Конрольная работа
по дисциплине: «Металлургия тяжелых металлов»
на тему: «Предварительный обжиг
цинковых концентратов для дистилляционного процесса»
Выполнил: студент гр
Челябинск
2009 год
На цинковом дистилляционном заводе подвергают предварительному обжигу концентрат такого состава (в мас.%):
Таблица 1. Химический состав концентрата
Zn
Pb
Cu
Fe
S
Cd
SiO2
CaO
MgO
Прочие
52,5
2,5
1,7
5,8
31,9
0,5
2,1
0,6
0,9
1,5
Требуется рассчитать:
1. Рациональный состав сырого (необожжённого) концентрата;
2. Количество обожжённого цинкового концентрата, а также его химический и рациональный состав;
3. Количество воздуха, необходимого для предварительного обжига концентрата до порошка;
4. Количество и состав обжиговых газов;
5. Материальный баланс обжига;
6. Тепловой баланс обжига.
Подсчитаем рациональный состав сырого концентрата, полагая, что металлы в нём находятся в виде следующих соединений: Zn в виде ZnS; Pb-PbS; Cu-CuFeS2; Cd-CdS; Fe-FeS2 и Fe7S8 ;CaO-CaCO3и Mg-MgCO3. Расчёт ведём на 100 кг концентрата.
Количество жидкого минерала по элементам, входящим в этот минерал, рассчитывают по соотношениям атомных масс. Приведём примеры расчетов.
Количество ZnS (сфалерит) на 100 кг концентрата:
65,4 кг Zn требуют 32 кг S (по молекулярным массам)
52,5 кг Zn — x кг S;
xs=(52,5•32)/65,4=25,69 кг, mZnS=78,19 кг.
Количество PbS (галенит) на 100 кг концентрата:
207,2 кг Pb требуют 32 кг S
2,5 кг Pb — x кг S;
xS=(2,5•32)/207,2=0,39 кг, mPbS=2,89 кг.
Количество CuFeS2 (халькопирит) на 100 кг концентрата:
183,4 кг CuFeS2 содержат 63,6 кг Cu
xкг CuFeS2 — 1,7 кг Cu;
xCuFeS2=(183,4•1,7)/63,6=4,9 кг.
В халькопирите содержится серы:
183,4 кг CuFeS2 содержат 64 кг S
4,9 кг CuFeS2 — x кг S;
xS=(4,9•64)/183,4=1,71 кг.
В CdS содержится серы:
116,36 кг CdS содержат 32 кг S
0,5 кг Cd содержат x кг S;
xS=(32•0,5)/116,36=0,14 кг.
Количество железа в халькопирите:
183,4 кг CuFeS2 содержат 55,8 кг Fe
4,9 кг CuFeS2 — x кг Fe;
xFe=(4,9•55,8)/183,4=1,49 кг.
Согласно расчёту требуется серы для образования, кг:
ZnS-25,69;
PbS-0,39;
CuFeS2-1,71;
CdS-0,14
Итого: 27,93.
Остальная часть серы в количестве 31,9-27,93=3,97 кг будут связана с железом в виде FeS2 (пирит) и Fe7S8 (пирротин). Для этих соединений осталось железа 5,8-1,49=4,31 кг.
Примем, что с пиритом связано «а» кг железа, тогда с пирротином (4,31-а) кг железа. Если количество серы в пирите «b» кг, то в пирротине (3,97-b) кг серы. Составляем два следующих уравнения:
для пирита:
55,8 кг Fe требуют 64 кг S
акгFe — b кгS;
x =b=(64•a)/55,8=1,147a
для пирротина:
(55,8•7) кг Fe требуют (32•8) кг S
(4,31-а) кг Fe — (3,97-b) кг S.
Отсюда, (3,97-1,147а)=(4,31-а)•0,655;
а=2,33 кг;
b=2,67 кг.
Количество FeS2=2,33+2,67=5 кг;
Количество Fe7S8=(4,31-2,33)+(3,97-2,67)=3,28 кг.
Количество CaCO3:
56,1 кг CaO требуют 44,0 кг CO
0,6 кг CaO — x кг CO;
xСО2=(0,6•44)/56,1=0,47 кг,
mСaCO3=0,6+0,47=1,07 кг.
Количество MgCO3:
40,3 кг MgO требуют 44,0 кг CO2 --PAGE_BREAK--
0,9 кг MgO — xкг CO;
xCO2=(0,9•44)/40,3=0,98 кг,
mMgCO3=0,9+0,98=1,88 кг.
Данные по рациональному составу сырого концентрата приведены в табл.2.
Таблица 2.
