DE3212279A1 - Verfahren und vorrichtung zur verbrennung h(pfeil abwaerts)2(pfeil abwaerts)s-haltiger gase - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur verbrennung h(pfeil abwaerts)2(pfeil abwaerts)s-haltiger gaseInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrennung H2S-haltiger Gase mit Luft und/oder Sauerstoff zu elementarem
Schwefel und Abscheidung des gebildeten Schwefels aus dem Reaktionsgas. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung
dieses Verfahrens.
Die Verarbeitung von schwefelwasserstoffhaltigen Gasen
nach dem Claus-Verfahren erfolgt in Anlagen, die in einem Lastbereich zwischen 100 und 20 % betrieben werden können. Oftmals ergibt
sich jedoch die Notwendigkeit, die Anlage auch bei Lasten unter 20 % in Betrieb zu halten. Dies kann beispielsweise in Raffinerien
notwendig werden, wenn zeitweilig sehr schwefelarme Rohöle durchgesetzt werden und/oder die Kapazität nur zu einem Bruchteil ausgenutzt
wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Umsetzung H2S-haltiger
Gase zu elementarem Schwefel in einem Lastbereich von 100 bis herab zu 5 % zu schaffen, wobei auch im Niedriglastbereich ein
sicherer und störungsfreier Betrieb gewährleistet sein soll. Insbesondere soll in dem Lastbereich von 20 bis 5 % eine sichere Verbrennung
des H2S-haltigen Gases und eine nebelfreie Abscheidung des gebildeten
Schwefels erfolgen.
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Verbrennung H2S-haltiger Gase mit Luft und/oder Sauerstoff zu elementarem
Schwefel und Abscheidung des gebildeten Schwefels aus dem Reaktionsgas
BAD ORIGINAL
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in einer mit Brennern ausgestatteten Verbrennungszone, einer sich daran anschließenden Reaktionszone und mehreren Kühlzonen, in
denen aus dem Reaktionsgas, ggfs. nach vorheriger Wiedererwärmung und katalytischer weiterer Umsetzung zu Schwefel, oer gebildete
Schwefel kondensiert und dann abgeschieden wird. Das Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß man die H2S-haltigen
Gase in einem Hochlastbereich im wesentlichen durch einen oder mehrere Hauptbrenner und in einem Niedriglastbereich durch einen
By-pass-Brenner der Verbrennungszone zuführt und in dem Niedriglastbereich ferner Heizgas durch einen separaten Brenner verbrennt
und die von dem Reaktionsgas beaufschlagten Kühlflächen der Kühlzonen verringert. Dadurch, daß das H2S-haltige Gas im Niedriglastbereich
der Brennkammer durch einen separaten, für diesen Lastbereich ausgelegten By-pass-Brenner zugeführt wird und durch die Heizgasverbrennung
in diesem Lastbereich eine für die H2S-Verbrennung zu Schwefel ausreichende Reaktionstemperatur gehalten wird, wird auch bei ^
Lastbereich von 20 bis 5 % eine sichere H2S-Konvertierung von über 90 %
zu Elementarschwefel erreicht. Durch die Reduzierung der mit Reaktionsgas beaufschlagten Kühlfläche im Niedriglastbereich wird die Bildung
von Schwefelnebeln in den Kühlzonen vermieden und eine nebelfreie Schwefel kondensation erreicht. Die Reduzierung der Kühlfläche
im Niedriglastbereich hat bei einer Wiederaufheizung des aus den Kühlzonen abströmenden Reaktionsgases in In-Iine-Brennern den
weiteren Vorteil, daß Heizgas eingespart wird, wenn die In-line-Brenner
mit Heizgas betrieben werden, bzw. der Schwefelrückgewinnungsgrad des gesamten Prozesses erhöht wird, wenn die In-line-Brenner
mit Sauergas betrieben werden.
