DE60313441T2

DE60313441T2 - Partialoxidation von schwefelwasserstoff

Info

Publication number: DE60313441T2
Application number: DE60313441T
Authority: DE
Inventors: Stephen Rhys Graville; Jason Scott Hoboken NORMAN
Original assignee: BOC Group Ltd
Current assignee: BOC Group Ltd
Priority date: 2002-02-22
Filing date: 2003-02-20
Publication date: 2008-01-03
Anticipated expiration: 2023-02-21
Also published as: ATE360599T1; EP1483199B1; EP1483199A1; WO2003070633A1; AU2003208425A1; DE60313441D1; US7354564B2; ES2281624T3; GB0204224D0; US20050180913A1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf die teilweise Oxidation von Schwefelwasserstoff, insbesondere die teilweise Oxidation von Schwefelwasserstoff in einem Gasstrom, der mindestens eine aromatische Kohlenwasserstoffverunreinigung enthält.
Obwohl aliphatische Kohlenwasserstoffverunreinigungen leicht zu Kohlendioxid und Wasserdampf in dem Verbrennungsofen oder den Verbrennungsöfen eines Claus-Prozesses für die Behandlung eines Schwefelwasserstoff enthaltenden Speisegases zu oxidieren sind und üblicherweise in einem solchen Prozeß berücksichtigt werden, können aromatische Verunreinigungen nicht so leicht oxidiert werden. Benzol, Toluol, Xylol und Ethylbenzol sind übliche Verunreinigungen in Speisegasen zu Claus-Anlagen, die von manchen Erdgasquellen oder Gasquellen mit Ölablagerungen stammen, wobei die letzteren oftmals als "assoziiertes Gas" bezeichnet werden. Es tritt eine Schwierigkeit beim effektiven Zerstören solcher aromatischer Kohlenwasserstoffverunreinigungen in einem Claus-Prozeß auf. Werden die aromatischen Kohlenwasserstoffverunreinigungen nicht entfernt, führt dies im Ergebnis zu einer Verunreinigung der Katalysatorbetten der Claus-Anlage mit Kohlenstoff und Kohlenwasserstoff, mit nachfolgendem Verlust katalytischer Aktivität und daher einer reduzierten Schwefelumwandlung, einer reduzierten Katalysatorstandzeit, höheren Wartungskosten und der Notwendigkeit des Austauschs des Katalysators auf regelmäßiger Basis.
Die US-A-4 933 163 beschreibt, dass das Speisegas zu einem Claus-Prozeß Kohlenwasserstoffe enthalten kann, identifiziert diese aber nicht.
Ein bekannter Weg zur Behandlung des Problems aromatischer Kohlenwasserstoffverunreinigungen ist das Vorheizen des Speisegases und der Luft, welche die Verbrennung in dem Ofen der Claus-Anlage unterstützt, auf eine Temperatur im Bereich von 150 bis 500°C. Das Vorheizen von außerhalb der Claus-Anlage ist thermisch ineffizient und erfordert die Verwendung direkt befeuerter Heizgeräte oder Gas-Gas-Wärmetauschern. Wenn die zum Vorheizen erforderliche Wärme von der Claus-Anlage selbst entnommen wird, ist weniger Dampf für das Amin-Abstreifen in der Raffinerie verfügbar, wo die Claus-Anlage positioniert ist, und es können Schwierigkeiten beim Anfahren der Claus-Anlage auftreten.
Darüber hinaus ist das Vorheizen energieintensiv und hat eine signifikante Auswirkung auf die Kosten und die Komplexität der Claus-Anlage. Des weiteren, wenn ein Vorheizsystem an einer existierenden Brenner-Ofen-Konfiguration nachgerüstet wird, kann die Vergrößerung des Gasvolumens zum Brenner zu daraus folgenden betrieblichen Problemen hinsichtlich der Durchmischung und des Druckabfalls führen.
Im Licht dieser Probleme besteht das herkömmliche Verfahren der Behandlung aromatischer Kohlenwasserstoffverunreinigungen in einem Speisematerial zu einer Claus-Anlage darin, ein beträchtliches Volumen an aliphatischem Kohlenwasserstoffgas, normalerweise Methan, zu dem Claus-Speisematerial hinzuzufügen. Jedoch vergrößert eine solche Maßnahme die Größe und die Kosten der Claus-Einheit beträchtlich. Wenn das hinzugefügte Methan nicht effektiv verbrannt wird, kann es ebenfalls zu Problemen mit Kohlenstoffablagerung führen. Die reduzierende Natur der Gaszusammensetzungen im Ofen tendiert auch dazu, zu höherem Kohlenmonoxidkonzentrationen als Ergebnis unvollständiger Verbrennung von Methan oder anderem zum Speisegas hinzugefügtem aliphatischem Kohlenwasserstoff zu resultieren. Zusätzlich resultieren hohe Pegel von Kohlenstoffdisulfid und Carbonylsulfid typischerweise aus der Verbrennung von Methan, und diese Verunreinigungen neigen ebenfalls dazu, eine schädliche Wirkung auf den Betrieb der Anlage zu haben.
