Вельцевание свинцовых шлаков в трубчатой вращающейся печи

 

Определяем теоретическое количество воздуха, необходимое для процесса вельцевания с учетом кислорода шихты.

До СО2 сгорает:

СР ∙ 0,6 д.ед.(С) = 9,81 ∙ 0,6 = 5,87 (кг),

на это расходуется кислорода

 

 

До СО сгорает:

СР ∙ 0,4 д.ед.(С) =9,81 ∙ 0,4 = 3,92 (кг)

на это расходуется кислорода:

 

.

 

Количество кислорода на сжигание водорода топлива:

 

Количество кислорода на сжигание серы топлива:

 

 

Всего требуется кислорода на горение топлива:

 

15,63 + 5,23 + 9,36 + 0,06 - 0,05 = 30,23 (кг)

 

При вельцевании свинцовых шлаков в трубчатой вращающейся печи значительно развиваются восстановительные процессы, в результате чего часть кислорода шихта является окислителем.

Всего активного кислорода в шихте:

mшихта(О2) = 11,77 - (0,31 + 6,04 + 0,12) - (1,54 - 0,1) ∙ 0,4 = 11,77 - 6,47 - 0,61 = 4,69 (кг),

где 11,77 кг - количество кислорода в шлаке, связанное со свинцом, медью, цинком и железом;

0,31 кг - количество кислорода в штейне;

6,04 кг - количество кислорода в шлаке, связанное с железом и цинком;

0,12 кг - количество кислорода в пыли;

(1,54 - 0,1) ∙ 0,4 - количество кислорода, связанное с удаляемой из шлака серой в форме сернистого газа (0,4 - степень десульфаризации в долях единицы).

Таким образом, при вельцевании потребуется подать с дутьем

mдутья = 20,26 - 4,69 = 15,57 (кг) кислорода

или mвозд = 15,57 ∙ воздуха.

Всего будет подано в печь на 100 кг шлака:

mвозд,шл = 67,8 ∙ 1,25 = 84,7 (кг) или

воздуха.

В нем содержится

m(O2) = mвозд,шл ∙ 0,23д.ед.(О2) = 84,7 ∙ 0,23 = 19,45 (кг) О2;

m(N2) = mвозд,шл ∙ 0,77д.ед.(N2) 84,7 ∙ 0,77 = 65,25 (кг) N2;

В отходящих газах содержится:

 

mг(О2) = m(O2) - mдутья = 19,45 - 15,57 = 3,88 (кг) О2;

mг(N2) = m(N2) + mN2 = 65,25 + 0,10 = 65,35 (кг) N2;

mг(H2O) = m(H2O) - mH2O = 0,46 + 0,36 = 0,82 (кг) Н2О;

 

0,06 ∙ 2 + 0,61 ∙ 2 = 1,34 (кг) SO2.

Составляем табл. 11 количества и состава отходящих газов.

 

Таблица 11

Состав и количество отходящих газов

	Всего	CO2	CO	SO2	O2	N2	H2O
Количество, кг Объем, нм3 Состав, % (вес.) Состав, % (объемн.)	154,86 73,95 100 100	20,63 10,5 3,32 13,95	8,77 6,52 5,66 9,52	1,34 0,49 0,87 0,65	16,34 11,48 10,55 3,70	106,94 85,49 69,06 70,76	0,82 1,02 0,53 1,42

 

 

7. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ПРОЦЕССА

 

На основании проведенных расчетов состава шихты и продуктов вельцевания составляем таблицу материального баланса процесса вельцевания (табл. 12).

 

 

