Плавка во взвешенном состоянии медного концентрата. Расчет печи. Материальный баланс процесса. Тепловой баланс

Температура газа в передней части отстойной камеры 1300-1400ºС.

Объем газов, в зависимости от температуры, вычисляется по формуле:

.

Площадь сечения газового пространства отстойной камеры равна:

S==.

Площадь сечения газового пространства складывается из площади прямоугольной части и сегмента:

S=b·h+, где b – ширина камеры, м;

h – высота прямоугольной части, м;

r – радиус свода, м;

φ, φ⁰  - центральный угол в радианах и градусах.

Ширина отстойной камеры ПВП на 0,81м больше диаметра плавильной шахты. b=4,5м.

Высота ванны расплава в отстойной камере составляет 0,6м, средняя толщина шлакового слоя 0,35м, штейнового 0,25м.

b=4,5м; r=4,75; φ=1,047;  φ⁰=60º.

Площадь сечения сегмента отстойника:

=;

h=.

Объем шлаковой ванны рассчитывается по уравнению:

V_шл=V·t,

V – объем шлака, м³/час;

t – время отстаивания шлака, час.

Часовой объем шлака определяется исходя из его выхода и производительности печи.

Массовый расход шлака:

V´=.

Плотность шлака ρ=3500кг/м³.

Объемный расход шлака:

V=.

Время отстаивания шлака равно 4-6 часов. Примем t = 5 часов=1,8·10⁴с.

V_шл =V·t = 0,0013·1,8·10⁴=23,7м³.

Объем штейновой составляет 0,7 V_шл.

V_шт=0,7 V_шл=0,7·23,7=16,6м³.

Общий объем ванны отстойной камеры составляет 1,7 V_шл:

V= V_шл+ V_шт=1,7 V_шл=40,3м³.

Длина отстойной камеры рассчитывается по уравнению:

, где b – ширина ванны, равная ширине газового пространства камеры, м;

h – высота ванны расплава, м.

.

2. 3. Расчет аптейка

Объем отходящих газов составляет 20026 м³/час. Секундный объем газового потока: .

При температуре газов 1300ºС секундный объем равен:

.

Скорость газового потока составит:

, где S – площадь сечения аптейка, м².

Частица шихты должна пройти расстояние аптейка не более чем за 7-10 секунд – время, необходимое для восстановления отходящих газов.

, что соответствует стандартным размерам.

На основании полученных в результате расчета данных составляется таблица, в которой отображаются размеры печи.

                                                                                                          Таблица 2.

Размеры печи

Реакционная шахта Высота шахты, м Диаметр шахты, м Скорость газового потока, м/с Площадь внутренней поверхности стен и свода, м2 Толщина стен и свода (хром-магнезитовый кирпич), м	8,4 3,7 3 201 0,375
Отстойная камера Площадь сечения газового пространства, м2 Высота прямоугольной части, м Ширина, м Радиус свода, м Центральный угол, град Центральный угол, рад Толщина шлакового слоя, м Толщина штейнового слоя, м Высота ванны расплава, м Объем шлаковой ванны, м3 Объем штейновой ванны, м3 Объем ванны отстойной камеры, м3 Длина отстойной камеры, м Высота, м Площадь пода, м2 Площадь стенок, м2 Площадь стенок шлаковой зоны, м2 Площадь стенок штейновой зоны, м2 Толщина кладки стен, м Хром-магнезитовый кирпич (1 слой) Шамотный кирпич (2 слоя) Толщина кладки свода (хром-магнезитовый кирпич), м Толщина кладки пода, м Хром-магнезитовый кирпич Шамотный кирпич	4,7 0,99 4,5 4,75 60 1,047 0,35 0,25 0,6 23,7 16,6 40,3 15 1,8 67,5 40,6 23,7 16,9 0,69 0,23 0,46 0,375 1,15 0,92 0,23
Аптейк Сечение аптейка, м2 Ширина, м Высота, м Площадь внутренней поверхности стен и свода, м2 Толщина кладки стен и свода (хром-магнезитовый кирпич), м	22,9 2 9,74 122 0,375

3.  Материальный баланс процесса

В расчетах технологии автогенной плавки главным этапом является расчет количества и состава штейна и шлака. При проведении автогенной плавки изменением удельного расхода кислорода дутьем можно в пределах, определяемых условиями автогенного процесса, изменить степень десульфуризации. Таким образом, количество серы, переходящей в штейн, или другими словами, количество получаемого штейна можно выбирать произвольно. Это одновременно означает вести плавку на штейне можно разного состава (по содержанию цветных металлов или железа). Это в значительной степени является определяющим принципом расчета и облегчает составление модели.