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Nach der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemä'Ben
Verfahrens erfolgt die Umschaltung zwischen Hochlast- und Niedriglastfahrweise bei einer Last in dem Bereich von 15 bis 40 %, vorzugsweise
bei einer Last von etwa 25 %. Im Hochlastbereich kann beispielsweise der Hauptbrenner 95 bis 20 % der Last übernehmen, während der
By-pass-Brenner konstant mit 5 % der Nennlast beaufschlagt wird. Wird hierbei in fallender Richtung eine Last von 25 % erreicht,
kann die Umschaltung in der Weise erfolgen, daß der Hauptbrenner abschaltet und der By-pass-Brenner alleine in Betrieb bleibt und
bei der Umschaltlast dann von 5 auf 25 % steigt.
Vorzugsweise schaltet man den Heizgasbrenner in Abhängigkeit von der Temperatur in der Reaktionszone oder der Verbrennungszone
zu bzw. ab. Auf diese Weise wird auch im Niedriglastbereich die Temperatur in aer Reaktionszone auf dem für die Schwefelbildung
erforderlichen Optimalwert gehalten, der im Niedriglastbereich
durch die H2S-Verbrennung alleine nicht erreicht werden kann.
Diese durch die Heizgasverbrennung erreichte Temperatur in der Reaktionszone liegt im Niedriglastbereich im allgemeinen im Bereich
von 900 bis 1150 0C. Die Heizgaszufuhr zum Heizgasbrenner wird
zweckmäßigerweise durch die Temperatur in der Reaktionszone geregelt. Im allgemeinen schaltet man die Heizgasverbrennung ein, wenn die
Last auf 40 % oder weniger, vorzugsweise auf 25 % oder weniger, abgefallen ist.
Nach der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens schaltet man die Kühlflächenbeaufschlagung mit dem Reaktions-
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gas bei einer Last in dem Bereich von etwa 40 bis 60 % um. Bei einem
Absinken der Last unter einen Wert in diesem Bereich werden die von dem Reaktionsgas beaufschlagten Kühlflächen verringert. So
wird vermieden, daß die Gasgeschwindigkeit in dem Kühler nicht zu weit abfällt und der kondensierte Elementarschwefel Nebel bildet,
die sich in den üblichen Schwefel kondensatoren nur schwer abscheiden lassen..
Weiterhin ist vorzugsweise vorgesehen, daß man die Luftzufuhr zur Verbrennungszone durch einen Prozesschromatographen
im Hochlastbereich über die Luftmenge zu der bzw. den Hauptbrenner(n) und im Niedriglastbereich über die Luftmenge zum Heizgasbrenner
regelt. Die Führungsgröße für die Regelung der Luftzufuhr bildet das H2S/SO2-Verhältnis im Reaktionsgas am Ausgang der Anlage,
d.h. nach der letzten Schwefel kondensation vor dem Eintritt des Endgases in eine thermische oder katalytische Nachverbrennung.
Für die Regelungen können an den Hauptluftventilen der Luftleitungen zu den Hauptbrennern bzw. zum Heizgasbrenner By-pass-Leitungen
mit Regelventilen vorgesehen sein, die entsprechend den vom Chromato- ■
graphen kommenden Regelbefehlen mehr oder weniger öffnen. Um eine sichere Verbrennung des H2S-haltigen Gases auch bei sehr geringer
Last zu gewährleisten, erfolgt die Prozessluftregelung zweckmäßigerweise an der Luftleitung zum Heizgasbrenner. Zweckmäßigerweise
beschränkt man die Luftzufuhr zum By-pass-Brenner auf einen Lastbereich von 8 bis 25 %. Erfolgt die Wiedererwärmung des Reaktionsgases
nach der Schwefel kondensation mittels In-line-Brennern, wird auf
die Luftzufuhr zum By-pass-Brenner bei Lasten unter 8 % verzichtet,
während bei einer Verfahrensv/eise ohne In-I ine-Brenner bis zu
5 % herab mit Luftzufuhr zum By-pass-Brenner gearbeitet wird.
