Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию РФ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Санкт- Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова

(технический университет)

Допускается к защите в ГАК

Кафедра автоматизации технологических процессов и производств

Зав. Кафедрой АТПП

проф. И.Н. Белоглазов

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

Тема: "Автоматизация печи кипящего слоя для обжига цинкового концентрата в печи кипящего слоя производительностью 100 тыс. тонн/год по готовому продукту"

Автор: студент гр. АПМ-02 Руссович К.А./

Руководитель проекта: профессор Шариков Ю.В./

Санкт-Петербург 2007

Аннотация

В представленном дипломном проекте спроектирован участок обжига цинкового концентрата в печах кипящего слоя, производительностью 100 тыс.т/год с комплексом природоохранных мероприятий.

В технологической части проекта рассмотрены основные положения работы печей КС, описана технология обжига, конструкция печи и основные технологические операции. Произведён расчёт материального баланса процесса обжига цинкового концентрата. Рассчитан тепловой баланс процесса и газоходная система для отвода печных газов.

В главе «Структура системы автоматического управления процессом обжига» определены функции, назначение комплекса технических средств АСУТП. Рассмотрены методы контроля, а также информационное, алгоритмическое и метрологическое обеспечение процесса обжига.

В специальной части произведен анализ печи КС как объекта управления. Разработана система стабилизации температурного режима процесса обжига; произведен выбор и настройка параметров регулятора температуры кипящего слоя.

Инженерно-экологическая часть содержит описание района расположения предприятия и его природно-климатических условий. Произведен расчет предельно допустимых выбросов SO₂, приведено краткое описание сернокислотного производства.

В разделе «Безопасность жизнедеятельности» и электротехнической части описаны техника безопасности и санитарные нормы производства, а также произведен расчет искусственного освещения; произведен расчет электронагрузок, выбран тип, мощность и количество цеховых трансформаторных и главных подстанций.

В главе "Экономика производства" рассмотрены экономические и технологические факторы, влияющие на уровень стабильной работы оборудования обжига цинковых концентратов. В качестве организационно-технических мероприятий в данной работе рассматривается применение дутья, обогащенного кислородом.

Summary

The designing of kiln department of zinc concentrate in fluid-bed furnaces with the production 100 thousand ton per year and with the special complex of protection of the environment has been made in this final project.

The basic rules of work of fluid-bed furnaces, kilning technology, design of the furnace and basic technological operations have been described in the technological part of the project. The accounts of material balance of kiln process of a zinc concentrate and the thermal balance of the process with ductwork for bypass vent of furnace gas have been made.

The functions and purposes of the management package of automatic process control system are given in the chapter “Structure of the system of automatic kilning control”. Testing methods, information, algorithmic support and measurement assurance of kilning has been made.

In the special part of the project the examination of the fluid-bed furnaces as controlled member has been made. The stabilization system of temperature conditions of kilning process and selection with settings adjustment of temperature control of fluidized bed are developed in the same part.

The description of the area of location of the enterprise and its nature climatic conditions, the account of maximum permissible value of hydrocarbon deposits and the brief description of the vitriol plant have been given in the ecological part of the project.

The set of questions of manufacturing safety and safeguards at work of the staff; the calculations of lighting and the electric energy demand have been made in the part “environmental and safety”.

In the final part of the project the calculation of the economic parameters of working the designing kiln department has been given.

The economic and technology factors have an effect on the level of steady operation of kilning equipment of zinc concentrate are considered in the part “Economy of manufacture”. Applying of an air blasting of enriched oxygen is given in this paper as an administrative and technical measure.

Содержание

• Введение
• 1. Технологическая часть
• 1.1 Технология обжига
• 1.1 Физико-химические основы процесса обжига
• 1.1.2 Кинетика процесса
• 1.1.3 Принцип обжига
• 1.1.4 Конструкция печи кипящего слоя
• 1.1.5 Подготовка шихты
• 1.2 Материальный баланс
• 1.2.1 Расчет минералогического состава цинкового концентрата
• 1.2.2 Расчет рационального состава огарка и пыли
• 1.2.3 Расчет воздуха и газов
• 1.3 Расчет печи
• 1.4 Схема цепи аппаратов обжигового цеха
• 1.5 Тепловой баланс обжига
• 1.6 Расчет газоходной системы
• 2. Структура системы автоматического управления процессом обжига
• 2.1 Технологические требования к системе управления печью обжига
• 2.2 Современное состояние автоматизации участка обжига
• 2.3 Назначение и функциональная структура АСУТП обжига
• 2.4 Характеристика комплекса технических средств (КТС) АСУТП
• 2.4.1 Структура ктс АСУ ТП
• 2.4.2 Назначение и функции КТС
• 2.4.3 Методы контроля и метрологическое обеспечение
• 2.5 Информационное обеспечение АСУТП
• 2.5.1 База данных АСУ ТП
• 2.5.2 Перечень документов, мнемосхем и файлов промежуточной информации
• 2.6 Математическое обеспечение АСУТП обжига
• 2.7 Алгоритмическое обеспечение
• 2.7.2 Алгоритм управления для оптимизационных задач асутп и особенности их реализации
• 3. Спецчасть. Синтез и исследование системы управления температурой слоя
• 3.1 Постановка задачи моделирования
• 3.2 Расчет номинального режима работы печи по материальным потокам
• 3.3 Постановка задачи управления
• 3.4 Математическая модель объекта управления
• 3.5 Синтез регулятора температуры
• 4. Охрана окружающей среды
• 4.1 Климатическая характеристика территории
• 4.2 Характеристика пылегазовых выбросов
• 4.3 Определение нормативов ПДВ
• 4.4 Сернокислотное производство
• 5. Электротехническая часть
• 6. Безопасность жизнедеятельности
• 6.1 Охрана труда
• 6.1.1 Анализ вредных и опасных факторов производства
• 6.1.2 Статистика травматизма и профессиональных заболеваний
• 6.1.3 Техника безопасности
• 6.1.4 Промсанитария. Нормы для данного производства
• 6.1.5 Расчет искусственного освещения при использовании светильников с лампами накаливания
• 6.1.6 Пожарная безопасность
• 6.2 Безопасность жизнедеятельности при чрезвычайных ситуациях
• 6.2.1 Анализ потенциально-возможных чрезвычайных ситуаций
• 6.2.2 План предупреждения и ликвидации чрезвычайной ситуации
• 7. Экономика производства
• 7.1 Организация производства
• 7.1.1 Организация труда
• 7.1.2 Организация заработоной платы и управление производством
• 7.1.3 Организационно-технические мероприятия
• 7.2 Расчет технико-экономических показателей проектируемого участка
• 7.2.1 Расчет численности трудящихся, занятых на проектируемом участке
• 7.2.2 Расчет стоимости основных фондов и амортизационных отчислений
• 7.2.3 Расчет затрат по проектируемому отделению
• 7.2.4 Калькуляция себестоимости продукции
• 7.3 Расчет экономической эффективности
• Библиографический список
• Приложения

