PL191175B1

PL191175B1 - Sposób otrzymywania elementarnej siarki przez spalanie siarkowodoru lub gazu zawierającego siarkowodór oraz urządzenie do otrzymywania elementarnej siarki przez spalanie siarkowodoru lub gazu zawierającego siarkowodór

Info

Publication number: PL191175B1
Application number: PL336474A
Authority: PL
Inventors: Gerhard Gross; Vincenzo Spitaleri
Original assignee: Messer Griesheim Gmbh
Priority date: 1997-04-30
Filing date: 1998-04-17
Publication date: 2006-03-31
Also published as: EP0977708A1; US6780392B2; PL336474A1; ZA983616B; HRP980160A2; ES2231986T3; US20020031468A1; HRP980160B1; EP0977708B1; DE19718261A1; DE59812152D1; WO1998049098A1; ATE280128T1

Abstract

1. Sposób otrzymywania elementarnej siarki przez spalanie siarkowodoru lub gazu zawierajacego siarkowodór, zwlaszcza sposób Clausa, w którym siarkowodór lub gaz zawierajacy siarkowodór, do- prowadza sie przez pierwsze urzadzenie do palnika i spala sie czesciowo w komorze spalania z dodat- kiem powietrza jako srodka utleniajacego, a nastep- nie doprowadza sie do kotla na cieplo odpadowe i kolejno do jednego lub wielu reaktorów, znamienny tym, ze tlen lub gaz zawierajacy tlen doprowadza sie do komory spalania (8) poprzez co najmniej jedno drugie, dodatkowe urzadzenie (10) komory spalania (8), przy czym dopala sie siarkowodór lub gaz zawieraja- cy siarkowodór. 16. Urzadzenie do otrzymywania elementarnej siarki przez spalanie siarkowodoru lub gazu zawiera- jacego siarkowodór, zwlaszcza urzadzenie Clausa, w którym siarkowodór lub gaz zawierajacy siarkowo- dór ulega czesciowemu spalaniu z dodatkiem powie- trza w palniku z komora spalania, znamienne tym, ze doprowadzenie tlenu lub gazu zawierajacego tlen ma ujscie w komorze spalania (8) w postaci przy- najmniej jednej dodatkowej dyszy (10). PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do otrzymywania elementarnej siarki (S) przez spalanie siarkowodoru (H2S) lub gazu zawierającego siarkowodór.

Siarka potrzebna jest przy wielu chemicznych sposobach albo w postaci elementarnej albo w postaci kwasu siarkowego. Siarka jest jednakże bardzo trująca gdy występuje w postaci dwutlenku siarki (SO2) lub jako siarkowodór. Dlatego istnieją maksymalnie dopuszczalne granice emisji dla tych związków, siarki, które na całym świecie będą zaostrzane.

Kopalne paliwa, takiego jak gaz ziemny, węgiel, piasek roponośny, łupki bitumiczne i ropa naftowa, zawierają organiczne i nieorganiczne związki siarki. Konieczne jest usunięcie tych związków siarki lub ich przemiana w nieszkodliwe związki siarki. Do usuwania związków siarki z paliw i z produktów spalania istnieje duża liczba fizycznych i chemicznych procesów przemiany.

W przypadku paliw stałych, związki siarki po ich spaleniu w elektrowni jako dwutlenek siarki absorbowane są za pomocą mleka wapiennego w urządzeniu odsiarczającym i podlegają przemianie w siarczek wapniowy. Za pomocą utleniania przez pozostałość tlenu zawartą w gazach odlotowych, powstaje gips jako produkt końcowy.

Dla paliw płynnych, takich jak na przykład olej napędowy lub lżejszy olej opałowy przepisane są dopuszczalne maksymalne zawartości w nich siarki, gdyż nie ma możliwości odsiarczenia gazów spalinowych po ich ewentualnym spaleniu na przykład w silnikach. Odsiarczanie takich paliw przeprowadza się w rafineriach. Związki siarki istniejące w surowym oleju znajdują się ponownie w destylacie, przy czym frakcje oleju ciężkiego zawierają najwyższe stężenia siarki.

Odsiarczanie przeprowadza się za pomocą wodoru (H2)w postaci gazowej. Organiczne związki siarki przetwarzane są przy tym w siarkowodór. Siarkowodór występujący jako mieszanina gazów z wodorem i innymi węglowodorami wypłukiwany jest w płuczkach aminowych jako gaz Clausa lub siarkowodór gazowy osiągając stężenie aż do 90% obj. Siarkowodór powstaje także w kolumnach stripingowych odpędzających lżejsze składniki. Siarkowodór istnieje tu jako wodnisty kondensat i jako gaz stripingowy (gaz SWS) zostaje odpędzony aż do 50% obj. siarkowodoru. Dodatkowo może zaistnieć do 50% obj. amoniaku (NH3) powstającego przez rozkład organicznych związków azotu.

Również przy spalaniu węgla lub oleju ciężkiego w elektrowniach, przy którym paliwo ulega najpierw zgazowaniu przy małym dostępie tlenu, powstaje gaz syntezowy zawierający siarkowodór, który to gaz przed spaleniem poddaje się oczyszczeniu.

Siarkowodór występuje również w różnych stężeniach jako gaz towarzyszący ropie naftowej oraz w gazie ziemnym w ilościach do 30% obj. a także w gazach odlotowych z oczyszczalni ścieków w ilościach do 5% obj. siarkowodoru.

