CN108163816A - 一种炭热-还原气耦合还原so2制备硫磺的装置和方法 - Google Patents

一种炭热-还原气耦合还原so2制备硫磺的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种炭热‑还原气耦合还原SO2制备硫磺的装置和方法，将还原气分为两部分，第一部分还原气与含硫气体混合后，自炭热还原反应器的底部通入，第二部分还原气自炭热还原反应器的设定高度处通入；含硫气体中的二氧化硫在还原气的还原作用、还原材料的催化作用下还原成硫磺；生成的气体硫磺随气流流出炭热还原反应器，经气固分离、冷凝得到液体硫磺；冷凝后的乏气经布风装置回流至炭热还原反应器中作为喷动风，将还原层中的大颗粒吹至炭热还原反应器的高处。该装置和方法可以提高硫磺的产率，并且可以降低反应温度，提高硫磺的收率。

Description

一种炭热-还原气耦合还原SO2制备硫磺的装置和方法
技术领域
本发明具体涉及一种炭热-还原气耦合还原SO2制备硫磺的装置和方法。
背景技术
我国是电力生产大国，90％以上的电厂都是采用湿法脱硫工艺，副产品为脱硫石膏。自2010年开始，我国脱硫石膏年产量就已超过1亿吨。磷石膏是湿法磷酸生产时排放的固体废弃物,生产1吨磷酸约产生5吨左右的磷石膏。我国每年磷石膏的排放量超过5000多万吨，磷石膏多年蓄积已达数亿吨。脱硫石膏、磷石膏主要成分为二水硫酸钙CaSO4·2H2O，其含量和品质甚至高于天然石膏。但是受制于技术、地域等限制，目前脱硫石膏的利用率不足50％，磷石膏利用率还不足总量的20％，利用不了的废弃石膏只能堆放处理。不仅占用了大量土地，对环境造成巨大污染，更是资源的极端浪费。
基于上述原因，急需寻找一种能大规模消化处理并可能高值资源化利用脱硫石膏、磷石膏的工艺方法，不仅可以有力促进我国环保产业和循环经济产业的进一步发展，而且能大大降低天然石膏、石灰石和硫磺的开采量，保护资源的同时，减小工业生产对自然环境的破坏。
发明内容
针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种炭热-还原气耦合还原SO2制备硫磺的装置和方法，该装置和方法可以提高硫磺的产率，并且可以降低反应温度，提高硫磺的收率。
为了解决以上问题，本发明的技术方案为：
一种喷动-分级还原的炭热-还原气耦合还原SO2制备硫磺的装置，包括炭热还原喷动流化床反应器、分离器、布风装置和冷凝器，其中，
喷动流化床还原反应器内自下而上依次设置有第一进口、布风装置、还原床层和第二进口，还原气源分别与第一进口和第二进口连接，将还原气分级输送至炭热还原反应器的不同高度处；
含硫气体源与第一进口连接，将含硫气体自底部输送至炭热还原反应器中；
炭热还原反应器顶部的气体出口与分离器连接，分离器的气体出口与冷凝器连接，分离器的固体出口通过返料装置与炭热还原反应器连接，将还原材料颗粒回收至流化床层；
冷凝器的气体出口通过风机与布风装置连接，将冷凝器中流出的乏气通过布风装置输送至炭热还原反应器的底部的喷动风入口，将还原颗粒层中的大颗粒吹起。增大湍流度，另可以将含硫物质回送到反应器中，提高硫的回收率。
流化床层填充的是还原材料颗粒，形成还原层。
本申请所述还原材料包括活性焦、活性炭、劣质煤、高硫煤、生物质及其热解半焦等。
还原气分两路送入还原塔，一路与解析气或高硫烟气混合后作为流化风进入还原塔，与还原材料耦合对SO2进行还原；另一路在还原塔中部某区域送入，可以与流化风中未反应的SO2发生反应，并与作为喷动风送入的乏气中的含硫物质反应，进一步减少炭热还原的副反应产物。
冷凝器出口乏气作为喷动风，从布风装置中喷入喷动流化床还原反应器中，通过风机提高风速，一方面可以将还原层中的颗粒吹至炭热还原反应器的高处，增加还原物质与混合气的接触时间，另一方面，将冷凝器出口的乏气作为喷动风，乏气中其他的含硫气体与还原材料和还原气进一步反应，提高了硫磺的产率。
在高温条件下，还原材料不仅作为催化剂，同时起还原作用，还原气作为还原剂，将二氧化硫还原成硫磺，可以降低反应温度，同时可提高硫磺的产率。
优选的，还原层的高度为200-500mm。
优选的，还原层中还原颗粒的粒径为0.05-2mm。
优选的，所述第二进口位于炭热还原反应器的1/4-1/3高度处。
优选的，所述还原气为煤粉热解制备活性炭的热解气，所述含硫气体为载硫活性焦/炭的再生气或高硫烟气。
活性焦干法脱硫技术中的饱和活性焦中吸附有大量的二氧化硫，将这部分活性焦再生后，可以得到再生后的具有较高活性的活性焦和含有较高浓度二氧化硫的再生气，为硫磺的制备提供了良好的原料。
