毕业设计--年产6万吨锌冶炼沸腾焙烧炉设计.doc

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1、沸腾焙烧炉设计 目 录第一章 设计概述11.1设计依据11.2设计原则和指导思想11.3 毕业设计任务 1第二章 工艺流程的选择与论证12.1原料组成及特点12.2沸腾焙烧工艺及主要设备的选择1第三章 物料衡算及热平衡计算 33.1锌精矿流态化焙烧物料平衡计算33.1.1锌精矿硫态化焙烧冶金计算33.1.2烟尘产出率及其化学和物相组成计算43.1.3焙砂产出率及其化学与物相组成计算63.1.4焙烧要求的空气量及产出烟气量与组成的计算73.2热平衡计算93.2.1热收入93.2.2热支出11第四章 沸腾焙烧炉的选型计算 134.1床面积134.2前室面积134.3炉膛面积和直径134.4炉膛高度

2、144.5气体分布板及风帽144.5.1气体分布板孔眼率144.5.2风帽144.6沸腾冷却层面积144.7水套中循环水的消耗量144.8风箱容积154.9加料管面积154.10溢流排料口 154.11排烟口面积 15参考文献15 - 17 - 第一章 设计概述1.1设计依据根据冶金工程专业课程设计指导书。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

3、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毕业设计任务一、沸腾焙烧炉专题概述二、沸腾焙烧三、沸腾焙烧热平衡计算四、主要设备（沸腾炉和鼓风炉）设计计算五、沸腾炉主要经济技术指标第二章 工艺流程的选择与论证2.1原料组成及特点本次设计处理的原料锌精矿成分如下表所示。D组 锌精矿的化学成分化学成

4、分ZnPbCuCdFeSCaOMgOSiO2其他wB(%)49.71.390.280.228.4730.611.050.365.212.712.2沸腾焙烧工艺及主要设备的选择金属锌的生产，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，并且在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成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（或富氧空气）通

5、入硫化矿物料层，在高温下发生反应，氧与硫化物中的硫化合产生气体SO2，有价金属则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称为焙砂或焙烧矿。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 + 2 O2 = MeSO42） 硫化物氧化生成氧化物 MeS + 1.5 O2 = MeO + SO23）金属硫化物直接氧化生成金属 MeS + 2 O2 = MeO + SO24） 硫酸盐离解MeSO4 = MeO + SO3 SO3 = SO2 + 0.

6、5 O2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的硫化物，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，也可能相互反应，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 和O2。此外还可能有MeOFe2O3，MeOSiO2等。沸腾焙烧炉炉体（下图）为钢壳内衬保温砖再衬耐火砖构成。为防止冷凝酸腐蚀，钢壳外面有保温层。炉子的最下部是风室，

7、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，埋设有许多侧面开小孔的风帽。炉膛中部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。沸腾层中装有的冷却管，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。 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。 焙烧强度习惯上以单位沸腾层截面积一日处理含硫35矿石的吨数计算。焙烧强度与沸腾层操作气速成正比。气速是沸腾层中固体粒子大小的函数，一般在 13m/s范围内。一般浮选矿的焙烧强度为1520t/()；对于通过33mm的筛孔的破碎块矿，焙烧强度为30t

8、/()。 沸腾层高度即炉内排渣溢流堰离风帽的高度，一般为0.91.5m。 沸腾层温度随硫化矿物、焙烧方法等不同而异。例如:锌精矿氧化焙烧为10701100,而硫酸化焙烧为900930；硫铁矿的氧化焙烧温度为850950。 炉气成分硫铁矿氧化焙烧时，炉气中二氧化硫1313.5，三氧化硫0.1。硫酸化焙烧,空气过剩系数大，故炉气中二氧化硫浓度低而三氧化硫含量增加。 特点:焙烧强度高；矿渣残硫低；可以焙烧低品位矿；炉气中二氧化硫浓度高、三氧化硫含量少；可以较多地回收热能产生中压蒸汽，焙烧过程产生的蒸汽通常有3545是通过沸腾层中的冷却管获得；炉床温度均匀；结构简单，无转动部件，且投资省，维修费用少；

9、操作人员少，自动化程度高，操作费用低；开车迅速而方便，停车引起的空气污染少。但沸腾炉炉气带矿尘较多，空气鼓风机动力消耗较大。第三章 物料衡算及热平衡计算3.1锌精矿流态化焙烧物料平衡计算3.1.1锌精矿硫态化焙烧冶金计算根据精矿的物相组成分析，精矿中各元素呈下列化合物形态Zn、Cd、Pb、Cu、Fe分别呈ZnS、CdS、PbS、 ；脉石中的Ca、Mg、Si分别呈、形态存在。 以100锌精矿（干量）进行计算。1.ZnS量 ： 其中Zn：49.7 S：24.322.CdS量： 其中 Cd：0.22 S：0.063.PbS量： 其中：Pb：1.39 S：0.214.量： 其中：Cu：0.28 Fe：

