Работа 3. Исследование режима движения газов в печи взвешенной плавки на физической модели

Печь взвешенной плавки (ПВП) предназначена для плавки сульфидных медно-никелевых или никелевых рудных концентратов в смеси с флюсами на штейн с повышенным по сравнению с другими типами плавильных печей (отражательными, электротермическими, шахтными) содержанием суммы цветных металлов.

Тонкоизмельченная сухая шихта влажностью менее 0,5% подается в вертикальную цилиндрическую шахту сверху вниз вместе с потоком дутья, которое обогащено кислородом до 28-70% и нагрето до температуры 300-500°С.

Подача дутья осуществляется в струйном режиме специальными «горелками». Температура в шахте такова, что частицы сульфидных минералов, который несет поток дутья, претерпевают диссоциацию и одновременно при контакте с кислородом окисляются. На их поверхности за время пролета частицы от устья горелки до ванны печи протекают реакции совместного окисления сульфидов, а в газовом пространстве вокруг частицы происходит также и окисление диссоцированной серы.

Диссоциация (на примере главных минералов)

халькопирит 2 CuFeS₂ = Cu₂S + 2FeS + S

пирит FeS₂ = FeS + S

пентландит 3 NiFeS = Ni₃S₂ + 3FeS + S

пирротин Fe₇S₈ = 7FeS + S

и др.

Окисление (на моль кислорода)

2/3 FeS + O₂ = 2/3 FeО + 2/3 SO₂

3/5 FeS + O₂ = 1/5 Fe₃O₄ + 3/5 SO₂

2/7 Ni₃S₂ + O₂ = 6/7 NiО + 4/7 SO₂

2/3 Cu₂S + O₂ = 2/3 Cu₂О + 2/3 SO₂

S + O₂ = SO₂

Реакции диссоциации являются эндотермическими, и на них расходуется некоторое количество тепловой энергии, реакции же окисления весьма экзотермичны. Выделяющегося при их протекании тепла оказывается достаточно и на обеспечение процессов диссоциации, и на расплавление самих частиц шихты, каждая их которых в конце траектории превращается в каплю, падающую в отстойную ванну печи. Температура реакционной шахты, парциальное давление кислорода, скорость полета частиц и длина траектории составляют совокупность тех главных параметров, которые определяют степень окисления частиц за время их пребывания в шахте. В зависимости от заданных параметров, в капле, образовавшейся в процессе окисления, сохраняется большая или меньшая часть сульфидов, не успевших окислиться, т.е. остается FeS, Ni₃S₂, Cu₂S. Накопившийся в отстойной зоне печи расплав вследствие различия плотностей сульфидов и оксидов расслаивается на два продукта – внизу тяжелый сульфидный расплав – штейн, а сверху оксидный расплав – шлак. В процессе расслаивания происходят еще и дополнительные физико-химические превращения, весьма важные для получения конечного результата процесса – извлечения как можно большего количества цветных металлов (Cu, Ni, Co) в штейн и минимального перехода их в шлак. Эти дополнительные превращения носят название реакций обменного взаимодействия:

6/7 NiО + 2/3 FeS = 2/7 Ni₃S₂ + 2/3 FeО + 2/21 SO₂

Cu₂O + FeS = Cu₂S + FeO

Протекание этих реакций обусловлено большей величиной сродства железа к кислороду по сравнению с цветными металлами, вследствие чего сульфид железа как бы предохраняет, в конечном счете, от значительного окисления цветные металлы.

Поскольку, все-таки, некоторая часть цветных металлов оказывается в виде оксидов, да к тому же наиболее тонкая взвесь частиц сульфидов цветных металлов в небольшом количестве «запутывается» в шлаке, шлак печи взвешенной плавки полагается подвергнуть дополнительной переработке для дополнительного извлечения меди, никеля, кобальта. Такая переработка осуществляется в специальных электрических «обеднительных» печах.

