Обжиг цинковых концентратов в печах кипящего слоя

Федеральное государственное автономное образовательное  учреждение

высшего профессионального образования

«СИБИРСКИЙ  ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт  Управления бизнес процессами и экономики

Кафедра Металлургия Цветных Металлов 
 
 
 
 
 
 
 
 

КУРСОВАЯ  РАБОТА 

Обжиг цинковых концентратов в печах кипящего слоя 
 
 
 
 
 
 
 
 

Руководитель    ____________________            Н.В. Олейникова 

                                                             подпись, дата 
 
 

Студент   ПЭ 08-02   ___________________            Е.О. Колпашникова

                                                             подпись, дата

  
 
 
 

Красноярск 2010 

     Введение 

     Источником  получения цинка является рудное сырье, которое обычно находится  в сульфидном состоянии, а цинк представлен преимущественно сфалеритом (ZnS). Руды всегда комплексные, содержат кроме цинка свинец, медь, железо, серебро и др.

     Примерно 50% мирового производства цинка расходуется на покрытие железных изделий с целью защиты их от ржавчины.

     Более 30% всего производства в мире цинка  употребляется на производство сплавов. Сплав цинка с медью и оловом называется бронзой. Различные сорта бронз широко применяют в машиностроении. Сплавы цинка с медью и никелем называют мельхиором и нейзильбером. Благодаря способности давать сплавы с серебром и золотом, цинк используется в металлургии для извлечения благородных металлов.

     Цинковая  пыль применяется для осаждения  золота и серебра из растворов  при их получении гидрометаллургическим  путем, для очистки растворов  от меди и кадмия перед электролизом растворов цинка.

     Оксид цинка широко используют при производстве резины и ее обработке. Он улучшает качество резиновых шин и ряда других резиновых изделий.

     При гидрометаллургическом способе  получения цинка обжиг ведут  с получением огарка порошка при  температуре 800-1000⁰С. Высокая дисперсность огарка способствует быстрому и полному выщелачиванию его в растворе серной кислоты.

     Обжиг - гетерогенный процесс термической  обработки цинкового сырья. Этот процесс был и остается основным способом окисления сульфидного сырья.

     В задачи данного курсового проекта  входит рассмотрение процесса обжига цинковых концентратов, обеспечивающего  высокие технико-экономические показатели и расчет необходимых показателей.

     Главная задача обжига - 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 технологий и в конечном счете обеспечил высокие технико-экономические показатели производства в целом. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1. Технологическая  схема получения  цинка 

     Гидрометаллургический способ переработки обожженных цинковых концентратов заключается в растворении  окиси цинка водным раствором  серной кислоты и в последующем  осаждении цинка электролизом. Поэтому  гидрометаллургический способ называют иногда электролитическим. При производстве цинка электролизом цинковый концентрат предварительно подвергают окислительному обжигу. Полученный огарок выщелачивают отработанным электролитом, содержащим серную кислоту. Получаемый раствор  сернокислого цинка очищают от вредных  примесей и направляют на электролиз. При этом цинк осаждается на катоде, а в растворе регенерируется серная кислота, возвращаемая вновь на выщелачивание.

     Выщелачивание огарка осуществляется отработанным электролитом, содержащим серную кислоту и получаемым при электролизе раствора цинка. В процессе передела неизбежны потери серной кислоты (как механические, происходящие вследствие потери раствора, так и  химические, вызванные тем, что серная кислота непроизводительно затрачивается  на растворение примесей). Эти потери пополняют тем, что получают в  огарке некоторое количество сульфата цинка, легко растворяющегося в  воде. Для этой цели достаточно бывает иметь в обожженном концентрате  около 2-4% сульфатной серы.

     Этим  способом получают около 70% всего мирового производства цинка. Объясняется это  тем, что электролитическим способом при хорошей механизации трудоемких процессов и высоком проценте извлечения получают цинк более чистый, чем дистилляционным. Кроме того, облегчается возможность комплексного использования ценных составляющих концентрата.

     Сырьем  является цинковый концентрат. В качестве исходного материала используют не только минеральное и вторичное, но также и цинкосодержащие продукты других производств: шлаки и пыли металлургических производств свинца, меди, олова, чугуна. Эти продукты гораздо бедней по цинку, чем цинковые концентраты и все же их включают в цинковое сырье.

     Технологическая схема получения цинка включает в себя следующие стадии (рис.1):

     Обжиг, который проводят для получения  огарка для последующего выщелачивания. Кроме огарка получают также и газ, который отправляют на переработку для получения серной кислоты, которая в свою очередь участвует в процессе выщелачивания. Полученный огарок-порошок отправляют на выщелачивание. Он должен удовлетворять следующим требованиям:

1. иметь достаточно низкое содержание сульфидной серы (<0.1-0.3%).
2. умеренное содержание растворимых сульфатов (<=2-4%).
3. высокое содержание мелкой фракции (-0,15мм).
4. умеренное содержание ферритного и силикатного цинка.

