9.6.3 Обжиг цинковых концентратов для выщелачивания

Принцип обжига в КС и его достоинства

Достоинства этого способа обжига являются следствием сжигания концентрата, приведенного в особое состояние псевдоожижения. Рассмотрим суть и условия создания этого состояния.

Непосредственно после перехода в псевдоожиженное состояние слой сохраняет однородность и спокойную поверхность. С ростом ω расширение слоя вызывает образование газовых пузырей (нарушается однородность), повышается интенсивность перемешивания зерен и появляются колебания поверхности слоя и всплески (рис. 78, в). Если спокойный слой шихты слишком высок по отношению к диаметру печи, то восходящие пузыри в КС сливаются и укрупняются. В пределе это может привести к образованию воздушных пробок но всему сечению слоя, которые чередуются с движущимися поршнями псевдоожиженной шихты. Образование пузырей вызывает малые колебания давления дутья, которые возрастают с увеличением размера пузырей. Укрупнению пузырей способствует укрупнение монодисперсного порошка. Полидисперсность порошка сглаживает пульсации давления. Обычно слишком мелкие фракции огарка выносятся из КС, а слишком крупные оседают на подину. В КС огарок удерживается в определенном диапазоне дисперсности.

Печь КС - непрерывно действующий реактор почти идеального перемешивания. В таких реакторах обновление материала в слое замедляется пропорционально степени обновления.

Материал в кипящем слое текуч, интенсивно перемешивается, что обеспечивает однородность слоя по составу и температуре. Обжиг концентратов в КС имеет многие преимущества перед ранее применявшимися способами: 1) высокая производительность (удельная производительность по площади пода в 3-4 раза выше, чем в многоподовых печах, и в 1,5-2 раза выше, чем при обжиге во взвешенном состоянии); 2) стабилизация режима обжига и повышение качества огарка (содержание сульфидной серы в огарке из печи кипящего слоя 0,1-0,3 % вместо 0,2-0,5 % при обжиге во взвешенном состоянии или 0,3-1,0 % при обжиге на подах); 3) повышение в газах (это улучшает их утилизацию на получение H₂SO₄); 4) автотермичность с высокой степенью утилизации технологического тепла; 5) упрощение подготовки шихты и обслуживания печи (возможность полной механизации, автоматизации, увеличение длительности кампании печей КС).

Это способствует быстрому распространению и широкому применению обжига в КС.

Общая схема цепи аппаратов

Технология обжига цинковых концентратов для выщелачивания на разных заводах не имеет принципиальных различий: обжиг ведется в печах КС в одну стадию. Различия касаются следующего: 1) способов подготовки и исходного состояния шихты для обжига; 2) конструкции печей КС; 3) подготовки и транспорта огарка для выщелачивания; 4) температурных и концентрационных условий обжига; 5) способов утилизации тепла печей КС.

Рис. 79. Схема цепи аппаратов обжигового цеха (I - V - потоки): I - исходная шихта; II- воздух; III - вода; IV - огарок на выщелачивание; V — SO₂ на производство Н₂SО₄; 1 - бункер для шихты; 2 - вибрационный грохот; 3 - бункер для комков шихты; 4 - дезинтегратор; 5 - элеватору б - бункер для мелкой шихты; 7 - ленточный питатель; 8 - печь КС; 9 - турбовоздуходувка; 10 - стояк с кессонами испарительного охлаждения; 11 - барабан-сепаратор пароводяной смеси; 12 циклон; 13 - дымосос; 14 - электрофильтры; 15 - водоохлаждаемый аэрохолодильник (для охлаждения" огарка); 16 - элеватор; 17- вибросита; 18 - шаровая мельница

На рис, 79 показана схема цепи аппаратов обжигового цеха. Схема включает узел подготовки шихты к обжигу в сухом виде, печь КС, узел теплоотъема тепла из газа в стояке и из КС кессонами испарительного охлаждения, узел пылеулавливания циклоном и электрофильтрами, узел подготовки огарка к выщелачиванию в сухом виде, узел гидродинамического обеспечения технологического тракта (воздуходувка и дымосос).

