книги из ГПНТБ / Амелин, А. Г. Производство серной кислоты учебник

Г Л А В А 3.

СКЛАД СЫРЬЯ и ПОДГОТОВКА СЕРНОГО КОЛЧЕДАНА К ОБЖИГУ

§ 13. Требования, предъявляемые к складу сырья. Разгрузка на складе, хранение и учет сырья

Склады делают крытыми для предохранения сырья от действия атмосферных осадков. Для обеспечения быстрой разгрузки транс­ порта, подвозящего сырье, склад строят вдоль линии железной до­ роги, а иногда вводят линию железной дороги прямо в склад. Часто для обеспечения двойного фронта разгрузки в складе прокладывают две линии железной дороги (по обеим сторонам склада).

Размеры склада определяются производительностью завода и его территориальным положением, так как существенную роль иг­ рает месторасположение завода по отношению к источнику сырья. Обычно полагается строить склад, в котором можно хранить запас сырья, обеспечивающий двух-четырехнедельную бесперебойную ра­ боту завода. Допустимость отступления от этой нормы решается в каждом конкретном случае отдельно: при близко расположенном источнике сырья и хороших средствах транспортировки его запас на складе может быть сокращен, а следовательно, и размеры склада могут быть меньше, при далеко расположенном источнике сырья и трудностях в транспорте размеры склада могут быть увеличены. Для увеличения емкости склада его углубляют в землю.

Па рис. 11 показан современного типа закрытый склад колчеда­ на. Колчедан поступает на склад по железнодорожному пути 9, про­ ложенному внутри склада. Вагоны разгружаются с обеих сторон. Склад оборудован мосто­ вым краном 2 с ковшом 1.

Кран передвигается по специальным путям <5. Ковш может из любого места склада захватить и перенести сырье или засы­ пать его в бункер 5, отку­ да сырье поступает на ленточный транспортер 8, подающий его в печное отделение. При необходи­

31

внешней стороны склада колчедан выгружают на наружную пло­ щадку, расположенную по длине склада. Отсюда колчедан подают на склад, рассыпая его равномерным слоем. Это продолжительная и трудоемкая операция, кроме того, она задерживает разгрузку вагонов. Для облегчения загрузки сырья в склад этот процесс меха­ низируют, используя подвижные ленточные транспортеры. Однако ленточные транспортеры громоздки, перестановка их во время раз­ грузки сырья практически невозможна, поэтому в настоящее время предпочтение отдается складам с внутренним вводом вагонов и мо­ стовыми грейферными кранами.

Рядовой и флотационный колчедан хранят на складе в штабе­ лях. Высота штабелей до 5 м. Высота штабеля углистого колчедана не должна превышать 1 м, так как этот колчедан люжет самовозго­ раться. Различные виды сырья принято хранить отдельно. Это об­ легчает шихтовку (смешивание) сырья по требованиям технологи­ ческого процесса и упрощает учет. Учет необходим, так как без него нельзя составить представление об эффективности работы серно­ кислотного цеха, о культуре его производства.

Взвешивание колчедана производят при подаче его в печь. Если колчедан подается в бункера печей ленточным транспортером, то его взвешивают на ленточных весах, а если в вагонетках, то каждую из них взвешивают на специальных весах.

Периодически на складе проводят учет остатков сырья. Для это­ го обмеряют объемы штабелей и бункеров, засыпанных сырьем. Чтобы определить весовое количество сырья по его объему, необхо­ димо знать насыпную массу сырья. Насыпной массой называется масса единицы объема сырья. Если в справочнике соответствующие данные отсутствуют, их находят путем взвешивания определенного объема колчедана.

Перед подачей в печь флотационный колчедан и концентраты руд цветных металлов просеивают, удаляя крупные куски. Если сырьем является элементная сера, ее плавят и фильтруют. Рядовой колчедан перед обжигом измельчают.

§ 14. Сушка флотационного колчедана

Флотационный колчедан получают на обогатительных фабриках в виде пульпы с содержанием воды до 70%• Пульпу для снижения ее влажности до 12—14% подают в отстойники-сгустители. Однако перевозка колчедана с такой влажностью нерациональна. Кроме то­ го, при влажности 3—5% колчедан в холодную погоду смерзается, а при 7% образует монолит. Это затрудняет погрузку и разгрузку вагонов. Поэтому флотационный колчедан подсушивают до содер­ жания влаги 3,8%. Меньшее содержание влаги приводит к потерям колчедана из-за пыления при погрузке, разгрузке и перевозке. Под­ сушенный до установленной нормы флотационный колчедан в пути может намокнуть и влажность его повысится. Поэтому на месте потребления колчедана имеются сушильные установки.

