Конструкция печи влияет на показатели процесса. Чтобы избежать значительного пылеуноса и повысить степень десульфуризации, печи КС делают с большим объемом надслоевого пространства: высокие (12-17м) и расширяющиеся в верхней части (в 1,3-1,5 раза). Из-за этого скорость газа при выходе из КС значительно уменьшается и пыль оседает обратно или дольше витает в надслоевом пространстве и полней окисляется. Такая конструкция позволяет повысить концентрацию SO2 в отходящих газах (до 10%) и интенсифицирует обжиг. Обычно печи состоят из одной или нескольких рабочих камер. Последние получили наибольшее распространение в промышленности.³
В условиях псевдоожижения необходимо учитывать явление сегрегации, которое заключается в преимущественном накапливании частиц определенного размера (плотности) в различных по высоте зонах слоя. Сегрегация оказывает влияние на пылевынос из КС. Сепарация, основанная на сегрегации, требует более низких расходов ожижающего реагента, дает более четкое разделение на фракции и позволяет разделять смеси разнородных частиц одинакового размера не подающихся традиционному рассеву. Тем не менее использование сегрегации сдерживается необходимостью поддержания параметров в узких пределах и несовершенством аппаратурного оформления.
Качество огарка определяется соответствием его указанным выше требованиям. Чтобы в огарке содержалось не более 0,1-0,3% сульфидной серы, необходимо достичь степени десульфуризации концентрата при обжиге 90-99,7%. Столь высокая степень десульфуризации сопряжена на завершающей стадии окисления зерен концентрата с малыми скоростями процесса: ничтожна и сильно экранирована окалиной поверхность сульфидного ядра в окисленных зернах. Поэтому быстротечное горение зерна не обеспечит столь низких остаточных содержаний сульфидной серы в огарке. Это достигается благодаря длительному пребыванию в КС основной части материала. Например, для печи с подом 72м², производительностью 575т/сут. и пылеуносом 60% (зарубежная практика) время пребывания 8,6 часов, найдено по формуле ф_1/2=M/kвm:
где М- количество огарка в КС;
m - производительность печи по концентрату;
k - коэффициент сокращения массы огарка по сравнению с массой исходного концентрата (0,85-0,90);
в - доля концентрата, которая не уносится из печи КС в пыль.
Для зарубежной практики время пребывания 8,5-10ч, а для отечественной характерно время пребывания 12-14ч. Длительное пребывание материала в печи позволяет достичь необходимую степень десульфуризации.
Умеренное содержание растворимой сульфатной серы (<2-4%) достигается благодаря тому, что при 950-970 ⁰C вторичные сульфаты цинка образуются в малой степени даже при повышенных Сso₂ в газовой фазе. Чтобы концентрат при обжиге не укрупнялся, необходимо, чтобы температура в КС не превышала 970 ⁰C.
Для нормальной работы системы теплоотъема и пылеулавливания серьезные помехи создают пылевые отложения в пылегазовом тракте. Повышение Сso₂  в отходящих газах вызывает сульфатизацию и упрочнение этих пылевых отложений, что затрудняет их удаление. Сульфатизация отложений становится возможной по мере охлаждения пыли.[2, c.92]
2.1.2 Факторы, влияющие на качество Zn-огарка
Огарок не должен содержать труднорастворимых в слабокислых растворах ферритов цинка, силикатов цинка, способствующих загрязнению раствора кремнекислотой.
Ферритообразование непосредственно влияет на степень прямого извлечения цинка из обожженного концентрата в раствор. Если сульфиды цинка и железа присутствуют в концентрате в виде марматита (mZnS*nFeS), т.е. в изоморфной кристаллической форме, то каждая массовая часть железа нацело связывает в феррит при окислительном обжиге 0,58 массовой части цинка. В случае если сульфид железа находится в структурно-свободном состоянии (пирит) или связан с другим сульфидом (халькопирит), степень ферритообразования будет определяться температурой процесса и полнотой контакта соединений железа и цинка.
Предупредить образование феррита цинка при температуре выше 650°С практически невозможно, однако он может частично разрушаться сернистым и серным ангидридами. Поэтому для снижения ферритообразования необходимо при обжиге создавать условия, способствующие повышению концентрации в газовой фазе сернистого и серного ангидридов и разъединению соединении цинка и железа. В печах для обжига в кипящем слое создаются эти условия, однако снизить заметно степень ферритообразования при этом практически не удается.
Кремнезем является вредной примесью в цинковых концентратах и содержания его в них стремятся снизить до минимума. В процессе обжига кремнезем образует с окислами тяжелых цветных металлов (цинка, свинца) легкоплавкие соединения-силикаты, вызывающие оплавление материала в печи. [5, c.31,32]
При значительном содержании в огарке растворимых силикатов приходиться иногда прибегать к методу «обратного» выщелачивания обожженного продукта при очень низкой кислотности, чтобы предотвратить отрицательное действие кремнезема на гидрометаллургические операции.
Наибольшее количество растворимого кремнезема образуется за счет ортосиликата цинка. Снижение температуры обжига до некоторого передела позволяет уменьшить образование ортосиликата цинка и улучшить физические свойства пульпы при последующем выщелачивании огарка.[5, c.34]
2.2 Оборудование для обжига Zn-ых  концентратов
Печь для обжига цинковых концентратов в кипящем слое (рис. 1) представляет собой цилиндрическую вертикальную шахту иногда переменного сечения, диаметром 6-8 м и высотой 9-11 м, поставленную на бетонный фундамент. Шахта, сваренная из стальных листов толщиной 10-12мм, футерована внутри шамотным кирпичом. Толщина футеровки равна 500 мм. Наиболее ответственной частью печи является воздухораспределительная подина с воздушной коробкой. Подина должна быть беспровальной, жаростойкой, простой в изготовлении и обеспечивать равномерное распределение поступающего воздуха по всему сечению печи.
В отечественной практике принята конструкция подины, представляющая собой стальной лист, в который на расстоянии 250-300мм между центрами вставлены чугунные сопла; пространство между соплами залито жаропрочным бетоном слоем 200 мм. Сопла имеют различную конфигурацию. Наиболее часто используют сопла грибкового типа, имеющие от 4 до 8 отверстий диаметром 4-5 мм. На каждой печи устанавливают 1500-2000 таких сопел. Находят также применение сопла щелевой конструкции.
