Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

Это химический элемент, расположенный в шестой группе, третьем периоде таблицы Менделеева. Это хрупкое вещество, пребывающее при нормальных условиях в твердом агрегатном состоянии. Сера окрашена в лимонно-желтый цвет. Таким же оттенком наделены многие соединения этого элемента.

Физические характеристики серы

Сера не растворяется в воде, обладает низкой электро- и теплопроводностью, проявляет свойства типичного неметалла. Вещество может пребывать в нескольких вариациях, в зависимости от строения кристаллической решетки, соединяющей атомы.

Первый вариант элемента - ромбическая сера , наиболее устойчивое вещество. Кипит при температуре 445 °C. Перед переходом в газообразное агрегатное состояние это вещество должно стать жидким. Плавится ромбическая сера при температуре 113 °C.

Второй вариант - моноклинная сера , представляющая собой кристаллы игольчатой формы темно-желтого цвета. Это вещество формируется в результате плавления ромбической серы и медленного ее охлаждения. Температура кипения моноклинной серы - 445 °С. Существует пластическая разновидность моноклинной серы, которую получают путем выливания почти кипящей ромбической серы в холодную воду. Это вещество обладает свойством тянуться наподобие резины.

Температура воспламенения серы зависит от типа материала и его происхождения. Например, сера техническая воспламеняется при температуре 190 °С. При других условиях температура вспышки серы составляет 248 °С и даже 256 °С - в зависимости от того, из какого материала была добыта сера и какую плотность имеет вещество. В любом случае температура горения серы достаточно низкая, по сравнению с другими химическими элементами. Сера относится к легковоспламеняющимся веществам.

Химические характеристики серы, ее взаимодействие с металлами

Сера обладает сравнительно низкой атомной массой (32 г/моль). Элемент может иметь разные степени окисления. Этим сера отличается от кислорода или водорода. Сера, в зависимости от условий, способна проявлять восстановительные или окислительные свойства.

Для реакции серы с металлами необходима высокая температура. При таких условиях будет протекать реакция присоединения: атомы металла объединятся с атомами серы, образуя сложные вещества - сульфиды. К примеру, если нагреть 2 моля калия, смешать их с 1 молем серы, образуется 1 моль сульфида калия. Уравнение реакции:

Молекулярная структура сульфида калия

Реакция серы с галогенами и другими простыми веществами

Сера, как и другие неметаллы, вступает в реакцию с галогенами. Сера реагирует с бромом, фтором, хлором, но не взаимодействует с иодом. Пример - фторирование серы. Если разогреть серу с галогеном, образуются две вариации фторида.

Молекулярная структура фторида серы

Первый вариант : взять 1 моль серы и три 3 моля фтора, образуется 1 моль фторида - SF₆. Уравнение реакции:

S + 3F₂ = SF₆

Второй вариант : взять 1 моль серы и 2 моля фтора, образуется 1 моль фторида с химической формулой SF₄. Уравнение реакции:

S + 2F₂ = SF₄

Реакция галогенов с серой зависит от пропорций, в которых смешаны компоненты. Таким же образом осуществляется бромирование серы либо хлорирование серы (в результате реакции также образуются два разных вещества).

Сера вступает в химическую реакцию с фосфором, водородом и углеродом. При взаимодействии серы с водородом образуется сероводород. В результате реакции сероводорода с металлами образуются их сульфиды, которые также получают прямым взаимодействием серы с тем же металлом.

Присоединение атомов водорода к атомам серы происходит исключительно в условиях очень высокой температуры. При реакции серы с фосфором образуется фосфид серы - P₂S₃. Чтобы получить 1 моль фосфида серы, нужно взять 2 моля фосфора и 3 моля «сульфура». При реакции серы с углеродом образуется сероуглерод CS₂. Чтобы получить 1 моль сероуглерода, нужно взять 1 моль углерода и 2 моля серы. Описанные реакции присоединения протекают при нагревании реагентов до высоких температур. С желтым порошком серы можно провести интересный опыт и расплавить его в черную вязкую массу.

