年处理5万吨锌精矿的沸腾焙烧车间设计

第一章设计概述
1.1 设计依据
根据冶金工程专业《年处理5.6万吨锌精矿的沸腾焙烧车间设计》（涂弢编）下达课程设计指导书任务。

1.2 设计原则和指导思想
对设计的总要求是技术先进；工艺上可行；经济上合理，所以，设计应遵循的原则和指导思想为：
1、遵守国家法律、法规，执行行业设计有关标准、规范和规定，严格把关，精心设计；
2、设计中对主要工艺流程进行多方案比较，以确定最佳方案；
3、设计中充分采用各项国内外成熟技术，因某种原因暂时不上的新技术要预留充分的可能性。

所采用的新工艺、新设备、新材料必须遵循经过工业性试验或通过技术鉴定的原则；
4、要按照国家有关劳动安全工业卫生及消防标准及行业设计规定进行设计；
5、在学习、总结国内外有关厂家的生产经验的基础上，移动试用可行的先进技术；
6、设计中应充分考虑节约能源、节约用地，实行资源的综合利用，改善劳动条件以及保护生态环境
1.3 设计任务
一、锌冶炼沸腾焙烧炉设计。

二、锌精矿沸腾焙烧工艺流程设计。

三、沸腾焙烧炉物料平衡和热平衡初算。

四、设备的选型与计算。

五、环保与安全。

第二章沸腾焙烧专题概述
2.1 沸腾焙烧炉的应用和发展
沸腾焙烧炉是流态化技术的热工设备，具有气—固间热质交换速度快、沸腾层内温度均匀、产品质量好；沸腾层与冷却器壁间的传热系数大、生产率高、操作简单、便于实现生产连续化和自动化等一系列优点，而广泛应用于锌精矿的氧化焙烧。

锌精矿和铜金矿的氧化焙烧和硫酸化焙烧，含钴硫铁精矿的硫酸化焙烧，锡精矿的氧化焙烧，高钛渣的氯化焙烧，汞矿石焙烧，以及氧化铜离析过程中的矿石加热等都已经使用沸腾炉，此外铅精矿、铅锑精矿的氧化焙烧，含镍、钴红土矿的加热和还原过程也利用沸腾炉成功的进行了工业性试验或小规模生产。

在国外，沸腾炉还用于辉钼矿、富镍冰铜的氧化焙烧。

沸腾炉的缺点是烟尘率高、热利用率低。

目前，沸腾炉正向大型化、富氧鼓风、扩大炉膛空间、制粒焙烧、余热利用和自控控制话方面发展。

2.2 沸腾炉炉型概述
1.床型：沸腾床有柱形床和锥形床两种。

对于浮选精矿一般采用柱形床，对于宽筛分物料，以及在反应过程中气体体积增大很多或颗粒逐渐变细的物料，可采用上大下小的锥形床。

沸腾床断面形状可分为圆形或矩形（或椭圆形），圆形断面的炉子，炉体结构强大较大，材料较省，散热较小，空气分布较均匀，因此得到广泛采用。

当炉床面积较小，而又要求物料进出口有较大距离的时候，可采用矩形或椭圆形断面。

2.炉膛形状：炉膛形状有扩大型和直筒型两种。

为提高操作气流速度、减少烟尘率和延长烟尘在炉膛内停留时间以保证烟尘质量，目前多采用扩大型炉膛。

另外还有单层床和多层床之分，对吸热过程或需要较长反应时间的过程，为提高热和流化介质中有用成分的利用率，宜采用多层沸腾炉。

2.3 锌精矿硫化焙烧工艺及主要设备的选择
2.3.1 锌精矿硫化沸腾焙烧原理
金属锌的生产，无论是用火法还是湿法，90%以上都是以硫化锌精矿为原料。

硫化锌不能被廉价的、最容易获得的碳质还原剂还原，也不容易被廉价的，并且浸出—电积湿法炼锌生产流程中可以再生的硫酸稀溶液（废电解液）所浸出，因此对硫化锌精矿氧化焙烧使之转变成氧化锌是很有必要的。

焙烧就是通常采用的完全化合物形态转变的化学过程，是冶炼前对矿石或精矿进行预处理的一种高温作业。

硫化物的焙烧过程是一个发生气固反应的过程，将大量的空气通入硫化矿物料层，在高温下发生反应，氧与硫化物中的硫花和产生气体SO2，有价金属则转变成为氧化物或硫酸盐。

同时去掉砷、锑等杂质，硫生成二氧化硫进入烟气，作为制硫酸的原料。

焙烧过程得到的固体产物就被成为焙砂或焙烧矿。

焙烧过程是复杂的，生成的产物不尽一致，可能有多种化合物并存。

一般来说，硫化物的氧化反应主要有：
1)硫化物氧化生成硫酸盐:
MeS + 2O2 = MeSO4
2)硫化物氧化生成氧化物:
MeS + 1.5O2 = MeO + SO2
3)金属硫化物直接氧化生成金属:
MeS + O2 = Me + SO2
4)硫酸盐离解
MeSO4 = MeO + SO3
SO3 = SO2 + 0.5O2
此外，在硫化锌精矿中，通常还有多种化合价的金属硫化物，其高价硫化物的离解压一般都比较高，故极不稳定，焙烧时高价态硫化物离解成低价态硫化物，然后再继续进行其焙烧氧化反应过程。

在焙烧过程中，精矿中某种金属硫化物和它的硫酸盐在焙烧条件下都是不稳定的化合物时，也可能互相反应，如：
FeS + 3FeSO4 = 4FeO + 4SO2
由上述各种反应可知，锌精矿中各种金属硫化物焙烧的主要产物是MeO、MeSO4以及SO2、SO3、O2。