采用煤粉热解制备活性焦产生的热解气中含有大量的还原性气体，可以用来还原二氧化硫。经过试验发现，当采用热解气作用还原气体，活性焦作为催化剂和还原剂，再生气作为二氧化硫源时，通过控制工艺条件，可以显著提高二氧化硫的转化率，并且可以大大提高制备得到的硫磺的纯度，为燃煤烟气中二氧化硫的资源化利用提供了保证。
优选的，所述布风装置的结构为防腐耐高温风帽型布风装置。
优选的，所述分离器为旋风分离器。
一种炭热-还原气耦合还原SO2制备硫磺的方法，包括如下步骤：
1)将还原气分为两部分，第一部分还原气与含硫气体混合后，自喷动流化床还原反应器的底部通入，第二部分还原气自还原反应器的设定高度处通入；
2)含硫气体中的二氧化硫在还原气的还原作用、还原材料的催化作用下还原成硫磺；
3)生成的气体硫磺随气流流出炭热还原反应器，经气固分离、冷凝得到液体硫磺；冷凝后的乏气经布风装置回流至还原反应器中，将还原层中的颗粒吹至还原反应器的高处。
优选的，步骤1)中，第一部分还原气与第二部分还原气的流量比为2:1。
进一步优选的，步骤1)中，第二部分还原气自炭热还原反应器的1/4-1/3高度处通入。
优选的，步骤1)中，所述还原气为煤粉热解制备活性炭的热解气，所述含硫气体为载硫活性炭的再生气或高硫烟气。
优选的，步骤1)中，所述还原气的温度为650℃-900℃，含硫气体的温度为300℃-500℃。
优选的，步骤3)中，回流的乏气将还原颗粒吹至还原反应器的高度为1/2。
所用的还原材料可以并不仅为高硫煤、活性炭、生物质等还原性材料，还可以为其他的还原材料。
本发明的有益效果为：
还原气分两路送入还原塔，一路与解析气或高硫烟气混合后作为流化风进入还原塔，与还原材料耦合对SO2进行还原；另一路在还原塔中部某区域送入，可以与流化风中未反应的SO2发生反应，并与作为喷动风送入的乏气中的含硫物质反应，进一步减少炭热还原的副反应产物。
冷凝器出口乏气作为喷动风，从布风装置中喷入还原反应器中，通过风机提高风速，一方面可以将还原层中的颗粒吹至还原反应器的高处，增加还原颗粒与混合气的接触时间，另一方面，将冷凝器出口的乏气作为喷动风，乏气中其他的含硫气体与还原气进一步反应，提高了硫磺的产率。
在高温条件下，还原材料作为催化剂，同时起还原作用，还原气作为还原剂，将二氧化硫还原成硫磺，可以降低反应温度，同时可提高硫磺的产率。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明的喷动-分级还原的炭热-还原气耦合还原SO2制备硫磺的装置的结构示意图。
其中，1、喷动流化床还原反应器，2、旋风分离器，3、冷凝器，4、液硫储罐，5、返料装置，6、布风装置，7、风机。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1所示，一种炭热-还原气耦合还原SO2制备硫磺的装置，包括炭热还原反应器1、旋风分离器2、布风装置6和冷凝器3，其中，炭热还原反应器内自下而上依次设置有第一进口、布风装置5、流化床层和第二进口，还原气源分别与第一进口和第二进口连接，将还原气分级输送至还原反应器1的不同高度处；含硫气体源与第一进口连接，将含硫气体自底部输送至炭热还原反应器1中；还原反应器1顶部的气体出口与旋风分离器2连接，旋风分离器2的气体出口与冷凝器3连接，分离器3的固体出口通过返料装置5与炭热还原反应器1连接，将还原颗粒回收至流化层；冷凝器3的气体出口通过风机7与布风装置6连接，将冷凝器3中流出的乏气通过布风装置6输送至炭热还原反应器1的底部，将还原层中的颗粒吹起。
冷凝后的液体硫磺流入冷凝器下端的液硫储罐4中进行收集。
还原气分两路送入还原塔，一路与解析气或高硫烟气混合后作为流化风进入还原塔，与还原材料耦合对SO2进行还原；另一路在还原塔中部某区域送入，可以与流化风中未反应的SO2发生反应，并与作为喷动风送入的乏气中的含硫物质反应，进一步减少炭热还原的副反应产物。
冷凝器出口乏气作为喷动风，从布风装置中喷入炭热还原反应器中，通过风机提高风速，一方面可以将流化层中的颗粒吹至炭热还原反应器的高处，增加颗粒与混合气的接触时间，另一方面，将冷凝器出口的乏气作为喷动风，乏气中其他的含硫气体与还原气进一步反应，提高了硫磺的产率。
在高温条件下，还原材料作为催化剂，同时起还原作用，还原气作为还原剂，将二氧化硫还原成硫磺，可以降低反应温度，同时可提高硫磺的产率。
活性炭层的高度为200-500mm。活性炭层中活性炭颗粒的粒径为0.05-2mm。所述第二进口位于炭热还原反应器的1/4-1/3高度处。
所述还原气为煤粉热解制备活性炭的热解气，所述含硫气体为载硫活性炭的再生气或高硫烟气。活性焦干法脱硫技术中的饱和的活性焦中吸附有大量的二氧化硫，将这部分活性焦再生后，可以得到再生后的具有较高活性的活性焦和含有较高浓度二氧化硫的再生气，为硫磺的制备提供了良好的原料。