Реакция серы с кислородом

Нельзя рассмотреть все реакции с серой и упустить ее взаимодействие с кислородом. Для понимания процесса можно провести лабораторный опыт: в ходе реакции разложения марганцовки колба наполнится кислородом. Затем поджигается сера в ложечке для сгорания и опускается в колбу с кислородом. Сера интенсивно сгорает на воздухе ярким сине-фиолетовым пламенем. Постепенно колбу заполнит белый туман.

Горение серы

Реакция между кислородом и серой принадлежит к числу окислительно-восстановительных, где сера - восстановитель, а кислород - окислитель. Скорость горения серы в чистом кислороде увеличивается за счет почти пятикратного увеличения концентрации кислорода.

Тепло при горении серы на воздухе не расходуется на нагревание балласта (азота), поэтому температура реагентов повышается сильнее, чем на воздухе. Из-за этого интенсивность горения тоже увеличивается. При горении сера соединяется с кислородом, образуя сернистый газ - оксид серы SO₂, который постепенно заполняет цилиндр. Уравнение реакции:

S + O₂ = SO₂ + Q.

Сернистый газ, соединяясь с парами воды, образует сернистую кислоту:

SO₂ + H₂O = H₂­SO₃

Сернистая кислота окисляется до серной кислоты:

2H₂­SO₃ + O₂ = 2H₂­SO₄

В результате описанных реакций в цилиндре образуется туман из капель серной и сернистой кислот.

Чистая сера поступает по обогреваемому трубопроводу с эстакады в сборник. Источником поступления жидкой серы в отделение обжига могут являться как узел плавления и фильтрации комовой серы, так и узел слива и складирования жидкой серы из железнодорожных цистерн. Из сборника через промежуточный сборник вместимостью 32 м3 насосом по кольцевому серопроводу сера подается в котлопечной агрегат на сжигание в потоке осушенного воздуха.

При сгорании серы образуется диоксид серы по реакции:

S(жид.) + О2(газ.) = SО2(газ) + 362,4 кДж.

Данная реакция протекает с выделением тепла.

Процесс горения жидкой серы в атмосфере воздуха зависит от условий обжига (температуры, скорости газового потока), от физико-химических свойств (наличия в ней зольных и битумных примесей и др.) и состоит из отдельных последовательных стадий:

смешение капель жидкой серы с воздухом;

прогрев и испарение капель;

образование газовой фазы и воспламенение газовой серы;

горение паров в газовой фазе.

Перечисленные стадии неотделимы друг от друга и протекают одновременно и параллельно. Происходит процесс диффузионного горения серы с образованием диоксида серы, небольшое количество диоксида серы окисляется до триоксида. При сжигании серы с повышением температуры газа растет концентрация SО2, пропорционально температуре. При сжигании серы также образуются оксиды азота, загрязняющие продукционную кислоту и являющиеся загрязняющими вредными выхлопами. Количество образующихся оксидов азота зависит от режима сжигания серы, избытка воздуха и температуры ведения процесса. С ростом температуры количество образующихся оксидов азота повышается. С ростом коэффициента избытка воздуха количество образующихся оксидов азота возрастает, достигая максимума при коэффициенте избытка воздуха от 1,20 до 1,25, затем падает.

Процесс сжигания серы проводят при расчетной температуре не более 1200єС с избытком подачи воздуха в циклонные топки.

При сжигании жидкой серы образуется незначительное количество SO3. Суммарная объемная доля диоксида и триоксида серы в технологическом газе после котла составляет до 12,8%.

За счет поддува холодного осушенного воздуха в газоход перед контактным аппаратом производится доохлаждение и разбавление технологического газа до эксплуатационных норм (суммарная объемная доля диоксида и триоксида серы не более 11,0%, температура от 390 о С до 420 о С).

Жидкая сера подается на форсунки циклонных топок агрегата для сжигания двумя погружными насосами, один из которых резервный.

Осушенный в сушильной башне воздух нагнетателем (один - рабочий, один - резервный) подается в агрегат на сжигание серы и разбавление газа до эксплуатационных норм.

Сжигание жидкой серы в количестве от 5 до 15 м 3 /ч (от 9 до 27 т/ч) производится в 2-х циклонных топках, расположенных друг относительно друга под углом 110 град. и соединенных с котлом соединительной камерой.

