Обжиг цинковых концентратов в печах кипящего слоя

     Пылевынос при обжиге составляет 30-50% и зависит от дисперсности шихты и гидродинамического режима обжига. До 90-95% выносимой газовым потоком пыли улавливается в циклонах и 3-6% в системе тонкого пылеулавливания. При переработке в кипящем слое гранулированного материала вынос пыли снижается до 5-25%. В большинстве случаев состав пылей и огарков одинаков.

     В зарубежной практике при высокой  скорости дутья воздуха выпуск огарка через сливной порог невысок (18-40%), большая часть материала уносится в пыль.

     Уменьшению  пылевыноса способствует увеличение надслоевого объема, а также возврат циклонной пыли в КС (циклон возврата), что ведет к укрупнению пыли и повышает долю материала, выгружаемого из печи через сливной порог.

     Скорость  дутья также влияет на процесс. При  повышении скорости дутья (до 600-675м³/м²ч) усиливается пылевынос из печи КС. В зарубежной практике при форсированном дутье воздуха выпуск огарка через порог невысок. Это увеличивает долю обжига шихты во взвешенном состоянии и снижает производительность по обожженному материалу, пригодному для выщелачивания, а также несет другие нежелательные последствия. В производстве нормальное состояние кипящего слоя создается при давлении 15-16 кПа, из них 4-6 кПа приходится на преодоление гидравлического сопротивления подины печи.

     Конструкция печи влияет на показатели процесса. Чтобы избежать значительного пылевыноса и повысить степень десульфуризации, печи КС делают с большим объемом надслоевого пространства: высокие (12-17м) и расширяющиеся в верхней части (в 1,3-1,5 раза). Из-за этого скорость газа при выходе из КС значительно уменьшается и пыль оседает обратно или дольше витает в надслоевом пространстве и полней окисляется. Такая конструкция позволяет повысить концентрацию SO2 в отходящих газах (до 10%) и интенсифицирует обжиг. Обычно печи состоят из одной или нескольких рабочих камер. Последние получили наибольшее распространение в промышленности.

     В условиях псевдоожижения необходимо учитывать явление сегрегации, которое заключается в преимущественном накапливании частиц определенного размера (плотности) в различных по высоте зонах слоя. Сегрегация оказывает влияние на пылевынос из КС. Сепарация, основанная на сегрегации, требует более низких расходов ожижающего реагента, дает более четкое разделение на фракции и позволяет разделять смеси разнородных частиц одинакового размера не подающихся традиционному рассеву. Тем не менее использование сегрегации сдерживается необходимостью поддержания параметров в узких пределах и несовершенством аппаратурного оформления.

     Качество  огарка определяется соответствием  его указанным выше требованиям. Чтобы в огарке содержалось не более 0,1-0,3% сульфидной серы, необходимо достичь степени десульфуризации концентрата при обжиге 90-99,7%. Столь высокая степень десульфуризации сопряжена на завершающей стадии окисления зерен концентрата с малыми скоростями процесса: ничтожна и сильно экранирована окалиной поверхность сульфидного ядра в окисленных зернах. Поэтому быстротечное горение зерна не обеспечит столь низких остаточных содержаний сульфидной серы в огарке. Это достигается благодаря длительному пребыванию в КС основной части материала.

     Умеренное содержание растворимой сульфатной серы (<2-4%) достигается благодаря  тому, что при 950-970 ⁰C вторичные сульфаты цинка образуются в малой степени даже при повышенных Сso₂ в газовой фазе.

     Для нормальной работы системы теплоотъема и пылеулавливания серьезные помехи создают пылевые отложения в пылегазовом тракте. Повышение Сso₂ в отходящих газах вызывает сульфатизацию и упрочнение этих пылевых отложений, что затрудняет их удаление. Сульфатизация отложений становится возможной по мере охлаждения пыли. 

     3.2 Факторы, влияющие на качество  цинкового огарка 

     Огарок  не должен содержать труднорастворимых в слабокислых растворах ферритов цинка, силикатов цинка, способствующих загрязнению раствора кремнекислотой.

     Ферритообразование непосредственно влияет на степень прямого извлечения цинка из обожженного концентрата в раствор. Если сульфиды цинка и железа присутствуют в концентрате в виде марматита (mZnS*nFeS), то есть в изоморфной кристаллической форме, то каждая массовая часть железа нацело связывает в феррит при окислительном обжиге 0,58 массовой части цинка. В случае если сульфид железа находится в структурно-свободном состоянии (пирит) или связан с другим сульфидом (халькопирит), степень ферритообразования будет определяться температурой процесса и полнотой контакта соединений железа и цинка.

