Результат интеллектуальной деятельности: Способ переработки мелкодисперсного сырья в печи взвешенной плавки

Изобретение относится к области металлургии цветных металлов, в частности к плавке сырья, содержащего цветные металлы, в печи взвешенной плавки и может быть использовано для плавки мелкодисперсного сырья, снижения потерь цветных металлов со шлаками и снижения вероятности настылеобразования в отстойнике, аптейке и котле-утилизаторе тепла (КУ) печей взвешенной плавки (ПВП).

Изобретение направлено на вовлечение в переработку в ПВП сырья цветных металлов (сульфидных рудных концентратов, концентратов техногенных месторождений), характеризующегося пониженной крупностью частиц (размером частиц), то есть сырья, при окислительной плавке которого во взвешенном состоянии процессы укрупнения и взаимодействия частиц ограничены их размером, вследствие чего показатели пылевыноса и, соответственно, вероятность настылеобразования в отстойнике, аптейке и котле-утилизаторе тепла печей взвешенной плавки возрастают.

Известен способ взвешенной плавки сульфидного тонкоизмельченного сырья, содержащего металлы, например, медь, никель и свинец, включающий подачу в печь взвешенной плавки сырья вместе с флюсом и окисляющим газом с образованием суспензии частиц в реакционной шахте печи и, по меньшей мере, двух расплавленных фаз (патент США 4139371).

При традиционной взвешенной плавке тонко измельченное сульфидное сырье, содержащее металлы, такие как медь, никель и свинец, рециркулированную с газами пыль и флюсы, а также воздух и/или кислородную смесь, используемые в качестве окисляющего газа, предварительно нагретые или охлажденные, подаются в вертикальную реакционную шахту печи взвешенной плавки сверху вниз таким образом, что окислительные реакции протекают при высокой температуре. Вследствие влияния теплоты реакций и возможного дополнительного горючего большая часть продуктов реакций будет плавиться. Из реакционной шахты суспензия попадает в горизонтальную часть печи, то есть в отстойник, который содержит, по меньшей мере, два, но иногда три слоя расплава. В том случае, когда в отстойнике содержится три слоя расплава, самый нижний слой представляет собой слой металла, содержащегося в сырье. Чаще в печи находятся только два слоя расплава: внизу штейн или слой металла и над ним слой шлака. Большая часть расплавленных или твердых частиц суспензии попадает непосредственно в расплав, который находится в нижней части реакционной шахты при температуре, равной приблизительно температуре шлака, а более тонко измельченные ингредиенты продолжают двигаться к другому концу печи. На протяжении всего пути частицы суспензии осаждаются в расплав отстойника. Из другого конца отстойника отходящие газы поступают в вертикальную шахту печи взвешенной плавки, откуда попадают в установку для переработки газа, состоящую из котла-утилизатора тепла и электрофильтра. Плавление шихты в печи взвешенной плавки стараются осуществлять по возможности автогенно, без внешнего горючего, при помощи предварительного нагревания и/или посредством кислородного обогащения окисляющего газа, подаваемого в реакционную область.

Наиболее тонко измельченные частицы шихты, а также частицы, которые не прореагировали и не расплавились, стремятся вместе с газовым потоком выйти из печи взвешенной плавки вследствие того, что соотношение площадь поверхности/вес у них выше, чем у расплавленных частиц. Эти частицы выделяются из газовой фазы в КУ, а наиболее тонкие частицы улавливаются в электрофильтре. Выделенные в установке переработки газа твердые частицы, т.е. пыль, уносимая газами, возвращаются в печь взвешенной плавки. Рециркулирование пыли, уносимой газами, повышает расход энергии, что компенсируется подачей дополнительного количества горючего. Увеличение использования дополнительного горючего повышает общее количество газа в печи взвешенной плавки.

Способ имеет следующие недостатки:

- рост содержания мелкодисперсных частиц в перерабатываемой шихте, преимущественно состоящей из рудного сырья, техногенного сырья, оборотных материалов (пылей) и флюса, приводит к увеличению пылевыноса;

- рост пылевыноса и снижение крупности - размера частиц пыли ПВП приводит, в свою очередь, к увеличению вероятности настылеобразования в газовом тракте печи, аптейка и КУ, что ограничивает возможность безаварийной эксплуатации печи взвешенной плавки.

