ipolytechiPolytech JournaliPolytech Journal2782-40042782-6341Irkutsk National Research Technical University10.21285/1814-3520-2022-4-669-676ipolytech-650Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЯMETALLURGYИсследование процесса обжига цинковых концентратов в кипящем слое методом математического моделированияMathematical modeling of zinc concentrate roasting in a fluidized bedАлкацевВ. М.AlkatsevV. M.

Алкацев Владимир Михайлович, кандидат технических наук, доцент кафедры металлургии цветных металлов и автоматизации металлургических процессов

362021, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44, Россия

Vladimir M. Alkatsev, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor of the Department of Non-ferrous Metals Metallurgy and Automation of Metallurgical Processes

44, Nikolaev St., Vladikavkaz, 362021, Russia

avm340@mail.ruРутковскийА. Л.RutkovskyA. L.

Рутковский Александр Леонидович, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры металлургии цветных металлов и автоматизации металлургических процессов

362021, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44, Россия

Alexander L. Rutkovsky, Dr. Sci. (Eng.), Professor,  Professor of the Department of Non-ferrous Metals Metallurgy and Automation of Metallurgical Processes

44, Nikolaev St., Vladikavkaz, 362021, Russia

rutkowski@mail.ruМакоеваА. К.MakoevaA. K.

Макоева Алла Константиновна, ассистент кафедры металлургии цветных металлов и автоматизации металлургических процессов

362021, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44, Россия

Alla K. Makoeva, Assistant Professor of the Department of Non-ferrous Metals Metallurgy and Automation of Metallurgical Processes

44, Nikolaev St., Vladikavkaz, 362021, Russia

makoeva_alla@mail.ruСеверо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет)РоссияNorth Caucasian Mining and Metallurgical Institute (State Technological University)Russian Federation202202012023264669676Copyright © Алкацев В.М., Рутковский А.Л., Макоева А.К., 20232023Алкацев В.М., Рутковский А.Л., Макоева А.К.Alkatsev V.M., Rutkovsky A.L., Makoeva A.K.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ipolytech.elpub.ru/jour/article/view/650

Цель – стабилизация процесса обжига цинковых сульфидных концентратов в печах кипящего слоя при использовании обогащенного кислородом дутья. Баланс между заданным (в среднем 20%) избытком воздушного дутья и количеством загрузки шихты устанавливается за счет подбора количества элементов испарительного охлаждения печи кипящего слоя – кессонов. Данные о влиянии избытка кислорода в дутье на качество обжига сульфидных концентратов и влияние количества дутья на физическое состояние кипящего слоя были получены путем изучения научно-технической информации и обзора литературных источников по теме исследования. Статистические данные для исследования получены в результате анализа производственного опыта работы печей кипящего слоя ОАО «Электроцинк». Произведен расчет теплового баланса обжига. При данном расчете были учтены основные технические характеристики печей кипящего слоя, применяемых для обжига цинковых сульфидных концентратов: уровень кипящего слоя, число сопел, диаметр печи, диаметр в зоне слоя, толщина подины и общая масса печи. На основании полученных в результате изучения производственных данных работы печей кипящего слоя предложен способ регулирования подачи кислорода в зависимости от количества загружаемой шихты. Регулирование подачи кислорода производится с целью обеспечения стабильного избытка кислорода в дутье без заметного изменения количества дутья, и, как следствие, максимального удаления серы из шихты. Установлено, что снижение избытка дутья ниже 15% влечет за собой значительное ухудшение качества получаемого огарка и пыли, а увеличение свыше 20% приводит к снижению содержания SO2 в отходящих газах без заметного улучшения качества огарка. Таким образом, предлагаемый способ регулирования подачи кислорода в печь будет способствовать улучшению технико-экономических показателей процесса обжига цинковых сульфидных концентратов в печах кипящего слоя.

