KR20000006517A - 황화수소의부분산화에의한황화증기형성방법및장치 - Google Patents
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Abstract
황화수소의 부분 연소에 의해 황화 증기가 생성된다. 점화되는 버너는 노내에 화염이 발생하도록 작동된다. 황화수소를 함유하는 제 1 연소가능한 가스의 적어도 한 유동이 버너 입구부의 제 1 영역으로부터 화염에 공급된다. 제 1 산화 가스의 적어도 하나의 제 2 유동은 버너 입구로부터 분출하여 화염속에서 제 1 연소가능한 가스와 혼합한다. 상기 제 1 영역으로부터 이격되고 이를 둘러싸는 버너 입구부의 제 2 영역으로부터 황화수소를 함유하는 제 2 연소가능한 가스의 적어도 하나의 제 3 유동이 화염에 공급된다. 제 2 산화 가스의 적어도 하나의 제 4 유동은 상기 제 2 영역에 의해 둘러싸인 버너 입구부의 영역으로부터 분출되어 화염속에서 제 2 연소가능한 가스와 혼합한다. 제 3 산화 가스의 적어도 하나의 제 5 의 최외측 유동은 화염속에서 제 2 연소가능한 가스와 혼합된다. 황화 증기, 수증기, 이산화황, 황화수소 및 잔류 황화수소(residual hydrogen sulphide)를 함유하는 결과적인 가스 혼합물은 노에서 회수된다.
Description
본 발명은 황화수소의 부분 산화(부분 연소), 특히 황화수소를 부분 산화시킴으로써 황화 증기를 생성하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
가스 스트림[때때로, "산성 가스 스트림(acid gas streams)"이라 함]을 포함하는 황화수소는 일반적으로 오일 정유 장치 및 천연 가스 처리 장치내에 형성된다. 황화수소가 유독성이기 때문에, 이러한 스트림은 대기중으로 직접 통기될 수 없다. 가스 스트림(소망하는 경우, 이는 사전 농축됨)을 함유하는 황화수소를 처리하는 종래의 방법은 클라우스 방법에 의한 것이다. 이 방법에 있어서, 가스 스트림을 함유하는 황화수소중 일부는 이산화황을 형성하기 위해 노내에서 연소하도록 분사된다. 그런 후, 이산화황은 황화 증기를 형성하도록 노내에서 잔류 황화수소와 반응한다. 따라서, 황화수소는 효과적으로 부분적인 산화를 하게된다. 황화수소와 이산화황의 반응은 완성되지 않는다. 노로부터의 배출 가스 스트림은 냉각되며 일반적으로 상기 냉각된 배출 가스 스트림으로부터 응축에 의해 황이 추출된다. 결과적인 가스 스트림(잔류 황화수소 및 이산화황을 여전히 함유함)은 일련의 스테이지를 통과하며 그 내에서 잔류 황화수소 및 이산화황 사이의 촉매 반응이 발생한다. 결과적인 황화 증기는 각 스테이지의 하류에서 추출된다. 안전하게 대기중으로 통기될 수 있는 가스 스트림을 형성하기 위해서, 황 추출의 대부분의 하류로부터의 배출 가스는 회화되거나(incinerated) 또는 다른 처리[예를 들면, SCOT 또는 비본(Beavon) 방법]가 가해질 수 있다.
대부분의 클라우스 플랜트에는 길이대 내경비로 2:1 내지 4:1 정도를 갖는 곧은 원통형 노(right cylindrical furnance)가 구비되어 있다. 이 노는 측면에 장착된 하나 또는 복수의 노에 의해 "＋"자로 점화되거나 또는 접선방향으로 점화될 수 있다. 교차 점화된 버너 또는 접선방향으로 점화된 버너는 반응성 화학 물질의 양호한 혼합을 얻는다. 소망하는 경우, 노에 배플 또는 바둑판 문양의 벽을 형성함으로써 혼합을 향상시킬 수 있다.
공정의 초기 부분에 황화수소의 연소를 돕도록 공기가 사용될 수 있다. 반응의 화확량론이 발생하여 상대적으로 큰 체적의 질소(물론, 상기 질소는 공기중에 존재하며 연소를 도움)가 공정을 통해 유동하며, 따라서 황화수소를 함유하는 가스 스트림이 소정 크기의 노내에서 처리될 수 있는 비율로 시일링(ceiling)을 배치한다. 이러한 시일링은 황화수소의 연소를 돕기 위한 상업적으로 순수한 산소 또는 산소-풍부 공기를 이용함으로써 증가될 수 있다.
만일 약 0.65인 산소의 몰 분율을 갖는 상업적으로 순수한 산소 또는 산소-풍부 공기가 황화수소의 연소를 돕도록 사용된다면, 클라우스 공급 가스의 조성물에 따라 화염 온도의 증가에 의해 발생하는 노의 내화성 라이닝에 상대적으로 높은 손상 위험성이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 기술 분야에 많은 방법이 있다. 몇몇 방법은 물과 같은 화염 조절제를 노내에 유입시키며, 나머지 방법은 플랜트의 하류부로부터 노 가스를 재순환시켜 노내의 온도를 조절하도록 하며, 다른 나머지 방법은 각각의 개별 노내에서 실행되는 연소량을 제한하기 위해 다수의 노를 사용하며, 그에 따라 외부 화염 조절기를 필요로 하지 않거나 또는 플랜트의 하류부로부터 가스를 재순환할 필요가 없다. 그러나 이러한 모든 방법은 플랜트를 복잡하게 한다.
후방 벽에 장착된 축방향 또는 종방향으로 점화된 버너는 클라우스 노에서 교차 점화된 버너 또는 접선방향으로 점화된 버너 대신에 사용될 수 있다. 이러한 축방향으로 또는 종방향으로 점화된 버너는 명시된 스루풋에서 교차 또는 접선방향으로 점화된 버너와 비교하여 평균 잔류 시간을 제공하도록 설계될 수 있으며, 보다 높은 레벨의 산소-풍부에서도 바람직할 수 있다.
이러한 축방향 및 종방향으로 점화된 버너의 사용은 유럽 특허 출원 공개 제 0 315 225 A 호에 개시되어 있으며, 이 유럽 특허 출원 공개 제 0 315 225 A 호에는 산소용 중앙 파이프, 공급 가스를 함유하는 황화수소용 적어도 하나의 제 2 파이프(중앙 파이프를 동축으로 둘러쌈) 및 공기용 외부 동축 파이프를 포함한다. 황화수소 공급 가스가 이산화탄소 또는 탄화수소의 체적당 적어도 5% 포함할 때 버너가 사용된다. 버너 출구측에서의 산소 속도는 50 m/sec 내지 250 m/sec 정도의 범위이며(일반적으로, 150 m/sec 임) 대응하는 공급 가스 속도는 10 m/sec 내지 30 m/sec 정도이다. 버너 화염의 코어내의 온도는 2000℃ 내지 3000℃ 범위이며, 1350℃ 내지 1650℃ 범위의 온도를 갖는 가스 혼합물이 노에서 나온다. 이러한 가스 혼합물은 일산화탄소의 체적당 적어도 2% 및 수소의 체적당 적어도 8% 포함한다.
예를 들면, 정상 작동중 클라우스 방법에 의한 처리를 위해 가스 스트림을 함유하는 황화수소가 생성되는 비율로 오일 정유 장치는 일정하지 않으며 매우 광범위할 수 있다. 따라서 노가 가스를 함유하는 황화수소의 유입 유동의 광범위한 상이한 비율에 걸쳐 효과적으로 작동할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
국제 특허 출원 공개 제 WO-A-96/26157 호는 클라우스 방법으로 축방향 또는 종방향으로 점화된 버너의 사용을 개시한다. 황화수소를 함유하는 제 1 가스 및 산소-풍부 제 2 가스의 일반적으로 평행한 유동은 버너의 팁부(즉, 입구부)에 공급된다. 제 1 가스의 속도대 제 2 가스의 속도의 비는 0.8:1 내지 1.2:1의 범위로 선택된다.
유럽 특허 출원 공개 제 EP-A-0 315 225 호와 국제 특허 출원 공개 제 WO-A-96/26157 호는 가스를 함유하는 황화수소의 유입 유동의 광범위한 상이한 비율을 어떻게 조정할 것인가에 관한 문제점을 개시하고 있지는 않다. 사실, 황화수소를 함유하는 공급 가스의 공급비가 상당히 변하는 경우 효과적인 작동을 할 수 있는 방법이 어디도 개시되어 있지 않다.
