Обжиг цинкового концентрата

Аннотация 

     В задачи данного курсового проекта  входит рассмотрение процесса обжига цинковых концентратов, обеспечивающего  высокие технико-экономические показатели, расчет необходимых показателей, выбор  схемы обжига и выбор основного  оборудования для выполнения производственной программы, а также расчет материального и теплового балансов. 

The summary 

      The objectives of this course project is to review the process of roasting of zinc concentrates, which provides high technical-economic indices, the calculation of the required parameters, the choice of firing circuits and selection of basic equipment to carry out the production program, as well as calculation of material and heat balances. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

      Источником  получения цинка является рудное сырье, которое обычно находится в сульфидном состоянии, а цинк представлен преимущественно сфалеритом (ZnS). Руды всегда комплексные, содержат кроме цинка свинец, медь, железо, серебро и др. В последнее время используется вторичное сырье в странах с высоким потреблением.

     Примерно 50% мирового производства цинка расходуется на покрытие железных изделий с целью защиты их от ржавления.

     Более 30% всего производства в мире цинка  употребляется на производство сплавов. Благодаря способности давать сплавы с серебром и золотом, цинк используется в металлургии для извлечения благородных металлов.

     Цинковая  пыль применяется для осаждения  золота и серебра из растворов  при их получении гидрометаллургическим  путем, для очистки растворов  от меди и кадмия перед электролизом растворов цинка.

     Оксид цинка широко используют при производстве резины и ее обработке. Он улучшает качество резиновых шин и ряда других резиновых изделий. Широко используют чистый цинковый купорос при производстве корда-осных шин.

     Соединения  цинка, в частности его антимонид, используют в качестве интерметаллических полупроводников в приборах для превращения электрической энергии в тепловую. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Российский  рынок цинка

     

     Рынок РФ. Российские компании в настоящее  время не относятся к числу  ведущих продуцентов цинка, при этом они вынуждены закупать необходимое сырье (руды и цинковый концентрат) за пределами РФ. Тем не менее, продуценты цинка в РФ успешно преодолели трудности переходного периода и наращивают выпуск. Производство цинкового концентрата в России начало расти во второй половине 2006 г. В 2006 г. объем производства внутри страны составил 171 тыс. т цинка в концентрате.

     На  территории России, по оценкам российских специалистов, расположены 17% мировых  запасов цинка, а также два  крупных месторождения цинка мирового значения (Озерное и Холоднинское) в Бурятии. При текущих довольно высоких ценах на цинк и растущей потребности в металле в мире можно ожидать увеличения интереса инвесторов к разработке этих месторождений, что может позволить удвоить производство цинкового концентрата в России в ближайшее десятилетие. 

     Внутреннее  потребление рафинированного цинка  в России постепенно растет. Так, в 2006 г. внутреннее потребление цинка  составило около 174 тыс. т (в 2000 г. - 139 тыс., в 1995 г. - 109,6 тыс.). При этом российские продуценты - ОАО "Челябинский цинковый завод" ("ЧЦЗ") и ОАО "Электроцинк" (г. Владикавказ) выпускают значительно больше металла. Например, в 2006 г. они произвели 236 тыс. т металла (в 2000 г. - 241,9 тыс., 1995 г. -166,4 тыс.). Таким образом, на внутреннем рынке РФ постоянно имеется некоторый избыток цинка, способствующий экспорту данного металла, составляющему около 120 тыс. т в год в последнее десятилетие.

     В 2007 г. "ЧЦЗ" произвел 165 тыс. т высококачественного  цинка и сплавов на его основе, что на 11,2% больше, чем в 2006 г., когда было выпущено 148,38 тыс. т (в 2005 г. - 116,37 тыс., 2004 г. - 151,97 тыс., 2003 г. -177,36 тыс.). Почти половина (49% товарного металла) была реализована в 2007 г. на внутреннем рынке (в 2006 г. - 58%).

     Предприятие ОАО "Электроцинк" (г. Владикавказ), входящее в состав холдинга "УГМК", в 2007 г. выпустило 90,4 тыс. т, что почти  на 2% больше, чем в 2006 г., а производство свинца в 2007 г. составило 38 тыс. т, что  почти на 5% больше уровня 2006 г. Руководство предприятия ставит целью с 2009 г. обеспечить здесь стабильный выпуск 110 тыс. т цинка и 50 тыс. т свинца в год. В 2012 г. запланировано приступить к сооружению нового электролизного цеха. Руководство "УГМК" в качестве негативных моментов в работе компании отмечает высокие транспортные расходы и устаревшие технологии, применяемые на "Электроцинке".

