Brevet FR2524456A1 — publié le 19831007

PROCEDE ET APPAREILLAGE POUR LA COMBUSTION DE GAZ CONTENANT H S La présente invention concerne un procédé et un appareillage pour brûler des gaz contenant H 2 S à l'ai- de d'air et/ou d'oxygène avec formation de soufre élémen- taire et déposition du soufre formé à partir des gaz de réaction. Le traitement des gaz contenant de l'hydrogène sulfuré par le procédé Claus est réalisé dans des instal- lations qui peuvent opérer dans l'intervalle de 100 à % de la capacité de production Or, il est fréquemment nécessaire de faire fonctionner les installations à des régimes inférieurs à 20 % de la capacité de production. Le cas peut se produire par exemple dans des raffineries lorsque, occasionnellement, on traite des pétroles bruts très pauvres en soufre et/ou lorsque la capacité n'est exploitée qu'en partie. La présente invention vise à la mise au point d'un procédé et d'un appareillage pour convertir des gaz contenant H 2 S en soufre élémentaire dans l'intervalle des productions allant de 100 à 5 % de la capacité de produc- tion totale, en assurant des opérations sûres et sans in- cident même dans l'intervalle des faibles productions. En particulier, il faut assurer, dans l'intervalle des productions de 20 à 5 % de la capacité nominale, une com- bustion complète des gaz contenant H 2 S et une déposition sans brouillards du soufre formé. L'invention est basée sur un procédé pour la combustion de gaz contenant H 2 S à l'aide d'air et/ou d'oxygène avec formation de soufre élémentaire et dépo- sition du soufre formé à partir des gaz de réaction dans une zone de combustion équipée de brûleurs, suivie d'une zone de réaction et de plusieurs zones de refroidissement dans lesquelles, à partir des gaz de réaction, éventuel- lement après un réchauffage et une nouvelle conversion catalytique en soufre, on condense le soufre formé et on provoque sa déposition Le procédé se caractérise selon l'invention en ce que les gaz contenant H 2 S sont amenés dans la zone de combustion en régime de forte production essentiellement par un ou plusieurs brûleurs principaux et en régime de basse production par un brûleur de dériva- tion et en ce que, en régime de basse production, on brû- le du gaz de chauffage dans un brûleur séparé et on dimi- nue les surfaces de refroidissement des zones de refroi- dissement avec lesquelles les gaz de réaction entrent en contact Du fait que les gaz contenant H 2 S sont amenés en régime de basse production dans la chambre de combus- tion par un brûleur de dérivation séparé, prévu pour ce régime de production, et que la combustion d'un gaz de chauffage à ce régime de production maintient une tempé- rature de réaction suffisante pour la combustion d'H 2 S avec formation de soufre, on parvient, même à un régime de production de 20 à 5 %, à une conversion assurée de plus de 90 % d'H 2 S en soufre élémentaire En diminuant la surface de refroidissement avec laquelle les gaz de réaction entrent en contact en régime de basse-production, on évite la for- mation de brouillards de soufre dans les zones de refroi- dissement et on assure une condensation du soufre sans brouillards La diminution de la surface de refroidissement en régime de basse production a un autre avantage: s'il faut réchauffer à nouveau les gaz de réaction sortant des zones de refroidissement dans des brûleurs placés à la suite, on économise du gaz de chauffage si ces brûleurs sont alimentés au gaz de chauffage, ou bien on accroît le taux de récupération du soufre dans l'opération globa- le lorsque ces brûleurs fonctionnent avec du gaz conte- nant du soufre. Dans le mode de réalisation préféré du procédé selon l'invention, on passe du fonctionnement à haute pro- duction au fonctionnement à basse production à une produc- tion dans l'intervalle de 15 à 40 %, de préférence à une production d'environ 25 % En régime de forte production, le brûleur principal peut assurer par exemple de 95 à % de la production, cependant que le brûleur de dériva- tion prend en permanence 5 % de la production nominale. Si on atteint, en diminution, une production de 25 %, on peut changer de régime en coupant le brûleur principal et en laissant uniquement le brûleur de dérivation en fonc- tionnement, passant alors de 5 à 25 % de la production à la production de commutation. De préférence, on ouvre ou on coupe le brûleur à gaz de chauffage en fonction de la température qui règne dans la zone de réaction ou dans la zone de combustion. En opérant de cette manière, on maintient, même en régi- me de basse production, la température dans la zone de réaction à la valeur optimale nécessaire pour la formation du soufre,à laquelle la combustion d'H 2 S seul ne peut pas parvenir en régime de basse production Cette températu- re atteinte par combustion de gaz de chauffage dans la zone de réaction se situe en général, en régime de basse production, dans l'intervalle de 900 à 1 1500 C De préfé- rence, l'apport de gaz de chauffage au brûleur à gaz de chauffage est réglé par la température qui règne dans la zone de réaction En général, on met en route la combus- tion de gaz de chauffage lorsque la production est tombée à 40 % ou moins, de préférence à 25 GO ou moins. Dans le mode de réalisation préféré du procédé selon l'invention, on change la surface de refroidisse- ment avec laquelle les gaz de réaction entrent en contact à une production dans l'intervalle d'environ 40 'à 60 %. Lorsque la production tombe au-dessous d'une valeur située dans cet intervalle, on diminue les surfaces de refroidis- sement avec lesquelles les ga 7 de réaction entrent en contact On évite ainsi que la vitesse des gaz tombe trop fortement dans le réfrigérant et que le soufre élémentai- re condensé forme des brouillards difficiles à déposer dans les condenseurs usuels à soufre. Il est en outre prévu de préférence que l'ap- port d'air dans la zone de combustion soit réglé par un chromatographe en régime de forte production par la quan- tité d'air envoyée au brûleur principal ou aux brûleurs principaux et en régime de basse production par la quan- tité d'air envoyée au brûleur à gaz de chauffage Le fac- teur directeur pour le réglage de l'apport d'air est le rapport H 2 S/So 2 dans les gaz de réaction à la sortie de l'installation, c'est-à-dire-après la dernière condensa- tion de soufre, avant l'entrée des gaz finals dans une combustion complémentaire thermique ou catalytique Pour les réglages,-on peut prévoir sur les soupapes d'air principales des conduits d'air menant aux brûleurs prin- cipaux ou au brûleur à gaz de chauffage des conduits de dérivation avec soupapes de réglage qu'on ouvre plus ou moins en fonction des ordres de régulation provenant du chromatographe Pour assurer la combustion des gaz conte- nant H 2 S même dans une très faible production,-on règle de préférence l'air sur le conduit d'air menant au brû- leur à gaz de chauffage Il est recommandé de limiter l'apport d'air au brûleur de dérivation à un intervalle de production de 8 à 25 % Si les gaz de réaction sont réchauffés après la condensation du soufre à l'aide de brûleurs placés en série, on supprime l'apport d'air au brûleur de dérivation aux productions inférieures à 8 % mais si l'on travaille sans brûleurs placés à la suite, on opère avec apport d'air au brûleur de dérivation jus- qu'à des productions tombant à 5 % L'apport d'air au brûleur de dérivation est réglé à un rapport constant avec les gaz contenant H 2 S, le réglage étant effectué comme indiqué ci-dessus par l'apport d'air au brûleur à gaz de chauffage qui, de toute manière, est en fonctionnement en régime de basse production. L'appareillage pour la mise en oeuvre du procé- dé selon l'invention comprend un four de combustion avec chambre de combustion, chambre