CN203379867U - 用于混合煤气还原二氧化硫的还原反应器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了用于混合煤气还原二氧化硫的还原反应器，该反应器具有双催化剂多催化剂床，外壳侧面设第一、第二人孔和卸料孔，上端设混合煤气进口下端设气体出口，侧面设二氧化硫气体进口与反应器内部的第一与第二催化剂床之间的气体分布器连通；汽包连接副产蒸汽出口与锅炉给水进口并连通2-6个汇管组；汇管组由一汇管和另一汇管组成，汇管通过废热锅炉管连通并通过法兰与反应器外壳连接；反应器内腔自上而下排列变换催化剂床、一还原催化剂床、另一还原催化剂床，每一催化剂床由箅子板和瓷球支撑催化剂并由另一瓷球覆盖。结构简单，操作方便，还原效率较高，用于从烟气中回收二氧化硫制取硫磺的装置。
Description
技术领域
本实用新型涉及化工设备，具体涉及用于混合煤气还原二氧化硫的还原反应器。
背景技术
加氢还原反应是化工常用反应，使用的还原剂通常为氢气、一氧化碳等还原剂或含有氢气、一氧化碳的煤气等工业原料。被还原物质种类繁多，需要的还原条件各不相同，还原反应器也就不同。
氢气是最常用，使用最方便的还原剂，但价格昂贵运输不便。煤气一般就地生产使用，但是煤气的有效成分有氢气、一氧化碳两种，对于被还原物二氧化硫来说，不同的还原剂与催化剂，还原的结果也不同。
在化剂催作用下，氢气可直接与二氧化硫反应将其还原成单质硫，当H2：SO2=3,反应温度300℃，二氧化硫在CO—MO/AI2O3系催化剂上被H2还原成单质硫，包含两个在不同活性中心发生的相互独立的反应过程：
SO2+3H2=H2S +2H2O
SO2 +2H2S=3S+2H2O
总反应为：SO2+2H2 = S+2H2O
氢比一氧化碳活性高，首先发生以上反应。混合煤气中还含有一氧化碳，部分二氧化硫与一氧化碳反应被还原为硫化氢。硫化氢在克劳斯单元与二氧化硫反应转化为硫。
采用煤气还原二氧化硫，如果目标产物为硫磺，需要在还原反应前预先提高煤气中氢含量。这就需要另一个反应器，首先对煤气进行变换反应。变换反应也是化工常用的反应，在催化剂催化和一定反应温度条件下发生的放热反应，反应式如下：
H2O+CO=H2+CO2+41.17KJ/mol
通常变换反应在单独设置的固定床催化反应器内进行，而且一般采用绝热催化剂床，结果产物气体温度高于原料煤气温度，需要对产物煤气进行冷却降温以适合还原反应的需要。如果煤气一氧化碳含量较高，变换反应程度较高，放热量就很大，还需要设计为多段反应、多次降温的流程。
氢与二氧化硫进行的还原反应也是放热过程，热效应比较大。反应式：SO2+2H2= S +2H2O
该反应必须在催化剂和适当的高温条件下进行，反应热又会使反应的物料温度升高，脱离适宜的反应温度。过高的温度不利于反应平衡向生成更多硫磺的方向进行。
解决还原反应物料温度升高的问题有很多方法，常用的有两种。一是采用在催化剂床层内设置锅炉管移除热量控制温度的“等温反应器”技术，设备复杂投资很高，二是将每级反应产物气引出反应器，在废热锅炉或换热器内移除多余热量，流程长设备多操作控制复杂。
无论几级变换反应和还原反应，采用多个单独的变换反应器、还原反应器以及每段对原料气体的换热升温以及产物气体的换热降温都是必要而且很复杂的系统。
从烟气中回收二氧化硫制取硫磺的装置中，还原二氧化硫的还原反应器用于制取硫和硫化氢，其下游设有凝硫器专门冷凝还原反应器生成的硫，凝硫器下游设有专门将还原反应器生成的硫化氢制成硫磺的克劳斯反应器。