Также известен усовершенствованный способ плавки во взвешенном состоянии мелкодисперсного сульфидного сырья, включающий подачу воздуха и/или кислородной смеси, используемых в качестве окисляющего газа, в вертикальную реакционную шахту печи взвешенной плавки сверху вниз таким образом, что окислительные реакции протекают при высокой температуре; усовершенствование способа заключается в отклонении газового потока и его прижатии к поверхности расплава в печи, за счет чего снижается вероятность настылеобразования в газовом тракте печи, аптейка и КУ. Отклонение газового потока к поверхности шлака реализуется за счет установки козырька на своде отстойника ПВП. Козырек, высотой до 300 мм устанавливается по всей ширине печи перпендикулярно газовому потоку отстойника ПВП. Оптимальным является установка козырька в 2-х метрах от аптейка. Скорость потока в месте установки балки возрастает с 18 до 25 м/с. (Механизм образования тугоплавкой настыли в печах взвешенной плавки и способы ее устранения. Автореферат диссертации кандидата технических наук: 05.16.02 / Крупнов Леонид Владимирович; [Место защиты: Национальный минерально-сырьевой ун-т "Горный"] - Санкт-Петербург, 2015. - 19 с. URL: https://search.rsl.ru/ru/record/01005562882).

Способ принят за ближайший аналог, однако он имеет следующие недостатки:

1. Обозначенная высота козырька (300 мм) при условии низких уровней расплава и высоты подсводового пространства, превышающего 1000 мм, не приведет к эффективному отклонению газового потока и, соответственно, не обеспечит достижения ожидаемого результата.

2. Установка козырька в 2000 мм от аптейка при высоких производительностях ПВП и высоких скоростях газового потока, превышающего 30-35 м/с приведет к достижению горизонтальным газовым потоком торцевой стены ПВП, что может способствовать образованию нежелательных вихрей и выпадению пылевых частиц в холодной зоне печи.

Задачей заявляемого изобретения является обеспечение устойчивой, безаварийной эксплуатации ПВП при переработке мелкодисперсного сырья с повышенным содержанием частиц шламового класса (-10 мкм).

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение производительности процесса взвешенной плавки, снижение вероятности настылеобразования в газовом тракте печи, аптейка и КУ.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе переработки мелкодисперсного сырья в печи взвешенной плавки, включающем подачу металлсодержащей шихты и флюса в виде шихтогазового факела в реакционную зону упомянутой печи струей кислорода или воздуха, обогащенного кислородом, прохождение газового потока через зону установленного на поверхности свода отстойника печи козырька на своде отстойника, плавление шихты с образованием расплавов штейна и шлака, разделение последних отстаиванием, раздельный вывод жидких продуктов плавки и газов, в отличие от ближайшего аналога козырек (спойлер), высотой до 1/2 средней высоты газового подсводового пространства печи устанавливают поперек газового потока по всей ширине отстойника, в последней трети длины свода отстойника между реакционной шахтой и аптейком печи.

Козырек может быть выполнен из огнеупорных блоков (кирпичей) или из водоохлаждаемых элементов (кессонов).

Способ может быть осуществлен в печи взвешенной плавки горизонтального типа.

Предлагаемое техническое решение поясняется графическими материалами.

На фиг. 1 представлена схема установки козырька в ПВП вертикального типа.

На фиг. 2 представлены геометрические размеры и схема области газового пространства отстойника и аптейка ПВП.

На фиг. 3, таблица 1 представлен расчет области газового пространства отстойника и аптейка ПВП.

На фиг. 4 представлены оценки полей скоростей газового потока в расчетной области печи:

- без козырька (а);

- при установке козырька размером 200 мм на 200 мм (б).

На фиг. 5, таблица 2 представлено влияние размеров козырька на долю частиц (% отн.) изменяемых размера и плотности, выпавших из газопылевого потока отстойника ПВП.

На фиг. 6 представлены графики влияния козырька на статическое давление в печи.

На фиг. 7, таблица 3 представлены условия эксплуатации ПВП НМЗ.

Сущность заявляемого способа заключается в следующем

Плавку сульфидного концентрата, содержащего цветные металлы, проводят в печи взвешенной плавки (ПВП). Способ включает подачу в печь измельченных сульфидных концентратов, флюсов, кислородсодержащего газа и других компонентов шихты, плавку, разделение продуктов плавки на штейн и шлак, периодическую выдачу продуктов плавки. Согласно изобретению, реализация способа осуществляется в ПВП с вертикальной или горизонтальной схемой подачи шихты.