3.1.  Вещественный состав концентрата

Элементарный состав концентрата (% по массе):

              

         Прочие = 2,08

:

1) 58,7 – 178,5

4,3 - Х

Х = 13,07 кг

2) 55,8 – 178,5

Х  - 13,07

Х = 4,09 кг железа

3) 64 S  - 178,5

X S - 13,07

X = 4,68 кг серы

Проверка: 4,68 + 4,09 + 4,3 = 13,07

:

1) 63,6 Cu – 183,4

6,0 Cu – X

X = 17,32

2) 55,8 – 183,4

Х  - 17,32

Х = 5,27 кг железа

3) 64 S  - 183,4

X S  - 17,32

X = 6,05 кг серы

Проверка: 6,05 + 5,27 + 6,0 = 17,32

:

1) 58,9   - 91,0

0,1  - Х

X = 0,15 кг

2) 32 S  - 91,0

X S  - 0,15

X = 0,05 кг серы

Проверка: 0,05 + 0,1 = 0,15

Количество  в :

1)  55,8  – 64 S

Х  – 10,61

X = 9,25 кг железа

Количество  в :

1)   7*55,8 – 32*6

Х  – 10,61  

X = 16,18 кг железа

Количество  в :

1)   3*55,8 - 64

9,21 - Х

X = 3,52 кг кислорода                                                                           Таблица 3  

Комп.	Cu	Ni	Fe	S			MgO	CaO		Прочие	Общ.
		4,3	4,09	4,68							13,07
	6,0		5,27	6,05							17,32
			16,18	10,61							26,79
						4,0					4,0
CaO								2,0			2,0
MgO							2,0				2,0
			9,25	10,61							19,86
				0,05	0,1						0,15
			9,21						3,52		12,73
Прочие										2,08	2,08
%	6,0	4,3	44,0	32,0	0,1	4,0	2,0	2,0	3,52	2,08	100,00

Считаем, что состав пыли соответствует составу  загрузки.

Состав и количество руды участвующей в плавке:

Таблица 5

Ком - ты								CaO	MgO	Прочие	Всего
Ni	4,128										4,128
Cu		5,76									5,76
			0,096								0,096
S	4,49	5,808	0,048	10,186	10,186						30,72
Fe	3,925	5,059		8,88	15,533	8,842					42,24
							3,84				3,84
MgO									1,92		1,92
CaO								1,92			1,92
						3,379					3,379
прочие										1,997	1,997
Итого	12,547	16,627	0,144	19,066	25,719	12,221	3,84	1,92	1,92	1,997	96

Расчет количества и состав штейна:

Примем извлечение в штейн из шихты:

(Cu) = 83%,  = 85%,  = 36%

(Cu) = 4,128*0,85 = 3,508 кг

 = 5,76*0,83 = 4,781 кг

 = 0,096*0,36 = 0,035 кг

Содержание (Cu) +  в штейне 40%:

(Cu) +  = 8,289

8,289 – 40%

Х – 100%     Х = 20,723 кг

Количество и состав штейна:

Таблица 6

Ком-ты	Ni		Cu				Fe		S				Прочие		Всего
	кг	%	кг	%	кг	%	кг	%	кг	%	кг	%	кг	%	кг	%
	3,508	16,928							1,275	6,153					4,783	23,08
			4,781	23,071					1,205	5,815					5,986	28,89
					0,035	0,169			0,019	0,092					0,054	0,26
							4,676	22,564	2,682	12,942					7,358	35,51
							1,627	7,851			0,622	3,001			2,249	10,85
прочие													0,293	1,414	0,293	1,414
Итого	3,508	16,928	4,781	23,071	0,035	0,169	6,303	30,415	5,181	25,0	0,622	3,001	0,293	1,414	20,723	100

Количество S в :

1)   3*58,7 – 3,508

64   -   X S   

X = 1,275 кг серы

Количество S в:

1)   63,5 – 4,781

32   -   X S   

X = 1,205 кг серы

Количество S в:

1)   58,9 – 0,035

32   -   X S   

X = 0,019 кг серы

Количество  в:

1)   55,8 –  Х         

32   -   2,682    

X = 4,676 кг железа

Количество  в:

1)   3*55,8 –  Х     

64   -   0,622    

X = 1,627 кг железа

Расчет диссоциации высших сульфидов:

1) 2CuFeS₂=Cu₂S+2FeS+0,5S₂  

2) 3NiFeS₂=Ni₃S₂+FeS+0,5S₂      

3) Fe₇S₈=7FeS+0,5S₂ 

4)     

Расчет по реакции (1):

Количество :                    

1)   2*183,3 – 159                   

16,627   -   X     

X = 7,212 кг

Количество:

1)    366,6 – 87,8*2

16,627   -   X     

X = 7,964 кг

Количество S:

1)    366,6 – 32

16,627   -   X  S  

X = 1,451 кг S

Проверка: 16,627 = 7,21 + 7,96 + 1,45

Расчет по реакции (2):

Количество:                    

1)   3*178,5 – 240,1                   

12,547   -   X     

X = 5,625 кг

Количество:

1)    3*178,5 – 87,8*3

12,547   -   X     

X = 6,172 кг

Количество S:

1)    3*178,5 – 32

12,547   -   X  S  

X = 0,749 кг S

Проверка: 12,547 = 6,172 + 0,749 + 5,626

Расчет по реакции (3):

Количество:

1)    646,6 –  7*87,8

25,719   -   X     

X = 24,446 кг

Количество S:

1)    646,6 – 32

25,719   -   X  S  

X = 1,273 кг S

Проверка: 25,719 = 1,273 + 24,446

Расчет по реакции (4):

Количество:

1)    119,8 –  87,8

19,066   -   X     

X = 13,973 кг

Количество S:

1)    119,8 – 32

19,066   -   X  S  

X = 5,093 кг S

Проверка: 19,066 = 13,973 + 5,093

Итого получилось при диссоциации:

S = 5,093 + 1,273 + 0,749 + 1,451 = 8,566 кг

 = 13,973 + 24,446 + 6,172 + 7,964 = 52,555 кг

 = 7,212 кг

 = 5,626 кг

Таблица состава шлаков без флюсов, оценка шлака.

Таблица 7

Компоненты	Приход	Расход
Элементы	Руда уч. при плавке	Штейн	Шлак
	5,626	4,783	0,843	1,44
	7,212	5,986	1,226	2,09
	0,144	0,054	0,054	0,15
	52,555	7,358	1,147	1,96
	3,84	-	3,84	6,55
CaO	1,92	-	1,92	3,27
MgO	1,92	-	1,92	3,27
	12,221	2,249	9,734	16,59
	-	-	36,242	61,78
Прочие	1,997	0,293	1,704	2,90
Всего	87,434	20,723	58,666	100

В шлак переходит :

5,626 – 4,783 = 0,843

Количество S в  в шлаке:

1)    240,1 – 2*32

0,843   -   X  S  

X = 0,225 кг S

Количество в  шлаке:

1)    240,1 – 2*58,7

0,843   -   X  S  

X = 0,618 кг

В шлак переходит:

7,212 – 5,986 = 1,226 кг

Количество  в   в шлаке:

1)   159 – 2*63,5

1,226   -   X    

X = 0,979 кг

Количество S в   в шлаке:

1)   159 – 32

1,226 - X S 

X = 0,247 кг S

В шлак переходит:

0,144 – 0,054 = 0,09 кг

Количество  в   в шлаке:

1)   90,9 – 58,9

0,09   -   X   

X = 0,058 кг

Количество S в   в шлаке:

1)   90,9 – 32

0,09   -   X   

X = 0,032 кг

Серы переходит в шлак: 30,72 * 0,03 = 0,922 кг

Серы связанной с : 0,922 – (0,247 + 0,032 + 0,225) = 0,4118 кг

 в шлаке:

1)   55,8 – 32

X   -  0,418

X = 0,729 кг

 в шлаке:

0,418 + 0,729 = 1,147 кг

Аналогично рассчитывается все остальное.

Расчет песчаника:

1) Состав песчаника:

 - 92%

 - 5%

CaO – 3%

2) Количество песчаника: (58,666 + Х)*0,3 = 3,84 +0,92Х

17,599 – 3,84 = 0,62Х

13,759 = 0,62Х

Х = 22,192 кг         

Количество участвующего в плавке:

Таблица 8

Компоненты				CaO	Итого
	20,417	-	-	-	20,417
	-	0,854	0,255	-	1,109
CaO	-	-	-	0,666	0,666
Итого	20,417	0,854	0,255	0,666	22,192

Расчет количества, флюсов с учетом пылевыноса:

1) Количество песчаника с учетом пылевыноса:

22,192 – 96

Х  - 100

Х = 23,117 кг

Количество и состав  загружаемого в ПВП.

