Способ получения серы из дымовых газов, содержащих диоксид серы

Способ получения серы из дымовых газов, содержащих диоксид серы

Реферат

Изобретение относится к области химии и может быть использовано в процессах получения серы из дымовых газов, содержащих диоксид серы, на предприятиях химической, нефтехимической, газоперерабатывающей и металлургической промышленности.

Как известно, на предприятиях цветной металлургии значительную долю в общих выбросах занимают сернистые газы. Это требует специальных мер по очистке дымовых газов, чтобы предотвратить загрязнение окружающей среды. В отдельных случаях целесообразно утилизировать дымовые газы с получением элементной серы. Разработано несколько технологических схем, общей задачей которых является эффективное извлечение серы из потоков дымовых газов на установках получения серы (Lisa Connock, Sulphur, 2006, 305, July-August, p.29-40).

Из результатов эксплуатации различных технологических агрегатов металлургического производства, например, конвертеров, печей и др. известно, что эти агрегаты работают в переменном режиме. Это приводит к существенным колебаниям концентрации сернистого ангидрида в дымовых газах и к изменению их расхода.

Периодические снижения загрузки по газу установок получения серы, вплоть до кратковременных, обычно не превышающих восьми часов, полных отключений подачи газа на эти установки, приводят к тому, что установки получения серы работают крайне неустойчиво. Следствием является резкое снижение эффективности установок, увеличение выбросов диоксида серы в атмосферу и повышение рисков аварийных ситуаций.

Известен способ получения элементной серы из дымовых газов, содержащих диоксид серы (заявка на патент Франции №2212290, МПК С01В 17/04).

Этот способ включает охлаждение дымового сернистого газа, выделение из него диоксида серы с возможностью его концентрирования до 100%, термическое восстановление с последующим охлаждением продуктов сгорания, выделение образованной серы и дальнейшую обработку газа в нескольких каталитических ступенях по способу Клауса. Технологический газ, выходящий из последней каталитической ступени, после конденсации и вывода за пределы установки образованной серы, направляют в печь дожига, где происходит окисление всех газообразных непрореагировавших серосодержащих компонентов до диоксида серы.

Однако получение серы в соответствии с этим способом возможно и эффективно только в том случае, если расход сернистых газов металлургического производства на установку получения серы находится в пределах, которые определены техническими возможностями установки.

Как правило, современные установки получения серы проектируются и эксплуатируются в диапазоне нагрузок от 30 до 100%, где под 100% нагрузкой понимается максимально возможная производительность. В случае снижения загрузки ниже минимального (порядка 30%) предела установки получения серы эксплуатируются неэффективно: требуемые отношения реагентов не выдерживаются, температурные поля, распределение газовых и жидкостных потоков по аппаратам искажаются и т.п.

Основным недостатком известного изобретения является невозможность эксплуатации установки получения серы в случае снижения производительности ниже минимального уровня.

Технической задачей, которую решает настоящее изобретение, является обеспечение нормальных эксплуатационных условий работы установки получения серы при неравномерной подаче сырья на переработку вплоть до работы в условиях кратковременного полного прекращения подачи сырья.

Решение технической задачи достигается тем, что в условиях снижения допустимой нагрузки на установку получения серы ниже минимального значения, и более точно, в условиях снижения количества диоксида серы, содержащегося в дымовых газах, поступающего со стадии концентрирования диоксида серы на установку получения серы, компенсируют недостаток поступающего с дымовым газом диоксида серы путем подачи на концентрирование дополнительного количества диоксида серы. Это дополнительное количество диоксида серы получают в результате частичного сжигания серы, извлеченной на установке получения серы, состоящей из термической и, по меньшей мере, одной каталитической ступеней, используя для этой цели печь сжигания, которую встраивают в технологическую схему и к которой подводят воздух, топливный газ и жидкую серу. Технологический газ, полученный при сжигании серы, прежде чем направить на стадию концентрирования, охлаждают, а тепло реакционных газов рекуперируют с получением водяного пара, который используют при подаче воздуха на сжигание серы.

