DE2430909A1 - Verfahren zur reinigung von clausofen-abgasen - Google Patents

Verfahren zur reinigung von clausofen-abgasen

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Description

  • Verfahren zur Reinigung von Claus--O£-en-Abse' Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung von Claus-Ofen-Abgasen durch Oxidation der Schwefelinhalte zu Schwefeldioxid und katalytische Bildung von Schwefelsäure.
  • Bei der Oxidation von Schwefelwasserstoff zu elementarem Schwefel im Claus-Prozeß fällt bekanntlich ein Abgas an, das noch Schwefelwasserstoff, Schwefeldioxid und Spuren anderer Schwefelverbindungen, insbesondere Kohlenoxysul:fid, enthält Ein bestimmter Schwefelwasserstoff- und Schwefeldioxidgehalt des Abgases kann u. a. wegen der Lage des thermodynamischen Gleichgewichtes nicht unterschritten werden.
  • Aus Gründen der Luftreinhaltung und einer verbesserten Ausbeute an Elementarschwefel, ist eine große Zahl von Verfahren zur Reinigung der Claus-Ofen-Abgase bekannt geworden. Einige Verfahren sehen vor, das Claus-Ofen-Abgas mit einem gasförmigen Reduktionsmittel, z.B. Wasserstoff oder Kohlenmonoxid, bei erhöhter Temperatur über einen Katalysator zu leiten, so daß alle Schwefelverbindungen zu Schwefelwasserstoff reduziert werden. Der Schwefelwasserstoff wird durch geeignete Lösungsmittel ausgewaschen und in den Claus-Prozeß zurückgeführt (GB-PS 1 332 337, DT-PS 22 14 959, Chemical Engng. vom 13.13.71, Seite-71). Nachteil dieser Verfahren ist die Hintereinanderschaltung eines katalytischen Prozesses und eines Waschprozesses verbunden mit der Notwendigkeit, ein geeignetes Reduktionsmittel einsetzen zu müssen.
  • Nach einem anderen Verfahren zur Reinigung von Claus-Ofen-Abgas wird zunächst eine Totaloxidation aller Schwefelverbindungen zu-Sclierefeldioxid und dann eine Schwefeldioxidwäsche vorgenommen. Das wieder abgetriebene Schwefeldioxid wird anschließend mit Schwefelwasserstoff in einem katalytischen Reaktor zu Elementarschwefel umgesetzt. (Chem.Engng.
  • ProgrAugust 1972, -Seite 51/52). Die Kompliziertheit des Verfahrens ergibt sich aus dem in dieser Veröffentlichung gezeigtem Schema.
  • Schließlich kann Claus-Ofen-Abgas zu Schwefeldioxid oxidiert werden, das sodann über einen Vanadin-Kontakt geleitet und in verdünnte Schwefelsäure umgewandeliwird.(vgl. G.L. Farr, Oil and Gas Journ., 19.10.70, S. 72 -75). Die verdünnte Schwefelsäure muß in einem eigenen Konzentrator eingedampft werden.
  • Eine Weitere Verfahrenskategorie bilden die trockenen Verfahren, bei denen an einem Katalysator aus Aktivkohle oder Aluminiumoxid das Claus-Ofen-Abgas im hinsichtlich des Gleichgewichts bereits günstiger liegenden Temperaturbereich von 120 bis- I5O0C zu Elementarschwefel umgesetzt wird. (DT-AS 1 544 084, 1 667 636, 1 943 297). Diese Verfahren sind zwar verhältnismäßig einfach in der Durchführung, ihre Unzulänglichkeit besteht jedoch darin, daß auch bei den angegebenen Temperaturen infolge der naturgemäß nicht überschreitbaren Gleichgewichtslage gewisse Restgehalte~ im Abgas unvermeidlich sind.
  • Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren bereitzustellen, daß bei hoher Niirtschaftlichkeit der Abgasreinigung einfach in der Durchführung ist und zudem keine unerwünschten oder an sich unbrauchbaren Nebenprodukte entstehen läßt.
