DE69332260T2

DE69332260T2 - Verfahren zur Behandlung von Gasströmen

Info

Publication number: DE69332260T2
Application number: DE69332260T
Authority: DE
Inventors: Richard William Watson
Original assignee: BOC Group Ltd
Current assignee: BOC Group Ltd
Priority date: 1992-04-06
Filing date: 1993-04-02
Publication date: 2003-05-15
Anticipated expiration: 2013-04-03
Also published as: NZ247336A; EP0565316B1; AU666522B2; EP0565316A3; US5468458A; EP0565316A2; BR9301445A; JPH0687605A; CA2093390A1; CN1086459A; JP3434313B2; DE69332260D1; ATE223252T1; AU3546293A; CA2093390C

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf die Behandlung von Gasströmen, die Schwefelwasserstoff enthalten.
Verschiedene industrielle Prozesse, insbesondere beim Raffinieren von Öl und Erdgas, erzeugen Abgasströme, die Schwefelwasserstoff enthalten. Da Schwefelwasserstoff besonders giftig ist, ist es notwendig, solche Ströme stromauf der Entlüftung in die Atmosphäre zum Ausziehen ihres Schwefelgehalts zu behandeln. Ein bekanntes Verfahren zum Behandeln eines Schwefelwasserstoff enthaltenden Gasstroms ist der Claus-Prozeß. Beim Claus- Prozeß wird etwa ein Drittel des Schwefelwasserstoffgehalts des Gasstroms in einem Ofen verbrannt, um Schwefeldioxid und Wasserdampf zu bilden. Das Schwefeldioxid reagiert dann in dem Ofen mit restlichem Schwefelwasserstoff, um Schwefeldampf und Wasserdampf zu bilden. Die Stöchiometrie dieser Reaktionen ist in den folgenden Gleichungen angegeben:
2H&sub2;S + 3O&sub2; → 2H&sub2;O + 2SO&sub2;
2H&sub2;S + SO&sub2; → 2H&sub2;O + 3S
Der resultierende Schwefeldampf kann in einer Anzahl unterschiedlicher molekularer Spezien bei unterschiedlichen Temperaturen vorhanden sein. Oberhalb von 800ºC existiert er zum Beispiel hauptsächlich als das Dimer S&sub2;. Zusätzlich zu diesen Reaktionen besteht eine Neigung des Schwefelwasserstoffs zum Dissozüeren bei erhöhten Temperaturen in Wasserstoff und Schwefeldampf. Diese Reaktion ist reversibel, und beim Abkühlen reassozüert der meiste Wasserstoff und Schwefeldampf zur Bildung von Schwefelwasserstoff. Darüber hinaus, wenn Kohlendioxid und Kohlenwasserstoffe in dem Gasstrom vorhanden sind, was typischerweise der Fall ist, wenn die Quelle des Gasstroms eine Ölraffinerie ist, werden auch kleine Mengen von Karbonylsulfid und Kohlendisulfid gebildet.
Die Reaktion zwischen Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid erreicht bei den Temperaturen, die in dem Ofen erzeugt werden, keine Vollständigkeit. Tatsächlich erreicht sie in dem Ofen typischerweise nur etwa 60 bis 70% des vollständigen Ablaufs. Es stellt daher kommerzielle Praxis dar, den resultierenden Gasstrom stromab des Ofens beispielsweise in einem Abwärmekessel abzukühlen, sodann Schwefel aus dem abgekühlten Gasgemisch auszukondensieren, danach den Gasstrom wieder auf eine Temperatur im Bereich von 200 bis 260ºC zu erhitzen, und den wieder erhitzten Gasstrom über einen Katalysator zu leiten, beispielsweise Aluminiumoxid, für die Reaktion zwischen Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid, um weiteren Schwefeldampf und Wasserdampf zu bilden. Der resultierende Schwefeldampf wird dann kondensiert. Mit zwei oder drei solcher Ketten katalytischer Stufen ist es typischerweise möglich, nur etwa 97% Umwandlung des Schwefelwasserstoffs im ursprünglichen Gasstrom zu erreichen. Weitere derartige katalytische Stufen werden normalerweise nicht eingesetzt, da die Konzentration von Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid im Gasstrom mit jeder katalytischen Stufe fortschreitend geringer wird, womit es schwieriger wird, einen ausreichenden Umwandlungsgrad in jeder katalytischen Stufe zu erhalten. In zunehmendem Maße machen aber den Umweltschutz betreffende rigorose Standards das einfache Entlüften oder Verbrennen des am Ende erhaltenen Gasstroms zu einer unattraktiven oder unzulässigen Möglichkeit. Es wird daher in zunehmendem Maße kommerzielle Praxis, den am Ende erhaltenen Gasstrom zu einer sogenannten Restgasreinigungseinheit zu leiten, die effektiv in der Lage ist, die Schwefelwasserstoff- und Schwefeldioxidbestandteile des Gasstroms trotz ihrer niedrigen Konzentrationen zu behandeln. Es gibt bereits eine Anzahl verschiedener Restgasreinigungsprozesse, die kommerziell verfügbar sind, beispielsweise den SCOT-Prozeß.
Der Claus-Prozeß hat in den letzten Jahren das Interesse der Lieferanten von aus Luft abgetrenntem Sauerstoff erregt. Herkömmlicherweise ist Luft zur Unterstützung der Verbrennung von Schwefelwasserstoff im Ofen eingesetzt worden. Infolgedessen werden große Volumen von Stickstoff in der Luft eingeleitet und strömen durch jede Stufe des Prozesses hindurch. Der Stickstoff nimmt Reaktorraum in Anspruch. Es ist deshalb vorgeschlagen worden, die zur Unterstützung der Verbrennung des Schwefelwasserstoffs verwendete Luft teilweise oder ganz durch kommerziell reinen Sauerstoff zu ersetzen und dadurch eine Steigerung des Durchsatzes zu gewinnen, mit welchem Schwefelwasserstoff enthaltendes Speisegas vom Ofen aufgenommen werden kann. In Abhängigkeit von der exakten Zusammensetzung des Speisegases kann es jedoch eine Beschränkung des Ausmaßes geben, in welchem Sauerstoff zur Anreicherung der Verbrennungsluft verwendet werden kann, wobei diese Beschränkung dadurch gesetzt wird, daß die an der Auskleidung des Ofens durch die Verbrennung erzeugte Temperatur mit zunehmender Sauerstoffkonzentration in der Verbrennungsluft zunimmt, bis die Temperatur so hoch wird, dass die Auskleidung beschädigt würde. Diese Temperaturbeschränkung wurde als eine vollständige Substitution der Verbrennungsluft durch reinen Sauerstoff ausschließend angesehen, wenn ein an brennbaren Bestandteilen relativ konzentrierter Speisestrom, beispielsweise mit mehr als etwa 70 Volumenprozent Schwefelwasserstoff, behandelt wird, obwohl nun erkannt worden ist, daß die Dissoziation von Schwefelwasserstoff (die bei zunehmender Flammentemperatur in höherem Maße stattzufinden tendiert) einen mäßigenden Effekt hat und unter manchen Umständen mit manchen Konfigurationen von Brenner und Ofen den Betrieb mit reinem Sauerstoff ermöglichen kann. Es ist schon eine Anzahl von Vorschlägen gemacht worden, den Claus-Prozeß so zu verändern, daß er die Verwendung von reinem Sauerstoff oder Sauerstoff-angereicherter Luft zur Unterstützung der Verbrennung von Schwefelwasserstoff erleichtert. Einige dieser Vorschläge haben das Einleiten von Temperaturmäßigenden Medien in den Schwefelwasserstoff-Verbrennungsbereich beinhaltet, manchmal durch Rezirkulation von Gas aus einer stromabwärtigen Stufe des Behandlungsprozesses, wie es beispielsweise in der EP-A-165 609 beschrieben ist. Weitere dieser Vorschläge habe die Durchführung der Verbrennung des Schwefelwasserstoffs in zwei oder mehr Stufen beinhaltet, wie beispielsweise in der EP-A-237 216 und EP-A-237 217 beschrieben ist.
Die US-A-4 919 912 beschreibt, daß ein Schwefeldioxid führender Speisestrom durch Reaktion mit Schwefelwasserstoff, Kondensation des restlichen Schwefels, Hydrogenierung des restlichen Schwefeldioxids, und Trennung des hydrogenierten Gasstroms zur Bildung eines Schwefelwasserstoff führenden Rezirkulationsstroms behandelt werden kann, der eine Schwefelwasserstoffquelle für die ursprüngliche Reaktion mit Schwefeldioxid darstellt.
Es verbleibt jedoch ein Bedürfnis zur Verbesserung der tatsächlichen Umwandlungseffizienz eines Claus-Prozesses, um die stromabwärtige Behandlung des resultierenden Gasstroms zu erleichtern. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren zu schaffen, die diesem Bedürfnis Rechnung tragen.
Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Behandeln eines Schwefelwasserstoff enthaltenden Gasstroms vorgesehen, das folgende Schritte aufweist:
a) Umwandeln eines Teils des Schwefelwasserstoffgehalts des Speisegasstroms in einem ersten Reaktor in Schwefeldioxid und Reagieren des so gebildeten Schwefeldioxids mit restlichem Schwefelwasserstoff zur Bildung von Schwefeldampf und Wasserdampf, um so einen Schwefel enthaltenden Gasstrom zu erzeugen, der Schwefelwasserstoff, Schwefeldioxid, Wasserdampf und Schwefeldampf enthält,
b) Extrahieren des Schwefeldampfs aus dem Schwefel enthaltenden Gasstrom,
c) Reduzieren des Schwefeldioxidgehalts eines Schwefeldioxid enthaltenden Gasstroms in einem zweiten Reaktor zu Schwefelwasserstoff,
d) Extrahieren von Wasserdampf aus dem reduzierten Gasstrom, um so einen Schwefelwasserstoff enthaltenen sekundären Gasstrom zu bilden,
e) Verwenden eines Teils des sekundären Gasstroms als Spülstrom, und
f) Austragen des Spülstroms,
dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Teil des sekundären Gases in den ersten Reaktor zurückgeführt wird, und daß der genannte Schwefeldioxid enthaltende Gasstrom der im Schritt b) gebildete Gasstrom ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Behandeln eines Schwefelwasserstoff enthaltenden Gasstroms vorgesehen, mit folgenden Schritten:
a) Umwandeln eines Teils des Schwefelwasserstoffgehalts des Speisegasstroms in einem ersten Reaktor zu Schwefeldioxid und Reagieren des so gebildeten Schwefeldioxids mit restlichem Schwefelwasserstoff zur Bildung von Schwefeldampf und Wasserdampf, um so einen Schwefel enthaltenden Gasstrom zu erzeugen, der Schwefelwasserstoff, Schwefeldioxid, Wasserdampf und Schwefeldampf enthält,
