【文章內(nèi)容簡介】 隨爐氣進入制酸系統(tǒng)，是有害雜質(zhì)。 在 FeS2FeSS2系統(tǒng)中，可用硫磺蒸氣分壓表示反應(yīng)的平衡狀況，硫磺蒸氣壓(Ps)與溫度的關(guān)系見表 21 表 21 硫碘蒸氣壓與溫度的關(guān)系 溫度 /℃ 580 600 620 650 680 700 壓力 /Pa 硫鐵礦焙燒反應(yīng)是一個氣 — 固相非催化反應(yīng)。由于硫鐵礦的密度大、孔隙小，焙燒的宏觀速率不僅和化學(xué)反應(yīng)速率有關(guān)，還與傳熱傳質(zhì)過程有關(guān)。 提高反應(yīng)速率的主要途徑為以下幾方面。 (1)提高反應(yīng)溫度。提高反應(yīng)溫度可加快擴散速率。硫鐵礦理論焙燒溫度可以達到 1600℃，但要控制在 800 一 900℃之間，以免焙燒 物镕結(jié)和設(shè)備被燒壞。 (2)減小礦料粒度。礦石粒度小，可以減小內(nèi)擴散阻力并增加空氣與礦石的接觸面積。這一措施對氧擴散控制總焙燒速率的情況最為有效。 (3)提高氣體與礦粒的相對運動速度。氣體與礦粒相對運動速度大，會減小氧的外擴散阻力。 (4)提高入爐氣體的氧含最。氣氛中氧濃度高，一則氧的外擴散和內(nèi)擴散錐動力大，氧的擴散速率高；二則可提高爐氣中氧含量，有利于 SO2 催化轉(zhuǎn)化。因此，人們先后開發(fā)了富氧焙燒、純氧焙燒以及加壓焙燒工藝。 2． 3 沸騰焙燒 沸騰焙燒的過程 固體流態(tài)化，是在流動流體的作用下將固體顆粒群懸浮起來，從而使固體顆粒具有某些流體表現(xiàn)特征的一種技術(shù)。 對硫鐵礦在沸騰爐里的焙燒過程來講，是氣體硫化面體的情況，它同理想的散式流態(tài)化有較大的差別，其主要原因是顆粒的大小、形狀很不一致，流固體間的密度相差較大。實際生產(chǎn)中爐內(nèi)床層表面會鼓起一個個小氣泡，隨風(fēng)速增大，鼓泡逐漸激烈，并變得很不均勻，床層內(nèi)部分成固體顆粒的濃密區(qū)和氣泡的稀疏區(qū)，氣泡從床底上升過程中很不穩(wěn)定．互相合并，逐漸長大，到達床面時破裂，濟源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 12 導(dǎo)致床面頻繁波動，整個床層沒有乎穩(wěn)的界而，如同水沸騰一樣，所以 稱之為沸騰床。 影響沸騰焙燒的主要因素 沸騰過程同爐內(nèi)原料物性、氣流速度、床層高度、氣體分布等密切相關(guān)。 （ 1）原料物性 原料的粒度、密度、形狀等物理性質(zhì)．對沸騰過程都有很大影響。在一定密度下，粒度的大小決定了臨界流化速度和吹出速度，因而也決定了操作速度。小顆粒對應(yīng)的臨界流速小，易于流化；而較大的顆粒只有風(fēng)速足夠大才能流化。實際生產(chǎn)中，原料粒度不均勻，顆粒粒度存在一定的分布．既有小于 — 的細粒，也有大至 3mm 的粗粒。因此在設(shè)計中，要根據(jù)粒度分布狀況，引用“顆粒平均直徑”來描述原料粒度，并依 此計算臨界速度與吹出速度。顆粒的密度對臨界流速也有較大影響，但一般情況下硫鐵礦的密度變化不大。 （ 2）氣流速度 決定固定床轉(zhuǎn)為沸騰床，并使沸騰床正常操作，最主要的因素就是氣流速度(指爐內(nèi)線速度 )。臨界流化速度和吹出速度均是顆粒粒度和密度及氣體粘度和氣體密度的函數(shù)，并可用公式計算。 （ 3）床層高度 探路爐床層高度包括沸騰層高度和分離空間高度，由“濃相流化區(qū)”和“稀相流化區(qū)”兩部分構(gòu)成。通常，氣速越大．顆粒越小，則膨脹比越大，沸騰層表而上下起伏越大，固體顆粒運動強度越大，對焙燒反應(yīng)越有利，床層阻力 也越大。 在一定的料層膨脹比下，提高沸騰層高度，會因顆粒停留時間加長，提高了硫的燒出率，增強爐子的操作穩(wěn)定性，但氣體通過床層的阻力亦增大。