DE2257426B2

DE2257426B2 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von SO tief 2 -haltigen Gasen

Info

Publication number: DE2257426B2
Application number: DE2257426A
Authority: DE
Inventors: Hans- Joachim 4620 Castrop-Rauxel Kuemmel; Peter Dipl.-Ing. Dr. 5804 Herdecke Meurer; Ludwig Dipl.-Ing. Dr. 5844 Hennen Muehlhaus; Gerd Dr.-Ing. 6200 Wiesbaden Petersen
Original assignee: Friedrich Uhde GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Priority date: 1972-11-23
Filing date: 1972-11-23
Publication date: 1975-12-18
Also published as: ZA738868B; FR2207752A1; BE807749A; FR2207752B1; DK133426B; NL7312985A; IT995530B; DE2257426C3; DK133426C; GB1449197A; DE2257426A1

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von SC>2-haItigen Gasen mit einer Temperatur entsprechend der Anspringtemperatur der folgenden katalylischen Umwandlung zu SCh. SCh-haltige Gase werden in der Regel durch Verbrennen von Schwefel mit Luft erhalten.

Bei derartigen SO2-Erzeugungsverfahren ist es erforderlich, einen wesentlichen Teil der Verbrennungswärme aus dem Gas zu entfernen, da die folgende katalytiiche Umwandlung der SCh-Anteile zu SCh zweckmä-Big bei der jeweiligen Anspringtemperatur der Katalysatormasse beginnt. Die Anspringtemperatur liegt in der Regel bei 400 bis 450⁰C.

Es ist bekannt, die SCh-Erzeugung derart durchzuführen, daß der eingesetzte Schwefel und die Luft in einem Brenner gezündei werden und die Flamme dann in einem Verbrennungsofen, der ausgemauert ist und für wirtschaftliche industrielle Anlagengrößen einen Druchmesser von 3 m und mehr und eine Länge von 10 m und mehr hat, zur vollen Ausbildung kommt. Dietem Verbrennungsofen folgt in der Regel ein Abhitzekessel zur Dampferzeugung, in welchem das heiße Gas bis auf eine Temperatur unterhalb 450⁰C abgekühlt wird.

Um bei den herkömmlichen Verbrennungsofen nur geringe Wärmeverluste zu erhalten, werden sie zum einen mit einer starkwandigen isolierenden Ausmauerung und zum anderen mit einer zusätzlichen Außenisolierung um den Stahlmantel versehen. Infolge der großen Abmessungen des Verbrennungsofens werden beträchtliche Investitionsmittel erforderlich.

Die Verbrennung wird in der Regel mit solch einem Luftüberschuß, der bei λ ungefähr 2,3 liegt, durchgeführt, daß die Verbrennungsgase den Verbrennungsofen mit einer Temperatur unterhalb 1000° C verlassen. In dem Abhitzekessel, der dem Verbrennungsofen nachgescheitet ist, steht dann eine Temperaturdifferenz von man. 1000 - 450 = 550⁰C zur Dampferzeugung zur Verfugung. Infolge dieser geringen Temperaturdifferenz sind erhebliche Wärmeaustauscherflächen erforderlich. Der hohe Luftüberschuß resultiert einmal aus der bereits bei der Verbrennung erfolgenden Zugabe des Reaktionssauerstoffs in Form von Luft für die später folgende SCh-Reaktion und auf der Zugabe von weiterer Luft zur Senkung der Gastemperatur im Verbrennungsofen.

Nach der DT-OS 19 48 754 wird versucht die Temperatur der den Verbrennungsofen verlassenden Gase bis auf etwa 16OO°C anzuheben durch unterstöchiometrische Verbrennung des Schwefels mit Lufi als Sauerstoffträger. In einem Abhitzekessel nach dem Verbrennungsofen werden die SO2- und schwefeldampfhahigen Gase auf etwa 75O⁰C abgekühlt. Danach erfolgt bei weiterer Luftzugabe die Verbrennung des restlichen Schwefeldampfes unter Temperaturerhöhung. In einer folgenden Mischvorrichtung wird die für die SOi-BiI-dung erforderliche Luftmenge zugegeben und dadurch die Temperatur auf 45O⁰C gesenkt. Nach dieser Veröffentlichung wird im Abhitzekessel nur die Verbrennungswärme eines Teils des eingesetzten Schwefels teilweise ausgenutzt.

