Brevet FR2533905A1 — publié le 19840406

Dispositif à un seul étage pour produire 503 gazeux à partir de soufre fondu, convenant pour des instal- lations de sulfonation et particulierement pour des installations d'additivation utilisant SO) pour-préci- piter des cendres de fumée de fours ordinaires La présente invention concerne un dispositif à un seul étage destiné à produire de l'anhydride sulfu- rique gazeux à partir de soufre fondu, convenant parti- culièrement pour des installations de précipitation de cendres, du type comportant deux chambres, J 'une à l'in- térieur de l'autre et de préférence concentriques, dont la première qui se trouve à l'intérieur de l'autre com- porte à sa surface inférieure un dispositif d'arrivée d'air et débouche dans la partie supérieure de la secon- de chambre; dans lequel un dispositif d'arrivé 6 de soufre fondu est prévu au-dessus de la première chambre, c'est- à-dire la chambre intérieure; dans lequel dans la secon- de chambre qui est extérieure et de préférence annulaire, le mélange gazeux circule vers le bas depuis la première chambre, éventuellement par un échangeur conditionneur thermique; la seconde chambre, extérieure, étant garnie ou remplie avec une matière catalytique, et enfin, un dispositif étant prévu dans la seconde chambre pour ex- traire le mélange gazeux circulant vers le haut par la chambre extérieure. Il est bien connu que lorsque du charbon avec une teneur en soufre inférieure à 1 % brule dans un four ordi- naire, la quantité de SO 3 qui est naturellement produit n'est souvent pas suffisante pour produire la résistivité -25 des cendres dans une mesure qui permet à un précipitateur électrostatique de fonctionner. Cette résistivité est de l'ordre de 5/10 10 Ohms/cm Dans ce cas, la résistivité des cendres peut être augmentée à un degré acceptable en ajoutant un ad- ditif approprié, comme SQ 3 capable de secombiner avec la vapeur pour produire H 2 SO 4. 2 2533905 Il faut noter que la quantité nécessaire de 503 est relativement réduite, de l'ordre de 15 ppm par rap- port au poids total des fumées concernées. De nombreux problèmes sérieux se présentent tou- jours lorsque 503 est utilisé car il s'agit d'une sub- stande très difficile à manipuler Par conséquent, lors- qu'une grande quantité de 503 doit être utilisée, il est généralement préférable de le produire localement par la combustion de soufre fondu dans l'air et de convertir ensuite par voie catalytique le 502 produit en SO 3 Dans ce cas, pour obtenir un rapport élevé de conversion d'anhydride sulfureux en anhydride sulfurique, la conver- sion doit ge faire en un certain nombre d'étages Par conséquent, les installations connues destinées à produire de ltanhydride sulfurique par la combustion du soufre fon- du s'avèrent inutilisables sans modification pour pro- duire une petite quantité d'anhydride sulfurique gazeux comme cela est nécessaire dans les installations de combus- tion du type mentionné ci-dessus, particulièrement quand le charbon est utilisé comme combustible. L'objet de l'invention est donc de proposer un dispositif à un seul étage avec un pourcentage constant et élevé de conversion de SO 2 en 503, pour produire de l'anhvdride sulfurique gazeux afin d'augmenter la résis- tivité des cendres produites dans une installation de combustion par exemple une centrale électrique thermique ou similaire. Le dispositif-selon l'invention comporte essen- tiellement deux chambres concentriques par la première desquelles, à savoir la chambre intérieure, circule vers le haut un courant d'air, de préférence chaud, venant progressivement en contact avec le soufre fondu qui cir- cule vers le bas en produisant ainsi de l'anhvdride sul- fureux. un ensemble de chambre supérieur permet au cou- rant de mélange gazeux d'une concentration de 502 en vo- lume de 1 i 6 i à 12/eî de circuler vers le bas directement vers la chambre annulaire extérieure, éventuellement par un écnangeur thermique à tubes ou tout autre type d'échangeur thermique situé dans la partie supérieure de l'unité et capable de réduire la température des gaz de combustion en fonction de la teneur en SO 3 au degré le plus approprié pour la conversion Ce courant circule vers le bas par la chambre annulaire extérieure Cette chambre annulaire extérieure contient un catalyseur ap- proprié par exemple de l'oxyde de vanadium qui permet la conversion de l'anhydride sulfureux en anhydride sul- furique. Comme cela est bien connu, la meilleure tempe- rature