Przemysłowe wykorzystanie siarkowodoru jest ograniczone, z tego powodu najpierw podlega on przemianie w siarkę elementarną, a następnie w specjalnej instalacji przetwarzany jest w kwas siarkowy. Elementarna siarka potrzebna jest w przemyśle gumowym. Kwas siarkowy stosuje się w przemyśle chemicznym.

Bezpośrednia przemiana siarkowodoru w elementarną siarkę możliwa jest za pomocą termicznego rozkładu siarkowodoru, mokrego utleniania siarkowodoru w ciekłej (wodnistej) fazie i suchego utleniania siarkowodoru w fazie parowej.

Najczęściej wykorzystywanym na świecie, w ponad 2000 zakładach jest bezpośredni sposób przemiany powstały już w 1883 r., tak zwany sposób Clausa. Sposób ten polega na prowadzeniu suchego procesu utleniania. Powstała duża liczba odmian tego procesu. Wszystkie te odmiany bazują na tej samej podstawowej chemicznej reakcji oraz stosuje się w nich reaktor termiczny i reaktor katalityczny.

Reaktor termiczny składa się z komory spalania z palnikiem, z kotła na ciepło odpadowe i z pierwszego kondensatora siarki. Reaktor katalityczny wykonany jest jako dwu- lub trójstopniowy. Poszczególne stopnie zawierają podgrzewacz, złoże katalizatora i kondensator siarki.

W komorze spalania i w katalitycznych reaktorach przebiegają następujące podstawowe reakcje chemiczne:

1. H₂S+1/2O₂ +1,88N₂ - >1/3SO₂ + 2/3H₂S+1/3H₂O+1,88N₂

2. 1/3SO₂ + 2/3H₂S + 1/3H₂ + 1,88N₂ - > S + H₂O + 1,88N₂

W sumie :H₂S +1/2O₂ +1,88N₂ - >S + H₂O +1,88N₂

PL 191 175 B1

Pozostałe, istniejące w przebiegu procesu gazy towarzyszące, takie jak na przykład wodór, metan, wyższe węglowodory, amoniak, para wodna, dwutlenek węgla, odpowiednio do ich stężenia reagują w dużej liczbie reakcji ubocznych.

Właściwa reakcja Clausa zachodząca pomiędzy dwutlenkiem siarki i siarkowodorem, w wyniku której tworzy się elementarna siarka i para wodna jest reakcją oznaczoną jako 2. Reakcja ta przebiega w złożu katalizatora.

Elementarna siarka wytwarzana jest ponadto bezpośrednio w komorze spalania przez termiczny rozkład siarkowodoru na siarkę i wodę.

3. H2S -> H2 + 1/2S2

Reakcja ta jest silnie endotermiczna.

W technicznym przebiegu sposobu jedna trzecia ilości siarkowodoru, najczęściej mieszanina gazu Clausa i gazu stripingowego, za pomocą palnika zostaje spalona przy użyciu powietrza do spalania, poniżej wartości stechiometrycznej, tworząc w jednej trzeciej dwutlenek siarki. Pozostały siarkowodór, w komorze spalania w zakresie temperatur 900°C do 1300°C rozkłada się termicznie na siarkę i wodór i w temperaturach od 180°C do 400°C z nie spalonym siarkowodorem podlega przemianie w reaktorze katalitycznym na elementarną siarkę i wodę. Przemiana w siarkę jest optymalna, gdy stosunek siarkowodór/dwutlenek siarki wynosi dwa do jednego. W praktyce optymalny stosunek jest osiągalny tylko w przybliżeniu.

Elementarna siarka utworzona w komorze spalania, po ochłodzeniu gazu procesowego w kotle na ciepło odpadowe i w pierwszym kondensatorze siarki zostaje oddzielona już w stanie płynnym. W dołączonych reaktorach katalitycznych ochłodzony gaz procesowy przed wejściem do katalizatorów zostaje ogrzany do wymaganej temperatury reakcji, za pomocą włączonych przed katalizatorami podgrzewaczy wykorzystujących sprężoną parę lub olej stanowiący nośnik ciepła. Siarka wytworzona wskutek reakcji Clausa oddziela się również w stanie płynnym w kondensatorach siarki.

Ze względu na różne stężenia siarkowodoru w gazie wsadowym w stosowanych zwykle procesach Clausa występują dwa główne warianty: praca z zastosowaniem strumienia głównego, w przypadku stężeń siarkowodoru większych od 50% obj. i praca z zastosowaniem strumienia pobocznego, w przypadku stężeń siarkowodoru od 30% do 50% obj.

W przypadku pracy ze strumieniem głównym cała ilość siarkowodoru zostaje częściowo spalona w komorze spalania wraz z powietrzem do spalania. Wskutek rozkładu termicznego siarkowodoru zachodzącego w komorze spalania, większa część siarki ulega oddzieleniu w pierwszym kondensatorze siarki za kotłem na ciepło odpadowe. Dla gazu bogatego w siarkowodór stopień przemiany w siarkę przy trójstopniowym procesie Clausa wynosi 96 do 97%.