Горизонтальный газопылевой поток отстойника ПВП при прохождении зоны установленного козырька отклоняется, прижимаясь к поверхности расплава. При этом инициируется процесс дополнительного усвоения частиц пыли, перемещаемых газовым потоком, шлаковым расплавом. За зоной установки козырька, вследствие турбулизации и расширения газового потока, возникает зона пониженных скоростей, что благоприятствует дополнительному выпадению пыли из потока. Кроме того, дополнительное снижение скорости потока возникает вследствие перехода потока в зону аптейка.

Козырек должен быть установлен по всей ширине газового пространства печи для прижатия к поверхности расплава всего потока.

Установленный козырек характеризуется относительно малой длиной (менее 1000 мм), что ограничивает вероятность «запирания» газового потока в зоне установки козырька и возникновения проблем эвакуации отходящих газов печи - фиг. 1. В случае перекрытия козырьком более 50% подсводового пространства печи, возможно значительное снижение эффективности эвакуации печных газов. В случае перекрытия козырьком менее 20% подсводового пространства печи, отклонение потока отходящего газа будет малозначимым, установка козырька не приведет к желаемому результату.

Место установки козырька - последняя треть длины свода отстойника между реакционной шахтой и аптейком ПВП определяется протяженностью зоны «нормализации» отклоненного козырьком газового потока. Если козырек приблизить к аптейку, отклонение потока будет искажаться и нивелироваться влиянием аптейка. В том случае, если козырек приблизить к реакционной шахте, эффективность его работы будет понижена по причине полной нормализации потока при его движении от козырька до аптейка. Рекомендованное положение козырька приводит к синергии двух факторов, способствующих выпадению пыли из газового потока - прижатию потока к поверхности расплава (результат установки козырька) и снижение скорости газового потока при входе потока в аптейк.

При реализации способа в ПВП с горизонтальной схемой подачи шихты механизм действия козырька аналогичен, но в условиях двухсторонней (с двух торцов печи) установки распылителей шихты, газоотражающие козырьки (спойлеры) устанавливаются также с двух сторон аптейка, расположенного по центру отстойника ПВП.

Материал козырька должен быть инертен к высокоокислительному газовому потоку. Соответственно, козырек изготавливается из огнеупорного материала, не содержащего графит, или из кессонированных элементов, так как температура наиболее теплонагруженных границ козырька может достигать 1400-1450С.

Обоснование параметров

Принятые исходные данные для последующего расчета

Используемые параметры газа-пылевого потока

- средний состав газов (% объемн.):

33 SO₂; 0,5 SO₃; 14,2 H₂O; 12 CO₂; 2,8 O₂; 37 N₂; 0,5 Ar

- расход газа: Q=61000 нм³/ч;

- средняя температура газа: t_г=1250°С

- свойства газа соответствуют идеальному газу.

Расчеты проводились для частиц размером 10 мкм, 50 мкм, 100 мкм, характеризующихся плотностью соответственно 2300 кг/м³, 3800 кг/м³, 5500 кг/м³.

Габариты отстойника

Геометрические размеры и схема области газового пространства отстойника и аптейка ПВП представлены на фиг. 2.

Расчет области газового пространства отстойника и аптейка ПВП представлены в таблице 1, на фиг. 3.

Выполнение расчета

Проводилось численное моделирование турбулентного течения газа (использовалась стандартная k-ε модель) с использованием пакета ANSYS Fluent. Течение газа вблизи твердых поверхностей моделировалось с использованием метода пристеночных функций. Данный подход позволяет с достаточной в инженерной практике точностью рассчитывать пристеночные турбулентные течения без детального расчета многослойной структуры пограничного слоя. В силу технологических особенностей печи взвешенной плавки, в зонах отстойника и аптейка объемное содержание твердых частиц мало, и они не оказывают заметного влияния на движение газовой фазы. Это позволяет значительно упростить математическую модель и рассматривать движение газовой фазы и твердых частиц раздельно.

Движение частиц моделировалось с использованием полученных осредненных полей скоростей. Для этих целей была создана специальная авторская программа. Оценки показывают, что основными силами, действующими на частицу, являются сила гидродинамического сопротивления и сила тяжести.

В начальный момент времени некоторое количество частиц помещалось в начале нижнего тоннеля шахты, равномерно распределяясь внутри заданного начального объема. Скорость частиц в начальный момент устанавливалась равной скорости потока газа в этой точке. После этого проводилось численное интегрирование уравнений движения каждой частицы до тех пор, пока частица не оказывалась внутри отмеченной конечной области, что соответствовало успешному прохождению частицы через шахту, или до момента столкновения частицы со стенками шахты.

