Обжиг сульфидного медного сырья

Окислительный обжиг применяется для удаления из концентратов части содержащейся в них серы с остав­лением в огарке такого количества, которое необходимо для получения штейна заданного состава при последую­щей плавке обожженной шихты.

Выраженное в процентах отношение выгоревшей при обжиге серы к сере, содержавшейся в материале до об­жига, называется степенью десульфуризации, которая подсчитывается по формуле

(17)

где q— выход огарка (обычно 0,7—0,85 от общей массы шихты);

S₁—содержание серы в шихте; S₂— содержание серы в огарке.

Степень десульфуризации при окислительном обжи­ге медных концентратов колеблется в пределах 50—70%; во многих случаях, если для образования заданного со­става штейна не требуется выжигать большего количест­ва серы, она ниже. На некоторых заводах обжиговые пе­чи используются как аппарат для подсушивания, смеши­вания и нагревания шихты при низкой степени десульфуризации — 15—20%.

Процессы, происходящие в обжиговой печи, можно представить следующими основными реакциями.

1. Разложение высших сульфидов под действием вы­сокой температуры в отсутствие кислорода.

Разложение пирита FeS₂ по реакции FeS₂=FeS + + 1/2S₂ (удаляется 50% серы).

Разложение пирротина Fe₇S₈ по реакции Fe₇S₈ = = FeS + 1/2S₂ (удаляется 12,5% серы).

Разложение халькопирита СuFeS₂ по реакции: 2CuFeS₂=Cu₂S + 2FeS + 1/2S₂ (удаляется 25% серы).

Эти реакции начинаются при температуре 630 и за­канчиваются при 850—1000° С.

2. Окисление сульфидов кислородом воздуха:

2FeS₂ + 5,5 O₂ = Fe₂O₃ + 4SO₂ + 183 ккал, (18)

2FeS + 3,5 O₂ = Fe₂O₃ + 2SO₂ + 220 ккал, (19)

2Fe₇S₈ + 26,5O₂ = 7Fe₂O₃ + 16 SO₂ + 1680 ккал, (20)

2CuFeS₂ + 6O₂ = Fe₂O₃ + Cu₂O + 4SO₂ + 427 ккал, (21)

Cu₂S+ 1,5O₂ = Cu₂O + SO₂ + 90,8 ккал. (22)

Сера, выделившаяся при разложении сульфидов, окисляется по реакции:

S₂ + 2 O₂ = 2 SO₂ + 140 ккал. (23)

Если концентраты содержат мышьяк, то при обжиге он окисляется по реакциям:

4 As + 3 O₂ = 2 As₂O₃ (24)

или

4 As + 5 O₂ = 2 As₂O₆. (25)

При работе обжиговой печи без избытка воздуха протекает преимущественно реакция образования трех- окиси мышьяка (As₂O₃). Она летуча и хорошо удаляет­ся в газы. При избытке воздуха и, следовательно, избыт­ке кислорода, в обжиговой печи образуется нелетучая пятиокись мышьяка (As₂O₅), которая остается в огарке и в последующих операциях загрязняет медь.

3. В некоторых рудах и концентратах могут содер­жаться карбонаты кальция (СаСО₃), магния (MgCO₃) и др.; СаСO₃ содержится в известняке, который добав­ляется в шихту как флюс. При обжиге карбонат каль­ция, разлагается до СаО.

По приведенным выше реакциям сульфиды меди окисляются в высший окисел меди СuО, сульфиды желе­за окисляются в высший окисел железа Fe₂O₃. В услови­ях окислительного обжига при достаточном избытке кислорода высшие окислы меди и железа устойчивы. При недостатке кислорода в обожженной шихте могут присутствовать и низшие окислы меди и железа Сu₂O, Fe₃O₄.

Главная реакция обжига сернистых медных концент­ратов— окисление пирита является основным источни­ком тепла для процесса обжига. За счет теплового эффек­та этой реакции, а также за счет тепловых эффектов реакций окисления других сульфидов покрываются все расходы тепла процесса обжига на нагрев шихты, удале­ние влаги, разложение карбонатов и на компенсацию потерь тепла печью. Практикой установлено, что окис­лительный обжиг медных концентратов идет успешно без расхода постороннего топлива, при содержании серы в шихте не менее 23%. При меньшем содержании серы обжиговую печь приходится подогревать, сжигая уголь, мазут или природный газ.

Температура обжига печи должна быть выше темпtратуры воспламенения сульфидов. С повышением температуры процесс окисления уско­ряется. Практически окислительный обжиг медных кон­центратов ведут при 700° С.

Для протекания процесса окислительного обжига необходимо иметь в печи избыток воздуха против теоре­тического. Однако большой избыток воздуха может при­вести к отводу с отходящими газами большого количест­ва тепла и остающегося тепла может оказаться недоста­точно для протекания процесса.

4. При сравнительно невысоких температурах поряд­ка 500—600° С и большом избытке воздуха образуются сульфаты, например по уравнению Cu₂S + 4O₂ = 2 CuSO₄ + Q.

Окись железа, образующаяся при окислении железо­содержащих минералов, является хорошим катализато­ром, способствующим окислению SO₂: 2SO₂ + O₂ = 2SO₃, который при этих температурах может реагировать с окислами металлов и образовывать сульфаты:

Fe₂O₃ + 3SO₃ = Fe₂(SO₄)₃, (26)

CuO + SO₃ = CuSO₄. (27)

Образование сульфатов препятствует удалению серы при обжиге и уменьшает степень десульфуризации.

