RU2824360C2 - Method of producing elementary sulphur and sulphuric acid - Google Patents
Method of producing elementary sulphur and sulphuric acid Download PDFInfo
- Publication number
- RU2824360C2 RU2824360C2 RU2021135473A RU2021135473A RU2824360C2 RU 2824360 C2 RU2824360 C2 RU 2824360C2 RU 2021135473 A RU2021135473 A RU 2021135473A RU 2021135473 A RU2021135473 A RU 2021135473A RU 2824360 C2 RU2824360 C2 RU 2824360C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- claus
- gas
- sulfuric acid
- section
- reaction furnace
- Prior art date
Links
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 664
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 226
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 107
- 235000011149 sulphuric acid Nutrition 0.000 title claims abstract description 83
- 239000001117 sulphuric acid Substances 0.000 title claims abstract description 71
- 239000005864 Sulphur Substances 0.000 title abstract description 20
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 413
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 310
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 198
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims abstract description 88
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 claims abstract description 88
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims abstract description 37
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 32
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 31
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 31
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 16
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims abstract description 13
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000013543 active substance Substances 0.000 claims abstract description 8
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 claims abstract description 5
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims description 58
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 32
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 31
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 claims description 28
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 claims description 26
- 229910001868 water Inorganic materials 0.000 claims description 24
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 claims description 23
- 230000006378 damage Effects 0.000 claims description 23
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 18
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 claims description 18
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 17
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 12
- 238000009833 condensation Methods 0.000 claims description 10
- 230000005494 condensation Effects 0.000 claims description 10
- 238000004064 recycling Methods 0.000 claims description 7
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 claims description 6
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 4
- 230000036571 hydration Effects 0.000 claims description 2
- 238000006703 hydration reaction Methods 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 14
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 abstract description 8
- GNFTZDOKVXKIBK-UHFFFAOYSA-N 3-(2-methoxyethoxy)benzohydrazide Chemical compound COCCOC1=CC=CC(C(=O)NN)=C1 GNFTZDOKVXKIBK-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 1
- FGUUSXIOTUKUDN-IBGZPJMESA-N C1(=CC=CC=C1)N1C2=C(NC([C@H](C1)NC=1OC(=NN=1)C1=CC=CC=C1)=O)C=CC=C2 Chemical compound C1(=CC=CC=C1)N1C2=C(NC([C@H](C1)NC=1OC(=NN=1)C1=CC=CC=C1)=O)C=CC=C2 FGUUSXIOTUKUDN-IBGZPJMESA-N 0.000 abstract 1
- 239000007809 chemical reaction catalyst Substances 0.000 abstract 1
- RWSOTUBLDIXVET-UHFFFAOYSA-N Dihydrogen sulfide Chemical compound S RWSOTUBLDIXVET-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 75
- 229910000037 hydrogen sulfide Inorganic materials 0.000 description 74
- RAHZWNYVWXNFOC-UHFFFAOYSA-N Sulphur dioxide Chemical compound O=S=O RAHZWNYVWXNFOC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 60
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 58
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 45
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 43
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 25
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 25
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 25
- 229910000069 nitrogen hydride Inorganic materials 0.000 description 25
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 description 20
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 20
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 18
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 18
- 239000000047 product Substances 0.000 description 17
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 13
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 150000003464 sulfur compounds Chemical class 0.000 description 10
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 9
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 9
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 7
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 7
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 6
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 5
- 150000001412 amines Chemical class 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 238000010494 dissociation reaction Methods 0.000 description 5
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 5
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 5
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 5
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- -1 NH3 Chemical compound 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 230000005593 dissociations Effects 0.000 description 4
- 239000003546 flue gas Substances 0.000 description 4
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 4
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 4
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N Alumina Chemical class [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 3
- 230000009849 deactivation Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000010790 dilution Methods 0.000 description 3
- 239000012895 dilution Substances 0.000 description 3
- 239000003623 enhancer Substances 0.000 description 3
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 3
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 238000012432 intermediate storage Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 3
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 3
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 3
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000003863 ammonium salts Chemical class 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 238000010531 catalytic reduction reaction Methods 0.000 description 2
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 2
- 238000007872 degassing Methods 0.000 description 2
- 230000018044 dehydration Effects 0.000 description 2
- 238000006297 dehydration reaction Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 2
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 2
- 239000003595 mist Substances 0.000 description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 2
- 238000003303 reheating Methods 0.000 description 2
- 235000010215 titanium dioxide Nutrition 0.000 description 2
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000297 Rayon Polymers 0.000 description 1
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 1
- DIZPMCHEQGEION-UHFFFAOYSA-H aluminium sulfate (anhydrous) Chemical compound [Al+3].[Al+3].[O-]S([O-])(=O)=O.[O-]S([O-])(=O)=O.[O-]S([O-])(=O)=O DIZPMCHEQGEION-UHFFFAOYSA-H 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000000889 atomisation Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000001311 chemical methods and process Methods 0.000 description 1
- 238000010344 co-firing Methods 0.000 description 1
- 239000004035 construction material Substances 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 1
- 238000011038 discontinuous diafiltration by volume reduction Methods 0.000 description 1
- 208000018459 dissociative disease Diseases 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 238000007380 fibre production Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 230000008676 import Effects 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- DCKVFVYPWDKYDN-UHFFFAOYSA-L oxygen(2-);titanium(4+);sulfate Chemical compound [O-2].[Ti+4].[O-]S([O-])(=O)=O DCKVFVYPWDKYDN-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 238000006213 oxygenation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 1
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 238000010926 purge Methods 0.000 description 1
- 230000003134 recirculating effect Effects 0.000 description 1
- 238000011946 reduction process Methods 0.000 description 1
- 238000007670 refining Methods 0.000 description 1
- 230000008929 regeneration Effects 0.000 description 1
- 238000011069 regeneration method Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 230000019635 sulfation Effects 0.000 description 1
- 238000005670 sulfation reaction Methods 0.000 description 1
- 125000004434 sulfur atom Chemical group 0.000 description 1
- 235000010269 sulphur dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 239000004291 sulphur dioxide Substances 0.000 description 1
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000348 titanium sulfate Inorganic materials 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 230000036967 uncompetitive effect Effects 0.000 description 1
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к способу превращения H2S в элементарную серу и серную кислоту, необязательно при установленном соотношении между элементарной серой и серной кислотой.The present invention relates to a process for converting H2S into elemental sulfur and sulfuric acid, optionally at a specified ratio between elemental sulfur and sulfuric acid.
H2S является обычным побочным продуктом во многих процессах, включая гидрообессеривание потоков нефтеперерабатывающих заводов, обработку природного газа и производство вискозных волокон. Желательно преобразовать H2S до выброса в атмосферу, поскольку H2S очень токсичен, имеет неприятный запах и представляет опасность для окружающей среды. H2S is a common byproduct in many processes, including hydrodesulfurization of refinery streams, natural gas processing, and viscose fiber production. It is desirable to convert H2S before releasing it to the atmosphere because H2S is highly toxic, has an unpleasant odor, and is a hazard to the environment.
Процессы нефтепереработки, помимо получения хорошо известного высококонцентрированного газа H2S, часто могут также производить так называемый газ из отпарной колонны кислых вод, который содержит H2S, Н2О и NH3 примерно в равных количествах.Oil refining processes, in addition to producing the well-known highly concentrated H2S gas, can often also produce so-called sour water stripper gas, which contains H2S , H2O and NH3 in approximately equal amounts.
В частности, на нефтеперерабатывающих заводах в качестве процесса для снижения выбросов H2S был выбран процесс Клауса, который был известен и оптимизировался более 8 десятилетий. Процесс Клауса протекает путем субстехиометрического сжигания H2S с образованием SO2 в печи реакции Клауса, обеспечивая сырьевой газ для конвертера Клауса. Последующий процесс Клауса H2S и SO2 преобразуют с образованием элементарной серы, которую можно конденсировать и отводить.In particular, in oil refineries, the Claus process, which has been known and optimized for over 8 decades, has been the process of choice for reducing H2S emissions. The Claus process operates by substoichiometric combustion of H2S to form SO2 in a Claus reaction furnace, providing feed gas for the Claus converter. The subsequent Claus process converts H2S and SO2 to form elemental sulfur, which can be condensed and discharged.
Как правило, удаление в процессе Клауса составляет от 95% до 98%, что недостаточно для соблюдения экологических норм. Поэтому общепринятой практикой является обработка остаточных газов после процесса Клауса, чтобы обеспечить снижение содержания серы выше 99%. Обработку остаточного газа часто проводят на заводе по производству серной кислоты, что требует обращения с серной кислотой.Typically, the Claus process achieves a removal rate of 95% to 98%, which is insufficient to meet environmental regulations. Therefore, it is common practice to treat the Claus process tail gas to ensure that the sulfur content is reduced to above 99%. Tail gas treatment is often performed in a sulfuric acid plant, which requires handling of sulfuric acid.
В настоящее время установлено, что серная кислота может быть рециркулирована в печь реакции Клауса, где она может способствовать образованию элементарной серы и, кроме того, предоставить возможности для оптимизации размера и эксплуатационных затрат процесса Клауса и остаточного газа Клауса.It has now been established that sulfuric acid can be recycled to the Claus reaction furnace where it can contribute to the formation of elemental sulfur and, in addition, provide opportunities for optimization of the size and operating costs of the Claus process and Claus tail gas.
В WO 2012/152919 А1 представлен сернокислотный способ обработки остаточного газа реакции Клауса, в котором описано превращение H2S в H2SO4 в остаточном газе реакции Клауса. Стадии способа являются следующими:WO 2012/152919 A1 presents a sulfuric acid process for treating Claus reaction tail gas, which describes the conversion of H2S to H2SO4 in the Claus reaction tail gas. The process steps are as follows:
1. Субстехиометрическое окисление.1. Substoichiometric oxidation.
2. Превращение согласно реакции Клауса.2. Transformation according to Klaus's reaction.
3. Окисление восстановленных соединений серы (H2S) в остаточном газе реакции Клауса в обогащенной кислородом атмосфере при 400-700°С.3. Oxidation of reduced sulfur compounds ( H2S ) in the residual gas of the Claus reaction in an oxygen-enriched atmosphere at 400-700°C.
4. Каталитическое окисление SO2 до SO3.4. Catalytic oxidation of SO 2 to SO 3 .
5. Конденсация H2SO4.5. Condensation of H 2 SO 4 .
Признано, что продукт H2SO4 не всегда желателен, и предлагается рециркулировать серную кислоту на предшествующую стадию реакции Клауса или на стадию окисления H2S, как описано выше. Однако рециркуляция серной кислоты рассматривается просто как сокращение выбросов серной кислоты, и последствия рециркуляции H2SO4 для влажной серной кислоты или процесса Клауса не оценивались, т.е. не признано, что рециркуляция H2SO4 требует уменьшить количество О2, направляемого в печь реакции Клауса, а также реализовать положительное влияние на процессы реакции Клауса и серной кислоты.It is recognised that the H2SO4 product is not always desirable and it has been suggested that the sulphuric acid be recycled to the preceding Claus reaction stage or to the H2S oxidation stage as described above. However, the recirculation of sulphuric acid is seen simply as a reduction in sulphuric acid emissions and the implications of H2SO4 recirculation for the wet sulphuric acid or Claus process have not been assessed, i.e. it is not recognised that H2SO4 recirculation requires a reduction in the amount of O2 sent to the Claus reaction furnace and also has a positive effect on the Claus reaction and sulphuric acid processes.
В WO 2012/152919 А1 также раскрыто, что вспомогательное топливо может потребоваться как на стадии печи реакции Клауса, так и на стадии окисления H2S для получения желаемой рабочей температуры, без указания на реализацию полезных эффектов использования сырьевых газов в качестве вспомогательного топлива для оксигенации H2S в сернокислотном процессе.WO 2012/152919 A1 also discloses that auxiliary fuel may be required in both the Claus reaction furnace stage and the H2S oxidation stage to achieve the desired operating temperature, without indicating the realization of beneficial effects of using feed gases as auxiliary fuel for H2S oxygenation in the sulfuric acid process.
Таким образом, предложение рециркулировать H2SO4 в печь реакции Клауса само по себе не обеспечивает рабочий способ, а требует дополнительных модификаций способа.Thus, the proposal to recycle H2SO4 into the Claus reaction furnace does not in itself provide a working method, but requires additional modifications to the method.
В соответствии с настоящим изобретением представлен способ превращения H2S в элементарную серу с повышенной эффективностью, в котором процесс Клауса сочетается с сернокислотным процессом. В соответствии с этим способом серная кислота, полученная в сернокислотном процессе обработки остаточного газа реакции Клауса, рециркулируется в секцию испарения серной кислоты в или после печи реакции Клауса для разложения и получения элементарной серы.According to the present invention, a method for converting H2S into elemental sulfur with increased efficiency is provided, in which the Claus process is combined with a sulfuric acid process. According to this method, sulfuric acid obtained in the sulfuric acid process for treating the residual gas of the Claus reaction is recycled to a sulfuric acid evaporation section in or after the Claus reaction furnace for decomposition and obtaining elemental sulfur.
Для целей настоящего изобретения стехиометрическое количество кислорода должно быть определено при допущении, что продукты, полученные из N, Н, С, S и О в сырьевом газе, представляют собой N2, Н2О, СО2 и SO2. Если присутствует количество кислорода ниже стехиометрического (также называемое субстехиометрическим), это означает, что не все компоненты сырья полностью окислены. Для сырьевого газа реакции Клауса это означает, что технологический газ после субстехиометрического сжигания/реакции может содержать непрореагировавшие H2S, NH3 и углеводороды из потока (потоков) сырья, а также Н2, СО, COS и CS2, образовавшиеся в среде с дефицитом О2.For the purposes of the present invention, the stoichiometric amount of oxygen shall be determined assuming that the products derived from N, H, C, S and O in the feed gas are N2 , H2O , CO2 and SO2 . If sub-stoichiometric (also referred to as sub-stoichiometric) amounts of oxygen are present, this means that not all components of the feed are fully oxidized. For Claus reaction feed gas, this means that the process gas after sub-stoichiometric combustion/reaction may contain unreacted H2S , NH3 and hydrocarbons from the feed stream(s), as well as H2 , CO, COS and CS2 formed in an O2 deficient environment.
Для целей настоящей заявки топливо определяется как композиция, которая при окислении О2 образует N2, Н2О, СО2 и SO2 в качестве продукта реакции и высвобождает значительное количество энергии в результате реакций. Смесь углеводородов (например, природного газа с СН4 и С2Н6), а также H2S является типичным топливным газом, но топливный газ может также содержать СО, NH3 и Н2.For the purposes of this application, a fuel is defined as a composition that, upon oxidation of O2, produces N2 , H2O , CO2 , and SO2 as reaction products and releases a significant amount of energy as a result of the reactions. A mixture of hydrocarbons (e.g., natural gas with CH4 and C2H6 ) and H2S is a typical fuel gas, but the fuel gas may also contain CO, NH3 , and H2 .
Для целей настоящего изобретения под кислородом (О2) понимается поток, содержащий O2, такой как воздух, обогащенный воздух и чистый кислород, но также может быть и технологический газ, содержащий О2.For the purposes of the present invention, oxygen ( O2 ) is understood to be a stream containing O2 , such as air, enriched air, and pure oxygen, but may also be a process gas containing O2 .
Для целей настоящей заявки под секцией серной кислоты понимается установка для преобразования технологического газа, содержащего серу (такую как H2S, SO2, COS, CS2 и элементарная сера), в серную кислоту. Секция серной кислоты может быть реализована как каталитическая или термическая секция, окисляющая соединения серы до SO2, за которой следует секция окисления SO2 до SO3, за которой следует либо конденсатор, обеспечивающий серную кислоту путем конденсации гидратированного SO3, либо абсорбер, обеспечивающий получение серной кислоты путем абсорбции SO3 в серной кислоте, но специалистам в данной области также известны другие средства для производства серной кислоты, такие как скрубберы H2O2.For the purposes of the present application, the sulfuric acid section is understood to mean a plant for converting a process gas containing sulfur (such as H2S , SO2 , COS, CS2 and elemental sulfur) into sulfuric acid. The sulfuric acid section may be implemented as a catalytic or thermal section oxidizing sulfur compounds to SO2 , followed by a section oxidizing SO2 to SO3 , followed by either a condenser providing sulfuric acid by condensing hydrated SO3 or an absorber providing sulfuric acid by absorbing SO3 in sulfuric acid, but those skilled in the art are also aware of other means for producing sulfuric acid, such as H2O2 scrubbers .
Для целей настоящей заявки под средствами для окисления серы следует понимать любое технологическое оборудование, получающее восстановленную или элементарную серу и превращающее ее в SO2. Таким средством для окисления серы может быть камера сгорания, каталитическое оборудование или их комбинации.For the purposes of this application, sulfur oxidation means shall be understood to mean any process equipment that receives reduced or elemental sulfur and converts it into SO 2 . Such sulfur oxidation means may be a combustion chamber, catalytic equipment, or combinations thereof.
Для целей настоящей заявки печь реакции Клауса может быть описана как содержащая две секции: секцию реакционной печи и секцию испарения серной кислоты. Названия этих секций являются просто обозначениями отдельных секций, а не исключительным описанием протекающей в них химической реакции. Эти две секции следует понимать как неперекрывающиеся, причем секцию испарения серной кислоты следует располагать после секции реакционной печи.For the purposes of the present application, the Claus reaction furnace may be described as comprising two sections: a reaction furnace section and a sulfuric acid evaporation section. The names of these sections are simply designations of the individual sections and are not exclusive descriptions of the chemical reaction occurring therein. The two sections are to be understood as non-overlapping, with the sulfuric acid evaporation section being located after the reaction furnace section.
Секция испарения серной кислоты может быть либо отдельной камерой, либо частью отдельной камеры печи реакции Клауса, определяемой как объем ниже по ходу потока от самого верхнего по ходу потока ввода серной кислоты и заканчивающийся выходом печи реакции Клауса, как правило, через трубную решетку котла-утилизатора. Этот объем может быть дополнительно определен как объем печи реакции Клауса ниже по потоку от плоскости, определяемой самом верхнем по ходу потока вводом серной кислоты и перпендикулярной оси, определяемой потоком продукта из печи реакции Клауса.The sulfuric acid vaporization section may be either a separate chamber or part of a separate chamber of the Claus furnace, defined as the volume downstream of the uppermost sulfuric acid inlet and terminating at the Claus furnace outlet, typically through the waste heat boiler tube sheet. This volume may be further defined as the volume of the Claus furnace downstream of a plane defined by the uppermost sulfuric acid inlet and perpendicular to the axis defined by the product flow from the Claus furnace.
Для целей настоящей заявки давление, указанное в единицах мбар изб., следует понимать как манометрическое давление по отношению к атмосферному давлению.For the purposes of this application, pressure given in units of mbarg shall be understood as gauge pressure relative to atmospheric pressure.
