NL8300576A - Werkwijze en inrichting voor het verbranden van ammoniak-bevattende afgassen. - Google Patents

Description

«a - 1 - * , * ' "WERKWIJZE EN INRICHTING VOOR HET VERBRANDEN VAN AMMDNIAK-BEVATTENDE AFGASSEN"

De uitvinding Heeft betrekking op een werkwijze voor het verbranden van een ammoniak-bevattend afgas. De onderhavige uitvinding heeft ook betrekking op een inrichting voor het uitvoeren van een dergelijke werkwijze.

5 Ammoniak (NH^)-bevattende afgassen kunnen bijvoorbeeld afkomstig zijn van het hydrogeneren van ruwe minerale oliën of producten afgeleid van dergelijke oliën, van de verwerking van kooksovengas of van kolenvergassingsprocessen. Dergelijke werkwijzen leveren vloeibare of gasvormige produktstromen op die 10 ammoniak bevatten, dat daaruit verwijderd dient te worden.

Ammoniak kan uit dergelijke stromen verwijderd worden door het te wassen met water bij, bijvoorbeeld, verhoogde druk en verlaagde temperatuur. Het wassen wordt meestal uitgevoerd met een overvloedige hoeveelheid water zodat verdunde, ammoniak-15 bevattende oplossingen worden gevormd. Wanneer ammoniak- 8300576 t *' i - 2 - bevattende oplossingen met stoom worden behandeld ontstaan water, dat geschikt is om in open oppervlaktewater geloosd te worden, en een ammoniak- en waterdamp-bevattend afgas.

Dergelijke afgassen kunnen ook waterstofsulfide (^S) bevatten.

5 I^S-bevattende gassen kunnen bijvoorbeeld afkomstig zijn van de bovengenoemde hydrogeneringsprocessen, de verwerking van kooksovengas, of van kolenvergassingsprocessen. Voorbeelden van dergelijke hydrogeneringsprocessen zijn ontzwavelingsprocessen zoals die in de olie-industrie worden uitgevoerd. Aardgas kan 10 ook fl^S bevatten. H^S kan uit H^S-bevattende gassen verwijderd worden door middel van absorptie in een regenereerbaar absorbens. Regeneratie van het absorbens geeft een gas met een hoger ï^S-gehalte dan het E^S-bevattende gas waarvan is uitgegaan en dat gewoonlijk ook kooldioxide (CO^) bevat. Elementaire zwavel 15 kan uit het door de regeneratie ontstane gas worden gewonnen door middel van een Claus-proces. In een Claus-proces vinden met betrekking tot zwavelvorming de volgende reacties plaats: h2s + - o2 —»so2 + h2o bij welke reactie ongeveer 1/3 van de H2S in de zogenaamde thermische stap van het Claus-proces verbrand wordt tot S02> 20 gevolgd door de reactie: 2 H2S + S02^=^3 S + 2 H20 welke·plaatsvindt in de katalytische stappen van het proces.

In het Claus-proces worden H2S en S02~bevattende gassen naar ëén of meer katalytische zones geleid waarin elementaire zwavel gevormd wordt volgens bovengenoemde reactie, waarbij de 25 molaire verhouding van H2S tot S02 in de gassen geschikt ongeveer 2:1 is. Voordat de gassen in een katalytische zone gevoerd worden, worden ze op de gewenste reactietemperatuur gebracht, geschikt tussen 230°C en 280eC en na het verlaten van 8300576 * 3 * - 3 - deze zone worden zij door middel van koeling/condensatie gescheiden in vloeibare zwavel en, in het geval van de laatste katalytische zone, in I^S-bevattende afgassen, hiern.a ook "afgassen van Claus-installaties" genoemd. Deze afgassen 5 bevatten ook andere zwavelverbindingen dan H^S. Deze I^S- bevattende afgassen hebben een aanzienlijk lager B^S-gehalte dan het H^S-bevattende gas dat in het Claus-proces gevoerd wordt.

Met het oog op de steeds strenger wordende wetgeving op het gebied van milieubescherming kunnen NH^-bevattende afgassen en 10 ï^S-bevattende afgassen niet in de atmosfeer afgevoerd worden.

Een geschikte afvoermethode is de NH^ in de NH^-bevattende afgassen te verbranden tot stikstof en water en de H^S in de H^S-bevattende afgassen te verbranden tot SO^ en water; de aldus verkregen verbrandingsgassen kunnen in de atmosfeer worden 15 afgevoerd.