Кроме штейна и шлака, продуктом плавки в ПВП являются газы, образовавшиеся в результате реакций, протекающих как в реакционной шахте, так и ванне печи. Как видно из этих реакций, обязательным компонентом этих газов является сернистый ангидрид SO₂. Для печей ПВП наиболее приемлемым вариантом утилизации SO₂ является использование тепла отходящих газов для получения пара в котлах-утилизаторах, а затем восстановление в цепи специальных химических аппаратов сернистого газа до элементарной серы, являющейся товарным продуктом. Кроме SO₂, в газах присутствует некоторое количество кислорода, что объясняется фактом определенной неполноты использования кислорода в реакциях окисления и азот, поступивший с дутьем, а также продукты горения топлива, если оно дополнительно сжигается в печи.

Общее количество газов, образующихся в ПВП, как следует из изложенных сведений по физико-химической природе плавки в ПВП, определяется производительностью печи по шихте, составом шихты и заданной степенью окисления. Количество газов (без учета горения топлива) может быть определено по формулам (на 1 тонну сульфидного концентрата):

а) Объем SO₂

u_SO2 = 2,24 ×(К1 + 0,6 ×m×К2) нм³

б) Объем избыточного кислорода

u_О2 = 2,24 ×(a_и – 1 )×(К2×m + К1 – 0,1 ×m×n×К2) нм³

в) Объем азота

u_N2 = 2,24 ×a_и×( 1 -q)/q×(К2×m + К1 – 0,1 ×m×n×К2) нм³

где К1 и К2 – функция состава концентрата по главным сульфидным компонентам – халькопирит Н %, пирит П %, пирротин Р %, пентландит R %:

К1 = 0,272× Н + 0,186× R + 0,154× Р + 0,833× П

К2 = 0,905× Н + 0,931× R + 1,800× Р + 1,388× П

m – коэффициент «полноты окисления» для ПВП можно принять (0,75 – 0,85); a_и – коэффициент избытка кислорода (обычно 1,05 – 1,10); n – коэффициент распределения оксидного железа между FeO и Fe₃O₄; q – доля кислорода в дутье (по объему).

Суммарное количество газов на 1 т концентрата:

u_газ = u_SO2 + u_О2 +u_N2, нм³

Обозначив производительность ПВП – А [ т/сут ], при непрерывном режиме работы получим ежесекундное количество газов:

u⁰ = u_газ×А/ 86400, нм³/сек

С учетом температуры газов в печи t_г, рабочий объем газов: u^t = (t_г + 273)×u⁰ / 273, м³/сек

Формирование процесса движения газов в ПВП происходит в несколько этапов:

1. Струйное истечение дутья из горелок с образованием газо-шихтовых потоков, имеющих температуру, соответствующую температуре нагрева дутья t_д. Начальная скорость этих потоков соответствует давлению истечения.

2. Далее, по ходу каждой струи происходит «затухание» скорости в соответствии с законом свободной струи (с учетом наличия взвешенных твердых частиц), а затем струи сливаются в один общий поток, приобретающий за счет теплообмена с раскаленными стенками шахты такую температуру, при которой происходит воспламенение сульфидных частиц и начинается процесс окисления.

3. За счет развития реакций окисления происходит полное изменение состава газа, соответственно всех его свойств, а также и температуры. Газовый поток полностью заполняет шахту, стабилизируется и движется по режиму «руслового» потока уже под действием сил, создаваемых машинами, производящими отсос газов из рабочего пространства печи (дымососами), располагаемыми в конце газоходной системы. Первоначальный импульс давления, создававший струйный режим истечения, на этом участке иссякает. Далее газовый поток разворачивается на 90°, изменяет сечение соответственно конфигурации «подсводового» пространства, продолжает движение в горизонтальном «подсводовом» пространстве над расплавленной ванной, снова разворачивается на 90°, входя в восстающий газоход, далее переходит в горизонтальный участок, ведущий к котлам-утилизаторам, а потом – в аппараты восстановления сернистого ангидрида.

Столь сложный характер физико-химических и аэродинамических факторов, формирующий газовый поток в ПВП, не позволяет воспроизвести все условия движения газов на физической модели.

Однако, принимая во внимание, что после участка струйного окисления приблизительно посередине высоты реакционной шахты газовый поток упорядочивается и приобретает стабильный характер, создается возможность исследования на модели условий движения газов в печи на том участке, который соответствует стабильному русловому режиму газов в рабочем пространстве ПВП.