受原料、催化剂和反应平衡限制，还原二氧化硫制取硫的产出气不可避免含有硫化氢，下游有专门用于硫化氢与二氧化硫反应生成硫的设备克劳斯反应器，因此适当控制还原反应温度达到较高的还原率已经足够。用于煤气还原二氧化硫的还原反应器，还原催化剂床温度方案选择床间设置锅炉管移出多余热量，既满足需要又简化流程降低投资。
发明内容
本实用新型的目的是提供结构简单投资较低，操作控制方便可靠，还原效率较高的用于混合煤气还原二氧化硫的还原反应器。
为了克服现有技术的不足，本实用新型的技术方案是这样解决的：一种用于混合煤气还原二氧化硫的还原反应器，该反应器具有双催化剂多催化剂床，由反应器外壳、三个催化剂床、一个气体分布器、一套废热锅炉组件、汽包构成，所述反应器外壳为钢制容器，设有两个反应气体进口、一个气体出口及人孔、卸料口，内部设置由篦子板、瓷球、催化剂构成的催化剂床，所述催化剂有一层用于催化煤气中一氧化碳与水蒸气进行变换反应的变换催化剂和两层用于催化煤气中的氢和一氧化碳与二氧化硫进行还原反应的还原催化剂；本实用新型的特殊之处在于所述的反应器外壳侧面设第一人孔、第二人孔、卸料孔，所述反应器外壳上端设混合煤气进口，下端设气体出口，侧面设二氧化硫气体进口与气体分布器通过法兰；所述汽包设有副产蒸汽出口和锅炉给水进口并连通2-6个汇管组；所述汇管组由一汇管和另一汇管组成，通过废热锅炉管连通并通过法兰与反应器外壳连接；所述的催化剂床在反应器外壳内腔自上而下排列，第一层篦子板在上部与反应器外壳连接，摆放其上的瓷球二、变换催化剂与覆盖催化剂的瓷球一构成第一催化剂床，第二层篦子板在中部与反应器外壳连接，摆放其上的另一瓷球二、还原催化剂与覆盖催化剂的另一瓷球一构成，第三层篦子板在下部与反应器外壳连接，摆放其上的再一瓷球二、另一变换催化剂与覆盖催化剂的再一瓷球一构成第三催化剂床。
所述每个催化剂床层都由与反应器外壳连接的篦子板、瓷球二支撑的催化剂层以及覆盖催化剂的瓷球一构成。
所述第一催化剂床为煤气变换催化剂床。
所述第二、第三催化剂床为二氧化硫还原催化剂床。
变换催化剂床与还原催化剂床之间，安装有分布冷的二氧化硫原料气的气体分布器，气体分布器与二氧化硫进口相通。
第一催化剂床与第二催化剂床之间安装有废热锅炉管，所述废热锅炉管与一汇管和另一汇管连通。
所述第一与第二催化剂床之间安装有分布冷进料二氧化硫气体的气体分布器，所述气体分布器与二氧化硫进口连接。
所述废热锅炉管位于第二催化剂床与第三催化剂床层之间，废热锅炉管与一汇管和另一汇管连接。
本实用新型与现有技术相比，将两种不同用途的催化剂床层集成在一个反应器内，利用冷态二氧化硫原料气对变换床层产出气进行冷激，节省单独设置的变换反应器还节省对变换产物气冷却、对二氧化硫原料气进行预热的流程管道与阀门设备。还原反应器的还原催化剂床层分为两层，采用层间废热锅炉移除多余热量控制床层温升，结构简单又能满足还原反应对温度控制的需要。广泛用于化工、火电等行业从烟气中回收二氧化硫制取硫磺的装置。
附图说明
图1为本实用新型结构示意图。
附图说明：A、混合煤气进口，B、二氧化硫进口，C、副产蒸汽出口，D、锅炉给水进口，E、气体出口，1、第一人孔，2、变换催化剂床层，3、第二人孔，4、汽包，5-1、一汇管，5-2、另一汇管，6-1、还原催化剂床层，6-2、另一还原催化剂床层，7-1、篦子板，7-1、另一篦子板，7-1、再一篦子板，8、卸料口，9-1、瓷球二，9-2、另一瓷球二，9-3、再一瓷球二，10、废热锅炉管组，11-1、瓷球一，11-2、另一瓷球一，11-3、再瓷球一，12、气体分布器，13、反应器外壳。
具体实施方式
附图为本实用新型实施例。
下面结合附图对发明内容作进一步说明：