Согласно широкому аспекту настоящее изобретение относится к способу получения элементарной серы из сырьевого газа, содержащего от 15%, 20%, 30 об. %, 40 об. % или 50% до 99 об. % или 100 об. % H2S, и потока серной кислоты, включающему стадииAccording to a broad aspect, the present invention relates to a method for producing elemental sulfur from a feed gas containing from 15%, 20%, 30 vol.%, 40 vol.% or 50% to 99 vol.% or 100 vol.% H 2 S and a sulfuric acid stream, comprising the steps of
a. обеспечения сырьевого потока печи реакции Клауса, содержащего количество указанного сырьевого газа, количество кислорода и необязательно количество топлива, где количество кислорода является субстехиометрическим относительно реакции Клауса,a. providing a Claus reaction furnace feed stream comprising a quantity of said feed gas, a quantity of oxygen and optionally a quantity of fuel, wherein the quantity of oxygen is sub-stoichiometric with respect to the Claus reaction,
b. направления указанного сырьевого потока печи реакции Клауса в секцию реакционной печи, работающую при повышенной температуре, как например выше 900°С, обеспечивая продукт секции реакционной печи,b. directing said Claus reaction furnace feed stream to a section of the reaction furnace operating at an elevated temperature, such as above 900°C, providing a product to the section of the reaction furnace,
c. направление указанного продукта секции реакционной печи и количества серной кислоты в секцию испарения серной кислоты ниже по ходу потока от указанной секции реакционной печи, обеспечивая сырьевой газ для конвертера Клаусаc. directing said reaction furnace section product and a quantity of sulfuric acid to a sulfuric acid evaporation section downstream of said reaction furnace section, providing feed gas for the Claus converter
d. охлаждения указанного сырьевого газа для конвертера Клауса с обеспечением охлажденного сырьевого газа для конвертера Клауса и необязательно отведения элементарной серы из газаd. cooling said feed gas for the Claus converter to provide cooled feed gas for the Claus converter and optionally removing elemental sulfur from the gas
e. направления указанного охлажденного сырьевого газа для конвертера Клауса для контакта с веществом, каталитически активным в реакции Клауса,e. directing said cooled feed gas to a Claus converter for contact with a substance catalytically active in the Claus reaction,
f. отвода остаточного газа реакции Клауса и элементарной серы, необязательно посредством охлаждения выходящего потока, от указанного вещества, каталитически активного в реакции Клауса,f. removing residual Claus reaction gas and elemental sulfur, optionally by cooling the outlet stream, from said Claus reaction catalytically active substance,
g. направления потока, содержащего указанный остаточный газ реакции Клауса, на обработку остаточного газа реакции Клауса,g. directing the flow containing said Claus reaction residual gas to the treatment of the Claus reaction residual gas,
с сопутствующим преимуществом способа, включающего впрыск серной кислоты в секцию испарения серной кислоты, обеспечивая высокотемпературное сгорание указанного сырьевого газа, включающего примеси, без охлаждения от испарения и разложения серной кислоты.with the attendant advantage of a method comprising injecting sulphuric acid into the sulphuric acid evaporation section, providing high temperature combustion of said feed gas including impurities, without cooling from evaporation and decomposition of the sulphuric acid.
Согласно другому варианту осуществления температура на выходе из секции реакционной печи на более 50°С или 100°С и менее 200°С или 500°С выше, чем температура на выходе из указанной секции испарения серной кислоты, с сопутствующим преимуществом получения энергии, эффективное охлаждающей, с меньшей потребностью в теплообменном оборудовании. В частности, если некоторое количество указанного сырьевого газа отводится для реакции в секции испарения серной кислоты, эта разница температур может быть небольшой.According to another embodiment, the temperature at the outlet of the reaction furnace section is higher than 50°C or 100°C and less than 200°C or 500°C than the temperature at the outlet of said sulfuric acid evaporation section, with the attendant advantage of obtaining energy, efficient cooling, with less need for heat exchange equipment. In particular, if some of said feed gas is diverted for reaction in the sulfuric acid evaporation section, this temperature difference may be small.
Согласно другому варианту осуществления сырьевой газ разделяется на сырье секции реакционной печи, направляемое в секцию реакционной печи, и сырье секции испарения серной кислоты, направляемое в секцию испарения серной кислоты, с сопутствующим преимуществом, обеспечивающим возможность независимого контроля температуры секции реакционной печи и секции испарения серной кислоты. Такой контроль температуры может быть ручным, возможно, с помощью надлежащего представления параметров процесса, но он также может быть автоматическим, основанным на измерениях процесса.According to another embodiment, the feed gas is divided into a reaction furnace section feed directed to the reaction furnace section and a sulfuric acid vaporization section feed directed to the sulfuric acid vaporization section, with the attendant advantage of allowing independent temperature control of the reaction furnace section and the sulfuric acid vaporization section. Such temperature control may be manual, perhaps with the aid of a suitable representation of the process parameters, but it may also be automatic, based on process measurements.
Согласно другому варианту осуществления соотношение между указанным сырьем для секции реакционной печи и сырьем для секции испарения серной кислоты регулируется для максимального термического разрушения примесей, присутствующих в секции реакционной печи, обычно путем максимального повышения температуры в секции реакционной печи.According to another embodiment, the ratio between said feedstock for the reaction furnace section and the feedstock for the sulfuric acid evaporation section is controlled to maximize thermal destruction of impurities present in the reaction furnace section, typically by maximizing the temperature in the reaction furnace section.
Согласно другому варианту осуществления среднее время пребывания технологического газа в печи реакции Клауса составляет менее 5 секунд, или менее 2 секунд, с соответствующим преимуществом такой реакционной печи, имеющей соответствующий размер, в то же время предоставляя достаточное время для испарения серной кислоты, а также необходимое частичное химическое преобразование H2S в SO2.According to another embodiment, the average residence time of the process gas in the Claus reaction furnace is less than 5 seconds, or less than 2 seconds, with the corresponding advantage of such a reaction furnace having an appropriate size, while providing sufficient time for the evaporation of sulfuric acid, as well as the necessary partial chemical conversion of H 2 S to SO 2 .
Согласно другому варианту осуществления секция реакционной печи и/или секция испарения серной кислоты включает усилитель турбулентности с сопутствующим преимуществом, заключающимся в сокращении времени пребывания, распределения в секции реакционной печи и секции испарения серной кислоты.According to another embodiment, the reaction furnace section and/or the sulfuric acid evaporation section includes a turbulence enhancer with the attendant benefit of reducing the residence time, distribution in the reaction furnace section and the sulfuric acid evaporation section.
Согласно другому варианту осуществления секция испарения серной кислоты содержит средство импакции, такое как ударная стенка или камеру, заполненную инертным материалом, с соответствующим преимуществом разрушения капель при столкновении, чтобы гарантировать отсутствие жидкой H2SO4 в сырьевом газе для конвертера Клауса.According to another embodiment, the sulfuric acid evaporation section comprises an impaction means, such as an impact wall or a chamber filled with inert material, with the corresponding advantage of breaking up the droplets upon impact to ensure that there is no liquid H2SO4 in the feed gas for the Claus converter.
Согласно другому варианту осуществления указанная обработка остаточного газа реакции Клауса включает стадииAccording to another embodiment, said treatment of the residual gas of the Claus reaction comprises the steps of
направления потока, содержащего указанный остаточный газ реакции Клауса, кислород и топливо в качестве сырьевого газа, в камеру сгорания остаточного газа реакции Клауса, работающую при температуре выше 900°С, или каталитическое средство для окисления, обеспечивая сырьевой газ для конвертера SO2,directing a flow containing said Claus reaction tail gas, oxygen and fuel as feed gas into a Claus reaction tail gas combustion chamber operating at a temperature above 900°C or a catalytic means for oxidation, providing feed gas for a SO2 converter,
h. направления указанного сырьевого газа для конвертера SO2 для контакта с веществом, каталитически активным при окислении SO2 до SO3, обеспечивая газ, обогащенный SO3,h. directing said feed gas to an SO2 converter for contact with a substance catalytically active in the oxidation of SO2 to SO3 , providing a gas enriched in SO3 ,
i. превращения указанного газа, обогащенного SO3, в концентрированную серную кислоту, либо путем абсорбции SO3 серной кислотой, либо путем гидратации SO3, охлаждения и конденсации серной кислоты,i. converting said SO3 -rich gas into concentrated sulphuric acid, either by absorption of SO3 by sulphuric acid or by hydration of SO3 , cooling and condensation of sulphuric acid,
j. рециклизации по меньшей мере части полученной серной кислоты в секцию испарения серной кислоты,j. recycling at least a portion of the resulting sulfuric acid to a sulfuric acid evaporation section,
с сопутствующим преимуществом такого процесса, имеющего высокую конверсию и тепловую эффективность и позволяющего избежать нежелательного образования серной кислоты. Использование секции реакционной печи и камеры сгорания остаточного газа реакции Клауса, работающей при температуре выше 900°С, обеспечивает полную конверсию присутствующих компонентов, и это может необязательно требовать присутствия топлива в дополнение к сырьевому газу. Кроме того, в секции реакционной печи и секции испарения серной кислоты будут иметь место гомогенные реакции Клауса, так что элементарная сера может быть отведена при охлаждении сырьевого газа для конвертера Клауса. Поток, подаваемый в камеру сгорания остаточного газа реакции Клауса, обычно может включать H2S в качестве топлива из остаточного газа реакции Клауса, и/или отдельный поток, содержащий H2S, углеводород или другое топливо. В дополнение к упомянутым стадиям способа способ может включать дополнительные стадии, такие как теплообмен для изменения температуры (или иным образом кондиционирования технологических потоков) до диапазона, соответствующего происходящим процессам.with the attendant advantage of such a process having high conversion and thermal efficiency and avoiding the undesirable formation of sulfuric acid. The use of a reaction furnace section and a Claus tail gas combustor operating at a temperature above 900°C ensures complete conversion of the components present and this may not necessarily require the presence of a fuel in addition to the feed gas. Furthermore, homogeneous Claus reactions will take place in the reaction furnace section and the sulfuric acid evaporation section so that elemental sulfur can be removed while cooling the feed gas to the Claus converter. The feed stream to the Claus tail gas combustor may typically include H2S as a fuel from the Claus tail gas and/or a separate stream containing H2S , a hydrocarbon or other fuel. In addition to the aforementioned process steps, the process may include additional steps such as heat exchange to change the temperature (or otherwise condition the process streams) to a range appropriate to the processes occurring.
Согласно другому варианту осуществления сырьевой газ секции реакционной печи содержит менее 0.1 об. % неэлементарного азота, как например NH3, с сопутствующим преимуществом, заключающимся в предотвращении образования, например, солей аммония, которые могут закупорить конденсатор(ы) Клауса.According to another embodiment, the feed gas of the reaction furnace section contains less than 0.1 vol.% non-elemental nitrogen, such as NH3 , with the attendant benefit of preventing the formation of, for example, ammonium salts that can plug the Claus condenser(s).
Согласно другому варианту осуществления сырьевой поток секции реакционной печи содержит менее 50%, 20%, 10% или 1% элементарного азота с сопутствующим преимуществом обеспечения процесса с высокой температурой в секции реакционной печи и уменьшенного объема технологического газа из-за уменьшенного присутствия N2. Этого можно добиться, используя в качестве источника кислорода чистый O2 или воздух, обогащенный кислородом.According to another embodiment, the feed stream of the reaction furnace section contains less than 50%, 20%, 10% or 1% elemental nitrogen with the attendant benefit of providing a high temperature process in the reaction furnace section and a reduced volume of process gas due to the reduced presence of N 2 . This can be achieved by using pure O 2 or oxygen-enriched air as the oxygen source.
В альтернативном способе стадии d, е и f выполняются последовательно 2-5 раз, что дает преимущество, заключающееся в обеспечении более высокой конверсии в процессе Клауса.In an alternative method, steps d, e and f are performed sequentially 2-5 times, which has the advantage of providing higher conversion in the Claus process.
Согласно другому варианту осуществления соотношение H2S:SO2 указанного сырьевого газа для конвертера Клауса ниже 4:1, 3:1 или 2:1, с сопутствующим преимуществом такого сырьевого газа, обеспечивающего остаточный газ реакции Клауса, содержащий H2S, для камеры сгорания остаточного газа реакции Клауса, сводя к минимуму необходимость добавления топливного газа, поскольку окисление H2S высвобождает значительное количество энергии, тогда как SO2 не выделяет энергию в камере сгорания остаточного газа реакции Клауса.According to another embodiment, the H2S : SO2 ratio of said Claus converter feed gas is below 4:1, 3:1 or 2:1, with the attendant advantage of such feed gas providing a Claus reaction tail gas containing H2S for the Claus reaction tail gas combustor, minimizing the need for adding fuel gas, since the oxidation of H2S releases a significant amount of energy, whereas SO2 does not release energy in the Claus reaction tail gas combustor.
Согласно другому варианту осуществления, соотношение H2S:SO2 указанного газа для конвертера Клауса ниже 1,6:1, 1,8:1 или 2:1, с сопутствующим преимуществом наличия по существу свободного от H2S остаточного газа реакции Клауса. На расположенном ниже по ходу потока устройстве по производству серной кислоты это может быть преимуществом, так как SO2 не будет окисляться без катализатора конверсии SO2, и, таким образом, можно будет предварительно нагреть остаточный газ реакции Клауса с комбинацией каталитического окисления SO2 (управляемый байпас сырьевого газа, содержащего H2S) и рециркуляция технологического газа вокруг каталитического окисления H2S, так что повышение температуры на катализаторе окисления H2S можно точно контролировать. При неизвестной и/или изменяющейся концентрации H2S в остаточном газе реакции Клауса высок риск перегрева катализатора окисления H2S.According to another embodiment, the H2S : SO2 ratio of said gas for the Claus converter is lower than 1.6:1, 1.8:1 or 2:1, with the attendant advantage of having a substantially H2S -free Claus reaction tail gas. In a downstream sulphuric acid production unit, this may be an advantage, since SO2 will not be oxidised without an SO2 conversion catalyst, and thus the Claus reaction tail gas may be preheated with a combination of catalytic SO2 oxidation (controlled bypass of the feed gas containing H2S ) and recirculation of the process gas around the catalytic H2S oxidation catalyst, so that the temperature rise across the H2S oxidation catalyst may be precisely controlled. With an unknown and/or changing H2S concentration in the Claus reaction tail gas, there is a high risk of overheating the H2S oxidation catalyst.
Согласно другому варианту осуществления способ дополнительно включает стадию направления количества дополнительного сырьевого газа в указанную камеру сгорания остаточного газа реакции Клауса с сопутствующим преимуществом обеспечения дополнительной серы и топлива для сернокислотного процесса. Дополнительный сырьевой газ может содержать примеси, которые могут быть сожжены до обработки сернокислотным процессом, и/или сероводород и другие виды топлива, которые могут способствовать производству серной кислоты и сжиганию в камере сгорания остаточного газа реакции Клауса. Если дополнительный сырьевой газ содержит большое количество инертных газов или топлива, не содержащего серы, преимущество способа также состоит в том, что он позволяет избежать увеличения размера конвертера Клауса из-за второстепенного потока. Дополнительный сырьевой газ может происходить из того же источника, что и сырьевой газ, или из другого источника.According to another embodiment, the method further comprises the step of directing a quantity of additional feed gas to said Claus reaction tail gas combustor with the attendant advantage of providing additional sulphur and fuel for the sulphuric acid process. The additional feed gas may contain impurities that can be burned prior to treatment with the sulphuric acid process and/or hydrogen sulphide and other fuels that can contribute to the production of sulphuric acid and the combustion of the Claus reaction tail gas in the combustor. If the additional feed gas contains a large quantity of inert gases or sulphur-free fuel, the method also has the advantage of avoiding an increase in the size of the Claus converter due to the secondary stream. The additional feed gas may originate from the same source as the feed gas or from a different source.
Согласно другому варианту осуществления указанный дополнительный сырьевой газ содержит более 5 об. % неэлементарного азота, такого как аммиак, с сопутствующим преимуществом, заключающимся в обеспечении способа, в котором компоненты неэлементарного азота, которые могут быть трудно окисляемы в субстехиометрической атмосфере секции реакционной печи, можно направить в камеру сгорания остаточного газа реакции Клауса. Такой способ может быть особенно выгоден, если дополнительным сырьевым газом является газ отпарной колонны кислых вод (SWS), содержащий H2S, NH3 и Н2О - где в процессе Клауса желателен только H2S, a NH3 проблематичен в процессе Клауса из-за потенциальной закупорки солями аммония. Вместо этого такой газ SWS может быть направлен на устройство по производству серной кислоты, где хорошо известны работы с NH3.According to another embodiment, said additional feed gas comprises greater than 5 vol. % of non-elemental nitrogen, such as ammonia, with the attendant advantage of providing a process in which non-elemental nitrogen components that may be difficult to oxidize in the sub-stoichiometric atmosphere of the reaction furnace section can be directed to the Claus reaction tail gas combustor. Such a process can be particularly advantageous if the additional feed gas is a sour water stripper (SWS) gas containing H2S , NH3 and H2O - where only H2S is desired in the Claus process and NH3 is problematic in the Claus process due to potential plugging with ammonium salts. Such SWS gas can instead be directed to a sulfuric acid plant, where NH3 handling is well known.
Согласно другому варианту осуществления количество серы в дополнительном сырьевом газе составляет по меньшей мере 1%, 2% или 5% от общего количества элементарной серы, отводимой из процесса, с сопутствующим преимуществом такого сырьевого газа, который может обеспечивать тепловую энергию, а также вносить свой вклад в уменьшение серы.According to another embodiment, the amount of sulfur in the additional feed gas is at least 1%, 2%, or 5% of the total amount of elemental sulfur removed from the process, with the attendant benefit of such feed gas being able to provide thermal energy as well as contribute to sulfur reduction.
Согласно другому варианту осуществления вещество, каталитически активное в реакции Клауса, содержит активированный оксид алюминия (III) или оксид титана (IV) с сопутствующим преимуществом такого вещества, обеспечивающего эффективный процесс производства элементарной серы.According to another embodiment, the substance catalytically active in the Claus reaction comprises activated aluminum (III) oxide or titanium (IV) oxide, with the attendant advantage of such substance providing an efficient process for the production of elemental sulfur.
Согласно другому варианту осуществления стадию (d) проводят при давлении 200 от мбар изб. до 700 мбар изб., температуре от 200°С до 350°С и объемной скорости от 800 Нм3/ч/м3 до 3000 Нм3/ч/м3, с сопутствующим преимуществом таких условий, эффективных для производства элементарной серы.According to another embodiment, step (d) is carried out at a pressure of 200 mbarg to 700 mbarg, a temperature of 200°C to 350°C and a space velocity of 800 Nm3 /h/ m3 to 3000 Nm3 /h/ m3 , with the attendant advantage of such conditions being effective for the production of elemental sulphur.
