СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЕРЫ ИЗ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ, СОДЕРЖАЩИХ ДИОКСИД СЕРЫ
METHOD OF PRODUCING SULPHUR FROM SULPHUR DIOXIDE-CONTAINING FLUE GASES

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:
S
Sвx
K×N-F,
1
где K - нижний допустимый уровень производительности установки, в пересчете на S, доли;
S
1
N - номинальная производительность установки производства серы в пересчете на S, кг/ч;
Sвx
F - 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.
2
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/см 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.
2
2
2
S
3
3
На установку газоочистки поступает газ с содержанием SO от 0,1 до 30 мол.% и со значительными колебаниями расхода. Максимальная (номинальная) загрузка установки газоочистки по дымовым газам составляет 110 тыс. нм/ч при концентрации SO в нем 30 мол.%, что в пересчете на концентрированный SO составляет 33 тыс. нм/ч или N=47,1 т/ч в пересчете на серу.
2
Газ проходит установку концентрирования SO, далее концентрированный диоксид серы поступает на установку получения серы, являющейся конечным продуктом процесса.
3
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 нм 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.
3
3
3
3
SO2
SO2
SO2
Sвх
2
SO2
2
SO2
SO2
Sвx
В первом случае расход дымового газа V=90 тыс. нм/ч и концентрация в нем диоксида серы C=28 мол.%. Это соответствует расходу диоксида серы на установку V=V×C/100=25,8 тыс. нм/ч или F=36 т/ч в пересчете на серу. Во втором случае расход дымового газа изменился до V=48 тыс. нм/ч и концентрации SO в нем C=0,9 мол.%. Это соответствует расходу SO на установку V=V×C/100=0,43 тыс. нм/ч или F=0,6 т/ч в пересчете на серу.
S
Минимально допустимая нагрузка на установку (30% от номинальной) составляет в нашем случае K×N=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.
3
2
2
В этом случае в печи сжигания серы сжигают небольшое количество топливного газа (менее 100 нм/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 SO. 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 SO и получения серы ниже критического уровня, они в кратчайший срок могут быть переведены на сжигание серы.
Sвх
Во втором случае на переработку поступает F=0,6 т/ч серы, что составляет 1,3% от максимальной производительности. Очевидно, что установка на такой производительности неработоспособна.
S
Sвх
2
3
3
В этом случае в печь сжигания серы в соответствии с заявляемьм способом подается на сжигание K×N-F=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 нм воздуха, таким образом, для сжигания всей серы потребуется 45 тыс. нм/ч воздуха. После охлаждения продуктов сгорания и подачи их в коллектор дымового газа на входе в установку концентрирования SO 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.