серная кислота
Поиск
Выбрать язык
Анонс статей

Записи с меткой ‘серная кислота’

postheadericon Получение серной кислоты из отходящих газов от медеплавильного производства

Время чтения статьи, примерно 19 мин.

Ульрих Х.Ф. Сандер. Получение серной кислоты из отходящих газов от медеплавильного производства

SULFURIC ACID PRODUCTION FROM COPPER SMELTER SO2 GASES

Перевод с английского языка. Источник: 106th  Aime annual meeting Atlanta, Georgia, march 8th 1977

Количество страниц: 29. Количество иллюстраций. 16. Дата выполнения: Июнь 1977 г.

Аннотация

Новый медеплавильный завод в Гамбурге фирмы «Норддойче Афинери» является примером применения особых рабочих условий и устройств для обработки отходящих газов от взвешенной плавки в сочетании с конвертером.

Сернокислотная установка, работающая по принципу двойного контактирования с двойной абсорбцией (ДК/ДА), доказала свою гибкость и надежность на протяжении пяти лет работы по обработке отходящих газов, значительно различающихся по концентрации  SO2 и расхода газа.

Во второй части доклада приводятся технические аспекты и возможности переработки богатых по SO2 газов в серную кислоту, Экономические аспекты представлены на результатах анализа модели затрат по развитию процессов непрерывной плавки меди с применением кислородной технологии.

 

Введение

Фирма «Норддойче Афинери» в Гамбурге эксплуатирует медеплавильный завод на протяжении десятилетий и имеет опыт по переработке отходящих газов в серную кислоту.

В 1972 г. новый медеплавильный завод был введен в действие рядом с уже существующими заводами этой компании в Гамбурге.

В виду расположения всего металлургического комплекса на окраине одного из крупнейших городов Германии особое внимание было уделено вопросу защиты окружающей среды. Сокращение выбросов  SO2 до самых низких практически осуществимых пределов стало одним из наиболее важных аспектов, которые должны были учитываться при создании новых установок.

С современной точки зрения выбор процесса ДК/ДА в данном случае не самый целесообразный. В период же планирования, однако, было весьма прогрессивным создание кислотной установки ДК/ДА для обработки газов с часто меняющейся концентрацией SO2 с целью гарантии концентрации SO2 в отходящих газах не выше 0,05 об. %.

Проблема сокращения выбросов SO2, в целом несколько более сложная, чем только обработка отходящих газов такого меняющегося состава. С целью достижения оптимальных технических и экономических решений необходимо включить не только установки для забора газа и обработки отходящих газов непосредственно у источников образования SO2, но также должны учитываться определенные соображения и модификации различных стадий плавильного процесса.

 

Газосборник отходящих SO2 газов

Чтобы представить особенности системы фирмы «Норддойче Афинери» для обработки отходящих газов с целью получения серной кислоты, необходимо кратко описать источники получения SO2 показанные на рис.1.

Новый медеплавильный завод рассчитан на переработку 50 т/час сухого концентрата, содержащего 27% Сu, 28% Fе и 32% S.

Такая производительность достигается в среднем за месяц, а производительность в час выше. Основным источником выделения SO2 является печь Оутокумпу для взвешенной плавки, где высушенные концентраты обжигаются и плавятся в одной операции. В результате образуются медный штейн с содержанием Сu от 58 до 62% и шлак.

Скорость газового потока поддерживается постоянной примерно 76000 м3/час. Содержание SO2 в отходящих из плавильной печи газах в среднем равно 10% объемных и изменяется в пределе от 8 до 11% объемных, в то время как концентрация кислорода на выходе из печи составляет 1% объёмный.

Целью процесса непрерывной взвешенной плавки является производство относительно богатого медного штейна, в результате чего необходимая работа конвертера и объем конвертерного газа могут быть сокращены. Сокращение объема отходящих газов означает увеличение SO2 на выходе из печи. Промышленный кислород, однако, не используется в процессе взвешенной плавки.

Отходящие газы из печи для взвешенной плавки, имеющие температуру 1300°С, охлаждаются до 380°С в котле-утилизаторе тепла отходящих газов прежде, чем они поступают в электрофильтр для горячего газа, где содержание пыли в газе снижается до 100—150 мг/м3. Промежуточный вентилятор перегоняет газы в секцию для мокрой очистки газа. Вентилятор имеет устройство для контроля за скоростью, управляемое в зависимости от дутья в плавильной печи.

Таким образом, небольшой подсос в плавильной печи снижает до минимума потерю двуокиси серы, в то время как герметичность системы помогает избежать нежелательную утечку воздуха и разбавление газа.

Другим источником SO2 является процесс конвертирования меди, при котором штейн преобразуется в черновую медь с содержанием Сu до 99,2%. Применяются стандартные конвертеры типа «Прис-Смит». Из двух конвертеров в системе, работает только один, перерабатывая около 500-600 т/сутки жидкого штейна. Объем нагнетаемого воздуха постоянен независимо от различных периодов продувки в конвертере. Этот объем равен примерно 4500 м3/час.

 Автоматические устройства для контроля дутья ограничивают подсос воздуха в напильники конвертера до 100% (т.е. объем подсасываемого воздуха равен объему конвертерных газов). При продувке шлака общая концентрация SO2 в конвертерных отходящих газах находится в пределе от 5 до 6 % объемных, в то время как при продувке меди концентрация SO2 может достичь 11% объемных. Первоначально напыльники служили для создания герметичности конвертеров во время продувки. Теперь же, при строгих предписаниях контроля за выбросом SO2 даже внутри завода, напыльники должны конструироваться таким образом, чтобы избежать даже минимальной утечки SO2, если в конвертере нет дымохода.