Равномерность подачи воздуха, обеспечивающей стабильность кипящего слоя, эффективность использования сжатого воздуха и степень выноса пыли с обжиговыми газами обусловливает конструкция воздухораспределительных сопел. Каждое сопло имеет от 4 до 28 отверстий диаметром от 3 до 10 мм, через которые сжатый воздух выходит либо вертикально, либо горизонтально, либо наклонно. Применяют и комбинированные сопла.
Число сопел в печи устанавливают с таким расчетом, чтобы общая площадь живого сечения отверстий всех сопел составляла 0,7-1,0% от площади подины. Обычно устанавливают 50 сопел на 1м² подины.
Форкамеры, подина печи и сливной порог образуют зону кипящего слоя, в которой начинается и протекает большинство реакций обжига сульфидных компонентов концентрата, находящегося в псевдоожиженном состоянии. Форкамеры и сливной порог для увеличения продолжительности пребывания материала в этой зоне расположены на противоположных сторонах печи. Площадь форкамеры составляет обычно 1,5-2м².
Сливной порог служит для выгрузки огарка из печи и ограничения высоты кипящего слоя. Высота кипящего слоя оказывает существенное влияние на происходящие в нем процессы. При недостаточной высоте слоя увеличивается пылевынос из печи, возможны продувы воздуха в отдельных местах с образованием воронок, что приводит к уменьшению вертикальной скорости воздуха в другой части слоя и может вызвать залегание материала на подине печи.
Вместе с тем работа печи К.С. на высоком слое увеличивает продолжительность пребывания материала в зоне кипящего слоя, уменьшает вынос тонких частиц из печи, создает более благоприятные условия для сульфатообразования. Поэтому за рубежом при строительстве мощных обжиговых печей современной конструкции проявляется тенденция к увеличению высоты слоя до 1,8-2 м вместо обычно принятой в практике высоты 1,0-1,2 м. Однако чрезмерно в этом случае для «кипения» слоя под подину приходится подавать воздух под большим давлением, а, следовательно, расходовать большее количество электроэнергии.
На отечественных предприятиях многолетней практикой установлена оптимальная высота кипящего слоя 1,2-1,5 м. Такая высота обеспечивает достаточную продолжительность контакта сульфидных зерен с кислородом воздуха и необходимый массообмен для получения заданной степени десульфуризации.¹[5, c.46-49]

3. Пути совершенствования процесса обжига в КС
Наиболее перспективными направлениями совершенствования процесса обжига в КС можно считать:
1.     Оптимизация аэродинамики псевдоожижения за счет увеличения высоты кипящего слоя. Повышение уровня кипящего слоя (принятый в цинковой промышленности уровень равен 1-2м) до 1,5-2 м способствует улучшению качества огарка вследствие лучшего массообмена в плотном, равномерно псевдоожиженном слое и увеличению времени контакта твердых частиц со свежими порциями кислорода, подаваемого через распределительную решетку. Как показывают эксперименты, в печах КС  с невысоким слоем время такого контакта твердых частиц не превышало 1,5-2 ч. При увеличении толщины слоя и размеров печи время пребывания материала в слое достигает 5ч. Поэтому не смотря на сравнительно низкую скорость диффузионных процессов подачи кислорода внутрь частицы концентрата и обратного движения газообразных продуктов окисления, огарки в таких печах редко содержат более 0,2-0,3% сульфидной серы. Следует также отметить возможность создания устройств по изменению высоты кипящего слоя. Регулируя высоту в зависимости от физико-химических  свойств перерабатываемого сырья, можно подобрать такие условия, при которых огарок будет иметь заданное качество. Также изменяя высоту кипящего слоя и, следовательно, его объем можно нивелировать изменяющуюся порозность слоя, т.е. предотвращать  перераспределение воздуха по площади пода, образование поршневых проскоков и связанных с этим явлениями повышенного пылевыноса и залегания материала на подине печи;
2.     Снижение пылевыноса созданием наиболее рациональной формы аппарата При анализе конструктивных особенностей печей КС рост отношения надслоевого объема (V) к площади пода (S) значительно влияет на пылевынос и качество огарка. Так увеличение этого отношения  на печах одного из отечественных цинковых заводах с 2,57 до 8,6 позволило снизить содержание сульфидной серы в пыли и повысить растворимость цинка в них с 76 до 89,4%. При реконструкции печей цинко-электролитного завода в г. Кырджали увеличение высоты печей с 7,74 до 11,8м позволило увеличить отношение V/S с 7,8 до 13,54м, вследствие чего пылевынос снизился с 50,1 до 31,6 %. В последнее время при строительстве новых печей наблюдается тенденция к увеличению отношения до 22-25 за счет как высоты печи, так и строительства печей с расширяющейся кверху реакционной камерой;
3.     Интенсификация процессов применением кислородно-воздушного дутья и повышенных температур. Большой интерес представляет увеличение температуры в кипящем слое.  Так исследования по обжигу цинковых концентратов (49-50%Zn; 30-32%S₂; 4-6 %Fe; 3-4%SiO₂) при 1090-1120 ⁰C и удельной производительности 9,5-12т/м²сут показали, что пылевынос уменьшается до 25%, содержание кислорастворимого цинка в огарке повышается до 95-96%. Сравнительные опыты, проведенные при тех же режимах, но при температуре обжига 950 ⁰C, дали следующие результаты: удельная производительность 5,37 т/м²сут; пылеунос 42,4%; содержание в огарке цинка в кислорастворимой форме 91,7%.
Также изменения конструкции печей направлены на увеличение единичной мощности печей (до 500-800 т/сут) за счет увеличения площади пода (до 72-123 кв. м). Повышение единичной мощности оборудования снижает эксплуатационные расходы, повышает производительность труда. В ряде случаев предприятия не имеют запасных печей КС или даже работают на единственной крупнотоннажной печи. Поэтому на период ремонта печи или сернокислотной установки, потребляющей обжиговый газ, предусмотрено хранение запаса огарка в специальных хранилищах, из которых он поставляется на выщелачивание.
