冶金专业毕业设计

包头职业技术学院

毕 业 设 计（论 文） (材料成型技术系)

题 目 年产6万吨锌冶炼沸腾焙烧炉的设计

专 业 冶金技术专业

班 级 5093323班

姓 名 张勇

学 号 50933234

指导教师 姚艳玲

完成日期 2011年12月01日

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目 录

摘 要 ................................................................................................................................................................ 1 第一章 设计概述 ...................................................................................................................................... 2

1.1设计依据 .......................................................................................................................................... 2 1.2设计原则和指导思想 ................................................................................................................ 2 1.3厂址及建厂条件论证 ................................................................................................................ 2 1.4毕业设计任务................................................................................................................................ 3 第二章 工艺流程的选择与论证....................................................................................................... 4

2.1原料组成及特点 .......................................................................................................................... 4 2.2锌冶金及沸腾焙烧工艺概述 ................................................................................................ 4 2.3沸腾焙烧工艺及主要设备的选择 ..................................................................................... 5 2.3.1沸腾焙烧炉炉型 ................................................................................................................ 6 2.3.2气体分布板及风箱 .......................................................................................................... 9 2.3.3流态化床层排热装置 ................................................................................................... 10 2.3.4排料口 ................................................................................................................................... 10 2.3.5烟气出口 ............................................................................................................................. 10 第三章 物料衡算及热平衡计算 ....................................................................................................... 11

3.1锌精矿流态化焙烧物料平衡计算 ................................................................................... 11 3.1.1锌精矿硫态化焙烧冶金计算 ................................................................................... 11 3.1.2烟尘产出率及其化学和物相组成计算 .............................................................. 12 3.1.3焙砂产出率及其化学与物相组成计算 .............................................................. 15 3.1.4焙烧要求的空气量及产出烟气量与组成的计算 ......................................... 18 3.2热平衡计算 ................................................................................................................................... 21 3.2.1热收入 ................................................................................................................................... 21 3.2.2热支出 ................................................................................................................................... 24 第四章 沸腾焙烧炉的选型计算 ....................................................................................................... 26

4.1床面积 ............................................................................................................................................. 26 4.2前室面积 ........................................................................................................................................ 26 4.3流态化床断面尺寸 ................................................................................................................... 27

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4.4流态化床高度（排料口高度） ......................................................................................... 27 4.5炉膛面积和直径 ........................................................................................................................ 27 4.6炉膛高度 ........................................................................................................................................ 28 4.7气体分布板及风帽 ................................................................................................................... 29 4.7.1气体分布板孔眼率 ........................................................................................................ 29 4.7.2风帽 ........................................................................................................................................ 29 第五章 环保与安全 ................................................................................................................................. 30

5.1 概述 ................................................................................................................................................. 30 5.2 废气治理 ....................................................................................................................................... 31 5.3劳动保护 ........................................................................................................................................ 32 第六章 结论 ............................................................................................................................................... 33 致 谢 ............................................................................................................................................................ 34 参考文献 ......................................................................................................................................................... 35

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摘 要

沸腾焙烧炉是炼锌的主要辅助设备。当前，社会和经济可持续发展新的价值观和环保法规定对沸腾焙烧炉的设计与操作提出了越来越严格的要求。能否实现最大限度的节能和最小程度的污染，高效率、高质、高寿命、低能耗、低污染，这是设计的目标。

本次设计参考《锌冶金》、《有色冶金工厂设计原理》、《铅冶金有色冶金工厂设计基础》、《有色冶金环境保护》、《重金属冶金学（第二版）》、《铅锌冶金学》、《有色金属提取冶金手册（锌镉铅铋）》、《环保工作者实用手册（第二版）》、《我国铅锌冶炼现状与持续发展》、《锌冶金工艺概述》等进行设计。前后进行了资料收集、沸腾焙烧炉的物料平衡与热平衡计算、炉型基本尺寸的确定，依据能量守恒定律进行验算修订等。

