Cuptorul Vanyukov este un cuptor de topire autogen pentru prelucrarea concentratelor de cupru, cupru-nichel și cupru-zinc. Topirea are loc în baia de zgură-mat a cuptorului, unde este furnizat intens un amestec de oxigen-aer . Cuptorul este una dintre variantele unității de topire într-o baie de barbotare lichidă; analogul său în metalurgia feroasă este cuptorul Romelt .
Tehnologia a fost propusă de metalurgistul sovietic Andrei Vladimirovici Vaniukov (1917-1986); dezvoltarea procesului a fost realizată de institutele MISiS , Gipronickel , Gintsvetmet , Stalproekt și alte organizații ruse specializate.
Cuptoarele industriale Vanyukov sunt utilizate pentru topirea minereurilor de sulfură de nichel, a concentratelor de cupru, nichel și plumb. Există două cuptoare în funcțiune la o fabrică de minerit și topire din orașul Balkhash , Republica Kazahstan ; două cuptoare în Norilsk , Rusia ; două cuptoare în orașul Revda , Rusia; un cuptor cu design cu două zone funcționat anterior în orașul Orsk , Rusia, un cuptor funcționează în orașul Almalyk , Uzbekistan.
Se propune utilizarea procesului de topire în cuptorul Vanyukov (într-o versiune neautogenă) pentru topirea feronicului din minereurile de nichel oxidate , procesarea deșeurilor solide municipale etc., cazurile nu depășesc domeniul de aplicare al testelor de laborator integrate.
Reacţiile exoterme au loc în zgură , datorită oxigenului introdus în mod continuu de explozie . Căldura degajată în aceste reacții menține temperatura necesară procesului. Ca urmare, după un timp, temperatura particulei din zgură atinge temperatura medie în cuptor, iar pelicula de zgură aproape de suprafață se încălzește și se lichefiază, ceea ce duce la o accelerare a reacțiilor chimice de interacțiune între particulele de sarcină . iar zgura. Când o topitură a mineralelor sulfurate din materii prime de cupru intră în baie, disocierea sulfurilor de cupru are loc secvenţial, de exemplu:
CuFeS 2 \u003d 1/2 Cu 2 S + FeS + 1/4 S 2 FeS 2 \u003d FeS + 1/2 S 2 Cu 5 FeS 4 \u003d 5/2 Cu 2 S + FeS + 1/4 S 2Descompunerea calcarului are loc și :
CaCO 3 \u003d CaO + CO 2Sulfurile inferioare (Cu 2 S, FeS) se topesc și formează picături mate și se dizolvă parțial în zgură. Atunci când topiturii este furnizată o suflare care conține oxigen, componentele încărcăturii și topitura sunt oxidate. În conformitate cu caracteristicile termodinamice ale reacțiilor, atunci când se utilizează combustibil, componentele de hidrocarburi ale sarcinii sunt oxidate „în primul rând”:
C + O 2 \u003d CO 2 CH 4 + 2 O 2 \u003d CO 2 + 2 H 2 OOxigenul rămas este utilizat pentru oxidarea sulfului elementar în faza gazoasă, a sulfurilor de fier din mată și a sulfurilor de fier și de cupru dizolvate în zgură.
În conformitate cu termodinamica în faza gazoasă, pe lângă CO 2 , H 2 O, SO 2 , componentele oxidării incomplete ar trebui să fie prezente și în unele cantități, de exemplu, cum ar fi H 2 , CO, SO, S 2 , H 2 S etc. Conținutul de componente combustibile în faza gazoasă este determinat în primul rând de parametrii termodinamici ai sistemului — activitățile componentelor și temperatura procesului. De asemenea, au loc o serie de alte reacții, de exemplu, zgura și oxidarea parțială a FeO la magnetit. Prezența sulfurilor de fier, a sulfului și a agenților reducători în topitura din zona tuierei creează oportunități bune pentru reducerea magnetitului; este de asemenea posibilă sulfurarea zgurii elementare în fază gazoasă de sulf.
