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

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

I— VII (рис. 19) обжигается. Стальной кожух футерован жароустой­ чивым кирпичом. По середине печи проходит полый вал 1, на кото­ рый над каждым сводом насажено по два гребка 5 с зубьями 6. Вал и гребки охлаждаются воздухом, поступающим в вал снизу в на­ ружный канал и через гребки выходящим в центральный канал ва­ ла. Колчедан через бункер 3 поступает на периферию сушильного свода и зубьями гребков перемещается к центру. Затем колчедан через питатель 2 ссыпается на первый рабочий свод и зубьями греб­ ков передвигается от центра к периферии и ссыпается на второй свод. На втором своде колчедан перемещается в обратном направлении. У вала колчедан ссыпается на третий свод, и т. д. С последнего сво­ да по течке 13 огарок поступает на транспортер. Воздух для горе­ ния колчедана подается в печь через воздушники, расположенные под нижним сводом и снабженные задвижками. Дополнительно воз­ дух может подаваться на четвертый свод. Газы движутся навстречу колчедану и по выходе из печи поступают через газовую коробку («кривулю») в общий газоход.

Интенсивность такой механической печи определяется количест­ вом сухого условного (содержащего 45% S) колчедана, сжигаемого на 1 м2 поверхности свода в 1 сутки, и составляет 200—250 кг. При общей поверхности сводов печи 140 м2это составляет 35 т колчедана в сутки.

На рис. 20 показана схема питателя сушильного свода печи ВХЗ. В бункере 1, установленном сбоку сушильного свода 5, сделан вни­ зу вырез 2, под которым находится площадка 3. Когда бункер за­ полнен колчеданом, часть его через вырез 2 просыпается на площад­ ку, размер которой рассчитан таким образом, что колчедан задер­ живается на ней и не ссыпается на лежащий ниже сушильный свод. На гребке 6 сушильного свода на стойках 7 закреплен палец 8 пи­ тателя. При вращении вала и гребка палец 8 проходит горизонталь­ но над площадкой и снимает с нее часть колчедана на сушильный свод. Взамен снятого количества на площадку из бункера ссыпается новая порция колчедана. Чем дальше палец питателя сдвинут впра­ во, тем больше колчедана он снимает с площадки на сушильный свод. Таким образом, изменяя положение пальца питателя, можно регулировать количество колчедана, подаваемого на сушильный свод.

Для более равномерного распределения колчедана по сушильно­ му своду на конце гребка 6 укреплена тарелка 4. При сбрасывании пальцем 8 колчедана с площадки бункера часть его ссыпается не­ посредственно на сушильный свод, другая часть попадает на та­ релку 4. Когда гребок сделает по поверхности сушильного свода по­ ворот на 180°, колчедан с тарелки 4 снимается ножом (на рисунке не показан), прикрепленным неподвижно у периферии сушильного свода печи на противоположной стороне от места загрузки колче­ дана из бункера на тарелку. Таким образом, колчедан из бункера разгружается на сушильный свод в двух местах, что обеспечивает более равномерное распределение его по сушильному своду зубьями гребков.

4 7

Для равномерной загрузки колчедана на первый рабочий свод печь имеет питатель. На рис. 21 показан чугунный питатель для ря­ дового и флотационного колчедана. Он состоит из двух частей, под­ вешиваемых к лапам центрального вала печи на четырех шпиль­ ках 5. Обе части жестко скреплены друг с другом затяжными бол­ тами. Каждая часть питателя состоит из собственно питателя (фа­ сонный колокол 4) и кольцевого конического отбрасывателя <3. Внешние борта 2 колокола постоянно погружены в колчедан на глу­ бину не менее 25 мм, благодаря чему устраняется подсос воздуха в печь через питатель. Сырье поступает в печь через два спираль­ ных канала с ребрами высотой 75 мм и шириной 120 мм. Подача колчедана регулируется в широких пределах съемными ножами 6, изменяющими размер входных отверстий каналов. Конический отбрасыватель 3 также состоит из двух половин, укрепленных на валу печи затяжными болтами. Во время работы печи питатель вращает­ ся вместе с ее валом. При вращении вала выступающие части спи­ ральных каналов захватывают колчедан, подаваемый к питателю зубьями гребков на сушильном поде. Спиральные ребра передвига­ ют колчедан к валу печи, где он ссыпается на рабочий под через кольцевое отверстие. Благодаря наличию отбрасывателя колчедан не просыпается между валом и сводовым кольцом.

Вал печи ВХЗ круглого сечения с наружным диаметром 920 и общей длиной 7100 мм. Он состоит из трех отдельных частей, со­ единенных болтами. В разрезе вал представляет собой как бы два вставленных один в другой цилиндра, соединенных друг с другом ребрами и приливами, являющимися одновременно опорами для гребков. Вал имеет по два гнезда для закрепления в них гребков в каждом ярусе печи. Гнездо гребка проходит стенку внешнего и внутреннего цилиндров вала и представляет собой сквозное цилин­ дрическое отверстие. Гребок рабочих сводов сделан в виде чугунной конической трубы. Внутренняя полость гребка разделена перегород­ кой, не доходящей до конца гребка. Часть гребка, входящая в гнез­ до вала, имеет цилиндрическую форму. В торце части гребка, вхо­ дящей в гнездо, есть отверстие для прохода воздуха из внутренне­ го цилиндра вала в полость гребка. Торец тонкого конца гребка закрыт.

Воздух для охлаждения вала и гребков в печи ВХЗ подается снизу во внутренний (центральный) цилиндр 1 вала (рис. 22). В верхней части вала внутренний цилиндр закрыт заглушкой 7. Не имея выхода из внутреннего вала вверх, воздух через отверстия 3 в торце гребков 6 проходит внутрь полого гребка по одной стороне перегородки 8, огибает ее, идет в обратном направлении по другой стороне перегородки и выходит через отверстие 4 в кольцевое про­ странство 5, образованное внутренним 1 и внешним 2 цилиндрами вала, откуда нагретый воздух свободно выходит.

В механических печах наиболее сильно изнашиваются лопатки (зубья) гребков. Чтобы при их поломке не менять весь гребок, зубья делают съемными. Схема устройства для подвески зубьев на гребке печи ВХЗ показана на рис. 23. Для укрепления зубьев на