KR20160041943A - 가스의 처리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가스의 처리에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 황화수소를 포함하는 가스 스트림의 처리 방법 및 이러한 방법을 수행하기 위한 장치에 관한 것이다.

Description

가스의 처리{TREATMENT OF GASES}
본 발명은 가스의 처리에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 황화수소를 포함하는 가스 스트림의 처리 방법, 그리고 이러한 방법을 수행하기 위한 장치에 관한 것이다.
황화수소를 포함하는 가스 스트림은 전형적으로 많은 공업적 공정으로부터 폐기물 또는 부산물로서 생성된다. 예를 들어, 주로 황화수소를 포함하는 산 가스 스트림은 전형적으로 황이 원유로부터 제거되는 정유 작업 동안 생성된다. 이러한 황화수소-함유 스트림들이 황-함유 가스 중의 그들의 함량을 전적으로 저감 또는 제거하기 위하여 이들을 대기로 배출하기 전에 이들을 처리하는 것이 필요하다. 황화수소를 포함하는 가스 스트림을 처리하기 위한 하나의 잘 알려진 광범위하게 실시되는 공정은 클라우스 공정(Claus process)이다. 클라우스 공정은 잘 알려져 있고, 예를 들어 EP 0,237,217에서 논의되어 있다.
클라우스 공정에 기초한 황 회수 유닛은, 공기, 산소 풍부 공기 또는 순수한 산소를 1차 산화제로서 이용해서 황화수소의 부분적인 산화에 의해 고농도의 H2S를 가진 공급 가스로부터 원소 황을 생성한다. 이 산화에 의해 생성된 이산화황은 나머지 H2S의 일부와 발열 반응하여 황 증기와 수증기를 생성한다. 각각의 촉매 클라우스 반응기의 하류에서뿐만 아니라 열 클라우스 단계의 하류에서 공정 가스를 냉각시키는 것은 공정 가스에 의해 운반되는 황 증기의 대부분의 응축을 초래한다. 이것은 공정 가스로부터 액체 황 생성물의 분리를 허용한다. 액체 황의 상이한 스트림이 용기/황 피트(sulphur pit)에 수집된다. 따라서 이와 같이 해서 얻어진 황은 H2S가 용기/피트의 헤드스페이스(headspace) 내로 필연적으로 가스 방출되는 저장 및 수송 동작에서 상당한 독성/폭발/화재 위험을 일으키는 감지 가능한 양(500 중량ppm까지)의 물리적으로뿐만 아니라 화학적으로 용해된 H2S를 함유한다. 이 위험을 줄이기 위하여, 용해된 H2S의 많은 부분이 공급 사슬에서 가능한 한 조기에 액체 황으로부터 제거된다. 통상, 그 제거는 황 피트(들)로부터 시행된다.
당업계의 상태에 따라 적용되는 각각의 기술은 격납용기/피트의 헤드스페이스를 스위핑하거나 가스가 액체 황을 통과하게 함으로써 액체 황을 탈기시키기 위하여 공기 혹은 질소와 같은 가스를 사용한다. 이들 방법은 오프-가스 스트림(off-gas stream), 예를 들어, 질소 또는 공기를 포함하고 H2S, SO2, COS, CS2 및 황 증기 등과 같은 성분을 함유하는 가스 스트림을 생성한다.
이들 오프-가스(또한 스위프 가스(sweep gas) 또는 피트 가스(pit gas)로서 공지됨)는 주로 클라우스 유닛의 소각로/적층 구역으로 보내지고, 여기서 모든 황 성분이 SO2로 열적으로 혹은 촉매적으로 산화됨으로써, 황 회수 플랜트의 전체적인 SO2 방출에 기여한다. 99.8%를 초과하는 매우 높은 황 회수 효율이 요구되는 경우에, 황 피트로부터 유래되는 위에서 기술된 SO2 기여는 저감 또는 제거되어야 하며, 따라서 다른 방법이 적용되어야 한다.
이러한 방법은 부식성 스크러버 시스템(caustic scrubber system)에서 오프-가스 스트림을 처리함으로써 황 성분의 대부분을 예를 들어 황화물, 아황산염, 티오황산염, 황산염 및 원소 고체 황의 형태로 액상에 혼입함으로써 황 성분의 대부분을 제거하는 것을 포함한다. 대안적으로, 더욱 최근에, 부식성 스크러버 시스템에서 오프-가스를 처리하기보다 오히려, 오프-가스가 클라우스 유닛의 열 구역의 상류에서 재순환됨으로써, 수성 액상에서 S2 - 또는 HS- 이온을 발생하는 수성 NaOH 및/또는 염 등과 같은 화학물질을 이용할 필요성을 회피할 수 있다. 그러나, (상승된 압력에서 탈기되지 않은) 오프-가스를 재순환시키기 위하여, 예를 들어, 스팀 방출기에 의해서, 상당한 정도로, 즉, 거의 대기압에서부터 공정 가스의 압력(전형적으로 1.5바(bar)(0.15㎫))보다 높은 압력까지 가압시켜야 한다. 또한, 충분한 예방책이 취해지지 않으면, 오프-가스로부터의 황 증기가 응축되고, 심지어 열 반응 영역 내의 버너 내부 구성요소들에서 응축되고 심지어 고형화되어, 고도로 유해할 수 있고 그리고 신뢰성 있는 장기적인 동작을 위태롭게 할 수 있다. 오프-가스의 열 클라우스 단계의 상류 구역으로의 이 재순환은 잠재적으로 O2-함유 오프-가스가 제1 열-반응-영역을 빠져나가는 시각에 모든 분자 산소를 고갈시키는 것을 보증한다. 이것은 분자 산소가 통상적으로 이용되는 Al2O3-계 클라우스 촉매와 접촉하는 것을 허용하지 않아야 하기 때문에 종래 기술의 방법에서 중요하다.
