Стадия обжига колчедана в производстве серной кислоты (стр. 3 из 4)
Печи пылевидного обжига получили свое название в связи с 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 говорить, во взвешенном слое (псевдоожнжен-иом состоянии), характеризуются тем, что колчедан в печи находится во взвешенном состоянии, напоминающем кипение. Это достигается продуванием через 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 интенсивность.
Интенсивность работы печи характеризуется количеством колчедана, сжигаемого в сутки на 1 м2 поверхности рабочих подов печи, в 1 м3 объема печи или на 1 м2 сечения шахты печи, т. е. для каждого типа печи принято свое выражение (размерность) интенсивности (напряженности) работы печи.
В качестве реакторов для обжига колчедана могут применяться печи различной конструкции: механические, пылевидного обжига, кипящего слоя (КС).
Кипящий слой называют также взвешенным, псевдоожиженным слоем. Внешне такой слои находится как бы в состоянии кипения. Это достигается тем, что через слой измельченного сырья (например, колчедана), находящегося на решетке с отверстиями, подают воздух с такой скоростью, что колчедан не проваливается через решетку и не лежит на ней, а находится в состоянии беспорядочного движения. Это наглядно показано на рис. 5.1. При кипении объем слоя увеличивается: первоначальная высота его (в покое) Н0 меньше, чем высота Н, соответствующая состоянию кипения.
Рис. 5.1. Схема идеального кипящего слоя:
а - неподвижный слой, б - кипящий слой; 1 - аппарат постоянного поперечного сечения, 2 - распределительная решетка, 3 - твердые частицы
Интенсивность обжига серусодержашего сырья определяется:
1) скоростью окисления серы в сырье,
2) скоростью передвижения кислорода из газового потока к поверхности сжигаемого сырья (диффузией),
3) диффузией образовавшегося SO2 в газовую смесь,
4) скоростью теплоотдачи от поверхности сырья газовому потоку (процесс теплоотдачи). Таким образом, интенсивность обжига зависит от процессов массопередачи и теплоотдачи. Скорости этих процессов возрастают при интенсивном перемешивании сырья и при увеличении поверхности соприкосновения фаз (воздуха с сырьем). Именно поэтому интенсивность обжига в «печах пылевидного обжига сырья выше, чем в механических печах. Еще больше она в печах кипящего слоя, так как частицы сырья перемешиваются еще более интенсивно благодаря турбулентности потока.
В настоящее время новые сернокислотные системы оборудуются преимущественно печами КС. Механические печи на действующих заводах постепенно заменяются печами этого типа.
Существенными достоинствами метода обжига колчедана в печах КС являются:
а) возможность получения концентрированного сернистого газа (12 15% SO2) с низким содержанием серного ангидрида и мышьяка в обжиговом газе,
б) высокая интенсивность печей. Так, интенсивность печей КС [в кг/(м2сут)] в 80 раз выше интенсивности механических печей и в 4 раза — печей пылевидного обжига.
Содержание мышьяка в сернистом газе после печей КС зависит от температуры обжига и от концентрации SО2. Возможность получать при определенном режиме обжига газ с незначительным содержанием мышьяка позволила применить такие печи в системе с упрощенной очисткой газа.
Печи с взвешенным (кипящим) слоем представляют собой цилиндрическую футерованную камеру с решеткой, на которую непрерывно поступает колчедан. Под решетку подается воздух со скоростью, обеспечивающей переход частиц во взвешенное состояние, но не достаточной для их уноса из печи. Частицы колчедана находятся в непрерывном движении, напоминающем кипение жидкости. Время пребывания частиц колчедана в печи составляет несколько секунд. Постоянный приток воздуха обеспечивает почти полное выгорание серы из колчедана. Взвешенный слой имеет высоту, определяемую расположением патрубка для вывода огарка. Частицы огарка свободно вылетают через патрубок благодаря высокой подвижности взвешенного слоя (рисунок 5.2).
Печи КС отличаются высокой интенсивностью (до 10000 кг/м2∙сут), обеспечивают более полное выгорание дисульфида железа и контроль температуры, облегчают процесс утилизации теплоты реакции обжига. К недостаткам печей КС следует отнести повышенное содержание пыли в газе обжига, что затрудняет его очистку. В настоящее время печи КС полностью вытеснили печи других типов в производстве серной кислоты из колчедана.
Рисунок 5.2 – Печь для обжига колчедана в кипящем слое [7]
Существуют печи КС с одинарным и двойным кипящим слоем. На рис. 5.3 представлена печь КС для обжига колчедана с одним кипящим слоем. Кожух шахты печи стальной, внутри футерованный огнеупорным кирпичом. В нижней части печи находится решетка (подовая плита) 6 с большим числом отверстий. Колчедан поступает в загрузочную камеру 9, огарок выводится через бункер 7. Первичный воздух подается под решетку 6, вторичный — из коллектора 1, расположенного на 'Некоторой высоте от верхнего уровня кипящего слоя колчедана. Для использования тепла горения в кипящий слой колчедана помещены охлаждающие элементы 5 — трубы -из углеродистой стали, по которым циркулирует вода. Нагретая вода поступает в паровой котел-утилизатор. В загрузочной камере также находятся охлаждающие элементы 8, соединенные с системой котла-утилизатора. Топочные газы выходят из печи в трубу 10. Для разжигания печи есть форсунка 2, работающая на газе или мазуте.
