(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応炉と、
エジェクタに作動流体を供給するための作動流体ストリームと、
上記エジェクタに清浄な酸性ガスを供給するための酸性ガスストリームと、
上記反応炉と接続されている燃焼ガス供給ストリームであって、上記反応炉に燃焼ガスを供給するための燃焼ガス供給ストリームと
を有する硫黄回収システムであって、
上記エジェクタは、上記反応炉と接続されており、上記反応炉に上記作動流体と上記酸性ガスとを含む混合物を供給するためのものであり、
上記燃焼ガスは酸素を含む、硫黄回収システム。
【請求項２】
前記混合物に存在する液体を分離し、分離されたガスを反応炉に供給するための気液分離装置をさらに含み、
前記酸性ガスストリームが循環ストリームではない酸性ガスストリームである、
請求項１に記載の硫黄回収システム。
【請求項３】
上記酸性ガスはアミン酸性ガスを含む、請求項１又は２に記載の硫黄回収システム。
【請求項４】
上記酸性ガスは、硫化水素を５〜１００モル％含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の硫黄回収システム。
【請求項５】
上記反応炉と接続されている酸素ストリームであって、上記反応炉に酸素を供給するための酸素ストリームを更に有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の硫黄回収システム。
【請求項６】
上記作動流体は蒸気を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の硫黄回収システム。
【請求項７】
上記作動流体は、加圧水、水蒸気、硫化水素、二酸化硫黄、二酸化炭素又はこれらの混合物を含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の硫黄回収システム。
【請求項８】
上記反応炉と接続されている硫黄回収ブロックであって、上記反応炉からの流出ストリームを受けるための硫黄回収ブロックと、
上記硫黄回収ブロックより下流に位置している圧力制御弁であって、上記硫黄回収ブロックの作動圧を制御するための圧力制御弁と
を更に有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の硫黄回収システム。
【請求項９】
上記反応炉と接続されている硫黄回収ブロックであって、上記反応炉からの流出ストリームを受けるための硫黄回収ブロックと、
上記反応炉と接続されているテールガス処理ユニットであって、上記硫黄回収ブロックからのテールガスストリームを受けるためのテールガス処理ユニットと、
上記テールガス処理ユニットより下流に位置している圧力制御弁であって、上記テールガス処理ユニット及び上記硫黄回収ブロックの少なくとも一方の作動圧を制御するための圧力制御弁と
を更に有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の硫黄回収システム。
【請求項１０】
硫黄回収システムにおいて酸性ガスストリームを処理する方法であって、
エジェクタに作動流体を供給する工程と、
上記エジェクタに清浄な酸性ガスストリームを供給して、上記作動流体と上記酸性ガスストリームとを含む混合物を得る工程と、
反応炉に上記混合物を供給する工程と、
上記反応炉に酸素を含む燃焼ガスを供給する工程と、
上記反応炉の燃焼ガスと上記混合物とを反応させる工程と
を有する方法。
【請求項１１】
反応炉に上記混合物を供給する工程において、前記混合物に存在する液体を分離するために前記混合物を気液分離装置に供給し、分離されたガスを反応炉に供給する、
請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
上記作動流体は第一の圧力で供給され、上記酸性ガスストリームは第二の圧力で供給され、上記第一の圧力は上記第二の圧力より大きい、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
上記作動流体は蒸気を含む、請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
上記作動流体は、加圧水、水蒸気、硫化水素、二酸化硫黄、二酸化炭素又はこれらの混合物を含む、請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
