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Diese
Erfindung bezieht sich auf die Rückgewinnung
von Schwefel aus einem Ammoniak und Schwefelwasserstoff enthaltenden
Gasstrom.
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Schwefelwasserstoff
und Ammoniak enthaltende Abgasströme treten häufig in Raffinerien auf. Weil
Schwefelwasserstoff und Ammoniak giftige Gase sind, müssen solche
Abgasströme
in geeigneter Weise behandelt werden, bevor sie in die Atmosphäre ausgetragen
werden. Obwohl solche Gasströme
als Speisestrom für
den Claus-Prozeß verwendet werden
können,
muß Sorge
dafür getragen
werden, daß sichergestellt
wird, daß sämtlicher
Ammoniak stromauf der katalytischen Stufen des Prozesses zerstört wird,
weil restlicher Ammoniak dazu neigt, mit Schwefeldioxid unter Bildung
von Ammoniumsalzen zu reagieren, die den Katalysator blockieren
oder vergiften. Diese Probleme nehmen in ihrem Schweregrad mit wachsender
Ammoniakkonzentration im Abgasstrom zu.
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Als
Ergebnis, insbesondere, wenn die Ammoniakkonzentration im Abgasstrom
oberhalb 30 Volumenprozent liegt, ist es die Praxis des Standes
der Technik, zwei gesonderte Verbrennungszonen am Frontende des
Claus-Prozesses einzusetzen. Der gesamte, Ammoniak und Schwefelwasserstoff
enthaltende Abgasstrom wird in eine stromaufwärtige Verbrennungszone zugeführt. Der
Abgasstrom wird typischerweise mit einem Teil eines anderen Abgasstroms
vermischt, der Schwefelwasserstoff, aber im wesentlichen keinen
Ammoniak enthält.
Der Rest des anderen Abgasstroms wird in eine stromabwärtige Verbrennungszone
zugeführt.
Dementsprechend wird irgendwelcher Ammoniak, der in der stromaufwärtigen Verbrennungszone
noch nicht zerstört
wird, in der stromabwärtigen
Verbrennungszone verbrannt. Solche Prozesse sind beispielsweise
der WO-A-88/02350 und EP-A-0 325 286 beschrieben.
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Die
EP-B-0 034 848 beschreibt das Zerstören des Ammoniakgehalts eines
Abgasstroms durch Zuführen
des Gasstroms in das äußere von
zwei konzentrischen Rohren, die Teil eines Brenners bilden. Ein
ammoniakfreier Schwefelwasserstoffstrom wird in das innere konzentrische
Rohr zugeführt.
Die beiden Rohre münden
in eine Mischkammer, deren stromabwärtiges Ende in einer Brennkammer
endigt. Obwohl nur eine einzige Verbrennungszone nominell eingesetzt
wird, treten Schwierigkeiten bei der Herstellung und beim Betrieb
der Mischkammer dahingehend auf, daß die erzeugten hohen Temperaturen sie
nicht beschädigen.
Der Grund für
die Verwendung der Mischkammer liegt darin, sicher zu stellen, daß die zu
verbrennenden Gase sorgfältig
stromauf der Brennkammer mit verbrennungsunterstützender Luft vermischt werden.
Eine innige Vermischung wird als notwendig erachtet, um sicherzustellen,
daß sämtliches
Ammoniak durch Verbrennung zerstört
wird.
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Die
WO-A-9626157 betrifft den Betrieb einer thermischen Stufe eines
Claus-Prozesses, in welchem ein Brenner eingesetzt wird, der mit
vier koaxialen Gasströmen
gespeist wird.
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Ein
mittiger Strom ist reich an Ammoniak, ein äußerster Strom ist reich an
Schwefelwasserstoff. Zwischen diesen beiden Strömen eingebettet sind ein innerer
Strom aus Sauerstoff und ein äußerer Strom
aus Luft.