Таблица 9

Ком - ты			CaO						Итого
	кг	%	кг	%	кг	%	Кг	%	кг	%
	21,267	92,0	-	-	-	-	-	-	21,267	92
CaO	-	-	0,694	3,0	-	-	-	-	0,694	3,0
	-	-	-	-	0,89	3,85	-	-	0,89	3,85
	-	-	-	-	-	-	0,266	1,15	0,266	1,15
Итого	21,267	92,0	0,694	3,0	0,89	3,85	0,266	1,15	23,117	100

Расчет количества пыли с учетом песчаника:

Количество пыли, которое образуется за счет .

Таблица 10

Ком –ты		CaO			Итого
	0,85	-	-	-	0,85
CaO	-	0,028	-	-	0,028
	-	-	0,036	-	0,036
	-	-	-	0,011	0,011
Итого	0,85	0,028	0,036	0,011	0,925

Общее количество пыли см. таблицу 11.

Расчет необходимого количества кислорода:

  (2)

Баланс  участвующая в плавке -  = 12,221 – 2,249 = 9,972 кг

В шлаке должно быть:  - 9,972 + 9,734 = - 0,238 избыток

 (1)

  (3)

Расчет реакции (1):

Количество:

1)    3*231,4 –  87,8

0,238   -   X     

X = 0,03 кг

Количество :

1)    3*231,4 – 71,8

0,238   -   X  

X = 0,246 кг

Количество :

1)    3*231,4 – 64

0,238   -   X  

X = 0,022 кг

Проверка: 0,238 + 0,03 = 0,246 + 0,022

0,268 = 0,268

Расчет реакции (2):

Количество:

1)    87,8 –  71,8

X  -  35,996  

X = 44,017 кг

Количество :

1)    48,0 – 71,8

X   -  35,966

X = 24,064 кг

Количество :

1)    64,0 – 71,8

X   -  35,996

X = 32,085 кг

Проверка: 44,017 + 24,064 = 32,085 + 35,996

68,081 = 68,081

Расчет реакции (3):

Количество :

1)    32,0 – 32,0

X   -  8,566

X = 8,566 кг

Количество :

1)    64,0 – 32,0

X   -  8,566

X = 17,132 кг

Проверка: 8,566 + 8,566 = 17,132

Всего требуется  = 32,630 кг

Итого требовалось = 49,240 кг

Фазовый состав шлака с учетом флюсов: (см. таблицу 12)

Количество и состав газов в плавке:

Принимаем подсос воздуха 30%, коэффициент использования  в ПВП – 90%

Требуется :

В техническом : 95% -

5% -

Технического  требуется:

В техническом кислороде:  - 25,379 или кг

В техническом кислороде: 26,715 – 25,37 = 1,336  или

В газы перейдет : 36,256 –32,630 = 3,626 кг

В газы перейдет : - 1,67 кг

Через фурму имеет место подсос воздуха 30%: 26,715 * 0,3 = 8,015

В нем : 26,715 * 0,3 * 0,21 = 1,683  или 2,404 кг

В нем : 26,715 * 0,3 * 0,79 = 6,331 или 7,914 кг

Состав газов с учетом подсоса воздуха

Таблица 13

Компоненты	кг	Вес, %		Об.. %
	49,24	75,92	17,23	59,17
	6,03	9,30	4,22	14,49
	9,584	14,78	7,67	26,34
Итого	64,854	100	29,12	100

Расчет материального баланса ПВП сведен в таблицу 14.

4. Тепловой баланс процесса

4.1. Приход тепла

Теплота реакций процесса

Обозначим тепловые эффекты Hº₂₉₈ (кДж/моль) учитываемых нами реакций буквой q c индексом, отвечающим номеру реакции ( для реакции (1) – q₁, для (2) – q₂ и т.д.), а количество  тепла (кДж), выделяемого или появляющегося в процессе автогенной плавки по этим реакциям, соответственно Q₁, Q₂ и т.д.

Тепло реакций (1-3) рассчитывается по количествам содержания в NiFeS₂, CuFeS₂, Fe₇S₈ соответственно Ni, Cu, Fe.

;

;

;

Остальные реакции рассчитываются по количествам участвующих в них соединений:

;

;

;

;

.

.

Подсчет тепловых эффектов.

Справочные данные дают следующие значения теплот образования соединений, участвующих в реакциях - Hº₂₉₈ (кДж/моль). Теплоты образования различных соединений представлены в табл. 15.