此外还可能有MeO·Fe2O3，MeO·SiO2等。

2.3.2 锌精矿硫酸化沸腾焙烧炉炉型选择
沸腾焙烧工艺流程要根据具体条件和要求而定，焙烧性质、原料、地理位置等因素不同其选择的工艺流程也不尽相同。

一般可分为炉料准备及加料系统、炉本体系统、烟气及收尘系统和排料系统四个部分。

炉料准备及加料系统主要为沸腾焙烧炉提供合格的炉料，以保证焙烧炉的稳定性和连续性。

加料方式分为干式和湿式两种。

由于湿式加料缺点较多，国内没有工厂采用。

固本设计采用干式加料。

干式加料常采用圆筒干燥窑。

圆筒干燥窑是一种最简单的机械干燥设备，窑身由钢板做成，窑内为耐火砖。

焙烧炉是焙烧的主体设备，按床面积形状可分为圆形（或椭圆形）和矩形。

矩形很少采用，圆形断面的炉子，炉体结构强度较大，材料较省，散热较小，空气分布较均匀因此得到广泛采用。

工业生产常采用的锌精矿沸腾焙烧炉有道尔式和鲁奇式沸腾炉两类。

鲁奇式沸腾炉上部结构采用扩大段，造成烟气流速减慢和烟尘率降低，延长了烟气停留时间，烟气中的烟尘得到充分的焙烧，从而使烟尘中的含硫量达到要求，烟尘质量得到保证，焙砂质量较高、生产率高、热能回收好。

低的烟尘率相应提高了焙砂部分的产出率，减小了收尘系统的负担，本设计采用鲁奇式沸腾焙烧炉。

其工艺流程如图2—1所示。

烟气从焙烧炉排出是，温度一般在1123~1353K之间，须冷却到适当温度以便收尘。

常见的烟气冷却方式分直接冷却和间接冷却两种。

直接冷却主要采用向烟气直接喷水冷却，由于废热得不到有效利用，所以很少采用。

间接冷却由表而冷却器、水套冷却器、汽化冷却器和余热锅炉。

目前，国内最常用的是余热锅炉。

本设计采用余热锅炉。

焙烧炉生产的焙砂从流态化层溢流口自动排出，可采用湿法和干法两种运输方式。

两种方法各具特点，企业可根据具体情况，悬着适宜的排料方法。

本设计采用干法输送。

沸腾焙烧炉炉体（图2—2）为钢壳内衬保温砖再衬耐火砖构成。

为防止冷凝酸腐蚀，钢壳外表有保温层。

炉子的最下部是风室，设有空气进口管,其上是空气分布板。

空气分布板上是耐火混凝土炉床，埋设有许多侧面小孔风帽。

炉膛中部分为向上扩大的圆锥体，上部焙烧空间的截面积比沸腾层的截面积大，以减少固体粒子吹出。

沸腾层中装有冷却管，炉体还设有加料口、矿渣溢流口、炉气出口、二次空气进口、点火口等接管，炉顶有防爆孔。

沸腾焙烧炉非为直筒型炉和上部扩大型炉两种：①直筒型炉。

多用于有色金属精矿的焙烧，焙烧强度较低，炉膛上部不扩大或略微扩大，外观基本上呈圆筒型。

②上部扩大型炉。

早期用于破碎矿块（作为硫酸生产原料开采的硫铁矿，多成块状，习惯称块矿）的焙烧。

后来发展到用于各种浮选矿（包括有色金属浮选精矿、选矿时副产的含硫铁矿的尾砂，
图2—1鲁奇式沸腾炉焙烧炉工艺流程图
图2—2沸腾焙烧炉
以及为了提高硫铁矿品位而通过浮选得到的硫精矿，这些矿粒度都很小）的焙烧，焙烧强度较高。

操作指标和条件主要有焙烧强度、沸腾层高度、沸腾层温度、炉气成分等。

第三章 锌精矿焙烧工艺过程计算
3.1 锌精矿的物相组成计算
设锌精矿的物相组成如图所示。

锌精矿化学成分
组分 Zn
Cd
Pb Cu Fe S
CaO
MgO 32O AL SiO2
其他 含量%
50.41 0.28 1.24
0.44
9.11
31.16 1.03 0.05
0.14 3.02
3.12
根据锌糖矿的物相分析，精矿中各元素呈下列化台物形态：
ZnS 、CdS 、PbS 、CuFeS 2、Fe 7S 8、FeS 2、CaCO 3、MgCO 3、SiO 2
以100kg 锌精矿干量进行计算： （1）ZnS
75.08kg 24.6750.41n 24.67kg
65.4
50.41
32n =+=⨯
量：中的含硫量：S Z S Z （2）CdS
kg 36.008.028.0d kg 08.04
.11228
.032d =+=⨯
量：量：中的含S C S S C （3）PbS
1.43kg 0.191.240.19kg
207.2
1.24
32=+=⨯
量：中含硫量：PbS PbS
（4）CuFeS 2
1.27kg 0.390.440.440.39kg 63.5
0.44
560.44kg 263.50.44
32222=++==⨯⨯
量：量：中含中含硫量：CuFeS Fe CuFeS CuFeS
（5）Fe 7S 8和FeS 2
除去CuFeS 2中的Fe 量，余下的Fe 量为：9.11－0.39=8.27kg 。

