冶金工程专业沸腾炉课程设计.docx

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冶金工程专业沸腾炉课程设计

《锌精矿硫酸化沸腾焙烧炉》

设

计

说

明

书

指导教师：

牟文宁

姓名：

滕宇阔刘贺闫志科范文吉杨平

班级学号：

81105318110601811060281106038110604

专业：

冶金工程

完成日期：

自2012年12月25号至2013年1月3号

东北大学秦皇岛分校资源与材料学院

二○一二年十二月

设计任务书

一、设计题目：

年产10万吨锌精矿硫酸化沸腾焙烧炉设计

二、原始资料：

1、生产规模：

电锌年产量100000吨

2、精矿成分：

本次设计处理的原料锌精矿成分如下表所示（%，质量百分数）：

化学成分

Zn

Pb

Cu

Cd

Fe

S

CaO

MgO

SiO2

其他

w

47.67

3.58

0.24

0.18

6.95

31.56

1.21

0.43

4.82

3.36

3、精矿矿物形态：

闪锌矿、黄铜矿、黄铁矿、磁流铁矿、方铅矿、硫镉矿、石灰石、菱美矿

三、设计说明书内容：

•设计概述

•沸腾焙烧专题概述

•物料衡算及热平衡计算

•沸腾焙烧炉的选型计算

•沸腾炉辅助设备计算选择

•沸腾炉主要技术经济

四、绘制的图纸

沸腾焙烧结构总图（1#图纸：

纵剖面和一个横剖面）

五、设计开始及完成时间

自2011年12月25号至2012年1月3号

目录

设计任务书II

第一章设计概述1

1.1设计依据1

1.2设计原则和指导思想1

1.3毕业设计任务1

第二章沸腾焙烧专题概述1

2.1沸腾焙烧炉的应用和发属1

2.2沸腾炉炉型概述2

2.3沸腾焙烧工艺及主要设备的选择2

2

3

4

4

5

5

第三章物料衡算及热平衡计算6

3.1锌精矿流态化焙烧物料平衡计算6

6

7

9

11

12

14

3.2热平衡计算14

14

16

第四章沸腾焙烧炉的选型计算19

4.1床面积19

4.2前室面积19

4.3流态化床断面尺寸19

4.4流态化床高度（沸腾层高度H）19

4.5炉膛面积和直径20

4.6炉膛高度20

4.7炉膛空间体积V炉膛的确定21

4.8气体分布板及风帽21

21

4.9确定沸腾层冷却面积F冷却22

4.10水套中循环水的消耗量22

4.11风箱的容积V风箱22

4.12加料管面积F加料22

4.13溢流排料口23

4.14排烟口的面积F排烟的计算23

第五章沸腾炉辅助设备的选择计算24

5.1炉底（气流分布板）压降△P炉底24

5.2沸腾层压降△P沸腾层24

5.3管道压降△P管道24

5.4总压降△P总24

5.5风机标称压力P24

5.6风机的标称风量Q24

第六章沸腾炉主要技术经济指标25

参考文献26

第一章设计概述

1.1设计依据

根据冶金专业工程《沸腾焙烧炉设计》（朱云编）下达的课程设计指导书任务。

1.2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、要按照国家有关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；

3、在学习、总结国内外有关厂家的生产经验的基础上，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。

1.3设计任务

一、锌冶炼沸腾焙烧炉设计。

二、沸腾焙烧炉物料平衡和热平衡初算。

三、设备的选型设计与计算。

四、绘制沸腾焙烧结构总图

第二章沸腾焙烧专题概述

2.1沸腾焙烧炉的应用和发属

沸腾焙烧炉是利用流态化技术的热工设备。

它具有气--固间热质交换速度快、层内温度均匀、产品质最好；沸腾层与冷却（或加热）器壁间的传热系数大、生产率高、操作简单、便于实现生产连续化和自动化等一系列优点，因此得到广泛应用。

锌精矿、铜精矿的氧化焙烧和硫酸化焙烧，含钴硫铁精矿的硫酸化焙烧，锡精矿的氧化焙烧，高钛渣的氯化焙烧，汞矿石焙烧，以及氧化铜矿离析过程中的矿石加热等都已经使用沸腾炉。

此外，铅精矿、铅锑精矿的氧化焙烧，含镍、钴红土矿的加热和还原过程也利用沸腾炉成功地进行了工业性试验或小规模生产。

在国外，沸腾炉还用于辉钼矿、富镍冰铜的氧化焙烧。

沸腾炉的缺点是烟尘率高，热利用率低。

目前，沸腾炉正向大型化、富氧鼓风、扩大炉膛空间、制粒焙烧、余热利用和自动控制等方面发展。

2.2沸腾炉炉型概述

1．床型沸腾床有柱形床和锥形床两种。

对于浮选精矿一般采用柱形床。

对于宽筛分物料，以及在反应过程中气体体积增大很多或颗粒逐渐变细的物料，可采用上大下小的锥形床。

沸腾床断面形状可为圆形或矩形（或椭圆形）。

圆形断面的炉子，炉体结构强度较大，材料较省，散热较小，空气分布较均匀，因此得到广泛采用。

当炉床面积较小而又要求物料进出口间有较大距离的时候．可采用矩形成椭圆形断面。

2．炉膛形状有扩大形和直简形两种。

为提高操作气流速度、减少烟尘率和延长烟尘在炉膛内的停留时间以保证烟尘质量，目前多采用扩大形炉膛。

另外，还有单层床和多层床之分，对吸热过程或需要较长时间的反应过程，为提高热和流化介质中有用成分的利用率，宜采用多层沸腾炉。

2.3锌精矿硫化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（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：