Рациональный состав сырого цинкового концентрата, %
Соединение
Zn
Pb
Cu
Cd
Fe
S
CaO
MgO
CO2
SiO2
Прочие
Всего
ZnS
52,5
25,69
78,19
PbS
2,5
0,39
2,89
CuFeS2
1,7
1,49
1,71
4,90
CdS
0,5
0,14
0,64
FeS2
2,33
2,67
5,00
Fe7S8
1,98
1,3
3,28
CaCO3
0,6
0,47
1,07
MgCO3
0,9
0,98
1,88
SiO2
2,1
2,10
Прочие (по
разности)
0,05
0,05
Итого:
52,5
2,5
1,7
0,5
5,8
31,90
0,6
0,9
1,45
2,1
0,05
100
Подсчитаем рациональный состав огарка. Принимаем, что концентрат обжигают в виде порошка в печи с механическим перегребанием, а затем на спекательной машине. В предварительно обожжённом концентрате оставляем 7,9% общей серы, причём 0,9% находится в виде SSO3 и 7,0% в виде SS. В концентрате наиболее трудно обжигающийся сульфид ZnS, поэтому допустим, что вся сульфидная сера будут связана в огарке только с цинком. Сульфатную серу распределяем следующим образом: половину свинца, оксида кальция и оксида магния связываем в сульфатную форму, а остальную серу связываем с цинком в ZnSO4.
Принимаем, что все карбонаты, присутствующие в концентрате, при обжиге диссоциируют полностью; железо окисляется наполовину до Fe2O3 и наполовину до Fe3O4; вся медь окислиться до Cu2O и весь кадмий-до CdO.
Принимаем, что полуобожжённого концентрата будет получено 87% от сырого. Тогда в огарке будет содержаться 0,783 кг SSO3 и 6,09 кг SS.
Результаты подсчётов рационального и химического составов полуобожжённого концентрата представлены в табл.3.
Количество ZnS:
65,4 кг Zn требует 32 кг SS продолжение
--PAGE_BREAK--
x кг Zn — 6,09 кг SS
xZn=(65,4•6,09)/32=12,45 кг,
mZnS=12,45 + 6,09=18,54 кг.
Количество PbO:
207,2 кг Pb требует 16 кг O2
1,25 кг Pb — x кг O2
xO2=(1,25•16)/207,2=0,097 кг,
mPbO=1,25 + 0,097=1,347 кг.
Количество Cu2O:
127,2 кг Cu требует 16 кг O2
1,7 кг Cu — x кг O2
x O2=(16•1,7)/127,2=0,2 кг,
mCu2O=1,7+ 0,2=1,9 кг.
Количество Fe2O3:
111,6 кг Fe требует 48 кг O2
2,9 кг Fe — x кг O2
xO2=(2,9•48)/111,6=1,25 кг,
mFe2O3=1,25 + 2,9=4,15 кг.
Количество Fe3O4:
167,4 кг Fe требует 64 кг O2
2,9 кг Fe — x кг O2
xO2=(2,9•64)/167,4=1,11 кг,
mFe3 O4=1,11 + 2,9=4,01 кг.
Количество CdO:
112,4 кг Cd требует 16 кг O2
0,5 кг Cd — x кг O2
xO2=(0,5•16)/112,4=0,07 кг,
mCdO=0,5 + 0,07=0,57кг.
Количество PbSO4:
303,2 кг PbSO4 содержат 207,2 кг Pb
x кг PbSO4 — 1,25 кг Pb
xPbSO4=(303,2•1,25)/207,2=1,83 кг.
В PbSO4 содержится серы:
303,2 кг PbSO4 содержат 32 кг SS03
1,83 кг PbSO4 — x кг SS03
xSO3=(1,83•32)/303,2=0,19 кг.
В PbSO4 содержится кислорода:
303,2 кг PbSO4 содержат 64 кг O2
1,83 кг PbSO4 — x кг O2
xO2=(1,83•64)/303,2=0,39 кг.
Количество CaSO4:
136,1 кг CaSO4 содержат 57,1 кг CaO
x кг CaSO4 — 0,3 кг CaO
xCaSO4=(136,1•0,3)/57,1=0,72 кг.
В CaSO4 содержится серы:
136,1 кг CaSO4 содержат 32 кг SS03
0,72 кг CaSO4 — x кг SS03
xSO3=(0,72•32)/136,1=0,17 кг.
В CaSO4 содержится кислорода:
136,1 кг CaSO4 содержат 48 кг O2
0,72 кг CaSO4 — x кг O2
xO2=(0,72•48)/136,1=0,25 кг.
Количество MgSO4:
120,3 кг MgSO4 содержат 40,3 кг MgO
x кг MgSO4 — 0,45 кг MgO
xMgSO4=(120,3•0,45)/40,3=1,34 кг.