说明书共分五章，主要内容包括：设计概述、工艺流程的选择与论证、物料平衡和热平衡计算、设备选型计算、环保与安全。

关键词：沸腾焙烧炉 物料平衡 热平衡 沸腾焙烧炉尺寸 炉型设计

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第一章 设计概述

1.1设计依据

根据冶金技术教研室下达的任务书。

1.2设计原则和指导思想

对设计的总要求是技术先进;工艺上可行;经济上合理，所以,设计应遵循的原则和指导思想为：

1、遵守国家法律、法规，执行行业设计有关标准、规范和规定，严格把关，精心设计；

2、设计中对主要工艺流程进行多方案比较，以确定最佳方案；

3、设计中应充分采用各项国内外成熟技术，因某种原因暂时不上的新技术要预留充分的可能性。所采用的新工艺、新设备、新材料必须遵循经过工业性试验或通过技术鉴定的原则；

4、要按照国家有关劳动安全工业卫生及消防的标准及行业设计规定进行设计； 5、在学习、总结国内外有关厂家的生产经验的基础上，移动试用可行的先进技术；

6、设计中应充分考虑节约能源、节约用地，实行自愿的综合利用，改善劳动条件以及保护生态环境。

1.3厂址及建厂条件论证

赤峰市地处东北经济区和华北经济区接合部，是环渤海经济圈的重要组成部分，区位优越，距北京、天津、沈阳、大连等大城市均在400-600公里，距锦州、秦皇岛等港口不足300公里，可直接接受京津塘、辽中南两大经济发达地区的辐射。赤峰地域辽阔，资源丰富。现已发现各种矿产70余种，主要有铅、锌、煤、铁、铜、钼、萤石、天然气等。

赤峰具有良好的交通优势。赤峰铁路由京通铁路干线和叶赤铁路支线交汇成网，联结赤峰与首都北京、自治区首府呼和浩特市和沈阳、锦州等东北重镇，是赤峰市经

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空气过剩系数 1.25

烟尘产出率及烟尘物相组成计算：

设烟尘产出量为xkg，各组分进入烟尘的数量为： Zn 52.02?0.445?23.41kg Cd 0.41?0.60?0.246kg Pb 0.21?0.50?0.105kg Cu 0.65?0.45?0.29kg Fe 8.58?0.45?3.86kg

kg CaO 0.78?0.45?0.351MgO 0.05?0.45?0.023kg

SiO2 3.28?0.45?1.476kg

Ss 0.005xkg

SSO4 0.0214xkg 其他 1.28?0.45?1.476kg 各组分化合物进入烟尘的数量为： 1.ZnS量：

0.005x?97.4?0.0152xkg

32其中：Zn 0.0102xkg S 0.005xkg 2.ZnSO4量：

0.0214x?161.4?0.1079xkg

32 其中：Zn 0.0437xkg S 0.0241xkg O 0.0428xkg

3.86?159.7?5.52kg，3．烟尘中Fe先生成Fe2O3，其量为：ZnO?Fe2O3量：Fe2O3111.71有13与ZnO结合成ZnO?Fe2O3，其量为：5.52??1.84kg。

31.84?241.1?2.78kg ZnO?Fe2O3量为

159.7 其中：Zn 0.75kg Fe 1.29kg O 0.74kg

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余下的Fe2O3的量：5.52-1.84=3.68kg 其中：Fe 2.57 kg O 1.11kg

4.ZnO量：Zn 23.41-（0.0102x+0.0347x+0.75）=22.66-0.0539xkg ZnO 5.CdO量：

(22.66?0.0539x)?81.4?28.204?0.0539xkg

65.40.246?128.4?0.28kg

112.4 其中：Cd 0.246kg O 0.03kg 6.CuO量：

0.29?79.5?0.36kg

63.5 其中：Cu 0.29kg O 0.07kg 7.PbO?SiO2量：PbO，

0.105?223.2?0.113kg

207.2 其中：Pb 0.105kg O 0.008kg 与PbO结合的SiO2量：

0.113?60?0.03kg

223.2 剩余的SiO2量：1.476-0.03=1.473kg 8.CaO量：0.351kg 9.MgO量：0.0321kg 10.其他：0.576kg 综合以上各项得：

x?0.0152x?0.1079x?2.78?3.68?(28.204?0.0671x)?0.28?0.36?0.113?0.03?1.437?0.351?0.0231?0.576

解得：x?40.117kg

即烟尘产出率为焙烧干净矿的40.117%。 ZnS量：0.0152?40.117?0.61kg 其中：Zn 0.41kg S 0.20kg

ZnSO4量：0.1079?40.117?4.329kg

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其中：Zn 1.754kg S 0.858kg O 1.717kg