Tatsächlich, insbesondere wenn der Schwefelwasserstoffgehalt des Speisegases zu der Claus-Anlage niedrig ist, d.h. weniger als 40 Volumen-%, ist ein Ansatz, der manchmal notwendig ist, die Aufrüstung der Gasverarbeitungsanlagen, um ein Speisegas zu bilden, das einen erhöhten Schwefelwasserstoffgehalt hat. Eine Option ist das Hinzufügen einer Säuregasanreicherungsanlage, aber dies ist eine teure Lösung. Eine andere Option ist das Substituieren des zuvor verwendeten Amins in den Absorptionstürmen einer existierenden Anlage durch ein selektiveres Amin zum Absorbieren von Schwefelwasserstoff. Eine solche Option kann jedoch zu einem erhöhten Kohlendioxidpegel in dem Erdgasprodukt der Anlage führen. Eine solche Erhöhung des Kohlendioxidgehalts des Erdgasprodukts kann jedoch kommerziell unannehmbar sein.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfacheres, aber effektives Verfahren zur Sicherstellung der Behandlung aromatischer Kohlenwasserstoffverunreinigun gen in einem Speisegas zu einer Anlage für die teilweise Oxidation von Schwefelwasserstoff zu Schwefel zu schaffen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Durchführen der teilweisen Oxidation eines Teils des Schwefelwasserstoffgehalts eines Speisegasgemischs, das 10 bis 60 Volumen-% Schwefelwasserstoff sowie mindestens eine aromatische Kohlenwasserstoffverunreinigung enthält, zu Schwefel in mindestens einem Ofen vorgesehen, mit Erzeugen einer Flamme in dem Ofen, Zuführen des gesamten Speisegasgemischs in die Flamme, Zuführen von Sauerstoffmolekülen in die Flamme, wobei mindestens einige der Sauerstoffmoleküle aus einer Quelle von Sauerstoff angereicherter Luft oder reinem Sauerstoff zugeführt werden und in der Flamme mindestens ein heißer Zerstörungsbereich für die aromatische Kohlenwasserstoffverunreinigung mit einer Temperatur von mindestens 1400°C erzeugt wird, in welchem ein wesentlicher Anteil und vorzugsweise der größte Teil der aromatischen Kohlenwasserstoffverunreinigung zerstört wird und wobei die mittlere Verweilzeit des Speisegases im Ofen mindestens 0,8 Sekunden beträgt.
Wir haben überraschenderweise gefunden, dass die Zerstörungsrate aromatischer Kohlenwasserstoffe in einer Claus-Anlage besonders von der Temperatur abhängig ist. Daher sind aromatische Kohlenwasserstoffe wie beispielsweise Benzol, Toluol, Xylol und Ethylbenzol bei einer Temperatur von 1000°C schwierig zu zerstören, werden aber innerhalb von zwei Sekunden bei einer Temperatur von 1100°C effektiv zerstört. Demgemäß kann die Zufuhr von Sauerstoffangereicherter Luft oder reinem Sauerstoff mit einer Rate und zu einem Flammenbereich gewählt werden, der die notwendige Flammentemperatur für die Zerstörung eines großen Teils der aromatischen Kohlenwasserstoffe in einem stromaufwärtigen Bereich des Ofens erzeugt.
Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung bietet eine Anzahl von Vorteilen. Wenn das Speisegas von 40 bis 60 Volumen-% (oder Mol-%) Schwefelwasserstoff enthält, kann es durch das Verfahren nach der Erfindung ohne Notwendigkeit behandelt werden, es oder irgendeine Quelle von Sauerstoffmolekülen vorzuheizen (und daher kann sämtliches in den Ofen strömendes Gas in diesen auf einer Temperatur von weniger als 100°C eintreten), und ohne die Notwendigkeit zur Zugabe von Methan oder anderen Kohlenwasserstoffen. Des weiteren, wenn das Speisegas von 10 bis 40 Mol-% Schwefelwasserstoff enthält besteht keine Notwendigkeit, seine Vorbehandlung aufzubessern, wie beispielsweise zum Erhöhen seines Schwefelwasserstoffs, oder zur Zugabe von Methan oder anderen Kohlenwasserstoffen. Eine ausreichende Flammentemperatur für die Zerstörung des größten Teils der aromatischen Kohlenwasserstoffverunreinigungen in der stromaufwärtigen Hälfte des Ofens kann durch das Verfahren nach der Erfindung erzeugt werden, ggf. unterstützt durch Vorheizen des Speisegasgemischs auf eine Temperatur typischerweise im Bereich von 150 bis 500°C. Falls gewünscht, kann mindestens ein Teil der Zufuhr von Sauerstoffmolekülen zum Ofen zusätzlich oder als Alternative des Vorheizens des Speisegases vorgeheizt werden.
Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung ist besonders geeignet zur teilweisen Oxidation eines Speisegasstroms, der von 10 bis 60 Volumen-% Schwefelwasserstoff und bis zu 2 Volumen-% aromatischer Kohlenwasserstoffverunreinigungen wie beispielsweise Benzol, Xylol, Toluol und Ethylbenzol enthält. Der Rest des Speisegases ist typischerweise hauptsächlich Kohlendioxid.
Das Speisegas kann zusätzlich einen kleineren Anteil an Wasserdampf enthalten, typischerweise bis zu 5 Volumen-%. Kleine Mengen anderer gasförmiger Komponenten, beispielsweise Stickstoffund Argon, können ebenfalls im Speisegas vorhanden sein. Eine kleine Menge (bis zu 1 Volumen-%) Methan kann zusätzlich toleriert werden.
Wenn die Quelle des Speisegases eine Raffinerie zur Verarbeitung von Erdgas oder assoziiertem Gas ist, enthält das Speisegas typischerweise von 100 Teilen pro Million nach Volumen bis 1 Volumenprozent aromatischer Kohlenwasserstoffverunreinigungen.
Typischerweise ist die Quelle von Sauerstoff angereicherter Luft oder reinem Sauerstoff nicht die einzige Quelle von Sauerstoffmolekülen für die teilweise Oxidation des Schwefelwasserstoffs. Normalerweise wird auch Luft aus der Atmosphäre zugeführt. Vorzugsweise wird die Flamme durch Betrieb eines einzigen Brenners erzeugt. Der Brenner kann axial oder tangential in den Ofen feuern, in welchem die teilweise Oxidation von Schwefelwasserstoff zu Schwefeldampf stattfindet. Vorzugsweise werden die Sauerstoff angereicherte Luft oder der reine Sauerstoff einerseits und die Luft aus der Atmosphäre andererseits separat zum Brenner zugeführt.
Der Brenner ist vorzugsweise von der Spitzenmischbauart.
Vorzugsweise ist die Flamme abgestuft. Ein Abstufen der Flamme ermöglicht das Erzeugen eines oder mehrerer Hochtemperaturbereiche zur Zerstörung aromatischer Verunreinigungen in der Flamme mit einer Temperatur von mindestens 1400°C ohne Bewirken von Schaden an den normalerweise feuerfest ausgekleideten Wänden desselben, und ohne Erzeugen übermäßig hoher Temperaturen am Auslaß des Ofens.
Vorzugsweise hat die Flamme eine Mehrzahl heißer Zonen mit einer Temperatur von mindestens 1700°C.
Vorzugsweise beträgt die Austrittstemperatur des den Ofen verlassenden Gases 1050°C. Im allgemeinen gilt, je höher die Temperatur der heißesten Zone(n) der Flamme ist, desto niedriger ist die Austrittstemperatur, die toleriert werden kann. Tatsächlich kann durch Zerstörung von mindestens 75% und vorzugsweise im wesentlichen sämtlicher der aromatischen Kohlenwasserstoffverunreinigungen in der Flamme eine Austrittstemperatur von nur 1000°C toleriert werden.
Ein besonders geeigneter Brenner zur Verwendung bei dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung ist von der Spitzenmischbauart mit einem ersten mittigen Kanal für das Speisegas, der von einer Mehrzahl von umfangsmäßig verteilten zweiten äußeren Kanälen für das Speisegas umgeben ist, wobei mindestens ein Sauerstoffkanal innerhalb jedes Speisegaskanals vorgesehen ist, und die Mehrzahl von umfangsmäßig angeordneten zweiten äußeren Kanälen für Schwefelwasserstoff innerhalb eines Luftkanals angeordnet sind, wobei alle Kanäle an der Brennerspitze endigen. Der Vorteil einer solchen Anordnung liegt darin, dass sie sich für eine präzise Steuerung der relativen Anteile von Luft und Sauerstoff eignet, die bei der teilweisen Oxidation des Schwefelwasserstoffs angewendet werden, und sie ermöglicht die Erzeugung einer Mehrzahl von Hochtemperaturzonen innerhalb der Flamme, während durch Zufuhr von Luft aus der Atmosphäre mit einer geeigneten Rate sichergestellt wird, dass übermäßige Temperaturen an den Ofenwänden (die typischerweise feuerfest ausgekleidet sind) oder am Auslaß aus dem Ofen nicht erzeugt werden.
