§ 4. Утилизация тепла

Утилизация тепла при обжиге цинковых концентратов имеет не только экономическое, но и технологическое значение. Так, наиболее полный и эффективный отъем тепла из кипящего слоя позволяет достигать в печи мак­симальной производительности и выдерживать при этом заданный температурный режим. Охлаждение обжиго­вых газов с помощью теплоутилизационных установок на пути от печи до электрофильтров обеспечивает необ­ходимую температуру па входе в электрофильтры без разбавления газов и дает возможность направить их в сернокислотное производство с достаточной концентра­цией сернистого ангидрида.

Как отмечалось выше, при обжиге сульфидного цин­кового концентрата основное количество тепла выделя­ется в кипящем слое в результате экзотермических реак­ций окисления сульфидов. Количество выделяемого теп­ла зависит от содержания серы в концентрате и от степени десульфурации обжигаемого материала. При окислительном обжиге цинковых концентратов за счет экзотермических реакций выделяется до 2508000 кДж, а при обжиге пиритных концентратов - до 4180000 кДж на 1 т перерабатываемого материала.

Более половины выделяемого тепла выносится из зо­ны кипящего слоя и шахты печи с отходящими газами. Другая часть тепла расходуется на испарение влаги, со­держится в твердых продуктах обжига, теряется через кладку печи. Остальное тепло является избыточным и должно быть отобрано из кипящего слоя системой охлаждения.

Примерные тепловые балансы печи КС с удельной производительностью 5-8 т сухого концентрата в сут­ки на 1 м² площади пода приведены в табл. 8 и на рис. 17.

Как следует из табл. 8, при обжиге цинковых кон­центратов в печи КС можно полезно использовать до 75% выделяемого тепла, в том числе около 20% в зоне кипящего слоя и более 50% из отходящих газов. В соот­ветствии с этим печи КС оборудуются как элементами для охлаждения кипящего слоя, так и для охлаждения газов по выходе их из печи.

Рис. 17. Тепловой баланс обжиговой печи КС

Таблица 8

Тепловой баланс печи КС при работе на воздушном дутье [10]

Для отвода тепла из зоны кипящего слоя применяют змеевики (рис. 18), изготовленные из жаропрочных труб диаметром 76 и 89 мм, и трубчатые кессоны (рис. 19), также сделанные из труб, но значительно большего диаметра - 209 и 273 мм. Охлаждающая поверхность од­ного змеевика достигает 4 м², трубчатого кессона — око­ло 2 м². Количество охлаждающих элементов (змееви­ков, кессонов), устанавливаемых в зоне кипящего слоя, j определяется производительностью печи, температурным режимом обжига, а также системой охлаждения. Обыч­но устанавливают 8—10 кессонов.

Рис. 18. Охлаждающие змеевики для кипящего слоя:

а - с принудительной циркуляцией; б - с естественной циркуляцией; 1 - охлаждающая поверхность; 2 - бетонная пробка; 3 - кожух пробки; 4 - нижний входной коллектор; 5 - верхний входной коллектор

Рис. 19. Трубчатый холодильник для кипящего слоя

Рис. 20. Стояки с испарительным охлаждением:

1 - трубы; 2 - свод печи КС; 3 - корпус стояка

На отечественных заводах используют как водяное, так и испарительное охлаждение кипящего слоя. При ис­парительном охлаждении, не включенном в контур кот­ла-утилизатора, давление пара не превышает 1,2 МПа. В случае, когда система испарительного охлаждения ки­пящего слоя составляет одно целое с котлом-утилизато­ром, давление пара достигает 4,2 МПа. Испарительное охлаждение более эффективное, чем водяное, так как позволяет не только отвести необходимое количество теп­ла из кипящего слоя, но и превратить его в пар, кото­рый затем используют для нужд производства. Система испарительного охлаждения одной печи может выдавать от 2 до 4 т пара в час.

Как отмечалось выше, обжиговые газы на выходе из печи имеют температуру 900-950° С. С такой темпера­турой газы не могут направляться в циклоны и тем бо­лее в электрофильтры. Поэтому непосредственно за пе­чами КС сооружают охлаждающие установки. Наиболее примитивным является охлаждение газов в вертикаль­ных газоходах (стояках) воздухом, нагнетаемым в по­лость между двумя стенками стояка вентиляторами низ­кого давления (1,2 кПа). Для очистки внутренней поверхности стояков от пыли на них устанавливают меха­нические встряхивающие механизмы. Для того чтобы охладить обжиговые газы в этих стояках-рекуператорах до 500° С, приходится сооружать их иногда диаметром 1,6 м и высотой 18 м. Однако отводимое из них тепло в виде горячего воздуха эффективно использовать не удается.

