5.6. Печи с кипящим слоем для обжига колчедана
Высокая эффективность аппаратов с псевдоожиженным или кипящим слоем позволила спроектировать реакторы достаточно высоких производительностей по обжигу колчедана: печи КС – 200 и КС – 450, где цифрами показана производительность в тоннах в сутки. На большинстве предприятий в процессе обжига колчедана используются печи КС – 450.
Число псевдоожиженных слоев изменяется от одного до трех, но наибольшее распространение получили однослойные печи. Они проще по конструкции и обладают меньшим аэродинамическим сопротивлением.
В процессе получения серной кислоты контактным методом первой стадией процесса является окисление колчедана в аппарате КС по реакции:
4FeS2 + 11O2 → 2Fe2O3 + 8SO2 + q
Реакция окисления является экзотермической с большим выделением тепла - 3300 кДж/кмоль.
В этой связи для частичного снятия теплового эффекта реакции в аппарат «КС» помещают змеевиковые теплообменники, как последнее звено котла-утилизатора (рис. 5.16).
Рис. 5.16. Схема установки для обжига сульфидных руд во взвешенном (псевдоожиженном) слое: 1 – бункер для питания пиритом; 2 – реактор со взвешенным слоем; 3 – змеевик для перегрева пара; 4 – решетка; 5 – рекуператор теплоты; 6 – конвейер для вывода золы.
На рис. 5.17 представлена однослойная печь КС – 450.
В подобной печи обеспечивается высокая скорость диффузионных и теплообменных процессов (подвод кислорода к поверхности частиц колчедана, отвод образующегося SO2 в газовый поток, отвод теплоты от реакционной поверхности к газовому потоку).
Твердым продуктов реакции является оксид железа, который представляет собой достаточно пористую, рыхлую структуру на частицах колчедана, легко истирается и осыпается с этих частиц при их многократных столкновениях друг с другом в псевдоожиженном слое. В результате этого реакционная поверхность колчедана обновляется, благодаря чему в печах «КС» наблюдается очень высокая скорость обжига.
Рис. 5.17. Реактор обжига сульфидов железа в кипящем слое (печь КС – 450):
1 – опора печи; 2 – газораспределительный короб; 3 – коническое днище; 4 – течка выгрузки крупных частиц огарка; 5,7 – змеевиковые теплообменники; 6 – газораспределительная решетка; 8 – горелка для начального розжига реактора; 9 – штуцер подачи твердого реагента; 10 – штуцер вторичного воздуха.
Печь обжига работает следующим образом. Измельченный колчедан шнековым или тарельчатым питателем подается в штуцер 9 в слой кипящего материала печи, смешивается с ним и сгорает. Воздух, необходимый для горения колчедана, нагнетается в печь вентилятором высокого давления в распределительный конус 3, откуда направляется в псевдоожиженный (кипящий) слой, проходя через дутьевые сопла распределительной решетки 6. Для поддержания требуемой температуры (750÷8400С) кипящего слоя в нем располагают змеевиковые теплообменники 5 и 7. Из печи КС обжиговый газ выводится в верхний патрубок крышки печи в котел-утилизатор. Огарок (Fe2O3) через провальную решетку бункера 4 выводится из печи, однако основная часть его (до 90 %) выводится из аппарата с обжиговым газом пневмотранспортом в связи с очень небольшим размером частиц образующейся окиси железа. Средняя скорость воздуха и обжигового газа (по сечению аппарата) больше скорости витания большинства частиц Fe2O3 и они выносятся потоком отходящего газа из аппарата, а затем обжиговый газ, содержащий 12÷14 % SO2 и 90 % частиц Fe2O3 последовательно очищается от оксидов железа в котле-утилизаторе, циклонах, сухом и мокром электрофильтрах и абсорбционной колонне. Газораспределительная решетка 6 выполнена из стальной плиты 2 (рис. 5.18), покрытой слоем жаростойкого бетона 4. В связи с малым размером частиц кипящего слоя отверстия в решетке выполнены непровальными в виде дутьевых сопел разного конструктивного оформления (рис. 5.18).
Рис. 5.18.
Рис. 5.18. Конструкции дутьевых сопел непровальной газораспределительной решетки (а, б, в, г): 1- верхняя часть дутьевого сопла; 2 – стальной несущий лист; 3 – нижняя часть распределительного колпачка, закрепленная на несущем листе; 4, 6 - слой жаропрочного бетона; 5 – слой теплоизоляции; 7 – выходные отверстия дутьевых сопел.
Для обжига колчедана используются дутьевые сопла, типа сопел а (рис. 5.18а) с колпачком 1 сферической или конической формы и дутьевыми отверстиями 7.
Газовые горелки 8 необходимы только для розжига печи и достижения начальной температуры экзотермической реакции окисления.
В кипящем слое реализуются высокие коэффициенты теплоотдачи от слоя к поверхности погруженного в него змеевикового теплообменника (порядка 1000 кДж/м2· ч · 0К), благодаря которому и стоящему рядом котлу-утилизатору удается получать до 1,5 т пара давлением 4 МПа на 1 тонну окисляемого или сжигаемого сульфида железа.
Основные характеристики наиболее часто применяемой печи КС – 450:
Наименование характеристики |
Значение |
Производительность, т/сутки |
450 |
Диаметр, м |
9,8 |
Высота аппарата, м |
3,4 |
Высота кипящего слоя, м |
1 |
Площадь решетки, м2 |
51 |
Поверхность змеевиковых теплообменников, м2 |
60 |
Концентрация газа SO2, % |
14-15 |
Гидравлическое сопротивление печи, КПа |
16 |
Содержание S в огарке, % |
1 |