Proces „podwójnej konwersji, podwójnej wchłaniania” produkcji kwasu siarkowego nadal generuje SO₂ zawierający gaz (zwykle 500-1000 mg/m3). Bezpośrednia emisja łatwo powoduje kwaśny deszcz, więc obróbka gazu ogona jest niezbędna dla procesu kontaktowego.
Wstępna obróbka surowca: usuwanie zanieczyszczeń w celu zapewnienia późniejszej stabilności procesu
Pierwszym krokiem w procesie kontaktowym do produkcji kwasu siarkowego jest wstępna obróbka surowca, której głównym celem jest usunięcie zanieczyszczeń z surowców w celu uniknięcia zatrucia katalizatora, korozji sprzętu lub czystości produktu w kolejnych procesach. Metody obróbki wstępnej różnią się znacznie w zależności od surowców: jeśli siarka jest stosowana jako surowiec, siarka stała jest najpierw wysyłana do zbiornika topnienia i stopiona w ciekłą siarkę w temperaturze 130-150 stopni.
Następnie zanieczyszczenia mechaniczne (takie jak cząsteczki osadu i węgla) są usuwane przez filtr, a drobne cząstki są dalej oddzielone przez separator cyklonu, aby upewnić się, że czystość siarki wchodzącej na następny krok jest większa lub równa 99,9%. Jeśli przyjęto piryt (główny składnik), musi najpierw przejść przez procesy kruszenia i przesiewowe, aby rozbić piryt w jednolite cząstki 8-15 mm. Jednocześnie zanieczyszczenia metalowe, takie jak zgłoszenia żelaza, są usuwane przez separator magnetyczny, aby zapobiec tlenkom żelaza wytwarzanym podczas kolejnego pieczenia z przylegania do wewnętrznej ściany sprzętu lub rurociągów blokujących. Jeśli surowiec wytopa gaz spalinowy (taki jak SO₂ zawierający gaz spalinowy wytwarzany w procesie wytopu miedzi, ołowiu i cynku), konieczne jest najpierw usuwanie pyłu (przy użyciu elektrostatycznego filtra nadwodnika lub worka w celu usunięcia cząstek pyłu), demisting (usuwanie mgły wodnej przez puszkę Venturi) i zdejmowanie metalu ciężkiego (takie jak usuwanie rtęci, a przy użyciu jamy węgla aktywowanego z aktywacją adsorpcji i itd. Metoda wymiany żywicy) zapobieganie zanieczyszczeniom gazu spalinowego przed aktywnością katalizatora. Jakość wstępnej obróbki surowca bezpośrednio określa stabilność kolejnych procesów. Na przykład, jeśli zawartość arsenu w pirycie jest zbyt wysoka, spowoduje trwałe zatrucie kolejnego katalizatora wanadu. Dlatego łącze obróbki wstępnej musi ściśle kontrolować zawartość zanieczyszczenia, zwykle wymagając zawartości szkodliwych elementów, takich jak arsen i selen w surowcach, aby były mniejsze lub równe 0,05%.
Przygotowanie dwutlenku siarki: Podstawowy łącze reakcji w celu wygenerowania kluczowych surowców procesowych
Dwutlenek siarki (SO₂) jest rdzeniem pośredniego surowca do wytwarzania kwasu siarkowego w procesie kontaktowym. Link przygotowawczy wymaga wybrania odpowiedniej drogi procesu zgodnie z rodzajem surowca, aby zapewnić moc i czystość SO₂ zaspokajają potrzeby późniejszego utleniania. Gdy jako surowiec stosuje się siarkę, wyrafinowana ciekła siarka jest wysyłana do palnika siarki, zmieszanego ze sprężonym powietrzem, które zostało wysuszone (stosując skoncentrowany kwas siarkowy do suszenia w celu uniknięcia wilgoci wpływających na kolejne reakcje) w proporcjach (nadmiar powietrza współczynnik 1,05-1.1), i podlega reakcji spalania w wysokiej temperaturze 800-1000: S + O₂ + SOT.