除去ZnS 、CdS 、PbS 、CuFeS 2中的含S 量，余下的S 量为：31.16－﹙24.67＋0.08＋0.19＋0.44﹚=5.78kg 。

这些剩余的Fe 量和S 量分布于FeS 2和Fe 7S 8中。

设FeS 2中的Fe 为x kg ，S 为y kg ，则：
64y
85.55x e FeS 872=
有和S F
832y
-5.78787.55x -8.72e FeS 872⨯=
⨯有
和S F
解方程组得：
kg
20.14S Fe 5.62kg
0.16-5.78S 8.58kg 0.14-8.72e e kg 30.0e kg 16.0kg 14.0e e kg
16.0y kg 14.0x 878722==========，中，，中即F S F S F S F S F
（6）CaCO 3
1.84kg 0.811.030.81kg
56.1
1.03
44323=+=⨯
量：量：中含CaCO CO CaCO
（7）MgCO 3
0.10kg 0.050.050.05kg
40.3
0.05
44323=+=⨯
量：量：中含MgCO CO MgCO （8）其他
3.12-0.81-0.05=2.26kg
以上结果列表于下：
锌精矿物相组成表
组成
n Z
d C
b P
u C
e F
S
O C a O M g
2CO 2S iO 3AlO 其他 共计
S Z n 50.41
24.67
75.08 S C d 0.28
0.08 0.36 S P b
1.24
0.19 1.43 2e u S F C
0.44
0.39 0.44 1.27 2e S F
0.14 0.16 0.30 8
7e S F 8.58
5.62
14.20 3
a CO C 1.03
0.81 1.84 3
g CO M
0.05
0.05
0.10 2i O S
3.02
3.02 3
2l O A
0.14 0.14 其他
2.26
2.26
共计
50.41
0.28
1.24
0.44
9.11
31.16
1.03
0.05
0.86
3.02
0.14
2.26
100.00
3.2 烟尘产出率及物相组成计算
焙烧有关指标
焙烧锌金属直接回收率 99.5% 脱铅率 50% 脱铬率 60% 空气过剩系数 1.25
烟尘产出率及烟尘物相组成计算
以100kg 锌精矿计算。

按工厂生产实践，同类型沸腾炉硫酸化焙烧锌精矿时，烟尘中残硫以硫酸盐形态的盐为2.14%，硫化形态的硫为0.5%，镉60%进入烟尘，砷和锑为65%，铅为50%，元素锌及其他元素为45%，为方便起见，设设所有流化态的硫均与锌结合，PbO,与SIO 2结合成PbO ·SiO 2，Fe 2O 3有三分之一与ZnO 结合生成ZnO ·Fe 2O 3， 其他金属为氧化物形态存在。

设烟尘产出量为xkg
各组分进入烟尘的数量为：
Zn 50.41⨯0.45=22.68kg Cd 0.28⨯0.60=0.168kg Pb 1.24⨯0.5=0.62kg Cu 0.44⨯0.45=0.198kg Fe 9.11⨯0.45=4.10kg CaO 1.03⨯0.45=0.464kg MgO 0.05⨯0.45=0.023kg Al 2O 3 0.14⨯0.45=0.063kg SiO 2 3.02⨯0.45=1.359kg
Sso 4 硫酸盐形态的硫 0.0214x kg Ss 硫化物形态的硫 0.005x
其他 2.26⨯0.45=1.017 kg 各组分化合物进入烟尘的数量为 (1)ZnS 量
x
0152.0324
.97x 005.0=⨯
其中：Zn 0.0102x kg ，S 0.005x kg (2)ZnSO 4量
x
1079.0324
.161x 0214.0=⨯
其中：Zn 0.0437x kg ，S 0.0214kg ，O 0.0428x kg (3)ZnO ·Fe 2O 3量
烟尘中的Fe 先生成Fe2O3，量为
862
.57.1117
.15910.4=⨯
Fe 2O 3有1/3与ZnO 结合生成ZnO ·Fe 2O 3 5.862×1/3=1.954kg ZnO ·Fe 2O 3量
950
.27.1591
.241954.1=⨯
其中：Zn 0.800kg ，Fe 1.367kg ，O 0.783kg
剩下的Fe 2O 3： 5.862-1.954=3.908kg 其中Fe 2.733kg ，O 1.175kg
（4）ZnO 量
Zn 22.68-（0.012x+0.0427x+0.800）=（21.88-0.0539x ）kg ZnO （21.88-0.539x ）×81.4/65.4=27.233-0.0671x kg
（5）CdO 量
192
.04.1124
.128168.0=⨯
其中：Cd 0.168，O 0.024kg （6）CuO 量
248
.05.635
.79198.0=⨯
其中：Cu 0.198kg ，O 0.050kg （7）PbO.SiO 2量 PbO
668
.02.2072
.22365.0=⨯
其中：Pb 0.620 kg ，O 0.048kg 与PbO 结合的SiO 2量：
kg
180.02.22360
668.0=⨯
剩余的SiO 2： 1.359-0.180=1.179kg （8）CaO 量：0.464kg （9）MgO 量：0.023kg （10）Al 2O 3量：0.063kg （11）其他：1.017kg
综合以上各项得：
x=0.152x+0.1079x+2.950+3.908+（27.233-0.0671x ） +0.192+0.248+0.848+1.179+0.464+0.023 + 1.017+0.063 X=0.056x+38.125 0.944x=38.125
X=40.387 即烟尘产出率是焙烧干精矿的40.387% ZnS 量为： 0.0152×40.387=0.614kg 其中：Zn 0.412kg ，S 0.202kg
ZnSO 4量为： 0.1079×40.387=4.358kg 其中：Zn 1.765kg ，S 0.864kg ，O 1.729kg ZnO 量为： 27.233-0.0671×40.387=24.523kg 其中：Zn19.703kg ，O=4.820kg
组成Zn Cd Cu Pb Fe Ss Sso4CaO MgO Al2O3SiO2O其他共计ZnS 0.41 0.2020.614 ZnSO4 1.7650.864 1.729 4.358 ZnO 19.7 4.820 24.523 ZnO,F0.80 1.367 0.783 2.95
Fe2O3 2.733 1.175 3.908 CdO 0.1680.0240.192 CuO 0.19 0.0500.248 PbO.SiO20.62 0.18 0.0480.848 CaO 0.464 0.464 MgO 0.0230.023
Al2O30.0630.063 SiO2 1.179 1.179
其他 1.017 1.017
共计22.680.168 0.190.62 4.10 0.200.86 0.46 0.02 0.06 1.35 8.62 1.01740.38
%56.160.42 0.49 1.54 10.15 0.50 2.14 1.150.060.16 3.3721.3 2.52100. 3.3 焙砂产出率及物相组成计算
设每焙烧100 kg干精矿产出的焙砂为y kg。

