Темір колчеданы
Мақсаты
- H2SO4 өндірісінде қолданылатын негізгі шикізат түрлерін сипаттау.
- Күкірт қышқылының қолданылу аясын көрсету.
- Өндірістен шығатын қалдықтармен жұмыс істеу және оларды тазарту/утилизациялау тәсілдерін түсіндіру.
- Қазақстандағы өндіріс орындары туралы қысқаша мәлімет беру.
H2SO4 өндірісінің шикізаты және олардың сипаттамалары
Күкірт қышқылы өндірісінде шикізат ретінде жай күкірт (S) және құрамында күкірт болатын қосылыстар пайдаланылады. Табиғатта бос күйіндегі күкірт сирек кездеседі; көбіне металл сульфидтері мен сульфаттары түрінде болады. Сонымен қатар күкірт мұнай, тас көмір және табиғи газ құрамында да ұшырасады. Күкірттің едәуір бөлігі түсті металлургия газдарында SO2 түрінде және жанғыш газдарды тазарту кезінде бөлінетін H2S түрінде кездеседі.
Тәжірибеде шикізат көздері көп болғанымен, қазіргі өндірісте негізінен жай күкірт (S) пен темір колчеданы (FeS2) кең қолданылады. ЖЭС және мыс балқыту кәсіпорындарының газдарын шектеулі пайдалану олардың құрамындағы SO2 концентрациясының төмендігімен түсіндіріледі.
Технологиялық негізі: бастапқы екі саты
1) Шикізатты дайындау
Шикізаттың табиғатына қарай алдын ала байыту, ұсақтау, кептіру, қажет болса ілеспе компоненттерді бөлу сияқты операциялар жүргізіледі.
2) Жану (күйдіру)
Шикізаттың түрі өндірістік режимді, аппараттық жабдықталуды және жалпы технологиялық деңгейін айқындайды.
Негізгі шикізат түрлері
1) Темір колчеданы (FeS2)
Құрамында FeS2-мен қатар басқа металдардың сульфидтері (Cu, Zn, Ni, Co) және карбонаттар болуы мүмкін. Өндіріске дайындау кезінде бағалы металдарды бөліп алып, FeS2 концентрациясын арттырады.
2) Күкірт (S)
Жай күкіртті күкірт рудаларынан немесе құрамында SO2 не H2S бар газ ағындарынан алады.
3) Күкіртсутек (H2S)
Негізгі көзі — әртүрлі жанғыш газдар (коксты, генераторлы газ, мұнай өнімдерінің газдары). Тазартудан кейін H2S мөлшері 90%-ға дейін жетуі мүмкін, сондықтан қосымша күрделі тазартуды көп жағдайда қажет етпейді.
4) Түсті металлургия газдары
Бұл газдарда SO2 әдетте 4–10% аралығында болады. Мұндай ағындарды пайдалану экологиялық тұрғыдан да тиімді: өндірістік шығарындыларды кәдеге жаратуға мүмкіндік береді.
Өндірісті басқару және күкірт қышқылының маңызы
Күкірт қышқылын өндіретін зауыттарда химиялық процестерді оптималды режимде жүргізу үшін автоматтандыру және есептеу жүйелері қолданылады. Олар әр аппараттағы процесті бақылап, температура мен концентрацияның тұрақтылығын қамтамасыз етеді. Нәтижесінде еңбек өнімділігі өседі, өндіріс режимі орнықты болады және өнім шығымы мен сапасы артады.
Күкірт қышқылын жиі химия өнеркәсібінің “азығы” деп атайды: ол көптеген технологиялық тізбектер үшін базалық реагент. Машина жасау саласында болат пен шойын қандай маңызды болса, химия өнеркәсібінде күкірт қышқылы да сондай орын алады.
Қоршаған ортаны қорғау
Экологиялық қауіпсіздік үшін зауыттарда аппаратураны герметикалау, газтазартқыш қондырғыларды қолдану және ұстау-шаю жүйелерін тиімді ұйымдастыру маңызды. Бұл шаралар атмосфераға зиянды компоненттердің таралуын айтарлықтай азайтады.
Қазақстандағы өндіріс орындары
- Тараз және Ақтөбе қалаларында суперфосфат зауыттары бар.
- Шымкент, Өскемен, Жезқазған қалаларында күкірт қышқылын өндіретін цехтар жұмыс істейді.
Өндіріс қалдықтары және оларды тазарту/утилизациялау
Колчеданды күйдіруден шығатын қатты қалдықтар
H2SO4 өндірісінде колчеданды (FeS2) күйдіргеннен кейін әртүрлі қатты қалдықтар түзіледі: пиритті жарықшақ (пирит огаркі), жуу құрылғылары мен тұндырғыштарды жинайтын құбырлардағы шламдар, сондай-ақ қышқылды тоңазытқыштар мен сулы электрофильтрлерде жиналатын шламдар.
Үлес мөлшері
Пиритті жарықшақ қалдықтарының мөлшері колчедан массасының шамамен 70%-ын құрауы мүмкін.
Шамаланған шығым
1 т колчедан өңделгенде орташа есеппен 0,55 т қатты қалдық түзіледі.
Бағалы компоненттер
Кейбір жағдайларда қалдық құрамында Cu, Zn, Ag, Au және басқа да металдар болуы мүмкін (әсіресе байыту/флотациядан кейін).
