СПОСОБ ЧАСТИЧНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ SO Российский патент 2021 года по МПК F23D14/22 C01B17/04 

Область техники

Изобретение относится к способу частичного восстановления SO₂, в котором поток SO₂, окислитель и газообразное топливо подают в горелку и проводят реакцию в пламени; при этом горелка включает по меньшей мере одно отверстие для подачи потока SO₂, по меньшей мере одно отверстие для подачи окислителя и по меньшей мере одно отверстие для подачи газообразного топлива; и горелка включает форсуночную головку с первыми системами впрыска и вторыми системами впрыска.

Уровень техники

Получение серы обычно основано на частичном окислении H₂S, которое осуществляют в основном посредством процесса Клауса. Однако получение серы возможно также путем частичного восстановления SO₂. В случаях, когда следует обрабатывать сырье с высокой концентрацией SO₂, одним из решений для получения элементарной серы в виде жидкости является объединение термической технологической стадии с последующей каталитической реакцией.

На термической стадии реагенты реагируют друг с другом в открытом пламени. Для обеспечения протекания необходимой реакции в открытом пламени, которая является основной частью термической секции, следует применять горелку.

Такая горелка должна быть функциональной и надежной в рабочих условиях. В ходе пилотных испытаний было установлено, что с обычными горелками трудно получить стабильное пламя на термической стадии. Это происходит из-за того, что в процессе горения участвует большое количество инертных компонентов, присутствующих в SO₂. Также горелка должна обеспечивать эффективное смешивание различных потоков сырья, которые должны тесно контактировать для быстрого и полного протекания реакции.

Другой проблемой конструкции горелки является масштабирование процесса от пилотной установки до промышленного масштаба.

Описание изобретения: цель, решение, преимущества. Исходя из вышеописанных недостатков и недочетов, а также принимая во внимание рассмотренный предшествующий уровень техники, целью данного изобретения является обеспечение способа частичного восстановления SO₂, который позволяет избежать одной или большего количества вышеупомянутых проблем; в частности, целью данного изобретения является обеспечение способа, который позволяет получить стабильное пламя при проведении реакции SO₂ с топливом и окислителем.

Одной или большего количества этих целей достигают посредством способа частичного восстановления SO₂, в котором поток SO₂, окислитель и газообразное топливо подают в горелку и проводят реакцию в пламени; в котором горелка включает по меньшей мере одно отверстие для подачи потока SO₂, по меньшей мере одно отверстие для подачи окислителя и по меньшей мере одно отверстие для подачи газообразного топлива; и в котором горелка включает форсуночную головку с первыми системами впрыска и вторыми системами впрыска.

Данное изобретение отличается тем, что первые системы впрыска расположены в первой секции форсуночной головки, а вторые системы впрыска расположены во второй секции форсуночной головки; и стехиометрическое отношение SO₂, топлива и окислителя, подаваемых через первые системы впрыска, отличается от стехиометрического отношения SO₂, топлива и окислителя, подаваемых через вторые системы впрыска.

В изобретении предложено применять горелку с по меньшей мере тремя различными отверстиями для подачи топлива, окислителя и SO₂. При введении реагентов по различным каналам требования по скорости газа можно лучше приспособить к различиям в параметрах процесса восстановления и работы в резервном режиме. Этот вариант обладает гибкостью в отношении направления различных газовых потоков в подающие отверстия горелки для удовлетворения требований различных рабочих режимов.

Форсуночная головка включает первые и вторые системы впрыска. Согласно данному изобретению топливо, окислитель и SO₂, выходящие из первых систем впрыска, обладают стехиометрией, отличной от стехиометрии топлива, окислителя и SO₂, выходящих из вторых систем впрыска. Относительные количества реагентов при проведении реакции горения в пламени первых систем впрыска отличаются от относительных количеств реагентов при проведении реакции горения в пламени вторых систем впрыска. Таким образом, соответствующая реакция горения будет другой.