따라서, 종래 기술과 연관된 문제들 중 적어도 일부를 완화시키는 개선된 가스 처리 방법 및/또는 장치를 제공하기 위한 요망이 있다.
본 발명의 목적은 황화수소를 포함하는 가스 스트림으로부터 황을 회수하기 위한 개선된 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
특히, 본 발명자들은 상기 방법이 제1 열-반응-영역의 하류에서 그리고 촉매 변환기들 중 하나의 촉매 변환기의 상류에서 오프-가스를 공정 가스 배관 내로 재순환시킴으로써 개선될 수 있는 것을 발견하였다.
일 양상에 있어서, 본 발명은 황화수소 함유 가스 스트림으로부터 황을 회수하는 방법으로서, 해당 방법은,
(i) 황화수소 가스를 포함하는 가스 스트림을 제공하는 단계;
(ii) 가스 스트림을 제1 열-반응-영역과 제1 촉매-영역을 포함하는 장치 내로 이동시키는 단계; 및
(1) 제1 열-반응-영역에서 상기 황화수소 가스의 일부를 반응시켜 이산화황과 수증기를 형성하고, 황화수소의 추가의 부분을 반응시켜 황 증기와 수증기를 형성하여, 수증기, 황 증기, 이산화황 및 황화수소를 포함하는 결과적인-가스-혼합물을 형성하는 단계; 및
(2) 결과적인-가스-혼합물의 적어도 일부를 제1 촉매-영역으로 이동시킴으로써, 황화수소의 적어도 일부를 촉매의 존재 중에서 반응시켜 추가의 황 증기 및 수증기를 형성하는 단계; 및
단계 (1) 및/또는 단계 (2) 후에, 상기 황 증기의 적어도 일부를 응축시켜 액체 황을 형성하고 액체 황의 적어도 일부를 황 피트로 이동시키는 단계를 포함하되;
황 피트 내에 형성되거나 수용된 오프-가스가 황 피트로부터 제1 열-반응-영역의 하류에서 상기 방법으로 재순환된다.
제2 양상에 있어서, 본 발명은 황화수소-함유 가스로부터 황을 회수하기 위한 장치를 제공하되, 해당 장치는,
황화수소 가스를 포함하는 가스 스트림용의 유입구, 가스 스트림 내의 황화수소를 반응시켜 제1 반응 가스를 생성하는 수단, 및 제1 반응 가스용의 유출구를 구비하는 제1 열-반응-영역,
제1 열-반응-영역의 유출구와 유체 연통하는 제1 반응 가스용의 유입구 및 선택적으로 황화수소와 반응하여 황 증기 및 수증기를 포함하는 제2 반응 가스를 형성하는 촉매, 및 제2 반응 가스용의 유출구를 구비하는 제1 촉매-영역,
선택적으로 제1 열-반응-영역의 유출구로부터 제1 촉매-영역의 유입구로 통과하는 제1 반응 가스를 입수하고 액체 황을 형성하도록 배열된 황 응축기,
선택적으로 제1 촉매-영역의 유출구로부터 나오는 제2 반응 가스를 입수하고 액체 황을 형성하도록 배열된 황 응축기,
액체 황을 보유하기 위한 황 피트,
액체 황의 적어도 일부를 제1 및/또는 제2 황 응축기로부터 황 피트로 이송하기 위한 수단; 및
황 피트로부터의 가스를 제1 열-반응-영역의 하류에서 상기 장치로 재순환시키기 위한 수단을 포함하되,
상기 장치는 적어도 하나의 황 응축기를 포함한다.
본 발명은 이제 더욱 설명될 것이다. 이하의 구절에 있어서 본 발명의 상이한 양상/실시형태가 더욱 상세히 규정된다. 그와 같이 규정된 각 양상/실시형태는 반대로 명백하게 표시되지 않는 한 임의의 다른 양상/실시형태 또는 양상들/실시형태들과 조합될 수 있다. 특히, 바람직하거나 유리한 것으로 표시된 임의의 특성은 바람직하거나 유리한 것으로 표시되는 임의의 다른 특성 혹은 특성들과 조합될 수 있다.
달리 기술되지 않는 한, 모든 퍼센트는 부피에 의한 것이다.
본 명세서에서 이용되는 바와 같이, 용어 "열-반응-영역"이란 황화수소의 일부가 산화되어 이산화황을 형성할 수 있는 "연소 구역", 및 황화 수소의 일부가 이산화황과 반응하여 황 증기와 수증기를 형성할 수 있는, 상기 연소 구역과 연관된 "반응로"를 포함하는 영역을 지칭한다. 연소 구역은 "버너"를 포함할 수 있다.
열-반응-영역은 바람직하게는 반응로의 하류에서 가스 혼합물의 온도를 감소시키기 위하여 이와 연관된 폐열 보일러 등과 같은 열 교환 수단을 구비한다. 폐열 보일러는 선택적으로 다회-통과식 폐열 보일러이다.