沸腾被烧时，锌精矿各组分转入焙砂的量为：
Cd 0.28-0.168=0.112kg
Cu 0.44-0.198=0.242kg
Pb 1.24-0.620=0.620kg
Fe 9.11-4.10=5.010kg
CaO 1.03-0.464=0.566kg
MgO 0.05-0.023=0.027kg
Al2O30.14-0.063=0.077kg
SiO2 3.02-1.359=1.661kg
其他 2.26-1.017=1.243kg
根据同类工厂生产统计数据，焙砂中Sso4取1.10%，Ss取0.3%，设Sso4和Ss全部与Zn 结合，PbO与SiO2结合生成PbO·SiO2;生产的Fe2O3有40%与ZnO结合生产ZnO·Fe2O3；其他金属以氧化物形态存在
各组分化合物进入焙砂的数量为：
Sso4=0.011y Ss=0.003y
（1）ZnSO4量：（0.011y×161.4）/32=0.0555ykg
其中：Zn 0.0225y kg，S 0.011y kg
（2）ZnS量：（0.03y×97.4）/32=0.0091y kg
其中：Zn0.0061y kg，S 0.003y kg
（3）ZnO·Fe2O3量：
焙砂中的Fe先生成Fe2O3，其量为（5.01×159.7）/111.7=7.163kg
Fe2O3中有40%与ZnO结合成ZnO.Fe2O3，其量为7.163×0.40=2.856kg
ZnO.Fe2O3量为：（2.865×241.1）/159.7=4.325 kg
其中：Zn 1.173kg，Fe 2.004kg，O 1.148kg
余下的Fe2O3量：7.163-2.865=4.298kg
其中：Fe 3.006kg，O 1.292kg
（4）ZnO量：
Zn 27.73-（0.0225y+0.0061y+1.173）=26.557-0.0286y kg
ZnO （26.557-0.0286y）×81.4/65.4=33.054-0.0356y kg
（5）CdO量：（0.112×128.4）/112.4=0.128kg
其中：Cd 0.112kg O 0.016kg
（6）CuO量：（0.242×79.5）/63.5=0.303kg
其中：Cu 0.242kg，O 0.061kg
（7）PbO·SiO2量：
PbO （0.62×223.2)/207.2=0.668kg
其中：Pb 0.620kg，O 0.048kg
与PbO结合的SiO2量：（0.668×60）/223.2=0.180kg
剩下的SiO2量： 1.661-0.180=1.481kg
（8）CaO量：0.566kg
（9）MgO量：0.027kg
（10）Al2O3量：0.077kg
（11）其他：1.243kg
综合以上各项得：
Y=0.0555y+0.0091y+4.325+33.045-0.0356+0.128+0.303+0.848+1.481+0.566+0.027+1.243 Y=47.734%
即焙砂产出率是焙烧干精矿的47.734%
ZnSO4量为：0.0555×47.734=2.649 其中Zn 1.074kg，S 0.525kg，O 1.050kg ZnS量：0.0091×47.734=0.434kg 其中Zn 0.291kg，S 0.143kg
ZnO量：33.054-0.0356×47.734=31.355kg 其中Zn 25.192kg，O 6.163kg
将结果列于下表：
焙砂的物相组成
组成Zn Cd Cu Pb Fe Ss Sso4CaO MgO Al2O
SiO2O 其他共计
3
ZnS 0.291 0.143 0.434
1.074 0.525 1.050
2.649 ZnSO4
ZnO 25.194 6.16331.355
ZnO
1.173
2.004 1.148 4.325 ·Fe2O
Fe2O3 3.006 1.292 4.298 CdO 0.112 0.016 0.128 CuO 0.242 0.061 0.303
PbO
0.620 0.180 0.048 0.848 ·SiO2
CaO 0.566 0.566
Mg
0.227 0.027 O
Al2O30.077 0.077 SiO2 1.481 1.481 其他 1.243 1.243 共计27.73 0.112 0.242 0.620 5.010 0.143 0.525 0.566 0.027 0.077 1.661 9.778 1.243 47.734 % 58.090.23 0.51 1.3 10.5 0.30 1.10 1.19 0.06 0.16 3.48 20.48 2.6 100 在湿法炼锌过程中，熔化阴极锌时会得到少量浮渣，经球磨水洗后分离出水洗浮渣和锌珠。

锌珠或单独熔化铸锭，或与阴极锌一起熔化铸锭。

水洗浮渣则返回加入沸腾焙烧炉内，脱去其中的氟、氯等。

设投入100kg锌精矿，产出水洗浮渣0.903kg，含锌77.5％，则水洗浮渣中锌量为0.7kg，设此锌量在水洗浮渣中全部以氧化锌形式存在，且在沸腾焙烧过程中这一部分氧化锌全部进入烙砂中。

水洗浮渣各组分为：
ZnO (0.903×77.5%×81.4)/65.4=0.871kg
其中：Zn 0.7kg，O 0.171kg
其他：0.903-0.871=0.032kg
所以进入焙烧炉的物料量为：精矿100kg ，水浮渣0.903kg，共计100.903kg。

产出的烟尘量40.387kg，焙砂量=47.734+0.903=48.558 kg，共计焙烧矿88.878kg
烟尘产出率占焙烧矿的45.37%，焙砂产出率占焙烧矿的54.63%。

