CN108675271B - 一种含h2s酸性气焚烧制硫酸的方法及焚烧炉气体混合进料装置 - Google Patents

一种含h2s酸性气焚烧制硫酸的方法及焚烧炉气体混合进料装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种含H2S酸性气焚烧制硫酸的方法及焚烧炉气体混合进料装置，在H2S酸性气湿法制硫酸过程中，采用CO、COS、C2H4的一种或几种作为伴烧气，减少H2O的生成进而提高硫酸的浓度；另外，通过本发明焚烧炉气体混合进料装置，将含H2S酸性气与燃料气、空气充分混合，混合后工艺气在900℃‑1000℃条件下进行燃烧，保证硫化氢充分燃烧完全转化为二氧化硫，再将烟气中二氧化硫进一步转化为硫酸。该方法可有效降低H2S酸性气湿法制硫酸的成本消耗，并且减少燃烧过程中水的生成，可以有效提高硫酸浓度至98.5wt％以上。

Description

一种含H2S酸性气焚烧制硫酸的方法及焚烧炉气体混合进料 装置
技术领域
本发明属于合成气酸性气体回收技术领域，涉及一种含H2S酸性气焚烧制硫酸的方法及焚烧炉气体混合进料装置。
背景技术
目前石油化工、焦化、天然气及煤化工等化工行业生产过程中，原料中的硫基本以H2S、COS的形式从系统中脱出。尤其是以煤为原料的化工生产决定了粗合成气中有大量的酸性气体，如CO2、H2S、COS等，这些酸性气因含有 H2S、COS而有毒、有害，不能直接排放，必须回收处理。随着煤化工产业的迅猛发展，我国在合成气酸性气体脱除方法及工艺上投入了大量的研究力量。近几年，加压煤气化工艺，如GE水煤浆气化工艺、Shell粉煤加压煤气化工艺、华东理工多喷嘴对置式水煤浆气化工艺，配套的酸性气体脱除工艺主要有南化公司开发的聚乙二醇二甲由主法(NHD)工艺和鲁奇、林德公司开发的低温甲醇洗工艺。
低温甲醇洗法与NHD法所选溶剂对H2S、CO2选择性吸收能力强，在溶剂中CO2溶解度大，所需溶剂循环量小，能耗较低，在硫化物和CO2含量高的煤制气的净化过程逐渐显示出优势。但是，低温甲醇洗和NHD气体净化技术采用的都是物理吸收的溶剂闪蒸后的再生酸性气体，含有大量的CO2和少量的 H2S。
目前回收H2S的方法有很多种，包括吸收法、制硫磺法、制硫酸法。
吸收法：按照脱硫剂的不同分为液体吸收与吸收氧化法两类。液体吸收法包括碱性溶液吸收、有机溶液的物理吸收等。吸收法如吸收氧化法目前应用最广泛的是络合铁法，但是该方法存在离子吸收液的失效，同时再生的硫通过硫回收系统处理，工艺流程繁琐。使用氢氧化钠溶液吸收硫化氢废气，产生硫化钠废水，最终以结晶回收硫化钠，虽然具有一定的可行性，但是该工艺会消耗大量的能耗。用传统的碱性(主要是Na2C03)物质+洁性载体溶液吸收+再生的方法己不适应大型煤化工发展需要，主要原因体现在:产品为暗硫，纯度低、颜色暗、销售价格低；操作条件比较苛刻，运行费用高，劳动强度大，需要较高的投资成本；操作环境较差，环境污染严重。
制硫磺法：目前，以克劳斯(Claus)工艺从再生气中的酸性气体中回收硫是炼厂气或天然气净化中应用最广泛的工艺，分为原型克劳斯和各种克劳斯工艺。 19世纪开发的原型克劳斯工艺是建立在基础克劳斯反应上，即:S02+2H2S—3S+2H20，系统H2S和S02的摩尔比为2:1，因此在Claus反应器前必须有Claus焚烧炉，以便能够把部分H2S与鼓入的O2反应转化成S02，其前提条件必须是酸性气中的H2S体积浓度大于25％。对于H2S体积浓度低于25％气体的处理，Claus法就不适合或是不经济了，且硫产量小于10t/d的克劳斯装置不但操作不便，而且也没有经济意义。