Пиритті жарықшақты утилизациялау бағыттары: түсті металдарды бөліп алу, шойын мен болат өндірісі, цемент және әйнек өнеркәсібі, ауыл шаруашылығы (мыс құрамды тыңайтқыштар), сондай-ақ құрылыс материалдары өндірісінде қолданылатын темірқұрамды қоспалар.
Пиритті жарықшақтан мысты алу: хлорлау арқылы күйдіру
Егер колчедан құрамында мыс шамамен 0,5% болса, пиритті жарықшақты мысты бөліп алу үшін өңдейді. Тәжірибеде кең тараған тәсілдердің бірі — хлорлау арқылы күйдіру. Бұл әдіспен тек мыстың 85–90%-ын ғана емес, белгілі бір мөлшерде асыл металдарды да алуға болады. Жиі жағдайда алынған мыс құны өңдеу шығындарын жабады.
Күйдіру алдында жарықшаққа NaCl қосылады. Оптималды температура 550–600°C. Үдеріс барысында мыс ерігіш CuCl2/CuCl тұздарына айналады, ал күкірт натрий сульфатын түзуге қатысады. Егер жүйеде күкірт жетіспесе, колчедан қосып құрамды түзетеді.
Негізгі реакциялар (қысқаша)
2MeS + 3O2 → 2MeO + 2SO2
MeO + SO2 + 0.5O2 → MeSO4
SO2 + 0.5O2 → SO3
Fe2(SO4)3 + 6NaCl → 3Na2SO4 + 2FeCl3
2NaCl + SO2 + O2 → Na2SO4 + Cl2
4NaCl + 2SO3 + O2 → 2Na2SO4 + 2Cl2
2NaCl + SO3 + H2O → Na2SO4 + 2HCl
4FeCl3 + 3O2 → 2Fe2O3 + 6Cl2
2FeCl3 + 3H2O → Fe2O3 + 6HCl
MeS + Cl2 + 1.5O2 → MeCl2 + SO3
MeS + Cl2 + O2 → MeCl2 + SO2
MeS + 2HCl + 1.5O2 → MeCl2 + SO2 + H2O
MeO + 2HCl → MeCl2 + H2O
2Me + 3Cl2 → 2MeCl3
Күйдіруден кейін мыс тұздарын жылы сумен шаймалап ерітіндіге өткізеді, кейін ерітіндіні темір сынықтарымен өңдеп цементті мыс алады. Операцияны оттексіз ортада жүргізген дұрыс, өйткені оттек қатысында Fe(OH)3 түзіліп, өнімді ластауы мүмкін. Цементті мыс құрамында әдетте 70–90% Cu болады және әрі қарай қайта балқытуға жіберіледі.
Селенді (Se) бөліп алу және шламдарды өңдеу
Колчедан құрамында әдетте 0,002–0,02% селен кездеседі. Колчеданды күйдіргенде SO2-мен қатар SeO2 түзіледі. Селен табиғатта сульфидтермен бірге аз концентрацияда болғандықтан, оны көбіне өндірістік қалдықтардан (әсіресе жуу мұнаралары мен сулы электрофильтрлерде жиналатын шламдардан) бөліп алады.
Газды тазарту кезінде SeO2 күкірт қышқылы тамшыларымен сіңіріледі; оның H2SO4-та еруі температура артқан сайын күшейеді. Мысалы:
SeO2 + 2SO2 + 2H2O → Se + 2H2SO4
SeO2 + 3SO2 + 2H2O → H2SeS2O6 + H2SO4
SeO2 + H2O → H2SeO3
H2SeO3 + 2SO2 + H2O → Se + 2H2SO4
H2SeS2O6 → Se + H2O + SO2
Шламмен бірге металл селен тұнады (шамамен 5% Se болуы мүмкін). Кең қолданылатын тәсіл: тоңазытқыштар мен қышқыл жиналатын құбырларды тазарту барысында алынған шламды сумен араластырып, бумен қыздыру арқылы селенді тұндырады. Кейін пульпаны сүзеді, тұнбаны сумен және 0,5% сода ерітіндісімен шаяды, әрі қарай 90–100°C-та кептіреді. Осылайша 10–12% Se бар шихта дайындалады.
Шамаланған көрсеткіштер: 1 т күйдірілген колчеданнан 10–50 г селен алуға болады. Селеннің тұнуын жеделдету үшін электрошаю кезінде 10–20 г сода және 10–20 г темір сульфаты қосылады. Бу шығыны 5–10 кг болуы мүмкін. Колчеданнан селен бөліп алу дәрежесі әдетте 30–60%.
Қорытынды
Химиялық технологияның негізгі принциптерінің бірі — шикізатты кешенді өңдеу. Күкірт қышқылы өндірісінде табиғи сульфидтерді кешенді өңдеу бүгінгі таңда маңызды орын алады: бұл экономикалық тұрғыдан тиімді және шикізат құрамын барынша толық пайдалануға мүмкіндік береді.
Өндірістен шығатын қалдықтарды ұтымды кәдеге жарату қажет, өйткені олардың құрамында қайта пайдалануға болатын бағалы химиялық қосылыстар мен элементтер көп. Сондықтан әрдайым экономикалық және экологиялық тұрғыдан тиімді технологиялық шешімдерді таңдау — тұрақты өндірістің негізгі шарты.