     ОАО "ЧЦЗ" - вертикально-интегрированная  компания, в которой представлен  полный технологический цикл производства металлического цинка: от добычи и обогащения руды до выпуска готовой продукции в виде рафинированного цинка и сплавов на его основе. На долю компании приходится около 60% российского и почти 2% мирового объема производства цинка. Внедрение самых современных в Европе производственных мощностей, реализация программ модернизации обеспечивают производство цинка марки "особо высококачественный цинк", что подтверждается сертификатом ЛБМ, гарантирующим чистоту металла не ниже 99,995% по содержанию цинка. Стратегия вертикальной интеграции "ЧЦЗ" направлена на максимальное обеспечение собственным сырьем и повышение эффективности производства. С этой целью в 2006 г. "ЧЦЗ" получил полный контроль над компанией ТОО "Нова-Цинк", которая осуществляет добычу и обогащение свинцово-цинковых руд месторождения Акжал в Казахстане.

     В целях обеспечения производства сырьем предприятие "ЧЦЗ" развивает  отношения с основными российскими  поставщиками - компаниями "УГМК", "РМК", "Дальполиметалл", с  которыми заключены долгосрочные контракты  на поставку концентратов. Высокая цена на цинк на мировом и внутреннем рынках позволила компании "Дальполиметалл", которая традиционно была ориентирована на экспорт цинкового концентрата в страны ЮВА, заключить с "ЧЦЗ" долгосрочный контракт на поставку сырья. Однако в 2008 г. данный контракт был расторгнут. По причине высоких транспортных издержек на внутренние перевозки компании "Дальполиметалл" вновь выгоднее реализовывать продукцию на азиатских рынках.

      Производство  рафинированного цинка в РФ может  превысить 500 тыс. т уже через несколько лет благодаря увеличению объемов выпуска металла основными продуцентами и запуску новых предприятий. Так, "УГМК" намерена к 2012 г. расширить производство цинка за счет введения в эксплуатацию нового цинкового завода близ г. Кировград в Свердловской области мощностью 140 - 150 тыс. т рафинированного цинка в год.

     Основная  доля потребления цинка в РФ (более 60%) приходится на производство оцинкованных изделий, в первую очередь для  автомобильной промышленности и  строительства. По прогнозам, в сравнении  с 2006 г. объемы строительства вырастут к 2010 г. более чем на 50%, а производство автомобилей в РФ увеличится к2015г. в2 раза. Также существует значительный потенциал роста потребления цинка в таких сферах, как производство сплавов и использование в химической промышленности.

     Несмотря  на рост внутреннего потребления, Россия по-прежнему является экспортером цинка. При этом на внутреннем рынке растет конкуренция со стороны производителей цинка из Казахстана и Узбекистана. Также наметилась тенденция к  переходу от поставок на спотовый рынок к долгосрочным отношениям с зарубежными потребителями. Дальнейшее поступательное развитие цинковой промышленности требует создания условий для улучшения инвестиционной привлекательности отрасли для российских инвесторов, повышения кредитного рейтинга производителей, готовности зарубежных инвесторов и партнеров участвовать в проектах по строительству ГОКов и заводов, а также укрепления партнерства между производителями для обмена опытом и внедрения инноваций.

     По  мнению специалистов, российский рынок цинка в настоящее время обладает большим потенциалом для роста. Внутренний рынок металла является приоритетным для обоих продуцентов цинка РФ. По прогнозам специалистов "ЧЦЗ", потребление цинка в России в ближайшие 5-7 лет может вырасти почти в 2 раза - до 400 тыс. т, что повлечет за собой рост добычи и переработки цинка. При этом к 2012 г. Россия может производить до 500 тыс. т рафинированного цинка в год. Таким образом, в среднесрочной перспективе РФ не войдет в число крупных нетто-экспортеров цинка, так как рост внутреннего спроса будет значительным. При этом цинк на внутреннем рынке РФ реализуется с премией в 11 - 15% к ценам ЛБМ. По прогнозам российских аналитиков, рост спроса на цинк в России может достичь темпов 13,6% в год в период до 2012 г. На текущий момент потребление цинка в РФ находится на довольно низком уровне в сравнении с экономически развитыми странами, что предполагает значительный потенциал роста внутреннего рынка и увеличения среднедушевого потребления цинка в стране. 
 