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Wir
haben festgestellt, daß die
thermische Dissoziation von Ammoniak zu Stickstoff und Wasserstoff
eine wichtige Rolle bei seiner Zerstörung bilden kann. Vorausgesetzt,
daß innerhalb
der Flammenzone ein Bereich oder Bereiche ausreichend hoher Temperatur
für das
thermische Cracken von Ammoniak erzeugt werden kann bzw. können, ist
es weder notwendig, zwei getrennte Verbrennungs- oder Flammenzonen
einzusetzen, noch im Fall einer Einfachflammenzone, eine diskrete
Mischkammer stromauf derselben einzusetzen.
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Gemäß der Erfindung
ist ein Verfahren zur Rückgewinnung
von Schwefel aus einem ersten Gasstrom, der Schwefelwasserstoff
und mindestens 50 Volumenprozent Ammoniak enthält, und aus einem zweiten Gasstrom
vorgesehen, der Schwefelwasserstoff, aber im wesentlichen kein Ammoniak enthält, wobei
der erste Gasstrom, der zweite Gasstrom und Verbrennungsunterstützungsgas,
das mindestens einen Strom aus im wesentlichen reinem Sauerstoff
oder sauerstoffangereicherter Luft umfasst, in eine einzige Verbrennungszone
oder eine Mehrzahl von Verbrennungszonen parallel zueinander ohne
vorherige Vermischung von brennbarem Gas mit Sauerstoff oder Luft
zugeführt
werden und in der oder jede Verbrennungszone mindestens ein Bereich
erzeugt wird, in welchem ein thermisches Cracken von Ammoniak stattfindet,
und wobei aus dem Reaktor ein Schwefeldampf, Schwefeldioxid und Schwefelwasserstoff,
aber im wesentlichen kein restliches Ammoniak enthaltender Abgasstrom
erzeugt wird und wobei die oder jede Verbrennungszone durch Betrieb
eines Brenners aufrecht erhalten wird, wobei weiter eine erste Strömung des
ersten Gasstroms aus einem ersten Mündungsbereich des Brenners
in die Verbrennungszone zu geführt
wird, mindestens eine zweite Strömung
eines verbrennungsunterstützenden
Gases aus der Brennermündung
zum Austritt gebracht wird und sich mit dem ersten Gasstrom in der
Flamme vermischt, mindestens eine dritte Strömung des zweiten Gasstroms
aus einem zweiten Brennermündungsbereich,
der den ersten Brenner umschließt
und davon beabstandet ist, in die Flamme zugeführt wird, und mindestens eine
vierte Strömung
eines verbrennungsunterstützenden
Gases zum Austritt aus der Brennermündung gebracht wird und sich
in der Flamme mit dem zweiten Gasstrom vermischt, dadurch gekennzeichnet, daß mindstens
eine fünfte äußerste Strömung aus verbrennungsunterstützendem
Gas mit anderer Zusammensetzung als die zweite und die vierte Strömung ebenfalls
zur Vermischung mit dem zweiten Gasstrom in der Flamme gebracht
wird.
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Gewünschtenfalls
kann ein einziger Brenner oder eine Mehrzahl von Brennern in die
oder jede Verbrennungszone hineinbrennen.
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Das
Verfahren nach der Erfindung ist besonders zur Verwendung geeignet,
wenn der erste Gasstrom mindestens 60 Volumenprozent Ammoniak enthält.
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Das
Verfahren nach der Erfindung macht es möglich, eine relativ niedrige
Temperatur in der äußersten
Stufe der Flamme im Vergleich mit einer Temperatur oberhalb von
2000°C in
der innersten Stufe zu erreichen. Eine solche hohe Temperatur in der
innersten Stufe erleichtert die Zerstörung des Ammoniaks im ersten
Gasstrom.
