Конструкция печей кипящего слоя (КС)

Печь для обжига цинковых концентратов в кипящем слое (рис.6) представляет собой цилиндрическую вер­тикальную шахту иногда переменного сечения, диамет­ром 6 - 8 м и высотой 9 - 11 м, поставленную на бетон­ный фундамент. Внешний вид печи показан на рис. 7. Шахта, сваренная из стальных листов толщиной 10 - 12 мм, футерована внутри шамотным кирпичом. Толщи­на футеровки равна 500 мм. Наиболее ответственной частью печи является воздухораспределительная подина с воздушной коробкой. Подина должна быть беспро­вальной, жаростойкой, простой в изготовлении и обес­печивать равномерное распределение поступающего воздуха по всему сечению печи.

В отечественной практике принята конструкция поди­ны, представляющая собой стальной лист, в который на расстоянии 250 - 300 мм между центрами вставлены чугунные сопла; пространство между соплами залито жаропрочным бетоном слоем 200 мм.

Рис. 6. Печь для обжига цинковых концентратов в кипящем слое:

1- шахта печи; 2 - подина печи; 3 - воздушная коробка; 4 - загрузочное отверстие; 5 - разгрузочное отверстие; 6 - отверстие для отвода газов; 7 -пло­щадка для обслуживания печи; 5 - охлаждающий змеевик; 9 - форкамера

Сопла имеют различную конфигурацию (рис. 8 - 10). Наиболее час­то используют сопла грибкового типа, имеющие от 4 до о отверстий диаметром 4 - 5 мм. На каждой печи уста­навливают 1500 - 2000 таких сопел. Находят также при­менение сопла щелевой конструкции. Описание сопел различной конструкции приводится в технической литературе[1]

Рис. 7. Внешний вид обжиговой печи кипящего слоя

Рис. 8. Воздушное сопло грибкового типа:

1 - головка сопла; 2 - стальной стакан; 3 - стержень; 4 - шайба; 5 - гайца; 6 - палец

Решающее значение для стабильного «кипения» слоя имеет отношение площади всех отверстий сопел к общей площади пода печи - так называемое живое сечение подины, которое выбирается в зависимости от физико-химических свойств и грануло­метрического состава концен­трата и составляет 0,7 - 0,9%. После монтажа воздушной ко­робки и подины печи все свар­ные швы проверяют на газо­плотность с целью предупреждения утечек воздуха при работе печи. Подачу воздуха под подину осуществляют от воздуходувной станции по трубопроводу (рис. 11). Для этой цели применяют наг­нетатели различного типа, обеспечивающие производи­тельность 250 - 300 м³ воздуха в минуту и давление 25 - 30 кПа.

Рис. 9. Щелевидное сопло

Рис. 10. Сопло с направленным дутьем:

1 - головка сопла; 5 - стержень; 3 - труба; 4 - скоба; 5 - шайба; 6 – гайка

Выше подины обжиговая печь КС имеет одну или две форкамеры (рис. 12) для загрузки в них концентрата и сливной (разгрузочный) порог, через который обожженный продукт (огарок) выгружают в холодильник. В комплекс печи КС входят также: газоходная система, утилизационные и охлаждающие установка устройства для грубого и тонкого пылеулавливания Схема цепи аппаратов для обжига в кипящем слое цинковых концентратов показана на рис. 13.

Рис. 11. Схема подачи дутья в обжиговую печь

Рис. 12. Загрузочная камера обжиговой печи КС:

1 - форкамера; 2 - загрузочная гечка; 3 - воздухораспределительная подина; 4 - воздушная коробка.

Форкамеры, подина печи и сливной порог образуют зону кипящего слоя, в которой начинается и протекаем большинство реакций обжига сульфидных компонентов концентрата, находящегося в псевдосжиженном состоянии. Форкамеры и сливной порог для увеличения про­должительности пребывания материала в этой зоне рас­положены на противоположных сторонах печи. Площадь форкамеры составляет обычно 1,5 - 2 м². На поду форкамеры установлены такие же воздухораспредели тельные сопла, что и на подине печи, но с меньшим расстоянием между ними для предотвращения залегания на поду крупных зерен концентрата.