На сжигание поступает жидкая фильтрованная сера с температурой от 135 о С до 145 о С. Каждая топка имеет по 4 форсунки для серы с паровой рубашкой и по одной пусковой газовой горелке.

Регулирование температуры газа на выходе из энерготехнологического котла производится дроссельной заслонкой на горячем байпасе, которая пропускает газ из камеры догорания циклонных топок, а также холодным байпасом, перепускающим часть воздуха мимо котлопечного агрегата в газоход после котла.

Энерготехнологический агрегат водотрубный с естественной циркуляцией, одноходовой по газу предназначен для охлаждения сернистых газов при сжигании жидкой серы и выработки перегретого пара с температурой от 420 о С до 440°С при давлении от 3,5 до 3,9 МПа.

Энерготехнологический агрегат состоит из следующих основных узлов: барабана с внутрибарабанным устройством, испарительного устройства с конвективным пучком, трубчатого охлаждаемого каркаса, топки, состоящей из двух циклонов и переходной камеры, портала, каркаса под барабан. Пароперегреватель 1-ой ступени и экономайзер 1-ой ступени объединены в один выносной блок, пароперегреватель 2-ой ступени, и экономайзер 2-ой ступени размещены в отдельных выносных блоках.

Температура газа после топок перед испарительным блоком повышается до 1170 о С. В испарительной части котла происходит охлаждение технологического газа от 450 о С до 480 о С, после холодного байпаса температура газа снижается от 390 о С до 420 о С. Охлажденный технологический газ, направляется на последующую стадию производства серной кислоты - окисление диоксида серы до триоксида серы в контактном аппарате.

Зависимость степени диссоциации паров серы от температуры.  

Горение серы представляет собой сложный процесс в связи с тем, что сера имеет молекулы с разным числом атомов в различных аллотропных состояниях и большой зависимостью ее физико-химических свойств от температуры. Механизм реакции и выход продуктов изменяется как от температуры, так и от давления кислорода.  

Пример зависимости точки росы от содержания С02 в продуктах горения.

Горение серы в 80 з возможно по различным причинам. Твердо установленной теории этого процесса пока не имеется. Предполагается, что частично это происходит в самой топке при высокой температуре и при достаточном избытке воздуха. Исследования в этом направлении (рис. 66) показывают, что при малых избытках воздуха (порядка сст 1 05 и ниже) образование 80 з в газах резко снижается.  

Горение серы в кислороде протекает при 280 С, а на воздухе - при 360 С.  

Горение серы происходит во всем объеме печи. При этом газы получаются более концентрированными и переработка их осуществляется в аппаратах меньших габаритов, а очистка газов почти исключается. Двуокись серы, получаемая при сжигании серы, кроме производства серной кислоты, применяется в ряде отраслей промышленности для очистки погонов нефти как холодильный агент, в производстве сахара и др. SCb перевозится в стальных баллонах и цистернах в жидком состоянии. Ожижение SO2 производится сжатием предварительно осушенного и охлажденного газа.  

Горение серы происходит во всем объеме печи и заканчивается в камерах, образованных перегородками 4, куда подается дополнительное количество воздуха. Из этих камер выводится горячий печной газ, содержащий сернистый ангидрид.  

Горение серы очень легко налбюдать в механических печах. На верхних этажах печей, где в горящем материале много FeS2, все пламя окрашено в синий цвет - это характерное пламя горения серы.  

Процесс горения серы описывается уравнением.  

За горением серы наблюдают через смотровое стекло в стенке печи. Температуру расплавленной серы следует поддерживать в пределах 145 - 155 С. Если продолжать повышать температуру, вязкость серы постепенно увеличивается и при 190 С она превращается в густую темно-коричневую массу, что крайне затрудняет ее перекачивание и разбрызгивание.  

При горении серы на один атом серы приходится одна молекула кислорода.  

Схема комбинированной контактно-башенной системы с использованием в качестве сырья для получения башенной кислоты природной.

