ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕАКТОР ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ СЕРНИСТОГО ГАЗА ПРИРОДНЫМ ГАЗОМ Российский патент 2003 года по МПК B01J12/00 C01B17/04 

Изобретение относится к устройствам для получения серы из газов, содержащих диоксид серы или сероводород, и может быть использовано для переработки газов цветной металлургии и нефтегазовой промышленности, а также в конструкции газофазных реакторов химической промышленности.

Известны высокотемпературные гомогенные газовые реакторы для получения серы из сероводорода и воздуха, содержащие реакционный объем внутри трубчатого стального корпуса, оптимальное отношение длины к диаметру у которого составляет (2-3): 1, приблизительно посредине которого установлены одна или несколько решетчатых перегородок из огнеупора, имеющих отверстия для прохода горячего газа [1].

Конструкция таких реакторов предполагает подачу исходных холодных реагентов непосредственно в реакционную камеру, где происходит их смешивание и взаимодействие, что обуславливает при ограниченной скорости смешивания компонентов (процесс характеризуется как диффузионно-кинетический) низкую эффективность использования объема реактора. Кроме того, наличие решетчатой перегородки, турбулизующей газовый поток и служащей стабилизатором горения, приводит к образованию сразу за этой перегородкой локальной зоны повышенных температур, разрушающих футеровку непосредственно в этой зоне.

Другое известное устройство для сжигания сероводорода и органических соединений серы содержит корпус реактора с изолированной цилиндрической камерой постоянного диаметра, содержащей зону сгорания, за которой отделенная горловиной следует соосная ей реакционная зона [2].

Основным недостатком такого реактора является низкая эффективность использования объема вследствие неэффективного смешивания реагентов, что вызывает увеличение объема и размеров реакционной зоны. Вследствие линейного расположения зоны сгорания и реакционной зоны габаритный размер (длина) такого реактора неоправданно велик, а занимаемая им площадь фундамента используется нерационально. Кроме того, вследствие конструкционных ограничений на максимально допустимый диаметр внутреннего сечения горизонтального реактора (обычно не более 5 метров по футеровке) при заданном оптимальном соотношении его длины к диаметру объем реакционной зоны и производительность такого реактора ограничены.

Наиболее близким аналогом является реактор для гомогенного восстановления кислородсодержащего сернистого газа природным газом, имеющий корпус, футерованный изнутри огнеупорным материалом, с отверстиями для подвода и отвода технологического газа и цилиндрическую камеру, соединенную с корпусом и сообщающуюся с ним через отверстие для подвода технологического газа, снабженную фурмами для подачи восстановительного природного газа, размещенными в стенке камеры, у которого ось реакционной камеры может быть расположена вертикально [3].

Основными недостатками данного устройства являются: повышенная сложность конструкции газораспределительной системы и недостаточная эффективность смешивания реагентов и процесса восстановления в условиях переработки технологических газов переменного объема и состава, например отходящих газов металлургических производств. Кроме того, линейная конструкция реакционной камеры увеличивает габаритный размер (высоту) реактора и усложняет его эксплуатацию.

Первый из указанных недостатков вытекает из наличия условий оптимального смешивания технологического газа с восстановительным природным газом. Быстрое и равномерное распределение восстановительного природного газа в потоке технологического сернистого газа обеспечивается при определенном заглублении его струй в поток, что выполняется при соответствующем ограничении размеров (калибра) фурм. Для подачи достаточного объема природного газа при ограничении калибра фурм приходится увеличивать их количество, что и приводит к усложнению конструкции газораспределительной системы, не гарантируя полного и равномерного перемешивания восстановителя с технологическим газом, особенно при вариациях расхода (скорости) и состава технологического газа.

Кроме того, условия оптимального смешивания технологического газа с восстановительным природным газом, выполняемые при определенном заглублении в поток технологического газа струй восстановительного природного газа, подаваемого через фурмы соответствующего расчетного калибра, нарушаются при вариациях расхода (скорости) и состава технологического газа.

Задачей изобретения является создание конструкции высокотемпературного реактора, обеспечивающей более эффективное смешивание восстановительного природного газа с технологическим газом, в особенности при восстановлении сернистого газа переменного объема и состава и увеличение времени взаимодействия реагентов в реакционной камере при уменьшении ее габаритного размера.

Техническим результатом от использования изобретения является снижение металлоемкости и повышение надежности реактора, а также повышение эффективности использования объема и уменьшение габаритного размера реактора и занимаемой им площади.