The paper aims to stabilize the roasting of zinc sulfide concentrates in fluidized-bed furnaces using oxygen- enriched air. The balance between the given excess air blast (on average 20%) and the amount of loaded charge is achieved by selecting an appropriate number of evaporative cooling elements in the fluidized-bed furnace. Through the evaluation of scientific and technical information, as well as literature sources on the research topic, data were collected on the effects produced by an oxygen excess in the blast on the quality of sulfide concentrate roasting and by a blast volume on the state of the fluidized bed. In addition, statistical data for the study were obtained by analyzing the operation of fluidized-bed furnaces at Electrozinc. As part of the study, the heat balance in roasting was determined, taking into account the following technical characteristics of fluidized-bed furnaces used for roasting zinc sulfide concentrates: fluidized- bed level, number of nozzles, furnace diameter, diameter in the bed zone, hearth thickness, and the total weight of the furnace. Relying on the operation analysis of fluidized-bed furnaces, a method was proposed to regulate the oxygen supply depending on the amount of loaded charge. The oxygen supply is regulated in order to ensure a stable excess of oxygen in the blast without causing any significant changes in the blast volume and, consequently, to maximize the sulfur removal from the charge. A decrease in the excess air blast below 15% was found to significantly degrade the quality of the resulting cinder and dust, while an increase of over 20% reduced the SO2 content in the exhaust gases with no noticeable improvement in the quality of cinder. Therefore, the proposed method for regulating the oxygen supply to the furnace can improve the techno-economic performance of zinc sulfide concentrate roasting in fluidized-bed furnaces.

