DE69603579T2

DE69603579T2 - Verfahren zur teiloxidation eines schwefelwasserstoff enthaltenden gasstroms

Info

Publication number: DE69603579T2
Application number: DE69603579T
Authority: DE
Inventors: Olivier Charon; Ebrahim Djavdan; Jacques Koenig; Jean-Francois Nicolas; Vincent Queudot
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 1995-02-21
Filing date: 1996-02-20
Publication date: 2000-02-17
Anticipated expiration: 2016-02-21
Also published as: FR2730721A1; DE69603579D1; FR2730721B1; US6083466A; AU692066B2; WO1996026157A1; PL321934A1; GR3031325T3; US6328940B1; AU4835996A; ATE182858T1; CA2213506A1; JPH11500703A; EP0810974A1; ES2137666T3; EP0810974B1; KR19980702353A; DK0810974T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur teilweisen Oxidation in einem CLAUS-Ofen, eines schwefelwasserstoffhaltigen Gasstroms durch Umsetzung mit einem sauerstoffangereicherten Luftstrom.
Gasströme, die reich an Schwefelwasserstoff sind, stellen Abfallprodukte dar, die von zahlreichen Industrien, insbesondere der Erdölraffinations- und der erdgasherstellenden Industrie produziert werden. Aus Gründen, die insbesondere mit der Umwelt zusammenhängen, können diese an Schwefelwasserstoff reichen Gasströme in der Form, in der sie anfallen, nicht in die Atmosphäre freigesetzt werden. Zur weitgehenden Reduzierung insbesondere ihres Schwefelwasserstoffgehalts müssen sie daher einer Behandlung unterzogen werden. Ein hinreichend bekanntes Verfahren zur Behandlung dieser an Schwefelwasserstoff reichen Gase ist das CLAUS- Verfahren.
Dieses Verfahren besteht aus einem Erhitzungsteil und einem katalytischen Teil. Beim Erhitzungsteil werden zwei Hauptreaktionen durchgeführt. Die erste Reaktion besteht darin, etwa ein Drittel des zu behandelnden Schwefelwasserstoffs mit Sauerstoff im Sinne folgender Reaktion zu Wasser und Schwefeldioxid umzusetzen:
H&sub2;S + 3/2 O&sub2; → H&sub2;O + SO&sub2;.
Die restlichen 2/3 des zu behandelnden Schwefelwasserstoffs werden mit dem im Verlauf des obengenannten ersten Schritts gebildeten Schwefeldioxid im Sinne folgender Reaktion umgesetzt:
SO&sub2; + 2 H&sub2;S → 2 H&sub2;O + 3 S.
Die erste Reaktion wird gewöhnlich mit Luftsauerstoff durchgeführt. Zur Erhöhung der Produktivität des Erhitzungsteils des CLAUS-Verfahrens wurde bereits vorgeschlagen, den Schwefelwasserstoff in der ersten Stufe mit sauerstoffangereicherter Luft umzusetzen. Im allgemeinen wird jedoch angenommen, daß diese Anreicherung der Luft mit Sauerstoff einen gewissen Schwellenwert nicht überschreiten darf, da sonst die Reaktionswärme so hoch ist, daß die Temperatur an den Wänden des CLAUS-Ofens die von den feuerfesten Bestandteilen dieser Wände aushaltbare Temperatur überschreitet. Diesbezüglich sei auf die Patentanmeldung EP-A-165 609 verwiesen, in der beschrieben wird, daß bei Umsetzung eines 90 Mol-% Schwefelwasserstoff enthaltenden Gasstroms mit einem 40 Mol-% Sauerstoff enthaltenden Gasstrom die unter adiabatischen Bedingungen berechnete theoretische Flammentemperatur etwa 1732ºC erreichen müßte. Es ist dort angeben, daß die Flammentemperatur unter den gleichen Bedingungen, jedoch mit einem 70 Mol-% Sauerstoff enthaltenden Gasstrom, etwa 2065ºC erreichen müßte. Die leistungsfähigsten feuerfesten Stoffe sind dort als Materialien beschrieben, die Temperaturen oberhalb etwa 1537ºC nicht aushalten können. In der Patentanmeldung EP-A-165 609 wurde die Ansicht geäußert, daß die Behandlung eines an Schwefelwasserstoff reichen Gasstroms mit einem zu 30-32% an Sauerstoff angereicherten Luftstrom in einem herkömmlichen CLAUS-Ofen, d. h. in einem für nicht sauerstoffangereicherte Luft ausgelegten CLAUS-Ofen, nicht durchführbar sei. Es wurde sodann ein Verfahren vorgeschlagen, nach dem die Abgase, die bei den in diesem Ofen stattfindenden Reaktionen anfallen, gekühlt werden. Nach Kondensation und Extraktion des bei diesen Reaktionen gebildeten Schwefels wird ein Teil der gekühlten Abgase zwecks Verminderung der Temperatur der Reaktionszone in diese Reaktionszone zurückgeführt. Mit solch einem Verfahren läßt sich Schwefelwasserstoff mit an Sauerstoff stark angereicherter Luft behandeln. Dabei ist jedoch von Nachteil, daß an einen herkömmlichen CLAUS-Ofen eine Rezirkulationsanlage angebaut werden muß. Somit läßt sich dieses Verfahren nicht mit einem herkömmlichen CLAUS-Ofen durchführen.
