Технологические расчеты в металлургии меди. Учебное пособие

или

Решив данную систему уравнений, получим:

Vвозд =17,24м3;

Vтехн. кисл = 24,46м3.

Для включения в материальный баланс этих компонентов дутья по отдельности можно найти их количественные значения по формулам:

где Gвозд – масса воздуха, кг;

Gтехн. кисл – масса технологического кислорода, кг. Отсюда

Gвозд = 17,24 10021 22,432 +17,24 10079 22,428 = 22,19 кг;

Gтехн. кисл = 24,46 10096 22,432 + 24,46 1004 22,428 =34,78 кг.

Расчет газов. В состав технологических газов будут входить следующие компоненты: SO2, CO2, H2O, N2, Zn.

Масса образовавшегося SO2 в газах определяется по сумме кислорода и серы:

где GSO2 – количество SO2 в газах, кг.

51

Отсюда

GSO2 =31,4+31,4 = 62,8кг.

Объем SO2 находим по формуле

где VSO2 – объем SO2 в газах, м3; µSO2 – молярная масса SO2, кг/кмоль. Отсюда

VSO2 = 62,86422,4 = 21,98м3.

В результате разложения карбонатов из концентрата и известняка в газы поступает CO2

где GCO2 – количество CO2 в газах, кг. Отсюда

GCO2 = 0,47+0,44+ 4,87 40,78100 = 2,89кг.

Объем СO2 находим по формуле

где VСO2 – объем СO2 в газах, м3. Отсюда

VСO2 = 2,894422,4 =1,47 м3.

52

Так как в плавку на штейн, в большинстве случаев, поступают материалы естественной влажности, то в газах будут присутствовать пары воды. Массу воды, перешедшей в технологические газы, определим из выражения

– количество H2O в газах, кг; GHк•т2O – количество H2O в концентрате, кг; GHкв2O – количество H2O в кварце, кг; GHизв2O – количество H2O в известняке, кг.

Количество воды в этих материалах рассчитывается по следующим формулам:

53

Всего H2O:

GH2O =8,70+0,85+0,26 =9,80кг.

Объем H2O находим по формуле

где VH2O – объем H2O в газах, м3; µH2O – молярная масса H2O, кг/кмоль.

Отсюда

VH2O = 9,801822,4 =12,20м3.

Азот будет переходить в газы из подаваемого дутья, его количество и объем рассчитаны ранее.

Цинк в газах будет присутствовать в виде паров металла, количество находим из выражения

54

Результаты расчета технологических газов представлены в таблице 12.

Таблица 12 – Количество и состав технологических газов

Указанный в таблице 12 состав технологических газов – теоретический. На практике объем отходящих газов всегда больше теоретического за счет подсосов воздуха. Принимая по данным практики количество подсосов, можно рассчитать уточненный состав отходящих газов.

Принимаем, что подсосы воздуха в печь составляют 40 % от объема технологических газов. Объем подсосов воздуха равен

Объем и массу кислорода в подсосах находим по следующим формулам:

55

где GОподс2 – количество кислорода в подсосах, кг.

Отсюда

VОподс2 = 20,21100 21 = 4,24м3;

GОподс2 = 4,2422,432 = 6,06кг.

Объем и массу азота в подсосах находим по следующим формулам:

где VNподс2 – объем азота в подсосах, м3;

где GNподс2 – количество азота в подсосах, кг. Отсюда

VNподс2 = 20,21100 79 =15,96 м3;

GNподс2 =15,9622,428 =19,96кг.

Таким образом, в технологические газы дополнительно перейдет кислорода и азота:

где Gподс – количество подсосов, кг. Отсюда

Gподс = 6,06+19,96 = 26,02кг.

56

Состав и количество отходящих газов (технологических газов с учетом подсосов воздуха) представлены в таблице 13.