Dołączone urządzenia do dodatkowej obróbki, najczęściej w postaci procesów Clausa z termicznym dopalaniem umożliwiają dotrzymanie prawnie określonych wartości granicznych zależnych od zdolności produkcyjnej urządzenia.

W przypadku pracy ze strumieniem pobocznym, z powodu mniejszej wartości opałowej siarkowodoru gazowego, strumień gazu zostaje podzielony. Przynajmniej jedna trzecia gazu siarkowodorowego wraz z koniecznym powietrzem do spalania zostaje spalona w komorze spalania, a powstały gaz reakcyjny bogaty w dwutlenek siarki przed pierwszym reaktorem zostaje zmieszany z resztkowym siarkowodorem gazowym. W tego rodzaju procesie w komorze spalania nie tworzy się elementarna siarka, gdyż siarkowodór gazowy spala się całkowicie.

Przy stężeniach siarkowodoru mniejszych od 30% obj. nawet praca ze strumieniem pobocznym nie może być stosowana ze względu na niską wartość opałową. Spalanie jest wtedy niestabilne. Poza tym, praca ze strumieniem pobocznym z reguły wymaga gazu wsadowego pozbawionego amoniaku. W przeciwnym przypadku katalizatory zostaną zanieczyszczone amoniakiem poprzez istniejące obejście. W przypadku obecności amoniaku, na przykład przy zastosowaniu gazu stripingowego, gaz ten spala się w komorze spalania osobno od gazu Clausa. Takie jakości gazu wsadowego wymagają zmienionych odmian procesu Clausa.

Do uwarunkowanej produkcją zwiększonej wydajności rafinacji oraz zastosowania tańszych ale bogatszych w siarkę rodzajów oleju surowego, lub do zmniejszonych granicznych wartości stężenia siarki w produkcie końcowym, istniejące urządzenia typu Clausa mają często zbyt małą zdolność wytwórczą siarki. Określenie zdolność wytwórcza siarki oznacza tu ilość wytworzonej siarki w jednostce czasu.

PL 191 175 B1

Oprócz ewentualnie nowej budowy lub przebudowy urządzenia Clausa, istnieje także możliwość obejścia aparaturowego wąskiego gardła przez zastosowanie tlenu. Przy tych sposobach powietrze do spalania zastępuje się częściowo lub całkowicie przez tlen. Wskutek użycia tlenu temperatura spalania ulega zwiększeniu a udział gazu obojętnego zostaje zmniejszony lub wyeliminowany. Oznacza to, że objętość właściwa gazu procesowego a tym samym strata ciśnienia w urządzeniu ulega zmniejszeniu. Wskutek tego zdolność przepustowa gazu stripingowego i gazu Clausa ulegają zwiększeniu tak, że w reaktorze ze strumieniem głównym można przerabiać gazy wsadowe ubogie w siarkowodór i o niskich wartościach opałowych, a o dużej zawartości amoniaku. Zastosowanie tlenu w urządzeniach Clausa stanowi obecnie stan techniki.

W stosowanych obecnie procesach wzbogacanie tlenem powietrza do spalania jest proste do zrealizowania. Przepustowość siarkowodoru jest proporcjonalna do ilości doprowadzanego tlenu. Maksymalnie możliwa ilość tlenu ograniczona jest przez dopuszczalne temperatury pracy palnika, kotła na ciepło odpadowe i pierwszego reaktora.

W zależności od będącego do dyspozycji palnika maksymalnie dopuszczalne stężenie tlenu wynosi 27 do 28% objętościowych, przy czym dopuszczalne temperatury robocze panika, kotła na ciepło odpadowe i pierwszego reaktora, są limitowane. Stopień przemiany siarki w porównaniu do znanego sposobu Clausa nie ulega zwiększeniu.

W procesie typu COPE powietrze do spalania wzbogaca się tlenem, przy czym można stosować większe stężenia aż do 100% pojemnościowych tlenu. Konieczny jest do tego specjalny palnik i dodatkowa dmuchawa cyrkulacyjna. Przy tym sposobie wzrost temperatury uwarunkowany wyższym stężeniem tlenu, a występujący w komorze spalania i w kotle na ciepło odpadowe, kompensuje się przez recyrkulację zimnego gazu procesowego. Gaz procesowy po pierwszym kondensatorze siarki zostaje zassany i wdmuchany poprzez palnik do komory spalania w celu obniżenia temperatury. Ze względu na zwiększone ilości gazu procesowego wzrasta strata ciśnienia w komorze spalania i w kotle na ciepło odpadowe. W dołączonych katalitycznych stopniach reaktora strata ciśnienia jest mniejsza ze względu na zmniejszone ilości gazu procesowego.

Palnik tlenowy typu Claus-Lurgi jest palnikiem, który jako ośrodek utleniający może wykorzystywać powietrze, tlen lub powietrze i tlen. Maksymalnie możliwe stężenie tlenu wynosi około 80% objętościowych. Gaz Clausa oraz zawierający amoniak gaz stripingowy doprowadzane są osobno. Gaz stripingowy spala się z powietrzem w centralnej mufli palnikowej razem z gazem grzejnym. Gaz Clausa spala się z tlenem i powietrzem jako ośrodkiem utleniającym za pomocą wielu podwójnie współosiowych poszczególnych palników rozmieszczonych syntetycznie wokół mufli palnikowej. Poszczególny palnik składa się z centralnej dyszy tlenowej, ze współosiowej dyszy gazu Clausa i podwójnie współosiowej dyszy powietrznej. Wskutek takiego układu powstają pojedyncze płomienie tlenowo-siarko-wodorowe, które otoczone są chłodniejszym płomieniem powietrzno-siarkowodorowym. W ten sposób kontroluje się temperaturę w komorze spalania. Recyrkulacja zimnego gazu procesowego w celu obniżenia temperatury jest zbędna również przy dużych ilościach tlenu.

