DE69704098T2

DE69704098T2 - Moderierung der Temperatur einer mit Sauerstoff angereicherten Claus-Schwefelanlage mittels eines Ejektors

Info

Publication number: DE69704098T2
Application number: DE69704098T
Authority: DE
Inventors: Elmo Nasato
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc; Gaa Engineered Systems Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc; Goar Allison and Associates LLC
Priority date: 1996-10-28
Filing date: 1997-10-23
Publication date: 2001-06-21
Anticipated expiration: 2017-10-24
Also published as: MY123815A; EP0838429B1; US6508998B1; EP0838429A1; MX9708275A; CA2218131C; DE69704098D1; ZA979547B; SG60126A1; ID18621A

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

Die vorliegende Erfindung betrifft die Gewinnung von elementarem Schwefel aus Schwefelwasserstoff enthaltenden Gasströmen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Verbesserungen bei einer Claus-Schwefelanlage unter Anwendung der Anreicherung mit Sauerstoff und Verwendung eines Umlaufs von Gasen mit einem Ejektor, damit die Kapazität erhöht wird und die Flammtemperaturen im Reaktionsofen gemäßigt werden.
Im Stand der Technik ist es bekannt, elementaren Schwefel aus Schwefelwasserstoff enthaltenden Gasströmen zu entfernen, wie es in dem Artikel "Fundamentals of Sulfur Recovery by the Claus Process" von B. Gene Goar, veröffentlicht im 1977 Gas Conditioning Conference Report, aufgeführt ist.
Die Anreicherung mit Sauerstoff beim Betreiben einer Claus-Schwefelanlage ist ebenfalls bekannt, um die Kapazität für den behandelten Schwefelwasserstoff zu erhöhen als auch den gesamten Durchsatz durch die Anlage zu verbessern, wie es in dem Artikel "Oxygen Use in Claus Sulfur Plants" von M. R. Gray und W. Y. Svrcek, veröffentlicht im 1981 Gas Conditioning Conference Report, aufgeführt ist. In diesem Artikel wird offenbart, daß der Luftbeschickung zum Brenner des Reaktionsofens Sauerstoff zugesetzt werden kann, um die Schwefelwasserstoffmenge, die zu Schwefeldioxid verbrannt wird, für die spätere katalytische Umwandlung mit weiterem Schwefelwasserstoff in das flüssige elementare Schwefelprodukt des Claus-Verfahrens zu erhöhen. Der Artikel führt auf, daß der maximale Kapazitätsanstieg, der mit einer Anreicherung mit Sauerstoff erreicht werden kann, vom Druckabfall innerhalb der Anlage und den Raumgeschwindigkeiten des Reaktors festgelegt wird. Eine weitere, in diesem Artikel aufgeführte Einschränkung ist jedoch die, daß bei einem Strom einer gegebenen Anlage die Temperaturen und die Kapazität des Schwefelkondensators den möglichen Kapazitätsanstieg einschränken können, wenn eine Anreicherung mit Sauerstoff eingewendet wird. Insbesondere können die Temperaturen des Stroms im Bett des Reaktionsofens und in dem des Konverters aufgrund der Anreicherung mit Sauerstoff ansteigen, und tatsächlich erreicht ein solcher Anstieg aufgrund der Anreicherung mit Sauerstoff die maximal zulässige Temperatur der in diesem Ofen verwendeten Materialien, d. h. der feuerfesten Auskleidung.
In der Veröffentlichung von Linde of Union Carbide von 1983 mit dem Titel "Claus Plant Oxygen Enrichment" wird darauf hingewiesen, daß aufgrund der Temperaturgrenzwerte im Ofen oder im Abwärmekessel einer Claus-Anlage für an H&sub2;S reiche Ströme Einschränkungen für die Anreicherung mit Sauerstoff existieren.
US-Patent 3 681 024 offenbart den Zusatz von Sauerstoff und eines Umlaufgases zu einem Claus-Ofen, wobei das Umlaufgas von einem Gebläse zugeführt wird.
US-Patent 3 822 341 beschreibt eine Claus-Anlage mit einer Anreicherung mit Sauerstoff, wobei anfangs eine Sauerstoffquelle verwendet wird, um das restliche SO&sub2; im Gefäß 92 von einem Seitenstrom abzutrennen, bevor der Sauerstoffstrom in der Leitung 96 wahlfrei rezirkuliert wird, damit er im Sauerstoff in der Leitung 12 aufgenommen wird, der zur Verbrennungszone des Abwärmekessels 8 strömt. Wie in Spalte 5, Zeilen 65 bis 68 der Beschreibung aufgeführt. Da der Sauerstoffgehalt eines solchen Stroms in der exothermen Reaktion vollständig aufgebraucht wird, kann dieser Strom nicht als Mittel zum mäßigen der Flammtemperatur des Reaktionsofens verwendet werden. Wie von Goar beschrieben, haben Claus-Schwefelanlagen typischerweise einen adiabatischen Reaktionsofen, dem ein Abwärmekessel folgt. Das Problem der übermäßigen Temperatur bei einem Verfahren mit einer Anreicherung mit Sauerstoff tritt im adiabatischen Reaktionsofen auf. US 3 822 341 ignoriert das Vorhandensein dieses Problems.
US-Patent 4 153 674 offenbart eine Claus-Anlage und eine Anlage zum Reinigen von Abgas, wobei der Gasstrom in der Leitung 20 dem Abgassystem entnommen und zum Anfang der Claus-Anlage 7 zurückgeleitet oder rezirkuliert wird. Dieses Patent zieht keine Anreicherung mit Sauerstoff oder eine Mäßigung der Flammtemperatur durch einen Umlaufstrom in Betracht. Das Abgas wird auch umgesetzt, damit der gesamte Schwefel in Schwefelwasserstoff umgewandelt wird, der absorbiert, abgetrennt und zur Claus-Anlage zurückgeführt wird.
US-Patent 4 552 747 ist ein Verfahren zur Mäßigung der hohen Temperaturen des Umlaufs in einem Claus-Ofen, die durch die Anreicherung mit Sauerstoff hervorgerufen werden, indem der Abflußstrom vom ersten Kondensatorkühler rezirkuliert wird. Der Umlauf verwendet ein mechanisches Gebläse.
US-Patent 4 526 590 beschreibt ein Verfahren zur Gewinnung von Schwefel mit getrennter Kondensation von Schwefel und Wasser.
US-Patent 4 756 900 offenbart ein Verfahren zum Abtrennen des Ablaufs von einem Abwärmekessel eines Claus-Ofens und zum Rezirkulieren eines Teils davon unter Verwendung eines getrennten Kondensatorkühlers für Schwefel und eines mechanischen Gebläses, damit die durch die Anreicherung mit Sauerstoff hervorgerufenen hohen Temperaturen des Ofens gemäßigt werden.
JP 09 124 309, das gemäß § 54 (3) EPÜ Stand der Technik ist, offenbart ein Verfahren zur Erzeugung von Schwefel unter Verwendung von Schwefelwasserstoff, das aus einer Schwefelquelle gewonnen wird. Der Ofen arbeitet nicht mit einer Anreicherung mit Sauerstoff.
Die vorliegende Erfindung beseitigt die Nachteile des Standes der Technik, indem der Durchsatz einer Claus-Anlage durch Anreicherung mit Sauerstoff bis zu einem solchen Ausmaß erhöht wird, das über das im Stand der Technik aufgrund der Einschränkungen der Flammtemperatur in Betracht gezogene hinausgeht, wobei ein Verfahren, das sicherer ist, angewendet wird und der mechanische Aufwand und der Kostenaufwand geringer sind. Das wird durch den Umlauf eines Zwischengasstroms vom ersten Kondensatorkühler in der Claus-Anlage erreicht, wodurch die Temperatur in der Flamme des Brenners des Reaktionsofens mit einem Ejektor gemäßigt wird.

KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Schwefel aus einem Betriebsgasstrom bzw. Gasbeschickungstrom, der reich an Schwefelwasserstoff ist, wobei der Betriebsgasstrom in einem Claus-Reaktionsofen teilweise mit einem mit Sauerstoff angereicherten Gas verbrannt wird, der Abfluß der Verbrennung bei gleichzeitiger Kondensation und Abtrennung des Schwefels in der ersten Kondensationszone abgekühlt wird, und der restliche Abflußstrom durch mindestens eine Stufe der Wiedererwärmung, Umwandlung in einer katalytischen Claus-Reaktionszone und Abkühlung bei gleichzeitiger Kondensation und Abtrennung des Schwefels in einer weiteren Kondensationszone geleitet wird, wobei ein Teil des Abflusses der Verbrennung zur Reaktionsofenzone rezirkuliert wird, um die Temperatur der Reaktionsofenzone zu mäßigen, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlauf durch die Antriebskraft eines Hochdruckstroms in einem Ejektor erfolgt, wobei der Umlaufstrom der Ansaugstrom für den Ejektor ist.
Typischerweise verwendet das Verfahren drei Stufen der Wiedererwärmung, Umwandlung und Abkühlung und Abtrennung im Anschluß an die erste Kondensationszone.
Das Verfahren ist für Schwefelwasserstoff enthaltende Ströme relevant, wobei das Sulfid im Bereich von 60 bis 100 Mol-% liegt. Der Schwefelwasserstoffgehalt des Betriebsgases liegt vorzugsweise bei 80 bis 100 Mol-%.
Die Anreicherung des Reaktionsofens mit Sauerstoff liegt vorzugsweise im Bereich von 32 bis 100 Mol-%, insbesondere 40 bis 75 Mol-
Die Strömungsrate bzw. -geschwindigkeit des Umlaufstroms sollte im Bereich von 5 bis 60% des Abflußstroms der Verbrennung aus der ersten Kondensationszone liegen.
Vorzugsweise wird die Temperatur der Reaktionsofenzone im Bereich von 1316 bis 1538ºC (2400 bis 2800ºF) gehalten.
Die Erfindung betrifft auch ein System zur Gewinnung von Schwefel aus einem Betriebsgasstrom, der reich an Schwefelwasserstoff ist, durch eine Claus-Reaktion, das einen Reaktionsofen für die teilweise Verbrennung des Betriebsgasstroms mit einem mit Sauerstoff angereicherten Gas, eine erste Kondensationseinrichtung zum Abkühlen und Kondensieren des Schwefels aus dem Verbrennungsabfluß, wobei mindestens eine Strecke eine Wiedererwärmungsvorrichtung umfaßt, einen katalytischen Claus-Reaktor und eine weitere Kondensationseinrichtung, eine Einrichtung zum Wiedererwärmen, weiteren Umsetzen und Gewinnen von Schwefel vom Abgas und eine Rezirkulationseinrichtung zum Rezirkulieren eines Teils des Verbrennungsabgases zum Reaktionsofen umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Rezirkulationseinrichtung ein Ejektor ist.
Das System hat vorzugsweise eine Rezirkulationsvorrichtung, die eine Leitung direkt stromabwärts des ersten Kondensatorkühlers darstellt, um einen Teil des Verbrennungsabflusses durch die Leitung zu rezirkulleren, die von einem Umlaufejektor durch eine nachfolgende Leitung zum Reaktionsofen des Claus-Anlagesystems gespeist wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ZEICHNUNGEN