В одном из предпочтительных примеров воплощения состав по топливу, окислителю и SO₂, подаваемый через первую секцию, находится на более высоком стехиометрическом уровне, чем состав, подаваемый через вторую секцию. Это значит, что в первой секции поток окислителя по отношению к потоку топлива и SO₂ выше, чем во второй секции.

Термин «система впрыска» означает блок, включающий одно или большее количество выпускных отверстий для одного или большего количества реагентов. Система впрыска может представлять собой простую трубку для одного реагента или для смеси реагентов. Система впрыска может также представлять собой устройство из двух или большего количества пропускающих средств, например, трубок, находящихся близко друг к другу, но с соответствующими отдельными выпускными отверстиями, для подачи двух или большего количества реагентов по отдельности, с тем, чтобы осуществлять их реакцию после выхода из системы впрыска.

Было обнаружено, что реакция частичного восстановления SO₂ с участием топлива и окислителя на термической стадии, впоследствии приводящая к реакции Клауса, требует определенного состава по каждому реагенту. Однако эти относительные количества реагентов находятся за пределами режима воспламеняемости в целом. Это означает, что такая смесь SO₂, топлива и окислителя не будет воспламеняться или гореть, или, по меньшей мере, это приведет к нестабильному пламени.

Таким образом, данное изобретение должно предполагать разделение реагентов на две области с различным составом. Это позволяет регулировать одну область в пределах возможности воспламенения, так, чтобы получить стабильное пламя.

Вторая область горения, как таковая, находится за пределами диапазона воспламеняемости, но горение в ней будет обеспечиваться стабильным пламенем от реакции первой области горения. Таким образом, в целом реакция будет стабильной.

Смеси реагентов, таких как топливо, окислитель и инертный газ, будут гореть, только если концентрация реагентов лежит в пределах четко определенных нижней и верхней границ, которые называют пределами воспламеняемости. Эти пределы воспламеняемости определяют диапазон воспламеняемости или режим воспламеняемости. Этот режим воспламеняемости можно показать на диаграммах воспламеняемости, которые можно найти в стандартной технической литературе.

Режим воспламеняемости можно показать на диаграмме в прямоугольных координатах, изображающей только два вещества, подразумевая в неявном виде, что сумма всех трех компонентов составляет 100 процентов. Например, для горения метана, кислорода и SO₂ такая диаграмма может изображать концентрацию метана по оси X и концентрацию кислорода по оси Y. Таким образом, концентрацию SO₂ автоматически задают как концентрацию, дополняющую до 100 процентов.

В качестве примера, при температуре 192°С и давлении 0,1 МПа (1,0 бар) режим воспламеняемости для горения метана, кислорода и SO₂ в виде такой диаграммы можно задать в виде треугольника (треугольника воспламеняемости), который определен следующими парами значений:

(3,7% об. СН₄; 96,3% об. O₂)

(66,4% об. СН₄; 33,6% об. O₂)

(5,3% об. СН₄; 9,5% об. O₂),

при этом остальное составляет SO₂. Любой состав СН₄, O₂ и SO₂, который находится в пределах треугольника, определенного этими парами значений, будет давать стабильное горение.

При увеличении размера однопламенные горелки становятся хуже в отношении адекватного смешивания реагентов. Таким образом, в изобретении предложено использование многопламенной горелки с первыми и вторыми системами впрыска. Такая многопламенная горелка может обеспечить тщательное смешивание различных газовых потоков. Каждое отдельное пламя демонстрирует хорошие смешивающие свойства. Отдельные факелы пламени находятся так близко друг к другу, что при объединении нескольких соседних факелов пламени возникает обширная единая область пламени.

При применении для восстановления SO₂ поток углеводорода частично окисляют окислителем. Предпочтительно в штатном режиме эксплуатации в качестве окислителя используют обогащенный кислородом воздух или чистый кислород. Предпочтительно окислитель имеет содержание кислорода по меньшей мере 90 процентов по объему. При запуске и в режиме горячего резерва в качестве окислителя используют воздух.