Procesul este o topire și oxidare continuă într-o baie de zgură a unei topituri de materii prime de sulfură de cupru. Baia este barbotată cu explozie care conține oxigen. Mata formată în timpul topirii este îndepărtată continuu din cuptor printr-un sifon mat în partea inferioară a băii de zgură.
Sarcina de sulfură este introdusă în baia de topire a cuptorului prin trei jgheaburi de încărcare. Bucățile de încărcare rece, atunci când sunt încărcate în cuptor, sunt scufundate în zgură lichidă fierbinte la o temperatură de 1250-1600 °C. Zgura lichidă udă suprafața particulelor solide ale încărcăturii și le încălzește la o temperatură la care încep interacțiuni fizice și chimice intense între ele, având ca rezultat formarea produselor finale de topire. În același timp, la o adâncime de aproximativ 0,5 m de la suprafață, topiturii de zgură sunt furnizate explozie cu conținut de oxigen pentru topire (dacă este necesar pentru echilibrul termic, gaz natural sau combustibil lichid).
Oxigenul de explozie și gazul natural interacționează cu zgura, generând căldură datorită reacțiilor exoterme și creează condițiile redox necesare în topitură. Viteza jetului de gaz la ieșirea din tuyeră este de 150-220 m/sec. Amestecarea gazoasă a topiturii și incluziunile materialelor prelucrate intensifică interacțiunile chimice și fizice în zona de deasupra tubului a băii de topire.
Astfel de viteze mari de alimentare cu jet de gaz oferă un caracter de canal stabil al jetului la o distanță de 100-400 mm de la ieșirea din tuyeră. În plus, mișcarea gazelor de explozie încetează să aibă un caracter de canal și jetul se sparge în bule de gaz. Interacțiunea chimică a oxigenului de explozie și topitura are loc pe pereții canalului, suprafețele bulelor de gaz și picăturile de topitură.
Zona tuyeră (barbotare) a cuptorului fotovoltaic este locul în care au loc principalele interacțiuni fizice și chimice - oxidarea componentelor de sarcină prin oxigen de explozie, dizolvarea cuarțului și a altor componente de sarcină refractară, formarea de zgură și mată. Picăturile mate rezultate se instalează în zona sub-tuyeră și mai departe în faza mată inferioară. În condițiile curgerii continue a încărcăturii de sulfură în zona tuierei și a picăturilor de mată din aceasta, se formează o emulsie de zgură-mat cu un anumit raport de zgură și mată în zona de barbotare. În acest caz, faza continuă din emulsie este zgură, iar faza dispersată este mată. Emulsia de zgură-mat constă din ~95% în volum de zgură și ~5% în volum de mată. Viteze mari de transfer de căldură și masă sunt asigurate prin barbotare și amestecarea viguroasă a emulsiei de zgură-mat în zona de tuyeră a cuptorului. Materialul încărcat în zona de tuyeră este distribuit rapid pe întregul volum de zgură din zona de barbotare. Aceasta conduce la o egalizare rapidă a temperaturii medii și a compoziției produselor topituri în întreaga zonă de barbotare. Sub axa tuyerelor (zona de sub tuiere), fazele lichide formate ca urmare a reacțiilor formează straturi separate, separate prin greutatea specifică. Fazele lichide sunt apoi evacuate prin canale de evacuare separate. Odată cu încărcarea continuă a încărcăturii în topitură, alimentarea cu suflare și eliberarea topiturii și gazelor în cuptor, cu invarianța parametrilor de intrare, se stabilesc anumite condiții constante de timp care determină compoziția lichidului și gazos rezultat. produse de topire. Numeroase studii arată că aceste condiții sunt foarte apropiate de condițiile de echilibru termodinamic, care se realizează în primul rând datorită ratelor ridicate de transformări fizico-chimice în procesul Vanyukov.