•硫化物氧化生成硫酸盐：

ZnS+2O2=ZnSO4

•硫化物氧化生成氧化物：

ZnS+1.5O2=ZnO+SO2

3）金属硫化物直接氧化生成金属：

ZnS+2O2=ZnO+SO2

•硫酸盐离解：

ZnSO4=ZnO+SO3；SO3=SO2+0.5O2

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ZnO、ZnO4以及SO2、SO3和O2。

此外还可能有ZnO·Fe2O3，ZnO·SiO2等。

锌精矿沸腾焙烧工艺流程要根据具体条件和要求而定，焙烧性质、原料、地理位置等因素不同其选择的工艺流程也不尽相同。

一般可分为炉料准备及加料系统、炉本体系统、烟气及收尘系统和排料系统四个部分。

炉料准备及加料系统主要为沸腾焙烧炉提供合格的炉料，以保证焙烧炉的稳定性和连续性。

加料方式分为干式和湿式两种。

由于湿式加料缺点较多，国内多采用干式加料。

干式加料常采用圆筒干燥窑，圆筒干燥窑是一种最简单的机械干燥设备，窑身由钢板做成，窑内衬为耐火砖。

焙烧炉是焙烧的主体设备，按床面积形状可分为圆形（或椭圆形）和矩形。

矩形很少采用。

圆形断面的炉子，炉体结构强度较大，材料较省，散热较小，空气分布较均匀因此得到广泛采用。

工业生产常用的锌精矿沸腾焙烧炉有道尔式沸腾炉和鲁奇式沸腾炉两类。

鲁奇式沸腾炉上部结构采用扩大段，造成烟气流速减慢和烟尘率降低，延长了烟气的停留时间，烟气中的烟尘得到充分的焙烧，从而使烟尘中的含硫量达到要求，烟尘质量得到保证，焙砂质量较高、生产率高、热能回收好。

低的烟尘率相应提高了焙砂部分的产出率，减小了收尘系统的负担，本设计采用鲁奇式沸腾焙烧炉。

其工艺流程如图2-1所示。

烟气从焙烧炉排出时，温度一般在1123—1353K之间，须冷却到适当温度以便收尘。

常见的烟气冷却方式分直接冷却和间接冷却两类。

直冷主要采用向烟气直接喷水冷却，由于废热得不到有效利用，所以很少采用。

间接冷却由表面冷却器、水套冷却器、汽化冷却器和余热锅炉。

焙烧炉生产的焙砂从流态化层溢流口自动排出，可采用湿法和干法两种输送方法。

两种方法各具特点，企业可根据具体情况，选择适宜的排料方法。

本设计采用干法输送。

沸腾焙烧炉炉体（图2-2）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。

图2-2沸腾焙烧炉结构示意图

  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1～3m/s范围内。

一般浮选矿的焙烧强度为15～20t/（

）；对于通过3×3mm的筛孔的破碎块矿，焙烧强度为30t/（

）。

•沸腾层高度  即炉内排渣溢流堰离风帽的高度，一般为0.9～1.5m。

•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1070～1100℃,而硫酸化焙烧为900～930℃；硫铁矿的氧化焙烧温度为850～950℃。

•炉气成分  硫铁矿氧化焙烧时，炉气中二氧化硫13％～13.5％，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:

①焙烧强度高；②矿渣残硫低；③可以焙烧低品位矿；④炉气中二氧化硫浓度高、三氧化硫含量少；⑤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35％～45％是通过沸腾层中的冷却管获得；⑥炉床温度均匀；⑦结构简单，无转动部件，且投资省，维修费用少；⑧操作人员少，自动化程度高，操作费用低；⑨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。

气体分布板一般由风帽、花板、耐火衬垫构成。

气体分布版的设计应考虑到下列条件：

使进入床层的气体分布均匀，创造良好的初始流态化条件，有一定的孔眼喷出速度，使物料颗粒特别是大颗粒受到激发湍动起来；具有一定的阻力，以减少流态化层各处的料层阻力的波动；此外还应不漏料、不堵塞、耐摩擦、耐腐蚀、不变形；结构简单，便于制作、安装和检修。

风帽大致可分为直流式、测流式、密孔式和填充式四种。

锌精矿流态化焙烧炉广泛应用测流式风帽。

从风帽的侧孔喷出的气体紧贴分布板进入床层，对床层搅动作用较好，孔眼不易被堵塞，不易漏料。

风帽的材料现多为耐热铸铁。

风帽的排列密度一般为35～100个/

，风帽中心距100～180mm，视风帽排列密度和排列方式而定。

风帽的排列方式有同心圆排列、等边三角形排列和正方形排