焙烧矿物相组成见下表：
焙烧矿物相组成
组成Zn Cd Cu Pb Fe Ss Sso4 CaO MgO Al2O3SiO2O 其他共计ZnS 0.700.34 1.04 ZnSO 2.83 1.38 2.777.00
ZnO 45.5911.1556.74 ZnO
1.97 3.37 1.937.27 .Fe2
Fe2O 5.73 2.468.20 CdO 0.280.040.32 CuO 0.440.110.55
PbO
1.240.360.09 1.69 .SiO
CaO 1.03 1.03 Mg0.050.05 Al2O0.14 0.14 SiO2 2.66 2.66 其他 2.29 2.29
共计
51.11 0.280 0.440 1.240 9.110 0.345 1.389 1.030 0.050 0.14 3.02 18.578 2.292 89.024 % 57.40.31 0.49 1.39 10.20.39 1.56 1.16 0.06 0.16 3.39 20.8 2.58 100 3.4 焙烧要求的空气量及产出烟气量与组成的计算
3.4.1 焙烧矿脱硫率计算
精矿中的硫量为31.16kg ，焙烧矿中的硫量为：0.345+1.389=1.734kg
进入烟气的硫量为：31.160-1.734=29.426 kg
焙烧矿脱硫率为：29.426÷31.16=94.44%
3.4.2 出炉烟气计算
假定脱掉的硫中95%生成SO2，5%生成SO3，则：
生成SO2需要的氧气量为：29.426×0.95×32÷32=27.955kg
生成SO3需要的氧气量为：29.426×0.05×48÷32=2.207kg
焙烧矿中氧化物和硫酸盐生成所需要的氧量：18.578kg，则100kg锌精矿（干精矿）焙烧
需要理论氧量为：
27.955+2.207+18.578-0.171=48.569kg
空气中氧的质量百分比为23%，实际需要空气量：48.569÷0.23=211.7kg 过剩空气系数取1.25，实际需要空气量为：
211.17⨯1.25=263.96kg
空气中各组分的质量百分比为N 2 77%、O 2 23%，鼓入263.96kg 空气，其中 N 2 263.96⨯0.77=203.25kg O 2 263.69⨯0.23=60.71kg
标准状况下，空气密度为1.293kg/每立方米，实际需要空气的体积为 263.96÷1.293=204.15m 3 空气中N 2和O 2的体积百分比分别为79%，21%，则
N 2 204.15⨯0.79=161.279m 3 O 2 204.15⨯0.21=42.871m 3 焙烧炉排出的烟气量和组成： （1）焙烧过程中产出：
SO 2 29.426⨯0.95⨯64÷32=55.910kg SO 3 29.426⨯0.05⨯80÷32=3.678kg （2）过剩的氧气量：
60.71-48.569=12.141kg （3）鼓入空气代入的氮量：203.25kg 。