При горении серы в печи получают обжиговый сернистый газ с содержанием около 14 % S02 и температурой на выходе из печи около 1000 С. С этой температурой газ поступает в котел-утилизатор 7, где путем снижения его температуры до 450 С получают пар. В контактный аппарат 8 необходимо направлять сернистый газ с содержанием около 8 % SO2, поэтому после котла-утилизатора часть газа или весь обжиговый газ разбавляют до 8 % SO2 подогретым в теплообменнике 9 воздухом. В контактном аппарате окисляется 50 - 70 % сернистого ангидрида до серного ангидрида.  

Основные направления исследований в области ПГУ

К основным направлениям исследований в области ПГУ следует отнести:

Оценку запасов угля под разработку методом ПГУ;

Поиск путей повышения энергетического и химического к.п.д. процесса подземной газификации углей;

Разработку технологии и технико-экономической оценки комплексного использования газов ПГУ в энергетике и химической промышленности;

Получение газа заданного состава, удовлетворяющего требованиям переработки его на химическую продукцию, разработку методов очистки и обогащения газов для обеспечения более экономичного его использования в химической технологии;

Разработку методов управления и контроля состава газов ПГУ;

Технико-экономическое обоснование целесообразности переработки газов ПГУ на химическую продукцию с учетом роста дефицита и стоимости природного газа и нефти;

Разработку методов очистки и их обогащения, а также разработать методы утилизации тепла и выгазованной зоны и газов ПГУ.

Для решения названных проблем уже сейчас необходимо определить перспективные угольные месторождения под разработку, провести исследования по усовершенствованию технологии (выбор оптимальной сетки скважин, методов сбойки, интенсивности и состава дутья и т.д.), определить пригодность существующих схем технологической переработки газов ПГУ, осуществить выбор и конструирование оборудования для скважин и наземного перерабатывающего комплекса, в том числе подбор термо и коррозионностойких материалов и покрытий для скважин и наземных коммуникаций.

Стратегически газ ПГУ может использоваться как местный промышленный энергоисточник на базе работы комплексного предприятия ≪ПГУ- ТЭС≫.

Исключительно перспективен метод ПГУ для снабжения энергией Приморья, где целесообразно в районе ряда закрытых шахт строительство станций ПГУ.

Вопросы к разделу:

1. Технологическая схема станции подземной газификации угля.

2. Стадии процесса газификации угля.

Подземное сжигание серы - метод разработки месторождений само-

родной серы путем ее высокотемпературного окисления на месте залега-

Идея метода восходит к старинной практике выплавки серы из са-

мородных руд за счет тепла сжигания части серы в специальных пе-

чах - ≪калькаронах≫. Первая попытка получения серы при ее частичном

сжи гании под землей была предпринята в 1910 г. итальянским инженером

Д. Фиори, который предлагал сжигать серу на верхних этажах предвари-

тельно подготовленного вертикальными и горизонтальными выработка ми

рудного блока, с тем чтобы на нижних этажах блока собирать сте кающую

жидкую серу. На практике выяснилось, что полученная таким образом

сера содержит много золы и выход ее незначителен.. В 30-е годы XX века

предложения по осуществлению процесса частичного сжигания серы

на месте залегания через скважины с получением серы в виде жидкости

или паров выдвигались австрийским инженером Г. Шмацелем и итальян-

ским Р. Вердерамо. В 1958 г. итальянский инженер Д. Джорджи опубли-

ковал проект разработки ≪верхней горящей зоны≫ рудника Коццо-Дизи

(Сици лия). В проекте предусматривалось как использование сернистого

газа при производстве кислоты, так и выпуск жидкой серы. В 1962-66 гг.

американские инженеры Миллер, а также Уайт и Мосс предложили про-

изводить сжигание ее на месте залегания, подавая воздух для горения и

отводя образованный газообразный сернистый газ через скважины. Дан-

ные эксперименты были проведе ны в США. Метод подземного сжигания

серы с ориентацией на преимущест венное получение сернистого газа

для производства серной кислоты раз рабатывался в 1973-79 гг. МОНИЛ-

Гео ГИГХС. при менительно к необводненной части Гаурдакского серного

месторожде ния (Туркменистан). В 1976-1978 гг. проведены успешные

испытания технологии на опытной установке Гаурдакского серного заво-

да. Показано, что при воз душном дутье температура в очаге горения до-

стигает 1200 °С, при этом в газах сжигания содержится 5-15 % SO2, что

соответствует условиям про изводства серной кислоты. Коэффициент вы-

горания серы в зоне горения превышает в очаге горения 90 %, в среднем

по опытной установке 78,6 %.

Сущность метода заключается в создании в серном пласте управляе-

мого очага горения серы, параметры которого поддерживаются на уровне,

достаточном для получения кондиционного для производства серной кис-

лоты сернистого газа.

Процесс горения серы и обжига серных руд достаточно изучен. Одна-

ко в пластовых условиях этот про цесс осложнен и зависит от структуры

и текстуры серных руд, минералогического и химического состава вме-

щающих пород, от содержания серы в руде, мощности, пористости и про-

ницаемости пласта, от распределения пор и трещин пласта по размерам,

от обводненности пласта, от давления, темпа нагнетания и состава окис-

лителя и др.

Температура воспламенения серы в порах пласта является слож ной

функцией состава реагирующей смеси, характерного диаметра пор, давле-

ния, теплопроводности и наличия примесей в жидкой сере. В част ности,

было показано, что серные пары могут воспламеняться только в порах

размером в несколько миллиметров при температуре свыше темпе ратуры

кипения серы. Таким образом, горение серы происходит только в крупных

порах пласта, не проникая в глубь серных блоков. Образование движуще-

гося внутрипластового очага горения серы приводит к появле нию харак-

терного продольного распределения температуры в виде ≪теп ловой вол-

ны≫, в которой можно выделить зоны предварительного про грева, зону

расплавленной серы, зону горения и зону выгоревшей руды. По мощности

пласта выгорание происходит преимущест венно в верхней части, при этом

у подошвы пласта образуется ≪серная лужа≫. Процесс внутрипластового

сжигания серы происходит в несколь ко стадий. На первой стадии произ-

водится розжиг пласта с поддержани ем температуры очага горения до тех

пор, пока его собственное тепло выделение не превысит тепловые потери.

По мере прогрева пласта сер ные пары из мелкопористых блоков поступа-

ют в более крупные поры и трещины, где происходит их окисление, а часть

серы впереди фронта горения выплавляется из рудных блоков и стекает к

подошве пласта. Та ким образом, на второй стадии процесса очаг горения

продвигается только по наиболее крупным порам и трещинам. При этом

часть не окисленных серных паров

конденсируется в непрогретых зонах, кольматируя пласт. На третьей,

самой длительной стадии процесса происходит догорание серы в блоках

и у подошвы пласта. На каждой из стадий су ществует своя зависимость

между расходом дутья и концентрацией сер нистого газа, что дает возмож-

ность управлять процессом подземного сжигания серы, достигая конди-

ционного состава газов сжигания.

Технология подземного сжигания серы включает в себя следующие

операции:

1. Вскрытие пласта скважинами с обсадкой их металлическими ко-

лоннами труб до кровли пласта. Бурение по пласту производится колон-

ковым способом с отбором керна.

2. Проведение опытных нагнетаний воздуха в скважины с измерени-

ем его давления и расхода во времени для определения фильтрационных

характеристик пласта и его подсушивания. Для выявления возможных

мест утечек газа производится подача в пласт стойких дымов.

3. Розжиг пласта с использованием забойных газовых горелок или пу-

тем спуска в забой горящего кокса. Розжиг прекращается при появлении в

газах сжигания сернистого ангидрида с концентрацией более 3- %.

4. Управление составом газов сжигания путем изменения расхода

воздуха, точки подачи дутья и точки отвода газов.

5. Сбор газов сжигания.

6. Обеспыливание и осушку газов сжигания.

7. Каталитическое доокисление сернистого ангидрида до серного ан-

гидрида, например, в аппаратах двойного контактирования.

8. Получение серной кислоты в олеумном абсорбере.

9. Нейтрализация и утилизация кислых стоков и шламов.

Выполненные исследования показали: что экономич ес ки е п ок аз ат ел и

технологии ПСС могут быть при няты по аналогии с ПГУ в части газифи-

кации и по аналогии переработки сернистых газов цветной металлургии в

части производства серной ки слоты. Расчеты показывают, что по сравне-

нию с базовыми методами производства кислоты из серы и колчедана тех-

нология ПСС экономически выгодна при минимальной производитель-

ности пред приятия 100 тыс. т серной кислоты в год.

Экологические аспекты П СС связаны с гарантией нераспро странения

очага горения за контуры отрабатываемого участка и прорыва токсичных

продуктов сжигания на поверхность. Практика тушения по жаров на сер-

ных рудниках свидетельствует, что существует два основ ных принципа

успешного решения проблемы -прекращение притока воздуха и сниже-

ние температуры очага горения. При случайных пожарах вблизи откры-

той поверхности оба принципа осуществить удается с большим трудом.

При целенаправленной организации очага горения на большой глубине,

как показали опыты, проблема изоляции очага существенно облегчает-

ся. Перерывы в подаче окислителя приводят к значительной кольматации

периферийных зон сконденсированной серой и к самоизоляции участка

сжигания. Подача воды непосредственно в очаг нецелесообразна, так как

вследствие высо ких температур в пласте развивается высокое давление

пара, которое может привести к образованию разрыва пород пласта и

кровли. Наиболее рациональным является законтурное заводнение при

наличии системы соответствующих контрольных скважин.

П ер сп ек ти выП ССиз ад ач и д ал ьн ей ши х и сс ле до ва ни й. Пер-

спективны для ПСС, как показано выше, высокопроницаемые богатые

серные залежи, но их доля в общих ресурсах самородной серы невелика.

Поэтому представляется наиболее целесообразным развитие модифика-

ций метода применительно к малопроницаемым серным рудам и другим

нитам. В частности, показано, что может быть успешно реализован вари-

ант, предусматривающий первоначальное ведение процесса в двух близко

расположенных изолированных скважи нах. После соединения зон плав-

ления вокруг этих скважин образуется сбоечный канал, интенсивность

процесса увеличивается и постепенно в него вовлекаются скважины на

большем расстоянии.

В области получения товарной продукции перспективен поиск техно-

логических схем сернокислотного производства при низкой кон центрации

сернистого газа, схем с восстановлением элементарной серы, например с

использованием образующегося в бескислородных зонах се роводорода.

В целом, метод ПСС является весьма перспективным в качестве воз-

можной альтернативы существующим технологиям производства се ры и

серной кислоты и для восполнения возможного дефицита в этих видах

продукции.

Литература

1. Гридин О.М. Подземное сжигание серы. Дисс. на соиск. ученой степ.

канд. техн. наук М.,ГИГХС,1979.

2. Методические вопросы исследовании в геотехнологии. (Вып.З). Под

ред. В.Ж. Арен-са, ГИГХС, Люберцы, 1979.

3. Гридин О.М., Курицына Л.И., Гвоздев Н.В. Лабораторные исследова-

ния метода под земного сжигания серы. //Бесшахтная добыча горно-хими-

ческого сырья. Тр. ГИГХС, вып. 33, Люберцы, 1975.

4. Аренс В.Ж. , Гридин О.М., Курицына Л.И., Хчеян Г.Х. Основные

закономерности процесса внутрипластового горения серы. Ж. Физи-

ко-технические проблемы разра ботки полезных ископаемых, СО АН

СССР,№3,1980.

5. Шварцштейн Я.В, Кузьмин Г.А. Получение сернистого газа из эле-

ментарной серы., М, Химия, 1972.

6. Miller Wendell S. Burning process for recovering sulfur from the earth.

Pat. USA N 3131919,05.04.1962.

7. White Philip D., Moss John T. In-situ oxidation reaction within a sulfur

formation, contain ing sulfur. Pat. USAN 3410604, 01.12.1966.

8. Цейтлин А.Н. О закономерностях горения серы. Тр. НИОХИМ, т.

12, Л., Госхимиздат, 1959.

9. Г’угель Б.М. Верхние пределы воспламенения серы в кислороде и в

смесях с инертны ми газами. ЖФХ, т. 14, вып. 1, АН СССР, М., 1941.__