Исследование процесса обжига цинковых концентратов в кипящем слое методом математического моделирования Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

--© А.Л. Рутковский, Д.Н. Дюнова,

A.B. Бигулов, И.С. Яковснко, Б.Д. Билаонов, С.Ш. Дзантисв, 2013

УДК 669:519.216

А.Л. Рутковский, Д.Н. Дюнова, A.B. Бигулов, И.С. Яковснко, Б.Д. Билаонов,С.Ш. Дзантисв

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБЖИГА ЦИНКОВЫХ КОНЦЕНТРАТОВ В КИПЯЩЕМ СЛОЕ МЕТОДОМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Разработана математическая модель процесса, обжига цинковых концентратов, основу которой составляют соотношения материального и теплового баланса. Установлено, что статическая характеристика процесса, определяющая зависимость температуры>1 в печи кипящего слоя от расхода поступающего концентрата, носит экстремальны>1й характер. Показана целесообразность применения системы>1 экстремального управления для стабилизации оптимального функционирования исследуемого объекта.

Ключевые слова: математическая модель, статическая характеристика, процесс обжига цинковых концентратов, системы экстремального управления.

дним из основных процессов гидрометаллургического производства цинка является обжиг цинковых концентратов в печах «кипящего слоя» (КС), который в значительной мере определяет технико-экономические показатели последующих переделов и производства в целом. По виду источника тепловой энергии обжиговые печи КС относятся к агрегатам, работающим за счет энергии сырьевых материалов [1]. Сульфидные соединения, содержащиеся в шихте, вступают во взаимодействие с окислителем, в результате чего они полностью или частично окисляются и содержащаяся в них сера переходит в газовую фазу в виде сернистого ангидрида. Окисление сопровождается выделением значительного количества тепловой энергии и тем самым технологический процесс протекает в автогенном режиме за счёт тепла экзотермических реакций. Вследствие этого цель функционирования обжигового передела связана с переводом в оксиды максимального количества сульфидов металлов, получением обожженного продукта с большой реакционной поверхностью, ограничением в получаемом огарке содержания ряда соединений (феррита цинка, силикатов свинца и цинка) и обеспечением получения максимальной концентрации сернистого ангидрида в обжиговых газах.

Характерной особенностью современного цинкового производства является необходимость переработки большого ассортимента концентратов различных месторождений, поступающих во времени и количестве неравномерно. Под влиянием внешних условий имеет место неконтролируемое изменение во времени характеристик процесса переработки полиметаллического сульфидного цинкового сырья. Это обусловливает необходимость изменения управления процессом обжига при изменении условий его функционирования.

Поведение компонентов сырья при обжиге определяет ход извлечения цинка на последующих переделах. Нестационарность составов огарка является одним из основных факторов возникновения переходных процессов в технологическом цикле гидрометаллургического комплекса [2]. Оптимальный режим переработки концентратов должен определяться на основе анализа измерительной информации об объекте и исследовании его характеристик.

Количество подаваемого в печь воздуха определяется заданной производительностью печи по концентрату и условиям псевдоожижения, обеспечивающими нормальную работу печи. Удельный расход воздуха на 1 т обжигаемого

о

концентрата составляет 1600—1700 м с учётом избытка воздуха при коэффициенте избытка воздуха против стехиометрически необходимых 1,15 1,35 в зависимости от состава концентрата. Содержание кислорода в газах, отходящих из печей КС, не должно быть ниже 4 %.

Температурный режим печи устанавливается и регулируется автоматически подачей определённого количества концентратов. Одним из важнейших условий, обеспечивающих устойчивый ход технологического процесса обжига, является равномерное и непрерывное питание печи концентратом.

Уравнение теплового баланса для зоны кипящего слоя в установившемся режиме определяется соотношением:

Gtqt+ Gv cv tv+ Gtcttt= Gctf, (1)

где Gt — расход концентрата, кг/с; qt — теплотворная способность концентрата, кДж/кг; Gv — расход воздуха, кг/с; v — теплоемкость воздуха, кДж/(кг°С); tv — температура воздуха, oC; ot — теплоемкость концентрата, кДж/(кг°С); tt— температура концентрата, °C; G = Gt + Gv— расход продуктов обжига, кг/с; с — теплоемкость продуктов обжига кДж/(кг °C), tf -температура в кипящем слое, C.