Szybkość konwersji tej reakcji może osiągnąć ponad 99,8%, a stężenie wygenerowanego gazu SO₂ wynosi około 10%-12%(frakcja objętościowa). Tymczasem uwalniane ciepło można wykorzystać do generowania pary w celu odzyskiwania energii. Jeśli piryt jest używany jako surowiec, wstępnie obróbki cząstki pirytu są wysyłane do fluidowanego pieca z łóżka (wrzącego pieca), a reakcję pieczenia jest przeprowadzana z nadmiarem powietrza w temperaturze 650-850 stopni: 4fes₂ + 11 O₂ → 2fe₂o₃+ 8 So₂ + ciepło. Podczas procesu pieczenia natężenie przepływu powietrza musi być kontrolowane przez wentylator, aby utrzymać cząstki pirytu w stanie wrzenia, zapewniając wystarczającą reakcję. Stężenie wygenerowanego SO₂ wynosi około 7%-9%, a tlenek żelaza produktu ubocznego (żużla) można odzyskać jako surowiec do robienia żelaza. W przypadku surowców gazu spalinowego wstępnie traktowany gaz spalinowy jest wysyłany do wieży desorpcyjnej, a niski stóp SO₂ (zwykle 1%-5%) w gazie spalinowym jest zatężony do 8%-10%poprzez rozcieńczone desorpcja desorpcji kwasu siarkowego lub pirolizę, co spełnia wymaganie stężenia SO₂ w stosunku do katalizatora. Niezależnie od zastosowanego surowca wytwarzany gaz SO₂ musi być chłodzony przez kocioł cieplny odpadów (od 800-1000 stopni do 300-400 stopni), a ciepło odzyskuje się w celu wytworzenia pary średniego ciśnienia, co nie tylko zmniejsza wymagania dotyczące odporności na ciepło kolejnego sprzętu, ale także zdaje sobie sprawę z recyklingu energii.
Katalityczne utlenianie dwutlenku siarki: rdzeń procesu kontaktowego w celu zrealizowania konwersji z So₂ na SO₃
Katalityczne utlenianie dwutlenku siarki jest podstawowym ogniwem w procesie kontaktowym do produkcji kwasu siarkowego. Jego istotą jest utlenienie TRIORIOKED SULFUR (SO₃) pod działaniem katalizatora, a szybkość konwersji tej reakcji bezpośrednio określa moc wskaźników emisji kwasu siarkowego i spalin. Obecnie katalizatory wanadu (główny komponent v₂o₅, przewoźnik Sio₂, promotory K₂so₄ i Na₂so₄) są szeroko stosowane w przemyśle ze względu na ich wysoką aktywność, dobrą selektywność i długą żywotność (zwykle 3-5 lat). Reakcja przeprowadza się w konwerterie (wieloetapowy adiabatyczny reaktor stałego łóżka) przy użyciu „konwersji dwustopniowej i dwustopniowej absorpcji”: podczas pierwszej konwersji, chłodzony gaz SO₂ (zawierający O₂) wchodzi do pierwszego złoża katalizatora konwertera, a reakcja występuje w temperaturze 400-450 stopni: 2So ₂ ₂ ⇌ 2so₃ + ciepło. Ponieważ reakcja ta jest egzotermiczna, temperatura złoża wzrośnie do 550–600 stopni, przekraczając optymalną aktywną temperaturę katalizatora. Dlatego gaz należy schłodzić do 400-420 stopni przez pośrednie wymiennik ciepła przed wejściem do drugiego złoża katalizatora w celu dalszej reakcji. Całkowita współczynnik konwersji pierwszej konwersji może osiągnąć 90%-95%.
Następnie gaz zawierający SO₃ wchodzi do pierwszej wieży absorpcyjnej (przy użyciu 98,3% stężonego kwasu siarkowego w celu wchłaniania SO₃) w celu usunięcia większości SO₃, unikając tworzenia mgły kwasowej podczas późniejszego procesu chłodzenia. Niereagowany gaz SO₂ (stężenie około 0,5%-1%) jest ponownie ogrzewany do około 400 stopni przez wymiennik ciepła i wchodzi do trzeciego i czwartego złoża katalizatora konwertera dla drugiej konwersji, przy czym szybkość konwersji wzrosła do ponad 99,5%. Proces ten skutecznie kontroluje temperaturę reakcji w zakresie aktywności katalizatora (400–600 stopni) poprzez segmentowane reakcje i pośrednią wymianę ciepła, unikając reakcji odwrotnej, gdy SO₃ jest zmieszany z nieprzereagowanym So₂ i O₂. Ponadto stosowanie katalizatorów wymaga ścisłej kontroli zawartości zanieczyszczeń w surowcach. Elementy takie jak arsen, selen i fluor przylegają do powierzchni katalizatora, blokują aktywne centra i powodują dezaktywację katalizatora. Dlatego aktywność katalizatora musi być regularnie testowana, a gdy szybkość konwersji spadnie poniżej 95%, katalizator należy wymienić.
