§ 3. Обжиг на дутье, обогащенном кислородом

Внедрение обжига на дутье, обогащенном кислоро­дом, на отечественных заводах подняло технический уровень гидрометаллургии цинка на новую, более высо­кую ступень. Это мероприятие позволило значительно повысить производительность печей КС, улучшить каче­ство продуктов обжига, увеличить содержание сернисто­го ангидрида в отходящих газах, полнее использовать мощности сернокислотного производства.

На первый взгляд представляется, что применение кислорода, на производство которого затрачивается зна­чительное количество электроэнергии, должно неизбеж­но привести к удорожанию себестоимости продукции за счет разницы в цене сжатого воздуха и кислорода. Это может иметь место только в том случае, если сопостав­лять обжиг на воздушном дутье и дутье, обогащенном кислородом, в отрыве от затрат на сооружение пыле­улавливающих, газоочистных сооружений и сернокислот­ных цехов, в отрыве от конкретных условий свинцово-цинковых предприятий, а также без учета возможности использования попутных компонентов воздуха (аргона и Других газов).

Главное экономическое преимущество использования кислорода заключается в его интенсифицирующем воз­действии на работу существующих установок, в возмож­ности значительно повысить мощность при небольших затратах на их реконструкцию. Поэтому те цинковые заводы, которые перевели обжиг концентратов на дутье, обогащенное кислородом, получили значительный технико-экономический эффект с относительно небольшими капитальными вложениями. Применение кислорода внес­ло также качественно новые моменты в технику и тех­нологию обжига сульфидных материалов в кипящем слое. Их следует рассмотреть более подробно. На скорость основной реакции обжига сульфидов оказывают влияние концентрация кислорода в газовой фазе и тем­пература.

МеS+ 1,5Q₂ = MeO + SO₂ (19)

При температуре 900° С и различном содержании кислорода в дутье время для достижения одной и той же степени десульфуризации значительно сокращается по мере обогащения дутья кислородом [5]. Так, десульфуризация на 90% достигается на воздушном дутье за 10 мин, при содержания кислорода в дутье 28,7% - за 6,5 мин, 33% -за 5,5 мин, 40% - за 4 мин и 58% - за 3 мин, т. с. скорость реакций окисления сульфидов возрастает в 2-3 раза.

При промышленных испытаниях обжига на дутье, обогащенном кислородом, было установлено, что удельная производительность печи КС при содержании кислорода в дутье 27% возрастает при общем количестве дутья на печь 16 тыс. м³/чс 5,92 до 8,45т/(м^г·сут), или на 42%. Выявлена также закономерность роста производитель­ности печи КС на 23% при обогащении дутья кислородом до 24% и на 37% -при обогащении до 26%.

Высокая скорость окисления сульфида цинка воздухом, обога­щенным кислородом, объясняется тем, что при одной и той же ско­рости диффузии воздуха к ядру сульфида (имеется в виду, что плотность зерна сульфида одна и та же) количество вступающего в контакт с сульфидом кислорода значительно больше, что ускоряет процесс десульфуризации. Поскольку реакция окисления сульфида является экзотермической, увеличение скорости ее протекания вызы­вает повышенное выделение тепла в единицу времени, что при по­стоянной величине теплопотерь приводит к резкому возрастанию тем­пературы в зоне кипящего слоя. Более высокая температура слоя в свою очередь способствует ускорению обжига цинкового концент­рата.

До применения кислорода предпринимались попытки форсиро­вать процесс обжига путем повышения рабочей температуры в ки­пящем слое, но большого эффекта это не дало, так как с ростом температуры обжига до 970-980° С происходило значительное укрупнение продуктов обжига. Так, в смеси огарка и циклонной пы­ли содержание фракции +0,2 мм составило 70%, а фракции - 0,2 мм около 30%, в то время как на дутье, обогащенном кисло­родом, содержание этих фракций было соответственно 20 и 80%.

В связи с тем что повышение температуры обжига с 900 до 975° С на воздушном дутье при небольшом увеличении производи­тельности печи приводило одновременно к увеличению содержания в продуктах обжига сульфидной серы (с 0,34 до 0,52%), резкому уменьшению количества водорастворимого цинка (с 2,17 до 0,87%). усилению процесса образования ферритов и силикатов, а в итоге - к снижению степени растворимости цинка с 93 до 92%, этот путь интенсификации обжига без применения кислорода не был признан эффективным.

С внедрением кислорода появилась возможность в полной мере использовать преимущества обжига при высоких температурах. В частности, удалось при обогащении дутья кислородом до 30-34% поднять максимально допустимую температуру в кипящем слое до 1000° С без существенного ухудшения, а в некоторых случаях даже с улучшением качественных показателей. При этом удельная произ­водительность печей КС возросла до 10-12 т/(м²·сут). Вместе с тем следует особо подчеркнуть, что интенсификация обжига цинковых концентратов и повышение производительности печей КС путем ис­пользования кислорода возможны лишь при условии полного отъ­ема из зоны кипящего слоя избыточного тепла, образующегося за счет ускорения реакций окисления сульфидов.

Наряду с увеличением производительности печей КС применение воздушно-кислородного дутья позволило улучшить качественные по­казатели обжига цинковых концентратов, Так, при прочих равных условиях содержание сульфидной серы в огарке, особенно в цик­лонной пыли, при работе на дутье, обогащенном кислородом до 27%, снизилось соответственно с 0,29 до 0,14% и с 0,69 до 0,28%. Немаловажное значение для экономики производства имело и повы­шение содержания сульфатной серы в продуктах обжига. В огарке оно возросло с 0,77 до 1,14%, а в циклонной пыли с 3 до 3,79%. Объясняется это тем, что равновесие реакции SO₂+0,5↔ O₂ SO₃ сдвигается вправо, в сторону образования SO₃, при увеличении кон­центрации кислорода в газовой фазе, что приводит также к сдвигу равновесия вторичной реакции ZnO + SO₃↔ZnSO₄ в сторону обра­зования сульфата цинка.

