm的筛孔的破碎块矿,焙烧强度为30t/(md)。
2沸腾层高度即炉内排渣溢流堰离风帽的高度,一般为0.9〜1.5m。
3沸腾层温度随硫化矿物、焙烧方法等不同而异。
例如:
锌精矿氧化焙烧为1070〜
1100C,而硫酸化焙烧为900〜930C;硫铁矿的氧化焙烧温度为850〜950C。
4炉气成分硫铁矿氧化焙烧时,炉气中二氧化硫13%〜13.5%,三氧化硫w0.1%。
硫酸化焙烧,空气过剩系数大,故炉气中二氧化硫浓度低而三氧化硫含量增加。
特点:
①焙烧强度高;②矿渣残硫低;③可以焙烧低品位矿;④炉气中二氧化硫浓度高、三氧化硫含量少;⑤可以较多地回收热能产生中压蒸汽,焙烧过程产生的蒸汽通常有35%〜
45%是通过沸腾层中的冷却管获得;⑥炉床温度均匀;⑦结构简单,无转动部件,且投资省,维修费用少;⑧操作人员少,自动化程度高,操作费用低;⑨开车迅速而方便,停车引起的空气污染少。
但沸腾炉炉气带矿尘较多,空气鼓风机动力消耗较大。
第三章物料衡算及热平衡计算
3.1锌精矿流态化焙烧物料平衡计算
3.1.1锌精矿硫态化焙烧冶金计算
根据精矿的物相组成分析,精矿中各元素呈下列化合物形态Zn、CdPbCuFe分别呈
ZnSCdSPbSCuFeS2、Fe7S8FeS2;脉石中的CaMgSi分别呈CaCO3、MgCO3、SiO2
形态存在。
以100kg锌精矿(干量)进行计算
5.FeS2和Fe7S8量:
除去CuFeS2中Fe的含量,余下的Fe为8.47-0.25=8.22kg,除去ZnS
CdSPbSCuFeS2中S的含量,余下的S量为30.61-(24.32+0.06+0.21+0.28)=5.74Kg。
此
S量全部分布在FeS2和Fe7S8中,设FeS?
中Fe为xkg,S量为ykg,贝U
j55.8532沢2
8.22「x_5.74「y
55.857328
即FeS2中:
Fe=0.72kg、S=0.83kg、FeS2=1.55kg。
Fe7S8中:
Fe:
8.22-0.72=7.5kgS:
5.74-0.83=4.91kgFe7S8:
12.41kg
6.CaCO3量:
j05"00'1=1.87kg其中CaO1.05kgCO2:
0.82kg
56.1
036x843
7.MgCO3量:
=0.75kg其中MgO0.36kgCO2:
0.39kg
40.3
表3-1混合精矿物相组成,kg
组成
Zn
Cd
Pb
Cu
Fe
S
CaO
MgC
CO2
SiO2
其他
共计
ZnS
49.07
24.32
74.02
CdS
0.22
0.06
0.28
PbS
1.39
0.211
1.6
CuFeS
0.28
0.250
.281
0.81
FeS
0.72
0.83
1.55
Fe7Ss
7.15
4.91:
12.06
CaCO
1.05
0.82
1.87
MgCO
0.36
0.39
0.75
SiO2
5.21
5.21
其他
2.71
2.71
共计
49.07
0.22
1.390
.288.
12
31.66
1.05
0.361
.215.
212.7
1100.
00
3.1.2烟尘产出率及其化学和物相组成计算
焙烧矿产出率一般为锌精矿的88%烟尘产出率取50%则烟尘量为:
44公斤。
镉60%进入烟尘,锌48%进入烟尘,其它组分在烟尘中的分配率假定为50%空气过剩系数1.25。
烟尘产出率及烟尘物相组成计算:
Zn49.070.48=23.856kg
Cd0.220.60=0.132kg
Pb1.390.50=0.695kg
Cu0.280.50=0.14kg
Fe8.470.50=4.235kg
CaO1.050.50=0.0.525kg
MgO0.360.50=0.18kg
SiO25.210.50=2.605kg
Ss0.761xkg
Sso40.942xkg
其他2.710.50=1.355kg
剩余的SiO2量:
2.605-0.20仁2.404kg
表3-2烟尘产出率及其化学和物相组成,kg
组成
Zn
Cd
Cu
Pb
Fe
Ss
SsO4
CaO
MgO
SiO2
O
其他
共计
ZnS
1.555
0.76
1
2.316
ZnSO4
1.925
0.942
1.884
4.751
ZnO
19.556
4.784
24.34
ZnO'Fe2O3
0.82
1.411
0.815
3.046
Fe2O3
2.824.
