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1、(材料成型技术系)题 目 年产6 万吨锌冶炼沸腾焙烧炉的设计 专 业 冶金技术专业 班 级 5093323 班 姓 名 学 号 指导教师 完成日期 2011 年12 月01 日 -I-目 录 摘 要.1 第一章 设计概述.2 1.1 设计依据.2 1.2 设计原则和指导思想.2 1.3 厂址及建厂条件论证.2 1.4 毕业设计任务.3 第二章 工艺流程的选择与论证.4 2.1 原料组成及特点.4 2.2 锌冶金及沸腾焙烧工艺概述.4 2.3 沸腾焙烧工艺及主要设备的选择.5 2.3.1 沸腾焙烧炉炉型.6 2.3.2 气体分布板及风箱.9 2.3.3 流态化床层排热装置.10 2.3.4 排料
2、口.10 2.3.5 烟气出口.10 第三章 物料衡算及热平衡计算.11 3.1 锌精矿流态化焙烧物料平衡计算.11 3.1.1 锌精矿硫态化焙烧冶金计算.11 3.1.2 烟尘产出率及其化学和物相组成计算.12 3.1.3 焙砂产出率及其化学与物相组成计算.15 3.1.4 焙烧要求的空气量及产出烟气量与组成的计算.18 3.2 热平衡计算.21 3.2.1 热收入.21 3.2.2 热支出.24 第四章 沸腾焙烧炉的选型计算.26 4.1 床面积.26 4.2 前室面积.26 4.3 流态化床断面尺寸.27 -II-4.4 流态化床高度（排料口高度）.27 4.5 炉膛面积和直径.27 4
3、.6 炉膛高度.28 4.7 气体分布板及风帽.29 4.7.1 气体分布板孔眼率.29 4.7.2 风帽.29 第五章 环保与安全.30 5.1 概述.30 5.2 废气治理.31 5.3 劳动保护.32 第六章 结论.33 致 谢.34 参考文献.35 -1-摘 要 沸腾焙烧炉是炼锌的主要辅助设备。当前，社会和经济可持续发展新的价值观和 环保法规定对沸腾焙烧炉的设计与操作提出了越来越严格的要求。能否实现最大限度 的节能和最小程度的污染，高效率、高质、高寿命、低能耗、低污染，这是设计的目 标。本次设计参考锌冶金、有色冶金工厂设计原理、铅冶金有色冶金工厂设计 基础、有色冶金环境保护、重金属冶金
4、学（第二版）、铅锌冶金学、有色金 属提取冶金手册（锌镉铅铋）、环保工作者实用手册（第二版）、我国铅锌冶炼现 状与持续发展、锌冶金工艺概述等进行设计。前后进行了资料收集、沸腾焙烧炉 的物料平衡与热平衡计算、炉型基本尺寸的确定，依据能量守恒定律进行验算修订等。说明书共分五章，主要内容包括：设计概述、工艺流程的选择与论证、物料平衡 和热平衡计算、设备选型计算、环保与安全。关键词：沸腾焙烧炉 物料平衡 热平衡 沸腾焙烧炉尺寸 炉型设计 -2-第一章 设计概述 1.1 设计依据 根据冶金技术教研室下达的任务书。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
5、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。1.3 厂址及建厂条件论证 赤峰市地处东
6、北经济区和华北经济区接合部，是环渤海经济圈的重要组成部分，区位优越，距北京、天津、沈阳、大连等大城市均在400-600 公里，距锦州、秦皇岛 等港口不足300 公里，可直接接受京津塘、辽中南两大经济发达地区的辐射。赤峰地 域辽阔，资源丰富。现已发现各种矿产 70 余种，主要有铅、锌、煤、铁、铜、钼、萤石、天然气等。赤峰具有良好的交通优势。赤峰铁路由京通铁路干线和叶赤铁路支线交汇成网，联结赤峰与首都北京、自治区首府呼和浩特市和沈阳、锦州等东北重镇，是赤峰市经 -3-济发展的大动脉。共有公路 261 条，总长 10061 公里。其中，国道 4 条：国道 111 线北京至加格达奇、国道303 线集安
