Физико-химические основы процесса горения серы. Печи для сжигания жидкой серы. Утилизация теплоты горения серы.

Физико-химические основы процесса горения серы.

Сжигание S происходит с выделением большого количества теплоты: 0,5S_2г + О_2г = SО_2г, ΔН = -362,43 кДж

Горение – комплекс химических и физических явлений. В устройстве для сжигания приходится иметь дело со сложными полями скоростей, концентраций и температур, которые трудно поддаются математическому описанию.

Горение расплавленной S зависит от условий взаимодействия и сгорания отдельных капель. Эффективность процесса горения определяется временем полного сгорания каждой частички серы. Горению серы, которое происходит только в газовой фазе, предшествует испарение S, смешение её паров с воздухом и прогрев смеси до t, обеспечивающей необходимую скорость реакции. Поскольку интенсивнее испарение с поверхности капли начинается лишь при определенной t – каждая капля жидкой серы должна быть нагрета до этой t. Чем выше t, тем больше времени потребуется для прогрева капли. Когда над поверхностью капли образуется горючая смесь паров S и воздуха предельной концентрации и t, происходит воспламенение. Процесс горения капли S зависит от условий горения: t и относительной скорости газового потока, и физико-хим-х свойств жидкой S (например, наличие в S твердых примесей золы), и состоит из стадий: 1-смешение капель жидкой S с воздухом; 2-прогрев этих капель и испарение; 3-термическое расщепление паров S; 4-образование газовой фазы и её воспламенение; 5-горение газовой фазы.

Эти стадии протекают почти одновременно.

В результате прогрева капля жидкой S начинает испаряться, пары S диффундируют к зоне горения, где при высокой t начинают активно реагировать с О₂ воздуха, происходит процесс диффузионного горения S с образованием SО₂.

При высоких t скорость реакции окисления S больше скорости физических процессов, поэтому общая скорость процесса горения определяется процессами массо- и теплоотдачи.

Молекулярная диффузия определяет спокойный, сравнительно медленный процесс горения, а турбулентная ускоряет его. С уменьшением размера капель сокращается время их испарения. Мелкое распыление частиц серы и равномерное распределение их в воздушном потоке увеличивает поверхность контакта, облегчает нагрев и испарение частиц. При горении каждой единичной капли S в составе факела следует различать 3 периода: I-инкубационный; II-интенсивного горения; III-период догорания.

При горении капли с ее поверхности происходят выбросы пламени, напоминающие собой солнечные вспышки. В отличие от обычного диффузионного горения с выбросом языков пламени с поверхности горящей капли получило название «взрывного горения».

Горение капли S в диффузионном режиме осуществляется путем испарения молекул с поверхности капли. Скорость испарения зависит от физических свойств жидкости и t окружающей среды, а определяется характеристикой скорости испарения. В дифференциальном режиме S горит в I и III периодах. Взрывное горение капли наблюдается только в периоде интенсивного горения во II периоде. Продолжительность периода интенсивного горения пропорциональна кубу начального диаметра капли. Это вызвано тем, что взрывное горение является следованием процессов, протекающих в объеме капли. Характеристика скорости горения вычисл. по ф-ле: К= /τ_сг;

d_н – начальный диаметр капли, мм; τ – время полного сгорания капли, с.

Характеристика скорости горения капли равна сумме характеристик диффузионного и взрывного горения: К = К_вз + К_диф; Квз = 0,78∙ехр(-(1,59∙р)^2,58); К_диф= 1,21∙р +0,23; К_Т2 = К_Т1∙ехр(Е_а/R∙(1/Т₁ – 1/Т₂)); К_Т1 – константа скорости горения при t₁ = 1073 К. К_Т2 – конст. скорости грения при t отличной от t₁. Е_а – энергия активации (7850 кДж/моль).

Т.О. основными условиями эффективного горения жидкой S являются: подвод всего необходимого количества воздуха к устью факела, мелкое и равномерное распыление жидкой S, турбулентность потока и высокая t.

Общая зависимость интенсивности испарения жидкой S от скорости газа и t: К₁ = a∙V/(b+V); a, b – константы, зависящие от t. V – скор. газа, м/с. При более высоких t зависимость интенсивности испарения S от скорости газа им вид: К₁ = К_о ∙ Vⁿ;

При увеличении t от 120 до 180^оС интенсивность испарения S возрастает в 5-10 раз, а т 180 до 440^оС в 300-500 раз.

Интенсивность испарения при скорости газа 0,104 м/с определяется: = 8,745 – 2600/Т (при 120-140 ^оС); =7,346 –2025/Т (при 140-200 ^оС); =10,415 – 3480/Т (при 200-440 ^оС).

Чтобы определить интенсивность испарения S при любой t от 140 до 440^оС и скорости газа в пределах 0,026-0,26 м/с, её сначала находят для скорости газа 0,104 м/с и пересчитывают на другую скорость: lg =lg + n ∙ lgV^``/V^`; Сравнение значения интенсивности испарения жидкой серы и скорости горения говорит о том, что интенсивность горения не может превысить интенсивность испарения при температуре кипения серы. Это подтверждает правильность механизма горения, по которому сера сгорает только в парообразном состоянии. Константа скорости окисления паров серы (реакция протекает по уравнению второго порядка) определяется кинетическим уравнением: -dС_S/d = К∙С_S∙С_О2; С_S – концентрация паров S; С_О2 – конц-я паров О₂; К – константа скорости реакции. Общую концентрацию паров S и О₂ оп-ют: С_S = а(1-х); С_О2 = b – 2ах; а – начальная концентрация паров S; b – начальная конц-я паров О₂; х – степень окисления паров S. Тогда:

К∙τ = (2,3 /(b – 2a)) ∙ (lg(b – ax/b(1 - x)));

Константа скорости реакции окисления S до SО₂: lgK = В – А/Т;

Капли серы d < 100мкм сгорают в диффузионном режиме; d>100мкм во взрывном, на участке 100-160 мкм время горения капель не увеличивается.

Т.о. для интенсификации пр-са горения целесообразно распыливать серу на капли d=130-200имкм, что требует затрат дополнительной энергии. При сжигании одного и того же кол-ва S получ. SО₂ тем концентрированней, чем меньше объем печного газа и чем выше его t.

1 – С_О2; 2 – С_SО2

На рис.показана приближенная зависимость между t и концентрацией SO₂ в печном газе, образовавшемся при адиабатическом сжигании серы в воздухе. На практике получают высококонцентрированную SO₂ ограниченную тем, что при t > 1300 быстро разрушается футеровка печи и газоходов. Кроме того в этих условиях могут происходить побочные реакции между O₂ и N₂ воздуха с образованием оксидов азота, который является нежелательной примесью в SO₂, поэтому обычно в серных печах поддерживается t=1000-1200. А печные газы содержат 12-14 об% SO₂. Из одного объема O₂ образуется один объем SO₂, поэтому максимальное теоретическое содержание SO₂ в обжиговом газе при сжигании S в воздухе 21%. При сжигании S в воздухе обжиг. O₂ содержание SO₂ в газовой смеси может возрастать в зависимости от концентрации O₂. Теоретическое содержание SO₂ при сжигании S в чистом O₂ может достигнуть 100%. Возможный состав обжиговых газа, полученного при сжигании S в воздухе и в различных кислородо-азотных смесях представлена на рисунке:

Печи для сжигания серы.

Сжигание S в сернокислотном произ-ве осущ-т в печах в распыленном или тв сост-ии. Для сжигания расплавл-ой S исп-т форсуночные, циклонные и вибрацион-е печи. Наиболее широко примен-ся циклонные и форсуночные. Эти печи классиф-ют по признакам: - по типу установленных форсунок (механич-е, пневматич-е, гидравлич-е) и их располож-ю в печи (радиальное, тангенсальное); - по наличие экранов внутри топочных камер; - по исполнению (гориз-ые, вертик-е); - по располож-ю вход-х отверстий для подачи воздуха; - по устройствам для перемеш-я потоков возд-а с парами S; - по оборуд-ю для испльз-я тепла горения S; - по кол-ву камер.

Форсуночная печь (рис)

1 — стальной цилиндр, 2 — футеровка. 3 — асбест, 4 — перегородки. 5 —форсунка для распыления топлива, 6—форсунки для распы­ления серы,

7 — короб для подвода воздуха в печь.

Имеет достаточно простую конструкцию, просто в обслуж-ии, в ней образ-ся газ, постоян-й концен-ии SO₂. К серьезным недост-м относят: постепен-е разруш-е перегородок из-за выс-х t; низкое теплонапряж-е камеры горения; трудность получ-я газа высокой концен-ии, т.к. исп-ся большой избыток возд-а; зависимость проц-а проведения сжигания от кач-ва распыления S; значит-ый расход топлива при пуске и разогреве печи; сравнит-но большие габариты и масса, и как следствие значит-е капиталовлож-я, производ-ные площади, эксплуатационные расходы и большие потери тепла в окр-ю среду.

Более совершен-ми явл-ся циклонные печи.

1 — форкамера, 2 — воздушный короб, 3, 5 — камеры до­жигания, 4. 6—пережимные кольца, 7, 9 — сопла для подачи воздуха, 8, 10 — форсунки для подачи серы.