Таблица 13 – Количество и состав отходящих газов

57

4 Расчет горения топлива в металлургическом процессе

Металлургическое топливо. Пирометаллургические процессы осуществляются при высоких температурах и связаны с затратами тепловой энергии. Необходимые температуры достигаются в результате сжигания топлива или за счет использования электроэнергии. Достаточно часто используется топливо и в современных автогенных процессах для компенсации нехватки тепла при проведении плавки в полуавтогенном режиме [7].

Основные разновидности топлива имеют органическое происхождение. В состав топлива входят углерод, водород, сера, присутствующие в виде различных соединений и составляющие горючую массу.

По агрегатному состоянию различают твердое, жидкое и газообразное топливо, а по способу получения – естественное и искусственное. Горение топлива осуществляется в результате взаимодействия с кислородом при использовании воздушного или обогащенного кислородом дутья.

Полнота сжигания топлива характеризуется коэффициентом избытка дутья α. Если количество дутья соответствует теоретически необходимому для полного сжигания топлива, то α = 1. При недостатке дутья α меньше 1, а при его избытке больше 1. Большой избыток воздуха невыгоден для сжигания топлива, так как вместе с избытком кислорода будет поступать примерно в 4 раза больше количество азота, требующего теплоту для своего бесполезного нагрева. Сжигание топлива обычно ведут при α = 1,05…1,1. Наиболее эффективно топливо сгорает в воздухе, обогащенном кислородом – кислородно-воздушной смеси (КВС) или в технологическом кислороде, когда на единицу кислорода приходится меньшее количество азота. При α > 1 атмосфера в печи будет окислительной, при α <1 горение будет неполным. В последнем случае в металлургическом аппарате создается восстановительная атмосфера, часто необходимая для технологических нужд.

Количество теплоты, которое выделяется при сжигании топлива, называется теплотой сгорания топлива, или его теплотворной способностью. Теплота сгорания выражается в следующих единицах: кДж/кг, кДж/м3 или кДж/кмоль. Для сравнительной оценки различных видов топлива введено понятие условного топлива с теплотой сгорания 29 300 кДж/кг.

58

В металлургии стремятся использовать только высококачественное топливо с высокой теплотворной способностью и низким содержанием золы. Этим требованиям в наибольшей степени удовлетворяют природный газ, мазут, кокс и высококалорийный каменный уголь.

Природный газ содержит 85…98 % метана и других углеводородов. Основными примесями природного газа являются сероводород и конденсат (жидкие углеводороды).

Основным видом жидкого топлива, используемого в цветной металлургии, является мазут – остаток от перегонки нефти. Нефть и мазут представляют собой смесь различных углеводородов.

Каменный уголь является продуктом природной минерализации растительных остатков. В зависимости от степени минерализации каменные угли отличаются содержанием свободного углерода, углеводородов, золы и битумов.

Некоторые металлургические печи, например шахтные, требуют кускового прочного и пористого топлива. Этим требованиям удовлетворяет только металлургический кокс. Кокс относится к искусственным видам топлива. Его получают путем сухой перегонки специальных сортов (коксующихся) каменных углей при 900…1000 °С в герметично закрытых камерах – коксовых батареях. При коксовании происходит термическое разложение каменного угля

сотгонкой в виде газов и паров летучих компонентов.

Вкачестве примера рассмотрим расчет горения природного газа.

Условия для расчета:

1 Состав природного газа, % объемн.: CH4 – 90; C2H6 –7; N2 – 3. 2 Расход природного газа на 100 кг сухой шихты 2,7 кг.

3 Содержание кислорода в дутье 65 % объемн.

Расчет

Для учета топлива в материальном балансе процесса плавки необходимо рассчитать расход природного газа на плавку (кг и м3), количество дутья на его сжигание, количество и состав образующихся топочных газов.

Для определения расхода природного газа требуется рассчитать его плотность. Расчет плотности проводим по формуле

59

Масса шихты поступающей на плавку, составляет 121,03 кг (см. таблицу 8). Тогда расход природного газа на данное количество шихты определяется по формуле

60