Дальнейшая обработка потока конвертерных отходящих газов подобная той, которая применяется для обработки газов от взвешенной плавки. После дополнительного охлаждения до 400°С газ обеспыливается до 200 мг/м3 в электрофильтре для горячего газа, состоящего из двух параллельных устройств. Два промежуточных вентилятора с контролем скорости работают одновременно и параллельно отгоняют конвертерные газы.

Перед тем, как попасть в систему для мокрой очистки газа, отходящие газы из печи для взвешенной плавки и из конвертера смешиваются.

Практически постоянный поток SO2 от непрерывного процесса взвешенной плавки представляет собой основную газовую загрузку для сернокислотной установки, в верхней части которой изменяющиеся концентрации SO2 и газовые потоки от дискретного процесса конвертирования накладываются. Большое количество воздуха, попадающего в конвертерные и дополнительные напыльники обычно несет достаточное количество кислорода в общий газовый поток, так что конечное отношение O2/SO2 около 1,1 легко достигается в поступающих в сернокислотную установку газах.

С целью оптимизаций различных стадий процесса в особенности, касающихся обработки отходящего газа и надежной работы сернокислотной установки была разработана система автоматического регулирования, основанная на УВМ.

Поскольку работа конвертера имеет наибольшее влияние на всю систему отходящих газов, то все основные показатели работы конвертера и печи контролируются и записываются не только в центральном пункте управления, но и на пульте управления сернокислотной установки.

 

Система мокрой очистки газа

Объединенные потоки газа из печи взвешенной плавки и из конвертера обрабатываются в системе мокрой очистки газа, которая соответствует стандартным устройствам.

В двух параллельных промывочных башнях газы промываются противотоком слабой серной кислотой, в результате чего удаляется основная часть оставшегося количества пыли.

В то же время газы охлаждаются путем адиабатического выпаривания воды. Содержащаяся в газе SO2  конденсируется, образуя туман H2SO4,  который удаляется в мокрых электрофильтрах. Дальнейшее охлаждение газов осуществляется в шести дополнительных газовых холодильниках, установленных параллельно. Это делается с целью уменьшения количества воды в газах до такой степени, чтобы был возможен надежный контроль водного баланса в кислотной установке.

Охлаждение газы объединяются и поступают в двухстадийный электростатический туманоотделитель.

 

На первой стадии используется шесть параллельных устройств из листового свинца со стальной арматурой. На второй стадии используется пять электрофильтров из фибры, упрочненной полиэфирным материалом, осадительными электродами из пластиковых трубок и специальными разрядными электродами из стали и свинца.

В конечной стадии из газа удаляются последние следы тумана и пыли, в результате получается оптически чистый газовый поток SO2 для кислотной установки.

 

Установка, работающая по принципу ДК/ДА

 

Учитывая сложную взаимозависимость различных цехов медеплавильного завода, вся система обработки отходящих газов должна быть, сконструирована таким образом, чтобы обеспечивать, возможно, более высокую степень ее использования и гибкость. Поэтому фирма «Норддойче Афинери» смонтировала две одинаковых параллельных установки ДК/ДА, как видно на модели установки, рис.2. Таким образом, при работе только одной кислотной установки все же возможна работа плавильного завода, правда, при неполной нагрузке. На рис. 3 показан общий вид действующих установок, очень компактных.

Исходные данные для проектирования и отношения с действительной производительностью, а также максимальной производительностью сернокислотной установки медеплавильного завода приведены в таблице 1.

Кислотная установка рассчитана на максимальный объем газа около 200.000 м3/час и концентраций SO2 от 4,5 до 8,4 % объемных.

При проектировании установки ДК/ДА учитывались не только максимальные мгновенные условия нагрузки, т.е. максимальные концентрации SO2 и максимальные потоки газа.

Таблица 1

Зависимость проектной и фактической мощности сернокислотной установки фирмы «Норддойче Афинери», работающей на отходящих газах плавильных печей

 

Загрузка концентрата в год 400.000 тонн/год
Содержание серы в год (основано на содержании 32/ 4 в концентрате) 128.000 тонн/год
Средняя степень извлечения серы 95%
Ежегодное извлечение серы 121.6000 тонн/год
Ежегодное производство H2SO4 372.400 тонн/год
Производительность по H2SO4 из расчета365 суток в году. 1.020 т/сутки
Коэффициент использования оборудования (345/365) 94,5%
Производительность в расчете на рабочеевремя 1.080 т/сутки
Номинальная производительность в расчетена рабочее время      1.200 т/сутки
Коэффициент готовности   90 %
Степень использования максимальной мощностимгновенная максимальная мощность        1.830 т/сутки
Коэффициент производительности 1020/1830 56 %

 

Одной из главных задач было обеспечение автотермального режима для различных концентраций газа. Это означает, что газотеплообменник должен быть рассчитан даже на самые низкие концентрации SO2.

Поскольку требуемая поверхность переноса тепла увеличивается но мере снижения концентраций SO2, необходима примерно в тон раза большая поверхность теплообменника, для обработки газов с концентрацией SO2 об. %, чем для обработки с содержанием SO8,4 об. %.

С целью достижения авто термального режима при таких низких, концентрациях SO2 дальнейшем необходимо сократить потери ощутимого газового тепла, особенно в системе промежуточной абсорбции. Поэтому для промежуточной абсорбции устанавливаются абсорберы типа трубы Вентури с движением газа и жидкости прямотоком вместо обычных орошающих башень. Эффективное сокращение ощутимых потерь газового тепла, достигаемое такой системой абсорбции с движением прямотоком, является реальной предпосылкой для проведения процесса двойного катализа при обработке металлургических газов, значительно отличающихся по содержанию SO2 без использования дополнительного вспомогательного тепла.