（4）CaCO 3 和MgCO 3分解产生CO 2量：
0.81+0.05=0.86kg （5）锌精矿及空气代入水分产生的水蒸汽量
进入焙烧炉的锌精矿湿度是6%，100kg 干精矿代入的水分为kg 4.6%6%
61100
=⨯-
空气代入的水分量计算：
假设该地区气象资料：大气压力100631.72pa ，相对湿度77%，平均气温17.5，换算为此条件下的空气需要量：
3m 733.218273
5
.1727310063110132515.204=+⨯⨯
空气中的饱和含水气量为0.0162kg/m3，代入的水分量： 218.733⨯0.0162⨯0.77=2.728kg
代入水分总量为：6.4+2.728=9.128kg 或者
311.359m 22.418
9.128
=⨯ 以上结果，列于表：
烟气组成表
组成 质量/kg 体积 体积比/% SO 2 55.910 19.569 9.62 SO 3 3.678 1.030 0.51 CO 2 0.86 0.438 0.22 N 2 203.25 162.600 79.90 O 2 12.141 8.500 4.18 H 2O 9.128 11.359 5.58 共计
284.967
203.496
100
根据计算结果，编制物料平衡表：
沸腾焙烧物料平衡表
加入的产出的名称kg % 名称kg % 干精矿100 26.74 烟尘40.387 10.80 水洗浮渣0.903 0.24 焙砂48.637 13.00 精矿中的水分 6.4 1.71 烟气284.967 76.20 干空气263.96 70.58
空气中的水分 2.728 0.73
共计373.991 100 共计373.991 100
物料平衡加入=产出
第四章 沸腾焙烧炉热平衡计算
4.1 热收入
进入沸腾焙烧炉的热量包括反应热及精矿，空气和水分代入的热量 （1）硫化锌按下式反应氧化放出之热量为Q 1：
ZnS+12
1O 2= ZnO+SO 2+443508kj
生成ZnO 的ZnS 量：（19.703+0.800+25.192+1.173）×4
.654.97=69.642公斤
Q 1=
317113
4
.97642
.69443508=⨯kj （2）硫化锌按下式反应硫酸盐化放出之热量为Q 2：
ZnS+2O 2=ZnSO 4+774767 kj
生成ZnSO 4的ZnS 量： （1.765+1.074）⨯97.4÷65.4=4.228kg
Q 2=774767⨯4.228/97.4=34109kj
（3）.ZnO 与Fe 2O 3按下式反应生成ZnO·Fe 2O 3放出之热量为Q 3：
ZnO+Fe 2O 3=ZnO·Fe 2O 3+114300kj
生成ZnO·Fe 2O 3的ZnO 量：（0.800+1.173）×4
.654.81=2.456kg
Q 3=114300⨯2.456/81.4=3449kj
（4）FeS 2按下列反应氧化放出热量为Q 4
4FeS 2+11O 2=2Fe 2O 3+8SO 2+3310084 kj Q 4=3310084⨯0.30÷479.4=2071kj （5） FeS 按下列反应氧化放出热量为Q 5
2FeS+2
7O 2=Fe 2O 3+2SO 2+1226774kj Fe 7S 8分解得到FeS 量： 8.58+5.62×8
7=13.50kg CuFeS 2分解得到FeS 量： 0.39+0.44×2
1=0.61kg
得到FeS 总量为： 13.50+0.61=14.11 kg Q 5=（1226774⨯14.11）÷（2⨯87.85）=98519kj （6） CuFeS 2和Fe 7S 8分解得到硫燃烧放出热量为Q 6
2CuFeS 2=Cu 2S+2FeS+2
1S 2
分解出S 量： 1.27⨯32÷366.8=0.111kg Fe 7S 8=7FeS+2
1S 2
分解出S 量： 14.2⨯32/646.95=0.702kg 1kg 硫燃烧放出热量为9303kj
Q 6=（0.111+0.702）×9303=7563kj （7）PbS 按下式反应放出热量为Q 7
PbS+3/2O 2=PbO+SO 2+421569kj
PbO+SiO 2=PbO·SiO 2+8499kj
生成PbO 放出热量： 421569⨯1.43/239.2=2520kg 生成=PbO·SiO 2量： 0.848+0.848=1.696kg 生成=PbO·SiO 2放出热量： 8499⨯1.696/283.3=51kg Q 7=2520+51=2571kj （8）CdS 按下式反应放出热量为Q 8
CdS+3/2O 2=CdO+SO 2+413656kj 生成CdO 之CdS 量： 0.28×4
.1124.144=0.36kg
Q 8=413656⨯0.36/144.4=1031kj （9）Cu 2S 按下式反应氧化放出热量为Q 9
Cu 2S+2O 2=2CuO+SO 2+413656kj 生成CuO 之Cu 2S 量：0.44×1
.1271.159=0.55kg
Q 9=（533691⨯0.55）/159.1=1845kj （10）部分SO2生成SO3放出的热量Q 10
kj 983482
1
322+
=+SO O SO Q 10=（3.678/80）⨯98348=4522kj （11）锌精矿带进热量为Q 11
进入沸腾炉焙烧的锌精矿温度为40℃，锌矿的比热取0.84kj/kg ·℃ Q 11=100.903⨯40⨯0.84=3390kj （12）空气带进热量为Q 12
空气比热取1.32kj/kg ·℃，空气温度为17.5℃ Q 12=218.733⨯17.5⨯1.32=5052kj
（13）入炉精矿含水6.4kg ，水分比热容取4.1868kj/kg ·℃，精矿中的水分带入量Q 13 Q 13=6.4⨯40⨯4.1868=1072kj 热量总收入Q 总收=Q1+Q2+Q3+..........Q 13
=317113+34109+3449+2071+98519+7563+2571+1031+1845+4522+3390+5052+1072 =482307kj
4.2 热支出
（1）烟气带走热量为Q 烟
炉顶烟气温度900℃，各组分比热为（kj/m 3·℃）
SO 2 SO 3 CO 2 N 2 O 2 H 2O 2.215 2.303 2.181 1.394 1.465 1.687
Q 烟=（19.569×2.215+1.03×2.303+0.438×2.181+162.6×1.394+8.5×1.465+11.359×1.687）×900 =304.952×900=274457kj
（2）由烟尘带走的热量为Q 尘（由炉中出来焙砂温度为900℃，其比热为0.84kj/公斤·℃）
Q 尘=40.387×900×0.84=34727kj
（3）焙砂带走热量为Q 焙
由炉中出来焙砂温度为850℃，其比热容为0.84kj/kg.c
Q 溶=48.637⨯850⨯0.84=34727kj
（4）锌精矿水分蒸发带走的热量为 Q蒸
Q蒸= G水t水C水+G水r
式中：G水—精矿中水分的质量，kg；
t水—精矿中水分的温度，40℃；
G水—水的比热容kj/（kg.℃）。

r—水的汽化热kj/kg，40摄氏度时r为2407
Q蒸=6.4 40×4.1868+6.4×2407=16477kj
（5）精矿中碳酸盐分解吸收之热量为Q分Ⅰ，CaCO3分解吸热1583kj/kg，MgCO3分解吸收1315kj/kg。

Q分Ⅰ=1583×1.84+1315×0.1=3044kj
（6）CuFeS2和Fe7S8分解吸收之热量为Q分2（按1公斤Fe消耗热量为929kj）
Q分Ⅱ=（0.39+8.58）×929=8333 kj
（7）通过炉壁的炉顶的散失热量为Q散（散热损失均为热收入的5%）
为简化计算，按生产实践，散热损失均为热收入的2.3%--5.5%。

取5%
Q散=482307×5%=24115kj
（8）其他热量损失Q损
其他热量损失包括溢流口散热，清理孔打开时的辐射热损失等，这部分热损失按热收入的1%计
Q损=482307×1%=4823kj
（9）剩余热量Q剩
Q剩=Q总收-（Q烟+Q尘+Q熔+Q蒸+Q分Ⅰ+Q分Ⅱ+Q散+Q损）
=482307-（274457+30533+34727+16477+3044+8333+24115+4823）
=482307-396509
=85798kj
计算结果列于表：
锌精矿沸腾被烧热平衡
热收入热支出
项目kj % 项目kj % 焙烧反应热
ZnS氧化成ZnO 317113 烟气带走热274457 56.91 ZnS转化为ZnSO434109 烟尘带走热30533 6.33 ZnO和Fe2O3生成ZnO.Fe2O33449 焙砂带走热34727 7.20 FeS2氧化成Fe2O32071 水分蒸发带走热16477 3.42 FeS氧化成Fe2O398519 碳酸盐分解3044 0.63 分解硫燃烧7563 CuFeS2和Fe7S8分解8333 1.73 PbS生成PbO·SiO22571 炉壁及炉顶散热24115 5.00 CdS氧化成CdO 1031 其他热损失4823 1.00 Cu2S氧化成CuO 1845 剩余热85798 17.78
SO2生成SO34522
精矿代入热3390
空气代入热5052
水分代入热1072
共计482307 100 共计482307 100
第五章 沸腾焙烧炉的选型计算
5.1 沸腾焙烧炉炉型选择
本设计采用圆形断面，柱形床，直筒型沸腾焙烧炉
5.2 床面积
F=
a
A 式中F —需要的床面积
A —每日需要焙烧的精矿量，t/d a —炉子床能率t/（m2.d ）
确定A:设沸腾焙烧炉每年工作330天，床能率取5.5t/（m2.d ），年处理5.6万吨锌，
d t A /169.70330
56000==
则： F 床285.305
.570.169m a A ===
5.3 前室面积
我国使用的18.7—45m 2的流态化焙烧炉均有前室。

