KR100742454B1 - 기체를 함유하는 황화수소의 부분 산화 - Google Patents

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Abstract

공기-산소-황화수소 버너(108)는 노(102)내로 발화한다. 버너는 공기를 함유하는 연소 유지 기체용의 주 통로(112), 주 통로를 통해 서로 평행하게 연장되어 있는 다수개의 이격된 긴 유체-수송 개방-말단의 외관(이들 외관 각각은 적어도 버너의 원위 말단에서 서로 평행하게 연장되는 유체-수송 개방-말단의 긴 내관 각각을 둘러쌈), 산소 또는 산소가 풍부한 공기를 버너로 도입하는 제 1 유입구, 및 황화수소 함유 공급 기체를 버너로 도입하는 제 2 유입구를 포함하며, 제 1 및 제 2 유입구중 하나는 외관과 연통하고 제 1 및 제 2 유입구중 다른 하나는 내관과 연통한다.

Description

기체를 함유하는 황화수소의 부분 산화{PARTIAL OXIDATION OF HYDROGEN SULPHIDE CONTAINING GAS}
본 발명은 황화수소의 부분 산화 방법 및 장치, 그리고 그러한 방법 및 장치에 사용하기 위한 버너에 관한 것이다.
황화수소 및 이산화탄소를 함유하는 소위 산성 기체(acid gas) 스트림은 예컨대 오일 및 가스 정련소의 폐스트림(waste stream)으로서 형성된다. 산성 기체 스트림을 대기중으로 방출하기 전에 그에 함유된 황화수소를 실질적으로 모두 제거하기 위해 이를 처리해야 할 필요가 있다. 황화수소의 이러한 제거는 클라우스(Claus) 공정에 의해 통상적으로 이루어지며, 이 공정에서는 함유된 황화수소의 일부를 노(furnace)에서 연소시켜 이산화황 및 수증기를 생성시키는데, 생성된 이산화황의 일부가 노에서 잔류 황화수소와 반응하여 황 증기 및 수증기를 형성시킨다(동시에, 황화수소의 일부가 부분적으로 산화된다). 따라서, 황화수소, 이산화황, 이산화탄소, 수증기 및 황 증기를 포함하는 배출 기체 스트림이 노로부터 흘러나온다. 응축에 의해 기체 혼합물로부터 황 증기를 추출하고, 황 증기를 실질적으로 함유하지 않는 기체 혼합물을, 황 증기를 형성시키기 위해 이산화황과 황화수소를 추가로 반응시키는 다수의 촉매 단계에 도입시킨다. 촉매 반응의 각 단계 하류의 기체 혼합물로부터 추가의 황 증기를 추출한다. 이로써, 전형적으로 산성 기체의 원래 황 함량의 2 내지 6%를 함유하는 잔류 기체(tail gas)가 형성된다. 잔류 기체를 전형적으로는 추가로 처리하여 잔류하는 황 화합물을 실질적으로 모두 제거한다.
전통적으로, 황화수소의 연소를 유지시키기 위하여 공기를 사용한다. 전형적으로는, 존재하는 임의의 암모니아를 완전히 산화시켜 질소와 수증기를 제조하고 존재하는 임의의 탄화수소를 완전히 산화시켜 이산화탄소와 수증기를 형성시키며 산성 기체의 황화수소 함량의 약 1/3을 산화시켜 이산화황과 수증기를 제조하기에 충분한 산소 분자를 제공할 정도의 충분한 속도로 공기를 공급한다. 보다 최근에는, 공기중 일부를 시판되는 순수한 산소로 대체함으로써 클라우스 공정을 개선시킬 수 있음이 인식되어 왔다. 그 결과, 소정의 황화수소 처리량에 대해 노 및 그 하류 장치(downstream unit)의 크기를 감소시킬 수 있다.
유럽 특허 공개 제 0 486 285 호는 클라우스 공정에 사용하기 위한 산소-공기-황화수소 버너에 관한 것이다. 이 버너는 개방 원위 말단을 갖고 통로를 한정하는 중공 몸체 부재를 포함하며, 상기 통로를 통해 다수의 개방 말단의 긴 유체-수송 제 1 관 부재, 및 각각 개별적으로 제 1 관 부재 내에 위치하는, 다수의 개방 말단의 긴 유체-수송 제 2 관 부재가 연장되어 있다. 제 1 관 부재는 황화수소 공급원과 연통되어 있고, 제 2 관 부재는 산소 공급원과 연통된다. 개별적인 황화수소 관 내에 각각의 산소 관을 제공하는 목적은 산소와 연료가 특히 양호하게 혼합되고 화염 내에서 균일한 조건을 수득할 수 있도록 하기 위한 것이다. 또한, 비교적 낮은 연료 및 산소 속도에서 안정한 작동 조건을 수립할 수 있다.
유럽 특허 공개 제 0 486 285 호에 따른 버너가 실제로 양호한 성능을 나타내기는 하지만, 본 발명자들은 균일하지 않은 적합한 화염이 실제 제공되는 경우, 클라우스 공정에서 노에 연결된 황 응축기에서 나가는 기체 혼합물에서의 황화수소의 황으로의 전환 비율을 더 높일 수 있을 것으로 생각한다. 따라서, 본 발명의 목적은 버너가 노에서 보다 높은 황화수소의 황으로의 전환 비율을 획득할 수 있도록 하는 구조를 갖는 황화수소의 부분 산화 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
도 1은 버너가 축방향으로 위치된 장치의 부분 측단면 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 장치에 사용하기 위한 버너의 원위 말단으로부터의 개략도이다.