上記酸性ガスストリームはアミン酸性ガスを含む、請求項１０〜１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
上記酸性ガスストリームは、硫化水素を５〜１００モル％含む、請求項１０〜１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
上記反応炉に空気、第二の酸性ガスストリーム、燃料ガス又はこれらの組み合わせを供給する工程を更に有する、請求項１０〜１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
上記混合物と、上記燃焼ガスと、空気、上記第二の酸性ガスストリーム及び燃料ガスのうち少なくとも１つとが、上記反応炉のバーナーに供給される、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
上記燃焼ガスは空気である、請求項１に記載の硫黄回収システム。
【請求項２０】
上記燃焼ガスは空気と追加の酸素とを含む、請求項１に記載の硫黄回収システム。
【請求項２１】
上記燃焼ガスは空気である、請求項１０に記載の方法。
【請求項２２】
上記燃焼ガスは空気と追加の酸素とを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項２３】
さらに、
反応炉温度を許容範囲に保持するための補充蒸気ストリーム、および
反応炉のバーナーへ注入される加圧水ストリーム
を含む、
請求項１に記載の硫黄回収システム。
【請求項２４】
さらに、
反応炉温度を許容範囲に保持するための補充蒸気ストリームを供給する工程、および
反応炉のバーナーへ加圧水ストリームを注入する工程
を含む、
請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、パリ条約に基づき、２０１４年５月２０日付けで出願された米国特許出願番号６２／０００，８４５に対する優先権を主張するものであり、その全内容が参照により本願に組み込まれる。
【０００２】
（技術分野）
以下は、概して、硫黄を回収するための方法及び装置に関する。特に、クラウスプラントにおける酸性ガスストリームからの硫黄回収に関する。
【背景技術】
【０００３】
酸性ガスストリームから硫黄を回収する際には硫黄回収ユニット（ＳＲＵ）が広く使用されている。例えば、アミンガス処理プロセスによって酸性ガスストリームが得られるが、該プロセスでは、吸収ユニット及び再生ユニットに硫化水素（Ｈ２Ｓ）を含むサワーガスを通すことにより、硫化水素を豊富に含むガスストリームが得られる。このガスストリームは一般的にアミン酸性ガスストリームとして知られている。サワーガスの組成に応じて、酸性ガスストリームには、二酸化炭素（ＣＯ２）、水蒸気（Ｈ２Ｏ）、アンモニア（ＮＨ３）及びその他の不純物などの他の成分を含まれ得る。
【０００４】
非特許文献１等に記載されるように、硫黄は、クラウスプロセスとして知られる方法を採用し、硫黄回収ユニットにおいて酸性ガスストリームから回収するのが一般的である。
【０００５】
また、反応炉に追加の酸素ストリームを導入して炉内の酸素濃度を上昇させるプロセスである酸素富化によって、硫黄回収ユニットの能力を向上できることも知られている。酸素濃度が上昇すると、クラウスプロセスで燃焼する硫化水素量が増加する。一般的に、酸素富化を行うとＳＲＵの能力は増大する。これは主として、周囲の空気に通常存在している不活性ガス（窒素等）の一部が追加の酸素に置き換えられて、ＳＲＵの負荷を水理学的に軽減するためである。これにより、ＳＲＵに導入される酸性ガス供給量が増加して、硫黄の総生産率が高まる。
【０００６】
しかしながら、商用クラウスプラントにおいて酸素富化をどの程度まで行えるかは、一般に、ＳＲＵの反応炉に使用されている耐火材料の最大許容動作温度により制限される。例えば、市販の反応炉で一般的に使用される耐火材料の最大連続動作温度は約２８５０°Ｆ（１５６５℃）までである。耐火材料にかかる応力を軽減するために、クラウスプラントの作業員は、動作温度を２５００°Ｆ〜２６００°Ｆという低い温度に控えることもある。酸素富化を行うと通常は動作温度が上昇するため、反応炉に加える酸素量を厳密に監視及び制御して、動作温度が確実に耐火材料の所望温度又は最大許容温度を超えないようにする。その結果、酸素富化の程度は概して限られたものとなり、これらのＳＲＵの能力は比較的低いままとなる。
【０００７】