Het Britse octrooischrift No. 1.448.085 beschrijft een werkwijze voor de verbranding van Claus-afgassen samen met NH^-bevattende gassen in een oven voor Nïï^-verbranding en bij aanwezigheid van een stookgas bij een temperatuur tussen 1000°C 20 en 1150eC. De in de oven gevormde gassen worden door een afval-warmteketel gevoerd en daarna door een schoorsteen afgevoerd.

Een nadeel van deze werkwijze is het tamelijk hoge gehalte aan stikstofoxiden (Ν0χ) van de door de verbranding gevormde afgassen.

25 In genoemd Brits octrooischrift wordt voorgesteld de door de verbranding geproduceerde gassen terug te voeren naar de oven waarin de verbranding plaatsvindt in een zodanige hoeveelheid dat de verbranding daarin plaatsvindt met een overmaat aan zuurstof variërend van 0,5 tot 5,0 vol.% zuurstof. De in de 30 vrije atmosfeer afgevoerde afgassen geven derhalve minder NO per uur af. Een nadeel van deze variant is het opnieuw in circulatie komen van grote hoeveelheden gas. In de proef beschreven in genoemd Brits octrooischrift werd bijvoorbeeld een hoeveelheid afgas naar de oven teruggevoerd die 45 vol.% uitmaakte van het 35 totaal van het NH^-bevattende gas, het stookgas en de aan de 8300576 jl ft - 4 - oven toegevoerde lucht. De oven en de afvalwarmteketel moeten derhalve dienovereenkomstig grotere afmetingen hebben en een grote ventilator is vereist voor het afvoeren van de gassen van de produktielijn naar de schoorsteen en voor het toevoeren aan 5 de oven.

De onderhavige uitvinding heeft ten doel het nadeel van de bovengenoemde recirculatie van afgassen te vermijden.

De onderhavige uitvinding heeft verder ten doel de hoeveelheid Ν0χ die in de atmosfeer wordt afgevoerd te verminderen.

10 De onderhavige uitvinding verschaft derhalve een werkwijze voor het verbranden van een ammoniak-bevattend afgas, omvattende de volgende stappen: a) het verbranden van het ammoniak-bevattende afgas bij aanwezigheid van stookgas met een eerste hoeveelheid vrije 15 zuurstof-bevattend gas, waarbij de eerste hoeveelheid vrije zuurstof sub-stoechiometrisch is, berekend op de verbranding van NH^ tot en ^0 en van het stookgas tot CO^ en B^O.

b) het mengen van de in stap (a) gevormde verbrandingsgassen 20 met een tweede hoeveelheid vrije zuurstof-bevattend gas, waarbij het totaal van de eerste en de tweede hoeveelheid vrije zuurstof ten opzichte van genoemde verbranding super-stoechiometrisch is en, c) het mengen en verbranden van de in stap (b) gevormde gassen 25 met een afgas, dat brandbare zwavelverbindingen bevat, en een derde hoeveelheid vrije zuurstof-bevattend gas, waarbij de derde hoeveelheid vrije zuurstof super-stoechiometrisch is, berekend op de verbranding van de brandbare verbindingen in het brandbare zwavelverbindingen-bevattende afgas tot 30 S02, C02 en H20.

Het in de werkwijze volgens onderhavige uitvinding aan te voeren vrije zuurstof-bevattende gas kan elke gasvormige stroom zijn die aanzienlijke hoeveelheden vrije zuurstof en andere bestanddelen bevat die geen al te grote remmende invloed op de 35 verbranding uitoefenen. Het vrije zuurstof-bevattende gas is bij 8300576 Μ Λ m - 5 - voorkeur lucht, maar het gebruik van bijvoorbeeld zuurstof-verrijkte lucht of zuivere zuurstof is niet uitgesloten.

Elk geschikt brandbare zwavelverbindingen-bevattend afgas kan in de werkwijze volgens de onderhavige uitvinding gebruikt 5 worden; I^S-bevattende afgassen en in het bijzonder Clausafgassen zijn zeer geschikt.

Ten einde luchtverontreiniging tegen te gaan, zijn verschillende methoden voor het verwijderen van zwavelverb indingen en elementaire zwavel van Claus-afgassen ontwikkeld. Dergelijke 10 methoden verminderen de in de vrije atmosfeer af te voeren SO2, SO^ en water aanzienlijk. In verband hiermede is het volgens de onderhavige uitvinding gebruikte, zwavelverbindingen-bevattende afgas geschikt het afgas van een werkwijze voor de verwijdering van zwavelverbindingen en elementaire zwavel uit Claus-afgassen.

