CN109790978A - 用于操作克劳斯燃烧器的方法 - Google Patents

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Abstract

为了克服早期方法所遇到的限制和问题，本发明涉及一种用于操作克劳斯法热步骤中所使用的燃烧器(1)的方法。燃烧器包括至少一个燃烧空气端口(4)、至少一个氧气端口(3)和至少一个燃料端口(2)。氧化剂流(6)由氧气浓度至少为90体积％、优选至少99体积％的工业纯氧的氧气流以及第二气流(如需要)组成，并确定氧气流是否低于预设的最小流量，如果氧气流低于预设的最小流量，则空气流被分成主空气流和侧空气流，并且氧气流与侧空气流合并，产生富氧侧空气流，该富氧侧空气流被输送到氧气端口。本发明还涉及对应的燃烧器。

Description

用于操作克劳斯燃烧器的方法
本发明的技术领域
本发明涉及一种用于操作克劳斯法热步骤中所使用的燃烧器的方法，其中，燃烧器包括至少一个燃烧空气端口、至少一个氧气端口、和至少一个燃料端口，并且其中，将空气流输送至燃烧空气端口，将氧化剂流输送到氧气端口，并且将含硫化氢(H2S)的进料气流输送到燃料端口。
本发明的背景技术
基于所谓“改进的克劳斯法”的硫回收单元从具有高浓度H2S的进料气产生元素硫。在热处理步骤中，进料气在燃烧室内以自由火焰反应部分燃烧。
在一些情况下，富氧空气或纯氧气用作热克劳斯步骤中的主要氧化剂。通过添加工业氧气和减少燃烧空气来增加氧气含量减少了输送到克劳斯工厂中的氧化气体的总量，并减少了通过系统输送的氮气镇物(nitrogen ballast)的量。
这带来了以下优点：
-为增加H2S进料的通量铺平了道路；
-提高克劳斯炉内的温度，从而提高了操作稳定性；例如，通过更有效地破坏有害的进料组分来进行，所述有害的进料组分例如BTX(苯、甲苯和三种二甲苯异构体的混合物)和/或氨(NH3)；
-由于能源需求较少，可以节省操作成本；
-最大限度地减少由氨盐沉淀引起的克劳斯单元内的操作问题。
在现有技术中，克劳斯热步骤中氧富集的以下操作模式是已知的：
可以实现低浓度氧富集，而无需更换设计为仅与加工空气一起使用的克劳斯燃烧器。该方法强化了克劳斯工艺，并且仅对现有设施进行了非常小的调整。在低水平氧富集中，将氧气混合到所输送的加工空气中，直至通常最高为28体积％的最大浓度。
如果氧气占加工空气的体积超过28％，则必须采取额外措施将氧气引入克劳斯工艺。在该所谓中等水平氧富集模式中，通过一个或多个单独的氧气喷枪将氧气输送至克劳斯室，直至最高约45体积％的浓度。
如果操作者希望将氧含量增加到更高水平，则必须对工厂设计和特征进行其他大规模改变。例如，氧气可以通过氧气喷枪结合加工特征(如，分级燃烧或工艺气体循环)进行输送。后者对应于所谓的高水平氧富集模式。
上述操作模式允许将氧含量增加至高富集水平。然而，即使通过使用中等水平氧富集或高水平氧富集可以实现约45体积％的富集水平，两种操作模式也都受到限制，因为这两种技术只能在仅空气模式或在超过约28体积％的富集水平下运行。
没有一种操作模式能够覆盖21体积％至约45体积％的富集水平。低水平富集不能覆盖高于约28体积％的水平，中等水平富集不能覆盖21体积％和约28体积％之间的水平。
上限取决于燃烧器的特性。但无论如何，在可无级调整氧富集方面存在空白。原因是用于中等水平富集的氧气喷枪需要一定的最小气流，以确保在热燃烧室环境中喷枪材料充分冷却。
本发明的公开内容：目的、解决方案、优势
从如上所述的缺点以及不足之处开始，并且考虑到所讨论的现有技术，本发明的目的是提供一种方法，该方法能够填补所述的21体积％和约28体积％氧富集之间的空白。
