硫铁矿的焙烧计算

出处：按学科分类—工业技术 中国轻工业出版社《制浆造纸工业计算手册上册》第76页（9385字）

1．燃烧反应的计算

(1)矿渣产率X的计算

①计算通式

【说明】矿渣系指从炉床排出的炉渣和由炉气带出的炉灰的总称。假定矿渣中的硫和在原矿中的硫是以同一化合物形式存在，生成的矿渣对所用干矿石的重量比率称为矿渣产率。

【公式】

式中 X——矿渣产率(%)

C_s(理)——矿石中硫的理论含量(%)

C_s——干矿中硫的实际含量(%)

C_s(渣)——矿渣中硫的含量(%)

α——当化合物完全燃烧时，矿渣的理论生成量(%)，焙烧各种含硫原料时的α值

见表1－3－1。

表1－3－1 焙烧各种含硫原料时α值及矿渣产率计算公式

②焙烧各种含硫原料时矿渣产率X的计算

【说明】焙烧各种含硫原料时矿渣产率X的计算公式列于表1－3－1。硫铁矿渣中存在有FeS形式的硫，可以由焙烧硫铁矿的计算通式(式1－3－1)导出。

【公式】

根据表1－3－1中Ⅰ式得：

式中 X——按表1－3－1计算的矿渣产率(%)

C_c——干矿中碳含量(%)

(2)硫利用率的计算

【说明】硫利用率又称硫烧出率，其值可由计算法和查图法求出。

①计算法

【公式】

式中 η_s——硫利用率(%)

C_s、C_s(渣)——原矿和矿渣中的含硫量(%)

【附表】同矿渣一起损失的硫量与硫铁矿中含硫量的关系见表1－3－2。

表1－3－2 同矿渣一起损失的硫量与硫铁矿中含硫量的关系

②查图法

【说明】见根据式1－3－5绘制的硫利用率计算图1—3—1。

图1－3－1 硫利用率计算图

【例】焙烧硫铁矿时，矿含硫24．0%，渣含硫0．8%，由图上方横坐标轴上C_s=24．0%一点a画垂直线与图中的FeS₂曲线交于b点，再由b点画水平线与C_s(渣)=0．8%的斜线交于c点，由c点画垂直线与图下方横坐标轴交于d点，则

得η_s=97．15%。

(3)炉气体积和空气用量计算

①炉气体积V_气

【说明】对于焙烧1t硫铁矿，如不生产SO₃，炉气的体积由式1－3－6计算；当气体中含有SO₂+SO₃时，则按式1－3－7计算。燃烧1千克硫化物时炉气体积见图1－3－2和表1－3－4

图1－3－2 燃烧1kg硫化物时炉气体积

表1－3－4 燃烧1kg硫铁矿时炉气体积和空气消耗量

式中 η_s——硫利用(烧出)率(%)

C_S——干矿中硫的实际含量(%)

CSO₂、CSO₃——炉气中SO₂和SO₃的体积含量(%)

②空气用量V_空

【说明】焙烧1吨硫铁矿的空气理论用量可按式1—3—8计算；燃烧1千克硫铁矿时空气消耗量见表1－3－4。

【公式】

式中 V_气、CSO₂——同式1－3－6

m——按反应方程式所需消耗的O₂的摩尔数和所得SO₂摩尔数的比值，见表1－3-3

表1－3－3 不同燃烧反应的m值

(4)空气过剩系数α

【说明】空气过剩系数α指空气的实际消耗量对理论消耗量之比。燃烧硫铁矿时炉气中SO₂浓度与空气过剩系数的关系见表1－3－5。

表1－3－5 燃烧硫铁矿时炉气中SO₂浓度与空气过剩系数的关系

【公式】

式中 n——空气或含氧气体中氧的浓度(%)，对在空气中燃烧硫铁矿n取21%

m——参加反应的氧摩尔数对生成SO₂摩尔数的比例，对在空气中燃烧硫铁矿

取m=1．375(见表1－3－3)

其它符号含义及单位同前

【讨论】对在空气中燃烧硫铁矿时，空气过剩系数可由式1－3－10进行计算。

(5)炉气中SO₂浓度

【说明】炉气中SO₂浓度随空气过剩系数的增加而降低。在空气中燃烧硫铁矿，且α=1时，炉气中SO₂的理论浓度为16．2%(体积)(见表1－3－5)。

【公式】

式中符号含义及单位同式1－3－9。

(6)炉气中O₂的含量Co₂

①不考虑SO₃生成时Co₂的计算

【说明】用任何组分的氧－氮混合物，燃烧任何含硫原料，所得炉气中O₂含量Co₂及SO₂含量CSO₂(均为体积百分比)之间的关系(不计SO₃的生成)可用式1－3－12表示。