"촉매-영역"이란 황화수소가 이산화황과 촉매 반응하여 추가의 황과 수증기를 형성할 수 있는 "촉매 반응기"를 포함하는 영역을 지칭한다.
적절한 열-반응-영역, 연소 구역, 버너, 반응로, 폐열 보일러 및 촉매 반응기는 당업자에게 잘 알려져 있다.
"스위프 가스"란, 격납용기/황 피트의 헤드스페이스를 스위핑하여 "오프-가스" 스트림을 형성하는데 이용될 수 있는, 공기 및/또는 질소로, 20% 미만의 산소 함량으로, 바람직하게는 15% 미만의 산소 함량으로 또는 질소로 희석된 공기 등과 같은 가스를 지칭한다.
"오프-가스 스트림"은 황 격납용기/황 피트로부터 유래되고, 선택적으로 스위프 가스, H2S 및/또는 SO2 및 선택적으로 COS 및/또는 CS2 및/또는 황 증기를 포함하는 가스 스트림이다. 바람직하게는 오프-가스는 H2S 및/또는 SO2를 포함한다. 더욱 바람직하게는 오프-가스는 스위프 가스, H2S 및 SO2를 포함한다. 가장 바람직하게는 오프-가스는 스위프 가스 및 H2S를 포함한다.
본 발명의 방법은 황화수소 함유 가스 스트림으로부터 황 종류의 회수에 관한 것이다. 이 방법은 육상에서 혹은 연안에서 수행될 수 있다. 전형적으로 가스 스트림은 탄화수소, 이산화탄소 및 황화수소를 포함할 것이다. 그러나, 기타 가스가 존재할 수 있는 것이 이해될 것이다. 본 발명의 방법은 바람직하게는 가스의 총 부피에 기초하여 10 내지 99.9 부피%의 황화수소, 더욱 바람직하게는 30 내지 98 부피%, 가장 바람직하게는 40 내지 95 부피%, 또는 45 내지 90 부피%의 황화수소를 포함하는 가스 공급원 상에서 수행된다.
상기 방법은 가스 스트림으로부터 황화수소의 적어도 일부를, 바람직하게는 거의 모두를 제거한다. 즉, 상기 방법은 바람직하게는 적어도 96 부피%, 더욱 바람직하게는 98 부피%, 더욱더 바람직하게는 99 부피%, 가장 바람직하게는 99.5 부피%의 황화수소를 제거한다. 또한, 제1 열-반응-영역의 하류에서 황화수소를 포함하는 오프-가스를 재순환시킴으로써, 상기 방법은 바람직하게는 초기의 황화수소 함유 가스 스트림 중 적어도 99.6부피%의 황화수소, 더욱 바람직하게는 99.7 부피%, 더욱더 바람직하게는 99.8 부피%, 가장 바람직하게는 적어도 99.9 부피%의 황화수소를 제거한다.
본 발명의 방법은 임의의 황화수소 함유 가스 스트림, 예컨대, 천연 가스 유래 스트림 및 황화수소 함유 이산화탄소 가스 스트림으로부터의 황화수소의 제거를 위하여 적합하다. 그러나, 당업자라면 이 방법이 기타 황화수소 함유 가스 스트림에 적용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
천연 가스는 전형적으로 주로 가연성 탄화수소를 포함하는 가스상 화석 연료이다. 가연성 탄화수소는 산소의 존재 중에서 점화 시 쉽게 연소되는 것이다. 탄화수소는 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 알칸, 알켄 및 방향족 화합물, 예컨대, 벤젠, 톨루엔 및 자일렌을 포함한다. 황화수소 불순물을 무시하면, 천연 가스는 바람직하게는 적어도 50%, 더욱 바람직하게는 75%, 가장 바람직하게는 90%의 메탄을 포함한다. 천연 가스는 에탄, 프로판, 부탄 및 펜탄의 각각을 10%까지 포함할 수 있다. 이것은 또한 일부 소량(2% 미만)의 휘발성의 무거운 탄화수소를 함유할 수 있지만, 이들은 판매 전에 가스로부터 제거된다. 천연 가스는 통상 이산화탄소, 질소, 헬륨 및 황화수소를 포함하는 불순물과 함께 발견된다. 이것은 유정, 가스정(gas well), 응축물정(condensate well)에서 그리고 탄층(coal bed)에서 발견된다.
본 발명의 방법은 많은 단계를 포함한다.
단계 (i)은 황화수소 함유 가스 스트림을 제공하는 단계를 포함한다. 이러한 가스 스트림은, 예를 들어, 황화수소 스크러버로부터 얻어질 수 있다. 바람직하게는, 가스 스트림은 0.15㎫의 압력에 있고, 주위 온도 이상을 지닌다. 이 단계는 황화수소를 포함하는 가스 스트림을 얻고/얻거나, 시추하고/하거나, 저장하고/하거나 제조하는 단계, 및 이 방법을 수행하기 위한 장치로 가스를 유도하는 단계를 포함할 수 있다. 가스는 장치를 통해서 스트림으로서 이동한다. 바람직하게는, 가스는 회분식 공정으로서라기보다는 연속식 공정에서 처리된다.
단계 (ii)는 가스 스트림을 제1 열-반응-영역과 제1 촉매-영역을 포함하는 장치로 이동시키는 단계 및 (1) 제1 열-반응-영역에서 황화수소 가스의 일부를 반응시켜 이산화황과 수증기를 형성하고 그리고 황화수소의 추가의 부분을 반응시켜 황 증기와 수증기를 형성하여, 수증기, 황 증기, 이산화황 및 황화수소를 포함하는 결과적인-가스-혼합물을 형성하는 단계를 포함한다. 바람직하게는 이 단계는 혼합을 통해 조장되는 다소 난류의 가스를 포함한다.