15 Een dergelijke werkwijze wordt bijvoorbeeld beschreven in het Britse octrooischrift No. 1,356,289.

De in stap (a) gebruikte vrije zuurstof ligt geschikt in het traject van 65% tot 99% en bij voorkeur in het traject van 70% tot 90% van de stoechiometrische hoeveelheid voor de verbranding 20 van NH^ tot en H^O en van het stookgas tot CO 2 en 1^0.

De in stap (a) gebruikte temperatuur wordt geschikt op een waarde van 1400-1600°C gehouden.

De gemiddelde verblijftijd van de rookgassen in stap (a) ligt geschikt in het traject van 0,2 s tot 2 s.

25 Het NHg-bevattende gas en het stookgas dienen in eikaars aanwezigheid in stap (a) verbrand te worden. Hiertoe kunnen beide gassen afzonderlijk in de contactzone worden gebracht, waarbij gebruik wordt gemaakt van ëên of meer branders alleen voor het NH^-bevattende gas en één of meer branders alleen voor 30 het stookgas. Het verdient echter de voorkeur het NH^-bevattende gas en het stookgas te mengen en het aldus gevormde mengsel in stap (a) te verbranden.

Aan het einde van stap (a) bevatten de rookgassen als hoofdbestanddelen CO2, 1^0, NH^, ÏÏCN, NO, CO en 8300576 - 6 -

Stap (b) heeft ten doel in zeer korte tijd te zorgen voor een grondige menging van de rookgassen met een tweede hoeveelheid vrije zuurstof-bevattend gas. Dit doel kan bereikt worden in een geschikte mengkamer, bijvoorbeeld in een cilindrische buis met 5 een binnendiameter die kleiner is dan die van de verbrandings-zone waarin stap (a) wordt uitgevoerd. Het mengen vindt geschikt plaats in een tijd variërend van 0,010 s tot 0,020 s.

De totale, in de stappen (a) en (b) gebruikte hoeveelheid vrije zuurstof is bij voorkeur tussen 100 en 130% van de 10 stoechiometrische hoeveelheid.

In stap (c) worden de rookgassen van stap (b) geschikt eerst in een zeer korte tijd grondig gemengd met het brandbare zwavelverbindingen-bevattende afgas en de derde hoeveelheid vrije zuurstof-bevattend gas. In stap (c) wordt een zodanige 15 verblijftijd van het mengsel toegestaan dat volledige verbranding van de brandbare zwavelverbindingen verkregen wordt; deze verblijftijd ligt gewoonlijk in het gebied van 0,2 tot 1 s.

Stap (c) wordt geschikt uitgevoerd bij een temperatuur in het gebied van S00-1000°C. Deze temperatuur kan afgesteld worden 20 door de aan stap (a) toe te voeren hoeveelheid stookgas te regelen.

De in stap (c) toegevoerde hoeveelheid vrije zuurstof ligt geschikt tussen 100 en 400% en bij voorkeur tussen 200 en 300% van de stoechiometrische hoeveelheid.

25 De in stap (c) uittrëtiende gassen kunnen door een afval- warmteketel gevoerd worden waarin zij door indirecte warmte-wisseling met water gekoeld worden, waarbij gelijktijdig stoom wordt gegenereerd.

De uitvinding verschaft verder een inrichting geschikt voor 30 gebruik in de werkwijze volgens de onderhavige uitvinding, welke inrichting omvat: a) een verbrandingskamer, aan de voorkant voorzien van een inlaat voor gasvormige brandstof en zuurstof-bevattend gas, 8300576 * ·' *· - 7 - b) een mengkamer in open verbinding met de achterkant van de verbrandingskamer en voorzien van een inlaat voor zuurstof-bevattend gas, en c) een koelkamer in open verbinding met de mengkamer en 5 voorzien van een inlaat voor brandbare gassen en zuurstof- bevattend gas.

De verbrandings-, meng- en koelkamers kunnen elke geschikte vorm hebben en hebben bij voorkeur een geheel of nagenoeg geheel cilindrische vorm.

10 De inlaat in de verbrandingskamer kan elke geschikte vorm hebben. De inlaat voor gasvormige brandstof in de verbrandingskamer is bij voorkeur voorzien van openingen die nagenoeg gelijkmatig verdeeld zijn over de dwarsdoorsnede van de verbrandingskamer.

Wanneer de gasvormige brandstof radiaal in de stroom van zuurstof- 15 bevattend gas wordt geïnjecteerd, ontstaat een grondig gemengde, turbulente diffusievlam.

Het oppervlak van de dwarsdoorsnede van de mengkamer is bij voorkeur 5-50% van die van de verbrandingskamer, waardoor een grondige menging wordt bevorderd.