В одном из примеров воплощения данного изобретения одна или большее количество из первых и/или вторых систем впрыска включают первый канал для окислителя и второй канал для топлива и/или SO₂. При использовании такой системы впрыска окислитель подают отдельно от топлива и/или SO₂. Система впрыска может включать один первый канал для окислителя и один второй канал. К этому второму каналу подводят топливо, SO₂ или смесь топлива и SO₂.

Как упомянуто выше, общие количества реагентов могут находиться за пределами режима воспламеняемости. Такая смесь реагентов не будет воспламеняться или гореть, или, по меньшей мере, она не будет приводить к стабильному пламени.

Таким образом, согласно другому примеру воплощения данного изобретения относительные количества SO₂, топлива и окислителя, протекающих через первые системы впрыска, находятся в пределах режима воспламеняемости, а относительные количества SO₂, топлива и окислителя, протекающих через вторые системы впрыска, находятся за пределами режима воспламеняемости. Тем самым получают поэтапное горение.

В одном из предпочтительных примеров воплощения первая и вторая секция не перекрываются. При этом состав реагентов будет создавать перед первыми системами впрыска значительно более горячую центральную зону пламени, в то время как состав реагентов перед вторыми системами впрыска будет создавать несколько более холодную зону вокруг нее. Это подходит для профиля пламени, необходимого внутри реакционной печи для избежания контакта пламени со стенкой реакционной печи и образования на ней мест перегрева.

Предпочтительно, первая секция и вторая секция расположены так, что вторые системы впрыска находятся дальше от центра форсуночной головки, чем любая из первых систем впрыска. Внутренний участок сечения форсуночной головки определяет первую секцию, а внешний участок сечения форсуночной головки определяет вторую секцию.

В одном из предпочтительных примеров воплощения внутренняя часть, и, следовательно, первая секция, представляет собой круглую область, центр которой совпадает с центром форсуночной головки. Если поперечное сечение форсуночной головки является круглым, внешняя часть или вторая секция представляет собой кольцеобразную область, окружающую первую секцию.

Данное изобретение является особенно полезным для частичного восстановления SO₂, если общие количества топлива, SO₂ и окислителя, подаваемые в горелку, находятся за пределами режима воспламеняемости.

Предпочтительно при штатном режиме эксплуатации способа по данному изобретению окислитель имеет содержание кислорода по меньшей мере 90% по объему. В другом примере воплощения в качестве окислителя используют чистый кислород с содержанием кислорода более 99% по объему. Термин «штатный режим эксплуатации» означает, что установлены такие технологические параметры, чтобы с помощью способа частичного восстановления по данному изобретению получать оптимальное или максимальное количество серы.

Форсуночная головка предпочтительно сконструирована как многопламенная форсуночная головка, имеющая от трех до десяти первых систем впрыска и/или от пяти до двадцати вторых систем впрыска. Такая многопламенная форсуночная головка обеспечивает тщательное смешивание реагентов с увеличивающимися подаваемыми потоками. Этого достигают путем добавления ряда соседних факелов пламени от соседних систем впрыска, что приводит к большой области пламени с подходящим профилем.

Системы впрыска предпочтительно располагают близко друг к другу, так что соответствующие факелы пламени расположены рядом друг с другом. Расстояние между двумя системами впрыска составляет, например, менее 100 мм, менее 80 мм, менее 60 мм или менее 40 мм.

Например, если системы впрыска сконструированы в виде устройств типа трубка-в-трубке с внутренней и внешней трубками, то расстояние между двумя системами впрыска может составлять от 50% до 150% от диаметра внутренней трубки или от 20% до 100% от диаметра внешней трубки.

В одной из предпочтительных конструкций одна или большее количество из первых и/или одна или большее количество из вторых систем впрыска включают внутреннюю трубку и коаксиальную с ней внешнюю трубку, и выпускное отверстие внутренней трубки определяет первый канал, а кольцеобразное выпускное отверстие между внутренней и внешней трубками определяет второй канал.