Согласно другому варианту осуществления стадию (d) проводят при температуре от 100°С до 150°С, а стадия (е) включает стадию периодического нагревания указанного вещества, каталитически активного в реакции Клауса, для обеспечения отвода конденсированной элементарной серы в жидкую или газовую фазу, с сопутствующим преимуществом низкой температуры, благоприятной для достижения очень высокой конверсии SO2 и H2S в элементарную серу, как из-за благоприятного равновесия при низкой температуры, так и из-за сдвига равновесия путем удаления продукта реакции.According to another embodiment, step (d) is carried out at a temperature of from 100°C to 150°C, and step (e) comprises a step of periodically heating said substance catalytically active in the Claus reaction to ensure the removal of condensed elemental sulfur into the liquid or gas phase, with the concomitant advantage of low temperature, favorable for achieving very high conversion of SO2 and H2S into elemental sulfur, both due to the favorable equilibrium at low temperature and due to the shift of the equilibrium by removing the reaction product.
Согласно другому варианту осуществления указанное вещество, каталитически активное при превращении SO2 в SO3, содержит ванадий, с сопутствующим преимуществом такого вещества, обеспечивающим эффективный способ получения серной кислоты.According to another embodiment, said substance catalytically active in the conversion of SO2 to SO3 comprises vanadium, with the attendant advantage of such substance providing an efficient method for producing sulfuric acid.
Согласно другому варианту осуществления указанная стадия i) проводится при давлении от 50 мбар изб. до 200 мбар изб., температуре от 380°С до 520°С и объемной скорости от 800 Нм3/ч/м3 до 1500 Нм3/ч/м3, на слой катализатора, с сопутствующим преимуществом таких условий, которые эффективны для окисления SO2 с образованием SO3.According to another embodiment, said step i) is carried out at a pressure of from 50 mbarg to 200 mbarg, a temperature of from 380°C to 520°C and a space velocity of from 800 Nm3 /h/ m3 to 1500 Nm3 /h/ m3 , per catalyst bed, with the concomitant advantage of conditions which are effective for oxidising SO2 to form SO3 .
Согласно другому варианту осуществления количество серы в рециклизованном потоке серной кислоты составляет более 1%, 3% или 5% и менее 17%, 21% или 25% от общего количества элементарной серы, отводимой из процесса. Рециркуляция выше нижних пределов имеет то преимущество, что обеспечивает эффект уменьшения объема технологического газа, в то время как рециркуляция меньше верхних пределов позволяет избежать ситуации, когда в секцию реакционной печи необходимо добавлять дополнительное топливо, что приводит к дополнительным объему процесса и эксплуатационным расходам.According to another embodiment, the amount of sulfur in the recycled sulfuric acid stream is greater than 1%, 3% or 5% and less than 17%, 21% or 25% of the total amount of elemental sulfur removed from the process. Recycling above the lower limits has the advantage of providing a process gas volume reduction effect, while recycling less than the upper limits avoids a situation where additional fuel must be added to the reaction furnace section, which results in additional process volume and operating costs.
Согласно другому варианту осуществления онцентрация указанной серной кислоты составляет по меньшей мере 80 мас./мас. % или 90 мас./мас. %, с сопутствующим преимуществом такой кислоты, обеспечивающей добавление кислорода в процесс Клауса при минимизации количества воды, которое необходимо испарить в секции испарения серной кислоты.According to another embodiment, the concentration of said sulfuric acid is at least 80 wt.% or 90 wt.%, with the attendant advantage of such acid providing for the addition of oxygen to the Claus process while minimizing the amount of water that needs to be evaporated in the sulfuric acid evaporation section.
Согласно другому варианту осуществления серная кислота в рециркулируемом потоке серной кислоты распыляется в указанной секции испарения серной кислоты с использованием сжатого воздуха или нагнетательных сопел, при этом время пребывания в секции испарения серной кислоты составляет по меньшей мере 0,5 секунды, 1 секунду или 1,5 секунды, при этом связанное с этим преимущество такого времени пребывания состоит в достаточности для полного испарения капель серной кислоты.According to another embodiment, the sulfuric acid in the recirculated sulfuric acid stream is sprayed in said sulfuric acid evaporation section using compressed air or injection nozzles, wherein the residence time in the sulfuric acid evaporation section is at least 0.5 seconds, 1 second or 1.5 seconds, wherein the associated advantage of such residence time is that it is sufficient for complete evaporation of the sulfuric acid droplets.
Согласно другому варианту осуществления молярное соотношение H2S:O2 компонентов, направляемых в секции реакционной печи, составляет по меньшей мере 2,5, с сопутствующим преимуществом такого низкого содержания кислорода, обеспечивающим субстехиометрическую частичную конверсию H2S в SO2, посредством вклада термической диссоциации H2SO4, добавляя оставшийся О2 для получения желаемого соотношения H2S:SO2 2,0 в сырьевой газ Клауса.According to another embodiment, the molar ratio of H2S : O2 components fed to the reaction furnace sections is at least 2.5, with the attendant benefit of such low oxygen content providing sub-stoichiometric partial conversion of H2S to SO2 , via the contribution of thermal dissociation of H2SO4 , adding the remaining O2 to obtain the desired H2S : SO2 ratio of 2.0 in the Claus feed gas.
Согласно другому варианту осуществления количество указанной серной кислоты поступает из источника, отличного от установки по обработке остаточных газов Клауса, с сопутствующим преимуществом обеспечения дополнительной конверсии серной кислоты в элементарную серу.According to another embodiment, said amount of sulfuric acid is obtained from a source other than the Claus tail gas treatment plant, with the attendant advantage of providing additional conversion of the sulfuric acid to elemental sulfur.
Согласно другому варианту осуществления количество газа SWS, состоящего из 20-50% NH3, 20-50% H2S и по меньшей мере 80% баланса, представляющего собой Н2О, направляют в качестве дополнительного сырья в одну или обе из указанной секции реакционной печи и обработки остаточного газа Клауса.According to another embodiment, a quantity of SWS gas consisting of 20-50% NH3 , 20-50% H2S and at least 80% of the balance being H2O is sent as additional feedstock to one or both of said reaction furnace and Claus residual gas treatment sections.
Согласно другому варианту осуществления количество газа в процессе охлаждают и направляют выше по ходу потока для контроля температуры процесса, что дает возможность активного контроля температуры сильно экзотермических процессов.According to another embodiment, the amount of gas in the process is cooled and directed upstream to control the temperature of the process, which allows for active temperature control of highly exothermic processes.
Согласно другому варианту осуществления один или несколько потоков, направленных в указанную печь реакции Клауса, предварительно нагреваются посредством теплообмена с горячим технологическим потоком, что позволяет свести к минимуму или избежать требований к вспомогательному топливу для достижения желаемой температуры для испарения серной кислоты и конверсии сырья.According to another embodiment, one or more streams directed to said Claus reaction furnace are preheated by heat exchange with a hot process stream, which allows to minimize or avoid the requirements for auxiliary fuel to achieve the desired temperature for evaporation of sulfuric acid and conversion of the feedstock.
Согласно другому варианту осуществления один или несколько потоков, направляемых в указанную камеру сгорания остаточного газа реакции Клауса, предварительно нагревают посредством теплообмена с горячим технологическим потоком с соответствующим преимуществом минимизации или устранения требования вспомогательного топлива для достижения желаемой температуры сгорания и последующего окисления SO2.According to another embodiment, one or more streams directed to said Claus reaction tail gas combustion chamber are preheated by heat exchange with a hot process stream with the corresponding advantage of minimizing or eliminating the requirement for auxiliary fuel to achieve the desired combustion temperature and subsequent oxidation of SO 2 .
Согласно другому варианту осуществления по меньшей мере один из указанных каталитически активных веществ для окисления SO2 в SO3 или H2S в элементарную серу и/или по меньшей мере один продукт, отводимый из одного из указанных каталитически активных веществ, охлаждают путем теплообмена, такого как межслойный теплообмен или каталитический реактор с внутренним охлаждением, с сопутствующим преимуществом, позволяющим активно контролировать температуру сильно экзотермических процессов посредством межслойного теплообмена или каталитического реактора с внутренним охлаждением, такого как реактор с кипящей водой, имеющий трубчатый или пластинчатый охлаждающий контур.According to another embodiment, at least one of said catalytically active substances for the oxidation of SO2 to SO3 or H2S to elemental sulfur and/or at least one product removed from one of said catalytically active substances is cooled by heat exchange, such as an interlayer heat exchange or an internally cooled catalytic reactor, with the attendant advantage of allowing active control of the temperature of highly exothermic processes by means of an interlayer heat exchange or an internally cooled catalytic reactor, such as a boiling water reactor having a tubular or plate cooling circuit.
Еще один аспект настоящего изобретения относится к технологической установке, содержащей секцию реакционной печи, секцию испарения серной кислоты, котел-утилизатор Клауса, секцию конверсии Клауса, средство для окисления серы и секцию серной кислоты, в которой секция реакционной печи имеет вход и выход, секция испарения серной кислоты имеет вход для газа, вход для серной кислоты и выход, котел-утилизатор Клауса имеет вход для газа, выход для газа и выход для элементарной серы, секция конверсии Клауса имеет вход для газа, выход для газа и выход для элементарной серы, средство для окисления серы имеет вход и выход, а секция серной кислоты имеет вход для газа, выход для газа и выход для серной кислоты, где вход секции реакционной печи выполнен с возможностью приема сырьевого газа и окислителя, где выход секции реакционной печи выполнен с возможностью жидкостного сообщения с входом газа секции испарения серной кислоты, вход серной кислоты секции испарения серной кислоты выполнен с возможностью приема потока серной кислоты, а выход секции испарения серной кислоты выполнен с возможностью жидкостного сообщения с входом котла-утилизатора Клауса, где выход котла-утилизатор Клауса выполнен с возможностью жидкостного сообщения с входом секции конверсии Клауса, и при этом вход средства окисления серы выполнен с возможностью жидкостного сообщения с выходом выхода газа указанной секции конверсии Клауса, выход средства для окисления серы выполнен с возможностью жидкостного сообщения с входом секции серной кислоты, отличающейся тем, что выход серной кислоты из секции серной кислоты находится в жидкостном соединении с входом серной кислоты указанной секции испарения серной кислоты, с сопутствующим преимуществом, что процесс включает впрыск серной кислоты в отдельную секцию испарения серной кислоты, обеспечивающую высокую температуру сжигание указанного исходного газа, включая примеси, без охлаждения от испарения и разложения серной кислоты.Another aspect of the present invention relates to a process plant comprising a reaction furnace section, a sulphuric acid evaporation section, a Claus waste heat boiler, a Claus conversion section, a means for oxidising sulphur and a sulphuric acid section, in which the reaction furnace section has an inlet and an outlet, the sulphuric acid evaporation section has a gas inlet, a sulphuric acid inlet and an outlet, the Claus waste heat boiler has a gas inlet, a gas outlet and an elemental sulphur outlet, the Claus conversion section has a gas inlet, a gas outlet and an elemental sulphur outlet, the means for oxidising sulphur has an inlet and an outlet, and the sulphuric acid section has a gas inlet, a gas outlet and a sulphuric acid outlet, where the inlet of the reaction furnace section is configured to receive a feed gas and an oxidiser, where the outlet of the reaction furnace section is configured to be in liquid communication with the gas inlet of the sulphuric acid evaporation section, the sulphuric acid inlet of the sulphuric acid evaporation section is configured to receive a sulphuric acid stream, and the outlet of the sulphuric acid evaporation section is configured to be in liquid communication with the inlet of the Claus waste heat boiler, where the outlet of the Claus waste heat boiler is configured to be in liquid communication with the inlet of the Claus conversion section, and wherein the inlet of the sulphur oxidation means is configured to be in liquid communication with the outlet of the gas outlet of said Claus conversion section, the outlet of the sulphur oxidation means is configured to be in liquid communication with the inlet of the sulphuric acid section, characterized in that the outlet of the sulphuric acid from the sulphuric acid section is in liquid communication with the inlet of the sulphuric acid of said sulphuric acid evaporation section, with the accompanying advantage that the process includes injecting sulphuric acid into a separate sulphuric acid evaporation section, providing high temperature combustion of said feed gas, including impurities, without cooling from evaporation and decomposition of the sulphuric acid.
Согласно другому варианту осуществления секция реакционной печи и секция испарения серной кислоты представляют собой два отдельных механических узла, с сопутствующим преимуществом обеспечения независимой оптимизации и позиционирования этих двух секций.According to another embodiment, the reaction furnace section and the sulfuric acid evaporation section are two separate mechanical units, with the attendant advantage of providing independent optimization and positioning of the two sections.
Согласно другому варианту осуществления секция реакционной печи и секция испарения серной кислоты представляют собой один механический узел с соответствующим преимуществом снижения затрат.According to another embodiment, the reaction furnace section and the sulfuric acid evaporation section are a single mechanical unit with a corresponding cost reduction advantage.
Настоящее изобретение описывает комбинацию процесса Клауса и сернокислотного процесса, которая может эффективно производить количество серной кислоты, необходимое для технологической установки, или даже избегать производства серной кислоты и превращать избыток серной кислоты в элементарную серу, которую можно транспортировать, в другие места.The present invention describes a combination of the Claus process and the sulfuric acid process, which can efficiently produce the amount of sulfuric acid required for a process plant, or even avoid producing sulfuric acid and convert excess sulfuric acid into elemental sulfur that can be transported to other places.
Для максимального превращения в элементарную серу 1/3 H2S должна быть преобразована в SO2.For maximum conversion to elemental sulfur, 1/3 of the H 2 S must be converted to SO 2 .
Стехиометрическое соотношение между H2S и SO2 контролируют, контролируя количество кислорода в секцию реакционной печи. Кислород обычно подают с атмосферным воздухом, но также может быть воздух, обогащенный O2, или даже чистый O2.The stoichiometric ratio between H2S and SO2 is controlled by controlling the amount of oxygen in the reaction furnace section. Oxygen is usually supplied with atmospheric air, but can also be O2 enriched air or even pure O2 .
Добавление кислорода в секцию реакционной печи должно также учитывать количество NH3, СО, Н2 и углеводородов в потоках сырья.The addition of oxygen to the reaction furnace section must also take into account the amount of NH3 , CO, H2 and hydrocarbons in the feed streams.
Если температура горения в секцию реакционной печи меньше 1100°С, превращение, например, NH3 может быть неполным. Следствием этого будет сырьевой газ для конвертера Клауса, имеющий возможность образования солей аммиака, таких как (NH4)2SO4 и (NH4)2S2O3, которые могут закупорить конденсатор Клауса.If the combustion temperature in the reaction furnace section is less than 1100°C, the conversion of, for example, NH 3 may be incomplete. The consequence of this will be a feed gas for the Claus converter that has the potential to form ammonia salts such as (NH 4 ) 2 SO 4 and (NH 4 ) 2 S 2 O 3 , which may clog the Claus condenser.
Частично окисленный сырьевой газ для конвертера Клауса затем превращают в элементарную серу с помощью следующих реакций при температуре обычно выше 200°С в присутствии каталитически активного вещества, такого как активированный оксид алюминия (III) или титана (IV).The partially oxidized feed gas for the Claus converter is then converted to elemental sulfur by the following reactions at temperatures typically above 200°C in the presence of a catalytically active substance such as activated aluminum(III) or titanium(IV) oxide.
Часто 3-4 конвертера Клауса работают последовательно, чтобы увеличить превращение до максимума, что увеличивает стоимость установки Клауса.Often 3-4 Claus converters are operated in series to increase the conversion to the maximum, which increases the cost of the Claus installation.
Контроль температуры в процессе Клауса важен для обеспечения того, чтобы элементарная сера, образующаяся в каталитическом нейтрализаторе, оставалась газообразной до желаемого положения процесса для конденсации. Еще одно ограничение связано с тем фактом, что, поскольку процесс Клауса является экзотермическим, выгодно работать при низких температурах.Temperature control in the Claus process is important to ensure that the elemental sulfur formed in the catalytic converter remains gaseous until the desired process position for condensation. Another limitation is related to the fact that since the Claus process is exothermic, it is advantageous to operate at low temperatures.
Альтернативой вышеуказанному процессу является так называемый процесс Клауса при температуре ниже точки росы, в котором каталитически активное вещество работает при температурах, при которых элементарная сера не находится в газовой фазе. Для такого процесса Клауса при температуре ниже точки росы потребуется соответствующая схема отвода конденсированной элементарной серы, т.е. пульсированием температуры и продувкой элементарной серы инертным газом.An alternative to the above process is the so-called sub-dew point Claus process, in which the catalytically active substance operates at temperatures at which elemental sulfur is not in the gas phase. Such a sub-dew point Claus process would require an appropriate scheme for removing condensed elemental sulfur, i.e. by pulsating the temperature and purging the elemental sulfur with an inert gas.
Даже при последовательном подключении 3-4 конвертеров/конденсаторов/перегревателей Клауса невозможно достичь извлечения серы более ~98%, что недостаточно для соблюдения большинства экологических норм. Поэтому установка Клауса обычно оснащена так называемой установкой реакции Клауса для остаточного газа, одним из примеров которой является упомянутый выше процесс при температуре ниже точки росы. Существует множество процессов с остаточными газами, имеющих различные характеристики. Для достижения очень высокой эффективности удаления эти установки реакции Клауса для остаточного газа усложняются и приближаются к той же стоимости, что и сама установка Клауса.Even with 3-4 Claus converters/condensers/superheaters in series, it is not possible to achieve a sulfur recovery of more than ~98%, which is insufficient to meet most environmental regulations. Therefore, a Claus plant is usually equipped with a so-called Claus tail gas reaction unit, one example of which is the below-dew point process mentioned above. There are many tail gas processes with different characteristics. To achieve very high removal efficiencies, these Claus tail gas reaction units become more complex and approach the same cost as the Claus plant itself.
Полученная элементарная сера, как правило, не имеет прямого применения на заводах, производящих поток отходов, содержащих H2S, но элементарную серу легко транспортировать на другие объекты и хранить в течение длительного периода времени.The resulting elemental sulfur generally has no direct use in plants producing a waste stream containing H2S , but elemental sulfur is easily transported to other facilities and stored for long periods of time.
Общепринятой альтернативой процессу Клауса является превращение H2S в серную кислоту, т.е. так называемым влажным сернокислотным процессом. Полученная серная кислота может использоваться в других химических процессах на заводе. Влажный сернокислотный процесс может также представлять собой очистку остаточных газов технологической установки Клауса. Аналогичный процесс с использованием сухой серной кислоты также может найти применение в этом отношении.A common alternative to the Claus process is the conversion of H2S into sulphuric acid, the so-called wet sulphuric acid process. The sulphuric acid produced can be used in other chemical processes in the plant. The wet sulphuric acid process can also be used to clean the residual gases of a Claus process plant. A similar process using dry sulphuric acid can also find application in this respect.