Таблица 12

Материальный баланс процесса вельцевания свинцовых шлаков

№ п/п	Материалы и продукты	Всего		Pb		Zn		Cu		Fe		CaO		SiO2
		кг	%	кг	%	кг	%	кг	%	кг	%	кг	%	кг	%
Поступило
1 2 3	Шихта Мазут Воздух	100 11,5 84,75	51,0 5,87 43,13	36,9 - -	36,9 - -	6,66 - -	6,66 - -	1,02 - -	1,02 - -	18,05 - -	18,05 - -	5,64 - -	5,64 - -	10,48 - -	10,48 - -
	И т о г о	196,2	100	36,9	-	6,66	-	1,02	-	18,05	-	5,64	-	10,48	-
Получено
1 2 3 4 5	Черновой свинец Клинкер Шлак Пыль Газы: СО2 СО О2 N2 SO2 H2O	36,57 4,6 53,24 1,0   20,63 8,77 3,88 65,35 1,34 0,82	18,6 2,34 27,17 0,51   10,5 4,46 1,97 33,3 0,78 0,42	35,18 0,92 0,43 0,37   - - - - - -	96,2 20 0,81 36,9   - - - - - -	0,29 0,37 5,93 0,07   - - - - - -	0,8 8,0 11,1 6,66   - - - - - -	0,73 0,15 0,13 0,01   - - - - - -	2,0 3,33 0,25 1,02   - - - - - -	- 1,84 16,03 0,18   - - - - - -	- 40 30,16 18,05   - - - - - -	- - 5,58 0,06   - - - - - -	- - 10,46 5,64   - - - - - -	- - 10,38 0,10   - - - - - -	- - 19,49 10,48   - - - - - -
	И т о г о	196,2	100	36,9	-	6,66	-	1,02	-	18,05	-	5,64	-	10,48	-

 

 

 

8. РАСЧЕТ ПЕЧИ

 

8.1 ДИАМЕТР ПЕЧИ

 

Диаметр трубчатой печи определяется из условия оптимальной скорости движения газового потока в печи по формуле (1):

 

 (1).

 

При принятом сравнительно невысоком пылеуносе 20% скорость газов в печи должна быть умеренной. Принимаем ее равной 5 м/сек.

Определяем действительное количество газов Vt, м3/сек.

Производительность печи 16 т/час, т.е. 384 т/сутки.

Время переработки 100 кг шлака:

Количество отходящих газов на 100 кг шлака с учетом горения топлива ранее было приведено в табл. 9.

Секундное количество отходящих газов:

Принимая на основании данных заводской практики температуру отходящих из печи газов 250°С, найдем среднюю температуру газов в печи:

При этой температуре средний объем газов в печи:

Находим диаметр печи:

Стандартному значению соответствует диаметр, равный 3 м.

При толщине футеровки: высокоглиноземистый кирпич 250 мм; слой теплоизоляции 30 мм; кожух 20 мм, наружный диаметр печи будет:

Dнар = 3,0 +0,25 ∙ 2 + 0,03 ∙ 2 + 0,02 ∙ 2 = 3,6 (м).

 

8.2 ДЛИНА ПЕЧИ

 

Работающую барабанную печь для вельцевания свинцовых шлаков можно подразделить по характеру протекающих физико-химических превращений и тепловой работе на зоны: испарения влаги, подогрева шихты, прокалки и охлаждения.

Ввиду того что условия теплоотдачи и физико-химические процессы в разных зонах существенно отличаются, расчет длины печи необходимо вести по отдельным зонам.

Длину печи определяют из условия теплообмена в основных зонах, а затем проверяют размеры этих зон по времени пребывания в них материала.

Для расчета длины отдельных зон определяем необходимые величины.

Теплопотребление материала по зонам.

Теплопотребление материала по зонам находим по формуле (2):

 

 (2),

 

Где - теплосодержание исходных материалов, поступающих в зону, ккал;

- тепло экзотермических реакций, протекающих в зоне, ккал;

- теплосодержание материалов, выходящих из зоны, ккал;

- тепло эндотермических реакций, протекающих в зоне, ккал.

Зона испарения.

В зоне испарения испаряется основная масса влаги шихты. В этой же зоне наблюдается максимальный пылеунос. Температура шихты на входе в зону равна 40°С, на выходе ~150°С. Температура газов на входе в зону 750°С, на выходе 250°С.

В расчете принято, что из шихты в этой зоне удаляется вся внешняя влага; пылеунос составляет 50% от всего пылевыноса из печи.

сш∙ mш∙ tш = 0,54∙ [196, 2 - (67,2 - 6,75) - 22,3∙0,5](150 - 40) = 7401,24 (ккал)

Средняя теплоемкость твердой части шихты определена как средневзвешенная по теплоемкостям составляющих шихты и их процентному содержанию в шихте. Теплоемкости составляющих твердой части шихты в свою очередь также определены как средневзвешенные исходя из их рационального состава. Ввиду простоты эти расчеты не приводятся.

