РЕАКТОР-ГЕНЕРАТОР ДЛЯ ГОМОГЕННОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ КИСЛОРОДСОДЕРЖАЩЕГО СЕРНИСТОГО ГАЗА Российский патент 1999 года по МПК C01B17/04 

Изобретение относится к устройствам для получения серы из газов, содержащих соединения серы (диоксид серы и (или) сероводород), и может быть использовано для переработки отходящих газов цветной металлургии и нефтегазовой промышленности.

Одним из основных направлений переработки сернистых газов, содержащих диоксид серы или сероводород, является двухстадийная технология, включающая термическое восстановление серы (из диоксида серы) или окисление (из сероводорода) в гомогенном высокотемпературном газовом реакторе с последующей каталитической переработкой хвостовых газов, причем первая (термическая) стадия дает большую часть всей получаемой элементарной серы.

Известны высокотемпературные гомогенные газовые реакторы для получения серы из сероводорода и воздуха, содержащие горизонтально расположенную реакционную камеру с торцевой или тангенциальной горелкой, соосно к которой примыкает конвективная секция котла-утилизатора [1].

В таких реакторах-генераторах конструкция узла ввода реагирующих газов предполагает подачу холодных реагентов (технологического газа и восстановителя) непосредственно в реактор при отсутствии устройства (горелок) предварительного подогрева. Вследствие этого в головную часть реактора поступает смесь относительно холодных газов, что обуславливает при плохом перемешивании реагентов низкую эффективность использования объема реактора, а также взрывоопасность использования реактора такой конструкции для термического восстановления серы из диоксида серы.

Кроме того, соосное расположение реакционной зоны и непосредственно к ней примыкающей котельной секции в известных устройствах (высокотемпературных гомогенных газовых реакторах) приводит к избыточным потерям тепла реакционной зоны, выносимого из реакционной высокотемпературной зоны посредством лучистого теплопереноса и поглощаемого близкорасположенной трубной решеткой конвекционной секции. Эти теплопотери приводят к снижению температуры реакционной зоны, что уменьшает скорость процесса переработки серосодержащих газов и снижает потенциально возможную производительность реактора.

Известна также конструкция котла- утилизатора, имеющего целый ряд горелок в торцевой части реактора и многосопловое устройство для подачи восстановителя (природного газа) в реакционную камеру [2]. Такая конструкция устройства не обеспечивает его надежной эксплуатации из-за нахождения сопел в зоне высоких температур и не обеспечивает полного использования по назначению объема реакционной камеры, в головной части которой происходит подогрев технологического газа. Использование здесь соосно расположенных реакционной камеры и котельной конвекционной части, также как и в прототипах [1], не устраняет лучистых потерь тепла реакционной зоны на торцевой поверхности конвекционной секции.

Наиболее близким к заявляемому, выбранным в качестве прототипа, является реактор-генератор для высокотемпературного гомогенного восстановления кислородсодержащего сернистого газа метаном, содержащий реакционную камеру с горизонтальным цилиндрическим корпусом, футерованным изнутри огнеупорным материалом, и отверстиями для подвода и отвода технологического газа, к выходному торцу которой соосно пристыкована котельная часть [3]. Дополнительно реактор содержит огнеупорную из кирпича решетку с отверстиями для пропуска газов, расположенную поперек реакционной камеры перед выходным отверстием и котельной частью установки.

Основным недостатком такой конструкции реактора является устройство ввода непосредственно в реакционную камеру холодного технологического газа и холодного природного газа, смешивающихся непосредственно в головной части реактора. При этом головная часть реактора (реакционная камера) заполнена взрывоопасной смесью холодных газов, а их горение и процесс восстановления начинается на кирпичной решетке, играющей роль стабилизатора горения. Вследствие этого, реактор взрывоопасен, объем реакционной камеры используется для восстановления не полностью, а фактическая производительность реактора и (или) эффективность восстановления сернистого газа меньше потенциально возможной.

Еще один недостаток конструкции прототипа и аналогов заключается в соосном расположении реакционной камеры и непосредственно пристыкованной к ней котельной части, что приводит к дополнительным потерям (путем лучистого теплопереноса) тепла реакционной зоны, поглощаемого расположенной рядом трубной решеткой конвекционной секции. Эти теплопотери приводят к снижению температуры реакционной зоны, что также понижает возможную эффективность (завершенность) восстановления и снижает производительность реактора по объему перерабатываемого технологического газа.

Задачей изобретения является создание конструкции высокотемпературного гомогенного реактора, обеспечивающей эффективное и безопасное восстановление кислородсодержащего сернистого газа.

