Файл: Амелин, А. Г. Производство серной кислоты учебник.pdf

где Cs(j,aKT — фактическое содержание серы в колчедане, %; р — количество обра­

зующегося при сжигании огарка, кг.

Например, если сжигают 1 кг 100%-ного FeS2, количество образующегося огар­ ка составляет 0,6 кг, а содержание серы в огарке 2%, то CsBbir = 53,5 — 0,6 • 2 =

= 52,3%; количество тепла Q, выделившееся при горении 1 кг этого колчедана,

составит 1^3,2 • 52,3 = 6966,36 кДж/кг.

§ 19. Скорость горения серосодержащего сырья

Скорость горения серосодержащего сырья зависит от его хими­ ческого, минералогического состава и кристаллического строения. Кроме того, скорость этого процесса зависит от температуры, по­ верхности соприкосновения фаз, концентрации кислорода, толщины слоя сырья, продолжительности обжига.

Повышение температуры положительно влияет на скорость го­ рения. Так, при повышении температуры обжига в кипящем слое от 600 до 750°С интенсивность окисления колчедана увеличивается почти в два раза. Однако при содержании в колчедане 35% серы уже при 800° С наблюдается спекание (шлакование) горящего мате­ риала. Большинство колчеданов спекается при 900° С. Это крайне осложняет работу обжиговых печей: спекшиеся куски могут приве­ сти к поломке гребков печи, снижается интенсивность горения, уве­ личиваются потери серы с огарком. В печах пылевидного обжига спекание нарушает процесс сжигания колчедана во взвешенном со­ стоянии. Поэтому необходимо следить при обжиге за тем, чтобы не превысить допустимого предела повышения температуры обжига. В печах КС в кипящем слое находится огарок, содержащий мало серы, поэтому температура спекания в таких печах несколько выше, чем в механических и печах пылевидного обжига.

Большое значение для скорости горения имеет величина поверх­ ности соприкосновения фаз. При горении сырья имеются две фазы: газовая (кислород) и твердая (сырье). Увеличение поверхности со­ прикосновения фаз приводит к повышению скорости горения. Увели­ чению поверхности соприкосновения фаз способствуют измельчение сырья и хорошее перемешивание его в зоне горения. Этим объяс­ няется более интенсивный процесс обжига в печах пылевидного об­ жига и в печах КС. Процесс перемешивания способствует лучшему доступу кислорода к поверхности сырья и отводу образовавшегося сернистого ангидрида из зоны реакции в газовую фазу.

Степень окисления колчедана и других видов сырья зависит от времени обжига (рис. 16). Скорость горения пирита FeS, халькопи­ рита CuFeS2 и сульфида меди C112S в первые две минуты наиболь­ шая, затем она повышается медленно и в определенный период практически перестает возрастать. Скорость горения цинковой об­

40

манки ZnS увеличивается в течение всего приведенного на рис. 16 периода времени.

Зависимость скорости окисления от содержания кислорода при обжиге колчедана и халькопирита в печах кипящего слоя при 700° С показана на рис. 17. Из рисунка следует, что зависимость скорости окисления прямолинейно возрастает с увеличением кислорода в Дутье.

Поэтому при горении серы в воздухе, содержащем 21% кислоро­ да, возможно (теоретически) получить 21% сернистого ангидрида. Выход сернистого ангидрида здесь выше, чем при горении колчеда­ на и цинковой обманки. При сжигании серы в производстве серной кислоты получается наиболее выгодное соотношение S 0 2 и кислоро­ да. Если сжигать серу с небольшим избытком воздуха, можно полу­ чить сернистый газ с повышенным содержанием S 0 2. Однако при этом развивается температура до 1300° С, что приводит к разруше­ нию футеровки печи; это ограничивает получение из серы газа с вы­ сокой концентрацией S02.

Сероводород сгорает с образованием S 0 2 и Н20:

2HaS + 3 0 2 = 2S02+ 2НаО + 1038,7 кДж (247,9 ккал). (30)

Образующиеся при этом пары воды поступают с газовой смесью в контактный аппарат, а из него на абсорбцию.

Процесс производства серной кислоты контактным способом, при котором окисление S 0 2 до SO3 и абсорбция S 0 3 проводятся в при­ сутствии паров воды, называется методом мокрого катализа.

41

Максимальное (теоретическое) содержание сернистого ангидри­ да при сжигании сероводорода в воздухе составляет около 13%.

При обжиге углистого колчедана получают сернистый газ, в ко­ тором содержится двуокись углерода СОг. Она является результа­ том сгорания углерода, входящего в состав углистого колчедана:

С + Ог = СОгНа горение углерода расходуется кислород воздуха, что приво­

дит к снижению концентрации кислорода в обжиговом газе; как уже указывалось, кислород в обжиговом газе необходим для окисления SO2 до SO3. Чтобы уменьшить количество углерода, углистый кол­ чедан обогащают. Для этого раздробленный колчедан промывают водой, на поверхность которой всплывает более легкий уголь. Обога­ щенный углистый колчедан содержит 3—6% углерода. В печах для обжига в кипящем слое сжигание углистого колчедана не вызывает затруднений, поэтому требования к степени его обогащения могут быть значительно снижены.