参照图1所示，用于混合煤气还原二氧化硫的还原反应器，具有双催化剂多催化剂床，由反应器外壳、两种催化剂三个催化剂床、一个气体分布器、一套废热锅炉组件构成，所述反应器外壳为钢制容器，设有两个反应气体进口、一个气体出口及人孔、卸料口，内部串联设置至少三个由篦子板、瓷球、催化剂构成的催化剂床，所述催化剂有一层变换催化剂和两层还原催化剂；所述反应器外壳13上端设混合煤气进口A，下端设气体出口E，侧面设二氧化硫进口B与反应器内部的气体分布器12相连，侧面设第一人孔1、第二人孔3、卸料孔8；所述汽包4设副产蒸汽出口C和锅炉给水进口D并连通2-6个汇管组；所述汇管组由一汇管5-1和另一汇管5-2组成，所述汇管通过废热锅炉管10连通并通过法兰与反应器外壳13连接；所述反应器外壳13内腔自上而下排列有变换催化剂床、还原催化剂床和另一还原催化剂床。第一层篦子板在上部与反应器外壳连接，平铺于篦子板上的瓷球二、变换催化剂与覆盖催化剂的瓷球一构成第一催化剂床，第二层篦子板在中部与反应器外壳连接，平铺于篦子板上的另一瓷球二、还原催化剂与覆盖催化剂的另一瓷球一构成第二催化剂床，第三层篦子板在下部与反应器外壳连接，平铺于篦子板上的再一瓷球二、另一变换催化剂与覆盖催化剂的再一瓷球一构成第三催化剂床。所述一套废热锅炉组件的汽包4设副产蒸汽出口C和锅炉给水进口D并连通2-6个汇管组，汇管组与位于第二与第三催化剂床之间的锅炉管连通。
所述第一催化剂床为用于催化煤气中一氧化碳与水蒸气进行变换反应的变换催化剂床。第二与第三催化剂床为用于催化煤气中的氢和一氧化碳与二氧化硫进行还原反应的还原催化剂床。
所述与二氧化硫进口连接的气体分布器12位于第一与第二催化剂床之间，在提供反应原料气体的同时，用冷的原料气对离开变换催化剂床层的高温产物气体起到冷激作用，可使混合气体温度适合还原催化剂床的反应需要。
所述废热锅炉管10位于还原催化剂床与另一还原催化剂床之间，用于冷却还原催化剂床下方的高温产物气体，使其温度适合另一还原催化剂床的反应需要。
下面对本实用新型的工作原理作如下说明：
在化剂催作用下，氢可直接与二氧化硫反应将其还原成单质硫，采用煤气还原二氧化硫，如果目标产物为硫磺，需要在还原反应之前尽可能提高煤气中氢的含量。需要一个反应器对煤气进行变换反应。
本实用新型的方案既要在还原反应之前进行煤气变换反应提高煤气中氢含量，又要简化流程、设备以及操作，选择了集成两个反应器为一个的方案。还借鉴激冷流程特点，采用冷进料二氧化硫解决变换反应产出气温度偏高问题。通常的激冷反应器是分流同种原料气，一部分新鲜原料气在前一催化剂床的后面加入，能降低进入后一催化剂床的反应气体温度，但也存在降低反应程度的缺点，称为返混。本实用新型的方案，用于后一催化剂床反应的二氧化硫与进入前一催化剂床的原料气体为不同原料气体，不存在返混问题。
变换反应也是化工常用的反应，在催化剂催化和一定反应温度条件下发生的放热反应。通常变换反应在单独设置的固定床催化反应器内进行，一般采用绝热催化剂床，致使产出气温度高于原料煤气温度，需要对产物煤气进行冷却降温以适合下一步反应的需要。
加氢还原反应也是放热过程，热效应比较大。反应必须在催化剂和适当的高温条件下进行，反应热又会使反应的物料温度升高，脱离适宜的反应温度。过高的温度不利于反应平衡向生成更多硫磺的方向进行。
解决还原反应物料温度升高的问题有很多方法，常用的有两种。一是采用在催化剂床层内设置锅炉管移除热量控制床层温度的“等温反应器”技术，设备复杂投资很高，二是将每级反应产物气引出反应器，在废热锅炉或换热器内移除多余热量，流程长操作控制复杂。
受原料、催化剂和反应平衡限制，还原二氧化硫制取硫的产出气不可避免含有未全部还原为硫磺的硫化氢，反应器下游专门设置克劳斯单元用于硫化氢与二氧化硫转化为硫的反应，适当控制还原反应温度达到较高的还原率已经足够。因此用于煤气还原二氧化硫的还原反应冷却方案选择床间设置锅炉管移出多余热量，满足需要又简化流程降低投资。