Ein weiteres Verfahren zur Behandlung von an Schwefelwasserstoff reichem Gas mit einem sauerstoffangereicherten Gasstrom wurde in der Patentanmeldung EP-A-237 217 beschrieben. Dieses Verfahren besteht in der teilweisen Oxidation des Schwefelwasserstoffs mit reinem Sauerstoff oder an Sauerstoff stark angereicherter Luft in zwei Stufen, die in zwei verschiedenen jeweils durch eine Kühlzone voneinander getrennten Verbrennungsbereichen durchgeführt werden. Mit diesem Verfahren läßt sich eine stufenweise Verteilung der Reaktionswärme zwischen den zwei Bereichen erzielen. Hierbei ist jedoch von Nachteil, daß man einen zweiten CLAUS-Ofen anschließen muß, was eine beträchtliche Investition darstellt. Auch dieses Verfahren kann somit nicht mit einem herkömmlichen CLAUS-Ofen durchgeführt werden.
Aus der EP-A-315 225 ist ebenfalls bekannt, daß man in einen Brenner des CLAUS-Ofens von der Mitte nach außen hin Sauerstoff, Schwefelwasserstoff und Luft injizieren kann. Die Sauerstoff- Injektionsgeschwindigkeit liegt zwischen 50 und 250 m/s, während der Schwefelwasserstoff mit einer Geschwindigkeit zwischen 10 und 30 m/s injiziert wird, was einem Verhältnis der Sauerstoff- zur Schwefelwasserstoff-Geschwindigkeit von 25 bis 1,7 entspricht.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur teilweisen Oxidation eines schwefelwasserstoffhaltigen Gases mit einem sauerstoffangereicherten Gasstrom, das in einem herkömmlichen CLAUS-Ofen durchführbar ist. Dieses Verfahren kommt somit ohne Anschluß eines zweiten CLAUS-Ofens und auch ohne Injektion von gekühlten und rückgeführten Reaktionsabgasen von zwecks Verminderung der Temperatur des Reaktionsmediums aus.
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit ein Verfahren zur teilweisen Oxidation in einem CLAUS-Ofen mindestens eines schwefelwasserstoffhaltigen Gasstroms, dadurch gekennzeichnet, daß man folgende Schritte durchführt:
(a) man injiziert in den CLAUS-Ofen mindestens einen schwefelwasserstoffhaltigen Gasstrom und mindestens einen sauerstoffangereicherten Luftstrom, wobei die Injektionsgeschwindigkeiten jedes dieser Ströme im wesentlichen parallel verlaufen,
(b) man reguliert die Injektionsgeschwindigkeit des sauerstoffangereicherten Luftstroms und die Injektionsgeschwindigkeit des schwefelwasserstoffhaltigen Gasstroms derart, daß das Verhältnis dieser Geschwindigkeiten zwischen 0,8 und 1,2 liegt,
(c) man setzt den Sauerstoff des sauerstoffangereicherten Luftstroms mit dem Schwefelwasserstoff um und
(d) erhält am Ausgang des CLAUS-Ofens einen schwefelwasserstoffverarmten Gasstrom. Dieser so erhaltene Gasstrom ist schwefelangereichert.
Vorzugsweise injiziert man den Sauerstoff in der Mitte und läßt ihn von einem sauerstoffangereicherten Luftstrom umfließen, der seinerseits von einem Schwefelwasserstoffstrom umflossen wird. Ebenfalls werden vorzugsweise bei der Injektion von lediglich zwei Gasströmen in den Ofen die sauerstoffangereicherte Luft (bzw. der reine Sauerstoff) in der Mitte und der Schwefelwasserstoff am Rand koaxial injiziert. Unter sauerstoffangereicherter Luft versteht man Luft, die mehr als 21 Mol-%, vorzugsweise mehr als 25 Mol-% und besonders bevorzugt zwischen 40 und 100 Mol-% Sauerstoff enthält.
Die Erfindung wird anhand der nachstehenden ausführlichen Beschreibung und Abbildungen beschrieben.
Es zeigen:
Abb. 1 einen Querschnitt eines Doppelrohrbrenners zur Durchführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Abb. 2 einen Querschnitt eines Brenners mit drei konzentrischen Rohren zur Durchführung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Abb. 3 einen Querschnitt eines Brenners mit vier konzentrischen Rohren zur Durchführung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Abb. 4 die an den Wänden eines CLAUS- Ofens bei der teilweisen Oxidation eines sauren Gasstroms mit einem reinen Sauerstoffstrom herrschenden Temperaturen;
Abb. 5 die an den Wänden eines CLAUS- Ofens bei der teilweisen Oxidation eines sauren Gasstroms und eines ammoniakhaltigen Gasstroms mit einem reinen Sauerstoffstrom herrschenden Temperaturen; und
Abb. 6 Vergleichstemperaturkurven im Rahmen von Beispiel 3.
Von der Anmelderin wurde festgestellt, daß bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens überraschenderweise die teilweise Oxidation des in einem Gasstrom enthaltenen Schwefelwasserstoffs durch einen sauerstoffangereicherten, sogar einen stark sauerstoffangereicherten Luftstrom in einem herkömmlichen CLAUS-Ofen gelingt. In der Tat besteht die einzige zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderliche Abänderung des herkömmlichen CLAUS-Ofens darin, daß man eine einfache Modifizierung der Brenner und/oder der Einspritzdüsen zur Injektion der verschiedenen Ströme vornehmen muß, so daß ein Funktionieren mit sauerstoffangereicherter Luft möglich ist. Diese Brenner und/oder Einspritzdüsen sind in der Regel am Boden des Ofens angebracht. Was jedoch insbesondere die Abmessungen und den Aufbau des CLAUS- Ofens selbst betrifft, so ist keine Modifikation erforderlich. Unerwarteterweise und im Gegensatz zu den Voraussagen des Standes der Technik gelingt es, bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens Temperaturen an den Ofenwänden zu erzielen, die unter den von den feuerfesten Bestandteilen dieser Wände ausgehaltenen Temperaturen liegen, sogar dann, wenn es sich um einen herkömmlichen CLAUS-Ofen handelt.
