УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДОЖИГАНИЯ ХВОСТОВЫХ ГАЗОВ УСТАНОВОК КЛАУСА
DEVICE FOR AFTER-BURNING CLAUS UNIT TAIL GASES

Изобретение относится к области химической технологии, в частности к области переработки серусодержащих газов с получением элементной серы по способу Клауса, и может найти применение в химической и нефтехимической промышленности, металлургии и промышленности газопереработки. Хвостовые газы установок Клауса содержат горючие и токсичные составляющие, в частности сероводород, нейтрализация которых перед выбросом в атмосферу производится путем окисления в специальных устройствах для дожигания (печах дожига), необходимая температура в которых поддерживается за счет сжигания топлива.
Известно устройство для дожигания хвостовых газов установок получения серы, в котором газ процесса получения серы добавляется к топливному газу непосредственно в горелке дожигателя [Патент США N4331630, С01В 17/50]. При этом хвостовой газ установки Клауса сначала смешивается с топливным газом, что приводит к повышенному расходу топлива, поскольку требуется нагреть до температуры воспламенения суммарное количество топливного газа и дожигаемого газа - хвостового газа установки Клауса. Стенки горелочного тоннеля, одновременно выполняющего роль камеры дожигания, в таком устройстве не являются огнеупорными и не защищены от воздействия высокой температуры, что ограничивает температуру и, соответственно, эффективность дожигания.
Известно также устройство для дожигания сбросных газов, которое содержит инжектор, патрубок для подвода сбросных газов, смеситель, горелочный тоннель и камеру дожигания [Патент РФ 2052726, F23G 7/06]. Горелочный тоннель в этом устройстве выполнен из огнеупорного материала в виде диффузора, примыкающего к инжектору, имеющего длину 8-20 калибров диаметра смесителя и выходящего расширяющейся частью в камеру дожигания. Используемые в этом устройстве горелочный тоннель и, особенно, инжектор эффективны только при определенном расходе смеси дожигаемого газа, окислителя и топлива, что снижает эффективность и надежность этого устройства при работе на переменных расходах дожигаемого газа. Из-за сложности конструкции инжектора и системы подачи дожигаемой жидкости, представляющей кольцевую камеру и кольцевую щель с многократным изменением направления течения и завихрения потока, такое устройство имеет повышенное газодинамическое сопротивление и практически неприменимо для дожигания хвостовых газов установок Клауса, содержащих туман элементной серы. Последняя способна осаждаться на стенках и закупоривать узкие щелевые отверстия инжектора, что дополнительно снижает надежность такого устройства. По этой же причине, а также из-за отсутствия защитной футеровки неприменимо для дожигания хвостовых газов установок Клауса также и устройство для дожигания анодных газов алюминиевого электролизера [Патент РФ 2294406, С25С 33/22].
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является высокотемпературный реактор для конверсии газовой смеси, представляющий собой вертикальный цилиндрический сосуд, футерованный изнутри огнеупорным материалом, в центральной части которого расположена вертикальная цилиндрическая топочная камера, окруженная кольцевым реакционным пространством, у которого вертикальная цилиндрическая топочная камера выполнена из огнеупорного теплопроводящего материала с газовыпускными окнами в нижней части и снабжена размещенными вверху горелочным устройством и устройством для подачи реакционных газов, причем внутренний диаметр футеровки обечайки корпуса сосуда не менее чем в 1,4 раз, но не более чем на 10 м превышает внешний диаметр футеровки центральной топочной камеры [Патент РФ 2336226, С01В 17/04; B01J 8/02].
При использовании такого реактора в качестве устройства для дожигания весь дожигаемый газ подается через входной патрубок в топочную камеру, где смешивается с топочными газами горелки, нагреваясь до температуры зажигания (вспышки), что приводит к избыточному, сравнительно с необходимым по термодинамическому балансу, расходу топлива.
Задачами изобретения являются снижение расхода топлива, повышение надежности и длительности эксплуатации.
Техническим результатом от использования изобретения является повышение надежности и длительности эксплуатации устройства и расширение области его применения, а также уменьшение удельных расходов топлива на разогрев газовой смеси и дожигание горючих и токсичных составляющих хвостовых газов установок Клауса.
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, представляющем собой вертикальный цилиндрический сосуд, футерованный изнутри огнеупорным материалом, в центральной части которого расположена вертикальная цилиндрическая камера из огнеупорного теплопроводящего материала с газовыпускными окнами и размещенным вверху горелочным устройством и устройством для подачи реакционных газов, окруженная кольцевым реакционным пространством, диаметр обечайки которого превышает диаметр центральной камеры, между вертикальной цилиндрической топочной камерой и кольцевым реакционным пространством дополнительно размещается кольцевая камера распределения дожигаемого газа, снабженная в верхней части входным патрубком и имеющая ряды газопропускных отверстий в верхнюю и нижнюю часть центральной цилиндрической топочной камеры.