W procesie tym SURE stosuje się również jako ośrodek utleniający powietrze wzbogacone tlenem lub 100% tlen.

W procesie podwójnego spalania typu SURE spalanie siarkowodoru przeprowadza się za pomocą szeregowo połączonych komór spalania z których każda wyposażona jest w kocioł na ciepło odpadowe i w kondensator siarki. Siarkowodór gazowy w pierwszej komorze spalania spala się z częścią będącego do dyspozycji tlenu i zostaje ochłodzony w kotle na ciepło odpadowe, a następnie przechodzi do drugiej komory spalania poprzez palnik i dodana do niego zostaje pozostała ilość tlenu konieczna do przeprowadzenia reakcji Clausa. Przez taki podział kontroluje się również temperaturę w komorach spalania.

Przy procesie spalania typu SURE ze strumieniem bocznym przed procesem Clausa włączona jest osobna komora spalania. Siarkowodór gazowy zostaje rozdzielony na obie komory spalania. W pierwszej komorze spalania, przez spalanie z tlenem wytwarza się wyłącznie dwutlenek siarki. W celu kontrolowania temperatury, po przejściu przez kocioł na ciepło odpadowe, częściowy strumień składający się z ochłodzonego częściowego strumienia zawierającego dwutlenek siarki i resztkowy gaz siarkowodorowy oraz tlen, wdmuchuje się poprzez palnik do właściwej komory spalania, aby uzyskać konieczny dla reakcji Clausa stosunek siarkowodór/dwutlenek siarki.

Zastosowanie do 100% objętościowych tlenu jako ośrodka utleniającego stwarza najwyższy potencjał zwiększenia wydajności urządzeń Clausa. W tym celu konieczne są jednak znaczne koszty inwestycyjne w celu dostosowania urządzenia pod względem technicznym. We wszystkich znanych

PL 191 175 B1 sposobach Clausa z zastosowaniem tlenu, konieczna jest wymiana co najmniej palników i komór spalania. Dodatkowe koszty powstają, gdy zachodzi konieczność użycia dmuchawy cyrkulacyjnej lub drugiej komory spalania z kotłem na ciepło odpadowe i z kondensatorem siarki. Poza tym praca dmuchawy cyrkulacyjnej może ulegać zakłóceniom przez osadzającą się siarkę.

Uzyskiwany wtedy wysoki potencjał wydajności często nie może być wykorzystywany, gdyż problem stanowią dołączone agregaty takie jak na przykład reaktory katalityczne. Natomiast wzbogacenie tlenem wymaga najmniejszych kosztów stwarza jednak tylko możliwość maksymalnej zawartości tlenu w powietrzu do spalania wynoszącej tylko 28% objętościowych, a tym samym najmniejszy potencjał zwiększający wydajność urządzenia Clausa.

Zadaniem wynalazku jest usunięcie wad sposobów znanych ze stanu techniki i opracowanie sposobu oraz urządzenia za pomocą których zdolność przerobowa i stopień przemiany siarkowodoru w elementarną siarkę ulegną poprawie. Sposób i urządzenie można przy tym ze stosunkowo niewielkim nakładem kosztów włączyć w istniejące urządzenia Clausa.

Sposób otrzymywania elementarnej siarki przez spalanie siarkowodoru lub gazu zawierającego siarkowodór, zwłaszcza sposób Clausa, w którym siarkowodór lub gaz zawierający siarkowodór, doprowadza się przez pierwsze urządzenie do palnika i spala się częściowo w komorze spalania z dodatkiem powietrza jako środka utleniającego, a następnie doprowadza się do kotła na ciepło odpadowe i kolejno do jednego lub wielu reaktorów, według wynalazku charakteryzuje się tym, że tlen lub gaz zawierający tlen doprowadza się do komory spalania poprzez co najmniej jedno drugie, dodatkowe urządzenie komory spalania, przy czym dopala się siarkowodór lub gaz zawierający siarkowodór.

W sposobie według wynalazku stosuje się gaz zawierający tlen o czystości od 80% obj. do 100% obj. tlenu.

Tlen lub gaz zawierający tlen wdmuchuje się przez dużą liczbę oddzielnych dysz.

Korzystnie, w sposobie według wynalazku, ustala się prędkość wejściową tlenu lub gazu zawierającego tlen do komory spalania w zakresie liczby Macha zawartej pomiędzy 0,4 i 2, zwiększając mieszanie tlenu z powietrzem do spalania i z zawierającym siarkowodór gazem procesowym poprzez wysoką turbulencję.

Tlen lub gaz zawierający tlen wprowadza się do komory spalania pod kątem 45° do 90° względem kierunku przepływu.

W sposobie z wirującym płomieniem głównym, w komorze spalania wytwarza się wirowy przepływ tlenu lub gazu zawierającego tlen, skierowany przeciwnie do zawirowania płomienia głównego.

