|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Задачи, поставленные перед исследователямиСтр 1 из 4Следующая ⇒
Задачи, поставленные перед исследователями Цель работы заключается в разработке пирометаллургической технологии извлечения цинка из цинксодержащего шлама, образовавшегося в процессе механохимической очистки Характеристика сырья, основных технологических материалов и используемое оборудование при проведении лабораторных экспериментов Используемые материалы Цинксодержащие шламы Шлам содержит большое количество солей цинка, сернистых соединений. В меньшем размере содержит кальций, железо, магний, алюминий, марганец, натрий, мед и свинец. В шламе содержится большое количество органических веществ. В июле 2014 года «Центром лабораторного анализа и технических измерений по Центральному Федеральному округу» с целью определения КО для ОПС, был проведен отбор проб по одной из каждого шламонакопителя. Отбор производился на глубину до 0.2м, произвести отбор на большую глубину оказалось не возможно по причине того, что шлам на момент отбора находился под слоем воды толщиной 0.5м. Результаты представлены в таблице 2.1.
Таблица 2.1. Результаты исследований химического состава кеков (1988 г.)
Для исследования поступило два вещества, условно обозначенные как Кек 2 (К2) и Кек 3 (К3) и влажностью 78,2 и 64,3 % отн., соответственно. Сушка материала производилась при 105°С. Высушенные образцы направлялись на анализ методами приборной аналитической химии. Результаты представлены в таблице 2.2.
Таблица 2.2. Убыль массы, составы, оценки баланса масс цинка огарков, полученных при сушке и обжиге кеков в атмосфере воздуха
Преимущественно исследования производились с материалом К2. По данным химического и спектрального анализов выполненных в 1988 году, представленными Заказчиком (таблица 2) подсушенный при температуре 100оС шлам содержит:
Таблица 2.3. Примерный минералогический состав цинксодержащего кека (% масс)
На основании данных таблиц 1 и 2 определяется рациональный состав исследуемого материала. Рациональный состав для материала К2 приведен в таблице 2.4.
Таблица 2.4. Рациональный состав исследуемого материала
Газы, используемые при проведении лабораторных исследований Аргон Аргон марки ХЧ использовался при проведении исследований методами термогравиметрии (ТГА) и дифференциального термического анализа (ДТА) для создания инертной атмосферы в камере печи. Состав аргон представлен в таблице 2.5.
Таблица 2.5. Состав аргона марки ХЧ
Азот Азот использовался при проведении исследований методами ТГА и ДТА для моделирования воздушной атмосферы в камере печи. Состав газа представлен в таблице 2.6.
Таблица 2.6. Состав газа азота
Оборудование, используемое при проведении лабораторных исследований Термогравианализатор ДТА и ТГА являются наиболее информативным при определении характера и температурного диапазона термических эффектов, характеризующих физико-химические превращения, протекающие в исследуемом образце в процессе нагрева или охлаждения. Благодаря высокой точности определения температур фазовых переходов, связанных с плавлением (кристаллизацией) вещества, высокой чувствительности и широкому рабочему диапазону температур метод ДТА и ТГА широко используется при построении диаграмм фазовых равновесий. Термоаналитические исследования экспериментальных образцов выполнены с использованием термогравианализатора Setsys Evolution – 1750 (Setaram). Установка позволяет проводить комплексный дифференциально-термический и термогравиметрический анализ. Обеспечивает реализацию любой термической программы (от комнатных температур до 1750°С). Скорости нагрева и охлаждения можно варьировать от 1 до 100 град/мин. Также существует возможность контролировать газовую фазу в камере печи, а также проводить эксперименты при разряжении до 15 мм рт.ст. Установка характеризуется высокой чувствительностью (0,3 – 1 мкВ/мВт для Pt/PtRh10% термопары). А после проведения процесса калибровки рабочих термопар по температурам плавления металлов высокой чистоты (Au, Ag, Al, Cu, and Ni) погрешность определения температур ликвидус чистых веществ находится в пределах ±(1 – 2)°С [10].
Методика экспериментов Обезвоживание кеков Обезвоживание кеков выполнено в сушильном шкафу оборудованном системой воздухообмена при температуре 105С. Продолжительность сушки составила 5 часов. Температура выбрана для удаления физической влаги, но недопущения взаимодействия и разрушения соединений остатка. Остаток представляет собой мелкодисперсный серый порошок.