ＳＲＵ、特に酸素富化を行うクラウスプラントのＳＲＵの能力を向上させる試みがなされてきた。例えば特許文献１（Ｎａｓａｔｏ）には、エジェクタを通して炉にプロセス循環ストリームを導入して、この循環ストリームを反応炉の動作温度を制御するためのヒートシンクとして作用させることにより、酸素富化したクラウスプラントのＳＲＵ能力を向上させる方法が記載されている。しかしながら、このプロセスでは循環ガスストリームを扱う必要があるため、実施が困難な場合がある。循環ガスストリームは一般的に硫黄の露点温度であるため、循環ストリーム中の硫黄蒸気が凝縮して液体となった後、反応炉のバーナー及び／又はプロセスライン内で凝固、堆積することがある。硫黄の凝縮又は凝固は、クラウスプラントの能力の低下、バーナー性能の劣化、あるいは壊滅的な設備故障を引き起こし得るため、稼働時の危険源である。また、循環ストリームにはアンモニア、アンモニア塩及び未燃焼炭化水素などの望ましくない夾雑物が含まれることがあり、その結果、固体塩が形成されて設備を詰まらせ、ＳＲＵの能力を低下させたり、その性能に影響を与えたりする恐れがある。また、このプロセスを適切に稼働させるためには、通常、エジェクタ用の蒸気ジャケット及びプロセスラインに加え、循環パイプ及び弁が必要となるため、プラントを施工及び稼働するためのコストが増大する。
【０００８】
特許文献２（Ｗａｔｓｏｎ）には、硫化水素を含む供給ガスストリームから硫黄を回収するための２段階燃焼プロセスが記載されている。Ｗａｔｓｏｎの方法では、２つの別個の燃焼領域を利用して、酸素富化した燃焼プロセスによる熱負荷に対処している。しかしながら、Ｗａｔｓｏｎの方法では２組の熱段階設備が必要であり、必要な設備を全て設置するための比較的広い敷地が必要となる。したがって、通常、このプロセスは、特に空間的に制限され得る既存のクラウスプラントに組み込む場合には、高額且つ実施が困難である。
【０００９】
以下は、上述した欠点の少なくとも１つに対処することを目的とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第６，５０８，９９８号明細書
【特許文献２】米国特許第５，２９４，４２８号明細書
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Ｂ．Ｇ．Ｇｏａｒ，“Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ  ｏｆ  Ｓｕｌｆｕｒ  Ｒｅｃｏｖｅｒｙ  ｂｙ  ｔｈｅ  Ｃｌａｕｓ  Ｐｒｏｃｅｓｓ”，Ｇａｓ  Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  Ｒｅｐｏｒｔ（１９７７）
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１２】
一態様によれば、反応炉と、エジェクタに作動流体を供給するための作動流体ストリームと、上記エジェクタに酸性ガスを供給するための酸性ガスストリームと、上記反応炉と接続されている燃焼ガス供給ストリームであって、上記反応炉に燃焼ガスを供給するための燃焼ガス供給ストリームとを有する硫黄回収システムであって、上記エジェクタは、上記反応炉と接続されており、上記反応炉に上記作動流体と上記酸性ガスとを含む混合物を供給するためのものであり、上記燃焼ガスは酸素を含む、硫黄回収システムが提供される。
【００１３】
別の態様によれば、硫黄回収システムにおいて酸性ガスストリームを処理する方法であって、エジェクタに作動流体を供給する工程と、上記エジェクタに上記酸性ガスストリームを供給して、上記作動流体と上記酸性ガスストリームとを含む混合物を得る工程と、反応炉に上記混合物を供給する工程と、上記反応炉に酸素を含む燃焼ガスを供給する工程と、上記反応炉の内容物を反応させる工程とを有する方法が提供される。
【００１４】
以下に示す添付図面を参照した後述の詳細な説明によって本発明の特徴を更に明らかにする。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】一実施形態に係る硫黄回収システムの模式図である。
【図２】一実施形態に係る硫黄回収方法のフローチャートである。
【図３】一実施形態におけるストリーム流量と酸素濃度の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本明細書では、「含む」「含まれる」又は「含んでいる」という用語が使用されている。関連分野の当業者には明らかであるように、本明細書（明細書及び／又は特許請求の範囲を含む）で使用されるこれらの用語は、記載した特徴、整数、工程又は成分若しくは要素の存在を特定するものであるが、１つ以上のその他の特徴、整数、工程、成分若しくは要素又はこれらの群の存在を排除するものではない。