7、至锡林浩特、国道305 线庄河至林东、国道306 线绥中至经棚，总里程1260 公里；省道4 条：省道204 线锡林浩特至巴林桥、省道 205 线大板至朝阳、省道206 线赤峰至承德、省道219 线小城子至平泉，总里程551 公里，北京经承德走茅荆坝线到赤峰420 公里只需5 小时。综上所述，赤峰市原料丰富，交通运输条件便利，其自然条件和协助条件都很优 越，在赤峰建厂，符合国家西部大开发的战略和该地区的发展思路，势必会为国家、为当地经济的发展作出贡献。1.4 毕业设计任务 一、锌冶炼沸腾焙烧炉设计。二、锌精矿沸腾焙烧工艺流程设计。三、沸腾焙烧炉物料平衡和热平衡初算。四、设备的选型设计与计算。五
8、、环保与安全。-4-第二章 工艺流程的选择与论证 2.1 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。表2-1 锌精矿的化学成分 化学成分 Zn Pb Cu Cd Fe S CaO MgO SiO2 其他 wB(%)52.02 0.21 0.65 0.41 8.58 32.08 0.78 0.05 3.28 1.94 2.2 锌冶金及沸腾焙烧工艺概述 锌主要以硫化物形态存在于自然界,氧化物形态为其次。在硫化矿中,锌的主要 矿物是闪锌矿和高铁闪锌矿,经选矿后得到硫化锌精矿。通过这些炼锌矿物生产出锌锭的工艺被分为两大类:火法炼锌和湿法炼锌。而目 前世界上主要炼锌方法是湿法炼锌,有 85
9、%以上的原生锌锭是通过湿法炼锌的方法生 产出来的。火法炼锌是利用锌的沸点(906)较低,在冶炼过程中用还原剂将其从氧化物 中还原挥发,从而使锌与脉石和其它杂质分离,锌蒸气进入冷凝系统被冷凝成金属 锌。而硫化锌精矿则需经过焙烧而氧化成氧化物,然后再进行还原挥发、冷凝得到粗 锌,粗锌经精馏后得精锌。在锌火法冶金工艺中,由于使用还原剂,产生大量的温室气体,在不同程度上 对大气环境都有污染。湿法炼锌工艺实现了设备的大型化,并消除火法冶金的某些缺陷,如使用固体 还原剂,使环境保护问题得以大为改善。与火法冶金不同的是，湿法冶金过程中的主要化学反应是在水溶液中进行的。在 许多情况下往往是湿法与火法相配合。与
10、火法冶金相比较，湿法冶金具有如下优点：（1）可以直接制取纯净的金属；（2）可以有选择性地浸出有价元素，而不与脉石作用；（3）能综合提取各种有价元素；（4）适于处理贫矿，也适合处理精矿以及复杂矿；-5-（5）生产的伸缩性大，生产规模可大可小；（6）空气污染和硫的回收问题好解决；（7）劳动条件好（低温）等。湿法炼锌由锌精矿的沸腾焙烧、焙烧矿的浸出、净化和电积4 个工序组成。湿法 炼锌（又称电解法炼锌）处理硫化锌精矿同样也要经过焙烧工艺，使硫化锌精矿变成 易于被稀硫酸溶解的氧化锌。湿法炼锌的主要优点是环境卫生，劳动条件好，金属回收率高，产品质量高，易 于实现大规模的连续化、自动化生产，且湿法炼锌能综
11、合回收10 多种有价元素,对 环境的影响小,可以产出高品位锌。鉴于湿法炼锌有以上优点，本设计采用湿法炼锌 工艺。2.3 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
12、，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=MeSO4 2）硫化物氧化生成氧化物 MeS+1.5 O2=MeO+SO2 3）金属硫化物直接氧化生成金属 MeS+2 O2=MeO+SO2 4）硫酸盐离解 -6-MeSO4=MeO+SO3 SO3=SO2+0.5 O2 此外，在硫化锌精矿中，通常还有多种化合
13、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MeO Fe2O3，MeO SiO2 等。2.3.1 沸腾焙烧炉炉型 沸腾焙烧炉简称沸腾炉，又称流化床焙烧炉。用固体技术焙烧硫化矿的装置。过 程有反应热放出，产生含有二氧化硫的气体主要用来制造硫酸
14、，矿渣则用作冶金原料。沸腾焙烧炉是流态化技术的热工设备,具有气-固间热质交换速度快、沸腾层内温度均 匀、产品质量好;沸腾层与冷却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,而广泛应用于锌精矿的氧化焙烧。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，国内没有工厂采 用。固本设计采用干式加料。干式