2
2
Наличие дополнительной камеры распределения дожигаемого газа с рядами газопропускных отверстий в верхнюю и нижнюю часть центральной цилиндрической топочной камеры позволяет подавать через верхний ряд газопропускных отверстий часть дожигаемого газа в верхнюю часть топочной камеры, где эта часть смешивается с топочными газами горелки и нагревается до температуры воспламенения горючих компонентов (СО, Н, HS, COS и элементная сера) дожигаемого газа, поджигая их. Тепло сгорания этих компонентов дожигаемого газа идет на разогрев остальной (большей) части дожигаемого газа в нижней части топочной камеры, что обеспечивает общую экономию топлива. В реакционной камере происходит окисление основной части оксида углерода, тепло сгорания которого также дополняет тепловой баланс устройства. Поскольку в верхнюю часть топочной камеры подается меньшая часть дожигаемого газа, на ее разогрев до температуры воспламенения требуется значительно меньше топлива, сжигаемого в горелке, что обеспечивает экономию топлива, подаваемого в горелку.
Таким образом, наличие в заявляемом устройстве кольцевой камеры распределения дожигаемого газа, имеющей несколько рядов газопропускных отверстий в верхней и нижней части топочной камеры, позволяет осуществить распределенную подачу и постадийное окисление дожигаемого газа, обеспечивающее значительную экономию топлива.
Дополнительную экономию топлива обеспечивает размещение кольцевой камеры распределения дожигаемого газа между вертикальной цилиндрической топочной камерой и реакционной камерой, что обеспечивает предварительный подогрев дожигаемого газа через футеровку реакционной камеры сбросными газами дожигания.
При этом соотношение частей дожигаемого газа, подаваемых в верхнюю часть топочной камеры, в нижнюю ее часть и в реакционную камеру, определяется отношением площадей верхнего и нижнего рядов газопропускных отверстий, которое в процессе эксплуатации при изменении расходов дожигаемого газа, окислителя (воздуха) и топлива не меняется, что обеспечивает большую, по сравнению с известными аналогами функциональную надежность устройства.
Прямоточная конструкция дополнительной кольцевой камеры распределения дожигаемого газа, при которой поток дожигаемого газа идет сверху вниз, предотвращает осаждение тумана элементной серы и закупоривание газоходного тракта, что повышает функциональную надежность печи при дожигании хвостовых газов установок Клауса. При этом наружная футерованная стенка центральной топочной камеры и внутренняя футерованная стенка кольцевой реакционной камеры охлаждаются потоком дожигаемого газа, что повышает их температурную устойчивость, повышая надежность заявляемого устройства и его долговечность, по сравнению с ближайшим аналогом.
Таким образом, совокупность заявляемых признаков позволяет в заявляемом устройстве: упростить конструкцию, за счет чего повысить надежность эксплуатации, а также уменьшить удельные расходы топлива на разогрев газовой смеси и дожигание горючих и токсичных составляющих хвостовых газов установок Клауса, что способствует экономии топлива, обеспечивая достижение заявленного положительного эффекта.
Соответствие критерию «изобретательский уровень» доказывается следующим образом.
Известно устройство [Патент РФ 2052726, F23G 7/06], имеющее сходный с заявляемым признак: центрально расположенную реакционную камеру и аксиально расположенную кольцевую камеру дожигаемого газа. Однако в известном устройстве весь дожигаемый газ подается через щелевой инжектор в факел горелки, что не позволяет осуществить постадийное окисление дожигаемого газа, обеспечивающее экономию топлива. Поскольку при этом весь дожигаемый газ вводится в факел в одном сечении топки, кольцевая камера дожигаемого газа в аналоге имеет малое удлинение. В отличие от этого в заявляемом устройстве дожигаемый газ вводится в топочное пространство в разных (верхнем и нижнем) сечениях топочной камеры, для чего дополнительная кольцевая камера распределения дожигаемого газа имеет большое удлинение.
Таким образом, по конструкции и действию заявляемое устройство отличается от известных аналогов. Указанные отличия конструкции обеспечивают достижение указанного технического эффекта (экономии топлива), что свидетельствует о соответствии заявляемого устройства критерию «изобретательский уровень».