【００１７】
一態様においては、反応炉と、エジェクタに作動流体を供給するための作動流体ストリームと、上記エジェクタに酸性ガスを供給するための酸性ガスストリームと、上記反応炉と接続されている燃焼ガス供給ストリームであって、上記反応炉に燃焼ガスを供給するための燃焼ガス供給ストリームとを有する硫黄回収システムであって、上記エジェクタは、上記反応炉と接続されており、上記反応炉に上記作動流体と上記酸性ガスとを含む混合物を供給するためのものであり、上記燃焼ガスは酸素を含む、硫黄回収システムが提供される。上記燃焼ガスは、例えば、空気、空気と追加の酸素との混合物又は純粋な酸素であってもよい。
【００１８】
一実施形態において、上記作動流体ストリームは第一の圧力で上記エジェクタに供給され、上記酸性ガスストリームは第二の圧力で上記エジェクタに供給され、上記第一の圧力は上記第二の圧力より大きい。
【００１９】
一実施形態において、上記酸性ガスはアミン酸性ガスを含む。アミン酸性ガスは、例えば、当該分野で周知のアミンガス処理プロセスでサワーガスを処理することにより得られる。別の実施形態において、上記酸性ガスはサワーウォーターストリッパー酸性ガス（Ｓｏｕｒ  Ｗａｔｅｒ  Ｓｔｒｉｐｐｅｒ  Ａｃｉｄ  Ｇａｓ）を含む。通常、上記酸性ガスは硫化水素を少なくとも５モル％、典型的には最大で約８０〜９５モル％含むことが理解されよう。なお、アミン酸性ガスは、特に限定されないものの、二酸化炭素、水蒸気、アンモニア及びその他の不純物などの他のガスを含んでいてもよい。本明細書で使用される酸性ガスストリームは、通常、清浄なストリームであり、循環ストリーム（すなわち、少なくとも部分的にクラウスプロセスで処理されたストリーム）ではないことが理解されよう。
【００２０】
一実施形態において、上記作動流体は蒸気を含む。他の実施形態において、上記作動流体は、加圧水、水蒸気、過飽和水蒸気、硫化水素、二酸化硫黄、二酸化炭素又はこれらの混合物を含んでいてもよい。
【００２１】
一実施形態において、上記システムは、上記反応炉と接続されている硫黄回収ブロックであって、上記反応炉からの流出ストリームを受けるための硫黄回収ブロックと、上記硫黄回収ブロックより下流に位置している背圧制御弁であって、上記硫黄回収ブロックの作動圧を制御するための背圧制御弁とを更に有する。
【００２２】
別の一実施形態において、上記硫黄回収システムは、上記反応炉と接続されている硫黄回収ブロックであって、上記反応炉からの流出ストリームを受けるための硫黄回収ブロックと、上記反応炉と接続されているテールガス処理ブロックであって、上記硫黄回収ブロックからのテールガスストリームを受けるためのテールガス処理ブロックと、上記テールガス処理ユニットより下流に位置している背圧制御弁であって、上記テールガス処理ユニットブロック及び上記硫黄回収ブロックの少なくとも一方の作動圧を制御するための背圧制御弁とを更に有する。また、上記硫黄回収システムは、上記硫黄回収ブロックより下流且つ上記テールガス処理ユニットブロックより上流に位置している別の背圧制御弁を有していてもよい。
【００２３】
図１は、一実施形態に係る硫黄回収システム１００の模式図である。硫黄回収システム１００では、酸性ガス供給ストリーム３０によってアミン酸性ガスを導入し、蒸気供給ライン２０によって蒸気を導入する。酸性ガス供給ストリーム３０及び蒸気供給ライン２０は気液分離装置８０と接続されており、該装置は投入ストリームに存在する液体を分離するために使用される。投入ストリームから分離された液体は、コンプレッサー８６で加圧され、ライン８４を通って除去されるが、分離されたガスは、ライン８２を通って反応炉１３０のバーナー１２０へ供給される。
【００２４】
酸素導入ストリーム４０及び空気導入ストリーム５０によってそれぞれ酸素及び空気をバーナー１２０へ導入する。図１の実施形態では、空気導入ストリーム５０は、主要ライン及びトリムライン５５を有するものとして図示されている。サワーウォーターストリッパー酸性ガス（ＳＷＳＡＧ）ストリーム１０や燃料ガスストリーム６０などの他の導入ストリームをバーナー１２０と接続して、他のガスをバーナーへ導入してもよい。例えば、バーナー１２０には、ＳＷＳＡＧストリーム１０によってＨ２Ｓ及びＮＨ３を含むガスストリームを導入してもよく、燃料ガスストリーム６０によって燃料を導入してもよい。