Absorpcja trójtlenku siarki: Unikanie tworzenia mgły kwasowej i skuteczne przygotowanie kwasu siarkowego
Absorpcja trójtlenku siarki (SO₃) jest kluczowym krokiem w przekształceniu So₃ wytwarzanym przez katalityczne utlenianie w kwas siarkowy. Jego podstawowym wyzwaniem jest unikanie bezpośredniego kontaktu między SO₃ a wodą w celu utworzenia mgły kwasowej (So₃ + H₂O → H₂So₄, reakcja ta jest wysoce egzotermiczna i łatwo powoduje, że para kwasu siarkowego jest skondensowana w niewielkie kropelki, które są trudne do przechwytywania). Dlatego 98,3% skoncentrowany kwas siarkowy jest powszechnie stosowany jako pochłaniający w przemyśle. To stężenie kwasu siarkowego ma najwyższą wydajność absorpcji dla SO₃ i nie jest podatna na tworzenie mgły kwasowej. Proces absorpcji przeprowadza się w wieży absorpcyjnej (zwykle w pakowanej wieży lub wieży bąbelkowej): gaz SO₃ (temperatura około 150-200 stopni) po pierwszej konwersji wchodzi z dna wieży absorpcyjnej i kontaktuje się przeciwnie z 98,3% stężonym kwasem siarkowym sprayowanym z górnej części wieży. So₃ rozpływa się w skoncentrowanym kwasie siarkowym, tworząc bardziej stężony kwas siarkowy (stężenie do ponad 99,5%) lub fumurzającego kwasu siarkowego (kwas siarkowy zawierający wolny SO₃, stężenie wyrażane jako frakcja masy SO₃, zwykle 20%-65%).
W wieży absorpcyjnej gęstość natryskową (zwykle 15-25 m3/(m² · h)) i szybkość przepływu gazu (0,5-1,0 m/s) muszą być kontrolowane, aby zapewnić wystarczający kontakt gaz-płyn. W tym samym czasie demister (taki jak demister światłowodowy) zainstalowany w wieży jest używany do usuwania kropel kwasu siarkowego porywanego w gazie, unikając korozji kolejnego sprzętu. Jeżeli należy wytwarzać rozcieńczony kwas siarkowy (taki jak 70% stężenia do marynowania metalu), skoncentrowany kwas siarkowy wytwarzany przez wchłanianie może być wysyłany do zbiornika rozcieńczenia, a demineralizowana woda jest powoli dodawana w warunkach mieszania (ściśle zabronione dodawanie wody bezpośrednio do stężonego kwasu siarkowego, aby zapobiec gotowaniu). Temperatura rozcieńczenia jest kontrolowana, aby nie przekraczać 60 stopni, a stężenie jest monitorowane w czasie rzeczywistym przez internetowy miernik stężenia. Po osiągnięciu wartości docelowej jest wysyłany do gotowego zbiornika przechowywania produktu. Do produkcji szalonego kwasu siarkowego, po wieży absorpcyjnej należy dodać wieżę wytwarzania kwasu siarkowego, aby dalej kontaktować się z SO₃ SO₃ z 98,3% stężonym kwasem siarkowym, tak aby bezpłatna zawartość SO₃ spełnia wymagania projektowe. Kontrola parametrów operacyjnych w łączu absorpcji jest kluczowa. Na przykład, jeśli temperatura chłonności jest zbyt wysoka, rozpuszczalność SO₃ zmniejszy się; Jeśli temperatura jest zbyt niska, lepkość roztworu wzrośnie, wpływając na wydajność absorpcji. Dlatego temperatura chłonna jest zwykle kontrolowana w temperaturze 40-60 stopni przez chłodnica kwasu. Jednocześnie ciśnienie wieży absorpcyjnej musi być utrzymywane przy niewielkim podciśnieniu (-50 do -100 pA), aby zapobiec wyciekowi gazu.