  • Die Aufgabe wird gelöst, indem das Verfahren der eingangs genannten Art entsprechend der Erfindung derart ausgestaltet wird, daß die gebildete Schwefelsäure in die Brennkammer des Claus- Ofens zuruckgefü'lrt wird.
  • Die katalytische Bildung der Schwefelsäure kann an jedem geeigneten Kontakt, z.B. nach dem Prinzip der Naßkatalyse vorgenommen werden.
  • Besonders zweckmäßig ist es, Aktivkohle als Katalysator für die Bildung von Schwefelsäure einzusetzen. Dies kann beispielsweise gemäß DT-AS 1 227 434 oder DT-OS 17 67 224 geschehen, in dem bei Temperaturen unter 100°C mit einer Aktivkohle gearbeitet wird, die mit Metallen wie Mn, Co, Au, Pt, Ir, Ti, Fe, Zn, Ni, Co, Cr, V, No, Sn und/öer Halbmetallen wie As, imprägniert ist. Auch Jod hat eine aktivitätssteigernde Wirkung.
  • Um den Claus-Ofen nicht unnötig mit hohen-Wassermengen zu belasten, sollte die eingesprühte Schwefelsäure nicht zu verdünnt sein. Sie sollte mindestens 20 Gew.%, zweckmäßig mehr als 40 Gew.% H2S04 enthalten. Ggfs. ist eine vorherige Konzentrierung zu empfehlen.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, die darin besteht bei der katalytischen Umsetzung an Aktivkohle gleich eine hinreichend hohe Schwefelsäurekonzentration zu erzielen, sieht vor, den Wasserdampfgehalt im schwefeldioxidhaltigen Gas auf einen Betrag entsprechend einer relativen Sättigung von 35 bis 90 % einzustellen und das Gas durch eine ununterbrochen katalytisch wirkende nichtimprägnierte Aktivkohle zu leiten, die eine BET-Oberfläche von mehr als 1ooo m2/g, ein Mikroporenvolumen von 0,5 bis 0,7 cm3/g, ein Makroporenvolumen von 0,45 bis 0,60 cm3/g und einen Hydrophobie-Quotient von 1,5 bis 2,5 b-esitzt.
  • In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, auf eine Verweilzeit des Gases im Aktivkohlebett von mehr als 5 Sekunden einzustellen und-die Umsetzung möglichst unterhalb 1200C, insbesondere bei einer Temperatur von weniger als 90°C, vorzunehmen. Die Temperatur kann durch die Luftzugabe und ggfs.
  • durch Einspritzen von Wasser geregelt werden.
  • Die in der bevorzugten Ausführungsform einzusetzende Aktivkohle, besitzt in der Regel Mikroporen mit einem Radius im Bereich von 4 bis 15 Å und Makroporen mit einem Radius im Bereich von 104 bis 5.104 Å. Der zur Charakterisierung der Aktivkohle verwendete Hydrophobie-Quotient wird aus der Benetzungswärme für Wasser und Benzol bestimmt und durch Divisicn der Benetzungswärme QB für Benzol durch die Benetzungswärme von QW für Wasser erhalten, Der eingestellte Wasserdampfgehalt bestimmt einerseits die Konzentration der ablaufenden Schwefelsäure, andererseits den erzielten Reinigungsgrad des Gases. Bei Wasserdampfgehalten an der oberen Grenze liegt die Säurekonzentration im unteren Teil des Bereiches von etwa 40 bis 60 Gew.5o'. Dabei ist die Schwefeldioxidentfernung aus dem Gas praktisch 100 %ig. Bei Wasserdampfgehalten an der unteren Grenzen werden Schwefelsäurekonzentration nahe 60 Gew.% erhaten. Dann liegt der Reinigungsgrad dds Gases bei etwa 90 bis 98 %. Sowohl hinsichtlich der Konzentration der gewonnenen Schwefelsäure als auch des Reinigungsgrades des Gases optimale Bedingungen werden erzielt, wenn der Wasserdanpfgehalt auf einen Betrag entsprechend einer relativen Sättigung von 60 bis 80 % eingestellt wird. Diese Ausführungsform gestattet eine: Reinigung bis auf einen Restgehalt an Schwefeldioxid von weniger als 1 ppm bei -Gewinnung einer Schwefelsäure einer Konzentration von etwa 45 Gew.%.