Соотношение (1) показывает, что количество тепла, поступающее с концентратом и воздухом в результате обжига, уравновешивается отводимым теплом и повышением температуры в кипящем слое. Отсюда температуру в кипящем слое можно определить следующим образом:

tf = Gt qt+ Gv cv tv+ Gt ct tt (2)

= (G+Gvc ' ()

Примем некоторые допущения, которые принципиально не повлияют на вид статической характеристики горения. Пренебрежем членом Gt ct tt, так как это количество тепла при постоянном расходе концентрата пренебрежительно мало по сравнению с членом Gt qt. Кроме того, считаем, что теплоемкость продуктов горения не зависит от температуры, т. е. c = c°nst во всем интервале температур. Выполним определение основных режимных параметров. Находим количество железа, связанное с серой в пирите:

FeS =(S- 0,49 Zn- 0,16Pb-0,01Cu) 0,8, (3)

где S, Zn, Pb, Cu — содержание в шихте серы, цинка, свинца и меди соответственно, %.

Количество железа в халькопирите

РеСие2 = 0,88 Си. (4)

Суммарное количество сульфидного железа

БитГе = Р'е^ + ^р^ . (5)

Теоретическое количество кислорода, необходимое для окисления концентрата, определяется соотношением:

02Т = 0,734гл+ 0,232РЬ+ 1,5765итРе+ 1,511Си, (6) 22 40

V = 22,4 02Т (7)

° = 32 . (/) Теоретическое количество воздуха, необходимое для окисления концентрата:

^ = 3,762 О + ^ (8)

Действительное количество воздуха, необходимое для окисления концентрата, определяется так:

V „п = V (9)

VoU} = 0,2^^0. (10)

020 = 02ТР0 ,

где а — коэффициент избытка дутья, р^ — плотность кислорода, кг/м3. Теплотворная способность концентрата

= 129,35+10,09Zп+ 28,1 Си + 10,5РЬ кДж/кг. Расход воздуха на печь = 10

V 1440.(60 ,

где р^/ — плотность воздуха, кг/м3; ( — коэффициент нахождения печи под дутьем.

Рассмотрим пример: по данным практики одного из предприятий имеется шихта следующего состава: Zп — 50 %, РЬ — 1,5 %, 5— 32 %, Си — 1 %. В результате определения основных режимных параметров получено, что

— количество железа, связанное с серой в пирите:

Ре5 =(5- 0,49Zп- 0,16РЬ-0,01 Си)0,8 = 6,38 кг;

— количество железа в халькопирите: РеСи5 = 0,88 Си = 0,88 кг;

— суммарное количество сульфидного железа:

5итРе= РеРе5 + РеСиРе5 = 7,26 кг.

Теоретическое количество кислорода, необходимое для окисления концентрата, составляет:

02Т = 0,734 гп + 0,232 РЬ +1,576 5итГе +1,511 Си = 50,001кг; О 22 4

= = 35,001 м3.

0 32

Теоретическое количество воздуха, необходимое для окисления концентрата:

Когтт = ^3,762 + О = 166,673 м3.

Действительное количество воздуха, необходимое для окисления концентрата, составляет

Кт = Ко0^ = 200,007 м3

где а — коэффициент избытка дутья.

Теплотворная способность концентрата

= 129,35+ 10,09гп+ 28,1 Си + 10,5РЬ= 4677 кДж/кг. Расход воздуха на печь

= ШКтРк^ = 5,54 кг/с, К 1440^60

где рК — плотность воздуха, кг/м3; ^ — коэффициент нахождения печи под дутьем.