Введение

Исследования по применению кипящего слоя в цветной металлургии были начаты в 1946 г. в Гинцветмете под руководством Г. Я. Лейзеровича, а первая полупромышленная печь КС для обжига цинковых концентратов по проекту Гинцветмета была сооружена на заводе «Электроцинк» в 1951г. Исследования, проведенные на этой печи, выявили огромные преимущества процесса обжига в печах КС по сравнению с обжигом в механических многоподовых печах и положили начало их широкому внедрению в отечественной цинковой промышленности.

Главная цель обжига концентрата - быстрей, полней и с наименьшими затратами превратить сульфидный цинк в оксидный, из которого цинк рациональней восстанавливать. При этом огарок надо получить в таком состоянии, чтобы он был наиболее благоприятен для осуществления последующих стадий технологии, и, в конечном счете, обеспечил высокие технико-экономические показатели производства в целом. Кроме того, желательно полнее утилизировать образующийся при обжиге и выделяющееся тепло.

Значение автоматизации в металлургическом производстве и, особенно, при производстве цветных металлов не ограничивается задачей сокращения обслуживающего персонала. Она, как правило, обеспечивает дальнейшую интенсификацию процессов, снижение расхода сырья и энергии, повышение выхода годного продукта и улучшение качества продукции, что, в конечном счете, ведет к снижению себестоимости производимых металлов.

Важным направлением повышения эффективности процесса обжига цинковых концентратов, в печах КС является совершенствование способов управления на основе его автоматизации. При этом результативность автоматизации в значительной мере определяется возможностью своевременного получения информации от объекта в реальном времени.

В данном проекте рассматривается печь кипящего слоя обжига высотой 7,2 м, площадью пода 40,77 м² и диаметром 7,2м.

Целью данной работы является создание оптимальной системы управления процессом, которая обеспечивала бы при соблюдении технологического регламента высокую точность управления, повышение надежности технических средств, а также получение огарка высокого качества при заданной производительности и минимальных затратах.

Один из главных контролируемых и регулируемых параметров процесса - температура.

Чрезмерное повышение температуры процесса может привести к оплавлению материала и аварийной остановкой печи. Поэтому весьма важно непрерывно и точно контролировать температуру.

В данной работе разрабатывается система стабилизации температуры в рабочем пространстве печи, которая должна поддерживать температуру на заданных оптимальных значениях, а в случае ее отклонения - выводить на заданное значение за кротчайшие сроки (минимум времени регулирования). [1]

1. Технологическая часть

1.1 Технология обжига

1.1.1 Физико-химические основы процесса обжига

Происходящие при обжиге цинковых концентратов процессы представляют собой сложные гетерогенные взаимодействия различных сульфидов сырья с кислородом воздуха, а также с твердыми и газообразными продуктами обжига.

От температуры начала заметного окисления сфалерита и до 900єС первичным твердым продуктом окисления является ZnO:

, (1.1.)

Однако при больших температурах обнаруживается возгонка материала при обжиге ZnS. Причем чем интенсивней окисление ZnS за счет повышения t и , тем больше дебаланс между убылью количества ZnS и прибылью количества ZnO в обжигаемых образцах. Это обусловлено протеканием окисления по реакции:

, (1.2.)

Далее пары цинка окисляются. Реакция (1.2.) является суммарной и включает диссоциацию ZnS на Zn и .

Изоморфное железо при окислении (Zn, Fe)S сразу образует и полностью связывается с цинком в феррит.

В окалине на зернах сфалерита сульфатная сера обнаруживается во внешней части, удаленной от поверхности сульфидного ядра. Это свидетельствует об образовании сульфатов цинка в результате взаимодействия ZnO с (вторичные сульфаты). При этом образуется или , или . На воздухе в изотермических условиях устойчив до 670, а - до 760. При наличии в газовой фазе эти сульфаты не диссоциируют и при более высоких температурах. Сульфатизации подвержен не только оксид цинка, но и феррит цинка, т.е. сульфатизация цинка снижает его ферритизацию. Таким образом, вторичные сульфаты цинка в зависимости от температуры и образуются по реакциям:

При повышении температуры обжига степень сульфатизации ZnO и изменяется, проходя через максимум. Температура максимума сульфатизации зависит от концентрации в газовой фазе, а значит, от концентрации и .