表3-2烟尘产出率及其化学和物相组成，kg

组成 ZnS ZnSO4 ZnO ZnO˙Fe2O3 Fe2O3 CdO CuO PbO˙SiO2 CaO MgO SiO2 其他 共计 % Zn 0.41 1.754 0.75 Cd Cu Pb Fe SS SSO4 CaO MgO SiO2 0.29 1.29 2.57 0.20 0.858 0.351 0.0231 1.473 O 其他 共计 0.61 4.329 2.78 3.68 0.28 0.36 0.143 0.351 1.473 1.717 0.74 1.11 0.07 20.497 5.015 25.512 0.246 0.034 0.008 0.105 0.0231 0.576 0576 23.411 0.246 0.29 0.105 3.86 0.20 0.858 0.351 0.0231 1.503 8.694 0.576 40.117 58.36 0.61 0.72 0.26 9.62 0.50 2.14 0.88 0.06 3.75 21.67 1.44 100.01 3.1.3焙砂产出率及其化学与物相组成计算 设每焙烧100kg干精矿产出的焙砂为ykg，则： Zn 52.02-23.41=28.61Kg Cd 0.41-0.246=0.164Kg Cu 0.65-0.29=0.36Kg Pb 0.21-0.105=0.105Kg Fe 8.58-3.68=4.72Kg CaO0.78-0.351=0.429Kg MgO 0.05-0.023=0.027Kg SiO2 3.28-1.476=1.804Kg 其他 1.28-0.576=0.704Kg

焙砂中SSO4取1.10%，SS取0.3%，SSO4和SS全部与Zn结合；PbO与SiO2结合成 PbO˙SiO2；其他金属以氧化物形态存在。

各组分化合物进入焙砂中的数量为：SSO4量：0.011ykg,SS量：0.003ykg 1.ZnSO4量：

0.011y?161.4?0.0555ykg

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其中：Zn 0.0225yKg S 0.011yKg 2.ZnS量：

0.003y?97.4?0.0091kg

32 其中：Zn 0.0061ykg S 0.003ykg 3.ZnO?Fe2O3量：焙砂中Fe先生成Fe2O3，其量为

4.72?159.7?6.748kg，Fe2O3有

111.740%与ZnO结合成ZnO?Fe2O3，其量为6.784?0.4?2.699kg。

ZnO?Fe2O3量：

2.699?241.1?4.075kg

159.7 其中：Zn 1.105kg Fe 1.888kg O 1.082kg 余下的Fe2O3量：6.784?2.699?4.049kg 其中：Fe 2.832kg O 1.217kg

y?1.105)?27.505?0.0286ykg 4.ZnO量：Zn 28.61?(0.0225y?0.0061(27.505?0.0286y)?81.4?34.234?0.0356ykg

65.40.164?128.4?0.187kg 5.CdO量：

112.4 ZnO

其中：Cd 0.164kg O 0.023kg 6.CuO量：

0.36?79.5?0.451kg

63.5 其中：Cu 0.36kg O 0.091kg 7. PbO?SiO2量：PbO

0.105?223.2?0.113kg

207.2其中：Pb 0.105kg O 0.008kg 与PbO结合的SiO2量：

0.113?60.1?0.03kg

223.2kg 剩余的SiO2量：1.804?0.03?1.8018.CaO量：0.429kg 9.MgO量：0.027kg 10.其他：0.704kg

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综合以上各项得：

y?0.0555y?0.0091y?4.075?4.049?(34.234?0.0356y)?0.187?0.451?0.116?1.801?0.429?0.027?0.704

解得：y?47.449kg,即焙砂产出率为焙烧干精矿的47.449%。

ZnSO4量：0.0555?47.449?2.633kg

其中：Zn 1.067kg S 0.552kg O 1.044kg ZnS量：0.0091?47.449?0.432kg 其中：Zn 0.29kg S 0.142kg ZnO量：34.234?0.0356?47.449?32.545kg 其中：Zn 26.148kg O 6.379kg 以上计算结果列于下表

表3-3焙砂的物相组成，kg

组成 ZnS ZnSO4 Zn 0.29 1.067 Cd Cu Pb Fe SS SSO4 CaO MgO SiO2 O 其他 共计 0.429 0.432 2.633 0.142 0.522 1.044 ZnO 26.148 ZnO˙Fe2O3 1.105 6.397 32.545 1.082 1.217 0.023 0.091 0.03 0.008 4.075 4.049 0.187 0.451 0.143 0.429 0.027 1.801 1.888 2.832 Fe2O3 CdO CuO PbO˙SiO2 0.164 0.36 0.105 CaO MgO SiO2 其他 共计 %