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Vorzugsweise
erstreckt sich die Flamme im Allgemeinen in Längsrichtung innerhalb des Ofens. Der
Ofen ist typischerweise mit horizontaler Längsachse angeordnet, und deshalb
ist der Brenner typischerweise ebenfalls mit seiner Längsachse
horizontal verlaufend angeordnet. Solche Anordnungen können dazu
beitragen, die Gefahr der Beschädigung
einer etwaigen feuerfesten Auskleidung, die im Ofen eingesetzt wird,
niedrig zu halten.
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Die
zweite und die vierte Strömung
aus verbrennungsunterstützendem
Gas haben vorzugsweise beide einen Molanteil von mindestens 0,22
und können
sauerstoffangereicherte Luft mit mindestens 50 Volumenprozent Sauerstoff
oder reiner Sauerstoff sein. Das dritte oxidierende Gas ist vorzugsweise
atmosphärische
Luft, die weder mit Sauerstoff angereichert noch daran erschöpft ist,
obwohl eine Anreicherung von bis zu 25 oder 30 Volumen prozent Sauerstoff
oder höher
je nach Zusammensetzung der ersten und zweiten Gasströme grundsätzlich annehmbar
ist.
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Das
Vermischen des ersten Gasstroms mit dem ersten verbrennungsunterstützenden
Gas wird vorzugsweise durch Leiten mindestens eines Teils des ersten
verbrennungsunterstützenden
Gases entlang eines Pfads oder Pfaden erleichtert, die einen vom
ersten Gasstrom durchströmten
Pfad oder Pfade treffen. Dementsprechend haben der zweite Auslaß oder mindestens
einige Auslässe
der zweiten Gruppe von Auslässen
vorzugsweise eine Achse, die unter einem Winkel zur Achse des ersten
Auslasses oder den Achsen mindestens einiger Auslässe der zweiten
Gruppe von Auslässen
verläuft.
Der Winkel liegt vorzugsweise im Bereich von 10 bis 30°. Vorzugsweise
ist die Strömung
des ersten Gasstroms axial, und die Strömung des ersten verbrennungsunterstützenden
Gases verläuft
unter einem Winkel zur Achse des Brenners. Der brennbare Gasstrom
und der erste Gasstrom können
mit der gleichen Geschwindigkeit oder mit verschiedenen Geschwindigkeiten
zugeführt
werden.
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Alternativ
kann das Vermischen des ersten Gasstroms mit dem ersten verbrennungsunterstützenden
Gas durch Leiten mindestens eines Teils des ersten verbrennungsunterstützenden
Gases mit einer ersten linearen Geschwindigkeit entlang eines Pfads
oder Pfaden mit etwa gleicher Ausdehnung und etwa parallelen Verlauf
zu einem Pfad oder Pfaden erleichtert werden, durch welche das erste
verbrennbare Gas mit einer zweiten linearen Geschwindigkeit strömt, wobei
von der ersten und der zweiten linearen Geschwindigkeit eine um
25 bis 150% (und vorzugsweise um 25 bis 100%) größer als die andere ist. Die
Vermischung wird erleichtert, weil die differentielle Geschwindigkeit
zwischen dem ersten verbrennungsunterstützenden Gas und dem ersten
Gasstrom Scherkräfte
zwischen ihnen erzeugt. Vorzugsweise wird die erste lineare Geschwindigkeit
als die größere der
beiden Geschwindigkeiten gewählt.
Diese Anordnung erleichtert die Auslegung des Ofens, um sicherzustellen,
daß sämtliches
Ammoniak darin zerstört
wird. Eine weitere Alternative oder zusätzliche Maßnahme zum Erleichtern der
Vermischung des ersten Gasstroms mit dem ersten oxidierenden Gas
besteht darin, einem oder beiden der Ströme eine Drallbewegung mitzuteilen.
Einrichtungen, die in der Lage sind, solchem Gas einem Drall mitzuteilen, sind
bekannt.
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Die
natürliche
Krümmung
der Flamme tendiert zum Erleichtern des Vermischens der vierten Strömung aus
zweitem oxidierenden Gas mit der dritten Strömung des zweiten Gasstroms.