pour la conversion d'anydride sulfureux en anhy- dride sulfurique se situe aux environ de 4200 C/4500 C; mais un échauffement progressif du courant de mélange gazeux contenant 502 pendant l'oxydation de 502 en SO 3 doit absolument être évité. Cela entraîne un mauvais rendement de conrer- sion. Selon l'invention, cet inconvénient peut être évité en plaçant, à l'intérieur de la chambre annulaire extérieure dans laquelle se fait la conversion de SO 2 en 503, un dispositif de refroidissement approprié capa- ble de maintenir la température du mélange gazeux au ni- veau avantageux de 420 C/450 C. Cette température de réaction avantageuse' peut aussi être maintenue constante par la couche de catalyseur en introduisant de l'air de dilution à une température appropriée à partir d'un certain nombre de niveaux diffé- rents de la couche elle-même, comme l'indiquent les flè- ches 32 D'autres caractéristiques et avantages de loin- vention apparaîtront au cours de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La Figure 1 est une coupe verticale d'une in- stallauion selon l'invention, la Figure 2 est une coupe partielle à plus grande échelle de la cnambre annulaire extérieure dans laquelle se fait la conversion d'anhydride sulfureux en enhride sulfurique et dans laquelle le dispositif de refroidissement est représenté schématiquement, la Figure 3 A est une coupe suivant le planin- diqué par IIT-III sur la Fig 2, dans un premier mode de réalisation, la Figure 3 P est une autre coupe suivant le Plan III-III de la Fig 2 d'un second mode de réalisa- tion d'un dispositif de refroidissement de la chambreo annulaire extérieure de conversion. Sur les figures, la référence l O désigne len- veloppe extérieure du dispositif, de forme essentielle- ment cylindrique et fermée àla partie supérieure et au -fond par des plaques d'extrémité 11 et 12. A l'intérieur de l'enveloppe 10, de préférence en en son milieu, se trouve un élément cylindrique 20, ouvert ouvert en haut et relié au fond avec une source d'air, de préférence d'air sec et de préférence d'air chaud, prove- nant d'une conduite 21 sur la plaque d'extrémité ll de l' enveloppe 10. Les parois de l'enveloppe extérieure O l et du cvlindre intérieur 11 définissent deux chambres de réac- tion dont une 22 est essentiellement cylindrique et in é- rieure et dont la seconde 23 est essentiellement annulaire et extérieure Ces chambres de réaction sont respective- ment la chambre de combustion de soufre fondu dans la- quelle l'anhydride sultureux est produit et la chambre de réaction dans laquelle se fait la conversion d'anhy- dride sulfureux en anhydride sulfurique. q* JLe mélange gazeux contenant de l'anhydride sulfurique est extrait du réacteur par une conduite 24 appro Driéeplacée orès du fond de l'enveloppe O l. Une conduite descendante 25 t averse la plaque d'extrémité supérieure 12 et débouche au-dessus de l'élé- ment cylindrique 20 à l'intérieur duquel elle délivre du soufre fondu, déjà proportionné. 2533905 Le soufre fondu se rassemble sur la surface d'un certain nombre de sphères de matière réfractaire, remplissant la cnambre de réaction 22 et distribuant ainsi le soufre fondu provenant de la conduite 25 sous forme d'une pellicule ce qui augmente le rapport sur- face/volume du soufre, sans utiliser un dispositif de pulvérisation qui serait incommode pour une quantité de matière relativement réduite. La matière réfractaire des sphères est de pré- férence une matière réfractaire avec une teneur élevée en alumine; cette matière est supportée par une grille 26 et remplit l'élément cylinarique 20 jusqu'au niveau indiqué qualitativement par les hachures sur la Fig 1. Une seconde grille 27 est placée à peu près au même niveau quela grille 26 et elle supporte le cata- lyseur qui permet la conversion de SO 2 en SC 3 Dans ce cas également, les hachures sur la Figture à l'intériéeur de la chambre annulaire de réaction 23 indiquent la ré- gion remplie par le catalyseur. Ce catalyseur peut avantageusement consister en une matière granulée ou de toute façon en une matière ayant une grande surface de contact -par exemple une ma- tière réfractaire dont les surfaces sont revêtues par le catalyseur lui-même, par exemple de l'oxyde de vana- dium Près de la conduite 25 qui amène le soufre fondu se trouve un bruleur 28, de préférence un bruleur à gaz qui démarre la réaction de combustion du soufre fondu Il peut donc n'être utilisé qu'au début du fonc- tionnement du dispositif. Ce