【００２５】
システム１００の構成において、エジェクタ２６は蒸気供給ライン２０及び酸性ガス供給ストリーム３０と接続されているものとして図示されている。蒸気供給ライン２０によって運ばれる蒸気は通常は高圧蒸気であり、エジェクタ２６へ導入されると作動流体として作用する。使用時には、酸性ガス供給ストリーム３０によって運ばれるアミン酸性ガスが、吸引流体としてエジェクタ２６へ導入されて排出ストリームが形成され、これが気液分離装置８０及びライン８２を通ってバーナー１２０へと供給される。エジェクタ２６の排出ストリームは高圧蒸気をアミン酸性ガスと混合することにより形成されるため、排出ストリームの圧力は、通常、投入されたアミン酸性ガスの圧力より大きくなるが、投入された蒸気の圧力よりは小さくなることが理解されよう。
【００２６】
次いで、導入ストリームの混合物はバーナー１２０で燃焼され、反応炉１３０へと放出され、そこでクラウスプロセスの反応が起こる。すなわち、反応炉１３０では、硫化水素のおよそ１／３が酸素と反応して二酸化硫黄及び水が生成し、残りの硫化水素が二酸化硫黄と反応して硫黄及び水が生成する。これらの反応は以下の化学式で表される。
Ｈ２Ｓ＋３／２Ｏ２→ＳＯ２＋Ｈ２Ｏ
２Ｈ２Ｓ＋ＳＯ２→３／２Ｓ２＋２Ｈ２Ｏ
【００２７】
次いで、反応炉１３０からの流出物は硫黄回収ブロック１４０へと送られるが、硫黄回収ブロック１４０は、通常、反応炉流出物から硫黄を抽出するために使用される。例えば、硫黄回収ブロック１４０は１つ以上の冷却装置、加熱装置及び／又は触媒コンバータ反応装置を有していてもよい。これらの構成要素は周知のものであり、これらで起こり得る反応は、例えば特許文献１（Ｎａｓａｔｏ）及び米国特許第７，５９７，８７１号明細書（Ｆｅｒｒｅｌｌ）等に記載されている。
【００２８】
次いで、硫黄回収ブロック１４０から出たストリームは、テールガス処理ユニット（ＴＧＴＵ）ブロック１６０へと導入されてもよく、テールガス処理ユニット（ＴＧＴＵ）ブロック１６０は、ストリームに存在する残留硫黄を含む化合物の量を低減するために使用される。ＴＧＴＵブロック１６０から出たストリームは焼却炉へと送られてから大気中へと放出される。あるいは、焼却炉から放出されるガスの硫黄含量が排出基準を満たす許容範囲となるならば、硫黄回収ブロック１４０から出たストリームは、ＴＧＴＵブロック１６０を通過することなく焼却炉へと直接送られてもよい。
【００２９】
上記システム１００は、様々なストリーム及びラインを通るガスのフローを制御するための複数の弁を更に有している。図１に示す通り、蒸気供給ライン２０を通る加圧蒸気のフロー及び酸性ガス供給ストリーム３０を通るアミン酸性ガスのフローは、常閉（ＮＣ）弁２２及び３２並びに常開（ＮＯ）弁３４で制御されている。エジェクタ２６の出口は、ＮＣ弁２４で制御されている。酸素導入ストリーム４０においてガスのフローは弁４２で制御されており、空気導入ストリーム５０においてフローは主要ラインでは弁５２によって、トリムライン５５では弁５７によって制御されている。
【００３０】
上記弁は、通常、システム１００で測定される１つ以上のパラメータに従って制御される。例えば、蒸気のフローを制御するためのＮＣ弁２２は、フロー制御装置２２０で測定された流量に従って調節される。図１に示す通り、他のＮＣ弁２４及び３２並びにＮＯ弁３４は、酸素導入ストリーム４０上に配置された弁４２と接続されているフロー制御装置２４０によって制御される。空気導入ストリーム５０の主要ライン上に配置された弁５２は制御ユニット２７０で制御され、トリムライン５５上に配置された弁５７はテールガス分析装置で制御される。
【００３１】
様々な測定ユニット、制御装置及び／又は表示器がシステム１００全体に配置されて、各種プロセスパラメータを監視及び／又は制御している。例えば、フロー表示器２１０、２３０及び２６０は、それぞれＳＷＳＡＧストリーム１０、酸性ガス供給ストリーム３０及び燃料ガスストリーム６０上に配置されて、各ストリームを通るガスのフローを測定する。制御ユニット２７０と連通している圧力制御装置２５０は、空気導入ストリーム５０上に配置されて、空気導入ストリーム５０を流れるガスの圧力を制御する。これらの測定ユニット、制御装置及び／又は表示器で得られた測定値は制御ユニット２７０へと伝達され、必要に応じて制御ユニット２７０が信号を生成、伝達して、様々な投入／排出ストリームでのガスのフローを制御してもよい。図示した通り、制御ユニット２７０を手動で制御するための手動制御ユニット２８０を設けてもよい。また、反応炉１３０内の温度を温度表示器３３０で監視してもよい。
【００３２】
一実施形態では、１つ以上の背圧制御弁が、硫黄回収ブロック１４０より下流に配置されている。上記１つ以上の背圧制御弁は、通常、該１つ以上の弁より上流に位置する硫黄回収システムの作動圧を制御するために使用される。例えば、図１に示すシステム１００では、第一の背圧制御弁１７０がＴＧＴＵブロック１６０及び硫黄回収ブロック１４０より下流に配置されて、硫黄回収ブロック１４０及び／又はＴＧＴＵブロック１６０の作動圧を制御しており、第二の背圧制御弁１５０が硫黄回収ブロック１４０より下流且つＴＧＴＵブロック１６０より上流に配置されて、硫黄回収ブロック１４０の作動圧を制御している。あるいは、１つの背圧制御弁のみで両方の硫黄回収システムの作動圧を充分に制御できる場合、上記システム１００は第一の圧力制御弁１７０のみを有し、第二の圧力制御弁１５０は有していなくてもよい。
【００３３】
上記システムがＴＧＴＵブロックを有していない他の実施形態において、硫黄回収ブロックから出たテールガスは焼却炉へ直接送られてもよい。このような実施形態では、圧力制御弁を硫黄回収ブロックと焼却炉の間に配置して、硫黄回収ブロックの作動圧を制御してもよい。
あるいは、圧力制御弁を焼却炉より下流且つ煙突より上流に配置してもよいことが理解されよう。
【００３４】
上記１つ以上の背圧制御弁は、通常、システム１００で得られた様々な測定値に従って調節される。図１に示す実施形態では、第一の背圧制御弁１７０は圧力制御装置３７０で制御され、第二の圧力制御弁１５０は圧力制御装置３５０で制御される。圧力制御装置３５０及び３７０は、それぞれの弁より上流に位置する硫黄回収システムの圧力を監視し、それぞれの弁１５０及び１７０を制御して該硫黄回収システムの作動圧を調節するように構成されている。１つ以上の背圧制御弁を使用して硫黄回収ブロック１４０及び／又はＴＧＴＵブロック１６０から出るガスのフローを制限することによって、これらのブロック内の作動圧が上昇して、酸性ガスストリームからの硫黄回収率が向上する。
【００３５】
上述したシステムは、当該技術で公知の他のシステムよりも有利な場合がある。例えば、エジェクタ２６の動作には蒸気ジャケットを必要としないので、システムの設置に関連するコスト及び複雑さを比較的低く抑えられる。また、システム１００で必要となるのは１組の熱段階設備だけであるため、クラウスプラントの供給ストリームをマニホールド分岐又は分流する必要はない。また、これにより設置、稼働及び維持のコスト及び複雑さを低減できる。特にシステム１００を既存のクラウスプラント又はシステムに組み込む場合、構成要素を設置する際に、既存のクラウスプラント又はシステムの大半では通常は敷地を追加する必要がないため、更なる利点を実現できる。
【００３６】
他の実施形態において、ＳＷＳＡＧをバーナー１２０へ導入する前にＳＷＳＡＧストリーム１０の圧力を高める第二のエジェクタをエジェクタ２６と同様に構成してもよいことが理解されよう。更に別の実施形態において、ＳＷＳＡＧストリーム１０を酸性ガス供給ストリーム３０と一緒にしてからエジェクタ２６へ導入してもよい。
【００３７】
一態様においては、硫黄回収システムにおいて酸性ガスストリームを処理する方法であって、エジェクタに作動流体を供給する工程と、上記エジェクタに上記酸性ガスストリームを供給して、上記作動流体と上記酸性ガスストリームとを含む混合物を得る工程と、反応炉に上記混合物を供給する工程と、上記反応炉に酸素を含む燃焼ガスを供給する工程と、上記反応炉の内容物を反応させる工程とを有する方法が提供される。上記燃焼ガスは、例えば、空気、空気と追加の酸素との混合物又は純粋な酸素であってもよい。
【００３８】
一実施形態において、上記作動流体は第一の圧力で供給され、上記酸性ガスストリームは第二の圧力で供給され、上記第一の圧力は上記第二の圧力より大きい。
【００３９】
一実施形態において、上記作動流体は蒸気を含む。例えば、図１の実施形態において、蒸気は、エジェクタ２６の作動流体として蒸気供給ライン２０を通ってエジェクタ２６へと導入されるものとして図示されている。他の実施形態において、上記作動流体は、水蒸気、過飽和水蒸気、硫化水素、二酸化硫黄、二酸化炭素及び／又はこれらの混合物を含んでいてもよい。
【００４０】