Более эффективно испарительное охлаждение стоя­ков, применяемое на заводах «Электроцинк» и Челябин­ском цинковом (рис. 20). В этом случае снаружи к стен­кам стояков приваривают разрезанные вдоль по диа­метру трубы испарительного охлаждения. Давление пара, создаваемое в системе испарительного охлажде­ния, должно быть не менее 1,0-1,2 МПа во избежание коррозии внутренних стенок стояков.

Радикальным решением проблемы утилизации тепла обжиговых газов является также применение котлов-Утилизаторов. Эти агрегаты позволяют эффективно ис­пользовать тепло, превращая его в пар давлением 4,0- 4,2 МПа, который употребляют как для технологических,

так и для теплотехнических целей, вплоть до выработки электроэнергии с помощью паровых турбин.

Котлы-утилизаторы установлены и работают на трех цинковых заводах - Лениногорском, Алмалыкском, «Укрцинке». Ниже дается описание конструкции котла утилизатора Лениногорского цинкового завода, хорошо зарекомендовавшего себя в работе в течение ряда лет На этом предприятии за печами КС установлены вертикальные котлы-утилизаторы типа УККС 6/40. Котел изготовлен из труб диаметром 32 мм с толщиной стенки 5 мм. Испарительная поверхность котла равна 80 м², па-роперегревательная 168м ². Котел может вырабатывать 8-10 т пара в час с рабочим давлением 4000 кПа. Тем­пература питательной воды составляет 100° С, темпера­тура пара 360—-400° С. Газы проходят котел со средней скоростью 7,5-8,7 м/с. При работе котла обжиговые газы поступают в него с температурой 900-950° С, а вы­ходят с температурой 450° С, что с учетом последующего охлаждения в газоходах вполне допустимо для эффек­тивной работы электрофильтров.

При подаче в печь КС 17000 м³/ч дутья потеря напо­ра в котле-утилизаторе не превышает 0,6 кПа. Котел оборудован вибраторами С-788 для очистки поверхности нагрева от осевшей пыли. Пар из котла-утилизатора с давлением 4,0 МПа поступает в главный паропровод це­ха, а затем через редукционное устройство с давлением 60 Па и температурой 180-200° С направляется в об­щую тепловую сеть завода.

При выборе способа охлаждения обжиговых газов (котлы-утилизаторы или испарительная система) следу­ет руководствоваться местными условиями. Если пред­приятию не требуется пар относительно высокого давле­ния (4,0-4,2 МПа), то предпочтительнее применять установки испарительного охлаждения как более деше­вые и не требующие высококвалифицированного персо­нала для обслуживания при эксплуатации.

Одной из причин уменьшения срока службы котлов-утилизаторов и установок испарительного охлаждения является разрушение поверхности нагрева в результате образования настылей и химической коррозии металла. В процессе обжига на поверхностях змеевиков, ширм и экранов котлов-утилизаторов, в стояках и газо­ходах образуются настыли, состоящие из сульфата цинка (до 70%), окиси цинка (до 20%), феррита и сульфида, а также сульфатов меди и железа². Сульфаты цинка и других металлов получаются при взаимодействии тонкодисперсного материала с обжиговыми газами в условиях низких температур (500-700° С), имеющих место во внутренних слоях настылей, прилегающих к металлу поверхностей охлаждения.

При попеременном понижении и повышении температуры газов часть сульфатов железа и меди разлагает­ся с образованием серного ангидрида. Кроме того, окис­лению сернистого ангидрида до серного способствует повышение концентрации кислорода в газах в результа­те подсоса воздуха. Серный ангидрид взаимодействует с парами воды и образует серную кислоту, которая при понижении точки росы разрушает металл охлаждающих элементов. Таким образом, на коррозию металлических поверхностей теплоутилизационных установок в значи­тельной мере влияет вторичное сульфатообразование, че­му в большой степени способствует обогащение дутья кислородом.