Сернокислотные процессы окисляют H2S до SO2 и SO2 до SO3, а затем гидратируют SO3 до серной кислоты, либо путем реакции с водой в газовой фазе в так называемом влажном сернокислотном процессе, либо путем абсорбция в концентрированной серной кислоте в так называемом контактном процессе или сухом процессе. Температура реакции при окислении SO2 до SO3 будет находиться в диапазоне 400-500°С в присутствии каталитически активного вещества, обычно включающего ванадий. Как правило, влажные сернокислотные процессы производят серную кислоту с концентрацией в диапазоне 92%-98%, тогда как сухие сернокислотные процессы могут также производить серную кислоту с концентрацией выше 98%.Sulfuric acid processes oxidize H2S to SO2 and SO2 to SO3 and then hydrate the SO3 to sulfuric acid, either by reaction with water in the gas phase in the so-called wet sulfuric acid process or by absorption in concentrated sulfuric acid in the so-called contact process or dry process. The reaction temperature for the oxidation of SO2 to SO3 will be in the range of 400-500°C in the presence of a catalytically active substance, usually including vanadium. Typically, wet sulfuric acid processes produce sulfuric acid with a concentration in the range of 92%-98%, while dry sulfuric acid processes can also produce sulfuric acid with a concentration above 98%.
Кроме того, также может быть привлекательным собирать пар высокого давления в диапазоне от 30 бар изб. до 80 бар изб. из сильно экзотермических процессов с серной кислотой, тогда как процесс Клауса будет производить только пар более низкого давления и в значительно более низких количествах.In addition, it may also be attractive to collect high pressure steam in the range of 30 barg to 80 barg from highly exothermic sulphuric acid processes, whereas the Claus process will only produce lower pressure steam and in much lower quantities.
Однако производство больших количеств серной кислоты может быть менее привлекательным, даже если серная кислота продается на коммерческой основе, поскольку транспортировка серной кислоты является сложной и регулируемой.However, producing large quantities of sulfuric acid may be less attractive, even if the sulfuric acid is sold commercially, because transporting sulfuric acid is complex and regulated.
Реакциями, протекающими в сернокислотном процессе (сухом и влажном), являютсяThe reactions that occur in the sulfuric acid process (dry and wet) are
Общая реакция сернокислотного процесса может быть описана в соответствии сThe general reaction of the sulfuric acid process can be described in accordance with
Влажный сернокислотный процесс как обычное решение остаточного газа реакции Клауса обеспечивает решение, которое соответствует экологическим нормам при более низких капитальных и эксплуатационных затратах, чем альтернативы. Единственным недостатком влажного сернокислотного процесса до сих пор было получение серной кислоты, которая не всегда желательна.The wet sulfuric acid process as a conventional solution for Claus tail gas provides a solution that meets environmental regulations at lower capital and operating costs than alternatives. The only drawback of the wet sulfuric acid process so far has been the production of sulfuric acid, which is not always desirable.
В настоящее время стало понятно, что объединение процесса Клауса и сернокислотного процесса также может быть осуществлено путем рециркуляции всей или практически всей произведенной серной кислоты в секцию испарения серной кислоты. С помощью нового изобретения интегрированный процесс Клауса/влажный сернокислотный процесс устраняет недостаток, связанный с неудобным сернокислотным продуктом, и в то же время уменьшает размер установки как процесса Клауса, так и влажного сернокислотного процесса.It has now become clear that the integration of the Claus process and the sulfuric acid process can also be accomplished by recycling all or substantially all of the sulfuric acid produced to the sulfuric acid evaporation section. With the new invention, the integrated Claus/wet sulfuric acid process eliminates the disadvantage of the inconvenient sulfuric acid product and at the same time reduces the plant size of both the Claus process and the wet sulfuric acid process.
Сжигание серной кислоты известно при регенерации отработанной серной кислоты на установке влажного сернокислотного процесса, но не применялось на практике в реакционной печи процесса Клауса или в условиях процесса Клауса.Combustion of sulfuric acid is known in the regeneration of spent sulfuric acid in a wet sulfuric acid plant, but has not been used in practice in a Claus reaction furnace or under Claus process conditions.
Когда серная кислота вводится в секции испарения серной кислоты, происходит следующая общая реакцияWhen sulfuric acid is introduced into the sulfuric acid evaporation sections, the following general reaction occurs
Чтобы завершить эту общую реакцию, необходимо завершить следующие реакции:To complete this overall reaction, the following reactions must be completed:
Реакция (8) является обычной реакцией испарения, в которой энергия, необходимая для нагрева жидкости и испарения воды и серной кислоты, обеспечивается горячим окружающим технологическим газом. Эффект полного испарения серной кислоты заключается в том, что газообразная H2SO4 гораздо менее агрессивна, чем капли жидкой H2SO4.Reaction (8) is a normal evaporation reaction in which the energy required to heat the liquid and evaporate the water and sulfuric acid is provided by the hot ambient process gas. The effect of complete evaporation of the sulfuric acid is that the gaseous H2SO4 is much less aggressive than the droplets of liquid H2SO4 .
Реакция (9) представляет собой эндотермическую реакцию диссоциации, протекающую практически мгновенно при температуре выше 600°С. В этот момент времени некоторое количество SO3 начнет реагировать с H2S с образованием SO2, Н2О и элементарной серы.Reaction (9) is an endothermic dissociation reaction that occurs almost instantaneously at temperatures above 600°C. At this point in time, some SO 3 will begin to react with H 2 S to form SO 2 , H 2 O, and elemental sulfur.
Реакция (10) представляет собой эндотермическую реакцию разложения, протекающую быстро при температурах выше 900°С. В насыщенных кислородом атмосферах химическое равновесие предотвращает полную диссоциацию, но в восстановительных атмосферах удаление продукта О2 (в результате реакции с H2S) позволяет полное разложение. Реакция между H2S и О2 протекает очень быстро при этих повышенных температурах.Reaction (10) is an endothermic decomposition reaction occurring rapidly at temperatures above 900°C. In oxygen-rich atmospheres, chemical equilibrium prevents complete dissociation, but in reducing atmospheres, removal of the O2 product (by reaction with H2S ) allows complete decomposition. The reaction between H2S and O2 occurs very rapidly at these elevated temperatures.
Время пребывания в секции испарения серной кислоты обычно составляет 1-2 секунды, необходимо убедиться, что реакции 8, 9, 10 и 1 завершены в течение этого времени. При охлаждении технологического газа, т.е. в котле-утилизаторе Клауса, скорости реакции резко снижаются и дальнейшая конверсия будет незначительной.The residence time in the sulphuric acid evaporation section is typically 1-2 seconds, it is necessary to ensure that reactions 8, 9, 10 and 1 are completed within this time. When the process gas is cooled, i.e. in the Claus boiler, the reaction rates are sharply reduced and further conversion will be insignificant.
Присутствие О2 и/или SO3 в технологическом газе, контактирующем с катализатором в реакторах Клауса ниже по ходу потока, приведет к дезактивации катализатора вследствие реакции «сульфатирования», при которой каталитически активный оксид алюминия или оксид титана превращается в каталитически неактивный сульфат алюминия или сульфата титана и, следовательно, образование элементарной серы в этих реакторах уменьшится, что приведет к увеличению количества непрореагировавших соединений серы в остаточном газе сернокислотной установки ниже по ходу потока и к увеличению выбросов в атмосферу.The presence of O2 and/or SO3 in the process gas contacting the catalyst in downstream Claus reactors will result in catalyst deactivation due to a "sulfation" reaction in which the catalytically active alumina or titanium oxide is converted to catalytically inactive aluminum sulfate or titanium sulfate and, consequently, the formation of elemental sulfur in these reactors will be reduced, leading to an increase in the amount of unreacted sulfur compounds in the tail gas of the downstream sulfuric acid plant and to increased emissions to the atmosphere.
Кроме того, SO3 в технологическом газе может при прохождении через узлы конденсации серы соединяться с водой, конденсироваться и образовывать серную кислоту в продукте элементарной серы, что может привести к коррозии технологического оборудования.In addition, SO3 in the process gas may combine with water when passing through sulfur condensation units, condense and form sulfuric acid in the elemental sulfur product, which may lead to corrosion of process equipment.
Для устранения риска того, что любой непрореагировавший SO3 из секции испарения серной кислоты вызовет эксплуатационные проблемы в конвертерах Клауса и конденсаторах элементарной серы, предпочтительно установить каталитический реактор между выходом котла-утилизатора и первым конденсатором элементарной серы или первым каталитическим реактором Клауса. Катализатор эффективно снижает содержание SO3 до безвредного SO2 и/или элементарной серы за счет H2S и Н2, присутствующих в отходящих газах реакционной печи.To eliminate the risk that any unreacted SO3 from the sulphuric acid evaporation section will cause operational problems in the Claus converters and elemental sulphur condensers, it is preferable to install a catalytic reactor between the waste heat boiler outlet and the first elemental sulphur condenser or the first catalytic Claus reactor. The catalyst effectively reduces the SO3 content to harmless SO2 and/or elemental sulphur at the expense of H2S and H2 present in the reaction furnace off-gases.
Если вся серная кислота, полученная в сернокислотном процессе остаточного газа Клауса, направляется в секцию испарения серной кислоты, можно использовать процесс Клауса, в котором для снижения выбросов H2S используется очень высокая эффективность удаления, а также термическая эффективность сернокислотной установки, но единственным продуктом которого является элементарная сера, которая проста в обращении и транспортировке.If all the sulfuric acid produced in the Claus tail gas sulfuric acid process is sent to a sulfuric acid evaporation section, the Claus process can be used, which uses the very high removal efficiency and thermal efficiency of the sulfuric acid plant to reduce H2S emissions, but whose only product is elemental sulfur, which is easy to handle and transport.
Кроме того, при рециркуляции серной кислоты O2 высвобождается при разложении H2SO4, так что количество добавляемого окислителя горения будет уменьшено, что, если окислителем является атмосферный воздух, позволяет резко уменьшить объем процесса, поскольку атмосферный воздух содержит около 80% инертного N2, т.е. 4 объема N2 на объем O2.In addition, by recycling the sulfuric acid, O2 is released by decomposition of H2SO4 , so that the amount of combustion oxidizer added will be reduced, which, if the oxidizer is atmospheric air, allows a dramatic reduction in the process volume, since atmospheric air contains about 80% inert N2 , i.e. 4 volumes of N2 per volume of O2 .
Общая реакция, основанная на использовании воздуха в качестве носителя O2 для печи реакции Клауса, является следующей:The overall reaction based on the use of air as the O 2 carrier for the Claus reaction furnace is as follows:
Подобным образом, общая реакция Клауса, основанная на H2SO4 в качестве носителя O2 для печи реакции Клауса, является следующей:Similarly, the general Claus reaction based on H2SO4 as the O2 carrier for the Claus reaction furnace is as follows:
Сравнивая две реакции, становится очевидным, что H2SO4 является отличным носителем O2 и имеет (теоретический) потенциал для уменьшения объемного потока остаточного газа реакции Клауса на 67% по сравнению с атмосферным воздухом.Comparing the two reactions, it becomes evident that H2SO4 is an excellent carrier of O2 and has the (theoretical) potential to reduce the Claus reaction residual gas volume flux by 67% compared to atmospheric air.
Также может быть полезно перенаправить некоторое количество сырьевого газа в камеру сгорания остаточного газа реакции Клауса, поскольку сырьевой газ имеет теплотворную способность, которую можно использовать в камере сгорания остаточного газа реакции Клауса, и, таким образом, снизить потребность в добавлении вспомогательного топлива. Это может быть даже более выгодно, если существуют два источника сырьевого газа, такие как один сырьевой газ, не содержащий NH3, и другой сырьевой газ, содержащий NH3, поскольку субстехиометрические условия в секции реакционной печи препятствуют полному окислению NH3. Так называемые газы колонны для отпарки кислых вод (SWS) являются примером такого сырьевого газа, содержащего NH3.It may also be advantageous to redirect some of the feed gas to the Claus tail gas combustor, since the feed gas has a heating value that can be used in the Claus tail gas combustor, thus reducing the need for auxiliary fuel addition. This may be even more advantageous if there are two sources of feed gas, such as one NH3- free feed gas and one NH3 -containing feed gas, since the sub-stoichiometric conditions in the reaction furnace section prevent complete oxidation of the NH3 . The so-called sour water stripper (SWS) gases are an example of such an NH3 -containing feed gas.
В процессах Клауса для обработки газа SWS решающее значение имеет полное разрушение NH3 в секции реакционной печи, в противном случае образуются соли аммиака, такие как (NH4)2SO4 и (NH4)2S2O3, которые закупоривают конечный конденсатор элементарной серы. Специальные высокоинтенсивные (двухступенчатые) горелки способны достигать высоких температур, необходимых для термической деструкции NH3, но требуют точного контроля кислого газа в двух отдельных потоках.In the Claus processes for SWS gas treatment , complete destruction of NH3 in the reaction furnace section is critical, otherwise ammonia salts such as ( NH4 ) 2SO4 and ( NH4 ) 2S2O3 are formed, which plug the final elemental sulfur condenser. Special high intensity (two-stage) burners are capable of achieving the high temperatures required for thermal destruction of NH3 , but require precise control of the acid gas in two separate streams.
Однако хорошо известна обработка газа SWS на сернокислотной установке, так как полное окисление NH3 до N2 и NO достигается избытком кислорода при температурах около 1000°С. Таким образом, может быть желательным сконфигурировать интегрированный процесс Клауса/серной кислоты с двумя камерами сгорания для направления первого сырья, содержащего H2S и небольшого количества NH3 или без него, в секцию реакционной печи, при этом газ, содержащий NH3, такой как газ SWS, направляется в камеру сгорания остаточного газа реакции Клауса. В такой конфигурации может оказаться желательным спроектировать сернокислотную установку таким образом, чтобы она включала секцию селективного каталитического восстановления (SCR) NOx с помощью NH3 в присутствии катализатора на основе ванадия.However, it is well known to treat SWS gas in a sulfuric acid plant since complete oxidation of NH3 to N2 and NO is achieved with excess oxygen at temperatures around 1000°C. Thus, it may be desirable to configure an integrated Claus/sulfuric acid process with two combustors to direct a first feed containing H2S and little or no NH3 to a reaction furnace section, with a gas containing NH3 , such as SWS gas, being directed to a Claus reaction tail gas combustor. In such a configuration, it may be desirable to design the sulfuric acid plant to include a selective catalytic reduction (SCR) section for NOx with NH3 in the presence of a vanadium based catalyst.
При проектировании горелки Клауса и реакционной печи разрушение углеводородов (например, СН4 и ВТХ) и, если присутствует, NH3 обычно определяет рабочую температуру и время пребывания. Прорыв этих частиц в каталитическую секцию Клауса может привести к загрязнению и дезактивации катализатора, а также закупорке конденсаторов элементарной серы, что приведет к незапланированным остановкам.When designing a Claus burner and reaction furnace, the breakdown of hydrocarbons (e.g. CH4 and BTX) and, if present, NH3, typically determines the operating temperature and residence time. Breakthrough of these species into the Claus catalyst section can lead to catalyst fouling and deactivation, as well as plugging of elemental sulfur condensers, resulting in unscheduled shutdowns.
Реакции с участием H2S (реакции 1 и 2) обычно считаются быстрыми и не будут реакциями, определяющими скорость.Reactions involving H2S (reactions 1 and 2) are generally considered fast and will not be rate determining reactions.
Как правило, для полной деструкции углеводородов требуется температура 1000-1050°С, с учетом эффектов медленного перемешивания и градиентов температуры/состава. Точно так же требуется 1200-1250°С для обеспечения надлежащего разрушения H2S в реакционной печи.Typically, temperatures of 1000-1050°C are required for complete destruction of hydrocarbons, taking into account the effects of slow mixing and temperature/composition gradients. Similarly, 1200-1250°C is required to ensure adequate destruction of H2S in the reaction furnace.
Для достижения таких высоких температур, особенно в случае сырьевых газов с низкой теплотворной способностью, может потребоваться выбор предварительного нагрева сырьевого газа, обогащение кислородом, ступенчатое сжигание кислого газа и/или совместное сжигание топливного газа.To achieve such high temperatures, especially in the case of low calorific value feed gases, a choice of feed gas preheating, oxygen enrichment, staged acid gas combustion and/or fuel gas co-firing may be required.
С введением серной кислоты правильная конструкция и эксплуатация горелки Клауса и реакционной печи станут более важными, поскольку общий эффект от впрыскивания серной кислоты в печь реакции Клауса заключается в снижении температуры, точное значение зависит от энергетической ценности сырьевого газа и относительное количество серной кислоты, направляемой в реакционную печь. Учитывая, что около 5% общего объема производства элементарной серы поставляется в виде серной кислоты, общее снижение температуры в печи реакции Клауса обычно составляет 50-100°С.With the introduction of sulfuric acid, the proper design and operation of the Claus burner and reaction furnace will become more important, because the overall effect of injecting sulfuric acid into the Claus reaction furnace is to reduce the temperature, the exact value depends on the energy value of the feed gas and the relative amount of sulfuric acid fed to the reaction furnace. Considering that about 5% of the total elemental sulfur production is supplied as sulfuric acid, the overall temperature reduction in the Claus reaction furnace is usually 50-100 °C.
Самая простая схема состоит в том, чтобы сконфигурировать горелку Клауса для приема всего сырья и отрегулировать температуру в печи реакции Клауса путем добавления топливного газа и/или использовать, например, предварительный подогрев сырьевого газа и обогащение O2.The simplest scheme is to configure the Claus burner to accept all feedstock and adjust the temperature in the Claus reaction furnace by adding fuel gas and/or using, for example, feed gas preheating and O 2 enrichment.
Однако в некоторых случаях это может значительно увеличить потребление топливного газа, расход воздуха для горения и общий расход технологического газа до такой степени, что установки для отходящих газов Клауса и Клауса станут слишком большими, что приведет к неконкурентоспособному решению. Кроме того, увеличение расхода топлива приведет к увеличению эксплуатационных расходов.However, in some cases this can significantly increase fuel gas consumption, combustion air consumption and overall process gas consumption to the point that the Claus and Claus exhaust gas plants become too large, resulting in an uncompetitive solution. In addition, the increased fuel consumption will lead to increased operating costs.
В раскрытом изобретении описан способ добавления серной кислоты в печь реакции Клауса таким образом, чтобы обеспечить требуемые высокие рабочие температуры для разрушения углеводородов и NH3 и уменьшить размер установки и эксплуатационные расходы.The disclosed invention describes a method of adding sulfuric acid to a Claus reaction furnace in such a way as to provide the required high operating temperatures for the destruction of hydrocarbons and NH3 and to reduce the size of the plant and operating costs.