도 3은 도 1에 도시된 장치에 사용하기 위한 다른 버너의 원위 말단으로부터의 개략도이다.
도 4는 도 2에 도시된 버너 또는 도 3에 도시된 버너에 의해 생성되는 화염의 한 단면에서의 온도 분포를 예시하는 도 1에 도시된 노를 통한 개략적인 단면도이다.
도 5는 도 1에 도시된 버너의 개별적인 관 및 통로로의 기체 수송을 나타내는, 본 발명에 따른 방법 및 장치에 사용하기 위한 버너의 개략적인 측단면도이다.
도 6은 버너가 곁가지 형식으로(tangentially) 장착된 본 발명에 따른 장치의 개략도이다.
도 7은 도 6에 도시된 장치에 사용하기 적합한 제 1 버너의 원위 말단으로부터의 개략도이다.
도 8은 도 6에 도시된 장치에 사용하기 위한 제 2 버너의 원위 말단으로부터의 개략도이다.
도 9는 도 7 또는 도 8에 도시된 버너의 작동에 의해 생성되는 화염 형태를 일반적으로 예시하는, 도 6에 도시된 노의 개략적인 횡단면도이다.
본 발명에 따라, 노 및 노 내로 발화하는 공기-산소-황화수소 버너를 포함하는 황화수소의 부분 산화용 장치가 제공되며, 이 때
상기 버너는, 공기를 함유하는 연소 유지 기체의 주 통로, 주 통로를 따라 서로 평행하게 연장되는 다수의 이격된 긴 유체-수송 개방 말단 외관(각각의 외관은 적어도 버너의 원위 말단에서 서로 평행하게 연장되는 긴 유체-수송 개방 말단 내관 각각을 둘러쌈), 산소 또는 산소가 풍부한 공기를 버너로 도입하는 제 1 유입구, 및 황화수소를 함유하는 공급 기체를 버너로 도입하는 하나 이상의 제 2 유입구를 포함하며,
제 1 및 제 2 유입구의 하나는 내관과 연통하고 제 1 및 제 2 유입구의 다른 하나는 외관과 연통하며,
상기 내관 및 외관의 유출구는 작동시 황화수소와 산소 및 공기의 혼합이 본질적으로 모두 버너의 원위 말단 하류에서 이루어지도록 배치되며, 내관 및 외관의 유출구는 작동시 노에서 하나 이상의 제 1 고온 단계 및 하나 이상의 제 2 저온 단계를 갖는 안정한 화염이 유지되도록 병치되고 또한 그러한 치수를 가지며,
상기 화염의 제 1 단계는 노의 내벽의 선택된 구역으로부터 화염의 제 2 단계보다 멀리 위치함으로써, 선택된 구역이 제 2 단계에 의해 제 1 단계로부터 차폐되며,
상기 내관 및 외관은 작동시 화염의 제 1 단계를 제공하는 내관 및 외관의 제 1 군, 및 작동시 화염의 제 2 단계를 제공하는 내관 및 외관의 제 2 군으로 배열되며,
버너가 노에 대해 곁가지 형식으로 위치하며,
내관과 외관의 제 1 군의 유출구가 내관과 외관의 제 2 군의 유출구보다 위에 위치한다.
바람직하게는 화염의 제 1 단계는 제 2 단계에 비하여 상대적으로 산소가 풍부하다.
비교적 산소가 풍부하기 때문에, 1700 내지 2300℃의 평균 화염 온도가 화염의 제 1 단계에서 달성될 수 있다. 이러한 고온은 황화수소를 수소 및 황으로 분해, 즉 열 해리시키는 데 바람직한 것으로 생각된다. 그 결과, 저온에서보다 더 많은 황화수소가 황으로 전환되는 것으로 생각된다. 또한, 1400℃를 초과하는 온도에서는 비교적 산소가 적은 상태로도 작동될 수 있지만, 산소가 풍부한 고온 제 1 단계가 존재함으로써, 제 1 단계의 고온뿐만 아니라 제 2 단계로 인해 공급 기체중의 임의의 암모니아를 완전히 분해하는데도 도움이 된다. 암모니아가 노로부터 클라우스 공정의 임의의 촉매 단계로 통과하면 촉매를 오염시키거나 저온에서 작동되는 다른 장치를 폐색시키는 암모니아 염을 형성할 수 있기 때문에, 암모니아를 이렇게 완전히 제거하는 것은 매우 바람직하다.
전형적으로는, 내관은 제 1 유입구와 연통된다. 그러므로, 내관은 산소 또는 산소가 풍부한 공기를 수용하고 외관은 황화수소를 함유하는 공급 기체를 수용한다.
바람직하게는, 제 1 군의 외관의 유출구는 제 2 군의 외관의 유출구보다 더 넓게 이격되어 있다. 그 결과, 제 2 군의 관보다 제 1 군의 관이 상응하게 더 많은 공기를 이용할 수 있게 됨으로써 버너의 제 1 단계에서 목적하는 산소가 풍부한 조건을 달성하는데 도움이 된다. 제 1 군보다 제 2 군에 더 많은 관이 존재하는 경우, 전형적으로는 제 1 군보다 제 2 군에 2배 이상 더 많은 관이 존재하는 경우, 이러한 결과가 특히 촉진된다.