Cantitatea de mată în condițiile de topire a încărcăturii în emulsia barboantă de zgură-mat este mică - nu depășește 5-8%. Picăturile mici au o mare probabilitate de a se întâlni; ele se unesc, cresc mai mari și părăsesc zona de deasupra tuierei. Astfel, distrugerea picăturilor mari și mărirea incluziunilor subțiri duce la faptul că cantitatea principală de mată dintr-o emulsie de zgură-mat este conținută în picături cu o dimensiune de 100-500 μm. Astfel de picături se depun în zona sub-tuyeră cu o rată ridicată.
În procesul de topire Vanyukov, o parte din încărcătură (până la 2% din greutatea încărcăturii) și micile stropi de zgură sunt transportate de gazele de eșapament în conducta de gaz fără a ajunge la bazinul de topire.
Trebuie remarcat faptul că particulele de sarcină, care se deplasează de-a lungul conductei de gaz, sunt oxidate de scurgerile de aer și sulfatate. Acest lucru este facilitat de o scădere a temperaturii gazelor de-a lungul lungimii coșului de fum. Deci, dacă în praful cazanului de căldură reziduală aproximativ jumătate dintre compuși sunt sulfuri de cupru și fier, unii sunt oxizi de fier și zinc și doar aproximativ o treime sunt sulfați, atunci praful precipitatorului electrostatic este reprezentat aproape în întregime de sulfați cu o proporție mică de oxizi de fier.
Temperatura gazelor de ardere în farmacie este de 1100–1300 °C. Conținutul de dioxid de sulf din gazele de eșapament depinde de gradul de îmbogățire al suflului și de compoziția matei în cupru: cu cât procentul de îmbogățire a suflului din punct de vedere al oxigenului este mai mare și cu atât conținutul de cupru din mată este mai mic. , cu atât concentrația de dioxid de sulf în gaz este mai mare. Gazele de eșapament trebuie răcite și curățate de praful grosier și fin înainte de a fi furnizate la producția de acid sulfuric.
Efectuarea procesului de topire in cuptorul HP este inseparabila de functionarea continua a sistemelor care alcatuiesc complexul HP; sisteme de alimentare cu încărcare, alimentare cu oxigen și gaz natural, răcirea elementelor casetate ale cuptorului, îndepărtarea continuă a produselor de topire - zgură, mată și gaze de proces, purificare, răcire și utilizare gaze de proces, aspirație, sisteme. Toate elementele de cheson ale cuptorului sunt răcite cu apă purificată chimic reciclat într-o cantitate de până la 1000 m³/h la o presiune la intrarea în chesoane și tuburi de 0,6 MPa.
Complexul de cuptoare fotovoltaice funcționează cu consumul de diverse tipuri de combustibil: cărbune și gaz natural pentru nevoi tehnologice și pentru încălzirea matei și sifoane de zgură, jgheaburi de încălzire pentru distribuirea matei și zgurii. Combustibilul principal este gazul natural.
Cuptorul fotovoltaic este format din mai multe noduri:
Spațiul de lucru dreptunghiular al cuptorului este realizat din chesoane și materiale refractare răcite cu apă. Pereții laterali și de capăt ai puțului sunt asamblați din chesoane masive de cupru răcite cu apă, cu bobine umplute în interior. Pe suprafața chesoanelor orientate spre interiorul cuptorului, se formează o margine , care le protejează în mod fiabil de temperaturi ridicate și eroziune. Chesoanele sunt montate pe trei niveluri în înălțime. Sub cureaua casetată, spațiul de lucru este realizat din cărămizi crom-magnezit pe umplutură de argilă refractă. În chesoanele nivelului inferior, la o înălțime de 2 ... 2,5 m de jos, sunt prevăzute găuri pentru instalarea lăncilor răcite cu apă pentru alimentarea cu explozie și, dacă este necesar, combustibil carbonace (gaz natural, păcură sau praf de cărbune) este de asemenea furnizat prin intermediul acestora.