【公式】

CO₂=n－KCSO₂(1－3－12)

式中 n——空气中氧含量(%)(体积)，见表1－3－6

K——系数

其它符号含义及单位均同前

【例】计算用空气燃烧硫铁矿时炉气中O₂的含量。

解：当用空气燃烧硫铁矿时，n=21%，查表1－3－3得m=1．375，则：

Co₂=21—1．296C_SO2 (1－3－14)

②当有SO₃生成时Co₂的计算

【公式】

Co₂=n－KCSO₃－K′CSO₂ (1－3－15)

式中 K′——系数；

m′——参加反应(SO₂+O₂=SO₃)的氧摩尔数对在生成SO₃的燃烧反应中所得的SO₃摩尔数的比例

【附表】不同燃烧反应燃烧气体的成分见表1－3－6。

表1－3－6 燃烧气体的组成

【附图】炉气中O₂浓度和SO₂+SO₃浓度的关系见图1－3－3。

(7)炉气中SO₃的含量

【说明】根据反应：SO₂+O₂=SO₃知，在催化剂的作用下，SO₃的生成反应加速。当炉气和氧化铁接触时，SO₂转变为SO₃的量与温度的关系如图1－3－4所示；炉气中SO₂和SO₃的关系如图1－3－5和表1－3－7所示。应注意的是，新烧成的矿渣不是催化剂，Fe₂()₃的催化作用仅在矿渣中集有大量硫酸盐时才开始发生。在温度为450～550C时，燃烧含硫原料所生成的SO₃最多；温度高于1000℃时，SO₃几乎全部解离成SO₂和O₂；要使炉气中含有最小量的SO₃应尽可能通入少量的过剩空气，控制灰渣及湿式净化系统的排水颜色为棕色可获得较好的结果。炉灰颜色和炉气中SO₃含量的关系见表1－3－8。

图1－3－3 炉气中O₂浓度和SO₂+SO₃浓度的关系

图1－3－4 氧化铁催化剂对炉气中SO₂转化为SO₃的作用

图1－3－5 炉气中SO₂和SO₃的关系

表1－3－7 炉气中SO₂和SO₃的关系

表1－3－8 炉灰颜色和炉气中SO₃含量的关系

(8)炉气中H₂O含量

【说明】在未采取直接加水控制沸腾层温度时，炉空中H₂O含量由矿粉和空气带入。

①燃烧1t干矿，由矿带入的水量W^′

【公式】

式中 W_H2O——矿粉含水量(%)

②燃烧1t干矿，由空气带入的水量W^″

【公式】

式中 α_H2O——在1标准米3干空气中含水量(g)，通常采用在某一温度下饱和湿含量的50～80%

V_空——燃烧一吨干矿的空气用量(标准m³)

③燃烧1t干矿，炉气中总含量W

【公式】

式中符号含义及单位均同上

(9)炉气的热容量

【说明】燃烧硫铁矿时，所得干炉气的平均摩尔热容量可按下列公式计算。

【公式】当炉气温度t=0～500℃时：

=6．78+3．07CSO₂+(0．00081+0．00179CSO₂)t (1－3－20)

当t=500～1000℃时：

=6．87+3．34P_SO2+(0．00063+0．00124C_So2)t (1－3－21)

当t=1000～1500℃时：

=6．95+4．33C_SO2+(0．00055+0．00025C_SO2)t (1－3－22)

式中 ——炉气的平均分子热容量［kca1／(mo1·℃)］

［1kcal／(mol·℃)=4．1868kJ／(mol·℃)］

PSO₂——当炉气总压力为1atm时，炉气中SO₂的分压(atm)，

(1atm=1．013×10⁵Pa)

t——炉气温度(℃)

其它同上

(10)炉气的粘度μ_混

【公式】

式中 μ_混——混合气体在温度t℃时的粘度(Pa·s)

μ₁、μ₂——各组分在温度t℃时的粘度(Pa·s)

m₁、m₂——各组分的体积百分数(%)

T_k1、T_k2——各组分的临界温度(°K)

M₁、M₂——各组分的摩尔质量

【讨论】根据式1－3－23计算的用空气燃烧硫铁矿产生的炉气粘度见表1－3－9；在相同温度下，炉气粘度与空气粘度比较相差很小(见表1－3－10)，故在计算中可用空气粘度代替炉气粘度。

表1－3－9 炉气的粘度(1cP=10^－3Pa·s)

