Пособие кислотчику сульфитно-целлюлозного производства

C_SO2 = содержание SO₂ в газе, объемных %.

Для определения объема газа при условиях, отличающиеся от нормальных, необходимо его объем пересчитать по формуле

V_раб = (V_H x (273 — t)) / 273p м3,

V_раб — объем газа при заданной температуре t и заданном давлении p, мм рт. ст.;

V_H — объем газа при нормальных условиях (t=0° и p=760 мм рт. ст.). Количество газа, образующегося при сжигании 1 кг серы, показано в табл. 1.

Таблица 1

Объем газовой смеси, образующейся при сжигании 1 кг серы, в зависимости от концентрации SO₂ и температуры

Сжигание колчедана и состав газовой смеси

Основная реакция горения колчедана следующая

4FeS₂ + 11O₂ = Fe₂O₃ + 8SO₂ + 815 200

Кроме того, происходит ряд побочных реакций с образованием Fe₃O; и FeO.

Вычисление объема обжигового газа на 1 т колчедана производится по тем же формулам, что и при сжигании серы.

При сжигании серусодержащего сырья наряду с SO₂ образуется и SO₃. Образование SO₃ в газе ведет к потерям серы (до 3–5 %), затруднениям при получении кислоты и осложнениям в процессе варки. Образованию серного газа способствует недостаточно высокая температура обжига (700–250°), каталитическое действие некоторых металлов и избыточное количество воздуха, подаваемого в печь.

Для снижения содержания SO₃ в газах на стадий обжига серусодержащего сырья необходимо, чтобы избыток воздуха составлял 25–30 % от теоретически необходимого для горения, а температура горения 800–900°, при которой содержание SO₃ не превышает 0,4–0,6 %.

Объем воздуха, необходимый для сжигания 1 т колчедана, можно определить по формуле

где:

V — объем воздуха, м 3 (при 0° и 760 мм рт. ст.);

C_SO2 — содержание SO₂ в обжиговом газе, объемных %;

C_S — содержание выгорающей серы в сырье, %.

Коэффициент избытка воздуха, т. е. отношение количества фактически затраченного воздуха к теоретически потребному, определяется по формуле

где:

n — содержание кислорода в воздухе, объемных %;

m — отношение числа молекул кислорода, вступающих в реакцию, к числу молекул образующегося SO₂ (при сжигании колчедана в среде воздуха m = 1,375);

C_SO2 — содержание SO₂ в обжиговом газе, объемных %. Для случая обжига колчедана в воздухе

Теоретически концентрация SO₂ в обжиговом газе при обжиге колчедана в воздухе (при а=1) составляет 16,2 объемных %.

Но опытным данным, наименьший коэффициент избытка воздуха при обжиге колчедана можно принять для флотационного колчедана равным 1,2, для рядового 1,4.

Очистка и охлаждение газа

Несмотря на то, что характер и количество загрязнений, а также температура печного газа зависят от вида и качества серусодержащего сырья и способа его сжигания, принципы охлаждения и очистки газа являются общими для различных условий. Основные требования к очистке газа заключаются в том, чтобы не допустить попадания в башенную кислоту примесей, вредно влияющих на качество целлюлозы. К таким примесям относятся серный ангидрид SO₃, селен, мышьяк, пыль, огарок и др.

Для обеспечения нормальных условий поглощения печной газ охлаждают до температуры 30–35°. Рассмотрим характер основных загрязнений.

SO₃ образуется уже в момент сжигания серусодержащего сырья за счет избытка кислорода воздуха. Кроме того, часть сернистого ангидрида под воздействием катализаторов — окислов железа, мышьяка и селена, которые присутствуют в газе, переходит в серный ангидрид. На образование SO₃ влияет также время воздействия критической температуры в печи и по тракту очистки и охлаждения газа (рис. 5).

При обжиге колчедана от 5 до 15 % SO₂ окисляется в серный ангидрид.

Рис. 5. Зависимость перехода SO₂ в SO₃.

1–19,5 % SO₂; 2–16,5 % SO₂; 3–14,0 % SO₃; 4–10,5 % SO₃.

При работе на кальциевом оснований SO₃ способствует образованию гипса CaSO₄ который засоряет аппараты приготовления кислоты.