본 발명에 따른 방법 및 장치는 유럽 특허 출원 공개 제 EP-A-0 315 225 호 또는 국제 특허 출원 공개 제 WO-A-96/26157 호의 개시내용이 뒤따를 때 이러한 문제점을 상술하고 다른 가능성에 좌우되지 않는 해결책을 제공하는 것이다.
본 발명에 따라 황화수소의 부분 산화에 의해 황화 증기를 형성하는 방법으로서, 버너가 점화되는 노내에 적어도 3개의 스테이지를 갖는 화염이 발생하도록 버너를 작동시키는 단계와, 상기 화염에 버너 입구부의 제 1 영역으로부터 황화수소를 포함하는 제 1 연소가능한 가스중 적어도 하나의 유동을 공급하는 단계와, 제 1 산화 가스의 적어도 하나의 제 2 유동이 버너의 입구부로부터 분출하여 화염속에서 제 1 연소가능한 가스와 혼합되도록 하는 단계와, 상기 제 1 영역을 둘러싸며 이로부터 이격된 버너 입구부의 제 2 영역으로부터 화염에 황화수소를 함유하는 제 2 연소가능한 가스의 적어도 하나의 제 3 유동을 공급하는 단계와, 제 2 산화 가스중 적어도 하나의 제 4 유동이 상기 제 2 영역에 의해 둘러싸인 버너 입구부의 영역으로부터 분출하여 화염속에서 제 2 연소가능한 가스와 혼합되도록 하는 단계와, 제 3 산화 가스중 적어도 하나의 제 5 의 최외측 유동이 화염속에서 제 2 연소가능한 가스와 혼합되도록 하는 단계와, 노로부터 황화 증기, 수증기, 이산화황, 수소 및 잔류 황화수소를 포함하는 결과적인 가스 혼합물을 회수하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명은 황화수소의 부분 산화에 의해 황화 증기를 생성하기 위한 장치로서, 노와, 노내의 포트와, 포트에 위치되며 노에서 적어도 3개의 스테이지를갖는 화염을 발생시킬 수 있는 입구부를 구비하는 버너와, 황화 증기, 수증기, 이산화황 및 잔류 황화수소를 포함하는 결과적인 가스 혼합물이 노로부터 빠져나가기 위한 출구를 포함하며, 버너 입구부는 황화수소를 포함하는 제 1 연소가능한 가스의 적어도 하나의 제 1 유동을 화염에 공급하기 위한 제 1 출구 또는 제 1 출구 그룹과, 제 1 산화 가스의 적어도 하나의 제 2 유동이 버너로부터 분출하여 화염속에서 제 1 연소가능한 가스와 혼합되도록 하기 위한 제 2 출구 또는 제 2 출구 그룹과, 제 1 출구 또는 제 1 출구 그룹을 둘러싸며 이로부터 이격된 것으로, 화염에 황화수소를 포함하는 제 2 연소가능한 가스의 적어도 하나의 제 3 유동을 공급하기 위한 제 3 출구 또는 제 3 출구 그룹과, 상기 제 3 출구 또는 제 3 출구 그룹에 의해 둘러싸여 있으며, 제 2 산화 가스의 적어도 하나의 제 4 유동이 버너로부터 불출하여 화염속에서 제 2 연소가능한 가스와 혼합되도록 하기 위한 제 4 출구 또는 제 4 출구 그룹을 포함하며, 통로는 버너와 포트 사이에 형성되거나, 또는 버너 입구부를 관통해 연장하거나 버너 입구부에서 종단되며, 제 3 산화 가스의 최외측 제 5 유동이 화염속에서 제 2 연소가능한 가스와 혼합되도록 할 수 있다.
황화수소를 3개 스테이지, 즉 최내측 스테이지, 최외측 스테이지 및 중간 스테이지로 연소시키므로써, 하나 또는 2개의 상기 스테이지가 사용되는 경우에 비해 황화수소 함유 가스의 보다 광범위하게 상이한 유입 유동 속도를 효과적으로 조절할 수 있도록 한다. 연소의 이러한 단계화에 의해 다른 장점이 얻어진다. 특히, 최내측 스테이지에 2000℃를 초과하는 온도가 생성될 지라도 상대적으로 낮은 온도가 최외측 스테이지에 유지될 수 있으며, 따라서 노의 정유 라이닝에의 손상 위험성은 허용가능한 레벨로 유지될 수 있다. 2000℃를 초과하는 온도인 고온이 특히 유리한데, 이는 상기 온도가 제 1 연소가능한 가스중의 암모니아를 분해하고 황화수소 또는 황이 이산화황으로의 산화를 포함하는 간접 방법에 의한 것보다는 황화수소의 열적 크랙킹에 의해 직접적으로 형성된 결과적인 황화 증기의 비율을 증가시키며 그런 후 형성된 이산화황과 잔류 황화수소의 반응을 증가시키는 조건을 촉진하기 때문이다. 상기 가스가 촉매 반응에서 노로부터 유출하는 하류 처리에 악영향을 미치는 경향이 있기 때문에 암모니아의 분해는 바람직하며, 황화수소 및 이산화황은 서로 반응하여 황화 증기를 생성하며, 암모니아는 암모늄염의 생성에 의해 촉매를 차단하도록 작용한다. 또한, 암모니아는 서로 분리된 연소 영역 및 반응 영역에 의지하지 않고 화염속에서 분해될 수 있으며 일부 아민 가스는 반응 영역을 직접적으로 우회한다. 연소를 위해 공기를 사용하는 때 조차도 아민 가스가 연소 영역 둘레를 우회할 필요없이, 공급 가스의 광범위하게 상이한 유동 속도를 효과적으로 조절하기 위한 버너의 능력은 굽은 영역의 보다 효과적인 사용에 의해 향상된다. 또한, 열적 크랙킹에 의한 황화 증기의 생성은 산소-풍부 공기가 노로부터 황화 증기의 주어진 회복을 달성하도록 버너에 공급되며 노 가스가 노의 하류에서 효과적으로 냉각되도록 할 필요가 있는 속도로 감소시킨다.
화염은 노내에서 일반적으로 종방향으로 연장하는 것이 바람직하다. 대체로, 노는 종축이 수평하게 되도록 배치되며, 따라서 버너 또한 대체로 종축이 수평이 되도록 배치된다. 이러한 배치는 노에 사용되는 정유 라이닝에의 손상 위험성을 낮추는데 도움을 줄 수 있다.
제 1 및 제 2 산화 가스는 적어도 0.22의 몰 분율을 갖는 것이 바람직하며 산소-풍부 공기 또는 순수 산소일 수 있다. 제 3 산화 가스는 비록 산소 체적당 25%인 풍부도, 또는 공급 조성물에 상당히 의존할 지라도 산소 비풍부 또는 산소가 고갈되지 않은 것이 일반적으로 허용가능한 대기인 것이 바람직하다.
버너로의 제 1 연소가능한 가스의 질량 유량 및 제 2 연소가능한 가스의 질량 유량은 서로 독립적으로 제어되는 것이 바람직하다. 이러한 배치는 전체 유량에 있어서의 변화를 조절하기 위한 버너의 작동을 촉진하며 버너로의 연소가능한 가스의 공급을 소망할 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 장치는 제 1 연소가능한 가스를 버너에 공급하기 위한 제 1 파이프라인내의 제 1 유동 제어 밸브 및 제 2 연소가능한 가스를 버너에 공급하기 위한 제 2 파이프라인내의 제 2 유동 제어 밸브를 더 포함하는 것이 바람직하며, 상기 제 1 및 제 2 제어 밸브는 서로 독립적으로 작동가능하다.
일반적인 정유 공장에서 황화수소를 포함하는 연소가능한 가스의 공급원이 하나 또는 그 이상 존재한다. 이 공급원은 대체로 상이한 조성물을 갖는다. 제 1 연소가능한 가스는 제 2 연소가능한 가스와 상이한 조성물을 갖는다. 이러한 수단에 의해 연소가능한 가스의 연소를 최적화하는 것이 가능하다. 일반적으로, 제 1 및 제 2 연소가능한 가스 스트림은 연소가능한 가스 체적당 적어도 40% 및 황화수소의 체적당 적어도 20%를 포함한다.