Чтобы вычислить необходимое количество серы, которое надо направить на сжигание, измеряют расход дымового газа и концентрацию диоксида серы в нем, по этим данным рассчитывают расход серы, которая в виде диоксида серы поступает с дымовым газом на установку концентрирования диоксида серы. Расход серы, направляемой на сжигание, определяют из условия:

K×N_S-F_Sвx,

где K - нижний допустимый уровень производительности установки, в пересчете на S₁, доли;

N_S - номинальная производительность установки производства серы в пересчете на S₁, кг/ч;

F_Sвx - расход серы, которая с дымовым газом в виде диоксида серы поступает на установку концентрирования диоксида серы, кг/ч.

Таким образом установка производства серы всегда загружена сырьем на минимально необходимом уровне, вне зависимости от того, какое количество диоксида серы содержится в дымовом газе металлургического производства. Простая в реализации система управления позволяет легко компенсировать падение нагрузки на установку производства серы вплоть до полного прекращения подачи сырья. Это мероприятие значительно повышает надежность, безопасность производства, снижает экологический ущерб.

В случае если реальный расход серы выше минимально допустимого, то управляющее действие отсутствует, а для обеспечения состояния «горячего резерва» печи сжигания и связанного с ней холодильного оборудования в печи сжигают топливный газ, а продукты сгорания смешивают с дымовым газом, поступающим на стадию концентрирования. Тем самым обеспечивается непрерывная готовность системы к компенсации падения расхода сырья на установку получения серы.

Для обеспечения сжигания серы до диоксида серы, также как и для сжигания топливного газа в печи сжигания серы, необходим воздух. Воздух подают в печь сжигания при давлении, как правило, не более 2 кг/см² изб. Расчеты показывают, что энергия, которую необходимо затратить для компримирования и подачи воздуха в топку печи, составляют не более 20% от того количества, которое утилизируется при охлаждении продуктов сгорания и выработке пара. Эта энергия может быть рекуперирована (при помощи парового или электрического привода) на компримирование воздуха в печь сжигания серы. Таким образом, предлагаемый способ является не только энергонезависимым, но и поставляет энергию сторонним потребителям.

Для иллюстрации ниже приводится пример осуществления вышеуказанного способа, не ограничивающий объем изобретения.

Пример.

На установку газоочистки поступает газ с содержанием SO₂ от 0,1 до 30 мол.% и со значительными колебаниями расхода. Максимальная (номинальная) загрузка установки газоочистки по дымовым газам составляет 110 тыс. нм³/ч при концентрации SO₂ в нем 30 мол.%, что в пересчете на концентрированный SO₂ составляет 33 тыс. нм³/ч или N_S=47,1 т/ч в пересчете на серу.

Газ проходит установку концентрирования SO₂, далее концентрированный диоксид серы поступает на установку получения серы, являющейся конечным продуктом процесса.

Печь сжигания, в которой сжигают серу при недостатке диоксида серы, состоит из топки с горелочным устройством, к которому подведены воздух, топливный газ и жидкая сера. Объем топки выбирают таким, чтобы время пребывания газа в топочном пространстве при максимальной нагрузке составляло 1,5÷2,5 с. Серу на сжигание подают дозировочным насосом, который получает управляющий сигнал в зависимости от содержания серы в дымовом газе. Воздух на сжигание подают, исходя из отношения 3,3 нм³ на 1 кг серы. Охлаждение газа, полученного при сгорании серы, до 120-150°С проводится в одну-две ступени. Далее газ дополнительно охлаждают водой до температуры ~40°С. Охлажденные продукты сгорания серы смешивают с дымовым газом и подают на вход установки концентрирования.

Замеры состава и расхода дымового газа, выполненные в течение длительного промежутка времени на металлургическом предприятии, показывают, что отношение максимальной нагрузки к минимальной (в пересчете на серу) составляет порядка сотен и более. Очевидно, нормальная эксплуатация технологической установки в таких условиях невозможна.

Как правило, технологические установки в штатном режиме эксплуатируются при отношении максимальной нагрузки к минимальной как 3:1, другими словами, при изменении нагрузки от 30 до 100% от номинальной. Это обусловлено особенностями работы контрольно-измерительных приборов, запорно-регулирующей арматуры и применяемых аппаратов.

Рассмотрим два режима эксплуатации установки.