15、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 -7-砂部分的产出率，减小了收尘系统的负担，本
16、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11231353K 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。目前，国内最常用的是余热锅炉。本设计采用余热锅炉。图2-1 鲁奇式沸腾炉焙烧工艺工艺流程图 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
17、砖再衬耐火砖构成。为防止冷凝酸腐 干燥后锌精矿 加 料 分 配 抛 料 沸腾焙烧 溢流焙砂 流态冷却 高效冷却 球 磨 仓式泵送 焙砂仓 仓式泵送 焙 砂 送浸出工序 空 气 底排焙砂 压缩空气 风箱料 烟 尘 烟 尘 烟 尘 排 风 电收尘 旋涡收尘 烟 气 余热回收 烟 气 送制酸 -8-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
18、口等接管。炉顶有防爆孔。图2-2 沸腾焙烧炉 沸腾焙烧炉分直筒型炉和上部扩大型炉两种：直筒型炉。多用于有色金属精矿 的焙烧，焙烧强度较低，炉膛上部不扩大或略微扩大，外观基本上呈圆筒型。上部 扩大型炉。早期用于破碎块矿（作为硫酸生产原料开采的硫铁矿，多成块状，习惯称 块矿）的焙烧。后来发展到用于各种浮选矿（包括有色金属浮选精矿、选矿时副产的 含硫铁矿的尾砂，以及为了提高硫铁矿品位而通过浮选得到的硫精矿，这些矿粒度都 很小）的焙烧，焙烧强度较高。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。-9-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
19、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 15；对于 通过3 3mm 的筛孔的破碎块矿，焙烧强度为。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850 950。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
20、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；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。2.3.2 气体分布板及风箱 2.3.2.1 气体分布板 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
21、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。2.3.2.2 风帽 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 35100 个/2 m，风帽中心距 100180mm，视风帽排列密度和排列方式而定。-10-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列。本设计也采用测流式 同心圆排列风帽。2.3.2.3 风箱 风箱的作用在于尽量使分布板下气流的动压转变为静压，使压力分布均
22、匀，避免 气流直冲分布板。因此风箱应有足够的容积。风箱的结构形式由圆锥式、圆柱式、锥 台式及柱锥式。对于大型的宜采用中心圆柱预分布器。中心圆柱同时起着支撑气体分 布板的作用，所以本次设计采用中心圆柱式风箱。2.3.3 流态化床层排热装置 排热方式有直接排热和间接排热。前者是向炉内喷水，优点是调节炉温灵敏，操 作方便，炉内生产能力大些；缺点是：废热未得到利用。间接排热应用较为普遍，间接排热目的：使流态化床层内余热通过冷却介质达到 降温目的。冷却方式：可采用汽化冷却及循环水冷却两种方式，汽化冷却是较为普遍 采用的。本次设计也采用汽化冷却。2.3.4 排料口 1.外溢流排料口 流态化焙烧炉一般采用外