황화수소를 포함하는 연소가능한 가스의 2개의 분리된 공급원(하나는 암모니아를 포함하며, 나머지 하나는 암모니아를 포함하지 않음)이 있다면, 모든 암모니아 함유 가스는 재 1 연소가능한 가스를 형성하는데 사용되는 것이 바람직하다. 결과적으로, 모든 암모니아를 화염의 비교적 내측 영역에 배향시키는 것이 바람직하며, 상기 내측 영역은 모든 암모니아를 분해하기 위해 비교적 높은 화염 온도가 유지될 수 있다. 예를 들면, 황화수소를 포함하는 하나의 가스원이 소위 "사워 워터 스트립퍼 가스(sour water stripper gas)"일 경우, 이는 일반적으로 황화수소의 체적당 약 20% 내지 35% 및 암모니아 체적당 30% 내지 45%를 포함하며, 황화수소를 포함하는 다른 가스원은 소위 "아민 가스(amine gas)"로서 이는 일반적으로 황화수소의 체적당 80% 이상을 포함하며, 상기 제 1 연소가능한 가스는 일부 아민 가스의 혼합물을 포함할 수 있지만 모든 사워 워터 스트립퍼 가스를 포함할 수 없으며, 제 2 연소가능한 가스는 남아있는 아민 가스를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 혼합물의 조성은 황화수소를 포함하는 연소가능한 가스의 화염으로의 전체 유량이 변하게 하며, 상기 전체 유량이 정해지 값 이하로 감소되는 경우, 제 1 연소가능한 가스중의 아민 가스의 비율은 증가된다.
버너로의 제 1 산화 가스의 질량 유량 및 제 2 산화 가스의 질량 유량이 서로 독립적으로 제어되는 것이 바람직하다. 이러한 배치는 전체 유량에 있어서 변화를 조절하기 위한 버너의 작동을 촉진하며, 버너로 연소가능한 가스를 공급하기에 및 제 1 및 제 2 연소가능한 가스 스트림의 개별 질량 유량에 있서 변화에 부응하기에 바람직하다. 본 발명에 따른 장치는 제 1 산화 가스를 버너에 공급하기 위해 제 3 파이프라인내에 제 3 유동 제어 밸브, 및 제 2 산화 가스를 버너에 공급하기 위해 제 4 파이프라인내에 제 4 유동 제어 밸브를 더 포함하는 것이 바람직하다. 제 3 및 제 4 제어 밸브는 서로 독립적으로 작동가능하다.
제 1 및 제 2 산화 가스는 동일한 또는 상이한 산화 가스원으로부터 공급될 수 있다. 만일 상이한 공급원이 사용되는 경우, 제 1 산화 가스는 제 2 산화 가스와 상이한 조성을 가질 수 있다. 상이한 조성의 제 1 및 제 2 산화 가스의 사용은 연소가능한 가스 공급의 변형가능한 속도를 효과적으로 조절함에 있어서 본 발명에 따른 방법 및 장치의 융통성에 도움을 준다.
양 제 1 및 제 2 산화 가스에 있어서 산소의 몰 분율은 제 1 및 제 2 연소가능한 가스에 있어서 연소가능한 비율에 따라 대체로 0.3 내지 1.0 범위이다. 노를 라이닝하기 위해 사용되는 정유 장치내의 위치에서 과도한 온도가 발생하는 것을 피하기 위한 주의가 필요하다. 근래 상업적으로 이용가능한 정유 장치는 대체로 1650℃ 까지의 온도에 견딜 수 있다. 제 1 및 제 2 산화 가스 둘다 또는 그중 하나에 포함될 수 있는 산소-풍부 공기 또는 순수 산소는 공기 분리 플랜트로부터 직접 얻어질 수 있다. 공기 분리 플랜트의 산소 생성물의 순도에 따라, 제 1 및 제 2 산화 가스중 하나 또는 양자가 0.99 보다 큰 산소의 몰 분율을 가질 수 있다. 그러나, 특히 일반적으로 사워 워터 스트립퍼 가스, 또는 아민 가스, 또는 이 둘의 혼합물을 조절하는 경우, 공기 분리 플랜트의 산소 생성물을 산소가 풍부하지 않으며 산소가 고갈되지 않은 대기와 혼합함으로써 제 1 산화 가스 및 제 2 산화 가스중 하나 또는 양자를 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 방법으로 제 1 및 제 2 산화 가스중 하나 또는 양자를 형성하므로써 본 발명에 따른 방법 및 장치의 작동중에 산소의 몰 분율을 바꾸는 것이 가능해진다. 또한, 산소의 몰 분율을 바꿀 수있는 이러한 능력은 본 발명에 따른 방법 및 장치가 연소가능한 가스 공급의 가변율을 효과적으로 조절하는데 융통성을 더해준다.
제 1 연소가능한 가스와 제 1 산화 가스의 혼합은 제 1 연소가능한 가스에 의한 경로와 만나는 경로를 따라 제 1 산화 가스중 적어도 일부를 배향시킴으로써 촉진되는 것이 바람직하다. 따라서, 제 2 출구 또는 제 2 출구 그룹중 적어도 일부는 각기 제 1 출구의 축에 대해 또는 제 2 출구 그룹의 적어도 일부의 축에 대해 각도를 가지고 연장하는 축을 갖는다. 상기 각도는 10°내지 30°범위인 것이 바람직하다. 바람직하게는, 제 1 연소가능한 가스의 유동은 축방향이며 제 1 산화 가스의 유동은 버너의 축에 대해 각도를 갖는다.
변형 실시예에 있어서, 제 1 연소가능한 가스와 제 1 산화 가스의 혼합은 일반적으로 연속되며 제 2 선형 속도로 제 1 연소가능한 가스에 의한 경로와 일반적으로 평행한 경로를 따라 제 1 선형 속도로 제 1 산화 가스중 적어도 일부를 배향시킴으로써 촉진될 수 있으며, 상기 제 1 및 제 2 선형 속도중 하나는 이의 나머지 속도보다 25% 내지 150%(바람직하게는, 25% 내지 100% 임)이다. 제 1 산화 가스와 제 1 연소가능한 가스 사이의 속도차가 그들 사이에 전단력을 발생시키기 때문에 혼합이 촉진된다. 바람직하게는, 제 1 선형 속도는 상기 2개의 선형 속도중에서 보다 크도록 선택된다. 이러한 배치는 노내에서 모든 암모니아가 분해될 수 있도록 노를 설계할 수 있게끔 한다.
제 1 연소가능한 가스와 제 1 산화 가스의 혼합을 촉진하기 위한 다른 변형 실시예는 제 1 산화 가스 및 제 1 연소가능한 가스중 하나 또는 양자에 소용돌이운동을 전달하기 위한 것이다. 가스에 소용돌이를 전달할 수 있는 장치는 널리 공지되어 있다.
화염의 자연 곡선은 제 2 산화 가스 유동의 상기 제 4 유동과 제 2 연소가능한 가스의 상기 제 3 유동의 혼합을 촉진하는 경향이 있다. 그럼에도 불구하고, 혼합을 촉진하기 위해 상기 제 3 및 제 4 유동의 공급을 정렬하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 제 2 산화 가스의 적어도 일부는 제 2 연소가능한 가스에 대해 각도를 가지고 유동할 수 있어서 유동 경로는 교차하거나, 또는 적어도 2개 가스가 서로 보다 근접하게 된다. 바람직하게는, 제 2 연소가능한 가스는 기본적으로 축방향으로 버너 입구부를 벗어나며, 제 2 산화 가스중 적어도 일부는 축에 대해 각도를 가지고 버너 입구부를 벗어난다. 이 각도는 일반적으로 버너의 축에 대해 10°내지 30°정도 범위이다. 다른 배치에 있어서, 제 3 및 제 4 유동은 서로 나란히 그리고 상이한 속도를 가지고 버너를 벗어나고 그들 사이의 전단에 의해 혼합을 돕는다.
연소가능한 가스의 전체 유동이 버너가 설계된 최대보다 작을 경우, 제 1 및 제 2 산화 가스의 유동 및 양 산화 가스에서 산소의 몰 분율이 감소될 수 있다. 또한, 버너의 불이 작게 되었을 때 화염의 코어에서 고온이 유지될 수 있도록, 제 2 연소가능한 가스가 버너에 제공되는 속도에 있어서 비례적인 감소는 제 1 연소가능한 가스의 유량보다 더 클 수 있다. 또한, 제 1 연소가능한 가스가 사워 워터 스트립퍼 가스 및 아민 가스의 혼합물일 경우, 상기 혼합물에 있어서의 아민 가스의 비율은 변할 수 있다. 이러한 목적을 위해, 제 1 파이프라인은 사워 워터 스트립퍼 가스의 공급원과 연통할 수 있으며, 제 2 파이프라인은 아민 가스의 공급원과 연통할 수 있으며, 제 1 파이프라인과 연통하는 제 2 파이프라인을 위치시키는 도관이 있으며, 아민 가스의 유동을 제 1 파이프라인내로 제어하기 위한 다른 도관에서 다른 유동 제어 밸브가 있다.
