硫铁矿的焙烧过程

出处：按学科分类—工业技术 轻工业出版社《制浆造纸手册第五分册酸法制浆》第26页（8597字）

1．燃烧反应和计算资料

(1)燃烧反应

主要反应：

副反应：

FeS₂+16Fe₂O₃=11Fe₃O₄+2SO₂

FeS+10Fe₂O₃=7Fe₃O₄+SO₂

FeS₂+5Fe₃O₄=16FeO十2SO₂

FeS+3Fe₃O₄=10FeO+SO₂

当在炉料中有硫化物时，则在燃渣中就有Fe₂O₃和Fe₃O₄。在炉料中残留的硫化物越少，则燃渣中所含Fe₃O₄越少，而Fe₂O₃越多。

(2)矿渣产率

“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(即矿渣产率)x可按下式计算：

式中 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，%；

a——当化合物完全燃烧时，矿渣的理论生成量。

表6－2－12 焙烧各种含硫原料时矿渣产率X的计算公式

硫铁矿渣中存在有FeS形式的硫，可以由焙烧硫铁矿的计算式推导出：

根据表6－2－12中Ⅰ式：

根据表6－2－12Ⅱ式：

焙烧含碳硫铁矿时，矿渣产率：

式中 x——按表6－2－12计算的矿渣产率；

C_c——干矿中碳含量，%。

(3)硫利用率

硫利用率或称硫烧出率可按下式计算：

式中 C_s，C_s(渣)——原矿和矿渣中的含硫，%；

x——矿渣产率，%。

表6－2－13 同矿渣一起损失的硫量与硫铁矿中含硫量的关系

根据公式绘制的硫烧出率计算图见图6－2－3。

图6－2－3 硫烧出率计算图

用法举例：焙烧硫铁矿时，矿含硫24．0%，渣含硫0．8%。由图上方横座标轴上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座标轴交于d点，则得η_s=97．15%。

(4)炉气体积和空气用量

对于焙烧1吨硫铁矿，如不生成SO₃，炉气的体积为：

当气体中含有SO₂+SO₃时：

式中 ηs——硫烧出(利用)率，%；

Cs——干矿中硫的实际含量，%；

Cso₂、Cs0_。——炉气中SO₂和SO₃的含量，容积%。

焙烧1吨硫铁矿的空气理论用量按下式计算：

图6－2－4 燃烧一公斤硫化物时炉气体积

上式中的m值系指按反应方程式所需消耗的O₂的分子数和所得SO₂分子数的比值。

(5)空气过剩系数和炉气中SO₂浓度

空气过剩系数α(即空气的实际消耗量对理论消耗量之比)可按下式计算：

对在空气中燃烧硫铁矿，n(空气或含氧气体中氧的浓度，%)=21，m(参加反应的氧分子数对生成SO₂分子数的比例)=1．375时：

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)，炉气中SO₂浓度随空气过剩系数的增加而降低。

(6)炉气中O₂含量

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C_so。(均为体积百分数)之间的关系(不计SO₃的生成)如下式：

Co₂=n－KC_so2

式中 n——空气中O₂含量，%(体积)；

表6－2－14 燃烧1公斤硫铁矿时炉气体积和空气消耗量

当用空气燃烧硫铁矿时，n=21，1n=1．375，则K=1．296。

Co₂==21－1．296C_so，

表6－2－15 燃烧硫铁矿时炉气中SO₂浓度与空气过剩系数的关系

当考虑有SO₃生成时：

m′——参加反应的氧分子数对在生成三氧化硫的燃烧反应中所得的SO₃分子数的比例

例如：在空气中燃烧硫铁矿时，依表6－2－16，m=1．375；n=21；算得m′=1÷1／2=2；代入上式可得

Co₂=21－1．296C_so。－1．691C_so，

表6－2－16 燃烧气体的成分

(7)炉气中SO₃含量

SO₂+1／2O₂=SO₃

在催化剂的作用下，SO₃的生成反应加速。炉气和氧化铁接触时，SO₂转变为SO₃的量与温度的关系如图6－2－5。新烧成的矿渣不是催化剂，Fe₂O₃的催化作用仅在矿渣中集有大量硫酸盐时才开始发生。