Для полного окисления 1,852 кг концентрата необходимо 5,54 кг воздуха,

поэтому количество воздуха для полного окисления 1 кг концентрата составит

2,991 кг. Слагаемое Gtqt будет зависеть от расхода воздуха до тех пор, пока

этот расход не станет равен 5,54 кг/с. Эта зависимость определяется пропор-

„ 1 Gt Gv цией -=-, Gt =

2,991 Gv 2,991

Для расчета температуры кипящего слоя соотношение (2) реализуется посредством МаШСаТ-программы:

Tf(Gv) :=

Gv

•qt + Gv-cv-tv

2 991

Tf ^ - if Gv < 5.54

(GT + Gv)c

GT-qt + Gv-cv-tv

Tf ^- otherwise

(GT + Gv) c

Результат решения в виде графика зависимости температуры слоя tf, oC от расхода концентрата Gt, кг/c показан на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость температуры слоя Т£ "С от расхода концентрата а кг/с

Из рис. 1 следует, что полученная статическая характеристика носит экстремальный характер. Это объясняется особенностями физических процессов, имеющих место при обжиге цинковых концентратов.

Выходной параметр процесса обжига, температура в печи КС, определяется количеством обжигаемого огарка, а также количеством и температурой поступающего воздуха. При малом количестве воздуха огарок обжигается не полностью и, следовательно, это приводит к уменьшению производительности процесса. При избытке воздуха в печи КС топливо шихты сгорает полностью, но много выделяемого при его сгорании тепла расходуется на нагрев избытка воздуха и уносится из печи вместе с продуктами горения и избыточным воздухом.

При некотором соотношении количества огарка и подаваемого воздуха температурный режим печи КС будет оптимальным, что и соответствует экстремуму выходного параметра процесса.

При оптимальном расходе концентрата обеспечивается полное его окисление, а температура достигает максимума. Вследствие этого цель управления процессом обжига сводится к поддержанию оптимального функционирования работы печи КС, при котором в непрерывном режиме обеспечивается ее максимальная производительность при изменении условий ведения процесса и ограниченной априорной информации о нем.

Процесс обжига цинковых концентратов относится к инерционным объектам управления, характеризующимся сложной динамикой. Изменение основных режимных параметров процесса может привести к дрейфу положения оптимума исследуемой зависимости. Вследствие этого обеспечение и длительное поддержание оптимального статического режима исследуемого процесса может быть реализовано на основе использования сис-

тем экстремального управления. При этом стабилизация процесса сводится к многократному решению взаимосвязанных задач определения экстремального положения рабочей точки и организации движения к ней. Полученные результаты являются обобщающими и для других процессов, реализованных в печах КС, в которых обжиг ведется с избытком воздуха, например, обжиг пирита.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Зайцев В. Я. Металлургия свинца и 2. Лоскутов Ф.М., Цейллер A.A. Расчеты цинка // Учебное пособие для вузов. — М., по металлургии тяжелык цветнык металлов. — Металлургия — 1985. — С. 263. М., Металлургиздат — 1963. С. 591. ГГТТ?!

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Руновский Александр Леонидович — доктор технических наук, профессор, Ки:кошБЫ@шаП.ги,

Дюнова Диана Николаевна — кандидат технических наук, доцент, 0ипоуа_<1п@шаП.ги, Яковенко Иван Сергеевич — аспирант, ГБ.уакоуепко@шаП.ги,

Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет),

Билаонов БД. — генеральный директор, ООО «ЖИРАФ», Бигулов Артур Васильевич — генеральный директор,

Дзантиев С.Ш. — кандидат экономических наук, консультант, [email protected], Научно инновационное предприятие Северо-Кавказского горно-металлургического института «Стройкомплект инноваций».

- РУКОПИСИ,

ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ «ГОРНАЯ КНИГА»

КЛАССИФИЦИРОВАНИЕ ПРОФЕССИЙ ПО УСЛОВИЯМ ТРУДА, ОПРЕДЕЛЯЮЩИМ ТРЕБОВАНИЯ К ЗАЩИТНЫМ СВОЙСТВАМ СПЕЦОДЕЖДЫ

(№ 949/03-13 от 22.12.12, 11 с.)

Михайлова В.Н. — доктор технических наук, профессор, Московский государственный горный университет, [email protected]

PROFESSIONS CLASSIFICATION ACCORDING OF LABOR CONDITIONS, DETERMINING REQUIREMENTS TO PROTECTION QUALITIES OF WORKING CLOTHES

Mikhailova V.N.