 
 
 

     Технологическая схема обжига цинкового  концентрата 

 

 

 

 

     

     

     

       

       
 
 

     Теретические  основы процесса обжига в печи кипящего слоя 

     Обжиг - гетерогенный процесс термической  обработки цинкового сырья. Этот процесс был и остается основным способом окисления сульфидного сырья. Однако обширные исследования показали возможность окисления концентратов растворенным кислородом в подкисленных водных пульпах при T>100^оC и Робщ>10⁵ Па (автоклавные условия). Применительно к гидрометаллургической технологии это имеет свои достоинства: совмещение окисления и выщелачивания сырья, получение серы в элементарном виде и др. Но у этого способа есть существенные недостатки, сдерживающие его распространение. Таким образом, обжиг наиболее распространенный и используемый процесс.

     Главная задача обжига - быстрей, полней и с  наименьшими затратами превратить сульфидный цинк в оксидный, из которого цинк рациональней восстанавливать. При  этом огарок надо получить в таком  состоянии, чтобы он был наиболее благоприятен для осуществления последующих стадий технологий и в конечном счете обеспечил высокие технико-экономические показатели производства в целом.

     При обжиге, главным образом, происходит процесс окисления сульфидов. Механизм окисления включает следующие стадии:

     1.адсорбция  молекулярного кислорода на поверхности  сульфидов и диссоциации его  на атомарный кислород;

     2. диффузия кислорода внутрь решетки  сульфида и встречной диффузии  серы на поверхность раздела  фаз;

     3. образование первичных соединений  сульфида с атомарным кислородом;

     4. химическое взаимодействие образовавшегося  промежуточного продукта с оставшимся  в центре зерна сульфидом и  сжигании сульфидов материала  выделением оксида и диоксида  серы;

     5. химические взаимодействия оксидов  поверхностей пленки с сернистыми газами и образование вторичного сульфата.

     Обжиг ведется в одну стадию. Концентрат непрерывно загружают в рабочую  зону печи КС, а продукт самотеком  удаляется из печи. Кипящий слой характеризуется постоянством температуры  во всех его точках (940-980^оС) и интенсивным теплообменом. Основное тепло (около 70%) выделяется от сгорания сульфидных материалов. Это тепло отводят с помощью специальных аппаратов. Материал в КС текуч, интенсивно перемешивается, что обеспечивает однородность слоя по составу и температуре.

     Химизм  процесса характеризуется первичными, промежуточными и конечными продуктами превращений. Соответственно последовательные реакции делят на первичные, вторичные, а их продукты называют первичными, вторичными. Закономерность изменчивости химизма окисления при повышении температуры вызывает смену первичного продукта окисления MeS, происходит в такой последовательности: при низких температурах MeSO₄, при более высоких MeO, а далее -Me^o.

     Рассмотрим  химизм процессов в более широком  диапазоне условий, чтобы представить последствия отклонения от принятых в практике режимов.

     От  температуры начала заметного окисления  сфалерита и до 900^оС первичным твердым продуктом является ZnS. Следовательно, при температуре < 900-1000^оС окисление идет по реакции: ZnS+1.5O₂=ZnO+SO₂  

     Причем, чем интенсивней окисление ZnS за счет повышения t и P, тем больше дебаланс между убылью количества ZnS и прибылью количества ZnO в обжигаемых образцах. Обусловлено протеканием реакции: ZnSтв+O₂=Zn_пар+SO₂  

     Далее пары цинка окисляются. Изоморфное железо при окислении сразу образует ZnFe₂О₄, полностью связывается с цинком в феррит. Феррит, полученный при t<1000^оС, фактически немагнитен и плохо растворим в растворах H₂SO₄. Но при t>1000^оС становится ферромагнитным с той же растворимостью Связывание Fe²⁺ в силикаты, уменьшает фирритизацию Zn в огарке.

     В окалинах на зернах сфалерита сульфатная сера обнаруживается во внешней части, это свидетельствует об образовании  сульфата цинка. При этом образуются или ZnSO₄ (на воздухе в изотермических условиях устойчив до 670^оC) или ZnO^.2ZnSO₄ (760^оС). При наличии в газовой фазе SO₃ эти сульфаты не диссоциируют и при более высоких температурах. Т.о., вторичные сульфаты в зависимости от температуры и давления SO₃ образуются по реакциям: