沸腾炉的设计

1、 沸腾焙烧炉设计沸腾焙烧炉设计题题 目目 年产年产 6 6 万吨锌冶炼沸腾焙烧炉设计万吨锌冶炼沸腾焙烧炉设计 专专 业业 冶金工程冶金工程 班班 级级 冶金冶金 093 姓姓 名名 华仔华仔 学学 号号 31 指导教师指导教师 万万 林林 生生 - I - 目 录第一章第一章 设计概述设计概述1 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第二章第二章 工艺流程的选择与论证工艺流程的选择与论证1 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第三章第三章 物料衡算物料衡算及及热平衡热平衡计计算算 3 33.1 锌精矿流态化焙烧物料平衡计算33.1.

2、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第四章第四章 沸腾焙烧炉的选型计算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 - II - 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

3、154.11 排烟口面积 15参考文献参考文献15 - 1 - 第一章第一章 设计概述设计概述1.1 设计依据设计依据根据冶金工程专业课程设计指导书 。1.21.2 设计原则和指导思想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

4、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。1.31.3 毕业设计任务毕业设计任务一、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第二章 工艺流程的选择与论证工艺流程的选择与论证2.12.1 原料组成及特点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 D 组组 锌精矿的化学成分锌精矿的化学成分化学成分ZnPbCuCdFeSCaOMgOS

5、iO2其他wB(%)49.71.390.280.228.4730.61 1.050.365.212.712.22.2 沸腾焙烧工艺及主要设备的选择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 - 2 - 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（

6、或富氧空气）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

7、 + 0.5 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

8、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。 - 3 - 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 33

9、mm 的dm筛孔的破碎块矿，焙烧强度为 30t/()。dm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；

10、炉床温度均匀；结构简单，无转动部件，且投资省，维修费用少；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3.13.1 锌精矿流态化焙烧物料平衡计算锌精矿流态化焙烧物料平衡计算3.1.13.1.1 锌精矿硫态化焙烧冶金计算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、2CuFeS87SFe2FeS3CaCO、形态存在。3MgCO2SiO 以 100锌精矿（干量

11、）进行计算。kg1.ZnS 量 ： 其中 Zn：49.7 S：24.32kg02.744 .654 .977 .49kgkg2.CdS 量： 其中 Cd：0.22 S：0.06kg28. 04 .1124 .14422. 0kgkg3.PbS 量： 其中：Pb：1.39 S：0.21kg60. 12 .2072 .23939. 1kgkg4.量： 其中：Cu：0.28 Fe：0.25 S：0.282CuFeSkg81. 05 .6335.18328. 0kgkgkg5. 和量：除去中 Fe 的含量，余下的 Fe 为，除去2FeS87SFe2CuFeS8.22kg0.25-8.47ZnS、CdS

12、、PbS、中 S 的含量，余下的 S 量为2CuFeS。此 S 量全部分布在和中，设中Kg74. 5)28. 021. 006. 032.24(61.302FeS87SFe2FeS - 4 - Fe 为 x，S 量为 y，则kgkg 解得：=0.72，=0.83872SFeFeS83274. 5785.5522. 823285.55yxyxxkgykg 即中：Fe=0.72、S=0.83、=1.55。2FeSkgkg2FeSkg中：Fe：8.22-0.72=7.5 S：5.74-0.83=4.91 ：12.4187SFekgkg87SFekg6. 量： 其中 CaO：1.05 ：0.823Ca

13、COkg87. 11 .561 .10005. 1kg2COkg7. 量： 其中 MgO：0.36 ：0.393MgCOkg75. 03 .403 .8436. 0kg2COkg表表 3-13-1 混合精矿物相组成，混合精矿物相组成，kg组成ZnCdPbCuFeSCaOMgO2COSiO2其他共计ZnS49.0724.3274.02CdS0.220.060.28PbS1.390.211.6CuFeS20.28 0.25 0.280.81FeS20.72 0.831.55Fe7S87.15 4.9112.06CaCO31.050.821.87MgCO30.36 0.390.75SiO25.215

14、.21其他2.712.71共计49.07 0.22 1.39 0.28 8.12 31.66 1.05 0.36 1.21 5.21 2.71 100.003.1.23.1.2 烟尘产出率及其化学和物相组成计算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 kg856.2348. 007.49Cd kg132. 060. 022. 0Pb kg695. 050. 039. 1Cu kg14.

