Экологические проблемы, возникшие при производстве серной кислоты
Одной из основных экологической проблемой производства является обжиговый газ, получаемый после обжига железного колчедана, содержащий пыль, туман серной кислоты и влагу.
Содержание пыли в обжиговом газе - до 300 г/м3, в то время как остаточная запыленность газа не должна превышать 0,1-0,2 г/м3. Разброс размеров частиц пыли и капелек тумана очень широк: от 1 мкм до 500 мкм.
При производстве серной кислоты из различного сырья экологические проблемы не одинаковы. Так, при получении кислоты из серы или сероуглерода не возникают вопросы утилизации пыли и огарка. Но такие вредные вещества, как туман серной кислоты и сернистый ангидрид SO2, есть в каждом производстве серной кислоты. Более того, в газовой сере, являющейся отходом процесса очистки газов нефтепереработки, цветных металлов, попутных нефтяных и природных, содержится мышьяк и другие вредные примеси, поэтому схема ее очистки приблизительно такая же, как и у колчедана.
Обжиговый газ
Возможность контактного окисления сернистого ангидрида в серный была установлена в первой половине 19 века, однако промышленное использование этого способа началось лишь в 20 веке, при развитии методов очистки обжигового газа от вредных примесей и влаги. Очистное отделение по количеству аппаратов, их объему, расходу электроэнергии и воды составляют большую часть контактного производства серной кислоты.
Продукты окислительного обжига колчедана – это обжиговый газ и огарок, состоящий из оксида железа (III), пустой породы и невыгоревшего остатка дисульфида железа. В состав обжигового газа входят оксид серы (IV) - 13–14 %, кислород – 2 %, азот и около 0,1% оксида серы (VI), образовавшегося за счет каталитического действия оксида железа. Обжиговый газ необходимо очистить от пыли, сернокислотного тумана и веществ, являющихся каталитическими ядами или представляющими ценность как побочные продукты. Количество пыли в газе зависит от качества сжигаемого сырья, величины его частиц, конструкции печей и т.д. В качестве реакторов для обжига колчедана могут применяться печи различной конструкции: механические, пылевидного обжига, кипящего слоя. Самые эффективные из них – это печи «кипящего слоя», где мелкие частицы как бы кипят, т.к. находятся в непрерывном движении. Процесс обжига частиц проходит очень интенсивно (до 10000 кг/м2 сут) и обеспечивает более полное выгорание дисульфида железа, однако сами частицы при этом истираются и дают особенно много мелкой пыли. В настоящее время печи кипящего слоя полностью вытеснили печи других типов в производстве серной кислоты из колчедана. Химический состав этой пыли соответствует огарку.
На выходе запыленность газа не должна превышать 0,1-0,2 г/м3, т.к. пыль засоряет аппаратуру, повышает гидравлическое сопротивление аппаратов и трубопроводов, негативно действует на катализатор контактного отделения, загрязняет продукт - кислоту. Поскольку размер частиц лежит в очень широком диапазоне – (менее 1 мкм до 500 мкм), а также потому, что это твердые вещества (пыль) и жидкие (туман), поэтому применяют ступенчатую очистку газа различными способами.
Перед подачей обжигового газа в контактный аппарат нужно отделить примеси, являющиеся ядами для контактной массы (мышьяк, фтор), примеси, присутствие которых нежелательно (пыль, пары воды) и извлечь ценные металлы (селен, теллур). Большую часть пыли и сернокислотного тумана удаляют из обжигового газа в процессе общей очистки газа, которая включает операции механической (грубой) и электрической (тонкой) очистки. Механическую очистку газа осуществляют пропусканием газа через центробежные пылеуловители (циклоны) и волокнистые фильтры, снижающие содержание пыли в газе до 10–20 г/м3. Глубокая очистка от пыли осуществляется в сухих электрофильтрах. После общей очистки обжиговый газ, полученный из колчедана, обязательно подвергается специальной очистке для удаления остатков пыли и тумана и, главным образом, соединений мышьяка и селена, которые при этом утилизируются. В специальную очистку газа входят операции охлаждения его до температуры ниже температур плавления оксида мышьяка и селена в башнях, орошаемых последовательно ~60% и ~30% серной кислотой, удаления сернокислотного тумана в мокрых электрофильтрах и завершающей осушки газа в скрубберах, орошаемых последовательно ~95% серной кислотой. Пары воды не отравляют катализатор, но соединяясь с некоторым количеством серного ангидрида, всегда содержащимся в обжиговом газе, образуют пары серной кислоты, которые существуют в виде тумана. Кислотный туман очень сильно корродирует аппаратуру, примеси, содержащиеся в нем, отравляют катализатор, увеличивают гидравлическое сопротивление, уменьшают коэффициент теплоотдачи за счет отложений. 7.2. Сернистый ангидрид SO
Для достижения высокой степени окисления и уменьшения содержания сернистого ангидрида в отходящем газе без значительного увеличения контактной массы применяют двойное контактирование. Сущность состоит в том, что процесс окисления SO2 проходит в два этапа. На первом этапе степень превращения составляет 90 %. Затем из газа выделяют серный ангидрид, направляя газ в дополнительный промежуточный абсорбер. В результате в газе увеличивается соотношение O2: SO2. Поток газа повторно направляется в контактный аппарат. Такая организация процесса контактного окисления SO2 позволяет получить на второй стадии степень превращения оставшегося ангидрида 95 - 97 %.
Таким образом, общая степень превращения достигает 99,5 / 99,7 %, содержание SO2 – 0,03 % .
Способы доочистки газовых выбросов от SO2: абсорбция раствором известняка или абсорбция аммиачной водой. При такой доочистке в отходящем газе низкое содержание SO2 , удовлетворяющее современным требованиям. Однако возникают новые проблемы - относительно высокая капитальная стоимость – до 25 % стоимости основной установки, потребление реагентов и химикатов, образование побочных отходов.
Заключение
Для производства серной кислоты из железного колчедана требуются: 1. Железный колчедан;
2. Сера;
3. Сероводород;
4. Газы цветной металлургии.
Данное сырье является доступным в нашей стране.
Основными продуктами производства являются: безводная серная кислота и олеум.
Проблемы, чаще всего с которыми сталкивается производство серной кислоты это: обжиговый газ, получаемый после обжига колчедана и сернистый ангидрид. При общей очистке обжигового газа образуется кислотный туман, который очень сильно корродирует аппаратуру, примеси, содержащиеся в нем, отравляют катализатор, увеличивают гидравлическое сопротивление, уменьшают коэффициент теплоотдачи за счет отложений. Для достижения высокой степени окисления и уменьшения содержания сернистого ангидрида в отходящем газе требуются высокие затраты (до 25% стоимости самой установки).
Список литературы
1. Амелин А. Г., Технология серной кислоты, 2 изд., М., 1983
2. Васильев Б. Т., Отвагина М. И., Технология серной кислоты, М., 1985
3. Москвичев Ю.А. Теоретические основы химической технологии, М., 2005
4. Основные процессы и аппараты химической технологии/ под ред. Дытнерского Ю. И., М., 1991