제 1 유입구와 연통하는 제 1 군의 관이 제 1 유입구와 연통하는 제 2 군의 관보다 더 큰 내경을 갖는 경우에 제 1 단계 내에 화염의 고온 달성이 촉진된다. 그러므로, 이러한 제 1 군의 관은 전형적으로 제 2 군의 관의 내경의 1.3 내지 3배의 내경을 가질 수 있다. 특히 제 1 유입구와 연통되는 내관인 경우에 이러한 배열로 인해, 작동시 상응하게 더 많은 산소 또는 산소가 풍부한 공기가 화염의 제 2 단계보다 제 1 단계에 용이하게 보내짐으로써, 제 1 단계에서 고온을 달성하는데 특히 도움이 된다. 이러한 배열에서는 제 2 유입구와 연통하는 제 1 군의 관의 내경이 제 2 유입구와 연통하는 제 2 군의 관과 동일한 내경을 갖는 것이 편리하다.
내관과 외관의 제 1 군의 유출구를 일반적으로 제 2 군의 유출구의 위에 위치시킴으로써 노의 다른 영역보다 열 손상을 더 받기 쉬운 노의 기부의 경향을 방지한다.
공급 기체는 전형적으로 황화수소와 이산화탄소의 혼합물이다. 수증기, 탄화수소 및/또는 암모니아도 존재할 수 있다. 필요한 경우, 공급 기체는 정유소로부터의 아민 기체, 또는 아민 기체와 산성수 스트립퍼 기체의 혼합물일 수 있다. 아민 기체는 전형적으로 70부피% 이상의 암모니아를 포함하고, 10% 이상의 이산화탄소를 추가로 함유한다. 산성수 스트립퍼 기체는 황화수소, 암모니아 및 수증기의 혼합물이다. 다른 기체도 산성수 스트립퍼 기체에 존재할 수 있다. 두 기체 모두를 본 발명에 따른 방법에 의해 본 발명에 따른 장치에서 처리해야 하는 경우, 이들을 예비 혼합할 수 있다. 그러나, 이러한 예비 혼합의 한가지 중요한 단점은 암모니아의 일부가 화염의 저온 단계(들)로 흘러가는 경향이 있어서 암모니아가 전량 분해되지 않을 위험이 있다는 것이다. 그러나, 실제로는, 산소를 사용하는 공정으로써, 저온 단계(들)는 전형적으로 암모니아 분해에 필요한 최저치보다 높은 온도로 유지될 수 있다. 어떤 경우에라도, 2개의 제 2 유입구(하나는 제 1 군의 관에만 연결되고, 다른 하나는 제 2 군의 관에만 연결됨)가 존재하도록 버너를 배열하면 이러한 잠재적인 단점을 피할 수 있다. 이러한 방식으로, 암모니아를 함유하는 기체(산성수 스트립퍼 기체)를 모두 화염의 산소가 풍부한 고온 단계(들)로 유도할 수 있다. 이러한 배열로 인해 공급 기체로부터 암모니아를 전량 제거하기가 더욱 쉬워질 수 있다.
크기에 따라, 본 발명에 따른 버너는 6 내지 30개의 제 1 관을 가질 수 있다. 바람직하게는, 버너는 8 내지 20개의 제 1 관을 갖는다.
바람직하게는, 내관과 외관이 모두 버너의 축에 수직인 공통 평면에서 끝난다. 이러한 배열은 버너의 열 부식을 감소시키는데 도움이 된다. 필요한 경우, 각 관의 끝을 내열성 및 내부식성 합금으로 제조할 수 있으나, 이는 통상적으로 필요하지 않다. 실제로, 버너는 관이 부식되어도 효과적으로 계속 작동할 수 있다.
버너의 주 통로는 버너가 노 내로 발화하는 창구(port)로서 편리하게 정의된다. 다르게는, 버너는 노로부터 떨어진 통로를 한정하는 외부 쉘을 가질 수 있다.
일반적으로, 버너에 임의의 특수 냉각 시스템이 필요하지는 않다. 이는, 작동시 공기를 함유하는 연소 유지 기체의 흐름이 버너를 적절히 냉각시키기에 충분하도록 버너가 용이하게 배열될 수 있기 때문이다.
본 발명에 따른 버너는 또한 유럽 특허 공개 제 0 486 285 호에 따른 것과 기계적 구조 면에서 동일한 이점을 제공한다. 따라서, 버너 관은 비교적 비싸지 않은 재료, 예컨대 스테인레스 강으로 제작될 수 있다. 둘째, 말단 플레이트가 없어서 비스듬한 구멍이 생기도록 천공할 필요가 없으므로 제작이 특히 간단하다. 셋째, 버너는 내관 부재 및 외관 부재가 전형적으로 그들의 근위 말단에서만 고정되어 있고 3개의 원위 말단을 갖기 때문에 열팽창 및 열수축에 의해 야기되는 원인 에 잘 대처할 수 있다.
화염의 상이한 단계 사이에 연소 유지 기체 및 황화수소 함유 기체를 적절히 분포시킴으로써, 노로부터의 배출 기체중 황화수소 대 이산화황의 몰비를 확실히 2:1 정도로 조절할 수 있으므로, 노뿐만 아니라 촉매적 클라우스 반응장치를 이용하는 통상적인 클라우스 공정의 요구조건을 충족시킬 수 있다. 또한, 암모니아가 존재하는 경우, 암모니아 분해가 불량해지지 않도록 하면서, 노의 내벽을 보호하기 위해 전형적으로 사용되는 내화성 라이닝에 손상을 입힐 위험을 피하도록 화염의 차폐물 또는 제 2 단계(들)에서 충분히 낮은 온도를 유지할 수 있다. 또한, 화염의 상이한 단계의 화학량론을 선택하는데 상당히 융통성이 있다. 실제로, 일반적으로 제 1 단계(들)가 (110×/300+y+z)m3s-1 이상, 더욱 바람직하게는 (120×/ 300+y+z) 내지 (240×/300+y+z)m3s-1(여기에서, x는 제 1 단계에 들어가는 황화수소의 완전 산화에 필요한 산소 분자의 화학양론적 유속이고, y는 제 1 단계에 들어가는 임의의 암모니아의 완전 산화에 필요한 산소 분자의 화학양론적 유속이며, z는 상기 제 1 단계에 들어가는 임의의 탄화수소의 완전 산화에 필요한 산소 분자의 화학양론적 유속임)의 속도로 산소 분자를 수용하도록 작동시키는 것이 바람직하다.
노의 유출구에서 나가는 배출 기체의 온도는 용이하게 1650℃ 미만으로 유지될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 다른 이점은 황화수소를 함유하는 공급 기체의 흐름을 상당히 광범위하게 변화시키면서 조달할 수 있다는 것이다. 공급 기체의 공급 속도가 낮으면, 화염의 제 1 단계(들)에 공급되는 산소 또는 산소가 풍부한 기체의 몰분율이 감소될 수 있다. 실제로, 공급 기체의 공급속도가 가장 낮을 때에는, 화염의 제 1 단계(들)에 공급되는 산소 또는 산소가 풍부한 기체가 공기로 대체될 수 있지만, 이렇게 대체됨으로써 특히 제 2 단계(들)에서의 암모니아의 완전 분해가 침해되지 않아야 한다. 따라서, 양호한 감소 특성이 요구될 때, 암모니아를 모두 제 1 단계(들)에 공급되도록 할 수 있는 버너의 예가 바람직하다.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 방법 및 장치에 사용하기 위한 버너를 제공한다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 방법 및 장치를 예시적으로 설명한다.
도면은 축척대로 도시되지 않았다.
도 1에서 보면, 황화수소의 부분 산화용 노(102)는 한쪽 말단에 축방향 유입 창구(104) 및 그 반대 말단에 축방향 유출 창구(106)를 갖는다. 유입 창구(104)에는 버너(108)가 수용된다. 버너(108)의 원위 말단은 유입 창구(104) 내로 약간 들어가 있다. 버너(108)는 쉘-관 구조이다. 필요한 경우, 유입 창구(104)의 내벽은 버너(108)의 쉘을 형성할 수 있다. 버너(108)는 각각 산소, 공기 및 황화수소 함유 기체 스트림을 공급하기 위한 배관(110, 112, 114)과 작동가능하게 연결되어 있다. 필요한 경우, 도 1에는 도시되지 않지만, 별도의 황화수소 함유 기체 스트림을 버너(108)의 다른 부분에 공급하기 위해 2개의 개별 배관(114)이 존재할 수 있다.
작동시, 버너(108)는 노(102)내로 발화한다. 화염(116)이 생성된다. 화염(116)은 비교적 고온의 산소가 풍부한 내부 영역 또는 단계(118) 및 내부 단계(118)를 둘러싸는 보다 저온의 외부 영역 또는 단계(120)를 갖는다. 고온 내부 단계(118) 내의 온도는 2000℃보다 높을 수 있다. 전형적으로는, 산소분자는 (120×/300+y+z) 내지 (240×/300+y+z)m3s-1(여기에서, x, y 및 z는 상기 정의된 바와 같음)의 속도로 내부 단계(118)에 들어간다.
몇가지 화학반응이 노(102)에서 일어난다. 첫째, 황화수소 함유 기체중에 존재하는 임의의 탄화수소가 완전히 산화되어 이산화탄소와 수증기로 되고, 황화수소 함유 기체에 존재하는 임의의 암모니아가 완전히 산화되어 질소와 수증기가 되는 연소반응이 있다. 그러나, 주 연소반응은 수증기와 이산화황을 생성시키는 황화수소의 연소이다. 생성된 이산화황의 일부는 잔류 황화수소와 반응하여 황 증기와 수증기를 생성시킨다. 노(102)의 화염 대역(116)에서 일어나는 다른 중요한 반응은 황화수소의 일부가 열 해리되어 수소와 황 증기를 생성시키는 것이다. 고온에 의해 이 반응이 촉진된다. 또한, 암모니아의 일부도 열에 의해 해리되어 질소와 수소가 된다. 미량 반응이 또한 노(102)에서 일어날 수 있다.
버너(108)는 전형적으로 8 내지 20개의 외관(도시되지 않음) 및 8 내지 20개의 내관(도시되지 않음)을 갖는다. 관과 외부 쉘의 한가지 배열이 도 2에 도시되어 있다. 도 2에서, 버너(200)는 외부 쉘(202)을 갖는다. 외부 쉘(202)은 공기 흐름을 위한 주 통로(204)를 한정한다. 공기는 바람직하게는 산소가 풍부하지도 산소가 결핍되지도 않은 통상적인 대기이다. 주 통로(204)를 따라 연장된 개방-말단의 외관(208)이 18개 있다. 외관(208)은 모두 서로 평행하고 쉘(202)의 종방향 축에도 평행하다. 각 외관(208)은 적어도 그의 원위 말단에서 내관(210)을 둘러싸고 있다. 각 내관(210)은 이들을 둘러싼 외관(208)과 동일한 축을 갖는다. 관(208, 210)의 원위 말단은 모두 버너(200)의 종방향 축에 수직인 동일한 평면에서 끝난다. 따라서, 버너의 원위 말단 상류에서 공기 또는 산소와 황화수소가 혼합되는 일은 없다. 내관(210)은 모두 산소 또는 산소가 풍부한 공기의 공급원과 연통되어 있다. 바람직하게는, 산소는 80% 이상, 더욱 바람직하게는 90% 이상, 가장 바람직하게는 99% 이상의 순도를 갖는다. 외관(208)은 모두 황화수소 함유 기체의 공급원과 연통되어 있다. 이 기체는 또한 암모니아 및 탄화수소는 물론, 수증기, 질소, 이산화탄소 및 아르곤 같은 비연소성 성분도 함유할 수 있다.