본 발명에 따른 바람직한 버너에 있어서, 제 1 출구에서 종단되는 제 1 연소가능한 가스용 제 1 통로를 형성하는 제 1 튜브와, 상기 제 1 출구내에서 연장하며 제 1 산화 가스용 제 2 통로를 형성하고 각기 개별적인 제 2 출구에서 종단하는 다수의 제 2 튜브와, 상기 제 1 튜브를 둘러싸고 일반적으로 상기 제 1 튜브와 동축이며 제 3 출구에서 종단하는 제 2 연소가능한 가스용 환형 제 3 통로를 형성하는 제 3 튜브와, 각기 제 3 통로내에서 연장하며 각기 개별적인 제 4 출구에서 종단하는 제 4 통로를 형성하는 제 2 산화 가스용 다수의 제 4 튜브가 있다. 이러한 배치는 제 1 산화 가스 유동이 제 2 산화 가스 유동과 무관하게 및 이와는 반대로 조절될 수 있도록 하며, 또한 제 1 연소가능한 가스 유동이 제 2 연소가능한 가스 유동과 무관하게 및 이와는 반대로 조절될 수 있도록 한다.
다른 바람직한 배열이 가능하다. 그중 하나의 배치에 있어서, 제 1 및 제 2 튜브가 제공되며 상술한 방법으로 배치된다. 또한, 제 1 튜브와 동심이며 이를 둘러싸서 제 2 산화 가스 유동용 환형 제 3 통로(제 4 출구가 형성되어 있는 노즐에서 종단함)를 형성하는 제 3 튜브와, 제 3 튜브와 동심이며 이를 둘러싸서 상기 제 3 통로에서 종단하는 제 2 연소가능한 가스용 환형 제 4 통로를 형성하는 제 4 튜브가 있다. 또한, 이러한 배치는 제 1 산화 가스 유동이 제 2 산화 가스 유동과무관하게 및 이와 반대로 조절될 수 있도록 하며, 또한 제 1 연소가능한 가스 유동이 제 2 연소가능한 가스 유동과 무관하게 및 이와 반대로 조절될 수 있도록 한다.
또다른 바람직한 배치에 있어서, 중앙 관형 통로, 최내측, 중간 및 최외측 환형 통로를 형성하는 4개의 동심으로 반경방향 이격된 튜브가 존재한다. 중앙 관형 통로는 제 1 출구에서 종단하며 최외측 환형 통로는 제 4 출구에서 종단한다. 나머지 2개 통로 양자는 개별 노즐에서 종단하며, 상기 노즐은 출구의 제 2 및 제 3 그룹을 형성한다. 이러한 배치는 제 1 산화 가스 유동이 제 2 산화 가스 유동과 무관하게 및 이와 반대로 조절될 수 있도록 하며, 또한 제 1 연소가능한 가스 유동이 제 2 연소가능한 가스와 무관하게 및 이와 반대로 조절될 수 있도록 하는 다른 것이다.
덜 바람직한 버너에 있어서, 중앙 관형 통로, 내측 통로 및 외측 통로를 형성하는 3개의 동심 튜브가 존재할 수 있다. 중앙 관형 통로는 제 1 출구에서 종단하며 외측 환형 통로는 제 3 출구에서 종단한다. 내측 환형 통로는 노즐에서 종단하며, 상기 노즐에서 출구의 제 2 및 제 4 그룹을 형성한다. 이러한 배치는 제 1 산화 가스의 유량 및 조성이 제 2 산화 가스의 유량 및 조성과 무관하게 조절될 수 있도록 하지 않는다.
결과적인 가스 혼합물은 폐열 보일러(waste heat boiler)에서 냉각되는 것이 바람직하며, 이 냉각된 유출 가스 스트림은 응축기를 통과하여 상기 냉각된 유출 가스 스트림으로부터 황화 증기가 응축되는 것이 바람직하다. 결과적인 가스 스트림은 황 응축기의 하류가 황화수소 및 이산화황 사이의 촉매 반응중 적어도 하나의단계를 거쳐 보다 많은 황이 추출될 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 방법 및 장치가 예로서 첨부된 도면을 참조하여 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 방법 및 장치에 사용하기 위한 제 1 버너의 개략적인 측면도,
도 2는 도 1에 도시된 버너 입구부의 개략적인 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 방법 및 장치에 사용하기 위한 제 2 버너의 개략적인 측면도,
도 4는 도 3에 도시된 버너 입구부의 개략적인 단면도,
도 5는 본 발명에 따른 방법 및 장치에 사용하기 위한 제 3 버너의 개략적인 측면도,
도 6은 도 5에 도시된 버너 입구부의 개략적인 단면도,
도 7은 도 1 및 도 2의 버너에 연소가능한 가스 및 산화 가스를 공급하기 위한 장치를 도시하는 개략적인 공정 계통도,
도 8은 도 1 내지 도 6에 도시된 버너중 어느 하나를 사용할 수 있는 것으로서, 황화수소를 함유하는 산성 가스를 처리하기 위한 클라우스 플랜트(Claus plant)의 개략적인 공정 계통도.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
4, 304, 404 : 기단부 600 : 버너
602 : 노 604 : 폐열 보일러
606 : 응축기
608, 610, 612 : 연속 촉매 클라우스 스테이지
614 : 반응기
본 도면은 척도가 맞는 것은 아니다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 버너(2)는 대체로 원통형 형상이며 기단부(4)와 말단부[또는 입구부(6)]를 구비한다. 버너(2)는 황화수소를 포함하는 제 1 연소가능한 가스 스트림의 유동용 최내측 튜브(10)에 의해 형성된 중앙 통로(8)를 갖는다. 버너(2)의 종방향 축선은 튜브(10)의 종방향 축선과 일치한다. 중앙 통로(8)는 이의 말단부에 제 1 출구(12)를 갖는다. 제 2 튜브(14)는 제 1 튜브(10)와 동축이다. 튜브(14)의 내측 표면은 튜브(10)의 외측 표면과 마찰 결합한다. [변형 실시예에서, 튜브(10, 14)는 내측 플랜지 또는 용접된 연결 수단에 의해 서로 연결될 수 있음] 제 3 튜브(16)는 튜브(14)와 이격되었으며 상기 튜브(14)와 동축이다. 튜브(14)는 황화수소를 포함하는 연소가능한 가스 혼합물의 제 2 유동을 위한 것으로 제 2 연소가능한 가스 혼합을 위해 출구(20)[이후, "제 3 출구"라 함]의 말단부에서 종단하는 제 2 환형 통로(18)를 형성한다. 튜브(14, 16)는 튜브(10)와 동일 평면에서 종단한다.
튜브(22)의 어레이는 튜브(10)의 기단부를 지나 연장하며 제 1 산화 가스 혼합물의 유동을 위한 통로(24)를 형성한다. 각 통로(24)는 출구(26)를 구비한다. (이후, 이들 출구는 "출구의 제 2 그룹"이라 함) 튜브(22)는 튜브(10)와 동일한평면에서 종단한다. 출구(26)는 대체로 링으로 배치되고 버너(2)의 종방향 축선과 동축이다.
튜브(28)의 제 2 어레이는 튜브(14, 16)에 의해 형성된 통로(18)에 배치된다. 각 튜브(28)는 개별 출구(32)에서 종단되는 산화 가스의 제 2 유동을 위한 통로(30)를 형성한다. 튜브(28)는 각기 튜브(20)와 동일한 평면에서 종단한다. 튜브(28)의 출구(30)는 링으로 배치되며 버너(2)의 종방향 축선과 동축이다. 개별 튜브(22, 28)는 각기 스파이더(spider)(34)가 제공되어 버너가 도 1에 도시된 바와 같이 종방향 축선이 수평으로 배치될 때 상기 튜브를 지지하는 것을 도울 수 있다. 튜브(22, 28)의 실제 개수를 선택함에 있어서 상당한 융통성이 있다.