本发明的目的通过用于操作克劳斯法热步骤中所使用的燃烧器的方法实现，其中，燃烧器包括至少一个燃烧空气端口、至少一个氧气端口、和至少一个燃料端口，并且其中，将空气流输送至燃烧空气端口，将氧化剂流输送至氧气端口，并且将含硫化氢的进料气流输送至燃料端口，并且其特点是，氧化剂流由氧气浓度为至少90体积百分比(体积％)、优选至少99体积％的工业纯氧的氧气流和第二气流(如需要)组成，并且确定氧气流是否低于预设的最小流量，如果氧气流低于预设的最小流量，则空气流被分成主空气流和侧空气流，并且氧气流与侧空气流合并，产生富氧侧空气流，该富氧侧空气流被输送到氧气端口
本发明的优选实施方式和有利改进公开于各从属权利要求中。
根据本发明，中等水平氧富集模式扩展至低于28体积％的富集水平。在现有技术中，用于中等水平氧富集的燃烧器包括：燃烧空气端口，其与空气源连接；燃料端口，其与含硫化氢(H2S)的进料气源连接；以及氧气端口，其与工业纯氧气源连接。
现有技术燃烧器可以在仅空气模式下操作，其中，将进料和空气供应至燃烧器并分别通过燃料端口和燃烧空气端口输送至炉子的燃烧室中。当燃烧器切换至中等水平氧富集模式时，将氧气供应至氧气端口，并且燃烧空气流相应减少，从而保持进入炉子的总氧气流。
然而，由于氧气端口与热炉气氛接触，需要使得一定的最小氧气流量进入氧气端口，以使得氧气端口充分冷却。因此，在现有技术中，中等水平氧富集仅在富集水平大于约28体积％氧气的情况下是可能的。
根据本发明，在仅空气模式中，燃烧空气输送至燃烧空气端口和氧气端口。当富集水平提高时，燃烧空气流分成主空气流和较少的侧空气流。
主空气流仍然通过燃烧空气端口。侧空气流通过氧气端口。为了氧富集，将氧气输送至侧空气流而不是如现有技术那样输送至主空气流。将所获得的空气和氧气的混合物输送至氧气端口，然后输送到炉子中。
因此，根据本发明，氧气端口通过氧气流和侧空气流进行冷却。当氧气流过低而不足以使氧气端口冷却时，分离出一部分空气流，并将其作为侧空气流输送至氧气端口以帮助冷却。
预先确定使氧气端口充分冷却所需的最小氧气流，并预设最小流量。如果在正常使用中，氧气流下降或低于预设的最小流量，则使空气流也通过氧气端口以用于冷却目的。
本发明方法允许在氧气水平为21体积％(其是仅空气模式)至最高约45体积％的富集水平之间(而其之间没有任何空白)的情况下操作燃烧器。因此，本发明允许以仅空气模式、低水平氧富集模式和中等水平氧富集模式操作燃烧器。
现有技术的低水平氧富集通过将氧气注入主空气流实现。将所获得的富氧主空气流输送至燃烧器，然后引入炉子中。然而，燃烧器通常设计成使燃料端口和氧气端口彼此靠近，并且离燃烧空气端口一定距离。
氨通常占含H2S进料气的高达百分之十五甚至更多。在克劳斯炉的下游，氨可能会导致许多问题，包括容量减少、运行中断而使材料腐蚀性损坏以及脱硫率较低。鉴于这些问题，重要的是最大程度使氨氧化。
根据本发明，即使在低水平氧富集模式中，也将氧气通过一个或多个氧气端口引入炉子中。氧气非常靠近燃烧器火焰地引入或甚至引入到燃烧器火焰中。
因此，氧气恰好在氨浓度最高的位置进入炉子中。因此，氨的氧化和破坏效率显著提高。如果在不增加克劳斯单元的设计容量的情况下应用低水平氧富集，这仍然成立。
根据优选实施方式，氧气供应管线设置在工业纯氧气源和氧气端口之间，并且氧气供应管线包括流量控制单元，该单元位于氧气流输送至侧空气流的位置处的上游，并且流量控制单元包括低水平富集控制阀和平行的中等水平富集控制阀。
流向氧气端口的氧气流可以由流量控制单元控制。流量控制单元可包括两个平行的分支，其中的一个分支中具有低水平富集控制阀，而另一个分支或管线中具有中等水平富集控制阀。
低水平富集控制阀可以设计为用于较低的最大氧气流量。通过低水平富集控制阀的最大氧气流量可以对应于约28体积％的氧富集水平。另一方面，中等水平富集控制阀可以设计用于对应于约28体积％至约45体积％的氧富集水平的较高氧气流量。
由于低水平富集控制阀设计用于较低流量，其可以比中等水平富集控制阀更精确。因此，对于低水平氧富集，关闭中等水平富集控制阀，并且可以通过低水平富集控制阀精确控制氧气流量。在中等水平氧富集模式中，中等水平富集控制阀用于控制氧气流量。
