回转窑和余热锅炉系统的冶炼及热力学计算.docx
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回转窑和余热锅炉系统的冶炼及热力学计算
回转窑和余热锅炉系统的冶炼及热力学计算
朝鲜锌工业集团现有冶炼废渣50万吨左右。
物料组成为:
Zn9%,铅4.9%,银150g/t.，并且在每天生产中还要排出废渣。
通过焙烧收集技术，可以把锌铅通过焙烧的提取，根据现有原料计算可以提出含量50%左右次氧化锌和氧化铅。
1．介绍
-工艺系统
朝鲜端川锌厂历年来锌系统产出的锌废渣一直堆存而未处理，为回收其中锌金属及其它有价金属，决定建设2台Ф3×45m锌废渣回转窑，捕集的氧化锌进行浸出、净液、电解最终获得电锌，由于氧化锌的湿法处理系统需要蒸汽，为此厂方决定在回转窑后增设余热锅炉，回收回转窑烟气中的余热，产出低压蒸汽供电锌生产使用。
-生产能力
回转窑单台日处理原料200吨，配套收集系统、脱硫系统，每天单台可收集50%的次氧化锌30-35吨，两套设备可以完成日处理400吨原料的计划，每天可收集50%的次氧化锌60-70吨。
-工艺介绍
将含锌渣混入无烟粉煤或焦粉,用加料装置进入回转窑内，由于窑内体具有倾斜度和一定的转速，炉料在室内不断运动，配入的还原煤中的碳，在高温作用下，使原料中的Zn还原形成金属锌，在大于1000℃下，锌剧烈挥发成锌蒸汽，并与窑头进入的空气，迅速被氧化成ZnO,氧化锌随烟气一道进入沉降室及余热锅炉。
余热锅炉采用直通式结构，全自然循环，窑尾550℃烟气进入前段膜式水冷壁组成的沉降室，用于冷却和沉降粗烟尘，这部分含氧化锌较低的粉尘可返回配料，后段是带有对流管束的蒸发区，这部分含氧化锌较高的粉尘可直接送入表面冷却器进收集系统，本锅炉设计换热面积约600㎡，出余热锅炉烟气温度为300℃左右，送入表面冷却器，锅炉为支撑式结构。
锅炉清灰采用振打和爆破清灰相结合，对膜式水冷壁，设置一部分高效弹性振打机，对流管束采用脉冲爆破清灰，设置打焦孔。
锅炉保温采用硅酸铝纤维隔热层，加彩钢板作防护层。
烟气通过表面冷水烟道，被冷却至160℃以下，通过引风机进入布袋收尘室，被布袋捕集的氧化锌粒子落入集尘斗，定期排除包装出售或自用。
渣中的锌、铅等被挥发进入烟尘。
剩余的融熔状态的高温渣，不断沿窑室头排出。
剩余废气通过除硫设备处理后，通过烟囱排入大气中。
回转窑和余热锅炉的技术性能
回转窑
余热锅炉
回转挥发窑尺寸φ3×45m
转速-0.5~1.35rpm
电机-75kw
窑尾烟气量20000Nm3/h
最低出窑烟气温度550℃
风机
锅炉工作压力1.25MPa
蒸汽温度190℃
饱和蒸汽量2.4-3t/h
给水温度20℃
出余热锅炉烟气温度300℃（进入表面冷却器）
沉降室图纸
横断面纵切面
2．厂方提出的问题
①将沉降室的温度提高到650℃以上
其原因为：
第一、锌渣中铅含量高（大约6.7%），而在回转窑内铅挥发物主要是PbS,为了PbS氧化变成PbO,必须将沉降室的温度提高到650℃以上；第二、朝鲜X厂的回转窑氧化锌生产线的运行经验来看，从回转窑进来的烟气含有未烧好的大量的煤粉，所以提高沉降室的温度，使煤粉充分燃烧因而减少沉降物的杂质含量并改善PbS的氧化条件。
第三、减少返回料量。
②在沉降室内鼓吹二次空气，并采取措施随着沉降室温度的变化鼓风量的自动控制
3．在回转窑内进行的化学反应及成分变化（厂方的想法）
1）回转窑内部各区的功能
①烘干和预热段（8-10m，550-600℃）
功能：
干燥原料，除去结晶水，加热到反应开始温度。
②还原段（15-25m,1000-1150℃）
功能：
猛烈分解硫化物，发生镉（Cd）的升华、硫酸盐的还原、磁铁矿的分解、铁酸盐的还原、锌、铅等金属氧化物的还原。
凝聚硫化物形成炉渣
3升华段（25-40m,1100-1300℃）
功能：