Die Zufuhr der Luft zum By-pass-Brenner wird auf ein konstantes Verhältnis zum H2S-haltigen Gas eingestellt, wobei die Regelung,
wie oben ausgeführt, durch die Luftzufuhr zum Heizgasbrenner erfolgt, der im Niedriglastbereich in jedem Falle in Betrieb ist.
Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst einen Verbrennungsofen, der eine Brennkammer,
eine Reaktionskammer sowie Brenner für H2S-haltiges Gas und Heizgas
aufweist, einen Reaktionsgaskühler und wenigstens einen Schwefelkoncensator/abscheider.
Die Vorrichtung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß in der Brennkammerwandung wenigstens ein Hauptbrenner
für den Hochlastbereich und ein By-pass-Brenner und ein Heizgasbrenner für den Niedriglastbereich vorgesehen sind, und
daß die Kühlflächen des Schwefelkondensator/abscheiders unterteilt
sind und ein Teil der Kühlflächen absperrbar ist. Während ein Heizgasbrenner bei den bisherigen Claus-Öfen lediglich zum Anfahren
in Betrieb genommen wurde, dient er bei der erfindungsgemäSen
Vorrichtung dazu, das Absinken der Reaktionstemperatur im Niedriglastbereich
infolge der zu geringen Wärmeentwicklung aus der H2S-Verbrennung
zu vermeiden. Der Heizgasbrenner hat somit im Niedrigiastbereich
eine Dauerfunktion. Die Absperrung eines Teils der Kühlfläche·",
gewährleistet, daß im Niedriglastbereich eine bestimmte Massengescwir,-digkeit
in den Kühlrohren nicht unterschritten und somit eine Bildung von Schwefel nebel η in der Gasphase vermieden wird. Wenn atr
Schwefelkondensator/abscheider ein von einem Kühlmittel umströmtes
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Rohrbündel aufweist, sind erfindungsgemäß separate Gaszuführungsstutzen
für die zentralen Rohre und für die Rohre des äußeren Ringbereiches des Rohrbündels vorgesehen und ist in der Gasleitung
zur Beaufschlagung der zentralen Rohre ein. Absperrorgan angeordnet. Mit Hilfe des Absperrorgans können die zentralen Rohre im Niedriglastbetrieb
von dem Gasstrom abgesperrt werden. Die Absperrung der zentralen (inneren) Rohre gewährleistet, daß die zentralen (abgesperrten)
Rohre von einem ausreichend temperierten Kühlmittel (Wasser) umströmt werden, so daß eine Verfestigung des Schwefels in diesen
nicht mit Reaktionsgas beaufschlagten Rohren verhindert wird.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen
Figur 1 eine schematische Darstellung des Verbrennungsofens
mit den Brennern für Sauergas und Heizgas;
Figur 2 eine vergrößerte Teildarstellung des Verbrennungsofens
mit den Gaszuführungen und den zugehörigen Regeleinrichtungen;
Figur 3 eine schematische Darstellung des dem Verbrennungsofen nachgeschalteten Teils der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
Figur 4 einen der in der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzten Schwefel kondensatoren in vergrößertem Maßstab.
Nach Figur 1 umfaßt der Verbrennungsofen 1 eine Brenn-
kammer 1 und eine Reaktions kammer 1 , an die sich die erste Stufe des
Prozessgaskühlers 1 anschließt. Zwischen den Kammern 1a und 1
ist durch eine Stauwand 1 eine Verengung geschaffen. Das durch Leitung 2 herangeführte Sauergas kann durch Leitung 2a dem Hauptbrenner
zugeführt werden, der als Mehrdüsenbrenner ausgebildet ist. Das Sauergas kann ferner über die By-pass-Leitung 2 einem By-pass-Brenner
4 zugeführt werden. Ferner weist die Brennkammer 1a einen
zentralen Heizgasbrenner 5 auf, der durch Leitung 6 mit Heizgas beaufschlagt wird.
Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, enthal-ten die Sauergasleitungen
2a und 2 sowie auch die Heizgasleitung 6 Regelventile 8a,S
bzw. 9, deren Bedeutung weiter unten beschrieben wird. Sauerstoff bzw. Luft wird den Brennern 3,4,5 von der Leitung 7 über die Teilleitungen
7 ,7 bzw. 7 zugeführt, in denen ebenfalls Regelventile 10a,10 bzw. 10 angeordnet sind. Die Sauergasversorgung der In-line-Brenner
erfolgt durch Leitung 2C.
Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, sind die Ventile 8 ,8υ,9
und 10a bis 10C in ein Regelsystem integriert, durch das eine geregelte
Zuführung von Sauergas, Heizgas und Luft zu den Brennern 3 bis 5 rccglicn
ist. Die Betätigung des Heizgasventils 9 wird von einem Temperaturfühler
11 in der Reaktionskammer 1 des Ofens geregelt, desgl. über einen Verhältnisregler das Luftventil 10C in der zugehörigen
Luftleitung 7C. Die Regelung der Verbrennungsluft erfolgt von
einem Prozesschromatographen (nicht dargestellt), der das H-.S/SCL -Verhältnis
im Reaktionsgas am Ausgang, d.h. nach der letzten Schwefel-
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kondensation vor Eintritt des Gases in eine thermische oder katalytische
Nachverbrennung, ermittelt. Diese Führungsgröße dient im Lastbereich zwischen 25 und 100 % zur Regelung der'Verbrennungsluftmenge
durch Leitung 7a mittels eines Ventils 12 in einer By-pass-Leitung 13
zum Ventil 10a. Bei Lasten unter 25 % wird vom Prozesschromatographen
über Steuerleitung 14 die Verbrennungsluftzugabe zum Heizgasbrenner 5
mittels Ventil 15 geregelt, das in einem By-pass 16 zum Luftventil 10 angeordnet ist.
Nach Figur 3 strömt das Reaktionsgas aus dem Ofen 1 zunächst durch einen ersten Reaktionsgaskühler 1 , in dem es auf eine Temperatur,
die mindestens 10 bis 20 0C oberhalb des Schwefeltaupunktes
des Gases liegt, abgekühlt und so eine Schwefelkondensation weitestgehendgehend vermieden wird. Dabei erfolgt die Gaskühlung unter
Erzeugung von Mitteldruckdampf. Das Reaktionsgas wird dann in einem Kühler/Kondensator/Abscheider 20 auf eine Temperatur unterhalb
des Schwefeltaupunktes abgekühlt. Dabei wird ein wesentlicher
Teil des gebildeten"Schwefels abgeschieden. Die Temperatur des abgekühlten Reaktionsgases liegt beispielsweise in dem Bereich
von 180 bis 220 0C. Anschließend wird das Gas in einer Brennkammer 21
mittels In-line-Brenner beispielsweise auf 220 bis 300 0C aufgeheizt.
Hierzu werden in der Brennkammer 21 durch Leitung 22 zugeführtes Sauergas mit durch Leitung 23 zugeführter Luft verbrannt. Das
Gas wird dann an einem Claus-Kontakt 24 weiter umgesetzt und anschließend in dem Kühler/Kondensator 25 von dem gebildeten Schwefel
befreit. Das auf 140 bis 180 0C abgekühlte Gas wird in einer weiteren
Brennkammer 26 wiederum durch Verbrennen von Sauergas (Leitung 27)
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mit Luft (Leitung 28) aufgeheizt, z.B. auf 180 bis 250 0C, an dem
Claus-Kontakt 29 weiter umgesetzt und schließlich in dem Kühler/Kondensator 30 zur Schwefel kondensation abgekühlt. Nach der Abkühlung auf
120 bis 150 0C und Abscheidung des Schwefels gelangt das Gas zu einer
dritten und ggfs. vierten Claus-Kontaktstufe und/oder zu einer Nachverbrennungseinrichtung.