低水平富集控制阀可以关闭或完全打开，或其可以用于氧气流量的精细控制。低水平富集控制阀和中等水平富集控制阀的使用允许实现从低水平富集到中等水平富集的平稳过渡而不需要用氮气吹扫。
根据一优选实施方式，进料气流由如下组成：
-包含硫化氢(H2S)但基本不含氨(NH3)的第一气体进料流束，其可以绕过克劳斯燃烧器；以及
-第二进料气流束，其包含硫化氢和至多50体积％的氨(NH3)、优选至少30体积％的氨(NH3)。
根据另一优选实施方式，氧气端口设计为一个或多个氧气喷枪。通过钢喷枪将氧气流作为增压气体引入克劳斯炉。
现有的低水平富集使用喷射器将氧气注入主燃烧空气管道以确保在氧气注入点下游的短距离后完全混合。在该组合的方法中，将氧气流与部分燃烧空气一起直接引入氧化剂端口，在通过设计确保管长与管直径的比率大于20的情况下，实现了氧气和空气在进入炉室前完全混合而无需特定的喷射和/或混合装置。
本发明方法还允许在部分负荷下使用氧气用于提高温度。在低水平模式中该氧富集操作通常是令人感兴趣的，因为克劳斯进料中的高氨浓度或其它杂质(例如，BTX)通常独立于工厂负荷(即，常规负荷条件或以下)出现。现有技术的中等水平富集操作被设计成仅为克服在全空气操作容量下的液压限制。
本发明还涉及通过上述类型方法操作的燃烧器。
附图简要说明
为了更完整地理解本发明实施方式的公开内容及上述所讨论的，存在多种选择从而以有利的方式实现并改进本发明的教导。为此目的，可以参考权利要求1的从属权利要求；参考通过非限制性示例描述的优选实施方式和与实施方式描述结合的附图，在下文中更详细地解释本发明的其它改进、特征和优点，其中：
图1显示出用于实施本发明方法的流程示意图。
附图详述；
实施本发明的最佳方式
在对本发明实施方式进行详细说明之前，应理解的是，实施方式不限于其应用于附图中所示的部件的构造和布置的细节，因为本发明能够具有其他实施方式并且能够以各种不同方式实践或实施。而且应理解，本文使用短语和术语的目的是描述而非限制。
在以下说明中，术语水平、直立、垂直、之上、之下、下方等仅用于清楚地描述本发明，不应视为限制性用语。附图是用于对本发明进行说明的目的，而不是按比例。
图1显示出用于实施本发明方法的流程示意图。燃烧器1包括一个或多个燃料端口2、一个或多个氧气端口3和一个或多个燃烧空气端口4。在克劳斯工厂的热步骤中使用燃烧器1用于H2S的部分氧化。
氧气端口3通过氧气供应管线6连接至工业纯氧气源5。氧气的纯度为至少90体积％，优选至少95体积％，更优选至少99体积％。
氧气供应管线6包括流量控制单元7，其中流量控制单元7包括两个平行的流路8和9，并且低水平富集控制阀10在流路8中，而中等水平富集控制阀11在流路9中。
低水平富集控制阀10和中等水平富集控制阀11是控制来自氧气源5的氧气流量的控制阀。低水平富集控制阀10设计用于较低的氧气流量和较高的精度，而中等水平富集控制阀11设计用于较高的氧气流量。
燃烧空气端口4通过空气供应管线13连接至空气源12。空气源12可以是空气压缩机，用于将空气作为氧化剂供应到燃烧过程。
氧气供应管线6和空气供应管线13通过管线14进行连接，该管线14设置有用于控制侧空气流从空气供应管线13至氧气供应管线6的流量控制阀15。
燃料端口2通过燃料供应管线17连接至酸性气体源16，该酸性气体是含有硫化氢(H2S)的进料气。将附加管线18、19连接至燃料供应管线17，并且它们可以用于向燃料端口2供应酸性水汽提装置(SWS)气体20或另一种燃料气体21。
可以控制燃烧器，从而通过改变到不同燃烧器端口的气体流束来允许多种操作模式：
-启动/热备用模式；
-空气操作模式；
-低水平氧富集操作模式；
-中等水平氧富集操作模式。
启动和热备用模式：
对于冷启动，克劳斯单元提供有新鲜催化剂，并且单元中没有硫。为了将来重新启动，克劳斯单元已经含有硫化合物，并且燃烧器1将通过在化学计量条件下使燃料气体(例如烃)21和燃烧空气12燃烧来启动。
