32.6 Расчет теплового баланса печи кс при обжиге цинковых концентратов

Дутье воздушное. Удельный расход воздуха на 1 т влажного концентрата 1876 м³.

Газов образуется на 1 т обжигаемого концентрата (199,06/107,53)•1000=1851 м³/т. Часовая производительность печи по влажному концентрату равна 180/(24•0,93)=8,065 т (по сухому 7,5 т).

Приход тепла

Физическое тепло концентрата определяем из выражения

Q₁^пр =C₁•m₁•t₁,

где С₁ – теплоемкость цинкового концентрата [0,18 ккал/(кг•⁰С)];

m₁ – количество поступающего на обжиг влажного концентрата (8,065 т/ч);

t₁ – температура концентрата (15⁰С).

Q₁^пр =0,18•8065•15=21776 ккал/ч.

Физическое тепло воздуха определяем из выражения

Q₂^пр =C₂•ω₂•t₂,

где С₂ – теплоемкость воздуха [0,312 ккал/(м³•⁰С)];

ω₂ – часовой расход воздуха (2019•7,5=15142,5 м³);

t₂ – температура воздуха (15⁰С).

Q₂^пр=0,312•15142,5•15=70867 ккал/ч.

Тепло экзотермических реакций обжига цинкового концентрата рассчитываем по металлам в сырье, используя данные таблиц 78, 79 и §32.2. Расчет предварительно ведем на 100 кг сухого концентрата. За счет окисления сульфида цинка по реакции

ZnS + 1,5О₂ = ZnO + SO₂ + 105630 ккал

получаем

105630•(43,94+3,81)/65,4=77123 ккал.

Здесь 43,94 и 3,81 – масса цинка, находящегося в концентрате в виде ZnS и окисляющегося до свободного и связанного в феррит ZnO.

За счет окисления сульфида цинка до сульфата по реакции

ZnS + 2О₂ = ZnSO₄ + 185380 ккал

получим 185380•2,82/65,4=7993 ккал. За счет окисления сульфида свинца до окиси по реакции

PbS + 1,5О₂ = РbО + SO₂ + 100820 ккал

получим 100820•0,75/207,2=365 ккал. За счет окисления сульфида свинца до сульфата по реакции

PbS + 2О₂ = PbSO₄ + 196960 ккал

получим 196960•0,75/207,2=713 ккал. На диссоциацию CuFeS₂ дo Cu₂S, FeS и S₂ будет израсходовано 20000/32•0,7/2=219 ккал.

Здесь 20000 – количество тепла (ккал), затрачиваемое на 1 кмоль образующейся серы;

0,7/2 – масса образующейся серы, кг.

За счет окисления Cu₂S по реакции

Cu₂S + О₂ = 2CuO + SO₂ + 126160 ккал

получим 126160•(0,49+0,07)/(2•63,6)=555 ккал. За счет окисления Cu₂S до сульфата по реакции

Cu₂S + SO₂ + 0,2 = 2CuSO₄ + 299130

получим 299130•0,07/(2•63,6)=165 ккал. За счет окисления сульфида кадмия по реакции

CdS + 1½ O₂ = CdO + SO₂ + 26360 ккал

получим 26360•(0,26+0,07)/112,4=77 ккал. За счет окисления сульфида кадмия до сульфата по реакции

CdS + 2O₂ = CdSO₄ + 187700 ккал

получим 187700•0,04/112,4=67 ккал. На диссоциацию FeS₂ до FeS и S₂ (таблица 78) будет израсходовано 20000•1,33/(32•2)=416 ккал. Соответственно на диссоциацию Fe₇S₈ до FeS и S₂ будет израсходовано 20000•3,71/(32•8)=290 ккал. При этом образовалось всего 1,13 кг серы.

Но за счет окисления FeS по реакции

2FeS + 3½O₂ = Fe₂O₃ + 2SO₂ + 292980 ккал

получим 229980•(6,5+0,12+0,07+0,25)/(55,8•2)=14302 ккал. За счет окисления FeS по реакции

FeS + 1½O₂ = FeO + SO₂ + 111740 ккал

получим 111740•0,49/55,8=985 ккал. За счет окисления серы по реакции

S + О₂ = SO₂ + 70960 ккал

получим 70960•1,13/32=2506 ккал. Количество Fe₂O₃ в ферритах Zn, Сu и Cd 160•(6,5+0,12+0,07)/(2•55,8)=9,57 кг.