Сущность изобретения состоит в том, что в реакторе для восстановления технологического сернистого газа природным газом, содержащем корпус, футерованный изнутри огнеупорным материалом, с отверстиями для подвода и отвода технологического газа, цилиндрическую камеру, соединенную с корпусом и сообщающуюся с ним через отверстие для подвода технологического газа, снабженную фурмами для подачи восстановительного природного газа, размещенными в стенке камеры, у которого ось реакционной камеры расположена вертикально, согласно изобретению реакционная камера выполнена в виде последовательности вертикальных цилиндрических реакционных секций с последовательным изменением направления течения газа в них на 180^o, причем отверстие для подвода технологического газа расположено в нижней части первой по ходу движения газа реакционной секции и снабжено решетчатой перегородкой, турбулизующей поток и стабилизирующей горение.

Формирование реакционного объема в виде последовательности реакционных секций позволяет при сохранении их диаметра, общей длины и соответственно реакционного объема уменьшить (пропорционально количеству реакционных секций) их габаритный размер. Последовательное изменение направления течения газа на 180^o при переходе из одной реакционной секции в другую вызывает дополнительное завихрение потока газа, что способствует его лучшей гомогенизации. Вертикальное расположение секций позволяет уменьшить занимаемую реактором площадь фундамента.

Размещение смесительного устройства, турбулизующего поток и стабилизирующего горение, в отверстии для подвода технологического газа, расположенном в нижней части первой по ходу движения газа реакционной секции, смещает возникающую за смесительным устройством зону повышенных температур в нижнюю часть первой по ходу движения газа реакционной секции. При этом свод футерованного газохода, соединяющего первую реакционную секцию со второй, удален от локальной зоны повышенных температур, разрушающих футеровку непосредственно в этой зоне, что повышает устойчивость самой уязвимой части высокотемпературного реактора - его свода и надежность всего реактора.

При таком размещении локальная зона повышенных температур, возникающая непосредственно за смесительным устройством, вследствие лучистых теплопотерь расширяется, распространяясь на всю нижнюю часть первой по ходу движения газа реакционной секции, причем ее максимальная температура (градиент температур) снижается, а конвективный теплоперенос выравнивает температуру по всем реакционным секциям. Благодаря этому вся реакционная зона становится изотермичной, что повышает эффективность использования объема реактора.

При этом решетчатая перегородка заглублена внутрь реакционной камеры, что отдаляет локальную зону повышенных температур за смесительным устройством от стенок реакционной камеры, повышая эксплуатационную устойчивость и надежность реактора.

Кроме того, в качестве смесительного устройства, турбулизующего поток и стабилизирующего горение, используют фурмы для подачи восстановительного природного газа, установленные на расстоянии 2-10 калибров перед решетчатой перегородкой, расположенной в отверстии для подвода технологического газа, и под углом 0-20^o к ней.

Установка фурм для подачи восстановительного природного газа согласно заявляемому изобретению обеспечивает касание и взаимодействие края основного участка струй восстановительного природного газа с решеткой, в результате чего струя на каждом участке своей длины частично проникает в решетку, постепенно распределяясь вдоль нее. Это увеличивает рассеяние (расширение) струи по сравнению с затопленной струей или струей восстановительного природного газа в сносящем потоке технологического газа. Поскольку независимо от подачи восстановителя решетка равномерно по своей площади (сечению отверстия) пропускает технологический газ, распределение струи восстановителя по решетке приводит к более равномерному распределению восстановителя в среде технологического газа, т.е. улучшает гомогенизацию газовой смеси по сечению отверстия для подвода технологического газа в реакционный объем.

Большее рассеяние (расширение) струи восстановительного природного газа на решетке укорачивает струю и уменьшает влияние длины струи на ее заглубление в поток технологического газа, что позволяет использовать фурмы для подачи восстановительного природного газа с большей расчетной длиной струи (т.е. большего калибра) независимо от условий оптимального смешивания и вариаций расхода и состава технологического газа.

Увеличение калибра (диаметра) фурм для подачи восстановительного природного газа позволяет при неизменном расходе восстановителя уменьшить их количество, что упрощает конструкцию и повышает надежность газораспределительной системы.

Предельные границы угла установки фурм (0-20 градусов к решетчатой перегородке) обосновываются углом раскрытия свободной струи (30^o), а установочное расстояние (2-10 калибров фурмы) до решетчатой перегородки задается с учетом указанного угла расширения струи из возможных предельных значений длины начального и переходного участков струи.

Дополнительно, указанные фурмы для подачи восстановительного природного газа в поперечном сечении цилиндрической камеры могут быть установлены под углом, равным 30-75 градусов относительно радиуса камеры, проведенного в точку пересечения оси фурмы к внутренней поверхности камеры.