Первая и вторая секции могут быть разделены структурным элементом или только воображаемой линией. В первом случае горелка может, например, включать центральную трубку, и первая секция определена поперечным сечением этой центральной трубки.

В другом примере воплощения горелка включает дополнительную трубку, расположенную коаксиально с центральной трубкой, и вторая секция определена поперечным сечением кольцеобразного пространства между дополнительной трубкой и центральной трубкой. В пределах этого кольцеобразного пространства или области в форме кольца расположены вторые системы впрыска. В другом примере воплощения топливо и/или SO₂ пропускают через это кольцеобразное пространство между вторыми системами впрыска.

В соответствии с одним из примеров воплощения данного изобретения топливо включает по меньшей мере 80% об. СН₄. Предпочтительно в качестве топлива используют природный газ.

Способ по данному изобретению особенно пригоден, когда посредством частичного восстановления SO₂ производят по меньшей мере 100 тонн/день серы, по меньшей мере 200 тонн/день серы или даже свыше 1000 тонн/день серы.

Краткое описание чертежей

Для более полного понимания описаний примеров воплощения данного изобретения и, как уже обсуждали выше, имеется несколько возможностей воплотить, а также усовершенствовать концепцию данного изобретения предпочтительным образом. С этой целью можно сослаться на пункты формулы изобретения, зависимые от п. 1; дополнительные усовершенствования, отличительные особенности и преимущества данного изобретения объяснены ниже более подробно со ссылкой на последующее описание предпочтительного примера воплощения, осуществленное посредством неограничивающего примера, а также на прилагаемый чертеж, рассматриваемый совместно с описанием примера воплощения, в котором:

на фиг. 1 показана схема форсуночной головки для использования в данном изобретении.

Подробное описание чертежей; наилучший способ осуществления данного изобретения

Перед тем, как подробно разъяснить пример воплощения по данному изобретению, следует понять, что данный пример воплощения не ограничен в его применении деталями конструкции и расположением частей, проиллюстрированными на сопровождающем чертеже, так как возможны другие примеры воплощения данного изобретения и различные пути его практического воплощения или осуществления. К тому же следует понимать, что используемая в данном случае фразеология или терминология служит целям описания, а не ограничения.

В последующем описании такие термины, как горизонтальный, отвесный, вертикальный, выше, ниже, под и т.п. применяют исключительно с целью ясной иллюстрации данного изобретения, и их не следует воспринимать как ограничивающие термины. Чертежи приведены с целью иллюстрирования данного изобретения, и не предполагается, что они выполнены в масштабе.

Форсуночную головку 1, изображенную на Фиг. 1, применяют для частичного восстановления SO₂ путем сжигания SO₂ с природным газом в качестве топлива и кислородом. SO₂, природный газ и O₂ подают в горелку в виде отдельных потоков сырья (не показаны). Отдельные потоки сырья позволяют регулировать скорости соответствующих газов для оптимизации условий проведения реакции при различных расходах, или при переключении процесса со штатного режима эксплуатации на резервный или наоборот.

Форсуночная головка 1 включает первую секцию 4 круглой формы, расположенную коаксиально оси 3 горелки. Окружность 2 первой секции 4 разделяет площадь поперечного сечения форсуночной головки 1 на первую секцию 4 и вторую секцию 5. Первая секция 4 имеет форму круга, а вторая секция 5 имеет кольцеобразную форму.

В пределах первой секции 4 имеется шесть первых систем 7, 8 впрыска. Каждая первая система 7, 8 впрыска состоит из внутренней трубки 7а, 8а и внешней трубки 7b, 8b, коаксиальной с внутренней трубкой 7а, 8а. Одна из первых систем 7 впрыска расположена по центру форсуночной головки 1. Остальные пять первых систем 8 впрыска равномерно распределены по окружности, вокруг первой системы 7 впрыска.

В пределах второй секции 5 расположены двенадцать вторых систем 9 впрыска. Вторые системы 9 впрыска равномерно распределены по окружности, вокруг центра 3 форсуночной головки 1. Каждая из вторых систем 9 впрыска состоит из внутренней трубки 9а и внешней трубки 9b, коаксиальной с внутренней трубкой 9а.