制硫酸法：酸性气制得的硫磺90％以上用作生产硫酸的原料。如果用硫化氢直接制造硫酸，可以省去许多复杂的工艺过程，使硫酸的生产成本降低，同时也提高了工厂回收硫化氢的经济效益。近年来开发了多种硫化氢制酸工艺，具有代表性的主要有鲁奇公司的湿接触法制酸工艺和托普索公司的WSA法制酸工艺、以及孟莫克公司的MECS-SULFOX湿法制酸工艺。目前硫酸焚烧炉进料除H2S的酸性气、空气外，还需补充天然气作为燃料气，以天然气作为燃料气一方面成本较高，另一方面，天然气在燃烧过程中会生成H2O，H2O的存在使制得的硫酸浓度低，且H2O在燃烧及热回收过程中存在气化、液化过程，影响热量回用。
发明内容
本发明针对含有H2S酸性气湿法制硫酸过程中，用天然气作为焚烧炉燃料气影响硫酸浓度且成本高的问题，提供一种含H2S酸性气焚烧制硫酸的方法，通过改进焚烧炉燃料气，及对应的焚烧炉气体混合进料装置，使得硫酸制备过程中燃料气成本大幅降低，且提高硫酸浓度至98.5wt％以上。
本发明技术方案如下：
一种含H2S酸性气焚烧制硫酸的方法，其特征在于：燃烧过程采用的燃料气为CO、COS和C2H2中的一种或几种，优选CO。
进一步地，所述含H2S酸性气焚烧制硫酸的方法，具体为：将含H2S酸性气与燃料气、空气混合，在900-1000℃进行完全燃烧，得含SO2的燃烧后气体，再经过转化、冷凝制得硫酸。
进一步地，所述燃烧后气体,其体积百分含量组成为SO2 2-10％、H2O 2-5％，其余为CO2、N2、O2等。
进一步地，所述燃料气用量为含H2S酸性气体积的5-30％，优选8-25％，更优选10-20％。
进一步地，所述含H2S酸性气、燃料气和空气，在混合过程和燃烧过程中均为旋流流动方式。
进一步地，所述含H2S酸性气、燃料气和空气采用三路进料方式实现混合。
优选地，所述三路进料方式为同轴中心混合式三路进料，这种进料方式可保证含H2S酸性气与燃料气、空气进行充分混合，使H2S及CO完全燃烧。
优选地，所述三路进料方式中，第一路进料为含H2S酸性气与空气的混合气，第二路进料为燃料气与空气的混合气，第三路进料为空气；
所述第一路进料，流速为10-50m/s，优选20-40m/s，更优选25-30m/s；其中，含H2S酸性气积流量为空气体积流量的10-60％，优选20-40％，更优选25-35％；
所述第二路进料，流速为10-50m/s，优选20-40m/s，更优选25-30m/s；其中，燃料气体积流量为空气体积流量的5-12％，优选7-11％，更优选8-10％。
所述第三路进料，空气为助燃气，第三路进料体积流量为第一路进料体积流量的2-10倍，优选4-8倍，更优选5-7倍。
所述转化、冷凝方法为现有技术常规方法，优选：燃烧后气体中的SO2在催化剂(钒铯系)的作用下，氧化反应生成为SO3，然后与水反应，经冷凝浓缩生成浓硫酸。
本发明一种含H2S酸性气焚烧制硫酸的方法，制备的硫酸浓度大于98.5wt％， H2S转化率可达100％。由于上述方法燃料气燃烧产生的水量很小，可保证焚烧后的工艺气经过吸收后硫酸浓度大于98.5wt％。
一种焚烧炉气体混合进料装置，包括三个进料管线和一个混合燃烧腔体，三个进料管线的出口设置在混合燃烧腔体内部，混合燃烧腔体安装在焚烧炉的炉头位置；其中，三个进料管线分别为第一路进料管、第二路进料管和第三路进料管；
所述第一路进料管，设有两个入口和一个出口，两个入口分别为含H2S酸性气入口和空气入口；
所述第二路进料管，设有两个入口和一个出口，两个入口分别为燃料气入口和空气入口；
所述第三路进料管，设有一个入口和一个出口，所述入口为空气入口。
进一步地，所述三个进料管线的出口为拉乌尔型喷嘴。
进一步地，所述三个进料管线为同轴中心等距分布设置，三路进料管与轴心的距离相同；
进一步地，所述三个进料管线与焚烧炉中心轴线夹角为30-60°，优选35-55°，更优选40-50°。
进一步地，所述三个进料管线的出口与焚烧炉中心轴线距离为焚烧炉半径的0.3-0.7倍，优选0.35-0.6倍，更优选0.4-0.5倍。