     Эти требования вытекают из технологических  задач гидрометаллургической переработки  огарка. Чтобы достичь указанных  целей, необходимо подобрать подходящий состав исходной шихты, температуру  и состав газовой фазы для обжига. Большое значение имеет аппаратурное оформление.

     Высокая дисперсность огарка способствует быстрому и полному выщелачивании его в растворе серной кислоты. Целью процесса является- максимально возможное растворение цинка из исходного материала и отделение его от сопутствующих компонентов.

     Из  очищенного раствора ZnSO₄ металлический цинк получают путем электролиза.  Этот передел является завершающий технологию, так как после переплавки электролитически восстановленного цинка получают товарный металл. Электролиз наиболее дорогой передел в производстве цинка (51-56% общих затрат на технологические процессы). Поэтому восстановление окисленного цинка из раствора ZnSO₄ c получением качественного металла при возможно низких затратах - основная цель электролиза. 

     Цинковый концентрат

     Окислительный обжиг

    Огарок       Запыленные газы

      Классификация        Очистка от пыли

Крупная фракция          Мелкая фракция          Пыль         Газы

Измельчение       На производство

                                                                                   H₂SO₄ 

                                       Выщелачивание

                     Сульфатный раствор                  Цинковый кек

      Очистка от примесей               На переработку

            Раствор    Промпродукты

           Электролиз                     На переработку

Отработанный      Катодный

электролит            цинк

   Переплавка

  Дроссы         Товарный цинк

         На переработку 

     Рис.1. Технологическая схема гидрометаллургического способа переработки цинковых концентратов 

     Основными показателями процесса являются удельный расход электроэнергии, кВт/ч катодного цинка; выход цинка по току, т.е. к.п.д. использования тока, %; качество катодного цинка.

     Полученный  металл проверяют на качество, маркируют  и отправляют на реализацию или на другие цели. 
 
 
 

     2. Теоретические основы  процесса обжига 

     При обжиге, главным образом, происходит процесс окисления сульфидов. Механизм окисления включает следующие стадии:

     1.   адсорбция молекулярного кислорода на поверхности сульфидов и диссоциации его на атомарный кислород;

     2. диффузия кислорода внутрь решетки сульфида и встречной диффузии серы на поверхность раздела фаз;

     3. образование первичных соединений  сульфида с атомарным кислородом;

     4. химическое взаимодействие образовавшегося  промежуточного продукта с оставшимся  в центре зерна сульфидом и  сжигании сульфидов материала  выделением оксида и диоксида  серы;

     5. химические взаимодействия оксидов  поверхностей пленки с сернистыми  газами и образование вторичного  сульфата.

     Обжиг ведется в одну стадию. Концентрат непрерывно загружают в рабочую  зону печи КС, а продукт самотеком  удаляется из печи. Кипящий слой характеризуется постоянством температуры  во всех его точках (940-980⁰С) и интенсивным теплообменом. Основное тепло (около 70%) выделяется от сгорания сульфидных материалов. Это тепло отводят с помощью специальных аппаратов.

     Материал  в КС текуч, интенсивно перемешивается, что обеспечивает однородность слоя по составу и температуре.

     Химизмом  процессов является совокупность химических превращений происходящих в определенной последовательности взаимодействия исходных веществ. Химизм процесса характеризуется первичными, промежуточными и конечными продуктами превращений. Соответственно последовательные реакции делят на первичные, вторичные, а их продукты называют первичными, вторичными. Закономерность изменчивости химизма окисления при повышении температуры вызывает смену первичного продукта окисления MeS, происходит в такой последовательности: при низких температурах MeSO₄, при более высоких MeO, а далее -Me^o.

     От  температуры начала заметного окисления  сфалерита и до 900⁰С первичным твердым продуктом является ZnS. Следовательно, при температуре < 900-1000⁰С окисление идет по реакции:

     ZnS+1.5O₂=ZnO+SO₂   (1.1)

     Причем, чем интенсивней окисление ZnS за счет повышения t и Pо₂, тем больше дебаланс между убылью количества ZnS и прибылью количества ZnO в обжигаемых образцах. Обусловлено протеканием реакции:

     ZnS_тв+O₂=Zn_пар+SO₂   (1.2)

     Далее пары цинка окисляются.

     Изоморфное  железо при окислении сразу образует ZnFe₂О₄, полностью связывается с цинком в феррит. Феррит, полученный при t⁰<1000⁰С, фактически немагнитен и плохо растворим в растворах H₂SO₄. Но при t⁰>1000⁰С становится ферромагнитным с той же растворимостью.