Интенсификация обжига за рубежом достигается увеличением высоты печных камер (до 12-17 м) и расширением верхней части печи (в 1,3-1,5 раза), т.е. за счет увеличения отношения надслоевого объема печи к площади пода, которое достигает 20-25. Это позволяет повысить скорость дутья в КС при малой скорости газа в надслоевом пространстве и умеренных избытков воздуха.³[1, c.149]
3.1 Обжиг на дутье, обогащенном кислородом.
Внедрение обжига на дутье, обогащенном кислородом, заводах подняло технический уровень гидрометаллургии цинка на новую, более высокую ступень. Это мероприятие позволило значительно повысить производительность печей КС, улучшить качество продуктов обжига, увеличить содержание сернистого ангидрида в отходящих газах, полнее использовать мощности сернокислотного производства.
На первый взгляд представляется, что применение кислорода, на производство которого затрачивается значительное количество электроэнергии, должно неизбежно привести к удорожанию себестоимости продукции за счет разницы в цене сжатого воздуха и кислорода. Это может иметь место только в том случае, если сопоставлять обжиг на воздушном дутье и дутье, обогащенном кислородом, в отрыве от затрат на сооружение пылеулавливающих, газоочистных сооружений и сернокислотных цехов, в отрыве от конкретных условий свинцово-цинковых предприятий, а также без учета возможности использования попутных компонентов воздуха (аргона и других газов).
Главное экономическое преимущество использования кислорода заключается в его интенсифицирующем воздействии на работу существующих установок, в возможности значительно повысить мощность при небольших затратах на их реконструкцию. Поэтому те цинковые заводы, которые перевели обжиг концентратов на дутье, обогащенное кислородом, получили значительный технико-экономический эффект с относительно небольшими капитальными вложениями. Применение кислорода внесло также качественно новые моменты в технику и технологию обжига сульфидных материалов в кипящем слое.
На скорость основной реакции обжига сульфидов оказывают влияние концентрация кислорода в газовой фазе и температура.
При температуре 900°С и различном содержании кислорода в дутье время для достижения одной и той же степени десульфуризации значительно сокращается по мере обогащения дутья кислородом. Так, десульфуризация на 90% достигается на воздушном дутье за 10мин, при содержании кислорода в дутье 28,7%-за 6,5 мин, 33% - за 5,5 мин, 40%- за 4 мин. и 58% - за 3 мин., т. о. скорость реакций окисления сульфидов возрастает в 2-3 раза.
При промышленных испытаниях обжига на дутье, обогащенном кислородом, было установлено, что удельная производительность печи КС при содержании кислорода в дутье 27% возрастает при общем количестве дутья на печь 16 тыс. м³/ч с 5,92 до 8,45т/(м²_*сут), или на -12%. Выявлена также закономерность роста производительности печи КС на 23% при обогащении дутья кислородом до 24% и на 37%- при обогащении до 26%.
Высокая скорость окисления сульфида цинка воздухом, обогащенным кислородом, объясняется тем, что при одной и той же скорости диффузии воздуха к ядру сульфида (имеется в виду, что плотность зерна сульфида одна и та же) количество вступающего в контакт с сульфидом кислорода значительно больше, что ускоряет процесс десульфуризации. Поскольку реакция окисления сульфида является экзотермической, увеличение скорости ее протекания вызывает повышенное выделение тепла в единицу времени, что при постоянной величине теплопотерь приводит к резкому возрастанию температуры в зоне кипящего слоя. Более высокая температура слоя в свою очередь способствует ускорению обжига цинкового концентрата.[5, c.46,49]
3.2 Обжиг с рассредоточенной подачей кислорода
Для увеличения производительности печей до 320-420 т/сут концентрата на ЧЦЭЗ во время реконструкции печей были установлены элементы испарительного охлаждения газов на вертикальном стояке, циклонах и своде с подачей шихты на обжиговые печи с помощью ленточных транспортеров.
Основные параметры процесса обжига.
Повышение степени использования технического кислорода на ЧЦЭЗ на 1т Zn в очищенном растворе с 371 до 324,7 нм³ O₂ (удельный расход технического кислорода на 1т переработанной шихты снизился с 195,3 до 170,8 нм³/т) было достигнуто за счет следующего технического решения:
Воздушная коробка под подиной печи разделяется посредством стальной перегородки на 2 сектора площадью 14 и 18 м². подвод воздушного дутья по секторам становится отдельным, при этом появляется возможность раздельной регулировки как расход воздуха, так и степени обогащения его техническим кислородом. На форкамеру и сектор подины, прилегающий к ней, подается дутье, обогащенное кислородом, а на другой сектор подины - обычное воздушное дутье. Такое техническое решение позволило повысить концентрацию кислорода в дутье на форкамере и на подине (18 м²), где проходит основной поток шихтовых материалов. [8,c.20,21]

3.3 Системы загрузки шихты, пылеулавливания, газоочистки и отвода тепла.
Шихта загружается в печь скоростным ленточным забрасывателем, который представляет собой передвижную машину, состоящего из забрасывающего устройства и кожуха. Забрасыватель распределяет выброшенную шихту по поверхности «кипящего слоя» на длину 2,2-2,5м и ширину 0,5-1м при скорости движения ленты 7м/с. С увеличением скорости движения ленты  с 7 до 20 м/с длина забрасывания шихты увеличилась с 2,5м до 6,5м.
По отношению с выгрузкой огарка подаваемого шнеком, огарок при выходе из печи получается более дисперсный. При остановке печи на подине не наблюдается накопления крупных кусков огарка.
Печи КС снабжены системой пылеулавливания состоящей из котла-утилизатора (если он включен в систему пылегазового тракта), одной или двух ступеней циклонов для грубого пылеулавливания и электрофильтров  для тонкого пылеулавливания. Для грубой очистки отходящих газов от пыли почти на всех заводах применяют циклоны, которые в одну ступень позволяют снизить запыленность отходящих газов с 140-160 до 3-8 г/м³. [1, c.149]
Пыль из циклонов выгружают при помощи герметизирующих устройств. Примером такого устройства может служить широко распространенный в промышленности короткий шнек (4-6 витков) с затвором из выгружаемой пыли. После циклонов дымососами разных типов отходящие газы через коллектор грязного газа отправляют на тонкую очистку от пыли. Тонкую очистку газов от пыли осуществляют в сухих электрофильтрах. Запыленность газов после электрофильтров обычно не превышает 0,1-0,2г/м³. Очищенный газ используют для производства серной кислоты. [2, c.91] В современных условиях развития производства огромное внимание должно уделяться экологическим проблемам.
