Краткие теоретические сведения

Обжиг сульфидных руд относится к типовым процессам, применяемым в цветной металлургии в качестве первой стадии переработки концентрата цветного металла, в производстве серной кислоты и целлюлозы с целью получения двуокиси серы и т. п. Закономерности, лежащие в основе этого процесса, справедливы для обжига любого сульфидного сырья: пирита FeS₂, пиротина Fe₇S₈, халькопирита CuFeS₂, медного блеска Cu₂S, цинковой обманки ZnS и т. п. Общая скорость обжига сульфидных руд, как и для многих других высокотемпературных процессов обжига, при температурах выше 600 °С лимитируется диффузионными стадиями подвода реагентов (кислорода воздуха) и отвода продукта (двуокиси серы) из зоны реакции.

Рассмотрим закономерности обжига сульфидного сырья на примере обжига колчедана – основного сырья для производства двуокиси серы, состоящего из пирита и примесей. Химические реакции, сопровождающие обжиг колчедана, можно выразить следующим суммарным уравнением, применяемым для материальных расчетов этого процесса:

4FeS₂ + 11О₂ = 2Fe₂O₃ + 8SO₂ + Q . (1)

Фактически при обжиге сульфидных руд происходит целый ряд последовательных и параллельных реакций, ход которых определяется в основном температурой. Все эти реакции, как и процесс обжига в целом, протекают необратимо. При нагревании в печи выше 500 °С происходит быстрая диссоциация термодинамически неустойчивого соединения FeS_2..

2FeS₂ = 2FeS + S₂. (2)

Выделившаяся сера быстро сгорает

S₂ + 2О₂ = 2SO₂ (3)

Выше 600 °С окисление сульфида железа происходит по суммарному уравнению 4FeS + 7О₂ = 2Fe₂O₃ + 4SO₂ + Q(4)

через ряд стадий с последовательным образованием FeO, а затем Fe₃O₄ и Fe₂O₃. В результате каталитического действия окислов железа в печи образуется небольшое количество серного ангидрида SO₃ за счет окисления двуокиси серы.

Окисление сульфида железа FeS лимитирует общую скорость обжига сульфидных руд вследствие медленных диффузионных стадий, предшествующих окислению по реакции (4) и сопровождающих его. Зерна сульфида железа в процессе окисления покрываются пленкой окислов железа, затрудняющей диффузию кислорода к неокисленному ядру FeS и обратную диффузию двуокиси серы в газовую фазу.

Газ обжига колчедана содержит в зависимости от типа печи SO₂ 7–13 %, О₂ 4–11 %, SO₃ до 0,5 % и азот. Твердый остаток обжига – огарок – состоит из окислов железа (Fe₂O₃ и Fe₃O₄) и содержит 0,5–2% невыгоревшей серы. Оптимальные условия обжига колчедана (а также и другого сульфидного сырья) определяются кинетикой диффузии реагентов к поверхности взаимодействия фаз и могут быть рассчитаны из общего кинетического уравнения массопередачи:

,

где – общая скорость обжига, выраженная дифференциалом количества продукта SO₂ во времени; k_м – коэффициент массопередачи; F – величина межфазной поверхности, равная поверхности всех частиц; DС – движущая сила обжига, зависящая от концентрации кислорода в воздухе и содержания серы в колчедане.

Увеличить движущую силу обжига DС можно обогащением сульфидного сырья многократной флотацией, например, с увеличением содержания чистого пирита (FeS₂) в сырье до 90 % и выше, а также обогащением воздуха кислородом. На практике для увеличения доступа кислорода к поверхности обжигаемых частиц применяют избыток кислорода в 1,2–1,8 раза больший, чем это требуется теоретически по расчетному стехиометрическому уравнению (1).

Коэффициент массопередачи можно увеличить повышением температуры и интенсивным гидродинамическим режимом в печи, способствующим перемешиванию реагентов (частиц колчедана в потоке воздуха). Повышение температуры (ускоряющее химические реакции и диффузию) возможно лишь до оптимальной, составляющей, в зависимости от типа печи, 850–1000 °С. Дальнейший рост температуры ограничивается термической нестойкостью исходного реагента – колчедана, который легко спекается в крупные агрегаты, в результате чего резко уменьшается межфазная поверхность и нарушается работа в печи.

Для увеличения k_M используют перемешивание, которое не только уменьшает диффузионные сопротивления, но и увеличивает и обновляет F – поверхность соприкосновения сульфида железа с кислородом воздуха. Для этого применяют измельченный колчедан с размером частиц 0,03–0,3 мм. Способы перемешивания частиц обжигаемого материала с воздухом определяются типом и конструкцией печи.

В настоящее время для обжига сульфидного сырья применяются три типа печей: механические полочные, пылевидного обжига ивзвешенного (кипящего) слоя (КС). Все эти печи работают автотермично, т. е. нагрев в них происходит за счет тепла реакций окисления серы и сульфидов.

В механических полочных печах обжиг измельченного материала производится в слоях, лежащих на сводах печи. Перемешивание (перегревание) и передвижение обжигаемого материала на сводах осуществляется механическими мешалками. Интенсивность этих печей (типа ВХЗ) составляет около 225 кгколчедана (45 % S) в сутки на 1 м²пода. В печах пылевидного обжига тонкоизмельченный материал распыляется в потоке воздуха, а в печах кипящего слоя – обжигаемые частицы взвешены в потоке воздуха. В печах последних двух типов достигается максимальная интенсивность обжига и наиболее высокая концентрация SO₂ в печном газе (до 15 % SO₂ в печах КС). При обжиге в пылевидном состоянии, и особенно во взвешенном слое, наблюдаются следующие преимущества: 1) высокая дисперсность обжигаемого материала (что резко уменьшает внутренне-диффузионные сопротивления и увеличение F); 2) турбулентное омывание всех частиц потоком воздуха; 3) возможность понижения коэффициента избытка воздуха, в результате чего повышается концентрация SO₂ в газе; 4) высокая теплопроводность взвешенного слоя (тепло передается с большой скоростью конвективным движением частиц), позволяющая регулировать температуру, размещая непосредственно в слое холодильников – секций парового котла; 5) подвижность и текучесть материала во взвешенном слое, облегчающая выгрузку огарка из печи. Весь процесс обжига в печах взвешенного слоя (КС) легко регулируется и может быть полностью автоматизирован.

Рис. 2.6.1. Схема установки

для обжига колчедана в неподвижном слое

Основным недостатком печей КС является большой пылеунос и, следовательно, высокая запыленность печного газа (до 300 г/м³).Это сильно усложняет очистку газа от пыли.

В настоящей работе исследуется влияние режимных факторов (температуры и избытка воздуха, содержания серы в колчедане, размера частиц, типа печи) на скорость обжига, выражаемую как изменение концентрации SO₂ в печном газе по времени или как производительность печи. В лабораторных установках моделируем процесс обжига колчедана в неподвижном слое в двух вариантах.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: