Научная статья на тему 'Изучение кинетики окисления сульфидного цинкового концентрата в печи кипящего слоя'

Изучение кинетики окисления сульфидного цинкового концентрата в печи кипящего слоя Текст научной статьи по специальности «Энергетика»

CC BY
95
5
Поделиться
Ключевые слова
ЦИНКОВЫЙ КОНЦЕНТРАТ / ШИХТА / КОНСТАНТА СКОРОСТИ ХИМИЧЕСКОГО РЕАГИРОВАНИЯ / ГАЗООБРАЗОВАНИЕ / КИПЯЩИЙ СЛОЙ / ГЛУБИНА ПРОНИКНОВЕНИЯ РЕАКЦИИ / УДЕЛЬНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ РЕАГИРОВАНИЯ / ZINC CONCENTRATE / CHARGE / REACTION VELOCITY CONSTANT / GAS GENERATION / FLUIDIZED BED / REACTION PENETRATION DEPTH / SPECIFIC REACTION SURFACE

Аннотация научной статьи по энергетике, автор научной работы — Мунц Владимир Александрович, Ивакина Светлана Анатольевна, Чойнзонов Дмитрий Банзарагцаевич

С целью оптимизации работы печи кипящего слоя для обжига сульфидных цинковых концентратов, в частности, экономии кислорода на дутье, необходимо моделирование тепловых процессов. Для этого в лабораторных условиях изучена кинетика окисления шихты и основных ее компонентов сфалерита и пирита. Проведенные на приборе синхронного термического анализа NETZSCH STA 449 F3 эксперименты показали, что реакции окисления сульфидов цинка и железа кислородом протекают во внутрикинетической области. При массе образца 10 мг толщина слоя реагирующего вещества меньше глубины проникновения кислорода в слой, поэтому можно использовать выражение для изменения массы одиночной частицы. Это позволило получить эмпирическую зависимость для определения константы скорости химического реагирования при обжиге цинкового концентрата для дальнейшего расчета газообразования в кипящем слое. Также получено распределение концентрации кислорода по высоте слоя шихты и рассчитано среднее значение действующей концентрации кислорода в зависимости от толщины слоя реагирующего вещества. Анализ газообразования в кипящем слое при обжиге цинкового концентрата с использованием полученных констант скоростей химического реагирования позволил получить выражение для определения удельного расхода обжигаемого цинкового концентрата в зависимости от концентрации кислорода в дутье.

Похожие темы научных работ по энергетике , автор научной работы — Мунц Владимир Александрович, Ивакина Светлана Анатольевна, Чойнзонов Дмитрий Банзарагцаевич,

STUDY OF SULPHIDE ZINC CONCENTRATES OXIDATION KINETICS IN THE FLUIDIZED BED FURNACE

In order to optimize the operation of the fluidized bed furnace for annealing sulphide zinc concentrates, in particular, to save oxygen for blowing, it is necessary to model thermal processes. For this purpose, the oxidation kinetics of the charge and its basic components zinc and iron sulfides was studied under laboratory conditions. The experiments were carried out with the simultaneous thermal analysis tool NETZSCH STA 449 F3; they showed that oxidation reactions of zinc and iron sulfides with oxygen proceed in the intrakinetic region. At the sample weight of 10 mg, the thickness of the reactant layer is less than the penetration depth of oxygen into the layer. Therefore, the expression for the change of a single particle mass can be used. It allowed one to obtain the empirical dependence for determining the reaction velocity constant during zinc concentrate annealing for further calculation of the gas generation in the fluidized bed. The authors also obtained the distribution of the oxygen concentration along the height of the charge layer and calculated the average value of the effective oxygen concentration as a function of the reactant layer thickness. The gas generation analysis in the fluidized bed during zinc concentrate annealing with the use of the obtained constants of chemical reaction velocities allowed one to obtain the formula to determine the specific consumption of the annealed zinc concentrate depending on the oxygen concentration in blowing.

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Изучение кинетики окисления сульфидного цинкового концентрата в печи кипящего слоя»

УДК 66.096.5-932.2 DOI: 10.14529/power170304

ИЗУЧЕНИЕ КИНЕТИКИ ОКИСЛЕНИЯ СУЛЬФИДНОГО ЦИНКОВОГО КОНЦЕНТРАТА В ПЕЧИ КИПЯЩЕГО СЛОЯ

В.А. Мунц, С.А. Ивакина, Д.Б. Чойнзонов

Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, г. Екатеринбург, Россия

С целью оптимизации работы печи кипящего слоя для обжига сульфидных цинковых концентратов, в частности, экономии кислорода на дутье, необходимо моделирование тепловых процессов. Для этого в лабораторных условиях изучена кинетика окисления шихты и основных ее компонентов - сфалерита и пирита. Проведенные на приборе синхронного термического анализа NETZSCH STA 449 F3 эксперименты показали, что реакции окисления сульфидов цинка и железа кислородом протекают во внутрики-нетической области. При массе образца 10 мг толщина слоя реагирующего вещества меньше глубины проникновения кислорода в слой, поэтому можно использовать выражение для изменения массы одиночной частицы. Это позволило получить эмпирическую зависимость для определения константы скорости химического реагирования при обжиге цинкового концентрата для дальнейшего расчета газообразования в кипящем слое.

Также получено распределение концентрации кислорода по высоте слоя шихты и рассчитано среднее значение действующей концентрации кислорода в зависимости от толщины слоя реагирующего вещества.

Анализ газообразования в кипящем слое при обжиге цинкового концентрата с использованием полученных констант скоростей химического реагирования позволил получить выражение для определения удельного расхода обжигаемого цинкового концентрата в зависимости от концентрации кислорода в дутье.

Ключевые слова: цинковый концентрат, шихта, константа скорости химического реагирования, газообразование, кипящий слой, глубина проникновения реакции, удельная поверхность реагирования.

Введение

В связи с увеличением темпа строительства и автомобилестроения использование цинка стабильно растет. Среди цветных промышленных металлов цинк занимает третье место после алюминия и меди по объёму использования в мире.

С переходом обжига цинковых концентратов с многоподовых печей на печи с кипящим слоем производство цинка перешло на новый уровень [1]. Печи кипящего слоя высокотехнологичны и современны. Тем не менее, имеются возможности за счет совершенствования технологий обжига в кипящем слое существенно повысить выход полезного продукта и снизить энергозатраты.

Цель обжига цинковых концентратов - максимальный перевод сульфидов металлов в их окислы для более полного извлечения цинка и других полезных компонентов, а также максимального перевода серы из сульфидов металлов в серный ангидрид для последующего производства серной кислоты [2].

Применение обогащенного кислородом воздушного дутья при обжиге сульфидных цинковых концентратов позволяет поднять производительность печей кипящего слоя, улучшить качество продуктов обжига (снизить содержание сульфидной серы) [2]. При этом повышается концентрация SO2 в газах, что улучшает работу сернокислотного производства. Так, при содержании в дутье кисло-

рода порядка 30 % скорость реакций окисления сульфидов возрастает в 2-3 раза, а производительность печи на 40 %.

Использование кислорода при обжиге должно быть экономически обосновано, так как производство кислорода требует больших финансовых вложений в строительство и последующую эксплуатацию кислородно-компрессорных станций. На ОАО «Челябинский цинковый завод» используется технический кислород, производимый на кислородно-компрессорном производстве ОАО «Ме-чел». Количество потребляемого кислорода обжиговым цехом зависит от количества работающих печей и составляет примерно 6000-8000 нм3/ч. Сокращение потребления кислорода при требуемом качестве продуктов обжига и необходимой производительности печи позволит снизить затраты на производство цинка [2].

Эффективность использования кислорода можно определить по содержанию кислорода в обжиговых газах печи кипящего слоя с помощью газоаналитического комплекса, позволяющего производить измерения концентрации О2 и SO2 в непрерывном режиме. При этом контроль за содержанием состава отходящих газов в сочетании с контролем химического состава продуктов обжига позволит выбрать оптимальное количество подаваемого в воздушное дутье кислорода при требуемом качестве продуктов обжига.

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

1. Постановка задачи

С целью оптимизации работы печи кипящего слоя для обжига сульфидных цинковых концентратов, в частности, экономии кислорода на дутье, необходимо моделирование тепловых процессов. Для этого требуется в лабораторных условиях изучить кинетику окисления шихты и основных ее компонентов - сфалерита (ZnS = 75 %) и пирита (FeS2 = 11 %) - для дальнейшего определения газообразования в кипящем слое. Шихта для исследований предоставлена ОАО «Челябинский цинковый завод», в качестве сфалерита (ZnS) и пирита (FeS2) использовали искусственно полученные порошкообразные вещества с содержанием примесей менее 5 %.

2. Определение константы скорости

химического реагирования шихты

Обжиг шихты и сульфидов цинка и железа выполнялся при различных температурах на приборе синхронного термического анализа NETZSCH STA 449 F3, совмещенного с масс-спектрометрической системой QMS 403C, предназначенной для качественного и количественного анализа компонентов газовой смеси, выделяющейся в процессе термохимической конверсии [3]. В тигель помещали навеску массой m = 10 мг (для шихты дополнительно использовалась навеска массой m = 30 мг). Нагрев навески происходил в среде аргона особой чистоты 5.8 (99,9998 %), при достижении требуемой температуры подавался воздух. Расходы аргона и воздуха соответственно составляли 6 и 8 л/ч (при нормальных условиях). Непрерывно измерялась масса навески и относительная концентрация газовых компонентов. В экспериментах использовали навески узких фракций: 0-200, 200-400, 400-630 мкм, при этом средний размер частиц в навеске составлял: 5 = 100, 300 и 515 мкм [4]. Рассчитанная относительная систематическая погрешность не превышала 2 % [5].

Как показали эксперименты, массовое количество вещества, реагирующего в единицу времени

Шо • <3 (ш/шо ) 3 -V / о;, кг/с,

3 т

не зависит от диаметра частиц в навеске (при массе навески равной 10 мг), а зависит только от температуры обжига [6, 7]. В формуле шо - начальная масса реагирующего вещества, кг;

5 =

ZnS + FeS2 ^ZnS -^ZnO

FeS-

ZnS + FeS2 ^2FeS2 -^Fe2O3

0,75 97,434 ---+

0,86 97,434-81,37

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

0,11

2-119,975

= 5,56

0,86 2 119,975-159,694 - коэффициент, учитывающий исчезновение исходного вещества.

Это свидетельствует о протекании реакции во всем объеме частицы. Микрорентгеновский анализ частиц шихты, сфалерита и пирита доказывает, что частицы имеют развитую пористую поверхность как до, так и после обжига [8]. На рис. 1 представлена фотография частицы шихты после обжига.

Таким образом, можно считать, что при малой массе навески, когда толщина слоя в тигле меньше глубины проникновения кислорода в слой, поверхность всех частиц в навеске равнодоступна и равна концентрации кислорода в дутье [9, 10]. В этом случае можно записать поток реагирующего вещества как для одиночной частицы [11-13].

Выражение для изменения массы одиночной частицы реагирующего сфалерита, пирита или шихты в кг/с формально может быть записано как

800 нм

Рис. 1. Частица шихты после обжига

+

+

J _ dm _ р т0 ■ d (т/т0) _

d т d т

_-у k^52^(1 + ^0 ■ S¡)■ Со2, кг/с. (1)

Здесь: V - стехиометрический коэффициент реакции окисления вещества; & - константа скорости химического реагирования, отнесенная к внешней поверхности частицы, м/с; 5 - диаметр частиц, м;

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

- глубина проникновения реакции, м; S¡ - удельная внутренняя поверхность реагирования, м-1; Со - концентрация кислорода в дутье, кг/м3.

Выражая площадь поверхности частицы через начальную массу частицы как

и 5 2 mo 6

и • о =---

Р 5

(2)

и подставляя ее в (1), получим:

-5

mo (ттт U Si к„

d т

Р 5

где р - плотность вещества с учетом внутренней порозности частицы, кг/м3.

Считая, что в случае реагирования частиц малых размеров активная глубина реакции равна £0 _5/6 [14] и, пренебрегая реагированием на поверхности частицы по сравнению с внутренним реагированием [15, 16], получим выражение для

расчета произведения скорости химического реагирования на удельную внутреннюю поверхность:

& 6 5

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

—р--_ V-------S¡ • Со

d т р 5 6 2

или в окончательном виде:

К = k-St d(т<Щ], с-'.

v Cq, d т

(3)

Обработка экспериментальных данных (см. таблицу) позволила получить следующие значения из экспериментов по обжигу шихты.

Из расчетов видно, что произведение k■S¡ практически не зависит от начального диаметра частиц и является функцией температуры.

Обработка экспериментальных данных в координатах 1п()_ f (1/Т) (рис. 2) позволила получить эмпирическую зависимость в виде

к-8, _433■ ехрГ—-И56°. ¡ ^ 8,314 Т,

Для расчета полного времени выгорания тг навески шихты проинтегрируем выражение (3) от начальной массы до конечной: Р тк т Со

—^ [ й(т/щ)_[— ■(k■S¡)■ йт .

V п Р

т0 0 г

Обработка экспериментальных данных

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Диаметр 100 мкм

Температура T К 973 1073 1173

Произведение k-Si с-1 34 88 110

Диаметр 300 мкм

Температура T К 973 1073 1173 1223

Произведение kSi с-1 28 83 94 107

Диаметр 515 мкм

Температура T К 973 1073 1173

Произведение kSi с-1 50 84 96

Рис. 2. Зависимость натурального логарифма комплекса kSi от обратной температуры для частиц различного диаметра

При этом получим:

V Сп • k • 5",

Р

1 - Шк

Шг

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

с.

Учтем, что максимально возможная убыль массы при обжиге шихты составляет:

шк = 1 -1 = 1 -

Шп

1

5,56

= 0,82.

Так, полное время выгорания составило около 1 мин: от 48 до 53 с при температурах 900 и 800 °С соответственно.

При известном комплексе k • и рассчитанном коэффициенте молекулярной диффузии кислорода в азоте [17, 18] по выражению

D = 0,16-10-

273

1,9

, м2/с,

можно определить глубину проникновения кислорода в слой:

С0 =

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

D

= 0,001 м (1 мм).

Таким образом, для всех частиц шихты, пода-

ваемой в топку, глубина проникновения реакции в объем частицы превышает ее диаметр.

На рис. 3 приведены экспериментальные данные по сравнению изменений масс навесок при обжиге шихты при 900 и 800 °С в навесках с начальными массами 10 и 30 мг.

Из экспериментальных данных следует, что скорость убыли массы при увеличении массы исходной навески с 10 до 30 мг падает в 2-2,5 раза. Этот факт обусловлен снижением действующей концентрации кислорода в слое большей высоты [19, 20].

Изменение концентрации кислорода в слое высотой h определяется по выражению [14]

?0

е ?0

2„ , (4)

_1 + е 1 + е В данном выражении скорость химического реагирования и удельная внутренняя поверхность неявно входят в параметр (глубину проникновения реакции).

На рис. 4а представлены результаты расчетов распределения концентрации кислорода по тол-

Рис. 3. Изменение масс навесок с течением времени при обжиге с температурой 900 и 800 °С

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

X

X

4

Рис. 4: а - изменение относительной концентрации кислорода по глубине слоя шихты толщиной 3 мм; б - значение средней относительной концентрации кислорода в зависимости от толщины слоя шихты

щине слоя шихты h = 3 мм при глубине проникновения кислорода в слой = 1 мм.

Интегрирование (4) по высоте слоя в пределах от 0 до h позволяет определить среднюю концентрацию кислорода:

с = ^

со -Со

Со

3 С о

2 h

2h

h

1 + 3 Со 1 + 3Со

1 - 3 Со 3Со - 1 + •

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

dx =

1 + 3

2h "Со

1 + 3

2h С о

По данному выражению рассчитано среднее значение действующей концентрации кислорода в зависимости от толщины слоя шихты (рис. 4б).

3. Газообразование в кипящем слое при обжиге сульфидного цинкового концентрата

Уравнение изменения концентрации кислорода по высоте кипящего слоя можно представить в традиционном виде [21-24]:

dCO

V - w= -( к - S -С о )• F - Со

, кг/с.

Здесь V - объём слоя, м ; ^ - скорость газов в топке, м/с; (к • 0) - константа скорости химического реагирования, отнесенная к внешней поверхности частиц, м/с; Г - внешняя поверхность частиц в объёме слоя.

Разделив правую и левую часть на объём слоя, получим:

dCO

w -

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

dx

= -( к - S, -С о)- S - Со2, кг/(м3с). (5)

Здесь 5 - внешняя удельная поверхность частиц шихты в слое огарка, составляющего основную

массу кипящего слоя. Внешняя удельная поверхность связана с удельной массовой концентрацией 2 частиц шихты в объёме кипящего слоя следующим соотношением [22]:

е 6 Рсл •(!-£сл)

5 =----2 .

5 Р

Учитывая, что глубина проникновения реакции в объем частицы составляет £0 =5/6, преобразуем правую часть уравнения (5) к виду:

dCo

w -

dx

= -( к - S-С о)-s - Со2 =

= -(к - S, )А 6 -Рсл-(1 -£ел ) - z - Со = V 1) 6 5 р 02

= -(к - S )-

Рсл-(1 -8ол )

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

- z - С0 =

= -( к - S )-а-z - С02,

(5')

где

а:

Рсл-(1 -8сл )

р

Здесь рсл - истинная плотность огарка, кг/м ; р - истинная плотность шихты, кг/м3.

Начальная концентрация кислорода на входе в слой равна концентрации кислорода в дутье С0. В общем случае она больше 21 %. Интегрируя от х = 0 до текущего значения, получим распределение концентрации кислорода по высоте слоя в зависимости от массовой концентрации шихты в объёме кипящего слоя огарка:

f (к• 5)-ст-2• х^ 3

Со2 = С0 • ехрI -У--I, кг/м3.

При конечной высоте слоя Н концентрация кислорода на выходе из слоя будет равна:

, (к - S )-а - z - Н , 3

Ск = Со - exp| -^-|, кг/м3

w

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

(6)

x

x

e

x

x

2

p

2

2

Рис. 5. Зависимость расхода шихты от удельной массовой концентрации горючих веществ в слое

Коэффициент избытка воздуха связан с начальной и конечной концентрацией кислорода следующим соотношением

^ _Г1—-11.

С,

Подставляя данное соотношение в (6), получим выражение для определения коэффициента избытка воздуха на выходе из слоя в зависимости от режимных параметров и высоты слоя Н:

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

1

а

1 - exp I -

( k-S )-ст-z-H

Расход воздуха G, подаваемого на горение, может быть записан либо через скорость воздуха и, приведенную к нормальным условиям, и площадь сечения печи кипящего слоя F, либо через величину теоретически необходимого количества V0 воздуха и его избыток [22]: G _ и^ _ В ■а V0.

Из данного равенства можно выразить расход шихты, выгорающей на 1 м2 сечения печи, в зависимости от концентрации горючих веществ в слое:

В _ и _ Т "а V0 ~

V 0

1 - expI -

( k-Si )-ст-z-H

w

, кг/(м •с).

На рис. 5 представлена расчетная зависимость расхода окисленной в обжиговой печи шихты от средней концентрации горючих веществ в кипящем слое.

Заключение

Экспериментально показано, что реакция окисления шихты кислородом идет во внутрики-нетической области, когда реагирует весь объём частицы.

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Впервые получены кинетические характеристики шихты с учетом внутрипористого реагирования.

На основе констант скорости химического реагирования разработана модель газообразования при обжиге цинкового концентрата в печи кипящего слоя. Расчет газообразования в кипящем слое при полученных значениях константы скорости окисления показал, что при окислении шихты с расходом около 20 т/ч концентрация горючих веществ в слое должна составлять около 3 %, а концентрация кислорода в дутье порядка 33 %.

Проведенные исследования, позволяющие рассматривать обжиговую печь с точки зрения тепловой эффективности, дают возможность разработать алгоритм управления энергетическими потоками обжиговой печи.

Литература

1. Процессы и аппараты цветной металлургии: учеб. / С.С. Набойченко, Н.Г. Агеев, С.В. Карелов и др.; под общ. ред. С.С. Набойченко. - Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2013. - 564 с.

2. Марченко, Н.В. Металлургия тяжелых цветных металлов / Н.В. Марченко, Е.П. Вершинина, Э.М. Гильденбрандт. - Красноярск: ИПК СФУ, 2009. - 394 с.

3. Синхронный термический анализ (Термогравиметрия и ДСК) // NETZSCH- Gerätebau GmbH. - https://www.netzsch-thermal-analysis.com/ ru/produkty-reshenija/sinkhronnyi-termicheskii-analiz/ (дата обращения: 01.06.2017).

4. Мунц, В.А. Использование закономерностей выгорания углей для описания обжига цинковых концентратов в кипящем слое / В.А. Мунц, С.А. Ивакина // IX Всероссийская конференция с международным участием «Горение топлива: теория, эксперимент, приложения». Новосибирск, 16-18 ноября 2015. - Новосибирск, 2015.

5. Новицкий, П.В. Оценка погрешностей результатов измерений / П.В. Новицкий, И.А. Зо-граф. - Л.: Энергоатомиздат, 1991. - 304 с.

w

u

6. Мунц, В.А. Газообразование при обжиге цинкового концентрата в кипящем слое /

B.А. Мунц, С.А. Ивакина, В.М. Терентьев // Цветные металлы. - 2017. - № 2. - С. 40-45. DOI: 10.17580/tsm.2017.02.06

7. Мунц, ВА. Определение кинетических характеристик окисления сульфида цинка / В.А. Мунц,

C.А. Ивакина // Международный союз ученых «Наука. Технологии. Производство». - 2015. -№ 3 (7), ч. 2. - С. 34-37.

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

8. Паньшин, А.М. Кинетика окисления сульфидных цинковых концентратов / А.М. Паньшин, П.А. Козлов, В.М. Терентьев // Цветные металлы. -2014. - № 2. - С. 34-37.