Das Verhältnis der Injektionsgeschwindigkeit des schwefelwasserstoffhaltigen Gasstroms im CLAUS-Ofen zur Injektionsgeschwindigkeit des sauerstoffangereicherten Luftstroms liegt gewöhnlich zwischen 0,8 und 1, 2. In der Tat besteht eines der charakteristischen Merkmale der Erfindung darin, daß an der Brenneröffnung nahe beieinanderliegende Injektionsstöße, d. h. unter Berücksichtigung der Dichten der betreffenden Gase, nahe beieinanderliegende Injektionsgeschwindigkeiten des Sauerstoffträgers und des Brennstoffs, erfolgen, so daß die durch die Scherbeanspruchung zwischen den sauren Gasen (H&sub2;S usw.) und der gegebenenfalls an Sauerstoff angereicherten Luft (Luft + O&sub2; oder reinem O&sub2;) verursachte Turbulenz gebremst und auf einer längeren Wegstrecke verteilt wird. Je schneller sich die Turbulenz einstellt und je mehr sie örtlich konzentriert wird, desto leichter verlaufen die Oxidationsreaktionen und umso mehr ist der "heiße Kern" und in der Nähe des Brenners konzentriert und überträgt Hitze auf die Brennerspitze und auf die feuerfesten Wände am Ofenkopf. Umgekehrt verlaufen die Oxidationsreaktionen erfindungsgemäß nicht leichter, wenn die Turbulenz weder rasch gebildet wird noch örtlich konzentriert wird. Die Brennerspitze wird weniger heiß, und auf die feuerfesten Wände des Ofens wird weniger Hitze übertragen (wodurch billigere feuerfeste Stoffe eingesetzt werden können). Der Ausdruck parallele Geschwindigkeiten bedeutet im Rahmen der vorliegenden Erfindung, daß der von den Geschwindigkeitsvektoren jedes der Ströme gebildete und unmittelbar an der Brenner- und/oder Einspritzdüsenöffnung gemessene Winkel weniger als etwa 15º beträgt.
Der Luftstrom kann mit einem Sauerstoffgehalt von mehr 25 Mol-%, vorzugsweise mit einem Gehalt zwischen 40 und 100 Mol-% Sauerstoff angereichert sein. Der Sauerstoffgehalt, mit dem die Luft angereichert ist, entspricht der Sauerstoffmolfraktion des angereicherten Gases. Beispielsweise besteht zu 50% Sauerstoff angereicherte Luft aus einem Gasgemisch mit 50 Mol-% Sauerstoff. Gegegebenenfalls kann die Luft zu 100% Sauerstoff angereichert sein und besteht dann aus reinem Sauerstoff.
Die Schwefelwasserstoffkonzentration in diesem Gasstrom kann 10 Mol-% oder mehr betragen und liegt zwischen 40 und 99 Mol-%.
Der schwefelwasserstoffhaltige Gasstrom kann aus einem sauren Gasstrom oder einem ammoniakhaltigen Gasstrom bestehen.
Ein saures Gas besteht im wesentlichen aus Schwefelwasserstoff und mindestens einer der folgenden Verbindungen: Wasserdampf, Kohlendioxid, Kohlenwasserstoffen und anderen schwefelhaltigen Verbindungen. Der Schwefelwasserstoffgehalt des sauren Gases kann zwischen 0 und 95% liegen.
Ein ammoniakhaltiges Gas besteht gewöhnlich aus 10 bis 60 Mol-% Wasserdampf, 10 bis 60 Mol-% Schwefelwasserstoff und 10 bis 0 Mol-% Ammoniak.
Der schwefelwasserstoffhaltige Gasstrom und der sauerstoffangereicherte Luftstrom werden so in den Ofen injiziert, daß die Ströme miteinander in Kontakt treten und die teilweise Oxidationsreaktion des Schwefelwasserstoffs mit dem Sauerstoff ermöglichen. Zu diesem Zweck werden die Ströme nahe beieinander injiziert.
Handelt es sich bei dem schwefelwasserstoffhaltigen Gasstrom um einen sauren Gasstrom, so geht man vorzugsweise so vor, daß man den sauren Gasstrom zumindest teilweise von dem sauerstoffangereicherten Gasstrom umfließen läßt. Der erfindungsgemäße Aufbau enthält das reduzierende Gas vorzugsweise stets am Rand (saures Gas): in dieser Anordnung wird die Kontaktoberfläche des sauren Gases mit dem Oxidationsmittel im Gegensatz zum Stand der Technik, wo das saure Gas auf der einen Seite mit Sauerstoff und auf der anderen mit Luft in Kontakt steht, verringert, da das saure Gas den Sauerstoff und/oder die Luft "bedeckt". Soll jedoch Ammoniakgas zerstört werden (NH&sub3; ist ebenfalls ein reduzierendes Gas), so wird das Ammoniak vorzugsweise in der Mitte injiziert, damit es vollständig oxidiert und somit vollständig zerstört wird, während der Schwefelwasserstoff nur zum Teil zerstört werden muß.