버너로 공급될 연소가능한 가스 및 산화 가스 혼합물의 각각의 유동이 이뤄질 수 있게 하기 위한 버너(2)의 구조는 비교적 간단하다. 외부 튜브(16)는 황화수소를 포함한 제 2 연소가능한 가스 혼합물의 유동을 위한 제 1 포트(36)를 구비한다. 외부 튜브(16)의 기단부에는 이와 일체이거나 이에 용접된 플랜지(38)가 형성되어 있다. 상기 플랜지(38)는 튜브(14)와 일체이거나 튜브에 용접된 유사한 플랜지(40)에 볼트체결되거나 또는 달리 고정된다. 필요한 경우, 가스켓 또는 다른 밀봉 부재(도시하지 않음)는 플랜지(40, 38) 사이에 결합될 수 있어서 플랜지 사이의 액밀 시일을 보장한다. 플랜지(40)는 제 2 산화 가스를 수납하는 챔버(42)의 말단부를 형성하며, 상기 챔버(42)는 포트(44)를 구비하여 상기 산화 가스의 공급원과 연통되어 위치될 수 있게 한다. 튜브(28)의 기단부는 플랜지(40)를 통한 상보적인 구멍에서 모드 액밀로 된다. 따라서, 튜브는 챔버(42)와 연통된다. 챔버(42)는 포트(44)가 형성되어 있는 외부 벽(46)을 구비하며, 상기 외부 벽(46)의 말단부에는 플랜지(40)에 액밀로 체결된 플랜지(48)가 제공되어 있고 그 기단부에는 플랜지(50)가 제공되어 있다. 플랜지(50)는 상보적인 플랜지(52)에 볼트체결되거나 또는 달리 액밀 고정되며, 상기 플랜지(52)는 튜브(10)의 기단부와 일체이거나 기단부에 용접된다. 플랜지(52)는 챔버(42)의 기부 벽을 형성한다. 또한, 플랜지(52)는 측벽(56)을 구비한 다른 챔버(54)의 말단 벽을 형성하며, 챔버에 형성된 포트(58)는 챔버(54)가 제 1 연소가능한 가스원과 연통되도록 위치될 수 있게 한다. 챔버(54)의 벽(56)은 플랜지(52)에 볼트체결되거나 달리 액밀 고정된 제 1 플랜지(60)를 그 말단부에 그리고 단부 플레이트(64)에 볼트체결되거나 달리 액밀 고정된 제 2 플랜지(62)를 그 기단부에 구비하고 있으며, 상기 단부 플레이트(64)는 제 1 산화 가스 혼합물을 위해서 챔버(54)와 다른 챔버(66) 사이에 분할 벽을 형성하며, 이들 튜브가 제 1 산화 가스 혼합물의 유동체를 수납할 수 있도록 튜브(22)의 기단부를 통해 형성된 액밀 구멍을 수납한다. 챔버(66)는 버너(2)의 종방향 축선과 동축이며 제 1 산화 가스 혼합물 공급원과 연통되어 위치될 수 있는 포트(68)를 구비한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 버너(2)의 말단부(6)는 황화수소의 부분 연소를 위해서 노(72)의 포트 또는 퀄(70)내로 연장된다. 버너(2)의 말단부와 포트(70) 사이에는 환형 통로가 형성된다. 공기는 제 3 산화 가스로서 상기 통로(74)로 공급된다.
필요하다면, 외부 튜브(16)의 말단부는 내화 금속으로 형성될 수도 있다. 버너(2)의 다른 부분은 스테인레스강으로 형성될 수도 있다.
작동시에, 출구(12)로부터 버너(2)를 빠져나온 제 1 연소가능한 가스는 출구를 통해 잔류하는 제 1 산화 가스와 친밀하게 혼합되어 화염의 제 1 스테이지를 형성한다. 유사하게, 출구(20)를 통해 버너(2)에 잔류하는 제 2 연소가능한 가스 혼합물의 유동체는 출구(32)를 통해 버너(2)에 잔류하는 제 2 산화 가스의 유동체와 친밀하게 혼합되며, 그에 따라 화염의 제 2 스테이지를 형성한다. 화염의 제 3 스테이지는 통로(74)를 통해 통과하는 공기의 친밀한 혼합에 의해 형성되며, 제 2 연소가능한 가스 혼합물은 출구(20)를 통해 버너(2)에 잔류한다.
버너(2)로 다른 가스 유동체를 공급하기 위한 장치가 도 7에 도시되어 있다. 도 7을 참조하면, 사워 워터 스트립퍼 가스(sour water stripper gas)(황화수소 및 암모니아를 포함함)용의 제 1 파이프라인(80)은 버너(2)의 포트(58)에서 종료한다. 제 1 유동 제어 밸브(82)는 파이프라인(80)에 배치되어 있다. 아민 가스(주로 황화수소를 포함함)용의 제 2 파이프라인(84)은 버너(2)의 포트(36)에서 종료하며, 그내에 배치된 제 2 유동 제어 밸브(86)를 구비한다. 공기 또는 산소-풍부 공기로 구성된 제 1 산화 가스의 공급원(도시하지 않음)과 연통하는 제 3 파이프라인(88)은 버너(2)의 포트(68)에서 종료한다. 제 3 유동 제어 밸브(90)는 제 3 파이프라인(88)에 위치된다. 공기 또는 산소-풍부 공기로 구성된 제 2 산화 가스의 공급원(도시하지 않음)과 연통하는 제 4 파이프라인(92)은 버너(2)의 포트(44)에서 종료한다. 제 4 유동 제어 밸브(94)는 제 4 파이프라인(92)에 위치된다. 송풍기(도시하지 않음) 또는 압축된 공기(산소가 풍부하거나 고갈되지 않음)와 연통하는제 5 파이프라인(96)은 포트(70)와 버너(2) 사이에 형성된 환형 통로(74)와 연통하는 노즐(105)까지 입구(104)에 종료한다. 파이프라인(96)은 그 내에 배치된 제 5 유동 제어 밸브(98)를 구비한다. 또한, 파이프라인(100)은 제 2 유동 제어 밸브(86)의 상류의 제 2 파이프라인(84)의 영역을 통해서 제 1 유동 제어 밸브(82)의 하류의 제 1 파이프라인(80)의 영역까지 연장된다. 제 6 유동 제어 밸브(102)는 파이프(100)에 배치되어 있다.
작동시에, 상술한 유동 제어 밸브는 버너(2)의 화염으로 공급된 산소대 연소물의 전체 몰 분율을 결정하기 위해서, 반응 종류의 상이한 국부적 비가 화염의 상이한 영역에서 발생할 수 있도록, 고온의 최내측 영역이 1400℃ 이상의 온도에서 화염내에 유지될 수 있도록, 보다 낮은 온도가 화염의 주변에서 유지될 수 있도록, 황화수소의 열적 분산을 유리하게 하는 화염 조건이 국부적 영역내에 형성되도록 그리고 모든 암모니아가 중화되는 것을 보장하도록 설정될 수 있다. 전형적으로, 반응물질의 공급물의 비율은 조절되어서, 황화수소대 노에 잔류하는 아황산가스 및 가스 혼합물의 몰 분율이 대략 2:1이 된다. 그러나, 화염의 각 영역내에서, 황화수소대 아황산가스의 몰 분율은 상당히 다양할 수 있다.
버너의 작동시에 형성된 화염의 종류는 도 7에 개략적으로 도시되어 있으며, 참조부호(110)로 표시되어 있다. 화염은 3개의 스테이지(112, 114, 116)를 갖고 있다. 최내측 스테이지(112)는 고강도 영역이며, 제 1 산화 가스 및 제 1 연소가능한 가스는 상기 최내측 스테이지내로 유동한다. 제 1 연소가능한 가스가 사워 워터 스트립퍼 가스 및 아민 가스의 혼합물로 구성되는 예에 있어서, 제 1 산화 가스는 황화수소의 ⅓ 이상의 제 1 연소가능한 가스 및 산화제에서 암모니아 및 모든 탄화수소의 완전한 중화를 보장하기에 충분한 비율로 공급된다. 따라서, 최내측 스테이지(112)내의 고온이 보장된다. 이러한 온도는 제어 밸브(82, 90, 102)에 의해 제어된다.
화염(110)의 제 2 중간 스테이지(114)는 제 2 산화 가스와, 제 2 연소가능한 가스의 일부분을 수납한다. 이러한 스테이지(114)는 산소-부족 상태로 통상 작동되는데, 즉 이러한 스테이지로 황화수소 및 산소 분자를 공급하는 상대적인 비율은, 이러한 황화 가스의 ⅓ 이하가 아황산가스로 산화되게 한다. 내부 스테이지(106)로부터 방사된 열과 함께 이러한 영역내의 산소의 결핍은 황화수소의 열적 크랙킹에 의해 황화 증기의 형성을 촉진한다. 황화수소의 열적 크랙킹이 흡열적으로 진행되기 때문에, 화염 온도를 조정하는 메카니즘을 제공하고, 최외측 스테이지(116)에서 과잉 온도가 발생하지 않게 하는데 도움을 준다. 더우기, 화염 온도를 조정하기 위한 산소 분자의 수요를 감소시킬 수 있고, 이에 의해 제 1 및 제 2 산화 가스가 이전에 가능했던 것보다 산소의 보다 높은 몰분율을 갖게 할 수 있다. 온도는 제 1 연소가능한 가스의 유동의 비율에 의해 그리고 산소의 그 몰분율에 의해서 스테이지(108)에서 제어될 수 있다. 화염의 최내측의 제 3 스테이지(116)는 제 2 연소가능한 가스의 나머지부와, 제 3 산화 가스로서 파이프라인(96)에 공급되는 공기를 수납한다. 공기의 공급 비율은 과잉 화염 온도는 제어되어, 제 3 스테이지(116)에서 발생하지 않도록 보장한다. 산화제의 전체 공급은 제어되어서, H2S대 SO2의 소망하는 비율이 폐열 재가열기 다음에도 유지되게 한다.