При более высоких температурах происходит раз­ложение сульфатов по реакции: МеSО₄ = MeО + SО₃ с образованием серного ангидрида SО₃ и соответствующе­го окисла металла.

Образовавшиеся сульфаты разрушаются также всле­дствие протекания реакции между ними и сульфидами:

3 CuSО₄ + Cu₂S = 3 CuO + Cu₂O + 4 SО₂. (28)

Таким образом, видно, что высокая температура способ­ствует разложению сульфатов и повышению степени де­сульфуризации.

Обжиг в печах кипящего слояоснован на том, что через неподвижный слой концентратов снизу вверх через большое количество специальных отверстий-сопел в поду камеры обжига продувается под давлением воздух. При небольших ско­ростях газа слой концентратов неподвижен, при дости­жении критической скорости зерна концентрата начина­ют отделяться друг от друга, и как бы кипеть, это и есть кипящий слой. При дальнейшем увеличении скорости га­зов выше критической начинается бурление слоя, выбро­сы пыли и образование неплотной фазы. Скорость газов поэтому должна равняться критической и обеспечивать существование устойчивого кипящего слоя.

В печах кипящего слоя достигается значительное развитие удельной поверхности контакта твердой и газо­образной фаз, которая измеряется сотнями тысяч квад­ратных метров, это является большим преимуществом этого вида обжига. Однако взаимная относительная ско­рость перемещения остается незначительной. Избыток воздуха для полноты протекающих реакций при этом ви­де обжига небольшой— 1,1—1,2-кратный, т. е. только на 10—20% больше теоретического, и содержание SО₂ в га­зах поэтому высокое — достигает 12—14%.

Высокая скорость окисления сульфидов обеспечивает выделение большого количества тепла в единицу време­ни и в небольшом объеме, потери тепла поверхностью печи здесь невелики, поэтому при этом виде обжига име­ется значительный избыток тепла. Избыток тепла отби­рают водой кессонов, погруженных в кипящий слой, и образующаяся при этом нагретая вода или пар низкого давления используется для производственных нужд. В практике при обжиге в кипящем слое применяют по­дачу концентратов в слой в виде пульпы, чем экономят затраты на фильтрацию концентрата после сгущения его на обогатительной фабрике. Для испарения влаги пуль­пы и сушки концентрата используется избыточное тепло кипящего слоя. Недостатком обжига пульпы является высокое содержание влаги в газах и получение боль­шого количества слабой (промывной) серной кис­лоты.

Установка для обжига в кипящем слое состоит из собственно печи, ци­клонных пылеуловителей и котла- утилизатора. Для разогрева и создания на­чальной тем­пературы обжига печь имеет горелку на мазуте или природном газе. Печь для обжига в кипящем слое (рисунок 22) состоит из реактора ци­линдрической формы, пода реактора или решетки, воздухораспределитель­ной коробки, сливного или разгрузочного порога и свода. Ци­линдрическая камера и свод футерованы огнеупорным кирпичом толщиной 230—250 мм и покрыты снаружи слоем изоляционного материала. Высота цилиндрической камеры должна быть такой, чтобы частицы шихты, которые выносятся из слоя отходящими газами, успевали полностью обжигаться.

Наиболее ответственная часть печи кипящего слоя — подина. Она должна обеспечивать равномерное распре­деление воздуха по нижнему гори­зонтальному сечению печи и не допускать провала зернистого материала вниз в воздухораспределительную коробку. Подина представ­ляет собой решетку из листовой стали, покрытую слоем огнеупорного кирпича или жароупорного бетона, с от­верстиями для сопел. Отверстия для сопел располагают­ся по всей площади решетки в шахматном порядке, с расстоянием между рядами 200—300 мм. Сопла для продувки воздуха снизу вверх представляют собой отрез­ки стальных труб диам. 25—30 мм, перекрытых сверху стальными пластинками-колпачками. Под пластинками в стенках сопел сделаны отверстия, через которые воз­дух распределяется равномерно в слое обжигаемого ма­териала. Трубки сопел выступают на несколько санти­метров над поверхностью футеровки подины.

1 — разгрузочная течка; 2 — смотровое окно; 3 — воздухораспреде­лительные сопла; 4 — кессоны; 5 — загрузочное отверстие; 6 — за­грузочная форкамера; 7 —воздушный коллектор

Рисунок 22. Печь для обжига концентратов в кипящем слое

При обжиге в кипящем слое почти половина концент­ратов выдувается в виде годного огарка и улавливается в специальных пылеуловителях — обычно циклонных.

Для уменьшения выноса пыли из печи с уходящими газами в некоторых конструкциях предусмотрено увели­чение диаметра верхней части камеры печи. В некото­рых случаях для завершения реакций окисления во взве­шенном состоянии зерен концентрата, выносимых газа­ми из зоны кипящего слоя непрореагировавшими, высо­ту рабочей камеры над верхним уровнем кипящего слоя наращивают.

Обжиг в кипящем слое — прогрессивный процесс. Производительность по концентрату в несколько раз больше, чем при других способах обжига, конструкция печи простая, капитальные затраты и эксплуатационные расходы невелики. Обжиг в кипящем слое поддается ав­томатизации. Контролируется скорость подачи воздуха, подача шихты, высота кипящего слоя и температура слоев.