Развитие методов переработки серных флотационных концентратов

Содержание

1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ………………………………………………….2-22

1.1 Общая классификация  методов получения серы …………………………...2-3

1.2 Основные физико-химические свойства серы………………………………4-6

1.3 Автоклавный процесс получения…………………………………………..8-13

1.4 Отходы производства, сточные воды и выбросы в атмосферу………….13-14

1.5 Пути интенсификации и рационализации автоклавного процесса ………………………………………………………………………....15-19

1.6 Развитие методов переработки серных флотационных концентратов19-23

2 ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ  …………………………………………………..24-30

2.1 Расчет цилиндрических элементов ротора………………………………..24-30

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1ОБЩАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ПОЛУЧЕНИЯ СЕРЫ

Полная классификация  методов получения серы должна включать не только методы переработки природных серных руд, но и методы получения серы из других видов серосодержащего сырья, например из сульфидных и сульфатных руд, газов и вод (включая глубинные слои морей и океанов), в состав которых входит сероводород.

Сложность общей классификации  методов получения серы определяется разнообразием сырьевых источников, тем более что известно много различных методов ее получения из однотипного сырья, особенно из природных серных руд. Это объясняется в первую очередь разнообразием условий залегания серы, различным характером руд и содержанием в них серы, географическим расположением месторождения и рядом других факторов, а во-вторых, разнообразием возможных методов извлечения серы из природных серных руд.

Классификация способов получения серы из самородных руд, предложенная В. Ж. Аренсом, приведена ниже (рис. 1).

Наиболее распространено деление методов получения серы из природных серных руд на физико-химический — подземная выплавка серы из руд и на методы наземной переработки серных руд — термические, в том числе паро-водяные, экстракционные и комбинированные. Наземную переработку руды производят как непосредственно на месте залегания, так и после предварительного обогащения.

Методы переработки  серных руд включают все практические приемы физико-химического разделения компонентов (гетерогенных систем) превращением одного из них — серы или в парообразное состояние (ретортные методы, метод отгонки горячим инертным газом, частично печные методы — в камерных печах), или  жидкое состояние (плавление в котлах-плавильниках, плавление паром или перегретой под давлением водой, плавление в высококипящих жидкостях, например в растворе хлористого кальция), или в раствор (с помощью органических растворителей, полисульфидов и т. д.). Эти методы можно комбинировать. Естественно, что их часто с успехом применяют и для переработки концентратов, так как от исходных руд концентраты отличаются, по существу, только гранулометрическим составом (перед обогащением руду измельчают) и повышенным содержанием серы.

В результате наиболее эффективного флотационного обогащения серных руд получают концентраты с содержанием 70—90% серы. Иногда (например, на Чекур-Кояшской серной фабрике в Крыму) концентраты выпускали как готовую продукцию.

Из всех промышленных методов переработки  серных руд комбинированные методы, в частности флотационное обогащение — автоклавная плавка, наиболее эффективны.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок. 1   Классификация способов получения серы из самородных руд

Серу можно получить как из природных руд, так и  в процессе очистки природных газов и нефти, газов сланцевой, коксохимической, металлургической и других отраслей промышленности. Однако главная роль в мировом производстве принадлежит самородной сере, так как ее удобнее и легче перерабатывать, чем серу, полученную из пиритов, газов и нефти, которая, как правило, загрязнена вредными примесями (мышьяк, селен и др.)

 

1.2 ОСНОВНЫЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СЕРЫ

Самородная сера

Самородная сера обычно содержит незначительные количества включений, состоящих из соединений Аs, Sе и Fе (до 0,2%), а также глины, гипса и др.

Сера существует в  различных кристаллических формах (всего их известно 8), наиболее значимыми  для практики являются ромбическая сера S (устойчива при температуре ниже 95,5° С) и моноклинная сера S (устойчива при 95,5—119°С).

Переход ромбической  серы в моноклинную сопровождается выделением тепла:

S → S + 2,4 кал (на 1 кг серы при 0° С)

Чистая сера представляет собой желтое кристаллическое вещество плотностью 2,1 г/см³, плавящееся при 119° С и кипящее при 445° С. Она очень плохо проводит тепло и электричество. В воде сера нерастворима. Лучшим ее растворителем является сероуглерод СS₂

На холоду сера сравнительно инертна, но при нагревании становится весьма химически активной — реагирует с галлоидами (кроме иода), водородом (в обычных условиях сера с водородом не соединяется) и металлами. Заметное взаимодействие с кислородом наступает лишь при повышенных температурах.