32

Установка для сушки флотационного колчедана. Флотационный колчедан сушат, обогревая его горячими топочными газами в су­ шилках барабанного типа. Топочные газы, полученные в топке / (рис. 12), пройдя камеру 2 смешивания с воздухом (для регулиро­ вания температуры), поступают в сушильный барабан 4 с темпера-

Рис. 12. Схема барабанной сушилки для флотационного колче­ дана:

/ — топка; 2 — камера смешивания топочных газов с воздухом; 3 — бун­ кер для подачи влажного колчедана; 4 — сушильный барабан; 5 — сталь­ ные бандажи; 6 — зубчатый венец; 7 — дымовая камера; 8 — циклоны; 9 — вентилятор

турой 600—700 С. Сюда же через бункер 3 подается влажный колчедан. Сушильный барабан имеет угол наклона. При вращении ба­ рабана колчедан постепенно перемещается в нижнюю часть бараба­ на и, соприкасаясь с горячими газами, сушится. Для улучшения соприкосновения горячих газов с высушиваемым колчеданом бара­ бан внутри имеет большое количество стальных планок, прикреп­ ленных к его внутренней стенке. Эти планки при вращении бараба­ на захватывают колчедан, при этом он многократно пересыпается.

Г Л А В А 4.

ПОЛУЧЕНИЕ СЕРНИСТОГО ГАЗА

Основными видами сырья для производства серной кислоты яв­ ляются серный колчедан, сера, сероводород и отходящие газы цвет­ ной металлургии.

кислород, азот и другие примеси. Содержание в сернистом газе раз­ личных компонентов зависит от состава исходного сырья и методов его обжига. Так, при обжиге серного колчедана, содержащего кро­

мышьяка As20 3 и селена Se02, соединения фтора и др. Если обжиг ведут в механических печах, при одном и том же составе сырья в газе будет меньше S 0 2 и больше S 0 3 и мышьяка, чем при обжиге в печах кипящего слоя. При обжиге серы в газе отсутствуют мышьяк, селен, фтор и можно получить самое высокое содержание S 0 2 и т. д.

§ 15. Обжиг серного колчедана

Обжигом называют процесс горения колчедана с получением сернистого газа. Это сложный химический процесс, состоящий из ряда последовательно и одновременно идущих реакций.

При обжиге колчедана вначале происходит термическое разло­ жение дисульфида железа FeS2, которое протекает с выделением парообразной серы:

пламя, характерное для горения серы.

Сульфид железа FeS также окисляется (т. е. сгорает). Механизм горения FeS точно не установлен. Принято считать, что итог всех протекающих при горении колчедана реакций может быть выражен следующим уравнением:

сернистого ангидрида образуется огарок Fe20 3— окись железа. Об­ разование огарка идет с последовательным увеличением степени окисления железа: сначала образуется закись железа FeO, затем закись — окись Fe30 4 и, наконец, окись Fe20 3.

По уравнению (23), зная атомные веса элементов, входящих в это уравнение, можно рассчитать, сколько сернистого ангидрида

и огарка образуется при сгорании определенного количества кол­ чедана.

Для упрощения приводимого ниже расчета атомные веса элементов округлим: Fe — 56, S — 32, О — 16. Сначала рассчитаем молекулярные веса вступающих в ре­

коэффициентов, получим весовые соотношения вступивших в реакцию и образо­ вавшихся веществ: 4 • 120 + 11 • 32 = 2 • 160 + 8 - 64, или 480 + 352 = 320 + 512.

Это означает, что из 480 г 100%-ного пирита можно получить 512 г сернистого ангидрида и 320 г огарка.

§ 16. Состав и количество обжигового сернистого газа

Для обжига серосодержащего сырья необходим кислород. С этой целью в обжиговую печь подают воздух. Кислород воздуха исполь­ зуется для горения серосодержащего сырья и образования SO2, а азот, являющийся основной составной частью воздуха, входит в состав обжигового газа в виде N2.

Обычно применяют для обжига сырья избыток кислорода по от­ ношению к тому количеству, которое требуется по уравнению реак­ ции (стехиометрическому соотношению), т. е. в печь подают избы­ ток воздуха. Это положительно влияет на скорость процесса горе­ ния. Кроме того, кислород необходим в производстве серной кисло­ ты и для окисления сернистого ангидрида S 0 2 до серного ангидрида

S 0 3.

В печь подают неосушенный воздух, а сырье, поступающее на обжиг, также содержит некоторое количество влаги. При сжигании сырья вода из него испаряется. Таким образом в состав обжигового таза попадают пары Н20 .

Селен, находящийся в сырье, при обжиге окисляется с образова­ нием двуокиси селена Se02, которая также находится в газовой сме­ си. Мышьяк окисляется при горении сырья до трехокиси мышьяка As2D3, которая является летучим соединением и поступает в состав обжигового газа. Количество селена и мышьяка в газе зависит в ■большой степени от условий обжига (температуры и способа обжи­ та). Так, в печах с кипящим слоем (печах КС) трехокись мышьяка АэгОз адсорбируется огарком и окисляется до нелетучего соедине­ ния As20 5. Поэтому в газе после печей КС содержится значительно меньше мышьяка, чем после механических печей. Установлено, что при сжигании одних и тех же сортов колчедана содержание мышь­ яка в газе после механических печей составляет 30 мг/м3, а после печей КС только 0,1—1 мг/м3.