发生ZnO和FeO的还原、ZnS的分解（利用Fe和Cu）、铅的硫化和升华。
④炉渣形成段（900-1000℃）
功能：
结束锌和铅的升华，发生铁等金属氧化物的还原。
2）回转窑内炉料的反应
-锌
锌在锌渣中以硫酸盐、硫化物、铁酸盐、硅酸盐和铝酸盐的形式存在。
在回转窑中这些盐通过以下反应被还原、蒸发和氧化；
ZnO+C=Zn（汽）+CO
ZnO+CO=Zn（汽）+CO2
2CO+O2=2CO2
CO2+C=2CO
2Zn（汽）+O2=2ZnO
除了上述的反应以外，在回转窑的各温度段发生锌化合物的直接还原；
ZnSO4+4C→ZnS+4CO
ZnSO4+3C→ZnO+3CO+1/2S2
通过上述反应产生的部分ZnO与SiO2和Al2O3发生反应，形成硅酸盐和铝酸盐炉渣；
2ZnO+SiO2→2ZnOSiO2
ZnO+Al2O3→ZnOAl2O3
铁酸锌在1050℃以上全部还原而分解；
3（ZnOFe2O3）+C=3ZnO+2Fe3O4+CO
Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2
如果炉料含有CaO或MgO，铁酸锌的分解反应更加速。
ZnOFe2O3+CaO=CaOFe2O3+ZnO
ZnOFe2O3+MgO=MgOFe2O3+ZnO
硅酸盐、铝酸盐、硫化锌和氧化锌被金属铁还原；
ZnOSiO2+Fe→Zn（汽）+FeOSiO2
ZnOAl2O3+Fe→Zn（汽）+FeOAl2O3
ZnS+Fe→Zn（汽）+FeS
ZnO+Fe→Zn（汽）+FeO
除了上述的反应以外，锌蒸汽通过以下反应形成；
2ZnO+ZnS→3Zn（汽）+SO2
ZnS+CaO+C=Zn（汽）+CaS+CO
总之，通过上述的反应路径，ZnSO4在回转窑的前1/2区完全分解，并铁酸锌也部分分解，在剩余1/2区铁酸锌和氧化锌完全分解，从而炉渣中锌含量降低到2%以下。
-铅
铅在锌渣中以硫酸盐形式存在。
PbSO4的还原主要在回转窑的前1/2区进行，通过以下反应，大部分还原成PbS;
PbSO4+2C=PbS+2CO2
PbS在600℃开始挥发，在1000℃以上猛烈挥发。
3PbSO4+PbS=4PbO+4SO2
PbO在750℃开始挥发，在1000℃以上猛烈挥发。
少量PbS与PbO或PbSO4反应而形成金属铅；
PbSO4+PbS=Pb（汽）+2SO2
2PbO+PbS=3Pb（汽）+SO2
金属铅的沸点较高（1700℃以上），在回转窑内不挥发，而阻碍炉料的还原和蒸发过程。
所以在处理铅含量较高的锌渣时，必须得增加鼓风量，提高烟气温度。
4．回转窑、氧化沉降室和余热锅炉的热力学计算（厂方计算）
1）计算条件
出窑烟气成分（余热锅炉厂提供）
出窑烟气
成分
SO2
CO
CO2
O
N2
H2O
0.034
-
18.944
1.261
69.336
10.425
余热锅炉热力学计算（余热锅炉厂提供）
符号
单位
沉降室
1烟道
2烟道
3烟道
管直径×厚度
d×s
Mm
∮51×4
∮38×4,∮76×6
传热面积
H
㎡
200
119
154
155
烟气进口温度
θ’
℃
550
462
398
342
烟气出口温度
θ’’
℃
462
398
342
300
气速
W
m/s
0.7
3.74
3.72
3.67
温差
Δt
℃
310
234
174.5
126
传热系数
k
Kcal/㎡h
10
18
16
15
传热量
Q
Kcal/h
0.62×106
0.5×106
0.43×106
0.3×106
窑尾烟气量：
20000Nm3/h
窑尾烟气中灰尘量：
69.27g/N㎥
窑尾烟气温度：
550℃
每日处理的锌渣量（1台）：
150t/d
煤炭量（1台）:
75t/d
锌渣中Zn含量10%（收得率：
90%、15t/d,562.5kg/）
锌渣中Pb含量6.27%（收得率：
95%、9.045t/d,372.4kg/h）