                                                                                                         Таблица 15.

Теплоты образования соединений

Соединение	Hº298,  МДж/кмоль
NiFeS2 CuFeS2 Fe2О3 Fe3О4 Fe7S8 Cu2S Ni3S2 FeS FeO SO2 S2 2FeO· SiO2	---- -190 -8,22 -1118 -755 -79,5 -216 -100 -240 -297 -128 -34,3

Т. к. теплота образования NiFeS₂ неизвестна, примем, что q₁=q₂, и подсчитаем тепловые эффекты реакций. Приводится пример расчета для реакции (1).

q₁=q₂=2·(-190)-[-79,5+2·(-100)+0,5·(-128)]=-36,3 МДж/кмоль.

Аналогично рассчитываются остальные реакции. Результаты сводятся в табл. 16.

                                                                                                         Таблица 16.

Теплота реакций процесса

Реакции	qi,  МДж/кмоль	Qi, МДж
3NiFeS2= Ni3S2+3FeS+0,5S2 2CuFeS2= Cu2S+2FeS+0,5S2 Fe7S8=7FeS+0,5S2 FeS+1,5O2=FeO+SO2 FeS+5O2= Fe3О4+3SO2 Fe2О3+FeO= Fe3О4 S2+2O2=2SO2 2FeO+SiO2=2FeO· SiO2	-36,3 -36,3 12,2 461 1076 30,5 465 -34,3	-0,66 -7,17 -0,78 197 16,6 1,36 55,1 -7,15
Итого	1937,8	254,3

Энтальпия материалов и продуктов плавки.

Физическое тепло шихты

В состав твердой шихты входят руда и кварцит. Твердая шихта поступает в печь с температурой 20ºС. Средняя удельная теплоемкость твердой шихты 0,838кДж/кг. Количество тепла, вносимое твердой шихтой:

Q_щихт=0,838·118,6·20=19877 кДж=1,99 МДж.

Физическое тепло дутья.

Печь ПВП работает на обогащенном дутье – смеси технического кислорода и воздуха. Обозначим объемное содержание кислорода в техническом кислороде {O₂}_т.к.,%. Масса азота в кислородно–воздушном дутье . Масса и объем технического кислорода и воздуха в дутье соответственно m_т.к. и m_вз, V_т.к. и V_вз. Примем V_т.к. и V_вз в качестве промежуточных неизвестных:

V_т.к. =j; V_вз=i.

Объемы кислорода в техническом кислороде и воздухе (содержание кислорода в воздухе 21%объем.):

[O₂]_т.к.=0,01{O₂}_т.к.·j; [O₂]_вз=0,21i.

Объемы азота в техническом кислороде и воздухе:

[N₂]_т.к.=(1-0,01{O₂}_т.к.)·j; [N₂]_вз=0,79i.

Промежуточная система уравнений:

0,01{O₂}_т.к.·j+0,21i=0,700;

(1-0,01{O₂}_т.к.)·j+0,29i=0,799.

Решив эту систему, получим:

j=;

i=

 или

V_т.к. =;

V_вз=.

Зная V_т.к. и V_вз (выраженные через ), найдем теплоту вносимую техническим кислородом и воздухом дутья:

Q_т.к.= С_т.к.·t_т.к.·V_т.к.; Q_вз= C_вз·t_вз·V_вз,

где С_т.к. и C_вз – средние объемные теплоемкости соответственно технического кислорода и воздуха в интервале температур от 0 до t_т.к. и t_вз (кДж/(м³·град).

Примем:

t_т.к. =50ºС;

С_т.к. =1,13 кДж/(м³·град);

t_вз =30ºС;

C_вз =1,298 кДж/(м³·град);

{O₂}_т.к.=95%.

Из материального баланса =25,9кг.

Подставив эти и ранее найденные величины, получим:

j=19,35-0,227;

i=1,03-1,22.

Отсюда

Q_т.к.= С_т.к.·t_т.к.·V_т.к.=1,31·50·(19,35-0,277·)=1267-18,14·;

Q_вз= C_вз·t_вз·V_вз=1,298·30·(1,03·-1,22)=40,1·-47,5;

Q_д= Q_т.к.+ Q_вз=1219,5-21,96·;

=86,7кг.

Q_д=3123,4кДж=3,12МДж.

4.2. Расход тепла

Тепло, уносимое отходящими газами

Теплоту технических газов рассчитываем по отдельным газовым