Конрольная работа
по дисциплине: «Металлургия тяжелых металлов»
на тему: «Предварительный обжиг
цинковых концентратов для дистилляционного процесса»
Выполнил: студент гр
Челябинск
2009 год
На цинковом дистилляционном заводе подвергают предварительному обжигу концентрат такого состава (в мас.%):
Таблица 1. Химический состав концентрата
| Zn |
Pb |
Cu |
Fe |
S |
Cd |
SiO2 |
CaO |
MgO |
Прочие |
| 52,5 |
2,5 |
1,7 |
5,8 |
31,9 |
0,5 |
2,1 |
0,6 |
0,9 |
1,5 |
Требуется рассчитать:
1. Рациональный состав сырого (необожжённого) концентрата;
2. Количество обожжённого цинкового концентрата, а также его химический и рациональный состав;
3. Количество воздуха, необходимого для предварительного обжига концентрата до порошка;
4. Количество и состав обжиговых газов;
5. Материальный баланс обжига;
6. Тепловой баланс обжига.
Подсчитаем рациональный состав сырого концентрата, полагая, что металлы в нём находятся в виде следующих соединений: Zn в виде ZnS; Pb-PbS; Cu-CuFeS2; Cd-CdS; Fe-FeS2 и Fe7S8 ;CaO-CaCO3и Mg-MgCO3. Расчёт ведём на 100 кг концентрата.
Количество жидкого минерала по элементам, входящим в этот минерал, рассчитывают по соотношениям атомных масс. Приведём примеры расчетов.
Количество ZnS (сфалерит) на 100 кг концентрата:
65,4 кгZn требуют 32 кг S (по молекулярным массам)
52,5 кг Zn- xкг S;
x
s
=(52,5•32)/65,4=25,69 кг
, m
ZnS
=78,19 кг.
Количество PbS (галенит) на 100 кг концентрата:
207,2 кгPb требуют 32 кг S
2,5 кг Pb- x
кг S;
x
S
=(2,5•32)/207,2=0,39 кг
, m
PbS
=2,89 кг
.
Количество CuFeS2 (халькопирит) на 100 кг концентрата:
183,4 кгCuFeS2 содержат 63,6 кг Cu
x
кг CuFeS2 - 1,7 кг Cu;
x
CuFeS
2
=(183,4•1,7)/63,6=4,9 кг
.
В халькопирите содержится серы:
183,4 кгCuFeS2
содержат 64 кг S
4,9 кг CuFeS2
- x
кг S;
x
S
=(4,9•64)/183,4=1,71 кг
.
В CdS содержится серы:
116,36 кгCdS содержат 32 кг S
0,5 кгCd содержат x
кг S;
x
S
=(32•0,5)/116,36=0,14 кг.
Количество железа в халькопирите:
183,4 кгCuFeS2
содержат 55,8 кг Fe
4,9 кг CuFeS2
- x
кг Fe;
x
Fe
=(4,9•55,8)/183,4=1,49 кг
.
Согласно расчёту требуется серы для образования, кг:
ZnS-25,69;
PbS-0,39;
CuFeS2
-1,71;
CdS-0,14
Итого: 27,93.
Остальная часть серы в количестве 31,9-27,93=3,97 кг будут связана с железом в виде FeS2 (пирит) и Fe7S8 (пирротин). Для этих соединений осталось железа 5,8-1,49=4,31 кг.
Примем, что с пиритом связано «а» кг железа, тогда с пирротином (4,31-а) кг железа. Если количество серы в пирите «b» кг, то в пирротине (3,97-b) кг серы. Составляем два следующих уравнения:
для пирита:
55,8 кгFe требуют 64 кг S
акг Fe - b кг S;
x
=b=(64•a)/55,8=1,147a
для пирротина:
(55,8•7) кг Fe требуют (32•8) кг S
(4,31-а) кг Fe- (3,97-b) кг S.