b) Extrahieren von Schwefeldampf aus dem Schwefel enthaltenden Gasstrom,
c) Reduzieren des Schwefeldioxidgehalts eines Schwefeldioxid enthaltenden Gasstroms in einem zweiten Reaktor zu Schwefelwasserstoff,
d) Extrahieren von Wasserdampf aus dem reduzierten Gasstrom, um so einen sekundären Gasstrom zu bilden, der Schwefelwasserstoff enthält, und
e) Bilden und Austragen eins Spülstroms,
dadurch gekennzeichnet, daß der Spülstrom zwischen den Schritten b) und c) entnommen wird, Schwefelwasserstoff im Spülstrom der Reaktion mit Schwefeldioxid in mindestens einem weiteren Reaktor stromauf des Austrags in die Atmosphäre unterzogen wird, der genannte Schwefeldioxid enthaltende Gasstrom denn Schritt b) gebildete Gasstrom ist, und mindestens ein Teil des sekundären Gasstroms zum ersten Reaktor zurückgeführt wird.
Nach einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Behandeln eines Schwefelwasserstoff enthaltenden Speisegasstroms vorgesehen, das folgende Schritte umfasst:
a) Umwandeln eines Teils des Schwefelwasserstoffgehalts des Speisegasstroms in einem ersten Reaktor in Schwefeldioxid und Reagieren des so gebildeten Schwefeldioxids mit restlichem Schwefelwasserstoff zur Bildung von Schwefeldampf und Wasserdampf, um so einen Schwefel enthaltenden Gasstrom zu erzeugen, der Schwefelwasserstoff, Schwefeldioxid, Wasserdampf und Schwefeldampf enthält,
b) Extrahieren von Schwefeldampf aus dem Schwefel enthaltenden Gasstrom,
c) Reduzieren des Schwefeldioxidgehalts eines Schwefeldioxid enthaltenden Gasstroms in einem zweiten Reaktor zu Schwefelwasserstoff,
d) Extrahieren von Wasserdampf aus dem reduzierten Gasstrom, um so einen Schwefelwasserstoff enthaltenden sekundären Gasstrom zu bilden,
e) Entnehmen mindestens eines Teils des sekundären Gasstroms als Spülstrom, wobei nichts von dem sekundären Gasstrom zum ersten Reaktor zurückgeleitet wird,
f) Austragen des Spülstroms,
dadurch gekennzeichnet, daß Schwefelwasserstoff im Spülstrom der Reaktion mit Schwefeldioxid in mindestens einem weiteren Reaktor stromauf des Austrags in die Atmosphäre unterzogen wird, und der genannte Schwefeldioxid enthaltende Gasstrom der im Schritt b) gebildete Gasstrom ist.
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Behandlung eines Schwefelwasserstoff enthaltenden Speisegasstroms vorgesehen, der folgende Schritte umfasst:
a) Umwandeln eines Teils des Schwefelwasserstoffgehalts des Speisegasstroms in einem ersten Reaktor zu Schwefeldioxid und Reagieren des so gebildeten Schwefeldioxids mit restlichem Schwefelwasserstoff zur Bildung von Schwefeldampf und Wasserdampf, um so einen Schwefel enthaltenden Gasstrom zu erzeugen, der Schwefelwasserstoff, Schwefeldioxid, Wasserdampf und Schwefeldampf enthält,
b) Extrahieren von Schwefeldampf aus dem Schwefel enthaltenden Gasstrom,
c) Reduzieren des Schwefeldioxidgehalts eines Schwefeldioxid enthaltenden Gasstroms in einem zweiten Reaktor zu Schwefelwasserstoff,
d) Extrahieren von Wasserdampf aus dem reduzierten Gasstrom zur Bildung eines Schwefelwasserstoff enthaltenden sekundären Gasstroms,
e) Bilden und Austragen des Spülstroms,
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des sekundären Gasstroms zum ersten Reaktor zurückgeführt wird, der genannte Schwefeldioxid enthaltende Gasstrom der im Schritt b) gebildete Gasstrom ist, ein Schwefelwasserstoff, Schwefeldioxid, Schwefeldampf und Wasserdampf enthaltender Gasstrom als Spülstrom aus dem ersten Reaktor entnommen wird, und Schwefelwasserstoff in dem Spülstrom der Reaktion mit Schwefeldioxid in mindestens einem weiteren Reaktor stromauf des Austrags in die Atmosphäre unterzogen wird.
Der Schritt des Extrahierens von Wasser aus dem reduzierten Gasstrom ermöglicht es, den Durchsatz, mit dem Wasserdampf in irgendeinem weiteren Reaktor eintritt, niedrig zu halten. Dies ermöglicht das Erreichen einer Anzahl von Vorteilen, insbesondere wenn der Gehalt an brennbaren Stoffen im Speisegasstrom verhältnismäßig hoch ist (zum Beispiel über 70 Volumenprozent liegt), und wenn die Umwandlung des genannten Teils des Schwefelwasserstoffs zu Schwefeldioxid unter Verwendung von reinem Sauerstoff oder Sauerstoff-angereicherter Luft zur Unterstützung seiner Verbrennung erfolgt. Bei einer gegebenen Speisegasströmungsrate und Zusammensetzung ermöglicht es das Verfahren nach der Erfindung, die Größe der weiteren Reaktoren und irgendeiner Restgasreinigungsanlage im Vergleich zu denen zu reduzieren, die bei einem herkömmlichen Verfahren oder einem Verfahren benutzt werden, wie es in einer der oben erwähnten Patentanmeldungen beschrieben ist. Darüber hinaus wird, ebenfalls im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren oder zu in den oben erwähnten Patentanmeldungen beschriebenen Verfahren, die Konzentration der Reaktionsmittel in dem weiteren Reaktor oder den weiteren Reaktoren erhöht, was eine Steigerung der Gesamtumwandlung von Schwefelwasserstoff zu Schwefel möglich macht. Denn mindestens ein Teil des sekundären Gasstroms als Rezirkulationsstrom in den ersten Reaktor zurückgeleitet wird, ist es möglich, darin eine Gesamtumwandlungsrate von Schwefelwasserstoff zu Schwefel zu erreichen, die mehr als 70% der Rate beträgt, mit welcher Schwefelwasserstoff im Speisegasgemisch in den ersten Reaktor zugeführt wird, daß heißt eine "effektive Umwandlung" von mehr als 70% kann erreicht werden. Die effektive Umwandlung erhöht sich dementsprechend mit zunehmendem Verhältnis von Rezirkulationsstrom zu Spülstrom.
Vorzugsweise ist der erste Reaktor ein feuerfest ausgekleideter Ofen, bei dem durch eine Stirnwand ein Brenner hindurchragt, zu welchem Sauerstoff oder Sauerstoff-angereicherte Luft und der Speisegasstrom geleitet werden. Alternativ kann der Brenner in manchen Fällen tangential durch die Seitenwand des Ofens montiert sein. Der Ofen wird vorzugsweise mit einer Temperatur nahe dem Maximum betrieben, dem die Auskleidung standhalten kann, um so die Reaktionsmenge von Schwefelwasserstoff zu Schwefeldioxid in dem Ofen zu maximieren. Die Menge von durch Dissoziation von Schwefelwasserstoff gebildetem Wasserstoff und folglich die Wasserstoffmenge, die beim Verlassen der Schwefelextraktionsmittel in dem Gasgemisch verbleibt, wird ebenfalls maximiert. Dieser Wasserstoff wird zum Reduzieren von Schwefeldioxid im zweiten Reaktor (und restlichem Schwefel) benutzt, und deshalb ist seine Anwesenheit in dem in den zweiten Reaktor eintretenden Gasstrom wünschenswert.
Es gibt drei Hauptklassen von Verfahren nach dieser Erfindung. In den ersten beiden Klassen verlässt alles den ersten Reaktor verlassende Gas diesen im selben Bereich desselben. Bei der dritten Klasse wird ein Spülstrom aus einem mittleren Bereich des ersten Reaktors entnommen und weist ein Molverhältnis von Schwefelwasserstoff zu Schwefeldioxid auf, das kleiner als das Molverhältnis derselben am stromabwärtigen Ende des ersten Reaktors ist.
Bei der ersten Klasse von Verfahren nach der Erfindung ist das Molverhältnis von Schwefelwasserstoff zu "verfügbarem" Sauerstoff, der in den ersten Reaktor eintritt, "stöchiometrisch". Mit "verfügbarem" Sauerstoff ist hierin derjenige Sauerstoff gemeint, der für die Reaktion mit Schwefelwasserstoff verfügbar ist, und dies schließt Sauerstoff aus, der bevorzugt mit leichter brennbaren Komponenten des Speisegases reagiert, beispielsweise mit Ammoniak und Kohlenwasserstoffen (falls vorhanden). Mit "stöchiometrisch" ist in diesem Zusammenhang gemeint, daß das genannte Molverhältnis im Bereich von 1,8 bis 2,2 : 1 liegt.
Dementsprechend beträgt das Verhältnis von Schwefelwasserstoff zu Schwefeldioxid in dem die Schwefelextraktionsmittel verlassenden Gasstroms etwa 2 : 1, entspricht also der Stöchiometrie der Reaktion zwischen Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid, die Schwefeldampf und Wasserdampf bildet. Dementsprechend, wenn der Spülstrom aus den Zwischenschritten b) und c) eines Verfahrens nach der Erfindung entnommen wird, kann er einer oder vorzugsweise einer Mehrzahl von Stufen der katalysierten Reaktion zwischen Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid unterzogen werden, um weiteren Schwefel zurückzugewinnen und ein Gasgemisch zu bilden, das gewünschtenfalls für die Behandlung durch einen herkömmlichen Reinigungsprozeß wie beispielsweise den SCOT-Prozeß geeignet ist. Bei der ersten Klasse von Verfahren nach der Erfindung ermöglicht das Rezirkulieren des Gasstroms, aus welchem Wasser extrahiert worden ist, in den ersten Reaktor höhere effektive Umwandlungen von Schwefelwasserstoff zu Schwefel im ersten Reaktor.