Das Verfahren nach der Erfindung wird nunmehr beispielshalber unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen zeigt:
1 ein schematisches Diagramm des Ofens einer Claus-Anlage,
2 eine Stirnansicht des Brenners, der Teil des in 1 gezeigten Ofens bildet,
3 ein schematisches Diagramm des Rests der Claus-Anlage, von welcher der in 1 gezeigte Ofen einen Teil bildet, und
4 eine Grafik, welche die Abhängigkeit der Zerstörung aromatischer Kohlenwasserstoffe von der Temperatur zeigt.
Die 1, 2 und 3 der Zeichnungen sind nicht maßstäblich.
Gemäß 1 der Zeichnungen ist eine Rohrleitung 2 für die Strömung eines sauren Abgasstroms von einer Gasraffinerie vorgesehen. Der saure Abgasstrom besteht im wesentlichen aus Schwefelwasserstoff und Kohlendioxid. Zusätzlich kann er beispielsweise kleine Mengen von Stickstoffund Argon und eine kleine und möglicherweise variable Menge von Wasserdampf enthalten. Die Schwefelwasserstoffkonzentration in dem sauren Gasstrom beträgt auf trockener Basis weniger als 60 Volumen-%. Er liegt typischerweise im Bereich von 40 bis 60 Volumen-%. Der saure Gasstrom enthält zusätzlich verschiedene aromatische Kohlenwasserstoffverunreinigungen, z.B. Benzol, Toluol, Xylol und Ethylbenzol. Die Gesamtkonzentration dieser Verunreinigungen beträgt gewöhnlich weniger als 1 Volumen-% des sauren Gasstroms (auf trockener Basis gemessen).
Die Rohrleitung 2 endigt in einem Brenner 4, der axial durch ein Ende eines Ofens 6 feuert. Der Brenner 4 und der Ofen 6 bilden Teil einer Claus-Anlage zur teilweisen Oxidation des Schwefelwasserstoffgehalts des sauren Speisegases zu Schwefel. Die Konzentration von Schwefelwasserstoff im sauren Speisegas ist so niedrig, dass Schwierigkeiten bei der Schaffung von Bedingungen im Ofen entstehen, welche die Zerstörung der aromatischen Kohlenwasserstoffverunreinigungen sicherstellen. Herkömmlicherweise wird daher entweder das Speisegas so geheizt, typischerweise auf eine Temperatur im Bereich von 150° bis 500°C, oder es wird Methan von einer externen Quelle dem sauren Speisegas beigemischt, um die für die Zerstörung der aromatischen Kohlenwasserstoffverunreinigungen geeigneten Bedingungen zu erzeugen. Gemäß der Erfindung ist jedoch keine dieser Maßnahmen notwendig, und das Speisegas gelangt aus der Rohrleitung 2 zum Brenner 4 auf einer Temperatur von weniger als 100°C und typischerweise im Bereich von 0 bis 50°C. Des weiteren wird keine externe Quelle von aliphatischem Kohlenwasserstoff im stationären Betrieb der in 1 gezeigten Einrichtung verwendet. (Falls gewünscht, kann jedoch etwas Methan zum Anfahren des Brenners 4 verwendet werden. Ein typisches Verfahren ist das Erzeugen einer stabilen Flamme unter Verwendung von Methan oder einem anderen aliphatischen gasförmigen Kohlenwasserstoff, um eine Flamme zu erzeugen, und dann die Zufuhr von Methan zu reduzieren und möglicherweise aufzuhören, während gleichzeitig die Zufuhr des sauren Speisegases von 0 auf einen gewünschten stationären Betriebsdurchsatz erhöht wird.)
Es ist nicht wesentlich, dass der Brenner 4 axial in den Ofen 6 feuert. Andere Anordnungen sind möglich. Beispielsweise kann der Brenner 4 an der Seite des Ofens 6 montiert sein und tangential in dessen Inneres feuern.
Wie unten beschrieben werden wird, ist der Brenner 4 von der Bauart mit Mischung an der Brennerspitze und hat Kanäle für die Strömung von kommerziell reinem Sauerstoff (oder Sauerstoff angereicherter Luft), und hat zusätzlich zu einer ersten Gruppe von Kanälen für das saure Speisegas eine zweite Gruppe von Kanälen von kommerziell reinem Sauerstoff oder Sauerstoff angereicherter Luft und einen dritten Kanal für mit Sauerstoff angereicherter Luft. Eine längliche, sich in Längsrichtung erstreckende Flamme wird im Betrieb des Brenners erfolgt. Die Anordnung der Kanäle in dem Brenner 4 ist derart, dass die Flamme unterschiedliche Stufen hat.