Было установлено, что установление высокой температуры в секции реакционной печи с более низким стехиометрическим содержанием O2, чем соответствует реакции Клауса, и направление серной кислоты в расположенную ниже по ход потока секцию испарения серной кислоты, которая охлаждает технологический газ за счет эндотермических реакций, связанных с испарение, дегидратация и диссоциация серной кислоты, обеспечивают необходимую температуру для разрушения углеводородов и NH3, сохраняя при этом преимущества свойств обогащения O2 серной кислоты. Это достигается за счет понимания того, что пока углеводороды и NH3 разрушаются в секции высокотемпературной реакционной печи, секция испарения серной кислоты, включающая ввод серной кислоты, не требует такой же высокой температуры, как обе реакции, связанные с H2SO4 (7-10), и прямые реакции, связанные с H2S (1-2), будут происходить при этих более низких температурах. Более низкая температура приведет к более низкому равновесному превращению H2S и SO2 в элементарную серу, однако, последующие каталитические преобразователи могут компенсировать этот несколько меньший выход элементарной серы в реакционной печи.It has been found that establishing a high temperature in the reaction furnace section with a lower stoichiometric O 2 content than that required for the Claus reaction and directing the sulfuric acid to a downstream sulfuric acid flash section which cools the process gas through endothermic reactions associated with the vaporization, dehydration and dissociation of sulfuric acid provides the necessary temperature for the destruction of hydrocarbons and NH 3 while maintaining the benefits of the O 2 enriching properties of sulfuric acid. This is achieved by recognizing that while hydrocarbons and NH 3 are destroyed in the high temperature reaction furnace section, the sulfuric acid flash section which includes the sulfuric acid feed does not require as high a temperature as both the reactions associated with H 2 SO 4 (7-10) and the direct reactions associated with H 2 S (1-2) will occur at these lower temperatures. The lower temperature will result in lower equilibrium conversion of H2S and SO2 to elemental sulfur, however, subsequent catalytic converters can compensate for this somewhat lower yield of elemental sulfur in the reaction furnace.
Эффекты обогащения O2 и охлаждения технологического газа за счет впрыска серной кислоты приводят как к меньшему расходу технологического газа, так и к более низкой температуре технологического газа в котле-утилизаторе, и, таким образом, можно будет использовать меньший по размеру и более дешевый котел-утилизатор.The effects of O2 enrichment and process gas cooling by sulphuric acid injection result in both lower process gas consumption and lower process gas temperature in the waste heat boiler, and thus a smaller and cheaper waste heat boiler can be used.
Согласно одному варианту осуществления печь реакции Клауса выполнена таким образом, что в высокотемпературную секцию реакционной печи, включающую горелку Клауса, поступает полный объем воздуха для горения, сырьевой газ, содержащий NH3, и по меньшей мере часть кислого газа, а секция испарения серной кислоты выполнена для получения полного количества серной кислоты и, необязательно, части кислого газа. Это позволяет разлагать NH3 без совместного сжигания топливного газа, поскольку эффект снижения температуры от ввода серной кислоты задерживается до тех пор, пока не будет разрушен NH3.According to one embodiment, the Claus reaction furnace is designed such that the high-temperature section of the reaction furnace, including the Claus burner, receives the full volume of combustion air, raw gas containing NH 3 , and at least a portion of the acid gas, and the sulfuric acid evaporation section is designed to obtain the full amount of sulfuric acid and, optionally, a portion of the acid gas. This allows NH 3 to be decomposed without co-combustion of the fuel gas, since the temperature-reducing effect of introducing sulfuric acid is delayed until NH 3 is destroyed.
Секция реакционной печи работает в условиях очень обогащенного топлива, т.е. вход O2 меньше, чем необходимо для полного превращения всех горючих веществ в CO2, SO2 и H2O. Это нормальная практика для печи реакции Клауса, так как обычно подается только около 1/3 требуемого O2. Однако при вводе серной кислоты в секцию испарения серной кислоты секция реакционной печи работает с еще меньшим вводом O2, так как значительное количество O2 подается через H2SO4 и в меньшей степени через среду распыления в секции испарения серной кислоты. Тепло, генерируемое в секции реакционной печи, напрямую связано с поступлением O2, а температура технологического газа напрямую связана с генерируемым теплом и общим количеством технологического газа в секции реакционной печи. Чтобы повысить температуру в секции реакционной печи, общее количество технологического газа можно уменьшить, отводя часть кислого газа в секцию испарения серной кислоты. Количество кислого газа, которое можно отвести, зависит от нескольких факторов, таких как теплотворная способность входных потоков, степень предварительного нагрева сырьевых потоков, требуемая температура секции реакционной печи, наличие примесей в кислом газе и температура секции испарения серной кислоты.The reaction furnace section operates under very rich fuel conditions, i.e. the O 2 input is less than that required to completely convert all combustibles to CO 2 , SO 2 and H 2 O. This is normal practice for the Claus reaction furnace, since typically only about 1/3 of the required O 2 is fed. However, when introducing sulfuric acid into the sulfuric acid vaporization section, the reaction furnace section operates with an even smaller O 2 input, since a significant amount of O 2 is supplied via H 2 SO 4 and to a lesser extent via the atomization medium in the sulfuric acid vaporization section. The heat generated in the reaction furnace section is directly related to the O 2 input, and the process gas temperature is directly related to the heat generated and the total amount of process gas in the reaction furnace section. To increase the temperature in the reaction furnace section, the total amount of process gas can be reduced by diverting a portion of the acid gas to the sulfuric acid vaporization section. The amount of acid gas that can be removed depends on several factors such as the heating value of the inlet streams, the degree of preheating of the feed streams, the required temperature of the reaction furnace section, the presence of impurities in the acid gas, and the temperature of the sulfuric acid evaporation section.
Например, на нефтеперерабатывающих заводах обычно используется концентрированный кислый газ (>80 об. % H2S) и газ, содержащий NH3 и H2S (газ отпарной колонны кислых вод (SWS)), где большая часть входной серы присутствует в кислом газе. Затем зона реакционной печи может быть выполнена для приема всего количества газа SWS и воздуха для горения, а также некоторого количества кислого газа, так что температура в секции реакционной печи будет около 1200-1250°С, а полное разрушение NH3 будет достигнуто до секции испарения серной кислоты, куда вводится серная кислота, любые среды распыления и оставшийся кислый газ. При такой установке температура в секции испарения серной кислоты будет иметь второстепенное значение, поскольку кислый газ содержит низкие концентрации примесей (таких как углеводороды), которые в противном случае потребовали бы определенной температуры для полного разрушения.For example, in petroleum refineries it is common to use concentrated acid gas (>80 vol.% H2S ) and a gas containing NH3 and H2S (sour water stripper (SWS) gas), where most of the inlet sulfur is present in the acid gas. The reaction furnace section can then be designed to receive all of the SWS gas and combustion air, plus some of the acid gas, so that the temperature in the reaction furnace section will be around 1200-1250°C and complete destruction of the NH3 will be achieved prior to the sulfuric acid flash section, where the sulfuric acid, any spray media, and the remaining acid gas are introduced. In such a setup, the temperature in the sulfuric acid flash section will be of secondary importance since the acid gas contains low concentrations of impurities (such as hydrocarbons) that would otherwise require a certain temperature for complete destruction.
На установках по обработке природного газа сырьевой газ для установки Клауса будет иметь меньшую концентрацию H2S (обычно <60 об. %) и содержать углеводороды, для которых требуется температура выше 1000-1050°С для обеспечения полного разрушения углеводороды. В такой ситуации предпочтительным вариантом, скорее всего, будет направление всего количества кислого газа в секцию реакционной печи.In natural gas processing plants, the feed gas to the Claus unit will have a lower concentration of H2S (typically <60 vol.%) and will contain hydrocarbons that require temperatures above 1000-1050°C to ensure complete destruction of the hydrocarbons. In such a situation, the preferred option would likely be to route all of the acid gas to the reaction furnace section.
Как в секции реакционной печи, так и в секции испарения серной кислоты могут быть установлены усилители турбулентности, так что эффективное смешивание технологического газа из секции реакционной печи и серной кислоты и, необязательно, части кислого газа завершается как можно быстрее. Усилители турбулентности могут, например, быть дроссельными кольцами, векторными стенками, тангенциальными впускными отверстиями и т.д., которые обеспечат более узкое распределение времени пребывания технологического газа, улучшат перемешивание, увеличат испарение капель серной кислоты и снизят вероятность того, что капля испытает пребывание намного ниже среднего время.Turbulence enhancers can be installed in both the reaction furnace section and the sulphuric acid evaporation section so that efficient mixing of the process gas from the reaction furnace section and the sulphuric acid and optionally a portion of the acid gas is completed as quickly as possible. Turbulence enhancers can be, for example, throttle rings, vector walls, tangential inlets, etc., which will provide a narrower distribution of the process gas residence time, improve mixing, increase the evaporation of the sulphuric acid droplets and reduce the probability that a droplet will experience a residence time much lower than the average.
Секция испарения серной кислоты также может быть оснащена импакторными средствами, позволяющими уменьшить количество крупных капель, которые из-за своей высокой инерции не смогут следовать за линиями потока газа, отводимого близко к препятствия в средствах импакции. Вместо этого большие капли будут продолжать движение вперед, сталкиваться с препятствием и испаряться с поверхности препятствия. В результате снижается риск переноса непрореагировавшего SO3 в процесс ниже по оду потока от котла-утилизатора печи реакции Клауса, что позволяет избежать конденсации серной кислоты в конденсаторах элементарной серы и/или дезактивации путем сульфатирования катализатора в каталитических конвертерах Клауса. Такими средствами импакции могут быть решетчатые стенки, ударные стенки, векторные стенки, лабиринтные стенки и отсеки из (инертного) упаковочного материала.The sulphuric acid evaporation section may also be equipped with impactor means to reduce the number of large droplets which, due to their high inertia, will not be able to follow the flow lines of the gas diverted close to the obstruction in the impactor means. Instead, the large droplets will continue to move forward, collide with the obstruction and evaporate from the surface of the obstruction. As a result, the risk of unreacted SO3 being carried over into the process downstream of the Claus reaction furnace waste heat boiler is reduced, thereby avoiding condensation of sulphuric acid in elemental sulphur condensers and/or deactivation by sulphation of the catalyst in Claus catalytic converters. Such impactor means may be grate walls, impact walls, vector walls, labyrinth walls and compartments made of (inert) packing material.
Согласно другому варианту осуществления сырьевые газы для установки Клауса представляют собой кислый газ с высокой концентрацией H2S и газ SWS, содержащий NH3, а сернокислотная установка для остаточного газа Клауса выполнена для приема всего количества газа SWS, что позволяет экономить топливо в камере сгорания остаточных газов Клауса и устраняет эксплуатационные проблемы в установке Клауса, связанные с неполным разрушением NH3 в печи реакции Клауса. Секция реакционной печи в установке Клауса выполнена для получения всего количества воздуха для горения, топливного газа (при необходимости) и по меньшей мере части кислого газа, в то время как секция испарения серной кислоты выполнена для приема по меньшей мере части серной кислоты из сернокислотной установки остаточного газа Клауса и оставшегося кислого газа.According to another embodiment, the feed gases for the Claus unit are acid gas with a high concentration of H 2 S and SWS gas containing NH 3 , and the sulfuric acid plant for the Claus residual gas is designed to receive the entire amount of SWS gas, which allows saving fuel in the combustion chamber of the Claus residual gases and eliminates operational problems in the Claus unit associated with incomplete destruction of NH 3 in the Claus reaction furnace. The reaction furnace section in the Claus unit is designed to receive the entire amount of combustion air, fuel gas (if necessary) and at least a portion of the acid gas, while the sulfuric acid evaporation section is designed to receive at least a portion of the sulfuric acid from the sulfuric acid plant of the Claus residual gas and the remaining acid gas.
Согласно другому варианту осуществления испарение серной кислоты происходит в отсеке, отделенном от секции реакционной печи, и насыщенный серной кислотой газ из этого отсека добавляется к технологическому газу из секции высокотемпературной реакционной печи после завершения испарения серной кислоты. Такой вариант осуществления будет обеспечивать специальное отделение для испарения серной кислоты, предоставляя достаточное время для испарения капель перед смешиванием с основным потоком технологического газа. Преимущество этого варианта осуществления заключается в том, что специальная камера может быть намного меньше, чем реакционная печь, но при этом иметь гораздо большее время пребывания для испарения капель, что позволяет найти экономичное решение для реакционной печи.According to another embodiment, the evaporation of sulfuric acid occurs in a compartment separated from the reaction furnace section, and the sulfuric acid-saturated gas from this compartment is added to the process gas from the high-temperature reaction furnace section after the evaporation of sulfuric acid is completed. Such an embodiment will provide a special compartment for the evaporation of sulfuric acid, providing sufficient time for the droplets to evaporate before mixing with the main flow of process gas. The advantage of this embodiment is that the special chamber can be much smaller than the reaction furnace, but at the same time have a much longer residence time for the droplets to evaporate, which allows for an economical solution for the reaction furnace.
Энергия, необходимая для испарения серной кислоты, может быть обеспечена за счет отбора части технологического газа из секции реакционной печи и направления серной кислоты в этот меньший объем газа. Преимущество такого варианта осуществления заключается в том, что энергия уже имеется в технологическом газе и в установке Клауса не происходит разбавления технологического газа продуктами сгорания при использовании вспомогательного топлива.The energy required to evaporate the sulphuric acid can be provided by taking a portion of the process gas from a section of the reaction furnace and directing the sulphuric acid into this smaller volume of gas. The advantage of this embodiment is that the energy is already present in the process gas and that in the Claus plant there is no dilution of the process gas with combustion products when using auxiliary fuel.
Альтернативным источником энергии является часть воздуха для горения, которую можно дополнительно предварительно нагреть перед введением в этот поток серной кислоты. Преимущество такого решения состоит в том, что легче контролировать поток и температуру воздуха для горения по сравнению с отведением части технологического газа из секции реакционной печи.An alternative energy source is a portion of the combustion air, which can be additionally preheated before being introduced into the sulfuric acid stream. The advantage of this solution is that the flow and temperature of the combustion air can be more easily controlled than by diverting a portion of the process gas from the reaction furnace section.
Другим вариантом является сжигание топливного газа с воздухом для получения горячего технологического газа, в который можно вводить серную кислоту. Преимущество этого решения состоит в том, что секция реакционной печи практически не затрагивается и для, например, модификации решений, камера испарения серной кислоты может быть сконструирована, пока существующая установка Клауса находится в эксплуатации.Another option is to combust the fuel gas with air to produce a hot process gas into which sulphuric acid can be injected. The advantage of this solution is that the reaction furnace section is practically untouched and for, for example, retrofit solutions, a sulphuric acid evaporation chamber can be constructed while the existing Claus plant is in operation.
Интегрированный процесс в соответствии с настоящим изобретением может также иметь преимущество от использования воздуха, обогащенного кислородом, или практически чистого кислорода в секции реакционной печи. Преимущество использования воздуха, обогащенного кислородом, заключается в уменьшении количества инертного азота в технологическом газе и, таким образом, уменьшении объема технологического газа и, таким образом, уменьшении размера установки. Отсутствие разбавления азотом также приводит к повышению температуры горения, что может быть полезным, если присутствуют примеси, требующие полной конверсии, тем более, что количество кислорода в печи реакции Клауса является субстехиометрическим. Так как катализатор Клауса чувствителен к примесям, таким как легкие углеводороды, часто может оказаться выгодным эксплуатировать печь реакции Клауса с воздухом, обогащенным кислородом, для достижения повышенной температуры для полного окисления примесей. Это также имеет дополнительное преимущество, заключающееся в возможности начальной гомогенной некаталитической конверсии Клауса, которая может происходить при температурах выше 900°С.The integrated process according to the present invention may also benefit from the use of oxygen-enriched air or substantially pure oxygen in the reaction furnace section. The advantage of using oxygen-enriched air is the reduction of the amount of inert nitrogen in the process gas and thus the reduction of the volume of the process gas and thus the reduction of the size of the plant. The absence of nitrogen dilution also results in an increase in the combustion temperature, which may be advantageous if impurities requiring complete conversion are present, especially since the amount of oxygen in the Claus reaction furnace is sub-stoichiometric. Since the Claus catalyst is sensitive to impurities such as light hydrocarbons, it may often be advantageous to operate the Claus reaction furnace with oxygen-enriched air to achieve an elevated temperature for complete oxidation of the impurities. This also has the additional advantage of allowing an initial homogeneous non-catalytic Claus conversion, which may occur at temperatures above 900°C.
Однако с точки зрения термической эффективности высокая температура горения может быть ограничена выбором конструкционных материалов в печи реакции Клауса и последующего котла-утилизатора. Для сырьевых газов с высокой концентрацией H2S обогащение кислородом может привести к повышению температуры технологического газа выше расчетной температуры материалов. Однако комбинация рециркуляции H2SO4 (которая охлаждает технологический газ за счет испарения и разложения кислоты) делает возможным использование обогащенного О2 в такой схеме.However, from a thermal efficiency standpoint, high combustion temperatures may be limited by the choice of construction materials in the Claus reaction furnace and subsequent waste heat boiler. For feed gases with high H2S concentrations , oxygen enrichment may result in process gas temperatures above the design material temperatures. However, the combination of H2SO4 recirculation (which cools the process gas by evaporation and acid decomposition) makes it possible to use enriched O2 in such a scheme.
Камера сгорания остаточного газа реакции Клауса, как правило, будет работать с атмосферным воздухом, и, кроме того, может быть выгодно направлять газы с низкой концентрацией соединений серы в камеру сгорания остаточного газа реакции Клауса для полного сжигания соединений серы, высвобождая значительно больше энергии, чем парциальное окисление, происходящее в печи реакции Клауса.The Claus tail gas combustor will typically be operated with atmospheric air, and in addition it may be advantageous to direct gases with low concentrations of sulfur compounds into the Claus tail gas combustor to completely burn the sulfur compounds, releasing significantly more energy than the partial oxidation occurring in the Claus furnace.
Как следствие, может быть выгодно направлять сырьевые газы, содержащие высокие концентрации H2S, на установку Клауса, отводя сырьевые газы с меньшей концентрацией, а также сырьевые газы, содержащие NH3, в камеру сгорания остаточного газа реакции Клауса.As a consequence, it may be advantageous to route feed gases containing high concentrations of H2S to the Claus unit, while diverting feed gases with lower concentrations, as well as feed gases containing NH3 , to the Claus reaction tail gas combustion chamber.
Если камера сгорания остаточного газа реакции Клауса получает только остаточный газ реакции Клауса, содержащий только ограниченное количество H2S, теплотворная способность является слишком низкой для поддержания стабильного горения. В этой ситуации требуется добавление вспомогательного топлива. Это вспомогательное топливо может представлять собой H2S, газ SWS или углеводородное сырье, но предпочтительно использовать количество существующего сырьевого газа для интегрированной установки Клауса и серной кислоты.If the Claus reaction tail gas combustor receives only the Claus reaction tail gas containing only a limited amount of H2S , the calorific value is too low to maintain stable combustion. In this situation, the addition of auxiliary fuel is required. This auxiliary fuel can be H2S , SWS gas or hydrocarbon feedstock, but it is preferable to use the amount of existing feed gas for the integrated Claus and sulfuric acid plant.