de réaction et brûleurs pour les gaz contenant H 2 S et le gaz de chauffage, un ré- frigérant des gaz de réaction et au moins un condenseur/ séparateur de soufre L'appareillage se caractérise con- formément à l'invention en ce que, dans la paroi de la chambre de combustion, on a prévu au moins un brûleur principal pour le régime de forte production et un brû- leur de dérivation et un brûleur à gaz de chauffage pour le régime de basse production, et en ce que les surfaces de refroidissement du condenseur/séparateur de soufre sont subdivisées, une partie de ces surfaces de refroidissement pouvant être condamnée Alors que dans les fours de Claus existant jusqu'à maintenant, on n'utilisait un brûleur à gaz de chauffage que pour le démarrage des opérations, ce brûleur sert dans l'appareillage selon l'invention à éviter un abaissement de la température de réaction en régime de basse production en raison du trop faible déga- gement de chaleur dû à la combustion d'H 2 S* Le brûleur à gaz de chauffage a donc une fonction permanente en ré- gime de basse production La condamnation d'une partie des surfaces de refroidissement assure que, en régime de basse production, on ne passera pas au-dessous d'une cer- taine vitesse des produits dans les tubes de refroidisse- ment, et qu'on évitera ainsi la formation de brouillards de soufre dans la phase gazeuse Si le condenseur/sépara- teur de soufre contient un faisceau tubulaire parcouru par un agent réfrigérant, on prévoira conformément à l'in- vention des tubulures d'alimentation en gaz séparées pour les tubes centraux et pour les tubes de la région annulai- re extérieure du faisceau tubulaire, avec, dans le conduit des gaz menant aux tubes centraux, un organe de fermeture. Cet organe de fermeture permet de fermer les tubes cen- traux pour le courant de gaz dans le fonctionnement à basse production La fermeture des tubes centraux (intérieurs) assure que ceux-ci (fermés) seront en contact avec un courant dlagent réfrigérant (eau) suffisamment tempéré pour que le soufre ne se solidifie pas dans ces tubes pour lesquels l'alimentation en gaz de réaction a été coupée. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront plus clairement de la description détaillée donnée ci-après en référence aux figures des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 représente schématiquement le four de combustion avec les brûleurs pour gaz sulfureux et gaz de chauffage la figure 2 est une représentation partielle agrandie du four de combustion avec les alimentations en gaz et les dispositifs de réglage correspondants; la figure 3 représente schématiquement la par- tie de l'appareillage selon l'invention placée à la suite du four de combustion; la figure 4 représente en échelle agrandie l'un des condenseurs à soufre utilisés dans l'appareillage se- lon l'invention. En référence tout d'abord à la figure 1, celle- ci représente le four de combustion 1 comprenant une cham- bre de combustion la et une chambre de réaction 1 b, suivies c du premier étage du réfrigérant des gaz 1 Entre les chambres 1 et 1 lb une paroi de retenue 1 cree un etran- glement Le gaz sulfureux amené par le conduit 2 peut être envoyé par le conduit 2 a au brûleur principal 3, dans le cas présent un brûleur à plusieurs tuyères Le gaz sulfu- reux peut en outre être envoyé par le conduit de dériva- tion 2 b à un brûleur de dérivation 4 En outre, la chambre de combustion 1 a contient un brûleur central à gaz de chauffage 5, alimenté par le conduit 6 en gaz de chauffage. En référence maintenant à la figure 2 des des- sins annexés, qui représente comme on l'a dit, en agran- dissement, une partie du four de combustion avec les con- duits d'alimentation en gaz et les dispositifs de réglage correspondants, les conduits de gaz sulfureux 2 aet 2 b et le conduit de gaz de chauffage 6 portent des a b soupapes de réglage 8, 8 