在该模式中，将燃烧空气流12送至氧气端口3和燃烧空气端口4。关闭氧气供应管线6中的流量控制单元7，以使氧气流不能到氧气端口3。
通过一个或多个燃料端口2引入燃料气体(烃)21，并且点燃火焰。一旦火焰稳定，则总燃烧空气12(通过氧气端口3和燃烧空气端口4供应)和燃料气体(烃)流21设定为略低于化学计量的比率。
通过增加燃料气体(烃)21和燃烧空气流12来控制逐渐升温。将蒸汽22添加到燃料气体21，以防止在低于化学计量燃烧的情况下形成烟炱，并且在化学计量燃烧情况下提供冷却。
空气操作模式：
一旦炉子是热的，并且克劳斯单元的其余部分处于操作温度，则可以将酸性气体(H2S进料)16引入该过程。酸性气体流16通过供应管线17输送至燃料端口2。酸性气体16是含有硫化氢的气体流束。酸性气体流16以逐步增加，然后逐渐减少燃料气体(烃)流21。
将燃烧空气12送至氧气端口3和燃烧空气端口4。计算总空气流量12并将其设定为燃料气体21和酸性气体16所需的正确空气量。
低水平氧富集操作模式：
可以使用低浓度氧富集以提高炉温，用于破坏氨和/或使得增量容量提高。在空气操作模式下，一旦达到最低负荷，可以通过低水平富集控制阀10引入氧气。
将燃烧空气12送至氧气端口3和燃烧空气端口4。燃烧空气流12分成通过燃烧空气端口4的主空气流和通过氧气端口3的侧空气流。基于预设百分比划分主空气流和侧空气流。
随着氧气流5增加，总燃烧空气流12减少，并且在总燃烧空气流12进入氧气端口3和燃烧空气端口4之前分成预设比率。随着氧富集，酸性气体旁路24被禁用。
一旦氧气流5达到氧气端口3的预设最小流量，氧气富集的任何进一步增加将会需要转向中等水平氧富集模式。
中等水平氧富集操作模式：
一旦氧气流量高于氧气端口3的预设最小流量需求，如果通量增长足够，则可以将其切换到中等水平富集模式。在该模式中禁用(燃烧空气12的)到氧气口3的侧空气流。所有的燃烧空气12将流至燃烧空气端口4。
由于氧气流5仍然进入氧气端口3并且其高于预设的最小流量设定，因此在过渡期间不需要氮气补充流量。在过渡期间，可以维持整个操作点及其到所有端口的流动速率。
在中等水平氧富集模式中，可以手动输入总氧富集水平。考虑到氧富集，燃烧空气12的前馈(Feed forward)控制基于酸性气体流16，并且燃烧空气12的反馈控制基于尾气分析仪，如上所述。
停机：
氧富集模式下的主要停机情况之一是高温。当温度超过某一最高温度时，氧气流5将被禁用。氮气流23将自动打开以维持流至氧气端口3的预设最小流量，从而提供冷却。如果温度继续升高，则使单元停机。
在停机期间，流至三个端口2、3、4的最小流量保持开启。在停机期间保护燃烧器1所需的吹扫速率低于最小流量需求。可以使流量减小至特定吹扫速率以持续停机。
当炉温降至低于某一温度时，可以关闭流至燃烧空气端口4和燃料端口2的吹扫流。
然而，流至氧气端口3的吹扫流必须以进一步下降的速率持续，直至完全停机。这防止了氧气设备和管线的回流污染。
应理解，本文所述实施方式仅是示例性的，并且本领域技术人员可以进行变化和修改而不偏离本发明的精神和范围。所有这些变化和修改旨在包括在本发明所述和本文要求保护的范围内。此外，所公开的所有实施方式在替代方案中不是必须的，因为本发明的各种实施方式可以组合以提供所需的结果。
附图标记列表
1 燃烧器
2 燃料端口
3 氧气端口，特别是至少一个氧气喷枪
4 燃烧空气端口
5 氧气(特别是工业纯氧气)源
6 氧气供应管线
7 流量控制单元
8 第一流路，特别是具有低水平富集控制阀10的第一流路
9 第二流路，特别是具有中等水平富集控制阀11的第二流路
10 低水平富集控制阀，特别是设计用于较低氧气流量的低水平富集控制阀
11 中等水平富集控制阀，特别是设计用于较高氧气流量的中等水平富集控制阀
12 空气源，特别是空气压缩机，例如，用于将空气作为氧化剂供应到燃烧过程
13 空气供应管线
14 管线