  • Die auf diese Weise erhaltene ve-rhältnismäßig konzentrierte Säure kann der Brennkammer des Claus-Ofens ohne wesentliche Belastung desselben zugeführt weraen.
  • Da dur.h die Schwefelsäure bereits ein -Oxidationsprodukt des Schwefels in die Claus-Reaktion eingebracht wird, ist der übliche Zusatz von Verbrennungsluft entsprchend zu reduzieren.
  • Die vor der katalytischén Bildung der Schwefelsäure erforderliche Oxida-tion der im-Claus-Ofen-Abgas enthaltenen Schwefelverbindungen kann durch eine Nachverbrennung erfolgen. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darein, die Oxidation an einem-Xitivkohle-Katalysator bei Temperaturen zwischen 100 und 160 0C vorzunehmen. Eine hierfür besonders geeignete Aktivkohle ist mit Alkalisilikat, vorzugsweise in Mengen von 0,5 -bis 8 Gew.% (berechnet als Si:O2)' imprägniert.
  • Der Vorzug der Verwendung von Aktivkohle für die Oxidation der Schwefelinhalte im Claus-Ofen-Åbgas, liegt insbesondere darin, daß ein Aufheizen des Gases auf höhere Temperatur vermieden und dadurch die notwendige Energie eingespart werden kann.
  • Bei der Nachverbrennung ist wie auch bei der späteren Umsetzung des Schwefeldioxides zu Schwefelsäure ein Sauerstoffüberschuß erforderlich, der mindestens das 1,5-fache der stöchiometrischen Menge ausmacht.
  • Insbesondere wenn die Claus-Ofen-Abgase noch erhebliche Gehalte an Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid aufweisen, kann in einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung vor der Oxidation der Schwefelinhalte zu Schwefeldioxid eine Nachreinigung mit-Aktivkohle unter Bildung von Elementarschwefel vorgenommen werden. Hierzu ist eine Aktivkohle mit einer BET-Oberlfäche von 1200 bis 1500 m²/g und einem durchschnittlichen Porenradius von 4 bis 12 Å besonders geeignet. Diese Kohle wird nach hinreichend hoher Beladung mit Inertgasz.B-. Stickstoff, zweckmäßigerweise bei einer Temperatur im Bereich von 300 bis 550 0C regeneriert.
  • Die Erfindung wird anhand der Figuren 1 bis 4, die schematisch das Verfahrensprinzip veranschaulichen, sowie anhand der Ausführungsbeispiele beispielsweise und näher erläut-ert.
  • In den Figuren 1 und 2 ist die Claus-Ofen-Anlage mit bezeichnet.
  • Sie besteht in der Regel aus einer Verbrennungskammer, einer Reaktions-und einer Schwefelkondensationszone. Reaktions- und Schwefelkondensationszone können auch mehrfach vorliegen.
  • Der Claus-Anlage 1 wird über Leitung 2 Schwefelwasserstoff und über Leitung 3 Luft zugeführt. Ihr-Abgas gelangt über Leitung 4 in einen zweistufigen Reaktor, an dessen unterer Katalysatorschicht 5 eine Nachreinigung der Abgase im Sinne der Claus-Reaktion zu Elementarschwefel erfolgt. Der hierbei gebildete Schwefel wird über Leitung 6 abgezogen.