바람직하게는, 제1 열-반응-영역에서의 반응 조건은 950 내지 1450℃의 온도 및 적어도 0.15㎫의 압력이다.
클라우스 반응에 대한 적절한 반응 조건은 EP 0,237,217에 기술되어 있다.
단계 (ii) (2)는 결과적인-가스-혼합물(수증기, 황 증기, 이산화황 및 황화수소를 포함함)의 적어도 일부를 제1 촉매-영역으로 이동시키는 단계를 포함하며, 이에 의해서 황화수소의 적어도 일부를 촉매의 존재 중에서 반응시켜 추가의 황 증기와 수증기를 형성한다.
단계 (ii) (1) 및/또는 단계 (2) 후에, 상기 황 증기의 적어도 일부가 응축되어 액체 황을 형성하고, 액체 황의 적어도 일부는 황 피트로 이동된다. 이어서, 황 피트 내에 형성되거나 수용된 오프-가스는 황 피트로부터 제1 열-반응-영역의 하류에서 상기 방법으로 재순환된다.
황 피트로부터 오프-가스를 재순환(즉, 제거)시키는 것은, 다르게는 오프-가스가 황 생성물의 저장 및 수송 작업 시 상당한 폭발/화재 위험을 일으킬 수도 있기 때문에 상기 방법의 안전성을 개선하므로 유리하다. 게다가, 황 피트로부터 간단히 오프-가스를 제거하여 이것을 산화시키기보다 오히려 오프-가스를 재순환시키는 것은, 상기 방법의 황 회수 효율을 증가시키고 환경에 SO2 등과 같은 유해 가스의 방출을 저감시키므로 유리하다. 또한, 별도의 부식성 스크러버 시스템에서 오프-가스를 개별적으로 처리하기보다 오히려 오프-가스를 재순환시키는 것은, 수성 액상에서 S2- 이온 또는 HS- 이온을 발생하는 수성 NaOH 및/또는 염 등과 같은 화학물질을 이용할 필요성을 회피한다. 특히, 오프-가스를 제1 열-반응-영역의 하류에서 상기 방법으로 재순환시키는 것은 오프-가스가 공정 가스의 압력(적어도 대략 1.5바(0.15㎫))과 적어도 동일한 압력으로 가압되지 않아도 되므로 유리하다. 참으로, 오프-가스의 필요한 가압은 단지 미미하며(바람직하게는 필요한 압력은 0.1바(0.01㎫) 내지 0.5바(0.05㎫), 더욱 바람직하게는 0.1바(0.01㎫) 내지 0.4바(0.04㎫), 가장 바람직하게는 0.4바(0.04㎫) 미만 또는 0.3바(0.03㎫) 미만임), 따라서 가압은 더욱 용이하게 달성되고, 이 방법은 더 적은 에너지 투입을 필요로 한다. 오프-가스를 제1 열-반응-영역의 하류에서 상기 방법으로 재순환시키는 것은 더욱 유리한데 그 이유는 황 응측/고형화를 피하기 위한 가열 예방책이 제1 열-반응-영역, 연소 구역 및/또는 버너 등과 같은 더욱 정교한 장치를 구비하지 않고 그리고 가열되어야 하는 단지 임의의 상호접속 배관 그대로이므로 훨씬 취하기 쉽기 때문이다. 따라서 신뢰성 있는 장기 조작이 위태롭지 않다.
황화수소-함유 가스로부터 황을 회수하기 위한 장치는, 바람직하게는,
황화수소 가스를 포함하는 가스 스트림용의 유입구, 가스 스트림 내의 황화수소를 반응시켜 제1 반응 가스를 생성하는 수단, 및 제1 반응 가스용의 유출구를 구비하는 제1 열-반응-영역,
제1 열-반응-영역의 유출구와 유체 연통하는 제1 반응 가스용의 유입구 및 선택적으로 황화수소와 반응하여 황 증기 및 수증기를 포함하는 제2 반응 가스를 형성하는 촉매, 및 제2 반응 가스용의 유출구를 구비하는 제1 촉매-영역,
선택적으로 제1 열-반응-영역의 유출구로부터 제1 촉매-영역의 유입구로 통과하는 제1 반응 가스를 입수하고 액체 황을 형성하도록 배열된 황 응축기,
선택적으로 제1 촉매-영역의 유출구로부터 나오는 제2 반응 가스를 입수하고 액체 황을 형성하도록 배열된 황 응축기,
액체 황을 보유하기 위한 황 피트,
액체 황의 적어도 일부를 제1 및/또는 제2 황 응축기로부터 황 피트로 이송하기 위한 수단; 및
황 피트로부터의 가스를 제1 열-반응-영역의 하류에서 상기 장치로 재순환시키기 위한 수단을 포함하되,
상기 장치는 적어도 하나의 황 응축기를 포함한다.
"제1 반응 가스"란 제1 열-반응-영역을 빠져나가고 황화수소, 이산화황, 수증기 및 황 증기를 포함하는 가스를 지칭하는 것임을 알 수 있다. 그러나, 추가의 가스가 존재할 수도 있음을 알 수 있다.