На этой установке используются холодильники из нержавеющей стали спирального типа для системы охлаждения кислоты, которая рассчитана на максимальную мгновенную нагрузку подаваемых газов с содержанием SO2 8,4 % по объему. Для охлаждения используется речная вода.

Степень контактирования SO2 составляет 99,5%, что соответствует концентрациям SO2 в отходящем газе менее чем 0,05 об. %.

Отходящий газ выбрасывается в атмосферу через трубу высотой 150 метров. Говоря о новом медеплавильном комплексе «Норддойче Афинери», в целом нужно заметить, что степень извлечения серы превышает 95% от общего содержания серы в концентрате, как показано в таблице 2.

Необходимо отметить, что, несмотря на очень высокий уровень механизации и автоматизации, наиболее важным фактором равномерной работы такой взаимосвязанной системы является хорошая координация и кооперация обслуживающего персонала завода.

 

Таблица 2

Баланс серы на новом медеплавильном заводе миомы  «Норддойче Афинери»

 

Поступление серы

Медные концентраты – 100%.

Потери серы

Шлак – 1,4%.

Промывочная кислота для очистки газа – 0,4% и 0,95%.

Улавливаемая пыль (рециркулируемая для дальнейшего извлечения S в отдельных установках) – 0,4%.

Потери внутри установки – 0,15% .

Потери в отходящих трубных газах – 0,4%.

Извлечение серы – 3,3%

Производство серной кислоты – 96,7%.

 

Работа всего нового плавильного комплекса контролируется из центрального пункта управления, однако существует еще отдельный пункт управления сернокислотной установки и газоочистной секцией. Система селекторной связи объединяет все отдельные участки завода.

Принимая во внимание пятилетий опыт работы, установка ДК/ДА фирмы «Норддойче Афинери» действительно доказала свою пригодность и надежность даже при обработке таких нестабильных потоков с изменяющейся концентрацией SO2 в газе, что является типичным для объединенных потоков отходящих газов печи взвешенной плавки и конвертера.

 

Направления в обработке газов с высоким содержанием SO2

После рассмотрения практического примера системы обработки отходящих SO2 газов, типичной для современного медеплавильного завода, обсудим некоторые направления будущего в производстве серной кислоты из газов с высокой концентрацией SO2.

С усилением требований по защите окружающей среды возросли дополнительные затраты на установки для уменьшения загрязнения окружающей среды. Они составляют значительную часть капитальных и эксплуатационных затрат всего плавильного завода.

Хотя может показаться, что мы начинаем дело не с того конца, вопрос уменьшения загрязнения окружающей среды возможно будет иметь гораздо большее значение, чем когда-либо для развития процесса плавки в будущем.

Одной из основных проблем в этом отношении является замена различных стадий металлургического производства практически непрерывным процессом, который обеспечит постоянные потоки газа и постоянные концентрации SO2. В то же самое время развитие процесса с использованием технического кислорода кажется все более интересным в отношении возможной экономии энергии. Обогащение кислородом автоматически ведет к увеличению концентраций SO2 одновременно сокращая объем отходящих газов.

Известные примеры промышленного масштаба – это кислородный процесс взвешенной плавки ИНКО /I/, в результате которого образуются отходящие газы с содержанием SO2 равным 80% по объему и процесс КИВЦЭТ /ж/ с содержанием SO2 равным 70% по объему.

Увеличение обогащения кислородом также применимо и к другим процессам, таким, например, как процесс Оутокумпу кислородной взвешенной плавки /3/; HОPAHДA – процесс непрерывной плавки /4/; МИЦУБИСИ – процесс непрерывной плавки и конвертирования меди /5/; и процесс ЛУРГИ – Бабкок с использованием лугового циклонного реактора /6/.

После всего описанного могло начать рассмотрение конструкций сернокислотных установок, и технико-экономических показателей при переработке в серную кислоту газов с высоким содержанием SO2.

 

Технические возможности

В настоящее время возможно перерабатывать газы, содержащие до 100% по объему SO2, в серную кислоту. Необходимо отметить, однако, что даже при использовании газов, содержащих 100% по объему SO2, при разбавлении воздухом можно получить газы с содержанием только 16% по объему SO2 поскольку требуемое для сернокислотной установки соотношение O2/SO2 равно 1,1. (см.рис. 4). Отходящие газы с более высоким содержанием SO2 могут быть получены при использовании в качестве разбавителя промышленного кислорода или воздуха, обогащенного кислородом.

Обычный процесс ДК/ДА применяется для обработки металлургических газов (рис.5) с максимальной концентрацией SO2 8,5-9% по объему. В таком процессе холодные газы, выходное из газоочистной системы, должны нагреваться перед входом в контактный аппарат до требуемой температуры +440°С. Это достигается путем пропускания высушенных газов через серию теплообменников. С целью поддержания автотермальных условий работы на сернокислотной установке потеря газового тепла, особенно в системах абсорбции SO2, должна компенсироваться теплом от реакции каталитического окисления SO2. Однако, это уже вопрос теплопереноса.

На рис. 6 показана удельная поверхность теплообмена как функция концентрации SO2 на входе в контактный аппарат. Увеличение концентрация в SO2 вызывает повышение температуры в контактном аппарате, что означает сокращение требуемых поверхностей теплообмена, Теоретически при определенной концентрации SO2 наблюдается минимум, как показано с помощью математической зависимости, взятой из литературы /6/.

Как было показано при эксплуатации конструкций Лурги, необходимая площадь теплопереноса может быть оптимизирована в зависимости от типа конструкции, потерь тепла, коэффициентов теплопереноса и т.д. Для стандартной конструкции практически минимум будет примерно равен 8,5 % по объему SO2. Нижняя часть расчетной функции указывает на то, что излишек выделяющего тепла при более высоких концентрациях SO2 необходимо удалять посредством

увеличения кислотных холодильников абсорбционного отделения или подключения дополнительных газотеплообменников. Это будет соответствовать новому подъему кривой.