Ферритизация цинка возможна и в результате взаимодействия ZnO и , образовавшимся от окисления отдельных зерен сульфидов железа. Степень протекания тонкой ферритизации зависит от условий обжига: повышение температуры при обжиге и наличие сростков зерен ZnS и способствуют ферритизации цинка [2].

Силикаты цинка образуются при обжиге концентрата в результате взаимодействия кремнийсодержащих нерудных минералов с окислами тяжелых металлов, получаемых при окислении сульфидов. При обжиге образуются:

· ортосиликат цинка (), образованию которого сильно способствует наличие соединений свинца;

· простые силикаты свинца;

· двойной силикат цинка и свинца;

· сложные силикаты цинка и свинца с компонентами нерудных минералов.

Степень образования силикатов резко увеличивается с повышением температуры и уменьшением крупности реагирующих веществ, а также с увеличением продолжительности их взаимодействия.

Свинец, присутствующий в концентрате, вредно действует на качество продуктов обжига, образуя легкорастворимые силикаты, которые оплавляют частицы огарка. В процессе обжига образуется также сульфат свинца и другие соединения.

1.1.2 Кинетика процесса

Данные о кинетике окисления сульфидных цинковых концентратов, необходимы для правильного расчета печей. Они должны учитываться при осуществлении обжига в кипящем слое. Кинетические закономерности процесса взаимодействия газа с твердым веществом определяются кристаллохимическими превращениями и диффузией газа между реакционной поверхностью и внешней газовой средой, а также условиями теплообмена. обжиг цинковый технологический минералогический

Проход газов через твердое тело подчиняется закону диффузии и определяется вторым законом Фика:

, (1.6.)

где С - концентрация газов;

- время реагирования;

D - коэффициент диффузии;

Х - путь газов.

В зависимости от сочетания диффузионного процесса и химического взаимодействия реагирующих веществ возможен тот или иной режим протекания реакции. При малой скорости химической реакции по сравнению со скоростью диффузии ход процесса определяется законами химической кинетики. Если процесс лимитируется проходом газов, то наблюдаемая скорость реакции определяется скоростью диффузии. Если скорость химической реакции и диффузии газа соизмеримы, то процесс приобретает промежуточный характер, на него оказывают влияние и кинетические и диффузионные факторы. При малых скоростях газового потока скорость процесса может тормозиться внешней диффузией. Последняя обусловлена тем, что вокруг зерна материала образуется слой, обогащенный газообразными продуктами реакции.

Характеристикой граничного условия перехода из кинетической области в диффузионную служит температура воспламенения сульфидов . В ряду сульфидов, наиболее типичных для цинкового концентрата, возрастает в последовательности СuFeS₂, FeS, PbS, ZnS. В атмосфере О₂ при скоростях нагрева 30/мин увеличение крупности фракций от (-30 +10) до (-500 +200) мкм повышает следующим образом: для ZnS от 625 до 680; для PbS от 545 до 607; для FeS от 375 до 480; для СuFeS₂ от 330 до 420. Для сфалерита (Zn, Fe)S величина растет с увеличением содержания изоморфного железа: 500, 507, 520 и 545 соответственно при его содержании 2; 4; 6 и 8%.

Поскольку окисление сульфидов протекает в далеких от равновесия условиях и поэтому необратимо, то скорость процесса равна скорости прямой реакции в кинетической области или скорости диффузии О₂ в диффузионной области.

Степень вторичного сульфатообразования в процессе обжига МеS имеет максимум при изменении температуры. Это обусловлено тем, что повышение температуры, с одной стороны, ускоряет реакцию МеО + SО₃ = МеSО₄, а с другой стороны, снижает долю SО₃ в газовой фазе из-за сдвига влево равновесия реакции 2 SО₂ + О₂ = 2 SО₃. Чем выше термическая стойкость сульфатов и выше концентрация оксидов серы в газовой фазе, тем больше температура максимума сульфатизации при обжиге и выше степень сульфатизации.

Кинетически термическую стойкость сульфатов можно характеризовать температурой начала заметного разложения , которая зависит от ряда условий. Величины для технологически важных компонентов цинковых концентратов образуют следующий ряд, : Fe₂(SО₄)₃ 530; СuSО₄ 620; ZnSО₄ 670; СuО 720; 760; CdSО₄ 840; PbSО₄ 860.

В зависимости от условий обжига цинковых концентратов и содержания в газовой фазе SО₂ и О₂ температура, соответствующая максимуму сульфатизации цинка, лежит в пределах 750 - 850. [2]

1.1.3 Принцип обжига

Слой шихты, пронизываемый восходящим потоком воздуха, может находиться в двух качественно различных стационарных состояниях: спокойном и псевдоожиженном. При скорости газового потока ниже некоторой критической величины зерна в слое неподвижны, объем межзеренного пространства постоянен. При < рост сопровождается пропорциональным увеличением давления дутья. При достижении = давление дутья становится равным давлению спокойного слоя шихты на подину. Зерна в слое теряют контакт, слой расширяется, переходит в псевдоожиженное состояние и напоминает кипящую жидкость. При дальнейшем росте слой начинает расширяться и интенсивность движения зерен увеличивается при практически постоянном давлении дутья до тех пор, когда станет больше второй критической величины , при которой давление дутья начинает быть существенно больше давления спокойного слоя на подину. При > зерна выносятся из слоя. Скорость называется скоростью начала псевдоожижения, а - скоростью начала уноса.