图6－2－5 炉气中O₂浓度和SO₂+SO₃浓度的关系

图6－2－6 氧化铁催化剂对炉气中SO₂转化为SO₃的作用

在温度为450～550℃时燃烧含硫原料所生成的SO₃量最多。温度高于1000℃时，SO₃几乎全部解离成SO₂和O₂。

要使炉气中含有最少量的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。

(8)炉气中H₂O含量

在未采取直接加水控制沸腾层温度时，炉气中H₂O含量由矿粉和空气带入。

燃烧1吨干矿，由矿带入的水量：

表6－2－17 炉灰颜色和炉气中SO₃含量

表6－2－18 炉气中SO₂和SO₃的关系

图6－2－7 炉气中SO₂和SO₃的关系

式中 W_H。o－矿粉含水，%。

燃烧1吨干矿，由空气带入的水量：

式中 a_H。o——在1标准米³干空气中含水量，克：

V_空——燃烧1吨干矿的空气用量，标准米³。

燃烧1吨干矿，炉气中总含水量为：

W=W′+W″(公斤)

在实际计算中，对于空气a_H。o通常采用在某一温度下饱和湿含量的50～80%。

(9)炉气的热容量

燃烧硫铁矿时，所得干炉气的平均分子热容量可按下列公式计算：

式中 P_so3——当炉气总压力为1大气压时，炉气中SO₂分压，大气压；

t——炉气温度，℃；

——炉气的平均分子热容量，千卡／公斤分子·℃。

(10)炉气的粘度

计算混合气体粘度的公式：

式中 μ_混——混合气体在温度t℃时的粘度；

μ₁，μ₂——各组分在温度t℃时的粘度；

m₁，m₂——各组分的体积百分数，%；

T_K1，T_K。——各组分的临界温度，K₁

M₁，M₂——各组分的分子量。

根据上式计算的用空气燃烧硫铁矿产生的炉气粘度数据见表6－2－19。

表6－2－19 炉气的粘度

在相同温度下，炉气粘度与空气粘度比较相差很小(表6－2－20)，故在计算中可用空气粘度代替炉气粘度。

表6－2－20 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。

(11)炉气的露点

确定含有水蒸气和SO₃气体的露点的公式：

t_p=186+20lgC_H。o+261gC_so3

式中 CH₂o，Cso₃——炉气中H₂O和SO₃含量，%(体积)。

根据上式绘出列线图6－2－8。

图6－2－8 含SO₃和H₂O气体的露点

图6－2－9为含三氧化硫湿气体的露点温度图。使用示例：含三氧化硫0．05%(分压为0．38毫米汞柱)，含水3%(分压为22．8毫米汞柱)的炉气，从图中可以查得其露点温度约为193℃，开始冷凝时的酸雾浓度约为93．5%。

图6－2－9 含三氧化硫湿气体的露点温度图

(12)炉气的重度

混合气体的重度可按下式计算：

γ_混=n₁γ₁+n₂γ₂+…

式中 n₁，n₂…——在混合气体中各组分的体积百分数；

γ₁，γ₂…——混合气体中各相应组分的重度。

在标准状态(0℃、760毫米汞柱)下，不同二氧化硫浓度的炉气重度见表6－2－21。

表6－2－21 炉气的重度

2．热反应过程

(1)反应热效应

如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以表示为：

Q=AC_sη_s

C_s为硫铁矿中含硫，η_s为硫烧出率，因C_sη_s为燃烧过程中烧出的硫量C_s(烧)，上式可写为：

Q=AC_s(烧)