10、0.25 S：0.285. 和量：除去中Fe的含量，余下的Fe为，除去ZnS、CdS、PbS、中S的含量，余下的S量为。此S量全部分布在和中，设中Fe为x，S量为y，则 解得：=0.72，=0.83 即中：Fe=0.72、S=0.83、=1.55。中：Fe：8.22-0.72=7.5 S：5.74-0.83=4.91 ：12.416. 量： 其中CaO：1.05 ：0.827. 量： 其中MgO：0.36 ：0.39表3-1 混合精矿物相组成，组成ZnCdPbCuFeSCaOMgOSiO2其他共计ZnS49.0724.3274.02CdS0.220.060.28PbS1.390.211.6Cu

11、FeS20.280.250.280.81FeS20.720.831.55Fe7S87.154.9112.06CaCO31.050.821.87MgCO30.360.390.75SiO25.215.21其他2.712.71共计49.070.221.390.288.1231.661.050.361.215.212.71100.003.1.2烟尘产出率及其化学和物相组成计算焙烧矿产出率一般为锌精矿的88%，烟尘产出率取50%，则烟尘量为：44公斤。镉60%进入烟尘，锌48%进入烟尘，其它组分在烟尘中的分配率假定为50%，空气过剩系数 1.25。烟尘产出率及烟尘物相组成计算：Zn Cd Pb Cu F

12、e CaO MgO 根据生产实践：烟尘中残余的S以硫酸盐形态Sso4为2.14%，以硫化物形态的Ss为1.73%，PbO余SiO2结合生成PbOSiO2，其余SiO2为游离态，其他金属以氧化物形态存在。因此，量为：1000.440.0214=0.942 kg 量为：1000.440.0173=0.761 kg其他 各组分化合物进入烟尘的数量为：1.ZnS量： 其中：Zn 1.555 S 0.7612.量： 其中：Zn 1.925 S 0.942 O 1.8843量：烟尘中Fe先生成，其量为：，有与ZnO结合成，其量为：。量为 其中：Zn 0.82 Fe 1.411 O 0.815余下的的量：6

13、.055-2.018=4.037 其中：Fe 2.824 O 1.2134.ZnO量：Zn 23.856-（1.555+1.925+0.82）=19.556 ZnO O 24.34-19.556=4.784kg5.CdO量： 其中：Cd 0.132 O 0.0196.CuO量： 其中：Cu 0.14 O 0.0357.量：PbO， 其中：Pb 0.695 O 0.054 与PbO结合的量： 剩余的量：2.605-0.201=2.404表3-2烟尘产出率及其化学和物相组成，组成ZnCdCuPbFeSSSSO4CaOMgOSiO2O其他共计ZnS1.5550.7612.316ZnSO41.9250

14、.9421.8844.751ZnO19.5564.78424.34ZnOFe2O30.821. 4110.8153.046Fe2O32.8241.2134.037CdO0.1320.0190.151CuO0.140.0350.175PbOSiO20.6950.260.0540.95CaO0.5250.525MgO0.180.18SiO22.4042.404其他1.3551.355共计23.8560.1320.140.6954.2350.7610.9420.5250.182.6648.8041.35544.23%53.930.300.321.579.571.722.131.190.416.023

15、19.913.1100.003.1.3焙砂产出率及其化学与物相组成计算焙砂中SSO4取1.10%，SS取0.4%，SSO4和SS全部与Zn结合；PbO与SiO2结合成PbOSiO2；其他金属以氧化物形态存在。焙砂重量为：8850%=44 kg各组分化合物进入焙砂中的数量为：量：441.10%=0.484 ,量：440.40%=0.176 1.量： 其中：Zn 0.989Kg O 0.968Kg 2.ZnS量： 其中：Zn 0.36 S 0.1763.量：焙砂中Fe先生成，其量为，有40%与ZnO结合成，其量为。量： 其中：Zn 0.99 Fe 1.7 O 0.97 余下的量： 其中：Fe 2.

16、535 O1.0984.ZnO量：Zn ZnO 5.CdO量： 其中：Cd 0.088 O 0.012以上计算结果列于下表表3-3焙砂的物相组成，组成ZnCdCuPbFeSSSSO4CaOMgOSiO2O其他共计ZnS0.360.1760.5360.9890.4840.9682.441ZnO23.5055.7529.255ZnOFe2O30.991.70.973.66Fe2O32.5351.0983.633CdO0.0880.0120.1CuO0.0140.0350.175PbOSiO20.6950.2010.0540.95CaO0.5250.525MgO0.180.18SiO22.4042.