Селен содержатся в печных газах в виде SeO₂.

Под действием сернистого ангидрида SeO₂ восстанавливается в металлический селен, мелкодисперсной пыли

SeO₂ + 2SO₂ = Se + 2SO₃.

Образующийся при этом серный ангидрид увеличивает потери серы. При обжиге колчедана образуется значительное количество огарковой пыли, которая выносится из печи вместе с газом (табл. 2). Пыль способствует образованию SO₃ и загрязняет кислоту.

Таблица 2

Практические данные по запыленности газов, поступающих на очистку

УСЛОВИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ГАЗА………………ЗАПЫЛЕННОСТЬ ГАЗА, г нм3

Механические печи (28 т/сутки)

колчедан рядовой ……………………………………… 2,95÷4,16

колчедан рядовой с добавлением 30–50 % флотохвостов ……………………………………… 4,2÷4,8

Механические печи ВХЗ с короткими газоходами и добавлением к рядовому колчедану до 50 % флотохвостов ……………………………………… 5,1÷8,5

Горизонтальные колчеданные печи

колчедан рядовой ……………………………………… 5,85

Печи для обжига колчедана во взвешенном состоянии

короткие газоходы, небольшие пыльники ……………………………………… 40÷45

длинные газоходы, большие пыльники и воздушные холодильники для газа ……………………………………… 20÷25

Печи для обжига колчедана в кипящем слое системы Гипрохим ……………………………………… 400

Очистка газа основана на физико-химических свойствах тех или иных загрязнений. Серный ангидрид хорошо растворим в воде и может быть удален путем промывки газа в различного рода аппаратах При этом для снижения потерь SO₂ применяется замкнутый цикл использования оборотной воды, повышенная температура которой (до 60°), а также образовавшаяся серная кислота снижают растворимость SO₂.

Одновременно с улавливанием SO₃ и очисткой от минеральных загрязнений в промывных аппаратах происходит охлаждение газа Очистка газа от SO₃ и селена производится в электрофильтрах (селеновых камерах).

Огарок и прочие минеральные загрязнения отделяются от газа сухим способом (механическим) и электроочисткой.

Мокрая очистка газа осуществляется в аппаратах, где происходит распыление воды в виде мельчайших брызг в среде очищаемого газа или ее распределение тонкой пленкой на поверхности какой-либо насадки, сквозь которую проходит газ.

Можно также заставить газ пробулькивать через слой жидкости. Первоначально это были аппараты типа форвашера. В последнее время широкое применение находят аппараты с перфорированными решетками (тарелками). Тарелки способствуют равномерному распределению газа и более эффективному барботированию его через жидкость.

Сухая механическая очистка печных газов происходит под действием силы тяжести или центробежной силы. Частички пыли в газовом потоке относительно свободно передвигаются под воздействием какой-либо внешней силы. Сила тяжести заставляет двигаться частички пыли вниз, переводя их из верхних слоев газа в нижние; сила инерции заставляет двигаться частички пыли в прежнем направлении при изменении направления потока газа; центробежная сила перемещает частички во вращающемся газовом потоке от оси вращения к периферии.

Во всех этих случаях частички пыли могут вырваться из потока газа и достигнуть ограничивающей поверхности — стенки или дна аппарата, прежде чем они будут унесены газом из аппарата.

Для определения скорости осаждения пылинок под действием силы тяжести справедливо следующее уравнение:

где:

d — диаметр частиц, м;

γ₁ — плотность частиц, кг/м3;

γ₂ — плотность газа, кг/м3;

η — вязкость газа, кг/секм3.

Так как γ₂ для сернистого газа очень мала по сравнению с γ₁ огарка, ее можно но учитывать, а расчет вести по упрощенной формуле

Скорость газа в пыльных камерах должна быть в пределах 0,2–0,8 м/сек.

Степень очистки газа сухим механическим способом не превышает 20 %, так как мелкую пыль практически уловить не удается.

Электрическая очистка печных газов от взвешенных частиц пыли и тумана SO₃ основана на использовании явления ионизации газовых молекул электрическим зарядом в электрическом поле.