燃烧1公斤含碳硫铁矿释出的热量：

表6－2－22 各种含硫原料燃烧时的热效应

Q=AC_s(烧)+78．3C_c，千卡

式中 C_c——硫铁矿中含碳量，%。

(2)硫铁矿的着火点

在温度170～180℃时硫铁矿已可缓慢氧化而放出SO₂。

各种硫铁矿的着火点为：

在硫铁矿中混入石英时，着火点随石英含量增加而提高。

硫铁矿中混入10%的硫铁矿渣实际上不改变着火点。

硫铁矿中加入易燃的有机物可降低着火点。例如加入10%煤，着火点由430℃降至380℃；加入25%锯屑，着火点由430℃降至259℃。

硫铁矿的着火点和矿粒的大小有关。

(3)硫铁矿的烧结

在700℃以上的温度时，硫铁矿的烧结是由于FeS的软化，同时生成易熔的FeS和FeO的共熔混合物，特别是有硫酸铜和硫化铜存在时，情况更甚。

表6－2－23 在矿渣中结块的成分

表6－2－24 氧化铁的熔点和软化点

(4)硫铁矿含硫成分的解离

FeS₂和FeS的生成热：

Fe+2S(斜方)=FeS₂+35．5千卡

Fe+S(斜方)=FeS+23．1千卡

硫铁矿的燃烧过程是FeS₂受热后首先分解为FeS和S，同时发生吸热作用：

FeS₂=FeS+S(固体)－12．4千卡

(5)硫铁矿的燃烧速度

硫铁矿成层燃烧的时间：

表6－2－25 不同温度下，FeS₂上硫蒸汽的分压力

式中 τ——必要的燃烧时间；

d——矿块的平均直径；

η——硫的烧去率；

E——表观活化能；

e——自然对数的基数；

R——常数，等于1．93千卡；

T——绝对温度；

C_o。——氧的平均浓度；

σ——燃烧层厚度的倒数：

Ko、m、n——系数。

系数Ko、m、n值的大小决定于物料的混合程度和炉结构的特性。K_o值也决定于原料的性质。因此上述公式仅可作为相对计算之用。

表6－2－26 粉状硫铁矿的燃烧速度与温度的关系

在悬浮状态下燃烧粉状硫铁矿的燃烧速度的视在常数的计算公式：

式中 K——反应速度常数；

S_H——硫铁矿中硫的最初含量；

图6－2－10 进入炉的混合气中的氧含量对硫铁矿中硫的燃烧速度的影响

氧的含量：1－50% 2－40% 3－32% 4－20%

图6－2－11 从硫铁矿中分离硫的速度

1－在空气中燃烧FeS₂ 2－在空气中燃烧FeS 3－在氮气中加热FeS₂

图6－2－12 粉状硫铁矿悬浮燃烧时，反应速度的视在常数的对数和绝对温度倒数的关系

S_K——矿渣中硫的最终含量；

τ——反应时间，秒。

图6－2－13 硫铁矿的脱硫率与温度的关系

图6－2－14 在固定介质中硫铁矿悬浮燃烧的速度

(6)硫铁矿的燃烧温度

硫铁矿在空气中燃烧时的理论燃烧温度见表6－2－27。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。散失的热量可按下式计算：

表6－2－27 硫铁矿的理论燃烧温度

Q=α_总F_壁(t_壁－t₂)(千卡／时)

式中 Q——损失于周围介质中的热量，千卡／时；

α_总——给热系数，千卡／米²·时·℃；

F_壁——炉壁表面积，米²；

t_壁——炉壁表面温度，℃；

t₂——周围介质的温度，℃。

沸腾焙烧炉炉壁表面温度，当内衬300毫米厚的耐热混凝土时，某厂实测结果是：在沸腾层部位为180℃，在上部为80～108℃。

α_总值当壁面温度为50～350℃时，近似计算公式：

α_总=8+0．05t_壁

除焙烧贫矿外，在一般情况下，沸腾焙烧炉实际可能达到的燃烧温度要高于工艺要求的温度，因此必须在沸腾段安装冷却水箱，人工导出多余的热量。