17、204其他1.3551.355共计25.8440.0880.140.6954.2350.1760.4840.5250.182.6058.8871.35545.214%51.160.190.311.549.370.3991.071.160.45.7619.663100.003.1.4焙烧要求的空气量及产出烟气量与组成的计算3.1.4.1焙烧矿脱硫率计算精矿中S量为32.00，焙砂和烟尘中的S量为0.176+0.761+0.484+0.942=2.363kg，焙烧脱硫量为：30.61-2.363=28.247kg出炉烟气计算：假定95%的S生成，5%的S生成，则：生成需要的量为： 生成需要的量为：

18、烟尘和焙砂中，氧化物和硫酸盐的含氧量为17.691，则100锌精矿（干量）焙烧需理论氧量为：空气中氧的质量百分比为23%，则需理论空气量为：过剩空气系数可取1.251.30，本文取1.25，则实际需要空气量为：空气中各组分的质量百分比为77%，23%，鼓入267.419空气，其中： 标准状况下，空气密度为1.293，实际需要空气之体积为： 3.1.4.2焙烧炉排出烟量和组成1.焙烧过程中产出 2.过剩的量：3.鼓入空气带入的量：4.和分解产量：0.82+0.39=1.215.锌精矿及空气带入水分产生的水蒸汽量：进入焙烧矿的锌精矿含水取8%，100Kg干精矿带入水分为。空气带入水分量计算赤峰地区

19、气象资料：大气压力88650Pa，相对湿度77%，年平均气温5，换算成此条件下空气需要量为：空气的饱和含水量为0.0162，带入水分量为：带入水分总量为：或以上计算结果列于下表表3-5烟气量和组成组成质量体积体积比%组成质量体积体积比%53.66918.7849.421.6418.1494.093.5310.990.511.31614.0827.061.210.6160.31共计277.423199.47100196.056156.84578.63按以上计算结果编制的物料平衡表如下：（未计机械损失）沸腾焙烧物料平衡表加入产出名称质量，百分比，%名称质量，百分比，%干锌精矿10027.26烟尘4

20、4.2312.08精矿中水分8.6962.37焙砂45.21412.32干空气253.569.10烟气277.42375.62空气中水分2.6200.71共计366.886100.00共计366.886100.003.2热平衡计算3.2.1热收入进入流态化焙烧炉热量包括反应热及精矿、空气和水分带入热量等。1.硫化锌按下式反应氧化放出热量QZnS+1O=ZnO+SO+105930千卡生成ZnO的ZnS量： Q=2.硫化锌按下式反应生成硫酸盐氧化放出热量OZnS+2O=ZnSO+185050千卡生成ZnSO的ZnS量:Q=3.ZnO和FeO按下式反应生成ZnO.FeO放出的热量Q:ZnO+ FeO

21、= ZnO.FeO+27300千卡生成ZnO.FeO的ZnO量Q= 4.FeS按下式反应氧化放出热量Q 4FeS+11O=2 FeO+8 SO+790600千卡 Q=5.FeS按下式反应氧化放出热量Q 2FeS+3O= FeO+2 SO+293010千卡FeS分解得到FeS量： CuFeS分解得到FeS量: 得到的FeS总量为：11.80+0.39=12.19kg. Q=6.CuFeS和FeS分解得到硫燃烧放出热量Q CuFeS= Cu2S+FeS+S 分解出S量： FeS=7FeS+S 分解出S量： 1硫燃烧放出的热量为2222千卡则： Q=7.PbS按下式反应放出热量Q PbS+1O=Pb

22、O+SO+100690千卡 PbS+SiO= PbOSiO+2030千卡生成PbO放出热量： 生成PbOSiO量： 生成PbOSiO放出热量： Q=673.512+13.61=689.412千卡8.CdS按下式反应放出热量Q CdS+O=CdO+SO+98800千卡 生成CdO的CdS量： Q =9.CuS按下式反应氧化放出热量Q CuS+2 O= 2CuO+ SO+127470千卡生成CuO的CuS量： Q=10.锌精矿带入热量Q10 进入流态化焙烧炉的精矿温度为40,精矿比热取0.2 Q10=11.空气带入热量为Q11 空气比热取0.316,空气温度为20, Q11=12.入炉精矿含水分8

23、.696,水分比热取1.0，100精矿中的水分带入热量Q12 Q12=热量总收入：Q=Q+O+Q+Q+Q+Q+Q+Q+Q+Q+Q+Q+Q=72679+8246+756+2556+20329+1522+689+193+280+800+1328+350=109724千卡3.2.2热支出1.烟气带走量为Q炉顶烟气900C,各比分比热为()：SO SO C O N O HO 0.529 0.55 0.521 0.333 0.350 0.4032.烟尘带走的热量为Q由炉中出来的烟尘温度为900，其比热为0.20Q=44.239000.2=7961.4千卡3.焙砂带走的热量为Q由炉中出来的焙沙温度为850