Над форкамерами имеются бункера для шихты с суточным или полусуточным запасом материала. Из бункеров шихту загружают в форкамеры с помощью ленточных питателей (рис. 14). Регулируют загрузку автоматически или вручную дистанционно с пульта управления печами КС. На ряде новых зарубежных цинковых заводов, где установлены печи КС большой про­нзительности, форкамеры отсутствуют. Подачу шихты осуществляют непосредственно в печь скоростными ленточными питателями, разбрасывающими материал по всей поверхности кипящего слоя. Иногда на каждой печи устанавливают по два таких питателя.

Рис. 13. Схема цепи аппаратов обжигового цеха:

1 - ленточный конвейер; 2 - автоматические весы; 3 - ленточный питатель; 4 - дисковый питатель; 5 - забрасыватель; б - ленточный конвейер; 7 - эле­ватор; 8 - печь КС; 9 - аэроводохолодильник; 10 - котел-утилизатор; 11 - ци­клон; 12 - электрофильтр; 13 - вентилятор; 14 - шнек; 15 - конвейер; 16 - конвейер; 17 - элеватор; 18 - грохот; 19 - насос; 20 - конвейер; 21 - диско­вый питатель; 22 - шаровая мельница; 23 - конвейер; 24 - шлюзовыЙ пита­тель, 25 - конвейер; 26 - конвейер; 27 - шлюзовый питатель

Сливной порог служит для выгрузки огарка из печи и ограничения высоты кипящего слоя. Высота кипяще­го слоя оказывает существенное влияние на происходя­щие в нем процессы. При недостаточной высоте слоя увеличивается пылевынос из печи, возможны продувы воздуха в отдельных местах с образованием воронок, что приводит к уменьшению вертикальной скорости воздуха в другой части слоя и может вызвать залега­ние материала на подине печи.

Вместе с тем работа печи КС на высоком слое уве­личивает продолжительность пребывания материала в зоне кипящего слоя, уменьшает вынос тонких частиц из печи, создает более благоприятные условия для сульфатообразования.

Рис. 14. Узел загрузки печи КС:

1-ленточный питатель; 2 - загрузочный бункер; 3 - шибер бункера; 4 - разгрузочная воронка питателя; 5 - электрический исполнительный механизм; 6 -кронштейн; 7 -пневмогидравлический затвор; 8 -загрузочная течка

Поэтому в последнее время за рубежом при строительстве мощных обжиговых печей современной конструкции проявляется тенденция к увеличению высоты слоя до 1,8-2 м вместо обычно принятой в практике высоты 1,0-1,2 м. Однако чрезмерно большая высота слоя также нежелательна, так как в том случае для «кипения» слоя под подину приходится подавать воздух под большим давлением, а следовательно расходовать большее количество электроэнер­гии.

В любом случае высота кипящего слоя должна оп­ределяться задачами обжига и физико-химическими свойствами перерабатываемых концентратов. Так как и задачи обжига, и свойства материалов могут меняться, то конструкция сливного порога предусматривает воз­можность регулирования высоты слоя. На отечествен­ных предприятиях многолетней практикой установлена оптимальная высота кипящего слоя 1,2-1,5 м. Такая высота обеспечивает достаточную продолжительность контакта сульфидных зерен с кислородом воздуха и не­обходимый массообмен для получения заданной степе­ни десульфуризации.

Непосредственно над зоной кипящего слоя находится шахта печи, где также протекают реакции обжига тех частиц концентрата, которые, оторвавшись от поверх­ности слоя, поднимаются отходящими газами к своду печи и далее выносятся с ними в газоходную систему. В связи с этим высота шахты должна быть достаточ­ной для полного завершения реакций обжига наиболее тонкой фракции концентрата.

Таблица 5

Состав циклонной пыли в зависимости от высоты (объема) шахты печи, %

Насколько влияет высота (объем) шахты на качест­во обожженного продукта, выносимого из печи отходя­щими газами, свидетельствуют данные о составе цик­лонной пыли завода «Электроцинк» (табл. 5), на кото­ром впервые в промышленном масштабе был освоен об­жиг в кипящем слое.