15、 050. 028. 0Fe kg235. 450. 047. 8 - 5 - CaO kg525. 0 . 050. 005. 1MgO kg18. 050. 036. 0 2SiOkg605. 250. 021. 5 0.761sSxkg 0.9424SOSxkg其他 kg355. 150. 071. 2各组分化合物进入烟尘的数量为：1.ZnS 量： 其中：Zn 1.555 S 0.761xkg316. 2324 .97761. 0kgkg2.量： 其中：Zn 1.925 S 0.942 O 1.8844ZnSOkg751. 4324 .161942. 0kgkgkg3量：烟尘中 Fe 先

16、生成，其量为：，有32OFeZnO32OFekg055. 67 .1117 .159235. 432OFe与 ZnO 结合成，其量为：。3132OFeZnOkg018. 231055. 6量为 其中：Zn 0.82 Fe 1.411 O 0.81532OFeZnOkg046. 37 .1591 .241018. 2kgkgkg余下的的量：6.055-2.018=4.037 其中：Fe 2.824 O 1.21332OFekgkgkg4.ZnO 量：Zn 23.856-（1.555+1.925+0.82）=19.556kg ZnO O 24.34-19.556=4.784kgkg34.244 .

17、654 .81556.195.CdO 量： 其中：Cd 0.132 O 0.019kg151. 04 .1124 .128132. 0kgkg6.CuO 量： 其中：Cu 0.14 O 0.035kg175. 0 . 05 .635 .7914. 0kgkg7.量：PbO， 其中：Pb 0.695 O 0.0542SiOPbOkg749. 02 .2072 .223695. 0kgkg 与 PbO 结合的量：2SiOkg201. 0 . 02 .22360749. 0 剩余的量：2.605-0.201=2.4042SiOkg表表 3-23-2 烟尘产出率及其化学和物相组成，烟尘产出率及其化学和

18、物相组成，kg组成ZnCdCuPbFeSSSSO4CaOMgOSiO2O其他 共计ZnS1.5550.762.316 - 6 - 1ZnSO41.9250.9421.8844.751ZnO19.5564.78424.34ZnOFe2O30.821. 4110.8153.046Fe2O32.8241.2134.037CdO0.1320.0190.151CuO0.140.0350.175PbOSiO20.6950.26 0.0540.95CaO0.5250.525MgO0.180.18SiO22.4042.404其他1.355 1.355共计23.8560.132 0.14 0.695 4.235

19、0.7610.942 0.5250.182.664 8.8041.355 44.23%53.93 0.30 0.32 1.57 9.57 1.72 2.131.190.416.023 19.91 3.1 100.003.1.33.1.3 焙砂产出率及其化学与物相组成计算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。各组分化合物进入焙砂中的数量为：量：0.484,量：0.1764SOSkgSSkg1.量：4ZnSOkg441. 2324 .161484. 0

20、 其中：Zn 0.989Kg O 0.968Kg 2.ZnS 量：kg536. 0324 .97176. 0 其中：Zn 0.36 S 0.176kgkg3.量：焙砂中 Fe 先生成，其量为，有 40%与32OFeZnO32OFekg055. 67 .1117 .159235. 432OFeZnO 结合成，其量为。32OFeZnOkg422. 24 . 0055. 6量：32OFeZnOkg66. 37 .1591 .241422. 2 其中：Zn 0.99 Fe 1.7 O 0.97kgkgkg 余下的量：32OFekg633. 3422. 2055. 6 其中：Fe 2.535 O1.09

21、8kgkg4.ZnO 量：Zn kg505.23)99. 036. 0989. 0(844.25 ZnO kg26.294 .654 .81505.235.CdO 量：kg1 . 04 .1124 .128088. 0 - 7 - 其中：Cd 0.088 O 0.012kgkg以上计算结果列于下表表表 3-33-3 焙砂的物相组成，焙砂的物相组成，kg组成ZnCdCuPbFeSSSSO4CaO MgOSiO2O其他 共计ZnS0.360.1760.5364ZnSO0.9890.4840.9682.441ZnO23.5055.7529.255ZnOFe2O30.991.70.973.66Fe2O

