- •Введение
- •Работа 1. Экспериментальное исследование условий псевдосжижения в системе дисперсный материал – газ применительно к работе печей для обжига в «кипящем слое»
- •Описание установки
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Результаты эксперимента и вычислений заносить в таблицу.
- •Работа 2. Определение характеристик воздухораспределительной системы горизонтального конвертера методом физического моделирования
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Работа 3. Исследование режима движения газов в печи взвешенной плавки на физической модели
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Свойства воздуха при 760 мм рт. Ст.
- •Работа 4. Экспериментальные исследования истечения воздуха при его нагреве
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Работа 5. Оценка условий подачи дутья в слой расплава при различных вариантах
- •1) Зона окисления – зона непосредственного контакта расплава с дутьевой струей:
- •Теоретический расход кислорода:
- •Соответственно расход воздуха при 21% кислорода:
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Работа 6. Исследование конвективной теплопередачи в металлургическом рекуператоре
- •Описание установки
- •П орядок выполнения работы
- •Работа 7. Исследование динамики свободной струи
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Работа 8. Исследование условий внедрения верхней непогруженной струи в слой расплава
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Работа 9. Моделирование электрического поля электрической печи для обеднения шлаков при различных вариантах состава шлака
- •Описание установки
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Работа 10. Экспериментальное исследование аэродинамических условий работы шахтной печи
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Работа 11. Определение аэродинамического сопротивления в трубопроводах различной конфигурации
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Работа 12. Исследование механического процесса многоподовой печи
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Средняя теплоемкость воздуха и газов
- •Свойства воздуха при 760 мм рт. Ст.
- •Содержание
Работа 3. Исследование режима движения газов в печи взвешенной плавки на физической модели
Печь взвешенной плавки (ПВП) предназначена для плавки сульфидных медно-никелевых или никелевых рудных концентратов в смеси с флюсами на штейн с повышенным по сравнению с другими типами плавильных печей (отражательными, электротермическими, шахтными) содержанием суммы цветных металлов.
Тонкоизмельченная сухая шихта влажностью менее 0,5% подается в вертикальную цилиндрическую шахту сверху вниз вместе с потоком дутья, которое обогащено кислородом до 28-70% и нагрето до температуры 300-500С.
Подача дутья осуществляется в струйном режиме специальными «горелками». Температура в шахте такова, что частицы сульфидных минералов, который несет поток дутья, претерпевают диссоциацию и одновременно при контакте с кислородом окисляются. На их поверхности за время пролета частицы от устья горелки до ванны печи протекают реакции совместного окисления сульфидов, а в газовом пространстве вокруг частицы происходит также и окисление диссоцированной серы.
Диссоциация (на примере главных минералов)
халькопирит 2 CuFeS2 = Cu2S + 2FeS + S
пирит FeS2 = FeS + S
пентландит 3 NiFeS = Ni3S2 + 3FeS + S
пирротин Fe7S8 = 7FeS + S
и др.
Окисление (на моль кислорода)
2/3 FeS + O2 = 2/3 FeО + 2/3 SO2
3/5 FeS + O2 = 1/5 Fe3O4 + 3/5 SO2
2/7 Ni3S2 + O2 = 6/7 NiО + 4/7 SO2
2/3 Cu2S + O2 = 2/3 Cu2О + 2/3 SO2
S + O2 = SO2
Реакции диссоциации являются эндотермическими, и на них расходуется некоторое количество тепловой энергии, реакции же окисления весьма экзотермичны. Выделяющегося при их протекании тепла оказывается достаточно и на обеспечение процессов диссоциации, и на расплавление самих частиц шихты, каждая их которых в конце траектории превращается в каплю, падающую в отстойную ванну печи. Температура реакционной шахты, парциальное давление кислорода, скорость полета частиц и длина траектории составляют совокупность тех главных параметров, которые определяют степень окисления частиц за время их пребывания в шахте. В зависимости от заданных параметров, в капле, образовавшейся в процессе окисления, сохраняется большая или меньшая часть сульфидов, не успевших окислиться, т.е. остается FeS, Ni3S2, Cu2S. Накопившийся в отстойной зоне печи расплав вследствие различия плотностей сульфидов и оксидов расслаивается на два продукта – внизу тяжелый сульфидный расплав – штейн, а сверху оксидный расплав – шлак. В процессе расслаивания происходят еще и дополнительные физико-химические превращения, весьма важные для получения конечного результата процесса – извлечения как можно большего количества цветных металлов (Cu, Ni, Co) в штейн и минимального перехода их в шлак. Эти дополнительные превращения носят название реакций обменного взаимодействия:
6/7 NiО + 2/3 FeS = 2/7 Ni3S2 + 2/3 FeО + 2/21 SO2
Cu2O + FeS = Cu2S + FeO
Протекание этих реакций обусловлено большей величиной сродства железа к кислороду по сравнению с цветными металлами, вследствие чего сульфид железа как бы предохраняет, в конечном счете, от значительного окисления цветные металлы.