"제2 반응 가스"란 제1 촉매-영역을 빠져나가고 황 증기 및 수증기를 포함하는 가스를 지칭하는 것임을 알 수 있다. 그러나, 추가의 가스, 예를 들어, 미반응 황화수소 및 이산화황이 존재할 수도 있음을 알 수 있다.
황 피트로부터의 가스를 제1 열-반응-영역의 하류에서 상기 장치로 재순환시키는 수단을 구비하는 장치를 제공하는 것은 오프-가스를 제1 열-반응-영역의 하류에서 상기 방법으로 재순환시키는 것에 관하여 위에서 논의된 이유를 위하여 유리하다.
바람직하게는 제1 촉매-영역에 존재하는 촉매는 산소 내성 촉매이다. 더욱 바람직하게는 촉매는 산소 내성 클라우스 촉매, 예컨대, TiO2이다. 이러한 촉매의 사용은 알루미나(Al2O3) 단독 등과 같은 비-산소 내성 촉매에 비해서 유리한데, 그 이유는 이러한 산소-내성 촉매가 산소 저항성이고, 황산염 축적을 일으키는 경향이 적어서, 신속한 불활성화를 일으키는 경향이 적기 때문이다. 가장 바람직하게는 촉매는 TiO2를 포함한다. 그 이유는, 특히 제1 촉매 클라우스 단계에 적용된 경우, TiO2를 포함하는 촉매가 고도로 활성이고, COS 및 CS2의 가수분해를 최적화시킴으로써, 증대된 황 회수 효율을 선호하기 때문이다.
대안적으로 및/또는 바람직하게는, 촉매는 Al2O3를 포함하되, 단 제1 촉매-영역은 또한 산소 제거제 물질(oxygen scavenger material), 바람직하게는 적절한 산소 제거 물질의 상부층을 포함한다. 바람직하게는 산소 제거제 물질은 철을 포함한다. 예를 들어, 바람직하게는, 제1 촉매-영역은 Al2O3 상의 철계 물질의 상부층을 포함한다. 더욱 바람직하게는, 산소 제거제 물질은 제1 촉매-영역 내에서 제1 반응 가스용의 유입구 내의 층(즉, 제1 또는 추가의 열-반응-영역으로부터의 가스)으로서 배열된다. 이러한 물질 및/또는 그의 구성은 유리하게는 산소가 촉매를 불활성화시키는 것을 방지하고 황산염 축적을 방지한다.
바람직하게는 오프-가스는 오프-가스의 총 부피에 기초하여 적어도 0.001 부피%, 더욱 바람직하게는 0.01 부피% 또는 0.1 부피%, 가장 바람직하게는 적어도 1 부피%의 황화수소를 포함한다.
바람직하게는 오프-가스는 오프-가스의 총 부피에 기초하여 5 부피% 미만, 더욱 바람직하게는 4 부피% 또는 3 부피% 또는 2 부피% 미만, 가장 바람직하게는 1 부피% 미만의 이산화황을 포함한다.
일 실시형태에 있어서, 오프-가스의 적어도 일부는 황 피트로부터 제1 촉매-영역으로 재순환된다. 대안적으로, 오프-가스의 적어도 일부는 황 피트로부터 제1 촉매-영역의 하류의 하나 이상의 추가의 촉매-영역으로 재순환된다. 바람직하게는 1개, 2개 또는 3개의 추가의 촉매-영역이 있다. 가장 바람직하게는 2개의 추가의 촉매-영역이 있다. 다르게는 폐기될 수도 있었던 황화수소 및 이산화황 등과 같은 성분은 이와 같이 해서 유리하게는 촉매 반응하여 목적으로 하는 황 생성물을 형성할 수 있다.
하나의 고도로 바람직한 실시형태에 있어서, 오프-가스의 적어도 일부는 황 피트로부터 제1 열-반응-영역의 하류의 하나 이상의 추가의 열-반응-영역으로 재순환된다. 바람직하게는 1개, 2개 또는 3개의 추가의 열-반응-영역이 있다. 가장 바람직하게는 1개의 추가의 열-반응-영역이 있다. 오프-가스가 황 피트로부터 제1 열-반응-영역의 하류의 하나 이상의 추가의 열-반응-영역으로 재순환되므로, 황 피트로부터의 오프-가스는 제1 열-반응-영역으로 재순환되지 않는다. 오프-가스를 제1 열-반응-영역의 하류의 하나 이상, 바람직하게는 1개의 추가의 열-반응-영역으로 재순환시키는 이점은, 잠재적으로 유해한 오프-가스를 더욱 유리하게 재순환시키는 한편, 이에 따라서 전체 공정의 전제적인 효율 및/또는 수율 및/또는 안전성을 증가시킨다는 점이다:
1) 희석 가스가 제1 열-반응-영역 내로 도입되지 않으므로, 제1 열-반응-영역 내에 올바른 온도를 유지시키는 것이 가능함;
2) 오프-가스 스트림이 오프-가스가 제1 열-반응-영역 내로 재순환되는 상황에 비해서 제1 열-반응-영역 및 하나 이상의 추가의 열-반응-영역의 전체 성능에 대한 최소의 유해 효과를 지니거나 전혀 유해 효과를 지니지 않을 것임;
3) 오프-가스 스트림 내에 함유된 산소가 보다 낮은 부하에서 가동되도록 하나 이상의 추가의 열-반응-영역 내에 공기 취입기를 허용하는 플랜트 성능에 기여할 것임.