2）鼓风量计算
-与煤炭反应的空气量
燃烧1kg煤所需要的空气量：
7N㎥
煤炭种C含量-73%（1h）:
2.281t/h
炉渣中未烧的C含量（1h）:
0.708t/h
参加反应的C量（1h）:
2.281t/h-0.708t/h=1.573t/h
参加反应的煤量（1h）:
1.573/0.73=2.155t/h
与煤炭反应的空气量（1h）:
2.155×1000×7=15085N㎥/h
-形成ZnO灰尘需用的空气量
锌渣中Zn化合物种类和分配
Zn化合物
ZnS
ZnO
ZnOFe2O3
ZnOSiO2
ZnSO4
分配率/%
31.3
29.7
19
1.6
18.4
ZnS-100%还原成金属锌，形成ZnO灰尘。
ZnO-100%还原成金属锌，形成ZnO灰尘。
ZnOFe2O3-100%还原成金属锌，形成ZnO灰尘。
ZnOSiO2–不能还原，留在炉渣中。
ZnSO4-75.37还原成金属锌，形成ZnO灰尘，剩余42.63%转变ZnOSiO2，留在炉渣中。
形成ZnO灰尘需用的氧气量：
0.076t/h
空气量：
76/0.23=330.4kg/h=256N㎥/h
-形成PbO灰尘需用的空气量
锌渣中Pb含量是6.27%，主要以PbS状态蒸发，进一步氧化形成PbO。
但回转窑内部在还原气氛，PbS的氧化反应难以进行，所以窑尾烟气中铅化合物由40%PbO和60%PbS组成。
锌渣中Pb蒸发率是95%，蒸发量0.372t/h（其中PbS：
0.372×0.6=0.223t/h，PbO：
0.372×0.4=0.149t/h）
形成PbO灰尘需用的氧气量：
0.149×16/207.2=0.0115t/h11.5kg/h
空气量：
11.5/0.23=50kg/h38.7N㎥/h
-总空气量
计算量：
15085+256+38.7=15379.7N㎥/h
其他氧化反应需用的空气量15%-15379.7N㎥/h×0.15=2306.9N㎥/h
出窑烟气中氧含量1.261%-1155N㎥/h，5%-2375.6N㎥/h
总鼓风量19000~24000N㎥/h
3）回转窑热力学计算
-ZnS
通过以下反应形成锌蒸汽；
100%-ZnS+Fe→Zn（汽）+FeS-25780cal/
为了简化热力学计算，假定100%ZnS
-ZnO
50%-ZnO+C=Zn（汽）+CO-56754cal/mol
50%-ZnO+CO=Zn（汽）+CO2-15534cal/mol
-ZnOFe2O3
3（ZnOFe2O3）+C=3ZnO+2Fe3O4+CO-807.88kcal/mol
-ZnSO4
ZnSO4+4C→ZnS+4CO-89.76kcal/mol
ZnSO4+3C→ZnO+3CO+1/2S2-77.12kcal/mol
-PbSO4
PbSO4+2C=PbS+2CO2-60.1kcal/mol
4）反应热计算
（1）发热反应
-煤炭的发热反应
煤炭中C量-1573kg/h
C+O2=CO2+94052kcal/kmolQ=12328650kcal/h
-Zn的氧化热量
Zn量-310.6kg/h
2Zn（汽）+O2=2ZnO+1305kcal/kg-ZnQ=405333kcal/h
-Pb的氧化热量
Pb量-0.149t/h
2Pb+O2=2PbO+245kcal/kg-PbQ=36505kcal/h
总计Q=12770488kcal/h
（2）吸热反应
ZnO+C=Zn（汽）+CO-56754cal/mol
Zn量-92.8kg/hQ=80531kcal/h
ZnO+CO=Zn（汽）+CO2-15534cal/mol
Zn量-92.8kg/hQ=22042kcal/h
ZnS+Fe→Zn（汽））+FeS-25780cal/mol
Zn量-195.6kg/hQ=77103kcal/h
3（ZnOFe2O3）+C=3ZnO+2Fe3O4+CO-807.88kcal/mol