et 9 respectivement, qui se- ront décrites plus en détail ci-après L'oxygène ou l'air est amené aux brûleurs 3, 4, 5 à partir du conduit 7 par les conduits de dérivation 7, 7 b et 7 c respectivement, a b portant également des soupapes de réglage 10, 10 et c respectivement Les brûleurs placés après la chambre de combustion sont alimentés en gaz sulfureux par le conduit 2 A l'examen de la figure 2, on peut constater a b a à ocsn que les soupapes 8, 8, 9 et 10 a 10 sont intégrées dans un système de réglage permettant une alimentation réglée du gaz sulfureux, du gaz de chauffage et de l'air aux brûleurs 3 à 5 La manoeuvre de la soupape de gaz de chauffage 9 est réglée par un dispositif sensible à la température Il placé dans la chambre de réaction 1 b du four; de même, par l'intermédiaire d'un régleur de pro- c c portions, la soupape d'air 10 du conduit d'air 7 Le réglage de l'air de combustion est réalisé par un chroma- tographe (non représenté) qui détermine le rapport H 2 S/SO 2 dans les gaz de réaction à la sortie, c'est-à- dire après la dernière condensation du soufre, avant en- trée des gaz vers une combustion complémentaire thermique ou catalytique Ce facteur directeur sert, dans la région de production de 25 à 100 %, à régler la quantité d'air de combustion amenée par le conduit 7 a à l'aide d'une sou- pape 12 placée sur un conduit de dérivation 13 menant à a la soupape 10 Aux productions inférieures à 25 %, le chromatographe règle, par l'intermédiaire dc la conduite de commande 14, l'apport d'air de combustion au brûleur à gaz de chauffage 5 par la soupape 15 placée sur un con- duit de dérivation 16 menant à la soupape d'air 10 En référence maintenant à la figure 3 des des- sins annexés qui représente schématiquement, comme on l'a déjà signalé, la partie de l'appareillage selon l'invention placée à la suite du four de combustion, les gaz de réac- tion sortant du four 1, passent d'abord dans un premier réfrigérant des gaz de réaction 1 c dans lequel ils sont refroidis à une température supérieure d'au moins 10 à 200 C au point de rosée du soufre dans les gaz, ce qui évite pratiquement toute condensation du soufre Le re- froidissement des gaz à cet endroit est réalisé à l'aide de vapeur à pression moyenne Les gaz de réaction sont ensuite refroidis à une température inférieure au point de rosée du soufre dans un réfrigérant/condenseur/sépa- rateur 20 Il y a alors déposition d'une partie importante du soufreformé La température des gaz de réaction re- froidis se situe par exemple dans l'intervalle de 180-à 220 'C Les gaz sont ensuite réchauffés à une température par exemple de 220 à 300 C dans une chambre de combus- tion 21 à l'aide de brûleurs en ligne A cet effet, le gaz sulfureux amené dans la chambre de combustion 21 par le conduit 22 est brûlé à l'aide de l'air amené par le conduit 23 Les gaz sont ensuite soumis à conversion com- plémentaire sur un catalyseur de Claus 24 puis débarras- sés du soufre formé dans le réfrigérant/condenseur 25. Les gaz refroidis à 140-180 WC sont à nouveau réchauffés, par exemple à une température de 180 à 250 'C, dans une autre chambre de combustion 26, ici encore par combustion du gaz sulfureux (conduit 27), à l'aide d'air les gaz sont envoyés à un troisièmeet éventuellement qua- trième,étage de catalyse de Claus et/ou dans une instal- lation de combustion finale. Le condenseur/séparateur 20, 25, 30 représen- té dans la figure 3 a étc représenté à plus grande échel- le dans la figure 4 des dessins annexés Il contient, en- tre des plateaux perforés, un faisceau tubulaire dont les tubes centraux 34 peuvent être alimentés en gaz par une b tubulure 38, alors que les tubes 35 de l'espace annulaire entourant les tubes centraux 34 peuvent être alimentés a en gaz par une tubulure 38 L'alimentation en gaz du con- denseur 30 est faite par le conduit 32 puis, pour les tu- bes centraux 