In der zweiten Klasse von Verfahren nach der Erfindung liegt das Molverhältnis von Schwefelwasserstoff zu verfügbarem Sauerstoff, der in den ersten Reaktor eintritt, oberhalb der Verhältnisse, die hier als "stöchiometrisch" bezeichnet sind. Bei dieser zweiten Klasse liegt dieses Molverhältnis typischerweise im Bereich von 3 : 1 bis 5 : 1. Dementsprechend ist ein stöchiometrischer Überschuß von Schwefelwasserstoff relativ zu Schwefeldioxid in dem Gasstrom vorhanden, der die Schwefelextraktionsmittel verlässt. Infolgedessen wird es nun nicht bevorzugt, den Spülstrom aus den Zwischenstufen b) und c) eines Verfahrens nach der Erfindung zu entnehmen. Stattdessen wird bevorzugt, den gesamten Gasstrom, der die Schwefelextraktionsmittel verlässt, zum zweiten Reaktor zu leiten, so daß sein Schwefeldioxidgehalt zu Schwefelwasserstoff zurück umgewandelt werden kann. Dementsprechend wird der Spülstrom von stromab der Wasserdampfextraktionsmittel entnommen. In manchen Beispielen wird ein Teil des Schwefelwasserstoffgehalts des Spülstroms vorzugsweise in einem ersten weiteren Reaktor verbrannt, um Schwefeldioxid und Wasserdampf zu bilden. Sauerstoff oder Sauerstoff-angereicherte Luft wird vorzugsweise zur Unterstützung dieser Verbrennung verwendet. Resultierendes Schwefeldioxid reagiert mit restlichem Schwefelwasserstoff im ersten weiteren Reaktor zur Bildung von Wasserdampf und Schwefeldampf. Vorzugsweise ist das Molverhältnis von Schwefelwasserstoff zu verfügbarem Sauerstoff, der in den ersten weiteren Reaktor eintritt, in welchem diese weitere Reaktion stattfindet, "stöchiometrisch", damit so das resultierende Gasgemisch stromab einer Schwefelextraktionsstufe erst einer oder vorzugsweise einer Mehrzahl von Stufen einer katalysierten Reaktion zwischen Schwefelwasserstoff und Schwefeldampf und zweitens, falls gewünscht, einer herkömmlichen Reinigung durch einen Prozeß wie beispielsweise den SCOT-Prozeß unterzogen werden kann. Die erreichbare Gesamtumwandlung von Schwefelwasserstoff stromauf der katalysierten Reaktionsstufen ist bei Verwendung eines Verfahrens der zweiten Klasse größer als das, welches stromauf der katalyti schen Stufen eines vergleichbaren herkömmlichen Claus-Prozesses erreicht werden kann.
Die zweite Klasse von Verfahren nach der Erfindung kann mit oder ohne Rezirkulieren eines Teils des sekundären Gasstroms zum ersten Reaktor betrieben werden. Der Betrieb ohne eine solche Rezirkulation benötigt weniger Anlagenteile und ist einfacher. Trotzdem ermöglicht eine solche Rezirkulation noch höhrere Gesamtumwandlungsraten von Schwefelwasserstoff zu Schwefel, als dies bei der ersten Klasse von Verfahren oder bei der zweiten Klasse von Verfahren ohne Rezirkulation möglich ist. Die effektive Umwandlung im ersten Reaktor erhöht sich dementsprechend mit zunehmendem Verhältnis von Rezirkulationsstrom zu Spülstrom. Wenn das Erreichen einer hohen effektiven Umwandlung gewünscht wird, wird einer oder werden beide der Ströme Speisegasstrom und Rezirkulationsstrom vorzugsweise auf eine Temperatur vorzugsweise im Bereich von 100 bis 500ºC vorgewärmt, um ein gesteigertes Verhältnis von Rezirkulation zu Spülung zu ermöglichen, ohne eine Abnahme der Flammentemperatur im ersten Reaktor zu verursachen, bei der keine stabile Verbrennung mehr möglich ist. Tatsächlich ist es bei einem Speisegasstrom, der mindestens 90 Volumenprozent Schwefelwasserstoff enthält, vermutlich möglich, eine effektive Umwandlung im ersten Reaktor von mehr als 95% und typischerweise im Bereich von 98% zu erreichen. Solche hohen effektiven Umwandlungen machen es bei der zweiten Klasse von Verfahren nach der Erfindung möglich, den Spülstrom direkt beispielsweise entweder zu einer Einheit zum Trennen und Rückgewinnen von Schwefelwasserstoff (der vorzugsweise rezirkuliert wird) oder einen Brennofen zu leiten, ohne seinen Schwefelwasserstoffgehalt einer weiteren Reaktion mit Schwefeldioxid zu unterziehen. Dementsprechend sind dann weder katalytische Reaktoren, wie sie in einem herkömmlichen Claus-Prozeß verwendet werden, noch ein zweiter Ofen ähnlich dem ersten Reaktor für die Behandlung des Spülstroms erforderlich.
Bei der dritten Klasse von verfahren nach der Erfindung wird mindestens ein Teil des sekundären Gasstroms zum ersten Reaktor zurückgeleitet. Mindestens ein Teil des zurückgeführten Gases umgeht vorzugsweise die Flammen- bzw. Verbrennungszone im ersten Reaktor, und der Spülgasstrom wird vorzugsweise aus einem Bereich des ersten Reaktors stromab der Flammenzone, aber stromauf der Zone des ersten Reaktors entnommen, in welcher sich das zurückgeführte Gas mit dem aus der Flammenzone austretenden Gas vermischt. Eine solche Umgehung trägt dazu bei, den Molanteil von Schwefeldioxid im Gasgemisch am Eintritt in den zweiten Reaktor niederzudrücken und hilft dadurch, den Temperaturanstieg zu begrenzen, der als Ergebnis der Reduktion des Schwefeldioxids im zweiten Reaktor stattfindet.
Das Molverhältnis von Schwefelwasserstoff zu Schwefeldioxid im Spülgasstrom bei einem Verfahren nach der dritten Klasse ist vorzugsweise kleiner als 2,2 : 1 und mehr vorzugsweise im Bereich von 2 : 1. Wenn das Molverhältnis wesentlich kleiner als 2 : 1 ist, wird es vorzugsweise durch Zumischen eines Teils des sekundären Gasstroms zum Spülgasstrom typischerweise auf einen Wert im Bereich von 2 : 1 erhöht.
Vorzugsweise wird bei der dritten Klassen von Verfahren nach der Erfindung Schwefeldampf aus dem Spülgasstrom beispielsweise durch Kondensation extrahiert, und der resultierende Spülgasstrom wird mindestens einer Stufe der katalytischen Reaktion zwischen Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid zur Bildung von Schwefeldampf und Wasserdampf unterzogen, wobei Schwefeldampf beispielsweise durch Kondensation daraus extrahiert werden kann. Wenn das Molverhältnis von Schwefelwasserstoff zu Schwefeldioxid im Bereich von 2 : 1 am Einlaß der ersten Stufe der katalytischen Reaktion liegt, besteht keine Notwendigkeit, einen Teil des Schwefelwasserstoffgehalts des Spülgasstroms zu verbrennen, was ansonsten notwendig wäre, wenn das Molverhältnis beträchtlich oberhalb von 2 : 1 läge. Dementsprechend sind Verfahren nach der dritten Klasse in der Lage, mit einer einzigen Verbrennungsstufe, nämlich derjenigen im ersten Reaktor, betrieben zu werden.
Der Durchsatz, mit welchem der Spülgasstrom aus dem ersten Reaktor entnommen wird, wird so gewählt, daß ein Gesamtmassengleichgewicht aufrecht erhalten und ein Aufbau nichtreaktiver Komponenten des Speisegases (beispielsweise Kohlendioxid) vermieden wird
Wenn bei der dritten Klasse von Verfahren das Speisegas kein Ammoniak enthält, umgeht ein Teil hiervon vorzugsweise die Flammenzone des ersten Reaktors und den Bereich, aus welchem der Spülgasstrom entnommen wird. Restliches Ammoniak am Auslaß des ersten Reaktors würde in den zweiten Reaktor gelangen und dort den Katalysator deaktivieren. Wenn zwei gesonderte Schwefelwasserstoff enthaltende Speiseströme vorhanden sind, von denen einer Ammoniak enthält und der andere nicht (beispielsweise saures Wasserabstreifergas und Amingas), wird der gesamte Ammoniak enthaltende Speisegasstrom zur Flammenzone des ersten Reaktors zugeführt, und vorzugsweise mindestens ein Teil des zweiten, kein Ammoniak enthaltenden Speisegasstroms umgeht die Flammenzone des ersten Reaktors und den Bereich, aus welchem das Spülgas entnommen wird. Wenn ein Teil des sekundären Gasstroms, das zum ersten Reaktor zurückgeleitet wird, die Flammenzone umgeht, hält dies den Anteil von in die Flammenzone eintretenden nichtbrennbaren Stoffen niedrig und erleichtert dadurch die Erzeugung einer ausreichend hohen Flammentemperatur, um sicherzustellen, daß sämtliches Ammoniak oxidiert wird.
Der Schwefeldampf wird vorzugsweise aus dem Schwefel enthaltenden Gasstrom durch Auskondensieren aus dem Gasstrom extrahiert.
Die Verringerung des Schwefeldioxidgehalts des Gasstroms im Schritt c) eines Verfahrens nach der Erfindung wird vorzugsweise in einer katalysierten Reaktion mit Wasserstoff durchgeführt. Irgendwelche vorhandenen Schwefelspuren werden ebenfalls reduziert. Die Größe des gegebenenfalls vorhandenen Bedarfs nach Wasserstoff aus einer externen Quelle für die Reduktionsreaktionen hängt teilweise von dem Schwefeldioxidgehalt des Gasstroms ab, aus welchem Schwefel extrahiert worden ist, und teilweise von der Wasserstoffmenge, die durch die Reduktionsreaktion als Ergebnis seiner Bildung an Ort und Stelle verfügbar gemacht wird. Es gibt, so vermuten wir, zwei Hauptmechanismen, durch welche Wasserstoff an Ort und Stelle gebildet wird, einiger Wasserstoff ist in dem Gasstrom vorhanden, aus welchem Schwefel als Ergebnis der reversiblen thermischen Dissoziation von Schwefelwasserstoff im ersten Reaktor extrahiert wird. Wenn im Speisegas Kohlendioxid vorhanden ist, findet eine Dissoziierung von Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid und Sauerstoff in gewissem Maße im ersten Reaktor statt. Resultierendes Kohlenmonoxid kann mit Wasserdampf über dem Katalysator im zweiten Reaktor zur Bildung von weiterem Wasserstoff reagieren. Im allgemeinen vermuten wir, daß, wenn ein Molverhältnis von Schwefelwasserstoff zu verfügbarem Sauerstoff ausreichend oberhalb der stöchiometrischen Verhältnisse im ersten Reaktor benutzt wird, es möglich ist, den zweiten Reaktor ohne eine externe Zufuhr von Reduktionsmittel zu betreiben. Dementsprechend, so vermuten wir, ist es möglich, die erste Klasse von Verfahren nach der Erfindung mit und die zweite Klasse von Verfahren nach der Erfindung ohne eine Zufuhr von Wasserstoff aus einer externen Quelle zum zweiten Reaktor zu betreiben. Die katalytische Reduktion des Schwefeldioxids findet vorzugsweise auf einer Temperatur von etwa 300ºC statt. Der zu reduzierende Gasstrom wird vorzugsweise stromauf des zweiten Reaktors auf eine gewählte Temperatur vorgeheizt. Die katalytische Reduktion von Schwefeldioxid durch Wasserstoff zu Schwefelwasserstoff ist ein gut bekannter Prozeß und bildet beispielsweise Teil des SCOT-Prozesses. Geeigneter Katalysator, beispielsweise ein auf Kobalt und Molybdän basierender Katalysator, ist daher kommerziell verfügbar. Gewünschtenfalls kann Dampf in den zweiten Reaktor eingeleitet werden, um die Temperatur darin zu steuern.