Nach der DT-OS 16 67 421 werden zur Erzeugung von Schwefeldioxyd schwefelhaltige Rohstoffe bei einem Luftüberschuß-Koeffizienten von λ = 1,0 bis 1.6 verbrannt und in den Strom der Verbrennungsgase zusätzliche Luftmengen eingeführt, damit das für die Oxydation zu Schwefeitrioxyd erforderliche Schwefeldioxyd-Sauerstoff-Verhältnis erreicht wird. Die Abfuhr der Verbrennungswärme der ersten Oxydationsstufe erfolgt in einem der Brennkammer räumlich nachgeordneten Abhitzekessel.

Aus der DT-OS 22 10 773 ist bekannt. Schwefel unter Druck und stöchiometrisch zu verbrennen. Dem die Verbrennungszone verlassenden Gemisch wird sofort Sekundärluft zugemischt. Durch diese Maßnahme wird das hohe Temperaturniveau der Verbrennung erniedrigt ohne optimal genutzt worden zu sein. Die Brennkammer weist eine dickwandige Außenmauerung auf und am Brennkammerausgang schließt ein Wärmeaustauscher an.

Zusammenfassend ergibt sich, daß in bekannten Verfahren bei überstöchiometrischer Verbrennung, d. h. 02-Überschuß, die Verbrennungsgase mit einer Temperatur von unterhalb 1000⁰C in den Abhitzekessel eintreten und bei unterstöchiometrischer Verbrennung unverbrannter Schwefel den Abhitzekessel durchströmt und der verfügbare Teil seiner Verbrennungswärme nicht zur Dampferzeugung, sondern zur Aufheizung der zugeführten restlichen Verbrennungsluft dient. Die bei der Erzeugung von SO2 aus der Verbrennung des gesamten eingesetzten Schwefels mit einem sauerstoffhaltigen Gas anfallende Verbrennungswärme läßt sich mittels bekannter Verfahren nicht bei optimaler Temperaturdifferenz gewinnen, bzw. die bei unterstöchiometrischer Verbrennung verbleibende Verbrennungswärme der Rest-Schwefelmenge ist nicht zur Dampferzeugung nutzbar.

Es wurde gefunden, daß sich diese Nachteile vermeiden lassen, wenn das Verfahren zur Erzeugung von SO2-haltigen Gasen mit einer Temperatur entsprechend der Anspringtemperatur der folgenden katalyti-

sehen Umwandlung zu SCh, wobei die SCh-haltigen Gase drrch Verbrennen von Schwefel mit Sauerstoff oder stark sauerstoffhaltigen Gasen gebildet werden, derart durchgeführt wird, daß der gesamte, zur SO:-Erzeugung notwendige Schwefel stöchiometrisch oder nahstöchiometrisch und unter einem Druck von mindestens 3 atü verbrannt wird und die Abfuhr derjenigen Verbrennungswärmemenge, die obeihalb der Anspringiemperatur liegt, teilweise im Bereich der Verbrennung und teilweise im direkt anschließenden Bereich erfolgt.

Unter stark sauerstoffhaltigen Gasen sind solche mit einem Sauerstoffgehalt von mehr als 50% und einem Stickstoffgehalt von weniger als 50% zu verstehen. Der Stickstoff kann auch ersetzt werden durch ein anderes inertes Verbrennungsgas.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient eine Vorrichtung, welche gekennzeichnet ist durch einen länglichen Druckbehälter, in dem an einer Stirnwand eine Brennereinrichtung angeordnet ist und in dem die Flamme und die abströmenden Heißgasc von einer im wesentlichen zylindrischen Rohrwand als Wärmetauscher umgeben sind, wobei die Rohre längs angeordnet und miteinander dicht verbunden sind.