В последнее время стремятся строить печи КС с большой высотой шахты, чтобы получить все продукты обжига с низким содержанием сульфидной серы. Высота шахты современных печей КС колеблется в пределах 9,5-13,5 м, достигает в особо мощных печах 17 м. Са­ма шахта может иметь как постоянное, так и переменное сечение, если в последнем случае соблюдается угол наклона стенок, исключающий зависание на них мате­риала.

Производительность печей КС определяется площадью пода, диаметром, высотой шахты в надслоевом пространстве и высотой кипящего слоя.

Таблица 6

Основные конструктивные размеры печей КС некоторых зарубежных заводов [6]

Чем больше площадь пода, высота и диаметр шахты печи и толщина кипящего слоя, тем выше ее производительность. При одних и тех же размерах обжиговой печи ее произво­дительность тем выше, чем больше вносится кислорода воздуха в кипящий слой. Разумеется, увеличивать количество дутья можно только в рамках соблюдения ус­тановленного технологического режима.

Рис. 15. Пульт управления обжиговыми печами

Основные конструктивные размеры печей КС, исполь­зуемых в зарубежной практике, приведены в табл. 6.

Питание печи шихтой. Загрузку шихты в зону ки­пящего слоя можно осуществлять тремя способами: внутрь кипящего слоя, непосредственно на поверхность кипящего слоя, через форкамеры. Первый из этих спо­собов практикуется на заводе «Джозефтаун» (США), где шихту подают в слой с помощью сдвоенных шнеков на 300 мм ниже уровня разгрузочного порога. Такой метод снижает пылеобразование при загрузке до мини­мума. Однако в отечественной практике его не приме­няют. Второй способ получил распространение только при эксплуатации мощных печей КС. На всех заводах Советского Союза обжиговые печи загружают шихтой ^через форкамеры. Для обеспечения непрерывной и равномерной подачи шихты в печь необходимо, чтобы пи­тающие устройства работали безотказно с заданной скоростью движения и определенной толщиной слоя ших­ты на ленте. Выполнение этого условия имеет весьма важное значение для соблюдения температурного режи­ма в печи и качественных показателей обжига.

Питание печи шихтой регулируется автоматически по заданному температурному режиму. При понижении температуры количество подаваемой шихты увеличива­ется. В некоторых случаях снижение температуры печи может быть вызвано зависанием шихты в бункерах, по­этому прежде всего необходимо устранить эту причину, если она имеет место. В особых случаях прибегают к ручной регулировке подачи шихты. Для этого на пульте контроля и управления процессом обжига (рис. 15) имеются соответствующие устройства.

Температурный режим. Для каждого вида концен­тратов устанавливают свой температурный режим. При обжиге смеси концентратов опытным путем подбирают режим, наиболее благоприятный для всех концентратов, входящих в состав шихты. При выборе температурного режима руководствуются химическим и минералогичес­ким составом сырья. Концентраты, содержащие повы­шенное количество кремнезема, свинца и соединений железа, обжигают при умеренных температурах для уменьшения образования силикатов и предотвращения спекания материала. Учитывают также необходимость получения в продуктах обжига достаточного количества сульфатной серы для компенсации потерь серной кис­лоты в цикле выщелачивания. Обычно температуру в слое поддерживают в пределах 900-1000°С.

Тепло при обжиге цинковых концентратов получа­ется в основном за счет окисления сульфидов. Поэтому температура слоя в печи зависит в основном от содер­жания серы в шихте и количества подаваемого в печь воздуха. При недостатке или большом избытке воздуха температура в кипящем слое снижается. Контроль температуры осуществляют термопарами, установленными J в шести точках кипящего слоя. Допустимое отклонение температуры в различных точках кипящего слоя со­ставляет ± 15-20 °С.

В связи с тем, что для обеспечения высокого качест­ва огарка по содержанию сульфидной серы и получе­ния достаточно концентрированных сернистых газов

Обжиг необходимо вести при более или менее постоянном избытке воздуха (обычно этот коэффициент равен 1,2-1,3), а поверхность охлаждающих элементов, находящихся в кипящем слое, является величиной посто­янной, то регулирование температуры обжига практи­чески можно осуществлять только изменением загрузки печи шихтой, что и делается в отечественной практике. В зарубежной практике для регулирования температу­ры иногда подают в печь воду.