Содержащийся в сырье фтор в процессе обжига переходит в со­ став обжигового газа в виде фтористого водорода HF, который с по­ нижением температуры газа может соединяться с двуокисью крем­ ния Si02, содержащейся в футеровке аппаратов и в пыли. При этом

•образуется четырехфтористый кремний SiF4, который также посту­ пает в состав обжигового газа.

3 6

В обжиговом газе может содержаться и серный ангидрид SO3. Количество его зависит от температуры обжига, концентрации кис­ лорода в обжиговом газе, конструкции печи и некоторых других факторов. Вследствие большой концентрации сернистого ангидрида, низкой концентрации кислорода и высокой температуры обжига в печах КС степень окисления сернистого ангидрида до серного в них в 30—20 раз ниже, чем в механических. Она тем ниже, чем вы­ ше концентрация S 0 2 в обжиговом газе. В обжиговом газе после механических печей содержание S 0 3 составляет 5—10% концентра­ ции S 0 2.

Рассмотрим, каково соотношение сернистого ангидрида и кисло­ рода в газовой смеси в зависимости от количества воздуха, взятого для обжига сырья. С этой целью разберем следующий пример.

Предположим, что на обжиг сырья израсходовано 100 объемов воздуха, со­ держащего 21 объем кислорода и 79 объемов азота. Примем, что весь кислород расходуется на образование S02. Из уравнения (23) следует, что из 11 объемов кислорода получается 8 объемов S 02. Следовательно, из 21 объема кислорода по­ лучится: (21 - 8): 11 = 15,27 объемов S02, а общий объем газа после обжига, со­ держащего S 02 и N2, будет 15,27 + 79 = 94,27.

Процентное содержание сернистого ангидрида и азота в полученной газовой смеси будет:

Содержание S 0 2, равное 16,2%, является наивысшим (теорети­ чески) в газовой смеси, получаемой при сжигании колчедана в кис­ лороде воздуха. Практически такое содержание S 0 2 в обжиговом газе в указанных условиях получить невозможно, так как при сжи- га-нии колчедана необходим избыток воздуха, а при увеличении из­ быточного воздуха содержание в газовой смеси сернистого ангидри­ да снижается и увеличивается количество кислорода и азота.

Если в рассматриваемом выше примере увеличить количество подаваемого на обжиг воздуха до 200 объемов (т. е. на 100 объемов), то объем газовой смеси уве­ личится до 94,27+100=194,27. В этой смеси содержание сернистого ангидрида, кислоро­ да и азота соответственно составит:

15,27 • 100

37

зультатами произведенного выше расчета. Кривыми, приведенными на рис. 14, с достаточной точностью можно пользоваться для опре­ деления соотношения S 0 2 и 0 2 при обжиге колчедана и серы (кри­ вая 2) в воздухе.

Для приближенного вычисления объема газовой смеси, получае­

где А — содержание серы в колчедане, %; В — количество невыгоревшей серы в огарке, %; С — содержание сернистого ангидрида в газе, %; V — объем газа, по­

лучаемого из колчедана, м3.

Например, содержание серы в колчедане составляет 40%, сернистого ангидри­

1 Значения объемов приведены к нормальным условиям, т. е. рассчитаны для 0° С и давления 760 мм рт. ст.

При нагревании газа объем его увеличивается согласно закону Гей-Люссака приблизительно на У27з на 1 град. Так, если при 0°С объем газа составлял 100 м3, то при 500° С его объем будет равен

VW c = 100 (1 + — ) = 283 м3.

\' 237 /

§17. Выход огарка

При обжиге колчедана образуется огарок, состоящий в основном из Fe2C>3. Кроме того, в огарке находятся сера в виде соединений FeS и FeS2 и в виде сульфатов кальция и бария, а также силикаты и продукты окисления различных примесей, присутствующих в кол­ чедане (например, мышьяка, селена и др.).

Количество образующегося огарка зависит от содержания серы в сырье, полноты выгорания серы, условий обжига и пр. Чем мень­ ше серы в сырье, тем больше образуется огарка.

38

§ 18. Теплота горения серного колчедана

Процесс горения колчедана идете выделением тепла (экзотерми­ ческий процесс), поэтому уравнение (23) может быть записано сле­ дующим образом:

реакции (26), соответствует сжиганию 4 моль пирита. Теплотой го­ рения называют количество тепла, выделяющееся при сжигании 1 кг сырья. Следовательно, теплота горения 100%-ного (химически чистого) серного колчедана FeS2 может быть рассчитана следую­ щим образом:

где 119,98 — масса FeS2, численно равная его молекулярному весу, кг.

Количество тепла, выделяющееся при горении колчедана, зави­ сит от степени выгорания серы. Оно может быть найдено по урав­ нению

39