Zn量-119kg/hQ=1470000kcal/h
ZnSO4+4C→ZnS+4CO-89.76kcal/mol
Zn量66kg/hQ=90583kcal/h
ZnSO4+3C→ZnO+3CO+1/2S2-77.12kcal/mol
Zn量49kg/hQ=57781kcal/h
PbSO4+2C=PbS+2CO2-60.1kcal/mol
Pb量372.4kg/hQ=108018kcal/h
总计Q=1906058kcal/h
（3）水蒸气的潜热
水蒸气含量15%，1654.4kg/h
蒸发潜热540kcal/kgQ=904770kcal/kg
（4）烟灰带走的热量
烟气中灰尘量：
69.27g/N㎥，1489kg/h
烟气量21500N㎥/h，温度650℃
比热0.2kcal/kg℃，Q=193570kcal/h
（5）烟气带走的热量
在650℃各种气体的比热
成分
SO2
CO
CO2
O2
N2
H2O
总计
%
0.034
-
18.944
1.261
69.336
10.425
100
kcal/N㎥℃
0.4976
-
0.3265
0.3411
0.3211
0.3871
0.33
烟气的平均比热0.33kcal/N㎥℃，温度650℃
烟气量21500N㎥/h，Q=4611750kcal/h
（6）炉渣带走的热量
比热0.24kcal/kg℃
温度900℃
炉渣量5903t/h，Q=1275048kcal/h
v总计
✓供热总计Q=12770488kcal/h
✓损失热量
吸热反应热总计Q=1906058kcal/h
水蒸气潜热Q=904770kcal/kg
烟灰带走的热量Q=193570kcal/h
烟气带走的热量Q=4611750kcal/h
炉渣带走的热量Q=1275048kcal/h
为考虑的热量15%Q=1569034kcal/h
出量总计Q=10460230kcal/h
损失热量:
供热-出热=2310258kcal/h
损失热量等于总热量的18%,回转窑外皮散热的传热系数大约是q=4600kcal/㎡h（回转窑的外径是3044mm，外皮面积是430㎡）
5）氧化沉降室和余热锅炉的热力学计算
前提：
厂方认为通过沉降室入口进来的烟气含有大量未烧好的煤炭和硫化物，为了煤炭燃烧并将硫化物氧化成氧化物，打算采取两种措施，一方面沉降室的温度提高到650℃，另一方面鼓吹2次空气。
（1）通过沉降室入口进来的烟气成分
∙烟气量21500N㎥/h
∙烟灰量-1489kg/h
∙烟气中水蒸气量1654.4kg/h
∙二次空气量1500N㎥/h
燃烧C需用的空气量1400N㎥/h
氧化PbS需用的空气量60N㎥/h
∙烟气中煤炭量220kg/h
（2）氧化沉降室的热力学计算
-供热
∙烟气带进来的热量
水蒸气的潜热Q=904770kcal/h
烟灰带进来的热量Q=193570kcal/h
烟气带进来的热量Q=4611750kcal/h
总计Q=5710090kcal/h
∙燃烧煤炭
C+O2=CO2+94052kcal/kmol
Q=94052/12×128=1003211kcal/h
煤炭中含水量15%，220/0.85-220=39kg/h
水蒸气带走的热量Q=791.6×39=30872kcal/h
有效发热量Q=972339kcal/h
∙Pb氧化热
2PbS+3O2=2PbO+2SO2+179kcal/kmol-Pb
Q=149×179/207.2×2=64kcal/h
总供热量6682493kcal/h
-出热
∙烟气带走的热量Q=0.33×23000×650=4933500kcal/h
∙升华物带走的热量（1125kg/h）Q=0.2×1125×650=14625kcal/h
∙沉淀物带走的热量Q=0.2×184×400=14720kcal/h
∙水蒸气的潜热Q=904770kcal/h