表1－3－10 炉气粘度和空气粘度比较

*表中三组粘度数值系采用不同计算方法所得。1cP=10^－3Pa·s。

(11)炉气的露点t_p

①计算法

【说明】确定含有水蒸汽和SO₃气体的露点的公式见式1－3－24。

【公式】

t_p=186+201gC_H2O+261gC_SO2 (1－3－24)

式中 t_p——炉气的露点(℃)

C_H2O、C_SO2——炉气中H₂O和SO₃含量(体积%)

②列线图法

【说明】根据式1－3－24绘出的列线图见图1－3－6。

图1－3－6 含SO₃和H₂O炉气的露点

(1mmHg=1．333×10²Pa)

③曲线图法

【说明】含SO₃湿气体的露点温度，见图1－3－7。

图1－3－7 含SO₃湿气体的露点温度图

(1mmHg=1．333×10²Pa)

【例】 含SO₃0．05%(分压为3．8Pa)，含水3%(分压为228Pa)的炉气，从图中可以查得其露点温度约为19．3℃，开始冷凝时的酸雾浓度约为93．5%。

(12)炉气的重度

【说明】炉气重度的计算见式1－3－25；在标准状态(0C，1．013×10²Pa)下，不同SO₂浓度的炉气重度见表1－3－11。

表1－3－11 不同SO₂浓度下的炉气重度(1kg／m³=9．81N／m³)

【公式】

γ_混=n₁γ₁+n₂γ₂+……+n_nγ_n (1－3－25)

式中 γ_混——混合气体的重度(N／m³)

n₁、n₂、n_n——在混合气体中各组分的体积百分数(%)

γ₁、γ₂、γ_n——混合气体中各相应组分的重度(N／m³)

2．热反应过程的计算

(1)热反应效应计算

①含硫原料热效应

【说明】如果硫铁矿中燃烧的部分仅是其中的硫，含硫原料各种热效应可用式1－3－26表示；各种含硫原料燃烧时的热效应见表1－3－12。

表1－3－12 各种含硫原料燃烧时的热效应(1kcal=4．1868kJ)

【公式】 Q=AC_sη_s=AC_s(烧) (1－3－26)

式中 ．Q——反应热效应(kcal)

C_s——硫铁矿中含硫量(%)

η_s——硫的利用率(%)

C_s(烧)——燃烧过程中烧出的硫量(%)

C_s(烧)=C_sη_s

A——系数，其值见表1－3－12。

②燃烧1kg含碳硫铁矿释出的热量

【公式】 Q=AC_s(烧)+78．3C_c (1－3－27)

式中 Q——热量(kcal)

C_c——硫铁矿中含碳量(%)

(2)硫铁矿的燃烧时间计算

【说明】硫铁矿的成层燃烧时间τ可用式1－3－28计算，但该式仅可作为相对计算之用。

【公式】

式中 τ——必要的燃烧时间

d——块矿的平均直径

η——硫的利用率(烧出率)

E——表观活化能

e——自然对数的底

R——常数，1．93kcal

T——绝对温度(°K)

C_o2——氧的平均浓度

σ——燃烧层厚度的倒数

K₀、m、n、——系数，其值取决于物料的混合程度和炉的结构特性；K₀同时取决于原料的性质

(3)硫铁矿的燃烧反应速度常数K

【说明】在悬浮状态下燃烧粉状硫铁矿的燃烧速度的视在常数可用式1－3－29表示。K与温度的关系见表1－3－13。

表1－3－13 粉状硫铁矿的燃烧速度与温度的关系

【公式】

式中 K——反应速度常数

S_H——硫铁矿中硫的最初含量(%)

S_k——矿渣中硫的最终含量(%)

τ——反应时间，见式1－3－28

(4)硫铁矿的燃烧温度及炉壁散失热量

【说明】硫铁矿在空气中燃烧时的理论燃烧温度见表1－3－14；但实际可能达到的燃烧温度要比理论值低，因为需要考虑炉壁向周围介质中损失的热量，见式1－3－30。

表1－3－14 硫铁矿在空气中的理论燃烧温度

【公式】

Q=α_总F_壁(t_壁－t₂) (1－3－30)

式中 Q——损失于周围介质中的热量(kJ／h)

F_壁——炉壁表面积(m²)

α_总——给热系数［kJ／(m²·h·℃)］；当壁面温度为50～350℃时，作近似计算：α_总=33．5+0．21t_壁

t_壁——炉壁表面温度(C)，当内衬300mm厚的的耐热混凝土时，经试验在沸腾层部位为180℃，在上部为80～108℃。

t₂——周围介质的温度(℃)。