Отсюда, (3,97-1,147а)=(4,31-а)•0,655;
а=2,33 кг;
b=2,67 кг.
Количество FeS2
=2,33+2,67=5 кг;
Количество Fe7
S8
=(4,31-2,33)+(3,97-2,67)=3,28 кг.
Количество CaCO3
:
56,1 кгCaO требуют 44,0 кг CO
0,6 кг CaO- x
кг CO;
x
СО
2
=(0,6•44)/56,1=0,47 кг
,
m
С
aCO
3
=
0,6+0,47=1,07 кг
.
Количество MgCO3
:
40,3 кгMgO требуют 44,0 кг CO2
0,9 кг MgO- x
кг CO;
x
CO
2
=(0,9•44)/40,3=0,98 кг
,
m
MgCO
3
=0,9+0,98=1,88 кг.
Данные по рациональному составу сырого концентрата приведены в табл.2.
Таблица 2.
Рациональный состав сырого цинкового концентрата, %
| Соединение |
Zn |
Pb |
Cu |
Cd |
Fe |
S |
CaO |
MgO |
CO2 |
SiO2 |
Прочие |
Всего |
| ZnS |
52,5 |
25,69 |
78,19 |
| PbS |
2,5 |
0,39 |
2,89 |
| CuFeS2
|
1,7 |
1,49 |
1,71 |
4,90 |
| CdS |
0,5 |
0,14 |
0,64 |
| FeS2
|
2,33 |
2,67 |
5,00 |
| Fe7
S8
|
1,98 |
1,30 |
3,28 |
| CaCO3
|
0,6 |
0,47 |
1,07 |
| MgCO3
|
0,9 |
0,98 |
1,88 |
| SiO2
|
2,1 |
2,10 |
Прочие (по
разности)
|
0,05 |
0,05 |
| Итого: |
52,5 |
2,5 |
1,7 |
0,5 |
5,8 |
31,90 |
0,6 |
0,9 |
1,45 |
2,1 |
0,05 |
100 |
Подсчитаем рациональный состав огарка. Принимаем, что концентрат обжигают в виде порошка в печи с механическим перегребанием, а затем на спекательной машине. В предварительно обожжённом концентрате оставляем 7,9% общей серы, причём 0,9% находится в виде SSO3 и 7,0% в виде SS. В концентрате наиболее трудно обжигающийся сульфид ZnS, поэтому допустим, что вся сульфидная сера будут связана в огарке только с цинком. Сульфатную серу распределяем следующим образом: половину свинца, оксида кальция и оксида магния связываем в сульфатную форму, а остальную серу связываем с цинком в ZnSO4.
Принимаем, что все карбонаты, присутствующие в концентрате, при обжиге диссоциируют полностью; железо окисляется наполовину до Fe2
O3
и наполовину до Fe3
O4
; вся медь окислиться до Cu2
O и весь кадмий-до CdO.
Принимаем, что полуобожжённого концентрата будет получено 87% от сырого. Тогда в огарке будет содержаться 0,783 кг SSO3 и 6,09 кг SS.
Результаты подсчётов рационального и химического составов полуобожжённого концентрата представлены в табл.3.
Количество ZnS:
65,4 кгZn требует 32 кг SS
xкг Zn- 6,09 кг SS
xZn
=(65,4•6,09)/32=12,45 кг,
mZnS
=12,45 + 6,09=18,54 кг.
Количество PbO:
207,2 кгPb требует 16 кг O2
1,25 кгPb- x кг O2
xO
2
=(1,25•16)/207,2=0,097 кг,
mPbO
=1,25 + 0,097=1,347 кг.
Количество Cu2
O:
127,2 кгCu требует 16 кг O2
1,7 кгCu- x кг O2
xO
2
=(16•1,7)/127,2=0,2 кг,
mCu
2
O
=1,7+ 0,2=1,9 кг.
Количество Fe2
O3
:
111,6 кгFe требует 48 кг O2
2,9 кгFe- x кг O2
xO
2
=(2,9•48)/111,6=1,25 кг,
mFe
2
O
3
=1,25 + 2,9=4,15 кг.