Der Wasserdampf wird vorzugsweise aus dem reduzierten Gasstrom durch Auskondensieren aus diesem Gasstrom extrahiert. Der Kondensationsschritt kann beispielsweise durch Gegenstromkontakt des reduzierten Gasstroms mit einen Wasserstrom in einer gepackten Säule durchgeführt werden.
Gewünschtenfalls kann der Gasstrom, aus dem Wasser extrahiert worden ist, einer weiteren Behandlung stromauf des Schritts e) eines Verfahrens nach der Erfindung zum Trennen von Schwefelwasserstoff von anderen Komponenten hiervon unterzogen werden. Dieser Gasstrom kann beispielsweise mit einem Amin gewaschen werden, um diese Trennung zu bewirken. Das Amin ist vorzugsweise in der Lage, Schwefelwasserstoff von Kohlendioxid zu trennen. Eine solche Behandlung ist vermutlich nur dann von Wert, wenn der Speisegasstrom einen relativ hohen Anteil insgesamt an nicht brennbaren Stoffen hat, und kann daher den Bereich solcher Schwefelwasserstoff enthaltender Speiseströme, die für eine Behandlung nach der Erfindung geeignet sind, auf solche ausdehnen, die beispielsweise nur 20 Volumenprozent Schwefelwasserstoff enthalten, oder in manchen Fällen, wenn es gewünscht wird, weitere Reaktionsstufen zwischen Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid aus dem Verfahren nach der Erfindung wegzulassen.
Das Verfahren und die Einrichtung nach der Erfindung werden nun beispielshalber unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen zeigt:
Fig. 1 ein schematisches Strömungsdiagramm, das eine erste Anlage zur Behandlung eines Schwefelwasserstoff enthaltenden Speisegasstroms zeigt,
Fig. 2 ein schematisches Strömungsdiagramm, das eine zweite Anlage zur Behandlung eines Schwefelwasserstoff enthaltenden Speisegasstroms zeigt,
Fig. 3 ein schematisches Strömungsdiagramm, das eine dritte Anlage zur Behandlung eines Schwefelwasserstoff enthaltenden Speisegasstroms zeigt,
Fig. 4 ein schematisches Strömungsdiagramm, das eine vierte Anlage zur Behandlung eines Schwefelwasserstoff enthaltenden Speisegasstroms zeigt,
Fig. 5 ein schematisches Strömungsdiagramm, das eine fünfte Anlage zur Behandlung eines Schwefelwasserstoff enthaltenden Gasstroms zeigt.
Bezugnehmend auf Fig. 1 der Zeichnungen wird ein Schwefelwasserstoff enthaltender Speisegasstrom, der typischerweise mindestens 70 Volumenprozent brennbare Stoffe enthält und typischerweise außerdem Kohlendioxid enthält, aus einer Rohrleitung 1 zu einem Brenner 2 zugeführt, der in einen ersten Reaktor in Form eines feuerfest ausgekleideten Ofens 4 durch eine Stirnwand 5 desselben hineinfeuert. Der Speisegasstrom wird stromauf seines Eintritts in den Brenner 2 mit einem Rezirkulationsstrom vermischt, der ebenfalls Schwefelwasserstoff und Kohlendioxid enthält, wobei die Bildung des letzteren unten beschreiben wird. Der Brenner 2 wird außerdem separat aus seiner Rohrleitung 3 mit einem Strom von Sauerstoff (der von Luft abgetrennt wurde) oder Sauerstoff-angereicherter Luft gespeist. Das Verhältnis der Zufuhrrate von Schwefelwasserstoff zur Zufuhrrate verfügbarer Sauerstoffmoleküle ist "stöchiometrisch" ausgelegt. Dementsprechend wird in einer (nicht dargestellten) Flammenzone, die vom Brenner erzeugt wird, etwa ein Drittel des ankommenden Schwefelwasserstoffs verbrannt, um Schwefeldioxid und Wasserdampf zu ergeben. Wenn das Speisegas Komponenten enthält wie beispielsweise Ammoniak oder Kohlenwasserstoffe, in denen Sauerstoff gegenüber Schwefelwasserstoff bevorzugt reagiert, wird genügend Extrasauerstoff zugeführt, damit diese Komponenten vollständig verbraucht werden können. Durch die Verbrennung von Schwefelwasserstoff gebildetes Schwefeldioxid reagiert im Ofen 4 mit restlichem Schwefelwasserstoff zur Bildung von Schwefeldampf und Wasserdampf. Es findet noch eine Anzahl weiter chemischer Reaktionen in dem Ofen 4 statt, insbesondere in seiner Flammenzone. Beispielsweise gibt es eine gewisse Dissoziierung von Schwefelwasserstoff zu Wasserstoff und Schwefeldampf, und auch eine gewisse Dissoziierung von Kohlendioxid in Kohlenmonoxid und Sauerstoff, wobei das Ausmaß der jeweiligen Dissoziation temperaturabhängig ist. Zusätzlich kann eine kleine Menge Kohlendisulfid durch Reaktion zwischen Schwefel und irgendeinem im Speisegas vorhandenen Kohlenwasserstoff bei erhöhten Temperaturen und eine kleine Menge von Kohlenoxidsulfid (Karbonölsulfid) durch Reaktion zwischen Kohlenmonoxid und Schwefel gebildet werden. Im allgemeinen wird bevorzugt, eine hohe Flammentemperatur (zum Beispiel 1250 bis 1650ºC) zu verwenden, um die Reaktion zwischen Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid zu begünstigen und auch die Dissoziation von Schwefelwasserstoff zu begünstigen und dadurch Wasserstoff zur Verwendung bei der stromabwärtigen Reduktion von Schwefeldioxid zu erzeugen, während außerdem eine gewisse kleine Verringerung des Sauerstoffbedarfs aus der externen Zufuhr bewirkt wird. Dementsprechend wird bevorzugt, daß die Menge von Stickstoff und anderen nichtreaktiven Gasen im Zusammenhang mit dem Claus-Prozeß, die in den Ofen 4 mit dem Sauerstoff eingeleitet werden, minimiert wird. Der Sauerstoff enthält daher vorzugsweise weniger als 5 Volumenprozent und mehr vorzugsweise weniger als 1 Volumenprozent Verunreinigungen.
Im Betrieb des Brenners 2 und der des Ofens 4 sollte natürlich wünschenswerter Weise Sorge dafür getragen werden, daß eine übermäßige Beschädigung der Ofenauskleidung vermieden wird. Im Hinblick auf die Zusammensetzung von Schwefelwasserstoff- Speiseströmen, die typischerweise im Betrieb beispielsweise von Ölraffinierien gebildet werden, wird die Positionierung des Brenners 2 durch die Stirnwand 5 des Ofens 4 (bevorzugt gegenüber einer "tangentialen" Anordnung) und/oder die Verwendung einer kurzen Flamme in vielen Fällen eine solche Beschädigung vermeiden, wobei berücksichtigt wird, daß die thermische Dissoziierung von Schwefelwasserstoff und Kohlendioxid eine Kühlwirkung erzeugt, und daß eine gewisse Rezirkulation nicht brennbarer Stoffe, beispielsweise Argon und Stickstoff, zum Ofen 4 stattfindet. Falls trotz dieser Faktoren die Flammentemperatur unerwünscht hoch berechnet wird, kann entweder eine Sauerstoffquelle niedrigerer Reinheit benutzt werden, oder es kann ein externer Moderator wie beispielsweise flüssiges Wasser oder Wasserdampf in die Flammenzone des Brenners 2 eingeleitet werden.
Als Resultat der in dem Ofen 4 stattfindenden Reaktionen verlässt ein Gasstrom, der Schwefelwasserstoff, Schwefeldioxid, Wasserdampf, Schwefeldampf, Wasserstoff, Koh lendioxid und Kohlenmonoxid zusammen mit Spuren von Argon, Stickstoff, Kohlenoxisulfid und Kohlendisulfid enthält, den Ofen 4 durch einen Auslaß 6, typischerweise auf einer Temperatur im Bereich von 12000 bis 1600ºC. Bei solchen Temperaturen reagieren immer noch einige der Komponenten des Gasstroms miteinander, so daß es schwierig ist, die präzise Zusammensetzung des Gasgemischs zu bestimmen. Der Gasstrom, der durch den Auslaß den Ofen 4 verläßt, gelangt zu einem Abwärmekessel 8 oder einer anderen Form eines Wärmetauschers, in welchem er auf eine Temperatur im Bereich von 50 bis 400ºC abgekühlt wird. Während des Durchgangs des Gasstroms durch den Abwärmekessel besteht eine Tendenz, daß ein Teil des Wasserstoffs mit Schwefel reassozüert, um Schwefelwasserstoff zu bilden. Der abgekühlte Gasstrom gelangt aus dem Abwärmekessel 8 zu einem Schwefelkondensator 10, in dem er weiter abgekühlt wird und in welchem Schwefeldampf kondensiert und über einen Auslaß 11 abgeführt wird. Der resultierende flüssige Schwefel wird typischerweise zu einem (nicht dargestellten) geschlossenen Schwefelbehälter geleitet. Der Gasstrom, aus welchem Schwefel extrahiert worden ist, enthält typischerweise etwa 15 bis 20% des Schwefelgehalts des Speisestroms, in Abhängigkeit von der Größe des Rezirkulationsstroms, und verlässt den Schwefelkondensator 10 auf einer Temperatur von etwa 190ºC und wird in Rezirkulationsstrom und Spülstrom aufgeteilt.
Der Rezirkulatoinsstrom wird auf eine Temperatur von etwa 300ºC in einem Heizer 12 erwärmt, der beispielsweise die Form eines Wärmetauschers hat, der Dampf als Wärmetauschmedium benutzt. Der so erhitzte erste Teilgasstrom strömt aus dem Heizer 12 in einen zweiten Reaktor 14, der einen Katalysator, beispielsweise Kobalt und Molybdän, enthält, das die Reduktion von Schwefelwasserstoff durch Wasserstoff zu Schwefeldioxid und irgendwelcher restlicher Schwefelspuren katalysiert. Es kann auch eine Reaktion von Kohlenmonoxid mit Wasserdampf über dem Katalysator im zweiten Reaktor 14 stattfinden, um Wasserstoff und Kohlendioxid zu bilden. Trotzdem kann das Molverhältnis von Schwefeldioxid zu Wasserstoff im allgemeinen oberhalb desjenigen sein, das für eine vollständige Reduktion des Schwefeldioxids gemäß der Gleichung erforderlich ist:
SO&sub2; + 3H&sub2; → H&sub2;S + 2H&sub2;O
Wenn das so ist, wird Wasserstoff aus einer externen Quelle (nicht dargestellt) durch eine Rohrleitung 15 in den zweiten Reaktor 14 mit einer ausreichenden Rate eingeleitet, um eine vollständige Reduktion sämtlichen vorhandenen Schwefels und Schwefeldioxids zu Schwefelwasserstoff zu bewirken. Der Wasserstoff kann in der Anlage beispielsweise durch unterstöchiometrische Verbrennung von Kohlenwasserstoff erzeugt werden, vorzugsweise unter Verwendung von reinem Sauerstoff oder Sauerstoff-angereicherter Luft zur Unterstützung der Verbrennung.
Andere Reaktionen zusätzlich zu der Reduktion des Gehalts des rezirkulierten Gasstroms an Schwefel und Schwefeldioxid können im zweiten Reaktor 14 stattfinden. Insbesondere wird irgendwelches Karbonylsulfid (COS) oder Kohlendioxid (CS&sub2;) gemäß den folgenden Gleichungen hydrolysiert:
COS + H&sub2;O → CO&sub2; + H&sub2;S
CS&sub2; + 2H&sub2;O → CO&sub2; + 2H&sub2;S
Ein reduzierter Rezirkulationsstrom, der nun im wesentlichen aus Schwefelwasserstoff, Wasserdampf, Kohlendioxid, Stickstoff und Argon besteht, verlässt den zweiten Reaktor 14 und gelangt in einen Wasserkondensator 16 in Gestalt einer Säule 18, die eine Packung 20 aus Flüssigkeits-Gas-Kontaktelementen enthält. Der Gasstrom wird in einen unteren Bereich der Säule 18 unterhalb der Packung 20 durch einen Einlaß 22 eingeleitet. Der Gasstrom gelangt im allgemeinen nach oben durch die Packung 20 und kommt in innige Berührung mit einem absteigenden Wasserstrom. Wasserdampf in den Gasstrom kondensiert daher und tritt in die absteigende flüssige Phase ein. Dementsprechend verlässt ein im wesentlichen wasserdampffreier Gasstrom das obere Ende der Säule 18. Wasser verlässt den Boden der Säule 18 und wird mittels einer Pumpe 24 durch einen Wärmetauscher 26 geleitet, in welcher es auf eine Temperatur von 25 bis 35ºC durch indirekten Wärmeaustausch mit kaltem Wasser abgekühlt wird, das durch einen Einlaß 25 eintritt und aus einem Aus- laß 27 austritt. Das resultierende abgekühlte Wasser wird in einen oberen Bereich der Säule 18 oberhalb der Packung 20 rezirkuliert und gelangt erneut abwärts durch die Packung. Ein kleiner Anteil des Schwefelwasserstoffgehalts des Rezirkulationsstroms löst sich in dem Wasser auf, mit welchem es im Kondensator 16 in Berührung gebracht wird. In einer typischen Ölraffinerie wird solcher Schwefelwasserstoff durch Entnehmen eines Teils des rezirkulierten Wassers und Leiten desselben zu einem Saurwasserabstreifer (nicht dargestellt) durch eine Leitung 29 zurückgewonnen.
Der aus dem oberen Ende des Wasserkondensators 16 austretende Gasstrom wird vorzugsweise so behandelt, daß sichergestellt wird, daß er frei von mitgeführten Flüssigkeitstropfen ist. Er wird daher durch einen Heizer 28 geleitet, in welchem er beispielsweise durch indirekten Wärmeaustausch mit Dampf auf eine Temperatur im Bereich von 50ºC erwärmt wird. Alternativ oder zusätzlich kann ein Ausfalltopf (nicht dargestellt) benutzt werden, um Flüssigkeitstropfen aus dem Gasstrom abzuscheiden.
Der Rezirkulationsstrom wird zum Brenner 2 zurückgeleitet. Der Anteil von anderen Komponenten als Schwefelwasserstoff im Speisegasstrom, beispielsweise Argon, Kohlenoxide und Stickstoff ist höher als im Speisegasstrom. Die Strömung des Rezirkulationsgases wird durch ein Gebläse 30 erzeugt, das stromab des Heizers 28 angeordnet ist.
Obwohl der Rezirkulationsgasstrom in Fig. 1 der anliegenden Zeichnungen als zum Brenner 2 zurückgeleitet dargestellt ist, kann er gewünschtenfalls auch direkt in den Ofen 4 ohne Durchgang durch den Brenner 2 zurückgeleitet werden.
Der Spülstrom wird durch eine Kette von Stufen geleitet, die allgemein durch die Bezugszahl 32 in Fig. 1 gezeigt sind, in welcher der jeweils zuerst auf eine für eine katalysierte Reaktion zwischen Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid geeignete Temperatur wieder erhitzt wird, zweitens diese katalysierte Reaktion über einem geeigneten Katalysator (beispielsweise Aluminiumoxid oder Bauxit) ausgeführt wird, und drittens durch die Reaktion zwischen Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid erzeugter Schwefeldampf aus dem Gasstrom durch Hindurchleiten durch einen Schwefelkondensator mit einer Auslasstemperatur im Bereich von 130 bis 170ºC extrahiert wird. Typischerweise können zwei oder drei solcher Stufen in Reihe benutzt werden, wobei die jeweilige Wiedererhitzungstemperatur im Bereich von 200 bis 250ºC liegt. Stromab des Durchgangs durch die Kette katalytischer Reaktionsstufen 32 kann der Spülstrom durch eine herkömmliche Restgasreinigungsanlage 34 geleitet werden, die beispielsweise nach dem SCOT-Prozeß arbeiten kann. Das die Anlage 34 durch einen Auslaß 35 verlassende Gas kann dann verbrannt und in die Atmosphäre entlüftet werden.
Im Betrieb ist eine Anlage, wie in Fig. 1 dargestellt, typischerweise in der Lage, eine Umwandlung von beispielsweise 70% des Schwefelwasserstoffs in Schwefeldampf im Ofen 4 zu erreichen, basierend auf dem Gesamtströmungsdurchsatz an Schwefelwasserstoff Wenn jedoch der Rezirkulationsstrom verstärkt wird, ist die effektive Umwandlung beträchtlich höher. Tatsächlich ist bei einem Analysieren des Prozesses insgesamt die Gesamtumwandlung, die nach einer Kette 32 von drei katalytischen Stufen erreicht wird, typischerweise bis 1% höher, je nach der Speisegaszusammensetzung als sie bei einer vergleichbaren herkömmlichen, auf Luft basierenden Anlage mit einer ähnlichen Kette von drei katalytischen Stufen erreichbar ist. Darüber hinaus beträgt der Strömungsdurchsatz des Gases durch die katalytischen Stufen 32 etwa 25% desjenigen einer auf Luft basierenden Anlage mit der gleichen Schwefelausbeute. In ähnlicher Weise kann die Größe der Restgasreinigungsanlage 34 nur 25% derjenigen betragen, die zur Behandlung des Abgases aus einer vergleichbaren herkömmlichen, auf Luft basierenden Anlage benötigt wird.
Die relativen Anteile von Rezirkulationsstrom und Spülstrom werden so gewählt, daß der letztere eine konstante Spülung nicht brennbarer Stoffe (Argon, Stickstoff und Kohlenoxide) aus dem Ofen 4 äquivalent zur Summe der Einströmungsraten der nichtbrennbaren Stoffe mit dem Speisegasstrom und dem Sauerstoff und der Erzeugungsrate dieser nicht brennbaren Stoffe durch Verbrennung von Komponenten wie beispielsweise Ammoniak und Kohlenwasserstoffe im Speisegasstrom aufrecht erhält. Der Schwefelgehalt des Spülstroms soll auch gleich dem Schwefelgehalt im Speisegasstrom minus dem im Kondensator 10 zurückgewonnenen Schwefel sein. Das Verhältnis von Rezirkulationsstrom zu Spülstrom kann typischerweise durch eine anfängliche Computersimulation oder durch eine Berechung des Betriebs des Verfahrens zum Vorhersagen des optimalen Verhältnisses bestimmt werden. In der Praxis tendieren bei gegebener bewertbarer Anzahl verschiedener stattfindender chemischer Reaktionen die tatsächlichen Stromzusammensetzungen unvermeidlich zu einer Abweichung von dem vorhergesagten. Trotzdem ist es einfach, den Rezirkulationsstrom zum Erhalt einer konstanten Strömung unter den gewünschten Bedingungen einzustellen.
Bei einer Modifikation der in Fig. 1 gezeigten Anlage kann der Rezirkulationsstrom aus einem Bereich zwischen dem Wiedererhitzungsabschnitt und dem katalytischen Reaktor der ersten Stufe der Kette 32, anstatt, wie dargestellt, von stromauf der Kette 32 katalytischer Stufen entnommen werden.
Es wird nun auf Fig. 2 der anliegenden Zeichnungen Bezug genommen, wo eine beträchtliche Anzahl von Ähnlichkeiten der darin gezeigten Anlage und der in Fig. 1 gezeigten Anlage besteht, und wobei gleiche Teile in den beiden Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, obwohl in manchen Fällen die jeweiligen Teile unterschiedlich betrieben werden oder mit unterschiedlichen stromaufwärtigen Bereichen in Verbindung stehen. Die in Fig. 2 gezeigte Anlage hat eine Anordnung eines Brenners 2 und eines Ofens 4, die im wesentlichen die gleiche wie die in Fig. 1 gezeigte ist. Jedoch ist der Betrieb unterschiedlich, da der Gesamtströmungsdurchsatz in den in Fig. 2 gezeigten Brenner 2 im Vergleich zum Strömungsdurchsatz von Sauerstoff so ist, dass typischerweise 15 bis 28 Volumenprozent des gesamten Schwefelwasserstoffs zur Bildung von Schwefeldioxid und Wasserdampf verbrannt werden. Vorzugsweise wird reiner Sauerstoff zur Unterstützung der Verbrennung des Schwefelwasserstoffs in den in Fig. 2 gezeigten Ofen 4 verwendet, selbst wenn der Speisegasstrom an brennbaren Stoffen besonders reich ist, da die verbleibende (größer als die herkömmliche) Menge von Schwefelwasserstoff einen temperaturabschwächenden Effekt hat. Eine weitere Konsequenz aus diesem bemessbaren Überschuß von Schwefelwasserstoff über die für die Reaktion mit Schwefeldioxid, das durch Verbrennung eines Teils des Schwefelwasserstoffs gebildet wird, erforderliche stöchiometrische Menge liegt darin, daß er hilft, den Anteil von reagierendem Schwefeldioxid zu unterstützen.