34, par le conduit 32 b équipé d'un organe de fermeture 33, et pour les tubes 35 de l'espace annu- laire, par le conduit de dérivation 32 a En aval du fais- ceau tubulaire se trouve le séparateur sur lequel les gouttelettes de soufre formé se déposent Le soufre li- quide se rassemble dans le piège 39 d'o il est évacué par le conduit 37 Les gaz de réaction quittent ce sépa- rateur par le conduit 31 Cette construction permet de diminuer la surface de refroidissement en la limitant aux tubes 35 de l'espace annulaire par fermeture du conduit 32 b lorsque la production est tombée à une valeur déter- minée, par exemple à 50 %. On décrira maintenant le mode de fonctionnement de l'installation. le Fonctionnement avec une production dans l'in- tervalle de 100 à 25 % % des gaz contenant H S sont envoyés par réglage de débit au brûleur de dérivation 4 puis, sans air de combustion, dans la zone de combustion la Les 20 à 95 % restants sont envoyés, par réglage de pression, avec la quantité d'air nécessaire pour l'opération, dans le brûleur principal 3 o ils sont brûlés; la quantité de gaz sulfureux nécessaire pour les brûleurs en ligne 21, 26, peut être prélevée sur cette quantité Le brûleur à gaz de chauffage 5, qui ne fonctionne pas, est balayé par une partie de l'air de combustion ou par un gaz iner- te afin d'éviter une pénétration des vapeurs de soufre dans ce brûleur Si la température tombe au-dessous de la température de réaction, en général environ 1 000 C, dans la chambre de combustion a ou dans la chambre de réaction 1 l, le brûleur à gaz de chauffage 5 est allumé et le balayage est coupé Le chromatographe règle la quantité d'air envoyée au brûleur principal 3. Fonctionnement dans l'intervalle de produc- tion de 25 à 5 % Lorsqu'on atteint une production de 25 %, c'est-à-dire 20 % au brûleur principal 3 et 5 % au brû- leur de dérivation 4, on coupe le brûleur principal 3 et on le balaye par un gaz inerte La quantité de gaz sul- fureux est brûlée, avec réglage par pression, au brûleur de dérivation 4 avec la quantité d'air nécessaire pour l'opération Si le brûleur à gaz de chauffage 5 n'est pas en fonctionnement, il est allumé au plus tard à ce moment afin d'assurer un fonctionnement correct jusqu'à une pro- duction tombant à 5 % La quantité d'air nécessaire est réglée par le chromatographe, par l'intermédiaire de la soupape 15 de la dérivation 16 menant à la soupape à air C du conduit d'air 7 c menant au brûleur 5. 3 Production dans l'intervalle de 25 à 5 % avec fonctionnement des brûleurs placés à la suite, ali- mentés en gaz sulfureux La combustion du gaz sulfureux dans les brû- leurs placés à la suite 21, 26 et éventuellement d'autres brûleurs placés à la suite, est réalisée dans l'interval- le entre la quantité d'air théorique pour la combustion en SO 2 (A = 0,9 à 0,95) est la quantité d'air théorique pour la combustion en soufre, ceci afin d'éviter un excès d'oxygène Pour éviter le passage au-dessous du rapport minimum entre l'air et le gaz sulfureux au brûleur de dé- rivation 4 (maintien de la flamme), on détermine ce rap- port au préalable et on fait fonctionner le brûleur de dérivation 4 à ce rapport, au-dessous de la valeur théo- rique Le réglage fin de la quantité d'air opératoire est réalisé comme décrit ci-dessus sous 2 Lorsqu'on atteint une quantité minimum de gaz sulfureux, par exemple 10 à 15 % (en fonction de la concentration du gaz sulfureux et de la quantité de gaz sulfureux envovée aux brûleurs placés à la suite), on coupe l'alimentation en air au brû- leur de dérivation 4 Le réglage de l'air est effectué comme auparavant, par l'intermédiaire de l'air de combus- tion du gaz de chauffage Dans ces conditions, la conver- sion en soufre élémentaire a lieu principalement dans la zone de réaction 1 du four de combustion 1. Dans le procédé selon l'invention, les varia- tions de production peuvent être dues