Обжиг на дутье, обогащенном кислородом

Внедрение обжига на дутье, обогащенном кислоро­дом, на отечественных заводах подняло технический уровень гидрометаллургии цинка на новую, более высо­кую ступень. Это мероприятие позволило значительно повысить производительность печей КС, улучшить каче­ство продуктов обжига, увеличить содержание сернисто­го ангидрида в отходящих газах, полнее использовать мощности сернокислотного производства.

На первый взгляд представляется, что применение кислорода, на производство которого затрачивается зна­чительное количество электроэнергии, должно неизбеж­но привести к удорожанию себестоимости продукции за счет разницы в цене сжатого воздуха и кислорода. Это может иметь место только в том случае, если сопостав­лять обжиг на воздушном дутье и дутье, обогащенном кислородом, в отрыве от затрат на сооружение пыле­улавливающих, газоочистных сооружений и сернокислот­ных цехов, в отрыве от конкретных условий свинцово-цинковых предприятий, а также без учета возможности использования попутных компонентов воздуха (аргона и Других газов).

Главное экономическое преимущество использования кислорода заключается в его интенсифицирующем воз­действии на работу существующих установок, в возмож­ности значительно повысить мощность при небольших затратах на их реконструкцию. Поэтому те цинковые заводы, которые перевели обжиг концентратов на дутье, обогащенное кислородом, получили значительный технико-экономический эффект с относительно небольшими капитальными вложениями. Применение кислорода внес­ло также качественно новые моменты в технику и тех­нологию обжига сульфидных материалов в кипящем слое. Их следует рассмотреть более подробно. На скорость основной реакции обжига сульфидов оказывают влияние концентрация кислорода в газовой фазе и тем­пература.

МеS+ 1,5Q₂ = MeO + SO₂ (19)

При температуре 900° С и различном содержании кислорода в дутье время для достижения одной и той же степени десульфуризации значительно сокращается по мере обогащения дутья кислородом [5]. Так, десульфуризация на 90% достигается на воздушном дутье за 10 мин, при содержания кислорода в дутье 28,7% - за 6,5 мин, 33% -за 5,5 мин, 40% - за 4 мин и 58% - за 3 мин, т. с. скорость реакций окисления сульфидов возрастает в 2-3 раза.

При промышленных испытаниях обжига на дутье, обогащенном кислородом, было установлено, что удельная производительность печи КС при содержании кислорода в дутье 27% возрастает при общем количестве дутья на печь 16 тыс. м³/чс 5,92 до 8,45т/(м^г·сут), или на 42%. Выявлена также закономерность роста производитель­ности печи КС на 23% при обогащении дутья кислородом до 24% и на 37% -при обогащении до 26%.

Высокая скорость окисления сульфида цинка воздухом, обога­щенным кислородом, объясняется тем, что при одной и той же ско­рости диффузии воздуха к ядру сульфида (имеется в виду, что плотность зерна сульфида одна и та же) количество вступающего в контакт с сульфидом кислорода значительно больше, что ускоряет процесс десульфуризации. Поскольку реакция окисления сульфида является экзотермической, увеличение скорости ее протекания вызы­вает повышенное выделение тепла в единицу времени, что при по­стоянной величине теплопотерь приводит к резкому возрастанию тем­пературы в зоне кипящего слоя. Более высокая температура слоя в свою очередь способствует ускорению обжига цинкового концент­рата.

До применения кислорода предпринимались попытки форсиро­вать процесс обжига путем повышения рабочей температуры в ки­пящем слое, но большого эффекта это не дало, так как с ростом температуры обжига до 970-980° С происходило значительное укрупнение продуктов обжига. Так, в смеси огарка и циклонной пы­ли содержание фракции +0,2 мм составило 70%, а фракции - 0,2 мм около 30%, в то время как на дутье, обогащенном кисло­родом, содержание этих фракций было соответственно 20 и 80%.