Изобретение поясняется чертежом, на котором изображен продольный разрез в диаметральной плоскости устройства для дожигания. На чертеже обозначены: 1 - топочная камера; 2 - горелочное устройство (тоннель); 3 - футеровка топочной камеры; 4 - дополнительная кольцевая камера распределения дожигаемого газа; 5 - газопропускные отверстия первого ряда; 6 - входной патрубок подачи дожигаемого газа; 7 - реакционная камера окисления СО; 8 - патрубок выпуска газов; 9 - наружная обечайка (корпус) устройства для дожигания; 10 - футеровка реакционной камеры дожигания (окисления СО); 11 - газопропускные отверстия второго ряда. Волнистыми стрелками на чертеже показаны направления течения газов.
2
2
Устройство действует следующим образом. Горячая газовая смесь топочных газов горелки (для простоты она не показана) через горелочное устройство (тоннель) 2 поступает в верхнюю часть топочной камеры 1. Сюда же через патрубок 6, кольцевую камеру распределения дожигаемого газа 4 и верхний ряд газопропускных окон 5 подается часть дожигаемого газа, подаваемого через горелку. При смешивании с горячими топочными газами и окислителем (например, воздухом) дожигаемый газ разогревается до температуры воспламенения горючих компонентов, составляющей, например, для элементной серы около 200°С. Легко воспламеняемые и быстро окисляемые горючие компоненты дожигаемого газа (H, HS и элементная сера), разогретого в верхней части топочной камеры до температуры начала реакции окисления, воспламеняются и при течении сверху вниз по топочной камере 1 окисляются, выделяя тепло. За счет этого реакционного тепла газовая смесь топочных газов, окислителя и продуктов окисления дожигаемого газа при течении вниз топочной камеры дополнительно разогревается. В нижней части топочной камеры 1 к этой смеси добавляется остальная (основная) часть дожигаемого газа, подаваемая из кольцевой камеры распределения дожигаемого газа 4 через нижний ряд газопропускных отверстий 11. После смешивания с газами топочной камеры основная часть дожигаемого газа разогревается, после чего через газовыпускные окна поступает в реакционную камеру 7. Газовыпускные окна аналогичны ближайшему аналогу, поэтому на чертеже не показаны. В реакционной камере большого объема 7 глубоко протекает и полностью завершается нейтрализация оксида углерода - самого трудноокисляемого компонента дожигаемого газа, после чего продукты окисления (дожига) удаляются через выходной патрубок 8.
3
2
2
Промышленная печь (устройство) для дожигания 30 тыс. нм/час хвостового газа установки Клауса процесса получения элементной серы из сернистого газа, восстановленного метаном, имеет топочную камеру внутренним (по футеровке) диаметром 3300 мм длиной (высотой) 5000 мм. Окружающая ее кольцевая камера распределения дожигаемого газа из стали имеет: внутренний диаметр 4650 мм, наружный диаметр 5550 мм; высоту 5000 мм. Она окружена через слой футеровки из шамотного кирпича толщиной 450 мм кольцевой реакционной камерой для дожигания оксида углерода, наружный по обечайке диаметр которой составляет 8000 мм. Общая площадь газопропускных отверстий первого ряда камеры распределения дожигаемого газа составляет 0.34 м, второго ряда 0.54 м. При значениях эквивалентных диаметров щелевых отверстий: первого ряда 80 мм; второго ряда 160 мм, - обеспечивается оптимальное заглубление струй дожигаемого газа, подаваемого внутрь топочной камеры через газопропускные отверстия.
3
3
3
3
3
3
2
2
2
2
2
2
Для нагрева этого газа через аксиальную горелку топочной камеры подается 550 нм/час природного газа и 15000 нм/час воздуха. Дожигаемый газ, содержащий в среднем, % объемн.: 67 N; 40 НO; 14 СO; 6 SO; 5 СО; 1,5 Н; 2,5 HS; 1 COS; 3 Ar и, кроме того, около 10 г/нм тумана элементной серы, воспламеняется уже в верхней части топочной камеры, имея температуру на выходе (в самом низу) топочной камеры 850°С. Отсюда через нижние газопропускные окна дожигаемый газ поступает в кольцевое реакционное пространство, объем которого превышает 100 м. Достаточное время пребывания здесь, составляющее несколько секунд, обеспечивает полное доокисление оксида углерода. Температура газа на выходе, не содержащего горючих и токсичных компонентов, составляет около 800°С. При использовании устройства для дожигания любой известной конструкции для достижения этого требуется подавать 30000 нм /час воздуха и расходовать свыше 1000 нм/час природного газа.
Значительное (практически в 2-3 раза) снижение потребления топлива и окислителя определяет преимущества заявляемого устройства по сравнению с известными аналогами. За счет снижения потребления топлива и окислителя уменьшается общий расход газовой смеси, что обеспечивает снижение газодинамического сопротивления устройства для дожигания заявляемой конструкции.