本发明技术方案其有益效果在于：通过改进焚烧炉燃料气，将焚烧炉的燃料气天然气替代为CO、COS或C2H2等，可有效降低H2S酸性气湿法制硫酸的成本消耗，并且减少燃烧过程中水的生成。对应的焚烧炉气体混合进料装置，进料管线设置在焚烧炉中心轴线处，可实现H2S完全燃烧转化为SO2，燃料气完全燃烧以保证焚烧炉温度，燃料气因含有H元素明显少于天然气的H含量，因此焚烧炉中H2O的生成明显较行业焚烧炉生成的水少，在保证炉温及H2S完全转化的前提下，燃烧生成的SO2将继续氧化并转化为硫酸，最终硫酸的浓度可达98.5wt％以上。
附图说明
图1为实施例1焚烧炉气体混合进料装置结构简图；
图2为实施例1中三个进料管线的位置分布简图；
图3为实施例1中第一路进料管的结构简图；
图4为实施例1中第二路进料管的结构简图；
图中：1、第一路进料管，2、第二路进料管，3、第三路进料管，4、混合燃烧腔体，5、焚烧炉，6、含H2S酸性气入口，7、空气入口(第一路进料管)，8、出口(第一路进料管)，9、燃料气入口，10、空气入口(第二路进料管)，11、出口(第二路进料管)，12、空气入口(第三路进料管)，13、出口(第三路进料管)。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例来进一步说明本发明技术方案。
实施例1
一种焚烧炉气体混合进料装置，包括三个进料管线(第一路进料管1、第二路进料管2、第三路进料管3)和一个混合燃烧腔体4，三个进料管线的出口设置在混合燃烧腔体4内部，混合燃烧腔体4安装在焚烧炉5的炉头位置；三个进料管线为同轴中心设置，呈等边三角形分布，出口均为拉乌尔型喷嘴。
第一路进料管1，设有两个入口(含H2S酸性气入口6、空气入口7)和一个出口8；第二路进料管2，设有两个入口(燃料气入口9、空气入口10)和一个出口11；第三路进料管3，设有一个空气入口12和一个出口13。
实施例2
一种含H2S酸性气焚烧制硫酸的方法，使用图1所示的焚烧炉气体混合进料装置，三个进料管线与焚烧炉中心轴线夹角为30°，三个进料管线出口与焚烧炉中心轴线距离为焚烧炉半径的0.5倍。
本实施例以CO为燃料气，以水煤浆气化工艺低温甲醇洗系统外送的含H2S 酸性气为原料，原料组成为：H2S含量33.3v％，CO2含量53.9v％，N2含量11.8v％，其余为H2和CO。
步骤为：含H2S酸性气与CO、空气由三个进料管线同轴中心混合式旋流流动进料，在混合燃烧腔体4中混合燃烧，进入焚烧炉5，在900℃完全燃烧，得含SO2的燃烧后气体(SO2含量为5v％、H2O含量4v％，N2含量64v％，CO2含量22v％，其余为O2)，再经过转化、冷凝制得硫酸。CO用量为含H2S酸性气体积的5％。
其中，含H2S酸性气与空气通过第一路进料管1混合，含H2S酸性气积流量为空气体积流量的10％，经拉乌尔喷嘴以流速10m/s进入混合燃烧腔体4；
燃料气CO与空气通过第二路进料管2混合，燃料气CO体积流量为空气体积流量的5％，由拉乌尔喷嘴以流速10m/s进入混合燃烧腔体4；
过量的助燃空气通过第三路进料管3，由拉乌尔喷嘴进入混合燃烧腔体4，助燃空气体积流量为第一路进料体积流量的2倍。
实施例2中含H2S酸性气焚烧后，H2S转化率为100％，制得硫酸浓度98.6wt％。
实施例3
一种含H2S酸性气焚烧制硫酸的方法，使用图1所示的焚烧炉气体混合进料装置，三个进料管线与焚烧炉中心轴线夹角为60°，三个进料管线出口与中心轴线距离为焚烧炉半径的0.7倍。
本实施例以CO为燃料气，含H2S酸性气原料同实施例2。
步骤为：含H2S酸性气与CO、空气由三个进料管线同轴中心混合式进料，在混合燃烧腔体4中混合燃烧，进入焚烧炉5，在960℃完全燃烧，得含SO2的燃烧后气体(SO2含量为4v％、H2O含量2.7v％，N2含量62v％，CO2含量21v％，其余为O2)，再经过转化、冷凝制得硫酸。CO用量为含H2S酸性气体积的30％。