Miejsce wlotu tlenu lub gazu zawierającego tlen do komory spalania chłodzi się i chroni się przed wdyfundowaniem siarki.

Do komory spalania w obszarze miejsca wlotu tlenu lub gazu zawierającego tlen dla chłodzenia doprowadza się dodatkowo gaz ochronny.

Korzystnie, w sposobie według wynalazku jako gaz ochronny stosuje się powietrze, azot lub dwutlenek węgla, przy czym gaz ochronny wprowadza się do komory spalania z prędkością wlotu odpowiadającą co najmniej wielkości 0,2 liczby Macha, dodatkowo zwiększając turbulentne mieszanie tlenu z powietrzem do spalania i z gazem procesowym zawierającym siarkowodór.

Reguluje się ilość doprowadzonego tlenu odpowiednio do stechiometrii reakcji Clausa tak, że tlen i powietrze do spalania całkowicie wchodzą w reakcję z siarkowodorem i innymi palnymi gazami, nie pozostawiając żadnego nadmiaru tlenu po komorze spalania.

Reguluje się ilość doprowadzonego tlenu odpowiednio do stechiometrii reakcji Clausa tak, że stosunek siarkowodór/ dwutlenek siarki odpowiada wartości 2.

Reguluje się ilość doprowadzanego tlenu odpowiednio do stechiometrii reakcji Clausa tak, że maksymalne temperatury w palniku/combustorze wynoszą 250°C / 1200°C, a maksymalna temperatura w komorze spalania wynosi 1500°C poprawiając przechodzenie ciepła do ściany komory spalania, zaś maksymalna temperatura w kotle na ciepło odpadowe wynosi 670°C.

Stosuje się tlen o stężeniu ekwiwalentnym wynoszącym 21 do 40% obj.

Stosuje się siarkowodór o stężeniu w stosowanym gazie wynoszącym co najmniej 20% obj.

Urządzenie do otrzymywania elementarnej siarki przez spalanie siarkowodoru lub gazu zawierającego siarkowodór, zwłaszcza urządzenie Clausa, w którym siarkowodór lub gaz zawierający siarkowodór ulega częściowemu spalaniu z dodatkiem powietrza w palniku z komorą spalania, według wynalazku charakteryzuje się tym, że doprowadzenie tlenu lub gazu zawierającego tlen ma ujście w komorze spalania w postaci przynajmniej jednej dodatkowej dyszy.

PL 191 175 B1

Korzystnie, w urządzeniu według wynalazku dysza względnie dysze w stanie wbudowanym osadzone są w ogniotrwałej wymurówce komory spalania w jednej z nią płaszczyźnie lub są w nią wgłębione.

Dysza względnie dysze wbudowane są stycznie w odstępie, mierząc od środka komory spalania, odpowiadającym 0,25 - krotności średnicy komory spalania.

W ścianę komory spalania w obszarze przejściowym symetrycznie względem combustora wbudowane są liczne dysze.

Wokół dyszy do wdmuchiwania tlenu lub gazu zawierającego tlen umieszczona jest szczelinowa dysza pierścieniowa do wdmuchiwania gazu ochronnego.

Sposób według wynalazku ma tę zaletę, że zdolność wytwórczą siarki w urządzeniu Clausa zwiększa się przez zastosowanie tlenu lub gazu bogatego w tlen, przy czym konieczne są do tego tylko niewielkie nakłady inwestycyjne. Mimo to możliwe są jednak do osiągnięcia znacznie wyższe stężenia tlenu lub zdolności przerobowe siarkowodoru niż te, jakie stosuje się przy znanym wzbogacaniu w tlen.

Według wynalazku tlen jest nie tylko jak dotychczas zastosowany jako ośrodek utleniający, lecz dodatkowo stosuje się go do zwiększenia energii mieszania, aby poprawić w komorze spalania wymieszanie środka utleniającego i gazu wsadowego. Przez zwiększenie energii mieszania zwiększa się gęstość spalania a tym samym zdolność przerobową siarkowodoru. Z istniejącą komorą spalania scalona jest dodatkowa strefa dopalania wytwarzana przez samozasysające strumienie tlenu o wysokiej tolerancji. W ten sposób gaz procesowy zmieszany wstępnie lub częściowo przereagowany z powietrzem wychodzący ze strefy wejściowej komory spalania, tzw. combustora, ulega całkowitemu dopaleniu. Poza tym reakcje zachodzące w komorze spalania przebiegają bliżej równowagi termodynamicznej.

Określenia częściowe spalanie i dopalanie odnoszą się do spalania stechiometrycznego.

Zamiast technicznie czystego tlenu, który sprężony doprowadza się przewodem rurowym lub skroplony pobiera się z hermetycznych zbiorników pod wysokim ciśnieniem, można stosować również tlen o czystości od 80% objętościowych do 100% objętościowych. Jest on wytwarzany bezpośrednio u użytkownika w urządzeniach adsorpcyjnych z sitem molekularnym, np. w urządzeniu adsorpcyjnym o zmiennej próżni (VSA) lub w próżniowym urządzeniu adsorpcyjnym o zmiennym ciśnieniu (PVSA).