Описанным способом регулируют температуру об­жига только в зоне кипящего слоя. Температуру газов в надслоевом пространстве печи регулировать практичес­ки невозможно, так как она является функцией темпе­ратуры слоя, вертикальной скорости газового потока, содержания серы в шихте, гранулометрического соста­ва концентрата и т. п. Обычно при прохождении газов через шахту печи температура их снижается на 50-60 °С и составляет у свода около 900-950 °С. При об­жиге некоторых, особенно тонких сульфидных материа­лов, какими являются, например, учалинские цинковые концентраты, температура под сводом печи может быть выше, чем в зоне кипящего слоя, на 40-50 °С. Даль­нейшее падение температуры газов по газоходному трак­ту зависит от применяемой системы охлаждения (стоя­ки с испарительным охлаждением или охлаждаемые воздухом, котлы-утилизаторы) и находится в следующих пределах (при водохлаждаемых системах), °С:

Ясно, что любое отклонение температуры кипящего слоя от заданной, при тех же средствах охлаждения, вызовет соответствующее изменение температуры в га­зовом тракте. Особенно отрицательно сказывается по­нижение температуры перед электрофильтрами: ухуд­шается пылеулавливание, а при резком падении темпе­ратуры (ниже точки росы) происходит конденсация паров серной кислоты на металлических конструкциях фильтров, газоходов, что вызывает их коррозию.

Тяго-дутьевой режим. Подаваемый в печь КС воздух выполняет две функции: во-первых, поддерживает слой шихты в псевдожидком состоянии, обеспечивая его текучесть, а также необходимый массо- и теплообмен в печи, во-вторых, является окислителем для сульфидов е процессе обжига. Поэтому воздух подается в печь при определенном давлении, позволяющем преодолеть сопротивление подины и слоя материала, и в количестве достаточном для протекания реакций окисления.

Практикой установлено, что для «кипения» слоя при высоте его 1 м необходимо иметь давление в воздухе. подводящей коробке перед подиной 15-16 кПа. При этом вертикальная скорость газового потока в кипящее слое составляет примерно 10,0—13,0 м/с. При такой скорости основная масса концентрата находится в зо­не кипящего слоя, «кипение» слоя протекает стабильно, продувов воздуха с образованием воронок не наблю­дается. В случае превышения давления воздуха под подиной вертикальная скорость газового потока мо­жет превысить критическую и большая часть материала, будет вынесена из печи, а «кипение» слоя прекра­тится.

От количества подаваемого в печь воздуха зависит полнота окисления сульфидов, температура в зоне кипящего слоя и как результат этих двух факторов, производительность печи КС. Для обеспечения полно­го и быстрого протекания реакций обжига необходим избыток воздуха против теоретически необходимого на 20-30%. Поэтому на большинстве цинковых заводов коэффициент избытка воздуха составляет 1,2-1,3. По­лученные опытным путем данные показывают, что на каждую тонну шихты расходуется примерно 2000 м³ воздуха или 350-450 м³ на 1 м² площади пода в 1 ч. Контроль избытка воздуха осуществляют по содержа­нию кислорода в отходящих газах, которое не должно превышать 4-6%.

Естественно, что при проектировании печи учиты­вают обе функции, выполняемые воздухом в процессе обжига. В соответствии с этим, исходя из характера сырья и заданной производительности печи, определя­ют число сопел, диаметр отверстий в них и давление воздуха под подиной. На практике, как уже было ска­зано выше, для соблюдения технологического режима обжига все параметры воздушного дутья поддержива­ют обычно постоянными, а регулировку температуры осуществляют путем изменения загрузки печи шихтой.

При указанных условиях давление воздуха расходуется на преодоление сопротивления подины и кипящего слоя. При этом под сводом наблюдается давление 20-30 Па или небольшое разрежение, создаваемое эксгаустером, устанавливаемым за циклонами или котлами-утилизаторами. Для преодоления сопротивления газоходного тракта разрежение перед эксгаустером должно быть в пределах 1,2-1,40 кПа. Далее газы по­ступают в газоход под давлением, создаваемым эксгаутером, а затем отсасываются нагнетателем сернокис­лотного цеха. Нулевая точка (давление равно разреже­нию) приходится обычно на электрофильтры, после ко­торых разрежение составляет 0,12-0,15кПа.