0.027 1.801 0.704 0.704 28.61 0.164 0.36 0.105 4.72 0.142 0.522 0.429 0.027 1.804 9.862 0.704 47.449 60.30 0.35 0.76 0.22 9.95 0.30 1.10 0.90 0.057 3.80 20.78 1.48 99.997 - 17 -

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V烟—单位炉料烟气产出量，2088.41m3； t膛—炉膛温度，950℃； F床—炉床面积，67.6m2； W膛—KW带

W带—颗粒带出速度，一般为1.35ms，和精矿粒度有关，K取0.3～0.55，这

里取小值0.3.

W膛—0.3?1.35?0.405ms ?—1273 F膛?5.5?2088.41??1?950273??67.6?99.4m2

86400?0.405 D膛?1.13?F膛?11.27m

炉腹角ф取20?。

4.6炉膛高度

1. 未扩大直筒部分H1，根据操作和安装方便而定，一般取2.6m。 2. 扩大部分高度H2

? ??H2?12D膛?D床?ctg20?2.78m3. 炉膛高度H膛 H3???V烟?1??t膛??F床?t86400?F膛

式中t—烟气在炉内必须停留的时间，秒，取20s.

H3=

??V烟?1??t膛??F床?t86400F膛=8.1m

H膛?H1?H2?H3?13.48m

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4.7气体分布板及风帽

4.7.1气体分布板孔眼率

气体分布板孔眼率即风帽孔眼总面积与炉床面积之比值。根据国内工厂实践，锌精矿流态化焙烧炉空气分布板的孔眼率一般为0.7~1.1%。本设计选用1.0%。

4.7.2风帽

风帽分菌形、伞形、锥形等，风帽孔眼有侧孔式、直通式、密孔式等。本设计采用侧孔式菌形风帽，因为从侧孔喷出的气体紧贴分布板面进入流态化床，搅动作用好，孔眼 不易堵塞、不易漏料等。

风帽的孔眼数一般为4、6、8，孔眼直径3~10mm。高温氧化焙烧炉的孔眼直径取8~10mm。风帽材料多用普通铸铁，高温氧化焙烧应采用耐用铸铁。

风帽数量一般可由下式计算： N?b孔?F炉床?F前床?78.5nd2孔

式中 N—风帽个数；

n— 一个风帽上的孔眼个数，6； d孔—风帽孔眼直径，mm，9mm；

b孔—分布板孔眼率，%，1.0%。 本设计采用的风帽个数为：

N?b孔?F炉床?F前床?78.5nd2孔?1.0??67.6?2??1820

0.000081?78.5?6所以N=1820个。

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第五章 环保与安全

在过去的几十年里，湿法炼锌和其他冶金工业一样，在技术开发上其目标主要着重在优质、高产、低能耗等方面，以便给企业创造更大的经济效益。但当今世界环境保护已成为人们最关心的话题，人类必须保护好自己的生存空间，显然仅有技术目标是远远不够的。减少生过程产中的三废（废水、废气、废渣）排放并对其有效治理，是环境免受三废的危害，已提到工业发展的重要日程，预计今后拟定的任何研究计划和新工艺，都必将以是否保护了环境或减少了对环境的污染为前提，环境保护不好的工艺不再可能被人们接受。而目前在环保方面有缺陷的工艺也必须寻求新技术加以改进。

5.1 概述

在人类的生产活动中产生的废气、废水和废渣，通常称为“三废”。由于“三废”是工业生产的主要产物，一般都排放到大气、江河或大地堆放，将会造成环境的破坏，称为“公害”，或称为“环境污染”。

如今，环境污染已严重影响到人类的生活、工作与生产的正常进行，成为当今世界各国共同关注的一个热点和焦点，从而提出了“环境保护”。环境保护已经成为我国的一项基本国策。这说明环境对国家经济建设、社会发展和人民生活具有全局性、长期性和决定性的影响，是至关重要的。