Die Hauptreaktionen, die im Ofen 6 stattfinden, sind die Verbrennung von Schwefelwasserstoff und Wasserdampf und Schwefeldioxid, wie das durch die Formel dargestellt ist: 2H₂S + 3O₂ → 2H₂O + 2SO₂ und die Claus-Reaktion, in welcher das Schwefeldioxid Schwefelwasserstoff zu Wasserdampf und Schwefeldampf oxidiert, wie durch die Gleichung dargestellt ist: 2H₂S + SO₂ → 2H₂O + 3S.
Im Hinblick auf diese Stöchiometrie ist die Anordnung normalerweise so getroffen, dass die Zufuhrrate von Sauerstoffmolekülen diejenige ist, die zum vollständigen Oxidieren eines Drittels des Schwefelwasserstoffgehalts des sauren Speisegases erforderlich ist. Die Claus-Reaktion ist nicht der einzige Weg, durch welchen Schwefeldampf gebildet wird. Er wird auch durch die thermische Dissoziation von Schwefelwasserstoff zu Wasserstoffund Schwefeldampf gebildet. Eine große Anzahl anderer Reaktionen findet auch noch statt. Zu diesen gehören die Bildung von Kohlenstoffdisulfiden (CS₂) und Carbonylsulfid (COS). Des weiteren gibt es die Zersetzung der aromatischen Kohlenwasserstoffverunreinigungen, mit welchen sich die Verbindung besonders befasst.

Verschiedene unterschiedliche Reaktionspfade hängen mit der Zersetzung der aromatischen Kohlenwasserstoffverunreinigungen innerhalb des Ofens 6 zusammen. Da Sauerstoff anwesend ist, kann die Annahme, dass die aromatischen Kohlenwasserstoffe zu Kohlendioxid oxidiert werden, grundsätzlich getroffen werden. Jedoch wird im Claus-Prozeß der Sauerstoff immer mit weniger als der stöchiometrischen Menge zugeführt, die für die vollständige Oxidation aller anwesenden oxidierbaren Spezien erforderlich ist. Daher herrschen im Ofen 6 reduzierende Bedingungen vor. Des weiteren konkurrieren im Flammenbereich des Ofens 6 der Wasserstoff, der Schwefelwasserstoff und reaktive Radikale in der Flamme um den verfügbaren Sauerstoff. Insoweit haben die relativ großen aromatischen Moleküle mit den zugeordneten großen Bindungsenergien eine ziemlich schlechte Position im Wettbewerb um Sauerstoff, was dazu führt, dass eine andere Gruppe von Reaktionen als diejenigen zur Oxidation der aromatischen Kohlenwasserstoffe auftritt. Während die Erfindung nicht auf einen besonderen Mechanismus beschränkt ist, durch welchen die aromatischen Kohlenwasserstoffe zerstört werden, glauben wir, dass der vorherrschende Mechanismus im Fall von Xylol, Toluol und Ethylbenzol über die thermische Dissoziation möglicherweise zu Benzol, und dann die Pyrolyse/Hydrolyse von Benzol zur Bildung von Kohlenmonoxid und Wasserstoff stattfindet. Die Untersuchung der verschiedenen Reaktionsenthalpien der Dissoziation der größeren Kohlenwasserstoffmoleküle zeigt, dass Xylol zu niedrigeren Reaktionsenthalpien als Toluol neigt. Toluol wiederum hat niedrigere Reaktionsenthalpien, als sie dem relativ stabilen Benzolring zugeordnet sind. Als Konsequenz tendiert Benzol, wenn einmal genügend Energie zum Zersetzen von Xylol zugeführt wird dazu, relativ schnell gebildet zu werden. In unserer Versuchsarbeit zeigten Ofenproben selten irgendwelche andere Spezien als Benzol stromab der Hauptflammenreaktionsfront. Die Dissoziationsenthalpien sind unten in Tafel 1 angegeben. Tafel 1

Thermische Zersetzung aromatischer Kohlenwasserstoffe
Ausgangsmolekül	Reaktionsprodukte	ΔH₂₉₈/kJmol^-1
p-Xylol	p-Methyl-Benzyl + H C₇H₇ + CH₃	353,2 423,8
Toluol	Benzyl + H Phenyl + CH₃	356,1 426,4
Benzol	Phenyl + H	464.2