Санитарно - защитная зона вокруг заводов, расположенных в черте города не превышает 1 км, поэтому на ЧЦЭЗ, расположенном в центре многомиллионного города, постоянно ведется работа по внедрению экологических технологий, изменению вопросов в атмосферу, сбросов в водоемы и утилизации в производственном цикле образующихся твердых отводов.
Все обжиговые газы печей КС на утилизацию в сернокислотный цех. При этом их очищают от пыли, селена, ртути и других примесей. После извлечения из очищенных газов в сернокислотном цехе сернистого ангидрида их выбрасывают в атмосферу.
Утилизация газов цинкового производства обеспечивает экономический эффект и решает вопросы экологии.
Внедрение комплекса мероприятий, главное из которых система двойного контактирования, позволило обеспечить допустимые ПДВ, причем содержание сернистого ангидрида не превышает 0,05%.
Схема контактного узла постоянно совершенствовалась для обеспечения автотермичности его работы. С этой целью были введены дополнительные теплообменные поверхности как на первой, так и на второй стадиях контактирования; для очистки газов, отходящих от первой стадии абсорбции был установлен патронный фильтр оригинальной конструкции, в котором газы очищались от брызг и тумана серной кислоты, проходя через слой фторинового полотна; на двух системах были установлены контактные аппараты конструкции Сумского филиала института «Гипрохим», работающие по схеме 3+1 (3 слоя катализатора на первой стадии, 1 слой - на второй). Внедрение двойного контактирования позволило снизить выбросы сернистого ангидрида до предельно допустимых норм.[9, c.52,54]
В начале 90-х годов был реализован масштабный проект тотальной замены фильтрующих сооружений новыми, современными JET-фильтрами, разработанными и сконструированными инженерами КЦМ.
JET-фильтры обеспечивали низкое содержание пыли в технологических и вентиляционных газах (6-9 мг/нм³) с достижением европейских стандартов.
Для достижения полной утилизации сернистых газов был ускоренно внедрен разработанный КЦМ совместно с Болгарской АН метод нестационарного окисления SO₂ и производство Н₂SO₄ из бедных газов. Этот метод позволяет при производстве Н₂SO₄ использовать газы с содержанием от 0,8 до 1,8% (объемн.) SO₂. Все объекты этого технологического и экологического проекта будут закончены к концу 2003г.[7, c.12]
На Усть-Каменогорском свинцово-цинковом заводе внедрены в производство термосифоны, работающие на принципе испарительного охлаждения. Их устанавливают под сводом печи. Это позволяет более полно утилизировать тепло отходящих газов, снижает капитальные затраты на футеровку верхней части печи. За счет установки термосифонов снижает выход пыли до 25%, производительность печи увеличивается в 1,5-2,0 раза, снижается температура и объем отходящих газов, увеличивается концентрация SO₂ в технологических газах. На предприятиях в связи с этим получают горячую воду и пар для технологических целей, что снижает себестоимость цинкового передела.
При обжиге выделяется огромное количество тепла, которое необходимо отводить от процесса. При обжиге основное количество тепла выделяется от горения сульфида цинка, которого в концентрате более 70% (по массе), т.е. все реакции окисления сульфидов металлов экзотермичные и процесс обжига относят к автогенным режимам, т.е. без затрат топлива, то для соблюдения теплового баланса, а также для предотвращения разрушений в печи КС устанавливают водо-охлаждаемые кессоны. При сгорании 1 кг сульфида цинка выделяется 9055кДж, что эквивалентно 0,3 кг условного топлива. Для отвода избыточного тепла существует традиционная система, включающая в себя: котел-утилизатор, который устанавливают позади печи, циклон и электрофильтр. Котлы-утилизаторы имеют ряд недостатков, таких как сложность конструкции, ненадежность и др. [1, c.152]

4. Теоретические основы процесса обжига
При обжиге, главным образом, происходит процесс окисления сульфидов. Механизм окисления включает следующие стадии:
1.адсорбция молекулярного кислорода на поверхности сульфидов и диссоциации его на атомарный кислород;
2. диффузия кислорода внутрь решетки сульфида и встречной диффузии серы на поверхность раздела фаз;
3. образование первичных соединений сульфида с атомарным кислородом;
4. химическое взаимодействие образовавшегося промежуточного продукта с оставшимся в центре зерна сульфидом и сжигании сульфидов материала выделением оксида и диоксида серы;
5. химические взаимодействия оксидов поверхностей пленки с сернистыми газами и образование вторичного сульфата.²
Обжиг ведется в одну стадию. Концентрат непрерывно загружают в рабочую зону печи КС, а продукт самотеком удаляется из печи. Кипящий слой характеризуется постоянством температуры во всех его точках (940-980С) и интенсивным теплообменом.¹ Основное тепло (около 70%) выделяется от сгорания сульфидных материалов. Это тепло отводят с помощью специальных аппаратов. [4, c.106,122]
Материал в КС текуч, интенсивно перемешивается, что обеспечивает однородность слоя по составу и температуре.³ [1, c.145]
4.1 Химизм процесса обжига цинковых концентратов
Под химизмом процессов подразумевается совокупность химических превращений происходящих в определенной последовательности взаимодействия исходных веществ. Химизм процесса характеризуется первичными, промежуточными и конечными продуктами превращений. Соответственно последовательные реакции делят на первичные, вторичные, а их продукты называют первичными, вторичными. Закономерность изменчивости химизма окисления при повышении температуры вызывает смену первичного продукта окисления MeS, происходит в такой последовательности: при низких температурах MeSO₄, при более высоких MeO, а далее -Me^o.
Рассмотрим химизм процессов в более широком диапазоне условий, чтобы представить последствия отклонения от принятых в практике режимов. Сульфид цинка встречается в концентратах в двух модификациях: распространяется - сфалерит б-ZnS и более редка- вюрцит в-ZnS. При нагреве переход б↔в происходит при 1020С, при более низких температурах в-ZnS существует как метастабильный. Химизм окисления этих модификаций одинаков.