Rafinowanie produktu: dostosowanie stężenia i czystości zgodnie z dalszymi wymaganiami
Rdzeń łącza rafinacyjnego produktu jest dostosowanie stężenia i usunięcie zanieczyszczeń kwasu siarkowego wygenerowanego w połączeniu absorpcyjnym zgodnie z różnymi potrzebami branż niższych, zapewniając, że produkt spełnia odpowiednie standardy przemysłowe. Pierwszym z nich jest dostosowanie stężenia: jeśli popyt na dalszy sposób wynosi 98% przemysłowy stężony kwas siarkowy (stosowany w produkcji nawozów, taki jak wytwarzanie fosforanu diamoniowego), 99,5% stężony kwas siarkowy wytwarzany przez absorpcję musi zostać wysłany do wieży stężenia, ogrzewane przez stężenie niskiego presji pary (120-150 stopni) do ewaporowania części wody, ponownego wydania stężenia do 98%. Jeżeli zapotrzebowanie wynosi 70% rozcieńczonego kwasu siarkowego (stosowany w metalowym marynażu w przemyśle żelaza i stalowym w celu usunięcia tlenku żelaza na powierzchni stali), demineralizowana woda musi być dodawana proporcjonalnie do zbiornika rozcieńczenia, jednocześnie włączając układy mieszające i chłodzące, aby kontrolować temperaturę podczas rozcieńczenia, które nie przekroczyło 60 stopni, nie przekraczają 60 stopni, nie przekraczać 60 stopni, nie przekraczać 60 stopni.
Drugim jest usunięcie zanieczyszczeń: różne scenariusze zastosowania mają znacząco różne wymagania dotyczące czystości kwasu siarkowego. Na przykład zwykły przemysłowy kwas siarkowy wymaga zawartości żelaza mniejszego lub równego 0,01%, a zawartość arsenu mniejsza lub równa 0,005%, podczas gdy kwas siarkowy klasy baterii (stosowany jako elektrolit dla akumulatorów ołowiowych) wymaga zawartości metalu ciężkiego (ołów, rtęć, kadm) mniej niż lub równy 0,1 ppm i oni chlorku. W przypadku zwykłego przemysłowego kwasu siarkowego filtracja jest zwykle stosowana do usuwania zanieczyszczeń mechanicznych (takich jak filtracja przez błony filtracyjne polipropylenowe), a nadtlenek wodoru (H₂O₂) jest dodawany w celu utleniania i usunięcia zanieczyszczeń redukcyjnych, takich jak kwas siarkowy (H₂So₃). W przypadku kwasu siarkowego z baterią wymagany jest głęboki proces rafinacji: po pierwsze, adsorpcja węgla aktywnego jest stosowana do usuwania zanieczyszczeń organicznych, a następnie żywice wymiany jonów (takie jak żywice wymiany kationów w celu usuwania jonów metali ciężkich, żywice anionowe w celu usunięcia jonów chlorkowych i jonów azotanowych) są stosowane w celu uzyskania głębokiego zatwierdzenia. Ponadto testowanie jakości należy przeprowadzić w łączu rafinacyjnym produktu, w tym testowanie stężenia (przy użyciu metody densytometru lub metody miareczkowania) i testowanie zawartości zanieczyszczeń (przy użyciu atomowej spektrometrii absorpcji lub chromatografii jonowej). Po przejściu testu kwas siarkowy musi być przechowywany w specjalnych zbiornikach magazynowych zgodnie z różnymi stężeniami i poziomami czystości (takimi jak 98% skoncentrowany kwas siarkowy w zbiornikach stali węglowej, rozcieńczonego kwasu siarkowego w zbiornikach FRP oraz kwasu siarkowym w baterii w zbiornikach ze stali nierdzewnej), aby uniknąć mieszanego zanieczyszczenia produktów różnych gatunków.