9. Н3ик31тап, S. Fluidized b3d roasting of mi-cro-pelletized zinc conc3ntrat3: Part II - Particte 3ntrainm3nt and r3sid3nc3 tim3 / S. Н3ик31тап,

D. Groot // Journal of h South3rn African Insti-tut3 of Mining and M3tallurgy. - 2011. - Vol. 111. -P. 767-772.

10. Roasting of a sulfd polym3tallic conc3ntrat3 in a fluidiz3d b3dfurnace / Y.A. Savinova, V.A. Popov, A.B. Portov, L.S. Ts3m3^man // Russian M3tallurgy ^tally). - 2014. - Vol. 2014. - P. 351-357. DOI: 10.1134/S0036029514050115

11. Exp3rim3ntal and mod3ling study of singk coal partick combustion in O/N2 and Oxy-f^l (O2/CO2) atmosph3r3s / T. Maff3i, R. Khatami, S. Pi3rucci 3t al. // Combustion and Flam3. - 2013. - Vol. 160. - P. 25592572. DOI: 10.1016/j.combustflam3.2013.06.002

12. Prins, W. Fluidis3d b3d combustion of a sin-gte carbon particte / W. Prins. - Th3 N3th3rlands, QuwM Service Drukkerij Enschede, 1987. - 258 p.

13. Eff3ct of particte siz3, liquid cont3nt and location on h stability of agglom3rat3s in a fluidiz3d b3d / F. Parv33n, C. Bri3ns, F. B3rruti, J. McMillan // Powd3r T3chnology. - 2013. - Vol. 237. - P. 376-385. DOI: 10.1016/j.powt3c.2012.12.021

14. Канторович, Б.В. Основы теории горения и газификации твердого топлива / Б.В. Канторович. - М.: Издательство АН СССР, 1958. - 598 с.

15. F3ng, B. Activation 3№rgy distribution of

^rmal an^aling of a bituminous coal / B. F3ng,

A. J3ns3n, S.K. Bhatia, K. Dam-Johans3n // Ernrgy and Frnls. - 2003. - Vol. 17(2). - P. 399-404. DOI: 10.1021/3f020108v

16. Miura, K. A simpte m3thod for 3stimating f(E) and M0(E) in h distribut3d activation 3n3rgy mod3l / K. Miura, T. MaM // Ernrgy and Frnls. - 1998. -Vol. 12. - P. 864-869. DOI: 10.1021/3f970212q

17. Бабий, В.И. Горение угольной пыли и расчет пылеугольного факела / В.И. Бабий, Ю. Ф. Ку-ваев. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 208 с.

18. Хитрин, Л.Н. Физика горения и взрыва / Л.Н. Хитрин. - М.: Изд-во Московского ун-та, 1957. - 452 с.

19. Exp3rim3ntal study on combustion cham^r-istics of coals und3r 3nrich3d-oxyg3n condition by th3rmo-gravim3tric analysis / G.-W. Liu, P. Dong, Y.-F. Han, R.-S. Bi3 // Harbin Gongy3 Daxu3 Xrnbao/Journal of Harbin Institut3 of T3chnology. -2011. - Vol. 43. - P. 104-108.

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

20. Fan, S. Y. Exp3rim3ntal r3s3arch of rich oxy-g3n cont3nt on improving combustion charact3ristics ofpulv3riz3d coal /S.Y. Fan, Z. Qiu, J.B. Gao // Journal of Xi 'an Jiaotong Univ3rsity. - 2006. - Vol. 40, no. 1. - P. 18-21.

21. D3monstration of h conditions conducv to agglom3ration of zinc calcirn in fluidiz3d b3d roast3rs / J.P. Constantin3au, S.C. Bouffard, J.R. Grac3 3t al. // Mimrals Engin33ring. - 2011. - Vol. 24. - P. 14091420. DOI: 10.1016/j.min3ng.2011.06.002

22. Мунц, В.А. Расчет газообразования при горении твердого топлива в кипящем слое /

B.А. Мунц, А.П. Баскаков, А.А. Ашихмин //Инженерно-физический журнал. - 1988. - Т. 54, № 3. -

C. 432-438.

23. Хзмалян, Д.М. Теория топочных процессов / Д.М. Хзмалян. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 352 с.

24. Zhang, L. Control of m3an r3sid3nc3 tim3 dif-f3r3nc3 for particks with wid3 siz3 distribution in flui-diz3d b3ds / L. Zhang, J. Li, Q. Hu 3t al. // Powd3r T3chnology. - 2017. - Vol. 312. - P. 270-276. DOI: 10.1016/j.powt3c. 2017.02.052

Мунц Владимир Александрович, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Теплоэнергетика и теплотехника», Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, г. Екатеринбург; v.a.munts@urfu.ru.

Ивакина Светлана Анатольевна, аспирант, кафедра «Теплоэнергетика и теплотехника», Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, г. Екатеринбург; svetlana-ivakina@ mail.ru.

Чойнзонов Дмитрий Банзарагцаевич, студент, кафедра «Теплоэнергетика и теплотехника», Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, г. Екатеринбург; dmi6378@ yandex.ru.

Поступила в редакцию 8 июня 2017 г.