其中，含H2S酸性气与空气通过第一路进料管1混合，含H2S酸性气积流量为空气体积流量的60％，由拉乌尔喷嘴以流速50m/s进入混合燃烧腔体4；
燃料气CO与空气通过第二路进料管2混合，燃料气CO体积流量为空气体积流量的12％，由拉乌尔喷嘴以流速45m/s进入混合燃烧腔体4；
过量的助燃空气通过第三路进料管3，由拉乌尔喷嘴进入混合燃烧腔体4，助燃空气体积流量为第一路进料体积流量的10倍。
实施例3中含H2S酸性气焚烧后，H2S转化率为100％，制得硫酸浓度98.7wt％。
实施例4
一种含H2S酸性气焚烧制硫酸的方法，使用图1所示的焚烧炉气体混合进料装置，三个进料管线与焚烧炉中心轴线夹角为40°，三个进料管线出口与中心轴线距离为焚烧炉半径的0.4倍。
本实施例以C0S为燃料气，含H2S酸性气原料同实施例2。
步骤为：含H2S酸性气与C0S、空气由三个进料管线同轴中心混合式进料，在混合燃烧腔体4中混合燃烧，进入焚烧炉5，在950℃完全燃烧，得含SO2的燃烧后气体(SO2含量为5v％、H2O含量2.2v％，N2含量60v％，CO2含量25v％，其余为O2)，再经过转化、冷凝制得硫酸。C0S用量为含H2S酸性气体积的10％。
其中，含H2S酸性气与空气通过第一路进料管1混合，含H2S酸性气积流量为空气体积流量的30％，由拉乌尔喷嘴以流速25m/s进入混合燃烧腔体4；
燃料气C0S与空气通过第二路进料管2混合，燃料气C0S体积流量为空气体积流量的8％，由拉乌尔喷嘴以流速27m/s进入混合燃烧腔体4；
过量的助燃空气通过第三路进料管3，由拉乌尔喷嘴进入混合燃烧腔体4，助燃空气体积流量为第一路进料体积流量的7倍。
实施例4中含H2S酸性气焚烧后，H2S转化率为100％，制得硫酸浓度 98.8wt％。
实施例5
一种含H2S酸性气焚烧制硫酸的方法，使用图1所示的焚烧炉气体混合进料装置，三个进料管线与焚烧炉中心轴线夹角为50°，三个进料管线出口与中心轴线距离为焚烧炉半径的0.5倍。
本实施例以CO为燃料气，含H2S酸性气原料同实施例2。
步骤为：含H2S酸性气与CO、空气由三个进料管线同轴中心混合式进料，在混合燃烧腔体4中混合燃烧，进入焚烧炉5，在900℃完全燃烧，得含SO2的燃烧后气体(SO2含量为5v％、H2O含量2v％，N2含量60v％，CO2含量25v％，其余为O2)，再经过转化、冷凝制得硫酸。CO用量为含H2S酸性气体积的20％。
其中，含H2S酸性气与空气通过第一路进料管1混合，含H2S酸性气积流量为空气体积流量的28％，由拉乌尔喷嘴以流速28m/s进入混合燃烧腔体4；
燃料气CO与空气通过第二路进料管2混合，燃料气CO体积流量为空气体积流量的10％，由拉乌尔喷嘴以流速25m/s进入混合燃烧腔体4；
过量的助燃空气通过第三路进料管3，由拉乌尔喷嘴进入混合燃烧腔体4，助燃空气体积流量为第一路进料体积流量的5倍。
实施例5中含H2S酸性气焚烧后，H2S转化率为100％，制得硫酸浓度 98.9wt％。
实施例6
一种含H2S酸性气焚烧制硫酸的方法，使用图1所示的焚烧炉气体混合进料装置，三个进料管线与焚烧炉中心轴线夹角为48°，三个进料管线出口与中心轴线距离为焚烧炉半径的0.42倍。
本实施例以C2H2为燃料气，以水煤浆气化工艺低温甲醇洗系统外送的含H2S 酸性气为原料，原料组成为：含H2S酸性气原料同实施例2。。
步骤为：含H2S酸性气与C2H2、空气由三个进料管线同轴中心混合式进料，在混合燃烧腔体4中混合燃烧，进入焚烧炉5，在990℃完全燃烧，得含SO2的燃烧后气体(SO2含量为10v％、H2O含量5v％，N2含量60v％，CO2含量22v％，其余为O2)，再经过转化、冷凝制得硫酸。C2H2用量为含H2S酸性气体积的12％。
其中，含H2S酸性气与空气通过第一路进料管1混合，含H2S酸性气积流量为空气体积流量的30％，由拉乌尔喷嘴以流速25m/s进入混合燃烧腔体4；