В связи с тем что повышение температуры обжига с 900 до 975° С на воздушном дутье при небольшом увеличении производи­тельности печи приводило одновременно к увеличению содержания в продуктах обжига сульфидной серы (с 0,34 до 0,52%), резкому уменьшению количества водорастворимого цинка (с 2,17 до 0,87%). усилению процесса образования ферритов и силикатов, а в итоге - к снижению степени растворимости цинка с 93 до 92%, этот путь интенсификации обжига без применения кислорода не был признан эффективным.

С внедрением кислорода появилась возможность в полной мере использовать преимущества обжига при высоких температурах. В частности, удалось при обогащении дутья кислородом до 30-34% поднять максимально допустимую температуру в кипящем слое до 1000° С без существенного ухудшения, а в некоторых случаях даже с улучшением качественных показателей. При этом удельная произ­водительность печей КС возросла до 10-12 т/(м²·сут). Вместе с тем следует особо подчеркнуть, что интенсификация обжига цинковых концентратов и повышение производительности печей КС путем ис­пользования кислорода возможны лишь при условии полного отъ­ема из зоны кипящего слоя избыточного тепла, образующегося за счет ускорения реакций окисления сульфидов.

Наряду с увеличением производительности печей КС применение воздушно-кислородного дутья позволило улучшить качественные по­казатели обжига цинковых концентратов, Так, при прочих равных условиях содержание сульфидной серы в огарке, особенно в цик­лонной пыли, при работе на дутье, обогащенном кислородом до 27%, снизилось соответственно с 0,29 до 0,14% и с 0,69 до 0,28%. Немаловажное значение для экономики производства имело и повы­шение содержания сульфатной серы в продуктах обжига. В огарке оно возросло с 0,77 до 1,14%, а в циклонной пыли с 3 до 3,79%. Объясняется это тем, что равновесие реакции SO₂+0,5↔ O₂ SO₃ сдвигается вправо, в сторону образования SO₃, при увеличении кон­центрации кислорода в газовой фазе, что приводит также к сдвигу равновесия вторичной реакции ZnO + SO₃↔ZnSO₄ в сторону обра­зования сульфата цинка.

Благодаря высокой скорости окисления сульфида цинка и повы­шению содержания сернистого ангидрида в газах при воздушно-кис­лородном дутье реакции ферритообразования, несмотря на возрос­шую температуру обжига, сказываются на качестве обожженных продуктов в меньшей степени. В результате степень растворимости цинка за счет снижения содержания сульфидной серы увеличивается.

Следующим существенным отличием обжига на дутье, обога­щенном кислородом, является более высокая концентрация серни­стого ангидрида в отходящих газах. Как известно, на каждый объ­ем кислорода с воздушным дутьем в зону реакций вводится четыре объема азота, который не взаимодействует с компонентами концен­трата и остается в обжиговых газах. При обогащении дутья кисло­родом до 33% на каждый объем кислорода приходится уже толь­ко два объема азота, т. е. активная часть дутья составляет не 1/5. как это имеет место в случае применения воздуха, а 1/3 общего объема. Из реакции ZnS + 1,5 O₂=ZnO+SO₂ видно, что кислород расхо­дуется не только на окисление серы (1 объем), но и на образование окиси цинка (0,5 объема). При этом на 1,5 объема кислорода полу­чается один объем SO_2. Если для упрощения принять, что концент­рат содержит только сульфиды, подобные сульфиду цинка, то при теоретическом расходе воздуха на обжиг концентрата максимальное содержание SO₂ в отходящих газах составит а при обогащении дутья кислородом до 33% т. е. в 1,5 раза выше, чем при воздушном дутье.

Практически при коэффициенте избытка воздуха 1,2-1,3 фак­тическая концентрация сернистого ангидрида в газах будет ниже на 20-30% (отн).

Вполне понятно, что с повышением содержания SO₂ в газах сокращается и их объем. Это создает большие преимущества при строительстве и эксплуатации комплекса обжиговых и сернокислотных установок, так как сокращение объема газов снижает затраты на сооружение пылеулавливающих и газоочистных устройств, повышенная концентрация сернистого ангидрида позволяет более полно использовать мощности сернокислотного цеха и повысить степей извлечения серы из обжиговых газов.