采用煤粉热解制备活性焦产生的热解气中含有大量的还原性气体，可以用来还原二氧化硫。经过试验发现，当采用热解气作用还原气体，活性焦作为催化剂和还原剂，再生气作为二氧化硫源时，通过控制工艺条件，可以显著提高二氧化硫的转化率，并且可以大大提高制备得到的硫磺的纯度，为燃煤烟气中二氧化硫的资源化利用提供了保证。
所述布风装置的结构为防腐耐高温风帽型布风装置。
一种炭热-还原气耦合还原SO2制备硫磺的方法，包括如下步骤：
1)将还原气分为两部分，第一部分还原气与含硫气体(二氧化硫的浓度为3％-30％)混合后，自喷动流化床还原反应器的底部通入，第二部分还原气自炭热还原反应器的1/4-1/3高度处通入，第一部分还原气与第二部分还原气的流量比为2:1；所述还原气为煤粉热解制备活性炭的热解气，所述含硫气体为载硫活性炭的再生气或高硫烟气，还原气的温度为650℃-900℃，含硫气体的温度为300℃-500℃。
还原气与含硫气体混合后，(CO+H2)/SO2摩尔比2:1。
2)在温度为400-650℃，含硫气体中的二氧化硫在还原气的还原作用、还原材料的催化作用下还原成硫磺；
3)生成的气体硫磺随气流流出炭热还原反应器，经气固分离、冷凝得到液体硫磺；冷凝后的乏气经布风装置回流至炭热还原反应器中，将还原层中的颗粒吹至炭热还原反应器的高处，回流的乏气将颗粒吹至炭热还原反应器的高度的1/2。
SO2转化率和硫磺产率分别为95-97％和90-92％，硫磺的纯度为99-99.4％。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种炭热-还原气耦合还原SO2制备硫磺的装置，其特征在于：包括炭热还原喷动流化床反应器、分离器、布风装置和冷凝器，其中，
喷动流化床还原反应器内自下而上依次设置有第一进口、布风装置、还原床层和第二进口，还原气源分别与第一进口和第二进口连接，将还原气分级输送至炭热还原反应器的不同高度处；
含硫气体源与第一进口连接，将含硫气体自底部输送至炭热还原反应器中；
炭热还原反应器顶部的气体出口与分离器连接，分离器的气体出口与冷凝器连接，分离器的固体出口通过返料装置与炭热还原反应器连接，将还原材料颗粒回收至流化床层；
冷凝器的气体出口通过风机与布风装置连接，将冷凝器中流出的乏气通过布风装置输送至炭热还原反应器的底部的喷动风入口，将还原颗粒层中的大颗粒吹起。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：还原层的高度为200-500mm。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：还原层中活性炭颗粒的粒径为0.05-2mm。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述第二进口位于炭热还原反应器的1/4-1/3高度处。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述布风装置的结构为防腐耐高温风帽型布风装置。
6.一种炭热-还原气耦合还原SO2制备硫磺的方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)将还原气分为两部分，第一部分还原气与含硫气体混合后，自炭热还原反应器的底部通入，第二部分还原气自炭热还原反应器的设定高度处通入；
2)含硫气体中的二氧化硫在还原气的还原作用、还原材料的催化作用下还原成硫磺；
3)生成的气体硫磺随气流流出炭热还原反应器，经气固分离、冷凝得到液体硫磺；冷凝后的乏气经布风装置回流至炭热还原反应器中，将还原层中的大颗粒吹至炭热还原反应器的高处。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤1)中，第一部分还原气与第二部分还原气的流量比为2:1。
优选的，步骤1)中，第二部分还原气自炭热还原反应器的1/4-1/3高度处通入。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤1)中，所述还原气为煤粉热解制备活性炭的热解气，所述含硫气体为载硫活性炭的再生气或高硫烟气。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤1)中，所述还原气的温度为650℃-900℃，含硫气体的温度为300℃-500℃。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤3)中，回流的乏气将活性炭颗粒吹至炭热还原反应器的高度为1/2。
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