Термический анализ Исследования выполнены при использовании термогравианализатора Setsys Evolution – 1750 (Setaram). Цель исследований – изучить динамику изменения массы и определить температурные диапазоны превращений, протекающих с веществом при нагреве. Условия проведения исследований: -масса исследованных образцов обезвоженных остатков кеков 30-40 мг; -скорость нагрева образцов 10 град/мин; -нагрев до 1500С, выдержка 30 минут, охлаждение; -атмосфера: смесь азота и кислорода (20% об.). Атмосфера: Воздух N2/O2 = 5/1 (в течение эксперимента расход составлял 32 и 8 мл/мин, соответственно). Температурная программа: Нагрев до 1500°С со скоростью 10°С/мин, выдержка 30 минут при t = 1500°С.
Обжиг Обезвоженные кеки с добавками различного количества древесного угля обжигались при различных температурах в динамической атмосфере контролируемого состава. Обжиг реализован в муфельной трубчатой электрической печи в корундовых лодочках в течение различного (от 0,5 до 4 часов) времени. При реализации обжига контролировалось изменение массы материала в результате обжига.
Результаты экспериментов Предварительные исследования На исследования переданы 2 образца (К2 и К3, массой 1,3 и 1,0 кг, соответственно). Образцы представлены мелкошламистой пульпой с высоким содержанием влаги (наблюдается «свободная» жидкая фаза). Первым этапом исследований стало обезвоживание материала, направленное на удаление физической, несвязанной влаги. Цель предварительной сушки - удалить несвязанную влагу, не допустив при этом разложение основной части органической, карбонатной составляющих, а также влагосодержащих соединений (гидроокислы и др.) образцов. Предварительная сушка реализована в сушильном шкафу, оборудованном системой воздухообмена при температуре 105С. Продолжительность сушки составила 5 часов. Результаты предварительного обезвоживания образцов кеков представлены в таблице 4.1.
Таблица 4.1. Результаты предварительного обезвоживания образцов цинксодержащих кеков
Образцы предварительно обезвоженных кеков переданы на их исследования методом термического анализа. Цель исследований – изучить динамику изменения массы и определить температурные диапазоны превращений, протекающих с веществом при нагреве. Условия проведения исследований: -масса исследованных образцов обезвоженных остатков кеков 30-40 мг; -скорость нагрева образцов 10 град/мин; -нагрев до 1500С, выдержка 30 минут, охлаждение; -атмосфера: смесь азота и кислорода (20% об.). Атмосфера: Воздух N2/O2 = 5/1 (в течение эксперимента расход составлял 32 и 8 мл/мин, соответственно). Температурная программа: Нагрев до 1500°С со скоростью 10°С/мин, выдержка 30 минут при t = 1500°С.
Температурные показатели проб кеков представлены в таблицы (соответствующие термограммы также прилагаются, рис. 4.1-4.3).
Представлены зависимости от времени эксперимента (секунды). Красная кривая отражает режим нагрева (температура образца – время) Синяя кривая – зависимость ДТА (отражает изменение теплоты, выделяемой или поглащаемой образцом с течением времени) Зеленая кривая – зависимость ТГ (отражает изменение массы вещества в % отн. от исходной навески с течением времени) Розовая кривая – зависимость ДТГ (отражает изменение скорости изменения массы вещества с течением времени)
Таблица 4.2. Температурные характеристики проб кеков
Рисунок 4.1. Термограмма для пробы кека 2
Рисунок 4.2. Термограмма для пробы кека 3
Рисунок 4.3. Термограмма-сравнение для пробы кеков 2 – синий и зеленый и 3 – розовый и оранжевый
Результаты термоаналитических исследований показали следующее. 1. Образцы обезвоженных кеков К2 и К3 близки по своей природе, механизмы их превращений при прокалке в атмосфере воздуха в первом приближении можно считать одинаковыми. 2. Для остатков характерны достаточно четкие температурные диапазоны превращений с ростом температуры. Несколько загрубив результаты, эти диапазоны можно представить следующими образом: - до 200С (незначительное падение массы – убыль до 2% отн.) - диапазон 200 – 550С (падение массы – убыль 10-17% отн.) -диапазон 550 - 600С (условная неизменность массы) - диапазон 600 - 850С (падение массы – убыль 15-20% отн.) - диапазон 850 - 1250С (неизменность массы) - диапазон 1250 - 1450С (падение массы – убыль 7-9% отн.) - диапазон от 1450С (неизменность массы) 3. Характер ДТА зависимости указывает на протекание эндотермических процессов (дегидратация, диссоциация и т.п.) во всем исследованном температурном интервале. Значительные экзотермические процессы (окисление) не диагностированы.