  • Mittels Leitung 8 wird dem Gasstrom Luft zugesetzt, so daß am Katalysator 9, in dem teilweise noch eine Umsetzung im Sinne der Claus-Reaktion erfolgen kann, nicht umgesetzter Schwefelwasserstoff zu Schwefeldioxid oxidiert wird Das den Reaktor uber Leitung 10 verlassende Gas wird dem Reaktor 13 zur Umsetzung des Schwefeldioxids zu Schwefelsäure zugeführt.
  • Hier7u wird über Leitung 21 Wasser eingesprüht, das die Aufgabe hat, den gewünschten Wasserdampfsättigungsgrad herzustellen und durch Verdampfung eine Kiihlung des Gases zu bewirken. Bei bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung, bei der das Gas mit einer relativen Sättigung von 35 - 90% durch die ununterbrochen katalytisch wirkende, nicht imprägnierte Aktivkohle geleitet wird, ist eine Wasserzugabe entbehrlich, und statt dessen kann über Leitung 21 weitere Luft eingebracht werden.
  • Bei 15 wird das gereinigte Gas abgeführt. Über Leitung 14 wird die gebildete Schwefelsäure in die Brennkammer des Claus-Ofens zurückgeführt.
  • Figur 2 zeigt eine Variante des Verfahrens gemäß Figur 1, indem im Reaktor 13, in dem Schwefelsäure produziert wird, das Gas und abfließende Schwefelsäure im Gegenstrom zueinanrlergeführt werden. Hierdurch kann eine höhere Schwefelsäurekonzentration erreicht werden.
  • Die in Figur 3 :und 4 dargestellten Varianten des erfindunsgemm wen Verfahrens verzichten auf eine Nachreinigung der Claus-Ofen-Abgase. Sie werden :unmittelbar über Leitung 4 in die Oxidationszone 9 zur Umsetzung der Schwefelinhalte in Schwefeldioxid eingeleitet, die in diesem Fall zusammen mit der Katalysatorschicht 13 in einem Reaktor untergebracht ist. Durch Einbau eines Zwischenbodens und einer zusätzlichen Rohrleitung, läßt sich auch bei dieser Arteitsweise die in Figur 4 dargestellte Gegenstromfuhrung von Gas :und Schwefelsäure in der Katalysatorschicht erreichen.
  • Beispiel 1 (mit Bezug auf Figur 1) Einer mehrere Katalyse - und Schwefelabs cheidun gs stufen aufweisen -3 den Claus-Anlage werden über Leitung 2 396 Nm Gas der Zusammensetzung 20,2 VoL% CO2 und 79, 8 Völ. % H2S und über Leitung 3 750 Nm3 Luft zugeleitet. Die Claus-Anlage verläßt ein Gas in Mengen von 1000 Nm mit der Zusammensetzung 1,6 Vol.% H2S, 0,8 Vol.% SO2, 8,0 Vol.% CO2, 30,4Vol.% H20 und 59,2 Vol.% N2. Es gelangt in die Katalysatorschicht 5, die aus einer Aktivkohle mit einer Oberflä-2 che von 1200 bis 1500 m /g und einem häufigsten Porenradius von 4 bis 12 Å -mit 4 Gew.% Alkalisilikat (gerechnet als SiO2)+- besteht.
  • Aus der Katalysatorschicht 5 zur Nachreinigung des Abgases werden über Leitung 6 ca.21 kg Elementarschwefel abgezogen. Das austretende Gas gelangt unter Zusatz von über Leitung 8 eingetragener Luft in Mengen von 11,5 Nm³ in die Katalysatorschicht 9, die die gleiche Aktivkohle wie die Katalysatorschicht 5 enthält. Über Leitung 10 wird das Gas, das die Zusammensetzung 0,2 Vol.% SO2, 8 Vol.% CO2, 32,6 Vol.% H2O und 60,2 Vol.% N2 besitzt und eine Menge von 1000 Nm³ ausmacht, schließlich dem Reaktor 13 zugeleitet. In ihm befindet sich eine Aktivkohle mit einer BET-Oberfläche von 1400 m²/g, einem Mikro-3 3 porenvolumen von 0, 6 cm /g, einem Makroporenvolumen von 0, 55 cm3/g und einem Hydrophobie -Quotient von 1,9. Unter Zugabe von 15 Nm3 LSt über Leitung 21 werden dann 20 kg Schwefelsäure einer Konzentration von 45 Gew. % gebildet, die über Leitung 14 in die Brennkammer der Claus-Anlage zurückgeführt werden. Das über Leitung 15 abgeführte Abgas enthält weniger als 1 ppm H2S und weniger als 1 ppm SO2.