От температуры начала заметного окисления сфалерита и до 900С первичным твердым продуктом является ZnS. Следовательно, при температуре < 900-1000С окисление идет по реакции:
ZnS+1.5O₂=ZnO+SO₂                (2.1)
Причем, чем интенсивней окисление ZnS за счет повышения t и Pо₂, тем больше дебаланс между убылью количества ZnS и прибылью количества ZnO в обжигаемых образцах. Обусловлено протеканием реакции:
ZnS_тв+O₂=Zn_пар+SO₂                   (2.2)
Далее пары цинка окисляются.
Изоморфное железо при окислении сразу образует ZnFe₂О₄, полностью связывается с цинком в феррит. Феррит, полученный при t<1000С, фактически немагнитен и плохо растворим в растворах H₂SO₄. Но при t>1000С становится ферромагнитным с той же растворимостью Связывание Fe²⁺ в силикаты, уменьшает фирритизацию Zn в огарке.
В окалинах на зернах сфалерита сульфатная сера обнаруживается во внешней части, это свидетельствует об образовании сульфата цинка. При этом образуются или ZnSO₄ (на воздухе в изотермических условиях устойчив до 670C) или ZnO*2ZnSO₄ (760С). При наличии в газовой фазе SO₃ эти сульфаты не диссоциируют и при более высоких температурах. Т.о., вторичные сульфаты в зависимости от t и Рso₃ образуются по реакциям:
ZnO+SO₃ = ZnSO₄, ZnFe₂O₄+SO₃ = ZnSO₄+Fe₂O₃   (2.3) или 3ZnO+2SO₃=ZnO*2ZnSO₄                                             (2.4)
3ZnFe₂O₄+2SO₃=ZnO*ZnSO₄+Fe₂O₃                                     (2.5)
При повышении температуры степень сульфатиризации ZnO и ZnFe₂O₄ изменяется, проходя через максимум. Температура максимума сульфатиризации зависит от концентрации SO₃ в газовой форме, а значит от концентрации SO₂ и O₂, при чем с повышением кислорода в дутье до 28%, такие показатели работы печи, как производительность- увеличиваются, содержание SO₂ в отходящих газах - увеличивается, содержание цинка в огарке - увеличивается, с дальнейшим же ростом кислорода в дутье происходит обратное.¹ [2, c.92]
Для гидрометаллургической обработки имеет значение влияние условий обжига на растворимость феррита цинка. Чем мельче, пористей феррит, тем легче он растворяется. Укрупнению феррита способствует обжиг с t>1000С, быстрое охлаждение огарка дает обратный эффект, но более слабый.
ZnSiO₄ - кислорастворимое силикатное образование технологически опасно. В условиях КС - образование результат сростков ZnS с породообразующими минералами, спекание соударяющихся зерен. Усилению образования способствует обжиг t>1000С, когда частичная отгонка цинка в результате реакции (2.1)с последующей конденсации окислившегося цинка на силикатных фазах. Аналогичным образом усиливается и ферритизация цинка.

4.2 Термодинамика процессов
Реакции 2.1; 2.2 с повышением температуры сильно экзотермичны (Н>0), они вызывают значительную убыль энергии Гиббса (G<0) и имеют большие численные значения константы равновесия (Кр>1). Последнее свидетельствует о необратимом протекании этих реакций вправо во всем интервале температур.
Вторичные реакции окисления SO₂ и сульфатизации оксидов металлов имеют умеренные значения Кр, поэтому эти реакции обратимы и протекают не до конца, а в ограниченной степени определяемой условиями обжига (Т, Ро₂). Однако реакции окисления низших оксидов до высших имеют большие Кр и протекают до конца.
Такой анализ целесообразно применять для определения последовательности образования первичных и вторичных продуктов окисления сульфидов в зависимости от температуры и состава газовой фазы. В условиях обжига единственным продуктом окисления ZnS при 600-1000С является ZnO, хотя вероятность образования первичного сульфата возрастает с понижением температуры, а первичного цинка- с повышением температуры. Но для образования первичного ZnSO₄ необходимы очень высокие Po₂, а для образования первичного цинка- чрезвычайно низкие Po₂ и Po₃, которые могут реализоваться при более высоких температурах около поверхности сульфида.
При обжиге цинковых концентратов технологическое значение имеет сульфаризация цинка, которая приводит к образованию ZnSO₄ или  ZnO*2ZnSO₄. Термодинамическая стойкость этих сульфатов характеризуется Кр реакции разложения сульфата МеSO₄=МеO+SO₃, для которой Кр=Рso₃.
4.3 Кинетика процессов обжига
Особенности исследования кинетики реакций, в том числе реакций взаимодействия конденсированных фаз сульфидов с газообразным кислородом, заключаются в необходимости расчленения процесса на отдельные стадии, кинетика которых и определяет суммарную скорость реакции. Одним из направлений интенсификации процесса является работа на воздухе, обогащенном кислородом, что возможно вследствие зависимости кинетики окисления сульфидов от его концентрации в газовом потоке. Аналогично на скорость окисления влияет повышение концентрации кислорода в газовой среде. В ряде случаев при описании кинетики конкретных сульфидных систем необходимо учитывать структуру оболочек твердых продуктов реакции. В целом соотношение скоростей химической реакции диффузионных процессов являются определяющими при рассмотрении кинетики реальных процессов.
Как гетерогенный, этот процесс имеет две непременные последовательные стадии: диффузия О₂ к поверхности сульфида и реакцию окисления на поверхности сульфида. Если диффузия значительно медленней реакции, то процесс протекает в диффузионной области, а в противном случае - в кинетической. При соизмеримых скоростях этих стадий процесс протекает в переходной области. Выявление лимитирующей, имеет большое практическое значение, т.к. раскрывает пути интенсификации процесса.
Кинетическая область характеризуется малыми скоростями окисления сульфидов (тление), а диффузионная область - большими скоростями (горения). Переход из одной области в другую при подъеме температуры сопровождается воспламенением (переходная область). Характеристикой граничного условия перехода из кинетической области в диффузионную служит температура воспламенения сульфидов.
Поскольку окисление сульфидов протекает в далеких от равновесия условиях и поэтому необратимо, то скорость процесса равна скорости прямой реакции в кинетической области или скорости диффузии О₂ в диффузионной области.