Trotzdem wird bevorzugt, die Zufuhr der dritten und der vierten
Strömung
so anzuordnen, daß die
Mischung weiter erleichtert wird. Ähnliche Mittel wie die oben
mit Bezug auf die erste und die zweite Strömung beschriebenen können dafür eingesetzt
werden.
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Ein
besonderer Vorteil des Verfahrens nach der Erfindung ist, daß irgendwelche
in der innersten oder anderen sauerstoffreichen Stufe der Flamme gebildete
Stickstoffoxide wieder zur Stickstoff reduziert werden, mit dem
Ergebnis, daß der
Austrittsgasstrom im wesentlichen frei von Stickstoffoxiden ist.
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Das
Verfahren nach der Erfindung wird nun beispielshalber unter Bezugnahme
auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen zeigt:
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1 eine
schematische Seitenschnittansicht eines Brenners zur Verwendung
bei einem Verfahren nach der Erfindung,
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2 eine
schematische Stirnansicht der Mündung
des Brenners nach 1, und
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3 ein
schematisches Strömungsdiagramm,
das eine Einrichtung zum Zuführen
von brennbarem Gas und oxidierendem Gas zu dem in den 1 und 2 gezeigten
Brenner darstellt.
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Gemäß den 1 und 2 der
Zeichnungen hat ein Brenner 2 eine allgemein zylindrische Form
und hat ein proximales Ende 4 und ein distales Ende (oder
eine Mündung) 6.
Der Brenner 2 hat einen mittigen Kanal 8, der
durch ein innerstes Rohr 10 gebildet ist, für die Strömung eines
ersten brennbaren Gasstroms, der Schwefelwasserstoff enthält. Die Längsachse
des Brenners 2 fällt
mit der Längsachse des
Rohrs 10 zusammen. Der mittige Kanal 8 hat an seinem
distalen Ende einen ersten Auslaß 12. Ein zweites
Rohr 14 verläuft
koaxial mit dem ersten Rohr 10. Die Innenfläche des
Rohrs 14 steht in reibschlüssigen Eingriff mit der Außenfläche des
Rohrs 10. (Alternativ können
die Rohre 10 und 14 aneinander mittels einer inneren
Flansch- oder Schweißverbindung verbunden
sein). Ein drittes Rohr 16 ist vom Rohr 14 beabstandet
und damit koaxial. Die Rohre 14 und 16 bilden
einen zweiten ringförmigen
Kanal 18 für
eine zweite Strömung
aus brennbarem Gasgemisch, das Schwefelwasserstoff enthält, der
an seinem distalen Ende in seinem Auslaß 20 für das zweite
brennbare Gasgemisch endigt. Die Rohre 14 und 16 endigen
in der gleichen Ebene wie das Rohr 10.
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Eine
Anordnung von Rohren 22 verläuft von jenseits des proximalen
Endes des Rohrs 10 durch dieses und bildet Kanäle 24 für die Strömung eines ersten
oxidierenden Gasgemischs. Jeder Kanal 24 hat einen Auslaß 26.
(Diese Auslässe
werden oben als "die
zweite Gruppe von Auslässen" bezeichnet.) Die
Rohre 22 endigen in der gleichen Ebene wie das Rohr. Die
Auslässe 26 sind
typischerweise in einem Kranz angeordnet, der koaxial mit der Längsachse des
Brenners 2 ist.
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Eine
zweite Anordnung von Rohren 28 ist im Kanal 18 angeordnet,
der durch die Rohre 14 und 16 gebildet ist. Jedes
Rohr 28 bildet einen Kanal 30 für eine zweite
Strömung
aus oxidierendem Gas und endigt in einem entsprechenden Auslaß 32.
