Металлургия меди, никеля и кобальта (стр. 4 )

Если парциальное давление SO3 в печи будет больше упругости диссоциации сульфата металла, т. е. P > P, то будет происходить образование сульфатов (сульфатизирующий обжиг).

Если парциальное давление SO3 в печи будет меньше упругости диссоциации сульфата металла, т. е. P < P, то будет происходить образование оксидов (окислительный обжиг).

Таким образом, сульфатизирующий обжиг требует более высоких концентраций сернистых газов в печной атмосфере. Температура процесса обжига должна быть ограничена до 600-700оС, чтобы предотвратить диссоциацию сульфатов. Оба эти условия легко обеспечиваются при проведении процесса обжига в печах кипящего слоя, где автоматически можно регулировать температурный режим и надлежащий состав газов. Как сульфатизирующий, так и окислительный обжиг требуют хорошего контакта печных газов с обжигаемым материалом. Это также наилучшим образом достигается в печах кипящего слоя.

Реакции окисления сульфидов кислородом воздуха являются экзотермическими гетерогенными процессами. Они протекают на границе раздела твёрдой и газообразных фаз через ряд последовательных стадий. Режим таких реакций определяется условиями подвода и отвода тепла. Поэтому в этих процессах исключительную роль играют процессы диффузии и теплопередачи. Постоянная температура в условиях обжига может установиться при условии равенства скорости подвода и отвода тепла. Она зависит от соотношения между скоростью реакции и интенсивностью теплоотвода. Скорость гетерогенных процессов не может возрастать неограниченно с ростом температуры. Она определяется истинной скоростью реакции на поверхности твёрдой фазы и скоростью подвода реагирующих веществ к реакционной поверхности за счёт молекулярной и конвективной диффузии. В области низких температур реакция находится в кинетической области, когда наиболее медленной стадией является сама химическая реакция. В этой области скорость процесса будет сильно зависеть от температуры. Скорость реакции в этом случае описывается уравнением Аррениуса:

кин = A·e (1.19)

где Е - энергия активации химической реакции, Дж/моль;

А - постоянная, независящая от температуры.

При повышении температуры реакция может перейти в диффузионную область, когда наиболее медленной стадией становится стадия подвода реагирующих веществ к реакционной поверхности или отвода газообразных продуктов реакции от реакционной поверхности (диффузионная стадия). Скорость реакции в этом случае мало зависит от температуры. Если лимитирующей стадией является внутренняя диффузия, то скорость реакции будет описываться закономерностями внутренней диффузии:

= = (1.20)

где А - постоянная

- толщина пленки твёрдых продуктов реакции;

t - время.

Если наиболее медленной стадией является внешняя диффузия, то скорость реакции будет описываться законом Фика для молекулярной диффузии, поскольку в непосредственной близи от твёрдой поверхности всегда имеется неподвижный слой, в котором массоперенос осуществляется за счёт молекулярной диффузии:

= DS (1.21)

где D - коэффициент диффузии, см2/с;

S - площадь твёрдой поверхности, см2;

- градиент концентрации, г/см4.

Исследования кинетики окисления сульфидов показывают, что при окислительном обжиге в кипящем слое, когда материал сразу же поступает в зону высоких температур, процесс быстро переходит в диффузионную область.

При сульфатизирующем обжиге, поскольку он протекает при более низких температурах, чем окислительный обжиг, имеет место переходная область, в которой превалирует диффузионный режим.

1.3.2 Теоретические основы обжига в кипящем слое

Основным способом обжига медных концентратов в настоящее время является обжиг в кипящем слое (КС). Широко распространённый в недавнем прошлом обжиг в механических многоподовых печах фактически потерял своё промышленное значение.

Сущность обжига в КС заключается в том, что через слой сульфидного концентрата продувается восходящий поток воздуха или обогащённого кислородом дутья с такой скоростью, при которой все зёрна загружаемого в печь материала приходят в непрерывное возвратно - поступательное движение, похожее на кипящую жидкость, что и послужило основанием для названия данного процесса кипящим слоем. При окислительном обжиге в кипящем слое шихты протекают следующие основные химические реакции:

2FeS + 3,5O2 = Fe2O3 + 2 SO2 (1.22)

2FeS2 + 5,5O2 = Fe2O3 +4SO2 (1.23)

3FeS +5O2 = Fe3O4 + 3SO2 (1.24)

2CuFeS2 + 6O2 = Fe2O3 + Cu2O + 4SO2 (1.25)

При обжиге возможно также окисление сульфидов меди по реакции

Cu2S + 1,5O2 = Cu2O + SO2 (1.26)

Однако вследствие большого сродства меди к сере она вновь превращается в сульфид по обменной реакции

Cu2O + FeS = Cu2S + FeO (1.27)

Продуктами окислительного обжига медных концентратов являются огарок, газы и пыль.