Die Kinetik der Zerstörung verschiedener aromatischer Kohlenwasserstoffe durch die oben beschriebenen Mechanismen wurde dann mittels eines Computerprogramms bei zwei verschiedenen Temperaturen berechnet, nämlich 1000°C und 1100°C. Die Resultate bei 1100°C sind in 4(a) und bei 1000°C in 4(b) gezeigt. 4 illustriert deutlich, dass eine Änderung von 100°C in der Betriebstemperatur einen markanten Effekt auf die Zerstörungsraten der verschiedenen aromatischen Kohlenwasserstoffverunreinigungen hat. Es wurde daher geschlossen, dass, wenn hohe Temperaturen im Flammenbereich des Claus-Ofens 6 erzeugt werden könnten, eine vollständige Zerstörung der aromatischen Kohlenwasserstoffverunreinigungen selbst in herkömmlichen Öfen erreicht werden könnte, die eine mittlere Gasverweilzeit in der Größenordnung von 0,8 s haben, wodurch die Gefahr eliminiert wird, dass diese Verbindungen Schaden an stromabwärtigen katalytischen Claus-Stufen hervorrufen. (Solche Stufen werden benutzt, weil die Claus-Reaktion im Ofen 6 nicht vollständig abläuft). Der Schlüssel zu dieser Zerstörung ist die Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung, um sicherzustellen, dass die meisten der aromatischen Verbindungen in der Flamme zerstört werden.
Gemäß der Erfindung wird daher Sauerstoff-angereicherte Luft oder kommerziell reiner Sauerstoff in die Flamme zugeführt, die durch Betrieb des Brenners 4 erzeugt wird, so dass mindestens eine und vorzugsweise eine Mehrzahl von Flammenzonen mit einer Temperatur von mindestens 1400°C erzeugt wird, obwohl die Gasauslasstemperatur aus dem Ofen unterhalb 1100°C liegen kann. Bezugnehmend nun auf die 1 und 2 hat der Brenner 4 ein inneres Rohr 8, dessen distales Ende in eine Öffnung bzw. ein Feuerloch 10 des Ofens 6 hineinragt. Ein ringförmiger Kanal 12 ist zwischen dem distalen Ende des Rohrs 8 und der Öffnung 10 gebildet. Luft wird durch eine Rohrleitung 14 in den Kanal 12 zugeführt. Obwohl der leichten Darstellung halber in 1 nicht dargestellt, ist eine Vielzahl von Rohren innerhalb oder außerhalb des Rohrs 8 angeordnet. Diese Rohre sind in 2 gezeigt, die eine Stirnansicht der Spitze des Brenners 4 zeigt. Das Rohr 8 ist für die Zufuhr von saurem Speisegas vorgesehen und ist von mehreren umfangsmäßig beabstandeten äußeren Rohren 20 umgeben, die auch für die Strömung des sauren Speisegases dienen. Wie in 2 gezeigt ist, sind 8 solcher äußerer Rohre 20 vorhanden, aber es können gewünschtenfalls andere Anzahlen solcher Rohre eingesetzt werden. Eine Vielzahl von Sauerstoffrohren 22 verläuft jeweils innerhalb des inneren Speisegasrohrs 18. Die Achse jedes Sauerstoffrohrs 22 ist parallel zur Achse des Speisegasrohrs 18. Des weiteren weist jedes der äußeren Speisegasrohre 20 ein einzelnes hindurch verlaufendes Sauerstoffrohr 24 auf. Jedes der Sauerstoffrohre 24 ist koaxial mit dem Speisegasrohr 20, in dem es angeordnet ist. Typischerweise endigen sämtliche der Rohre 8, 20, 22 und 24 an ihren distalen Enden in einer gemeinsamen Ebene. Sämtliche Speisegasrohre 8 und 20 kommunizieren an ihren proximalen Enden mit einer Speisegaskammer 26 (siehe 1) am proximalen Ende des Brenners 4. Die Kammer 26 steht mit der Rohrleitung 2 in Verbindung, durch welche das saure Speisegas zugeführt wird. In ähnlicher Weise stehen sämtliche Sauerstoffrohre 22 und 24 an ihren proximalen Enden mit einer Sauerstoffkammer 28 in Verbindung, die zum proximalen Ende des Brenners 4 hin angeordnet ist und mit kommerziell reinem Sauerstoff über eine Rohrleitung 29 versorgt wird.