図２は、一実施形態に係る方法のフローチャートである。より明確にするため、図１に示すシステム１００と関連させて上記方法を説明する。５１０において、反応炉１３０のバーナー１２０に着火する。例えば、燃料ガスストリーム６０を通して燃料ガスを供給し、燃料ガスに点火することによってバーナー１２０を始動させてもよい。５２０において、酸性ガス供給ストリーム３０、酸素導入ストリーム４０及び空気導入ストリーム５０を通してそれぞれ酸性ガス、酸素及び空気をバーナー１２０に供給する。この段階では、ＮＣ弁２２、２４及び３２は閉鎖されており、ＮＯ弁３４は通常は開放されているため、酸性ガスが酸性ガス供給ストリーム３０を通って気液分離装置８０へと流入し、ライン８２を通ってバーナー１２０へと流入できることが理解されよう。バーナー１２０へと流入する酸素及び空気の量は、弁４２、５２及び５７を調節することにより制御できる。
【００４１】
典型的には、酸性ガス、酸素及び空気がバーナー１２０へ導入されたら燃料ガスは遮断されるが、特にバーナー１２０が燃料ガスなしでは所望の温度で炎を維持できない場合には、燃料ガスストリーム６０によって燃料をバーナー１２０に供給し続けてもよいことが理解されよう。例えば、酸性ガスが二酸化炭素を豊富に含む場合、このようなことが起こり得る。
【００４２】
５３０において、作動流体はエジェクタ２６へと導入される。図１の実施形態では、作動流体は蒸気供給ライン２０で運ばれる蒸気である。蒸気を導入するため、蒸気がエジェクタ２６を通って気液分離装置８０へ移動し、ライン８２を通ってバーナー１２０へと移動できるように、ＮＣ弁２２及び２４は少なくとも部分的に開放される。一実施形態において、作動流体は、酸素濃度が空気／酸素混合ストリームの３０〜３５体積％に達すると導入される。蒸気が導入されたら、５４０において、酸性ガス供給ストリーム３０上に配置されたＮＯ弁３４が閉鎖されて、酸性ガスが流れる方向がエジェクタ２６へ向かうように変えられる。このようにして、ライン２０からの高圧蒸気がライン３０からの酸性ガスと混合されるため、ライン８２を通ってバーナー１２０へと導入される酸性ガスの圧力が上昇する。また、蒸気が導入されると反応炉内の温度が低下するため、以下で説明するように能力が向上する。
【００４３】
理論に束縛されるものではないが、本発明者らは、反応炉の燃焼生成物の温度を適度に調整するヒートシンクとして蒸気が作用すると考えている。また、本発明者らは、蒸気が存在することで、クラウス炉反応が酸素需要を低減させるように有利にシフトして、炎及び炉の温度が更に抑えられると考えている。このようにして反応炉の動作温度を低くすることによって、炉温度を所望より低く保持しながら、酸素濃度を更に高くできる。例えば、図３のグラフに示す通り、追加の蒸気（以下、「補充蒸気」ともいう）を導入して、更に高い酸素濃度（例えば３０％超）において炉温度を適度に調整することもできる。図３においては、酸素濃度が上昇して３０％を超えたら作動蒸気の流量を一定に保ちつつ、作動蒸気とは別に補充蒸気を導入して、炉温度を許容範囲に保持する。補充蒸気は、例えば、蒸気供給ライン２０とは独立して動作される導入ストリームを通してバーナー１２０へと直接導入してもよい。あるいは、補充蒸気を作動蒸気と一緒にし、ライン２０でエジェクタ２６へと導入し、反応炉１３０へと導入してもよい。
【００４４】
一実施形態において、加圧水ストリームを単独でバーナー１２０へ注入する。別の実施形態において、加圧水ストリームは蒸気と組み合わせてバーナー１２０へ注入される。例えば、加圧水ストリームは、作動蒸気及び存在する場合は補充蒸気と共に導入してもよい。
【００４５】
プラント作業員が反応炉１３０の酸素濃度を上昇させたくないと考えている場合でも、蒸気の導入は有益となり得る。蒸気によって略同程度の処理量を維持しつつ酸素需要を低減できるからである。必要とされる酸素量を低減することによって、純粋な酸素を購入及び／又は製造するのに必要な操業費が削減される。また、蒸気によって反応炉１３０内の動作温度が低下するため、蒸気を使用して動作される炉は、蒸気を使用しないで動作される炉と略同程度の処理量を維持しつつも熱応力を受けにくいであろう。バーナー及び炉の材料にかかる熱応力が低くなると、炉及びその各種構成要素の寿命が長くなる可能性がある。
【００４６】
作動流体が窒素又は二酸化炭素を含む場合、該作動流体は反応炉の燃焼生成物の温度を適度に調整するヒートシンクとしても作用し得るため、能力が高まる。具体的には二酸化炭素の場合、二酸化炭素を導入すると生成物が有利に形成されるように炉反応の熱力学的平衡がシフトすると考えられる。二酸化硫黄が作動流体として導入される場合も、二酸化硫黄が反応物の１つであるため、生成物が有利に形成されるようにクラウス反応の平衡がシフトし得る。二酸化硫黄を導入しても、反応で必要とされる酸素量が低減するが、これは、酸素と反応して硫化水素を形成するのに必要となる硫化水素量が減少するためである。