Дост-ва: тангенциальный ввод возд-а и S; обеспечивает равномерное сжигание S в печи за счет лучшей турбулизации потоков; возмож-ть получения концен-го технологич-го газа до 18об% SO₂; высокое тепловое напряж-е топочного простр-ва (4,6 10⁶Вт/м³); объем апп-та уменьш-ся в 30-40раз по сравн-ю с объемом форсуночной печи той же производительности; постоян-ая концен-я SO₂; простое регулиров-я проц-а горения S и его автоматизация; малые затраты времени и горючего материала на разогрев и пуск печи после длит-ой остан-ки; меньшее содержание оксидов азота после печи. Основные нед-ки связаны с высок t в проц-е горения; возможно растрескивание футеровки и сварных швов; неудовлет-е распыление S приводит к проскоку ее паров в т/обмен-м оборуд-ии после печи, а след-но к коррозии оборуд-я и непостоянству t на входе в т/обмен-е оборуд.

Расплавлен-я S может поступать в печь через форсунки с тангенсальным или осевым располож-ем. При осевом располож-ии форсунок зона горения нах-ся ближе к периферии. При танген-м – ближе к центру, благодаря чему уменьш-ся действие высоких t на футеровку. (рис) Скорость газового потока сост-ет 100-120м/с – это создает благоприят-е условие для массо- и теплообмена, и возраст-т скорость горения S.

Вибрацион-е печи (рис).

1 – головка печи горелки; 2 – возвратные клапаны; 3 – вибрационный канал.

При вибрац-м горении периодически измен-ся все парам-ры проц-а (давл в камере, скорость и состав газовой смеси, t). Устр-во для вибрац. горения S наз-ся печь-горелка. Перед печью происходит смешение S и возд-а, и они под-ся через обратные клапаны (2) в головку печи-горелки, где происх-т сжигание смеси. Подача сырья осущ-ся порциями (проц-с циклический). В этом варианте печи существенно увелич-ся теплонапряж-е и скорость горения, но перед зажиганием смеси необ-мо хорошее смешение распыленной S с возд-м, чтобы проц-с пошел мгновенно. В этом случае продукты горения хорошо перемеш-ся, газовая пленка SO₂, окружающая частицы S разруш-ся и облегчает доступ новых порций О₂ в зоне горения. В такой печи образующийся SO₂ не сод-т не сгоревших частиц, его концен-я на вых высока.

Для циклон-й печи в сравнении с форсуночной харак-но в 40-65раз большее тепловое напряж-е, возм-ть получения более концен-ного газа и большая паропроизводит-ть.

Важнейшим оборуд-м для печей сжигания жид S явл форсунки, кот должны обеспечить тонкое и равномерное распыление жид S, хорошее смешение ее с возд-м в самой форсунке и за ней, быстрое регулиров-е расхода жид S с сохран-ем необх-го соотнош-я ее с возд-м, устойчивость определ-ой формы, длины факела, а так же иметь прочную конструкцию, надежную и удобную в эксплуатации. Для бесперебойной работы форсунок важно, чтобы S была хорошо очищена от золы и битумов. Форсунки бывают механич-го (жид под собствен давл) и пневматич-го (в распылении еще участвует воздух) действия.

Утилизация теплоты горения серы.

Реакция сильно экзотермическая, в результате происходит выделение большого количества тепла и тем-ра газа на выходе из печей составляет 1100-1300 ⁰С. Для контактного окисления SO₂ тем-ра газа на входе в 1-ый слой кат-ра не должна превышать 420 - 450 ⁰С. Поэтому перед стадией окисления SO₂ необходимо охлаждение газового потока и утилизации избыточного тепла. В серно-кислотных системах работающих на сере для утилизации теплоты наибольшее распостронение получили водотрубные котлы утилизаторы с естественной циркуляцией тепла. СЭТА – Ц (25 - 24); РКС 95/4,0 – 440.

Энерготехнологический котел РКС 95/4,0 – 440 водотрубный, с естественной циркуляцией, газоплотный котел, рассчитан на работу с наддувом. Котел состоит из испарительных устройств 1-ой 2-ой ступени, вынесенных экономайзеров 1,2 ступени, вынесенных пароперегревателей 1,2 ступени, барабана, топок для сжигания серы. Топка предназначена для сжигания до 650 т жид. Серы в сутки. Топка состоит из двух циклонов , соед-ых относительно др. друга под углом 110 ⁰ и переходной камеры.

Внутренний корпус диаметром 2,6 м, свободно опирается на опоры. Внешний корпус диаметром 3 м. Кольцевое пространство обр-ое внутренним и внешним корпусом вводится воздух, который затем через сопла поступает в камеру сгорания . Сера подается в топку при помощи 8 серных форсунок по 4 на каждом циклоне. Сжигание серы происходит в закрученном газовоздушном потоке. Завихрение потока достигается тангинсиальным вводом воздуха в топочный циклон через воздушные сопла по 3 в каждом циклоне. Количество воздуха регулируется заслонками с электроприводом на каждом воздушном сопле. Переходная камера предназначена для направления газового потока из горизонтальных циклонов в вертикальный газоход испарительного устройства. Внутренняя поверхность топки футирована мулито-корундовым кирпичем марки МКС – 72, толщиной 250 мм.

1 – циклоны

2 - переходная камера

3 – испарительные устройства

4 – барабан