硫黄鉱石と硫酸

I. 黄鉄鉱の核心特性と硫酸原料としての基礎

黄鉄鉱（化学式：FeS₂）は、黄鉄鉱とも呼ばれ、主成分はFeS₂（硫黄含有量約40%～50%）で、ヒ素、フッ素、鉛、亜鉛などの不純物を含むことが多い。硫酸製造原料としての基本原理は以下のとおりである。 酸化反応によって硫黄元素を二酸化硫黄（SO₂）に変換し、その後の工程で硫酸（H₂SO₄）に加工する.

II. 硫酸製造における黄鉄鉱の全プロセス応用

硫酸製造の主要工程は「焙焼→精製→転化→吸収」です。黄鉄鉱は全ての工程に関与しており、その詳細は以下の通りです。

1. 前処理：効率的な反応の準備

黄鉄鉱は十分な焙焼を確保するために前処理を受けます。

• 粉砕と選別原鉱石は3～5mmの粒子に粉砕されます（粒子が大きすぎると不完全燃焼する可能性があり、小さすぎる粒子は空気流によって吹き飛ばされる可能性があります）。ふるい分けにより、粒子径が均一になります。
• 乾燥：鉱石中の水分を除去します（水分は焙焼温度を下げ、エネルギー消費を増加させます）。通常、水分含有量が1%未満になるまで、排ガスの廃熱を利用して乾燥します。

2. 焙焼：硫酸の原料ガス（SO₂）の生成

焙焼は黄鉄鉱を硫酸に変換する上で重要な最初のステップです。その核心は、高温で硫黄元素をSO₂に酸化することであり、この反応は 流動床炉 （現代の主流のテクノロジー）。

• 反応原理: 黄鉄鉱中の FeS₂ が酸素と反応して SO₂ と酸化鉄 (廃棄物残渣) を生成します: \(4FeS₂ + 11O₂ \xlongequal{高温} 2Fe₂O₃ + 8SO₂ + 熱\) 発熱反応 (約 1670kJ/mol) により、追加の加熱なしで炉の温度が 850 ～ 950℃ に維持されます。
• 流動床炉の利点黄鉄鉱粒子は高速気流（空気）中で懸濁状態（「流動化」状態）で燃焼し、酸素との接触面積が非常に大きくなります。硫黄転換率は95%～98%に達します。
• 主要な制御パラメータ:
  • 炉ガス中のSO₂濃度は10%～14%に制御する必要があります（濃度が高すぎると酸素欠乏を引き起こし、濃度が低すぎるとその後の変換効率が低下します）。
  • 温度は850〜950℃に安定させる必要があります（800℃未満では反応が不完全で、1000℃を超えるとFe₃O₄が形成され、鉱石粒子の表面を覆い、反応を妨げます）。

3. 精製：後続のプロセスを保護するために不純物を除去する

黄鉄鉱に含まれる不純物（ヒ素、フッ素、鉛、粉塵など）は、焙焼中に炉内ガス（SO₂、O₂、N₂、水蒸気、不純物を含む）に混入します。未処理の不純物は、後続工程に深刻な影響を及ぼします。

• ヒ素 (As₂O₃) とセレン (SeO₂) は変換段階で触媒を毒化します。
• フッ素 (HF) は機器 (ガラス、金属など) を腐食します。
• ほこりはパイプラインを詰まらせたり、触媒の表面を覆ったりします。

精製プロセスには通常、次の 3 つのステップが含まれます。

• 除塵: サイクロンセパレーター+電気集塵機により、90%以上の粉塵(粒子サイズ>1μm)を除去します。
• 洗浄希硫酸（または水）で炉ガスを洗浄し、ヒ素/セレン化合物（ヒ素酸、セレン酸を形成）およびフッ化物（HF→H₂SiF₆）を吸収します。
• 乾燥: 濃硫酸 (93%-98%) は炉内ガス中の水分を吸収します (触媒の「湿気」とその後の変換中の故障を防ぎます)。

4. 変換：SO₂→SO₃（硫酸の「半製品」）

精製された炉ガス（SO₂、O₂、N₂を含む）は転炉に入り、触媒の作用によりSO₂が三酸化硫黄（SO₃）に酸化されます。これが硫酸製造における核心反応です。

• 反応原理: \(2SO₂ + O₂ \xrightleftharpoons[Δ] 触媒 2SO₃ + 熱\) この反応は可逆的で発熱反応です。変換効率を高めるために、触媒（主に活性成分V₂O₅を含むバナジウム触媒）と温度制御（400～600℃）が用いられます。
• 黄鉄鉱の間接的な影響焙焼中に発生するSO₂濃度は、転化効率に直接影響を及ぼします（濃度が高すぎると、順反応が阻害されます）。そのため、黄鉄鉱の供給量と空気比を制御し、SO₂濃度を8%～10%（精製後）に安定させます。さらに、「多段転化＋段間熱交換」プロセス（例えば、3段転化または4段転化）を組み合わせることで、総転化率は99.5%を超えます。

5. 吸収：SO₃→H₂SO₄（最終生成物）

SO₃と水が直接反応すると、大量の酸性ミスト（回収困難）が発生します。そのため、 98.3%濃硫酸 吸収剤として使用され（この濃度では酸性ミストを最小限に抑えます）、反応は次のようになります：\(SO₃ + H₂O \xlongequal{} H₂SO₄\)

吸収は「吸収塔」で行われます。塔頂から98.3%の濃硫酸を噴霧し、上昇するSO₃ガスと向流で接触させます。SO₃を吸収すると、酸の濃度は上昇します（例：99.5%）。この濃度は製品（濃硫酸）として直接使用するか、必要な濃度（例：93%、50%）に希釈することができます。

• 黄鉄鉱との関連性：焙焼時の硫黄転換効率が低い場合（例：過剰な不純物による不完全燃焼）、SO₂→SO₃の生成量が減少し、最終的に硫酸収量が低下します。したがって、黄鉄鉱の品位（高品位の場合、硫黄含有量が45%以上）は、製品の収量に直接影響します。

III. 黄鉄鉱の「副産物」の利用

硫酸生産において、黄鉄鉱は硫黄源となるだけでなく、焙焼された廃棄物残渣を総合的に利用することで資源効率を最大化することができます。

• 製鉄原料残渣の主成分はFe₂O₃（鉄含有量約40%-50%）で、磁気分離により不純物を除去後、製鉄用補助原料として使用することができます。
• セメント添加剤残渣に含まれるSiO₂やAl₂O₃などの成分をセメント製造に利用することで、石灰石の消費量を削減できます。
• 酸化鉄顔料の製造残留物から精製された Fe₂O₃ は、赤色酸化鉄（顔料）の製造に使用できます。