цинковый концентратобжигкислородтемпературашихтакипящий слойматематическое моделированиеоптимизацияzinc concentrateroastingoxygentemperaturechargefluidized bedmathematical modelingoptimizationReferencesFleissner F., Eberhard P. Load balanced parallel simulation of particle-fluid DEM-SPH systems with moving boundaries // Parallel Computing: Architectures, Algorithms and Applications: Proceedings of Conference (Julich, 4–7 September 2007). Julich, 2007. Vol. 38. Р. 37–44.Fleissner F., Eberhard P. Load balanced parallel simulation of particle-fluid DEM-SPH systems with moving boundaries. In: Parallel Computing: Architectures, Algorithms and Applications: Proceedings of Conference. 4–7 September 2007, Julich. Julich; 2007, vol. 38, р. 37–44.Алкацев М. И., Алкацева В. М. Исследование зависимости показателей обжига сульфидных никелевых концентратов в печах кипящего слоя от различных факторов методом планируемого имитационного эксперимента // Известия вузов. Цветная металлургия. 2009. № 3. С. 60–63.Alkatsev M. I., Alkatseva V. M. An investigation of the dependence of roasting characteristics of sulfide nickel concentrates in fluidized bed furnaces on various factors by the method of design imitation experiment. Izvestiya Vuzov. Tsvetnaya Metallurgiya = Izvestiya. Non-Ferrous Metallurgy. 2009;3:60-63. (In Russ.).Constantineau J. P., Bouffard S. C., Grace J. R., Richards G. G., Lim C. Jim. Demonstration of the conditions conducive to agglomeration of zinc calcine in fluidized bed roasters // Minerals Engineering. 2011. Vol. 24. Iss. 13. P. 1409–1420. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2011.06.002.Constantineau J. P., Bouffard S. C., Grace J. R., Richards G. G., Lim C. Jim. Demonstration of the conditions conducive to agglomeration of zinc calcine in fluidized bed roasters. Minerals Engineering. 2011;24(13): 1409-1420. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2011.06.002.Chen T. T., Dutrizac J. E. Mineralogical changes occurring during the fluid-bed roasting if zinc sulfide concentrates // JOM. 2004. Vol. 56. Iss. 12. Р. 46–51. https://doi.org/10.1007/s11837-004-0235-y.Chen T. T., Dutrizac J. E. Mineralogical changes occur-ring during the fluid-bed roasting if zinc sulfide concen-trates. JOM. 2004;56(12):46-51. https://doi.org/10. 1007/s11837-004-0235-y.Davies R. H., Dinsdale A. T., Gisby J. A., Robinson J. A. J., Martin S. M. MTDATA - thermodynamic and phase equilibrium software from the national physical laboratory // Calphad. 2002. Vol. 26. Iss. 2. P. 229–271. https://doi.org/10.1016/S0364-5916(02)00036-6.Davies R. H., Dinsdale A. T., Gisby J. A., Robinson J. A. J., Martin S. M. MTDATA – thermodynamic and phase equilibrium software from the national physical laboratory. Calphad. 2002;26(2):229-271. https://doi.org/10.1016/S0364-5916(02)00036-6.Svens K., Kerstiens B., Runkel M. Recent experiences with modern zinc processing technology // Erzmetall. 2003. Iss. 2. Р. 94–103.Svens K., Kerstiens B., Runkel M. Recent experiences with modern zinc processing technology. Erzmetall. 2003;2:94-103.Рутковский А. Л., Дюнова Д. Н., Бигулов А. В., Яковенко И. С., Билаонов Б. Д., Дзантиев С. Ш. Исследование процесса обжига цинковых концентратов в кипящем слое методом математического моделирования // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2013. №. 3. С. 217–222.Rutkovsky A. L., Dyunova D. N., Bigulov A. V., Yako-venko I. S., Bilaonov B. D., Dzantiev S. Sh. Investigation of the roasting process of zinc concentrates in a fluidized bed by mathematical modeling. Mining informational and analytical bulletin (scientific and technical journal). 2013;3:217-222.Герасименко Н. П., Рутковский А. Л. Исследование процесса обжига цинковых концентратов в кипящем слое с целью оптимизации // Науч.-техн. конф. обучающихся и молодых ученых СКГМИ «НТК-2018»: сб. докл. по итогам науч.-иссл. работ (г. Владикавказ, 17– 25 мая 2018 г.). Владикавказ: Изд-во СевероКавказского горно-металлургического института, 2018. С. 13–17.Gerasimenko N. P., Rutkovskij A. L. Investigation of zinc concentrate roasting in a fluidized bed for the purpose of optimization. In: Nauchno-tekhnicheskaya konferenciya obuchayushchihsya i molodyh uchenyh SKGMI “NTK-2018”: sbornik dokladov po itogam nauchno-issledovatel'skih rabot = Scientific and technical conference of students and young scientists of North Caucasian Mining and Metallurgical Institute "STC-2018": collected reports on the results of scientific research works. 17–25 May 2018, Vladikavkaz. Vladikavkaz: North Caucasian Mining and Metallurgical Institute; 2018, р. 13-17. (In Russ.).