Как показано на технологической схеме обработки металлургических газов с высокой концентрацией SO2 на рис.7 для извлечения излишка тепла предпочтительнее установить экономайзер и испаритель.

Система для обработки газов с высоким содержанием SO2, которая является модификацией обычного процесса ДК/ДА, была разработана фирмой Лурги. Преимущество этой системы заключается в том, что обычные катализаторы, обычные конструкционные материалы, а также испытанные конструкции могут использоваться без перегрева и повреждения первой камеры контактного аппарата.

Идея заключается в том, что поток металлургического газа с высокой концентрацией SO2 после осушения разделяется. Одна часть потока разбавляется сухим воздухом, содержащим все количество кислорода, необходимое для получения соотношения O2/SO2 = 1,1 с учетом общего количества SOв подаваемом газе. Этот разбавленный газовый поток SO2 нагревается до необходимой температуры у входа в контактный аппарат, прежде чем он поступает на первый слой катализатора. Перед вторым слоем катализатора разбавленный по SO2 загазовый поток смешивается с газовым потоком с высокой концентрацией – SO2 SO3 , образующийся в первой

так называемой стадии доконвертирования ограничивает конверсию SOво второй стадии, поэтому максимальный температурный предел не превышается. Конструкция соответствует пяти слоям катализатора (3+2), т.е. с промежуточной абсорбцией после третьего слоя.

За исключением сушилки для добавочного воздуха и воздуходувки ни какого оборудования больше не требуется.

Даже при обработке газов с содержанием SO2 до 10% по объему, что требует печных газов с содержанием SO2 до 100% по объему; при использовании технологии разбавления воздухом, выброс SOна тонну Н2SO4 не превышает количества, выбрасываемого обычными установками ДК/ДА.

 

Экономические аспекты

С целью выделения возможных экономических аспектов обработки газов с высокой концентрацией SO2 с учетом перспектив развития процессов плавки приведем кратко результаты исследования.

Зависимости стоимости газоочистной системы и сернокислотной установки, как в системы переработки газа в целом, изучались кок функция концентраций SOв отходящих газах. В качестве модели для изучения выбрана система обработки газов медеплавильного завода производительностью 100.000 т/год, что соответствует получению 1000 т/сутки Н2SO4. Результаты исследования обобщены в таблице 3.

Система обработки газа для получения серной кислоты включают полную газоочистную систему с горячим электрофильтром на входе газа и мокрым электрофильтром на выходе газа и самостоятельной сернокислотную установку, включая абсорбер на выходе газа.

 

Таблица 3

Технико-экономические показатели рассматриваемого процесса

 

Производительность медеплавильного завода 100.000 тонн/год Сu
Среднее суточное производство Сu из расчета 345 дней в году 289 тонн/сутки Сu
Коэффициент использования мощности (345/365) 94,5%
Средний состав концентрата (по сухому веществу) 27% Сu, 28% Fe, 32%
Средний расход концентрата 1070 тонн/сутки
Процент извлечения серы 95%
Среднее-количество серы в печных отходящих газах 326 тонн/сутки
Эквивалентное количество Н2SO4: 998 тонн/сутки
Предполагаемая производительность cepокислотной установки 1000 тонн/сутки Н2SO4

 

Необходимо отметить, что изучение модели процесса основано на следующих ограничивающих условиях:

1. Постоянная скорость потока газа и постоянная концентрация SO2, что типично для непрерывных металлургических процессов.

 2. Концентрация на выходе из печи определяется при нулевой концентрации кислорода. Даже если в действительности отходящие газы могут содержать несколько процентов кислорода, вследствие более низкой, чем стехиометрическая, эффективности использования кислорода в плавильных процессах или в результате проникновения воздуха, несмотря на герметичность установки, это не влияет отрицательно на подход в целом.

3. Соотношение O2/SO2 = 1,1 во всех газах, поступающих в конвертер.

 

Таблица 4

Энергопотребление

Электроснабжение 0,08 немецких марок/кВт*час
Промышленный кислород 0,08 немецких марок/м3
Охлаждающая вода 0,10 немецких марок/тонна
Технологическая вода 1,00 немецких марок/тонна
Вода для бойлеров 2,20 немецких марок/тонна
Пар (5 бар) 11 немецких марок/тонна
Пар (10 бар) 15 немецких марок/тонна

 

Анализ капзатрат сделан на основе условий ФРГ без оценки влияния каких-либо непредвиденных и неожиданных обстоятельств.

Эксплуатационные затраты включают зависимые капитальные затраты, такие как амортизация, проценты, страхование, налоги, административные и накладные расходы, а также расходы на эксплуатацию, оплату труда, коммунальные расходы и кредиты на получение пара.

На содержание серы в отходящих газах никакие кредиты не допускаются.

 

Эксплуатационные расходы рассчитывались на основании энергопотребления показанного в Таблице 4.

Единицы себестоимости для капитальных и эксплуатационных раскопов идентичны во всех приведенных схемах.

Объединенные расчетные программы использовались для расчета расходов на сернокислотные установки. Это не только обеспечивают оптимизацию хода процесса и конструкции оборудования, по также дают быстрый и точный расчет расходов по установке, поскольку они постоянно соответствуют самым последним достижениям в технологии и экономике.

Поскольку объем газа определяет в значительной степени размер оборудования, а следовательно и капитальные затраты, можно рассматривать объем подаваемого газа как функцию концентрации SO2 в газах у входа в конвертер; такая зависимость для газов с концентрацией SO2 от 4 до 20% по объему при производительности сернокислотной установки 1000 т/сутки приводится на рис. 8.