외관(208)과 내관(210)의 쌍은 제 1 내부 군(212) 및 제 2 외부 군(214)으로 배열되어 있다. 관(208, 210)의 쌍의 외부 군은 이들의 유출구가 모두 추상적인 원의 원주상에 놓이도록 배열된다. 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 제 2 군(214)에는 관(208, 210)이 14쌍 존재한다. 제 2 군(214)의 외관(208)은 원주상에서 서로 동일한 거리만큼 이격되어 있다. 대조적으로, 제 1 군(212)에는 외관(208)과 내관(210)이 4쌍만 존재한다. 제 1 군(212)의 관(208, 210)의 각 쌍은 추상적인 정사각형의 꼭지점에 놓이는 것으로 보일 수 있으며, 이 추상적인 정사각형의 중심을 통해 버너의 종방향 축이 연장된다. 도 2 에 도시되어 있는 바와 같이, 내부 군(212)의 관의 개별 쌍 사이의 거리가 외부 군(214)의 관의 개별 쌍 사이의 거리보다 더 넓다. 외관(208)이, 내관(210)이 모두 그러한 것처럼, 모두 서로 동일한 직경을 갖기 때문에, 내부 군(212)의 외관(208)의 유출구에서 나가는 황화수소 함유 기체가 외부 군(214)의 일부를 형성하는 외관(208)에서 나가는 황화수소보다 상응하게 더 많은 산소분자와 접촉하게 되리라는 것을 쉽게 예측할 수 있다. 그 결과, 산소가 풍부한 고온 내부 단계 및 보다 저온의 외부 단계를 갖는 화염이 유지될 수 있다. 제 1 군(212)의 유출구가 제 2 군(214)에 의해 둘러싸여 있기 때문에, 고온 단계가 저온 단계에 의해 둘러싸이게 되며, 따라서, 화염의 제 2 단계 또는 외부 단계가 노의 내화성 라이닝된 내표면 전체를 화염의 고온 내부 단계로부터 효과적으로 차폐하도록 버너(200)로의 기체의 상대적인 흐름을 조작하기란 간단한 일이다. 또한, 화염의 제 1 단계로의 산소분자의 공급에 필요한 속도를 달성하여, 버너(200)가 발화하는 노의 내화성 벽에 손상을 주지 않기 위해 제 2 단계의 평균 온도를 전형적으로 1650℃ 미만으로 유지하면서, 제 1 단계에서 전형적으로 1700℃가 넘는 평균 온도(이는 황화수소의 열 분해 또는 해리를 촉진함)를 달성하도록, 기체 흐름을 배열할 수 있다.
도 2에 도시된 버너의 경우에는, 관의 제 1 군(212)에 불균등하게 많은 공기를 분배함으로써 화염의 단계를 나눈다. 그러나, 이러한 수단에 의해 단계를 나누는 데에는 한계가 있다. 도 2에 도시된 버너에서 관의 군을 형성하는 방식의 다른 결과는 버너의 단계 구별이 내관(210)을 통해 흐르는 산소의 순도가 낮아질수록 더욱 현저해진다는 것이다. 이는, 이러한 산소의 순도가 더욱 낮을 경우, 주 통로(204)를 통한 공기의 흐름에 대한 요구가 더욱 커지며, 따라서 관의 제 1 군과 제 2 군 사이에서의 공기의 불균등 분배 효과가 더욱 현저해지기 때문이다.
도 3을 보면, 이에 도시된 버너(300)는 도 2에 도시된 버너(200)와 유사점이 많다. 따라서, 버너(300)는 공기의 흐름을 위한 주 통로(304)를 한정하는 외부 쉘(302)을 갖는다. 서로 평행하고 버너(300)의 축에도 평행한, 통로(304)를 따라 연장되는 개방 말단의 외관(308)이 13개 있다. 외관(308)은 모두 서로 동일한 직경을 갖는다. 각 외관(308)은 적어도 그의 원위 말단에서 그와 축이 같은 개별적인 개방 말단의 내관(310)을 둘러싼다. 관(308, 310)의 쌍의 유출구는 버너(200)의 관의 쌍과 유사하게 2개의 군으로 배열된다. 따라서, 버너(200)의 군(212)과 동일한 방식으로 배열된 4쌍의 유출구의 내부 군(312) 및 원주상으로 배치된 관 유출구 쌍의 외부 군(314)이 있다. 그러나, 외부 군(314)에는 관의 유출구 9쌍만 있다. 또한, 외부 군(314)의 외관(308)의 인접 유출구 사이의 거리는 내부 군(312)의 외관(308)의 인접 유출구 사이의 거리와 동일하다. 따라서, 통로(304)를 통해 흐르는 공기는 제 1 군(312) 또는 제 2 군(314)에 속하는 외관(308)의 유출구에서 나가는 황화수소 함유 기체의 개별 흐름에 거의 동일하게 분포된다.