하나 이상의 추가의 열-반응-영역 내로의 오프-가스 노즐/유입구의 분포가 하나 이상의 추가의 열-반응-영역의 크기와 형상 그리고 하나 이상의 추가의 열-반응-영역으로부터의 흐름 방향, 예를 들어, 폐열 보일러에 대한 흐름 방향에 의존할 것임을 알 수 있다.
바람직하게는 상기 방법은 오프-가스의 적어도 일부를 제1 열-반응-영역의 하류의 제2 열-반응-영역으로 재순환시키는 단계를 포함하되; 여기서 제1 열-반응-영역은 제1 폐열 보일러와 함께 제1 단일 유닛 내에 수용되고, 제2 열-반응-영역이 제2 폐열 보일러와 함께 제2 단일 유닛에 수용되며; 단계 (i)의 가스 스트림이 제1 열-반응-영역을 통해서, 제1 폐열 보일러를 통과하여, 제2 열-반응-영역으로 이동하고, 여기에서 재순환된 오프-가스의 적어도 일부와 배합되고, 이어서 상기 배합된 스트림이 제2 폐열 보일러를 통과한다. 제1 및 제2 열-반응-영역을 포함하는 이러한 시스템의 이점은 EP 0,237, 217에서 상세히 논의되어 있다.
바람직하게는 상기 방법은 오프-가스의 적어도 일부를 제1 열-반응-영역의 하류의 제2 열-반응-영역으로 재순환시키는 단계를 포함하되; 여기서 제1 및 제2 열-반응-영역은 다회-통과식 폐열 보일러와 함께 단일 유닛 내에 수용되고; 단계 (i)의 가스 스트림은 제1 열-반응-영역을 통해서, 다회-통과식 폐열 보일러를 통과하여, 제2 열-반응-영역으로 이동하고, 여기서 재순환된 오프-가스의 적어도 일부와 배합되고, 이어서 상기 배합된 스트림은 다회-통과식 폐열 보일러를 통과한다. 다회-통과식 폐열 보일러와 함께 제1 및 제2 열-반응 영역을 수용하는 단일 유닛의 사용은 단일 유닛(단지 하나의 (다회-통과식) 폐열 보일러를 포함함)이 더욱 컴팩트하고 따라서 제한된 플롯 공간(plot space)을 가진 가공 플랜트에 적합하기 때문에 유리하다. 또한, 이러한 다회-통과식 폐열 보일러의 사용은 귀중한 고압 스팀의 발생을 통해서 에너지 효율을 향상시킨다. 다른 이점은 이 공정 플랜트를 통한 저감된 공정 가스 흐름을 포함하여, 변환기 재가열 및 소각로 연료 가스 요건을 저감시킨다. 이것은 이산화탄소 방출의 상당한 저감을 가져온다.
바람직하게는 상기 방법은 스위프 가스를 황 피트 내로 도입하여 오프-가스를 형성하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 스위프 가스가 질소 및/또는 공기이다.
바람직하게는 상기 방법은 황 피트 내의 액체 황을 탈기시켜 오프-가스를 형성하는 단계를 포함한다. 바람직하게는 액체 황은 0.5 내지 1㎫의 압력에서 탈기된다. 더욱 바람직하게는 액체 황은 0.6 내지 0.9㎫, 또는 0.7 내지 0.8㎫의 압력에서 탈기된다.
유리하게는, 이러한 압력에서, 압축기는 요구되지 않으므로, 이 방법의 동력 및 경제적 요건을 저감시키는 한편 황 생성물로부터 재순환 가능한 유해한 오프-가스를 제거한다.
바람직하게는 상기 방법은 오프-가스가 제1 열-반응-영역의 하류에서 상기 방법으로 재순환되기 전에 오프-가스를 O2를 포함하는 가스 스트림과 배합하는 단계를 더 포함한다. 이것은 본 방법에 도입하기 전에 가스의 충분한 와류(swirling)/혼합을 허용하여 유리/분자 산소가 폐열 보일러로 진입하는 것을 방지하기 때문에 유리하다. 이것은, 폐열 보일러에서 이러한 조건 하에, 유리 (미반응) 산소가 폐열 보일러에서 관들을 신속하게 파괴시킬 수도 있는 유해한 삼산화황으로 전환되기 때문이다.
바람직하게는 상기 장치는 황 피트로부터의 가스를 제1 촉매 영역으로 재순환시키기 위한 수단을 포함한다. 대안적으로 및/또는 바람직하게는, 상기 장치는 제1 촉매 영역의 하류에 하나 이상의 추가의 촉매 영역을 포함한다.
바람직하게는 상기 장치는 제1 열-반응-영역의 하류에 하나 이상의 추가의 열-반응-영역을 포함한다. 더욱 바람직하게는 상기 장치는 황 피트로부터의 가스를 제1 열-반응-영역의 하류에서의 하나 이상의 추가의 열-반응-영역으로 재순환시키기 위한 수단을 포함한다.
도면
본 발명은 이제 예로서 제공되는 첨부 도면을 참조하여 더욱 설명될 것이다:
도 1은 본 발명의 일 실시형태의 황화수소 함유 가스 스트림으로부터 황을 회수하기 위한 방법 및 장치의 흐름도를 나타낸다. 화살표는 가스 흐름의 방향을 나타낸다.