Непосредственно после перехода в псевдоожиженное состояние слой сохраняет однородность и спокойную поверхность. С ростом расширение слоя вызывает образование газовых пузырей (нарушается однородность), повышается интенсивность перемешивания зерен и появляются колебания поверхности слоя и всплески. Если спокойный слой шихты слишком высок по отношению к диаметру печи, то восходящие пузырьки в КС сливаются и укрупняются. В пределе это может привести к образованию воздушных пробок по 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.

1.1.4 Конструкция печи кипящего слоя

Печи для обжига в кипящем слое состоят из цилиндрической и прямоугольной обжиговой камеры, специального пода, через который подается воздушное дутье, устройств для загрузки и выгрузки материалов и газоотводящей системы. Если обжиг протекает с большим тепловыделением, то на уровне кипящего слоя в нижней части печи устанавливают водяные или воздушные теплообменники для отбора избыточного тепла (кессоны, змеевики и т. д.). Обжиговая камера состоит из железного кожуха, футерованного изнутри слоем шамотного кирпича, или из огнеупорного бетона толщиной 200-300 мм. В некоторых печах между кожухом и огнеупорным слоем располагается слой теплоизоляции 10-50 мм. Иногда обжиговую камеру делят на несколько смежных камер вертикальными или горизонтальными перегородками. В этом случае материал последовательно проходит обжиг в кипящем слое в каждой камере, перемещаясь самотеком из камеры в камеры через перегрузочные трубы или отверстия. Разделение процесса обжига на несколько камер дает возможность поддерживать в них различную температуру. В некоторых печах камера в верхней части расширена для успокоения газовоздушной смеси.

Наиболее важная деталь печи - специальный под, через который подается воздух или газы, поддерживающие материал в состоянии кипящего слоя. Конструкцию пода делают такой, чтобы воздух или газ равномерно распределялся по горизонтальному сечению камеры и обжигаемый материал не просыпался через отверстия пода в воздушную камеру. В соответствии с этими требованиями имеется несколько вариантов конструкции пода. Наиболее распространена беспровальная решетка, представляющая собой плиту из огнеупорного бетона или жаропрочного чугуна с большим числом отверстий, защищенных от попадания в них материала грибообразными соплами. Для обеспечения более ровной и устойчивой работы печей целесообразно подводить воздух к подине через воздушную коробку, разделенную на отдельные секции с самостоятельным воздушным питанием.

Материалы загружают в печь через боковую стенку или свод из бункера с помощью ленточного, шнекового, тарельчатого или лопастного питателя. Иногда материал подается в печь в виде пульпы с помощью насоса и сливной трубы. Обожженный материал удаляется из печи самотеком через разгрузочные трубы и отверстия, находящиеся на уровне кипящего слоя. Газы, содержащие большое количество пыли, представляющей собой обожженный материал, отводятся через газоходные отверстия в боковых стенках или своде в пылеулавливающие и теплоиспользующие устройства.

Рис. 1. Печь кипящего слоя для обжига цинковых концентратов: 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.

1.1.5 Подготовка шихты

На цинковых заводах, как правило, перерабатывают смесь концентратов нескольких обогатительных фабрик, часто значительно отличающихся по химическому составу. При применении обжига негранулированных концентратов подготовка шихты заключается в следующем. Концентраты разных месторождений и оборотные материалы шихтуют послойно на бетонированной площадке и два-три раза перемешивают с помощью грейферного крана. Как показывает периодический анализ химического состава шихты, после такого перемешивания и внутрицеховой транспортировки достигается удовлетворительное усреднение смеси.

При составлении шихты, т.е. определении соотношения концентратов, принимают во внимание содержание в каждом из них полезных компонентов как основных (цинк, сера), так и сопутствующих (кадмий, золото, серебро, редкие металлы и т.д.), наличие вредных примесей (железо, кремнезем), гранулометрический состав и стоимость каждого компонента.

Цинковые концентраты хорошо транспортируются и не зависают в бункерах при влажности 10-11%. При большей влажности, особенно в осенне-зимний период, проводят подсушку шихты во вращающихся барабанных печах с форсуночным или топочным отоплением до остаточной влажности 6-8%. Однако с введением сушки концентратов на обогатительных фабриках эту операцию непосредственно на цинковых заводах проводят все реже.

При хранении, транспортировке и перегрузках влажных цинковых концентратов наблюдается слипание частиц с образованием комков разной формы и размеров. Подсохшие комки при обжиге не разрушаются и могут накапливаться на подине, поэтому для измельчения шихты используют дисковые дробилки.

Загрузку шихты производят из бункеров, обеспечивающих 12-24 ч работу, тарельчатыми или чаще шнековыми питателями. Последние позволяют более точно и равномерно дозировать шихту и поэтому их используют в схемах автоматической стабилизации температуры обжига.

