Топлогенерация


Категория на документа: Други


733
335
-336
-565
4,2
0,7
2,00
0,12
854
733
347
-285
-532

2. Топлогенерация в резултат на окисляване на сулфиди
Сулфидните материали, в състава на които влизат един или няколко цветни метала, представляват ценна металургична суровина, получила особено широко приложение в производството на тежки цветни метали. Както е известно, в процеса на преработката на сулфидите протича окисляване в резултат на взаимодействието им с въвеждания в зоната на технологичния процес кислород. Окислителните реакции се съпровождат с отделянето на голямо количество топлина и затова в пещта сулфидните материали на практика изпълняват функциите на технологично (сулфидно) гориво. Ефективността от използването и работните свойства на това гориво до голяма степен зависят от параметрите на технологичния процес и от неговото апаратурно оформяне. Например високотемпературното пържене (окисляване) на сулфидни концентрати в пещи с кипящ слой протича в автогенен режим, т.е. за сметка на топлината на технологичните реакции. Същият процес в многоподови пещи изисква значително изразходване на обикновени горива, достигащо, преизчислено към условно гориво, до 10% от масата на преработвания концентрат. В резултат на това при оценката на енергийните характеристики на сулфидните материали винаги се отчитат условията на протичане на технологичния процес.
Като пример ще разгледаме най- разпространеното сулфидно гориво, каквото са шихтовите материали, използвани в металургията на медта. Техните енергогенерационни компоненти са желязото и сярата, образуващи заедно с медта сложни химични съединения (минерали). Шихтата в медодобивните заводи съдържа концентрати от различни находища.Техният състав е много сложен и за опростяване на изчисленията ще приемем, че съдържащата се в тях мед е равномерно разпределена между основните сулфидни минерали- халкопирит, халкозин, ковелин и борнит. Освен това приемаме ,че желязото и сярата, които не са свързани в тези съединения, влизат в състава на пирита. Процесът на производство на мед, както е известно, включва нагряване и стапяне на шихтата, окисляване на сулфидите и разделяне на продуктите на топенето. Желязото във вид на FeO заедно с флюсите и окисните компоненти на шихтата преминава в разтопената шлака. Получава се черна мед , съдържаща примеси, а сярата във вид на серен диоксид заедно с азота от окисляващия поток са основните компоненти на газовата фаза.
Основната характеристика на суровинните материали (по аналогия с традиционните видове гориво) е тяхната топлина на изгаряне (Qхш). Топлина на изгаряне на шихтата (концентрата) се нарича това количество топлина, което се отделя при окисляване на единица маса от нея до крайните продукти на технологичния процес.за определяне на тази величина се използват изчислителни методи, основаващи се на анализ на топлинните ефекти на реакциите на състава на шихтата. Към екзотермичните реакции се отнасят реакциите на окисление на сулфидите на желязото и медта, както и на елементарната сяра, образуващи се в резултат на термично разлагане на сулфидните минерали. Тези реакции са следните:
Cu2S+ O2= 2Cu+SO2+1711 kJ/kg мед;
FeS+1,5 O2= FeO+SO2+8389 kJ/kg желязо;
S+ O2= SO2+9263 kJ/kg сяра.
Съставът на щихтата обикновено се задава със съдържанието на сяра и на мед. В зависимост от тези компоненти се изчислява съдържанието на сулфидно желязо и количеството на отделящата се при нагряване елементарна сяра. Величините, характеризиращи състава на шихтата (в масови проценти) и на окисляващия поток (в обемни проценти), се означават със съответните символи- S,Cu, Fe, O2.
За изчисляване на количествата на участващите в окислителните реакции сулфидно желязо и елементарна сяра могат да се използват следните формули:
Fe= 0,871S- 0,201 Cu; Se= 0,500S- 0,130 Cu.
При изчисляване на топлините на изгаряне на шихтата е необходимо да се умножат стойностите на топлинните ефекти на реакциите със съответните количества на топлогенерационните компоненти и да се съберат получените резултати. Отчитайки приетите означения, формулата за изчисляване топлината на изгаряне на шихтата има следния вид:
Qхш = 119,4S- 12,4 Cu. (2-1)
Преизчисляването на технологичното гориво в условно се осъществява с помощта на калоричния еквивалент на шихтата Е кш (kg y на 1 t шихта), който е равен на отношението на топлината на изгаряне на шихтата към топлината на изгаряне на условното гориво (Qуг= 29 300 kJ/kg):
Е кш = = 4,1 S- 0,4 Cu.
Топлината на изгаряне на суровинните материали характеризира техните потенциални енергийни възможности. Например за концентрати съдържащи 35% сяра и 19% мед, топлината на изгаряне е равна на 3944 kJ/kg. Такова количество топлина е съизмеримо по стойност със специфичния разход на топлина за протичане на технологичния процес, който се получава в резултат от използването на традиционни източници на топлинна енергия. В зависимост от ефективността на използване на топлината, получена в резултат на отделената химична енергия на сулфидите, нейното количество представлява от 40 до 70% от същия разход на топлина за производството на черна мед.
Ефективността от използването на химичната енергия на сулфидите зависи от температурния режим на тяхното окисляване, т.е. от това, в кой стадий на технологичния процес и с каква цел се изразходват при производството на мед, въглеродни горива и електроенергия. По този признак използваните в медодобивните заводи технологични агрегати могат да бъдат разделени на три основни групи:
1. Традиционно използвани в заводите на отрасъла горивни и електрически пещи, в които горивото (или електроенергията) се изразходва за нагряване и за разтапяне на шихтовите материали. За стапяне на шихтата най- широко се използват горивни пещи, наречени отражателни. Получената в този стадий на производството сулфидна стопилка (щейн) се преработва по- нататък в конвертори, работещи в автогенен режим.
2. Пещи, в които за нагряване и разтапяне на шихтата се изразходва топлина, получена в резултат на отделяне на химичната енергия на сулфидите при тяхното окисляване. Обикновено ги наричат още пеши за автогенно топене на сулфидни концентрати. При автогенното топене традиционните горива се изразходват извън пещта за сушене на шихтата и за нагряване на въздуха за окисляване, а електроенергията се използва за производството на кислород, който се подава непосредствено в пещта или за предварително обогатяване на окисляващия въздух.
3. Пещи, в работното пространство на които за нагряване и за стапяне на шихтата се използва едновременно топлината, получена в резултат на окисляване на сулфидите и за изгаряне на въглеродното гориво или на употреба на електроенергия.тези агрегати условно се отнасят също към пещите за автогенно топене на суфидни материали.
Голямото количество технологични схеми и разнообразието от конструкции на топлинни агрегати, се отразява на първо място върху началните условия на процеса на окисляване на сулфидите. В съвременните медодобивни заводи началната температура на сулфидите, постъпваща в окислителната зона, в зависимост от тези фактори се колебае в граници от 20 до 12500С, началната температура за окисляващия поток се изменя от 20 до 1000 0С, а концентрацията на съдържащия се в него кислород- от 21 до 100%. Всичките тези фактори оказват съществено влияние върху работните свойства на технологичното гориво, които се определят от големината на неговия топлинен еквивалент.
Топлинен еквивалент на горивото се нарича това количество топлина, отделящо се при окисляването на единица маса от горивото, което може да се използва за протичане на технологичния процес в работното пространство на пещта. За да се изчисли правилно стойността на топлинния еквивалент на традиционното и на сулфидното гориво е необходимо да се познават техните функционални различия. Традиционното гориво служи главно като източник на топлинна енергия в работното пространство на пещта, поради което топлината, изнасяна от пещта с продуктите на горене (Qизх), не може да се използва за технологичния процес. Отчитайки този факт, формулата за изчисляване на топлинния еквивалент на горивото Qег, може да се представи във вида:

Qег= - Qизх или Qег= ŋкиг
където е долната топлина на изгаряне на работното гориво, kg/kJ;
ŋкиг- коефициент на използване на горивото в пещта.
Сулфидните материали (шихта, концентрат) и използваният за тяхното окисляване кислород заедно с азота от окисляващия поток представляват изходни реагенти (суровина) за производството на мед. За да се започне окислителният процес, те трябва да се нагреят до температурата на запалване на сулфидите. По- нататъшното протичане на процеса е свързано с нагряване на продуктите на окисляване на сулфидите и на материалите (компонентите на шихтата), които не участват в процеса на окисляване, до средната температура на зоната на технологичния процес Tср, зададена като режимен параметър. Прегряването на съдържащите се в пещта материали води до сериозно нарушение на технологичния режим. Ето защо от общото количество топлина, получена в резултат на отделената химична енергия на сулфидите, в пещта не се използва само тази негова част, която се изразходва за прегряване на продуктите на топенето.
Освен това, за изчисляване на топлинният еквивалент на шихтата е необходимо да се знае как се подава топлината към намиращите се в пещта материали. Известно е, че продуктите на окисляване на сулфидите заедно с технологичните газове получават топлина непосредствено при протичане на екзотермичните реакции. Интензивността на топлообмена в зоната на окисляване на сулфидите съществено превишава интензивността на топлоотделянето и за това се смята, че скоростта на подаване на топлина към веществата, участващи в окислителните реакции, и към азота от окисляващия поток, се определя от скоростта на топлогенерационните процеси. Останалите материали получават топлина от продуктите на окисляване на сулфидите в резултат на топлообмена. По този начин скоростта на предаване на топлина към флюсите и окисните компоненти на шихтата се определя от интензивността на протичащите в пещта топлообменни процеси. За да се вземат предвид по- пълно условията на протичане на технологичния процес, се използват понятията топлогенерационна и топлообменна съставяща на топлинния еквивалент на щихтата, които показват съответно какво количество топлина, използвано в пещта, се предава към продуктите на топенето в процеса на топлогенерация и в резултат на топлообмен.
Топлогенерационната съставяща на топлинния еквивалент на шихтата е равна на количеството топлина, получено при окисляване на сулфидите, което се изразходва за нагряване на продуктите на окисляване на сулфидите и на азота от окислителния поток до средната температура на зоната на технологичния процес, както и за протичане на фазовите превръщания (разлагане на минералите, топене и т.н.). Стойностите на тази величина в kJ/kg се определят по формулата:

= Мн ∑(Мк Ск Тср - Мн Сн Тн)+ ∑( (Тср) - (Тн)),
Където Мн, Мк, Сн, Ск са съответно количествата на изходните вещества и на крайните продукти на реакцията на окисляване и техните специфични топлинни коефициенти;
Тн, Тср - съответно началната температура на изходните материали и средната температура на процеса, която се приема за равна на 1250оС;
, - съответно топлините на фазовите превръщания при предварително нагряване на сулфидите и при процеса на тяхното окисляване.
Ако се предположи, че степента на завършеност на фазовите превръщания в преработвания материал е пропорционална на неговата температура, а самият процес протича непрекъснато в температурния интервал от 20- 1250 оС, то след незначителни опростявания формулата за изчисляване на топлогенерационната съставяща на топлинния еквивалент на шихтата приема вида:
102= 2,9S(Тср-)+ 1,2 (Тср-). (2-2)
Първото събираемо в дясната част на (2-2) представлява количеството топлина, което се изразходва за нагряване и стапяне на съдържащите се в шихтата сулфиди. В горивните (отражателните) пещи аналогична по смисъл величина представлява т. нар. полезно използвана топлина, която за единица маса условно гориво се изчислява по готражателни пещи е равен на 0,3).
Второто събираемо представлява топлината за нагряване на окисляващия поток. Аналогичен процес се осъществява в инсталациите за нагряване на окисляващия поток, използван при топенето на сулфиди в летящо състояние. Тази част от топлината, получена при изгаряне на горивото, която се използва за нагряване на окисляващия поток в този случай ще бъде равна на =QугŋBкпт,където ŋBкпт е коефициент на полезно топлоизползване на съоръженията за нагряване на въздуха равен средно на 0,8.



Сподели линка с приятел:





Яндекс.Метрика
Топлогенерация 9 out of 10 based on 2 ratings. 2 user reviews.