Die Rohre 28 endigen jeweils in der gleichen Ebene wie
das Rohr 10. Die Auslässe 30 der
Rohre 28 sind in einem Kranz angeordnet, der koaxial mit
der Längsachse des
Brenners 2 ist. Die jeweiligen Rohre 22 und 28 können jeweils
mit einem Stern 34 versehen sein, der zu ihrer Abstützung beiträgt, wenn
der Brenner mit seiner Längsachse
horizontal angeordnet ist, wie in 1 gezeigt.
Bezüglich
der Auswahl der tatsächlichen
Anzahlen der Rohre 22 und 28 besteht beträchtliche
Flexibilität.
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Die
Konstruktion des Brenners 2 derart, daß die jeweiligen Strömungen des
ersten und des zweiten Gasstroms und des verbrennungsunterstützenden
Gases zu ihm ermöglicht
werden, ist verhältnismäßig einfach.
Das äußere Rohr 16 ist
mit einem ersten Einlaß 36 für die Strömung des
zweiten brennbaren Gasgemischs versehen, das Schwefelwasserstoff
enthält.
Das proximale Ende des äußeren Rohrs 16 ist
mit einem damit einstückigen
oder angeschweißten
Flansch 38 ausgebildet. Der Flansch 38 ist an
einem ähnlichen
Flansch 40 angeschraubt oder sonst befestigt, der mit dem
Rohr 14 einstückig
oder verschweißt
ist. Gewünschtenfalls
kann eine Dichtung oder ein sonstiges Abdichtteil (nicht gezeigt) zwischen
den Flanschen 40 und 38 eingelegt sein, um eine
strömungsdichte
Abdichtung dazwischen sicherzustellen. Der Flansch 40 bildet
das distale Ende der Kammer 42, die das zweite oxidierende
Gas aufnimmt und einen Einlaß 44 aufweist,
durch welchen sie in Verbindung mit einer Quelle solchen oxidierenden
Gases gesetzt werden kann. Die proximalen Enden der Rohre 28 sind
alle strömungsmitteldicht
in komplementären Öffnungen
des Flansches 40 aufgenommen. Daher stehen die Rohre 26 in
Verbindung mit der Kammer 42. Die Kammer 42 hat
eine äußere Wand 46,
in welcher der Einlaß 44 gebildet ist,
der an seinem distalen Ende mit einem Flansch 48 versehen
ist, der strömungsmitteldicht
am Flansch 40 befestigt ist, und an seinem proximalen Ende
mit einem Flansch 50. Der Flansch 50 ist mit einem
komplementären
Flansch 52 verschraubt oder sonst strömungsmitteldicht daran befestigt,
der mit dem proximalen Ende des Rohrs 10 einstückig oder verschweißt ist.
Der Flansch 52 bildet eine proximale Wand der Kammer 42.
Sie bildet außerdem
eine distale Wand einer weiteren Kammer 54 mit einer Seitenwand 56 mit
einem darin gebildeten Einlaß 58, durch
welchen die Kammer 54in Verbindung mit einer Quelle des
ersten brennbaren Gases gesetzt werden kann. Die Wand 56 der
Kammer 54 hat an ihrem distalen Ende einen ersten Flansch 60,
der mit dem Flansch 52 verschraubt oder in anderer Weise strömungsmitteldicht
verbunden ist, und einen zweiten Flansch 62 an ihrem proximalen
Ende, der mit einer Stirnplatte 64 verschraubt oder auf
andere Weise strömungsmitteldicht
befestigt ist, die eine Trennwand zwischen der Kammer 54 und
einer noch weiteren Kammer 66 für das erste oxidierende Gasgemisch
bildet und in darin gebildeten Durchgangsöffnungen strömungsmitteldicht
die proximalen Enden der Rohre 22 aufnimmt, so daß diese
Rohre eine Strömung
des ersten oxidierenden Gasgemischs erhalten können. Die Kammer 66 ist
mit einem Einlaß 68 versehen,
der koaxial mit der Längsachse
des Brenners 2 ist und in Verbindung mit der Quelle des ersten
oxidierenden Gasgemischs gesetzt werden kann.