在沸騰爐內(nèi)，氣泡到達沸騰層表而即破裂，可將顆粒拋人爐子空間中，其中部分顆粒上升到一定高度后又落回沸騰層，一部分顆粒為氣流帶走。這一顆?？稍俜祷氐目臻g稱為分離空間。分離空間高度隨氣流速度變化，氣速越大，需要分離空間的高度越大。因此，出氣管口與床面間的高度要選取適當(dāng)。過小會使?fàn)t氣含塵量太大，過大固然能延長礦塵停留時間，提高爐塵脫硫率，但對降低爐氣含塵量不再有效，反而會位設(shè)備投 資增加過多。 （ 4）氣體分布 氣體的均勻分布，對沸騰床穩(wěn)定操作極為重要。床層下的氣體分布器的作用濟源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 13 有三： A．文承爐內(nèi)物料； B．使氣體均勻分布； ，也就是創(chuàng)造一個良好的流化條件并得以長期穩(wěn)定。 （ 5）焙燒強度 沸騰爐的焙燒強度是指單位爐床截而積日焙燒標準礦 (含硫 35％ )的量，單位為 t／ (m2 d)。它是衡量爐子生產(chǎn)能力的一個重要指標。提高焙燒強度，就須同時增加入爐空氣量和投礦量，采用粒高的操作速度。但這樣一來，會引起料層膨脹率和礦塵夾帶量增加，而且必須增大粒子移除反應(yīng)熱的 能力。為了不致使操作風(fēng)速過大，一般采用二次風(fēng)的方法。實踐證明，礦粒粒徑對焙燒強度起著決定性的作用。目前選取的各種礦料的焙燒強度 r／ (m2 d)]如下：尾砂的為 6— 15；塊礦為 25— 30；混礦為 15— 25。 沸騰爐結(jié)構(gòu) 沸騰爐有長方形和圓形兩類。前者在有色冶金方面曾一度被使用，由于結(jié)構(gòu)上的缺點和對流化過程并無優(yōu)點，故很快就被否定。目前都是采用圓形爐。圓形爐因使用原料和操作條件的不同，又分為直筒型和擴大型。 （ 1）直筒型爐 直筒型爐的沸騰層和上部燃燒空間的直徑大致相同，因而兩個空間的氣流速度幾乎一樣，較適 用于原料粒度較細的尾砂。因礦粒粒度細，沸騰層的風(fēng)速較低，焙燒強度亦低，操作風(fēng)量與原料粒度匹配程度較高。實踐證明，這種爐子也可以適用于摻燒部分塊礦，只因操作范圍較窄，有較大的局限性。 （ 2）擴大型爐 異徑擴大型沸騰爐見圖 2— 1。 鋼殼外面設(shè)有保溫層。由下往上，爐體可分為四部分： A．風(fēng)室； B．分布板：C．拂騰層； D．沸騰層上部燃燒空間。爐子下部的風(fēng)室設(shè)有空氣進口管。風(fēng)室上部為氣體分布板，分布板上裝有許多側(cè)向開口的風(fēng)帽，風(fēng)帽間鋪耐火泥?？諝庥晒娘L(fēng)機送人空氣室．經(jīng)風(fēng)帽向爐膛內(nèi)均勻噴出。爐膛中部為向上擴大截頭圓錐形，上部燃燒層空間的截而積較沸騰層截面積大。 加料口設(shè)在爐身下段，過去加料處從爐體向外突出，稱加料前室，有的大型爐子沒有多個，由于沒有前室使?fàn)t子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對爐內(nèi)礦料的混合和脫硫作用不甚明顯，多數(shù)沸騰爐不設(shè)前空。在加料口對面設(shè)有礦渣溢流口。此外，還設(shè)有爐氣出口、二次空氣進口、點火口等接管。頂部設(shè)有安全口。 濟源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 14 圖 21 沸騰爐爐體結(jié)構(gòu) 1保溫磚內(nèi)襯； 2耐火磚內(nèi)襯； 3風(fēng)室； 4空氣進口管； 5空氣分布板； 6風(fēng)帽； 7上部焙燒空間； 8沸騰床； 9冷卻管束； 10加料口； 11礦渣溢流管； 12爐氣出口； 13二次空氣進口； 14點火口； 15安全口 焙燒過程中，為避免溫度過高爐料熔結(jié)，需從沸騰層移走焙燒釋放的多余熱量。