Кратко — по стадиям контактного процесса, энергозатраты, побочные продукты и меры минимизации вреда.
1) Основные стадии процесса
- Сгорание серы или пирита: $S+O_2\to S{O}_2$.
- Очистка и осушка газов (удаление пыли, асфальта, мышьяка, влаги и пр.).
- Каталитическое окисление: $2S{O}_2+O_2\stackrel{V_2{O}_5}{}2S{O}_3$ (рабочая температура около $420\text{–}450^{\circ }C$).
- Абсорбция $S{O}_3$ и получение кислоты: обычно через получение олеума и его разбавление:
$S{O}_3+H_{2}S{O}_4\to H_2{S}_2{O}_7,H_2{S}_2{O}_7+H_{2}O\to 2H_{2}S{O}_4$.
- Очистка и утилизация побочных продуктов/сточных вод, обработка отходов катализа.
2) Наиболее энергозатратные стадии (и почему)
- Концентрация кислоты / испарение воды при получении концентрированной $H_{2}S{O}_4$: требует явного подвода теплоты (эндо­термический процесс).
- Поддержание температурного режима в каталитической пачке и циркуляция большого объёма воздуха/газовой смеси (вентиляторы/компрессоры): значительное потребление электричества.
- Подготовка/выпаривание серы и подсушка газов (если требуются высокая температура/энергия для сушки).
Примечание: само каталитическое окисление экзотермично; стандартная теплота реакции $S{O}_2+\frac{1}{2}{O}_2\to S{O}_3$ примерно $\Delta H^{\circ }\approx -99kJ/mol$ (или $-198\mathrm{kJ}$ на $2S{O}_2$) — эту теплоту обычно отводят и используют (в парогенерации, подогреве и т.п.), поэтому тепловая нагрузка может быть рекуперирована.
3) Основные побочные продукты и загрязнители
- Невосстановленный $S{O}_2$ и $S{O}_3$ (включая аэрозоли/туман серной кислоты).
- Кислотный туман/микрокапли $H_{2}S{O}_4$ (опасны для атмосферного выброса).
- Дымовые/пылевые частицы (шлам, шламы, золы).
- Токсичные примеси из сырья: оксиды мышьяка ($A{s}_2{O}_3$), тяжелые металлы в виде солей/пепла.
- NOx (от процесса горения) и CO при неполном сгорании.
- Отработанный катализатор (ванадий и т.д.) — источники металлов и спецотходов.
4) Как минимизировать экологический ущерб (технологически и организационно)
- Максимизировать конверсию $S{O}_2\to S{O}_3$: применять схемы типа DCDA (Double Contact Double Absorption) или блоки низкотемпературного дополучения — цель $>99.5\%$ конверсии и минимальные выбросы остаточного $S{O}_2$.
- Эффективная очистка газов перед катализатором: фильтры/электрофильтры, адсорбенты, удаление As и др. ядовитых примесей, чтобы защитить катализатор и снизить выбросы.
- Управление температурой и рекуперация тепла: использовать выделяющееся тепло для производства пара/электричества (когенерация), что значительно уменьшает чистое энергопотребление.
- Правильная абсорбция $S{O}_3$: не впрыскивать $S{O}_3$ напрямую в воду (образуется туман) — применять поглощение в концентрированную кислоту (олеум) и последующее разбавление. Установки-деэрозоляторы (demisters) и мокрые скрубберы уменьшают кислотный туман.
- Очистка и утилизация сточных вод и шламов: нейтрализация, осаждение и удаление тяжелых металлов, переработка шлама.
- Управление отходами катализатора: регенерация при возможности либо безопасная утилизация/переработка как галогенсодержащих/металло­содержащих отходов.
- Снижение примесей в сырье: десульфуризация топлива/сырья и предварительная обработка руд или газов.
- Контроль NOx и CO: оптимизация горения, каталитические нейтрализационные системы (SCR и т.п.).
- Мониторинг и внедрение систем очистки выбросов для достижения нормативов (онлайн-контроль $S{O}_2$, $H_{2}S{O}_4$ аэрозолей, NOx, пыли).
- Профилактика утечек и коррозии: использование коррозионно-стойких материалов и систем герметизации, регулярный мониторинг утечек.
- Применение альтернативных технологий утилизации побочных газов: например, процесс WSA (Wet Gas Sulfuric Acid) — прямая конденсация теплоты и получение концентрированной кислоты с минимальными сбросами.
5) Практические ориентиры для уменьшения ущерба
- Добиваться конверсии $S{O}_2>99.5\%$ и выбросов остаточного $S{O}_2$ на уровне десятков мг/нм³ (в зависимости от норм).
- Рекуперировать по максимуму теплоту реакции (парогазовые установки).
- Полноценная очистка газов перед абсорбером и эффективные демистеры/скрубберы на выходе — ключ к снижению кислотного тумана.
Завершение: сочетание технологических схем с высокой конверсией (DCDA/WSA), тщательной пред- и пост-очисткой газов, рекуперацией тепла и правильной утилизацией отходов даёт наилучший баланс между экономичностью и минимальным экологическим воздействием.