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Wie
in 1 gezeigt, erstreckt sich das distale Ende 6 des
Brenners 2 in eine Öffnung
bzw. eine Pforte 70 eines Ofens 72 für die teilweise
Verbrennung von Schwefelwasserstoff. Ein ringförmiger Kanal ist zwischen dem
distalen Ende des Brenners 2 und der Pforte 70 gebildet.
Luft wird in diesen Kanal 74 als drittes oxidierendes Gas
zugeführt.
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Gewünschtenfalls
kann das distale Ende des äußeren Rohrs 16 aus
feuerfestem Metall gebildet sein. Andere Teile des Brenners 2 können aus
rostfreiem Stahl gebildet sein.
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Im
Betrieb wird der erste Gasstrom, der ein Gesmisch aus Schwefelwasserstoff,
Ammoniak, Kohlendioxid und Wasserdampf mit mindestens 50 Volumenprozent
Ammoniak umfasst und aus dem Brenner 2 durch den Auslaß 12 austritt,
innig mit dem ersten oxidieren den Gas vermischt, das durch die Auslässe 26 austritt,
um eine erste Stufe einer Flamme zu bilden. In ähnlicher Weise wird die Strömung des
zweiten Gasstroms, die ein Gemisch aus Schwefelwasserstoff, Kohlendioxid
und Wasserdampf (aber ohne Ammoniak) umfasst und den Brenner 2 durch den
Auslaß 20 verläßt, innig
mit der Strömung
des zweiten oxidierenden Gases vermischt, welches den Brenner 2 durch
die Auslässe 32 verläßt und so
eine zweite Stufe der Flamme bildet. Eine dritte Stufe der Flamme
wird durch inniges Vermischen der durch den Kanal 74 passierenden
Luft mit dem zweiten Gasstrom gebildet, der den Brenner 2 durch
den Auslaß 20 verläßt.
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Eine
Anordnung zum Zuführen
verschiedener Gasströmungen
zum Brenner 2 ist in 3 gezeigt.
Gemäß 3 endigt
eine erste Rohrleitung 80 für saures Wasserabstreifergas
(das sowohl Schwefelwasserstoff als auch Ammoniak enthält) in dem Einlaß 58 des
Brenners 2. Das erste Strömungssteuerventil 82 ist
in der Rohrleitung 80 angeordnet. Eine zweite Rohrleitung 84 für Amingas
(das vorwiegend aus Schwefelwasserstoff besteht) endigt in dem Einlaß 36 des
Brenners 2 und weist ein darin angeordnetes zweites Strömungssteuerventil 86 auf.
Eine dritte Rohrleitung 88, die mit einer Quelle (nicht
dargestellt) des ersten oxidierenden Gases in Verbindung steht,
das aus Luft oder sauerstoffangereicherter Luft zusammengesetzt
ist, endigt in dem Einlaß 68 des
Brenners 2. Ein drittes Strömungssteuerventil 90 ist
in der dritten Rohrleitung 88 angeordnet. Eine vierte Rohrleitung 92,
die mit einer Quelle (nicht dargestellt) eines zweiten oxidierenden
Gases in Verbindung steht, das aus Luft oder sauerstoffangereicherter
Luft zusammengesetzt ist, endigt in dem Einlaß 44 des Brenners 2.
Ein viertes Strömungssteuerventil 94 ist
in der vierten Rohrleitung 92 angeordnet. Eine fünfte Rohrleitung 96,
die mit einem Gebläse
(nicht dargestellt) oder anderen Quelle verdichteter Luft (an Sauerstoff
weder angereicht noch erschöpft)
in Verbindung steht, endigt in einem Einlaß 104 zu einer Düse 106,
die mit dem ringförmigen
Kanal 74 in Verbindung steht, der zwischen der Pforte 70 und
dem Brenner 2 gebildet ist. In der Rohrleitung 96 ist
ein fünftes
Strömungssteuerventil 98 angeordnet.