     Предупредить  образование феррита цинка при  температуре выше 650°С практически невозможно, однако он может частично разрушаться сернистым и серным ангидридами. Поэтому для снижения ферритообразования необходимо при обжиге создавать условия, способствующие повышению концентрации в газовой фазе сернистого и серного ангидридов и разъединению соединении цинка и железа. В печах для обжига в кипящем слое создаются эти условия, однако снизить заметно степень ферритообразования при этом практически не удается.

     Кремнезем является вредной примесью в цинковых концентратах и содержания его в  них стремятся снизить до минимума. В процессе обжига кремнезем образует с окислами тяжелых цветных металлов (цинка, свинца) легкоплавкие соединения-силикаты, вызывающие оплавление материала в  печи.

     При значительном содержании в огарке растворимых  силикатов приходиться иногда прибегать  к методу «обратного» выщелачивания  обожженного продукта при очень  низкой кислотности, чтобы предотвратить  отрицательное действие кремнезема на гидрометаллургические операции.

     Наибольшее  количество растворимого кремнезема образуется за счет ортосиликата цинка. Снижение температуры обжига до некоторого передела позволяет уменьшить образование ортосиликата цинка и улучшить физические свойства пульпы при последующем выщелачивании огарка. 

     4. Оборудование для обжига цинковых концентратов 

Печь  для обжига цинковых концентратов в кипящем слое (рис.2) представляет собой цилиндрическую вертикальную шахту иногда переменного сечения, диаметром 6-8 м и высотой 9-11 м, поставленную на бетонный фундамент. Шахта, сваренная из стальных листов толщиной 10-12мм, футерована внутри шамотным кирпичом. Толщина футеровки равна 500мм. Наиболее ответственной частью печи является воздухораспределительная подина с воздушной коробкой. Подина должна быть беспровальной, жаростойкой, простой в изготовлении и обеспечивать равномерное распределение поступающего воздуха по всему сечению печи. 

Рис.2. Схема печи кипящего слоя для обжига цинковых концентратов

1 –  подина; 2 – форсунка для розжига печи; 3 – форкамера; 4 – корпус печи; 5 – футеровка; 6 – свод; 7 – отверстие для выхода газов; 8 –сливной порог; 9 – сопло для подачи воздуха: 10 – воздушная коробка; 11 – задвижка с пневмоприводом. 

     Равномерность подачи воздуха, обеспечивающей стабильность кипящего слоя, эффективность использования сжатого воздуха и степень выноса пыли с обжиговыми газами обусловливает конструкция воздухораспределительных сопел. Каждое сопло имеет от 4 до 28 отверстий диаметром от 3 до 10 мм, через которые сжатый воздух выходит либо вертикально, либо горизонтально, либо наклонно. Применяют и комбинированные сопла.

     Число сопел в печи устанавливают с  таким расчетом, чтобы общая площадь  живого сечения отверстий всех сопел  составляла 0,7-1,0% от площади подины. Обычно устанавливают 50 сопел на 1м² подины.

     Форкамеры, подина печи и сливной порог образуют зону кипящего слоя, в которой начинается и протекает большинство реакций обжига сульфидных компонентов концентрата, находящегося в псевдоожиженном состоянии. Форкамеры и сливной порог для увеличения продолжительности пребывания материала в этой зоне расположены на противоположных сторонах печи. Площадь форкамеры составляет обычно 1,5-2м².

     Сливной порог служит для выгрузки огарка из печи и ограничения высоты кипящего слоя. Высота кипящего слоя оказывает  существенное влияние на происходящие в нем процессы. При недостаточной  высоте слоя увеличивается пылевынос из печи, возможны продувы воздуха в отдельных местах с образованием воронок, что приводит к уменьшению вертикальной скорости воздуха в другой части слоя и может вызвать залегание материала на подине печи.

     Вместе  с тем работа печи КС на высоком слое увеличивает продолжительность пребывания материала в зоне кипящего слоя, уменьшает вынос тонких частиц из печи, создает более благоприятные условия для сульфатообразования.

     Многолетней практикой установлена оптимальная высота кипящего слоя 1,2-1,5 м. Такая высота обеспечивает достаточную продолжительность контакта сульфидных зерен с кислородом воздуха и необходимый массообмен для получения заданной степени десульфуризации.