23、溢流排料口，物料经由溢流口直接排出炉外。排料口溜 矿面可采用混凝土捣制而成，其坡度应大于 60。外溢流排料处设有清理口。2.底流排料口 当入炉物料存在粗颗粒，或在焙烧过程中生成粗颗粒，一般不能从溢流口排出，应采用底流排料口排料。所以本次设计采用的排料口为底流排料口。2.3.5 烟气出口 烟气出口的方式有侧面及炉顶中央两种。本设计烟气出口设在炉膛侧面，炉顶不 承受负荷，不易损坏，检修方便。烟气出口与锅炉之间目前多采用软连接。-11-第三章 物料衡算及热平衡计算 3.1 锌精矿流态化焙烧物料平衡计算 3.1.1 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、
24、Cd、Pb、Cu、Fe 分别呈ZnS、CdS、PbS、2 CuFeS、8 7 S Fe 2 FeS；脉石中的Ca、Mg、Si 分别呈 3 CaCO、3 MgCO、2 SiO 形态存在。以100 kg 锌精矿（干量）进行计算。1.ZnS 量：kg 45.77 4.65 4.97 02.52 其中Zn：52.02 kg S：25.43 kg 2.CdS 量：kg 53.0 4.112 4.144 42.0 其中 Cd；0.41 kg S：0.12 kg 3.PbS 量：kg 24.0 2.207 2.239 21.0 其中：Pb：0.21 kg S：0.03 kg 4.2 CuFeS 量：kg 8
25、8.1 5.63 35.183 65.0 其中：Cu：0.65 kg Fe：0.57 kg S：0.66 kg 5.2 FeS 和 8 7 S Fe 量：除去 2 CuFeS 中Fe 的含量，余下的Fe 为 8.01kg 0.57-，除 去 ZnS、CdS、PbS、2 CuFeS 中 S 的 含 量，余 下 的 S 量 为 Kg 84.5)66.0 03.0。此 S 量全部分布在 2 FeS 和 8 7 S Fe 中，设 2 FeS 中Fe 为x kg，S 量为y kg，则 8 7 2 S Fe FeS 8 32 21.6 7 85.55 16.9 2 32 85.55 y x y x 解得：
26、x=1.21kg，y=1.39kg -12-即 2 FeS 中：Fe=1.21 kg、S=1.39 kg、2 FeS=2.6 kg。8 7 S Fe 中：Fe：8.01-1.21=6.80 kg S：5.84-1.39=4.45 kg 8 7 S Fe：6.80+4.45=11.25 kg 6.3 CaCO 量：kg 39.1 1.56 1.100 78.0 其中CaO：0.78 kg 2 CO：0.61 kg 7.3 MgCO 量：kg 10.0 3.40 3.84 05.0 其中MgO：0.05 kg 2 CO：0.05 kg 表3-1 混合精矿物相组成，kg 组成 Zn Cd Pb Cu
27、 Fe S CaO MgO 2 CO SiO2 其他 共计 ZnS 52.02 25.34 77.45 CdS 0.41 0.12 0.53 PbS 0.21 0.03 0.24 CuFeS2 0.65 0.57 0.66 1.88 FeS2 1.21 1.39 2.60 Fe7S8 6.80 4.45 11.25 CaCO3 0.78 0.61 1.39 MgCO3 0.05 0.05 0.10 SiO2 3.28 3.28 其他 1.28 1.28 共计 52.02 0.41 0.21 0.65 8.58 32.08 0.78 0.05 0.66 3.28 1.28 100.00 注：在其他成分中，2.75-（0.61+0.05）=1.28 kg。因为 2 CO 气体进入烟气中。3.1.2 烟尘产出率及其化学和物相组成计算 硫酸化焙烧有关指标：焙烧锌金属直接回收率 99.5%脱铅率 50%脱镉率 60%-13-空气过剩系数 1.25 烟尘产出率及烟尘物相组成计算：设烟尘产出量为xkg，各组分进入烟尘的数量为：MgO 2