В MgSO4 содержится серы:
120,3 кг MgSO4 содержат 32 кг SS03
1,34 кг MgSO4 — x кг SS03
xSO3=(1,34•32)/120,3=0,356 кг.
В MgSO4 содержится кислорода:
120,3 кг MgSO4 содержат 48 кг O2
1,34 кг MgSO4 — x кг O2
xO2=(1,34•48)/120,3=0,53 кг.
Количество ZnSO4:
161,4 кг ZnSO4 содержат 32 кг SS03
x кг ZnSO4 — 0,067 кг SS03
xZnSO4=(161,4•0,067)/32=0,34 кг.
В ZnSO4 содержится цинка:
161,4 кг ZnSO4 содержат 65,4 кг Zn
0,34 кг ZnSO4 — x кг Zn
xZn=(65,4•0,34)/161,4=0,14 кг.
В ZnSO4 содержится кислорода: продолжение
--PAGE_BREAK--
161,4 кг ZnSO4 содержат 64 кг O2
0,34 кг ZnSO4 — x кг O2
xO2=(64•0,34)/161,4=0,13 кг.
ZnZnO=52,5-12,45-0,13=39,92 кг.
Количество ZnO:
65,4 кг Zn требует 16 кг O2
39,92 кг Zn — x кг O2
xO2=(39,92•16)/65,4=9,77 кг,
mZnO=39,92 + 9,77=49,69 кг.
Таблица 3.
Рациональный состав полуобожжённого концентрата, %
Соеди-
нения
Zn
Pb
Cu
Cd
Fe
SS
SSO3
CaO
MgO
SiO2
O2
кг
%
ZnO
39,92
9,77
49,69
56,94
ZnSO4
0,14
0,067
0,13
0,337
0,37
ZnS
12,45
6,09
18,54
21,24
PbO
1,25
0,097
1,347
1,54
PbSO4
1,25
0,19
0,39
1,83
2,10
CaO
0,3
0,3
0,34
CaSO4
0,17
0,3
0,25
0,72
0,83
MgO
0,45
0,45
0,52
MgSO4
0,356
0,45
0,53
1,336
1,53
Fe2O3
2,90
1,25
4,15
4,76
Fe3O4
2,90
1,11
4,01
4,59
Cu2O
1,70 продолжение
--PAGE_BREAK----PAGE_BREAK--
3,62
1,38
0,54
CO2
1,45
1,90
0,76
0,30
N2
259,94
1,25
207,96
81,91
O2
38,82
1,428
27,68
10,91
Итого:
351,27
253,88
100
Материальный баланс предварительного обжига цинковых концентратов представлен в табл.6.
Таблица 6. Материальный баланс обжига
Приход
кг
Расход
кг
Сырой
Концентрат
100,0
Полуобожжённый
Концентрат
87,30
Воздух
Газы:
азот
259,94
кислород
38,82
сернистый ангидрид
46,06
серный ангидрид
5,00
двуокись углерода
1,45
невязка
0,05
Итого
338,62
Итого:
438,62
Тепловой баланс обжига
Приход тепла:
1. Окисление сульфида цинка по реакции:
ZnS+1,5O2=ZnO+SO2+105630 кал.
По этой реакции окислится (39,92•97,4)/65,4=59,45 кг ZnS.
Количество цинка, соответствующее данному количеству ZnS берём из табл.3. При этом будет получено (105630•59,45•103)/97,4=64473,34 ккал.
2. Окисление сульфида цинка по реакции:
ZnS+2O2=ZnSO4+185380 кал.
По этой реакции окислиться (0,14•97,4)/65,4=0,209 кг Zn и будет получено (185380•0,209•103)/97,4=397,77 ккал.
3. Окисление сульфида свинца по реакции:
PbS+1,5O2=PbO+SO2+100820 кал.
Количество сульфида свинца, окисляющееся по этой реакции
(1,25•239,2)/207,2=1,44 кг PbS,
При этом будет получено (100820•1,44•103)/239,2=606,94 ккал.
4. Окисление сульфида свинца по реакции:
PbS+2O2=PbSO4+196960 кал.
Окислиться по этой реакции (1,25•239,2)/207,2=1,44 кг PbS, и будет получено (196960•1,44•103)/239,2=1185,71 ккал.
5. Окисление сульфида кадмия по реакции:
CdS+1,5O2=CdO+SO2+26360 кал.
По этой реакции будет получено (26360•0,64•103)/144,4=116,83 ккал.
6. Окисление сульфида меди по реакции:
Cu2S+1,5O2=Cu2O+SO2+91800 кал.