Температура воспламенения чистой серы в воздухе, по данным различных авторов, находится в пределах 214—280° С, в присутствии 5 и 10% сернистого газа сера воспламеняется при 445 и 465°С соответственно.

Присутствие примесей в  сере значительно повышает температуру воспламенения. Пары серы, а также серная пыль, смешанные с достаточным количеством воздуха и доведенные до температуры воспламенения, могут дать взрыв. Пары серы горят голубоватым пламенем, при этом образуется сернистый газ. Горение развивается на свободной поверхности при нагревании пространства, окружающего жидкую серу, до температуры воспламенения.

Уже при 7° С за счет сублимации создается заметное давление паров серы над твердой серой. Над жидкой серой давление серы в  парах возрастает. При 444° С наблюдается резкое повышение давления, достигающее 760 мм рт. ст., и сера начинает кипеть.

В интервале температур 800—1400°С газообразная сера состоит преимущественно из двухатомных молекул. Сера, получаемая в результате переработки руд, содержит около 0,5% и выше нерастворимых в сере солей, примесей из влаги и минеральных кислот. Очистить серу от таких примесей сравнительно легко. Примеси органических веществ (масла, битумы), мышьяк и селен частично растворимы в сере, поэтому их Удаление значительно сложнее. Наиболее вредными примесями, влияющими на физико-химические свойства серы (что отражается на процессе переработки серы, а также на качестве готовой продукции), являются органические вещества — масла и битумы. Химические свойства серы определяются ее местом (атомным номером) в периодической системе. Сера амфотерна благодаря чему, может окисляться и восстанавливаться.

Типы и свойства серных руд

Серные руды характеризуются  следующими основными показателями: содержание серы в руде, минеральный состав вмещающих серу пород, структурные и текстурные особенности серы и вмещающих пород, наличие в рудах вредных примесей и др.

Серные руды считаются  богатыми, если в них содержится более 25% серы. К бедным относятся руды, в которых содержание серы менее 10%. Руды с содержанием серы 6—8% относятся, как правило, к непромышленным.

По структурным особенностям сера в рудах подразделяется на тонко-, скрыто- и крупнокристаллическую. Тонкокристаллическая сера распределяется в руде в виде весьма мелких (от сотых долей миллиметра и меньше) зерен, густо вкрапленных в породу. Цвет серы серовато-желтый и желтовато-зеленый. Обычно она загрязнена примесями битумов, кальцита и т. д. Скрытокристаллическая сера не образует четко ограненных кристаллов и располагается в породе в виде мелких округлых или овальных зерен, прожилков, гнезд различной формы. Крупнокристаллическая сера образует четко ограненные прозрачные кристаллы размером от 0,1 до 15 мм. Цвет серы лимонно-желтый, иногда зеленый. Сера располагается в центральных зонах гнезд и прожилков, в пустотах, трещинах и кавернах породы.

Рассмотренные структурные  разновидности серы существуют в  различных текстурных формах, из которых  наиболее распространены: полосчатая, вкрапленная, прожилково-вкрапленная, брекчиевидная дисперсно-вкрапленная (гнездово-прожилковая).

Полосчатая структура  характеризуется чередованием субпарал- лельно-ориентированных полосок, сложенных  крупнокристаллической серой и вторичным кальцитом, и полосок пелитоморфного известняка. Мощность полосок колеблется от 1 до 25 мм. В этих рудах очень часто встречаются многочисленные каверны размером 1-5 см, выполненные четко образованными кристалликами серы и кальцита. Иногда между полосками встречается дисперная сера, пропитывающая известняк.

Вкрапленные руды характеризуются тонко рассеянной и мелковкрапленной серой в плотном известняке с преобладанием скрытокристаллической серы.

В гнездово-вкрапленных  рудах наряду с вкраплениями размером от десятых долей до 3 мм имеются также гнезда крупнокристаллической серы размером 3—4 см и более. Между гнездовыми скоплениями и крупными вкраплениями серы известняк местами пропитан мелкорассеянной, а иногда и дисперсной серой. Для гнездово-прожилковых руд характерно преобладание крупнокристаллической серы. Сера в известняке распределяется в виде прожилок, гнезд и вкраплений, приуроченных к выделениям вторичного кальцита и целестина.

Руды с дисперсно-вкрапленной  серой представлены известняком, пропитанным дисперсной серой. Размер включений составляет обычно 0,02—0,2 мм. Однако часто дисперсная сера образует концентрированные агрегатные скопления размером 1—2 мм.