Таблица 7

Результаты обжига цинковых концентратов при различном содержании

кислорода в дутье

Содержание кислорода в дутье, %	Удельная производительность печи, т/(м2·сут)	Содержание в отходящих газах, %	Содержание в смеси огарка и циклонной пыли, %
SO2	O2	SS	SOSO4
24,5	8,20	12,88	3,0	0,45	1,90
27,0	8,45	14,05	4,6	0,21	2,62
28,0	8,44	14,00	6,9	0,20	2,70
29,0	8,40	13,49	10,6	0,17	2,70
35,0	8,35	13,20	13,9	0,06	3,15

В отечественной практике принято обогащать дутье кислородом до 30-34%, что является оптимальной концентрацией при имею­щихся возможностях отъема тепла из зоны кипящего слоя. Повыше­ние содержания кислорода в дутье без принятия особых мер по ох­лаждению слоя не дает большого эффекта при одном и том же отво­де тепла и, кроме того, приводит к снижению степени использования кислорода. Об этом свидетельствуют опытные работы, проведенные на Усть-Каменогорском свинцово-цинковом комбинате с различным содержанием кислорода в дутье. Результаты работ приведены втабл. 7 [5].

Обобщая все сказанное выше об особенностях обжи­га с применением кислорода, можно сделать следующее заключение о преимуществах этого способа по сравне­нию с обычным воздушным дутьем:

1. Благодаря высокой скорости реакции окисления сульфидов за счет повышения концентрации кислорода в газовой фазе и увеличения температуры обжига производительность печей КС в зависимости от степени обогащения дутья возрастает на 40-70%.

2. Улучшается качество продуктов обжига по содер­жанию сульфидной серы и кислоторастворимого цинка.

3. В продуктах обжига увеличивается содержание сульфатной серы, необходимой для компенсации потерь серной кислоты в гидрометаллургическом цикле.

4. Повышается концентрация сернистого ангидрида обжиговых газах с 8-10 до 12-13% и уменьшается их объем на 20-30%.

Вместе с тем обжиг па воздушно-кислородном дутье вызывает укрупнение огарка и осложняет работу котлов-утилизаторов вследствие повышенного сульфатообразования.

Рис. 16. Схема подачи кислорода к турбовоздуходувкам:

1- турбовоздуходувка; 2 - задвижка; 3 - расходомер кислорода; 4 -внеш­ний кислородопровод.

В настоящее время в Советском Союзе освоен выпуск мощных кислородных станций, производительность ко­торых составляет десятки тысяч кубических метров кис­лорода в час. На цинковых заводах установлены кисло­родные блоки первых моделей мощностью до 12 500 м³/ч. Эти блоки производят технический кислород (95% О₂ и не более 0,1% водяных паров). На некоторых из этих блоков из воздуха попутно извлекают аргон.

Технологический процесс получения кислорода вклю­чает очистку воздуха от пыли, сжатие воздуха в ком­прессоре, глубокое охлаждение и сжижение его с после­дующим разделением в ректификационных колоннах на азот и кислород. На производство 1 м³ технического кислорода в зависимости от мощности станции расходу­ется от 0,5 до 0,8 кВт·ч электроэнергии.

При проектировании и строительстве кислородных станций особое внимание уделяется защите блоков разделения воздуха от ацетилена, находящегося в атмо­сфере предприятия. При попадании ацетилена в жидкий воздух и особенно в жидкий кислород он образуем взрывчатую смесь и может при накоплении в воздухоразделительном оборудовании вызвать взрывы.

Кислород для обогащения воздушного дутья печей КС подводится от внешней сети непосредственно к всасывающим трубопроводам, расположенным после каме­ры фильтров, к каждому из нагнетателей воздуха. Схема подвода кислорода показана на рис. 16.