Количество Fe3
O4
:
167,4 кгFe требует 64 кг O2
2,9 кгFe- x кг O2
xO
2
=(2,9•64)/167,4=1,11 кг,
mFe
3
O
4
=1,11 + 2,9=4,01 кг.
Количество CdO:
112,4 кг Cd требует 16 кг O2
0,5 кгCd- x кг O2
xO
2
=(0,5•16)/112,4=0,07 кг,
mCdO
=0,5 + 0,07=0,57кг.
Количество PbSO4
:
303,2 кгPbSO4
содержат 207,2 кг Pb
x кг PbSO4
- 1,25 кг Pb
xPbSO
4
=(303,2•1,25)/207,2=1,83 кг.
В PbSO4
содержится серы:
303,2 кгPbSO4
содержат 32 кг SS
0
3
1,83 кгPbSO4
- x кг SS
0
3
xSO
3
=(1,83•32)/303,2=0,19 кг.
В PbSO4
содержится кислорода:
303,2 кгPbSO4
содержат 64 кг O2
1,83 кгPbSO4
- x кг O2
xO
2
=(1,83•64)/303,2=0,39 кг.
Количество CaSO4
:
136,1 кгCaSO4
содержат 57,1 кг CaO
x кг CaSO4
- 0,3 кг CaO
xCaSO
4
=(136,1•0,3)/57,1=0,72 кг.
В CaSO4
содержится серы:
136,1 кгCaSO4
содержат 32 кг SS
0
3
0,72 кгCaSO4
- x кг SS
03
xSO
3
=(0,72•32)/136,1=0,17 кг.
В CaSO4
содержится кислорода:
136,1 кгCaSO4
содержат 48 кг O2
0,72 кгCaSO4
- x кг O2
xO
2
=(0,72•48)/136,1=0,25 кг.
Количество MgSO4
:
120,3 кгMgSO4
содержат 40,3 кг MgO
x кг MgSO4
- 0,45 кг MgO
xMgSO
4
=(120,3•0,45)/40,3=1,34 кг.
В MgSO4
содержится серы:
120,3 кгMgSO4
содержат 32 кг SS
0
3
1,34 кгMgSO4
- x кг SS
0
3
xSO
3
=(1,34•32)/120,3=0,356 кг.
В MgSO4
содержится кислорода:
120,3 кгMgSO4
содержат 48 кг O2
1,34 кгMgSO4
- x кг O2
xO
2
=(1,34•48)/120,3=0,53 кг.
Количество ZnSO4:
161,4 кгZnSO4
содержат 32 кг SS
0
3
x кг ZnSO4
- 0,067 кг SS
0
3
xZnSO
4
=(161,4•0,067)/32=0,34 кг.
В ZnSO4
содержится цинка:
161,4 кгZnSO4
содержат 65,4 кг Zn
0,34 кгZnSO4
- x кг Zn
xZn
=(65,4•0,34)/161,4=0,14 кг.
В ZnSO4
содержится кислорода:
161,4 кгZnSO4
содержат 64 кг O2
0,34 кгZnSO4
- x кг O2
xO
2
=(64•0,34)/161,4=0,13 кг.
ZnZnO
=52,5-12,45-0,13=39,92 кг.
Количество ZnO:
65,4 кгZn требует 16 кг O2
39,92 кгZn- x кг O2
xO
2
=(39,92•16)/65,4=9,77 кг,
mZnO
=39,92 + 9,77=49,69 кг.
Таблица 3.