Zusätzlich
verläuft
eine Rohleitung 100 durch einen Bereich der zweiten Rohrleitung 84 stromauf
des zweiten Strömungssteuerventils 86 zu
einem Bereich der ersten Rohrleitung 80 stromab des ersten
Strömungssteuerventils 82.
In dem Rohr 100 ist ein sechstes Strömungssteuerventil 102 angeordnet.
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Im
Betrieb können
die oben beschriebenen Strömungssteuerventile
so eingestellt werden, daß sie
das Gesamtmolverhältnis
von brennbaren Stoffen zu Sauerstoff bestimmen, die zur Flamme des
Brenners 2 zugeführt
werden, um die Erzeugung verschiedener örtlicher Verhältnisse
der miteinander reagierenden Spezien in verschiedenen Bereichen
der Flamme zu ermöglichen,
so dass ein heißer
innerster Bereich in der Flamme mit einer Temperatur typischerweise
oberhalb von 1700°C
aufrecht erhalten werden kann, wobei in dieser Zone sowohl die Verbrennung
als auch thermische Reaktion von Ammoniak stattfindet, so daß an der
Peripherie der Flamme eine viel niedrigere Temperatur aufrecht erhalten werden
kann, um innerhalb eines lokalisierten Bereichs der Flamme Bedingungen
zu schaffen, welche die thermische Dissoziation von Schwefelwasserstoff begünstigen,
und um sicherzustellen, daß sämtliches Ammoniak
zerstört
wird. Typischerweise werden die Zufuhrraten der Reaktanten so gesteuert,
daß das Molverhältnis von
Schwefelwasserstoff zu Schwefeldioxid in dem den Ofen verlassenden
Gasgemisch etwa 2:1 beträgt.
Innerhalb der jeweiligen Flammenbereiche jedoch kann das Molverhältnis von
Schwefelwasserstoff zu Schwefeldioxid beträchtlich variieren.
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Die
An der Flamme, die im Betrieb des Brenners gebildet wird, ist in 3 schematisch
dargestellt und hier durch die Bezugszahl 110 bezeichnet. Die
Flamme hat drei Stufen 112, 114 und 116.
Die innerste Stufe 112 ist eine Zone hoher Intensität, in welche
das erste oxidierende Gas und das erste brennbare Gas strömen. Das
erste oxidierende Gas wird mit einer Rate oberhalb der stöchiometrischen Rate
zugeführt,
die zur Oxidation sämtlichen
Ammoniaks und eines Drittels des zur innersten Stufe zugeführten Schwefelwasserstoffs
erforderlich wäre.
Tatsächlich
wird, wie unten erwähnt,
ein Teil des Ammoniaks durch thermisches Cracken zu Stickstoff und Wasserstoff
zerstört.
Kohlenwasserstoffe im ersten brennbaren Gas und Oxidation von mehr
als einem Drittel des Schwefelwasserstoffs. Eine hohe Temperatur
in der innersten Stufe 112 wird so sichergestellt. Die
Temperatur kann durch die Steuerventile 82, 90 und 102 gesteuert
werden.
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Die
innerste Stufe 114 der Flamme 110 erhält das zweite
oxidierende Gas und einen Teil des zweiten Gasstroms. Diese Stufe 114 wird
typischerweise sauerstoffarm betrieben, das bedeutet, daß die relativen
Zufuhrraten von Schwefelwasserstoff- und Sauerstoffmolekülen zu dieser
Stufe so sind, daß weniger
als ein Drittel dieses Schwefelwasserstoffs zu Schwefeldioxid oxidiert
wird. Die Sauerstoffarmut in diesem Bereich zusammen mit der von
der inneren Stufe 106 abgestrahlten Wärme begünstigen die Bildung von Schwefeldampf
durch thermisches Cracken von Schwefelwasserstoff. Da das thermische Cracken
von Schwefelwasserstoff endotherm erfolgt, bildet es einen Mechanismus
zur Mäßigung der Flammentemperatur
und hilft, die Erzeugung übermäßiger Temperaturen
in der äußersten
Stufe 116 zu vermeiden. Des weiteren kann dies den Bedarf
für Stickstoffmoleküle zur Mäßigung der
Flammentemperatur verringern und ermöglicht so, daß das erste und
das zweite oxidierende Gas höhere
Sauerstoffmolanteile haben können,
als das ansonsten möglich wäre. Die
Temperatur kann in der Stufe 108 durch die Strömungsrate
des ersten brennbaren Gases und seines Sauerstoffmolanteils gesteuert
werden. Die dritte oder äußerste Stufe 116 der
Flamme erhält
den Rest des zweiten brennbaren Gases und die Luft, die als das
dritte oxidierende Gas zur Rohrleitung 96 zugeführt wird.