Если во время интегрирования обнаруживалось, что частица находится вне геометрии области моделирования, то местом прилипания частицы была точка пересечения отрезка между последней известной точкой внутри области моделирования и текущей позицией, вылетевшей из области моделирования, частицы.

Обоснование места установки козырька на своде отстойника Оценки выполнены при использовании козырька высотой от 200 мм (40% принятой высоты газового пространства отстойника) до 500 мм (70% принятой высоты газового пространства отстойника). Целью моделирования стало построение поля скоростей газового потока в исследуемой области газового пространства печи. Пример изменения поля скоростей газового потока в результате установки козырька проиллюстрировано на фиг. 4.

Если установить козырек на расстоянии более 3000 мм от аптейка, то восстановленный после влияния козырька горизонтальный поток будет превращаться в вертикальный поток в центральной зоне аптейка, что будет способствовать дополнительному выпадению из потока частиц пыли за счет снижения скорости потока. Указанное положение козырька является оптимальным.

При установке козырька на расстоянии менее 2500 мм от аптейка, прижатый к шлаковому расплаву газо-пылевой поток, проходя под аптейком, будет локализоваться в «торцевой» зоне печи и аптейка, увеличивая вероятность настылеобразования в шлаковом торце печи.

При установке козырька на расстоянии более 3500-4000 мм от аптейка, восстановленный после влияния козырька поток будет прижиматься к переходу отстойник-аптейк, аналогично конструкции печи, не дополненной козырьком: эффективность установки козырька будет пониженной.

Обоснование геометрических размеров козырька

Рассмотрены следующие размеры устанавливаемого козырька:

1. Исходный вариант отстойника без козырька;

2. Козырек размером 200×200 мм по всей ширине отстойника на расстоянии 3000 мм от входа в аптейк;

3. Козырек размером 500×500 мм по всей ширине отстойника на расстоянии 3000 мм от входа в аптейк;

4. Козырек размером 500×270 мм по всей ширине отстойника на расстоянии 3000 мм от входа в аптейк, где 270 мм - высота козырька;

5. Козырек размером 500×200 мм по всей ширине отстойника на расстоянии 3000 мм от входа в аптейк, где 200 мм - высота козырька.

Влияние размеров козырька на долю частиц (% отн.) изменяемых размера и плотности, выпавших из газопылевого потока отстойника ПВП иллюстрируется результатами расчетов, представленными в таблице 2, фиг. 5.

Наличие козырька влияет на осаждение крупных частиц (100 мкм), плотность которых составляет 2300 кг/м³. Крупные частицы большей плотности осаждаются в расплав независимо от размеров козырька.

Наибольшее влияние козырек оказывает на выпадение частиц среднего диаметра (50 мкм). Причем, основную роль играет высота козырька, а не его протяженность. Доля осажденных частиц в расплав вырастает от 6% до 60% (козырек размером 500×500 мм) и от 6% до 9% (козырек размером 200×200 мм). Приведенные выше данные относятся к частицам плотностью (р) 2300 кг/м³. Для частиц большей плотности наличие козырька также приводит к значительному увеличению числа частиц, выпадающих в расплав.

Наибольшее влияние на выпадение частиц в расплав оказывает козырек размером 500×500 мм.

Наличие козырька увеличивает сопротивление потоку отходящих газов. Примеры распределения статического давления в исследуемой области газового пространства печи приведены на фиг. 6. Установка козырька, размером 200×200 мм приводит к разнице статического давления на входе и выходе из отстойника примерно в 20 Па (2 мм в. ст.), а установка козырька размером 500×500 мм приводит к разнице статического давления на входе и выходе из отстойника примерно в 300 Па (30 мм в. ст.).

Из приведенного анализа можно сделать вывод, что оптимальным вариантом является козырек, размером не менее (Д × В) 200×350 мм (перекрывает половину сечения газовой фазы отстойника). Установка такого козырька позволит значительно увеличить осаждение в расплав частиц среднего размера (50 мкм).

Таким образом, рекомендованная высота козырька составила 300-500 мм (до 50% минимальной высоты газового пространства отстойника ПВП), рекомендованное место установки козырька 2500-3000 мм от перехода свода отстойника в аптейк по оси печи. Рекомендованная ширина козырька до 1000 мм не является базовым размером и определяется особенностями конструкции свода печи.