22、32.5351.0983.633CdO0.0880.0120.1CuO0.0140.0350.175PbOSiO20.6950.2010.0540.95CaO0.5250.525MgO0.180.18SiO22.4042.204其他1.355 1.355共计25.844 0.088 0.14 0.6954.2350.1760.484 0.525 0.18 2.6058.8871.355 45.214%51.16 0.19 0.31 1.54 9.37 0.399 1.071.160.45.76 19.663100.003.1.43.1.4 焙烧要求的空气量及产出烟气量与组成的计算焙烧要求的空气

23、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，kg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：2SO3SO生成需要的量为： 2SO2O22SOOSkg834.26323295. 0247.28生成需要的量为：3SO2O3223SOOSkg119. 2324805. 0247.28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kgkg需理论氧量为： - 8 -

24、kg644.46691.17119. 2834.26空气中氧的质量百分比为 23%，则需理论空气量为：kg8 .20223100644.46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：kg253.51.25202.8空气中各组分的质量百分比为77%，23%，鼓入 267.419空气，其中：2N2Okg 2Nkg195.195%775 .253 2Okg305.58%235 .253标准状况下，空气密度为 1.293，实际需要空气之体积为：3mkg kg056.196293. 15 .253空气中，和的体积百分比为 79%、21%,则：2N2O 2Nkg844.15

25、4%79056.196 2Okg172.41%21056.1963.1.4.2 焙烧炉排出烟量和组成1.焙烧过程中产出 2SOkg669.533264%95247.28 3SOkg531. 33280%5247.282.过剩的量：2Okg641.11600.46305.583.鼓入空气带入的量：2Nkg803.1964.和分解产量：0.82+0.39=1.213CaCO3MgCO2COkg5.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。kg696. 8%10081008空气带入水分量计算赤峰地区气象资料：大气压力 88650Pa，相对湿度

26、34%，年平均气温 5，换算成此条C件下空气需要量为：306.21015.273515.27388650101325056.196m空气的饱和含水量为 0.0162，带入水分量为：3mkg - 9 - kg620. 277. 00162. 006.210带入水分总量为：或kg316.11620. 2696. 83082.14184 .22316.11m以上计算结果列于下表表表 3-53-5 烟气量和组成烟气量和组成组成质量kg体积3m体积比%组成质量kg体积3m体积比%2SO53.66918.7849.422O1.6418.1494.093SO3.5310.990.5OH211.31614.0

27、827.062CO1.210.6160.31共计277.423199.471002N196.056156.84578.63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沸腾焙烧物料平衡表加入产出名称质量，kg百分比，%名称质量，kg百分比，%干锌精矿10027.26烟尘44.2312.08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366.886100.003.23.2 热平衡计算热平衡计算3.2.13.2.1 热收入热收入进入流态化焙烧炉热量包

28、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 Q1ZnS+1O =ZnO+SO +105930 千卡2122生成 ZnO 的 ZnS 量： 99. 0505.2382. 0556.19kg826.664 .654 .97Q=1千卡67.726784 .97826.661059302.硫化锌按下式反应硫酸氧化放出热量 O2ZnS+2O =ZnSO +185050 千卡24 - 10 - 生成 ZnSO 的 ZnS 量:4kg34. 44 .654 .97989. 0925. 1Q =2千卡82464 .9734. 41850503.ZnO 和 Fe O 按下式反应生成

29、ZnO.Fe O 放出的热量 Q :23233ZnO+ Fe O = ZnO.Fe O +27300 千卡2323生成 ZnO.Fe O 的 ZnO 量23kg253. 24 .654 .8199. 082. 0Q = 3千卡55.7554 .81253. 2273004.FeS 按下式反应氧化放出热量 Q24 4FeS +11O =2 Fe O +8 SO +790600 千卡22232 Q =4千卡2 .25564 .47955. 17906005.FeS 按下式反应氧化放出热量 Q5 2FeS+3O = Fe O +2 SO +293010 千卡212232Fe S 分解得到 FeS 量