내관(310)의 직경은 모두 동일하지 않다. 제 1 군(312)을 구성하는 유출구의 내관(310)의 내경이, 제 2 군(314)에 속하는 유출구의 내관(310)의 내경보다 더 크다. 전형적으로, 큰 직경을 갖는 관(310)의 내경은 작은 직경을 갖는 관(310)의 내경의 2배 이상이다.
도 2에 도시된 버너와는 대조적으로, 생성된 화염의 단계는 내관(310)에 공급되는 산소의 순도가 높아질수록 더 현저하게 구별된다. 또한, 도 3에 도시된 버 너는 각각 제 1 군(312)과 제 2 군(314)의 개별적인 산소 관(310)의 공급속도 사이의 불균형에 의존하므로, 도 2에 도시된 것보다는 도 3에 도시된 버너를 사용하는 경우 화염의 제 1 단계 또는 내부 단계에서 보다 높은 화염 온도를 달성할 수 있다.
필요한 경우, 고온 내부 단계 및 저온 외부 단계를 달성하기 위한 전술한 수단 둘 다를 동일한 버너에 이용할 수 있다. 따라서, 도 2에 도시된 버너는 제 2 군 또는 외부 군(214)의 상응하는 산소 관(210)보다 더 큰 직경을 갖는 산소 관(210)의 쌍을 제 1 군(212)에 사용할 수 있다.
도 2에 도시된 버너 또는 도 3에 도시된 버너는 어느 것이라도, 최대 직경에서 도 4에 개괄적으로 도시된 단면을 갖는 화염을 생성시킬 수 있으며, 이 화염에는 비교적 고온의 중심 대역(402) 및 저온의 외부 환상 대역(404)이 있다. 노의 이용가능한 공간을 지속적으로 최대한 이용하기 위하여 화염은 노의 단면의 대부분을 점유한다.
도 2 및 도 3에 도시된 유형의 버너의 구조는 도 5에 도시되어 있다. 용이하게 도시하기 위하여, 도 5에는 내관과 외관을 3쌍만 도시한다. 도 5에 도시된 버너는 원위 말단에서 개방되고 근위 말단에서 압축 공기의 공급원(도시되지 않음)에 연결될 수 있는 유입구(504)를 갖는 긴 관형 쉘(502)을 갖는다. 쉘(502)은 유체가 통과하지 못하도록 백 플레이트(506)에 고정된다. 백 플레이트(506)는 개략적으로 원통형인 제 1 기체 분배 챔버(508)의 한쪽 벽을 형성하고, 백 플레이트(506)에는 구멍이 형성되는데, 이 구멍에는 서로 평행하고 쉘의 종방향 축 에 평행한 개방 말단의 외관(510)의 근위 말단이 유체가 통과하지 못하도록 끼워진다. 따라서, 기체는 기체 분배 챔버(508)로부터 외관(510)을 통해 그의 근위 말단으로부터 원위 말단으로 흐를 수 있다. 기체 분배 챔버(508)는 황화수소 함유 기체용 유입구(512)를 갖는다. 그러므로, 외관(510)은 버너의 작동시 황화수소 함유 기체를 수용한다. 챔버(508)에는 플레이트(506) 반대쪽에 다른 플레이트(514)가 있다. 플레이트(514)는 기체 분배 챔버(508)와 제 2 기체 분배 챔버(516)에 공유되는 공통의 벽을 형성하며, 제 2 기체 분배 챔버(516)는 시판중인 순수한 산소의 공급원에 연결될 수 있는 유입구(518)를 갖는다. 플레이트(514)에는 구멍이 있으며, 이 구멍에는 길이의 대부분이 외관(510)을 통해 연장되고 외관(510)과 동일한 축을 갖는 개방 말단의 내관(520)의 근위 말단이 유체가 통과하지 못하도록 끼워진다. 산소는 챔버(516)로부터 내부 통로(520)를 통해 흐를 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 모든 내관(520) 및 모든 외관(510)의 원위 말단은 버너의 축에 수직인 동일한 평면에서 끝난다. 내관(520)이 그의 원위 말단에서 임의의 플레이트 또는 유사 부재에 고정되어 있지 않음을 알아야 한다. 이들을 지지하기 위하여, 각 내관(520)에는 이에 연결된 스파이더(522)가 구비되어 각각의 외관(510)의 내면과 마찰력으로 맞물린다. 유사하게, 외관(510)에는 그에 연결된 스파이더(524)가 제공되어, 각 스파이더(524)의 말단이 쉘(502)의 내면 또는 다른 외관(510)의 외면과 마찰력으로 맞물린다.
전형적으로는, 도 5에 도시된 버너의 부품 모두가 강, 전형적으로는 스테인레스 강으로 제작된다. 제 1 기체 분배 챔버(508)와 제 2 기체 분배 챔버(516)는 연통되어 있지 않다. 유사하게, 기체 분배 챔버(508)와 쉘(502)에 의해 한정되는 통로는 기체가 연통되지 않는다. 따라서, 황화수소가 공기 또는 산소와 미리 혼합되는 일이 없다.