Окислиться по этой реакции (1,7•159,2)/127,2=2,13 кг Cu2S и будет получено (91800•2,13•103)/159,2=1228,29 ккал.
7. Окисление пирита по реакции:
4FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2+790600 кал.
По этой реакции будет получено тепла (790600•5,00•103)/479,2=8249,17 ккал.
8. Окисление FeS по реакции:
2FeS+3,5O2=Fe2O3+2SO2+292980 кал.
Окислиться по этой реакции mFe(Fe2O3)табл 3-mFe(FeS2)табл 2=2,9-2,33=0,57 кг железа, что даёт (0,57•87,8)/55,8=0,9 кг FeS. При этом будет получено тепла (292980•0,9•103)/175,6=1501,61 ккал.
9. Окисление FeS по реакции:
3FeS+5O2=Fe3O4+3SO2+411720 кал.
2,9 кг Fe в виде FeS составит (2,9•87,8)/55,8=4,56 кг FeS. При этом будет получено тепла (411720•4,56•103)/263,4=7127,73 ккал.
10. Образование сульфата кальция по реакции:
CaO+SO3=CaSO4+96070 кал.
По этой реакции будет получено тепла (96070•0,72•103)/136,1=508,23 ккал.
11. Образование сульфата магния по реакции:
MgO+SO3=MgSO4+67210 кал.
По этой реакции будет получено тепла (67210•1,336•103)/120,3=746,41 ккал.
12. Окисление серы по реакции:
1/2S2 + O2 = SO2
По этой реакции будет получено тепла:
для халькопирита: (70960•0,43•103)/32=947,98 ккал;
для пирротина: (70960•0,16•103)/32=360,34
Всего получено тепла 87450,35 ккал.
Расход тепла
1. Потери тепла с отходящими газами, нагретыми до °С, ккал:
Q=mi•ci•t.
SO2: 46,06•0,177•580=4728,52
SO3: 5,00•0,177•580=513,30 продолжение
--PAGE_BREAK--
CO2: 1,45•0,2493•580=209,66
N2: 259,94•0,2571•580=38761,73
O2: 38,82•0,2371•580=5338,45
Итого: 49551,66
2. Потери тепла с обожжённым концентратом, нагретым до 620°С:
87,30•0,22•620=11907,72 ккал.
3. Расход тепла на разложение карбонатов по реакциям:
CaCO3=CaO+CO2-42498 кал;
(42498•1,07•103)/100,1=454,27 ккал;
MgCO3=MgO+CO2-28108 ккал;
(28108•1,88•103)/84,3=626,85ккал;
Итого-1081,12 ккал.
4. Испарение воды на подсушивающем поде. Допустим, что в концентрате 6% H2O, и вся она испаряется на подсушивающем поде, тогда расход тепла составит λ•m=540•100•0,06=3240 ккал.
5. Разложение CuFeS2 и Fe7S8 примерно одинаков и равен 144,9 ккал/кг. Тогда на разложение этих соединений будет затрачено тепла
(1,49+1,98)•144,9=502,8 ккал.
6. Теплоизлучение и другие потери тепла определяются по разности. Результаты расчета теплового баланса обжига представлены в табл.7.
Таблица 7. Тепловой баланс обжига цинковых концентратов
№
Приход тепла
ккал
%
№
Расход тепла
ккал
%
1
Окисление сульфида цинка до оксида
64473,34
73,48
1
Унос с отходящими газами
49551,66
57,52
2
Окисление сульфида цинка до сульфата
397,77
0,45
2
Унос с огарком
11907,72
13,82
3
Окисление PbS доPbO
606,94
0,69
3
На разложение карбонатов
1081,12
1,26
4
Окисление PbS до PbSO4
1185,71
1,36
4
На испарение воды из концентрата
3240
3,76
5
Окисление CdS до CdO
116,83
0,13
5
На разложение сульфидов
CuFeS2 и Fe7S8
502,8
0,58
6
Окисление Cu2S до Cu2О
1228,29
1,40
6
Теплоизлучение (по разности)
19858,73
23,06
7
Окисление FeS2 до Fe2O3
8249,17
9,43
8
Окисление FeSдо Fe2O3
1501,61
1,72
9
Окисление FeS до Fe3O4
7127,73
8,15
10
Образование CaSO4
508,23
0,59
11
Образование MgSO4
746,41
0,86
12
Окисление серы
1308,32
1,5
Итого
86142,03
100
Итого 87450,35 100
Выводы
1. При данном обжиге избытка тепла нет, поэтому зачастую требуется подтопка посторонними источниками тепла.
2. Целесообразно воздух, нагретый при охлаждении печи, вводить в печь для обжига.