Рис. 5.3. Печь КС для обжига колчедана:
1-коллектор для вторичного воздуха. 2-форсунка, 3-опорная рама,4-конус,5,8- охлаждающие элементы. 6 - решетка (подовая плита). 7 -бункер под провальной решеткой загрузочной камеры. 9 - загрузочная камера. 10 - выхлопная труба
6. Экологическая оценка производства
В производстве серной кислоты вредными веществами являются: серная кислота, оксиды серы, олеум. Серная кислота и олеум представляют собой агрессивные жидкости, которые действуют разрушающим образом на растительные, животные ткани и вещества, отнимая у них воду, вследствие чего они обугливаются.
Аэрозоль серной кислоты. ПДК аэрозоля серной кислоты в воздухе:
ПДКр.з. = 1,0 мг/м3 (рабочей зоны),
ПДКм.р. = 0,3 мг/м3 (максимально разовая),
ПДКс.с. = 0,1 мг/м3 (среднесуточная).
Поражающая концентрацияпаров серной кислоты 0,008 мг/л (экспозиция 60 мин), смертельная 0,18 мг/л (60 мин). Класс опасности 2. Аэрозоль серной кислоты может образовываться в атмосфере в результате выбросов химических и металлургических производств, содержащих оксиды серы, и выпадать в виде кислотных дождей [10].
Оксид серы (IV) и взвешенные частицы. Основной процесс, приводящий к образованию взвешенных частиц и диоксида серы, – это процесс горения, осуществляемый в печи сжигания серы. Диоксид серы – бесцветный газ. Источники те же, что и для взвешенных частиц. Вступает в каталитические или фотохимические реакции с другими загрязняющими веществами с образованием SO3, серной кислоты и сульфатов [6].
Класс опасности (токсичности) диоксида серы 3. ПДКр.з. = 10,0 мг/м3, ПДКм.р. = 0,5 мг/м3, ПДКс.с. = 0,03 мг/м3.
Частицы, образующиеся в результате сгорания – сажа, копоть, пыль, – обычно имеют размер менее 1 мкм, так что они могут легко приникать в легочные альвеолы. Они также могут содержать опасные вещества, такие как асбест, тяжелые металлы, мышьяк. Оксиды металлов являются основным классом неорганических частиц в атмосфере. Они образуются в любых процессах, связанных со сжиганием топлива, содержащего металлы.
Класс опасности сажи 3. ПДКр.з. = 4,0 мг/м3, ПДКм.р. = 0,15 мг/м3, ПДКс.с. = 0,05 мг/м3.
Класс опасности нетоксичной пыли 4. ПДКр.з. = 6,0 мг/м3, ПДКм.р. = 0,5 мг/м3, ПДКс.с. = 0,15 мг/м3.
В промышленных районах концентрация диоксида серы обычно достигает 0,05-0,1 мг/м3; в сельских районах она в несколько раз меньше, а над океаном меньше в 10-100 раз. В сельской местности фоновая концентрация близка к 0,5 мкг/м3, а концентрация в городах в 50-100 раз выше. Из-за химических превращений время жизни диоксида серы в атмосфере невелико (порядка нескольких часов). В связи с этим возможность загрязнения и опасность воздействия непосредственно диоксида серы носят, как правило, локальный, а в отдельных случаях региональный характер.
Термин «взвешенные частицы» относится к ряду тонкодисперсных твердых веществ или жидкостей, диспергированных в воздухе в результате процессов горения, производственной деятельности и естественных источников. До 20 % общего количества взвешенных частиц может состоять из серной кислоты и сульфатов (частицы до 1 мкм в диаметре состоят из них на 80 %) [7].
Влияние на окружающую среду. Высокие концентрации диоксида серы вызывают серьезное повреждение растительности. Острое повреждение, вызванное диоксидом серы, отражается в появлении белесых пятен на широколистных растениях или обесцвеченных некротических полос на листьях с продольным жилкованием. Хронический эффект проявляется как обесцвечивание хлорофилла, приводящее к пожелтению листьев, появлению красной или бурой окраски, которая в нормальных условиях маскируется зеленой. Независимо от формы проявления, результатом является снижение продуктивности и замедление роста. Лишайники особенно чувствительны к SO2 и используются как биоиндикаторы при определении его избыточных количеств в воздухе. Однако диоксид серы не всегда вызывает повреждение: в сульфатдефицитных местностях дополнительные небольшие уровни SO2 могут благотворно влиять на растения, однако происходящее параллельно некоторое подкисление почвы может потребовать дополнительного известкования [7].