Cuptorul fotovoltaic este echipat cu două rânduri de tuburi pe fiecare parte. Aerul îmbogățit cu oxigen este furnizat prin rândul de jos de lănci împreună cu gazul natural. Al doilea rând de tuiere servește la menținerea topiturii în stare lichidă atunci când cuptorul este oprit în „așteaptă fierbinte” pentru mai mult de 10-20 de ore și pentru arderea ulterioară a componentelor combustibile ale gazelor de proces. [unu]
Rândul de tuiere împarte baia cuptorului în două zone situate orizontal: deasupra tuierei și sub tuyeră. În zona de supra-tuyer are loc amestecarea intensivă a topiturii, încărcăturii și fazei gazoase. Datorită acestui fapt, compoziția optimă a zgurii este menținută pe întregul volum al zonei, iar cuarțul și alte componente ale încărcăturii sunt dizolvate rapid. În zona sub-tuyeră, fluxul de topire în mișcare nu mai este amestecat și este posibil să se creeze gradienți de temperatură, compoziție și alți parametri corespunzători în ea, contribuind la epuizarea zgurii și la scăderea treptată a picăturilor mate mai grele la fundul cuptorului. Mata se indeparteaza continuu printr-un sifon mat situat la un capat al cuptorului. Peretele despartitor de capat are un canal de preaplin inaltime de 490 mm, care leaga spatiul de lucru cu un sifon mat. Nivelul matei din cuptor nu trebuie să scadă sub 500 mm pentru a exclude posibilitatea de a pătrunde zgura în sifonul mat. Sifonul are o fereastră în formă de fante prin care mata intră în mixer de-a lungul unui jgheab încălzit de arzătoare cu gaz, unde se acumulează și este evacuată periodic în oalele de zgură. Este prevăzută o gaură pentru eliberarea de urgență a matei.
De la capătul opus, un sifon de zgură se învecinează cu cuptorul, în peretele despărțitor al căruia este prevăzut un canal de preaplin. Zgura este îndepărtată în mod continuu printr-un jgheab de preaplin casetat încălzit într-un rezervor de stocare a zgurii cu un volum de 25 m³. Pe măsură ce zgura se acumulează, aceasta este evacuată periodic în vasele transportoarelor de zgură feroviară. Rezervorul de stocare îndeplinește și parțial rolul de bazin. Prin urmare, aproximativ o dată pe zi, 10 ... 12 tone de mată de aceeași compoziție ca din sifonul mat sunt eliberate din acesta printr-un dispozitiv special de foraj.
Acoperișul cuptorului, precum și sifoanele mate și de zgură, sunt realizate din sifoane cu cutie răcite cu apă. Fundația tipului de bandă este realizată din beton armat. Pentru izolarea sa termică, ca de obicei, așezați căptușeala. Gazele de eșapament din spațiul de lucru se ridică de-a lungul unei conducte de gaz dreptunghiulare verticală realizată din cărămizi refractare. O cameră de praf casetă se învecinează cu conducta de gaz, în care, din cauza scăderii brusce a vitezei și direcției fluxului de gaz, se depun fracții mari de praf și stropi de topire. Ele intră în partea de buncăr a camerei și, pe măsură ce se acumulează, sunt descărcate periodic cu un șurub în coșul de gunoi reciclat al departamentului de încărcare. Din camera de praf, gazele intră în cazanul de căldură reziduală, iar apoi, după curățarea în cicloane, sunt transferate în producția de acid sulfuric. Amestecul este încărcat continuu prin orificiile din arc prin două căi independente de încălțăminte. Sarcina încărcată în cuptor ca urmare a amestecării intense este distribuită uniform pe întregul volum al stratului de barbotare.
| Cuptoare | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Incalzi | |||||||||||
| Încălzire și gătit | |||||||||||
| bucătărie | |||||||||||
| Industrial |
| ||||||||||