Приготовление шихты

На цинковых заводах обычно перерабатывают смесь концентратов, отличающихся по составу. При шихтовке концентраты смешивают в пропорциях, отвечающих определенному составу шихты по цинку, сопутствующим полезным и вредным компонентам. Состав шихты должен удовлетворять условиям, обеспечивающим достижение целей обжига.

Шихту в печь КС подают в сухом виде или в виде пульпы. Подачу на обжиг сухой шихты применяют для шихт, образованных из привозных и довольно близких по составу концентратов. Шихта в виде пульпы предпочтительна, когда цинковый завод находится рядом с обогатительной фабрикой, снабжающей завод концентратом, или когда в шихту идут сильно различающиеся по составу концентраты (в состоянии пульпы шихта проще и лучше перемешивается). Однако загрузка пульпы в КС увлажняет отходящие газы, и это усложняет их переработку, усиливает коррозию оборудования и газоотводящих систем. Пульпу сложней, чем сухую шихту, равномерно распределить по кипящему слою.

Для получения сухой шихты концентраты грейферным краном смешивают для однородности материала. Далее шихту подсушивают в сушильном барабане до остаточной влажности 6—8%. Если концентраты достаточно сухие, то подсушка не требуется. Подсушенную шихту измельчают на дисковых истирателях или на дезинтеграторах и отсеивают крупные комки на грохотах.

Шихту в виде пульпы готовят репульпацией смеси концентратов водой (в пульпе 75—80% твердого) и дополнительно перемешивают в баках с мешалками.

Типы аппаратурного оформления обжига в КС

Конструктивно печи КС разнообразны и различаются профилем поперечного сечения (круглые и прямоугольные), величиной отношения надслоевого объема печи v к площади пода S, способом загрузки шихты в печь (через форкамеру и в слой или через загрузочные окна в стенках печи и по всей поверхности кипящего слоя), конструкцией воздухораспределительной подины.

На рис. 80 схематически показана цилиндрическая печь КС наиболее распространенной на отечественных заводах конструкции. Площадь пода печи 34 м², площадь форкамеры ~1,5 м², высота печи 10 м, высота сливного порога 1,0- 1,2. Форкамера служит для загрузки шихты в КС, а сливной порог - для выгрузки огарка.

Очень ответственным элементом конструкции печи является воздухораспределительная подина. Подину печи выполняют из жароупорного бетона на стальном перфорированном листе с вставленными в отверстия соплами для распределения дутья равномерно по площади. Площадь сечения отверстий в соплах по отношению к площади пода (живое сечение) составляет 0,8-1,0%. В форкамере сопла расположены чаще и воздуха на единицу площади подают больше для предотвращения залегания загруженной шихты на подину.

Тонкие (пылевидные) фракции выносятся с дутьем из КС и обжигаются во взвешенном состоянии. Пылевая часть огарка улавливается в пылеуловителях и выгружается из них для выщелачивания. Грубодисперсная часть огарка выгружается из печи через сливной порог и тоже направляется на выщелачивание.

Для стационарного теплового режима обжига необходим тепловой баланс в КС, который обеспечивается отводом тепла из слоя, % с обжиговыми газами 60, с огарком, с пылью и через стенки печи 20. Остальное тепло надо отводить специальными средствами, чтобы избежать перегрева в слое. Обычно это осуществляют трубчатыми кессонами испарительного охлаждения. Отъем тепла из обжиговых газов осуществляют с помощью котлов-утилизаторов или вертикальных стояков, охлаждаемых кессонами испарительного охлаждения. Котлы-утилизаторы более сложны конструктивно, но они дают пар с высокими параметрами (400-565°С и 4,5-6,0 МПа) в количестве 1,1-1,4 т/т обжигаемого концентрата. При этом используется до 55 % технологического тепла, остальное теряется с огарком и пылью, через стенки печи и с газом, отправленным на производство H₂SO₄. Кроме того, котлы-утилизаторы являются эффективными пылеуловителями (пылеулавливание 90-95 %), что осложняет их эксплуатацию, так как теплообменные поверхности зарастают пылевыми отложениями. Стояки испарительного охлаждения конструктивно просты, надежны в эксплуатации, но обеспечивают меньший теплотъем от газов в виде пара в количестве 0.85 0.92 т/т обжигаемого концентрата, пар более низких параметров (110°С и 0,6 МПа), чем в котле-утилизаторе. Надежность стояков в работе обусловлена сведением к минимуму оседания пыли в них. Пар из кессонов, обеспечивающих теплоотъем из КС, выводится или на котел-утилизатор, или на барабан-сепаратор, комплектующий теплоотнимающий стояк.