도 1에 대한 참조 부호 설명
5. 제1 열-반응-영역
10. 제1 촉매-영역
15. 황 응축기
20. 황 응축기
25. 황화수소 가스를 포함하는 가스 스트림용 유입구
30. 제1 반응 가스용의 유출구
35. 제1 반응 가스용의 유입구
40. 제2 반응 가스용의 유출구
45. 황 피트
50. 황 피트로부터의 가스를 제1 열-반응-영역의 하류에서 장치 내로 재순환시키기 위한 수단
도 2는 본 발명의 대안적인 실시형태의 흐름도를 나타내며, 여기서 이 방법은 오프-가스의 적어도 일부를 제1 열-반응-영역의 하류의 제2 열-반응-영역 다운스트림으로 재순환시키는 단계를 포함하되; 여기서 제1 및 제2 열-반응-영역은 다회-통과식 폐열 보일러와 함께 단일 유닛에 수용되고; 단계 (i)의 가스 스트림은 제1 열-반응-영역을 통해서, 다회-통과식 폐열 보일러를 통과하여 재순환된 오프-가스의 적어도 일부를 포함하는 제2 열-반응-영역으로 이동하고, 이어서 재차 재순환된 오프-가스의 적어도 일부가 다회-통과식 폐열 보일러를 통과한다. 화살표는 가스 흐름의 방향을 나타낸다.
도 2에 대한 참조 부호 설명
5. 제1 열-반응-영역
10. 제1 촉매-영역
15. 황 응축기
20. 황 응축기
25. 황화수소 가스를 포함하는 가스 스트림용의 유입구
30. 제1 반응 가스용의 유출구
35. 제1 반응 가스용의 유입구
40. 제2 반응 가스용의 유출구
45. 황 피트
50. 황 피트로부터의 가스를 제1 열-반응-영역의 하류에서 장치 내로 재순환시키기 위한 수단
55. 다회-통과식 폐열 보일러
60. 제2 열-반응-영역
이상의 상세한 기술은 설명 및 예시에 의해 제공된 것이며, 첨부된 청구범위의 범주를 제한하도록 의도된 것은 아니다. 본 명세서에서 예시된 현재 바람직한 실시형태들의 많은 변화가 당업자에게 명백할 것이며, 여전히 첨부된 청구범위 및 그들의 등가물의 범주 내이다.

Claims (22)

  1. 황화수소 함유 가스 스트림으로부터 황을 회수하는 방법으로서,
    (i) 황화수소 가스를 포함하는 가스 스트림을 제공하는 단계;
    (ii) 상기 가스 스트림을 제1 열-반응-영역과 제1 촉매-영역을 포함하는 장치 내로 이동시키는 단계; 및
    (1) 상기 제1 열-반응-영역에서 상기 황화수소 가스의 일부를 반응시켜 이산화황과 수증기를 형성하고, 상기 황화수소의 추가의 부분을 반응시켜 황 증기와 수증기를 형성하여, 수증기, 황 증기, 이산화황 및 황화수소를 포함하는 결과적인-가스-혼합물을 형성하는 단계; 및
    (2) 상기 결과적인-가스-혼합물의 적어도 일부를 상기 제1 촉매-영역으로 이동시킴으로써, 상기 황화수소의 적어도 일부를 촉매의 존재 중에서 반응시켜 추가의 황 증기 및 수증기를 형성하는 단계; 및
    단계 (1) 및/또는 단계 (2) 후에, 상기 황 증기의 적어도 일부를 응축시켜 액체 황을 형성하고 상기 액체 황의 적어도 일부를 황 피트(sulphur pit)로 이동시키는 단계를 포함하되;
    상기 황 피트 내에 형성되거나 수용된 오프-가스(off-gas)가 상기 황 피트로부터 상기 제1 열-반응-영역의 하류에서 상기 방법으로 재순환되는, 황화수소 함유 가스 스트림으로부터 황을 회수하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 촉매-영역에 존재하는 상기 촉매는 산소 내성 촉매인, 황화수소 함유 가스 스트림으로부터 황을 회수하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 촉매는 TiO2를 포함하는, 황화수소 함유 가스 스트림으로부터 황을 회수하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 촉매는 Al2O3를 포함하고, 상기 제1 촉매-영역은 산소 제거제 물질(oxygen scavenger material)을 포함하는, 황화수소 함유 가스 스트림으로부터 황을 회수하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 산소 제거제 물질은 철을 포함하는, 황화수소 함유 가스 스트림으로부터 황을 회수하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 오프-가스는 상기 오프-가스의 총 부피에 기초하여 적어도 0.001 부피%의 황화수소를 포함하는, 황화수소 함유 가스 스트림으로부터 황을 회수하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 오프-가스는 상기 오프-가스의 총 부피에 기초하여 1 부피% 미만의 이산화황을 포함하는, 황화수소 함유 가스 스트림으로부터 황을 회수하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 오프-가스의 적어도 일부는 상기 황 피트로부터 상기 제1 촉매-영역으로 재순환되는, 황화수소 함유 가스 스트림으로부터 황을 회수하는 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 오프-가스의 적어도 일부는 상기 황 피트로부터 상기 제1 촉매-영역의 하류의 하나 이상의 추가의 촉매-영역으로 재순환되는, 황화수소 함유 가스 스트림으로부터 황을 회수하는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 오프-가스의 적어도 일부는 상기 황 피트로부터 상기 제1 열-반응-영역의 하류의 하나 이상의 추가의 열-반응-영역으로 재순환되는, 황화수소 함유 가스 스트림으로부터 황을 회수하는 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 황 피트로부터의 상기 오프-가스는 상기 제1 열-반응-영역으로 재순환되지 않는, 황화수소 함유 가스 스트림으로부터 황을 회수하는 방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 방법은 상기 오프-가스의 적어도 일부를 상기 제1 열-반응-영역의 하류의 제2 열-반응-영역으로 재순환시키는 단계를 포함하되; 상기 제1 열-반응-영역은 제1 폐열 보일러와 함께 제1 단일 유닛에 수용되고, 상기 제2 열-반응-영역은 제2 폐열 보일러와 함께 제2 단일 유닛에 수용되며; 단계 (i)의 상기 가스 스트림은 상기 제1 열-반응-영역을 통해서, 상기 제1 폐열 보일러를 통과하여 상기 제2 열-반응-영역으로 이동하고, 해당 제2 열-반응-영역에서 상기 재순환된 오프-가스의 적어도 일부와 배합되고 나서, 해당 배합된 스트림이 상기 제2 폐열 보일러를 통과하는, 황화수소 함유 가스 스트림으로부터 황을 회수하는 방법.
