Модернизация пламенных печей

Лекция 13. Модернизация пламенных печей.

Вопрос 1. Характеристика современного состояния

К традиционным способам переработки сульфидного медьсодержащего сырья относится отражательная плавка (ОП). В отечественной  цветной металлургии доля меди, полученной  за последние 10-15 лет с ис­пользованием ОП, составила около 40%, а за рубежом - около 20%. В связи с развитием новых автогенных процессов значение ОП в общей технологии медеплавильного производства постоянно снижается. Если  к началу 80-х годов в мире насчитывалось приблизительно 100 отражательных печей, то  к середине 90-х годов их  число уменьшилось до 30. В настоящее время за рубежом осталось около 20 действующих агрегатов, среди них: США (Уайт-Пан), ЮАР (Палабора), Япония (Наосима, Онахама), Канада (Гаспе, Флин-Флон), Златна (Румыния), Иран (Сар-Чесмех), Замбия (Муфулира), Ля-Оройя, Ило (Перу), Кананеа (Мексика) и др., часть из которых планируется к закрытию или реконструкции [22-31].

Технология ОП  на уральских заво­дах применяется только на ОАО «Святогор», Технико-экономические показатели отражательной плавки некоторых  заводов представлены в табл.1.

Современная ОП в состоянии обеспечить переработку сырья в значительных объемах: от 1550 (ОАО «Святогор», огарок) до 2133 т/сут (Морен­си, концентрат). Рядовые штейны содержат 25-40%Сu, шлаки - 0.4-0.6%Cu. Концентрация SO₂ в отходящих газах составляет, % об. : при плавке огарка 0.5-1.0, медных концентратов - 1.5-2.5. Удельная производительность изменяется от 2.5 до 8.7 т/(м2*сут) (ОАО «Свято­гор»).

Классический   вариант   отражательной   плавки   отличается универсальностью и предназначен для любого типа сульфидных и карбонатных руд, обожженных и необожженных мелкодисперсных флотационных концентратов. В печи с достаточно высоким коэффициентом извлечения меди перерабатывают также конвертерные шлаки, оборотные пыли и цементную медь. Влажность шихты перед плавкой доводится до 4-8%. В качестве топлива используют природный газ, мазут, уголь (угольную мелочь).

Штейн содержит обычно 20-45% меди, шлак – 0.4-0.6% (табл 2.1, 2.2). Штейн конвертируют, шлак направляют в отвал, отходящие газы очищают от пыли и выбрасывают после нейтрализации в атмосферу.

В результате механического уноса тонких частиц шихты печными газами и испарения легколетучих компонентов шихты  и продуктов плавки пылевынос  составляет 1.3-3.5% от массы шихты. Если не принимать мер к специальной очистке газов, то по данным П.С. Кусакина и П.А. Паздникова 47% пыли осаждается в боровах, а остальная пыль выносится в дымовую трубу.

Запыленность газов ОП зависит от разновидности плавки. При плавке сырой шихты она составляет 7-10 г/м³, а при плавке огарка - 15-30 г/м³. Грубая пыль представляет собой мелкую фракцию загружаемой в печь шихты со средним размером частиц 4.4 мкм, она преимущественно осаждается в газоходах. Медь в ней представлена  включениями штейна, куприта, халькозина, металла, незначительное ее количество находится в форме ковеллина и халькопирита. Цинк присутствует в виде силиката  и сульфата, железо - в виде магнетита  и, частично, силиката. Распределение цветных и редких металлов при плавке сырых концентратов (по данным  А.Т. Дробченко) приведено в табл. 5.14.

Рекомендуемые материалы

Таблица 1

Распределение металлов по продуктам ОП сырых концентратов, %

Чем выше степень десульфуризации при обжиге и богаче образующиеся штейны, тем больше цинка переходит в шлак (до 70%) и тем значительнее меняется  распределение редких металлов (табл. 5.15).