Узел пылеулавливания состоит из котла-утилизатора (если он включен в систему пылегазового тракта), одной или двух ступеней циклонов для грубого пылеулавливания и электрофильтров для тонкого пылеулавливания. Обеспыленный газ направляют в сернокислотное производство.

Дутье воздуха в печь подают от турбовоздуходувки по воздуховодам в воздушную коробку, расположенную под воздухораспределительной подиной. А далее воздух через сопла в подине под определенным давлением поступает в КС. Производительность воздуходувки выбирают из расчета, что теоретически необходимое для обжига количество воздуха составляет 1500-1600 м³/т концентрата, но необходим избыток воздуха на 20-30 % (коэффициент избытка воздуха а = 1,2*1,3). Таким образом, удельный расход воздуха составляет около 2000 М³/т шихты. Скорость дутья должна быть ω = 10÷1З см/с. Тяговый режим в газоотводящем тракте должен обеспечить отсос всех отходящих из печи газов с учетом незначительного подсоса воздуха на участке печь - эксгаустер (дымосос).

Рис. 80. Цилиндрическая печь кипящего слоя:

1 - подина; 2 — форсунка для розжига печи; 3 - форкамера для загрузки концентрата; 4 — корпус печи; 5 — отверстие для отвода газов; 6 — сливной порог; 7 — трубчатые кессоны испарительного охлаждения; 8 - воздушная коробка; 9 - задвижка с пневмоприводом; 10 - футеровка; 11 - свод

Транспортировку огарка от печей КС осуществляют или в виде пульпы, или в сухом виде. Транспортировка пульпы аппаратурно проще, чем сухого огарка. Но транспорт пульпы имеет ряд серьезных недостатков: 1) отсутствие буферного склада огарка перед цехом выщелачивания; 2) отсутствие весового контроля огарка, поступающего на выщелачивание; 3) усложнение схемы выщелачивания операциями гидроклассификации огарка и обработки песковой фракции. Эти недостатки менее значимы при непрерывном выщелачивании огарка и только в этом случае применим гидротранспорт огарка. Отмеченные недостатки гидротранспорта огарка объясняют предпочтение в мировой практике транспортировки от печей КС сухого огарка. В этом случае горячий огарок охлаждают либо в водоохлаждаемых холодильниках, либо в аэрохолодильниках с КС. Охлажденный огарок транспортируют водоохлаждаемыми цепными или шнековыми конвейерами, или пневмотранспортом, или после суспендирования в кислых цинковых растворах в виде пульпы по трубопроводам. Сухой огарок подвергают аэросепарации или рассеву на виброситах с последующим измельчением крупной фракции (+0,3 мм) в шаровой мельнице. После измельчения эту часть огарка тоже отправляют на выщелачивание. На некоторых зарубежных предприятиях предпочитают подвергать измельчению весь огарок для исключения сепарации в подготовке огарка к выщелачиванию.

Совершенствование обжигового передела по технико-экономическим показателям достигают также изменением конструкции печей КС. Эти изменения направлены на увеличение единичной мощности печей (до 550-800 т/сут) за счет увеличения площади пода (до 72-123 м²). Повышение единичной мощности оборудования снижает эксплуатационные расходы, повышает производительность труда. В ряде случаев предприятия не имеют запасных обжиговых печей или даже работают на единственной крупнотоннажной печи. Поэтому на период ремонта печи или сернокислотной установки, потребляющей обжиговый газ, предусмотрено хранение запаса огарка в специальных хранилищах, из которых он поставляется на выщелачивание.

Интенсификация обжига за рубежом достигается увеличением высоты печных камер (до 12-17 м) и расширением верхней части печи (в 1,3-1,5 раза), т.е. за счет увеличения отношения надслоевого объема печи v к площади пода S, которое достигает 20-25. Это позволяет повысить скорость дутья в КС при малой скорости газа в надслоевом пространстве и умеренных избытках воздуха. Благодаря высоким значениям отношения v/S ограничен пылеунос, a в газах значителен (см. ниже).

Увеличение площади пода печей потребовало изменить способ загрузки шихты в печь КС для лучшего ее использования: вместо загрузки шихты через форкамеру в слой применяют загрузку скоростными забрасывателями через загрузочное окно в стенке печи для равномерного распределения шихты по поверхности КС.

Практика обжига в печи КС

Для поддержания нормального режима обжига в печи КС необходимы следующие условия: а) постоянство минералогического и дисперсного состава шихты и скорости загрузки ее в слой; б) равномерное распределение дутья по площади подины; в) постоянство заданного давления в воздушной коробке под подиной; г) постоянство тягового режима в пылегазовом тракте для отвода технологических газов.

Перечисленные выше условия направлены главным образом на создание равномерного и устойчивого псевдоожижения. В производстве нормальное состояние кипящего слоя создается при давлении дутья 15 - 16кПа, из них 4 - 6 кПа приходится на преодоление гидравлического сопротивления подины печи. Следовательно, гидравлическое сопротивление КС должно составлять ~ 10 кПа. Такое давление должен создавать спокойный слой огарка на подине, а это соответствует ~ 1 т/м² (в согласии с практикой загрузки печи огарком при ее запуске).

Для нормальной работы системы теплоотъема и пылеулавливания серьезные помехи создают пылевые отложения в пылегазовом тракте. Повышение в отходящих газах вызывает сульфатизацию и упрочнение этих пылевых отложений, что затрудняет их удаление. Сульфатизация отложений становится возможной по мере охлаждения пыли.

Влияние условий обжига на технологические показатели процесса

Важнейшими технологическими показателями обжига являются следующие: 1) производительность; 2) распределение обжигаемой шихты по продуктам обжига (огарок и пыль); 3) концентрация SO₂ в технологических газах; 4) качество огарка (дисперсность и содержание сульфидной серы, растворимых сульфатной серы и цинка, кремнезема и железа).

Рассмотрим условия и их влияние на эти показатели обжига.

Производительность. Обжиг цинкового концентрата в теплотехническом отношении является сжиганием высокозольного топлива. Если сульфидные зерна крупные, то на них образуется толстый слой окалины и горение будет протекать во внутридиффузионной области. В этом случае внешними воздействиями скорость горения не повысишь. Но если зерна сульфида умеренной крупности (характерной для флотационных концентратов), то, при 950°С горение протекает во внешнедиффузионной области до полного окисления зерен, т.е. скорость горения ограничена молекулярной диффузией 0₂ через газовую пленку вокруг горящих зерен. Чем больше градиент концентрации 0₂ во внешнедиффузионном слое, тем выше скорость горения. Величину grad можно повысить или уменьшением толщины диффузионного газового слоя в результате повышения скорости газа относительно зерен сульфида, или увеличением в дутье (обогащение воздуха кислородом). Скорость газа относительно зерен наибольшая в кипящем слое, наименьшая — в спокойном слое, омываемом воздухом по внешней поверхности. Поэтому переход на обжиг в печах КС сразу повысил удельную производительность до 4,8-5,5 т/ (м² ·сут).