Интеграция процесса Клауса и сернокислотного процесса обеспечивает преимущества интеграции. К ним относится возможность снижения объемного расхода в процессе Клауса за счет подачи окислителя в виде серной кислоты, которая может заменить атмосферный воздух. Кроме того, использование сырьевого газа может быть оптимизировано таким образом, что сырьевые газы, содержащие топливо, в значительной степени способствующее производству элементарной серы, могут направляться в процесс Клауса, тогда как сырьевые газы, содержащие тепловую энергию и не вступающие в реакцию продукты, такие как СО2, могут направляться в сернокислотный процесс. Если процесс предназначен для рециркуляции слишком большого количества серной кислоты, может потребоваться дополнительное топливо для обеспечения тепла, необходимого для испарения и диссоциации серной кислоты.Integration of the Claus process and the sulfuric acid process offers integration advantages. These include the ability to reduce the volumetric flow rate in the Claus process by feeding oxidant in the form of sulfuric acid, which can replace atmospheric air. In addition, feed gas utilisation can be optimised so that feed gases containing fuels that contribute significantly to the production of elemental sulfur can be sent to the Claus process, while feed gases containing thermal energy and unreacted products such as CO2 can be sent to the sulfuric acid process. If the process is designed to recycle too much sulfuric acid, additional fuel may be required to provide the heat required to vaporise and dissociate the sulfuric acid.
Согласно предпочтительному варианту осуществления серная кислота, полученная на сернокислотной установке остаточного газа Клауса, охлаждается и направляется в промежуточный резервуар для хранения. В принципе, резервуар для хранения серной кислоты можно не использовать, поскольку печь реакции Клауса рассчитана на прием всей серной кислоты, произведенной на сернокислотной установке. Однако, чтобы обеспечить высокую надежность всей установки, установка резервуара позволяет (кратковременно) работать установке Клауса без впрыска серной кислоты, в то время как установка серной кислоты все еще работает. Такие ситуации могут возникнуть во время пуска и остановки, а также при необходимости технического обслуживания фурм/сопел серной кислоты. Резервуар также позволит отводить продукт серной кислоты, если он станет желательным продуктом, а также позволит импортировать серную кислоту из других источников.According to a preferred embodiment, the sulfuric acid produced in the Claus tail gas sulfuric acid plant is cooled and sent to an intermediate storage tank. In principle, a sulfuric acid storage tank can be omitted, since the Claus reaction furnace is designed to receive all the sulfuric acid produced in the sulfuric acid plant. However, in order to ensure high reliability of the entire plant, the installation of a tank allows the Claus plant to be operated (briefly) without injection of sulfuric acid, while the sulfuric acid plant is still in operation. Such situations can occur during startup and shutdown, as well as when maintenance of the sulfuric acid tuyeres/nozzles is required. The tank will also allow the sulfuric acid product to be diverted, if this becomes a desired product, and will also allow the import of sulfuric acid from other sources.
Емкость резервуара для производства серной кислоты от 4 до 120 часов является хорошим компромиссом между стоимостью резервуара и гибкостью сернокислотной установки для остаточного газа Клауса + Клаус.The capacity of the sulfuric acid production tank from 4 to 120 hours is a good compromise between the cost of the tank and the flexibility of the sulfuric acid plant for Claus + Claus tail gas.
Согласно другому варианту осуществления серная кислота, полученная на сернокислотной установке для остаточного газа Клауса, дополнительно концентрируется в концентраторе кислоты перед повторным использованием в печи реакции Клауса. Для работы такой концентрирующей установки потребуется энергия для испарения воды из серной кислоты, но большая часть этой энергии затем сохраняется в секции испарения серной кислоты. Преимущество этого варианта осуществления заключается в меньшем снижении температуры технологического газа в секции испарения серной кислоты и уменьшении расхода технологического газа через установку Клауса и установку остаточного газа Клауса.According to another embodiment, the sulfuric acid produced in the sulfuric acid plant for the Claus residual gas is further concentrated in an acid concentrator before being reused in the Claus reaction furnace. The operation of such a concentrator would require energy to evaporate water from the sulfuric acid, but most of this energy is then saved in the sulfuric acid evaporation section. The advantage of this embodiment is a smaller decrease in the temperature of the process gas in the sulfuric acid evaporation section and a decrease in the flow rate of the process gas through the Claus plant and the Claus residual gas plant.
В дополнение к влажному сернокислотному процессу серная кислота может также производиться в других процессах сокращения выбросов серы. Первым примером является процесс SNOX, в котором селективное каталитическое восстановление NOx объединено с влажным сернокислотным процессом, причем такая схема особенно благоприятна для дымовых газов с содержанием SO2 менее 1 об. %. Также актуальны скрубберы Н2О2, которые часто используются для небольших объемов отходящих газов с низкими концентрациями SO2, где SO2 направляется на реакцию с H2O2, непосредственно образуя H2SO4. Кроме того, могут быть рассмотрены сухие сернокислотные процессы, основанные на абсорбции в серной кислоте. Серная кислота также производится в процессе, при котором сырьевой газ поступает в реактор и проходит вверх через слой активированного угля, в котором диоксид серы превращается в серную кислоту путем влажного катализа в присутствии кислорода и воды. Серную кислоту из всех этих и других источников также может быть выгодно направлять в печь реакции Клауса.In addition to the wet sulphuric acid process, sulphuric acid can also be produced in other sulphur reduction processes. A prime example is the SNOX process, which combines selective catalytic reduction of NOx with a wet sulphuric acid process, a scheme which is particularly favourable for flue gases with an SO 2 content of less than 1 vol.%. Also relevant are H 2 O 2 scrubbers, which are often used for small volumes of flue gases with low SO 2 concentrations, where the SO 2 is reacted with H 2 O 2 , directly forming H 2 SO 4 . In addition, dry sulphuric acid processes based on absorption in sulphuric acid can be considered. Sulphuric acid is also produced in a process in which the feed gas enters a reactor and passes upwards through a bed of activated carbon, in which the sulphur dioxide is converted to sulphuric acid by wet catalysis in the presence of oxygen and water. Sulfuric acid from all of these and other sources can also be advantageously directed to the Claus reaction furnace.
Однако польза от впрыска серной кислоты в печь реакции Клауса уменьшается по мере уменьшения концентрации серной кислоты вследствие дополнительной энергии, необходимой для испарения воды, и увеличения потока технологического газа, вызванного увеличением количества воды в подаваемой серной кислоте. Серная кислота, полученная в результате реакции с Н2О2 и процессов с активированным углем, обычно слишком низка, чтобы обеспечить выгодную интеграцию с установкой Клауса, но в сочетании с процессом концентрирования кислоты такие процессы могут быть выгодны для интеграции с процессом Клауса.However, the benefit of injecting sulfuric acid into a Claus reaction furnace diminishes as the sulfuric acid concentration decreases due to the additional energy required to evaporate the water and the increase in process gas flow caused by the increased amount of water in the sulfuric acid feed. Sulfuric acid produced by reaction with H2O2 and activated carbon processes is usually too low to provide advantageous integration with a Claus unit, but when combined with an acid concentration process, such processes may be advantageous for integration with a Claus process.
Интеграция двух процессов также позволяет реализовать процесс, в котором эксплуатация процесса Клауса осуществляется с низкой конверсией, такой как 90% или 95%, поскольку может быть дешевле проводить дополнительную конверсию в сернокислотном процессе по сравнению с добавлением дополнительной стадии конвертера Клауса.Integration of the two processes also allows the process to be implemented in which the Claus process is operated at low conversions, such as 90% or 95%, since it may be cheaper to carry out additional conversion in the sulfuric acid process compared to adding an additional Claus converter stage.
Стандартная схема установки Клауса требует >50 об. % H2S в сырьевом газе, чтобы быть термически самоподдерживающейся в печи реакции Клауса. При более низких концентрациях H2S требуется предварительный подогрев подаваемого газа и так называемая конфигурация с разделенным потоком. Установки Клауса, перерабатывающие сырьевые газы с содержанием H2S <10-20 об. %, встречаются редко. С другой стороны, сернокислотные процессы очень эффективно обрабатывают эти так называемые обедненные газы H2S, производя концентрированную серную кислоту. Продукт серной кислоты будет иметь высокую концентрацию серы и кислорода.The standard Claus plant design requires >50 vol.% H2S in the feed gas to be thermally self-sustaining in the Claus reaction furnace. At lower H2S concentrations, feed gas preheating and a so-called split-flow configuration are required. Claus plants processing feed gases with H2S contents of <10-20 vol.% are rare. On the other hand, sulfuric acid processes very efficiently treat these so-called lean H2S gases, producing concentrated sulfuric acid. The sulfuric acid product will have a high sulfur and oxygen concentration.
Комбинация сернокислотной установки для обработки обедненного газа H2S (и/или других соединений серы) в сочетании с установкой Клауса для обработки газа с высоким содержанием H2S и приема кислоты из сернокислотной установки будет выгодной установкой, поскольку потоки сырья как для установки Клауса, так и для сернокислотной установки являются оптимальными с точки зрения эффективности конверсии, термической эффективности и размера/стоимости установки.A combination of a sulfuric acid plant to treat the lean gas in H2S (and/or other sulfur compounds) coupled with a Claus plant to treat the high H2S gas and receive acid from the sulfuric acid plant would be a profitable plant since the feed streams to both the Claus plant and the sulfuric acid plant are optimal in terms of conversion efficiency, thermal efficiency and plant size/cost.
Сочетание процесса Клауса и сернокислотного процесса также можно использовать для оптимизации обработки сырья. Сернокислотные процессы и, в частности, влажный сернокислотный процесс имеют то преимущество, что они хорошо подходят для загрязненного сырья, включая газы SWS, содержащие аммиак, как обсуждалось выше, «грязная сера», содержащая органические примеси и умеренные количества неорганических примесей, разбавленные потоки H2S, SO2 и других соединений серы, включая дымовые газы от горелок и газ FCC. Точно так же газы с высоким содержанием сероводорода, которые должны быть разбавлены перед обработкой на установке для влажного сернокислотного процесса, вместо этого могут быть направлены непосредственно в процесс Клауса.The combination of the Claus process and the sulfuric acid process can also be used to optimize feedstock handling. Sulfuric acid processes, and in particular the wet sulfuric acid process, have the advantage of being well suited to contaminated feedstocks, including SWS gases containing ammonia as discussed above, "dirty sulfur" containing organic impurities and moderate amounts of inorganic impurities, dilute streams of H2S , SO2 and other sulfur compounds, including burner flue gases and FCC gas. Similarly, gases with high hydrogen sulfide content that must be diluted before being processed in a wet sulfuric acid plant can instead be sent directly to the Claus process.
Краткое описание чертежейBrief description of the drawings
На фиг. 1 показан последовательный процесс Клауса + сернокислотный процесс, в котором серная кислота рециркулируется на установку Клауса с одной секцией реакционной печи Клауса.Fig. 1 shows a sequential Claus + sulfuric acid process in which the sulfuric acid is recycled to the Claus unit with one section of the Claus reaction furnace.
На фиг. 2 показан интегрированный процесс Клауса + сернокислотный процесс с добавлением серной кислоты в секцию испарения серной кислоты в соответствии с настоящим изобретением.Fig. 2 shows an integrated Claus process + sulfuric acid process with the addition of sulfuric acid to the sulfuric acid evaporation section in accordance with the present invention.
На фиг. 3 показаны детали интегрированного процесса Клауса + сернокислотного процесса; Схема печи реакции Клауса, где секция испарения серной кислоты отделена от секции реакционной печи в виде двух отдельных камер, а горячий технологический газ используется в качестве источника энергии для испарения серной кислоты.Fig. 3 shows the details of the integrated Claus + sulfuric acid process; Schematic diagram of the Claus reaction furnace, where the sulfuric acid evaporation section is separated from the reaction furnace section in the form of two separate chambers, and the hot process gas is used as an energy source for the evaporation of sulfuric acid.
На фиг. 4 показаны детали интегрированного процесса Клауса + сернокислотного процесса; Схема печи реакции Клауса, где секция испарения серной кислоты отделена от секции реакционной печи в виде двух отдельных камер, а горячий воздух горения используется в качестве источника энергии для испарения серной кислоты.Fig. 4 shows the details of the integrated Claus process + sulfuric acid process; Schematic diagram of the Claus reaction furnace, where the sulfuric acid evaporation section is separated from the reaction furnace section in the form of two separate chambers, and hot combustion air is used as an energy source for the evaporation of sulfuric acid.
На фиг. 5 показана зависимость между температурой в секции реакционной печи и количеством кислого газа, направленного в первую секцию реакционной печи.Fig. 5 shows the relationship between the temperature in the reaction furnace section and the amount of acid gas supplied to the first section of the reaction furnace.
На фиг. 1 горелка Клауса и реакционная печь 6 сконфигурированы для приема кислого газа (3), необязательного топливного газа (4), воздуха для горения (2) и серной кислоты (108). В задней части реакционной печи 6 расположен котел-утилизатор, охлаждающий отходящие газы печи реакции Клауса, которые по линии 8 поступают в первый конденсатор элементарной серы 10, где элементарная сера конденсируется и отводится по линии 60, в то время как по существу свободный от элементарной серы технологический газ выходит по линии 12 для повторного нагрева в теплообменнике 14, который также может быть встроенной горелкой. Повторно нагретый технологический газ 16 поступает в первый каталитический реактор Клауса 18, в котором образуется дополнительное количество элементарной серы. Преобразованный технологический газ 20 затем проходит через второй конденсатор 22 элементарной серы, где жидкая элементарная сера отводится по линии 62, а технологический газ, практически не содержащий серы, выходит по линии 24. Обычно технологический газ проходит через 1-2 других теплообменника (26), стадию (стадии) конверсии (30) и конденсации (34) перед выходом из установки Клауса в виде остаточного газа Клауса по линии 36 и поступлением в установку для обработки остаточного газа Клауса.In Fig. 1, the Claus burner and reaction furnace 6 are configured to receive acid gas (3), optional fuel gas (4), combustion air (2) and sulfuric acid (108). At the rear of the reaction furnace 6, a waste heat boiler is located that cools the off-gases of the Claus reaction furnace, which enter via line 8 into a first elemental sulfur condenser 10, where elemental sulfur is condensed and removed via line 60, while the substantially elemental sulfur-free process gas exits via line 12 for reheating in a heat exchanger 14, which may also be an integral burner. The reheated process gas 16 enters the first catalytic Claus reactor 18, in which an additional amount of elemental sulfur is formed. The converted process gas 20 then passes through a second elemental sulfur condenser 22 where liquid elemental sulfur is withdrawn via line 62 and the substantially sulfur-free process gas exits via line 24. Typically, the process gas passes through 1-2 further heat exchangers (26), a conversion stage(s) (30) and a condensation stage (34) before exiting the Claus unit as residual Claus gas via line 36 and entering a Claus residual gas treatment unit.
Линии элементарной серы 60, 62 и 64 объединены в общий серный колодец 66. Серный колодец продувается воздухом 70 для выпуска и удаления паров, а отходящий газ 72 из колодца серной кислоты может быть направлен либо в горелку Клауса 6, либо в камеру сгорания остаточного газа 42. Продукт дегазации элементарной серы выходит из установки Клауса по линии 68.Elemental sulfur lines 60, 62 and 64 are combined into a common sulfur well 66. The sulfur well is purged with air 70 to release and remove vapors, and the exhaust gas 72 from the sulfuric acid well can be directed either to the Claus burner 6 or to the residual gas combustion chamber 42. The product of degassing elemental sulfur leaves the Claus unit through line 68.
Остаточный газ Клауса 36 необязательно нагревается в теплообменнике 37 и поступает по линии 39 в горелку камеры сгорания 42 остаточных газов. По линии 44 подается дополнительное топливо, а по линии 100 добавляется подогретый воздух для горения. Так называемый отходящий газ серного колодца 72 также можно преимущественно добавлять в камеру сгорания. В задней части камеры сгорания остаточного газа Клауса 42 расположен котел-утилизатор, охлаждающий отходящие газы камеры сгорания. Охлажденный отходящий газ 74 камеры сгорания может дополнительно охлаждаться в воздухонагревателе 75, а дополнительно охлажденный отходящий газ 80 камеры сгорания может быть смешан с потоком горячего разбавляющего воздуха 98. Затем смешанный технологический газ 82 поступает в конвертер SO284, который состоит из нескольких слоев катализатора для окисления SO2 в SO3 и теплообменников, установленных между слоями катализатора. Обычно устанавливают 1-3 слоя катализатора. Преобразованный отходящий газ 86 направляется в конденсатор 88, в котором концентрированная серная кислота отводится через нижнее выпускное отверстие 104, необязательно охлаждается (не показано) и перекачивается в необязательный промежуточный резервуар-хранилище 106. Из резервуара серная кислота направляется в горелку Клауса и реакционную печь 6 по линии 108. Отходящий газ 90, практически не содержащий серной кислоты, направляется в дымовую трубу 50 или другую установку для дальнейшего восстановления SO2 и/или тумана серной кислоты (не показано).The Claus residual gas 36 is optionally heated in the heat exchanger 37 and fed via line 39 to the burner of the residual gas combustion chamber 42. Additional fuel is fed via line 44 and preheated combustion air is added via line 100. The so-called sulphur well exhaust gas 72 can also be advantageously added to the combustion chamber. A waste heat boiler is arranged at the rear of the Claus residual gas combustion chamber 42, which cools the exhaust gases of the combustion chamber. The cooled exhaust gas 74 of the combustion chamber can be further cooled in the air heater 75, and the further cooled exhaust gas 80 of the combustion chamber can be mixed with a stream of hot dilution air 98. The mixed process gas 82 then enters the SO 2 converter 84, which consists of several catalyst beds for oxidising SO 2 to SO 3 and heat exchangers arranged between the catalyst beds. Typically, 1-3 catalyst beds are arranged. The converted off-gas 86 is directed to a condenser 88, in which the concentrated sulfuric acid is withdrawn through a lower outlet 104, optionally cooled (not shown) and pumped to an optional intermediate storage tank 106. From the tank, the sulfuric acid is directed to a Claus burner and a reaction furnace 6 via a line 108. The off-gas 90, which is substantially free of sulfuric acid, is directed to a stack 50 or other installation for further recovery of SO 2 and/or sulfuric acid mist (not shown).
Конденсатор серной кислоты 88 использует воздух 92 в качестве охлаждающей среды, а горячий воздух выходит из конденсатора по линии 94, и часть этого воздуха может быть дополнительно нагрета в воздухонагревателе 75. Затем нагретый воздух 96 может быть направлен в камеру сгорания остаточного газа Клауса (42) в качестве воздуха для горения по линии 100 и по линии 98, добавляемого к технологическому газу 80 для обеспечения достаточного количества кислорода для реакции окисления SO2 в SO3 в конвертере SO2 84.The sulfuric acid condenser 88 uses air 92 as a cooling medium, and hot air leaves the condenser through line 94, and some of this air can be further heated in the air heater 75. Then, the heated air 96 can be directed to the Claus residual gas combustion chamber (42) as combustion air through line 100 and through line 98 added to the process gas 80 to provide sufficient oxygen for the oxidation reaction of SO 2 to SO 3 in the SO 2 converter 84.