dispositif fonctionne de la manière sui- vante. De préférence, de l'air sec est amené par ln conouite 21 ' et circule vers le haut dans la chambre in- térieure 22 le long de intervalles entre les sphères de matière réfractaire qui remplissent la chambre Une 6 2533905 couche continue de soufre fondu est amenée par la con- dulte 25 sur les sphères. Lorsqu'elle est démarrée par le brulear à gaz 28, la reaction de combustion se poursuit d'elle-même. L'allunaee initial du soufre peut également être provoqué par la haute température de l'air, de Yf préférence prechauffé, introduit par la conduite 21. Par conséquent, la cnamore centrale ou intérieure 22 délivre un mélange gazeux avec une teneur en volume de 502 qui varie de 15:, à 12,; ce pourcentage est déterminé par le rapport entre la quantité d'air provenant de la conduite 21 et la quantité de soufre fondu provenant de la conduite 25. La température de lhir fourni par la conduite 21 doit être telle qu'elle permet,par rapport à la chaleur produite par la combustion du soufre fondu, que la température du mélange gazeux provenant de la cnambre centrale 22 soit presque égale ou légèrement inférieure à la température qui convient le mieux pour la conver- sion de 502 en SO 3 Comme cela a été indiqué ci-dessus, cette température est de l'ordre de 42000/450 oo C. En variante, et bien que cela imposerait de plus grandes dépenses concernant la réalisation de l'in- stallation, la cnambre de conversion pourrait être divi- sée en plusieurs sections séparées par des chambres de refroidissement. La premiere solution indiquée, consistant à contrôler la tempéature dans la chambre intérieure 22 peut être appliquée par exemple selon l'un des deux mo- des de réalisation illustréspar les Fig 2, 3 A et 3 B. En se référant particulièrement à ces figures, la cham- bre annulaire 123 est divisée en deux groupes de con- duites verticales, remplissant à la fois la fonction de permettre la circulation du mélange gazeux provenant de la chambre supérieure 30 pendant la conversion et de permettre la circulation d'un fluide de refroidissement introduit et sorti par des conduites 41 et 42. -7 2533905 Par conséquent, la, chambre annulaire 123 doit être définie sur sa surface supérieure et sur son fond par deux plaques d'extrémité sur lesquelles sont pré- vues des conduites verticales 43, ces conduites étant remplies avec le catalyseur, et dans lesquelles cir- cule-le mélange gazeux Les conduites 43 délimitent des espaces 44 dans lesquels se trouve un fluide de re- froidissement. Selon la solution illustrée par la Figure 3 B, le mélange gazeux circule par leq conduites annulaires 143 tandis que le flux de refroidissement passe par des conduites annulaires 144 correspondantes placéesentre les conduites annulaires précitées; dans la solution de la Fig 3 A, les conduites verticales par lesquelles -circule le mélange gazeux consistent en de tubes verti- caux 243 autour desquels circule en 244 le fluide de re- froidissement. L'un des avantages de l'invention réside dans- une paroi commune entre la première chambre, c'est-à- dire la chambre cehtrale et la seconde chambre annulaire. Dans la première chambre, c'est-à-dire la chambre cen- trale, se fait la combustion du soufre circulant vers le bas à contrecourant du gaz comburant; de l'anhydride sulfureux est donc produit dans la cnambre centrale. Dans la chambre annulaire extérieure, se fait la conver sion catalytique de SO 2 en SO 3 La paroi commune entre les deux chambres augmente le rendement de l'installation pour les raisons ci-aprèso Il est bien connu qu'une aug- mentation de la température est désavantageuse thermo- dynamiquement pour l'équilibre de la réaction exothermi- que d'oxydation de l'anhydride sulfureux en anhydride sulfurique I 1 est également bien connu que la vitesse de réaction (ou l'activité catalytique) est consitérable- ment augmentée par une augmentation de la temperature. Il est donc nécessaire d'équilibrer ces tendances oppo- sées en choisissant la température d'entrée dans un lit -8 2533905 catalvtique adiabatique, (il fonctionne généralement à 42 o 00 C 4500 C) Dans le présent réacteur, la tempéra- ture T 4 des gaz sortants du lit catalvtique ne dépend que du rapport entre la quantité de soufre et la quanti- té d'air et de la température d'entrée d'air T 1 avec la température d'entrée de soulre T 2 La température d'en- trée dans le lit catalytique T 3 dépend également de l'échange thermique entre le lit catalytique