Установка согласно заявляемому изобретению в поперечном сечении камеры фурм под углом (Ф) к радиусу камеры (R) позволяет увеличить пропорционально секансу этого угла длину струи (L) при сохранении заданного оптимального заглубления струи (h) восстановительного природного газа в поток. Увеличение длины струи при изменении угла наклона следует из геометрических соображений.

Для наилучшего смешивания реагентов (кислородсодержащего сернистого газа и восстановительного природного газа) необходимо обеспечить определенную величину: h-заглубления струи восстановительного природного газа в поток технологического сернистого газа. Достаточно равномерное распределение природного газа обеспечивается при заглублении струи h=0,5R, когда ширина струи в точке ее разворота по потоку равна R. Последнее условие достигается при определенной длине струи L, определяемой соотношением: К=0,75b, откуда непосредственно вытекает условие оптимальной установки фурмы: соsФ=0,375, т.е. угол наклона фурм: Ф= 70^o. При этом оптимальном угле установки фурм длина струи от устья (точки О) до точки разворота D вдвое больше, чем ее заглубление h, соответствующее длине струи при нулевом угле установки фурм.

Поскольку длина струи до точки полного разворота прямо пропорциональна ее начальному диаметру в точке истечения, увеличение (при угле наклона Ф= 70^o) длины струи вдвое при сохранении всех остальных условий и характеристик технологического и восстановительного природного газа выполняется при увеличении исходного диаметра (калибра) струи в точке истечения О вдвое сравнительно с калибром струи нулевого наклона длиной h=0,5R. Увеличение калибра струи обеспечивается пропорциональным увеличением диаметра фурмы, вследствие чего для сохранения оптимального заглубления струи в поток при наклонении фурмы под углом Ф=70^o потребуется вдвое увеличить ее диаметр. Расход восстановительного природного газа через одну фурму при удвоении ее диаметра вырастет в четыре раза, благодаря чему для оптимальной подачи восстановительного природного газа в поток технологического сернистого газа внутри камеры необходимо фурм, наклоненных от радиуса камеры на 70^o, вчетверо меньше, чем количество фурм, установленных по линии радиуса без наклона.

Увеличению длины струи восстановительного природного газа в неизменном потоке технологического газа соответствует, в свою очередь, больший размер (калибр) используемых фурм для подачи восстановительного природного газа, что позволяет уменьшить их количество при сохранении общего расхода восстановителя. Уменьшение количества фурм для подачи восстановительного природного газа упрощает конструкцию и повышает надежность газораспределительной системы.

За счет наклонной установки фурм для подачи восстановительного природного газа закручивается поток технологического газа вокруг оси камеры, что способствует лучшему перемешиванию этих реагентов. Кроме того, поскольку проекция струи на радиус камеры пропорциональна косинусу угла между осью фурмы и радиусом, установка согласно заявляемому изобретению фурмы под углом к радиусу камеры в поперечном ее сечении уменьшает влияние длины струи на ее заглубление в поток. Это снижает пропорционально косинусу угла между осью фурмы и радиусом изменения заглубления струи в поток сернистого технологического газа при вариациях длины струи восстановительного природного газа, способствуя сохранению оптимальных условий их перемешивания.

Предельные границы угла установки фурм (30-75 градусов) обосновываются следующим. Минимальный (30^o) угол установки фурмы относительно радиуса камеры задается углом раскрытия струи (при меньших значениях установочного угла струя может считаться радиальной), а также из-за того, что на меньших углах длина струи, пропорциональная секансу угла наклона: L=h/соsФ=sсФ, увеличивается сравнительно с заглублением h незначительно. Максимально допустимый (75^o) угол наклона оси фурмы к радиусу определяется как предельный угол касания струей внутренней стенки футеровки камеры.

Соответствие критерию "изобретательский уровень" доказывается следующим образом.

Известно устройство [3], имеющее признак, сходный с заявляемым: наличие фурм для подачи восстановительного природного газа в поток технологического газа.

Однако в известном устройстве фурмы для подачи восстановительного природного газа размещаются в стенке камеры независимо от наличия других элементов смесительного устройства, что вынуждает выполнять условия оптимального смешивания восстановительного природного газа, подаваемого через фурмы соответствующего расчетного калибра, с технологическим газом, выполняемые при определенном заглублении струй восстановительного природного газа в поток сносящего технологического газа.