【００４７】
硫黄回収システムの少なくとも１つの実施形態において、数値流体力学的（ＣＦＤ）モデル化を使用して、硫黄回収ユニット（ＳＲＵ）火炎の力学を分析した。具体的には、高圧エジェクタシステムの潜在能力並びにＳＲＵ熱段階火炎帯で得られる動力学的及び熱力学的効果を更に理解するために、ＣＦＤモデル化を実施した。ＣＦＤモデルを分析することで、ＳＲＵ火炎のいくつかの領域が、該火炎の別の領域と比べて温度が実質的に高くなり得ることが分かった。したがって、エジェクタで加圧されたガスストリームを使用することによって、これらの温度が高い領域ではある種の有益な化学反応が促進されると考えられる。また、加圧ガスストリームがバーナーの好ましい領域へ注入されるように火炎パターン及び特性を操作することによって、このような反応で得られる効果が高まると考えられる。
【００４８】
図２に戻って、５５０では、背圧弁１５０及び１７０を使用して硫黄回収ブロック１４０及び／又はＴＧＴＵブロック１６０の作動圧を上昇させる。例えば、第二の背圧弁１５０を使用して硫黄回収ブロック１４０から出るガスのフローを制限することによって、硫黄回収ブロック１４０の作動圧を上昇させてもよい。同様に、第一の背圧弁１７０を使用してＴＧＴＵブロック１６０から出るガスのフローを制限することによって、ＴＧＴＵブロック１６０の作動圧が上昇する。いくつかの構成においては、第一の背圧弁１７０を使用して、硫黄回収ブロック１４０及びＴＧＴＵブロック１６０両方の作動圧を適度に調整できることが理解されよう。
【００４９】
上述の通り、硫黄回収ブロック１３０及び／又はＴＧＴＵブロック１６０の作動圧を高めると、主にルシャトリエの原理により、酸性ガス供給ストリームからの硫黄回収率が向上する。例えば、クラウス反応の反応物は通常は気体であるため、反応容器の圧力が上昇すると、生成物が有利に形成されるように反応の平衡がシフトする。また、作動圧が上昇すると、反応ガスの流速が低下して、反応容器での反応ガスの滞留時間が増加する。滞留時間が増加すると、反応物の変換率が高くなる場合がある。
【００５０】
本装置の各種実施形態はエジェクタに関連させて記載されているが、供給源の圧力を上昇させ、蒸気を導入するための他の機構を代わりに使用してもよいことが理解されよう。例えば、機械的送風装置及び／又はコンプレッサーを使用してアミン酸性ガスストリームの圧力を上昇させてもよいし、圧力を上昇させる前又は後に蒸気をアミン酸性ガスストリームに加えてもよい。しかしながら、維持し易く、特に長期稼働での信頼性が比較的高いことから、他の圧力上昇機構よりもエジェクタを使用する方が有利となり得る。なお、当該産業において、エジェクタはエダクター又はサーモコンプレッサーと呼ばれることもある。
【００５１】
各種実施形態は弁に関連させて記載されているが、ダンパー、可動ゲート、シャッターなどの他のフロー制限装置又は背圧上昇方策を弁の代わりに使用してもよいことが理解されよう。
【００５２】
各種実施形態は酸素富化プラント及びシステムに関連させて記載されているが、反応炉に追加の酸素を導入しない空気を利用したプラント及びシステムに対しても実質的に同じ方法及び装置を適用できることが理解されよう。
【００５３】
上記装置及び方法は本明細書では硫黄回収プロセスに関連させて記載されているが、硫黄回収を行わない他のプロセスと組み合わせて同様の装置及び方法を使用できることが理解されよう。
【００５４】
上記装置及び方法はある特定の実施形態に関連させて記載されているが、これらに対する様々な改変形態も当業者には明らかであろう。本明細書に記載された例示は、単に上記方法及び装置を説明するためのものであり、本発明を何ら限定するものではない。本明細書に記載された図面は、単に本発明の各種態様を説明するためのものであり、本発明を何ら寸法的に制限したり限定したりするものではない。本明細書に添付の特許請求の範囲は、本明細書に記載された好ましい実施形態に限定されるべきではなく、本明細書全体と一致する最も広い解釈が与えられるべきである。本明細書に記載された全ての先行技術の開示内容の全てが参照により本明細書に組み込まれる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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