 

Концентрация SO2 в подаваемых газах у входа в конвертер определенна и принимается во всех случаях как отношение объема двуокиси серы к общему объему газа, подаваемого в конвертер.

Кривая на рис.8 показывает обратную зависимость, типичную для соотношения массы потока и концентрации. Например, увеличение концентрации SO2 в подаваемых газах от 8% по объему SOдо 16% означает уменьшение объема газа наполовину.

В то время как капитальные затраты на оборудование по обработке газа в сернокислотной установке в первом приближении находятся в прямой зависимости от объема подаваемого газа, важные и дорогостоящие узлы, которые в основном зависят от общего содержания SO2 в газах. Это означает, что при заданной мощности по H2SO4, стоимость таких узлов будет лишь немного сниматься при увеличении концентрации SO2 в подаваемых газах. Это относится, например, к системе охлаждения кислоты, а также в некоторой степени к загрузке катализатора.

Капитальные затраты, показанные на рис. 9 относятся к обычной системе ДК/ДА с контактным аппаратом с четырьмя слоями катализатора для газа с концентрацией SO2 до 10% по объему.

При концентрации SO2 от 10 до 20%  по объему капитальные затраты рассчитываются на основании использования усовершенствованной системы ДК/ДА с контактным аппаратом с пятью слоями

катализатора.

Хотя конструкция установки для обработки газов с более высокими концентрациями SO2 (рис.7) требует два отдельных устройства для сушки и продувки вместо обработки всего объема подаваемого газа в одном устройстве, как в обычной системе ДК/ДА (рис.5) дополнительные затраты на раздельную обработку SO2 и разбавляющего воздуха не отражаются на резком снижении общих капитальных затрат на систему ДК/ДА для газа с более высокой концентрацией SO2.

Снижение эксплуатационных затрат, показанное на рис.10, повторяет зависимость, типичную для капитальных затрат. На эксплуатационные расходы в значительной степени влияют капитальные расходы,  а также сокращение затрат на энергию при уменьшении объемов газа. Цены на промышленный кислород не включены в данном расчете в эксплуатационные расходы, хотя промышленный кислород требуется в каждом случае для получения газов с концентрацией SO2 более чем 16% по объему.

Таким образом, ми рассмотрели затраты на систему ДК/ДА как функцию концентрации SO2 в газе, поступающем в контактный аппарат.

С целью более конкретного представления возможной экономии при увеличении концентрации SOв отходящих газах, должна быть также включена газоочистная система. Стоимость должна тогда рассматриваться как функция концентрации отходящих газов.

На примере рассматриваемого завода мы можем сравнить объемы газа на выходе из печи и соответствующие объемы газа на входе в контактный аппарат как функции концентрации на выходе из печи, рис. 11. Уменьшение объемов металлургических газов с увеличением концентраций SOтакже повторяет типичную обратную зависимость. Это характерно для значительной экономии, которая может быть достигнута в секции очистки газа.

Как обозначено пунктирной линией, объем разбавляющего воздуха остается постоянным при заданном производстве Н2SO4 поскольку общее содержание SO2 в газах также остается постоянным.

И так абсолютная скорость уменьшения объемов газа в конвертере значительно меньше, чем в газоочистной системе.

В то время как капитальные затраты на газоочистную систему представляют линейную зависимость от объема металлургических отходящих газов, соответствующие капитальные затраты на установку ДК/ДА значительно меньше снижаются по мере увеличения концентрации SOв отходящих газах. Общие капитальные рас оды на все оборудование для обработки газов для сернокислотного производства представляют сумму расходов на газоочистную систему и сернокислотную установку при соответствующих концентрация SOв металлургических отходящих газах, учитывая разбавление их воздухом для получения нужного соотношения O2 /SOв загружаемых в кислотную установку газах.

Как показано на рис.10, общие капитальные расходы на систему для обработки отходящих газов в целом могут быть сокращены, например, на 50% при увеличении концентрации SOв металлургических газах с 10 до 40% по объему.

На рис.13 показаны удельные эксплуатационные расходы на тонну Н2SO4 кривая повторяет кривую типичную для капитальных затрат

Снижение эксплуатационных расходов на очистку газов особенно влияет на сильное сокращение общих эксплуатационных затрат по мере увеличения концентрации металлургических отходящих газов.

В данном случае уместен будет такой вопрос – возможно ли сократить эксплуатационные расходы на установку ДК/ДА с помощью применения промышленного кислорода. По сравнению с резким увеличением объема газов при использовании воздуха для разбавления, обогащение, воздуха кислородом способно привести к сокращению объемов газа и таким образом к сокращению оборудования для обработки газа в системе ДК/ДА. В качестве ответа на этот вопрос мы рассчитали и вычертили графики эксплуатационных затрат на всю систему обработки газов как функции концентраций SO2 в газах на выходе из печи и входе в контактный аппарат рис.14.

При обработке, например, металлургических отходящих газов с концентрацией SO2 до 80% по объему с помощью разбавления воздухом можно достичь концентрации SO2 в газе равной 15,3% по объему на входе в контактный аппарат. С целью достижения более высокой концентраций SO2 необходимо добавление промышленного кислорода. Однако, это приведет к увеличению эксплуатационных затрат.

Таким образом, обогащение конвертерных газов, содержащих SOкислородом не окупается.

С другой стороны, обогащение кислородом воздуха в камере сгорания в процессе плавки является предпосылкой получения отходящих газов с более высокой концентрацией SO2.

Если допустить, что эффективность применения кислорода в полном процессе плавки равна 95% от стехиометрического количества, то концентрация SO2 в печных отходящих газах может быть рассчитана как функция количества примененного промышленного кислорода.