燃料气C2H2与空气通过第二路进料管2混合，燃料气C2H2体积流量为空气体积流量的9％，由拉乌尔喷嘴以流速28m/s进入混合燃烧腔体4；
过量的助燃空气通过第三路进料管3，由拉乌尔喷嘴进入混合燃烧腔体4，助燃空气体积流量为第一路进料体积流量的6倍。
实施例6中含H2S酸性气焚烧后，H2S转化率为100％，制得硫酸浓度 98.9wt％。
实施例7
一种含H2S酸性气焚烧制硫酸的方法，使用图1所示的焚烧炉气体混合进料装置，三个进料管线与焚烧炉中心轴线夹角为48°，三个进料管线出口与中心轴线距离为焚烧炉半径的0.45倍。
本实施例以CO为燃料气，含H2S酸性气原料组成为：H2S含量18.1v％， CO2含量64.6v％，N2含量12.3v％，其余为H2和CO。
步骤为：含H2S酸性气与CO、空气由三个进料管线同轴中心混合式进料，在混合燃烧腔体4中混合燃烧，进入焚烧炉5，在960℃完全燃烧，得含SO2的燃烧后气体(SO2含量为5v％、H2O含量2.3v％，N2含量60.8v％，CO2含量24v％，其余为O2)，再经过转化、冷凝制得硫酸。CO用量为含H2S酸性气体积的18％。其中，含H2S酸性气与空气通过第一路进料管1混合，含H2S酸性气积流量为空气体积流量的28％，由拉乌尔喷嘴以流速26m/s进入混合燃烧腔体4；
燃料气CO与空气通过第二路进料管2混合，燃料气CO体积流量为空气体积流量的10％，由拉乌尔喷嘴以流速26m/s进入混合燃烧腔体4；
过量的助燃空气通过第三路进料管3，由拉乌尔喷嘴进入混合燃烧腔体4，助燃空气体积流量为第一路进料体积流量的5倍。
实施例7中含H2S酸性气焚烧后，H2S转化率为100％，制得硫酸浓度 98.8wt％。
对比例1
采用普通焚烧炉进料，以天然气为燃料气，含H2S酸性气原料同实施例2。其中燃料气天然气用量为含H2S酸性气体积的10％，原料酸性气、燃料气及空气在硫回收焚烧炉为进行混合燃烧，硫回收焚烧炉温度在960℃，燃烧后的工艺气(SO2含量为5v％、H2O含量10v％，N2含量61v％，CO2含量18v％，其余为 O2)经过转化、冷凝制备硫酸。H2S转化率为98.67％，制得硫酸浓度97wt％。
对比例2
使用不含有该焚烧炉气体混合进料装置的普通焚烧炉进行酸性气焚烧制硫酸制备，本对比例以C2H2为燃料气，含H2S酸性气原料同实施例2。
其中燃料气C2H2用量为含H2S酸性气体积的14％，原料酸性气、燃料气及空气在硫回收焚烧炉为进行混合燃烧，硫回收焚烧炉温度在930℃，燃烧后的工艺气(SO2含量为4.6v％、H2O含量10v％，N2含量61.5v％，CO2含量18.1v％，其余为O2)经过转化、冷凝制备硫酸。H2S转化率为98.89％，制得硫酸浓度 97.5wt％。

Claims (19)

1.一种含H2S酸性气焚烧制硫酸的方法，其特征在于：燃烧过程采用的燃料气为CO、COS和C2H2中的一种或几种。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：将含H2S酸性气与燃料气、空气混合，在900-1000℃进行完全燃烧，得含SO2的燃烧后气体，再经过转化、冷凝制得硫酸。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：燃料气用量为含H2S酸性气体积的5-30％。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：燃料气用量为含H2S酸性气体积的8-25％。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：燃料气用量为含H2S酸性气体积的10-20％。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述含H2S酸性气、燃料气和空气，在混合过程和燃烧过程中均为旋流流动方式。