1.213
4.037.
CdO
0.132
0.019
0.151
CuO
0.14
0.035
0.175
PbO'SiO2
0.695
0.26
0.054
0.95
CaO
0.525
0.525
MgO
0.18
0.18
SiO2
2.404
2.404
其他
1.355
1.355
共计
23.856
0.132
0.14
0.695
4.235
0.76
1
0.942
0.525
0.18
2.664
8.804
1.355
44.23
%
53.93
0.30
0.32
1.57
9.57
1.72
2.13
1.19
0.41
6.023
19.91
3.1
100.0C
3.1.3焙砂产出率及其化学与物相组成计算
焙砂中S8O4取1.10%,S8取0.4%,SSO4和S8全部与Zn结合;PbC与S©结合成PbOSiO2;其他金属以氧化物形态存在。
各组分化合物进入焙砂中的数量为:
Sso4量:
0.484kg,Ss量:
0.176kg
其中:
Zn0.36kgS0.176kg
1.ZnSO4量:
°4841614=2.441kg
其中:
Zn0.989KgO0.968Kg
ZnO结合成ZnOFezO?
,其量为6.0550.4=2.422kg。
2.422241.1ZnOFe2O3量:
3.66kg
159.7
其中:
Zn0.99kgFe1.7kgO0.97kg
余下的Fe2O3量:
6.055-2.422=3.633kg
其中:
Fe2.535kgO1.098kg
4.ZnO量:
Zn25.844-(0.9890.360.99)=23.505kg
ZnO
23505況814
23.50581.4=29.26kg
65.4
5.CdO量:
0.088128.4
0.1kg
112.4
其中:
Cd0.088kgO0.012kg
以上计算结果列于下表
表3-3焙砂的物相组成,kg
组成
Zn
Cd
Cu
Pb
Fe
Ss
SsO4
CaO
MgO
SiO2
O
其他
共计
ZnS
0.36
0.176
0.536
ZnSO4
0.989
0.484
0.968
2.441
ZnO
23.505
5.75
29.255
ZnO•FezOs
0.99
1.7
0.97
3.66
F@O3
2.535
1.098
3.633
CdO
0.088
0.012
0.1
CuO
0.014
0.035
0.175
PbOSO2
0.695
0.201
0.054
0.95
CaO
0.525
0.525
MgO
0.18
0.18
SiO2
2.404
2.204
其他
1.355
1.355
共计:
25.844
0.088
0.14
0.695
4.235
0.176
0.484
0.525
0.18
2.605
8.887
1.355
45.214
%
51.16
0.19(
).311.
549.3
7
0.399
1.07
1.16
0.4
5.76
19.66
3
100.00
3.1.4焙烧要求的空气量及产出烟气量与组成的计算
3.141焙烧矿脱硫率计算
精矿中S量为32.00kg,焙砂和烟尘中的S量为0.176+0.761+0.484+0.942=2.363kg,焙烧脱硫量为:
30.61-2.363=28.247kg
出炉烟气计算
假定95%勺S生成SO2,5%勺S生成SO3,贝
生成SO2需要的02量为:
S02二SO2
28.2470.9532=26.834kg
32
3
生成SO3需要的。
2量为:
S•—02二SQ
2
28.2470.05詈=2.119kg
理论氧量为:
26.8342.11917.691=46.644kg
空气中氧的质量百分比为23%则需理论空气量为:
过剩空气系数可取1.25〜1.30,本文取1.25,则实际需要空气量为:
202.81.25=253.5kg
空气中各组分的质量百分比为277%0223%鼓入267.419kg空气,其中:
N2253.577%=195.195kg
02253.523%=58.305kg
标准状况下,空气密度为1.293kg.m3,实际需要空气之体积为:
2535=196.056kg
1.293
空气中,N2和02的体积百分比为79%21%则:
N2196.05679%=154.844kg
O2196.05621%=41.172kg
3.1.4.2焙烧炉排出烟量和组成1•焙烧过程中产出
SO2
64
28.24795%53.669kg
SO3
80
28.2475%3.531kg
2.过剩的02量:
58.305-46.600=11.641kg