30、：78千卡11808791. 45 . 7 CuFeS 分解得到 FeS 量:2千卡39. 02128. 025. 0 Q =5千卡9 .328. 285.87219.122930106.CuFeS和 Fe S 分解得到硫燃烧放出热量 Q2786 CuFeS= Cu S+FeS+S22212 分解出 S 量：千卡071. 08 .3663281. 0 Fe S =7FeS+S78212 分解出 S 量：千卡614. 095.6463241.12 1硫燃烧放出的热量为 2222 千卡则：kg Q =6千卡07 0071. 07.PbS 按下式反应放出热量 Q7 - 11

31、 - PbS+1O =PbO+SO+100690 千卡2122 PbS+SiO = PbOSiO+2030 千卡22生成 PbS 放出热量：千卡512.6732 .23960. 1100690 生成 PbOSiO量：2kg9 . 195. 095. 0 生成 PbOSiO放出热量：2千卡61.133 .2839 . 12030 Q =673.512+13.61=689.412 千卡78.CdS 按下式反应放出热量 Q8 CdS+O =CdO+SO+98800 千卡2122 生成 CdO 的 CdS 量：kg28. 04 .1124 .14422. 0 Q =8千卡38.1934 .14428.

32、 0988009.Cu S 按下式反应氧化放出热量 Q29 Cu S+2 O= 2CuO+ SO+127470 千卡222生成 CuO 的 Cu S 量：2kg35. 01 .1271 .15928. 0 Q =9千卡815.2801 .15935. 012747010.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 0.2CCkg千卡 Q10=千卡8002 . 04010011.空气带入热量为 Q11 空气比热取 0.316,空气温度为 20,Cm3千卡C Q11=千卡6 .1327316. 02006.21012.入炉精矿含水分 8.696,水分比热取 1.0，10

33、0精矿中的水分带入热量kgCkg千卡kgQ12 Q12=千卡3500 . 140696. 8热量总收入：Q=Q+O +Q +Q +Q +Q +Q +Q +Q +Q+Q+Q+Q总收入12345678910111213 - 12 - =72679+8246+756+2556+20329+1522+689+193+280+800+1328+350=109724 千卡3.2.23.2.2 热支出热支出1.烟气带走量为 Q烟炉顶烟气 900 C,各比分比热为()：0Cm3千卡SO SO C O N O H O 2322220.529 0.55 0.521 0.333 0.350 0.403千卡烟6440

34、3900)403. 0082.14350. 0149. 8333. 0845.156521. 0616. 055. 099. 0529. 0784.18(Q2.烟尘带走的热量为 Q烟尘由炉中出来的烟尘温度为 900，其比热为 0.20CCkg千卡Q=44.239000.2=7961.4 千卡烟尘3.焙沙带走的热量为 Q焙由炉中出来的焙沙温度为 850，其比热为 0.20CCkg千卡Q=45.2149000.2=7961.4 千卡焙4.锌精矿中水分蒸发带走热量为 Q蒸Q=GtC+GV蒸水水水水Q=蒸千卡5350575696. 8140696. 85.精矿中碳酸盐分解吸收的热量为 Q分 CaCO

35、分解吸热 378, Mg CO 分解吸热 3143 kg千卡3 kg千卡 Q分=千卡36.94275. 031457. 43786.Cu FeS 和 Fe S 分解吸收的热量为 Q分278Q分=千卡5 .17202225 . 725. 07.通过炉顶和炉壁的散失热量为 Q散 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%=109714 0.05=5486.2 千卡散总吸收 - 13 - 8.剩余热量为 Q剩 Q= Q-（Q+Q+Q+ Q+Q分+Q分+Q）剩总吸收烟烟尘焙蒸散 =109724-（64403+7961+7686+5350+942+1720+

36、5486） =16073 千卡计算结果列于下表表表 3-63-6 锌精矿流态化焙烧热平衡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 氧化成 C