Любой газ, в том числе и печной газ кислотных цехов, представляет собой скопление беспорядочно движущихся молекул, большая часть которых лишена электрического заряда. Но в газе содержится некоторое число положительно или отрицательно заряженных молекул и свободных электронов. Заряды возникают под действием ультрафиолетовых лучей, высокой температуры и т. д.

Если газ, содержащий некоторое количество носителей зарядов, поместить между электродами, соединенными с источником тока высокого напряжения, ионы и электроны начнут двигаться под действием электрического поля.

При достаточно высоком напряжении электрического поля движущийся носитель заряда приобретает столь высокую скорость, что, столкнувшись на своем пути с нейтральной молекулой газа, способен выбить из нее один или несколько электронов. Вновь образовавшиеся электроны в свою очередь приходят в движение и вызывают дальнейшую ионизацию газа (ударная ионизация) В результате число образовавшихся ионов растет и они заполняют все пространство между электродами.

Движущиеся ионы и электроны оседают на частичках пыли или тумана и сообщают им свой заряд. Заряженные, взвешенные частицы под действием электрического поля движутся к электродам и оседают на них, а очищенный газ направляется на дальнейшую обработку.

Оптимальная температура газа для сухой электрической очистки 450–500 °C, для мокрой 35–40 °C.

Ожидаемый эффект очистки в сухом электрофильтре может быть определен по формуле

η = I — KL,

I = L/Sω_r - удельное время пребывания газа в электрофильтре (параметр, характеризующий режим работы электрофильтра), сек/м;

ω_r - скорость газа в активной зоне электрофильтра (0,5 м/сек);

L = nl — суммарная активная длина полей l электрофильтра по ходу газа, м;

n — число полей;

S — Расстояние между осадительными и коронирующими электродами (для электрофильтров типа ОГ S=0,13 м);

K — коэффициент, характеризующий скорость осаждения частиц пыли в электрическом поле.

Для электрофильтров типа ОГ при работе на колчеданной пыли К=0,95.

Охлаждение печного газа до температуры 35–40° производится в две стадии. Сначала газ быстро охлаждают до температуры 450–500°, в случае работы на колчедане, и до 300 °C, в случае работы на сере, чтобы уменьшить возможность образования SO₃.

Вторая стадия — охлаждение газа с температурой 300–500° до температуры 35–40°.

Не следует охлаждать газ в первой стадии до температуры ниже 300 °C, так как в этом случае происходит конденсация серной кислоты, которая может подвергнуть разрушению оборудование.

Более интенсивно процесс охлаждения газа за счет непосредственного контакта газа с жидкостью проходит в барботажных и пенных аппаратах с перфорированной решеткой. Кроме того, охлаждение газа может происходить и через разделяющую стенку. Наиболее старым способом такого рода охлаждения являются свинцовые погружные холодильники, в которых охлаждающей средой служит вода. Для охлаждения используются и трубчатые холодильники, в которых охлаждающим элементом является атмосферный воздух.

Поглощение сернистого газа и получение сырой кислоты

До недавнего времени для варки сульфитной целлюлозы применяли кислоту только на кальциевом основании. Существовало два способа получения сырой кислоты: турменный и известково-молочный. В настоящее время все большее значение приобретают другие виды основания — магниевое, натриевое, аммониевое, которые применяются в чистом виде или в смеси с кальциевым основанием В основе приготовления сырой кислоты любого состава и с любым видом основания лежит процесс абсорбции.

Абсорбция — это процесс поглощения газа за счет проникновения его в массу жидкости, в результате чего происходит образование раствора определенного состава.

При соприкосновении газа с жидкостью часть молекул газа растворяется в ней, а затем частично выделяется обратно в газовую фазу, При этом через некоторое время количество молекул, переходящих в жидкость и возвращающихся в газовую фазу, становится одинаковым. Такое положение называется состоянием равновесия. Содержанию растворенного газа в жидкости при данной температуре соответствует определенное содержание его в газовой фазе, которое называется парциальным давлением.

Парциальное давление газа над жидкостью выражается обычно в мм рт. ст. или в ата и составляет часть общего давления над данным раствором. Следовательно, на процесс абсорбции газа жидкостью влияют два основных фактора — парциальное давление и температура, меняя которые можно регулировать состав раствора.