Die in Fig. 2 gezeigte Anlage weist einen Abwärmekessel 8 und einen Schwefelkondensator 10 auf, die hinsichtlich Konstruktion und Betrieb vollständig analog mit den entsprechenden Einheiten der in Fig. 1 gezeigten Anlage sind. Dementsprechend wird ihr Betrieb nicht nochmals beschrieben. Jedoch wird stromab des in Fig. 2 gezeigten Kondensators 10 der gesamte Gasstrom, aus welchem Schwefeldampf abgeschieden worden ist, zu einem Heizer 12 geleitet, in welchem er auf eine Temperatur von etwa 300ºC erwärmt wird, und dann zu einem zweiten Reaktor 14 geleitet, der in jeder Beziehung mit Ausnahme von einer dem in Fig. 1 gezeigten Reaktor 14 analog ist. Der eine Unterschied liegt darin, daß in Folge des relativ niedrigen Anteils des in den Ofen 4 eintretenden Schwefelwasserstoffs, der zur Bildung von Schwefeldioxid verbrannt wird, das Molverhältnis von Wasserstoff zu Schwefeldioxid in dem in den zweiten Reaktor 14 der in Fig. 2 dargestellten Anlage eintretenden Gasstrom normalerweise ausreicht, um sämtliches Schwefeldioxid durch Reaktion mit in dem Gasstrom vorhandenem Wasserstoff vollständig zu Schwefelwasserstoff zu reduzieren, ohne Notwendigkeit des Einleitens von Wasserstoff in den zweiten Reaktor 14 aus einer externen Quelle. Dementsprechend ist die Leitung 15 bei der in Fig. 2 gezeigten Anlage weggelassen.
Ein reduzierter Gasstrom gelangt aus dem in Fig. 2 gezeigten zweiten Reaktor 14 heraus in einen Wasserkondensator 16, der in jeder Hinsicht mit demjenigen nach Fig. 1 analog ist. Dementsprechend wird sein Betrieb nicht nochmals beschrieben. In ähnlicher Weise ist der Heizer 18 oder der Ausfalltopf (oder beide) analog dem mit Bezug auf Fig. 1 beschriebenen, und sein Betrieb wird ebenfalls nicht nochmals beschrieben.
Nur ein Teil des Gasstroms, der mittels des Heizers 28 von Flüssigkeitströpfchen befreit worden ist, wird mittels des Gebläses 30 als Rezirkulationsstrom zum Brenner 2 zurückgeleitet. Der Rest des den Heizer 28 verlassenden Gasstroms wird als Spülstrom zu einem zweiten Brenner 36 geleitet, der tpyischerweise durch eine Stirnwand 39 eines zweiten feuerfest ausgekleideten Ofens 38 zum Reagieren von Schwefelwasserstoff mit Schwefeldioxid feuert. Reiner Sauerstoff oder Sauerstoff-angereicherte Luft wird in den Brenner 36 aus der Leitung 3 getrennt von dem Schwefelwasserstoff enthaltenden Gasstrom eingeleitet. Die Zuführrate des Sauerstoffs oder der Sauerstoff-angereicherten Luft zum Brenner 36 ist derart, daß etwa ein Drittel des Schwefelwasserstoffgehalts des Gasstroms, der vom Heizer 28 zum Brenner 36 gelangt, verbrannt wird. Als Ergebnis werden Wasserdampf und Schwefeldioxid gebildet. Das resultierende Schwefeldioxid reagiert mit restlichem Schwefelwasserstoff zur Bildung von Schwefeldampf und weiterem Wasserdampf. Zusätzlich gibt es eine gewisse Dissoziation von Schwefelwasserstoff in der Flammenzone (nicht dargestellt) des Brenners 36 in Wasserstoff und Schwefeldampf. Es finden auch noch weitere Reaktionen in dem Ofen 38 statt. Beispielsweise gibt es eine Dissoziation von Kohlendioxid in Kohlenmonoxid und Sauerstoff. Zusätzlich kann durch Reaktion zwischen Kohlenmonoxid und Schwefelwasserstoff bei erhöhter Temperatur eine kleine Menge Kohlenoxidsulfid gebildet werden. Das Ausmaß, in welchem diese Reaktionen stattfinden, hängt von der Zusammensetzung des Speisegasgemischs und der im Ofen 38 erzeugten Flammentemperatur ab. Im allgemeinen wird bevorzugt, eine Flammentemperatur typischerwei se im Bereich von 1000 bis 1600ºC zu verwenden. Vorzugsweise wird die Menge von Stickstoff und anderen nichtreaktiven Gasen im Zusammenhang mit dem Claus-Prozeß, die in den Ofen 38 mit dem Sauerstoffeingeleitet werden, minimiert. Der Sauerstoff enthält daher vorzugsweise weniger als 5 Volumenprozent und mehr vorzugsweise weniger als 1 Volumenprozent Verunreinigungen. Jedoch ist es wichtig, eine Beschädigung der feuerfesten Auskleidung des Ofens 38 zu vermeiden, und dementsprechend wird der Brenner 36 mit einer kurzen Flamme betrieben, um die Gefahr der Beschädigung der feuerfesten Auskleidung des Ofens 38 zu minimieren. In jedem Fall, wenn der Schwefelwasserstoffgehalt des Speisegasstroms zum Brenner 36 vom Heizer 28 mehr als beispielsweise 70 Volumenprozent Schwefelwasserstoff beträgt, kann es wünschenswert sein, die Flammentemperatur durch Einleiten von beispielsweise Wasserdampf aus einer externen Quelle in die Flamme zu mäßigen oder eine weniger reine Sauerstoffquelle zu wählen. Alternativ kann die Verbrennung von Schwefelwasserstoff in zwei gesonderten Stufen (anstatt in einem einzigen Ofen 38) durchgeführt werden, wie das in der EP-A-237 216 oder EP-A-237 217 beschrieben ist.
Als Ergebnis der im Ofen 38 stattfindenden Reaktionen verlässt ein Gasstrom, der Schwefelwasserstoff, Schwefeldioxid, Wasserdampf, Schwefeldampf, Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid zusammen mit Spuren von Argon, Stickstoff und Kohlenoxidsulfid enthält, den Ofen 38 durch einen Auslaß 40 typischerweise auf einer Temperatur im Bereich von 1000 bis 1600ºC. Bei solchen Temperaturen reagieren immer noch einige der Komponenten des Gasstroms miteinander, so daß es schwierig ist, die genaue Zusammensetzung des Gasgemischs zu bestimmen. Der Gasstrom, der den Ofen 38 durch den Auslaß 40 verläßt, gelangt zu einem Abwärmekessel 42 oder einer anderen Form eines Wärmetauschers, in welchem er auf eine Temperatur im Bereich von 300 bis 400ºC abgekühlt wird. Während des Durchgangs des Gasstroms durch den Abwärmekessel besteht eine Tendenz, daß ein Teil des Wasserstoffs sich zur Bildung von Schwefelwasserstoff mit Schwefel reassozüert. Der abgekühlte Gasstrom gelangt aus dem Abwärmekessel 42 zu einem Schwefelkondensator 44, in welchem er weiter abgekühlt wird, und in welchem Schwefeldampf kondensiert und über einen Auslaß 45 abgezogen wird. Der resultierende flüssige Schwefel wird typischerweise zu einem geschlossenen Schwefeltopf (nicht dargestellt) geleitet. Der Gasstrom, aus welchem Schwefel extrahiert worden ist, enthält tpyischerweise etwa 10 bis 15% der Schwefelatome, die im anfänglichen Speisematerial zum Brenner 2 vorhanden waren. Er verlässt den Schwefelkondensator 44 auf einer Temperatur von etwa 190ºC und wird der Reihe nach durch eine Kette 32 von katalytischen Stufen und eine Restgasreinigungsanlage 34 geleitet, die analog zu den entsprechenden Teilen der Anlage nach Fig. 1 sind. Dementsprechend wird ein Gasstrom erzeugt, der stromab der Restgasreinigungsanlage 34 verbrannt und in die Atmosphäre entlüftet werden kann.
Der Strömungsdurchsatz des Spülstroms in den katalytischen Stufen 32 und der Anlage 34 der in Fig. 2 gezeigten Anlage tendiert dazu, sogar noch kleiner als derjenige in die gleichen Stufen der in Fig. 1 gezeigten Anlage zu sein. Typischerweise beträgt die erstere Strömung 5 bis 15% derjenigen in die katalytischen Stufen einer vergleichbaren Claus- Anlage auf Luftbasis. Dementsprechend kann die Größe der Stufen 32 und der Anlage 34, falls erforderlich, und die Menge des darin verwendeten Katalysators, noch kleiner als in der in Fig. 1 gezeigten Anlage sein.
Die relativen Anteile von Rezirkulationsstrom und Spülstrom werden in ähnlicher Weise gewählt, wie das vorstehend mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben wurde. (Argon, Stickstoff und Kohlenoxide) zu Schwefelwasserstoff sowohl im Spülstrom als auch im Rezirkulationsstrom und vermindert die Gesamtgröße des erforderlichen Spülstroms. In der Praxis wird die Größe der Rezirkulation beispielsweise so gewählt, daß sich ein gewünschtes Verhältnis von Schwefelwasserstoff zu nichtbrennbaren Stoffen im Speisematerial zum zweiten Reaktionsofen 38 oder beispielsweise eine gewünschte Temperatur im ersten Reaktionsofen 4 ergibt.
Es wird nun auf Fig. 3 der anliegenden Zeichnungen Bezug genommen und die darin gezeigte Anlage und ihr Betrieb sind ähnlich derjenigen nach Fig. 2. Dementsprechend sind gleiche Teile in den beiden Zeichnungen mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im wesentlichen besteht der einzige Unterschied zwischen der in Fig. 2 gezeigten Anlage und der in Fig. 3 gezeigten Anlage darin, daß in der ersteren eine Rezirkulation eines Teils des den Heizer 28 verlassenden Gasstroms vorhanden ist, während in der letzteren der gesamte den Heizer 28 verlassende Gasstrom zum Brenner 36 gelangt. Dementsprechend sind das Gebläse 30 und die zugeordnete Rezirkulationsleitung aus der in Fig. 3 gezeigten Anlage weggelassen. In jeder sonstigen Hinsicht ist der Betrieb der in Fig. 3 gezeigten Anlage analog derjenigen nach Fig. 2, so daß keine weitere Beschreibung hier notwendig ist.
Bei einer möglichen, obwohl nicht bevorzugten Modifikation der in Fig. 2 oder in Fig. 3 gezeigten Anlage kann ein Teil des den Schwefelkondensator 10 verlassenden Gasstroms den Heizer 12, den zweiten Reaktor 14, den Wasserkondensator 16 und den Nacherhitzer 18 umgehen und direkt zum Brenner 36 strömen.