На фиг. 2 показаны горелка Клауса и реакционная печь 6 согласно настоящему изобретению. Горелка Клауса получает воздух для горения 2, по меньшей мере, часть кислого газа 3 и, необязательно, топливный газ 4 или газ SWS, содержащий NH3 1. Эти газы воспламеняются и позволяют реакцию в секции реакционной печи 117. В задней части секции реакционной печи 117 секция испарения серной кислоты 119, кроме того, получает поток серной кислоты 108 и, необязательно, часть кислого газа 3. В задней части секции испарения серной кислоты расположен котел-утилизатор, охлаждающий печь реакции Клауса отходящими газами. Охлажденный отходящий газ печи реакции Клауса 7 необязательно направляют в каталитический конвертер 9, в котором установлен катализатор деструкции SO3. Отходящий газ конвертера 8, практически не содержащий SO3, поступает по линии 8 в первый конденсатор элементарной серы 10, где элементарная сера конденсируется и отводится по линии 60, в то время как технологический газ, практически не содержащий элементарной серы, выходит по линии 12 для повторного нагрева в теплообменнике 14, который также может быть встроенной горелкой. Повторно нагретый технологический газ 16 поступает в первый каталитический реактор Клауса 18, в котором образуется дополнительная элементарная сера. Преобразованный технологический газ 20 затем проходит через второй конденсатор 22 элементарной серы, где жидкая элементарная сера отводится по линии 62, а технологический газ, практически не содержащий серы, выходит по линии 24. Как правило, технологический газ проходит через 1-2 других теплообменника (26), стадию (стадии) конверсии (30) и конденсации (34) перед выходом из установки Клауса в виде остаточного газа Клауса по линии 36 и поступлением на установку обработки остаточного газа Клауса.Fig. 2 shows a Claus burner and a reaction furnace 6 according to the present invention. The Claus burner receives combustion air 2, at least a portion of the acid gas 3 and, optionally, a fuel gas 4 or an SWS gas containing NH 3 1. These gases are ignited and allow a reaction in a section of the reaction furnace 117. At the rear of the section of the reaction furnace 117, a sulfuric acid evaporation section 119 further receives a stream of sulfuric acid 108 and, optionally, a portion of the acid gas 3. At the rear of the sulfuric acid evaporation section, a waste heat boiler is located, cooling the Claus reaction furnace with exhaust gases. The cooled exhaust gas of the Claus reaction furnace 7 is optionally sent to a catalytic converter 9, in which a catalyst for the destruction of SO 3 is installed. The converter exhaust gas 8, which is substantially free of SO 3 , enters via line 8 into the first elemental sulfur condenser 10, where the elemental sulfur is condensed and removed via line 60, while the process gas, which is substantially free of elemental sulfur, exits via line 12 for reheating in a heat exchanger 14, which may also be an integrated burner. The reheated process gas 16 enters the first catalytic Claus reactor 18, where additional elemental sulfur is formed. The converted process gas 20 then passes through a second elemental sulfur condenser 22, where liquid elemental sulfur is removed via line 62 and the process gas, substantially free of sulfur, exits via line 24. Typically, the process gas passes through 1-2 further heat exchangers (26), a conversion stage(s) (30) and a condensation stage (34) before exiting the Claus unit as residual Claus gas via line 36 and entering a residual Claus gas treatment unit.
Линии элементарной серы 60, 62 и 64 объединены в общий серный колодец 66. Серный колодец продувается воздухом 70 для выпуска и удаления паров, а отходящий газ 72 из серного колодца может быть направлен либо в горелку Клауса 6, либо в камеру сгорания остаточного газа 42. Продукт дегазации элементарной серы выходит из установки Клауса по линии 68.Elemental sulfur lines 60, 62 and 64 are combined into a common sulfur well 66. The sulfur well is blown with air 70 to release and remove vapors, and the exhaust gas 72 from the sulfur well can be directed either to the Claus burner 6 or to the residual gas combustion chamber 42. The product of degassing of elemental sulfur leaves the Claus unit through line 68.
Камера сгорания остаточного газа Клауса 42 выполнена для приема дополнительно нагретого остаточного газа Клауса 39, топлива 44, воздуха для горения 100 и, необязательно, части газа SWS 1, который не направляется в секцию реакционной печи 117. Топливом 44 также может быть часть кислого газа 3. Отходящий газ из камеры сгорания остаточного газа Клауса охлаждается и по линии 74 направляется на стадии каталитического окисления SO2 в SO3 и стадии конденсации серной кислоты 76, которые были описаны на фиг. 1. Горячий воздух со стадии 100 конденсации серной кислоты можно использовать в камере сгорания остаточного газа Клауса 42, отходящий газ конденсатора серной кислоты 90 направляют в дымовую трубу 50 или установку для дальнейшего восстановления SO2 и/или тумана серной кислоты. Конденсированную серную кислоту 108 направляют в секцию испарения серной кислоты 119 горелки Клауса и реакционной печи 6, возможно, через промежуточный резервуар для хранения (не показан).The Claus residual gas combustion chamber 42 is designed to receive additionally heated Claus residual gas 39, fuel 44, combustion air 100 and, optionally, a portion of the SWS gas 1 that is not sent to the reaction furnace section 117. The fuel 44 may also be a portion of the acid gas 3. The exhaust gas from the Claus residual gas combustion chamber is cooled and sent via line 74 to the stages of catalytic oxidation of SO 2 to SO 3 and the stages of condensation of sulfuric acid 76, which were described in Fig. 1. The hot air from the stage 100 of condensation of sulfuric acid can be used in the Claus residual gas combustion chamber 42, the exhaust gas of the sulfuric acid condenser 90 is sent to the stack 50 or to an installation for further recovery of SO 2 and/or sulfuric acid mist. The condensed sulfuric acid 108 is directed to the sulfuric acid evaporation section 119 of the Claus burner and reaction furnace 6, possibly via an intermediate storage tank (not shown).
На фиг. 3 показана альтернативная схема горелки Клауса и реакционной печи. Кислый газ 3, воздух для горения 2 и, необязательно, топливо 4 или газ SWS, содержащий NH3 1, воспламеняются в горелке Клауса 6, реагируя при высокой температуре и образуя отходящий газ 110 печи реакции Клауса. Часть горячего отходящего газа печи реакции Клауса 112 направляют в камеру испарения серной кислоты 114, в которой поток серной кислоты 108 распыляется либо через гидравлическое(ие) сопло(а), либо через пневматическое(ие) сопло(а). Затем отходящий газ 116 испарительной камеры смешивается с оставшейся фракцией отходящего газа 115 печи реакции Клауса с образованием смешанного отходящего газа 118 печи реакции Клауса. Температура регулируется теплообменником 120, а охлажденный отходящий газ 8 направляется ниже по ходу потока в установку Клауса, и сернокислотная установка остаточного газа показана на фиг. 1.In Fig. 3 an alternative arrangement of the Claus burner and reaction furnace is shown. The acid gas 3, combustion air 2 and optionally fuel 4 or SWS gas containing NH 3 1 are ignited in the Claus burner 6, reacting at high temperature and forming the Claus reaction furnace exhaust gas 110. A portion of the hot Claus reaction furnace exhaust gas 112 is directed to a sulfuric acid vaporization chamber 114, in which a stream of sulfuric acid 108 is sprayed either through hydraulic nozzle(s) or through pneumatic nozzle(s). The vaporization chamber exhaust gas 116 is then mixed with the remaining fraction of the Claus reaction furnace exhaust gas 115 to form a mixed Claus reaction furnace exhaust gas 118. The temperature is controlled by heat exchanger 120 and the cooled exhaust gas 8 is directed downstream to the Claus plant and the tail gas sulfuric acid plant shown in Fig. 1.
На фиг. 4 показана альтернативная схема расположения горелки Клауса и реакционной печи. Кислый газ 3, необязательное топливо 4 и необязательный газ SWS, содержащий NH3, 1 и часть воздуха для горения 2 направляют в камеру сгорания 6 и воспламеняют, образуя горячий отходящий газ 110 печи реакции Клауса. Отведенный воздух для горения необязательно нагревают в теплообменнике 113, образуя поток горячего воздуха 117. Серная кислота 108 распыляется и смешивается с потоком горячего воздуха в испарительной камере 114, образуя поток воздуха с испаренной серной кислотой 116. Поток воздуха 116 смешивается с отходящим газом печи реакции Клауса 110, образуя смешанный отходящий газ печи реакции Клауса 118. Температура регулируется теплообменником 120, а охлажденный отходящий газ 8 направляется на последующую установку Клауса, а сернокислотная установка остаточного газа показана на рисунке 1.Fig. 4 shows an alternative arrangement of the Claus burner and reaction furnace. Acid gas 3, optional fuel 4 and optional SWS gas containing NH 3 , 1 and a portion of combustion air 2 are directed into the combustion chamber 6 and ignited, forming a hot off-gas 110 of the Claus reaction furnace. The exhaust combustion air is optionally heated in a heat exchanger 113 to form a hot air stream 117. Sulfuric acid 108 is atomized and mixed with the hot air stream in a vaporization chamber 114 to form a vaporized sulfuric acid air stream 116. The air stream 116 is mixed with the Claus reaction furnace exhaust gas 110 to form a mixed Claus reaction furnace exhaust gas 118. The temperature is controlled by a heat exchanger 120 and the cooled exhaust gas 8 is sent to a subsequent Claus unit and a sulfuric acid tail gas unit as shown in Figure 1.
На фиг. 5 показаны температуры на выходе из секции реакционной печи 117 в зависимости от доли кислого газа, направляемого в печь реакции Клауса, который направляется в секцию реакционной печи (по сравнению с направляемым в секцию испарения серной кислоты) для ряда вариантов процесса - см. рис. 2 для схемы процесса.Figure 5 shows the temperatures at the outlet of the reaction furnace section 117 as a function of the proportion of acid gas sent to the Claus reaction furnace that is sent to the reaction furnace section (versus that sent to the sulfuric acid evaporation section) for a number of process variants - see Figure 2 for a process diagram.
Установка Клауса получает газ SWS 1 и кислый газ 3. Установка Клауса выполнена с возможностью отвода части проблемного газа SWS в сернокислотную установку остаточного газа Клауса, где газ SWS не вызывает проблем. Газ SWS печи реакции Клауса будет направляться в секцию реакционной печи. Кроме того, печь реакции Клауса выполнена для подачи серной кислоты в секцию испарения серной кислоты 119, а кислый газ может быть направлен как в секцию реакционной печи, так и в секцию испарения серной кислоты. Весь воздух для горения направляется в секцию реакционной печи.The Claus unit receives SWS gas 1 and acid gas 3. The Claus unit is designed to divert a portion of the problematic SWS gas to the Claus residual gas sulfuric acid unit, where the SWS gas does not cause problems. The SWS gas of the Claus reaction furnace will be directed to the reaction furnace section. In addition, the Claus reaction furnace is designed to supply sulfuric acid to the sulfuric acid evaporation section 119, and the acid gas can be directed to both the reaction furnace section and the sulfuric acid evaporation section. All combustion air is directed to the reaction furnace section.
Верхняя сплошная кривая описывает ситуацию, когда весь газ SWS направляется в секцию реакционной печи (100% газа SWS в RF). Температура в реакционной секции важна для разрушения NH3 в технологическом газе, и видно, что снижение доли кислого газа в первой секции реакционной печи повышает температуру реакции и, таким образом, усиливает разрушение NH3.The upper solid curve describes the situation where all the SWS gas is sent to the reaction furnace section (100% of SWS gas in RF). The temperature in the reaction section is important for the destruction of NH 3 in the process gas, and it is seen that reducing the proportion of acid gas in the first section of the reaction furnace increases the reaction temperature and thus enhances the destruction of NH 3 .
Две средние пунктирные кривые представляют собой операции, при которых часть газа SWS (50% и 60% газа SWS для RF, соответственно) направляется на сернокислотную установку остаточного газа Клауса, что снижает потенциальные проблемы, связанные с NH3, на установке Клауса, снижая расход топливного газа на сернокислотной установке и увеличивая производство серной кислоты и, следовательно, впрыск серной кислоты в секцию испарения серной кислоты. При подаче 100% кислого газа в секцию реакционной печи температура приближается или становится ниже минимальной температуры для эффективной деструкции NH3. Отвод части кислого газа в секцию испарения серной кислоты повышает температуру для обеспечения эффективного разрушения NH3.The two middle dotted curves represent operations where a portion of the SWS gas (50% and 60% of the SWS gas for the RF, respectively) is sent to the Claus tail gas sulfuric acid plant, which reduces potential NH 3 problems in the Claus plant by reducing fuel gas consumption in the sulfuric acid plant and increasing sulfuric acid production and hence sulfuric acid injection into the sulfuric acid flash section. By feeding 100% of the acid gas to the reaction furnace section, the temperature approaches or falls below the minimum temperature for efficient NH 3 destruction. By diverting a portion of the acid gas to the sulfuric acid flash section, the temperature increases to ensure efficient NH 3 destruction.
Пунктирная (нижняя) линия показывает операцию, при которой весь газ SWS направляется на сернокислотную установку для остаточного газа Клауса, что устраняет проблемы, связанные с NH3, на установке Клауса. Увеличенный поток серной кислоты в секцию испарения серной кислоты приводит к снижению температуры в секции реакционной печи, и, таким образом, для обеспечения высокой температуры в секции реакционной печи потребуется отвод части кислого газа. Однако температура секции реакционной печи может быть снижена, поскольку NH3 не присутствует в сырье для горелки Клауса.The dotted (bottom) line shows an operation where all of the SWS gas is sent to the Claus residue gas sulfuric acid plant, eliminating the NH 3 problems in the Claus plant. The increased flow of sulfuric acid to the sulfuric acid evaporation section results in a lower temperature in the reaction furnace section, and thus a portion of the acid gas will need to be diverted to maintain the high temperature in the reaction furnace section. However, the reaction furnace section temperature can be reduced because NH 3 is not present in the Claus burner feed.
Согласно данному варианту осуществления часть газа SWS может быть отведена в сернокислотную установку для остаточного газа Клауса для снижения расхода топливного газа в камере сгорания остаточного газа Клауса. Отвод части газа SWS приводит к увеличению производства серной кислоты и, таким образом, к увеличению ввода серной кислоты в секцию испарения серной кислоты, тем самым снижая температуру отходящих газов печи реакции Клауса.According to this embodiment, a portion of the SWS gas can be diverted to a Claus tail gas sulfuric acid plant to reduce the fuel gas consumption in the Claus tail gas combustion chamber. Diverting a portion of the SWS gas results in an increase in sulfuric acid production and thus an increase in the sulfuric acid input to the sulfuric acid evaporation section, thereby reducing the exhaust gas temperature of the Claus reaction furnace.
Пример 1. Печь реакции Клауса с двумя секциями для случая газа нефтепереработки Чтобы задокументировать эффект интеграции процесса Клауса и сернокислотного процесса, были проанализированы четыре дополнительных примера процесса, показанного на фиг. 2, в сравнении с процессом предшествующего уровня техники, как показано на фиг. 1.Example 1. Two-Section Claus Reaction Furnace for a Refinery Gas Case To document the effect of integrating the Claus process and the sulfuric acid process, four additional examples of the process shown in Fig. 2 were analyzed in comparison with the prior art process as shown in Fig. 1.
Эти примеры основаны на следующих сырьевых газах:These examples are based on the following feed gases:
Сырьевой газ, обогащенный H2S (поток 2 на фиг. 1 и 2):Feed gas enriched in H2S (stream 2 in Figs. 1 and 2):
Общий поток газа: 8190 Нм3/чTotal gas flow: 8190 Nm3 /h
Концентрация H2S: 94 об. % H2S concentration: 94 vol.%
Концентрация Н2О: 6 об. %Concentration of H2O : 6 vol.%
Газ, обогащенный H2S, типичен для нефтеперерабатывающих заводов, а также будет содержать различные количества легких углеводородов. H2S rich gas is typical of refinery gas and will also contain varying amounts of light hydrocarbons.
Сырьевой газ, обогащенный H2S и NH3 (поток 70 на фиг. 1 и 2):Feed gas enriched in H 2 S and NH 3 (stream 70 in Figs. 1 and 2):
Общий поток газа: 3669 Нм3/чTotal gas flow: 3669 Nm3 /h
Концентрация H2S: 28 об. % H2S concentration: 28 vol.%
Концентрация NH3: 45 об. % NH3 concentration: 45 vol.%
Концентрация Н2О: 27 об. % H2O concentration: 27 vol.%
Эти потоки, содержащие H2S и NH3, обычно представляют собой отходящие газы от так называемых отпарных колон для кислых вод и считаются SWS газами. Они также могут содержать различное количество легких углеводородов.These streams, containing H2S and NH3 , are typically off-gases from so-called sour water strippers and are considered SWS gases. They may also contain varying amounts of light hydrocarbons.
Топливным газом является природный газ СН4, направляемый на установку для обработки остаточных газов Клауса.The fuel gas is natural gas CH4 , which is sent to a Claus residual gas treatment plant.
Потоки сырья, воздух для горения и остаточный газ Клауса предварительно нагреваются до максимально возможной степени за счет использования тепла, выделяющегося в комбинированном процессе Клауса + сернокислотный процесс.The feed streams, combustion air and Claus tail gas are preheated to the highest possible degree by utilizing the heat released in the combined Claus process + sulphuric acid process.
В этом примере процесс Клауса работает с извлечением серы из сырья на уровне 95%, т.е. может представлять собой хорошо работающую установку Клауса только с двумя каталитическими стадиями.In this example, the Claus process operates with a sulphur recovery from the feedstock of 95%, i.e. it can be considered a well-functioning Claus unit with only two catalytic stages.
Схема впрыска серной кислоты, показанная на фиг. 2, сравнивается с установкой Клауса, оснащенной установкой для отходящих газов на основе амина, которая улавливает соединения серы в форме H2S и возвращает газообразный H2S в горелку Клауса и реакционную печь. Выбросы дымовых газов установки Клауса, оборудованной установкой для отходящих газов на основе амина или сернокислотной установкой, сопоставимы.The sulfuric acid injection scheme shown in Fig. 2 is compared with a Claus plant equipped with an amine off-gas unit that captures sulfur compounds in the form of H2S and returns gaseous H2S to the Claus burner and reaction furnace. The flue gas emissions of a Claus plant equipped with an amine off-gas unit or a sulfuric acid plant are comparable.