Der in Figur 3 dargestellte Kühler/Abscheider 20,25,30 ist in Figur 4 in vergrößertem Maßstab zu sehen. Er weist zwischen
Rohrboden ein Rohrbündel auf, dessen zentrale Rohre 34 durch einen
Rohrstutzen 38 mit Gas beaufschlagt werden können,, während die Rohre 35 in dem die zentralen Rohre 34 umgebenden Ringraum durch
einen Stutzen 38a mit Gas beaufschlagt werden können. Die Gaszuführung
zu dem Kondensator 30 erfolgt durch Leitung 32, wobei die zentralen Rohre 34 durch Leitung 32 mit dem Absperrorgan 33 beschickt werden,
während die Rohre 35 im Ringraum über die Teilleitung 32a beschickt
werden. Abströmseitig des Rohrbündels befindet sich der Abscheider,
an dem die gebildeten Schwefel tröpfchen abgeschieden werden. Der flüssige Schwefel sammelt sich in der Falle 39 und wird durch
Leitung 37 abgezogen. Das Reaktionsgas verläßt den Abscheider durch Leitung 31. Diese Konstruktion erlaubt eine Reduzierung
der Kühlfläche auf die in dem Ringraum befindlichen Rohre 35 durch Absperrung der Leitung 32 , wenn die Last auf einen bestimmten
Wert, z.B. auf 50 % gefallen ist.
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1. Betrieb in einem Lastbereich von 100 bis 25 %
5 % des H2S-ha1tigen Gases werden mengengeregelt zum
By-pass-Brenner 4 gefahren und ohne Verbrennungsluft in die Verbrennung;
zone 1a geleitet. Die restlichen 20 bis 95 % werden druckgeregelt
mit der für den Prozess erforderlichen Luftmenge im Hauptbrenner
verbrannt, wobei die für die In-line-Brenner 21,26 erforderliche
Sauergasmenge von dieser Menge abgezogen werden kann. Der nicht in Betrieb befindliche Heizgasbrenner 5 wird mit einem Teil der
Verbrennungsluft oder einem Inertgas gespült, um das Eindringen von Schwefel dämpfen in den Brenner zu verhindern. Bei Unterschreiten
der Reaktionstemperatur, im allgemeinen etwa 1000 °C, in der Brennkammer
1a oder der Reaktionskammer 1 wird der Heizgasbrenner gezündet und die Spülung abgestellt. Der Prozesschromatograph
regelt die Luftmenge zum Hauptbrenner 3.
2. Betrieb in dem Lastbereich von 25 bis 5 %
Bei Erreichen einer Last von 25 %, d.h. 20 % zum Haup.tbrenner
3 und 5 % zum By-pass-Brenner 4, wird der Hauptbrenner abgeschaltet und mit Inertgas gespült. Die Sauergasmenge wird
druckgeregelt im By-pass-Brenner 4 mit der für den Prozess erforderlichen
Luftmenge verbrannt. Ist der Heizgasbrenner 5 nicht in Betrieb, wird er spätestens jetzt gezündet, um einen sicheren
Betrieb bis herab auf 5 % Last zu gewährleisten. Die Regelung der Prozessluftmenge vom Prozesschromatographen erfolgt durch Ventil
in dem By-pass 16 zu dem Luftventil 10c der Luftleitung 7C zum Brenner ί
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3. Lastbereich von 25 bis 5 % bei Betrieb der In-line-Brenner mit
Sauergas
Die Verbrennung des Sauergases in den In-line-Brennern 21,26
und ggfs. weiteren In-line-Brennern erfolgt im Bereich zwischen stöchiometrischer
Luftmenge für Verbrennung zu SO2 (λ = 0,9 bis 0,95)
und für Verbrennung zu Schwefel zwecks Vermeidung eines O2-Überschusses.