Ивакина С. А., Мунц В. А. Печь кипящего слоя для обжига цинковых концентратов как объект регулирования // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2018. Т. 329. № 9. С. 31–42. https://doi.org/10.18799/24131830/2018/9/2086.Ivakina S. A., Munts V. A. Fluidized bed furnace for roasting zinc concentrates as a control object. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta. Inzhiniring georesursov = Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering. 2018;329(9):31-42. (In Russ.). https://doi.org/10.18799/24131830/2018/9/2086.Кубашевский О., Олкокк С. Б. Металлургическая термохимия / пер. с англ. М.: Изд-во «Металлургия», 1982. 392 с.Kubaschewski O., Alcock S. B. Metallurgical thermo-chemistry, 1982. 392 р. (Russ. ed.: Metallurgicheskaya termohimiya. Moscow, Metallurgiya; 1982, 392 р.)Седов Л. И. Методы подобия и размерности в механике. М.: Изд-во «Наука», 1977. 440 с.Sedov L. I. Methods of similarity and dimension in mechanics. Moscow: Nauka; 1977, 440 р. (In Russ.).Пестунова Н. П., Ремизов Ю. С., Комков Н. М. О механизме обжига цинковых концентратов в печах кипящего слоя // Комплексное использование минерального сырья. 1990. № 8. С. 55–60.Pestunova N. P., Remizov Yu. S., Komkov N. M. On the mechanism of zinc concentrate roasting in fluidized bed furnaces. Kompleksnoe ispol'zovanie mineral'nogo syr'ya = Complex use of mineral resources. 1990;8:55-60. (In Russ.).Паньшин А. М., Шакирзянов Р. М., Избрехт П. А., Затонский А. В. Основные направления совершенствования производства цинка на ОАО «Челябинский цинковый завод» // Цветные металлы. 2015. № 5. С. 19–21. https://doi.org/10.17580/tsm.2015.05.03.Panshin A. M., Shakirzyanov R. M., Izbrekht P. A., Zatonskiy A. V. Basic ways of improvement of zinc pro duction at JSC "Chelyabinsk zinc plant". Tsvetnye metally. 2015;5:19-21. (In Russ.). https://doi.org/10.17580/ tsm.2015.05.03.Boateng A. A. Rotary kilns: transport phenomena and transport processes. Amsterdame: Elsevier Science, 2015. 369 p.Boateng A. A. Rotary kilns: transport phenomena and transport processes. Amsterdame: Elsevier Science; 2015, 369 p.Orhan G. Leaching and cementation of heavy metals from electric arc furnace dust in alkaline medium // Hydrometallurgy. 2005. Vol. 78. Iss. 3-4. P. 236–245. https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2005.03.002.Orhan G. Leaching and cementation of heavy metals from electric arc furnace dust in alkaline medium. Hydro-metallurgy. 2005;78(3-4):236-245. https://doi.org/10.1016/ j.hydromet.2005.03.002.Krasheninin A. G., Khalezov B. D., Bornovolokov A. S., Ordinartsev D. P. Technology for extracting manganese from vanadium converter slag after leaching vanadium // Metallurgist. 2019. Vol. 63. Iss. 5. P. 534–542. https://doi.org/10.1134/S0036029520010073.Krasheninin A. G., Khalezov B. D., Bornovolokov A. S., Ordinartsev D. P. Technology for extracting manganese from vanadium converter slag after leaching vanadium. Metallurgist. 2019;63(5):534-542. https://doi.org/ 10.1134/S0036029520010073.Паньшин А. М., Видуецкий М. Г., Козлов Д. А., Ивакин Д. А. Использование флотации цинковых кеков в аппаратах колонного типа для повышения эффективности вельц-процесса // Цветные металлы. 2015. № 5. С. 59–64. https://doi.org/10.17580/tsm.2015.05.12.Panshin A. M., Viduetskiy M. G., Kozlov D. A., Ivakin D. A. Using zinc cake flotation in columnar type equipment for increasing of Waelz-process efficiency. Tsvetnye metally. 2015;5:59-64. (In Russ.). https://doi.org/10. 17580/tsm.2015.05.12.Козлов П. А., Казанбаев Л. А., Затонский В. А., Травкин В. Ф. Экстракционно-электролизные методы переработки цинкового сырья. М.: Изд-во «Руда и металлы», 2008. 269 с.Kozlov P. A., Kazanbaev L. A., Zatonskiy V. A., Trav-kin V. F. Extraction-electrolysis processing methods of zinc raw materials. Moscow: Ruda i metally; 2008, 269 р. (In Russ.).Farkhondehkavaki M., Soleimani M., Latifi M., Berruti F., Briens C., McMillan J. Characterization of moisture distribution in a fluidized bed // Measurement. 2014. Vol. 47. Iss. 1. P. 150–160. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2013.08.063.Farkhondehkavaki M., Soleimani M., Latifi M., Berruti F., Briens C., McMillan J. Characterization of moisture distribution in a fluidized bed. Measurement. 2014;47(1):150-160. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2013.08.063.Молодцова М. Ю., Добрыднев С. В. Условия получения основных карбонатов цинка из аммиачнокарбонатных водных растворов // Успехи в химии и химической технологии. 2013. Т. 27. № 7. С. 102–105.Molodtsova M. Yu., Dobrydnev S. V. Conditions for obtaining the main zinc carbonates from ammonium carbonate water solutions. Advances in chemistry and chemical technology. 2013;27(7):102-105. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.