Рациональный состав полуобожжённого концентрата, %
Соеди-
нения
|
Zn |
Pb |
Cu |
Cd |
Fe |
SS |
SSO3 |
CaO |
MgO |
SiO2 |
O2 |
| кг |
% |
| ZnO |
39,92 |
9,77 |
49,69 |
56,94 |
| ZnSO4 |
0,14 |
0,067 |
0,13 |
0,337 |
0,37 |
| ZnS |
12,45 |
6,09 |
18,54 |
21,24 |
| PbO |
1,25 |
0,097 |
1,347 |
1,54 |
| PbSO4 |
1,25 |
0,19 |
0,39 |
1,83 |
2,10 |
| CaO |
0,3 |
0,3 |
0,34 |
| CaSO4 |
0,17 |
0,3 |
0,25 |
0,72 |
0,83 |
| MgO |
0,45 |
0,45 |
0,52 |
| MgSO4 |
0,356 |
0,45 |
0,53 |
1,336 |
1,53 |
| Fe2O3 |
2,90 |
1,25 |
4,15 |
4,76 |
| Fe3O4 |
2,90 |
1,11 |
4,01 |
4,59 |
| Cu2O |
1,70 |
0,2 |
1,9 |
2,18 |
| SiO2 |
2,1 |
2,1 |
2,41 |
| CdO |
0,50 |
0,07 |
0,57 |
0,65 |
Итого:
| кг |
52,50 |
2,50 |
1,7 |
0,50 |
5,80 |
6,09 |
0,78 |
0,6 |
0,9 |
2,1 |
13,797 |
87,3 |
— |
| % |
60,20 |
2,86 |
1,95 |
0,57 |
6,65 |
6,98 |
0,85 |
0,69 |
1,03 |
2,41 |
15,81 |
— |
100 |
Из этой таблицы видно, что после уточнения выход огарка составил 87,27 % от сырого цинкового концентрата. Подсчитаем десульфурацию при обжиге.
При обжиге должно выгорать серы:
31,9-(0,78+6,09)=25,03 кг.
Десульфурация составит, следовательно:
(25,03•100)/31,9=78,46 %.
Принимаем, что 8% S сгорает в SO3
и остальные 92%-в SO2
. Масса серы, сгорающей в SO3
, составит:
25,03•0,08=2 кг.
Масса серы, сгорающей в SO2:
25,03•0,92=23,03 кг.
Рассчитаем необходимое количество кислорода. Количество кислорода для образования сернистого ангидрида SO2:
(23,03•32)/32=23,03 кг.
Масса SO2=23,03+23,03=46,06 кг.
Количество кислорода для образования серного ангидрида SO3:
(48•2)/32=3 кг.
Масса SO3=2+3=5 кг.
Теоретически требуется кислорода при обжиге 100 кг концентрата:
• для окисления металлов (согласно табл.3)-13,797 кг;
• для окисления серы до SO2-23,03 кг;
• для окисления серы до SO3–3 кг.
Итого: 39,827 кг.
Кислород в печь вводится вместе с воздухом, в котором содержится 23% кислорода, что составит:
(39,827•77)/23=133,3 кг азота.
Теоретическое количество воздуха составит:
39,827+133,3=173,16 кг.
Объём этого воздуха=m/p=173,16/1,293=133,92 м3
Результаты расчётов сведём в табл.4.
Таблица 4. Теоретический состав обжиговых газов
| Компоненты |
кг |
м3 |
об.% |
p,кг/м |
| SO2 |
46,06 |
16,10 |
13,17 |
2,86 |
| SO3 |
5,00 |
1,38 |
1,13 |
3,62 |
| CO2 |
1,45 |
0,76 |
0,62 |
1,90 |
| N 2 |
133,3 |
103,119 |
85,08 |
1,25 |
| Итого: |
185,81 |
121,359 |
100 |
Практически обжиг проводится при большом избытке воздуха; примем в данном расчёте двойное количество воздуха.
В состав избыточного воздуха входит:
O2: 173,16•0,23=39,827 кг или 30,8 м3
N2: 173,16•0,77=133,3 кг или 103,119 м3
Итого: 173,16 кг или 133,92 м3
Количество и состав обжиговых газов при двойном избытке воздуха приведён в табл.5.