Die Zeichnung ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Claus-Anlage mit Anreicherung mit Sauerstoff und Umlauf des Abgases.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Claus-Schwefelgewinnungssysteme werden in großem Umfang verwendet, um Schwefel aus sauren Gasströmen zu gewinnen, die bei der Erdgasreinigung und in Erdölraffinerien, primär durch das Amin-Süßen, entstehen. In Raffinerien liegt der Schwefelwasserstoff in Rohöl vor und ist in den Abgasen einer Anlage zur Kohlenwasserstoffentschwefelung und in den Abgasen einer Anlage zum katalytischen Wirbelschichtcracken enthalten. Der von einer Aminanlage erzeugte saure Gasstrom ist oft ziemlich reich an Schwefelwasserstoff, das gilt besonders in Erdölraffinerien, in denen er 80 bis 95 Mol-% Schwefelwasserstoff enthalten kann. In vielen Raffinerien sind Claus-Anlagen aufgrund der Behandlung von schweren Rohölen, die relativ große Mengen von Schwefelverbindungen enthalten, entweder vollständig ausgelastet oder neigen zu einer vollständigen Auslastung (sind aufgrund ihrer Kapazität eingeschränkt). Mit der Abnahme der bekannten Reserven von raffinierbaren Kohlenwasserstoffen und Rohölen werden nunmehr weniger interessante, bekannte Ölreserven behandelt, wobei diese weniger interessanten Ölreserven typischerweise einen hohen Schwefelgehalt haben. Dieser Trend beim Raffinieren solcher Beschickungsmaterialien mit hohem Schwefelgehalt wird in der Zukunft zunehmen. Deshalb ist ein Verfahren zur Erhöhung der Kapazität von Claus-Anlagen zur Behandlung von Schwefel notwendig.
Da die Beschickungsraten für eine Claus-Schwefelgewinnungsanlage über die Kapazität hinausgehen, entstehen einige Probleme. Bei höherem Durchsatz nehmen der Druckabfall durch die Claus-Anlage und die Abgasreinigungsanlage zu, und der Staudruck für den erforderlichen H&sub2;S- und Luftbeschickungs-Einlaßdruck steigt über einen Wert hinaus, der vom Aminregenerator, der die H&sub2;S-Beschickung zuführt, und vom Luftgebläse geliefert werden kann, das die Luftbeschickung zuführt. Dieser höhere Durchsatz erhöht auch die Raumgeschwindigkeit im Reaktionsofen und den katalytischen Reaktorstufen, wodurch die Umwandlung in Schwefel geringer wird und die Emissionen zur Abgasreinigungsanlage zunehmen. Dieser stärkere Strom zur Abgasreinigungsanlage erhöht deren Druckabfall und verringert die Schwefelgewinnung im Abgas weiter, wodurch höhere und gewöhnlich inakzeptable Schwefelemissionen erhalten werden. Der höhere Staudruck kann bei einigen Claus-Anlagen zu der Gefahr führen, daß die Auslaufdichtungen für flüssigen Schwefel durchgeblasen werden, wodurch schädliches, toxisches H&sub2;S in die Umgebung abgegeben wird. Obwohl Zusatzgebläse für die H&sub2;S- und die Luftbeschickung und Auslaufdichtungen für flüssigen Schwefel mit höherem Druck für eine gewisse Kapazitätserhöhung sorgen können, bleiben eine geringere Schwefelumwandlung und höhere Schwefelemissionen bestehen.
Ein Verfahren, das zu einer Erhöhung der Kapazität einer vorhandenen Claus-Anlage verwendet werden kann, ist die Verwendung von Sauerstoff, um den Luftstrom zum Reaktionsofen der Anlage von 21 Mol-% Sauerstoff, was den Gehalt in der Luft darstellt, auf bis zu 70 bis 90 Mol-% Sauerstoff oder darüber anzureichern. Eine Erhöhung des Sauerstoffgehalts des Luftstroms verringert den Stickstoffgehalt der durch die Claus-Anlage strömenden Gase wirksam und erhöht ihre Durchsatzkapazität für Schwefel, indem das Gasvolumen von inerten Materalien, d. h. Stickstoff, verringert wird, das ebenfalls durch die Anlage geleitet werden muß. Eine Claus-Anlage, die 80 bis 95 Mol-% saures Schwefelwasserstoffgas behandelt, erfordert typischerweise eine Kapazitätssteigerung von 50 bis 100%, schon jetzt kann dem Luftstrom nur ausreichend Sauerstoff zugesetzt werden, um eine Kapazitätssteigerung von 15 bis 25% zu erreichen, da Einschränkungen aufgrund der Flammtemperatur der Schamottesteine und des feuerfesten Materials im Reaktionsofen die Sauerstoffmenge einschränken, die zugeführt werden kann. Das beruht auf einer Erhöhung der Flammtemperatur, wenn dem Luftstrom Sauerstoff zugesetzt wird.
Wenn der saure Gasstrom 90 Mol-% Schwefelwasserstoff enthält, und die Claus-Anlage das typische Verbrennen von nur einem Drittel des Schwefelwasserstoffs (ein Drittel des vollen stoichiometrischen Luftbedarfs) ausführt und der Brenner Luft erhält (21 Mol-% Sauerstoff), sollte die berechnete, theoretische, adiabatische Flammtemperatur etwa 1316ºC (2400ºF) betragen. Wenn der Luftstrom bis zu 40 Mol-% Sauerstoff mit Sauerstoff angereichert wird, sollte die berechnete, theoretische, adiabatische Flammtemperatur auf 1732ºC (3150ºF) erhöht werden. Wenn der Luftstrom wieder mit Sauerstoff, jedoch diesmal auf 70 Mol-% Sauerstoff, angereichert wird, sollte die berechnete, theoretische, adiabatische Flammtemperatur auf etwa 2066ºC (3750ºF) steigen. Die meisten Schamottesteine und feuerfesten Materialien mit besserer Qualität, die in Reaktionsöfen einer Claus-Anlage installiert sind, sind jedoch für eine maximale kontinuierliche Verfahrenstemperatur von nur 1482 bis 1538ºC (2700 bis 2800ºF) geeignet, wenn sie einen Aluminiumoxidgehalt von 85 bis 90 Gew.-% oder mehr aufweisen. Aus den vorstehenden Berechnungen läßt sich deshalb erkennen, daß nur eine begrenzte Anreicherung mit Sauerstoff, 30 bis 32 Mol-% Sauerstoff des Luftstroms, angewendet werden kann und die Temperatur noch unter einem Höchstwert von 1538ºC (2800ºF) gehalten werden muß. Mit dieser geringen Verminderung des Stickstoffzusatzes, bei einer Erhöhung des Sauerstoffgehalts des Luftstroms von 21 bis 32 Mol-% Sauerstoff, wird nur eine geringe Erhöhung der Kapazität der Claus-Anlage, etwa 15 bis 25% Kapazität, verwirklicht.
Die vorliegende Erfindung gestattet jedoch eine Verstärkung der Anreicherung mit Sauerstoff auf mehr als 32 Mol-%, wodurch die Kapazität einer vorhandenen Claus-Anlage zur Schwefelgewinnung weiter erhöht wird, indem der Abfluß der Verbrennung mit einem Ejektor rezirkuliert wird, nachdem e abgekühlt wurde, um flüssigen Schwefel abzutrennen, wodurch die Temperatur des Reaktionsofens gemäßigt wird, um eine übermäßig hohe Temperatur zu vermeiden. In der Praxis wird diese Umlaufrate so festgelegt, daß es zu einer Verdünnung und Abkühlung kommt, mit der die Temperatur des Reaktionsofens im Bereich von 1316 bis 1538ºC (2400 bis 2800ºF) gesteuert wird. Mit diesem Verfahren können die Schwefelwasserstoffbeschickung und die Schwefelgewinnungskapazität um 50 bis 100 Mol-% oder darüber erhöht werden, indem der Luftstrom auf 70 Mol-% Sauerstoff angereichert wird, wenn eine saure Gasbeschickung mit 90 Mol-% Schwefelwasserstoff behandelt wird. Der Ejektor ist in der Industrie als Saugstrahlgebläse oder Thermokompressor bekannt.
Durch den Umlauf eines Teils des umgesetzten und abgekühlten Abflussses des Schwefelkondensatorkühlers der Stufe des Reaktionsofens durch einen Ejektor zum Einlaß des Reaktionsofens, insbesondere in der Leitung für die saure Gasbeschickung zum Brenner, werden die Flammtemperaturen, die mit sehr hohen Anreicherungen mit Sauerstoff verbunden und notwendig sind, um signifikante Erhöhungen des Durchsatzes zu erreichen, durch das relativ kühle und umgesetzte Umlaufgas gemäßigt, das aus dem Kondensatorkühler entweicht. Alternativ kann der Umlauf direkt dem Brenner oder der Luftbeschickung zugesetzt werden. Die Kombination aus Anreicherung mit Sauerstoff und diesem dazwischenliegenden, von einem Ejektor betriebenen Umlauf bietet eine unerwartete mögliche Erhöhung der Kapazität oder des Durchsatzes einer Claus-Anlage. Eine solche Gestaltung des Verfahrens kann als Nachrüstung für ein vorhandenes Claus-Anlagesystem mit begrenzter Kapazität bereitgestellt werden oder als neue Installation mit geringerer Größe geliefert werden, wobei die größere Freiheit bei der Kapazität in Betracht gezogen wird, die die Anreicherung mit Sauerstoff und dieser dazwischenliegende Umlauf bieten.
Auf den ersten Blick kann es scheinen, als ob der stärkere Strom aus dem Umlaufstrom den Druckabfall im Claus-Anlagesystem erhöhen und die Einschränkung aufgrund des Druckabfalls wieder hervorrufen könnte, die durch die Anreicherung mit Sauerstoff weggefallen ist. Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, die ein herkömmliches System mit der Engstelle des Luftbetriebs mit einem System ohne dies Engstelle vergleicht, das die Anreicherung mit Sauerstoff und einen dazwischenliegenden Umlauf verwendet, ist das nicht korrekt. Die Tabelle zeigt, daß ausgehend vom Fall 1 mit der Engstelle des Luftbetriebs hin zum Fall 2 ohne diese Engstelle des Sauerstoffs mit einem dazwischenliegenden Umlaufverfahren, der Druckunterschied des Reaktionsofens für den Fall 2 ohne Engstelle von 0,131 auf 0,193 bar (1,9 auf 2,8 psi) zunimmt. Die katalytischen Stufen und der Druckabfall der Abgasanlage werden jedoch für den Fall 2 von 0,627 auf 0,276 bar (9,1 auf 4,0 psi) verringert, weil der Stickstoffstrom durch diese Stufen abnimmt. Gleichzeitig ist die gesamte Schwefelgewinnung in der Claus-Anlage für den Fall 2 ohne Engstelle von 97,7 auf 98,3% gestiegen. Die Schwefelgewinnung in der Abgasanlage wird bei geringeren Strömungsraten und längeren Kontaktzeiten ebenfalls zu.
Obwohl diese Erläuterung gezeigt hat, daß die erfindungsgemäße Anreicherung mit Sauerstoff und das erfindungsgemäße, von einem Ejektor betriebene Umlaufverfahren angewendet werden können, um die Kapazität einer vorhandenen Anlage zu erhöhen, kann das gleiche Verfahren bei der Gestaltung neuer Claus-Anlagen zur Schwefelgewinnung angewendet werden, wodurch die für eine vorgegebene Kapazität erforderliche Größe der Anlage geringer als die wird, die für den Luftbetrieb notwendig wäre. Insbesondere vermindert eine Verringerung der Luftzufuhr mit einer daraus folgenden Verringerung der Stickstoffzufuhr die Größe und die Kosten der Anlage für die Abgasreinigung. Tabelle 1
Die Erfindung verwendet anstelle eines herkömmlichen mechanischen Gebläses einen Ejektor. Der Ejektor kann Dampf, Druckluft, komprimierten Stickstoff, komprimiertes Kohlendioxid, komprimiertes Schwefeldioxid oder ähnliche Gase als antreibenden Strom verwenden. Der bevorzugte antreibende Strom ist Hochdruckdampf.
Eine Mäßigung der Temperatur wird dadurch erreicht, daß das Abgas vom ersten Kondensatorkühler mit dem antreibenden Strom vom Ejektor kombiniert wird. Die Komponente des Umlaufs in Form des antreibenden Stroms trägt zur reinen Vorwärtsströmung stromabwärts des (der) ersten Kondensatorkühlers (Kondensatorkühler) bei.
Der Ejektor wird in einer Höhe über dem (den) ersten Kondensatorkühler(n) und dem Reaktionsofen angeordnet, wodurch eine schräge Leitungsführung vom Kondensator mit eigenem Ablauf möglich wird, wodurch die erforderliche weitere Schwefeldichtung und der erforderliche zusätzliche Ablauf entfallen. Die bevorzugte Konfiguration hat einen vollständig mit Dampf ummantelten Ejektor mit einer mit Dampf ummantelten Ansaugleitung des Ejektors und einer mit Dampf ummantelten oder abgedichteten Auslaßleitung des Ejektors. Wenn es geeignet ist, können zwei oder mehrere parallel oder in Reihe verbundene Ejektoren verwendet werden.
Die Verwendung von Zusatzgebläsen oder Umlaufgebläsen für Ströme, die H&sub2;S enthalten, birgt ein Verfahrensrisiko. Die Verwendung einer mechanischen Rotationsvorrichtung bei H&sub2;S enthaltenden Strömen verstärkt die Komplexität des Verfahrens, trägt zu einem höheren Wartungsbedarf und somit zu einem größeren Verfahrensrisiko und zu höheren Kosten bei.
Mit der Verwendung eines Ejektorsystems anstelle eines mechanischen Gebläses werden folgende Vorteile erreicht:

VERFAHRENSGESICHTSPUNKTE

a) Bei Verwendung von Hochdruckdampf als antreibenden Strom können gegenüber einem mechanischem Gebläse folgende Vorteile erreicht werden:
i) das H&sub2;O-Molekül des antreibenden Dampf trägt zu einer besseren Strahlungswärmeübertragung im Abwärmekessel bei,
ii) aufgrund der reinen Vorwärtsströmung des antreibenden Stroms werden die Wärmeübertragungskoeffizienten in der Wärmeaustauscherausrüstung stromabwärts des ersten Kondensatorkühlers verbessert. Systeme, die hohe Werte der Anreichung mit Sauerstoff und ein Umlaufgebläse verwenden, entlasten die Schwefelgewinnungsanlage (SRU) stromabwärts des ersten Kondensatorkühlers bis zu einem Punkt, bei dem die gesamten Wärmeübertragungskoeffizienten nachteilig beeinflußt werden können,
iii) das Ablassen von Hochdruckdampf entlang des Ejektors führt zur Überhitzung, die die Möglichkeit einer Kondensation von Dampf in der Ablaufleitung des Ejektors minimiert,
iv) die Umlaufleitung für das Verfahren kann kleiner sein,
v) ein Ejektor kann einen größeren Druckunterschied liefern als ein einstufiges mechanisches Gebläse,
vi) die reine Vorwärtsströmung des Wasserdampfes in der Schwefelgewinnungsanlage hat nur einen vernachlässigbaren Einfluß auf die gesamte Claus-Schwefelgewinnung (weniger als 0,1% geringere Schwefelgewinnung) und einen vernachlässigbaren Einfluß auf die Dehydratation der Abgasreinigungsanlage (+5 bis 10% mehr Wasser).
b) Bei der Verwendung von Hochdruckluft als antreibenden Strom können gegenüber einem mechanischen Gebläse folgende Vorteile erreicht werden:
i) Die Sauerstoffkomponente der Luft ist ein im Reaktionsofen verbrauchter Reaktant, und folglich stellt nur der Stickstoff die reine Vorwärtsströmung dar. Der reine vorwärtsströmende Stickstoffstrom hat einen vernachlässigbaren Einfluß auf die Schwefelgewinnung der Schwefelgewinnungsanlage als auch die Leistung der Abgasreinigungsanlage,
ii) die gleichen Vorteile wie oben unter (a) ii (geringeres Ausmaß), iv und v dokumentiert.
c) Bei der Verwendung von Hochdruckstickstoff oder -kohlendioxid als antreibender Strom können gegenüber einem mechanischen Gebläse folgende Vorteile erreicht werden:
i) Die reine Vorwärtsströmung von Stickstoff oder Kohlendioxid hat einen vernachlässigbaren Einfluß auf die Schwefelgewinnung in der Schwefelgewinnungsanlage als auch die Leistung der Abgasreinigungsanlage,
ii) für Kohlendioxid sind die Vorteile wie unter (a) i, ii, iv, v dokumentiert,
iii) für Stickstoff sind die Vorteile wie in (a) ii, iv, v dokumentiert.
a) Bei der Verwendung von Hochdruckschwefeldioxid als antreibender Strom können gegenüber einem mechanischen Gebläse folgende Vorteile erreicht werden:
(i) Schwefeldioxid ist ein Verbrennungsprodukt und ein im Reaktionsofen verbrauchter Reaktant und somit trägt der antreibende Schwefeldioxidstrom in ähnlicher Weise wie die höhere Sauerstoffkonzentration zu einer Entlastung der Schwefelgewinnungsanlage bei,
(ii) für Schwefeldioxid sind die Vorteile wie unter (a) i, iv, v dokumentiert.

KOSTEN

a) Der Lieferpreis eines mit Dampf ummantelten Ejektors ist geringer als der eines mit mechanischen Umlaufgebläses und eines Motors.
b) Die Installationskosten eines Ejektorsystems sind geringer als die eines mechanischen Gebläses. Mit dem Ejektor sind keine Elektrizitätskosten verbunden, es sind weniger Geräte notwendig und die Anforderungen beim Bau und der mechanischen Gestaltung sind für den Ejektor deutlich geringer als bei einer Rotationsgebläseausrüstung.
c) Die Betriebs- und Wartungskosten sind für ein Ejektorsystem niedriger. Der Ejektor ist im wesentlichen wartungsfrei, wohingegen Gebläse wesentliche Wartungskosten erfordern, wie es für ein rotierendes Gerät charakteristisch ist.
d) Wenn die Raumbegrenzung einen Gesichtspunkt darstellt, erfordert der Ejektor keine Grundfläche, wohingegen ein Aufbau aus Gebläse/Motor einen deutlichen Platzbedarf hat.

REDUNDANZ

a) Die Installation eines Ejektorsystems mit Redundanz ist einfacher und billiger als die eines mechanischen Gebläsesystems. Als Beispiele kann eine Redundanz des Ejektors erreicht werden, wenn 2 bis 100% Einheiten oder 3 bis 50% Einheiten installiert werden.

SICHERHEIT

a) Das Ejektorsystem hat keine rotierende Ausstattung: Aufgrund ihrer Natur erfordern mechanische Gebläse bei einem sauren Betrieb eine stärkere Wartung und die Beachtung der Sicherheitsauflagen. Mechanische Gebläse haben Dichtungen, die mit der Zeit leckanfällig werden.
b) Die mechanischen Gebläse werden in gleicher Höhe unter dem ersten Kondensatorkühler und dem Reaktionsofen angeordnet, was zu einer Falle im Leitungssystem führt. Angesammelter, kondensierter, flüssiger Schwefel muß gesammelt, aufgefangen und zur Schwefelquelle abgelassen werden. Das Ejektorsystem kann in einer höheren Position installiert werden, um alle Fallen in den Leitungen des Verfahrens zu eliminieren, und kann geneigt sein, wodurch das selbst ablaufende Leitungssystem erleichtert wird.
Das antreibende Hochdruckfluid für den Ejektor kann im Bereich von 4,48 bis 44,8 bar (65 bis 650 psia) liegen. Das Ansaugfluid für den Ejektor kann im Bereich von 1,10 bis 1,86 bar (16 bis 27 psia) liegen. Der Druckunterschied zwischen dem antreibenden Fluid und dem Ansaugfluid sollte im Bereich von 2,62 bis 43,7 bar (38 bis 634 psi) liegen.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform detaillierter beschrieben, die in der Figur dargestellt ist. Ein Strom aus einer sauren Gasbeschickung mit einem Schwefelwasserstoffgehalt von 92 Mol-% wird in der Leitung 10 in das Claus-System eingeführt. Die Beschickung hat eine Temperatur von 38ºC (100ºF) und einen Druck von 1,72 bar (25 psia). Ein Umlaufstrom wird in der Leitung 18 in den sauren Gasbeschickungsstrom 10 eingeführt, wobei der Umlaufstrom vorwiegend Dampf mit geringeren Mengen an Stickstoff, Schwefelwasserstoff, Schwefeldioxid, Kohlendioxid und Wasserstoff umfaßt. Der Umlauf hat etwa 177ºC (350ºF). Der gemischte Gasstrom wird zusammen mit Luft mit einem erhöhten Druck, die in der Leitung 14 aus dem Kompressor 16 bereitgestellt wird, und auch einem Sauerstoffstrom 12, der von irgendeiner geeigneten Quelle von kommerziell reinem Sauerstoff geliefert wird, in den Brenner 20 eingeführt. Die Reaktanten werden im Brenner 20 verbrannt und in den Reaktionsofen 22 freigesetzt, worin die Reaktionen des Claus-Verfahrens erfolgen. Insbesondere verbinden sich im Brenner Schwefelwasserstoff und Sauerstoff zu Schwefeldioxid und Wasser, wobei ein Drittel der Reaktionsbeschickung zuerst verbrannt wird und die restlichen zwei Drittel mit dem erzeugten Schwefeldioxid reagieren, wodurch nach den folgenden Gleichungen Schwefel und Wasser erzeugt werden:
H&sub2;S + 3/2O&sub2; → SO&sub2; + H&sub2;O
2H&sub2;S + SO&sub2; → 3/2S&sub2; + 2H&sub2;O
Durch die Dissoziation von Schwefelwasserstoff entsteht auch etwas Wasserstoff:
2H&sub2;S → 2H&sub2; + S&sub2;
Der Ablauf des Reaktorofens strömt dann zu einer ringförmigen Wärmeaustauschzone oder einem Abwärmekessel 24, worin der Abfluß der Verbrennung mit dem Kesselspeisewasser in der Leitung 26 abgekühlt wird, wodurch in der Leitung 28 Dampf erzeugt wird. Im Abwärmekessel 24 wird der Ablauf der Reaktion nach den folgenden Gleichungen von einer Form von Schwefelspezies in eine andere Form überführt:
S&sub2; → 1/3S&sub6;
S2 → 1/4S&sub8;
Der abgekühlte Abfluß aus dem Abwärmekessel in der Leitung 30 hat eine Temperatur von 316ºC (600ºF) und einen Druck von 1,65 bar (24 psia). Er wird dann in den ersten Kondensatorkühler 32 eingeführt, worin der Abfluß wieder einen Wärmeaustausch und mit dem Kesselspeisewasser in der Leitung 34 unterzogen wird, damit der Abfluß abgekühlt wird, wodurch in der Leitung 36 Dampf erzeugt wird. In der Leitung 38 kondensiert flüssiger Schwefel, der 77,4% des Schwefels in der Beschickung ausmacht, und der gasförmige Abflußstrom der Verbrennung wird in der Leitung 40 abgeleitet. Etwa 45% des Abflußstroms 40 werden dann in die Leitung 44 als mittlerer Umlaufstrom abgeleitet, der unmittelbar stromabwärts vom Kondensatorkühler 32 entnommen und als Ansaugfluid durch den Ejektor 46 rezirkuliert wird, das in der Leitung 18 in die Leitung 10 mit der sauren Gasbeschickung eingeführt wird, damit die Temperatur der Flamme im Brenner 20 gemäßigt wird. Dieser Strom hat wiederum eine Temperatur von 177ºC (350ºF). Alternativ kann der Strom 18 in den Brenner 20, die Leitung 12 oder die Leitung 14 eingeführt werden. Der Ejektor wird von einem antreibenden Fluid 45 betrieben, das aus Hochdruckdampf, Luft, Stickstoff, Kohlendioxid, Schwefeldioxid oder anderen kompatiblen Gasen ausgewählt ist. Der Ejektor ist vorzugsweise in einer Höhe über dem ersten Kondensatorkühler 32 und dem Reaktorofen 22 angeordnet, damit alle Leitungen von selbst in den ersten Kondensatorkühler 32 ablassen.
Alternativ kann der Umlaufstrom in der Leitung 44 stromabwärts des Abwärmekessels 24 des Reaktionsofens entnommen und zu einem getrennten Kondensatorkühler (nicht gezeigt) geleitet werden, dessen Funktion der des Kondensatorkühlers 32 ähnelt, bevor er zum Ejektor 46 rezirkuliert wird.
Der restliche Strom in der Leitung 42 wird dann mit dem Verfahrensdampf in der Wärmeaustauscher-Wiedererwärmungsvorrichtung 48 wiedererwärmt. Der Strom, jetzt in der Leitung 50, wurde auf eine Temperatur von 221ºC (430ºF) wiedererwärmt und wird dann in den katalytischen Konverterreaktor 52 eingeführt, worin weitere Schwefelwasserstoff- und Schwefeldioxidmengen umgesetzt werden, wodurch nach folgenden Gleichungen Schwefel und Wasser erzeugt werden:
2H&sub2;S + SO&sub2; → 3/6S&sub6; + H&sub2;O
2H&sub2;S + SO&sub2; → 3/8S&sub8; + 2H&sub2;O
Der reagierte Strom, jetzt in der Leitung 54, wird in einen zweiten Kondensatorkühler 56 eingeführt, der den Abflußstrom wiederum mit Kesselspeisewasser in der Leitung 58 abkühlt, wodurch in der Leitung 60 weiterer Dampf erzeugt wird. Weiterer elementarer Schwefel wird in der Leitung 62 gewonnen, er stellt 14,3% des Schwefels in der Beschickung zu diesem Verfahren dar, wobei die in der katalytischen Reaktion erzeugten Schwefelspezies in Schwefelspezies mit hohem Molekulargewicht umgewandelt und dann nach folgenden Reaktionen zu elementarem Schwefel kondensiert werden:
S&sub6; → 6S&sub1;
S&sub8; → 8S&sub1;
Der Strom in der Leitung 64 hat eine Temperatur von 171ºC (340ºF) und einen Druck von 1,52 bar (22 psia). Er wird in die Wärmeaustauscher-Wiedererwärmungsvorrichtung 66 eingeführt und mit dem Verfahrensdampf erwärmt, wodurch in der Leitung 68 ein Strom mit 216ºC (420ºF) erzeugt wird. Dieser Strom wird in einem zweiten katalytischen Konverter 70 eingeführt, worin eine ähnliche katalytische Reaktion zwischen Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid erfolgt, wobei der Abfluß in der Leitung 72 zu einem weiteren Kondensatorkühler 74 strömt, der mit Kesselspeisewasser 76 abgekühlt wird, wodurch in der Leitung 78 Dampf erzeugt wird. In der Leitung 80 wird eine weitere Menge von flüssigem, elementarem Schwefel abgezogen, die 4,9% des Schwefels in der Beschickung zu diesem Verfahren darstellt.
Der Abflußstrom in der Leitung 82 liegt bei 166ºC (330ºF) und 1,38 bar (20 psia), bevor er in der Wärmeaustauscher-Wiedererwärmungsvorrichtung 84 mit dem Verfahrensdampf wiedererwärmt wird, wodurch in der Leitung 86 ein Strom mit 204ºC (400ºF) und 1,38 bar (20 psia) erzeugt wird. Dieser Strom wird in den dritten und letzten katalytischen Reaktor 88 eingeführt, damit der restliche Schwefelwasserstoff und das restliche Schwefeldioxid im wesentlichen umgesetzt werden, wodurch Schwefelspezies erzeugt werden, die in der Leitung 90 entfernt werden, wobei dieser Strom in einem Kondensatorkühler 92 eingeführt wird, der von Kesselspeisewasser in der Leitung 94 gekühlt wird, wodurch in der Leitung 96 Dampf erzeugt wird. Weiterer elementarer Schwefel in flüssiger Form wird in der Leitung 98 entfernt, er stellt 1,7% des Schwefels in der Beschickung zu diesem Verfahren dar, wobei in der Leitung 100 ein abschließender Abfluß gewonnen wird, der vorwiegend Dampf, Stickstoff, Kohlendioxid, Wasserstoff und restliche Schwefelwasserstoff- und Schwefelverbindungen umfaßt, die 1,4 Mol-% des Abflußstroms ausmachen.
Der Strom in der Leitung 100 wird in einen Abgas-Coalescer 102 eingeführt, wobei in der Leitung 104 weiterer Schwefel entfernt wird. Der restliche Strom in den Leitungen 106 und 107 wird dann in eine Abgasreinigungsanlage (TGCU) eingeführt, worin die Menge der restlichen Schwefelbestandteile aus der Leitung 106 entfernt wird, damit die Umweltvorschriften bezüglich der Schwefelemissionen erfüllt werden, dies erfolgt typischerweise durch die Umwandlung in Schwefelwasserstoff, der zur sauren Gasbeschickung 10 zurückgeführt wird. Alternativ wird das Abgas einem Veraschungsbrenner 112 zugeführt, der mit Erdgas in der Leitung 108 und Luft in der Leitung 110 betrieben wird. Die Materialien werden dann mit einem akzeptablen Wert des Schwefelgehalts im Schornstein 114 als Abluft 116 in die Atmosphäre abgegeben.
Die vorliegende Erfindung, wie sie vorstehend beschrieben ist, ist nur ein Beispiel einer Ausführungsform der Erfindung, die die Anreicherung mit Sauerstoff mit einem mittleren Umlaufstrom verbindet, wodurch a) man bei der Anreicherung mit Sauerstoff mehr Freiheit hat, b) der Durchsatz einer Claus-Anlage auf sehr hohe Werte verbessert wird, c) der gesamte Druckabfall innerhalb des Claus-Anlagesystems verringert wird, d) der Abflußstrom zu und durch die Abgasverfahrensanlage geringer wird und e) der Prozentsatz der Gewinnung von Schwefel aus dem Betriebsgasstrom höher wird, wobei der mittlere Umlaufstrom eine einmalige Mäßigung der Flammtemperaturen in einer mit Sauerstoff angereicherten Claus-Anlage bietet, die Sicherheit größer wird, der Kapitalaufwand geringer wird und die mechanische Komplexität beim Komprimieren des Umlaufstroms geringer wird.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben, der Fachmann kann jedoch andere Varianten in Betracht ziehen, die innerhalb des Umfangs der Erfindung liegen sollen, deren Umfang den nachfolgenden Ansprüchen entnommen wird.

Claims

1. Verfahren zur Gewinnung von Schwefel aus einem Betriebsgasstrom, der reich an Schwefelwasserstoff ist, wobei der Betriebsgasstrom in einer Claus-Reaktionsofenzone mit einem mit Sauerstoff angereicherten Gas teilweise verbrannt wird, der Abfluß der Verbrennung bei gleichzeitiger Kondensation und Abtrennung des Schwefels in einer ersten Kondensationszone abgekühlt wird und der restliche Abflußstrom durch mindestens eine Stufe aus Wiedererwärmen, Umwandeln in einer katalytischen Claus-Reaktionszone und Abkühlen bei gleichzeitiger Kondensation und Abtrennung des Schwefels in einer weiteren Kondensationszone geleitet wird, und ein Teil des Abflusses der Verbrennung zur Reaktionsofenzone rezirkuliert wird, um die Temperatur der Reaktionsofenzone zu mäßigen, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlauf mit der antreibenden Kraft von Hochdruckdampf in einem Ejektor erfolgt, wobei der Umlaufstrom der Ansaugstrom zum Ejektor ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei drei Stufen verwendet werden, um den restlichen Abflußstrom zu behandeln.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Betriebsgasstrom einen Schwefelwasserstoffgehalt im Bereich von 60 bis 100 Mol-% hat.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Betriebsgasstrom einen Schwefelwasserstoffgehalt im Bereich von 80 bis 100 Mol-% hat.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das mit Sauerstoff angereicherte Gas einen Sauerstoffgehalt von mehr als 21 Mol-% hat.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das mit Sauerstoff angereicherte Gas einen Sauerstoffgehalt von mehr als 32 bis 70 Mol-% hat.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Strömungsrate des Umlaufstroms 5 bis 60% des Abflußstroms der Verbrennung ausmacht.

8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Temperatur der Reaktionsofenzone im Bereich von 1316 bis 1538ºC (2400 bis 2800ºF) liegt.

9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zwei oder mehr Ejektoren parallel verwendet werden.

10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Teil des Abflusses der Verbrennung für den Umlauf aus der ersten Kondensationszone stammt.

11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Teil des Abflusses der Verbrennung für den Umlauf der Claus-Reaktionsofenzone entnommen wird.

12. System zur Gewinnung von Schwefel aus einem Betriebsgasstrom, der eine wesentliche Schwefelwasserstoffmenge enthält, durch eine Claus-Reaktion, welches umfaßt: einen Reaktionsofen für die teilweise Verbrennung des Betriebsgasstroms mit einem mit Sauerstoff angereicherten Gas, eine erste Kondensationseinrichtung zum Abkühlen und Kondensieren des Schwefels aus dem Abfluß der Verbrennung, mindestens eine Strecke, die eine Wiedererwärmungseinrichtung, einen katalytischen Claus-Reaktor und eine weitere Kondensationseinrichtung zum Wiedererwärmen, weiterem Umsetzen und Gewinnen von Schwefel aus dem Abfluß umfaßt, und eine Umlaufeinrichtung zum Rezirkulieren eines Teils des Abflusses der Verbrennung zum Reaktionsofen, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlaufeinrichtung ein Ejektor ist.

13. System nach Anspruch 12, das drei Strecken aus Wiedererwärmungseinrichtung, katalytischem Claus-Reaktor und weiterer Kondensationseinrichtung umfaßt.

14. System nach Anspruch 12, wobei der Ejektor einer Ansaugleitung, die mit dem Abflußauslaß der ersten Kondensationseinrichtung und dem Brenner des Reaktionsofens verbunden ist, damit der Abfluß zum Ofen zurückgeleitet wird, und eine antreibende Leitung aufweist, die mit einer Quelle eines Hochdruckfluids verbunden ist.

15. System nach Anspruch 12, das eine Abgasreinigungseinrichtung aufweist, die mit der letzten Strecke des Systems verbunden ist, damit der Schwefelgehalt des Abflusses weiter verringert wird.

16. System nach Anspruch 12, wobei die Umlaufeinrichtung zwei oder mehr parallele Ejektoren umfaßt.

17. System nach Anspruch 12, wobei die Umlaufeinrichtung mit der ersten Kondensationseinrichtung verbunden ist, damit ein Teil des Abflusses der Verbrennung aus der Kondensationseinrichtung rezirkuliert wird.

18. System nach Anspruch 12, wobei die Umlaufeinrichtung mit dem Reaktionsofen verbunden ist, damit ein Teil des Abflusses der Verbrennung aus dem Reaktionsofen rezirkuliert wird.