小于5m 2的路子可不用前室。

16m 2
的炉子也有不用前室的。

由于本设计的炉床面积为69m 2固应该采用前室。

前室有矩形和扇形两种，一般为1.5~2m 2。

这里取2m 2。

5.4 流态化床断面尺寸
前床前床床π
）
（F F F F D -1.13-4==
式中 前室f —流态化焙烧炉加料前室面积，m 2。

床f —流态化焙烧炉炉床面积，m 2。

床D —炉床直径，m 2。

矩形炉的炉长与宽尺寸之比，国内一般为2—3∶1。

可以适应生产要求。

其关系式如下：
)3~2/(f B =
床
B L )3~2(=
式中 B —为矩形炉宽，m ；
L —为矩形炉的长边长度，m 。

由于本设计采用圆形带前室炉型，固床断面尺寸
6.07m 2-30.851.13
==床D
取沸腾床直径D=6.07m ，此时沸腾炉床面积实际为：
22
30.92m 23.1426.07=+⨯⎪⎭
⎫ ⎝⎛ 故沸腾炉实际单位生产率为
5.5 流态化床高度（排料口高度）
流态化床高度近似的等于气体分布板至溢流口下沿的高度，一般它是由炉内的停留时间、流态化床的稳定性和冷却器的安装条件等因素确定。

国内生产的流态化高度一般为0.9~1.2m 。

本设计取1.2m 。

5.6 炉膛面积和直径
膛
床
膛烟膛）β（W F t V a F 864001⋅+⋅=
式中：a —沸腾焙烧炉单位面积生产率，吨/m 2·d ； 烟V —单位炉料产出量，2034.96m 3 ； 膛t —炉膛温度，950℃ ； 床F —炉床面积，30.85m 2； 膛W —带KW
带W —颗粒带出速度，一般为1.35m/s ，和精矿粒度有关，K 取0.3~0.55，
这里取小值0.3。

膛W —0.3×1.35=0.405m/s β—1/273
221.44405
.08640085
.30)273950/12034.965.5m F =⨯⨯+⨯⨯=
（膛
7.51m 1.13==膛膛F D
炉腹角取φ取20°。

5.7 炉膛高度
1、未扩大直筒部分H 1，根据操作和安装方便而定，一般取2.6m 。

2、扩大部分高度H 2
1.98m 20-21
2=︒⋅=ctg D D H ）（床膛
3、炉膛高度膛H
膛
床膛烟）β（F t F t V a H ⋅⋅⋅+⋅=8640013
式中t —烟气在炉内必须停留的时间，秒，取20s 。

膛
床膛烟）β（F t
F t V a H ⋅⋅⋅+⋅=
8640013=8.1m
12.68m 321=++=H H H H 膛
炉膛容积： 床膛）（F V 18~10=
5.8 气体分布板及风帽
5.8.1 气体分布板孔眼率
气体分布板孔眼率即风帽孔眼总面积与炉床面积的比值。

根据国内工厂实践，锌精矿流态化焙烧炉空气分布板的孔眼率一般为0.7~1.1%。

本设计选用1.0%。

5.8.2 风帽
风帽分菌形、伞形、锥形等，风帽孔眼有侧孔式、直通式、密孔式等。

本设计采用侧孔式菌形风帽，因为从测孔喷出的气体紧贴分布板面而进入流态化床，搅动作用好，孔眼、不易堵塞、不易漏料等。

风帽的孔眼数一般为4、6、8，孔眼直径3~10mm 。

高温氧化焙烧炉的孔眼直径取8~10mm 。

风帽材料多用普通铸铁，高温氧化焙烧应采用耐用铸铁。

风帽数量一般可由下式计算：
孔
前床炉床孔）
（278.5nd F F b N +=
式中 N —风帽个数；
n —个风帽上的孔眼个数，6； 孔d —风帽孔眼直径，mm ，9mm ； 孔b —分布板孔眼率，%，1.0%。

本设计采用的风帽个数为：
175978.52
=+=
孔
前床炉床孔）
（nd F F b N 所以N=1759个。

第六章 辅助设备的设计与选择
一 辅助设备包括在物料准备系统、加料系统、供风系统和排烟系统。

6.1 供风系统
6.1.1 鼓风机
沸腾层流体阻力计算
流体层流体阻力按下式计算：
）毫米汞柱）（（气固层δ-1-r r H P =∆
式中：P ∆—沸腾层流体阻力，毫米水柱； 层H —沸腾层高度，米； 固r —锌精矿比重，千克/米3 气r —气体比重，千克/米3；
δ—沸腾层孔隙率，一般在0.65~0.85间。

本设计取0.75。

所以， 毫米汞柱）（）（12000.75-10.98-40001.2
=⨯=∆P 鼓风机压力按下式计算：
）毫米水柱）（（低P P P ∆+∆= 1.5~1.3
式中：P ∆—炉底分布板压力，一般情况下，低P ∆在50~100毫米水柱之间有的地方取沸腾层压力降低10%~20%；
本设计取低P ∆=100毫米水柱。

则， P=1.5(1200+100)=1950毫米水柱
鼓风机风量：
分标米/233.10.97
1440169.701918.73=⨯⨯=Q
为了有富余能力，过量30%则
分标米/303.04233.11.33=⨯=Q
现在可根据产品目录选择需要的鼓风机了，可选用天津鼓风机生产的罗茨鼓风机三
台，一台备用；
鼓风机性能
型号
风量
风压
电动机
型号
功率 LCA60⨯65—16
0/0.20
160标米3/分
2000毫米水柱
JR116—6
95千瓦
必须指出的是，风量还必须考虑当地的气候条件，即年平均气温及当地大气压。