7.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于：含H2S酸性气、燃料气和空气采用三路进料方式实现混合。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：进料方式为同轴中心混合式三路进料。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述三路进料方式中，第一路进料为含H2S酸性气与空气的混合气，第二路进料为燃料气与空气的混合气，第三路进料为空气；
所述第一路进料，流速为10-50m/s；其中，含H2S酸性气积流量为空气体积流量的10-60％；
所述第二路进料，流速为10-50m/s；其中，燃料气体积流量为空气体积流量的5-12％；
所述第三路进料，空气体积流量为第一路进料体积流量的2-10倍。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：
所述第一路进料，流速为20-40m/s；其中，含H2S酸性气积流量为空气体积流量的20-40％；和/或
所述第二路进料，流速为20-40m/s；其中，燃料气体积流量为空气体积流量的7-11％；和/或
所述第三路进料，空气体积流量为第一路进料体积流量的4-8倍。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：
所述第一路进料，流速为25-30m/s；其中，含H2S酸性气积流量为空气体积流量的25-35％；和/或
所述第二路进料，流速为25-30m/s；其中，燃料气体积流量为空气体积流量的8-10％；和/或
所述第三路进料，空气体积流量为第一路进料体积流量的5-7倍。
12.一种焚烧炉气体混合进料装置，其特征在于：包括三个进料管线和一个混合燃烧腔体，三个进料管线的出口设置在混合燃烧腔体内部，混合燃烧腔体安装在焚烧炉的炉头位置；其中，三个进料管线分别为第一路进料管、第二路进料管和第三路进料管；
所述第一路进料管，设有两个入口和一个出口，两个入口分别为含H2S酸性气入口和空气入口；
所述第二路进料管，设有两个入口和一个出口，两个入口分别为燃料气入口和空气入口；
所述第三路进料管，设有一个入口和一个出口，所述入口为空气入口。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于：所述三个进料管线的出口为拉乌尔型喷嘴。
14.根据权利要求12所述的装置，其特征在于：所述三个进料管线为同轴中心等距分布设置；所述三个进料管线与焚烧炉中心轴线夹角为30-60°。
15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于：所述三个进料管线与焚烧炉中心轴线夹角为35-55°。
16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于：所述三个进料管线与焚烧炉中心轴线夹角为40-50°。
17.根据权利要求12所述的装置，其特征在于：所述三个进料管线的出口与焚烧炉中心轴线距离为焚烧炉半径的0.3-0.7倍。
18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于：所述三个进料管线的出口与焚烧炉中心轴线距离为焚烧炉半径的0.35-0.6倍。
19.根据权利要求18所述的装置，其特征在于：所述三个进料管线的出口与焚烧炉中心轴线距离为焚烧炉半径的0.4-0.5倍。
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