Процесс обжига цинковых концентратов в печах КС на воздушном дутье проводят при следующих параметрах: температура кипящего слоя 900-1000С; расход воздуха 300-480, или около 2000 м на 1т шихты, при этом вертикальная скорость газового потока в слое составляет 10,0-13,0 см/с; избыток воздуха против теоретически необходимого для обжига 20-30% (т.е. коэффициент избытка воздуха равен 1,2-1,3); давление воздуха под подиной при высоте кипящего слоя 1 м 1500-1600 мм. вод. ст.; удельная производительность по сухой шихте 4-7 т/(м²*сут); пылевынос 30-70% от загрузки, т.е. количество пыли составляет 30-70% от твердых продуктов обжига. [2]

1.2 Материальный баланс

1.2.1 Расчет минералогического состава цинкового концентрата

Состав сухого концентрата, %: 50,0 Zn; 1,5 Pb; 1,0 Cu; 0,3 Cd; 8,0 Fe; 32,0 S; 2,8 SiO₂; 3,0 Al₂O₃; 1,4 прочих. Влажность концентрата 6%, что дает 6 кг воды на 100 кг сухого концентрата.

Металлы в цинковых концентратах находятся в виде следующих соединений:

· цинк - в сфалерите ZnS;

· свинец - в галените PbS;

· медь - в халькопирите СuFeS₂;

· кадмий - в сернистом кадмии CdS;

· железо - в пирите FeS₂ и FeS.

С учетом этих данных был произведен расчет минералогического состава на 100 кг сухого концентрата (приложение 1)

По результатам расчета составляем таблицу минералогического состава концентрата (табл. 1.1).

Таблица 1.1 Минералогический состав цинкового концентрата

Соединения	Zn	Pb	Cu	Cd	Fe	S	SiO2	Al2O3	Прочие	Итого,кг
ZnS	50,00	-	-	-	-	24,50	-	-	-	74,50
PbS	-	1,50	-	-	-	0,23	-	-	-	1,73
CuFeS2	-	-	1,00	-	0,88	1,00	-	-	-	2,88
CdS	-	-	-	0,30	-	0,08	-	-	-	0,38
FeS2	-	-	-	-	3,06	3,51	-	-	-	6,57
Fe7S8	-	-	-	-	4,06	2,68	-	-	-	6,74
SiO2	-	-	-	-	-	-	2,80	-	-	2,80
Al2O3	-	-	-	-	-	-	-	3,00	-	3,00
Прочие	-	-	-	-	-	-	-	-	1,40	1,40
Итого,%	50,00	1,50	1,00	0,30	8,00	32,00	2,80	3,00	1,40	100,00

1.2.2 Расчет рационального состава огарка и пыли

При приближенных расчетах, поскольку пыль при обжиге в кипящем слое обычно является конечным продуктом, можно принять составы огарка и пыли одинаковыми. Однако заводская практика показывает, что составы огарка и пыли несколько отличаются один от другого по содержанию в них серы. Разница в содержании остальных элементов при существующих условиях обжига цинковых концентратов в кипящем слое - способе загрузки, температуре процесса и др. - незначительна.

В данном расчете, за исключением серы, распределение всех элементов исходного концентрата в огарок и пыль принимается по данным заводской практики равным 3:2, т.е. 60% -- в огарок и 40% - в пыль. [3]

В огарке и пыли металлы находятся в виде следующих соединений:

· цинк - в виде окисла ZnO, сульфата ZnSO₄ и сульфида ZnS, причем вся сульфидная сера связана с цинком как с наиболее плотным и трудноокисляющимся сульфидом;

· свинец и кадмий - 50% в виде окислов PbO и CdO; 50% - в виде сульфатов PbSO₄ и CdSO₄;

· медь и железо - в виде окислов Cu₂O и Fe₂O_3.

Расчет состава огарка и пыли произведен алгебраическим методом (приложение 2)

В таблицах 1.2 и 1.3 приведены результаты расчетов рационального и химического составов огарка и пыли.

Таблица 1.2. Рациональный и химический состав огарка, кг

Соединения	Zn	Pb	Cu	Cd	Fe			O2	SiO2	Al2O3	Прочие	Всего
ZnO	28,710							7,062				35,772
ZnSO4	0,865					0,423		0,847				2,135
ZnS	0,425						0,207					0,675
PbO		0,450						0,036				0,486
PbSO4		0,450				0,070		0,140				0,660
CdO				0,090				0,012				0,102
CdSO4				0,090		0,026		0,052				0,168
CuO			0,600					0,075				0,675
Fe2O3					4,800			2,070				6,870
SiO2									1,680			1,680
Al2O3										1,800		1,800
Прочие											0,840	0,840
Итого,кг	30,000	0,900	0,600	0,180	4,800	0,519	0,207	10,294	1,680	1,800	0,840	51,820
Итого,%	57,900	1,730	1,160	0,350	9,260	1,000	0,400	19,850	3,240	3,480	1,630	100,000

Таблица 1.3. Рациональный и химический состав пыли, кг

Соединения	Zn	Pb	Cu	Cd	Fe			O2	SiO2	Al2O3	Прочие	Всего
ZnO	17,529							4,306				21,835
ZnSO4	2,099					1,026		2,052				5,177
ZnS	0,372						0,182					0,554
PbO		0,300						0,024				0,324
PbSO4		0,300				0,047		0,093				0,440
CdO				0,060				0,008				0,068
CdSO4				0,060		0,017		0,035				0,112
CuO			0,400					0,050				0,450
Fe2O3					3,200			1,380				4,580
SiO2									1,120			1,120
Al2O3										1,200		1,200
Прочие											0,560	0,560
Итого, кг	20,000	0,600	0,400	0,120	3,200	1,090	0,182	7,948	1,120	1,200	0,560	36,420
Итого,%	54,980	1,650	1,100	0,330	8,800	3,000	0,500	21,820	3,080	3,290	1,550	100

На основании приведенных данных определим степень десульфуризации при обжиге цинкового концентрата в кипящем слое по формуле:

,

где - количество серы в исходном концентрате, кг;

- количество серы в продуктах обжига, кг.