DOI: 10.14529/power170304

STUDY OF SULPHIDE ZINC CONCENTRATES OXIDATION KINETICS IN THE FLUIDIZED BED FURNACE

V.A. Munts, v.a.munts@urfu.ru, S.A. Ivakina, svetlana-ivakina@mail.ru, D.B. Choynzonov, dmi6378@yandex.ru

Ural Federal University named after the first President of Russia B. N. Yeltsin, Ekaterinburg, Russian Federation

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

In order to optimize the operation of the fluidized bed furnace for annealing sulphide zinc concentrates, in particular, to save oxygen for blowing, it is necessary to model thermal processes. For this purpose, the oxidation kinetics of the charge and its basic components - zinc and iron sulfides - was studied under laboratory conditions. The experiments were carried out with the simultaneous thermal analysis tool NETZSCH STA 449 F3; they showed that oxidation reactions of zinc and iron sulfides with oxygen proceed in the intrakinetic region. At the sample weight of 10 mg, the thickness of the reactant layer is less than the penetration depth of oxygen into the layer. Therefore, the expression for the change of a single particle mass can be used. It allowed one to obtain the empirical dependence for determining the reaction velocity constant during zinc concentrate annealing for further calculation of the gas generation in the fluidized bed.

The authors also obtained the distribution of the oxygen concentration along the height of the charge layer and calculated the average value of the effective oxygen concentration as a function of the reactant layer thickness.

The gas generation analysis in the fluidized bed during zinc concentrate annealing with the use of the obtained constants of chemical reaction velocities allowed one to obtain the formula to determine the specific consumption of the annealed zinc concentrate depending on the oxygen concentration in blowing.

Keywords: zinc concentrate, charge, reaction velocity constant, gas generation, fluidized bed, reaction penetration depth, specific reaction surface.

References

1. Naboychenko S.S. (Ed.), Ageev N.G., Karelov S.V., Mamyachenkov C.V., Sergeev V.A. Protsessy i apparaty tsvetnoy metallurgii: uchebnik [Processes and Apparatuses of Non-Ferrous Metallurgy: Tutorial]. Ekaterinburg, Izdatelstvo Uralskogo universiteta Publ., 2013. 564 p.

2. Marchenko N.V., Vershinina E.P., Gildenbrandt E.M. Metallurgiya tyazhelykh tsvetnykh metallov [Metallurgy of Heavy Non-Ferrous Metals]. Krasnoyarsk, IPK SFU Publ., 2009. 394 p.

3. Simultaneous Thermal Analysis (Thermogravimetry and DSC). NETZSCH-Geratebau GmbH. Available at: https://www.netzsch-thermal-analysis.com/ru/produkty-reshenija/sinkhronnyi-termicheskii-analiz/ (accessed 01.06.2017).

4. Munts V.A., Ivakina S.A. [Using Coal Burning Regularities for Description of Zinc Concentrates Annealing in Fluidized Bed]. IX Vserossiyskaya konferentsiya s mezhdunarodnym uchastiem "Gorenie topliva: teoriya, eksperiment, prilozheniya" [IX All-Russian Conference with International Participation "Fuel Burning: Theory, Experiment, Applications"]. Novosibirsk, 16-18 November 2015. (in Russ.)

5. Novitskiy P.V., Zograf I.A. Otsenka pogreshnostey rezul'tatov izmereniy [Assessment of Uncertainites of Measuring Results]. Leningrad, Energoatomizdat Publ., 1991. 304 p.

6. Munts V.A., Ivakina S.A., Terentev V.M. [Gas Generation During Zinc Concentrate Annealing]. Tsvetnye Metally [Non-Ferrous Metals]. 2017, no. 2, pp. 40-45 (in Russ.) DOI: 10.17580/tsm.2017.02.06

7. Munts V.A., Ivakina S.A. [Determination of Kinetic Characteristics of Zinc Sulfide Oxidation]. Mezhdunarodnyy soyuz uchenykh "Nauka. Tekhnologii. Proizvodstvo" [International Union of Scientists "Science. Technologies. Production"]. 2015, no. 3 (7), part 2, pp. 34-37. (in Russ.)

8. Panshin A.M., Kozlov P.A., Terentev V.M. [Kinetics of Oxidation of Sulfide Zinc Concentrates]. Tsvetnye Metally [Non-Ferrous Metals]. 2014, no. 2, pp. 34-37. (in Russ.)

9. Heukelman, S, Groot D. Fluidized Bed Roasting of Micro-pelletized Zinc Concentrate: Part II - Particle Entrainment and Residence Time. Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy, 2011, vol. 111, pp. 767-772.