Dodatkowy tlen według wynalazku nie jest dodatkowo dozowany poprzez palnik, aby tak jak dotychczas wzbogacać powietrze do spalania, lecz korzystnie wdmuchiwany jest z dużą szybkością przynajmniej poprzez jedną lub dużą liczbę oddzielnych dysz. Dysze te, zależnie od istniejącej konstrukcji komory spalania wmontowane są w ścianę komory spalania z zachowaniem symetrii rozkładu w obszarze przejściowym jej strefy wejściowej - combustora lub za palnikiem, na początku komory spalania.

Gaz procesowy wychodzący ze strefy wejściowej lub z palnika i spalany z powietrzem do spalania tego palnika w warunkach podstechiometrycznych lub podlegający wstępnemu zmieszaniu, wskutek intensywnego mieszania ulega całkowitemu spaleniu z tlenem,a ponadto ustalony jest stechiometryczny stosunek dwa do jednego siarkowodoru do dwutlenku siarki, przy czym stosunek siarkowodór/dwutlenek węgla mierzony jest przed urządzeniem do obróbki dzielonego gazu.

W celu uzyskania intensywnego mieszania prędkość wyjściowa z poszczególnych dysz tlenowych znajduje się w zakresie liczby Macha o wartości pomiędzy 0,4 i 2. Pod określeniem liczba Macha (Ma) rozumie się tutaj stosunek prędkości wyjściowej z dyszy do prędkości dźwięku gazów. Z powodu stosunkowo wysokiej prędkości wyjściowej tlenu powstają swobodne strumienie o wielkiej turbulencji, które zasysają atmosferę otaczającą komorę spalania, mieszają się i wchodzą w reakcję ze spalanymi składnikami. Siarkowodór spala się przy tym, tworząc dwutlenek siarki.

Przy prędkości wyjściowej odpowiadającej liczbie Macha równej jedności, to znaczy przy prędkości dźwięku, wskutek intensywnego mieszania powstaje na przykład stosunek siarkowodór/dwutlenek siarki wynoszący dwa do jednego. Oznacza to, że tlen istniejący w komorze spalania został całkowicie przetworzony. Wskutek całkowitego przetwarzania tlenu przedłuża się żywotność pierwszego reaktora katalitycznego. W temperaturach reaktora wynoszących od 380°C do 550°C istniejący zwykle w urządzeniach Clausa nadmiar tlenu reaguje z istniejącym dwutlenkiem siarki, tworząc trójtlenek siarki (SO3), który z grudkami katalizatora z tlenku glinu reaguje według poniższej reakcji.

4. Al₂O₃ + SO₃-> Al₂SO₄ + O₂

Tworzy się siarczan glinu, który nakłada się na powierzchnię katalizatora i dezaktywuje katalizator.

PL 191 175 B1

Poza tym przy prędkościach tlenu odpowiadającej liczbie Macha równej jedności, dysze tlenowe są termicznie odciążone, gdyż płomienie dyfuzyjne o swobodnym strumieniu składające się z siarkowodoru i dwutlenku siarki, nie ulegają stabilizacji przy dyszy, lecz unoszą się z dyszy i spalają się swobodnie w komorze spalania. Ponadto, języki płomienia są przez to odsunięte od dysz tlenowych w głąb komory spalania. Ciśnienie absolutne tlenu przy wylocie dyszy konieczne do prędkości tlenu odpowiadającej liczbie Macha równej jedności, powinno korzystnie wynosić 1,93-krotność ciśnienia panującego w komorze spalania (PBRK).

Kąt nachylenia lancy iniekcyjnej tlenu względem kierunku strumienia wynosi korzystnie 45° do 90°, przy czym osie strumieni tlenu przecinają się na osi środkowej komory spalania. Lance tlenowe wbudowane są w ścianę wewnętrzną komory spalania korzystnie w jednej płaszczyźnie z dyszami lub są w tej ścianie cofnięte.

W palnikach wytwarzających płomienie wirowe, co oznacza, że mają one w komorze spalania promieniowy rozkład prędkości i stężenia poszczególnych składników gazowych, lance iniekcyjne tlenu wbudowane są korzystnie w odstępie około 0,25 średnicy komory mierząc od jej środka i rozmieszczone są symetrycznie na jej obwodzie. Wskutek tego wytwarza się wirujący strumień tlenu skierowany przeciwnie do zawirowania płomienia głównego.

Lance iniekcyjne tlenu są korzystnie współosiowe, przy czym dysza tlenowa otoczona jest szczelinową dyszą pierścieniową. Poprzez dyszę pierścieniową do komory spalania wdmuchuje się korzystnie nieprzerwanie gaz ochronny z najmniejszą prędkością wylotową odpowiadającą liczbie Macha 0,2, co ma na celu chłodzenie dyszy tlenowej i jej ochronę przed wdyfundowaniem siarki.

Jako gaz ochronny korzystnie stosuje się powietrze, azot lub dwutlenek węgla.

Próby wykazały, że za pomocą tego sposobu, w zależności od stężenia siarkowodoru można zrealizować ekwiwalentne stężenia tlenu (XO2) od 21% objętościowych do 40% objętościowych tlenu. Ekwiwalentne stężenie tlenu opisane jest tu przez równanie (XO2) = O2 całość/(powietrze + O2 dodatkowo)

Ilości gazu Clausa i gazu stripingowego zwiększa się odpowiednio do podaży tlenu.

