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

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  

Считаем, что состав пыли соответствует составу  загрузки.

Состав и количество руды участвующей в плавке:

Таблица 5

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

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

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

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

Расчет количества пыли с учетом песчаника:

Количество пыли, которое образуется за счет .

Таблица 10

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

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

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

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