et la zone de combustion, c'est-à-dire entre la chambre centrale et la chambre annulaire extérieure. La température est plus élevée dans la région o le catalyseur se trouve (chambre annulaire extérieure) et par conséquent, de la chaleur est transférée de cette région à la région de combustion (chambre centrale). Par conséquent, la température de sortie du lit catalytique (c'est-à-dire de la chambre annulaire extérieure étant la même, une plus haute température d'entrée est obtenue dans la cnambre annulaire extérieure. Par conséquent, selon ce qui a été indiqué ci- dessus, une plus grande vitesse de réaction au début de la touche catalvtique remplissant la chambre extérieure annulaire est obtenue. En conclusion, on peut dire que la régulation de la température de sortie du lit catalytique est avan- tageuse pour le système d'oxydation. Ainsi, dans le présent réacteur, la réaction d'oxvdation de soufre en 502 se fait dans la région cen- trale, avec circulation vers le haut L'oxydation cata- lvtique de SO 2 en 503 se fait dans la région annulaire extérieure dans laquelle se trouve le catalyseur avec le gaz circulant vers le bas. Dans la région centrale, le gaz circule dans le sens opnosé au gaz qui circule dans la région anna- laire, la première région recevant de la chaleur de la seconde ce qui a un effet positif sur l'activité catalyti- -que. 9 2533905 Bien entendu, de nombreuses modifications peuvent être apportées au mode de réalisation décrit et illustré à titre d'exemple nullement limitatif sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATION? 1 Dispositif à un seul étage pour produire de l'anhydride sulfurique gazeux à partir de soufre fon- du, convenant particulièrement pour des installations de précipitation de cendres, caractérisé en ce qu'il com- porte deux ciamores ( 22, 23; 123) l'une à l'intérieur de l'autre et de préférence concentriques; la première d'entrt elles ( 22), c'est-à-dire la chambre intérieure comportant à sa surface inférieure un dispositif d'arrivée d'air ( 1) et débouchant dans la partie supérieure de la seconde chambre ( 23; 123), un dispositif d'arrivée de sousre fondu ( 25) étant prévu au-dessus de la première chambre inférieure, un courant de mélange de gaz provenant de la première chambre circulant vers le bas dans la seconde chambre extérieure, et de préférence annulaire, en prove- nance de la première chambre éventuellement par l'inter- médiaire d'un échangeur conditionneur thermique ( 43, 44; 143; 144), ladite seconde chambre extérieure étant garnie ou remplie de façon appropriée par une matière catalyvtique, et un dispositif étant prévu dans la partie inférieure de la seconae chambre pour extraire le mélange gazeux qui circule vers le bas par la chambre extérieure. 2 Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé en ce que la première chambre ( 22) dans laquelle a lieu une réaction de combustion du soufre fondu, pimdui- sant ainsi de l'anhydride sulfureux, est remplie d'une ma- tière granuleuse ou en forme de sphères pouvant être re- vêtue par une pellicule continue de soufre fondu prove- nant du côté supérieur afin d'augmenter la surface de con- tact entre le soufre fondu et le courant ascendant de co burant, ladite matière de remplissage consistant de préfé- rence en des sphères de matière réfractaire, même avec des diamètres différents. 3 Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la chambre annulaàireextérieure ( 23) 123) est remplie, pratiquement jusqu'au niveau supérieur -1 12533905 de l'enveloppe de chambre intérieure, avec une matière agissant comme un catalyseur, ledit catalyvseur recou- vrant de préférence une matière granulée ou de toute façon une matière avec une large surface de contact, à savoir une matière inerte et de préférence réfractaire. 4 Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3,9 caractérisé en ce que ladite chambre ex- térieure ( 123) est fermée à sa surface supérieure et à sa surface inférieure par deux plaques d'extrémité supportant des tubes, lesdits tubes ( 43, 243) étant remplis avec le catalyseur 9 et le mélange gazeux provenant de ladite pre- miere onambre circulant dans lesdits tubes tandis que l'espace ( 44, 244) autour desdits tubes contient un fluide de refroidissement. 5 Dispositif selon 11 une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisé en ce que la seconde chambre extérieure forme au moins un espace intermédiaire annua- laire ( 144) qui contient un fluide de refroidissement.