Благодаря высокой скорости окисления сульфида цинка и повы­шению содержания сернистого ангидрида в газах при воздушно-кис­лородном дутье реакции ферритообразования, несмотря на возрос­шую температуру обжига, сказываются на качестве обожженных продуктов в меньшей степени. В результате степень растворимости цинка за счет снижения содержания сульфидной серы увеличивается.

Следующим существенным отличием обжига на дутье, обога­щенном кислородом, является более высокая концентрация серни­стого ангидрида в отходящих газах. Как известно, на каждый объ­ем кислорода с воздушным дутьем в зону реакций вводится четыре объема азота, который не взаимодействует с компонентами концен­трата и остается в обжиговых газах. При обогащении дутья кисло­родом до 33% на каждый объем кислорода приходится уже толь­ко два объема азота, т. е. активная часть дутья составляет не 1/5. как это имеет место в случае применения воздуха, а 1/3 общего объема. Из реакции ZnS + 1,5 O₂=ZnO+SO₂ видно, что кислород расхо­дуется не только на окисление серы (1 объем), но и на образование окиси цинка (0,5 объема). При этом на 1,5 объема кислорода полу­чается один объем SO_2. Если для упрощения принять, что концент­рат содержит только сульфиды, подобные сульфиду цинка, то при теоретическом расходе воздуха на обжиг концентрата максимальное содержание SO₂ в отходящих газах составита при обогащении дутья кислородом до 33%т. е. в 1,5 раза выше, чем при воздушном дутье.

Практически при коэффициенте избытка воздуха 1,2-1,3 фак­тическая концентрация сернистого ангидрида в газах будет ниже на 20-30% (отн).

Вполне понятно, что с повышением содержания SO₂ в газах сокращается и их объем. Это создает большие преимущества при строительстве и эксплуатации комплекса обжиговых и сернокислотных установок, так как сокращение объема газов снижает затраты на сооружение пылеулавливающих и газоочистных устройств, повышенная концентрация сернистого ангидрида позволяет более полно использовать мощности сернокислотного цеха и повысить степей извлечения серы из обжиговых газов.

Таблица 7

Результаты обжига цинковых концентратов при различном содержании

кислорода в дутье

В отечественной практике принято обогащать дутье кислородом до 30-34%, что является оптимальной концентрацией при имею­щихся возможностях отъема тепла из зоны кипящего слоя. Повыше­ние содержания кислорода в дутье без принятия особых мер по ох­лаждению слоя не дает большого эффекта при одном и том же отво­де тепла и, кроме того, приводит к снижению степени использования кислорода. Об этом свидетельствуют опытные работы, проведенные на Усть-Каменогорском свинцово-цинковом комбинате с различным содержанием кислорода в дутье. Результаты работ приведены в табл. 7 [5].

Обобщая все сказанное выше об особенностях обжи­га с применением кислорода, можно сделать следующее заключение о преимуществах этого способа по сравне­нию с обычным воздушным дутьем:

1. Благодаря высокой скорости реакции окисления сульфидов за счет повышения концентрации кислорода в газовой фазе и увеличения температуры обжига производительность печей КС в зависимости от степени обогащения дутья возрастает на 40-70%.

2. Улучшается качество продуктов обжига по содер­жанию сульфидной серы и кислоторастворимого цинка.

3. В продуктах обжига увеличивается содержание сульфатной серы, необходимой для компенсации потерь серной кислоты в гидрометаллургическом цикле.

4. Повышается концентрация сернистого ангидрида обжиговых газах с 8-10 до 12-13% и уменьшается их объем на 20-30%.

Вместе с тем обжиг па воздушно-кислородном дутье вызывает укрупнение огарка и осложняет работу котлов-утилизаторов вследствие повышенного сульфатообразования.

Рис. 16. Схема подачи кислорода к турбовоздуходувкам:

1- турбовоздуходувка; 2 - задвижка; 3 - расходомер кислорода; 4 - внеш­ний кислородопровод.

В настоящее время в Советском Союзе освоен выпуск мощных кислородных станций, производительность ко­торых составляет десятки тысяч кубических метров кис­лорода в час. На цинковых заводах установлены кисло­родные блоки первых моделей мощностью до 12 500 м³/ч. Эти блоки производят технический кислород (95% О₂ и не более 0,1% водяных паров). На некоторых из этих блоков из воздуха попутно извлекают аргон.

Технологический процесс получения кислорода вклю­чает очистку воздуха от пыли, сжатие воздуха в ком­прессоре, глубокое охлаждение и сжижение его с после­дующим разделением в ректификационных колоннах на азот и кислород. На производство 1 м³ технического кислорода в зависимости от мощности станции расходу­ется от 0,5 до 0,8 кВт·ч электроэнергии.

При проектировании и строительстве кислородных станций особое внимание уделяется защите блоков разделения воздуха от ацетилена, находящегося в атмо­сфере предприятия. При попадании ацетилена в жидкий воздух и особенно в жидкий кислород он образуем взрывчатую смесь и может при накоплении в воздухоразделительном оборудовании вызвать взрывы.

Кислород для обогащения воздушного дутья печей КС подводится от внешней сети непосредственно к всасывающим трубопроводам, расположенным после каме­ры фильтров, к каждому из нагнетателей воздуха. Схема подвода кислорода показана на рис. 16.