В кинетическом уравнении закона действующих масс скорось процесса должна быть представлена произведением функции от каждого из влияющих факторов в отдельности:
,                                                (2.6)
где т - масса сульфида; г - время; k- температурный; А- геометрический и f(c_O2 ) - концентрационный факторы.
В кинетической области уравнение (2.6) примет вид
.                                                                 (2.7)
В уравнении (2.7) k = К₀е^-E/RT, где k - константа скорости гетерогенной реакции; Е - энергия активации; k₀ и Е - практически постоянные; А = S - межфазная поверхность взаимодействующих веществ; f(с_O2 ) = cⁿ_O2 . Указанное выражение концентрационного фактора обусловлено тем, что c_O2 влияет только на скорость обратной реакции, которая пренебрежимо мала. Кинетический порядок по кислороду равен 1≤ n≤ 2.
В диффузионной области правая часть уравнения (2.6) тождественна уравнению первого закона Фика:
,                                                             (2.8)
где D - коэффициент диффузии O₂; и - концентрации О₂ соответственно у поверхности сульфида и в газовой среде; S - толщина слоя, в котором диффузия самая медленная. Поскольку скорость процесса лимитируется подводом O₂ к сульфиду, то ≈0. С учетом этого уравнения (2.8) принимает вид
.                                                                     (2.9)
Если самой медленной стадией является диффузии О₂ в слое газовой среды, прилегающей к внешней поверхности сульфидного зерна, то процесс протекает во внешнедиффузионной области. Самой медленной стадией может быть диффузии О₂ через слой окалины на зерне, тогда процесс протекает во внутридиффузионной области.
Степень вторичного образования в процессе обжига имеет максимум при изменении температуры. Чем выше термическая стойкость сульфатов и выше концентрация оксидов серы в газовой фазе, тем больше температура максимума сульфатизации при обжиге и выше степень сульфатизации. Кинетически термическую стойкость сульфатов можно характеризовать температурой начального заметного разложения, которая зависит от ряда условий.
В зависимости от условий обжига цинковых концентратов и содержания в газовой фазе SO₂ и О₂ температура, соответствующая максимуму сульфатизации цинка, лежит в пределах 750-850 ⁰С.[1, c.136-143]

5. Выбор и обоснование технологии
Технико-экономические показатели обжига зависят от сырья, устройства печи и режима ее работы.
Перед обжигом, как правило, проводится подготовка шихты. На цинковых заводах обычно перерабатывают смесь концентратов , отличающихся по составу. При шихтовки концентраты смешивают в пропорциях , определенному составу шихты по цинку, сопутсвующим полезными и вредными компонентам.
Состав шихты должен удовлетворять условиям, обеспечивающим достижение целей обжига.
Шихту подают в печь КС в сухом  виде  или в виде пульпы. Шихта в виде пульпы предпочтительна когда цинковый завод находится рядом с обогатительной фабрикой ,снабжающей завод концентратом ,или когда в шихту идут сильно различающиеся концентраты  (в состоянии пульпы шихта лучше и быстрее перемешивается ) .Однако загрузка пульпы в КС увлажняет отходящие газы, и это усложняет их переработку, усиливает коррозию оборудования и газоотводящих систем. Пульпу сложней равномерно распределить по кипящему слою.                                         
 Для быстрого распределения шихты по кипящему слою, для более неувлажненных отходящих газов, для облегчения их переработки, примем шихту с влажностью 8%.. Перед обжигом для более полного обжига и высокой степенью десульфуризации, проведем усреднение материала.
Шихту будем загружать через два загрузочных окна в стенках печи по всей поверхности кипящего слоя, чтобы достигнуть быстрого и равномерного распределения материала по кипящему слою. Загрузка будет проводиться непрерывно. С помощью скоростного ленточного забрасывателя. Забрасыватель устанавливаем выше уровня «кипящего слоя» на 2,0-2,5 м. При этом забрасыватель имеет производительность - 12,5-13,0 т/ч.
Обжиг порошкообразного сульфидного цинкового концентрата будем производить при скорости движения газовой фазы, несколько большей, чем критическая (10-12 м/с). Значительное увеличение скорости сверх критической величины обуславливает бурление слоя и выбросы пыли.
В связи с содержанием  большого количества Fe в соединенииFe2O3 который взаимодействует с ZnO ,образует метаферрит  цинка. При температуре 650⁰С реакция протекает весьма интенсивно, и поэтому проведение обжига при температуре 700-750 ⁰С. Исключает феритообразование.Он не растворяется в слабой серной кислоте и остается в остатке от выщелачивания обожженного концентрата,что приводит к прямым потерям цинка.
Ферриты цинка сравнительно легко разрушаются сернистым и серным ангидридами .Поэтому в условиях сульфатизирующего обжига условия борьбы  с их образованием наиболее эффективны.
При высокой температуре >1000⁰С железо переокисляется  доFe3O4 (Магнетит) который не участвует в ферритообразованиях.  Малое содержание легкоплавких соединений (меди и свинца ) позволяют вести обжиг при температуре >1000⁰С 
Ферриты цинка можно разрушить при по последующем восстановительном обжиге концентрата .
В процессе обжига  цинковых концентратов  могут образовываться следующие силикаты :
а) ортосиликат цинка ,образование которого резко стимулируется соединениями свинца ;
б) простые силикаты свинца ;
в) двойной силикат цинка и свинца;
г) сложные силикаты цинка с компонентами нерудных минералов ;
д) сложные силикаты свинца с теми же компонентами .Степень образования силикатов резко увеличивается с повышением температуры  и уменьшением крупности реагирующих  веществ и в меньшей степени -с увеличением  продолжительности  взаимодействия компонентов.
В присутсвии  соединений  свинца  превалирующая роль принадлежит ортосиликату цинка ,растворение которого дает основную массу коллоидного кремнезема при выщелачивании огарков.
Таким образом ,кремнезем ,как и железо - крайне вредная примесь в цинковых концентратах  ,следовательно в ее присутствии следует при возможно низкой температуре. Так как содержание SiO2 не высокое то процесс ведем при температуре 1100⁰С.
Концентрация ферритов и силикатов  цинка должна быть минимальна , ZnOFe2O3 является не растворимым в разбавленных растворах ,что приводит к прямой потери цинка , аZnOSiO2 при взаимодействии с H2SO4  образует  H2SiO3 вреднейший продукт который нарушает процесс  отстаивания , сгущения и может привести к полной остановки  процесса .