%

1.2.3 Расчет воздуха и газов

Воздух при обжиге в кипящем слое выполняет двоякую роль: во-первых, он является химическим реагентом-окислителем материалов, во-вторых, воздух, проходящий через слой материала, создает состояние его «кипения». Поэтому расчет количества воздуха, необходимого для осуществления процесса, должен учитывать оба указанных момента. В данном разделе производится определение теоретического и практического количества воздуха и образующихся газов по данным предыдущих технологических расчетов. [3]

При обжиге из 100 кг сухого цинкового концентрата удаляется 30,002 кг серы (см. табл. 1.1, 1.2 и 1.3), на окисление которой до сернистого ангидрида требуется такое же весовое количество кислорода. Содержание серного ангидрида в газах при обжиге в кипящем слое цинковых концентратов обычно весьма мало и в данном расчете им пренебрегают. На окисление сульфидов до окислов и сульфатов требуется еще 18,242 кг O₂ (табл. 1.2. и 1.3.). Всего на 100 кг сухого концентрата требуется кислорода:

48,244 кг.

Теоретическое количество воздуха определяется по формуле:

,

где 23 - процентное содержание кислорода в воздухе (процент по массе).

кг

При обжиге цинковых концентратов в кипящем слое коэффициент избытка воздуха =1,1--1,2. Принимая значение =1,15.

Тогда практическое значение воздуха будет равно:

кг или 184 м³

(здесь и далее объем указан в м³ при нормальных условиях)

В этом количестве воздуха содержится:

а) азота:

,

где 77 - процентное содержание азота в воздухе (процент по массе).

кг

или м³

б) избыточного кислорода:

кг

м³

С учетом влаги содержащейся в исходном концентрате, практическое удельное количество воздуха будет:

где - масса влажного концентрата, кг.

Количество воды (пара) на 100 кг концентрата равно:

=106-100=6кг

м³

При обжиге из 100 кг цинкового концентрата удаляется 30,002 кг серы, при этом образуется:

кг

м³

В таблице 1.4 приведено рассчитанное количество воздуха и отходящих газов.

Таблица 1.4 Количество и состав отходящих газов

Компоненты	кг	м3	% (объемные)
SO2	60,004	21,000	11,600
O2	6,450	4,510	2,500
N2	183,306	146,500	81,500
H2О	6,000	7,950	4,400
Итого	255,760	179,960	100,000

1.3. Расчет печи

Потребность в тепле за счет топлива или электроэнергии Q_T , кДж/кг

определяется по формуле:

,

где - температура газов, выходящих из печи, ⁰C;

S - количество выгорающей серы, % исходного содержания;

SO₂ - содержание серного ангидрида в отходящих газах, % по объёму;

- количество тепла, выделяемого при обжиге материала, отнесенное к 1 кг-проценту выгорающей серы, кДж/кг-% серы.

Значения величин равны:

· = 800 ⁰C;

· S = 30%;

· SO₂ = 12%;

· = 36 кДж/кг-% S .

Следовательно, для обжига в кипящем слое цинкового концентрата заданного состава топлива и электроэнергии не требуется.

2. Определение оптимального количества дутья К₀,

Сначала определим предельное (минимальное) количество дутья К, при котором неподвижный слой концентрата переходит в нестабильное состояние. Величину К рассчитывают по формуле, выведенной из сопоставления веса кусков материала и динамического давления струек газов, пронизывающих слой:

,

- средняя температура газов в слое, ⁰C, равна:

⁰C

- средний размер кусков материала, м.

м

Подставив значения в формулу , определим предельное количество дутья:

Оптимальное количество дутья, обеспечивающее создание устойчивого кипящего слоя цинкового концентрата, определяется по формуле:

,

При сравнительно небольшой величине пылеуноса, принятой 40% в расчете, следует взять меньшее значение коэффициента, 1,2.

3. Удельная производительность печи ,

Определяется по формуле:

,

где 1440 - число минут в сутках;

- коэффициент нахождения печи под дутьем, доли единицы, = 0,93 - 0,97;

- удельный практический расход воздуха на 1т обжигаемого материала, .

Полученная величина удельной производительности находится в пределах, достигнутых в заводской практике.

4. Минимальное время пребывания концентрата в печи, обеспечивающее завершение обжига , час определяется по формуле:

,

где - скорость распространения процесса обжига в глубину слоя или куска материала, м/час, = 0,004 м/час.

часа

5. Площадь пода печи F,

Определяется по формуле:

,

где А - суточная производительность печи, т/сутки.

0,96 - коэффициент использования календарного времени работы печи под дутьем

Тогда:

По круглой форме печи внутренний диаметр ее будет равен:

м.

6. Минимальный объем кипящего слоя ,

Определяется по формуле:

,

где 24 - число часов в сутках;

V - удельный объем концентрата в кипящем слое

,

где - удельный вес концентрата,

7. Толщина кипящего слоя , м

Определяется по формуле:

,

Значение коэффициента принимается в зависимости от размеров печи и от химического и гранулометрического состава концентрата. В нашем случае для богатого серой концентрата и значительных размеров печи принимаем верхнее значение коэффициента.