В заявляемом устройстве фурмы установлены определенным образом относительно другого элемента смесительного устройства - решетчатой перегородки, что приводит к меньшей зависимости длины струи от калибра фурмы и обеспечивает в заявляемом устройстве достижение нового технического эффекта - уменьшение количества фурм и ведет к упрощению конструкции и повышению надежности газораспределительной системы.

Другой близкий с заявляемому признак известного устройства [3] - вертикальное расположение оси реакционной камеры отличается от заявляемого конструктивно, поскольку в аналогах реакционный объем (реакционная камера) имеет линейную конструкцию с неизменным направлением газового потока, а в заявляемом устройстве направление потока в реакционном объеме последовательно изменяется на противоположное. Это позволяет по заявляемому способу вдвое уменьшить габаритный (вертикальный) размер реактора, т.е. достичь нового заявленного положительного результата.

В другом известном устройстве [4], имеющем сходный с заявляемым признак - расположение в стенке циклонной камеры под углом к ее радиусу фурмы для подачи струи газа, фурма установлена таким образом для защиты стенки камеры от потока высокотемпературного сернистого технологического газа путем создания пристеночного слоя инертного газа (азота), не смешивающегося с потоком высокотемпературного сернистого газа, с температурой, меньшей температуры среды в циклоне, для чего фурма установлена под углом 90^o касательно к стенке, т.е. так, чтобы струя была направлена тангенциально и не заглублялась в поток.

В заявляемом устройстве фурма установлена так, чтобы струи восстановительного природного газа, подаваемого под углом, значительно меньшим 90^o, наоборот, заглублялись в ядро потока сернистого технологического газа, что обеспечивает их равномерное распределение, наилучшее смешивание и взаимодействие. Поэтому в заявляемом устройстве фурмы установлены под другим углом по отношению к радиусу камеры (30-75 градусов), нежели в известном устройстве.

Таким образом, в заявляемом устройстве фурмы установлены под углом по отношению к радиусу камеры с другой, нежели в известном устройстве, целью: для обеспечения наилучшего смешения потока сернистого технологического газа с восстановительным газом, а изменение угла наклона фурм для подачи газа в поток обеспечивает в заявляемом устройстве достижение нового технического эффекта - уменьшение количества фурм и ведет к упрощению конструкции и повышению надежности газораспределительной системы, что свидетельствует о соответствии заявляемого объекта критерию "изобретательский уровень".

Эти отличия от известных аналогов обеспечивают достижение указанного технического эффекта, что свидетельствует о соответствии заявляемого объекта критерию "изобретательский уровень".

Изобретение поясняется чертежами, из которых на фиг.1 изображен продольный разрез в диаметральной плоскости реактора, на фиг.2 показан поперечный разрез футерованной цилиндрической камеры в плоскости установки фурмы для подачи восстановительного природного газа. На фиг.3 эти же элементы устройства показаны относительно внутренней поверхности камеры, условно развернутой в плоскость, в торцевом сечении которой установлена фурма. На фиг.4 в тех же обозначениях изображен поперечный разрез камеры по сечению А-А, включая фурмы для подачи восстановителя (фурмы показаны в одной плоскости), установленные под углом Ф к радиусам камеры и присоединенные к коллектору.

Футерованная цилиндрическая камера (обозначена поз.1) сообщается отверстием для подвода технологического газа с первой реакционной секцией 2, за которой следует переходная камера 3, вторая реакционная секция 4 и отверстие для отвода технологического газа 5. Непосредственно в отверстии для подвода технологического газа размещена решетчатая перегородка 6, перед которой установлены фурмы 7 для подачи восстановительного газа от раздаточного коллектора 8. Первая реакционная секция 2, переходная камера 3 и вторая реакционная секция 4 вместе составляют реакционную камеру, образуя реакционный объем.

Дополнительно на фиг.3 обозначены: длина струи L, отсчитываемая от устья фурмы (точка О) до полного разворота струи по потоку (точка D), и величина ее заглубления в поток h, составляющая расстояние от точки полного разворота струи D до поверхности футеровки камеры с радиусом R. Пунктирной окружностью здесь показана расчетная граница струи, а сама струя заштрихована.

Устройство работает следующим образом.

Исходный сернистый технологический газ, разогретый в цилиндрической камере 1 за счет сжигания газообразного топлива до температур восстановления диоксида серы (1150-1250^oС), сквозь решетчатую перегородку 6 поступает в реакционную секцию 2 (направление течения газа показано стрелками), причем на выходе из цилиндрической камеры 1 в технологический газ от коллектора 8 через фурмы 7 вводят восстановительный природный газ. Струи восстановительного природного газа, распределяемые в поперечном сечении решетки 6, равномерно пронизываются потоком нагретого технологического сернистого газа, что обеспечивает их наилучшее перемешивание в плоскости выходного отверстия камеры. Окончательная гомогенизация газовой смеси и выравнивание температуры осуществляются сразу за решеткой 6, т.е. уже внутри реакционной секции 2 (фиг.1).