Um die hohe Flammen- und Gastemperatur schnell abbauen zu können, wird die Vorrichtung so betrieben, daß die Rohre des Wärmetauschers vom Kühlmittel in Strömungsrichtung der Flamme und der Heißgase durchströmt werden.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der ausgemauerte Verbrennungsofen nicht benötigt wird. Infolge der hohen Gastemperaturen ergeben sich verbesserte Wärmeübergangswerte, wodurch die Wärmeaustauschflächen gering gehalten werden können. Die Schwefelverbrennungsanlage wird dadurch kompakter. Die stöchiomctrische Verbrennung zu SO2 liefert mehr verfügbare Abwärme, da kein Ballast-Sauerstoff aufgeheizt werden muß. Außer geringeren Wärmeverlusten treten geringere Fundamentbelastungen und ein geringerer Platzbedarf auf. Weiterhin kann dieses Verfahren bei senkrechter Aufstellung der Verbrennungsanlage durchgeführt werden.

Da das Verfahren bei einem Druck oberhalb 3 atü betrieben wird, lassen sich zum einen bessere Wärme-

S Übergangszahlen für die Wärmeabfuhr erzielen und zum anderen ergibt sich eine Reduzierung der Apparateabmessungen.

Überraschenderweise zeig· sich als weiterer Vorteil, daß der NO-Gehalt der Verorennungsgase trotz der hohen Verbrennungstemperatur im gleichen ppm-Bereich liegt wie bei herkömmlichen Verfahren. Da die erzeugte Gasmenge infolge Fehlen des Luftstickstoffes und infolge der Verbrennung bei λ von ungefähr 1 jedoch geringer ist, ist die effektive NO-Menge ebenfalls

geringer. Die rasche Abkühlung der Verbrennungsgase unterbindet vorzeitig die Gleichgewichtseinstellung der NO-Reaktion.

Die Verbrennung von Schwefel und Sauerstoff unter einem Druck von mindestens 3 atü, bringt darüber hinaus den überraschenden Effekt, daß die Reaktionsflamme ein vermindertes Flammenvolumen aufweist und dadurch das Brennkammervolumen unter Berücksichtigung der zulässigen Wärmestromdichten klein gehalten werden kann.

Im allgemeinen ist es zweckmäßig, das erfindungsgemäße Verfahren in der Weise durchzuführen, daß der gesamte zu verbrennende Schwefel und der Sauerstoff oder die stark sauerstoffhaltigen Gase dem Brenner zugeführt werden. Die Verbrennung soll praktisch stö-

chiometrisch geführt werden, d. h. mit dem aus technischen Gründen geringstmöglichen Sauerstoff-Überschuß. Die vor dem Brenner stehende Flamme ist von einem Verbrennungsraum umgeben, der durch Wärmeaustauscherrohre gebildet wird, durch welche das Wär-

meübertragungsmedium, in der Regel Speisewasser oder verdampfendes Wasser, strömt. Die Wärmeabfuhr erfolgt dadurch unmittelbar an das Wärmeübertragungsmedium. Die SO2-haltigen Gase verlassen mit einer Temperatur um etwa 450°C die Verbrennungs- und Wärmeaustauschereinrichtung.

Claims

Patentansprüche;

1. Verfahren zum Erzeugen von SO'-haltigen Gasen mit einer Temperatur entsprechend der An-Springtemperatur der folgenden katalytischen Umwandlung zu SCb, wobei die SO2-haltigen Gase durch Verbrennung von Schwefel mil Sauerstoff oder stark sauerstoffhaltigen Gasen gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß der ge- ίο samte zur SCh-Erzeugung notwendige Schwefel stöchiometrisch oder nahstöchiometrisch und unter einem Druck von mindestens 3 atü verbrannt wird und die Abfuhr derjenigen Verbrennungswärmemenge, die oberhalb der Anspringtemperatur liegt teilweise im Bereich der Verbrennung und teilweise im direkt anschließenden Bereich erfolgt.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung aus einem länglichen Druckbehälter besteht, die Brennereinrichtung an einer Stirnwand angeordnet ist und die Flamme und die abströmenden Heißgase von einer im wesentlichen zylindrischen Rohrwand als Wärmetauscher umgeben sind, wobei die Rohre längs angeordnet und miteinander dicht verbunden sind.

3. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre des Wärmetauschers vom Kühlmittel in Strömungsrichtung der Flamme und der Heißgase durchströmt werden.