Результаты выполненных исследований позволяют наметить план дальнейшего эксперимента (этап обжига макронавесок вещества). На этом этапе исследований вещество будет подвергнуто обжигу. Огарки, полученные на каждом этапе обжига, будут переданы на исследования методами аналитической химии, что позволит составить материальный баланс компонентов огарков и установить характер и природу превращений, температурные диапазоны которых описаны выше. Условия обжига остатков от предварительной сушки цинкодержащих кеков К2 и К3: -воздушная атмосфера (при проведении термоаналитических исследований экзотермические реакции окисления не диагностированы, что на данном этапе исследований допускает использование воздушной атмосферы). -масса остатков от предварительного обезвоживания 10-20 (лучше больше) грамм, так как потеря массы при обжиге (1480С) – 45%. -темп нагрева около 5-10 град/мин (не регламентируется) -нагрев до 190С, выдержка 1 час, охлаждение, передача огарка на хим.анализ; -нагрев до 580С, выдержка 1 час, охлаждение, передача огарка на хим.анализ; -нагрев до 880С, выдержка 1 час, охлаждение, передача огарка на хим.анализ; -нагрев до 1470С, выдержка 1 час, охлаждение, передача огарка на хим.анализ.
В таблице 4.3 представлены рекомендованные условия первого этапа лабораторных исследований.
Таблица 4.3. Рекомендованные условия лабораторных исследований
Таким образом, выполненные термоаналитические исследования позволили наметить условия последующих лабораторных исследований.
Сушка и обжиг кека Первым этапом лабораторных исследований стало обезвоживание кеков (сушильный шкаф, 105С). Температура выбрана для удаления физической влаги, но недопущения взаимодействия и разрушения соединений остатка. Остаток представляет собой мелкодисперсный серый порошок. Убыль массы при сушке составляет 64% и 78% отн. для образцов 2 и 1, соответственно. На рисунке 4.4 представлены полученные остатки.
Рисунок 4.4. Вид обезвоженных кеков
Показано, что обезвоживание пульпы при использовании фильтров (керамических, тканных) невозможно в связи с малыми размерами частиц твердой фазы. Для реализации обезвоживания необходима сушка в агрегатах с низкими скоростями газового потока для минимизации пылевыноса.
Обжиг в атмосфере воздуха Полученные обезвоженные кеки переданы на обжиг при температурах, выделенных в результате проведения темоаналитических исследований предыдущего этапа. Обжигу подвергнут один кек из двух, переданных на исследования. Обжиг реализован в атмосфере воздуха, в муфельной электрической печи. Высушенный огарок помещался в корундовые лодочки и выдерживался при температурах 190, 580, 880 и 1470С в течение 1 часа (каждый раз нагрев осуществлялся от комнатной температуры со скоростью 7 град/мин). Масса навески 10 грамм, высота слоя при обжиге 10 мм. Полученные огарки направлены на исследования методами приборной аналитической химии. Огарок, подвергнутый обжигу при 1470С, представлен расплавом. В таблице 4.4 представлены составы полученных огарков, отмечена убыль массы, а также представлены оценки баланса цинка. Повышенное содержание Al2O3 в расплаве (нагрев кека до 1470С) объясняется растворением вещества тигля (Al2O3) в расплаве.
Таблица 4.4. Убыль массы, составы, оценки баланса масс цинка огарков, полученных при сушке и обжиге кеков в атмосфере воздуха
Как видно из представленных результатов, обжиг кека на воздухе не приводит к значительному изменению содержания в нем цинка. При этом, вероятно, основная часть углерода, органических примесей, а также летучих компонентов кека выведены из вещества. Максимально достигнутое содержание цинка в огарке составляет 12,9% масс, что не достаточно для рентабельной переработки илов. На следующем этапе исследований предложено реализовать отгонку цинка в газовую фазу[1]. Далее возможна конденсация металлического цинка, либо цинк может быть окислен до оксида и собран в виде богатой цинком водонерастворимой пыли в системе газоочистки обжиговой печи.