Техническим результатом от использования изобретения является повышение надежности, устранения взрывоопасности реактора и повышение эффективности использования объема реактора.

Поставленная цель достигается тем, что высокотемпературный гомогенный газовый реактор для восстановления кислородсодержащего сернистого технологического газа метаном, имеющий цилиндрический корпус, футерованный изнутри огнеупорным материалом, с отверстиями для подвода и отвода технологического газа, согласно изобретению, содержит дополнительно по крайней мере одну камеру (форкамеру), футерованную внутри и снабженную торцевой горелкой и фурмами-горелками для подачи природного газа.

Дополнительно, для более эффективного использования реакционного тепла и снижения лучистых потерь тепла реакционной камеры, реакционная камера и котельная секция могут располагаться на разных геометрических осях.

Устройство, согласно заявляемому изобретению, дополнительной камеры (форкамеры), снабженной торцевой запальной горелкой и фурмами-горелками для подачи природного газа или другого (жидкого или газообразного) топлива, позволяет быстро нагреть технологический сернистый газ и выжечь находящийся в нем кислород еще до попадания в реактор. Благодаря этому в восстановительный реактор поступает уже разогретый до температуры восстановления сернистый технологический газ, лишенный кислорода, а следовательно - взрывобезопасный. При этом объем реактора, целиком разогретого до температуры восстановления, практически весь используется для восстановления сернистого газа.

Вертикальное расположение оси реактора при размещении входного и выходного отверстий, соответственно в верхней и нижней его частях предотвращает возможное канализирование потока высокотемпературного технологического сернистого газа, благодаря чему объем реакционной камеры используется максимально полно. Кроме того, вертикальное расположение позволяет значительно упростить конструкцию и удешевить изготовление высокотемпературной реакционной камеры при существенном уменьшении занимаемой ею площади. Благодаря вертикальной конструкции, может быть значительно увеличена толщина футеровки, что снизит безвозвратные потери тепла через стенки реакционной камеры.

Разнесение, согласно п. 2 патентной формулы, осей реакционной камеры и котельной секции (их оси могут быть параллельны, но не должны совпадать) предотвращает или уменьшает лучистый перенос тепла из реакционной камеры, поглощаемого в пределах прямой видимости относительно холодной трубной решеткой котельной секции.

При взаимном смещении осей реакционной камеры и котельной секции и, соответственно, горячей огневой поверхности реакционной камеры относительно холодной поглощающей поверхности котла обеспечивается полное или частичное отражение футеровкой стен и газоходов лучистого тепла и его возвращение в реакционную камеру.

Таким образом, заявляемое устройство обладает новизной по сравнению с устройством-прототипом.

Соответствие критерию "изобретательский уровень" доказывается следующим образом:
Известна горелка кислого газа компании "Форд, Бейкон и Девис" [1], имеющая признак, сходный с заявляемым: наличие полости перемешивания воздуха и газа. Однако в известном устройстве указанная полость предназначена только для смешивания реагентов и не обеспечивает (ввиду недостаточного объема и своей конструкции) расходование (выжигания) молекулярного кислорода в самой этой полости.

В заявляемом устройстве, напротив, свободный объем форкамеры достаточен для протекания быстрых реакций взаимодействия молекулярного кислорода, содержащегося в технологическом газе, с природным газом (топливом) подаваемым через специальные фурмы.

Благодаря этому, в реакционную камеру поступает горячий бескислородный технологический газ, и устраняет взрывоопасность, повышает надежность и позволяет полностью использовать для восстановления весь объем реактора.

Таким образом, новая конструкция форкамеры благодаря наличию в ней фурм для подачи природного газа, и достаточный ее объем обеспечивают в заявляемом устройстве достижение новой цели - повышение надежности, устранение взрывоопасности и увеличение эффективности использования объема реактора, что свидетельствует о соответствии заявляемого объекта критерию "изобретательский уровень".

Изобретение поясняется чертежами, на которых на фиг.1 изображен общий вид (с вырезом) форкамеры с частью реакционной зоны, а на фиг. 2 - реактор с двумя форкамерами и котлом-генератором пара.

Устройство (реактор-генератор) для гомогенного восстановления кислородсодержащего сернистого газа содержит реакционную камеру 1, имеющую цилиндрический корпус 2, футерованный изнутри огнеупорным материалом 3. Дополнительно заявляемое устройство имеет форкамеру 4, снабженную торцевой запальной горелкой 5 и фурмами 6 для подачи топливного природного газа (на фиг.2 не показаны). Кроме того, устройство содержит головку ввода сернистого газа 7, фурмы для подачи восстановительного природного газа от коллектора 8 (также не показаны на фиг.2) и отверстие (патрубок) вывода газов 9. Дополнительное устройство может быть оборудовано огнеупорной решеткой 10, размещаемой в начале реакционной камеры (на фиг.2 решетка также не показана). Кроме того, реактор-генератор содержит котельную секцию для генерации пара 11, располагаемую вертикально, как в примере на фиг. 2, либо горизонтально.