冶金工业是三废污染较为严重的部门之一。在我国，三废治理和环境保护已纳入法治轨道，国家规定了各种有害物质的排放标准，任何企业都必须达标排放，否则将是违法的。对于新建的工厂项目，在开始进行生产方法和流程设计时，就必须考虑过程中产生的“三废”来源和采取的措施。尽量做到原材料的综合利用，变废为宝，减少废物的排放。工业项目的审批往往是把污染问题作为首要问题。在项目审批通过后，三废治理与主体工程同时设计、同时施工、同时投产。

本设计采用湿法炼锌，主要原料为硫化锌精矿。但整个工艺又不是完全意义上的湿法过程，在焙烧工序中还涉及到火法过程。在火法部分，沸腾焙烧时产生大量的烟尘，废渣是火法过程与湿法过程均无法避免的，自然堆放时，必然会产生含有重金属的尘土，同时，长期的雨水浸淋，也会造成水体和土壤的污染。因此，环保工作作为

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冶炼厂正常生产保障，在作此项冶金工厂设计时，必须把三废治理工作作为设计的一项重要内容予以高度的重视。本设计在锌冶炼厂主要的环保工作是处理冶炼过程中的废气等问题，分别评述如下。

5.2 废气治理

湿法炼锌废气来源为锌精矿干燥烟气和沸腾焙烧烟气，浸出渣干燥烟气、浸出渣挥发烟气、工业锅炉烟气。废气的危害在本设计中主要是含硫化合物（SO2,H2S）、粉尘及电解沉积时轻微的酸雾。

粉尘的主要来源是在物料的准备过程中，由于运输和破碎产生的，另外焙烧过程也产生相当量的烟尘。烟尘的产生在运输过程是无法避免的，破碎时的粉尘主要靠设备本身的防尘设施，如防尘罩等，或是采用湿磨焙烧产生的粉尘，就必须针对其高湿、高压的特征，采用专门的收尘设备，本设计采用重力收尘，旋风收尘，电收尘等，对各种粒径的粉尘进行严格的控制，并达到国家规定的排放标准。酸雾的危害主要是影响电解车间工人的健康，因其浓度较低，一般是设置通风系统将其导入大气。 1．锌精矿干燥烟气

锌精矿含水13％左右，进入沸腾焙烧炉之前需干燥，使之含水达5％甚至更低，本设计用圆筒干燥窑顺流干燥。所得烟气湿量大，含尘浓度20～80g?m-3，烟气温度120～200℃，烟尘率1～3％，主要成分为CO2、O2、N2、H2O以及少量的SO2，采用湿混合流程收尘，再通过石灰池脱硫。经处理后，烟气排放浓度达到国家工业炉窑大气污染物排放标准二级的要求，烟尘浓度不大于200mg?m-3。 2．沸腾焙烧烟气

湿法炼锌锌精矿沸腾焙烧的炉出口烟气量大、SO2浓度高，本设计为9.78％，温度为800～900℃，主要成分为CO2、O2、N2、H2O、SO2、SO3，采用二转二吸制酸系统，将大部分的SO2吸收制酸，综合回收烟气中的热能和SO2生产硫酸，变废为宝，实现尾气含SO2达标排放，过剩的空气经120m烟囱排入大气中，同时加强设备密封和车间通风防尘，使车间空气中含重金属烟尘可达到工业卫生标准。

一般来说，烟气先经过余热锅炉进行热交换，产生的大量热蒸汽可用于发电积决工厂日常生活用电，而热水可提供给澡堂。冷却后的烟气先后进行旋风收尘、电收尘和洗涤，经托普索制酸后烟气可直接排空。

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5.3劳动保护

锌冶金在火法冶炼高温或湿法酸性水溶液中进行，从这些过程中散发的生产性毒物粉尘构成了生产过程中的化学有害因素，如Pb、As、Cd、Hg、SO2、CO及酸雾等有害气体、烟尘以及煤尘、矿尘等，除此之外，还有高温、高湿、噪声等物理有害因素，一起构成了对人体健康产生职业危害。因此，改善冶炼厂的作业环境，预防和控制职业危害，就要加强对劳动者的劳动保护措施。

对工人的劳动保护应采取如下措施：

1）定期对工人进行劳动安全教育，并进行考核。 2）对新增员工进行岗位培训。

3）明确岗位取责，规定安全操作标准并严格进行检查。 4）加强厂区卫生防护，严格控制二次污染。

5) 要求配戴劳保用品，如安全帽，工作服，劳保鞋等。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/8kf2.html