도 6을 보면, 개략적으로 곁가지 형식의 방향으로 노 내로 발화하는 버너(702)를 갖는 노(700)가 도시되어 있다. 노(700)의 내벽에는 내화성 라이닝이 있다. 버너(702)는 각각 산소, 공기 및 황화수소 함유 기체용의 유입구(704, 706, 708)를 갖는다. 일반적으로, 도 6에 도시된 노의 작동은 도 1에 도시된 것과 유사하다. 그러나, 버너(702)로부터 뿜어져나오는 화염(도시되지 않음)은 통상 노(700)를 가로질러 연장되는 아치형 형상을 갖는 경향이 있다. 이러한 화염 형상으로 인해, 노의 기부에 있는 내화성 라이닝은 상부의 라이닝보다 더 뜨거워지는 경향이 있다. 노(700)의 기부에 있는 내화성 라이닝이 과열되지 않도록 하는 것이 특히 바람직하다. 도 6에 도시된 장치의 또다른 특징은 버너의 쉘이 직사각형 단면을 갖는 것이다.
도 7에서는, 버너(800)가 공기용 주 통로(804)를 한정하는 직사각형 단면의 외부 쉘(802)을 갖는다. 버너(800)는 도 6에 도시된 방식으로 노(도 7에는 도시되지 않음) 내로 곁가지 형식의 방향으로 발화한다. 말단이 개방된 다수의 외관(806)이 서로 평행하게 주 공기 통로(804) 내에 연장되어 있다. 각 외관(806)은 버너(800)의 적어도 원위 말단에서 동일한 축을 갖는 내관(808)을 둘러싼다. 외관(806)은 근위 말단에서 황화수소 함유 기체의 공급원과 연통되고, 내관(808)은 근위 말단에서 시판되는 순수 산소 또는 산소가 풍부한 공기의 공급원과 연통된다.
관(806, 808)의 쌍을 상부 군(810)과 하부 군(812)으로 할당하여 배치한다. 상부 군(810)에는 8쌍의 관이 있고, 하부 군(812)에는 11쌍의 관이 있다. 외관(806)은 모두, 내관(808)이 모두 그러하듯이, 동일한 내경을 갖는다. 그러나, 상부 군(810)의 외관(806)은 하부 군(812)의 외관(806)보다 더 넓게 이격되어 있다.
작동시, 버너(800)의 원위 말단 하류에서 황화수소와 산소 및 공기가 모두 혼합된다. 외관(806)과 내관(808)의 유출구는, 작동시 노에서 (120×/300+y+z) 내지 (240×/300+y+z)m3s-1(여기에서, x, y 및 z는 모두 상기 정의된 바와 같음)의 속도로 산소분자를 수용하는 제 1 고온 단계를 갖는 안정한 화염이 유지되도록 배치된다. 하부 군(812)의 관의 쌍은 산소 또는 산소가 풍부한 기체 및 황화수소 함유 기체를 화염의 저온 단계에 공급한다. 이 저온 단계는 노의 내벽을 비교적 고온의 상부 단계로부터 차폐시킨다. 도 7에 나타낸 노에서 버너(800)의 작동에 의해 얻어질 수 있는 전형적인 화염 형상이 도 9에 도시되어 있다. 도 9에서는, 버너(802)가 노(1000) 내로 발화되어 전형적으로 1700 내지 2300℃의 평균 온도를 갖는 고온 내부 단계(1004) 및 1650℃ 미만의 평균 온도를 갖는 저온 외부 대역(1006)(이는 노(1000)의 내벽의 선택된 영역을 내부 단계(1004)로부터 차폐함)을 갖는 대략 아치형 화염(1002)을 생성시킨다.
다시 도 7을 보면, 상부 군(810)의 외관(806)으로부터 방출되는 황화수소가 하부 군(812)의 외관(806)으로부터 방출되는 황화수소보다 상응하게 더 많은 공기와 혼합될 수 있어서, 화염의 단계가 나뉘어진다. 그 결과, 화염(1000)의 내부 단계(1004)는 외부 단계(1006)보다 산소가 더 풍부하다.
도 8에는, 개략적으로 도 7의 버너와 유사한 버너(900)가 도시되어 있다. 따라서, 버너(900)는 직사각형 단면의 외부 쉘(902)을 갖는다. 쉘(902)은 공기의 흐름을 위한 주 통로(904)를 한정한다. 서로 평행하게 연장되는 다수의 개방 말단의 외관(906)이 존재한다. 각 외관(906)은 적어도 버너(900)의 원위 말단에서 개방 말단의 내관(908)을 둘러싼다. 관(906, 908)은 모두 버너(900)의 축에 수직인 공통 평면에서 원위 말단이 끝난다. 관의 쌍은 상부 군(910)과 하부 군(912)으로 위치한다. 하부 군(912)의 외관(906)은 상부 군(912)의 외관(906)보다 서로 더 가까이 이격되어 있다. 그 결과, 도 9에 도시된 유형의 화염 형상이 얻어질 수 있으며, 이 화염은 고온 내부 대역(1004)과 저온 외부 대역(1006)을 갖는다. 그러나, 도 8에 도시된 버너(900)와 도 7에 도시된 버너(800)의 한가지 중요한 차이점은 상부 군(910)의 내관(908)의 내경이 하부 군(912)의 내관(908)의 내경보다 더 크다는 것이다. 그 결과, 상부 군(910)의 각 외관(906)으로부터 방출되는 황화수소는 하부 군(912)의 외관(906)으로부터 방출되는 황화수소보다 상응하게 더 많은 시판되는 순수한 산소와 혼합될 수 있다. 따라서, 도 7에 도시된 버너의 작동시보다 더 높은 온도의 내부 화염 단계(1004)가 생성될 수 있다. 1650℃의 외부 단계 평균 온도를 넘지 않으면서 2000℃보다 높은 평균 온도를 내부 단계(1004)에 용이하게 생성시킬 수 있다.