Устройство работает следующим образом.

Холодный кислородсодержащий сернистый газ (направление его течения показано стрелками) через головку 7 поступает в форкамеру 4, где нагревается в факеле запальной горелки 5 до температуры воспламенения топлива. Топливный природный газ, подаваемый через фурмы 6, воспламеняется и сгорает в форкамере, выжигая кислород сернистого газа. За счет сгорания топлива из форкамеры 4 в реакционную камеру 1 поступает нагретый (до 1500^oC) технологический газ, лишенный кислорода, который восстанавливается в реакционной камере природным газом, подаваемым из коллектора 8. Отходящие продукты восстановления выходят через выходное отверстие 9 в конвекционную часть котла 11, где охлаждаются до 350-450^oC, одновременно генерируя пар. Для лучшей гомогенизации газовой смеси и стабилизации пламени в реакционной зоне или на выходе из форкамеры может устанавливаться решетка 10 из огнеупорного материала (кирпича).

Пример конкретного выполнения устройства.

Реактор высокотемпературного восстановления, рассчитанный на переработку 50000 нм³/час отходящего сернистого газа автогенной плавки, имеет вертикальную цилиндрическую реакционную камеру внутренним диаметром 6,6 м, что определяет среднюю скорость технологического газа в ней менее 2 м/сек и при длине (высоте) реакционной камеры 8 м обеспечивает длительность пребывания технологического газа более 3 сек - время, достаточное при температуре 1200-1300^oC для завершения процесса восстановления диоксида серы.

Внутренний диаметр цилиндрической топочной камеры (форкамеры), равный 1,6 м, достаточен для предотвращения срыва пламени в форкамере, а длина форкамеры около 2 м обеспечивает, благодаря высокой скорости связывания кислорода, выгорание кислорода до входа в реакционную камеру. Котельная часть остается без изменений; используется котел Г-710 ВЦ Белгородского завода.

Данное устройство позволяет полностью использовать объем реакционной камеры, за счет чего увеличить время пребывания газовой смеси в реакционной зоне в 3-4 раза, по сравнению с аналогами и прототипом. Это позволяет, в свою очередь, на 5-10% отн. увеличить выход элементарной серы на стадии восстановления, а кроме этого повысить коэффициент извлечения серы на стадии каталитической конверсии. Дополнительный эффект состоит в экономии цеховых площадей на 30-50%.

Источники информации
1. Грунвальд В.Р. Технология газовой серы. М.; Химия, 1992, 272 с.

2. Артюнов B.C., Басевич В.Я., Веденеев В. И. Химическая промышленность. 1992, N 11, с. 8-12.

3. Поляк В. Я. , Федоров Ю.Н. Совершенствование технологии утилизации газов автогенных процессов с получением серы и серной кислоты. М., Гинцветмет МЦМ СССР, 1987, с. 13-14.

Изобретение относится к устройствам для получения серы из газов, содержащих соединения серы, может быть использовано для переработки отходящих газов цветной металлургии и обеспечивает повышение надежности, устранение взрывоопасности реактора и повышение эффективности использования объема реактора. Реактор-генератор имеет цилиндрический корпус, футерованный изнутри огнеупорным материалом, с отверстиями для подвода и отвода технологического газа в котельную секцию. Реактор также содержит по крайней море одну, соединенную с корпусом, дополнительную камеру, снабженную торцевой горелкой и фурмами-горелками для подачи природного газа. Дополнительно ось реактора может быть расположена вертикально с расположением входного и выходного отверстий соответственно в верхней и нижней частях реактора. Кроме того, корпус реакционной камеры и котельную секцию располагают в разных геометрических осях. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Реактор-генератор для гомогенного восстановления кислородсодержащего сернистого газа природным газом, содержащий цилиндрический корпус, футерованный изнутри огнеупорным материалом, с отверстиями для подвода и отвода технологического газа и котельную секцию, отличающийся тем, что реактор содержит по крайней мере одну, соединенную с корпусом, дополнительную камеру, снабженную торцевой горелкой и фурмами-горелками для подачи природного газа. 2. Реактор-генератор по п.1, отличающийся тем, что корпус реактора и котельная секция расположены в разных геометрических осях.