Таблица 2

Распределение редких металлов при ОП огарка [76]

С печными газами в основном выносится тонкодисперсная пыль со средним размером   частиц около 1.5 мкм и количество такой пыли составляет  47-92% от всего пылеуноса. Например, пыль из трубы Кировградского ППМ имеет состав, % масс. : 3.66 Cu, 30.45 Zn, 5.41 Pb, 1.16 Sn, 11.18 S, 0.015 Ni, 0.015 Sb, 13 As, 0.06 Bi, 0.14 Cd, 0.01Co, 0.01-0.015 Ge; г/т : 5.2  Au, 106.5 Ag.

Переработка тонких пылей должна включать предварительную  пирометаллургическую обработку с целью получения окисленных возгонов с повышенным содержанием редких металлов. Вельцевание такой пыли с добавкой коксовой мелочи (расход от шихты 40-50%) при температуре 1050-1250^оС позволяет достичь извлечения меди и благородных металлов 98%. Химический состав образующихся возгонов следующий, %: 35-45 Zn; 18-28 Pв; 1.5-3.0 Sn; 8-15 As; 0.05-0.07 Bi; 0.5-1.5 Fe; 0.5-1.5 Cu; 0.03-0.1Ge; 0.02-0.06 In;0.05-0.07 Tl; 0.7-0.8 Cd. Извлечение металлов в возгоны составляет, % : 97-99 Zn, 90-95 Pb, 96-99  Cd, 97-99 Tl, до 85 Sn; 90-95 In [32]. При производстве серной кислоты из отходящих газов ОП редкие металлы могут быть извлечены из промывной кислоты и шламов.

Вопрос 2. Пути совершенствования ОП и ее перспективы

 Основными недостатками ОП являются:

- cравнительно низкая удельная производительность (2.0-4.8 для сырой и 3.0-8.7 т/(м²*сут)  для обожженной шихты);

- невысокий  коэффициент использования топлива (30-35%) и, как следствие, высокий его расход (% от массы шихты: при плавке сырой шихты 18-22, при плавке огарка 14-16);

- невозможность регулирования процесса десульфуризации (D) и, сле­довательно,  состава штейна (при плавке огарка с внутрипечным обеднением конвертерного шлака D составляет 15-20%, тогда как  в аналогичных условиях при плавке сырых концентратов D достигает 40-50%);

- образование бедных серусодержащих газов и их выброс в атмосферу;

- высокий расход огнеупоров.

Заметный прогресс в совершенствование ОП был достигнут в связи с переводом печей на отопление природным газом с использованием воздуха, обогащенного кислородом. В частности, применение дутья, обогащенного кислородом  до 27-30% об., позволило при плавке огарка повысить производительность печей на 28-33% и снизить  расход топлива почти на 22 % [32].

 Новые возможности интенсификации теплообмена в пламенных печах были реализованы  за счет  рассредоточенной подачи кислорода  и установки сводовых газокислородных горелок (комбинированное торцово-сводовое отопление). В сравнении с чисто воздушным дутьем при рассредоточенной подаче кислорода и концентрации его в дутье 40% удельный проплав  возрос от 4.5 до 6.7 т/(м²*сут), расход условного топлива уменьшился от 210 до 116 кг на  тонну шихты, а концентрация SО₂ в отходящих газах повышена от 2.5-2.8 до 7.8-8.2  % об. Для кампании печей важно, что данные результаты получены при  одновременном уменьшении температуры  в фокусе печи почти на 100^ОС [32]. Использование торцово-сводовых горелок при тепловой сводовой  нагрузке 20% и общей величине обогащения дутья кислородом 30%  позволяет  получить максимальный  проплав шихты (6.70-6.85 т/(м²*сут)), наиболее высокий термический КПД печи (40%)  и уменьшить расход условного топлива  до 146 кг/т [42].

Применение нагрева дутья (с использованием тепла отходящих газов или индивидуально отопливаемых нагревателей) до 400-450^оС позволяет заметно увеличить проплав и уменьшить расход топлива в ОП. Однако, на отечественных заводах   такой подогрев (табл. 5.1) не используется, ограничиваются более низкой температурой дутья, позволяющей повысить проплав на 15% и уменьшить расход топлива на 7.8% [ 33].