제 1 및 제 2 연소가능한 가스의 공급의 조합된 비율이 규정된 최대인 경우에, 산화 가스의 공급의 비율은 각기 최대인 것이 전형적이다. 연소가능한 가스의 공급의 전체 비율이 떨어진다면, 화염의 적당한 연소 조건을 유지하기 위해서 다양한 제어 방법이 유용할 수 있다. 가장 간략하게, 제어 밸브(94, 98)는 산화 가스의 유동 비율의 상보적인 감소를 이루도록 재설정될 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 산화 가스의 몰분율을 조정하기 위해서 도 11에 도시된 장치내에 수단(도시하지 않음)이 제공될 수 있다. 예를 들면, 부가적인 유동 제어 밸브(도시하지 않음)가 각기 제 3 및 제 4 파이프라인(88, 92)내로 상업적으로 순수 산소를 도입하는 파이프(도시하지 않음)에 제공될 수도 있다. 따라서, 제 1 및 제 2 산화 가스내의 산소의 몰분율이 제어될 수도 있다.
분출 가스가 노(72)를 빠져나가기 전에 모든 암모니아가 중화되는 것을 보장하기 위해서 규정된 최대값 이하로 연소가능한 가스를 공급하여 버너를 작동시키는 경우 주의가 요구된다. 연소가능한 가스의 공급 비율이 상대적으로 낮은 경우 이용할 수 있는 다른 제어 방법은 제 6 파이프라인(100)을 통해 전환되는 아민 가스의 비율을 증가시키기 위해서 비교적 낮다. 따라서, 제 6 제어 밸브(102)는 설정될 수 있다. 제 1 연소가능한 가스로 아민 가스를 보다 많은 비율로 공급하면 제 1 연소가능한 가스의 비율을 유지하고, 특히 제 1 산화 가스가 공기인 경우에 높은암모니아 및 탄화수소 중화 비율의 유지를 용이하게 한다. 결과적으로, 연소가능한 가스의 최대의 규정된 출력에서 작동되는 것과 비교할 때, 제 2 연소가능한 가스 및 제 2 산화 가스가 버너로 공급되는 비율의 부적당한 감소가 발생한다.
도 1 및 도 2에 도시된 버너가 공기가 아닌 아민 가스를 통로(74)로 공급함으로써 연소가능한 가스를 취급할 수 잇는 비율을 증가시킬 수 있다. 화염에 들어가는 황화수소대 산소 분자의 소망하는 비율을 유지하기 위해서, 제 1 및 제 2 산화 가스내의 산소의 몰분자는 대응하게 증가된다. 아민 가스를 취급하기 위해서 통로(74)를 사용하기 전에, 이러한 통로는 질소 또는 다른 비연소성 가스로 세정하여 통로로부터의 산소 분자를 분출시킬 수 있다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 모든 가스 스트림은 버너(2)를 실질적으로 축방향으로 유지하는 것을 알 수 있다. 이에 의해 출구(26)를 통해 버너(2)를 잔류하는 제 1 산화 가스와, 출구(12)를 통해 잔류하는 제 1 연소가능한 가스 사이의 혼합은 각 가스 스트림 사이의 변형에 의해서 이뤄진다. 변형의 정도는 제 1 연소가능한 가스와 제 1 산화 가스 사이의 속도가 상이함으로써 향상된다. 하나의 도시된 실시예에 있어서, 버너(2)에 잔류하는 제 1 산화 가스의 속도는 60m/s이며, 제 1 연소가능한 가스의 속도는 40m/s이다.
도면중 도 3 및 도 4를 참조하면, 버너(302)는 대체로 원통형이며, 기단부(304) 및 말단부(306)를 구비한다. 버너는 버너(302)의 종방향 축선과 동축이며 4개의 반경방향으로 이격되고 동심인 튜브(308, 310, 312, 314)의 어레이를 포함한다. 튜브(308)는 최내측 튜브이고, 튜브(314)는 최외측 튜브이다. 튜브(312)는 튜브(310)를 둘러싼다. 튜브(308, 310)는 그 말단부에서 제 1 노즐(316)과 결합된다. 튜브(308)는 황화수소를 포함하는 제 1 연소가능한 가스용의 제 1 통로(318)를 형성한다. 튜브(308)의 말단부는 튜브(310)의 말단부에 대해서 뒤에 설정되며, 노즐(316)은 제 1 연소가능한 가스용의 버너(302)로부터의 출구(320)를 규정한다. 튜브(308, 310)는 제 1 산화 가스용의 환형 통로(322)를 규정한다. 통로(322)는 노즐(316)에 종료하며, 상기 노즐(316)은 제 1 산화 가스용의 버너(302)로부터의 출구(324)를 관통해서 수평에 대해 10°내지 15°의 각도로 형성된다. 출구(324)는 버너(302)의 말단부의 하류의 영역에서 제 1 연소가능한 가스내로 제 1 산화 가스를 배향한다. 튜브(310, 312)의 사이에는 제 2 산화 가스의 유동용 환형 통로(326)가 형성된다. 통로(326)는 제 2 산화 가스용의 출구(330)를 규정하는 노즐(328)에서 종료한다. 출구는 수평에 대해서 10°내지 15°의 각도로 경사져 있으며, 이를 통과하는 가스의 유동 방향에서 반경방향 외측으로 연장된다.
튜브(312)와 최외측 튜브(314) 사이에는 황화수소를 포함하는 제 2 연소가능한 가스용의 환형 통로(332)가 형성된다. 통로(332)는 제 2 연소가능한 가스용의 출구(334)를 그 말단부에 구비하고 있다. 작동시에, 출구(334)의 하류에서 제 2 연소가능한 가스 유동체는 출구(334)의 방향에 대한 출구(330)의 방향에 의해서 제 2 산화 가스의 유동체와 혼합된다.
최외측 튜브(314)는 제 2 연소가능한 가스 혼합물의 유동체용의 포트(336)를 구비한다. 튜브(314)의 기단부에는 이와 일체이거나 이에 용접된 플랜지(338)가형성되어 있다. 필요하다면, 플랜지(338, 340) 사이에는 가스켓 또는 다른 밀봉 부재(도시하지 않음)가 결합되어 이들 사이에 액밀 시일을 형성할 수 있다. 플랜지(340)는 통로(326)에 연속되는 챔버(342)의 경계부를 부분적으로 형성한다. 챔버(342)는 그 말단부에 플랜지(346)가 형성된 원통형 벽(344)을 구비하며, 플랜지(346)는 플랜지(340)에 볼트체결되거나 또는 다른 액밀 형태로 고정된다. 상기 벽(344)은 그내에 형성된 포트(348)를 구비하여 제 2 산화 가스가 챔버(342)로 공급될 수 있게 한다. 벽(3440의 기단부는 튜브(310)의 기단부와 일체이거나 이에 용접된 상보적인 플랜지(352)에 볼트체결되거나 또는 달리 액밀 형태로 고정된 플랜지(350)를 구비한다. 플랜지(352)는 챔버(342)와 제 1 산화 가스용의 다른 챔버(354) 사이에 공동 벽을 형성한다. 챔버(354)는 통로(322)에 연속된다. 챔버(354)는 그 말단부에 플랜지(358)를 구비한 원통형 벽(356)을 구비하며, 상기 플랜지(358)는 플랜지(352)에 볼트체결되거나 또는 달리 액밀 형태로 고정된다. 원통형 벽(356)은 이를 관통해 형성된 포트(360)를 구비하여 챔버(354)가 제 1 산화 가스를 수납할 수 있게 한다. 또한, 벽(356)의 기단부는 플랜지(364)에 볼트체결되거나 또는 달리 고정된 플랜지(362)를 지지하며, 상기 플랜지(364)는 최내측 튜브(308)의 기단부와 일체로 형성되거나 기단부에 용접된다. 플랜지(364)는 통로(318)와 연속되고 이와 연통하는 또다른 챔버(366)와 챔버(354) 사이에 공동 벽을 형성한다. 챔버(366)는 축방향 포트(368)를 구비하며, 제 1 연소가능한 가스는 상기 축방향 포트(368)로 공급될 수 있다. 포트(368)는 버너(302)의 종방향 축선과 동축이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 버너(302)의 말단부(306)는 황화수소의부분 연소를 위해서 노(372)의 포트 또는 퀄(370)내로 연장된다. 포트(370)와 버너(306) 사이에 규정된 환형 공간은 제 3 산화 가스, 즉 공기의 유동을 위한 통로(374)를 제공한다. 작동시에, 공기는 출구(334)를 통해 버너(302)에 잔류하는 제 2 연소가능한 가스와 혼합된다. 도 3 및 도 4에 도시된 버너의 작동은 도 1 및 도 2의 작동과 유사하다.