Интенсификация обжига в КС в отечественной практике пошла по пути обогащения дутья кислородом при сохранении дутьевого режима [скорость дутья 10-13 см/с и удельный расход дутья 350-450 м³/(м²·ч)]. Это позволило существенно повысить производительность, так как окисление сульфида во внешнедиффузионной области имеет первый порядок по кислороду [см. уравнение (8.13)]. Практика показала, что рационально повышать в дутье до 28—32%. При этом достигается производительность 8-10 т/(м²·сут). Дальнейшее обогащение дуля кислородом не целесообразно экономически (прирост производительности уменьшается и не окупает стоимости дополнительно затраченного кислорода) и сложно технически (затруднен достаточно быстрый отъем тепла из КС во избежание чрезмерного перегрева слоя).

Интенсификация обжига кислородом привлекает возможностью использовать печи первоначально принятого типа конструкции. В социалистических странах, для которых характерна кооперация производств, применение кислорода как интенсификатора экономически выгодно при комплексном использовании компонентов воздуха, из которого получают как технический кислород, так и N₂, Ar, Кг, Хе, Не.

В капиталистических странах был выбран путь интенсификации обжига за счет повышения скорости дутья. Это обусловлено энергоемкостью производства кислорода, что при энергетическом кризисе и трудностях кооперации в использовании побочных продуктов производства кислорода делало нецелесообразным его использование.

Повышение скорости дутья и удельного расхода воздуха [до 600-675 м³/(м²-ч)] усиливает пылеунос из КС. В зарубежной практике при форсированном дутье воздуха выпуск огарка через порог невысок. Это увеличивает долю обжига шихты во взвешенном состоянии и снижает производительность по обожженному материалу, пригодному для выщелачивания, а также влечет другие нежелательные последствия (см. ниже). Чтобы избежать значительного пылеуноса и повысить степень десульфуризации пыли, печи КС делают с большим объемом надслоевого пространства: высокие (до 12-17 м) и расширяющиеся в верхней части (в 1,3-1,5 раза). В результате скорость газа по выходе из КС значительно уменьшается и пыль оседает обратно в КС или дольше витает в надслоевом пространстве и полней окисляется. Температура - наиболее эффективный интенсификатор технологических процессов даже в диффузионной области. Однако повышение t > 970°C при обжиге обычной цинковой шихты нецелесообразно (гранулированную шихту обжигают и при 1000°С). Это вызвано тем, что при более высоких температурах ухудшается качество огарка для последующей гидрометаллургической переработки.

Распределение обжигаемой шихты по продуктам обжига. Технологически важно ограничить унос обжигаемого материала из печи КС в пылегазовый тракт, так как это облегчает теплоотъем и пылеулавливание в пылегазовом тракте.

Обычно на печах отечественной конструкции при t = 950÷970°С выход твердых продуктов составляет, % к их сумме: огарка 65; пыли циклона 30 (при наличии кессонированного стояка в нем осаждается 1/3 этого количества); пыли электрофильтров 3,3; пыли газоходов 1,7. Если температура в слое выше, то выход пыли уменьшается. Если концентрат имеет повышенную дисперсность (получен обогащением тонковкрапленных руд), то выход пыли увеличивается.

Концентрация SO₂ в технологических газах. Повышение в газах улучшает его использование в производстве H₂SO₄. На воздушном дутье получают обжиговые газы, содержащие 8,5-10% S0₂ на выходе из печи КС, далее по тракту из-за подсосов воздуха снижается. В зарубежной практике имеются примеры повышения добавками элементарной серы в шихту для обжига цинковых концентратов или подачи в дутье печи КС технологических газов агломерирующего обжига свинцовых концентратов. Применение дутья, обогащенного кислородом, повышает до 12-15 % в технологических газах на выходе из печи КС.

Качество огарка определяется соответствием его указанным выше требованиям. Чтобы в огарке содержалось не более 0,1—0,3% сульфидной серы, необходимо достичь степени десульфуризации концентрата при обжиге на 99,0—99,7%.