Przykłady:

Poniższe przykłady wskazują, że na podstawie wysokiego ekwiwalentnego stężenia tlenu i gęstości spalania, wzrasta temperatura w komorze spalania. W kotle na ciepło odpadowe ze względu na większe ciepło odlotowe wytwarza się więcej pary (patrz tabela).

		Przykład 1	Przykład 2	Przykład 3
gaz Clausa	kg/h	442	603	706
SWS-gaz	kg/h	240	259	246
powietrze	kg/h	1515	1222	797
tlen	kg/h	0	71	146
temperatura w komorze spalania	°C	1213	1331	1415
temperatura w kotle na ciepło odpadowe	°C	597	617	641
temperatura spalania	°C	297	259	268
temperatura reaktora R1	°C	355	387	395
stosunek H2S/SO2		2,08	2,01	2,01
zdolność produkcyjna siarki	%	100	126	142

X gaz Clausa = 85% obj., X gaz SWS = 46% obj.

Przy podwyższeniu dopuszczalnej temperatury w komorze spalania do 1500°C ekwiwalentne stężenie tlenu można zwiększyć do co najmniej 40% objętościowych. Ponieważ ciepło i materiał jednakowo szybko są wymieniane, więc temperatura w komorze spalania wskutek intensywnego mieszania staje się równomierna na wyższym poziomie, a przechodzenie ciepła na ścianę komory spalania ulega poprawie. Oznacza to, że część ciepła oddawana do otoczenia poprzez ścianę komory jest

PL 191 175 B1 większa. Kocioł na ciepło odpadowe zostaje odciążony. Temperatury przy palniku i w strefie wejściowej komory spalania (combustor) nie ulegają zwiększeniu.

Zgodnie ze sposobem, temperatury wzrastają wskutek zwiększonej przemiany siarki w reaktorze katalitycznym, przy czym można wykorzystywać dopuszczalne temperatury katalizatora aż do 650°C. Wyższe temperatury spalania przy zastosowaniu tlenu oddziaływują pozytywnie na termiczny rozkład i zupełne spalanie wyższych węglowodorów i amoniaku, przy czym zwłaszcza do całkowitego rozkładu amoniaku i spalenia powinno się utrzymywać minimalną temperaturę o wielkości 1350°C. Ze względu na brak obciążenia azotem, przy ekwiwalentnym stężeniu tlenu wynoszącym 40% objętościowych, stężenie gazowego siarkowodoru w stosowanej mieszaninie gazowej można zmniejszyć do 20% objętościowych.

Przedmiot wyynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig.1 i fig.2 przedstawiają palnik oraz przyległą do niego część komory spalania w urządzeniu Clausa, zawierające dodatkowo strefę wejściową - combustor, fig.3 przedstawia palnik z przyległą do niego częścią komory spalania w urządzeniu Clausa bez combustora.

Na fig. 1 przedstawiony jest palnik 1 do którego poprzez potrójnie współosiową rurę 2 z wewnętrzną rurą pilotową 3 otoczoną rurą środkową 4 doprowadzającą gaz grzejny, która otoczona jest z kolei rurą zewnętrzną 5 doprowadzającą gaz Clausa/SWS. Poprzez przewód 6 do palnika 1 doprowadzane jest powietrze. Spalanie zachodzi w strefie wejściowej komory spalania 7 (tzn. w combustorze) i w przyległej komorze spalania 8. Według wynalazku, poprzez dyszę 9 do komory spalania wprowadza się tlen z dużą szybkością. Ponadto widoczne jest, że lanca służąca do wprowadzania tlenu 10 w swym przednim obszarze składa się z podwójnie współosiowej rury, przy czym poprzez wewnętrzną rurę 11 wprowadza się tlen a poprzez zewnętrzną rurę 12 wprowadza się gaz ochrony chłodzący dyszę 9.

Kąt b oznacza tu kąt nachylenia lancy tlenowej względem kierunku przepływu R. Kąt b według wynalazku wynosi 45° (b) do 90° (bQ. Strefa wejściowa 7 i komora spalania 8 wykonane są jako jednolita całość.

Na fig. 2 przedstawiona jest podobna postać wykonania co na fig. 1,przy czym strefa wejściowa 7 (combustor) oraz komora spalania 8są odsiebie oddzielone. Palnik 1 ma potrójnie współosiową rurę 2 z rurą wewnętrzną dla gazu pilotującego, z rurą środkową 4 dla gazu grzejnego i z rurą zewnętrzną 5 dla gazu Clausa/SWS. Powietrze doprowadzane jest poprzez przewód 6. Przed komorą spalania 8 znajduje się strefa wejściowa 7 (combustor). Tlen i gaz ochronny doprowadzane są podwójnie współosiową rurą, przy czym rurą wewnętrzną 11 dopływa tlen a zewnętrzną rurą 12 dopływa gaz ochronny. Lanca tlenowa umieszczona jest w urządzeniu pod kątem b do b' (45° do 90°) względem kierunku przepływu R.

Na fig. 3 komora spalania 8 przylega bezpośrednio do palnika 1 urządzenia Clausa. W tej postaci wykonania gaz pilotujący doprowadzany jest do palnika poprzez osobną rurę 13.

