Печи кипящего слоя и плавка во взвешенном состоянии

Большим успехом в интенсификации металлургических процессов и процессов нагрева измельченного материала явилось использование печей кипящего слоя. В этих печах через слой измельченного материала продувается газ снизу вверх с определенной скоростью. Объем слоя при этом возрастает, наступает момент, когда сцепление между частицами будет ослаблено (каждая частица бу­дет окружена газом) настолько, что они станут свобод­но перемещаться в слое, испытывая лишь периодичес­кие столкновения между собой. Такой слой внешне напоминает кипящую жидкость, откуда печи и получили свое название.

Малый размер частиц (около 0,1—4,0 мм), а следо­вательно, значительно развитая удельная (на единицу массы) поверхность и хороший контакт по всей поверх­ности, частиц с газовой средой приводят к значительному ускорению нагрева и химических процессов, происхо­дящих на поверхности частиц. При нагреве мелких час­тиц практически отсутствует внутреннее тепловое сопро­тивление, и скорость нагрева определяется лишь внешним теплообменом с горячим газом, главным образом за счет конвекции. Излучение при малой толщине газового слоя и малой разности температур между газом и частицей играет меньшую роль, хотя теплообмен излучением ме­жду движущимися частицами способствует выравнива­нию их температур. В кипящем слое турбулентное движение наступает при сравнительно малых значениях критерия Рейнольдса (∼100), что также способствует улучшению теплообмена. Все это приводит к тому, что объемный коэффициент теплоотдачи в кипящем слое в сотни раз больше, чем в плотном слое.

Если скорость газа, проходящего через кипящий слой, еще увеличивать, то происходят выбросы материала из слоя с переходом его во взвешенное состояние (витание частиц в газовой фазе и перемещение их вместе с га­зом). Такое состояние носит название взвешенного и нашло применение в специальных печах. При кипящем слое переход частиц во взвешенное состояние способст­вует увеличению пылевыноса, который при неоднород­ном материале может достигать больших размеров (до 50%).

Таким образом, для кипящего слоя характерны две скорости — минимальная (ω_min), при которой начинает­ся ожижение слоя, и максимальная (ω_max), при которой слой начинает переходить во взвешенное состояние (витание частиц в газе). При этом под скоростью газа по­нимают скорость ω_св, отнесенную к свободному сечению печи без учета материала. При проведении процес­са в кипящем слое должно сохраняться условие ω_minсвmax

Действительная скорость газа в данном сечении ωг=ω_св/f_к, где f_к — порозность кипящего слоя материала.

Порозность кипящего слоя (f_к) больше порозности плотно лежащего слоя (f).

Минимальную скорость по М. А. Глинкову можно найти, численно приравнивая силу сопротивления дви­жению газа по каналам слоя массе слоя. При этом, до­пуская турбулентный характер движения газа, получаем критериальную зависимость:

Максимальную скорость можно найти, численно при­равнивая силу давления потока газа на частицу (силу лобового сопротивления частицы) ее массе и силе тре­ния при движении частицы. Критериальное уравнение при этом имеет вид:

При фильтрации газа через слой наблюдается ха­рактерная зависимость перепада давления от скорости движения газа (рис. 134). Участок кривой АВ характе­ризует сопротивление фильтрации газа через неподвиж­ный слой, причем участок АБ соответствует ламинарно­му движению, а участок БВ — турбулентному. Участок кривой БД отражает переход от неподвижного слоя к кипящему. В точке Г слой вспучивается (на 5—10%), в результате чего рост перепада давления прекращает­ся. При установившемся состоянии перепад давления не зависит от скорости движения газа, так как увеличение скорости приводит к увеличению объема слоя при сохранении постоянным сопротивления движению газа в слое.

Широкое использование печи кипящего слоя получи­ли при обжиге сульфидных концентратов цинка, меди, молибдена, а также при сушке и кальцинации глинозе­ма. Удельная производитель­ность пода печи возросла при­мерно в 20 раз по сравнению с удельной производительно­стью многоподовых перегреб­ных печей. При обжиге цинко­вых концентратов с последую­щей гидрометаллургическойпереработкой она достигает 5,5 т/(м²•сут).

На рис. 135 показана печь для обжига цинковых концен­тратов в кипящем слое с пло­щадью пода 34 м². Делаются печи с площадью пода до 90 м². Рабочая ка­мера печи в горизонтальном сечении может иметь круг­лую и прямоугольную форму. Иногда печи изготавлива­ют многокамерными. В камерах можно поддерживать разные температуры, и материал проходит через все ка­меры последовательно. Свод и стены делают из шамот­ного кирпича. В качестве наружной изоляции использу­ют диатомитовый или легковесный кирпич. Тепла, выделяющегося за счет окисления сульфидов, достаточно для поддержания заданной температуры (930—1000°С). В случае необходимости газообразное и жидкое топливо может подаваться вместе с воздухом, твердое топливо должно быть измельчено и вводиться непосредственно в печь. В случае избытка, выделяемого по реакции тепла, делают специальные холодильники в виде кессонированных стенок или водоохлаждаемых труб внутри кипящего слоя. Коэффициент теплоотдачи от кипящего слоя к поверхности холодильника достигает 600—800 Вт/(м²•К).