Реактор, рассчитанный на переработку 46000 нм³/ч сернистого технологического газа, содержащего 67% объема диоксида серы, имеет две вертикальные цилиндрические реакционные секции высотой по 5 м, соединенные переходной камерой, футерованные внутри (диаметр по футеровке 4000 мм), с общим реакционным объемом 120 м³. В нижнюю часть первой реакционной секции врезана горизонтальная футерованная изнутри цилиндрическая камера, внутренний (по футеровке) диаметр которой составляет 2 м. Габаритный размер по высоте такого реактора вместе с фундаментом составляет 8 м.

На выходе камеры под углом 70^o к радиусам установлены 4 фурмы внутренним диаметром 60 мм, через которые из коллектора диаметром 200 мм подается до 15500 нм³/ч восстановительного природного газа.

Преимущество предложенной конструкции заключается в том, что аналогичный реактор-аналог для переработки такого же количества технологического газа с подачей такого же количества восстановительного природного газа имеет цилиндрическую камеру, которая содержит 46 фурм диаметром 24 мм, что значительно усложняет конструкцию, снижая ее надежность по сравнению с предлагаемой.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Грунвальд В.Р. Технология газовой серы. М.: Химия, 1992.-272 с.

2. Заявка Великобритании 1565133, кл. МКИ³ С 01 В 17/50, 17/04, опубл. 16.04.80.

3. Патент России 2137706, МКИ⁶ С 01 В 17/04, 1999.

4. А.с. СССР 377603, МКИ F 27 D 9/00, 1971.

Реактор относится к аппаратам нефтегазовой промышленности и цветной металлургии и предназначен для восстановления технологического сернистого газа природным газом. Содержит корпус, изнутри футерованный огнеупорным материалом, с отверстиями для подвода и отвода технологического газа и цилиндрическую камеру, которая соединена с корпусом, сообщается с ним через отверстие для подвода технологического газа и снабжена фурмами для подачи восстановительного природного газа, размещенными в стенке камеры. Ось реакционной камеры расположена вертикально. А реакционная камера выполнена в виде последовательности вертикальных цилиндрических реакционных секций с последовательным изменением направления течения газа в них на 180^o. Отверстие для подвода технологического газа расположено в нижней части первой по ходу движения газа реакционной секции и снабжено решетчатой перегородкой, турбулизирующей поток и стабилизирующей горение. Фурмы установлены на расстоянии 2-10 калибров перед решетчатой перегородкой, расположенной в отверстии для подвода технологического газа и под углом 0-20^o к ней. Решетчатая перегородка заглублена внутрь реакционной камеры. Фурмы в поперечном сечении цилиндрической камеры установлены под углом, равным 30-75^o относительно радиуса камеры, проведенного в точку пересечения оси фурмы с внутренней поверхностью камеры. Таким образом обеспечивается снижение металлоемкости с одновременным повышением надежности реактора при высокой эффективности использования его объема. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Высокотемпературный реактор для восстановления технологического сернистого газа природным газом, содержащий корпус, футерованный изнутри огнеупорным материалом, с отверстиями для подвода и отвода технологического газа, цилиндрическую камеру, соединенную c корпусом и сообщающуюся с ним через отверстие для подвода технологического газа, снабженную фурмами для подачи восстановительного природного газа, размещенными в стенке камеры, у которого ось реакционной камеры расположена вертикально, отличающийся тем, что реакционная камера выполнена в виде последовательности вертикальных цилиндрических реакционных секций с последовательным изменением направления течения газа в них на 180^o, причем отверстие для подвода технологического газа расположено в нижней части первой по ходу движения газа реакционной секции и снабжено решетчатой перегородкой, турбулизирующей поток и стабилизирующей горение. 2. Высокотемпературный реактор по п.1, отличающийся тем, что фурмы установлены на расстоянии 2-10 калибров перед решетчатой перегородкой, расположенной в отверстии для подвода технологического газа и под углом 0-20^o к ней, а решетчатая перегородка заглублена внутрь реакционной камеры. 3. Высокотемпературный реактор по п.1, отличающийся тем, что фурмы в поперечном сечении цилиндрической камеры установлены под углом, равным 30÷75^o относительно радиуса камеры, проведенного в точку пересечения оси фурмы с внутренней поверхностью камеры.