Таблица 5. Количество и состав обжиговых газов при двойном избытке воздуха
| Компоненты |
кг |
p,кг/м |
м3 |
об.% |
| SO2 |
46,06 |
2,86 |
16,10 |
6,34 |
| SO3 |
5,00 |
3,62 |
1,38 |
0,54 |
| CO2 |
1,45 |
1,90 |
0,76 |
0,30 |
| N2 |
259,94 |
1,25 |
207,96 |
81,91 |
| O2 |
38,82 |
1,428 |
27,68 |
10,91 |
| Итого: |
351,27 |
253,88 |
100 |
Материальный баланс предварительного обжига цинковых концентратов представлен в табл.6.
Таблица 6. Материальный баланс обжига
| Приход |
кг |
Расход |
кг |
Сырой
Концентрат
|
100,0
|
Полуобожжённый
Концентрат
|
87,30
|
| Воздух |
Газы: |
| азот |
259,94 |
| кислород |
38,82 |
| сернистый ангидрид |
46,06 |
| серный ангидрид |
5,00 |
| двуокись углерода |
1,45 |
| невязка |
0,05 |
| Итого |
338,62 |
Итого: |
438,62 |
Тепловой баланс обжига
Приход тепла:
1. Окисление сульфида цинка по реакции:
ZnS+1,5O2=ZnO+SO2+105630 кал.
По этой реакции окислится (39,92•97,4)/65,4=59,45 кг
ZnS.
Количество цинка, соответствующее данному количеству ZnS берём из табл.3. При этом будет получено (105630•59,45•103
)/97,4=64473,34 ккал.
2. Окисление сульфида цинка по реакции:
ZnS+2O2=ZnSO4+185380 кал.
По этой реакции окислиться (0,14•97,4)/65,4=0,209 кг Zn и будет получено (185380•0,209•103
)/97,4=397,77 ккал.
3. Окисление сульфида свинца по реакции:
PbS+1,5O2=PbO+SO2+100820 кал.
Количество сульфида свинца, окисляющееся по этой реакции
(1,25•239,2)/207,2=1,44 кг PbS,
При этом будет получено (100820•1,44•103
)/239,2=606,94 ккал.
4. Окисление сульфида свинца по реакции:
PbS+2O2=PbSO4+196960 кал.
Окислиться по этой реакции (1,25•239,2)/207,2=1,44 кг PbS, и будет получено (196960•1,44•103
)/239,2=1185,71 ккал.
5. Окисление сульфида кадмия по реакции:
CdS+1,5O2=CdO+SO2+26360 кал.
По этой реакции будет получено (26360•0,64•103
)/144,4=116,83 ккал.
6. Окисление сульфида меди по реакции:
Cu2S+1,5O2=Cu2O+SO2+91800 кал.
Окислиться по этой реакции (1,7•159,2)/127,2=2,13 кг Cu2Sи будет получено (91800•2,13•103
)/159,2=1228,29 ккал.
7. Окисление пирита по реакции:
4FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2+790600 кал.
По этой реакции будет получено тепла (790600•5,00•103
)/479,2=8249,17 ккал.
8. Окисление FeS по реакции:
2FeS+3,5O2=Fe2O3+2SO2+292980 кал.
Окислиться по этой реакции m
Fe
(
Fe
2
O
3
)
табл 3
-
m
Fe
(
FeS
2
)
табл 2
=
2,9-2,33=0,57 кг железа, что даёт (0,57•87,8)/55,8=0,9 кг FeS. При этом будет получено тепла (292980•0,9•103
)/175,6=1501,61 ккал.
9. Окисление FeS по реакции:
3FeS+5O2=Fe3O4+3SO2+411720 кал.
2,9 кг Fe в виде FeS составит (2,9•87,8)/55,8=4,56 кг FeS. При этом будет получено тепла (411720•4,56•103
)/263,4=7127,73 ккал.
10. Образование сульфата кальция по реакции:
CaO+SO3=CaSO4+96070 кал.