沸腾焙烧炉的鼓风机要求其鼓风量不随阻力之增减而发生较大的波动，即有较为稳定的风量。

罗茨鼓风机能满足这些要求。

6.1.2 供风管
由4.7.2鼓风机的选择一节中可得日处理169.7t 湿精矿的沸腾焙烧炉，每分钟应供给204.15标米空气，则每秒钟应供给的空气为3.89标米。

如果当地气压为100631．72Pa ，平均气温17．5℃，则风机每秒钟实际供风量为：
B
P P t Q Q 0
0)1⋅
+=β（ 式中：Q —风机每秒钟实际供风量，m ³/s Q 0—每秒钟需要供给的风量，m ³/s P 0—标准大气压力，Pa P B —当地大气压力，Pa
计算：Q=3.89×（1+17.5/273）×101325/100631.72 =1.071433×3.89 =4.17m ³/s
冷空气在金属管道内流速一般为9~12m/s ，取10m/s 进行计算，则供风管道直径为：D=1.13
风
w Q
=1.13104.17=0.73米
式中：D — 供风管道直径
w 风— 管道内风速，m/s ，
6.2 排烟收尘系统
排烟系统包括余热利用设备、收尘设备、排风机等。

在此主要讨论收尘设备 6.2.1 旋风收尘器
有烟气量计算可知，焙烧100kg 于精矿需要供给203.496m3烟气。

当沸腾炉每日处理169.7t 湿精矿时，每秒钟产出的烟气量3.89m 3。

设余热锅炉的漏风率为15%，旋风收尘器入口温度为400℃，则每秒钟旋风收尘器入口烟气量为：
Q=Q 0·(1+k ）（1+βt ）P 0/P B
式中：O 0—沸腾炉每秒喊出的烟气量，m ³； k —余热锅炉漏风率
则Q=3.89×（1+0.15）×(1+400/273）×103125/100631.72=11.30m ³/s 选用H-15型六筒旋风收尘器。

通体有效直径D=c
64νπQ
式中：Q —每秒钟进入旋风收尘器的烟气量，m ³/s
c ν—简体断面流速，一般为3.3到3.7m/s ，这里取3.5m/s
D=
0.83m 3.5
3.14611.30
4=⨯⨯⨯
根据计算结果，确定选用H15-6×800型旋风收尘器一台。

6.2.2 排风机
风机的选择计算与鼓风机的选择计算基本相同，主要考虑风压和风置两个参数。

风压：排风机的风压由烟道阻力损失和烟道上各种设备的阻力损失决定。

通常姻道的阻力损失很小，有时在计算过程中忽赂不计。

沸腾焙烧炉烟气出口处一般为微负压，取—50Pa 。

余热锅沪阻力损失一般小于400Pa ，取300Pa 。

旋风收尘器阻力损失一般为600一2000Pa ，取1300Pa 。

风机出口处假设为50Pa 。

考虑到风机风压要有30％的富裕能力，则风机风压力：
P ＝1.3(50+300+1300+50)＝2210Pa
风量：设旋风收尘器漏风率为5％．排风机入口处烟气温度为350℃，考虑到 风机风量有30％富裕能力，则排风机风量应为: Q=1.3×3.89×（1+0.15+0.05）（273+350）/273×101325/273/100631.72 =13.94m ³/s=50184m ³/h
根据计算结果，选用FW9-27-11No12排风机一台。

6.2.3 电收尘器
设排风机漏风率为5%，电收尘器入口烟气温度为320℃，则进入电收尘器的烟量为： Q=3.89×（1+0.15+0.05+0.05）（273+320）×101325/（273×100631.72） =10.63m ³/s=38266m ³/h
设电收尘器内烟气速度为0.5m/s ，则电收尘器所需的总有效面积为；
F=ν
Q 式中：Q —进入电收尘器的烟气量，m ³ ν—电收尘器内烟气速度，m/s
F=10.63/0.5=21.26m 2
根据计算结果，选用F=30m 2电收尘器一台。

6.2.4 烟道
烟道采用金属管道。

烟气在管道内流速一般为10—15m/s 取12m/s
（1）余热锅炉——旋风收尘器烟道。

余热锅炉漏风率为15％，烟气温度为锅炉出口烟气温度和旋风收尘器入口烟气温度的平均值
t =（450+400）/2=425℃
Q=3.89×（1+0.15）×72
.100631101325
273425273⨯
+ =11.52m ³/s 烟道的截面积为：
F=
ω
Q 式中：Q —进入烟气的烟气量，m ³ ω—烟气在管道内的流速，m/s
F=11.52/12=0.96m 2 烟道直径为： D=
1.11m 3.14
0.96
44=⨯=πF 取烟道直径为1.20m 。

（2）旋风收尘器-----排风机烟道
Q=3.89×（1+0.15+0.05）×（101325/100631.72）（273+375）/273 =2.867974×3.89 =11.16m 3/s
烟道的截面积为： F=Q/ω=11.16/12=0.93m 2 烟道直径为： D=
1.08m 3.14
0.93
44=⨯=πF 取烟道直径为1.10m 。

（3）排风机电收尘器烟道
Q=3.89×（1+0.15+0.05+0.05）×（101325/100631.72）（273+335）/273 =10.90m ³
烟道截面积为： F=Q/ω=10.90/12=0.91m
烟道直径为： D=
1.07m 3.14
0.91
44=⨯=πF 取烟道直径为1.10m 。

经上述计算，余热锅炉—旋风收尘器烟道直径为1.20m ；旋风收尘器—排风机烟道和排风机—电收尘烟道直径为1.10m 。