Способ иллюстрируется примерами

Печи взвешенной плавки Надеждинского металлургического завода (НМЗ) перерабатывают медно-никелевые сульфидные концентраты с получением штейна и шлака, направляемого в обеднительные электропечи. Ухудшение качества перерабатываемых упомянутых концентратов, заключающееся в значительном снижении размера частиц сырья, привело к увеличению вероятности настылеобразования в аптейке, переходе аптейк - котел утилизатор и на входе в котел-утилизатор. Для борьбы с настылеобразованием в ПВП НМЗ проведены плавки, предусматривающие установку козырька на расстоянии 2500 мм от аптейка, перекрывающего все сечение (ширину) отстойника.

1. Для ПВП НМЗ при использовании пакета ANSYS Fluent, смоделирован турбулентный поток течения газа (использовалась стандартная k-ε модель) в отстойнике печи. Установка козырька шириной 500 мм и высотой 270 мм по всей ширине свода отстойника на расстоянии не менее 2500 мм от входа в аптейк приводит к сокращению пылевыноса в систему пылеочистки на 10-30% отн. в зависимости от размера и плотности частиц газо-пылевого потока.

Условия моделирования:

- средний состав газов (% объемн.): 33 SO₂; 0,5 SO₃; 14,2 H₂O; 12 CO₂; 2,8 O₂; 37 N₂; 0,5 Ar;

- расход газа: Q=61000 нм³/ч;

- максимальная скорость потока 23,3 м/с;

- средняя температура газа: t_г=1250°С;

- свойства газа соответствуют идеальному газу.

Условия эксплуатации ПВП НМЗ представлены в таблице 3, фиг. 7.

Расчеты проводились для частиц размером 10 мкм, 50 мкм, 100 мкм, характеризующихся плотностью соответственно 2300 кг/м³, 3800 кг/м³, 5500 кг/м³.

2. На своде отстойника ПВП НМЗ, по всей ширине свода отстойника на расстоянии 2500 мм от входа в аптейк из огнеупорного кирпича установлен козырек высотой 140 мм, шириной 600 мм.

Условия эксплуатации ПВП НМЗ представлены в таблице 3, фиг. 7. В ходе инструментальных замеров установлено снижение температуры поверхности свода в зоне козырька на 150-170°С в сравнении с поверхностью свода отстойника, отстоящей от козырька на расстояние более 1750 мм к центру печи. Отмечено снижение температуры газового пространства на расстоянии 100 мм от свода после козырька на 10-30°С по сравнению с температурой газа перед козырьком, отмечены нулевые скорости газового потока за козырьком на расстоянии от свода 90 мм.

Значимого искажения газового потока отстойника печи и снижения пылевыноса не выявлено, что подтверждает прогнозную необходимость монтажа более высокого козырька. Необходимо увеличить высоту козырька и повысить уровень ванны расплава в печи для снижения высоты подсводового газового пространства.

3. На своде отстойника ПВП НМЗ, по всей ширине свода отстойника на расстоянии 2000 мм от входа в аптейк из огнеупорного кирпича установлен козырек высотой 300 мм, шириной 600 мм.

Условия эксплуатации ПВП НМЗ представлены в таблице 3, фиг. 7.

В ходе инструментальных замеров установлено снижение температуры поверхности свода в зоне козырька на 160-190°С в сравнении с поверхностью свода отстойника, отстоящей от козырька на расстояние более 1750 мм к центру печи.

Показано искажение газового потока ввиду снижения температуры после козырька на 20-50°С на высоте 100 мм от свода по сравнению с аналогичным уровнем замера перед козырьком. Зафиксированы нулевые показатели скоростей газового потока после козырька на расстоянии 300-350 мм от свода.

Выявлено, что скорости и объем отходящих газов одинаков перед и после козырька, скорость газов варьируется в диапазоне 8-12 м/с, объем отходящих газов в диапазоне 60000-80000 м³/час.

В период испытаний не отмечено нарушение показателей разрежения на своде отстойника и в котле-утилизаторе. Для увеличения эффективности показателей работы козырька необходимо поднять ванну расплава до 1180-1300 мм, что при используемых показателях плавки обеспечит увеличение средней скорости газового потока в отстойнике с 8 до 10 м/с, в зоне козырька до 14 м/с.

Таким образом, способ переработки мелкодисперсного сырья в печи взвешенной плавки позволяет обеспечить устойчивую, безаварийную эксплуатацию ПВП при переработке мелкодисперсного сырья с повышенным содержанием частиц шламового класса (-10 мкм). При реализации способа повышается производительность процесса взвешенной плавки за счет снижения вероятности настылеобразования в газовом тракте печи, аптейка и КУ.