По этой реакции будет получено тепла (96070•0,72•103
)/136,1=508,23 ккал.
11. Образование сульфата магния по реакции:
MgO+SO3=MgSO4+67210 кал.
По этой реакции будет получено тепла (67210•1,336•103
)/120,3=746,41 ккал.
12. Окисление серы по реакции:
1/2S2
+ O2
= SO2
По этой реакции будет получено тепла:
для халькопирита: (70960•0,43•103
)/32=947,98 ккал;
для пирротина: (70960•0,16•103
)/32=360,34
Всего получено тепла 87450,35 ккал.
Расход тепла
1. Потери тепла с отходящими газами, нагретыми до °С, ккал:
Q=mi•ci•t.
SO2: 46,06•0,177•580=4728,52
SO3: 5,00•0,177•580=513,30
CO2: 1,45•0,2493•580=209,66
N2: 259,94•0,2571•580=38761,73
O2: 38,82•0,2371•580=5338,45
Итого: 49551,66
2. Потери тепла с обожжённым концентратом, нагретым до 620°С:
87,30•0,22•620=11907,72 ккал.
3. Расход тепла на разложение карбонатов по реакциям:
CaCO3=CaO+CO2-42498 кал;
(42498•1,07•103
)/100,1=454,27 ккал;
MgCO3=MgO+CO2-28108 ккал;
(28108•1,88•103
)/84,3=626,85ккал;
Итого-1081,12 ккал.
4. Испарение воды на подсушивающем поде. Допустим, что в концентрате 6% H2O, и вся она испаряется на подсушивающем поде, тогда расход тепла составит λ•m=540•100•0,06=3240 ккал.
5. Разложение CuFeS2
и Fe7
S8
примерно одинаков и равен 144,9 ккал/кг. Тогда на разложение этих соединений будет затрачено тепла
(1,49+1,98)•144,9=502,8 ккал.
6. Теплоизлучение и другие потери тепла определяются по разности. Результаты расчета теплового баланса обжига представлены в табл.7.
Таблица 7. Тепловой баланс обжига цинковых концентратов
| № |
Приход тепла |
ккал |
% |
№ |
Расход тепла |
ккал |
% |
| 1 |
Окисление сульфида цинка до оксида |
64473,34 |
73,48 |
1 |
Унос с отходящими газами |
49551,66 |
57,52 |
| 2 |
Окисление сульфида цинка до сульфата |
397,77 |
0,45 |
2 |
Унос с огарком |
11907,72 |
13,82 |
| 3 |
Окисление PbS до PbO |
606,94 |
0,69 |
3 |
На разложение карбонатов |
1081,12 |
1,26 |
| 4 |
Окисление PbS до PbSO4 |
1185,71 |
1,36 |
4 |
На испарение воды из концентрата |
3240 |
3,76 |
| 5 |
Окисление CdS до CdO
|
116,83 |
0,13 |
5 |
На разложение сульфидов
CuFeS2 и Fe7S8
|
502,8 |
0,58 |
| 6 |
Окисление Cu2S до Cu2О |
1228,29 |
1,40 |
6 |
Теплоизлучение (по разности) |
19858,73 |
23,06 |
| 7 |
Окисление FeS2 до Fe2O3 |
8249,17 |
9,43 |
| 8 |
Окисление FeS до Fe2O3 |
1501,61 |
1,72 |
| 9 |
Окисление FeS до Fe3O4 |
7127,73 |
8,15 |
| 10 |
Образование CaSO4 |
508,23 |
0,59 |
| 11 |
Образование MgSO4 |
746,41 |
0,86 |
| 12 |
Окисление серы |
1308,32 |
1,5 |
Итого |
86142,03 |
100 |
Итого 87450
,35 100
Выводы
1. При данном обжиге избытка тепла нет, поэтому зачастую требуется подтопка посторонними источниками тепла.
2. Целесообразно воздух, нагретый при охлаждении печи, вводить в печь для обжига.
|