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

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 кгZn требуют 32 кг S (по молекулярным массам)

52,5 кг Zn- xкг S;

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

Количество PbS (галенит) на 100 кг концентрата:

207,2 кгPb требуют 32 кг S

2,5 кг Pb- xкг S;

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

Количество CuFeS2 (халькопирит) на 100 кг концентрата:

183,4 кгCuFeS2 содержат 63,6 кг Cu

xкг CuFeS2 - 1,7 кг Cu;

xCuFeS₂=(183,4•1,7)/63,6=4,9 кг.

В халькопирите содержится серы:

183,4 кгCuFeS₂ содержат 64 кг S

4,9 кг CuFeS₂ - xкг S;

xS=(4,9•64)/183,4=1,71 кг.

В CdS содержится серы:

116,36 кгCdS содержат 32 кг S

0,5 кгCd содержат x кг S;

xS=(32•0,5)/116,36=0,14 кг.

Количество железа в халькопирите:

183,4 кгCuFeS₂ содержат 55,8 кг Fe

4,9 кг CuFeS₂ - xкг 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 кгFe требуют 64 кг S

акг 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 кгCaO требуют 44,0 кг CO

0,6 кг CaO- xкг CO;

xСО₂=(0,6•44)/56,1=0,47 кг,

mСaCO₃=0,6+0,47=1,07 кг.

Количество MgCO₃:

40,3 кгMgO требуют 44,0 кг CO₂

0,9 кг MgO- xкг 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, %

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 кгZn требует 32 кг S_S

xкг 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 кгPb требует 16 кг O₂

1,25 кгPb- x кг O₂

x_O2=(1,25•16)/207,2=0,097 кг,

m_PbO=1,25 + 0,097=1,347 кг.

Количество Cu₂O:

127,2 кгCu требует 16 кг O₂

1,7 кгCu- x кг O₂

x_O2=(16•1,7)/127,2=0,2 кг,

m_Cu2O=1,7+ 0,2=1,9 кг.

Количество Fe₂O₃:

111,6 кгFe требует 48 кг O₂

2,9 кгFe- x кг O₂

x_O2=(2,9•48)/111,6=1,25 кг,

m_Fe2O3=1,25 + 2,9=4,15 кг.

Количество Fe₃O₄:

167,4 кгFe требует 64 кг O₂

2,9 кгFe- x кг O₂

x_O2=(2,9•64)/167,4=1,11 кг,

m_Fe3O4=1,11 + 2,9=4,01 кг.

Количество CdO:

112,4 кг Cd требует 16 кг O₂

0,5 кгCd- x кг O₂

x_O2=(0,5•16)/112,4=0,07 кг,

m_CdO=0,5 + 0,07=0,57кг.

Количество PbSO₄:

303,2 кгPbSO₄ содержат 207,2 кг Pb

x кг PbSO₄ - 1,25 кг Pb

x_PbSO4=(303,2•1,25)/207,2=1,83 кг.

В PbSO₄ содержится серы:

303,2 кгPbSO₄ содержат 32 кг S_S03

1,83 кгPbSO₄ - x кг S_S03

x_SO3=(1,83•32)/303,2=0,19 кг.

В PbSO₄ содержится кислорода:

303,2 кгPbSO₄ содержат 64 кг O₂

1,83 кгPbSO₄ - x кг O₂

x_O2=(1,83•64)/303,2=0,39 кг.

Количество CaSO₄:

136,1 кгCaSO₄ содержат 57,1 кг CaO

x кг CaSO₄ - 0,3 кг CaO

x_CaSO4=(136,1•0,3)/57,1=0,72 кг.

В CaSO₄ содержится серы:

136,1 кгCaSO₄ содержат 32 кг S_S03

0,72 кгCaSO₄ - x кг S_S03

x_SO3=(0,72•32)/136,1=0,17 кг.

В CaSO₄ содержится кислорода:

136,1 кгCaSO₄ содержат 48 кг O₂

0,72 кгCaSO₄ - x кг O₂

x_O2=(0,72•48)/136,1=0,25 кг.

Количество MgSO₄:

120,3 кгMgSO₄ содержат 40,3 кг MgO

x кг MgSO₄ - 0,45 кг MgO

x_MgSO4=(120,3•0,45)/40,3=1,34 кг.

В MgSO₄ содержится серы:

120,3 кгMgSO₄ содержат 32 кг S_S03

1,34 кгMgSO₄ - x кг S_S03

x_SO3=(1,34•32)/120,3=0,356 кг.

В MgSO₄ содержится кислорода:

120,3 кгMgSO₄ содержат 48 кг O₂

1,34 кгMgSO₄ - x кг O₂

x_O2=(1,34•48)/120,3=0,53 кг.

Количество ZnSO4:

161,4 кгZnSO₄ содержат 32 кг S_S03

x кг ZnSO₄ - 0,067 кг S_S03

x_ZnSO4=(161,4•0,067)/32=0,34 кг.

В ZnSO₄ содержится цинка:

161,4 кгZnSO₄ содержат 65,4 кг Zn

0,34 кгZnSO₄ - x кг Zn

x_Zn=(65,4•0,34)/161,4=0,14 кг.

В ZnSO₄ содержится кислорода:

161,4 кгZnSO₄ содержат 64 кг O₂

0,34 кгZnSO₄ - x кг O₂

x_O2=(64•0,34)/161,4=0,13 кг.

Zn_ZnO=52,5-12,45-0,13=39,92 кг.

Количество ZnO:

65,4 кгZn требует 16 кг O₂

39,92 кгZn- x кг O₂

x_O2=(39,92•16)/65,4=9,77 кг,

m_ZnO=39,92 + 9,77=49,69 кг.

Таблица 3.

Рациональный состав полуобожжённого концентрата, %

Итого:

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

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

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

Таблица 6. Материальный баланс обжига

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 Cu2Sи 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

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.