锌精矿沸腾焙烧设计

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第一章 设计概述

1.1 设计依据

根据冶金工程专业《年处理5.6万吨锌精矿的沸腾焙烧车间设计》（涂弢 编）下达课程设计指导书任务。

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，实行资源的综合利用，改善劳动条件以及保护生态环境

1.3 设计任务

一、锌冶炼沸腾焙烧炉设计。

二、锌精矿沸腾焙烧工艺流程设计。 三、沸腾焙烧炉物料平衡和热平衡初算。 四、设备的选型与计算。 五、环保与安全。

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第二章 沸腾焙烧专题概述

2.1 沸腾焙烧炉的应用和发展

沸腾焙烧炉是流态化技术的热工设备，具有气—固间热质交换速度快、沸腾层内温度均匀、产品质量好；沸腾层与冷却器壁间的传热系数大、生产率高、操作简单、便于实现生产连续化和自动化等一系列优点，而广泛应用于锌精矿的氧化焙烧。

锌精矿和铜金矿的氧化焙烧和硫酸化焙烧，含钴硫铁精矿的硫酸化焙烧，锡精矿的氧化焙烧，高钛渣的氯化焙烧，汞矿石焙烧，以及氧化铜离析过程中的矿石加热等都已经使用沸腾炉，此外铅精矿、铅锑精矿的氧化焙烧，含镍、钴红土矿的加热和还原过程也利用沸腾炉成功的进行了工业性试验或小规模生产。

在国外，沸腾炉还用于辉钼矿、富镍冰铜的氧化焙烧。沸腾炉的缺点是烟尘率高、热利用率低。目前，沸腾炉正向大型化、富氧鼓风、扩大炉膛空间、制粒焙烧、余热利用和自控控制话方面发展。

2.2 沸腾炉炉型概述

1.床型：沸腾床有柱形床和锥形床两种。对于浮选精矿一般采用柱形床，对于宽筛分物料，以及在反应过程中气体体积增大很多或颗粒逐渐变细的物料，可采用上大下小的锥形床。沸腾床断面形状可分为圆形或矩形（或椭圆形），圆形断面的炉子，炉体结构强大较大，材料较省，散热较小，空气分布较均匀，因此得到广泛采用。当炉床面积较小，而又要求物料进出口有较大距离的时候，可采用矩形或椭圆形断面。

2.炉膛形状：炉膛形状有扩大型和直筒型两种。为提高操作气流速度、减少烟尘率和延长烟尘在炉膛内停留时间以保证烟尘质量，目前多采用扩大型炉膛。

另外还有单层床和多层床之分，对吸热过程或需要较长反应时间的过程，为提高热和流化介质中有用成分的利用率，宜采用多层沸腾炉。

2.3 锌精矿硫化焙烧工艺及主要设备的选择

2.3.1 锌精矿硫化沸腾焙烧原理

金属锌的生产，无论是用火法还是湿法，90%以上都是以硫化锌精矿为原料。硫化锌不能被廉价的、最容易获得的碳质还原剂还原，也不容易被廉价的，并且浸出—电积湿法炼锌生产流程中可以再生的硫酸稀溶液（废电解液）所浸出，因此对硫化锌精矿氧化焙烧使之转变成氧化锌是很有必要的。焙烧就是通常采用的完全化合物形态转变的化学过程，是冶炼前对矿石或精矿进行预处理的一种高温作业。

硫化物的焙烧过程是一个发生气固反应的过程，将大量的空气通入硫化矿物料层，在高温下发生反应，氧与硫化物中的硫花和产生气体SO2，有价金属则转变成为氧化物或硫酸盐。同时去掉砷、锑等杂质，硫生成二氧化硫进入烟气，作为制硫酸的原料。焙烧过程得到的固体产物就被成为焙砂或焙烧矿。

焙烧过程是复杂的，生成的产物不尽一致，可能有多种化合物并存。一般来说，硫化物的氧化反应主要有： 1)硫化物氧化生成硫酸盐:

MeS + 2O2 = MeSO4

2)硫化物氧化生成氧化物:

MeS + 1.5O2 = MeO + SO2

3)金属硫化物直接氧化生成金属:

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MeS + O2 = Me + SO2

4)硫酸盐离解

MeSO4 = MeO + SO3 SO3 = SO2 + 0.5O2

此外，在硫化锌精矿中，通常还有多种化合价的金属硫化物，其高价硫化物的离解压一般都比较高，故极不稳定，焙烧时高价态硫化物离解成低价态硫化物，然后再继续进行其焙烧氧化反应过程。

在焙烧过程中，精矿中某种金属硫化物和它的硫酸盐在焙烧条件下都是不稳定的化合物时，也可能互相反应，如：

FeS + 3FeSO4 = 4FeO + 4SO2 由上述各种反应可知，锌精矿中各种金属硫化物焙烧的主要产物是MeO、MeSO4以及SO2、SO3、O2。此外还可能有MeO·Fe2O3，MeO·SiO2等。 2.3.2 锌精矿硫酸化沸腾焙烧炉炉型选择

沸腾焙烧工艺流程要根据具体条件和要求而定，焙烧性质、原料、地理位置等因素不同其选择的工艺流程也不尽相同。一般可分为炉料准备及加料系统、炉本体系统、烟气及收尘系统和排料系统四个部分。