10. Savinova, Y.A., Popov V.A., Portov A.B., Tsemekhman L.S. Roasting of a Sulfide Polymetallic Concentrate in a Fluidized Bed Furnace. Russian Metallurgy (Metally), 2014, vol. 2014, pp. 351-357. DOI: 10.1134/S0036029514050115

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

11. Maffei, T., Khatami R., Pierucci S., Faravelli T., Ranzi E., Levendis Y.A. Experimental and Modeling Study of Single Coal Particle Combustion in O2/N2 and Oxy-fuel (O2/CO2) Atmospheres. Combustion and Flame, 2013, vol. 160, pp. 2559-2572. DOI: 10.1016/j.combustflame.2013.06.002

12. Prins, W. Fluidised Bed Combustion of a Single Carbon Particle. The Netherlands, Quick Service Drukkerij Enschede, 1987. 258 p.

13. Parveen, F., Briens C., Berruti F., McMillan J. Effect of Particle Size, Liquid Content and Location on the Stability of Agglomerates in a Fluidized Bed. Powder Technology, 2013, vol. 237, pp. 376-385. DOI: 10.1016/j.powtec.2012.12.021

14. Kantorovich B.V. Osnovy teorii goreniya i gazifikatsii tverdogo topliva [Basis of Theory of Burning and Gasification of Solid Fuel]. Moscow, Izdatelstvo AN SSSR Publ., 1958. 598 p.

15. Feng, B., Jensen A., Bhatia S.K., Dam-Johansen K. Activation Energy Distribution of Thermal Annealing of a Bituminous Coal. Energy and Fuels, 2003, vol. 17(2), pp. 399-404. DOI: 10.1021/ef020108v

16. Miura, K., Maki T. A Simple Method for Estimating f(E) and k0(E) in the Distributed Activation Energy Model. Energy and Fuels, 1998, vol. 12, pp. 864-869. DOI: 10.1021/ef970212q

17. Babiy V.I., Kuvaev Yu.F. Gorenie ugol'noy pyli i raschetpyleugol'nogo fakela [Combustion of Coal Dust and Calculation of Pulverized Coal Flare]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1986. 208 p.

18. Khitrin, L.N. Fizika goreniya i vzryva [Physics of Combustion and Explosion]. Moscow, Izdatel'stvo Moskovskogo universiteta Publ., 1957. 452 p.

19. Liu, G.-W., Dong P., Han Y.-F., Bie R.-S. Experimental Study on Combustion Characteristics of Coals under Enriched-Oxygen Condition by Thermo-Gravimetric Analysis. Harbin Gongye Daxue Xuebao/Journal of Harbin Institute of Technology, 2011, vol. 43, pp. 104-108.

20. Fan, S.Y., Qiu Z., Gao J.B. Experimental Research of Rich Oxygen Content on Improving Combustion Characteristics of Pulverized Coal. Journal ofXi'an Jiaotong University, 2006, vol. 40, no.1, pp. 18-21.

21. Constantineau, J.P., Bouffard S.C., Grace J.R., Richards G.G., Lim C.J. Demonstration of the Conditions Conducive to Agglomeration of Zinc Calcine in Fluidized Bed Roasters. Minerals Engineering, 2011, vol. 24, pp. 1409-1420. DOI: 10.1016/j.mineng.2011.06.002

22. Munts V.A., Baskakov A.P., Ashikhmin A.A. [Gas Generation Calculations During Solid Fuel Burning in Fluidized Bed]. Inzhenerno-fizicheskiy zhurnal [Engineering and Physical Journal]. 1988, vol. 54, no. 3, pp. 432-438. (in Russ.)

23. Khzmalyan, D.M. Teoriya topochnykh protsessov [Theory of Furnace Processes]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1990. 352 p.

24. Zhang, L., Li J., Hu Q., Hu C., Li H. Control of Mean Residence Time Difference for Particles with Wide Size Distribution in Fluidized Beds. Powder Technology, 2017, vol. 312, pp. 270-276. DOI: 10.1016/j.powtec.2017.02.052

Received 8 June 2017

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

ОБРАЗЕЦ ЦИТИРОВАНИЯ

FOR CITATION

Мунц, В.А. Изучение кинетики окисления сульфидного цинкового концентрата в печи кипящего слоя / В.А. Мунц, С.А. Ивакина, Д.Б. Чойнзонов // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». - 2017. - Т. 17, № 3. - С. 34-42. DOI: 10.14529/power170304

Munts V.A., Ivakina S.A., Choynzonov D.B. Study of Sulphide Zinc Concentrates Oxidation Kinetics in the Fluidized Bed Furnace. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Power Engineering, 2017, vol. 17, no. 3, pp. 34-42. (in Russ.) DOI: 10.14529/power170304