JP4931800B2 - Ｃｏｓ−クラウスの構成およびｃｏｓ−クラウス法 - Google Patents

Description

本発明の分野は、ＣＯＳの硫黄元素への変換であり、特にクラウス（Ｃｌａｕｓ）プラントにおける変換である。

現在のところ、クラウスプロセスへの供給ガスは、典型的には比較的低い硫化カルボニル（ＣＯＳ）濃度に限られており、一般的には、従来のクラウスプロセスにおける供給ガス中のＣＯＳ濃度は、脱硫効率を大幅に低下させ、および／または混入物（例えば、アンモニアと、ベンゼン、トルエン、およびキシレンなどを含む芳香族化合物、および／または炭化水素類）の分解のための火炎温度を損なわない限りは、約２％を超えることはできないと考えられている。

したがって、多数の脱硫プロセスが、ＣＯＳの含有量が比較的少ない供給ガスをクラウスプラントへと供給すべく、特別に構成されている。あるいは、特に供給ガス中のＣＯＳ濃度が比較的高い場合には、供給ガスがクラウスプロセスへと供給される前に、ＴｉＯ_２触媒床を使用する供給ガス中のＣＯＳの加水分解が使用されることがしばしばである。クラウスに先立ってＣＯＳの加水分解を使用する典型的な構成が、米国特許第４，７３５，７８８号明細書または米国特許第６，１１３，８７２号明細書に記載されており、そのどちらも、参照により本明細書に組み込まれる。そのようなプロセスは、おおむねＣＯＳ濃度を公知のクラウスプラントに適すると考えられるレベルまで低減するもものの、依然として種々の欠点が残されている。特に、ＣＯＳの加水分解は、一般的には、比較的高い資本および運転コストを必要とする。

したがって、当技術分野において、ＣＯＳの含有量が比較的多い供給ガスをクラウスプラントへと供給するための種々の構成および方法が知られているが、それらのすべてまたはほとんどすべてが、１つ以上の欠点を抱えている。したがって、クラウスプロセスの構成および方法の改善について、依然としてニーズが存在している。

本発明は、広くには、クラウスプラント構成を使用するＣＯＳの硫黄元素および副生成物への変換に向けられている。本発明の主題の好ましい態様においては、ＣＯＳ含有流の第１の部分のＣＯＳが、二酸化硫黄へと変換され、ＣＯＳ含有流の第２の部分のＣＯＳが、Ｈ_２Ｓへと変換され、次いでこのようにして生成された二酸化硫黄および硫化水素が、触媒リアクタを使用して硫黄および水へと処理される。

本発明の主題の一態様においては、クラウスプラントが、ＣＯＳ含有流の第１の部分を受け取ってＣＯＳから二酸化硫黄を形成する反応炉を有することができる。次いで、この炉へと接続された触媒コンバータが、反応炉から二酸化硫黄を受け取るとともに、さらにＣＯＳ含有流の第２の部分を受け取ってＣＯＳから硫化水素を形成する。このようにして生成された二酸化硫黄と硫化水素が、続いてコンバータ内で反応して硫黄元素が形成される。

特に好ましい構成においては、さらに反応炉が、炭化水素、アンモニア、硫化水素、有機硫化物、水、酸素、および／または空気を含んでいる流れを受け取ることが考えられる。さらに、適切な構成は、ＣＯＳ含有流のさらなる部分を受け取ってＣＯＳから硫化水素を形成できる、さらなる触媒コンバータを備える（好ましくは、第１のコンバータと直列に）。

本発明の主題の他の態様においては、クラウスプラントが、第１の部位にてＣＯＳ含有流の少なくとも一部分を受け取ってＣＯＳから二酸化硫黄を形成する、反応炉を備えることができる。さらに、硫化水素源が備えられ、反応炉の第２の部位へと硫化水素を供給し、この第２の部位において硫化水素と二酸化硫黄が硫黄元素へと反応する（特に考えられる硫化水素源は、ＣＯＳ含有流の他の一部分を受け取って硫化水素を形成する加水分解炉を備えている）。

そのようなプラントは、加水分解炉からの硫化水素の少なくとも一部分と、反応炉からの二酸化硫黄の少なくとも一部分とを受け取る、触媒コンバータをさらに備えることができ、このコンバータにおいて二酸化硫黄と硫化水素が反応して硫黄元素が形成される。考えられるプラントのＣＯＳ濃度に関しては、一般に、（例えば、予燃式脱炭素ユニットからの）ＣＯＳ含有流が少なくとも５％（モル）のＣＯＳを含んでいると好ましい。

したがって、クラウスプラントにおいてＣＯＳ含有流を硫黄生成物へと変換する方法は、ＣＯＳ含有流からのＣＯＳの第１の部分を反応炉において酸化して二酸化硫黄を形成する一工程を含むことができる。他の工程において、ＣＯＳ含有流からのＣＯＳの第２の部分が、加水分解炉および触媒コンバータのうちの少なくとも１つにおいて硫化水素へと加水分解され、さらに別の工程において、二酸化硫黄が硫化水素と触媒反応させられ、硫黄生成物が形成される。

本発明の種々の目的、特徴、態様、および利点が、本発明の好ましい実施形態についての以下の詳細な説明から、さらに明白になるであろう。

本発明者らは、ＣＯＳ含有流を、所望の動作条件を失うことなくクラウスプラントへと供給できることを発見し、そこでは、ＣＯＳのある部分が、二酸化硫黄への酸化のための反応炉へと供給され、他の部分が、硫化水素へと加水分解され（加水分解炉において、またはクラウスプラントの触媒コンバータにおいて）、このようにして生み出された硫化水素と二酸化硫黄とが反応させられて、硫黄元素が形成される。

そのような構成および方法を使用することで、クラウス変換の環境を維持しつつ、ＣＯＳ含有流（あるいは、実質的に純粋なＣＯＳ流でもよい）の中のＣＯＳの９０％から９８％を硫黄元素に変換できることを、特に理解しなければならない。さらに、少なくともいくつかの態様においては、考えられる構成が、上流の加水分解炉を必要とせずにクラウスプラントを動作させることができ、そこではクラウスプラントが、かなりの量のＣＯＳ（例えば、２モル％を超える）を受け取る。

本発明の主題の好ましい一実施形態においては、典型的なクラウスプラントが、図１に示したような構成を有している。ここで、クラウスプラント１００は、反応炉１１０を廃熱ボイラー１４０へと熱的に接続して備えており、廃熱ボイラー１４０において、ボイラー供給水１４２から蒸気１４４が生成される。反応炉１１０は、種々の燃焼可能成分および硫黄化合物（例えば、メルカプタン、硫化水素など）を含むであろう供給流１０６を受け取る。燃焼および／または火炎温度は、空気／酸素流１０８によって調節または維持される。さらに、反応炉１１０が、ＣＯＳ含有流１０４の第１の部分１０４Ａを受け取る一方で、ＣＯＳ含有流１０４の第２の部分１０４Ｂおよび任意の第３の部分１０４Ｃは、それぞれ触媒コンバータ１２０および１３０へと供給される。

反応炉１１０は、典型的には、混入物（例えば、アンモニア、炭化水素など）のうち、実質的にすべてではないにせよ大部分が、熱によって破壊され、かつＣＯＳ含有流１０４中のＣＯＳの３分の１が、二酸化硫黄へと酸化されるように運転される。すなわち、ＣＯＳ含有流１０４および供給流１０６の組成に応じて、第２の部分１０４Ｂ（および、１０４Ｃ）に対する第１の部分１０４Ａの比が変化しうることを、理解すべきである。しかしながら、一般的には、第１の部分１０４Ａが、流れ１０４の全体の約２０％から４０％であることが好ましい。同様に、やはり主として供給流１０６および／または流れ１０４Ａの化学的組成に応じ、火炎温度は、かなり様々でありうるが、供給流中の混入物に応じて、好ましくは約９８２℃から約１５３８℃（約１８００°Ｆから約２８００°Ｆ）の温度に維持される。

反応炉１１０から出るガスは、主として二酸化硫黄、水、および二酸化炭素を含んでいるが、廃熱ボイラーにおいて約２０４℃から２６０℃（約４００°Ｆから５００°Ｆ）へと冷却されて、冷却済み流出物１１２を形成し、これが第１の触媒コンバータへの導入に先立って、ＣＯＳ含有流１０４の第２の部分１０４Ｂに組み合わせられる。このような構成において、流れ１０４ＢのＣＯＳが、コンバータにおいて硫化水素へと加水分解され、そのようにして生み出された硫化水素が、冷却済み流出物１１２からの二酸化硫黄と反応し、硫黄元素が生成流１２２として触媒コンバータ１５０から出ることを、理解すべきである。次いで、生成流１２２が凝縮器１５０へと供給され、凝縮器１５０において硫黄元素が、好ましくは、約１３８℃から１７７℃（約２８０°Ｆから３５０°Ｆ）の温度で硫黄生成物１５２へと凝縮する。

クラウスプロセスは平衡によって動くプロセスであるため、次いで凝縮器からの流出物１５４が、約２０４℃から２６０℃（約４００°Ｆから５００°Ｆ）の温度へと再加熱され、ＣＯＳ含有流１０４の第３の部分１０４Ｃに組み合わせられる。したがって、凝縮器からの流出物１５４中の残りの二酸化硫黄が、第１の触媒コンバータ１２０について上述した様相と同様の様相で、第２の触媒コンバータ１３０においてＣＯＳの加水分解によって形成される硫化水素と反応する。生成流１３２が、排ガス１６４から硫黄生成物１６２として硫黄元素を取り去るべく第２の凝縮器１６０へと供給され、次いで排ガス１６４を、必要に応じて従来の技法を使用してさらに処理することができる。当然ながら、適切なクラウスプラントが、所望のとおり排ガス中の残留硫黄濃度を低減するため、第３、第４、およびさらに高次の触媒コンバータを有してもよいことを、理解すべきである。供給１０６が硫化水素を含んでいる場合、この硫化水素が、反応炉１１０において形成される二酸化硫黄と反応して、クラウス反応に従って反応炉１１０、第１のコンバータ１２０、および第２のコンバータ１３０で硫黄元素を形成する（流れ１１２、１５４、および１６４は、典型的には、二酸化硫黄に加えていくらかの硫化水素を含んでいる）。

供給ガスに関しては、様々な供給ガスが適切であり、そのような供給ガスが反応炉内で少なくとも部分的に酸化されうるのであれば、本発明の主題が供給ガスの特定の性質に限定されるわけではないことを、理解すべきである。例えば、適切な供給ガスとしては、アミン抽出ユニットからの酸性ガス、サワー水ストリッパーからのサワーガス、膜ろ過ユニット、および硫黄含有量の多いガスをもたらす他の供給源が挙げられる。したがって、考えられる供給ガスは、硫化水素だけでなく、ＣＯＳ（好ましくは、２モル％未満の濃度で）、ＣＳ_２、メルカプタン、二硫化物、および多硫化物など、多数の他の硫黄化合物を含むであろう。大部分の供給ガスには、さらに、１つ以上の芳香族炭化水素（例えば、ベンゼン、トルエン、キシレン）、アンモニア、および／または他の様々な炭化水素（例えば、典型的には５個未満の炭素原子を含んでいる直鎖状または分岐鎖状の炭化水素）が含まれているであろう。

同様に、ＣＯＳ含有流の化学的組成および供給源も、かなり様々であってよく、そのような流れにおけるＣＯＳ濃度が、１モル％（さらには、これ以下）から約９５モル％（さらには、これ以上）であってよいことを、理解すべきである。しかしながら、ＣＯＳ含有流が、少なくとも部分的には予燃式脱炭素プラントによってもたらされることが特に好ましく、特に好ましい予燃式脱炭素プラントが、２００３年４月３日に出願され本件出願と同時係属中である本発明者らによる米国特許仮出願第６０／４６０３６３号明細書に記載されており、この出願は、参照により本明細書に組み込まれる。さらに、ＣＯＳ含有流の第１の部分を、供給流と組み合わせてもよく、あるいは供給流がかなりの量のＣＯＳを含んでいる場合には、この第１の部分を完全になくしてもよいことを、理解すべきである。

したがって、第２の部分に対する第１の部分の比は、一般的には、種々の要因に依存して様々であるが、特に供給流および／またはＣＯＳ含有流に存在するＣＯＳの量に依存する。同様に、第３の部分に対する第２の部分の比も、様々であるが、典型的には、第３の部分のＣＯＳは、ＣＯＳの硫化水素への変換により、第１の凝縮器の流出物の二酸化硫黄との反応によって、実質的に完全に消費される。また、触媒コンバータへの進入に先立って、反応炉の流出物と第２の部分（および／または凝縮器の流出物と第３の部分）とを組み合わせることが一般的には好ましいが、これらの流れを別々に触媒コンバータへと供給してもよいことを、理解すべきである。

反応炉、廃熱ボイラー、再加熱装置、触媒コンバータ、および硫黄凝縮器に関しては、一般的に、このような構成要素を、考えられる構成に合わせて変更する必要がなく、これらの構成要素を、当技術分野において現在使用されている構成で使用できることを、理解すべきである。

したがって、考えられるクラウスプラントが、ＣＯＳから二酸化硫黄を形成すべくＣＯＳ含有流の第１の部分を受け取る反応炉と、好ましくは酸化チタンまたはコバルト−モリブデン触媒を含んでおり、（ａ）反応炉からの二酸化硫黄を受け取るとともに、（ｂ）ＣＯＳから硫化水素を形成すべくＣＯＳ含有流の第２の部分を受け取る触媒コンバータとを備えることができ、二酸化硫黄と硫化水素とがコンバータにおいて反応して硫黄元素が形成されることを、理解すべきである。特に好ましい構成においては、反応炉が、炭化水素、アンモニア、硫化水素、有機硫化物、水、酸素、および空気のうちの少なくとも１つを含んでいる流れをさらに受け取る。したがって、ＣＯＳ含有流の特に好ましい供給源としては、予燃式脱炭素ユニットが挙げられ、典型的には少なくとも５モル％のＣＯＳを含んでいる。第２の触媒コンバータを、上述の触媒コンバータへと直列に接続することができ、ＣＯＳから硫化水素を形成すべくＣＯＳ含有流の第３の部分をさらに受け取ることができる。

本発明の主題の他の態様において、特にＣＯＳ含有流のＣＯＳ濃度が比較的高い場合に、代案となる構成を使用することができ、そこでは図２に示されているように、ＣＯＳの一部が触媒コンバータへの進入に先立って加水分解され、および／またはＣＯＳの一部が反応炉において酸素および／または水と反応させられる。

ここで、クラウスプラント２００は、反応炉２１０を、ボイラー供給水２４２から蒸気２４４を生成する廃熱ボイラー２４０へと接続して有している。上述の図１に示した構成と同様、反応炉の前部が、供給２０６と、適切な火炎温度および／または硫黄化合物の酸化を維持するための、適切な量の空気／酸素２０８とを受け取る。ＣＯＳ含有流２０４の第１の部分２０４Ａが、二酸化硫黄へと酸化されるべく反応炉へと供給される一方で、ＣＯＳ含有流２０４の第２の部分２０４Ｂは、ＣＯＳ加水分解炉２８０へと供給される。ＣＯＳ加水分解炉の流出物の第１の部分２０４Ｂ’が、反応炉の後部へと供給され、クラウス化学に従って、他の硫黄含有化合物の硫黄元素と反応する。結果として、反応炉の流出物２１２が、第１の凝縮器２７０へと供給され、そこで硫黄元素が硫黄生成物２７２として取り出される。

次いで、凝縮器の流出物２７４が、再度加熱され、ＣＯＳ加水分解炉２８０にて生み出された硫化水素流の第２の部分２０４Ｂ’’に組み合わせられる。組み合わせられた流れが、第１の触媒コンバータ２２０へと進入し、加水分解炉からの硫化水素と第１の凝縮器の流出物からの二酸化硫黄が、クラウス反応にて反応し、硫黄元素を形成する。次いで、触媒コンバータの流出物２２２が、凝縮器２５０へと供給され、そこで硫黄元素が硫黄生成物２５２として取り出され、この凝縮器の流出物２５４は、再度加熱され、硫化水素流の第３の部分２０４Ｂ’’’と混合された後に、第３のコンバータ２３０へと進入する。再び、凝縮器の流出物２５４からの残りの二酸化硫黄と流れ２０４Ｂ’’’からの硫化水素とが反応して、触媒コンバータ２３０において硫黄元素が形成され、触媒コンバータ２３０からの流出物２３２が、凝縮器２６０へと供給される。硫黄元素が、硫黄生成物２６２として凝縮器２６０から取り出され、排ガス２６４がクラウスプラントから去る（流れ２１２、２７４、および２５４は、典型的には、二酸化硫黄に加えていくらかの硫化水素を含んでいる）。

ＣＯＳ加水分解炉に関しては、公知のすべての加水分解炉がここでの使用に適していると考えられることを理解すべきであり、典型的なＣＯＳ加水分解炉が、例えば米国特許第４，３３２，７８１号明細書および米国特許第５，６７４，４６３号明細書に記載されており、どちらも参照により本明細書に組み込まれる。しかしながら、一般的には、ＣＯＳの加水分解は、ニッケル、白金、およびパラジウムなどといった適切な加水分解触媒を使用して行なうことが好ましい。残りの構成要素および条件に関しては、すでに上述したものと同じ検討があてはまる。

したがって、特に適切なクラウスプラントは、ＣＯＳから二酸化硫黄を形成すべくＣＯＳ含有流の少なくとも一部を第１の部位にて受け取る反応炉、およびこの反応炉の第２の部位へと硫化水素をもたらす硫化水素源を含んでおり、硫化水素および二酸化硫黄が、第２の部位において硫黄元素および他の硫黄含有化合物へと反応する。このようなプラントは、ＣＯＳ含有流の少なくとも一部をもたらす予燃式脱炭素ユニットへと有利に接続することが可能であり、任意には、硫化水素を形成すべくＣＯＳ含有流の他の部分を受け取る加水分解炉をさらに含むことができる。

触媒コンバータ（好ましくは、酸化チタン触媒またはコバルト−モリブデン触媒を含んでいる）は、典型的には、加水分解炉からの硫化水素の少なくとも一部、および反応炉からの二酸化硫黄の少なくとも一部を受け取り、二酸化硫黄と硫化水素とがコンバータにおいて反応して硫黄元素が形成される。最も典型的には、第２および第３の触媒コンバータが、第１の触媒リアクタに接続される。

したがって、一般的に、反応炉においてＣＯＳ含有流からのＣＯＳの第１の部分を二酸化硫黄へと酸化することによって、クラウスプラントにおいてＣＯＳ含有流を硫黄生成物へと変換できることを、理解すべきである。ＣＯＳ含有流からのＣＯＳの第２の部分は、反応炉、加水分解炉、または触媒コンバータにおいて、硫化水素へと加水分解および／または酸化され、このようにして生み出された二酸化硫黄および硫化水素が、次に触媒によって反応させられて、クラウス反応に従って硫黄生成物が形成される。

特定のプラントの構成および／またはＣＯＳ含有流のＣＯＳ濃度に依存して、ＣＯＳの加水分解および／または酸化を、反応炉または触媒コンバータ（例えば、ＣＯＳ濃度が比較的低い場合）で実行でき、あるいは加水分解炉（例えば、ＣＯＳ濃度が比較的高い場合）にて実行できることが、考えられる。しかしながら、ＣＯＳの加水分解および／または酸化の位置にかかわらず、適切なＣＯＳ濃度は、少なくとも５％（モル）ＣＯＳであってよいと考えられる。そのような方法の構成要素および条件に関しては、上述したものと同じ検討が当てはまる。

このように、ＣＯＳ−クラウスの構成および方法について、特定の実施形態および用途を開示した。しかしながら、ここに開示した本発明の概念から逸脱することなく、すでに説明したもの以外にも、さらに多くの変形が可能であることが、当業者にとって明らかであろう。したがって、本発明の主題は、添付の特許請求の範囲の精神以外には、決して限定されない。また、明細書および特許請求の範囲の両者を解釈する際には、すべての用語は、文脈に一致する様相で可能な限り広く解釈されなければならない。特に、用語「・・・含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および「・・・含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、要素、構成部品、または工程に、非排他的な様相で言及していると解釈すべきであり、言及された要素、構成部品、または工程が、明示的には言及されていない他の要素、構成部品、または工程とともに存在し、利用され、あるいは組み合わせられてもよいことを、示している。

本発明の主題によるＣＯＳ変換のための１つの典型的な構成である。 本発明の主題によるＣＯＳ変換のための他の典型的な構成である。

Claims (17)

1. ＣＯＳ含有流の第１の部分を受け取ってＣＯＳから二酸化硫黄を形成する反応炉と、
   反応炉から二酸化硫黄を受け取るとともに、さらにＣＯＳ含有流の第２の部分を受け取り、ＣＯＳから硫化水素を形成するＣＯＳ加水分解触媒を含む触媒コンバータと
   を備えており、
   コンバータにおいて二酸化硫黄と硫化水素が反応して硫黄元素が形成される、クラウスプラント。
2. 反応炉が、炭化水素、アンモニア、硫化水素、有機硫化物、水、酸素、および空気のうちの少なくとも１つを含む流れをさらに受け取る、請求項１に記載のプラント。
3. 触媒コンバータに直列に組み合わせられた第２の触媒コンバータをさらに備えている、請求項１に記載のプラント。
4. 第２の触媒コンバータが、ＣＯＳ含有流の第３の部分を受け取ってＣＯＳから硫化水素を形成する、請求項３に記載のプラント。
5. 予燃式脱炭素ユニットが、ＣＯＳ含有流を供給する、請求項１に記載のプラント。
6. 触媒コンバータが、酸化チタンまたはコバルト−モリブデンを含む触媒を備えている、請求項１に記載のプラント。
7. ＣＯＳ含有流が、少なくとも５％（モル）のＣＯＳを含む、請求項１に記載のプラント。
8. 第１の部位にてＣＯＳ含有流の少なくとも一部分を受け取って、ＣＯＳから二酸化硫黄を形成する反応炉と、
   反応炉の後部へと硫化水素をもたらす硫化水素源と
   を備えており、
   前記後部において硫化水素と二酸化硫黄が硫黄元素へと反応する、クラウスプラント。
9. 予燃式脱炭素ユニットが、ＣＯＳ含有流を供給する、請求項８に記載のプラント。
10. 硫化水素源が、ＣＯＳ含有流の他の一部分を受け取って硫化水素を形成する加水分解炉を備えている、請求項８に記載のプラント。
11. 加水分解炉からの硫化水素の少なくとも一部分と、反応炉からの二酸化硫黄の少なくとも一部分とを受け取る触媒コンバータをさらに備えており、
    コンバータにおいて二酸化硫黄と硫化水素が反応して硫黄元素が形成される、請求項１０に記載のプラント。
12. 触媒コンバータが、酸化チタンまたはコバルト−モリブデンを含む触媒を備えている、請求項１０に記載のプラント。
13. ＣＯＳ含有流が、少なくとも５％（モル）のＣＯＳを含む、請求項８に記載のプラント。
14. ＣＯＳ含有流をクラウスプラントにおいて硫黄生成物へと変換する方法であって、
    少なくとも５ｍｏｌ％のＣＯＳ濃度を有するＣＯＳ含有流を提供する工程と、
    ＣＯＳ含有流からのＣＯＳの第１の部分を、反応炉において二酸化硫黄へと酸化する工程と、
    ＣＯＳ含有流からのＣＯＳの第２の部分を、反応炉、加水分解炉、および触媒コンバータのうちの少なくとも１つにおいて、硫化水素へと加水分解する工程と、
    硫黄生成物を形成するように、二酸化硫黄をＣＯＳ加水分解により生成された硫化水素と反応させる工程と
    を含む、方法。
15. 反応させる工程が、反応炉において実行される、請求項１４に記載の方法。
16. 加水分解する工程が、触媒コンバータにおいて実行される、請求項１４に記載の方法。
17. 炭化水素、アンモニア、硫化水素、有機硫化物、水、酸素、および空気のうちの少なくとも１つを含む流れを、反応炉へと供給する工程をさらに含む、請求項１４に記載の方法。

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