Тепловой эффект образования указанных ферритов составляет 5800 ккал на 1 кмоль Fe₂O₃ по реакции MeO + Fe₂O₃ = MeO•Fe₂O₃.

Итого будет получено 5800•9,57/159,6=348 ккал.

На разложение карбоната кальция по реакции

СаСО₃ = СаО + СО₂ - 42498 ккал

расходуется 42498•1,0/56,1=758 ккал. Но во время образования сульфата кальция по реакции

СаО + SO₂ + ½O₂ = CaSО₄ + 119570 ккал

получим 119570•1,0/56,1=2131 ккал. На разложение карбоната магния по реакции

MgCO₃ = MgO + CO₂ – 28108 ккал

расходуется 28108•0,5/40,3=349 ккал. Но за счет образов сульфата магния по реакции

MgO + SO₂ + 1/2O₂ = MgSO₄ + 90710 ккал

получим 90710•0,5/40,3=1125 ккал.

Итого тепло горения 100 кг концентрата составляет

77123+7993+365+713–219+555+165+77+67–416–290+14302+985+2506+348–758+2131–349+1125=106423 ккал.

Теплота сгорания 1 кг сульфидного цинкового концентра равна 106423/100=1064 ккал. Приход тепла от горения концентрата составит 1064•7,5•1000=7980000 ккал/ч, а весь приход равен 21776+70867+7980000=8072643 ккал/час

Расход тепла

Тепло, уносимое обожженным концентратом, определяем по формуле

,

где С₁` – теплоемкость обожженного цинкового концентрата (С<sub>1</sub>`=0,177 ккал/⁰С);

m₁' – масса обожженного концентрата, разгружаемого через порог печи;

m₂' – масса пыли (m₁'+m₂'=7,5•0,9006=6,7 т; по данным заводской практики, в пыль уносится 30–40% обожженного продукта и 60–70% последнего разгружается через порог печи; принимаем для расчета 35 и 65%, тогда m₁'=6,7•0,65=4,35 т; m₂'=6,7•0,35=2,35 т);

t₁`и t<sub>2</sub>` –температуры разгружаемого через порог печи КС обожженного цинкового концентрата (930⁰С) и пыли (870⁰С), уносимой с обжиговыми газами.

Q₁^р=0,177•(4,35•930+2,35•870)•1000=1077930 ккал/ч.

Тепло, уносимое газами, определяем из выражения

Q₂^р=(С_SO2•V _SO2+С_O2•V _O2+С_N2•V _N2)•t_газ+С_n•V_n•(t_газ-100),

где C_SO2, Со₂, С_N2, С_n – средняя теплоемкость газов в интервале 0–870⁰С по таблице 18.

Находим часовое количество отходящих газов, м³: V_SО2=19,75•7,5•1000/100=1481;

V_O2=8,37•7,5•1000/100=628;

V _N2=160,06•7,5•1000/100=12005;

V_n = 10,88•7,5•1000/100=816. Всего получим 14930 м³.

Q₂^P=(0,528•1481+0,349•628+0,329•12005)•870+0,401•816•(870–100)=4559139 ккал/ч.

Тепло, расходуемое на нагрев и испарение воды:

а) тепло, расходуемое на нагрев воды с 15 до 100⁰С, равно 1•7,53•7,5•(1000/100)•(100–15)=48004 ккал/ч;

б) тепло, расходуемое на испарение воды, равно 539•7,53•7,5•(1000/100)=304400 ккал/ч. Всего 352560 ккал/ч;

в) тепло, расходуемое на нагрев влаги дутья 1,51•7,5•(1000/100)•(100–85)•0,36=3465 ккал/ч. Всего 355869 ккал/ч.

Тепло, теряемое печью КС во внешнюю среду, определяем из выражения q•F•τ,

где q – удельные потери тепла через стенки и свод печи, ккал/м², которые определяем по рис. 1 следующим образом.

Стенка печи представляет собой железный кожух (σ=16 мм), футерованный шамотом σ=230 мм (часто 345–460 мм), с засыпкой из стекловаты σ=20 мм. Для расчета принимаем температуру внутренней поверхности стенки печи равной 900, а наружной 130⁰С.