도면중 도 5 및 도 6을 참조하면, 버너(402)는 기단부(404) 및 말단부(406)를 구비한다. 버너는 반경방향으로 이격된 세개의 동축 튜브(408, 410, 412)의 조립체를 포함한다. 튜브(408)는 황화수소를 포함하는 제 1 연소가능한 가스용의 출구(416)를 그 말단부에 구비한 통로(414)를 규정한다. 통로(408, 410) 사이에는 산소 풍부 공기와 같은 산화 가스의 유동용 환형 통로(418)가 형성된다. 통로(418)는 그 말단부가 환형 노즐(420)에서 종료하며, 상기 환형 노즐은 이를 관통하여 형성된 제 1 출구(422)의 그룹을 구비하며, 각 출구(422)는 버너의 종방향 축선에 대해서 10°내지 15°의 범위로 동일 각도로 경사지고, 이를 통과하는 가스 유동체의 방향에서 상기 축선쪽으로 경사져 있다. 출구(422)는 버너(402)의 말단부(406)의 하류에서 제 1 연소가능한 가스와 혼합되는 제 1 산화 가스의 유동을 제공한다.
또한, 제 2 그룹의 출구(424)는 노즐(420)을 관통해 형성된다. 출구(424)는 각각 버너(402)의 종방향 축선에 대해서 10°내지 15°범위에서 동일한 각도로 경사져 있으며, 가스는 유동체의 방향에서 축선으로부터 발산한다. 따라서, 출구(424)의 그룹은 제 2 산화 가스가 버너(402)의 말단부(406)로부터 분출되게 한다. 튜브(410), 412) 사이에는 환형 통로(426)가 규정되어 있다. 통로(426)는 그 말단부에서 출구(428)에 종료한다. 작동시에, 제 2 연소가능한 가스는 출구(428)를 통해 버너(4020의 말단부(406)로부터 분출되며, 출구(424)를 통해 버너(402)에 잔류하는 제 2 산화 가스와 혼합된다. 제 2 산화 가스대 제 1 산화 가스의 유동비는 출구(422, 424)의 상대적인 단면적에 의해 결정된다.
튜브(412)는 그내에 포트(430)가 형성되어 통로(426)가 황화수소를 포함하는 제 2 연소가능한 가스의 공급원과 연통되게 위치될 수 있게 한다. 튜브(412)의 기단부는 이와 일체이거나 이에 용접되어 형성된 플랜지(432)를 구비한다. 플랜지(432)는 튜브(410)에 용접되거나 튜브(410)와 일체로 형성된 상보적인 플랜지에 볼트체결되거나 달리 액밀 형태로 고정된다. 또한, 플랜지(432)는 산화 가스용 입구 포트(440)가 제공된 단부편(438)으로부터 연장되는 상보적인 플랜지(436)에 볼트체결되거나 또는 달리 액밀 형태로 고정된다. 튜브(408)는 그 기단부에서 단부편(438)내로 연장되고, 플랜지(442)를 지지하며, 상기 단부편(438)의 기단부는 상기 플랜지(442)에 볼트체결되거나 또는 달리 액밀 형태로 고정된다. 버너(402)의 작동시에 산화 가스는 포트(440)내로 그리고 단부편(438)을 통해서 튜브(408, 410) 사이에 규정된 통로(418)내로 유동한다. 튜브(408)는 그 기단부에서 개방되며, 황화수소를 포함한 제 1 연소가능한 가스의 공급원과 연통되어 위치될 수 있다.
버너(402)의 말단부(406)는 황화수소의 부분 연소를 위해서 노(434)의 포트(432)내로 연장된다. 환형 통로(438)는 버너와 포트(432) 사이에 규정되며,전형적으로 공기인 제 3 산화 가스는 버너(402)의 작동시에 상기 환형 통로(438)를 통해 버너 화염으로 공급될 수 있다.
버너(402)의 작동은 조성물과, 양 산화 가스가 버너(402)의 포트(440)로 제공된 공동 공급원으로부터 취해지기 때문에 조성물과 무관한 제 1 산화 가스의 유동비와, 제 2 산화 가스의 유동비를 변화시키기 위한 시설이 필요없다는 것을 제외하고 도 1 및 도 2와, 도 3 및 도 4에 도시된 버너의 작동과 유사하다.
도면중 도 1 및 도 2와, 도 3 및 도 4와, 도 5 및 도 6에 도시된 모든 버너는 도 8에 도시된 버너(600)를 이용한다. 도 8을 참조하면, 황화수소를 40체적% 이상 통상 포함하는 연소가능한 가스 혼합물은 버너(600)내로 유동한다. 황화수소의 부분 연소는 산소 풍부 공기 및 대기를 버너(600)로 공급함으로써 지지된다. 버너(600)는 노(602)내로 점화된다. 황화수소, 아황산가스, 황화 증기, 수증기, 질소, 이산화탄소 및 수로로 구성되는 가스 혼합물은 전형적으로 1100℃ 내지 1600℃의 범위로 노(602)에 잔류한다. 유출 가스 혼합물은 황화 증기가 응축되는 점 이상으로 약간 감소된 온도에서 폐열 보일러(604)를 통해 통과된다. 유출 가스 혼합물내의 황화수소대 아황산가스의 몰 분율은 폐열 보일러(604)에서 수소와 황이 일부 재조합된 후에 대략 2대 1이다. 폐열 보일러(604)의 하류에서 유출 가스는 황화 증기가 응축되는 응축기(606)를 통해 유동한다. 결과적인 응축물은 저장을 위해 통과된다. 잔류 가스 혼합물은 연속 촉매 클라우스 스테이지(608, 610, 612)(successive catalytic Claus stages)를 통해서 응축기(606)로부터 유동한다. 종래 기술의 일반적인 사실에 따라서, 스테이지(608, 610, 612)의 각각은 가스 혼합물의 온도를 황화수소 및 아황산가스 사이의 촉매 반응에 적당한 온도로 상승시키기 위한 재가열기(도시하지 않음)와, 황화수소가 아황산가스와 반응하여 황화 증기 및 수증기를 형성하는 촉매 반응기(도시하지 않음)와, 황 응축기(도시하지 않음)를 순서대로 포함하는 유닛의 트레인을 포함한다. 필요하다면, 환경 표준과 관련하여 도 8에 도시된 플랜트에서 촉매 스테이지(608, 610, 612)중 하나 이상이 생략될 수 있다.
하류 촉매 스테이지(612)에 잔류하는 가스 혼합물은 대기로 배출하기에 보다 적당한 클라우스(Claus) 처리 유출물을 제공하기 위해 많은 공지된 처리중 하나가 가해질 수 있다. 예를 들면, 가스는 가수분해 수소처리가 가해지는 반응기(614)에 통과시킬 수 있다. 모든 잔류하는 카본 산황화물 및 카본 이황화물은 수증기에 의해서 촉매에서 가수분해되어 황화수소를 형성한다. 이러한 촉매는 예를 들면 코발트 및 몰리브덴에 포화될 수 있다. 이러한 촉매는 본 기술 분야에 공지되어 있다. 동시에, 잔류하는 원소 유황과 이산화유황은 수소처리되어 황화수소를 형성한다. 가수분해 및 수소화처리는 전형적으로 300℃ 내지 350℃ 범위의 온도에서 포화된 암모니아 촉매에서 이뤄진다. 기본적으로 황화수소, 질소, 이산화카본, 수증기 및 수소로 구성되는 최종 가스 혼합물은 반응기(614)에 잔류하며, 우선 물 응축 유닛(도시하지 않음)으로 그리고 다음에 분리 유닛(도시하지 않음)으로 유동하며, 상기 분리 유닛에서는 황화수소가 예를 들면 흡착/탈착에 의해 분리된다. 적당한 화학적 흡착제는 메틸 디에틸아민이다. 필요하다면, 그에 따라 회수된 황화수소는 버너(600)로 재순환될 수 있다.
황화수소를 3개 스테이지로 연소시키므로써, 종래에 비해 황화수소 함유 가스의 보다 광범위하게 상이한 유입 유동 속도를 효과적으로 조절할 수 있으며, 노의 정유 라이닝에의 손상 위험성이 허용가능한 레벨로 유지될 수 있다.