Поскольку, все-таки, некоторая часть цветных металлов оказывается в виде оксидов, да к тому же наиболее тонкая взвесь частиц сульфидов цветных металлов в небольшом количестве «запутывается» в шлаке, шлак печи взвешенной плавки полагается подвергнуть дополнительной переработке для дополнительного извлечения меди, никеля, кобальта. Такая переработка осуществляется в специальных электрических «обеднительных» печах.
Кроме штейна и шлака, продуктом плавки в ПВП являются газы, образовавшиеся в результате реакций, протекающих как в реакционной шахте, так и ванне печи. Как видно из этих реакций, обязательным компонентом этих газов является сернистый ангидрид SO2. Для печей ПВП наиболее приемлемым вариантом утилизации SO2 является использование тепла отходящих газов для получения пара в котлах-утилизаторах, а затем восстановление в цепи специальных химических аппаратов сернистого газа до элементарной серы, являющейся товарным продуктом. Кроме SO2, в газах присутствует некоторое количество кислорода, что объясняется фактом определенной неполноты использования кислорода в реакциях окисления и азот, поступивший с дутьем, а также продукты горения топлива, если оно дополнительно сжигается в печи.
Общее количество газов, образующихся в ПВП, как следует из изложенных сведений по физико-химической природе плавки в ПВП, определяется производительностью печи по шихте, составом шихты и заданной степенью окисления. Количество газов (без учета горения топлива) может быть определено по формулам (на 1 тонну сульфидного концентрата):
а) Объем SO2
SO2 = 2,24(К1 + 0,6К2) нм3
б) Объем избыточного кислорода
О2 = 2,24(и – 1)(К2 + К1 – 0,1nК2) нм3
в) Объем азота
N2 = 2,24и(1-q)/q(К2 + К1 – 0,1nК2) нм3
где К1 и К2 – функция состава концентрата по главным сульфидным компонентам – халькопирит Н%, пирит П%, пирротин Р%, пентландит R%:
К1 = 0,272Н + 0,186R + 0,154Р + 0,833П
К2 = 0,905Н + 0,931R + 1,800Р + 1,388П
– коэффициент «полноты окисления» для ПВП можно принять (0,75 – 0,85); и – коэффициент избытка кислорода (обычно 1,05 – 1,10); n – коэффициент распределения оксидного железа между FeO и Fe3O4; q – доля кислорода в дутье (по объему).
Суммарное количество газов на 1 т концентрата:
газ = SO2 + О2 +N2 , нм³
Обозначив производительность ПВП – А [т/сут], при непрерывном режиме работы получим ежесекундное количество газов:
0 = газА/86400, нм3/сек
С учетом температуры газов в печи tг, рабочий объем газов: t = (tг + 273)0 /273, м3/сек
Формирование процесса движения газов в ПВП происходит в несколько этапов:
1. Струйное истечение дутья из горелок с образованием газо-шихтовых потоков, имеющих температуру, соответствующую температуре нагрева дутья tд. Начальная скорость этих потоков соответствует давлению истечения.
2. Далее, по ходу каждой струи происходит «затухание» скорости в соответствии с законом свободной струи (с учетом наличия взвешенных твердых частиц), а затем струи сливаются в один общий поток, приобретающий за счет теплообмена с раскаленными стенками шахты такую температуру, при которой происходит воспламенение сульфидных частиц и начинается процесс окисления.
3. За счет развития реакций окисления происходит полное изменение состава газа, соответственно всех его свойств, а также и температуры. Газовый поток полностью заполняет шахту, стабилизируется и движется по режиму «руслового» потока уже под действием сил, создаваемых машинами, производящими отсос газов из рабочего пространства печи (дымососами), располагаемыми в конце газоходной системы. Первоначальный импульс давления, создававший струйный режим истечения, на этом участке иссякает. Далее газовый поток разворачивается на 90, изменяет сечение соответственно конфигурации «подсводового» пространства, продолжает движение в горизонтальном «подсводовом» пространстве над расплавленной ванной, снова разворачивается на 90, входя в восстающий газоход, далее переходит в горизонтальный участок, ведущий к котлам-утилизаторам, а потом – в аппараты восстановления сернистого ангидрида.
Столь сложный характер физико-химических и аэродинамических факторов, формирующий газовый поток в ПВП, не позволяет воспроизвести все условия движения газов на физической модели.
Однако, принимая во внимание, что после участка струйного окисления приблизительно посередине высоты реакционной шахты газовый поток упорядочивается и приобретает стабильный характер, создается возможность исследования на модели условий движения газов в печи на том участке, который соответствует стабильному русловому режиму газов в рабочем пространстве ПВП.