Коэффициент теплопроводности λ составляет, ккал/(м•ч): для шамота 0,6 +0,00055t_ср=0,6+0,00055•(900+130)/2=0,883; для стекловаты 0,1; для железа 39. Тогда по уравнению для определения теплопроводности сложной стенки

∑

находим, что ∑ равна

По графику потерь тепла через стенку печи (рис. 1), исходя из величины ∑ и температуры внутренней поверхности печи, определяем температуру наружной поверхности стенки. Она составляет около 120⁰С, что близко к принятой и практическим данным, и q=0,5 ккал/(м² •с). В расчете на час имеем 0,5•3600=1800 ккал/м² •ч.

Поскольку F – суммарная поверхность стен и свода печи для проектируемой печи равна приблизительно 262 м², то тепло, теряемое печью КС во внешнюю среду, составит

Q₄^р=1800•262•1=471600 ккал/ч.

Итого расход тепла составит 1077930+4559139+355869+471600=6464538 ккал/ч.

Приход тепла при обжиге цинковых концентратов в печи КС превышает его расход. Избыток тепла составляет 1608105 ккал/ч.

В целях обеспечения нормального протекания процесса обжига концентрата избыточное тепло кипящего слоя отводят. Для этой цели обычно используют различные теплообменные устройства, в том числе испарительные, иногда впрыскивают воду.

Тепловой баланс обжига сульфидного цинкового концентрате в печи кипящего слоя сводим в таблицу 80.

ТАБЛИЦА 80 Тепловой баланс обжига сульфидного цинкового концентрата в печи кипящего слоя

Приход тепла			Расход тепла
Статьи баланса	Ккал/час	%	Статьи баланса	Ккал/час	%
Концентрат	21776	0,27	Огарок и пыль	1077930	13,35
Воздух	70867	0,89	Газы	4559139	56,48
Экзотермические реакции	7980000	98,84	Нагрев и испарение влаги	355869	4,41
			Потери во внешнюю среду	471600	5,84
			Избыток	1608105	19,92
Итого	8072643	100,0	Итого	8072643	100,0

Количество тепла, которое уносится обжиговыми газами и должно быть отнято из кипящего слоя, составляет около 70–75%. Его используют как источник вторичных энергоресурсов.

В качестве теплоотводящих устройств хорошо зарекомендовали себя трубчатые элементы (труба в трубе, диаметр 0,05 и 0,02 м соответственно). Число трубчатых холодильников составляет 12–18 шт. на печь. Их располагают в один - два ряда. Поверхность трубчатых холодильников в расчете на 1 м² подины составляет 0,3–0,6 м².

Эти простые способы, однако, не дают возможности использовать избыток тепла для получения пара. Выбираем схему утилизации тепла из кипящего слоя и тепла отходящих газов с отдельными циркуляционными контурами для теплообменников печи (змеевики) и для котла-утилизатора. Теплообменники печи работают на 60 %-ной паровой эмульсии с получением насыщенного пара давлением 40 ат и температурой смеси 250⁰С. Вода, питающая теплообменники и котел-утилизатор, проходит химическую чистку, деаэрацию и нагрев до 100⁰С. Узел питания нагретой водой котла-утилизатора и змеевиков, расположенных в кипящем слое, общий.

Суммарную поверхность трубчатых теплообменников, которые, необходимо установить для охлаждения кипящего слоя, определяют из следующего выражения:

,

где К – коэффициент теплопередачи стенок теплообменников [колеблется в пределах 220–260 ккал/(м²•ч•⁰С); принимаем К=240 ккал/(м²•ч)];

t`– средняя температура кипящего слоя (930⁰С);

t" –средняя температура пароводяной эмульсии (250⁰С);

τ – время пребывания концентрата, ч;

F= м².

Принимаем поверхность одной секции теплообменного устройства равной S=1,60 м². Определяем количество таких секций:. n=F/S=9,8/1,60=6 шт.

Расход питающей воды m при энтальпии ее 100 ккал/кг, энтальпии пара 666 ккал/кг и энтальпии воды в пароводяной 60%-ной эмульсии 250 ккал/кг определяют из уравнения

Q_изб=(0,6•m•666+0,4•m•250)–m•100.

Отсюда m=1608105/[(0,6•666+0,4•250)–100]=3218 кг/ч.'