à des variations dans la production de gaz mais également à des variations de leur concentration en H S. REVENDICATIONS 1 Procédé pour la combustion de gaz contenant H 2 S à l'aide d'air et/ou d'oxygène avec formation de sou- fre élémentaire et déposition du soufre à partir des gaz de réaction, dans un intervalle de production de 100 à % de la capacité de production nominale, dans une zone de combustion équipée de brûleurs, une zone de réaction placée à la suite et plusieurs zones de refroidissement dans lesquelles à partir des gaz de réaction, éventuel lement après réchauffage préalable et conversion catalyti- que complémentaire en soufre, on condense le soufre formé puis on le dépose, caractérisé en ce que les gaz conte- nant H 2 S sont amenés dans la'zone de combustion essen- tiellement par un ou plusieurs brûleurs principaux en ré- gime de forte production et par un brûleur de dérivation en régime de basse production et en ce que, en outre, en régime de basse production, on brûle du gaz de chauffage dans un brûleur séparé et on diminue les surfaces de re- froidissement des zones de refroidissement avec lesquel- les les gaz de réaction entrent en contact. 2 Procédé selon la revendication 1, caractéri- sé en ce que l'on passe du fonctionnement à forte produc- tion au fonctionnement à basse production à une produc- tion dans l'intervalle de 15 à 40 %, de préférence de 25 % de la capacité de production nominale. 3 Procédé selon la revendication 1 ou 2, ca- ractérisé en ce que l'on coupe ou l'on met en route le brûleur à gaz de chauffage en fonction de la température régnant dans la zone de réaction ou dans la zone de com- bustion. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 3, caractérisé en ce que l'on brûle du gaz de chauffage à une production de 40 ' ' ou moins, de pré- férence de 25 % ou moins. 5 Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 4, caractérisé en ce que l'on fait varier la surface de refroidissement avec laquelle les gaz de réaction entrent en contact à une production dans l'in- tervalle de 40 à 60 %. 6 Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 5, caractérisé en ce que l'apport d'air à la zone de combustion est réglé par un chromatographe en ré- gime de forte production par l'intermédiaire de la quan- tité d'air envoyée au brûleur principal ou aux brûleurs principaux et en régime de basse production par l'inter- médiaire de la quantité d'air envoyée au brûleur à gaz de chauffage. 7 Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 6, caractérisé en ce qu'on limite l'apport d'air au brûleur de dérivation à une production dans l'in- tervalle de 8 à 25 %. 8 Appareillage pour la mise en oeuvre du pro- cédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant un four de combustion avec chambre de combus- tion, chambre de réaction et brûleurs pour gaz contenant H 2 S et gaz de chauffage, un réfrigérant des gaz de réac- tion et au moins un condenseur/séparateur de soufre, ca- ractérisé en ce que, dans la paroi de la chambre de com- bustion, on a prévu au moins un brûleur principal ( 3) pour le régime de forte production et un brûleur de dé- rivation ( 4) et un brûleur à gaz de chauffage ( 5) pour le régime de basse production, et en ce que les surfaces de refroidissement du condenseur/séparateur de soufre ( 20,25,30) sont subdivisées, une partie de ces surfaces pouvant être condamnées. 9 Appareillage selon la revendication 8, dans lequel le condenseurlséparateur de soufre comprend un faisceau tubulaire traversé par un agent réfrigérant, ca- ractérisé en ce que l'on a prévu des tubulures d'alimen- tation en gaz séparées ( 38 b, 38 a) pour les tubes centraux ( 34) et pour les tubes ( 35) de la région annulaire exté- rieure du faisceau tubulaire, et en ce que le conduit 1 1 b. de gaz ( 32 b) alimentant les tubes centraux ( 34) est équi- pé d'un organe de fermeture ( 33).