В рудах с прожилково-вкрапленной текстурой сера образует разветвленные прожилки. Мощность прожилок колеблется от 2 до 4 мм (редко более), а длина не превышает 10—15 см. Кроме того сера образует вкрапления, размеры которых колеблются от дисперсной импрегнации до 3 мм. Брекчиевидные руды состоят из угловатых обломков известняка, сцементированных глинистым материалом и серой.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.3 АВТОКЛАВНЫЙ ПРОЦЕСС ПОЛУЧЕНИЯ СЕРЫ

Общие сведения

Флотационные серные концентраты от исходных серных руд  или продуктов простейшего обогащения (рудоразборка, избирательное дробление) отличаются более высокими содержанием  серы (70—80% вместо 15—30%) и гранулометрическим составом (они представляют собой измельченный материал). Для переработки флотационных серных концентратов могут быть применены почти все методы прямой переработки серных руд. Мощность процессом 1 переработки концентратов должна соответствовать высокой мощности современных обогатительных фабрик.

Весьма важно при  переработке флотационных серных концентратов в товарную серу организовать работу перерабатывающего цеха в общем цикле с обогатительной фабрикой. Это обеспечивает возможность повторной флотации отходов (хвостов) и высокое извлечение серы.

В Украине и в ряде других стран промышленное распространение получил пароводяной метод выплавки серы из концентратов в автоклавах.

Несмотря на кажущуюся  простоту отделения серы от сопровождающих пород при ее выплавке с помощью пара, технологическое оформление процесса вызвало осложнения, главным образом в связи с необходимостью снизить значительные потери серы, остающейся в отработанной породе (в так называемых хвостах).

Предложенные для выплавки серы из руд паровые аппараты (автоклавы) можно классифицировать следующим образом:

— горизонтальные (руда вводится в автоклав в вагонетках с решетчатым дном),

—вертикальные (загрузка производится в верхнюю часть  автоклава, выпуск серы  через отверстие  в его дне),

— вращающиеся (автоклав может вращаться вокруг своей оси).

Однако, как выяснилось в дальнейшем, форма аппарата не оказывает существенного влияния на извлечение серы. Решающим фактором является смачиваемость пород серной руды расплавленной серой. Степень извлечения зависит от состава руды и ее структуры, вязкости расплавленной серы, температуры и наличия примесей, влияющих на вязкость серы (например, битумов).

Количество серы, идущей на смачивание руды, при паровом  методе иногда превышает количество серы, сгорающей в камерных печах. Этим и объясняется медленное распространение паровой выплавки в серной промышленности для непосредственной переработки серных руд, несмотря на большую производительность паровых аппаратов.

Относительная стоимость (в %) переработки 1 г руды (с содержанием серы 25%) в автоклавах и печах различных типов приведена ниже (стоимость переработки в напольных печах принята за 100%):

Паровые аппараты

Вертикальные -257

Опрокидывающиеся -192

Горизонтальные -157

Камерные печи -157

Для выделения серы из рассыпающихся кремнеземных руд и рудной мелочи, плохо поддающихся обработке паром, русский инженер Н. И. Патканов еще в 1879 г. предложил осуществить паро-водяную выплавку без выпуска конденсационной воды из автоклавов. Позднее этот метод с некоторыми изменениями был применен в Италии (1882—1890 гг.). Аппаратурное оформление при пароводяном методе такое же, как и при выплавке с помощью пара. Важно только создание среды, обеспечивающей возможность отделения расплавленной серы от сопровождающих пород. В дальнейшем появились различные конструкции автоклавов для выплавки пароводяным методом.

Впервые вертикальные автоклавы  были установлены под руководством П. А. Волкова в конце прошлого столетия на серных месторождениях (считавшихся тогда небольшими), расположенных на территории Польши.

В начале 30-х годов  были установлены автоклавы на первых советских серных рудниках в Средней  Азии, в Каракумах у бугров Заегли, Дарваза и в Шор-Су (академик А. Е. Ферсман, И. Н. Масляницкий, М. А. Менковский и др.).

В загруженный рудой автоклав до пуска пара заливают воду так, чтобы руда оказалась погруженной в водяную ванну. При подаче пара вода под образующимся в автоклаве давлением нагревается до температуры плавления серы. Отделение серы от породы, которое протекает уже в водяной (а не в воздушной и серной) ванне, зависит от смачивания водой компонентов породы, причем порода собирается в верхней части автоклава, а сера — в нижней под водой. Выпуск серы и породы из автоклава производится так же, как и в случае чисто паровой плавки, но при выпуске серы вытекает значительно больше воды: не только конденсационной (как в первом случае), но и специально залитой.