Die in Fig. 4 gezeigte Anlage, die zur Behandlung eines Amingas enthaltenden Speisematerials geeignet ist, ist ähnlich derjenigen nach Fig. 2, und gleiche Teile in den beiden Zeichnungen sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Ein größerer Unterschied zwischen den beiden Anlagen liegt darin, daß bei derjenigen nach Fig. 4 der Spülstrom direkt zu einem Brenner (nicht dargestellt) geleitet werden kann. Dementsprechend findet nichts von dem Brenner 36, dem Ofen 38, dem Schwefelkondensator 44, den katalytischen Stufen 32, der Restgasreinigungseinheit 34 und dem Auslaß 35 nach Fig. 2 bei der in Fig. 4 gezeigten Anlage Anwendung. Um die Weglassungen zu ermöglichen, während gleichzeitig ein Spülgasstrom 51 erzeugt wird, der für eine Verbrennung geeignet ist, finden ein großes Verhältnis von Rezirkulation zu Speisematerialzufuhr und ein hohes Verhältnis von Rezirkulation zu Spülstrom Anwendung, und sowohl der Rezirkulationsstrom als der Speisegasstrom werden auf eine Temperatur im Bereich von 100 bis 300ºC vorgeheizt. Die erstere Vorheizung wird in einen Wärmetauscher 48 vorzugsweise durch Wärmeaustausch mit überhitztem Dampf bewerkstelligt; die letztere Vorheizung wird in einen Wärmetauscher 50 erreicht, der mit der Leitung 1 stromauf des Brenners 2 in Verbindung steht, vorzugsweise durch Wärmeaustausch mit überhitztem Dampf. In sonstiger Hinsicht ist der Betrieb der in Fig. 2 gezeigten Anlage ähnlich denjenigen der in Fig. 2 gezeigten Anlage.
Bei einem illustrativen Beispiel des Betriebs der in Fig. 4 gezeigten Anlage wird ein Speisematerial behandelt, das aus einem Amingas mit folgender Zusammensetzung besteht: 90 Volumenprozent H&sub2;S, 6 Volumenprozent H&sub2;O, 3 Volumenprozent CO&sub2;, und 1 Volumenprozent Kohlenwasserstoffe. Um eine effektive Umwandlung von etwa 98% im Ofen 4 zu erreichen, beträgt die volumetrische Rezirkulationsrate annähernd 175% der volumetrischen Zufuhrrate des Speisegases in den Brenner 2. Der Spülstrom enthält etwa 5 Mol CO&sub2; und etwa 1,5 Mol H&sub2;S pro 100 Mol Speisegas, wodurch sich eine Schwefelwasserstoffumwandlung von etwa 98% ergibt. 25% des gesamten in den Brenner 2 eintretenden H&sub2;S wird zur Bildung von Schwefeldioxid und Wasserdampf verbrannt.
Das Verhältnis von Rezirklation zu Speisematerialzufuhr tendiert dazu, sich schnell mit zunehmender prozentualer Umwandlung oberhalb 98% zu steigern, wodurch die Notwendigkeit zur Vorheizung des Rezirkulationsstroms gesteigert und ein Erfordernis nach gesteigerter Größe des Ofens 4 zusätzlich begründet wird. Die in Fig. 4 gezeigte Anlage kann durch Hinzufügen einer Stufe zur Abscheidung von Schwefelwasserstoff zwischen dem Heizer 28 und der Stelle modifiziert werden, bei welcher der Spülstrom aus dem Gasstrom entnommen wird, aus welchem Wasser extrahiert worden ist. Diese Abscheidung kann durch Waschen des Gasstroms mit einem geeigneten Amin bewerkstelligt werden. Nach einer alternativen Modifikation kann der Schwefelwasserstoff aus dem Spülstrom anstatt aus einem Bereich stromauf der Stelle abgeschieden werden, wo das behandelte Gasgemisch in Spülstrom und Rezirkulationsstrom aufgeteilt wird.
Die in Fig. 5 der Zeichnungen dargestellte Anlage hat eine Anzahl von Ähnlichkeiten zu derjenigen nach Fig. 2 Bei der Anlage nach Fig. 2 sind zwei Öfen 4 und 38 vorhanden, in denen die Verbrennung von Schwefelwasserstoff jeweils in einer einzigen Flammenzone stattfindet. Bei der in Fig. 5 gezeigten Anlage ist kein direktes äquivalent zum stromabwärtigen Ofen 38 nach Fig. 2 vorhanden. Gemäß Fig. 5 wird ein erster Schwefelwasserstoff enthaltender Speisegasstrom, der typischerweise mindestens 60 Volumenprozent brennbare Stoffe und typischerweise auch Kohlendioxid enthält, aus der Leitung 1 zu einem Brenner 52 zugeführt, der in einen stromaufwärtigen Bereich 56 eines ersten Reaktors in Form eines feuerfest ausgekleideten Ofens 54 hineinfeuert. Der erste Speisegasstrom wird stromauf seines Eintritts in den Brenner 52 mit einem ersten Rezirkulationsstrom vermischt, der Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff enthält, wobei die Bildung des Rezirkulationsstroms unten beschrieben wird. Der Brenner 52 wird mit einem Strom entweder im wesentlichen reinen Sauerstoff-angereicherter Luft versorgt. Das Verhältnis der Zuführrate von Schwefelwasserstoff zur Zuführrate von Sauerstoffinolekülen, die für die Reaktion damit verfügbar sind, ist "stöchiometrisch" ausgelegt. Dementsprechend wird in einer stromaufwärtigen Flammenzone (nicht dargestellt), die vom Brenner erzeugt wird, etwa ein Drittel des ankommenden Schwefelwasserstoffs verbrannt, um Schwefeldioxid und Wasserdampf zu ergeben. Ein Teil des resultierenden Schwefeldioxids reagiert mit restlichem Schwefelwasserstoff zur Bildung von Schwefeldampf und Wasserdampf. Eine Anzahl weiterer chemischer Reaktionen findet in der stromaufwärtigen Flammenzone statt, wie hier mit Bezug auf Fig. 1 schon beschrieben wurde. Ein Teil der resultierenden Gase strömt durch ein Leitblech 60 in einen stromabwärtigen Bereich 58 des Ofens 54. En zweiter Speisestrom, der Schwefelwasserstoff enthält, wird direkt auf einer Leitung 53 zu den stromabwärtigen Bereich 58 des Ofens 54 geleitet und umgeht daher den stromaufwärtigen Bereich 56 und die Flammenzone in diesem. Der zweite Speisestrom wird mit einem zweiten Rezirkulationsgasstrom vermischt, der Schwefelwasserstoff und Kohlendioxid enthält, wobei die Bildung dieses Rezirkulationsgasstroms unten noch beschrieben wird.
Typischerweise gibt es in einer Ölraffinerie zwei Hauptquellen von Schwefelwasserstoff: Nämlich Amingas und saures Wasserabstreifergas. Das letztere enthält einen wesentlichen Anteil an Ammoniak. Im zweiten Speisestrom ist kein saures Wasserabstreifergas enthalten. Wenn es erforderlich ist, saures Wasserabstreifergas gemäß der Erfindung zu behandeln, wird das saure Wasserabstreifergas zur Bildung des ersten Speisestroms typischerweise in einem Gemisch mit Amingas verwendet, während der zweite Speisestrom im wesentlichen nur aus Amingas besteht. Die Temperatur in der ersten Flammenzone wird ausreichend hoch gehalten, typischerweise auf mindestens 1200ºC, um sicherzustellen, daß sämtliches Ammoniak verbrannt wird, da Ammoniak einen schädlichen Einfluß auf Katalysatoren hat, die in stromabwärtigen Stufen des Verfahrens eingesetzt werden. Ein Spülstrom wird vom stromaufwärtigen Bereich 56 des Ofens 54 abgezogen. Dieser Spülstrom gelangt durch eine Reihe von Stufen, die einen Abwärmekessel 52, einen Schwefelkondensator 44 und eine Kette 32 katalytischer Stufen umfassen, die alle jeweils analog zu den entsprechenden Stufen der in Fig. 2 gezeigten Anlage sind und oben in Bezug auf Fig. 2 beschrieben wurden. Das die Kette 32 verlassende Gasgemisch gelangt dann in einen Brenner 70, in welchem restlicher Schwefelwasserstoff verbrannt wird. Das Gas aus dem Brenner 70 wird durch einen Einlaß 70 in die Atmosphäre entlüftet.
Aus der stromabwärtigen Flammenzone des Ofens 54 ausströmendes Gas gelangt aus dessen stromabwärtigen Bereich 58 in einen Abwärmekessel 8. Aus dem Abwärmekessel 8 gelangt das Gas durch eine Kette von Stufen, die der Reihe nach aus einem Schwefelkondensator 10, einem Heizer 12, einem zweiten Reaktor 14, einem Wasserkondensator 16 und einem Heizer 28 bestehen, hindurch, wobei die Strömung durch den Betrieb eines Gebläses 30 unterstützt wird. Diese Stufen und ihr Betrieb sind analog den entsprechenden Stufen der in Fig. 2 gezeigten Anlage. Typischerweise wird nichts von dem Gasstrom zwischen dem Heizer 28 und dem Gebläse 30 in den Spülstrom eingeleitet, der aus dem stromaufwärtigen Bereich 56 des Ofens 54 abgezogen wird. Stattdessen wird das Gas aus dem Gebläse 30 zum Ofen 54 rezirkuliert, wobei es zur Bildung des oben erwähnten ersten und zweiten Rezirkulationsstrom, wie oben beschrieben, unterteilt wird. Obwohl das zum Ofen 54 rezirkulierte Gas einen relativ großen Anteil an nicht brennbaren Stoffen enthalten kann, ist es durch Leiten eines geeigneten Anteils hiervon zum stromabwärtigen Bereich 58 vorzugsweise zum Brenner 52 möglich, eine annehmbare Flammentemperatur im stromaufwärtigen Bereich 56 des Ofens aufrecht zu erhalten.
Es ist gewünschtenfalls auch möglich, den Brenner 52 mit weniger als einem "stöchiometrischen" Verhältnis von Schwefelwasserstoff zu für die Reaktion verfügbaren Sauerstoffinolekülen zu betreiben, so daß das Molverhältnis von Schwefelwasserstoff zu Schwefeldioxid in Spülgasstrom weniger als 2 : 1 beträgt. Ein solches Betriebsverfahren tendiert dazu, die resultierende Flammentemperatur im stromaufwärtigen Bereich 56 des Ofens 54 zu vergrößern. Um sicherzustellen, daß ein geeignetes Molverhältnis von Schwefelwasserstoffzu Schwefeldioxid, nämlich etwa 2 : 1, in dem in die Kette 32 katalytischer Stufen eintretenden Gasgemisch vorhanden ist, wird ein geeigneter Anteil des Schwefelwasserstoffgasstroms, der den Heizer 28 verläßt, in den Spülgasstrom stromauf des Abwärmekessels 42 über eine Nebenstromleitung 64 eingeleitet.
Typischerweise kann der Spülstrom etwa 10 bis etwa 20% der Strömung durch eine herkömmliche Claus-Anlage auf Luftbasis der gleichen Gesamtkapazität betragen. Des weiteren ist es möglich, so vermuten wir, mehr als 98 Gewichtsprozent des ankommenden Schwefelgehalts der Speisegasströme stromauf des Brenners 70 in rückgewinnbaren Schwefel umzuwandeln.