Дальнейшее совершенствование тепловой работы пламенных печей, отапливаемых газом, развивается за счет поиска рациональных  пределов форсирования тепловых и технологических нагрузок агрегата  и снижения удельного расхода топлива. При этом задача оптимизации сводилась  к определению режимов сжигания природного газа, обспечивающих,  с одной стороны, повышение производительности и экономичности работы печи, а с другой - увеличение стойкости футеровки и равномерности проплава по длине рабочей зоны  и снижение пылевыноса. Для ее решения были разработаны многозональные модели теплообмена [33, 40],  позволяющие оценивать интегральные и локальные характеристики теплообмена  с учетом конструкции  и тепловых режимов печи. Основными практическими выводами следующими из результатов  моделирования явились:

- показана целесообразность использования сравнительно коротких факелов ( не более 1/3 длины рабочего пространства печи);

Вам также может быть полезна лекция "Создание первой японской конституции".

 - с  ростом подогрева дутья ( до 700^оС)  и обогащении воздуха кислородом ( до 40%) наблюдается рост теплопоглощения откосами  и теплового КПД плавки ( с 30 до 63 %);

 -для реальных условий работы печи  с учетом ограничений по пылевыносу (скорость газов W< 7 м/с) и максимальной температуры кладки( t< 1650^оС) оптимальный тепловой режим соответствует температуре дутья 360 ^оС  и концентрации кислорода  22.3 %.

В этой связи установка на действующих ОП водоохлаждаемых кессонов в наиболее теплонапряженных участках,  позволит снизить экстремальное воздействие температуры. Данное мероприятие является резервом в дополнительном увеличении производительности за счет более глубокого обогащения дутья кислородом  и повышения тепловой мощности печи. В этом случае также создаются предпосылки для роста  содержание SO₂ в отходящих газах. Определенный опыт в этом отношении накоплен СКБ ЦМ Гинцветмета, который еще в 1970 г на КУМКе ( г. Красноуральск) осваивал работу заложенных в боковые стены печи кессонов, охлаждаемых взрывобезопасным теплоносителем ( пароводяная смесь) [38].  Конструкция кессонов одновременно состояла из цельнонатянутых труб и набивной огнеупорной массы с установленными в них топками. Кессоны успешно себя зарекомендовали в ходе длительной эксплуатации на опытной печи ПВ РОЭМЗ, а топки использовались на фьюминг-печах завода «Рязцветмет» и Чимкентском свинцовом заводе [43]. Известны и другие конструктивные варианты кессонов с целью повышения стойкости футеровки стен печей [44].

Исходя из требуемого теплопоглощения откосами шихты были разработаны номограммы (рис. 5.15), позволяющие при упомянутых выше ограничениях, выбирать тепловую нагрузку, расход кислорода, температуру дутья, обеспечивающих максимальный  удельный проплав. Аналогичные диаграммы полезны для экономической оптимизации тепловой работы печей  с учетом цен на природный газ, кислород, затрат на подогрев дутья.

В результате моделирования рекомендовано рациональное распределение тепловой нагрузки между сводовыми горелками по длине печи. Показано, что применение комбинированного отопления с увеличенной подачей теплоты во вторую половину  плавильного пространства, позволяет выровнять температуру кладки  по длине рабочей зоны  и дополнительно форсировать  работу агрегата с ростом производительности на 12 %.

Общим результатом, применения кислорода при ОП в различных вариантах его подачи в печь на отечественных и зарубежных предприятиях является увеличение концентрации SO₂ в атмосфере печей, за счет сокращения балластного азота. Однако в результате многократного разубоживания газов, концентрация сернистого ангидрида в товарной точке была недостаточной (~2%) для организации сернокислотного производства. Это обстоятельство послужило основанием для поиска других вариантов интенсификации и модернизации ОП и одновременно разработкой в химической технологии более дешевых способов утилизации бедных серусодержащих газов в  сернокислотном производстве.