Claims (14)
- 황화수소의 부분 산화에 의해 황화 증기를 형성하는 방법에 있어서,버너가 점화되는 노내에 화염이 발생하도록 버너를 작동시키는 단계와, 상기 화염에 버너 입구부의 제 1 영역으로부터 황화수소를 포함하는 제 1 연소가능한 가스중 적어도 하나의 유동을 공급하는 단계와, 제 1 산화 가스중 적어도 하나의 제 2 유동이 버너의 입구부로부터 분출하여 화염속에서 제 1 연소가능한 가스와 혼합되도록 하는 단계와, 상기 제 1 영역을 둘러싸며 이로부터 이격된 버너 입구부의 제 2 영역으로부터 화염에 황화수소를 함유하는 제 2 연소가능한 가스의 적어도 하나의 제 3 유동을 공급하는 단계와, 제 2 산화 가스중 적어도 하나의 제 4 유동이 상기 제 2 영역에 의해 둘러싸인 버너 입구부의 영역으로부터 분출하여 화염속에서 제 2 연소가능한 가스와 혼합되도록 하는 단계와, 제 3 산화 가스중 적어도 하나의 제 5 의 최외측 유동이 화염속에서 제 2 연소가능한 가스와 혼합되도록 하는 단계와, 노로부터 황화 증기, 수증기, 이산화황, 수소 및 잔류 황화수소를 포함하는 결과적인 가스 혼합물을 회수하는 단계를 포함하는황화수소의 부분 산화에 의한 황화 증기 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 버너로의 상기 제 1 연소가능한 가스의 질량 유량 및 상기 제 2 연소가능한 가스의 질량 유량은 서로 무관하게 제어되는황화수소의 부분 산화에 의한 황화 증기 형성 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 제 1 연소가능한 가스는 암모니아를 포함하지만, 상기 제 2 연소가능한 가스는 암모니아를 포함하지 않는황화수소의 부분 산화에 의한 황화 증기 형성 방법.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 1 산화 가스 및 상기 제 2 산화 가스는 둘다 산소 또는 산소-풍부 공기인황화수소의 부분 산화에 의한 황화 증기 형성 방법.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 버너로의 상기 제 1 산화 가스의 질량 유량 및 상기 제 2 산화 가스의 질량 유량은 서로 무관하게 제어되는황화수소의 부분 산화에 의한 황화 증기 형성 방법.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 1 연소가능한 가스와 상기 제 1 산화 가스의 혼합은 상기 제 1 연소가능한 가스에 의한 경로와 만나는 경로를 따라 상기 제 1 산화 가스중 적어도 일부를 배향시킴으로써 촉진되는황화수소의 부분 산화에 의한 황화 증기 형성 방법.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 1 연소가능한 가스와 상기 제 1 산화 가스의 혼합은 일반적으로 연속되며 제 2 선형 속도로 제 1 연소가능한 가스에 의한 경로와 일반적으로 평행한 경로를 따라 제 1 선형 속도로 제 1 산화 가스중 적어도 일부를 배향시킴으로써 촉진되며, 상기 제 1 및 제 2 선형 속도중 하나는 이의 나머지 속도보다 25% 내지 150%인황화수소의 부분 산화에 의한 황화 증기 형성 방법.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 3 산화 가스는 대기인황화수소의 부분 산화에 의한 황화 증기 형성 방법.
- 황화수소의 부분 산화에 의해 황화 증기를 생성하기 위한 장치에 있어서,노와, 상기 노내의 포트와, 상기 포트에 위치되며 노내에 화염을 발생시킬 수 있는 입구부를 구비하는 버너와, 황화 증기, 수증기, 이산화황 및 잔류 황화수소를 포함하는 결과적인 가스 혼합물이 노로부터 빠져나가기 위한 출구를 포함하며; 상기 버너 입구부는 황화수소를 포함하는 제 1 연소가능한 가스의 적어도 하나의 제 1 유동을 화염에 공급하기 위한 제 1 출구 또는 제 1 출구 그룹과, 제 1 산화 가스의 적어도 하나의 제 2 유동이 버너로부터 분출하여 화염속에서 제 1 연소가능한 가스와 혼합되도록 하기 위한 제 2 출구 또는 제 2 출구 그룹과, 제 1 출구 또는 제 1 출구 그룹을 둘러싸며 이로부터 이격된 것으로, 화염에 황화수소를 포함하는 제 2 연소가능한 가스의 적어도 하나의 제 3 유동을 공급하기 위한 제 3 출구 또는 제 3 출구 그룹과, 상기 제 3 출구 또는 제 3 출구 그룹에 의해 둘러싸여 있으며, 제 2 산화 가스의 적어도 하나의 제 4 유동이 버너로부터 불출하여 화염속에서 제 2 연소가능한 가스와 혼합되도록 하기 위한 제 4 출구 또는 제 4 출구 그룹을 포함하며; 상기 통로는 상기 버너와 상기 포트 사이에 형성되거나, 또는 상기 버너 입구부를 관통해 연장하거나 버너 입구부에서 종단되며, 제 3 산화 가스의 최외측 유동이 화염속에서 상기 제 2 연소가능한 가스와 혼합되도록 할 수 있는황화수소의 부분 산화에 의한 황화 증기 형성 장치.
- 제 9 항에 있어서,상기 제 1 연소가능한 가스를 상기 버너에 공급하기 위한 제 1 제어 밸브 및 제 1 파이프라인, 및 상기 제 2 연소가능한 가스를 버너에 공급하기 위한 제 2 파이프라인내의 제 2 유동 제어 밸브를 더 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 유동 제어 밸브는 서로 독립적으로 작동가능한황화수소의 부분 산화에 의한 황화 증기 형성 장치.
- 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,상기 제 1 산화 가스를 상기 버너에 공급하기 위해 제 3 파이프라인내에 제 3 제어 밸브, 및 상기 제 2 산화 가스를 상기 버너에 공급하기 위해 제 4 파이프라인내에 제 4 유동 제어 밸브를 더 포함하며, 상기 제 3 및 제 4 유동 제어 밸브는 서로 독립적으로 작동가능한황화수소의 부분 산화에 의한 황화 증기 형성 장치.
- 제 9 항 내지 제 11 항중 어느 한 항에 있어서,상기 버너는 상기 제 1 출구에서 종단되는 상기 제 1 연소가능한 가스용 제 1 통로를 형성하는 제 1 튜브와, 상기 제 1 출구내에서 연장하며 제 1 산화 가스용제 2 통로를 형성하고 각기 개별적인 제 2 출구에서 종단하는 다수의 제 2 튜브와, 상기 제 1 튜브를 둘러싸고 일반적으로 상기 제 1 튜브와 동축이며 제 3 출구에서 종단하는 제 2 연소가능한 가스용 환형 제 3 통로를 형성하는 제 3 튜브와, 각기 제 3 통로내에서 연장하며 개별적인 제 4 출구에서 종단하는 제 4 통로를 형성하는 제 2 산화 가스용 다수의 제 4 튜브를 구비하는황화수소의 부분 산화에 의한 황화 증기 형성 장치.
- 제 9 항 내지 제 11 항중 어느 한 항에 있어서,상기 버너는 상기 제 1 출구에서 종단되는 상기 제 1 연소가능한 가스용 제 1 통로를 형성하는 제 1 튜브와, 상기 제 1 출구내에서 연장하며 제 1 산화 가스용 제 2 통로를 형성하고 각기 개별적인 제 2 출구에서 종단하는 다수의 제 2 튜브와, 상기 제 1 튜브와 동심이며 이를 둘러싸서 제 2 산화 가스 유동용 환형 제 3 통로를 형성하며 상기 제 3 통로는 제 4 출구가 형성되어 있는 노즐에서 종단하는 제 3 튜브와, 상기 제 3 튜브와 동심이며 이를 둘러싸서 상기 제 3 통로에서 종단하는 제 2 연소가능한 가스용 환형 제 4 통로를 형성하는 제 4 튜브를 포함하는황화수소의 부분 산화에 의한 황화 증기 형성 장치.
- 제 9 항 내지 제 11 항중 어느 한 항에 있어서,중앙 관형 통로, 최내측, 중간 및 최외측 환형 통로를 형성하는 4개의 동심으로 반경방향 이격된 튜브를 구비하며, 상기 중앙 관형 통로는 상기 제 1 출구에서 종단하며 상기 최외측 환형 통로는 상기 제 4 출구에서 종단하며, 상기 양 최내측 환형 통로와 상기 중간 환형 통로는 출구의 제 2 및 제 3 그룹을 형성하는 개별 노즐에서 종단하는황화수소의 부분 산화에 의한 황화 증기 형성 장치.
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