Im Betrieb verlässt Sauerstoff die Rohre 22 und 24 mit einer Geschwindigkeit, die markant verschieden von derjenigen ist, mit welcher das Speisegas die Rohre 18 und 20 verläßt. Der Unterschied der Geschwindigkeiten erleichtert das Vermischen des Sauerstoffs und des Schwefelwasserstoffs in der Flamme stromab der Spitze bzw. des distalen Endes des Brenners 4 und resultiert in der Schaffung eines inneren heißen Bereichs 32, der radial von einem äußeren heißen Bereich 34 innerhalb der im Betrieb von Brenner 4 erzeugten Flamme 30 beabstandet ist. Beide heißen Bereiche 32 und 34 der Flamme 30 sind so geformt, dass sie eine maximale Temperatur oberhalb von 1400°C haben, und typischerweise im Bereich von mindestens 1700°C. Andererseits kann durch Zufuhr von Luft durch den Kanal 12 zum äußeren Bereich der Flamme 30 die äußere Flammentemperatur niedrig gehalten werden, so dass kein Schaden an den Wänden des Ofens 6 verursacht wird, der normalerweise feuerfest ausgekleidet ist. Die Länge des Ofens 6 und die Geschwindigkeit, mit welcher die Gase den Brenner 4 verlassen, sind so gewählt, dass die mittlere Verweil zeit des Gases im Ofen 6 vorzugsweise nicht weniger als 0,8 s beträgt. Zusätzlich ist vorzugsweise die Anordnung so getroffen, dass die Temperatur des Austrittsgases, das durch den Auslaß 40 des Ofens 6 strömt, mindestens 1050°C beträgt, obwohl, wo eine örtliche Sauerstoffzugabe zur Bildung einer abgestuften Flamme angewendet wird (im Gegensatz zur allgemeinen Anreicherung der Luft), niedrigere Austrittstemperaturen toleriert werden können. Durch die Wahl der hohen Temperatur der heißen Bereiche 32 und 34 der Flamme 30, der Verweilzeit des Gases im Ofen 6, und seiner Auslasstemperatur kann sichergestellt werden, dass keine aromatischen Kohlenwasserstoffe aus dem Ofen 6 herausgelangen. Dementsprechend sind die Hauptbestandteile des den Ofen 6 verlassenden gasförmigen Gemischs Schwefelwasserstoff, Schwefeldioxid, Wasserstoff, Schwefeldampf, Kohlendioxid, Wasserdampf und Stickstoff. Dieses Gasgemisch wird typischerweise in herkömmlicherweise in der übrigen in 3 gezeigten Claus-Anlage behandelt.
Gemäß 3 gelangt das den Ofen 6 durch dessen Auslaß 40 verlassende Gasgemisch durch einen Abwärmekessel 50, um seine Temperatur auf ein wenig über dem Punkt zu reduzieren, bei welchem Schwefeldampf kondensiert. Stromab des Abwärmekessels 50 gelangt das Gasgemisch durch einen Kondensator 52, in welchem es unter dem Taupunkt des Schwefeldampfs abgekühlt wird, um so flüssigen Schwefel zu bilden. Der flüssige Schwefel wird im Kondensator 52 gesammelt und zur Speicherung geleitet. Das resultierende Gasgemisch strömt aus dem Kondensator 52 mit einem Verhältnis von Schwefelwasserstoff zu Schwefeldioxid im Bereich von 2: 1 durch aufeinander folgende katalytische Claus-Stufen 54, 56 und 58. Jede der Stufen 54, 56 und 58 kann entsprechend der allgemeinen Praxis im Stand der Technik eine Kette von Einheiten enthalten, die der Reihe nach aus einem Wiedererhitzer (nicht dargestellt) zum Anheben der Temperatur des Gasgemischs auf eine für die katalytische Reaktion zwischen Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid geeignete Temperatur, einen katalytischen Reaktor (nicht dargestellt), in welchem Schwefelwasserstoff mit Schwefeldioxid zur Bildung von Schwefel und Wasserdampf reagiert, und einem Schwefelkondensator (nicht dargestellt) besteht. Gewünschtenfalls, je nach den Umweltanforderungen, welche die in den Zeichnungen dargestellte Anlage erfüllen soll, kann eine oder mehrere der katalytischen Stufen 54, 56 und 58 weggelassen werden.