м.

Общая высота печи , м

Находят по формуле, учитывающей необходимость значительного свободного объема газового пространства над уровнем кипящего слоя, для снижения уноса пыли и полного завершения процесса обжига:

Гидравлическое сопротивление кипящего слоя ?p, мм вод. ст.

Определяется по формуле:

,

где - удельный вес концентрата, ;

- удельный вес газов в печи, , данной величиной в расчете пренебрегаем ввиду относительно малого ее значения.

мм вод. ст.

Параметры воздуходувки

Давление воздуха на выходе из воздуходувки определяется по формуле:

,

где - сопротивление воздухораспределительной подины печи, = 100 мм вод. ст.;

- коэффициент запаса, учитывающий также сопротивление воздухоподводящей системы.

мм вод. ст

Расход воздуха на одну печь определяется по удельному расходу и производительности печи А.

По величине давления и расхода воздуха выбирают воздуходувную машину.

Размеры и число дутьевых сопел

Для проектируемой печи принимаем сопло грибообразной формы с 4 выходными отверстиями диаметром по 10 мм. Скорость истечения воздуха из сопла определяется по формуле:

,

где - коэффициент расхода, для цилиндрических отверстий с острыми кромками = 0,8;

- давление воздуха в сопле, = 1300 мм вод. ст;

- давление воздуха в нижней части кипящего слоя, =1200 мм вод. ст.;

- удельный вес воздуха, .

м/сек

Число сопел, необходимое для печи, находим по формуле:

,

где 1,2 - коэффициент запаса;

V - расход воздуха на печь, ;

f - площадь выходных отверстий одного сопла, .

сопла.

1.4 Схема цепи аппаратов обжигового цеха

Технология обжига цинковых концентратов для выщелачивания на разных заводах не имеет принципиальных различий: обжиг ведется в печах кипящего слоя в одну стадию. На рис. 2 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.

Обжиг в кипящем слое можно успешно вести только при условии правильного соблюдения нормального технологического режима. Для этого необходим точный и непрерывный контроль параметров процесса. Основные объекты контроля при обжиге в кипящем слое цинковых сульфидных материалов следующие: температура в кипящем слое и под сводом; расход воздуха, подаваемого в слой; давление в воздушной коробке печи; расход и качество исходной шихты; содержание серы в полученном огарке; содержание сернистого ангидрида в отходящих газах; количество и качество получаемого огарка.

Рис.2. Схема цепи аппаратов обжигового цеха (I-V-потоки) I - исходная шихта; II- воздух; III- вода; IV- огарок на выщелачивание; V- на производство ; 1- бункер для шихты; 2- вибрационный грохот; 3- бункер для комков шихты; 4- дезинтегратор; 5- элеватор; 6- бункер для мелкой шихты; 7- шнековый 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.

1.5 Тепловой баланс обжига

Приход тепла:

1. Окисление сульфида цинка по реакции:

Окислится по реакции:

При этом будет получено:

2. Окисление сульфида цинка по реакции:

Окислится по реакции:

При этом будет получено:

3. Окисление сульфида свинца по реакции:

Окислится по реакции:

При этом будет получено:

4. Окисление сульфида свинца по реакции:

Окислится по реакции:

При этом будет получено:

5. Окисление сульфида кадмия по реакции:

Окислится по реакции:

При этом будет получено:

6. Окисление CuFeS₂, FeS и FeS₂

Расход тепла на диссоциацию, кал:

CuFeS₂ до FeS и FeS₂ - по 607.1 кДж на 1 кг Fe 607.1*0,88=534

FeS₂ до FeS - по 930 кДж на 1 кг Fe .930*3,06=2846

Итого: 534+2846=3380 кДж

Приход тепла от окисления сульфидов следующий:

Окисление FeS до Fe₂O₃ происходит по реакции

Окислится по реакции:

При этом будет получено:

Окисление Cu₂S по реакции

Cu₂S+2O₂=2CuO+SO₂+528610 кДж/моль

Окислится по реакции:

При этом будет получено:

Суммарный тепловой эффект этих реакций:

88082+4148-3380=88850 кДж

7. Физическое тепло концентрата:

,

где m₁ - масса концентрата, кг;

t₁ - температура концентрата, ;

C₁ - теплоёмкость концентрата, кДж/.

кДж

8. Физическое тепло воздуха

,

где V₂ - практическое количество воздуха, ;

t₂ - температура воздуха, ;

C₂- теплоёмкость воздуха при 20 , кДж/[4]

кДж

Общий приход тепла составит 446630 кДж

Расход тепла:

Принимаем 920-950?С в кипящем слое и 850?С под сводом печи. В этом случае можно принять температуру обожженного концентрата 900?С, а температуру пыли и обжиговых газов, покидающих печь 800?С.

1. Потери тепла с обожженным цинковым концентратом:

,

где m - масса огарка,кг; с - теплоемкость огарка, ккал/кг*град; t- температура огарка, град

2. Потери тепла с пылью:

,

где m - масса пыли,кг; с - теплоемкость пыли, ккал/кг*град; t- температура пыли, град

3. Потери тепла с отходящими газами, кДж:

Итого: 36804+5245+161105+9968=213122

4. Тепло на нагрев и испарение влаги

а) тепло на нагрев воды с 10 до 100

кДж

где - теплоемкость воды, = 1 [4]

- масса воды, = 6 кг.