24、，其比热为0.20Q=45.2149000.2=7961.4千卡4.锌精矿中水分蒸发带走热量为QQ=GtC+GVQ=5.精矿中碳酸盐分解吸收的热量为Q分 CaCO分解吸热378, Mg CO分解吸热314 Q分=6.Cu FeS和FeS分解吸收的热量为Q分Q分=7.通过炉顶和炉壁的散失热量为Q 为简化计算，按生产实践，散热损失均为热收入的2.35.5%，取5.0%Q=Q5.0%=1097140.05=5486.2千卡 8.剩余热量为Q Q= Q-（Q+Q+Q+ Q+Q分+Q分+Q） =109724-（64403+7961+7686+5350+942+1720+5486） =16073千卡计算结

25、果列于下表表3-6锌精矿流态化焙烧热平衡热收入热支出项目千卡项目千卡焙烧反应热烟气带走热6440358.7ZnS氧化成ZnO7267566.2烟尘带走热79617.3ZnS氧化成ZnSO482467.5焙沙带走热76867ZnO和Fe2O3反应生成ZnOFe2O37560.7水分蒸发带走热53504.9FeS2氧化成Fe2O325562.3碳酸盐分解9420.9FeS氧化成Fe2O32032918.5CuFeS2和Fe7S8分解17201.6分解硫燃烧15221.4炉顶及炉壁散热54865.1PbS生成PbOSiO26750.6剩余热1607314.6CdS氧化成CdO1930.21Cu2O氧

26、化成CuO2800.3精矿带入热8000.7空气带入热13281.2水分带入热3500.3共计109724100.00共计109724100.00第四章 沸腾焙烧炉的选型计算4.1床面积床面积按每日需要焙烧的干精矿量依据同类工厂先进的床能率选取。计算式为： a= 其中；W操作=0.5米/秒，V-焙烧每吨物料所需的实际空气量 m3/吨，=1/273，t层=900Ca=5.1 A=389.18（吨/日）,其中年工作日为330天，锌回收率为94%；则 4.2前室面积一般为1.52.这里取2. 沸腾层高度据生产经验为H层=1（米）4.3炉膛面积和直径,其中V烟为每吨物料产生的烟气量 m3/T，t膛=9

27、00C； V烟每吨物料产生的烟气量 m3/T t膛炉膛温度，锌精矿焙烧温度为900 C W膛-炉膛空间烟气流速，m/s ;根据实践锌精矿焙烧为0.5X，可取一定值（0.32）。炉腹角取。4.4炉膛高度炉膛有效高度：指溢流口下沿至排烟口中心线的高度，可按照经验公式估算炉膛空间容积：V膛=（10-18）F床 m3扩大型炉子炉膛高度的计算方法：1. 未扩大直筒部分，根据操作和安装方便而定，一般取1.46。2. 扩大部分高度3. 炉膛高度 式中t烟气在炉内必须停留的时间，取20.=6.164.5气体分布板及风帽4.5.1气体分布板孔眼率风帽的形式多采用标准伞形风帽86 mm(孔径孔数），炉底风帽的排列

28、方法，对于圆形炉底采用同心圆排列发，通常同心圆之距离为170-180 mm，每一圆周上的中心距为150-200mm，孔眼率（孔眼总面积与床面积之比）为0.95-1.2%。1.确定炉底上风帽孔眼的总数目：n=1.2=1.2=21000其中，V-鼓入沸腾炉内的实际空气量 (m3/s) -一个孔眼的面积 m2 W孔眼-孔眼中空气的喷射速度 m/s 1.2-储备系数2.确定孔眼率其中，d孔为风帽孔眼直径4.5.2风帽个数：风帽数量一般可由下式计算： 其中：m-一个风帽的孔眼个数，6个。4.6沸腾冷却层面积其中：-沸腾层所需排热千卡/小时 t层-沸腾层的平均温度，900 C t水-冷却水的平均温度，40

29、 C K-沸腾层到循环水的综合传热系数 约为120-180 4.7水套中循环水的消耗量 其中：-沸腾层剩余热量（千卡/小时） C-水的比热 （千卡/公斤.C）， t0-进入水套的水温度，20 C t-排出水套的温度，一般为50-60 C。4.8风箱容积V风箱-风箱容积，m3V风-鼓风量，m3/h4.9加料管面积其中：G料-加料量，吨/时 W料-物料的质量流率，吨/米2.时当加料管垂直设置时，W料一般为200-300吨/米2.时4.10溢流排料口高度主要视操作需要而定，一般为600毫米。宽度要与排料量相适用：其中：G排料-炉子排料量，公斤/小时，溢流排料量为炉子加料量减去烟尘和物料的烧结量。r料为物料的密度，4000 kg/m3. 4.11排烟口面积其中：W烟-排烟口处的气流速度，一般为8-12 米/秒