В теоретических условиях нашей модели экономия эксплуатационных расходов в целом на систему обработки газа (с помощью увеличения концентраций SO2 в печных отходящих газах) могла бы полностью покрыть расходы на потребление промышленного кислорода в плавильных процессах.

Однако, необходимо отметить, что все это останется чисто теоретическим, пока такие идеальные непрерывные и газонепроницаемые плавильные процессы и устройства еще не существуют на практике.

В качестве альтернативы производства серной кислоты мы могли бы кратко сравнить расходы на переработку отходящих газов с высокой концентрацией SO2 в элементарную серу. Мы исследовали этот вопрос подобным же образом на той же самой модели и в тех же предельных условиях.

Установки для производства элементарной серы включают следующие стадии обработки:

- полную систему очистки газа, как уже говорилось,

- восстановление SO2 и двухступенчатая установка Клауса конструкции Лурги,

- система обработки отходящих газов с установки Клауса (S СОТ),

- печь для сжигания в отходящих газах перед выбросом их в атмосферу.

Как видно на графике, изображенном на рис.15, капитальные расходы на производство элементарной серы значительно выше по сравнению с расходами на производство серной кислоты.

При концентрации SO2 в газах до 10% по объему капитальные затраты почти удваиваются по сравнению с затратами на производство серной кислоты. Уменьшение капитальных расходов по мере увеличения концентраций SO2 в печных отходных газах, однако, более резко выражено, чем в случае производства серной кислоты.

Сравнение специальных эксплуатационных расходов на тонну извлеченной серы как функции концентрации SO2 в отходящих плавильных газах приведено на рис. 16.

В случае переработки отходящих газов от плавильного производства в элементарную серу необходимы концентрации SO2 в газах около 80% по объему SO2 с целью покрытия эксплуатационных расходов кредитом при продаже серы на открытом рынке.

В случае производства серной кислоты примерно такой же кредит и такое же возмещение эксплуатационных расходов может быть достигнуто, даже при обработке металлургических газов с содержанием SO2 до 10% по объему.

 

Заключение

После рассмотрения работы завода фирмы «Норддойче Афинери» в первой части доклада как практического примера современной системы обработки отходящих газов медеплавильного производства для получения серной кислоты и надеемся, что приведенные результаты идеальной модели для изучения расходов будут правильно поняты. Они служат, в основном, для показа возможной экономии при обработке отходящих газов от плавильного производства, ожидаемой от разработки непрерывного процесса плавки с применением кислородных технологий.

Однако, пока такие процессы разрабатываются, конструктор кислотного завода будет счастлив, даже при конструировании заводов для наиболее труднопреодолимых условий, которые могут возникать в результате металлургических процессов.

Выражение благодарности

Мы выражаем благодарность фирме «Норддойче Афинери» за сотрудничество и разрешение опубликовать информацию о медеплавильном заводе.

Подписи к рисункам

Рис. 1. Система обработки отходящих металлургических газов для получения серной кислоты, «Норддойче Афинери», Гамбург. 1 - плавильная печь 2 - котел-утилизатор тепла отходящих газов 3 - конвертер 4 - горячий электрофильтр 5 - система мокрой очистки газа 6 - сернокислотная установка 7 - отходящие газы в трубу.

Рис. 1. Система обработки отходящих металлургических газов для получения серной кислоты, «Норддойче Афинери», Гамбург.
1 – плавильная печь
2 – котел-утилизатор тепла отходящих газов
3 – конвертер
4 – горячий электрофильтр
5 – система мокрой очистки газа
6 – сернокислотная установка
7 – отходящие газы в трубу.

Рис. 2. Модель сернокислотной установки, работающей по принципу ДК/ДА, фирмы «Норддойче Афинери»

Рис. 2. Модель сернокислотной установки, работающей по принципу ДК/ДА, фирмы «Норддойче Афинери»

Рис. 3. Установка ДК/ДА фирмы «Норддойче Афинери» производительностью 915 т/сутки Н2SO4.

Рис. 3. Установка ДК/ДА фирмы «Норддойче Афинери» производительностью 915 т/сутки Н2SO4.

Рис. 4. Концентрация SO2 в газе питающем контактный аппарат, как функция концентрации отходящих металлургических газов и разбавления чистым воздухом или воздухом, обогащенным кислородом условия: O2/ SO2=1,1 концентрация кислорода в газе плавильной печи = 0% по объему. 1 - концентрация SO2 в газе, поступающем в контактный аппарат (% SO2 по объему). 2 - концентрация SO2 в металлургическом газе (% SO2 по объему). 3 - разбавление чистым кислородом. 4  - разбавление воздухом с добавлением 50% кислорода. 5  - разбавление воздухом с добавлением 20% кислорода. 6 - разбавление чистым воздухом.

Рис. 4. Концентрация SO2 в газе питающем контактный аппарат, как функция концентрации отходящих металлургических газов и разбавления чистым воздухом или воздухом, обогащенным кислородом условия: O2/ SO2=1,1 концентрация кислорода в газе плавильной печи = 0% по объему.
1 – концентрация SO2 в газе, поступающем в контактный аппарат (% SO2 по объему).
2 – концентрация SO2 в металлургическом газе (% SO2 по объему).
3 – разбавление чистым кислородом.
4 – разбавление воздухом с добавлением 50% кислорода.
5 – разбавление воздухом с добавлением 20% кислорода.
6 – разбавление чистым воздухом.