Claims

1. Sposób otrzymywania elementarnej siarki przez spalanie siarkowodoru lub gazu zawierającego siarkowodór, zwłaszcza sposób Clausa, w którym siarkowodór lub gaz zawierający siarkowodór, doprowadza się przez pierwsze urządzenie do palnika i spala się częściowo w komorze spalania z dodatkiem powietrza jako środka utleniającego, a następnie doprowadza się do kotła na ciepło odpadowe i kolejno do jednego lub wielu reaktorów, znamienny tym, że tlen lub gaz zawierający tlen doprowadzasiędokomoryspalania(8)poprzezconajmniejjednodrugie,dodatkoweurządzenie(10) komoryspalania(8),przyczymdopalasięsiarkowodórlubgazzawierającysiarkowodór.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się gaz zawierający tlen o czystości od80%obj.do100%obj.tlenu.

3. Sposóbwedługzastrz.1 albo2, znamienny tym, że tlenlubgazzawierającytlenwdmuchujesięprzezdużąliczbęoddzielnychdysz(10).

4. Sposób według zastrz. 1 albo2, znamienny tym, że ustala się prędkość wejściową tlenu lub gazu zawierającego tlen do komory spalania (8) w zakresie liczby Macha zawartej pomiędzy 0,4 i 2, zwiększając mieszanie tlenu z powietrzem do spalania i z zawierającym siarkowodór gazem procesowym poprzez wysoką turbulencję.

PL 191 175 B1

5. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że tlen lub gaz zawierający tlen wprowadza się do komory spalania (8) pod kątem 45° do 90° względem kierunku przepływu.

6. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że w sposobie z wirującym płomieniem głównym, w komorze spalania (8) wytwarza się wirowy przepływ tlenu lub gazu zawierającego tlen, skierowany przeciwnie do zawirowania płomienia głównego.

7. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że miejsce wlotu tlenu lub gazu zawierającego tlen do komory spalania (8) chłodzi się i chroni się przed wdyfundowaniem siarki.

8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że do komory spalania (8) w obszarze miejsca wlotu tlenu lub gazu zawierającego tlen dla chłodzenia doprowadza się dodatkowo gaz ochronny.

9. Sposób według zastrz. 8, znamienny tym, że jako gaz ochronny stosuje się powietrze, azot lub dwutlenek węgla.

10. Sposób według zastrz. 8 albo 9, znamienny tym, że gaz ochronny wprowadza się do komory spalania (8) z prędkością wlotu odpowiadającą co najmniej wielkości 0,2 liczby Macha, dodatkowo zwiększając turbulentne mieszanie tlenu z powietrzem do spalania i z gazem procesowym zawierającym siarkowodór.

11. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że reguluje się ilość doprowadzonego tlenu odpowiednio do stechiometrii reakcji Clausa tak, że tlen i powietrze do spalania całkowicie wchodzą w reakcję z siarkowodorem i innymi palnymi gazami, nie pozostawiając żadnego nadmiaru tlenu po komorze spalania (8).

12. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 8, znamienny tym, że reguluje się ilość doprowadzonego tlenu odpowiednio do stechiometrii reakcji Clausa tak, że stosunek siarkowodór/ dwutlenek siarki odpowiada wartości 2.

13. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 8, albo 9, znamienny tym, że reguluje się ilość doprowadzanego tlenu odpowiednio do stechiometrii reakcji Clausa tak, że maksymalne temperatury w palniku/combustorze wynoszą 250°C/1200°C, a maksymalna temperatura w komorze spalania (8) wynosi 1500°C poprawiając przechodzenie ciepła do ściany komory spalania, zaś maksymalna temperatura w kotle na ciepło odpadowe wynosi 670°C.

14. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 8, znamienny tym, że stosuje się tlen o stężeniu ekwiwalentnym wynoszącym 21 do 40% obj.

15. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 8, znamienny tym, że stosuje się siarkowodór o stężeniu w stosowanym gazie wynoszącym co najmniej 20% obj.

16. Urządzenie do otrzymywania elementarnej siarki przez spalanie siarkowodoru lub gazu zawierającego siarkowodór, zwłaszcza urządzenie Clausa, w którym siarkowodór lub gaz zawierający siarkowodór ulega częściowemu spalaniu z dodatkiem powietrza w palniku z komorą spalania, znamienne tym, że doprowadzenie tlenu lub gazu zawierającego tlen ma ujście w komorze spalania (8) w postaci przynajmniej jednej dodatkowej dyszy (10).

17. Urządzenie według zastrz. 16, znamienne tym, że dysza względnie dysze (10) w stanie wbudowanym osadzone są w ogniotrwałej wymurówce komory spalania (8) w jednej z nią płaszczyźnie lub są w nią wgłębione.

18. Urządzenie według zastrz. 16 albo 17, znamienne tym, że dysza względnie dysze (10) wbudowane są stycznie w odstępie, mierząc od środka komory spalania (8), odpowiadającym 0,25 -krotności średnicy komory spalania (8).

19. Urządzenie według zastrz. 16 albo 17, znamienne tym, że w ścianę komory spalania w obszarze przejściowym symetrycznie względem combustora (9) wbudowane są liczne dysze (10).

20. Urządzenie według zastrz. 16 albo 17, znamienne tym, że wokół dyszy (10) do wdmuchiwania tlenu lub gazu zawierającego tlen umieszczona jest szczelinowa dysza pierścieniowa (12) do wdmuchiwania gazu ochronnego.