б) тепло на испарение воды

кДж

Итого: 2262+13542=15804 кДж

5. Тепло, теряемое во внешнюю среду

,

где q - удельные потери тепла через стенку печи, ;

F - суммарная поверхность стен и свода печи, ;

- время переработки 106 кг концентрата, сек.

а) Определение q

Футеровка печи КС состоит из трех слоев:

· шамота - 230 мм;

· засыпки из стекловаты - 20 мм;

· железного кожуха - 8 мм.

Температура внутренней поверхности стенки печи 930 . Температуру наружной поверхности кожуха печи принимаем 120 .

- внутренний радиус печи, = 3,6 м;

м;

м;

- коэффициент теплопроводности, :

1. для шамота: 0,7+0,00064t_cp;

2. для стекловаты: 0,029+0,00029t_cp;

3. для железного кожуха: 46,5.

Температуру на границе между слоями шамота и стекловаты находим по формулам:

Отсюда = 710.

Определим тепловой поток от стенки печи в окружающую среду.

Для этого найдем определяющую температуру:

,

где - температура наружной поверхности кожуха, ;

- температура окружающего воздуха,.

По t_опр и справочным таблицам для физических свойств газов определим численные значения следующих параметров для наружного воздуха:

Ш критерий Прандтля, Pr = 0,693;

Ш кинематическая вязкость н = 20,54 ;

Ш коэффициент теплопроводности = 0,03 .

Значение критерия Грасгофа определяется по формуле:

,

где g - ускорение свободного падения, м/с²;

в - коэффициент объемного расширения, 1/град;

l - определяющий размер, 1м

Дt- разность температур наружной поверхности печи и окружающего воздуха, .

163

Определим значение критерия Нуссельта по формуле:

По величине произведения (Gr) находим соответствующие численные значения для коэффициентов c и n

c	1,18	0,54	0,135
n	1/8	1/4	1/3

По значению критерия Нуссельта вычислим коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности печи к окружающему воздуху по формуле:

Плотность теплового потока от стенки кожуха в окружающую среду будет равна:

б) Определение F

Для печи КС суммарная поверхность стен и свода печи определяется по формуле:

,

где R - внутренний радиус печи, R = 3,6 м;

- общая высота печи, = 7,2 м.

м

в) Определение

,

где m - масса концентрата, кг;

А - производительность печи, кг/сутки.

сек.

Подставив, найденные значения в формулу, определим тепло, теряемое во внешнюю среду:

кДж

Общий расход тепла составит: 310968 кДж

Результаты подсчетов теплового баланса сведем в таблицу 1.5:

Таблица 1.5 Тепловой баланс обжига цинковых концентратов в кипящем слое

Приход тепла	кДж	%	Расход тепла	кДж	%
Окисление ZnS до ZnO	312628	70,00	Потери с обожженным концентратом	42989	9,62
Окисление ZnS до ZnSO4	35170	7,87	Потери с пылью	24415	5,46
Окисление PbS до PbO	917	0,20	Потери с отходящими газами	213124	47,71
Окисление PbS до PbSO4	2983	0,67	На испарение воды	15787	3,53
Окисление CdS до CdO	542	0,12	Потери через кладку	14658	2,97
Окисление CuFeS2 , FeS, FeS2	88848	19,89	Избыток тепла	135662	30,67
Физическое тепло концентрата	795	0,18
Физическое тепло воздуха	4747	1,06
Итого	446630	100		446630	100

Из рассмотрения статей теплового баланса видно, что около половины тепла уходит с горячими газами, и около одной трети имеется в самом кипящем слое. Это оказывает большие возможности для попутного получения пара за счет тепла отходящих газов и самого кипящего слоя.

Избыточное тепло отнимается из слоя различными теплообменными устройствами, из которых наибольшее распространение получили водоохлаждаемые кессоны и змеевики (трубчатые теплообменники).

Первые являются наиболее простыми устройствами, но они не позволяют эффективно утилизировать избыточное тепло из кипящего слоя. Более правильным поэтому, хотя и более сложным, будет выбор конструкции трубчатых теплообменников, расположенных в кипящем слое и позволяющих получить пар.

Выбираем схему утилизации тепла из кипящего слоя и тепла отходящих газов с отдельными циркуляционными контурами для теплообменников печи и для котла утилизатора. Теплообменники печи работают на 60% - ной пароводяной эмульсии с получением насыщенного пара давлением 40 ат и температурой смеси - 250 . Питающая теплообменники вода проходит очистку, деаэрацию и нагрев до 100 получаемым паром. Узел питания нагретой водой - общий для теплообменников, расположенных в кипящем слое и для котла-утилизатора. [4]

Общая поверхность трубчатых теплообменников в слое определяется по формуле:

,

где к - коэффициент теплопередачи от печи к теплоносителю; колеблется в пределах 0,256 - 0,302 ;

t', t''- средние температуры слоя и пароводяной эмульсии, t'= 900 и t''= 250;

- время переработки 106 кг концентрата, сек.

Принимаем поверхность одной секции теплообменного устройства равной 2,2, тогда число их будет 10.

Определим расход воды на охлаждение.

При теплосодержании пара 2789 кДж/кг, а воды 1047 кДж/кг в пароводяной 60% - ной эмульсии и при теплосодержании питающей воды 418,7 кДж/кг расход воды х определяется из соотношения:

откуда кг за 33,4 сек, или 8824 кг/час (8,82).

1.6 Расчет газоходной системы

Расчет газоходной системы печей состоит из выбора схемы газоочис...