Die verschiedenen Ströme können mit Hilfe eines Brenners mit konzentrischen Rohren injiziert werden. Solch ein Brenner ist im Querschnitt in Abb. 1 dargestellt, in der ein sauerstoffangereicherter Luftstrom über Rohr 1 und der schwefelwasserstoffhaltige Gasstrom über Rohr 2 injiziert werden können. Solch ein Brenner ist ganz besonders zur teilweisen Oxidation eines sauren Gasstroms geeignet.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann der sauerstoffangereicherte Luftstrom aus zwei verschiedenen Strömen zusammengesetzt sein, deren Injektionsgeschwindigkeiten im wesentlichen parallel verlaufen, wobei die Sauerstoffgehalte dieser beiden Ströme deutlich verschieden sind. So kann einer dieser Ströme aus reinem Sauerstoff bestehen, während der andere Strom ein Luftstrom oder ein zu 25-100% Sauerstoff angereicherter Luftstrom ist. Umfließt der Luftstrom bzw. der sauerstoffangereicherte Luftstrom den reinen Sauerstoffstrom. In der Regel umfließt der schwefelwasserstoffhaltige Gasstrom den Luftstrom bzw. den sauerstoffangereicherten Luftstrom. Die Injektion dieser verschiedenen Ströme in den CLAUS-Ofen kann mittels eines Brenners mit mehreren konzentrischen Rohren erfolgen. Solch ein Brenner ist im Querschnitt in Abb. 2 dargestellt, in der der Sauerstoff über das Mittelrohr 3, der Luftstrom bzw. der sauerstoffangereicherte Luftstrom über das Zwischenrohr 4 und der schwefelwasserstoffhaltige Gasstrom über das Außenrrohr 5 injiziert werden können.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung geht man, wenn der sauerstoffangereicherte Luftstrom sich, wie weiter oben angegeben, aus zwei verschiedenen Strömen mit deutlich verschiedenen Sauerstoffgehalten zusammensetzt, so vor, daß man den ammoniakhaltigen Gasstrom von dem am stärksten Sauerstoff angereicherten Gasstrom umfließen läßt, wobei der letztere seinerseits von dem am wenigsten Sauerstoff angereicherten Gasstrom umflossen wird. Vorzugsweise besteht der am stärksten Sauerstoff angereicherte Gasstrom aus reinem Sauerstoff und der am wenigsten Sauerstoff angereicherte Strom aus Luft. Die Injektion dieser verschiedenen Ströme kann mittels eines Mehrrohrenbrenners wie dem im Querschnitt in Abb. 3 dargestellten erfolgen, in der das ammoniakhaltige Gas über das Mittelrohr 6, ein reiner Sauerstoffstrom über das erste Zwischenrohr 7, der sauerstoffangereicherte Gasstrom über das zweite Zwischenrohr 8 und ein saurer Gasstrom über das Außenrohr 9 injiziert werden können.
Gemäß einem weiteren Merkmal kann das erfindungsgemäße Verfahren mittels mehrerer, beispielsweise zwei oder drei, der oben beschriebenen Brenner in paralleler Anordnung durchgeführt werden. So kann man, wenn man die Oxidation eines sauren Gasstroms und eines ammoniakhaltigen Gasstroms durchführen will, zwei Brenner gemäß Abb. 1 einsetzen. In den ersten dieser Brenner injiziert man das saure Gas über Rohr 2 und das sauerstoffangereicherte Gas über Rohr 1. In den zweiten Brenner injiziert man das ammoniakhaltige Gas über Rohr 1 und das sauerstoffangereicherte Gas über Rohr 2.
In der Regel weist der am Ofenausgang erhaltene Gasstrom eine Temperatur von über 1000ºC, vorzugsweise zwischen 1300ºC und 2000ºC, auf.
Ungeachtet der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besitzen die verwendeten Brenner in der Regel für jedes ihrer Rohre einen vorbestimmten Oberflächenquerschnitt.
Diese Oberfläche muß so bemessen sein, daß in Abhängigkeit der Strömungsraten jedes dieser Ströme und der gewählten Sauerstoffanreicherung die Verhältnisse der Geschwindigkeiten des bzw. der sauerstoffangereicherten Gasstroms bzw. -ströme einerseits und des bzw. der schwefelwasserstoffhaltigen Gasstroms bzw. -ströme andererseits zwischen 4 : 1 und 1 : 4 betragen, wobei es sich von selbst versteht, daß die Parallelströme untereinander Geschwindigkeitsverhältnisse zwischen 0,8 und 1,2 aufweisen müssen.
Die Strömungsraten dieser Ströme sind von der Anlage, in der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird, vorgegeben. Ganz besonders sind die Strömungsraten von den Abmessungen des CLAUS-Ofens und den Eigenschaften des am Ausgang des CLAUS-Ofens angeordneten Wärmeaustauschers abhängig.
In Abhängigkeit von diesen Parametern ist der Fachmann vollkommen in der Lage, diese Oberflächen zu bestimmen.
Gemäß einem besonders vorteilhaften Merkmal der Erfindung werden alle eingesetzten Gasströme in den CLAUS-Ofen koaxial injiziert.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einem einzigen CLAUS-Ofen durchgeführt werden und kommt somit ohne den Einsatz von in Serie angeordneten CLAUS-Öfen aus. Ganz besonders kann es in einem herkömmlichen CLAUS-Ofen durchgeführt werden, d. h. in einem bisher für die lediglich nicht mit sauerstoffangereicherter Luft ohne Rückführung von abgekühlten Reaktionsabgasen durchgeführte teilweise Oxidation von Schwefelwasserstoff ausgelegten CLAUS-Ofen.
Zum besseren Verständnis der Erfindung sind die nachfolgenden Beispiele angegeben:

BEISPIEL 1:

In einen herkömmlichen, mit einem Brenner der in Abb. 1 dargestellten Art ausgestatteten Ofen injiziert man mit unterschiedlichen Gehalten an Sauerstoff angereicherte Luftströme und einen sauren Gasstrom aus 91% Schwefelwasserstoff und 9% Wasserdampf. Die Länge des CLAUS-Ofens beträgt 8 m, sein Innendurchmesser 1,5 m und sein Außendurchmesser 2 m.
Über Rohr 1 dieses Brenners kann man reinen Sauerstoff injizieren. Rohr 1 besitzt einen Durchmesser von 0,22 m. Über Rohr 2 kann man einen sauren Gasstrom injizieren. Sein Durchmesser beträgt 0,4 m. Diese beiden Rohre sind koaxial und ermöglichen somit die Injektion der jeweiligen Ströme mit parallelen Geschwindigkeiten.
Die Injektionsgeschwindigkeit des sauren Gasstroms beträgt 36 m/s.
Die Injektionsgeschwindigkeit des reinen Sauerstoffstroms beträgt ebenfalls 36 m/s.
Die Wände des Ofens bestehen aus feuerfesten Stoffen mit 99% Aluminiumoxid, die eine Temperatur von 1800ºC aushalten können. Solche feuerfesten Stoffe werden von der Firma Savoie Réfractaires unter der Bezeichnung AL 100 und von der Firma Didier Werke unter der Bezeichnung Durital K99 vertrieben.
Man bestimmt die Temperaturen an den Wänden über die gesamte Ofenlänge. Die erzielten Ergebnisse sind in Abb. 4 dargestellt, in der X die Länge (in m) des Ofens bedeutet. Aus diesen Ergebnissen geht hervor, daß die Oxidationsreaktion eines schwefelwasserstoffreichen sauren Gases mit einem reinen Sauerstoffstrom bei Durchführung unter den erfindungsgemäßen Bedingungen in einem einzigen herkömmlichen CLAUS-Ofen ohne Rückführung von abgekühlten Reaktionsabgasen, aber unter gleichzeitiger Beibehaltung von akzeptablen Temperaturen für die feuerfesten Stoffe, und zwar über die gesamte Länge des Ofens, durchführbar ist.