Рис. 5. Технологическая схема процесса ДК/ДА металлургических газов. 1 - металлургический газ из печи. 2 - котел-утилизатор тепла отходящих газов. 3 - циклон. 4 - горячий электрофильтр. 5 - скруббер Вентури. 6 - непрямой охладитель. 7 – туманоуловитель. 8 – нагнетатель. 9 - сушильная башня. 10 - газовые теплообменники. 11 - контактный аппарат. 12 - промежуточный теплообменник. 13 - промежуточный абсорбер. 14 - конечный абсорбер. 15 - в трубу.

Рис. 5. Технологическая схема процесса ДК/ДА металлургических газов.
1 – металлургический газ из печи.
2 – котел-утилизатор тепла отходящих газов.
3 – циклон.
4 – горячий электрофильтр.
5 – скруббер Вентури.
6 – непрямой охладитель.
7 – туманоуловитель.
8 – нагнетатель.
9 – сушильная башня.
10 – газовые теплообменники.
11 – контактный аппарат.
12 – промежуточный теплообменник.
13 – промежуточный абсорбер.
14 – конечный абсорбер.
15 – в трубу.

Рис. 6. Удельная поверхность теплообмена как функция концентрации SO2 в газах контактного аппарата производительностью установки ДК/ДА. 1000 т/сутки Н2SO4. 1 - удельная поверхность теплообмена (м2/м/т сутки Н2SO4). 2 - концентрация SO2 в газах контактного аппарата (% SO2 по объему). 3 - теоретическая зависимость по А. Петерсу. 4 - конструкция Лурги.

Рис. 6. Удельная поверхность теплообмена как функция концентрации SO2 в газах контактного аппарата производительностью установки ДК/ДА. 1000 т/сутки Н2SO4.
1 – удельная поверхность теплообмена (м2/м/т сутки Н2SO4).
2 – концентрация SO2 в газах контактного аппарата (% SO2 по объему).
3 – теоретическая зависимость по А. Петерсу.
4 – конструкция Лурги.

 

 

Рис. 7. Технологическая схема усовершенствованного завода ДК/ДА для обработки отходящих газов от плавильного производства с высоким содержанием SO2. 1 - подача концентрата, кислорода, горючего. 2 - плавильная печь. 3 - котел-утилизатор тепла отходящих газов. 4 – циклон. 5 - горячий электрофильтр. 6 - скруббер Вентури. 7 - непрямой охладитель. 8 – туманоуловители. 9  - сушилка для SO2. 10  - сушилка для воздуха. 11 – теплообменники. 12 - контактный аппарат. 13 - промежуточный теплообменник. 14 – подогреватель. 15 - промежуточный абсорбер. 16 – испаритель. 17 – теплообменник. 18 - конечный абсорбер. 19 - в трубу.

Рис. 7. Технологическая схема усовершенствованного завода ДК/ДА для обработки отходящих газов от плавильного производства с высоким содержанием SO2.
1 – подача концентрата, кислорода, горючего.
2 – плавильная печь.
3 – котел-утилизатор тепла отходящих газов.
4 – циклон.
5 – горячий электрофильтр.
6 – скруббер Вентури.
7 – непрямой охладитель.
8 – туманоуловители.
9 – сушилка для SO2.
10 – сушилка для воздуха.
11 – теплообменники.
12 – контактный аппарат.
13 – промежуточный теплообменник.
14 – подогреватель.
15 – промежуточный абсорбер.
16 – испаритель.
17 – теплообменник.
18 – конечный абсорбер.
19 – в трубу.

Рис. 8. Объем газа как функция концентрации SO2 для сернокислотной установки производительностью 1000 т/сутки при соотношении O2/ SO2= 1,1 1 - объем газа (х103м3/час). 2 – концентрация SO2 на входе в контактный аппарат (% SO2 по объему).

Рис. 8. Объем газа как функция концентрации SO2 для сернокислотной установки производительностью 1000 т/сутки при соотношении O2/ SO2= 1,1
1 – объем газа (х103м3/час).
2 – концентрация SO2 на входе в контактный аппарат (% SO2 по объему).

Рис. 9. Капитальные затраты на установку ДК/ДА как функция концентрации SO2 в газе, поступающем в контактный аппарат (производительность установки 1000 т/сутки Н2SO4). 1 - капитальные затраты (в единицах стоимости). 2 - концентрация SO2 на входе в контактный аппарат (% SO2 по объему).

Рис. 9. Капитальные затраты на установку ДК/ДА как функция концентрации SO2 в газе, поступающем в контактный аппарат (производительность установки 1000 т/сутки Н2SO4).
1 – капитальные затраты (в единицах стоимости).
2 – концентрация SO2 на входе в контактный аппарат (% SO2 по объему).

Рис. 10. Эксплуатационные расходы на установку ДК/ДА как функция концентраций SO2 в газе контактного аппарата (установка производительностью 1000 т/сутки Н2SO4) соотношение O2/ SO2= 1,1  стоимость серы и кислорода не включена). 1 - удельные эксплуатационные расходы (единицы стоимости Н2SO4). 2 - концентрация SO2 в газе перед контактным аппаратом (% SO2 по объему).

Рис. 10. Эксплуатационные расходы на установку ДК/ДА как функция концентраций SO2 в газе контактного аппарата (установка производительностью 1000 т/сутки Н2SO4) соотношение O2/ SO2= 1,1 стоимость серы и кислорода не включена).
1 – удельные эксплуатационные расходы (единицы стоимости Н2SO4).
2 – концентрация SO2 в газе перед контактным аппаратом (% SO2 по объему).

Рис. 11. Объемы газа на выходе из плавильной печи и на входе в контактный аппарат (как функция концентрации SO2 в газах на выходе из печи; установка производительностью 1000 т/сутки Н2SO4; соотношение O2/ SO2= 1,1;  разбавленных воздухом). 1 - объем газа (м3/час) 2 - концентрация SO2 на выходе из плавильной печи (% SO2 по объему). 3 - на выходе в контактный аппарат. 4 - объем воздуха для разбавления. 5 – на выходе из плавильной печи.