Das die stromabwärtigste katalytische Stufe 58 verlassende Gasgemisch kann irgendeiner von einer Anzahl bekannter Behandlungen unterzogen werden, um das Claus-Prozeß- Abgas für den Austrag in die Atmosphäre geeignet zu machen. Beispielsweise kann das Gasgemisch zu einem Hydrolysereaktor 60 gelangen, in welchem die in dem Gasgemisch vorhandenen Komponenten der Hydrolyse und Hydrogenierung unterzogen werden. Im Reaktor 60 wird irgendwelches restliches Carbonyloxid und Kohlenstoffdisulfid durch Wasserdampf hydrolysiert, um Schwefelwasserstoff zu bilden. Die Hydrolysereaktion wird über einen Katalysator durchgeführt, beispielsweise aus mit Kobalt und Molybdän imprägnierten Aluminiumoxid. Solche Katalysatoren sind auf dem Fachgebiet gut bekannt. Gleichzeitig werden restlicher elementarer Schwefel und Schwefeldioxid zur Bildung von Schwefelwasserstoff hydrogeniert. Die Hydrolyse und Hydrogenierung finden auf dem vorgenannten imprägnierten Aluminiumoxid-Katalysator auf einer Temperatur im Bereich von 300 bis 350°C statt. Das resultierende Gasgemisch, das im wesentlichen aus Schwefelwasserstoff, Stickstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf und Wasserstoff besteht, verlässt den Reaktor 60 und strömt zu einer ersten Wasserkondensationseinheit (nicht dargestellt) und dann zu einer separaten Einheit (nicht dargestellt), in welcher Schwefelwasserstoff abgetrennt wird, beispielsweise durch chemische Adsorption. Ein geeignetes chemisches Absorptionsmittel ist Methyl-Diethylamin. Gewünschtenfalls kann der Schwefelwasserstoff in den Ofen 6 rezirkuliert werden, beispielsweise durch Mischen mit im ankommenden, Schwefelwasserstoff enthaltenden Gasstrom.

Claims

Verfahren zum Durchführen der teilweisen Oxidation eines Teils des Schwefelwasserstoffgehalts eines Speisegasgemischs, das 10 bis 60 Volumen-% Schwefelwasserstoff sowie mindestens eine aromatischen Kohlenwasserstoffverunreinigung enthält, zu Schwefel in mindestens einem Ofen, mit Erzeugen einer Flamme in dem Ofen, Zuführen des gesamten Speisegasgemischs in die Flamme, Zuführen von Sauerstoffmolekülen in die Flamme, wobei mindestens einige der Sauerstoffmoleküle aus einer Quelle von sauerstoffangereicherter Luft oder reinem Sauerstoff zugeführt werden und in der Flamme mindestens ein heißer Zerstörungsbereich für die aromatische Kohlenwasserstoffverunreinigung mit einer Flamme von mindestens 1400°C erzeugt wird, in welchem ein wesentlicher Anteil der aromatischen Kohlenwasserstoffverunreinigung zerstört wird, und wobei die mittlere Verweilzeit des Speisegases im Ofen mindestens 0,8 Sekunden beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der größte Teil der aromatischen Kohlenwasserstoffverunreinigung in der Flamme zerstört wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei mindestens 75 Volumen-% der aromatischen Kohlenwasserstoffverunreinigung in der Flamme zerstört wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Speisegas bis zu 2 Volumen-% aromatischer Kohlenwasserstoffverunreinigungen enthält, die aus der Gruppe Benzol, Xylol, Toluol und Ethylbenzol ausgewählt sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Speisegas 100 Volumenteile pro Million bis 1 Volumen-% aromatische Kohlenwasserstoffverunreinigungen enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der reine Sauerstoff oder sauerstoffangereicherte Luft einerseits und Luft aus der Atmosphäre andererseits separat zu einem Brenner zugeführt werden, der zur Erzeugung der Flamme betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Flamme eine Mehrzahl heißer Bereiche hat.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei zwei heiße Bereiche in der Flamme vorhanden sind, die radial voneinander beabstandet sind.
Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, wobei die Flamme durch Betrieb eines Spitzenmischbrenners erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Brenner einen ersten zentralen Kanal für das Speisegas aufweist, der von einer Mehrzahl von umfangsmäßig angeordneten zweiten äußeren Kanälen für das Speisegas umrundet ist, wobei mindestens ein Sauerstoffkanal innerhalb jedes Speisegaskanals angeordnet ist, und wobei die Mehrzahl der umfangsmäßig angeordneten zweiten äußeren Kanäle für das Speisegas innerhalb eines Luftkanals angeordnet sind und alle Kanäle an der Brennerspitze endigen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Austrittstemperatur des den Ofen verlassenden Gases mindestens 1050°C beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Speisegasgemisch 40 bis 60 Volumen-% Schwefelwasserstoff enthält, und das Speisegasgemisch und die Sauerstoffmoleküle mit einer Temperatur im Bereich von 0 bis 100°C zur Flamme zugeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Speisegasgemisch 10 bis 40 Volumen-% Schwefelwasserstoff enthält, und das Speisegasgemisch oder die Sauerstoffmoleküle oder beide auf eine Temperatur im Bereich von 150°C bis 500°C stromauf der Flamme vorgeheizt werden.