20 Cirkelcilindrische mengkamers hebben de voorkeur en in dit geval heeft de mengkamer bij voorkeur een lengte:diameter verhouding variërend van 5:1 tot 1:1.

.De koelkamer is bij voorkeur voorzien van middelen om de gassen van de mengkamer af naar buiten te geleiden, waardoor 25 grondige en snelle menging verkregen wordt met de brandbare gassen en het zuurstof-bevattende gas dat ook aan de koelkamer wordt toegevoerd.

De uitvinding wordt nader toegelicht aan de hand van bijbehorende tekening en voorbeeld.

30 VOORBEELD

Zoals uit de tekening blijkt, wordt een gas bestaande uit NH^ (5,28 kmol/h) en waterdamp (0,09 kmol/h) en met een temperatuur van 40°C via een leiding 1 toegevoerd. Een stookgas (7,75 kmol/h) bestaande uit 85 vol.% methaan en 15 vol.% 8300576 ,Λ - 8 - stikstof wordt via een leiding 2 bij een temperatuur van 15aC toegevoerd. Het NH^-bevattende gas en het stookgas worden in een leiding 3 samengevoegd en het aldus verkregen mengsel wordt aan de brander van de cirkelcilindrische verbrandingskamer 4 toe-5 gevoerd. Lucht (1513 Nm3/h waarvan 309 Nm3/h uit vrije zuurstof bestaat en de temperatuur 50°C is) wordt via een leiding 5 aan de verbrandingskamer 4 toegevoerd, waarbij de hoeveelheid vrije zuurstof 80% is van de stoechiometrische hoeveelheid vereist voor volledige verbranding van NH^ tot en H^O en van methaan 10 tot CO^ en HgO. De aanduiding "Nm3" heeft betrekking op 1 m3 gas met een temperatuur van 0°C en een druk van 1,01 bar. Het via de leiding 3 toegevoerde mengsel wordt radiaal in de luchtstroom geïnjecteerd via een ringvormige buis die voorzien is van openingen langs de binnenomtrek, welke openingen gelijkmatig 15 verdeeld zijn over de dwarsdoorsnede van de verbrandingskamer 4, waardoor een turbulente diffusievlam verkregen wordt en de NH^ en het stookgas met dezelfde snelheid worden verbrand. De gemiddelde verblijftijd van de rookgassen in de verbrandingskamer 4 is 0,7 s en de daar heersende temperatuur 1500°C. De 20 verbrandingskamer 4 heeft een binnendiameter en een lengte van resp. 100 en 300 cm, waarbij de lengte gemeten wordt van de ringvormige buis tot de achterkant. De rookgassen stromen van de verbrandingskamer 4 in een cirkelcilindrische mengkamer 7 (binnendiameter 30 cm, lengte 50 cm), waarin zij gemengd worden 25 met een tweede hoeveelheid lucht (568 Nm3/h waarvan 116 Nm3/h uit vrije zuurstof bestaat en de temperatuur 50°C is) die wordt toegevoerd via de leiding 6, een leiding 8 en een leiding 9, waarbij de totale hoeveelheid vrije zuurstof die vla de leidingen 5 en 9 wordt aangevoerd, 110% van de stoechiometrische 30 hoeveelheid is en waarbij het oppervlak van de dwarsdoorsnede van de mengkamer 9% is van dat van de verbrandingskamer.

De rookgassen stromen van de mengkamer 7 in een cirkelcilindrische koelkam'er Λ0 (binnendiameter 100 cm, lengte 450 cm) die voorzien is van een keerschot 13 om de rookgassen van de 8300576 - 9 - mengkamer 7 af naar buiten te geleiden. De rookgassen worden in de koelkamer 10 gemengd met Claus-afgassen (261,54 kmol/h, temperatuur 154°C) die wordt toegevoerd via een leiding 11 en een derde hoeveelheid lucht (1230 Nm3/h, waarvan 251 Nm3/h uit 5 vrije zuurstof bestaat en de temperatuur 50eC is), die wordt toegevoerd via een leiding 12, waarbij de hoeveelheid vrije zuurstof overeenkomt met 250% van de stoechiometrische hoeveelheid vereist voor volledige verbranding van de brandbare bestanddelen in het Claus-afgas tot SO^, CO^ en H^O. De 10 gemiddelde verblijftijd van de rookgassen in de koelkamer 10 is 0,3 s. Het Claus-afgas heeft de volgende samenstelling (hoeveelheden in kmol/h):

Bestand- Hoeveel- Bestand- Hoeveel- Bestand- Hoeveel- deel heid deel heid deel heid N2 144,65 H2 1,57 COS 0,16 H„0 67,25 H„S 1,03 S , „ . n 2 2 elementair 0,151 C02 43,28 S02 0,52 CO 2,52 02 0,41

De rookgassen die de uitlaat van de koelkamer 10 verlaten hebben een temperatuur van 900°C en bevatten minder dan 150 15 volumedelen NO per miljoen volumedelen rookgas (vdpm).