Рис. 11. Объемы газа на выходе из плавильной печи и на входе в контактный аппарат (как функция концентрации SO2 в газах на выходе из печи; установка производительностью 1000 т/сутки Н2SO4; соотношение O2/ SO2= 1,1; разбавленных воздухом).
1 – объем газа (м3/час)
2 – концентрация SO2 на выходе из плавильной печи (% SO2 по объему).
3 – на выходе в контактный аппарат.
4 – объем воздуха для разбавления.
5 – на выходе из плавильной печи.

Рис. 12. Капитальные расходы на газоочистную систему и на установку ДК/ДА как функция концентрации SO2 в отходящих газа плавильной печи (производительность установки 1000 т/сутки Н2SO4.). 1 - капитальные расходы (единицы стоимости) 2 - концентрация SO2 в отходящем газе плавильной печи (% SO2 по объему). 3 - общие капитальные расходы. 4 - капитальные затраты на сернокислотную установку. 5 - капитальные затраты на газоочистную систему.

Рис. 12. Капитальные расходы на газоочистную систему и на установку ДК/ДА как функция концентрации SO2 в отходящих газа плавильной печи (производительность установки 1000 т/сутки Н2SO4.).
1 – капитальные расходы (единицы стоимости)
2 – концентрация SO2 в отходящем газе плавильной печи (% SO2 по объему).
3 – общие капитальные расходы.
4 – капитальные затраты на сернокислотную установку.
5 – капитальные затраты на газоочистную систему.

Рис 13. Удельные эксплуатационные расходы при производстве тонны Н2SO4 на газоочистную систему и установку ДК/ДА как функция концентрации SO2 в отходящих газах и плавильной печи (производительность установки 1000 т/сутки Н2SO4 соотношение O2/ SO2= 1,1;  разбавленных воздухом). 1 - удельные эксплуатационные расходы (единица стоимости т Н2SO4) 2 – концентрация SO2 в отходящих газах плавильной печи (% SO2 по объему). 3 - общие эксплуатационные расходы. 4 - эксплуатационные расходы на сернокислотную установку. 5 - эксплуатационные расходы на газоочистную систему.

Рис 13. Удельные эксплуатационные расходы при производстве тонны Н2SO4 на газоочистную систему и установку ДК/ДА как функция концентрации SO2 в отходящих газах и плавильной
печи (производительность установки 1000 т/сутки Н2SO4 соотношение O2/ SO2= 1,1; разбавленных воздухом).
1 – удельные эксплуатационные расходы (единица стоимости т Н2SO4)
2 – концентрация SO2 в отходящих газах плавильной печи (% SO2 по объему).
3 – общие эксплуатационные расходы.
4 – эксплуатационные расходы на сернокислотную установку.
5 – эксплуатационные расходы на газоочистную систему.

Рис. 14. Удельные эксплуатационные расходы на производство Н2SO4 с обогащением подаваемых газов кислородом производительность установки 1000 т/сутки Н2SO4; соотношение O2/ SO2= 1,1; включая расходы на промышленный кислород). 1 - удельные эксплуатационные расходы (единица стоимости/т Н2SO4); 2 - концентрация SO2 в газе, поступающем в контактный аппарат при соотношении O2/ SO2  = 1:1,1 (% SO2 по объему). 3 - концентрация SO2 на выходе из плавильной печи (% SO2 по объему).

Рис. 14. Удельные эксплуатационные расходы на производство Н2SO4 с обогащением подаваемых газов кислородом производительность установки 1000 т/сутки Н2SO4; соотношение O2/ SO2= 1,1; включая расходы на промышленный кислород).
1 – удельные эксплуатационные расходы (единица стоимости/т Н2SO4);
2 – концентрация SO2 в газе, поступающем в контактный аппарат при соотношении O2/ SO2 = 1:1,1 (% SO2 по объему).
3 – концентрация SO2 на выходе из плавильной печи (% SO2 по объему).

Рис. 15. Капитальные затраты на производство элементарной серы и серной кислоты как функция концентрации в отходящих металлургических газах; медеплавильный завод производительность 1000 т/год. 1 - капитальные затраты (ед. стоимости) 2 - концентрация SO2  на выходе в плавильной печи (% SO2 по объему). 3 - элементарная сера. 4 - серная кислота.

Рис. 15. Капитальные затраты на производство элементарной серы и серной кислоты как функция концентрации в отходящих металлургических газах; медеплавильный завод производительность 1000 т/год.
1 – капитальные затраты (ед. стоимости)
2 – концентрация SO2 на выходе в плавильной печи (% SO2 по объему).
3 – элементарная сера.
4 – серная кислота.

Рис.16. Эксплуатационные расходы на производство элементарной серы и серной кислоты как функция концентрации SO2 в отходящих металлургических газах (основа: медеплавильный завод) производительностью 100000 т/год). 1 - эксплуатационные расходы (ед. стоимости/т S) 2 - концентрация SO2 в отходящих газах на выходе из плавильной печи (% SO2 по объему). 3 - для элементарной серы 4 - для серной кислоты.

Рис.16. Эксплуатационные расходы на производство элементарной серы и серной кислоты как функция концентрации SO2 в отходящих металлургических газах (основа: медеплавильный завод) производительностью 100000 т/год).
1 – эксплуатационные расходы (ед. стоимости/т S)
2 – концентрация SO2 в отходящих газах на выходе из плавильной печи (% SO2 по объему).
3 – для элементарной серы
4 – для серной кислоты.

При копировании материала с данного сайта присутствие ссылки обязательно!

Top.Mail.Ru