通常采用在爐壁周圍安裝水箱 (小型爐 )，或用插入沸騰層的冷卻管束冷卻，后者作為廢熱鍋爐換熱元件移熱，以產(chǎn)生蒸汽。 由于異徑擴大型沸騰爐的沸騰層和上部燃燒空間尺寸不一致，使沸騰層和上部燃燒層氣速不同．沸騰層氣速高，可焙燒較大顆較的礦料，礦料的粒度最大可達 6mm，而細小的顆粒被氣流帶到擴大段后，因氣速下降有部分又返回沸騰層，不致造成過多礦塵進入爐氣，而沸騰層的平均粒度亦不因沸騰層氣速大而增加很多。這種爐型對原料品種和原料粒度的適應(yīng)性強，燒渣含硫量低，不易結(jié)疤。 濟源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 15 焙燒的工藝流程 焙燒工段的主要作用是制出合格的 SO2 爐氣，并清除爐氣中的礦塵。由于焙燒過程中產(chǎn)生較多熱量，以及爐氣須經(jīng)降溫才可進入除塵設(shè)備，因而設(shè)置了廢熱鍋爐。整個焙燒工段的工藝流程見圖 22。設(shè)有沸騰爐、廢熱鍋爐、旋風(fēng)分離器、電除塵器及排渣裝置。 圖 22 沸騰焙燒的流程 1礦貯斗； 2皮帶秤； 3星形加料器； 4沸騰爐； 5廢熱鍋爐； 6旋風(fēng)飛塵器； 7電除 塵器； 8空氣鼓風(fēng)機； 9星形排灰閥； 10， 11埋刮板輸送機； 12增濕冷卻滾筒；13蒸汽洗滌器 裝置運行時，礦料由皮帶輸送機通過布料器連續(xù)加入獨騰爐；空氣由鼓風(fēng)機鼓入氣室經(jīng)氣體分布板與爐料接觸，氣固接觸反應(yīng)產(chǎn)生 SO2 爐氣；爐氣出爐子進廢熱鍋爐降溫除塵進旋風(fēng)除塵器除去大部分礦塵，最后經(jīng)過電除塵器進一步除去剩余細小礦塵。 沸騰焙燒的工藝條件 為獲得穩(wěn)定的一定濃度的 SO2 爐氣，并得到高的硫燒出率，操作時控制好 爐溫、爐底壓力及投礦量很關(guān)鍵。一般爐溫控制在 850 一 950℃．爐底壓力 (表壓 )8． 82— 11． 76kPa．所制爐氣含 SO212％一 14％。這三項指標是互相聯(lián)系的，其中爐溫控制對穩(wěn)定生產(chǎn)尤為重要，這是因為爐床溫度對焙燒反應(yīng)速率影響最大。 生產(chǎn)中，影響?yīng)汄v爐焙燒溫度的主要因素有投礦量、礦料的含硫量和水分，以及風(fēng)量。其中原料含硫量及投礦量對爐溫影響最顯著，這是因為爐內(nèi)熱量來自濟源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 16 于硫分的燃燒反應(yīng)。單位時間入爐硫量的增加或減少分別對爐溫影響有升高和降低兩種可能，這要視爐內(nèi)空氣的過剩程度。風(fēng)量對爐溫亦影響較大，如 何影響也要視爐內(nèi)的空氣過剩程度。礦料中水分增加可較明顯地使?fàn)t溫下降，平時要保持水分含量穩(wěn)定，免使?fàn)t溫受此影響。 爐底壓力波動會直接影響進入爐內(nèi)的空氣量，爐溫隨之產(chǎn)生波動。爐底壓力主要表示分布器和沸騰層的阻力。分布器阻力一般變化不大，正常設(shè)計占總阻力的 23％。所以爐底壓力變化主要反映了沸騰層阻力的大小和床層情況。由沸騰原理可知，沸騰層阻力大小決定于靜止料層的厚度和它的繼積密度，同爐內(nèi)流速關(guān)系不大，這就是說爐底壓力增減表明了沸騰層內(nèi)爐料多少。調(diào)節(jié)爐底壓力可采用調(diào)節(jié)風(fēng)量和投礦量兩個措施。 沸騰爐的硫燒出 率較高，燒渣中含硫量較低，約為 ％一 ％。其值的大小由渣和礦塵的燒出率兩部分構(gòu)成．主要受礦粒度、反應(yīng)速度、爐料爐塵停留時間影響。溫度高、反應(yīng)快，有利于硫燒出率的提高：沸騰層高度、氣流速度決定塵的停留時間，停留時間長硫燒出率高，但床層阻力大，一般沸騰層的高度維持在 范圍內(nèi)。 