BEISPIEL 2:

Zur Durchführung der teilweisen Oxidation eines sauren Gasstroms und eines ammoniakhaltigen Gasstroms mit einem reinen Sauerstoffstrom verwendet man einen mit dem aus Beispiel 1 identischen CLAUS- Ofen, der jedoch mit einem Brenner der in Abb. 2 dargestellten Art ausgestattet ist.
Der saure Gasstrom besteht aus 90 Mol-% Schwefelwasserstoff und 10 Mol-% Wasserdampf. Dieser Strom wird über Rohr 5 mit einer Geschwindigkeit am Rohreingang von 40 m/s injiziert.
Der ammoniakhaltige Gasstrom besteht aus 20 Mol-% Schwefelwasserstoff, 50 Mol-% Wasserdampf und 30 Mol-% Ammoniak. Dieser Strom wird über Rohr 3 mit einer Geschwindigkeit am Rohreingang von 40 m/s injiziert.
Der reine Sauerstoffstrom wird über Rohr 4 mit einer Geschwindigkeit am Eingang dieses Rohrs von 49 m/s injiziert.
Die Durchmesser von Rohr 3, 4 und 5 betragen jeweils 0,1 m, 0,22 m und 0,40 m.
Man bestimmt die Temperaturen an den Wänden über die gesamte Länge des Ofens.
Die erzielten Ergebnisse sind in Abb. 5 dargestellt, in der X die Länge des Ofens (in m) bedeutet.
Aus diesen Ergebnissen geht hervor, daß die Oxidation eines sauren schwefelwasserstoffreichen Gasstroms und eines ammoniakhaltigen Gasstroms mit einem reinen Sauerstoffstrom in einem herkömmlichen CLAUS-Ofen, aber unter gleichzeitiger Beibehaltung von akzeptablen Temperaturen für die feuerfesten Stoffe, und zwar über die gesamte Länge des Ofens, durchführbar ist.

BEISPIEL 3:

Einer der mittels der Erfindung erzielbaren Vorteile, d. h. die Verminderung der Temperatur der feuerfesten Stoffe nahe des Brenners, wird durch Verwendung von vier verschiedenen unten erläuterten Injektionsaufbauten (Fall Nr. 1 bis 4) in dem gleichen Ofen unter Injektion eines sauren Gases, von Luft und Sauerstoff (in den beiden Strömen Luft und Sauerstoff zusammen sind 50 Mol-% O&sub2; enthalten) veranschaulicht. Die in den vier nachstehenden Fällen erzielten verschiedenen Temperaturkurven sind jeweils mit den Bezugsziffern 1 bis 4 gekennzeichnet.

Fall Nr. 1:

Man verwendet den in Abb. 2 beschriebenen Aufbau. Das Mittelrohr (Injektion von Sauerstoff) besitzt einen Durchmesser von 16,7 cm, und die Injektionsgeschwindigkeit von Sauerstoff beträgt 30 m/s. Dieses Mittelrohr ist von einem zweiten koaxial angeordneten Rohr mit dem Durchmesser 27,6 cm umgeben, in das Luft mit 30 m/s injiziert wird. Ein 42,4-cm- Außenrohr, in das das saure Gas (Schwefelwasserstoff) mit 30 m/s injiziert wird, ist koaxial mit den ersten beiden Rohren angeordnet. Die Ergebnisse entsprechen der Kurve 1 in Abb. 6.