X

8300576

Claims (16)

1. Werkwijze voor het verbranden van een ammoniak-bevattend afgas omvattende de volgende stappen: a) het verbranden van het ammoniak-bevattende afgas bij aanwezigheid van stookgas met een eerste hoeveelheid vrije 5 zuurstof-bevattend gas, waarbij de eerste hoeveelheid vrije zuurstof sub-stoechiometrisch is, berekend op de verbranding van NH3 tot N2 en ^0 en van het stookgas tot C02 en H20, b) het mengen van de in stap (a) gevormde verbrandingsgassen 10 met een tweede hoeveelheid vrije zuurstof-bevattend gas, waarbij het totaal van de eerste en de tweede hoeveelheid vrije zuurstof ten opzichte van genoemde verbranding super-stoechiometrisch is, en c) het mengen en verbranden van de in stap (b) gevormde gassen 15 met een afgas, dat brandbare zwavelverbindingen bevat, en een derde hoeveelheid vrije zuurstof-bevattend gas, waarbij de derde hoeveelheid vrije zuurstof super-stoechiometrisch is, berekend op verbranding van de brandbare verbindingen in het brandbare zwavelverbindingen-bevattende afgas tot 20 S02, C02 en H20.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het vrije zuurstof-bevattende gas lucht is.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, mef het kenmerk, dat het brandbare zwavelverbindingen-bevattende afgas een Claus- 25 afgas is.

4. Werkwijze volgens één of meer der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de in stap (a) gebruikte hoeveelheid vrije zuurstof ligt in het traject van 65 tot 99% van de stoechio-metrische hoeveelheid.

5. Werkwijze volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de in stap (a) gebruikte hoeveelheid vrije zuurstof ligt in het 8300576 - 11 - traject van 70 tot 90% van genoemde stoechiometrische hoeveelheid.

6. Werkwijze volgens dén of meer der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat stap (a) uitgevoerd wordt bij een 5 temperatuur in het traject van 1400 tot 1600°C. .

7. Werkwijze volgens één of meer der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de totale, in de stappen (a) en (b) toegevoerde hoeveelheid vrije zuurstof ligt tussen 100% en 130% van de stoechiometrische hoeveelheid.

8. Werkwijze volgens één of meer der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de in stap (c) toegevoerde hoeveelheid vrije zuurstof ligt tussen 100% en 400% van de stoechiometrische hoeveelheid.

9. Werkwijze volgens één of meer der voorgaande conclusies, 15 met het kenmerk, dat stap (c) uitgevoerd wordt bij een temperatuur variërend van 800°C-100Q°C.

10. Inrichting geschikt voor gebruik in een werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de inrichting omvat: 20 a) een verbrandingskamer, aan de voorkant voorzien van een inlaat voor gasvormige brandstof en zuurstof-bevattend gas, b) een mengkamer in open verbinding met de achterkant van de verbrandingskamer en voorzien van een inlaat voor zuurstof-bevattend gas, en 25 c) een koelkamer in open verbinding met de mengkamer en voorzien van een inlaat voor brandbare gassen en zuurstof-bevattend gas.

11. Inrichting volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat de verbrandings-, meng- en koelkamers een geheel of nagenoeg geheel 30 cilindrische vorm hebben.

12. Inrichting volgens conclusie 10 of 11, met het kenmerk, dat de inlaat voor gasvormige brandstof van de verbrandingskamer voorzien is van openingen die nagenoeg gelijkmatig verdeeld zijn over de dwarsdoorsnede van de verbrandingskamer. 8300576 v* V - 12 -

13. Inrichting volgens conclusie 11 of 12, met het kenmerk, dat het oppervlak van de dwarsdoorsnede van de mengkamer 5-50% is van dat van de verbrandingskamer.

14. Inrichting volgens eên of meer der conclusies 11 tot 13, 5 met het kenmerk, dat de mengkamer een cirkelcilindrische vorm heeft.

15. Inrichting volgens conclusie 14, met het kenmerk, dat de mengkamer een lengte:diameter verhouding heeft in het traject tussen 5:1 en 1:1.

16. Inrichting volgens éën of meer der conclusies 10 tot 15, met het kenmerk, dat de koelkamer voorzien is van middelen om de gassen van de mengkamer af naar buiten te geleiden. 8300576