Выводы по разделу Выполнены исследования условий отгонки цинка в газовую фазу цинксодержащих илов отстойников электролизного производства. Исходные илы характеризуются высокой влажностью (более 70% масс), значительным содержанием органических включений (содержание углерода около 16% масс от массы высушенного ила) и содержат 6-9% масс цинка от массы высушенного ила. Показано, что в результате сушки (105С), илы теряют 65-80% массы. Высушенные илы исследованы методом термического анализа и подвергнуты обжигу при температуре 880 и 1150С в атмосфере аргона (х.ч.), азота (х.ч.), воздуха и воздуха, пропущенного через древесный уголь, разогретый до 900С). При реализации обжига, в состав шихты, помимо высушенного ила, вводился древесный уголь – от 0 до 40% от массы высушенного ила. Показано, что более 95% цинка могут быть отогнаны в газовую фазу в атмосфере аргона в течение 1 часа. При этом в состав шихты не требуется вводить дополнительный углерод (восстановление цинка реализуется за счет углерода обезвоженного кека). Достаточной температурой обжига является температура 880С. Остаточное содержание цинка в огарке составило менее 0,3% масс. Установлено, что при замене атмосферы аргона на азот, СО или воздух показатели извлечения цинка в газовую фазу снижаются. В частности, при обжиге кека в атмосфере воздуха даже при обжиге в течении 2 часов при 1150С и введении в состав шихты 40% древесного угля, извлечение цинка в газовую фазу составило 65%. Остаточное содержание цинка в огарке составило 5% масс. При реализации обжига при температуре 880С в атмосфере воздуха, цинк не удалось перевести в газовую фазу. При низкотемпературном (1 час, 880С) обжиге кека в атмосфере воздуха, пропущенного через слой разогретого до 900С древесного угля, извлечение цинка в возгоны составило 40-50% отн в зависимости от содержания восстановителя в составе шихты. Остаточное содержание цинка в огарке составило 5-9% масс. При низкотемпературном (1 час, 880С) обжиге кека в атмосфере азота (х.ч.), извлечение цинка в возгоны составило 88-95% отн в зависимости от содержания восстановителя в составе шихты. Остаточное содержание цинка в огарке составило 0,7-2,4% масс. Таким образом, прототипом возможной технологии является низкотемпературный обжиг кека (880С) в атмосфере азота. Рекомендуемый расход восстановителя 10-20% от массы кека. Рекомендуется дополнительная очистка азота от кислорода при его пропускании через слой прокаленного углеродсодержащего вещества. Для улучшения показателей отгонки, температура в обжиговой печи может быть повышена. Рекомендуемая схема переработки сырья: 1. Сушка при температуре ниже 150-200С в трубчатой печи. Желательна трубчатая печь косвенного нагрева, но возможна и пламенная печь прямого нагрева. Задача газоочистки – улавливание пыли высушиваемого материала. Высушенный кек, по возможности, в горячем виде, передается на восстановительный обжиг. 2. Восстановительный обжиг реализуется при температуре 900С и выше в герметичной трубчатой печи косвенного нагрева. Газ-носитель, необходимый для эвакуации цинковых возгонов – аргон, но реально азот или азот, пропущенный через слой разогретого угля с целью перевода примеси кислорода в азоте в форму СО. Скорость пропускания азота через печь обжига – 0,1м/мин и выше. Задача газоочистки – улавливание цинковых возгонов. Возможна организация контролируемого подсоса воздуха на выходе из печи для окисления парообразного цинка (температура кипения 907С) до оксида цинка. Допустимо использование мокрой газоочистки. Оценочное содержание цинка в пылях пылеочистки 50-60% масс. Оценочное сквозное (от ила до концентрата) извлечение цинка в цинковый концентрат 80% отн. Полученный огарок будет содержать около 40% масс СаO, 5-8% масс серы, представленной сульфидом кальция и до 15% масс С. Точный состав огарка, а также условия хранения и переработки этого вещества требуют дополнительной проработки т.к. CaS при взаимодействии с водой выделяет некоторое количество сероводорода. Исходные данные для расчетов Для расчета трубчатой вращающейся печи использовались следующие параметры, представленные в таблице 5.1 Таблица 5.1. Основные параметры, используемые при расчете трубчатой печи
По предоставленным данным производительность по концентрату составляет 4000 т/г, насыпной вес материала 2,08 т/м3. В среднем печи на металлургических заводах с учетом плановых ремонтов и простоев работают 333,3 суток, что равняется 8000 ч/г. Таким образом, производительность по концентрату должна составлять:
wрасч=4000/8000= 0,500 т/ч
Основные используемые формулы при расчете размеров проектируемой печи:
V= D2 / 4 ∙ L, м3; Vзап = V ∙ K, м3; υ= 5,78 ∙ D ∙ ß ∙ n, м/ч; Q=Vзап ∙ γоб, т; t = υ / L, час; W = Q / t, т/ч.
Сушильный агрегат сушки близок по основным параметрам, используемым при расчете печей обжига. Основные параметры и формулы для расчёта сушильного оборудования представлены выше.
Задачи, поставленные перед исследователями Цель работы заключается в разработке пирометаллургической технологии извлечения цинка из цинксодержащего шлама, образовавшегося в процессе механохимической очистки |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2019-03-21; Просмотров: 96; Нарушение авторского права страницы