Кислород направляют через внутренние трубки 7а, 8а, 9а первой и второй систем 7,8,9 впрыска. Однако расход кислорода, пропускаемого через внутренние трубки 7а, 8а, отличается от расхода кислорода через внутренние трубки 9а вторых систем 9 впрыска, как будет разъяснено ниже.

Смесь SO₂ и СН₄ пропускают через внешние трубки 7b, 8b, 9b первых и вторых систем 7, 8, 9 впрыска. Расход смеси SO₂-CH₄, пропускаемой через внешние трубки 7b, 8b, отличается от расхода смеси SO₂-CH₄ через внешние трубки 9b.

Кроме того, смесь реагентов можно также направлять через кольцеобразное пространство внутри оболочки 10 форсуночной головки 1. Топливная смесь протекает через промежуточное пространство между первыми и вторыми системами 7, 8, 9 впрыска.

Горелку 1 используют на термической стадии блока получения серы для частичного восстановления SO₂. В горелку подают SO₂, природный газ и технически чистый кислород. Общий состав реагентов находится за пределами области воспламеняемости. Таким образом, горение такого состава реагентов не будет стабильным.

Согласно данному изобретению (внутреннюю) первую секцию 4 и (внешнюю) вторую секцию 5 снабжают реагентами в различных составах. Стехиометрическое отношение SO₂, природного газа (СН₄) и О₂, подаваемых через первые системы 7, 8 впрыска, отличается от стехиометрического отношения SO₂, природного газа и кислорода, подаваемых через вторую секцию 5.

Смесь в секции 4 во внутреннем круге могла бы привести к стабильному горению и давать необходимую высокую температуру пламени. Эта протекающая в данный момент реакция также приведет к началу реакции в секции 5 внешнего круга. Температура в секции 5 будет значительно ниже, чем в центре пламени секции 4. Таким образом, это может обеспечить защиту стенки реакционной печи от очень горячего центрального пламени. Это означает, что температурный профиль пламени хорошо подходит для такого применения.

Уровни стехиометрии во внутреннем и вешнем круге можно регулировать в соответствии с конкретными требованиями для каждой конструкции. Этого можно достигнуть, используя различные количества форсунок и различные размеры форсунок, а также различные схемы расположения форсунок.

Перечень числовых обозначений

1 форсуночная головка

2 окружность первой секции 4

3 ось горелки, или центр форсуночной головки 1

4 первая секция форсуночной головки 1

5 вторая секция форсуночной головки 1

7, 8 первая система впрыска

7а, 8а первый канал, или внутренняя трубка первой системы 7, 8 впрыска

7b, 8b второй канал, или внешняя трубка первой системы 7, 8 впрыска

9 вторая система впрыска

9а первый канал, или внутренняя трубка второй системы 9 впрыска

9b второй канал, или внешняя трубка второй системы 9 впрыска

10 оболочка форсуночной головки 1.

Изобретение относится к области энергетики. Способ частичного восстановления SO₂, в котором поток SO₂, окислитель и газообразное топливо подают в горелку и проводят реакцию в пламени; в котором горелка включает по меньшей мере одно отверстие для подачи потока SO₂, по меньшей мере одно отверстие для подачи окислителя и по меньшей мере одно отверстие для подачи газообразного топлива; и в котором горелка включает форсуночную головку (1) с первыми системами (7, 8) впрыска и вторыми системами (9) впрыска. Первые системы (7, 8) впрыска расположены в первой секции (4) форсуночной головки (1), вторые системы (9) впрыска расположены во второй секции (5) форсуночной головки (1), и стехиометрическое отношение SO₂, топлива и окислителя, подаваемых через первые системы (7, 8) впрыска, отличается от стехиометрического отношения SO₂, топлива и окислителя, подаваемых через вторые системы (9) впрыска. Одна или большее количество из первых и/или вторых систем (7, 8, 9) впрыска включают: первый канал (7а, 8а, 9а) для окислителя и второй канал (7b, 8b, 9b) для топлива и/или SO₂. Изобретение позволяет частично восстановить SO₂ и получить стабильное пламя при проведении реакции SO₂ с топливом и окислителем. 14 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ частичного восстановления SO₂, в котором поток SO₂, окислитель и газообразное топливо подают в горелку и проводят реакцию в пламени; в котором горелка включает по меньшей мере одно отверстие для подачи потока SO₂, по меньшей мере одно отверстие для подачи окислителя и по меньшей мере одно отверстие для подачи газообразного топлива; и в котором горелка включает форсуночную головку (1) с первыми системами (7, 8) впрыска и вторыми системами (9) впрыска,