В первом случае расход дымового газа V=90 тыс. нм³/ч и концентрация в нем диоксида серы C_SO2=28 мол.%. Это соответствует расходу диоксида серы на установку V_SO2=V×C_SO2/100=25,8 тыс. нм³/ч или F_Sвх=36 т/ч в пересчете на серу. Во втором случае расход дымового газа изменился до V=48 тыс. нм³/ч и концентрации SO₂ в нем C_SO2=0,9 мол.%. Это соответствует расходу SO₂ на установку V_SO2=V×C_SO2/100=0,43 тыс. нм³/ч или F_Sвx=0,6 т/ч в пересчете на серу.

Минимально допустимая нагрузка на установку (30% от номинальной) составляет в нашем случае K×N_S=0,3×47,1=14,1 т/ч в пересчете на серу.

В первом случае нагрузка системы газоочистки по сере находится в приемлемом диапазоне: рабочий расход больше минимального и меньше максимального, а именно 14,1<36<47,1. Компенсации пониженной производительности не требуется, т.е. расход серы, подаваемой на сжигание, равен 0.

В этом случае в печи сжигания серы сжигают небольшое количество топливного газа (менее 100 нм³/ч) с соответствующим количеством воздуха (из расчета 10:1 и более). Причем воздух на сжигание подают с таким расчетом, чтобы температура точки росы продуктов сгорания была ниже температуры охлаждения газа. Продукты сжигания после ступенчатого охлаждения направляются в коллектор дымового газа, на вход установки концентрирования SO₂. Печь сжигания серы и сопутствующее теплообменное оборудование при этом находятся в состоянии «горячего резерва», то есть в случае уменьшения нагрузки по сере на установки концентрирования SO₂ и получения серы ниже критического уровня, они в кратчайший срок могут быть переведены на сжигание серы.

Во втором случае на переработку поступает F_Sвх=0,6 т/ч серы, что составляет 1,3% от максимальной производительности. Очевидно, что установка на такой производительности неработоспособна.

В этом случае в печь сжигания серы в соответствии с заявляемьм способом подается на сжигание K×N_S-F_Sвх=0,3×47,1-0,6=13,5 т/ч серы. В соответствии со стехиометрией сжигания серы на каждый килограмм сожженной серы требуется подать ≈3,3 нм³ воздуха, таким образом, для сжигания всей серы потребуется 45 тыс. нм³/ч воздуха. После охлаждения продуктов сгорания и подачи их в коллектор дымового газа на входе в установку концентрирования SO₂ нагрузка на систему газоочистки в пересчете на серу останется на минимально допустимом уровне 14,1 т/ч или 30% от номинальной нагрузки.

Таким образом, способ позволяет эксплуатировать установку получения серы ее в нормальном режиме в диапазоне изменения нагрузки по диоксиду серы от 0 до 100%, стабилизировать ее работу и повысить надежность установки.

1. Способ получения серы из дымовых газов, содержащих диоксид серы, включающий стадию концентрирования диоксида серы и последующее получение серы на установке, состоящей из термической и, по меньшей мере, одной каталитической ступеней, отличающийся тем, что при снижении допустимой нагрузки на установку получения серы ниже минимально допустимого уровня компенсируют недостаток поступающего с дымовым газом диоксида серы путем подачи на концентрирование дополнительного количества диоксида серы, полученного в результате частичного сжигания серы, извлеченной на установке в печи сжигания, при этом измеряют расход дымового газа и концентрацию диоксида серы в нем, по этим данным рассчитывают расход серы, которая в виде диоксида серы поступает с дымовым газом на стадию концентрирования диоксида серы, а расход серы, направляемой на сжигание, определяют из условия:K·N_S-F_Sвх,где K - нижний допустимый уровень производительности установки в пересчете на S₁ доли;N_S - номинальная производительность установки производства серы в пересчете на S₁, кг/ч;F_Sвх - расход серы, которая с дымовым газом в виде диоксида серы поступает на установку концентрирования диоксида серы, кг/ч.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что технологический газ, полученный при сжигании серы, прежде чем направить на стадию концентрирования охлаждают, а тепло реакционных газов рекуперируют с получением водяного пара, который используют при подаче воздуха на сжигание серы.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в условиях нормальной загрузки установки получения серы для обеспечения состояния готовности к работе печи сжигания в ней сжигают топливный газ, а продукты сгорания смешивают с дымовым газом, поступающим на стадию концентрирования.