具体方案是两种催化剂床层集成在一个反应器之内并采用二氧化硫冷态进料与床间废热锅炉两种简单有效的方法控制进入后一床层的气体温度，防止床层温度过高。
本技术可以采用的煤气变换催化剂为低温耐硫变换催化剂，有DNG-303Q、QCS－01、QCS－06等。
本技术可以采用的二氧化硫还原催化剂有HT-951T、TG2514等。
本实用新型的还原反应器用于煤气还原二氧化硫制取硫磺的过程：
主要化学反应如下：
煤气进入还原反应器首先进入变换催化剂床，发生上述（4）的反应，反应热使气升温至340-350℃离开变换催化剂床，在进入下一催化剂床之前，与分布器喷射的二氧化硫气体混合，混合器温度降至300℃以下，进入第一还原催化床，在第一还原催化床上发生上述（1）—（8）反应，反应的放热作用使反应气体再次升温至380℃，离开第一还原催化床，通过废热锅炉管的换热，使气体温度再次降至300℃进入第二还原催化床，在在第二还原催化床上继续发生上述（1）—（8）反应，最终离开反应器的产物气体含有的10-12%硫磺、4-5%的硫化氢、以及反应变换剩余的水汽和惰性气体氮气。
变换产物气体经过凝硫器冷却到150℃，硫磺大部分冷凝回收，含有硫化氢的未冷凝气体就可以进入下游设备克劳斯反应器，以分流的二氧化硫与硫化氢进行克劳斯反应进一步制取硫。
Claims (4)
1.一种用于混合煤气还原二氧化硫的还原反应器，该反应器具有双催化剂多催化剂床，由反应器外壳、三个催化剂床、一个气体分布器、一套废热锅炉组件、汽包构成，所述反应器外壳为钢制容器，设有两个反应气体进口、一个气体出口及人孔、卸料口，内部设置由篦子板、瓷球、催化剂构成的催化剂床，所述催化剂有一层用于催化煤气中一氧化碳与水蒸气进行变换反应的变换催化剂和两层用于催化煤气中的氢和一氧化碳与二氧化硫进行还原反应的还原催化剂；其特征在于所述的反应器外壳（13）侧面设第一人孔（1）、第二人孔（3）、卸料孔（8），所述反应器外壳（13）上端设混合煤气进口（A），下端设气体出口（E），侧面设二氧化硫气体进口（B）与气体分布器（12）通过法兰；所述汽包（4）设有副产蒸汽出口（C）和锅炉给水进口（D）并连通2-6个汇管组；所述汇管组由一汇管（5-1）和另一汇管（5-2）组成，通过废热锅炉管（10）连通并通过法兰与反应器外壳（13）连接；所述的催化剂床在反应器外壳（13）内腔自上而下排列，第一层篦子板（7-1）在上部与反应器外壳（13）连接，摆放其上的瓷球二（9-1）、变换催化剂（2）与覆盖催化剂的瓷球一（11-1）构成第一催化剂床，第二层篦子板（7-2）在中部与反应器外壳（13）连接，摆放其上的另一瓷球二（9-2）、还原催化剂（6-1）与覆盖催化剂的另一瓷球一（11-2）构成，第三层篦子板（7-3）在下部与反应器外壳（13）连接，摆放其上的再一瓷球二（9-3）、另一变换催化剂（6-2）与覆盖催化剂的再一瓷球一（11-3）构成第三催化剂床。
2.根据权利要求1所述用于混合煤气还原二氧化硫的还原反应器，其特征在于所述第一催化剂床为煤气变换催化剂床，第二与第三催化剂床为二氧化硫还原催化剂床。
3.根据权利要求1所述用于混合煤气还原二氧化硫的还原反应器，其特征在于变换催化剂床（2）与还原催化剂床（6-1）之间，安装有分布冷的二氧化硫原料气的气体分布器（12），气体分布器（12）与二氧化硫进口（B）相通。
4.根据权利要求1所述用于混合煤气还原二氧化硫的还原反应器，其特征在于第一催化剂床与第二催化剂床之间安装有废热锅炉管（10），所述废热锅炉管（10）与一汇管（5-1）和另一汇管（5-2）连通。
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