Нагрев и испарение влаги, нагрев паров воды:

122,2[1(100 - 40) + 539 + 0,362∙ 22,4/18(250 - 100)] = 81000 (ккал)

Подогрев пыли до 250°С:

0,23∙ 53,3 ∙ 0,5(250 - 40) = 1285 (ккал)

Тепло, отдаваемое пылью, выносимой из зоны подогрева:

0,23 ∙ 53,3 ∙ 0,5(750 - 250) = 3070 (ккал)

Тепло, отдаваемое газами зоны подогрева:

сг∙Vг∙∆t = 0,436 ∙ 38,7(750 - 250) = 8440 (ккал).

Итого теплопотребление в зоне:

7400 + 81000 + 1285 - 3070 = 86615 (ккал).

Зона подогрева.

В этой зоне удаляется связанная вода. Шихта в зоне подогрева нагревается до температуры ~750°С; температура газов на входе в зону 1250°С. Унос материала в пыль - 25% от общего пылеуноса.

Теплопотребление по статьям.

Нагрев шихты до 750°С:

0,54∙(196,2 - 67,2 - 22,3∙0,75)(750 - 150) = 36377 (ккал).

Испарение влаги и нагрев паров воды:

12,75∙[539 + 0,376∙22,4/18(750 - 150)] = 10360 (ккал).

Подогрев пыли до 750°С:

0,54 ∙ 22,3 ∙ 0,25(750 - 150) = 1806 (ккал).

Скорость движения материала в печи, коэффициент заполнения печи материалом, значения lx и lg по зонам.

Скорость движения материалов в печи находим по формуле (3):

 

wм = 5,78 ∙ Dβn, (3)

 

при β = 2,0° и n = 0,8 об/мин

wм = 5,78 ∙ 3,0 ∙ 2,0 ∙ 0,8 = 27,7 (м/час).

Коэффициент заполнения печи материалом определяется из формулы (4):

 

 (4)

 

после преобразования которой получим выражение для коэффициента заполнения:

 

 

где А - среднее количество материала, проходящего через зону, т/сутки;

γ - средний объемный вес материала в зоне, т/м3;

τ - время работы печи в сутки, час/сутки.

Для зоны испарения:

;

γ = 1,5 т/м3 (средние объемные веса материалов по длине печи взяты на основании данных исследований заводских печей).

Зная коэффициент заполнения поперечного сечения зоны материалом, из геометрической зависимости находим lx и lg .

 

Рис. 2. Схема теплообмена в трубчатой вращающейся печи

 

Площадь сегмента:

 

(м2)

 

Из отношения определяем центральный угол сегмента α и отношение : при α = 86,25° и , откуда lx = 1,392∙1,5=2,08 (м);

 

.

 

Аналогично определяются значения φ, lx и lg для остальных зон.

Исходные данные и результаты расчетов занесены в табл. 13.

 

Таблица 13

Значения φ, lx и lg по зонам печи

Зона	А, т/сутки	γ, т/м2	φ, %	Fс, м2	α, град	lx, м	lg, м
Испарения Подогрева Вельцевания Охлаждения	403,73 312,42 278,1 229,57	1,4 1,2 1,8 2,2	5,7 5,5 3,3 1,8	0,4 0,367 0,22 0,15	86,25 79,3 72,2 60,5	2,08 1,98 1,65 1,49	2,26 2,17 1,97 1,66

 

Размеры зон по условиям теплообмена.

З о н а и с п а р е н и я.

В зону испарения материал подается в распыленном виде; основное тепло в этой зоне затрачивается на испарение влаги. Поэтому данную зону можно рассматривать как сушило барабанного типа с пересыпанием материала, в котором сушильным агентом являются печные газы.

Длину зоны сушки подсчитывают по формуле (5):

 

 (5),

 

где А - производительность печи, т/сутки;

wисх и wподс - содержание влаги в исходной и конечной шихте, доли единицы; wисх = 22,2/384 = 0,059 ( с учетом оборотной пыли), а в нашем случае wподс = 0 ( в зоне испарения удаляется вся внешняя влага);