Obróbka gazu spalinowego: kontrolowanie emisji zanieczyszczeń w celu spełnienia standardów środowiskowych
Chociaż przyjmuje się proces „dwuetapowego konwersji i dwustopniowego absorpcji”, niewielka ilość spalin zawierająca So₂ (zwykle stężenie SO₂ 500-1000 mg/m3) jest nadal wytwarzana podczas produkcji kwasu siarkowego. Bezpośrednia emisja spowoduje zanieczyszczenie powietrza (tworzące kwasowy deszcz), więc łącze obróbki spalin jest niezbędnym krokiem ochrony środowiska w procesie kontaktowym. Obecnie istnieją trzy główne technologie oczyszczania gazu spalinowego w przemyśle: Pierwszy to proces desulfuryzacji amoniaku, który wysyła gaz spalin do wieży do odsiarczania i kontaktuje się z wodą amoniakiem (stężenie 15%-20%), co skutkuje reakcjami: So₂ + 2 nh₃ · h₂o → (nh₄) ₂S₂ + H₂O), co skutkuje reakcjami: So₂ + 2 nh₃ · h₂o → (NH₄) ₂ nh₄) ₂ nh₄) ₂ nh₄) ₂ nh₄) ₂ nh₄) ₂ nh₄) ₂ (Nh₄) ₂So₃ + so₂ + h₂o → 2nh₄hso₃.
Następnie powietrze wprowadza się do roztworu reakcyjnego w celu utleniania i wygenerowania siarczanu amonu: 2NH₄HSO₃ + O₂ → 2 (NH₄) ₂SO₄. Siarczan amonu można sprzedawać jako nawóz azotowy, aby zrealizować wykorzystanie zasobów zanieczyszczeń. Szybkość usuwania tego procesu SO₂ może osiągnąć ponad 98%, a stężenie emisji spalin jest mniejsze lub równe 50 mg/m3, spełniając wymagania „zintegrowanego standardu emisji zanieczyszczeń powietrza” (GB 16297-1996). Drugi to proces desulfuryzacji mleka wapiennego, który wykorzystuje zawieszenie mleka wapiennego (Ca (OH) ₂) jako chłonny do reakcji z SO₂ w gazie spalinowej w celu wytworzenia siarczku wapnia: So₂ + Ca (OH) ₂ → Caso₃ ↓ + H₂o. Sulfit wapnia jest utleniony do generowania gipsu (Caso₄ · 2H₂o), który może być stosowany w produkcji materiałów budowlanych (takich jak płyty gipsowe).
Proces ten ma niski koszt, ale stosunkowo niski wskaźnik usuwania SO₂ (około 95%), odpowiedni dla małych przedsiębiorstw produkcyjnych kwasu siarkowego. Trzeci to metoda adsorpcji węgla aktywowanego, która przechodzi gaz spalin przez wieżę adsorpcji węgla aktywowanego. Po tym, jak ₂ jest adsorbowane przez węgiel aktywny, wysoko stężenia, więc gaz generowany jest przez desorpcję w warunkach ogrzewania, które można zwrócić do konwertera, aby ponownie uczestniczyć w reakcji, realizując recykling SO₂.
Proces ten nie ma wtórnego zanieczyszczenia, ale koszt wymiany węgla aktywowanego jest wysoki, odpowiedni dla przedsiębiorstw o ścisłych wymaganiach środowiskowych i wysokich kosztach surowców. Niezależnie od przyjętego procesu koncentracja emisji SO₂ musi być monitorowana w czasie rzeczywistym za pośrednictwem internetowego systemu monitorowania po obróbce gazu spalin, aby zapewnić stabilną zgodność. Jednocześnie produkty uboczne wygenerowane podczas procesu obróbki (takie jak siarczan amonu i gips) muszą być pozbawione zgodności, aby uniknąć zanieczyszczenia wtórnego. Na przykład zawartość metali ciężkich w gipsie musi być przetestowana i może być używana dopiero po spełnieniu standardów materiałów budowlanych.
Ponadto niektóre przedsiębiorstwa produkcyjne kwasu siarkowego na dużą skalę przyjmują również technologię odzyskiwania odpadów spalinowych, wykorzystując ciepło w gazie spalinowym (temperatura około 100-150 stopni) w celu podgrzewania wody demineralizowanej przez wymiennik ciepła, generując pary niskiego ciśnienia do produkcji, dalszą poprawę wydajności wykorzystania energii i realizację podwójnych celów ochrony środowiska i zachowania energii.