Claims

1. Verfahren zur Behandlung eines Speisegasstroms, der Schwefelwasserstoff enthält, mit folgenden Schritten:

a) Umwandeln eines Teils des Schwefelwasserstoffgehalts des Speisegasstroms in einem ersten Reaktor in Schwefeldioxid und Reagieren des so gebildeten Schwefeldioxids mit restlichem Schwefelwasserstoff zur Bildung von Schwefeldampf und Wasserdampf, um so einen Schwefel enthaltenden Gasstrom zu erzeugen, der Schwefelwasserstoff, Schwefeldioxid, Wasserdampf und Schwefeldampf enthält,

b) Extrahieren des Schwefeldampfs aus dem Schwefel enthaltenden Gasstrom,

c) Reduzieren des Schwefeldioxidgehalts eines Schwefeldioxid enthaltenden Gasstroms in einem zweiten Reaktor zu Schwefelwasserstoff,

d) Extrahieren von Wasserdampf aus dem reduzierten Gasstrom, um so einen Schwefelwasserstoff enthaltenden sekundären Gasstrom zu bilden,

e) Verwenden eines Teils des sekundären Gasstroms als Spülstrom, und

f)Austragen des Spülstroms,

dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Teil des sekundären Gases in den ersten Reaktor zurückgeführt wird, und daß der genannte Schwefeldioxid enthaltende Gasstrom der im Schritt b) gebildete Gasstrom ist.

2. Verfahren zum Behandeln eines Schwefelwasserstoff enthaltenden Gasstroms, mit folgenden Schritten:

a) Umwandeln eines Teils des Schwefelwasserstoffgehalts des Speisegasstroms in einem ersten Reaktor zu Schwefeldioxid und Reagieren des so gebildeten Schwefel dioxids mit restlichem Schwefelwasserstoff zur Bildung von Schwefeldampf und Wasserdampf, um so einen Schwefel enthaltenden Gasstrom zu erzeugen, der Schwefelwasserstoff, Schwefeldioxid, Wasserdampf und Schwefeldampf enthält,

b) Extrahieren von Schwefeldampf aus dem Schwefel enthaltenden Gasstrom,

d) Extrahieren von Wasserdampf aus dem reduzierten Gasstrom, um so einen sekundären Gasstrom zu bilden, der Schwefelwasserstoff enthält, und

e) Bilden und Austragen eines Spülstroms,

dadurch gekennzeichnet, daß der Spülstrom zwischen den Schritten b) und c) entnommen wird, Schwefelwasserstoff im Spülstrom der Reaktion mit Schwefeldioxid in mindestens einem weiteren Reaktor stromauf des Austrags in die Atmosphäre unterzogen wird, der genannte Schwefeldioxid enthaltende Gasstrom der im Schritt b) gebildete Gasstrom ist, und mindestens ein Teil des sekundären Gasstroms zum ersten Reaktor zurückgeführt wird.

3. Verfahren zum Behandeln eines Schwefelwasserstoff enthaltenden Gasstroms, mit folgenden Schritten:

b) Extrahieren von Schwefeldampf aus dem Schwefel enthaltenden Gasstrom,

e) Entnehmen mindestens eines Teils des sekundären Gasstroms als Spülstrom, wobei nichts von dem sekundären Gasstrom zum ersten Reaktor zurückgeleitet wird,

f) Austragen des Spülstroms,

dadurch gekennzeichnet, daß Schwefelwasserstoff im Spülstrom der Reaktion mit Schwefeldioxid in mindestens einem weiteren Reaktor stromauf des Austrags in die Atmosphäre unterzogen wird, und der genannte Schwefeldioxid enthaltende Gasstrom der im Schritt b) gebildete Gasstrom ist.

4. Verfahren zum Behandeln eines Schwefelwasserstoff enthaltenden Gasstroms, mit folgenden Schritten:

a) Umwandeln eines Teils des Schwefelwasserstoffgehalts des Speisegasstroms in einem ersten Reaktor zu Schwefeldioxid und Reagieren des so gebildeten Schwefeldioxids mit restlichem Schwefelwasserstoff zur Bildung von Schwefeldampf und Wasserdampf, um so einen Schwefel enthaltenden Gasstrom zu erzeugen, der Schwefelwasserstoff, Schwefeldioxid, Wasserdampf und Schwefeldampf enthält,

b) Extrahieren von Schwefeldampf aus dem Schwefel enthaltenden Gasstrom,

d) Extrahieren von Wasserdampf aus dem reduzierten Gasstrom zur Bildung eines Schwefelwasserstoff enthaltenden sekundären Gasstroms,

e) Bilden und Austragen des Spülstroms,

dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des sekundären Gasstroms zum ersten Reaktor zurückgeführt wird, der genannte Schwefeldioxid enthaltende Gasstrom der im Schritt b) gebildete Gasstrom ist, ein Schwefelwasserstoff, Schwefeldioxid, Schwefeldampf und Wasserdampf enthaltender Gasstrom als Spülstrom aus dem ersten Reaktor entnommen wird, und Schwefelwasserstoff in dem Spülstrom der Reaktion mit Schwefeldioxid in mindestens einem weiteren Reaktor stromauf des Austrags in die Atmosphäre unterzogen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der genannte Teil des Schwefelwasserstoffgehalts des Speisegasstroms zu Schwefeldioxid durch Verbrennung umgewandelt wird, die durch Sauerstoff oder Sauerstoff-angereicherte Luft unterstützt wird, und wobei das Molverhältnis von Schwefelwasserstoff zu in den ersten Reaktor eintretendem verfügbarem Sauerstoff im Bereich von 1,8 bis 2,2 : 1 liegt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Spülgasstrom zwischen den Schritten b) und c) entnommen und mindestens einer Stufe einer katalysierten Reaktion zwischen Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid zur Bildung des genannten weiteren Schwefeldampfs unterzogen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der genannte Teil des Schwefelwasserstoffgehalts des Speisegasstroms zu Schwefeldioxid durch Verbrennung umgewandelt wird, die durch Sauerstoff oder Sauerstoff-angereicherte Luft unterstützt wird, wobei das Molverhältnis von Schwefelwasserstoff zu in den ersten Reaktor eintretendem verfügbarem Sauerstoff größer als 2,2 : 1 ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei mindestens ein Teil des sekundären Gasstroms zu dem mindestens einen weiteren Reaktor geleitet wird, in welchem ein Teil seines Schwefelwasserstoffgehalts in Schwefeldioxid umgewandelt wird und das so gebildete Schwefeldioxid mit Schwefelwasserstoff zur Bildung weiteren Schwefeldampfs reagiert, Sauerstoff oder Sauerstoff-angereicherte Luft zur Unterstützung der Verbrennung des genannten Teils des Schwefelwasserstoffgehalts des sekundären Gasstroms eingesetzt wird, um diesen so zu Schwefeldioxid umzuwandeln, der genannte weitere Schwefeldampf extrahiert und ein Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid enthaltender restlicher Gasstrom mindestens einer Stufe einer katalysierten Reaktion zwischen Schwefelwasserstoff und Schwefeldampf zur Bildung noch weiteren Schwefeldampfs unterzogen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei keine weitere Reaktion zwischen Schwefelwasserstoff im Spülstrom und Schwefeldioxid stattfindet.

10. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schwefelwasserstoff von dem Spülstrom durch Waschen des Spülstroms mit einem geeigneten Amin getrennt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9, wobei von dem Speisegasstrom und dem zum ersten Reaktor zurückgeführten Teil des sekundären Gasstroms einer oder beide auf eine Temperatur im Bereich von 100 bis 500ºC vorgewärmt wird bzw. werden.

12. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Spülgasstrom aus einem Zwischenbereich des ersten Reaktors entnommen wird und ein Molverhältnis von Schwefelwasserstoff zu Schwefeldioxid aufweist, das kleiner als das Molverhältnis hiervon am stromabwärtigen Ende des ersten Reaktors ist.

13. Verfahren nach Anspruch 4 oder 12, wobei mindestens ein Teil des zum ersten Reaktor zurückgeführten sekundären Gasstroms eine Flammenzone umgeht, in welcher eine Verbrennung des Schwefelwasserstoffs stattfindet.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Spülgasstrom aus einem Bereich des ersten Reaktors stromab der Flammenzone und stromauf des Bereichs des ersten Reaktors entnommen wird, in dem das Sekundärgas sich mit Gas vermischt, das aus der Flam menzone ausgetreten ist.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei ein Teil des Speisegasstroms die Flammenzone umgeht.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 und 12 bis 15, wobei ein Teil des sekundären Gasstroms in den Spülgasstrom eingeleitet wird.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Schritt c) die Reduktion des Schwefeldioxids durch Wasserstoff in einer katalysierten Reaktion erfolgt, wobei mindestens ein Teil des Wasserstoffs an Ort und Stelle gebildet wird.