15 流量控制阀
16 酸性气体(特别是H2S)源
17 燃料供应管线
18 第一附加管线
19 第二附加管线
20 酸性水汽提装置(SWS)气体
21 燃料气体，特别是烃
22 蒸汽
23 氮气流
24 酸性气体旁路

Claims (15)

1.用于操作克劳斯法热步骤中所使用的燃烧器(1)的方法，其中，燃烧器(1)包括至少一个燃烧空气端口(4)、至少一个氧气端口(3)、和至少一个燃料端口(2)，并且其中，
-将空气流输送(13)至燃烧空气端口(4)，
-将氧化剂流输送(6)至氧气端口(3)，并且
-将含硫化氢的进料气流输送(17)至燃料端口(2)，
其特征在于，
氧化剂流由氧气浓度为至少90体积％的工业纯氧的氧气流和第二气流——如需要——组成，并且
-确定氧气流是否低于预设的最小流量，如果氧气流低于预设的最小流量，则空气流被分成主空气流和侧空气流，并且氧气流与侧空气流合并，产生富氧侧空气流，该富氧侧空气流被输送到氧气端口(3)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，氧气浓度为至少95体积％，优选至少99体积％。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，氧气供应管线(6)设置在工业纯氧气源(5)和氧气端口(3)之间。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，氧气供应管线(6)包括流量控制单元(7)，所述流量控制单元(7)位于氧气流输送到侧流中的位置的上游。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，流量控制单元(7)包括：
-低水平富集控制阀(10)，和
-中等水平富集控制阀(11)。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，低水平富集控制阀(10)和中等水平富集控制阀(11)是平行设置的。
7.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，氧气端口(3)比燃烧空气端口(4)更靠近燃料端口(2)。
8.如权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，基于酸性气体流和氧气流来控制空气流。
9.如权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，基于对离开克劳斯法的尾气进行分析来控制空气流。
10.如权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，进料气流由如下组成：
-第一气体流束，其包含硫化氢但基本不含氨；以及
-第二气体流束，其包含硫化氢和至多50体积％的氨。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，第二气体流束包含硫化氢和至少30体积％的氨。
12.如权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，氧气端口(3)设计为一个或多个氧气喷枪。
13.如权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于，低水平氧富集不仅仅能够在超过设计负荷时采用，而且能够在设计负荷和低于设计负荷时采用，以提高克劳斯炉温度。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，提高克劳斯炉温度，以最大限度地破坏氨。
15.燃烧器(1)，其通过如权利要求1至14中任一项所述的方法进行操作。
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