炉料准备及加料系统主要为沸腾焙烧炉提供合格的炉料，以保证焙烧炉的稳定性和连续性。加料方式分为干式和湿式两种。由于湿式加料缺点较多，国内没有工厂采用。固本设计采用干式加料。干式加料常采用圆筒干燥窑。圆筒干燥窑是一种最简单的机械干燥设备，窑身由钢板做成，窑内为耐火砖。

焙烧炉是焙烧的主体设备，按床面积形状可分为圆形（或椭圆形）和矩形。矩形很少采用，圆形断面的炉子，炉体结构强度较大，材料较省，散热较小，空气分布较均匀因此得到广泛采用。工业生产常采用的锌精矿沸腾焙烧炉有道尔式和鲁奇式沸腾炉两类。

鲁奇式沸腾炉上部结构采用扩大段，造成烟气流速减慢和烟尘率降低，延长了烟气停留时间，烟气中的烟尘得到充分的焙烧，从而使烟尘中的含硫量达到要求，烟尘质量得到保证，焙砂质量较高、生产率高、热能回收好。低的烟尘率相应提高了焙砂部分的产出率，减小了收尘系统的负担，本设计采用鲁奇式沸腾焙烧炉。其工艺流程如图2—1所示。

烟气从焙烧炉排出是，温度一般在1123~1353K之间，须冷却到适当温度以便收尘。常见的烟气冷却方式分直接冷却和间接冷却两种。直接冷却主要采用向烟气直接喷水冷却，由于废热得不到有效利用，所以很少采用。间接冷却由表而冷却器、水套冷却器、汽化冷却器和余热锅炉。目前，国内最常用的是余热锅炉。本设计采用余热锅炉。

焙烧炉生产的焙砂从流态化层溢流口自动排出，可采用湿法和干法两种运输方式。两种方法各具特点，企业可根据具体情况，悬着适宜的排料方法。本设计采用干法输送。

沸腾焙烧炉炉体（图2—2）为钢壳内衬保温砖再衬耐火砖构成。为防止冷凝酸腐蚀，钢壳外表有保温层。炉子的最下部是风室，设有空气进口管,其上是空气分布板。空气分布板上是耐火混凝土炉床，埋设有许多侧面小孔风帽。炉膛中部分为向上扩大的圆锥体，上部焙烧空间的截面积比沸腾层的截面积大，以减少固体粒子吹出。沸腾层中装有冷却管，炉体还设有加料口、矿渣溢流口、炉气出口、二次空气进口、点火口等接管，炉顶有防爆孔。

沸腾焙烧炉非为直筒型炉和上部扩大型炉两种：①直筒型炉。多用于有色金属精矿的焙烧，焙烧强度较低，炉膛上部不扩大或略微扩大，外观基本上呈圆筒型。②上部扩大型炉。早期用于破碎矿块（作为硫酸生产原料开采的硫铁矿，多成块状，习惯称块矿）的焙烧。后来发展到用于各种浮选矿（包括有色金属浮选精矿、选矿时副产的含硫铁矿的尾砂，

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图2—1鲁奇式沸腾炉焙烧炉工艺流程图

图2—2沸腾焙烧炉

以及为了提高硫铁矿品位而通过浮选得到的硫精矿，这些矿粒度都很小）的焙烧，焙烧强度较高。

操作指标和条件主要有焙烧强度、沸腾层高度、沸腾层温度、炉气成分等。

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第三章 锌精矿焙烧工艺过程计算

3.1 锌精矿的物相组成计算

设锌精矿的物相组成如图所示。

锌精矿化学成分 组分 含量% Zn Cd Pb 1.24 Cu 0.44 Fe 9.11 S CaO MgO 0.05 AL2O3 SiO2 其他 3.12 50.41 0.28 31.16 1.03 0.14 3.02 根据锌糖矿的物相分析，精矿中各元素呈下列化台物形态： ZnS、CdS、PbS、CuFeS2、Fe7S8、FeS2、CaCO3、MgCO3、SiO2

以100kg 锌精矿干量进行计算： （1）ZnS

50.41?24.67kg 65.4ZnS量：50.41?24.67?75.08kgZnS中的含硫量：32?（2）CdS

0.28?0.08kg112.4CdS量：0.28?0.08?0.36kg CdS中的含S量：32?（3）PbS

1.24?0.19kg 207.2PbS量：1.24?0.19?1.43kgPbS中含硫量：32?

（4）CuFeS2

0.44?2?0.44kg63.50.44CuFeS2中含Fe量：56?0.39kg

63.5CuFeS2量：0.44?0.44?0.39?1.27kgCuFeS2中含硫量：32?

（5）Fe7S8和FeS2

除去CuFeS2中的Fe量，余下的Fe量为：9.11－0.39=8.27kg。除去ZnS、CdS、PbS、CuFeS2中的含S量，余下的S量为：31.16－﹙24.67＋0.08＋0.19＋0.44﹚=5.78kg。这些剩余的Fe量和S量分布于FeS2和Fe7S8中。

设FeS2中的Fe为x kg，S为y kg，则：

xyFeS2和Fe7S8有?55.8564

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