Использование фосфогипса для получения серной кислоты имеет большое народнохозяйственное значение, так как на производство фосфорной кислоты и концентрированных фосфорных и сложных удобрений расходуется большое количество серной кислоты, кото­ рая выводится в виде фосфогипса. На производство серной кислоты

Как видно из уравнения (32), реакция эта эндотермическая, т. е. требует затраты тепла. Полное разложение ангидрита достигается только при 1400—1500° С. Для этого требуется много топлива. Если при прокаливании в ангидрит добавлять уголь, температура разло­ жения снижается до 800—900° С и процесс идет по реакции

2CaS04+ С = 2СаО + 2SOa + С 02- 566,2 кДж (135,12ккал). (33)

Если к смеси С а504иугля добавить глину (БЮг, AI2O3и ЕегОз), то образуется огарок, при измельчении которого получают цемент. Другими словами, при разложении гипса или фосфогипса помимо сернистого газа, употребляемого для производства серной кислоты, можно получать еще и цемент.

Дымовые и агломерационные газы из-за низкой концентрации в них S 0 2 не используются для производства серной кислоты. Одна­ ко проблема их утилизации становится все более острой, поэтому требуется разработка экономически выгодных методов их обогаще­ ния с целью получения более концентрированного сернистого ангид­ рида, который можно было бы использовать для производства сер­ ной кислоты.

42

Г Л А В А 5.

ПЕЧИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СЕРНИСТОГО ГАЗА

§ 21. Печи для обжига серного колчедана

Общие сведения. Для обжига колчедана существуют печи раз­ личных конструкций: механические полочные (многоподовые), вра­ щающиеся цилиндрические, печи пылевидного обжига, печи для об­ жига в кипящем слое.

В механических полочных печах обжиг колчедана ведут на не­ скольких полках (сводах, подах), расположенных этажами друг

тем, что колчедан в них сжигается в виде тонко измельченной взвеси (пыли), подаваемой через форсунки в шахту печи, представляющую собой вертикальный полый цилиндр.

Печи для обжига колчедана в кипящем, или, как принято гово­ рить, во взвешенном слое (псевдоожиженном состоянии) характе­ ризуются тем, что колчедан в печи находится во взвешенном со­ стоянии, напоминающем кипение. Это достигается продуванием че­ рез слой с большой скоростью воздуха.

Производительность печей выражают в количестве условного колчедана, содержащего 45% серы, сжигаемого в печи в 1 сутки. Для определения производительности печей введено понятие интен­ сивность, или напряженность работы печи.

Интенсивность работы печи характеризуется количеством колче­ дана, сжигаемого в сутки на 1 м2 поверхности рабочих подов печи, в 1 м3объема печи или на 1 м2 сечения шахты печи, т. е. для каждо­ го типа печи принято свое выражение (размерность) интенсивности (напряженности) работы печи.

Считается, что печь хорошо работает и ее конструкция удовлет­ ворительна, если она обеспечивает высокую производительность (интенсивность печи высокая), в ней можно сжигать все виды кол­ чедана, обеспечивается высокая степень выгорания серы, получае­ мый газ поступает из печи равномерно и имеет высокую концентра­ цию. Важную роль в оценке печи играет надежность ее конструктив­ ного оформления, возможность механизировать и автоматизиро­ вать ведение процесса. Имеет также значение экономичность про­ цесса сжигания: расход минимального количества энергии и исполь­ зование теплоты горения колчедана.

Механические полочные печи. Эти печи довольно просты в об­ служивании: колчедан подается и огарок выгружается механически. Механически осуществляется также перемешивание колчедана и пе­ редача его со свода на свод. Для печи характерны довольно посто­

44

янная концентрация сернистого газа и достаточно высокая степень выгорания серы.

Цилиндр 10 (рис. 18) механической полочной печи футерован изнутри огнеупорным кирпичом. Своды 9 расположены друг над. другом. Они изготовлены из огнеупорного кирпича или огнеупорных плит. Своды делят объем печи на ярусы (камеры) 3. В нижней часта

ки 1, через которые в нее поступает воздух, необходимый для горе­ ния. Он поступает навстречу колчедану (по принципу противотока). Огарок выходит из печи через отверстие 13 в нижнем своде. Обра­ зующийся сернистый газ через отверстие 8 в стенке верхнего яруса выходит из печи. Для предохранения вала и гребков печей от дейст­ вия высокой температуры их охлаждают холодным воздухом или водой.

Из механических печей наиболее широко распространена печь ВХЗ (Воскресенского химического завода). Она имеет восемь сво­ дов. На верхнем колчедан подсушивается, а на рабочих сводах

45