Die Luftzufuhrrate wird so gesteuert, daß sichergestellt wird, daß in der
Stufe 116 keine übermäßige Flammentemperatur
erzeugt wird. Die gesamte Oxidationsmittelzufuhr wird so gesteuert, daß das gewünschte Verhältnis von
H2S SO2 nach dem
Abwärmekessel
(nicht dargestellt) aufrecht erhalten wird.
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Wenn
die kombinierten Zufuhrraten des ersten und des zweiten Gasstroms
auf einem spezifizierten Maximum sind, sind typischerweise die Zufuhrraten
der oxidierenden Gase jeweils auf einem Maximum. Wenn die Gesamtzufuhrrate
an brennbarem Gas abfällt,
sind verschiedene Steuerstrategien verfügbar, um geeignete Verbrennungsbedingungen
in der Flamme aufrecht zu erhalten. Am einfachsten können die
Steuerventile 94 und 98 nachgestellt werden, um
eine komplementäre
Verringerung der Strömungsrate
der oxidierenden Gase zu bewirken. Des weiteren können Mittel
(nicht dargestellt) in der Einrichtung nach 3 vorgesehen
sein, um den Molanteil an Sauerstoff in dem ersten und dem zweiten
oxidierenden Gas einzustellen. Beispielsweise können zusätzliche Strömungssteuerventile (nicht dargestellt)
in Rohrleitungen (nicht dargestellt) vorgesehen sein, welche kommerziell
reinen Sauerstoff in die dritte und vierte Rohrleitung 88 bzw. 92 einleiten.
Dadurch kann der Sauerstoffmolanteil im ersten und im zweiten oxidierenden
Gas gesteuert werden.
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Um
wieder auf die 1 und 2 Bezug zu
nehmen, versteht es sich, daß alle
Gasströme
den Brenner 2 im wesentlichen axial verlassen. Ein Vermischen
zwischen dem ersten oxidierenden Gas, das den Brenner 2 durch
die Ausläße 26 verläßt, und dem
ersten brennbaren Gas, das durch die Ausläße 12 austritt, findet
daher aufgrund der Scherung zwischen den jeweiligen Gasströmen statt.
Das Maß der Scherung
wird dadurch gesteigert, daß eine
Differenzgeschwindigkeit zwischen dem ersten brennbaren Gas und
dem ersten oxidierenden Gas vorhanden ist. Bei einem illustrativen
Beispiel beträgt
die Geschwindigkeit des den Brenner 2 verlassenden ersten
oxidierenden Gases 60 m/s und die Geschwindigkeit des ersten brennbaren
Gases 40 m/s.
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Irgendwelches
in der innersten Stufe 114 oder einem sonstigen Bereich
der Flamme 110 NOx (Stickoxide)
wird nachfolgend wieder zu Stickstoff reduziert, insbesondere in
den äußeren Flammenstufen,
die reduzierend sind. Des weiteren tendiert durch die thermische
Dissoziation von Ammoniak gebildeter Wasserstoff dazu, durch Reaktion
mit Sauerstoff in der Flamme 110 zu Wasserdampf oxidiert
zu werden.