Um eine Unterschreitung des Mindestverhältnisses Luft zu Sauergas zum By-pass-Brenner 4 zu vermeiden (Aufrechterhaltung der Flamme),
wird dieses Verhältnis vorgegeben und mit ihm der By-pass-Brenner unterstöchiometrisch betrieben. Die Feinregulierung der Prozessluftmenge
erfolgt wie unter 2. angegeben. Bei Erreichen einer Mindest-Sauergasmenge,
z.B. 10 bis 15 % (in Abhängigkeit von der Sauergaskonzentration und der Sauergasmenge zu den In-line-Brennern), wird
die Luftzufuhr zum By-pass-Brenner 4 abgeschaltet. Die Luftregelung erfolgt wie bisher über die Verbrennungsluft für das Heizgas.
Die Umsetzung zu Elementarschwefel erfolgt dann hauptsächlich
in der Reaktionszone 1 des Verbrennungsofens 1.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können die Variationen der Last auf Änderungen des Gasdurchsatzes beruhen, darüberhinaus
auch auf Schrankungen der H2S-Konzentration.
Claims (9)
1. Verfahren zur Verbrennung H2S-haltiger Gase mit Luft
und/oder Sauerstoff zu elementarem Schwefel und Abscheidung des Schwefels aus dem Reaktionsgas, in einem Lastbereich-von 100 bis
5 %, in einer mit Brennern ausgestatteten Verbrennungszone, einer
sich daran anschließenden Reaktionszone und mehreren Kühlzonen,
in denen aus dem Reaktionsgas, ggfs. nach vorheriger Wiedererwärmung und katalytischer weiterer Umsetzung zu Schwefel, der gebildete
Schwefel kondensiert und dann abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, daß man die H2S-haltigen Gase in einem Hochlastbereich im
wesentlichen durch einen oder mehrere Hauptbrenner und in einem Niedriglastbereich durch einen By-pass-Brenner der Verbrennungszone
zuführt und in dem Niedriglastbereich ferner Heizgas durch einen separaten Brenner verbrennt und die von dem Reaktionsgas beaufschlagter
Kühlflächen in den Kühlzonen verringert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man bei einer Last in dem Bereich von 15 bis 40 %, vorzugsweise
bei 25 %, zwischen Hochlast- und Niedriglastfahrweise umschaltet.
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3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß man den Heizgasbrenner in Abhängigkeit von der Temperatur
in der Reaktionszone oder Verbrennungszone zu- bzw. abschaltet.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man das Heizgas bei einer Last von 40 % oder
weniger, vorzugsweise 25 % oder weniger verbrennt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Kühlflächenbeaufschlagung mit dem
Reaktionsgas bei einer Last in dem Bereich von 40 bis 60 % umschaltet.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die Luftzufuhr zur Verbrennungszone von
einem Prozesschromatographen im Hochlastbereich über die Luftmenge zu der bzw. den Hauptbrenner(n) und im Niedriglastbereich über
die Luftmenge zum Heizgasbrenner regelt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man die Luftzufuhr zum By-pass-Brenner auf
einen Lastbereich von 8 bis 25 % beschränkt.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem Verbrennungsofen, der eine
Brennkammer, eine Reaktionskammer und Brenner für HrS-haltiges
Gas und Heizgas aufweist, einem Reaktionsgaskühler und wenigstens einem Schwefelkondensator/Abscheider, dadurch gekennzeichnet daß
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in der Brennkammerwandung wenigstens ein Hauptbrenner (3) für den Hoch!
bereich und ein By-pass-Brenner (4) und ein Heizbrenner (5) für den Niedriglastbereich vorgesehen sind, und daß die Kühlflächen
des Schwefelkondensator/abscheiders (20,25,30) unterteilt sind und ein Teil der Kühlflächen absperrbar ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei welcher der Schwefelkondensator/abscheider
ein von einem Kühlmittel umströmtes Rohrbündel aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß separate Gaszuführungsstutzen
(38b,38a) für die zentralen Rohre (34) und für die Rohre (35)
des äußeren Ringbereiches des Rohrbündels vorgesehen sind und in der Gasleitung (32 ) zur Beaufschlagung der zentralen Rohre (34)
ein Absperrorgan (33) angeordnet ist.
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