Fall Nr. 2:

Man verwendet einen Aufbau, bei dem Sauerstoff in der Mitte und dann das saure Gas und anschließend die Luft in das Außenrohr injiziert werden und ansonsten analog Fall Nr. 1 verfahren wird, die Durchmesser jedoch jeweils 16,7 cm, 36,2 cm und 42,4 cm (Sauerstoff, saures Gas bzw. Luft) (bei gleichen Geschwindigkeiten) betragen. Die Ergebnisse entsprechen der Kurve 2 in Abb. 6: die Temperatur der feuerfesten Stoffe im Bereich des Brenners ist deutlich höher als in Fall Nr. 1 (etwa 1200ºC anstelle von 700ºC), wobei die Temperaturen etwa 8 m vom Brenner entfernt im wesentlichen den gleichen Wert erreichen.

Fall Nr. 3:

Man verwendet einen Aufbau analog Beispiel 1, mit dem Unterschied, daß der Durchmesser des Innenrohrs 7,4 cm beträgt, die Injektionsgeschwindigkeit des Sauerstoffs in diesem Rohr bei 150 m/s (anstelle von 30 m/s) liegt, ein konzentrisches Rohr mit dem Durchmesser 23,2 cm (Geschwindigkeit der Luft 30 m/s) und ein konzentrisches Außenrohr mit dem Durchmesser 39,6 cm (Geschwindigkeit des sauren Gases 30 m/s) verwendet werden. Die erzielten Ergebnisse entsprechen der Kurve 3. Die erzielten Ergebnisse sind sogar noch schlechter als in Fall Nr. 2, da die Temperatur der feuerfesten Stoffe in Abhängigkeit von der Entfernung noch schneller ansteigt (was aufgrund der durch die unterschiedlichen Geschwindigkeiten verursachten starken Turbulenz deutlich auf eine schnellere Verbrennung hinweist, während gleichermaßen beim erfindungsgemäßen Aufbau die im wesentlichen nahe beieinanderliegenden Geschwindigkeiten eine verzögerte oder stufenweise Verbrennung zur Folge haben).

Fall Nr. 4:

Analog Fall Nr. 1, jedoch mit dem Unterschied, daß der CLAUS-Brenner ein Innenrohr mit Durchmesser 7,4 cm, in dem der Sauerstoff mit 150 m/s zirkuliert, ein zweites koaxial angeordnetes Rohr mit Durchmesser 33 cm, in dem das saure Gas zirkuliert (Geschwindigkeit 30 m/s), und ein Außenrohr mit einem Durchmesser von 39,6 cm (Geschwindigkeit 30 m/s) zur Injektion von Luft aufweist. Die Ergebnisse entsprechen der Kurve 4. Sie entsprechen dem Stand der Technik, wie er z. B. in der EP-A-315 225 beschrieben ist. Die Temperatur nahe des Brenners steigt von dem einfachen Wert (700ºC - Kurve 1) auf mehr als das Doppelte (1500ºC - Kurve 4).

BEISPIEL 4:

* Hier wird der Aufbau aus Abb. 3 getestet, d. h. bezüglich der konzentrischen Rohre, in die jeweils O&sub2;/Luft/saures Gas injiziert werden, die gleiche Anordnung wie in Abb. 2, jedoch mit dem Unterschied, daß man ein Rohr anbringt, durch das Ammoniak injiziert wird, der in der Mitte zerstört werden soll.
Dies dient zur Zerstörung von NH&sub3;, vorzugsweise durch Oxidation in Kontakt mit Sauerstoff, wobei es sich um eine schnelle und vollständige Reaktion handelt, und nicht durch thermische Dissoziation, bei der es sich um eine langsame und unvollständige Reaktion handelt, die dann zur Durchführung käme, wenn das ammoniakhaltige Gas beispielsweise in einem Vorgemisch mit dem sauren Gas injiziert würde.
Analog Fall Nr. 1 aus Beispiel 3 liegen die Injektionsgeschwindigkeiten nahe beieinander.
In den nachfolgenden 2 Fällen wird die NH&sub3;- Strömungsrate von injiziertem so bemessen, daß der saure und der ammoniakhaltige Gasstrom die gleiche Zusammensetzung von 70% H&sub2;S, 7% H&sub2;O und 23% NH&sub3; aufweisen, während andererseits die Strömungsrate von injiziertem O&sub2; so bemessen wird, daß im (O&sub2; + Luft)- Strom 50 Mol-% Sauerstoff vorliegen.

Fall Nr. 1:

Durchmesser Rohr 6 (NH&sub3;) 17,6 cm, Geschwindigkeit 30 m/s
7 (O&sub2;) 24,3 cm, Geschwindigkeit 30 m/s
8 (Luft) 32,8 cm, Geschwindigkeit 30 m/s
9 (SG) 42,4 cm, Geschwindigkeit 30 m/s
Die Analyse ergibt, daß der NH&sub3;-Gehalt nach 6 min. über den gesamten Querschnitt des Ofens im wesentlichen Null ist.

Fall Nr. 2:

Man geht vom Aufbau der Abb. 2 aus, injiziert jedoch in das Rohr 5 neben saurem Gas auch ammoniakhaltiges Gas.
Durchmesser Rohr 3 (O&sub2;) 16,7 cm, Geschwindigkeit 30 m/s
4 (Luft) 27,6 cm, Geschwindigkeit 30 m/s
5 (saures Gas + ammoniakhaltiges Gas)
42,4 cm, Geschwindigkeit 30 m/s
Der NH&sub3;-Gehalt nach 8 min. schwankt zwischen 5% nahe der Wände des Ofens und 0,5% an der Achse des Ofens.
Dieser Fall Nr. 2 entspricht einem Aufbau, der offensichtlich aus dem Stande der Technik ableitbar ist (auch wenn er dort nicht beschrieben ist).
Somit ergibt die Erfindung (Fall Nr. 1) auch hier einen unerwarteten Vorteil.

Claims

1. Verfahren zur teilweisen Oxidation in einem CLAUS-Ofen mindestens eines schwefelwasserstoffhaltigen Gasstroms, dadurch gekennzeichnet, daß man folgende Schritte durchführt:

(a) man injiziert in den CLAUS-Ofen mindestens einen schwefelwasserstoffhaltigen Gasstrom und mindestens einen sauerstoffangereicherten Luftstrom, wobei die Injektionsgeschwindigkeiten jedes dieser Ströme im wesentlichen parallel verlaufen,

(b) man reguliert die Injektionsgeschwindigkeit des schwefelwasserstoffhaltigen Gasstroms und die Injektionsgeschwindigkeit des sauerstoffangereicherten Luftstroms derart, daß das Verhältnis dieser Geschwindigkeiten zwischen 0,8 und 1,2 liegt,

(c) man setzt den Sauerstoff des sauerstoffangereicherten Luftstroms mit dem Schwefelwasserstoff um und

(d) erhält am Ausgang des CLAUS-Ofens einen schwefelwasserstoffverarmten und schwefelangereicherten Gasstrom.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft mit einem Sauerstoffgehalt von mehr als 25 Mol-%, vorzugsweise zwischen 40 und 100 Mol-%, angereichert ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwefelwasserstoffkonzentration im schwefelwasserstoffhaltigen Gasstrom 10 Mol-% oder mehr beträgt, insbesondere zwischen 40 und 99 Mol-% liegt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich der sauerstoffangereicherte Luftstrom aus zwei verschiedenen Strömen zusammensetzt, wobei die Injektionsgeschwindigkeiten jedes dieser Ströme im wesentlichen parallel verlaufen und der Sauerstoffgehalt jedes dieser Ströme im wesentlichen verschieden ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich der sauerstoffangereicherte Luftstrom aus einem Strom aus Reinsauerstoff und einem diesen umfließenden Luftstrom zusammensetzt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der schwefelwasserstoffhaltige Gasstrom ein saurer Gasstrom ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man die Injizierung mindestens eines Teils des schwefelwasserstoffhaltigen Gasstroms, insbesondere eines sauren Gasstroms, derart durchführt, daß mindestens ein Teil dieses Stroms den sauerstoffangereicherten Luftstrom umfließt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der schwefelwasserstoffhaltige Gasstrom ein ammoniakhaltiger Gasstrom ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man einen ammoniakhaltigen Gasstrom und einen sauren Gasstrom mit dem sauerstoffangereicherten Luftstrom umsetzt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man den ammoniakhaltigen Gasstrom mindestens teilweise von einem sauerstoffangereicherten Luftstrom umfließen läßt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß man den ammoniakhaltigen Gasstrom von einem Strom aus Reinsauerstoff umfließen läßt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die in den CLAUS-Ofen injizierten Ströme koaxial sind.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß man nur einen CLAUS-Ofen ohne Rückführung der gekühlten Reaktionsabgase einsetzt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der eingesetzte CLAUS-Ofen zuvor auf die Oxidation eines schwefelwasserstoffhaltigen Gasstroms durch Umsetzung mit einem nicht sauerstoffangereicherten Luftstrom eingestellt wurde.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der am Ausgang des CLAUS- Ofens erhaltene Gasstrom eine Temperatur von über 1000ºC, vorzugsweise zwischen 1300ºC und 2000ºC, aufweist.