Наиболее ответственной деталью печи является под рабочей камеры, через который подводится воздух, необходимый для процесса. При этом требуется равномер­ное его распределение по сечению печи без просыпания материала в воздуховод. Чаще всего под делают из ог­неупорного бетона поверх металлического листа с отвер­стиями через 250 мм, в которые вставляют грибкообраз­ные сопла (рис. 136). Сопло состоит из чугунного пат­рубка и навинчивающегося колпачка с отверстиями диаметром 2,5—3,0 мм. Внутри колпачка находится решетка, отверстия которой не совпадают с отверстиями колпачка. Это предохраняет от провала материала в воздушную коробку.

Материал загружают через течку в своде или форкамеры. Выгрузка материала происходит самотеком через разгрузочный порог в стене на верхнем уровне кипящего слоя (1,0—1,2 м от пода). Газы, содержащие значительное количество пыли, отводятся сверху камеры и после охлаждения направляются в пылеулавливающие устройства. Время пребывания материала в печи (τ, ч) может быть рассчитано по формуле:

Рассчитанное время должно быть достаточным для протекания реакции.

Ниже приводится тепловой баланс печи для обжига цинковых концентратов в кипящем слое:

Из приведенного баланса видно, что наибольшее количество тепла теряется с отходящими газами и водой холодильников. Для использования тепла отходящих газов применяют котлы-утилизаторы. При этом кессоны включаются в контур котла.

Плавка измельченного материала во взвешенном состоянии позволяет значительно ускорить процесс благодаря практически мгновенному нагреву мелких частиц материала в газовой среде. Было разработано и изготовлено несколько конструкций. Однако наибольшей эф­фективностью характеризуется комплексный агрегат, разработанный в Советском Союзе и носящий название КИВЦЭТ-агрегата (кислородно-взвешенный, циклон­ный, электротермический) (рис. 137).

Агрегат рассчитан на комплексную переработку мел­кой шихты крупностью до 5 мм сульфидных и окислен­ных концентратов цветных металлов. Шихта вместе с кислородом подается тангенциально в циклон 1. Ско­рость дутья достигает 100 м/с, что обеспечивает поддер­жание частиц во взвешенном состоянии. При плавке сульфидных концентраторов, содержащих более 20% S, тепла, выделяемого при их окислении, достаточно для достижения необходимой температуры. Плавка окисленных или малосульфидных материалов проводится с добавкой газообразного, жидкого или твердого топлива. Температура в зоне плавления 1200—1600° С. В циклоне газы движутся по спирали. Твердые частицы центробеж­ными силами отбрасываются на стенки циклона, а кис­лород с большой скоростью омывает их. В результате скорость протекания реакции значительно возрастает и выделяется большое количество тепла. Удельное объ­емное тепловое напряжение в циклоне достигает 7×10⁶ Вт/м³, тогда как в отражательной печи оно состав­ляет 0,2•10⁶ Вт/м³. Суточная производительность КИВЦЭТ-агрегата 60—75 т/м², а печи отражательной медной плавки 5 т/м².

Образовавшийся расплав по стенкам кессонированной циклонной камеры стекает вниз в разделительную камеру 6 и под охлаждаемой разделительной стенкой поступает в электрическую отстойную печь 3. Здесь с по­мощью электродов 2, опущенных в шлак, происходит нагрев расплава и отстаивание с разделением на шлак и штейн. Если в сырье содержатся легколетучие метал­лы (цинк, кадмий и др.), то в электропечи происходит их отгонка с выводом паров в конденсатор 4. Примене­ние специального разбрызгивателя металла 5 позволя­ет улучшить условия конденсации паров. Газы, содер­жащие возгоны металлов и сернистый газ, из раздели­тельной камеры направляются на охлаждение и очистку. В газе содержится до 85% сернистого ангидрида, ко­торый с успехом может перерабатываться на серную кислоту или сжижаться.

Все процессы в КИВЦЭТ-агрегате непрерывны, что позволяет снизить эксплуатационные расходы и автоматизировать обслуживание. Суммарные энергетические затраты при этом более чем в два раза меньше по срав­нению с затратами других современных пирометаллургических процессов.

В КИВЦЭТ-агрегате перерабатываются медно-цин­ковые, медно-оловянные, никелевые, медные, свинцовые, свинцово-цинковые концентраты.

Универсальность КИВЦЭТ-агрегата, высокие техно-экономические показатели, практическое отсутствие загрязнения окружающей среды определяют большую пер­спективу его использования в цветной металлургии.