Обжиг серосодержащего сырья.

Обжиг колчедана (пирита) является сложным физико-химическим процессом и включает в себя ряд последовательно или параллельно протекающих реакций:

Термическая диссоциация
Газофазное горение серы
Горение пирротина
Или суммарно:

При небольшом избытке или недостатке кислорода образуется смешанный оксид железа

Обоснование роли параметров и их выбор.

Температура. Термическое разложение пирита начинается уже при температурах около 200С и одновременно воспламеняется сера. При температурах выше 680С интенсивно протекают все три реакции.

В промышленности обжиг ведут при 850 – 900С, когда общая скорость процесса лимитируется массопереносом окислителя (кислорода) к поверхности пирита и продуктов разложения в газовую фазу. В общем виде движущая сила этого процесса может быть выражена уравнением

(1)

Из этого уравнения видно, что факторами увеличения производительности процесса являются интенсификация массопереноса ( ), увеличение поверхности контакта фаз (F) и концентрации реагентов. Коэффициент массопереноса может быть увеличен повышением температуры, поверхность контакта фаз существенно возрастает с увеличением степени дисперсности твердого материала, а высокие концентрации реагентов обеспечиваются использованием обогащенного пирита и увеличением содержания кислорода в окислителе. Следует, однако, иметь в виду, что чрезмерное повышение температуры способствует размягчению и слипанию частиц твердого сырья, а применение концентрированных реагентов удорожает их стоимость и приводит к чрезмерному росту температуры в условиях автотермического режима. Это обусловливает выбор оптимальной температуры, сочетающей достаточную производительность процесса и использование сырья с соответствующим содержанием активных компонентов при минимуме процессов агломерации твердого материала. На практике процесс проводят при температуре 850 – 900С.

Давление. В соответствии с уравнением (1) давление является фактором скорости процесса, однако его рост может привести в условиях автотермического режима к чрезмерному увеличению температуры и слипанию частиц твердого материала. Кроме того, увеличение давления приводит к увеличению расходов на компремирование. Поскольку реакция обжига в условиях указанных температур протекает достаточно гладко, то предпочитают работать при атмосферном давлении.

Соотношение воздух-колчедан поддерживается на уровне, обеспечивающем избыток кислорода по сравнению с его стехиометрическим количеством, с целью достижения высоких степеней обжига, однако этот избыток не должен быть чрезмерным, т.к. при значительных избытках рост степени извлечения серы из колчедана перекрывается значительным разбавлением газов обжига и понижением концентрации SO₂ в них, что отрицательно влияет на последующий процесс окисления SO₂ в SO₃.

Ранее доминирующим типом реактора был многополочный реактор, снабженный скребками для выравнивания слоя на каждой полке и организации транспорта твердой фазы с верхних полок на нижние (см. типы реакторов для гетерогенных реакций с участием твердой фазы).

В таком реакторе степень дисперсности колчедана невелика, что существенно ограничивает производительность реактора. Кроме того, в таком реакторе движущиеся скребки в высокотемпературной зоне усложняют его конструкцию, создается неоднородный температурный режим по полкам, в нем трудно организовать отвод тепла из зоны реакции. Трудности теплосъема не позволяют получить обжиговый газ с концентрацией SO₂ более 8 – 9%. Основное ограничение – невозможность использования мелких частиц, в то время как для гетерогенного процесса основной способ ускорения реакции – дробление частиц. По этой причине более перспективными являются аппараты к «кипящем слоем» твердых частиц. Их степень дисперсности позволяет на порядок ускорить процесс.

Пылевидный колчедан подается через питатель в реактор. Окислитель (воздух) подается снизу через распределительную решетку со скоростью, достаточной для взвешивания твердых частиц. Их витание в слое предотвращает слипание и способствует хорошему контакту с газом, выравнивает температурный режим по всему слою, обеспечивает подвижность твердого материала и его переток в выходной патрубок для вывода огарка из реактора. В слое подвижных частиц можно расположить теплообменные элементы. Благодаря увеличению глубины обжига содержание SO₂ в обжиговом газе увеличивается до 13 – 15%. Основной недостаток печей кипящего слоя – повышенная запыленность обжигового газа из-за механической эрозии подвижных твердых частиц. Это требует более тщательной очистки газа от пыли в циклоне и электрофильтре.