無論采用何種爐型及何種焙燒方法，焙燒硫鐵礦制得的爐氣中都含有礦塵。塵含量的多少與焙燒爐爐型、焙燒方法、焙燒強度、原料品位和粒度等因素有關(guān)。一般沸騰爐出口爐氣含塵量 150 一 300g／ m3。若不將爐塵 除到一定程度，則不僅堵塞設(shè)備和管道，破壞正常生產(chǎn)，而旦沉積覆蓋在催化劑外表面上影響其活性，甚至造成停車。 目前在硫酸生產(chǎn)中，清除爐氣中的塵，大都采用機械除塵和電除塵。 機械除塵分為集塵器除塵和旋風(fēng)除塵兩類。 1 、集塵器除塵 分為自然沉降與慣性除塵。因該類設(shè)備效率低、體積大，已很少有廠家單獨采用，多以廢熱鍋爐代替，將除塵與回收余熱同時進行。 旋風(fēng)除塵 旋風(fēng)除塵器有標淮型、擴散型、漸開線型、直簡型等多種形式。其除塵原理是利用離心力將塵與爐氣分離。除塵器的工藝操作參數(shù)主要有進風(fēng)口風(fēng)速和壓濟源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 17 降。該種設(shè)備結(jié)構(gòu)簡 單、操作可靠、造價低廉、管理方便，但對很細小的塵粒 (＜10μm)除塵效率很低，故多用于爐氣的初級除塵。旋風(fēng)除塵器有時由兩個或多個并聯(lián)組合在一起，有時用兩級串聯(lián)，以提高除塵效率。 電除塵器 電除塵的特點是除塵效率高，一般均在 99％以上，最高可達 ％，可使含塵量降到 ／ m3以下，除去塵粒粒度在 ～ 100μm之間．設(shè)備適應(yīng)件好、阻力小。在硫鐵礦制酸系統(tǒng)中，置于旋風(fēng)除塵器后，以除去余留微塵。 沸騰焙燒的廢熱 沸騰爐焙燒含硫原料過程中會放出大量的熱。由熱量衡算可知，每 燃燒 lkg含硫 35％的硫鐵礦，可放出熱量 4521． 7kJ，這些熱雖約 40％左右消耗于爐氣、灰渣的加熱，其余 60％以上的的熱量即為余熱。余熱大致分為兩部分：一是為維護爐溫需導(dǎo)出的部分，大約 1． 264GJ／ lt酸；二是導(dǎo)出爐氣從 85011 降到 350 一400℃放出的部分，約為 1． 482GJ／ lt 酸。也就是說，燒 lt礦可得到的余熱相當(dāng)于 100kg 標準煤的發(fā)熱量。如把它回收利用可得到 1． 0— 1． 2t 蒸汽。如不把它們利用，須在爐內(nèi)和爐氣出口處設(shè)置專門的冷卻器移熱，這將消耗大量冷卻水和電能。由于原料品位、水分和雜質(zhì)含量不 同，以及操作條件 (爐溫、出口爐氣 )的不同，在沸騰爐能得到的余熱量有較大差別。表 21為不同情況下的余熱量。 表 21 不同情況下 1Kg礦的余熱量 硫含量 /％ 水分含量 /％ 爐溫℃ 爐氣中 SO2含量 /％ 余熱（ KJ/Kg） 30 8 850 12 2093 35 5 850 12 2721 40 4 850 13 2931 20 7 850 12 1256 可見，這些余熱的回收利用具有很大經(jīng)濟意義。目前國內(nèi)許多單位已在沸騰爐配置了廢熱鍋爐，以回收余熱。中國第一座廢熱鍋爐于 60年代初投產(chǎn)，一年利用廢熱 發(fā)電達 800 萬度，除滿足本身生產(chǎn)需要，還余 1／ 3 以上電力可供輸出，裝置投資在一年內(nèi)即可收回。隨著中國科學(xué)技術(shù)的進步，近些年廢熱利用已很普遍。 廢熱利用方法 為降低硫酸成本，有效回收余熱，最有效的方法是利用廢熱鍋爐，進而將余濟源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 18 熱產(chǎn)生的蒸汽發(fā)電。 在廢熱鍋爐推廣之前，多數(shù)廠采用在沸騰爐上安裝間接冷卻裝置生產(chǎn)熱水。由于傳熱系數(shù)不高，冷卻體積較大，同時由于冷卻水進口溫度為常溫，排出溫度不宜超過