본원에서 사용된 "110×/300" 같은 표현에서 기호 "/"는 나누기 표시이다.

Claims (12)

  1. 노(furnace) 및 노 내로 발화하는 공기-산소-황화수소 버너를 포함하는 황화수소의 부분 산화용 장치로서,
    상기 버너가 공기를 함유하는 연소 유지 기체의 주 통로; 주 통로를 따라 서로 평행하게 연장되며, 각각의 외관이 적어도 버너의 원위 말단에서, 서로 평행하게 연장된 긴 유체-수송 개방 말단 내관 각각을 둘러싸는, 다수의 이격된 긴 유체-수송 개방 말단 외관; 산소 또는 산소가 풍부한 공기를 버너로 도입하는 제 1 유입구; 및 황화수소를 함유하는 공급 기체를 버너로 도입하는 제 2 유입구를 포함하며,
    제 1 및 제 2 유입구중 하나는 외관과 연통하고 제 1 및 제 2 유입구중 다른 하나는 내관과 연통하며,
    상기 내관 및 외관의 유출구가 작동시 황화수소와 산소 및 공기의 혼합이 본질적으로 모두 버너의 원위 말단 하류에서 이루어지도록 배치되며, 내관 및 외관의 유출구가 작동시 노에서 하나 이상의 제 1 고온 단계 및 하나 이상의 제 2 저온 단계를 갖는 안정한 화염이 유지되도록 병치되고 또한 그러한 치수를 가지며,
    상기 화염의 제 1 단계가 노의 내벽의 선택된 구역으로부터 화염의 제 2 단계보다 멀리 위치함으로써, 선택된 구역이 제 2 단계에 의해 제 1 단계로부터 차폐되며,
    상기 내관 및 외관이, 작동시 화염의 제 1 단계를 제공하는 내관 및 외관의 제 1 군 및 작동시 화염의 제 2 단계를 제공하는 내관 및 외관의 제 2 군으로 배열되며,
    버너가 노에 대해 곁가지 형식으로(tangentially) 위치하며,
    내관과 외관의 제 1 군의 유출구가 내관과 외관의 제 2 군의 유출구보다 위에 위치하는,
    황화수소의 부분 산화용 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    내관이 제 1 유입구와 연통되는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    제 1 군의 외관의 유출구가 제 2 군의 외관의 유출구보다 더 넓게 이격되어 있는 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    제 2 군보다 2배 이상 더 많은 관이 제 1 군에 존재하는 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    제 1 유입구와 연통되어 있는 제 1 군의 관이 제 1 유입구와 연통되어 있는 제 2 군의 관보다 더 큰 내경을 갖는 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    제 2 유입구와 연통되어 있는 제 1 군의 관이 제 2 유입구와 연통되어 있는 제 2 군의 관과 동일한 내경을 갖는 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    6 내지 30개의 제 1 관이 있는 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    내관과 외관이 모두 버너의 축에 수직인 공통 평면에서 끝나는 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    버너가 노 내로 발화하는 창구(port)에 의해 주 공기 통로가 한정되는 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    버너가, 작동시 공기를 함유하는 연소 유지 기체의 흐름이 버너를 적절히 냉각시키기에 충분하도록 배열된 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    화염의 제 1 단계가 (110×/300+y+z)m3s-1(여기에서, x는 제 1 단계로 들어가는 황화수소의 완전 산화에 필요한 산소분자의 화학량론적 유속이고, y는 제 1 단계로 들어가는 임의의 암모니아의 완전 산화에 필요한 산소 분자의 화학량론적 유속이며, z는 제 1 단계로 들어가는 임의의 탄화수소의 완전 산화에 필요한 산소 분자의 화학량론적 유속임) 이상의 유속으로 산소 분자를 수용하는 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항중 어느 한 항에 따른 장치에 사용하기 위한 버너로서,
    공기를 함유하는 연소 유지 기체의 주 통로; 주 통로를 따라 서로 평행하게 연장되며, 각각의 외관은 적어도 버너의 원위 말단에서, 서로 평행하게 연장된 긴 유체-수송 개방 말단 내관 각각을 둘러싸는, 다수의 이격된 긴 유체-수송 개방 말단 외관; 산소 또는 산소가 풍부한 공기를 버너로 도입하는 제 1 유입구; 및 황화수소를 함유하는 공급 기체를 버너로 도입하는 제 2 유입구를 포함하며,
    제 1 및 제 2 유입구중 하나는 외관과 연통하고 제 1 및 제 2 유입구중 다른 하나는 내관과 연통하며,
    상기 내관 및 외관의 유출구가 작동시 황화수소와 산소 및 공기의 혼합이 본질적으로 모두 버너의 원위 말단 하류에서 이루어지도록 배치되며, 내관 및 외관의 유출구가 작동시 노에서 하나 이상의 제 1 고온 단계 및 하나 이상의 제 2 저온 단계를 갖는 안정한 화염이 유지되도록 병치되고 또한 그러한 치수를 가지며,
    상기 내관 및 외관이, 작동시 화염의 제 1 단계를 제공하는 내관 및 외관의 제 1 군 및 작동시 화염의 제 2 단계를 제공하는 내관 및 외관의 제 2 군으로 배열되며,
    버너가 노에 대해 곁가지 형식으로 위치하며,
    내관과 외관의 제 1 군의 유출구가 내관과 외관의 제 2 군의 유출구보다 위에 위치하는,
    버너.
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