отличающийся тем, что

- первые системы (7, 8) впрыска расположены в первой секции (4) форсуночной головки (1),

- вторые системы (9) впрыска расположены во второй секции (5) форсуночной головки (1), и

- стехиометрическое отношение SO₂, топлива и окислителя, подаваемых через первые системы (7, 8) впрыска, отличается от стехиометрического отношения SO₂, топлива и окислителя, подаваемых через вторые системы (9) впрыска.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что одна или большее количество из первых и/или вторых систем (7, 8, 9) впрыска включают:

- первый канал (7а, 8а, 9а) для окислителя, и

- второй канал (7b, 8b, 9b) для топлива и/или SO₂.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что

- относительные количества SO₂, топлива и окислителя, протекающих через первые системы (7, 8) впрыска, находятся в пределах режима воспламеняемости, и

- относительные количества SO₂, топлива и окислителя, протекающих через вторые системы (9) впрыска, находятся вне пределов режима воспламеняемости.

4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что первая секция (4) и вторая секция (5) не перекрываются.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что вторые системы (9) впрыска в большей степени удалены от центра (3) форсуночной головки (1), чем любая из первых систем (7, 8) впрыска.

6. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что общие количества топлива, SO₂ и окислителя, подаваемых в горелку, находятся вне пределов режима воспламеняемости.

7. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что в штатном режиме эксплуатации окислитель имеет содержание кислорода по меньшей мере 90% об.

8. Способ по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что в резервном режиме в качестве окислителя используют воздух.

9. Способ по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что топливо включает по меньшей мере 80% об. СН₄.

10. Способ по любому из пп. 1-9, отличающийся тем, что форсуночная головка (1) включает:

- от трех до десяти первых систем (7, 8) впрыска, и/или

- от пяти до двадцати вторых систем (9) впрыска.

11. Способ по любому из пп. 1-10, отличающийся тем, что

- одна или большее количество из первых систем (7, 8) впрыска, и/или

- одна или большее количество из вторых систем (9) впрыска

включают внутреннюю трубку и коаксиальную с ней внешнюю трубку, и что выпускное отверстие внутренней трубки определяет первый канал (7а, 8а, 9а), а кольцеобразное выпускное отверстие между внутренней трубкой и внешней трубкой определяет второй канал (7b, 8b, 9b).

12. Способ по любому из пп. 1-11, отличающийся тем, что горелка включает центральную область, и что первая секция (4) определена поперечным сечением этой центральной области.

13. Способ по любому из пп. 1-12, отличающийся тем, что топливо и/или SO₂ пропускают через пространство между первыми системами (7, 8) впрыска и вторыми системами (9) впрыска.

14. Способ по любому из пп. 1-13, отличающийся тем, что посредством частичного восстановления SO₂ получают по меньшей мере 100 тонн/день серы, предпочтительно по меньшей мере 200 тонн/день серы, более предпочтительно по меньшей мере 1000 тонн/день серы.

15. Способ по любому из пп. 1-14, отличающийся тем, что отношение SO₂, топлива и окислителя, подаваемых через первые системы (7, 8) впрыска, находится на более высоком стехиометрическом уровне, чем отношение SO₂, топлива и окислителя, подаваемых через вторые системы (9) впрыска.