Данные примера 1 приведены в таблице 1, где строки представляют собой количество газа SWS, направленного в печь реакции Клауса, количество рецикла (молей атомов S относительно образования S), температуру на выходе печи реакции Клауса и соответствующие потоки технологического газа из печи реакции Клауса, расход топливного газа и поток технологического газа из камеры сгорания остаточного газа КлаусаThe data for Example 1 are given in Table 1, where the rows represent the amount of SWS gas sent to the Claus furnace, the recycle amount (moles of S atoms relative to S formation), the Claus furnace outlet temperature and the corresponding process gas flows from the Claus furnace, the fuel gas flow rate and the process gas flow from the Claus residual gas combustor
Пример 1.АExample 1.A
В первой колонке таблицы 1 показаны данные для установки Клауса, оборудованной установкой для отходящих газов на основе амина. 5% общего количества серы, рециркулируемой в печь реакции Клауса (RF), следует понимать как газ, содержащий H2S, а не серную кислоту, H2SO4. Температура реакционной печи составляет 1400°С. Потоки технологического газа увеличиваются в результате рециркуляции кислого газа из установки для отходящих газов на основе амина и дополнительного воздуха для горения, необходимого для частичного сжигания рециркулируемого H2S. Увеличенный поток технологического газа требует установки Клауса большего размера, поскольку поток технологического газа увеличивается на входе в установку Клауса (выход потока технологического газа RF, реакционная печь) и на выходе из установки Клауса (технологический газ из камеры сгорания, т.е. камеры сгорания остаточного газа Клауса). Увеличение расхода топливного газа связано с увеличением потока в камеру сгорания остаточного газа Клауса.The first column of Table 1 shows data for a Claus unit equipped with an amine off-gas unit. The 5% of the total sulfur recycled to the Claus reaction (RF) furnace is to be understood as gas containing H 2 S and not sulfuric acid, H 2 SO 4 . The reaction furnace temperature is 1400 °C. The process gas flows are increased by recirculating acid gas from the amine off-gas unit and by additional combustion air required for partial combustion of the recycled H 2 S. The increased process gas flow requires a larger Claus unit because the process gas flow is increased at the inlet to the Claus unit (RF process gas stream outlet, reaction furnace) and at the outlet of the Claus unit (process gas from the combustor, i.e., Claus residual gas combustor). The increase in fuel gas flow is associated with the increased flow into the Claus residual gas combustor.
Пример 1.ВExample 1.B
Базовая работа установки Клауса характеризуется тем, что весь поток газа SWS и кислого газа направляется в горелку Клауса и реакционную печь, а вся кислота, полученная на сернокислотной установке для остаточного газа Клауса, направляется в секцию испарения серной кислоты.The basic operation of a Claus plant is characterized by the fact that all SWS gas and acid gas flow is directed to the Claus burner and reaction furnace, and all acid produced in the Claus tail gas sulfuric acid plant is directed to the sulfuric acid evaporation section.
Пример 1.С-1.ЕExample 1.C-1.E
В примерах 1.С-1.Е, показанных в таблице 1, показан эффект направления части газа SWS в камеру сгорания остаточного газа Клауса в сернокислотной установке. Во-первых, газ SWS увеличит производство серной кислоты, что увеличит долю общей серы в виде H2SO4, направляемой на установку Клауса. Отвод всего газа SWS на сернокислотную установку увеличит общее количество серы в виде H2SO4 до 16%. Общим последствием введения серной кислоты в печь реакции Клауса является снижение температуры, которое видно в ряду 3 (температура на выходе из секции испарения серной кислоты). Показана температура на выходе из секции испарения серной кислоты (119 на фиг. 2). На фиг. 5 показано, что температуру в секции реакционной печи (117 на фиг. 2) можно повысить, отводя часть кислого газа в секцию испарения серной кислоты. Если бы такая конфигурация печи реакции Клауса с двумя секциями не использовалась, добавление серной кислоты в печь реакции Клауса было бы значительно ограничено, поскольку температура реакционной печи ограничивала бы количество серной кислоты, направляемой в печь реакции Клауса. Альтернативой может быть добавление топлива в горелку Клауса, но связанные с этим расходы могут свести на нет преимущества добавления серной кислоты.Examples 1.C through 1.E shown in Table 1 illustrate the effect of directing a portion of the SWS gas to the Claus tail gas combustor in the sulfuric acid plant. First, the SWS gas will increase the production of sulfuric acid, which will increase the proportion of total sulfur as H 2 SO 4 sent to the Claus plant. Diverting all of the SWS gas to the sulfuric acid plant will increase the total sulfur as H 2 SO 4 to 16%. The overall effect of introducing sulfuric acid into the Claus reaction furnace is a decrease in temperature, which is seen in Row 3 (sulfuric acid vaporization section outlet temperature). The sulfuric acid vaporization section outlet temperature is shown (119 in Fig. 2). Fig. 5 shows that the temperature in the reaction furnace section (117 in Fig. 2) can be increased by diverting a portion of the acid gas to the sulfuric acid vaporization section. If such a two-section Claus furnace configuration were not used, the addition of sulfuric acid to the Claus furnace would be significantly limited because the temperature of the reaction furnace would limit the amount of sulfuric acid sent to the Claus furnace. An alternative would be to add fuel to the Claus burner, but the associated costs may offset the benefits of adding sulfuric acid.
Эффект обогащения кислородом серной кислоты количественно оценивается в строке 4, где показан общий объем технологического газа в каталитической секции Клауса, т.е. выход потока технологического газа RF. Нижний поток технологического газа может быть использован либо для увеличения мощности существующей установки, либо для уменьшения размера новой установки. Комбинируя эффект более низкого расхода технологического газа в камеру сгорания остаточного газа Клауса и замену топливного газа газом SWS, потребление топлива в целом по установке значительно снижается, когда газ SWS обходит камеру сгорания остаточного газа Клауса. Кроме того, расход технологического газа на сернокислотную установку для остаточного газа (технологический газ из камеры сгорания) уменьшается вследствие снижения потока остаточного газа из установки Клауса.The effect of oxygen enrichment of the sulphuric acid is quantified in line 4, which shows the total volume of process gas in the Claus catalytic section, i.e. the process gas stream RF. The bottom process gas stream can be used either to increase the capacity of an existing plant or to reduce the size of a new plant. By combining the effect of the lower process gas flow rate to the Claus tail gas combustor and the replacement of fuel gas with SWS gas, the overall plant fuel consumption is significantly reduced when the SWS gas bypasses the Claus tail gas combustor. In addition, the process gas flow rate to the sulphuric acid plant for tail gas (process gas from the combustor) is reduced due to the reduced tail gas flow from the Claus unit.
Пример 2. Печь реакции Клауса с двумя секциями для случая обработки природного газаExample 2. Two-section Claus reaction furnace for natural gas processing
Чтобы задокументировать эффект двух секций в реакционной печи установки Клауса, расчеты были выполнены для горелки Клауса и реакционной печи для типичного газа из установки по обработке природного газа.To document the effect of two sections in a Claus reaction furnace, calculations were performed for a Claus burner and reaction furnace for a typical gas from a natural gas processing plant.
Эти газы характеризуются относительно низкой концентрацией H2S, высокой концентрацией СО2 и количеством углеводородов, которые требуют полного разрушения в реакционной печи, поскольку углеводороды могут вызвать загрязнение/закупорку секций катализатора после печи реакции Клауса.These gases are characterized by a relatively low concentration of H2S, a high concentration of CO2 and an amount of hydrocarbons that require complete destruction in the reaction furnace, since hydrocarbons can cause fouling/clogging of the catalyst sections after the Claus reaction furnace.
Кислый газ имеет следующий составSour gas has the following composition
50 об. % H2S50 vol. % H2S
40 об. % CO2 40 vol.% CO2
9 об. % H2O9 vol.% H2O
1 об. % СН4 1 vol. % CH 4
Воздух для горения представляет собой атмосферный воздух, предварительно подогретый до 400°С. Топливный газ представляет собой чистый природный газ CH4.Combustion air is atmospheric air preheated to 400°C. Fuel gas is pure natural gas CH4 .
Горелка Клауса, то есть секция реакционной печи, предназначена для приема всего воздуха для горения и, если он используется, всего топливного газа. Кислый газ также будет направляться в секцию реакционной печи, так как для обеспечения полного разрушения углеводородов в сырье требуется высокая температура. Эмпирическое правило гласит, что для полного разрушения углеводородов требуется 1050°С.The Claus burner, i.e. the reaction furnace section, is designed to receive all of the combustion air and, if used, all of the fuel gas. Acid gas will also be sent to the reaction furnace section, as high temperatures are required to ensure complete destruction of the hydrocarbons in the feedstock. A rule of thumb is that 1050°C is required to completely destroy the hydrocarbons.
Предполагается, что установка Клауса работает с эффективностью ~95% при преобразовании соединений серы в элементарную серу, а установка для обработки остаточных газов улавливает не прореагировавшие соединения серы и возвращает их в реакционную печь Клауса через секцию испарения серной кислоты.The Claus unit is expected to operate at ~95% efficiency in converting sulfur compounds to elemental sulfur, and the tail gas treatment unit captures unreacted sulfur compounds and returns them to the Claus reaction furnace via the sulfuric acid evaporation section.
Результаты примеров 2.A-2.G представлены в таблице 2. Все потоки указаны относительно базового случая. RF обозначает реакционную печь (секцию), a SAE - испарение серной кислоты SAE (секцию).The results of Examples 2.A-2.G are presented in Table 2. All flows are relative to the base case. RF denotes the reaction furnace (section), and SAE denotes the sulfuric acid evaporation SAE (section).
В примере 2.А показаны данные для установки Клауса с установкой для обработки остаточных газов на основе амина. Все сырье направляется в горелку Клауса, поэтому температуры в двух секциях печи реакции Клауса равны.Example 2.A shows data for a Claus unit with an amine-based tail gas treatment unit. All feed is sent to the Claus burner, so the temperatures in the two sections of the Claus reaction furnace are equal.
В примере 2.В показаны данные для установки Клауса, оснащенной сернокислотной установкой для обработки остаточных газов. Серная кислота направляется в секцию испарения серной кислоты. Температура в секции реакционной печи ниже, чем в случае А, так как часть кислородного (и, следовательно, энерговыделения) сырья подается через серную кислоту в секцию испарения серной кислоты. Однако температура все же выше минимальной температуры деструкции углеводородов. Добавление серной кислоты снижает температуру из-за эндотермических реакций, связанных с испарением, дегидратацией и диссоциацией серной кислоты. В этом примере температура будет ниже минимальной температуры деструкции углеводородов, и, таким образом, направление серной кислоты в секцию реакционной печи приведет к повышенному риску переноса углеводородов в каталитическую секцию установки Клауса ниже по ходу потока.Example 2.B shows data for a Claus unit equipped with a sulfuric acid plant for tail gas treatment. The sulfuric acid is sent to the sulfuric acid vaporization section. The temperature in the reaction furnace section is lower than in Case A because part of the oxygen (and hence energy) feed is fed via the sulfuric acid to the sulfuric acid vaporization section. However, the temperature is still above the minimum hydrocarbon destruction temperature. The addition of sulfuric acid reduces the temperature due to the endothermic reactions associated with the vaporization, dehydration, and dissociation of sulfuric acid. In this example, the temperature will be below the minimum hydrocarbon destruction temperature, and thus sending the sulfuric acid to the reaction furnace section will result in an increased risk of hydrocarbon carryover to the downstream catalytic section of the Claus unit.
В примере 2.С дополнительный топливный газ был направлен в горелку Клауса для получения той же температуры в секции реакционной печи, что и в примере 2.А. Как видно, это возможно без увеличения расхода технологического газа через установку Клауса и установку для остаточных газов, однако потребление топливного газа увеличилось.In Example 2.C, additional fuel gas was fed to the Claus burner to achieve the same temperature in the reaction furnace section as in Example 2.A. As can be seen, this is possible without increasing the process gas flow through the Claus unit and the tail gas unit, but the fuel gas consumption has increased.
В примере 2.D топливо было добавлено в горелку Клауса для получения той же температуры в секции испарения серной кислоты, что и в примере 2.А. Наблюдается увеличение расхода технологического газа и расхода топлива. Разница между колонной С и D описывает разницу между наличием двухсекционной печи реакции Клауса (колонна С), предложенной в настоящем описании, по сравнению с реакционной печью с одной секцией, в которой серная кислота направляется в горелку Клауса (колонна D). Печь реакции Клауса, выполненная с секцией реакционной печи и секцией испарения серной кислоты, обеспечит более низкий расход технологического газа как на установку Клауса, так и на установку остаточного газа Клауса, будет иметь более низкий расход топливного газа, обеспечивая при этом одинаковые условия для деструкции NH3 и углеводородов в сырьевых газах.In Example 2.D, fuel was added to the Claus burner to obtain the same temperature in the sulfuric acid vaporization section as in Example 2.A. An increase in the process gas flow rate and fuel flow rate is observed. The difference between Column C and D describes the difference between having a two-section Claus reaction furnace (Column C) proposed in this description, compared to a reaction furnace with a single section in which sulfuric acid is directed to a Claus burner (Column D). A Claus reaction furnace constructed with a reaction furnace section and a sulfuric acid vaporization section will provide a lower process gas flow rate to both the Claus unit and the Claus tail gas unit, will have a lower fuel gas flow rate, while providing the same conditions for the destruction of NH 3 and hydrocarbons in the feed gases.
В примерах 2.Е, 2.F и 2.G описана конфигурация Клауса + остаточный газ, в которой 5% кислого газа направляется на сернокислотную установку остаточного газа, что позволяет сэкономить некоторое количество топлива в камере сгорания остаточного газа Клауса и вдвое увеличить производительность такого количества кислоты, сколько в базовом случае в примере 2.ВExamples 2.E, 2.F, and 2.G describe a Claus + tail gas configuration in which 5% of the acid gas is sent to a tail gas sulfuric acid plant, saving some fuel in the Claus tail gas combustion chamber and doubling the acid throughput of the base case in Example 2.B.
Эффект направления вдвое большего количества серной кислоты в печь реакции Клауса заключается в снижении температуры как в реакционной печи, так и в секции испарения серной кислоты. В этом примере считается, что температура секции реакционной печи слишком низкая для полного разрушения углеводородов (пример 2.Е), поэтому для повышения температуры в горелку Клауса необходимо добавить топливный газ. В примере 2.F температура секции реакционной печи повышена, что приводит к потокам технологического газа, сравнимым с базовым случаем (пример 2.В). Для оценки того, какая компоновка является предпочтительной, потребуется более подробный анализ работы, особенно котла-утилизатора после реакционной печи Клауса и, особенно, сернокислотной установки для остаточных газов. Как правило, энерговыделение на сернокислотной установке имеет более высокое значение, чем на установке Клауса, поскольку большая часть энергии, выделяемой на сернокислотной установке, может быть восстановлена в виде насыщенного или перегретого пара высокого давления, в то время как установка Клауса в первую очередь утилизирует избыточную энергию в виде насыщенного пара при более низком давлении. В колонну G подают топливный газ таким образом, что температура секции испарения серной кислоты повышается, т.е. это соответствует конфигурации, имеющей одну секцию реакционной печи. Конфигурация двухсекционной реакционной печи характеризуется более низким расходом газа как в установке Клауса, так и в установке остаточного газа Клауса, и более низким расходом топливного газа по сравнению с конфигурацией с одной секцией.The effect of sending twice as much sulfuric acid to the Claus reaction furnace is to reduce the temperature in both the reaction furnace and the sulfuric acid vaporization section. In this example, the reaction furnace section temperature is considered too low for complete destruction of the hydrocarbons (Example 2.E), so fuel gas must be added to the Claus burner to raise the temperature. In Example 2.F, the reaction furnace section temperature is increased, resulting in process gas flows comparable to the base case (Example 2.B). A more detailed analysis of the operation, especially of the waste heat boiler after the Claus reaction furnace and especially of the sulfuric acid plant for tail gases, is required to evaluate which arrangement is preferable. Generally, the energy release in a sulfuric acid plant is higher than in a Claus plant because most of the energy released in a sulfuric acid plant can be recovered as saturated or superheated high-pressure steam, while the Claus plant primarily utilizes excess energy as saturated steam at a lower pressure. The G column is fed with fuel gas in such a way that the temperature of the sulfuric acid evaporation section increases, i.e. this corresponds to a configuration with a single section of the reaction furnace. The configuration of a two-section reaction furnace is characterized by lower gas consumption in both the Claus unit and the Claus tail gas unit and lower fuel gas consumption compared to a configuration with a single section.
Данные в таблице 2 показывают, что конкурентоспособность установки Клауса с сернокислотной установкой лучше всего достигается при использовании двухсекционной печи реакции Клауса, в которой серная кислота направляется в секцию испарения серной кислоты.The data in Table 2 show that the competitiveness of the Claus plant with the sulfuric acid plant is best achieved by using a two-section Claus reaction furnace in which the sulfuric acid is directed to the sulfuric acid evaporation section.
Claims (34)
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DKPA201900543 | 2019-05-03 | ||
| DKPA201900655 | 2019-05-28 | ||
| DKPA201900681 | 2019-06-04 | ||
| DKPA201900687 | 2019-06-05 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2021135473A RU2021135473A (en) | 2023-06-05 |
| RU2824360C2 true RU2824360C2 (en) | 2024-08-07 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5124574A (en) * | 1974-06-27 | 1976-02-27 | Raboratoriumu Hyua Adozorupuch | Kurausuhonenshorono haigasujokahoho |
| RU2012138294A (en) * | 2010-03-29 | 2014-05-10 | ТюссенКрупп Уве ГмбХ | METHOD FOR PROCESSING A GAS CARBON DIOXIDE-ENCRYPTED FOR CLEANING OF SUSTER-CONTAINING COMPONENTS |
| CN105692563A (en) * | 2016-01-27 | 2016-06-22 | 山东三维石化工程股份有限公司 | SWSR (Sunway Sulfur Recovery)-7 technology and SWSR-7 device |
| WO2017220655A1 (en) * | 2016-06-21 | 2017-12-28 | Saipem S.P.A. | Integrated process for the production of sulphuric acid and sulphur |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5124574A (en) * | 1974-06-27 | 1976-02-27 | Raboratoriumu Hyua Adozorupuch | Kurausuhonenshorono haigasujokahoho |
| RU2012138294A (en) * | 2010-03-29 | 2014-05-10 | ТюссенКрупп Уве ГмбХ | METHOD FOR PROCESSING A GAS CARBON DIOXIDE-ENCRYPTED FOR CLEANING OF SUSTER-CONTAINING COMPONENTS |
| CN105692563A (en) * | 2016-01-27 | 2016-06-22 | 山东三维石化工程股份有限公司 | SWSR (Sunway Sulfur Recovery)-7 technology and SWSR-7 device |
| WO2017220655A1 (en) * | 2016-06-21 | 2017-12-28 | Saipem S.P.A. | Integrated process for the production of sulphuric acid and sulphur |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN113795710B (en) | Method for producing elemental sulphur and sulphuric acid | |
| CA3083560C (en) | Method for production of sulfur involving recycle of sulfuric acid | |
| RU2824360C2 (en) | Method of producing elementary sulphur and sulphuric acid | |
| EA026172B1 (en) | Staged combustion of combustible sulphur-containing effluents with recovery of the sulphur in the claus process | |
| RU2822142C2 (en) | Method of producing sulphur and sulphuric acid | |
| RU2827769C2 (en) | Modernization of claus plant with sulfuric acid plant | |
| WO2020089099A1 (en) | Method for production of sulfur | |
| DK201800928A1 (en) | Method for production of sulfur and sulfuric acid | |
| EA039970B1 (en) | METHOD FOR PRODUCING SULFUR AND SULFURIC ACID |