Примем Со₂ в дутье равным 30%, так как при рассмотрении эта концентрация обеспечивает самые высокие показатели удельной производительности 9т/м²сутки скорости, содержания цинка в огарке и меньшего пылевыноса,в следствии уменьшения объема дутья, что уменьшает вследствие затраты на проведение операции обжига, уменьшает затраты на энергию,.Увеличение концентрации кислорода более 30 % экономически не целесообразно. 
Температура будет поддерживаться в пределе 1050⁰С. Так уменьшится вероятность спекания огарка, процесс окисления будет проходить более полно, не будет проходить оплавления частиц. Это также повысит степень использования сырья, уменьшит расходы, а, следовательно, повысит рентабельность производства.
Так как принята достаточно высокая температура и скорость дутья, обеспечивающие высокие показатели процесса обжига, то возможен повышенный пылевынос, который уносит и ценный компонент. Для избежания этого воспользуемся печью «КС»; высотой 16 метров. Это обеспечит долгое витание частиц в рабочей зоне, более полное окисление сульфидов, более качественное по содержанию SO₂ пыли, а также снижение пылевыноса до 30%.
Примем избыток дутья равным 20%, чтобы ликвидировать зоны с пониженным содержанием кислорода, которое вызывает повышение степени силикатообразования.
Повышение содержания дутья кислородом до 30%, указанное выше, позволяет снизить пылевынос до 25%, и повысить удельную производительность до 9т/м²сутки Увеличение высоты печи до 16 метров из-за установки на печи термосифонов и устройства для утилизации тепла, также позволит снизить пылевынос. Примем пылевынос равным 30%, удельную производительность равной 9т/м²сутки .
Примем C_S < 0,1-0,3%, Cso₂<1,5-2,5%, для компенсации потерь H2SO4 на выщелачивании , а ZnS практически не растворим и при добавлении H2SO4 образует H2S - ядовитое вещество вещество не имеющее запаха так как концентрат будет находиться в печи 12 ч., что позволит достигнуть высокой степени десульфуризации, а следовательно, полнее окислить сульфаты , а так же высокое содержание мелкой фракции (-0,15мм); и умеренное содержание ферритного и силикатного цинка.
Для утилизации отходящего тепла будем применять термосифоны, так как имеют большую  производительность, сухие электрофильтры для очистки газов от пыли работающих при температуре 400-450⁰С.
 Непосредственно около печи установим два циклона для улавливания грубой пыли и обратного возврата ее в печь для окисления сульфидов.                

6. Расчет процесса обжига цинкового концентрата в печи кипящего слоя.
При обжиге протекают следующие реакции окисления сульфидов:
ZnS+1.5O₂=ZnO+SO₂                                                                                  (4.1)
ZnS+2O₂=ZnSO₄                                                                                                                                      (4.2)
PbS+1.5O₂=PbO+SO₂                                                                                                          (4.3)
2CuFeS₂+6O₂=Cu₂O+Fe₂O₃+4SO₂                                                                                         (4.4)
2CuS+2.5O₂=Cu₂O+2SO₂                                                                                                  (4.5)
2FeS₂+5.5O₂=Fe₂O₃+4SO₂                                                                                                (4.6)
2FeS+3.5O₂=Fe₂O₃+2SO₂                                                                                                  (4.7)
CdS+1.5O₂=CdO+SO₂                                                                                                                       (4.8)
Продуктами окислительного обжига являются отходящие газы, огарок и пыль. Пыль и огарок представлены оксидными соединениями металлов и их перерабатывают по единой технологии. Отходящие газы содержат сернистый и серный ангидрид, азот, кислород. После очистки их отправляют на производство серной кислоты. Процесс обжига сульфидного концентрата протекает в автогенном режиме при температуре 960-980С. Автогенность процесса поддерживают регулированием расходов концентрата и воздушного дутья. Оптимальное соотношение концентрат воздух устанавливают в результате расчета теплового баланса процесса. Тепловой баланс позволяет также определить расход охлаждающей воды в теплообменниках кипящего слоя для поддержания заданной температуры.
Тепловой баланс предопределяет равенство прихода и расхода тепла в агрегат «КС». Приход тепла в обжиговую печь  складывается из следующих составляющих: физическое тепло воздуха и концентрата, тепло экзотермических реакций окисления сульфидов металлов. Статьями расхода тепла являются тепло отходящих газов, пыли и огарка, тепло на нагрев и испарение охлаждающей воды.
Для расчета процесса потребуется рассчитать рациональный состав цинкового концентрата, расход воздуха для окисления сульфидов, количество и состав продуктов обжига, тепловой баланс процесса.
Исходные данные:
1.     Химический состав цинкового концентрата, %: 52 ZnS; 1.4 Pb; 6.4 Fe; 1.0 Cu; 0.4 Cd; 1.3 SiO₂; 1.1 CaO; 0.7 Al₂O₃; S-по расчету, прочие - по разности до 100%.
2.     Минералогический состав: цинк -в сфалерите ZnS; свинец- в галените PbS; медь- в халькопирите CuFeS₂ и ковеллине CuS в соотношение 1:1;остальное железо- в пиритеFeS₂ и троилите FeS в соотношение 3:1; кадмий- в сильфиде; пустая порода представлена кремнеземом, известняком, глиноземом.
3.     Исходный цинковый концентрат поступает на обжиг с влажностью 6%
4.     В агрегат подают воздух, обогащенный кислородом до 30%. Избыток воздуха составляет 10% (коэффициент избытка=1,1)
5.     Сульфид цинка в количестве 2,7% от его общего содержания окисляется по (4,2)
6.     Пылевынос при обжиге составляет 30%. По своему составу пыль мало отличается от огарка. В пыли и огарке цинк находится в соединениях: 95% в ZnO; 3% в ZnO*Fe₂O₃; 1.7%ZnSO₄; 0.3% в ZnS.
Расчет ведем на 100 кг. концентрата.
Таблица 4.1-Рациональный состав цинкового концентрата

Соединения.	Содержание компонентов, кг.