  • Beispiel 2 (mit Bezug auf Figur 3) Claus-Anlage 1, Katalysatorbett 9 und der im Reaktor 13 vorhandene Katalysator sind identisch mit denen des Beispiels 1.
  • imprägniert Der Claus-Anlage 1 werden über Leitung 2 396 Nm3 Abgas der Zusammensetzung 20,2 Vol.% CO2 und 79,8Vol.% H2S sowie über Leitung 3 700 Nm³ Luft zugeführt. Über Leitung 4 tritt ein Abgas aus, das 0,6 Vol.% H2S, 0,3 Vol.% SO2, 8 Vol.% CO2, 36 Vol.% H2O und 54,4 Vol.% N2 enhält. Es gelangt mit über Leitung 8 in 3 Mengen von 94 Nm zugeführter Luft in den Katalysator 9. Die aus 3 dieser Schicht austretenden 1110 Nm Abgas mit ca. 0, 9 Vol. % SO2 treten in die Katalysatorschicht 13 ein, in der unter Zugabe von 80 kg Wasser, das über Leitung 21 eingetragen wird, 90 kg Schwefelsäure einer Konzentration von 45 Gew. % gebildet werden. Diese Schwefelsäure wird über Leitung 14 in die Brennkammer der Claus-Anlage 1 zurückgeleitet.
  • Das Abgas wird über Leitung 15 abgeführt. Es enthält weniger als 1 ppm H2S und weniger als 200 ppm S02.
  • - Patentansprüche -

Claims (5)

  1. Patentansprüche Verfahren zur Reinigung von Claus-Ofenabgasen durch Oxidation der Schwefelinhalte zu Schwefeldioxid und katalytische Bildung von Schwefelsäure , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die gebildete Schwefelsäure in die Brennkammer des Claus-Ofens zurückgeführt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a dur c h g e k e n n z e i c h -n e t, daß die katalytische Bildung der Schwefelsäure an Aktivkohle vorgenommen wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, d a du r c h g e k e n n z e i c h -n e t, daß zur katalytischen Bildung der Schwefelsäure der Wasserdampfgehalt des schwefeldioxidlialtigen Gases auf einen Betrag entsprechend einer relativen Sättigung von 35 - 90% eingestellt und das Gas durch eine ununterbrochen katalytisch wirkende, nicht imprägnierte Aktivkohle geleitet wird, die eine BET-Oberfläche 2 3 von mehr als 1000 m /g, ein Mikroporenvolumen von 0, 5 - 0, 7 cm /g 3 ein Makroporenvolumen von 0, 45 - 0, 60 cm /g und einen Hydrophobie-Quotient von 1, 5 - 2, 5 besitzt.
  4. 4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Oxidation der Schwefelinhalte zu Schwefeldioxid an einer Aktivkohle vorgenommen wird, die mit Alkalisilikat in Mengen von 0, 5 - 8 Gew. % (berechnet als SiO2) imprägniert ist.
  5. 5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Claus-Ofenabgase vor ihrer Nachverbrennung einer Reinigung an einer Aktivkohle unterworfen werden, die eine BET-Oberfläche von 1200 bis 2 1500 m /-g und einen durchschnittlichen Porenradius von 4 bis 12 Q besitzt.
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