Минералогический состав огарка резко отличается от минералогического состава исходного концентрата. В нём наряду с сульфидами присутствуют оксиды металлов и практически полностью отсутствуют высшие сульфиды. Основными химическими соединениями огарка являются Cu2S, FeS, ZnS, Fe2O3, Fe3O4, FeO, ZnO, CaO, SiO2, Al2O3. Возможно также образование небольших количеств сульфатов меди, железа и цинка.

Механизм образования кипящего слоя сводится к следующему. Если через сыпучий материал продувать снизу газ, то слой сначала будет разрыхляться, а при определённой скорости газа приобретает основные свойства жидкости: подвижность, текучесть, способность принимать форму и объём сосуда. Такое состояние сыпучего материала называется псевдожидким или псевдосжиженным. Такое состояние наступает при определенной скорости газового потока wmin, при которой подъёмная сила газового потока равна общей массе твёрдого материала.

При дальнейшем увеличении расхода дутья до второй критической скорости wmax объём (высота) сохраняет относительно постоянное значение. Режимы дутья от wmin до wmax отвечает области псевдосжижения. В этих условиях частицы обжигаемого материала поднимаются струйками газового потока на некоторую высоту, а затем, витая, падают в пределах кипящего слоя.

При повышении скорости дутья выше wmax объём сыпучего материала начинает резко увеличиваться. Шихта принимает взвешенное состояние, что сопровождается интенсивным выносом из печи обжигаемых частиц.

В реальных условиях крупность присутствующих в слое частиц заметно различается. В результате этого наиболее мелкие частицы будут выноситься из печи газовым потоком, а наиболее крупные частицы оседать в нижней части кипящего слоя. При обычных режимах обжига в кипящем слое вынос пыли составляет 20 - 30% от массы исходной шихты.

Для обжига медных концентратов в кипящем слое применяют печи с круглым, овальным и прямоугольным сечением.

Независимо от конструкции любая печь имеет ряд обязательных узлов: вертикальную шахту со сводом, подину с соплами, загрузочное окно с форкамерой, разгрузочное устройство и газоход. Принципиальная схема устройства печи КС приведена на рисунке 1.2.

Рабочая камера выполнена в виде металлического кожуха, футерованного изнутри шамотным кирпичом и покрытого снаружи изоляционным материалом. Свод печи изготовлен также из огнеупорного кирпича.

Под печи выполняется из бетона с отверстиями для установки воздухораспределительных сопел колпачкового типа. Сопла располагаются равномерно по всей площади пода в шахматном порядке. Расстояние между ними колеблется в пределах 200-300мм. Число сопел на 1м2 колеблется от 30 до 50 штук.

1- бункер для шихты, 2 -, 3- газоход - стояк, 4 – кожух печи, 5-кипящий слой,

6 - воздушный коллектор, 7 - питатель шихты 8 - газоход - стояк,

9 - пылеулавливающий циклон, 10 – загрузочное устройство

Рисунок 1.2 - Схема устройства печи для обжига в кипящем слое.

Шихта обжига состоит из концентратов, флюсов и оборотов, смешение которых осуществляется в шихтарнике. Как правило, к шихте подмешивают до 25% кварца и 5% известняка. Средний состав шихты колеблется в пределах, %: 13-15 Сu; 30-31 Fe; 25-30 S; 4-5 Al2O3; 17-18 SiO2; 8-15 влаги. Готовую шихту перед обжигом подсушивают в сушильных барабанах до влажности 5 – 6%.

Загрузка шихты осуществляется в форкамеру. Подина под форкамерой имеет повышенную плотность распределения сопел. Огарок разгружают через сливной порог, высота которого определяет уровень кипящего слоя.

Обжиг медных концентратов в кипящем слое производится при температуре 870-890оС. При окислительном обжиге сульфидных материалов выделяется большое количество тепла. В результате температура в слое может повыситься до недопустимых значений. Для отвода избыточной теплоты в печь кипящего слоя вводят холодильники трубчатого типа или холодильники - змеевики.

Поскольку вынос пыли из печи высок, то после печи устанавливается мощная система очистки газа от пыли. Газы проходят трёхстадийную очистку в циклоне диаметром 2,7 м, в двух парaллельных группах циклонов диаметром 900 мм, и в трубчатом электрофильтре. В отходящих из печи и очищенных от пыли газах содержится 13-15% SO2. Очищенный от пыли газ направляется на производство серной кислоты. Уловленную пыль объединяют с огарком и направляют в плавку на штейн.