∙热回收以及损失热量Q=814878kcal/h
供热=出热=6682493kcal/h
（3）蒸汽热和损失热量
-传给水冷壁的热量
∙计算条件
在入口烟气的温度650℃
增发水的温度193℃
管道直径和厚度Φ51×4
受热面积200㎡
锅筒断面4.5×5=22.5㎡
烟气量72690㎥/h
烟气流速0.9m/s
氧化沉降室1的体积4.5m×5m×3.95m=89㎥
烟气滞留时间89㎥/20㎥/s=4.5s
氧化沉降室2的体积4.5m×5m×5.05m=114㎥
烟气滞留时间114㎥/17㎥/s=6.7s
∙沉降室传热系数的计算
α1=α辐射+α对流=26.5+4.16=30.66kcal/㎡h℃
α辐射=26.5kcal/㎡h℃
α对流=4.16kcal/㎡h℃
∙沸腾管的传热系数
α2=1000kcal/㎡h℃
∙空气中传热系数
α3=8.4+0.06（40-5）=10.5kcal/㎡h℃
总计
α1=α辐射+α对流=26.5+4.16=30.66kcal/㎡h℃
α2=1000kcal/㎡h℃
α3=8.4+0.06（40-5）=10.5kcal/㎡h℃
∙平均传热系数K的计算
∙烟气给蒸发水的热量
Q=KF△t=10.4×200×（650-193）=950560kcal/h
∙从蒸发水向外损失的热量
Q=0.4146×200×（193-5）=15589kcal/h
∙蒸汽生产需用的热量
Q=950560-15589=934971kcal/h
通过沉降室的热力学计算得到的热回收以及损失热量是Q=814878kcal/h
不够的热量是ΔQ=950560-814878=135682kcal/h,所以气体的温度降到20℃
5．厂方提出的沉降室内部砌耐火砖的方案
1）沉降室内部砌耐火砖的时候传热系数的计算
2）砌砖面积
F1=3.95×4.8=19㎡
F2=3.95×4.8=19㎡
F3=（5×4.8）-（32×0.785）=17㎡
F1+F2+F3=55㎡
3）热力学计算
（1）供热
∙烟气带进来的热量
水蒸气的潜热Q=904770kcal/h
烟灰带进来的热量Q=193570kcal/h
烟气带进来的热量Q=4611750kcal/h
总计Q=5710090kcal/h
∙燃烧煤炭
C+O2=CO2+94052kcal/kmol
Q=94052/12×128=1003211kcal/h
煤炭中含水量15%，220/0.85-220=39kg/h
水蒸气带走的热量Q=791.6×39=30872kcal/h
有效发热量Q=972339kcal/h
∙Pb氧化热
2PbS+3O2=2PbO+2SO2+179kcal/kmol-Pb
Q=149×179/207.2×2=64kcal/h
总供热量6682493kcal/h
（2）出热
∙烟气带走的热量Q=0.33×23000×650=4933500kcal/h
∙升华物带走的热量（1125kg/h）Q=0.2×1125×650=14625kcal/h
∙沉淀物带走的热量Q=0.2×184×400=14720kcal/h
∙水蒸气的潜热Q=904770kcal/h
∙热回收以及损失热量Q=814878kcal/h
供热=出热=6682493kcal/h
（3）给水冷壁的热量
∙Q（墙壁）=2.842×55×（650-193）=71434kcal/h
∙Q（顶棚）=10.4×19.5×（650-193）=92680kcal/h
∙Q（中隔墙）=10.4×16.5×（650-193）=78421kcal/h
总计：
Q（墙壁）+Q（顶棚）Q（中隔墙）=242535kcal/h
剩余的热量814878kcal/h-242535kcal/h=572343kcal/h
利用剩余的热量将沉降室的温度能提高60~70℃
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