  13. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 방법은 상기 오프-가스의 적어도 일부를 상기 제1 열-반응-영역의 하류의 제2 열-반응-영역으로 재순환시키는 단계를 포함함되; 상기 제1 및 제2 열-반응-영역은 다회-통과식 폐열 보일러와 함께 단일 유닛에 수용되고; 단계 (i)의 상기 가스 스트림은 상기 제1 열-반응-영역을 통해서, 상기 다회-통과식 폐열 보일러를 통과하여 상기 제2 열-반응-영역으로 이동하고, 해당 제2 열-반응-영역에서 상기 재순환된 오프-가스의 적어도 일부와 배합되고 나서, 해당 배합된 스트림이 상기 다회-통과식 폐열 보일러를 통과하는, 황화수소 함유 가스 스트림으로부터 황을 회수하는 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 황 피트 내로 스위프 가스(sweep gas)를 도입하여 오프-가스를 형성하는 단계를 포함하는, 황화수소 함유 가스 스트림으로부터 황을 회수하는 방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 황 피트 내의 상기 액체 황을 탈기시켜 오프-가스를 형성하는 단계를 포함하는, 황화수소 함유 가스 스트림으로부터 황을 회수하는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 액체 황은 0.5 내지 1㎫의 압력에서 탈기되는, 황화수소 함유 가스 스트림으로부터 황을 회수하는 방법.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 오프-가스가 상기 제1 열-반응-영역의 하류에서 상기 방법으로 재순환되기 전에 상기 오프-가스를 O2를 포함하는 가스 스트림과 배합하는 단계를 더 포함하는, 황화수소 함유 가스 스트림으로부터 황을 회수하는 방법.
  18. 황화수소-함유 가스로부터 황을 회수하기 위한 장치로서,
    황화수소 가스를 포함하는 가스 스트림용의 유입구, 상기 가스 스트림 내의 황화수소를 반응시켜 제1 반응 가스를 생성하는 수단, 및 상기 제1 반응 가스용의 유출구를 구비하는 제1 열-반응-영역,
    상기 제1 열-반응-영역의 상기 유출구와 유체 연통하는 상기 제1 반응 가스용의 유입구 및 선택적으로 황화수소와 반응하여 황 증기 및 수증기를 포함하는 제2 반응 가스를 형성하는 촉매, 및 상기 제2 반응 가스용의 유출구를 구비하는 제1 촉매-영역,
    선택적으로 상기 제1 열-반응-영역의 상기 유출구로부터 상기 제1 촉매-영역의 상기 유입구로 통과하는 상기 제1 반응 가스를 입수하고 액체 황을 형성하도록 배열된 황 응축기,
    선택적으로 상기 제1 촉매-영역의 상기 유출구로부터 나오는 상기 제2 반응 가스를 입수하고 액체 황을 형성하도록 배열된 황 응축기,
    액체 황을 보유하기 위한 황 피트,
    상기 액체 황의 적어도 일부를 상기 제1 및/또는 제2 황 응축기로부터 상기 황 피트로 이송하기 위한 수단; 및
    상기 황 피트로부터의 가스를 상기 제1 열-반응-영역의 하류에서 상기 장치로 재순환시키기 위한 수단을 포함하되,
    상기 장치는 적어도 하나의 황 응축기를 포함하는, 황화수소-함유 가스로부터 황을 회수하기 위한 장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 장치는 상기 황 피트로부터의 가스를 상기 제1 촉매 영역으로 재순환시키기 위한 수단을 포함하는, 황화수소-함유 가스로부터 황을 회수하기 위한 장치.
  20. 제18항 또는 제19항에 있어서, 상기 장치는 상기 제1 촉매 영역의 하류에 하나 이상의 추가의 촉매 영역을 포함하는, 황화수소-함유 가스로부터 황을 회수하기 위한 장치.
  21. 제18항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 상기 제1 열-반응-영역의 하류에 하나 이상의 추가의 열-반응-영역을 포함하는, 황화수소-함유 가스로부터 황을 회수하기 위한 장치.
  22. 제21항에 있어서, 상기 장치는 상기 황 피트로부터의 가스를 상기 제1 열-반응-영역의 하류에서의 상기 하나 이상의 추가의 열-반응-영역으로 재순환시키기 위한 수단을 포함하는, 황화수소-함유 가스로부터 황을 회수하기 위한 장치.
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