	Zn	Pb	Cu	Fe	Cd	S	CaO	SiO2	Al2O3	Проче	Всего
ZnS PbS CuFeS2 CuS FeS2 FeS CdS CaO SiO2 Al2O3 Прочие	52	1,4	0,5 0,5	0,44  3,97 1,99	0,4	25,44 0,22 0,5 0,25 4,55 1,14 0,11	1,1	1,3	0,7	3,49	77,44 1,62 1,44 0,75 8,52 3,13 0,51 1,1 1,3 0,7 3,49
Итого	52	1,4	1,0	6,4	0,4	32,21	1,1	1,3	0,7	3,49	100

Определим количество сфалерита в концентрате, кг:
65,4-97,4
52-х
х=52*97,4/65,34=77,44
серы в сфалерите
52*32/65,4=25,44
Определим количество галенита в концентрате, кг:
207,2 свинца содержится в 239,2 галенита
1,4-х
х=1,4*239,2/207,2=1,62
серы в галените
х=1,4*32/207,2=0,22
Определим количество халькопирита в концентрате, кг:
количество меди 1,0/2=0,5
63,54-183,4
0,5-х
х=0,5*183,4/63,6=1,44
железа в халькопирите
55,8*1,44/183,4=0,44
серы в халькопирите
64*1,44/183,4=0,5
Определим количество ковелина в концентрате, кг:
количество меди 1,0-0,5=0,5
0,5*95,54/63,6=0,75
серы в ковелине
0,5*32/63,6=0,25
Количество железа в пирите и троилите ставит ,кг:
6,4-0,44=5,96
количество железа в пирите
5,96*2/3=3,97
Определим количество пирита в концентрате, кг:
55,8-119,8
3,98-х
х=3,97*119,8/55,8=8,52
серы в пирите
8,54-3,97=4,55
железа в троилите
5,96-3,97=1,99
Количество троилита в концентрате, кг:
1,99*87,8/55,8=3,13
серы в троилите
3,13-1,99=1,14
Количество кадмия в концентрате, кг:
112,4-144,4
0,4-х
0,4*144,4/112,4=0,51
серы в сульфиде кадмия
0,4*32/112,4=0,11

Расчет количества отходящих газов и воздуха для обжига
Таблица 4.2-Количество и состав обжиговых газов

Компоненты	Количество
	кг.	нм3	% объемный
SO2 O2 N2 H2	63,06 4,85 124,18 6,0	22,1 3,4 99,3 67,2	11,51 1,77 51,72 35,0
Итого	198,1	192,0	100

При образовании сульфата цинка окислится сульфида цинка, кг.[10,c.53]
77,44*0,027=2,09
при этом потребуется кислорода, кг.
2,09*64/97,4=1,37
и будет получено сульфата цинка, кг.
2,09*161,4/97,4=3,46
Окислится сфалерита в количестве, кг.
77,44-2,09=75,35
для этого потребуется кислорода, кг.
75,35*48/97,4=37,13
при этом получится диоксида серы, кг.
75,35*64/97,4=49,51
Для окисления галенита потребуется кислорода, кг.
1,62*48/239,2=0,33
получится диоксида серы, кг.
1,62*64/239,2=0,43
Для окисления халькопирита потребуется кислорода, кг.
1,44*192/366,4=0,75
получится диоксида серы, кг.
1,44*256/366,4=1,01
Для окисления ковелина потребуется кислорода, кг.
0,75*80/190,8=0,31
получится диоксида серы, кг.
0,75*129/190,8=0,51
Для окисления пирита потребуется кислорода, кг.
8,52*176/239,6=6,26
получится диоксида серы, кг.
8,52*256/239,6=9,1
Для окисления троилита  потребуется кислорода, кг.
3,13*112/175,6=2,0
получится диоксида серы, кг.
3,13*128/175,6=2,28
Для окисления оксида кадмия  потребуется кислорода, кг.
0,51*48/144,4=0,2
получится диоксида серы, кг.
0,51*64/144,4=0,22
Всего потребуется кислорода для окисления сульфидов концентрата, кг.
1,37+37,13+0,33+0,75+0,31+6,28+2,0+0,2=48,37
В печь для обжига подается дутье, обогащенное кислородом до 30%, тогда масса обогащенного воздуха составит, кг
48,37*100/30=161,23
Избыток воздуха составляет 10%, тогда практическое количество воздуха составит, кг.
161,23*1,1=177,4
В этом количестве воздуха содержится, кг.
кислорода 177,4*0,3=53,22
азота 177,5*0,7=124,18
Получится при обжиге диоксида серы, кг.
49,51+0,43+1,01+0,51+9,1+2,28+0,22=63,06
Цинковый концентрат поступает на обжиг с влажностью 6%
в газовую фазу перейдет:
азота 124,18
кислорода 53,22-48,37=4,85
сернистого ангидрида 63,06
воды 6,0
Расчет количества пыли и огарка
Пылевынос при обжиге составит 30%. Все компоненты огарка переходят в пыль на 30%.
Содержание компонентов в пыли составит, кг.
Цинк                  52*0,3=15,6
Свинец               1,4*0,3=0,42
Медь                  1,0*0,3=0,3
Железо              6,4*0,3=1,92
Кадмий              0,4*0,3=0,12
оксида кальция 1,1*0.3=0,33
кремнезема        1,3*0,3=0,39
глинозема 0,7*0,3=0,21
прочих              3,49*0,3=1,05
Примем для расчета содержание цинка в пыли в следующих формах[10,c.61]
90% ZnO; 7% ZnO*Fe₂O₃; 2.7%ZnSO₄; 0.3%ZnS
Определяем количество цинка в оксиде цинка     15,6*0,9=14,04
количество оксида цинка составит               14,04*81,4/65,34=17,48
кислорода с оксиде цинка                             14,04*16/65,34=3,44
Количество цинка, связанного в ферритную форму     15,6*0,07=1,1
количество феррита цинка составит             1,1*241/65,34=4,06
кислорода в феррите цинка                          4,06*64/241=1,08
железа в феррите цинка                                4,06*111,6/241=1,88
Определяем количество цинка в сульфате цинка 15,6*0,027=0,42
количество сульфата                                       0,42*161,4/65,34=1,04
кислорода в сульфате                                       0,42*64/65,34=0,41
серы сульфатной в сульфате цинка               0,42*32/65,34=0,21