ПРОИЗВОДСТВО СЕРНОЙ КИСЛОТЫ

Состав и количество обжигового сернистого газа

Для обжига серусодержащего сырья необходим кис­лород. С этой целью в обжиговую печь подают воздух. Кислород воздуха используется для горения серусодер­жащего сырья и образования S02, а азот, являющийся основной составной частью воздуха, входит в состав об­жигового газа в виде N2 и является балластом.

Обычно применяют для обжига сырья избыток кис­лорода по отношению к тому количеству, которое тре­буется по уравнению реакции (стехиометрическому со­отношению), т. е. в печь подают избыток воздуха. Это положительно влияет на скорость процесса горения. Кроме того, кислород необходим в производстве серной кислоты :и для окисления сернистого ангидрида S02 до серного S03.

В печь подают неосушенный воздух, и сырье, посту­пающее на обжиг, также содержит некоторое количест­во влаги. При сжигании сырья вода из него испаряется.

Таким образом, в состав обжигового газа попадают па­ры Н20.

Селен, находящийся в сырье, при обжиге окисляется с образованием двуокиси селена Se02, которая также находится в газовой смеси. Мышьяк окисляется при горении сырья до трехокиси (мышьяка AS2O3, 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 обжига). Так, в печах с кипящим слоем (печах КС) трехокись мышьяка As203 адсорбируется ОГарКОМ М ОКИСЛЯеТСЯ ДО Нелетучего Соединения As205. 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 мышьяка 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 состав обжигового газа в виде фтористого водорода HF, который с понижением температуры газа может соединяться с двуокисью кремния Si02, содержа­щейся в футеровке аппаратов и в пыли. При этом об­разуется четырехфтористый кремний SiF4, который так­же поступает в состав обжигового газа.

В обжиговом газе может содержаться и серный ан­гидрид S03. Количество его зависит от температуры об­жига, концентрации кислорода 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 10—20 раз ниже, чем в механических. Она тем ниже, чем выше концентрация S02 в обжиго­вом газе. В обжиговом газе после механических печей содержание S03 составляет 5—10% от концентра­ции so2.

Рассмотрим, каково соотношение сернистого ангид­рида и кислорода в газовой смеси в зависимости от ко­личества воздуха, взятого для обжига сырья. Для этого разберем следующий пример.

Предположим, что на обжиг сырья израсходовано 100 объемов воздуха, содержащего 21 объем кислорода и 79 объемов азота. При­мем, что весь кислород расходуется на образование SO2. Из урав-
пения (31) следует, что из 11 объемов кислорода получается 8 объ­емов S02. Следовательно, из 21 объема кислорода получается: (21-8) : 11 = 15,27 объема S02, а общин объем газа, содержащего после обжига S02 и N2, будет 15,27 + 79=94,27.

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

Содержание S02, равное 16,2%. наивысшее (теоре­тически) в газовой смеси, получаемой при сжигании колчедана в кислороде воздуха. Практически та­кое содержание S02 в об­жиговом газе в указанных условиях получить невоз­можно, так как при сжи­гании колчедана необхо­дим избыток воздуха, а при увеличении избы­точного воздуха содержа­ние в газовой смеси сер­нистого ангидрида снижа­ется и увеличивается ко­личество кислорода и азота.

Рис. 13. Соотношение между со­держанием S02 и 02 в сернистом газе при горении в воздухе колче­дана (/) и элементной серы (2)

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

= 8;

= 10,8;

194,27

% N2= 100 —(7 + 10,8)= 81,2.

Соотношение между содержанием сернистого ангид­рида и кислорода в газовой смеси показано на рис. 13. Если содержание сернистого ангидрида в газе при об­жиге колчедана (кривая 1) 8%, то содержание кисло­рода около 10,5%, а азота 100—(8+10,5) = 81,5%.

Полученные значения совпадают с результатами произ­веденного выше расчета. Кривыми, приведенными на рис. 13, с достаточной точностью можно пользоваться для определения соотношения S02 и 02 при обжиге кол­чедана и серы (кривая 2) в воздухе.

Для приближенного вычисления объема газовой сме­си, получаемой при сжигании 1 кг колчедана, можно пользоваться уравнением

М-Д) 0.7 (32)

Где А — содержание серы в колчедане, %; В — количест­во невыгоревшей серы в огарке, %; С —содержание сер­нистого ангидрида в газе, %; V—объем газа, получае­мого из колчедана, м3.

Например, содержание серы в колчедане составляет 40%, сер­нистого ангидрида в газе 7%, содержание серы в огарке 2%. Объем газа, получаемого при сжигании 1 кг колчедана с указанным содер­жанием серы, составляет [(40—2)0,7] : 7=3,8 м3 (табл. 7).

При нагревании газа объем его увеличивается со­гласно закону Гей-Люссака приблизительно на 1/273 на
1 град. Так, если при 0°С объем газа составлял 100 м3, то при 500° С его объем будет равен

IW- 100 f 1+ — ) = 283 м3.

\ 1 237 /

§ 17. Выход огарка

При обжиге колчедана образуется огарок, состоя­щий в основном из Fe203. Кроме того, в огарке нахо­дятся сера в виде соединения FeS и в виде сульфатов кальция и бария, а также силикаты и продукты окисления различных при­месей, присутствовавших в колчедане (например, мышьяка, селена и др.).

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

Расчет количества огарка, получае­мого при обжиге 1 т колчедана, можно провести по уравнению

1000 (160 — Cs ) 160 — Сс

Гаемого колчедана, кг; CsK — содержа­ние серы в колчедане, %; Csor —содер­жание серы в огарке, %•

Например, при содержании серы в колче­дане 45%, а в огарке 2%, выход огарка на 1 т колчедана составляет [1000(160—45)] : : (160—2) =727,8 кг.

Для определения выхода огарка при горении сухо­го колчедана удобно пользоваться номограммой, при­веденной на рис. 14. Для рассмотренного выше пример­ного расчета выход огарка для сухого колчедана, со­держащего 45% серы, составляет по номограмме 0,722 доли от массы сухого колчедана. На практике выход огарка часто округленно принимают равным 70% мас­сы колчедана, или 700 кг на 1 т колчедана.