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;
xCuFeS2=(183,4•1,7)/63,6=4,9 кг.
В халькопирите содержится
серы:
183,4 кг CuFeS2 содержат 64 кг S
4,9 кг CuFeS2 - 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 CuFeS2 содержат 55,8 кг Fe
4,9 кг CuFeS2 - 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;
CuFeS2-1,71;
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 FeS2=2,33+2,67=5 кг;
Количество Fe7S8=(4,31-2,33)+(3,97-2,67)=3,28 кг.
Количество CaCO3:
56,1 кг CaO требуют 44,0 кг CO
0,6 кг CaO - x кг CO;
xСО2 =(0,6•44)/56,1=0,47 кг,
mСaCO3=0,6+0,47=1,07 кг.
Количество MgCO3:
40,3 кг MgO требуют 44,0 кг CO2
0,9 кг MgO - x кг CO;
xCO2 =(0,9•44)/40,3=0,98 кг,
mMgCO3 =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
|
CuFeS2
|
|
|
1,7
|
|
1,49
|
1,71
|
|
|
|
|
|
4,90
|
CdS
|
|
|
|
0,5
|
|
0,14
|
|
|
|
|
|
0,64
|
FeS2
|
|
|
|
|
2,33
|
2,67
|
|
|
|
|
|
5,00
|
Fe7S8
|
|
|
|
|
1,98
|
1,30
|
|
|
|
|
|
3,28
|
CaCO3
|
|
|
|
|
|
|
0,6
|
|
0,47
|
|
|
1,07
|
MgCO3
|
|
|
|
|
|
|
|
0,9
|
0,98
|
|
|
1,88
|
SiO2
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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 Fe2O3 и наполовину до Fe3O4; вся медь окислиться до Cu2O 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 SS
x кг Zn - 6,09 кг SS
xZn=(65,4•6,09)/32=12,45 кг,
mZnS=12,45 + 6,09=18,54 кг.
Количество PbO:
207,2 кг Pb требует 16 кг O2
1,25 кг Pb - x кг O2
xO2=(1,25•16)/207,2=0,097 кг,
mPbO=1,25 + 0,097=1,347 кг.
Количество Cu2O:
127,2 кг Cu требует 16 кг O2
1,7 кг Cu - x кг O2
x O2=(16•1,7)/127,2=0,2 кг,
mCu2O=1,7+ 0,2=1,9 кг.
Количество Fe2O3:
111,6 кг Fe требует 48 кг O2
2,9 кг Fe - x кг O2
xO2=(2,9•48)/111,6=1,25 кг,
mFe2O3=1,25 + 2,9=4,15 кг.
Количество Fe3O4:
167,4 кг Fe требует 64 кг O2
2,9 кг Fe - x кг O2
xO2=(2,9•64)/167,4=1,11 кг,
mFe3 O4=1,11 + 2,9=4,01 кг.
Количество CdO:
112,4 кг Cd требует 16 кг O2
0,5 кг Cd - x кг O2
xO2=(0,5•16)/112,4=0,07 кг,
mCdO=0,5 + 0,07=0,57кг.
Количество PbSO4:
303,2 кг PbSO4 содержат 207,2 кг Pb
x кг PbSO4 - 1,25 кг Pb
xPbSO4=(303,2•1,25)/207,2=1,83 кг.
В PbSO4 содержится серы:
303,2 кг PbSO4 содержат 32 кг SS03
1,83 кг PbSO4 - x кг SS03
xSO3=(1,83•32)/303,2=0,19 кг.
В PbSO4 содержится кислорода:
303,2 кг PbSO4 содержат 64 кг O2
1,83 кг PbSO4 - x кг O2
xO2=(1,83•64)/303,2=0,39 кг.
Количество CaSO4:
136,1 кг CaSO4 содержат 57,1 кг CaO
x кг CaSO4 - 0,3 кг CaO
xCaSO4=(136,1•0,3)/57,1=0,72 кг.
В CaSO4 содержится серы:
136,1 кг CaSO4 содержат 32 кг SS03
0,72 кг CaSO4 - x кг SS03
xSO3=(0,72•32)/136,1=0,17 кг.
В CaSO4 содержится кислорода:
136,1 кг CaSO4 содержат 48 кг O2
0,72 кг CaSO4 - x кг O2
xO2=(0,72•48)/136,1=0,25 кг.
Количество MgSO4:
120,3 кг MgSO4 содержат 40,3 кг MgO
x кг MgSO4 - 0,45 кг MgO
xMgSO4=(120,3•0,45)/40,3=1,34 кг.
В MgSO4 содержится серы:
120,3 кг MgSO4 содержат 32 кг SS03
1,34 кг MgSO4 - x кг SS03
xSO3=(1,34•32)/120,3=0,356 кг.
В MgSO4 содержится кислорода:
120,3 кг MgSO4 содержат 48 кг O2
1,34 кг MgSO4 - x кг O2
xO2=(1,34•48)/120,3=0,53 кг.
Количество ZnSO4:
161,4 кг ZnSO4 содержат 32 кг SS03
x кг ZnSO4 - 0,067 кг SS03
xZnSO4=(161,4•0,067)/32=0,34 кг.
В ZnSO4 содержится цинка:
161,4 кг ZnSO4 содержат 65,4 кг Zn
0,34 кг ZnSO4 - x кг Zn
xZn=(65,4•0,34)/161,4=0,14 кг.
В ZnSO4 содержится кислорода:
161,4 кг ZnSO4 содержат 64 кг O2
0,34 кг ZnSO4 - x кг O2
xO2=(64•0,34)/161,4=0,13 кг.
ZnZnO=52,5-12,45-0,13=39,92 кг.
Количество ZnO:
65,4 кг Zn требует 16 кг O2
39,92 кг Zn - x кг O2
xO2=(39,92•16)/65,4=9,77 кг,
mZnO=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
|
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 SO3 и остальные 92%-в SO2.
Масса серы, сгорающей в SO3, 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 м 3
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:
1/2S2 + O2 = SO2
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 CuFeS2 и Fe7S8 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.