3.鼓入空气带入的N2量:
196.803kg4.CaCO3和MgCO3分解产CO2量:
0.82+0.39=1.21kg5.锌精矿及空气带入水分产生的水蒸汽量:
=8.696kg。
进入焙烧矿的锌精矿含水取8%100Kg干精矿带入水分为8100%
100—8
空气带入水分量计算
210.060.01620.77=2.620kg
带入水分总量为:
8.6962.620=11.316kg或11.31622.4=14.082m3
18
以上计算结果列于下表
表3-5烟气量和组成
组成
质量kg
体积m3
体积比%
组成
质量kg
体积m3
体积比%
SO2
53.669
18.784
9.42
O2
1.641
8.149
4.09
SQ
3.531
0.99
0.5
H2。
11.316
14.082
7.06
CO2
1.21
0.616
0.31
共计
277.423
199.47
100
N2
196.056
156.845
78.63
按以上计算结果编制的物料平衡表如下:
(未计机械损失)
沸腾焙烧物料平衡表
加入
产出
名称
质量,kg
百分比,%
名称
质量,kg
百分比,%
干锌精矿
100
27.26
烟尘
44.23
12.08
精矿中水分
8.696
2.37
焙砂
45.214
12.32
干空气
253.5
69.10
烟气
277.423
75.62
空气中水分
2.620
0.71
共计
366.886
100.00
共计
366.886
100.00
3.2热平衡计算
3.2.1热收入
进入流态化焙烧炉热量包括反应热及精矿、空气和水分带入热量等。
1.硫化锌按下式反应氧化放出热量Q!
1
ZnS+1丄02=Zn0+SQ+105930千卡
2
生成ZnO的ZnS量:
19.5560.8223.5050.99工66.826kg
65.4
Q1=10593066.826=72678.67千卡
97.4
2.硫化锌按下式反应硫酸氧化放出热量02
ZnS+2Q=ZnSQ+185050千卡
生成ZnSQ的ZnS量:
1.9250.989974=4.34kg
65.4
434
Q2=185050—一=8246千卡
97.4
3.ZnQ和Fe2Q3按下式反应生成ZnQ.Fe2Q3放出的热量Q:
ZnQ+Fe2Q3=ZnQ.Fe2Q3+27300千卡
生成ZnQ.Fe2Q3的ZnQ量
0.820.99814=2.253kg
273002.253
81.4
=755.55千卡
4.FeS2按下式反应氧化放出热量Q
4FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2+790600千卡
Q4=7906001.55=2556.2千卡
479.4
5.FeS按下式反应氧化放出热量Q5
1
2FeS+31O2=Fe2O3+2SO2+293010千卡
2
Fe7S8分解得到FeS量:
7.54.917=1180千卡
8
1
CuFeS2分解得到FeS量:
0.25-0.28—=0.39千卡2
Q5=29301012.19=2.328.9千卡
287.85
6.CuFeS2
和Fe7S8分解得到硫燃烧放出热量Q6
1
=CuS2+FeS+—S2
2
S量:
0.8132二on千卡
366.8
1
Fe7S8=7FeS—S2
2
分解出S量:
12.4132
CuFeS2
分解出
=0.614千卡
646.95
1kg硫燃烧放出的热量为
2222千卡则:
Q6=0.0710.6142222=1522.07千卡7.PbS按下式反应放出热量Q
1
PbS+11O2=PbO+SO+100690千卡
2
PbS+SiO2=PbO-SiO2+2030千卡
生成PbS放出热量:
1006901.60=673.512千卡
239.2
生成PbOSiO2量:
0.95+0.95=1.9kg
283.3
生成PbOSiO2放出热量:
2030".9=13.61千卡
Q7=673.512+13.61=689.412千卡
8.CdS按下式反应放出热量Q
CdS+-O2=CdO+Sp+98800千卡
2
1444
生成CdO的CdS量:
0.221444=0.28kg
112.4
Q8=98800°28"93.38千卡
144.4
9.CU2S按下式反应氧化放出热量Q
Cu2S+2O2=2CuO+SQ+127470千卡
生成CuO的Cu2S量:
0.28I59」=0.35kg
127.1
Q10=100400.2=800千卡
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