可燃气流的处理 本发明涉及一种处理含有硫化氢的可燃气流的方法和设备。
在石油的提炼和天然气处理装置中通常形成含硫化氢的气流(有时称之为“酸气流”)。该气流不能直接排出到大气中，因为硫化氢有毒性。处理硫化氢气流的常规力法(如果需要，该气流被预先浓缩)是克劳斯法。在此方法中，该气流中的部分硫化氢成分经过在炉子中燃烧以便形成二氧化硫。然后在炉子中该二氧化硫与残余的硫化氢反应形成硫磺蒸汽。硫化氢和二氧化硫之间的反应不完全。冷却从炉子中出来的废气流并且通常通过冷凝作用从冷却的废气流中提取出硫。将所获得的仍然含有残余的硫化氢和二氧化硫的气流通过一系列阶段，其中残涂的硫化氢和残余的二氧化硫之间发生催化反应。在每个阶段的下游提取所得到地硫磺蒸汽。大多数硫磺提取下游的废气可以焚化掉或经过进一步处理，例如通过SCOT或Beavon方法，以便形成可以安全地排放到大气中的气流。
在该方法的开始部分可以使用空气支持硫化氢的燃烧。发生反应的化学计量法是这样以至于相对大量的氮气(当然存在于支持燃烧的空气中)流过该过程，因此而对在给定尺寸的炉子中处理含有硫化氢的气流的速度形成一个上限。可以通过使用工业纯氧或富氧空气来支持硫化氢的燃烧而提高该上限值。
大多数Claus工厂都装备有长度与内部直径比为2-4的直圆筒形的炉子。该炉子一般以通过安装在侧面的燃烧器横向燃烧或切向燃烧。横向或切向燃烧器达到了反应化学物质的良好混合。如果需要，通过装备有隔板或花格式墙的炉子可以增强混合。
该横向或切向燃烧布置的一个特别明显的缺点是如果使用工业纯氧或富氧空气支持硫化氢的燃烧，那么就会冒着由于火焰温度的提高而引起炉子耐火材料衬损坏的相当大的危险。在本领域中有许多方法来解决这个问题。一些建议包括引入火焰缓和剂如水到炉子中；其它的建议包括循环使用来自工厂下游部件的炉子气体，以便调节炉子的温度；还有其它一些方法使用多个炉子，以便限制每个炉子进行的燃烧量，由此避免需要外部火焰缓和剂或循环使用来自炉子下游部件的气体。然而，所有这些建议均增加了工厂的复杂性。
当使用工业纯氧或富氧空气支持硫化氢燃烧时，减少损坏耐火材料衬可能性的一个方法是使用安装在后壁上的轴向或纵向燃烧器代替安装在炉子侧边的横向或切向燃烧器。已经表明这种轴向或纵向燃烧器在设计产量下产生可与横向或切相燃烧器相比的平均滞留时间(通常为1-2秒)。
在欧洲专利申请0315225A中公开了这种轴向或纵向燃烧器的使用方法。其中有一个用于氧气的中心管，至少一个同轴包围中心管的用于含有硫化氢的进料气的第二管，和用于空气的外部同轴管。当硫化氢进料气含有至少5％体积的烃或二氧化碳时，使用该燃烧器。在燃烧器出口处的氧气速度是每秒50-250米，相应的进料气速度是每秒10-30米。在燃烧器火焰的中心产生2000-3000℃的温度，温度为1350-1650℃的气体混合物离开炉子。此气体混合物含有至少2％体积的一氧化碳和至少8％体积的氢。
WO-A-96/26157也公开了在Claus方法中使用轴向或纵向燃烧器。通常含有硫化氢的第一种气体和富氧的第二种气体的平行料流供应到燃烧器的端部。选择第一种气体速度与第二种气体速度的比率为0.8∶1-1.2∶1。在典型的例子中，燃烧器纵向燃烧进入长度8米和直径1.5米的炉子中。燃烧器的直径为0.4米。
我们已经发现在Claus方法的炉子中使用轴向或纵向燃烧器时出现这样一个问题。此问题是从燃烧器端部到炉子出口处发生相当短的气体分子的循环。此外，在炉子内设置隔板或花格墙对减小这种短循环只有很小的影响。
本发明的目的是提供一种处理含有硫化氢可燃气流的方法和设备以解决或改善此问题。
按照本发明，提供一种处理含有硫化氢的可燃气流的方法，包括在火焰区燃烧气流中的部分硫化氢以形成二氧化硫，该火焰区通常从上游端的根部或在附近在炉子内纵向延伸到下流端出口，使氧分子进入火焰区以支持硫化氢的燃烧，以便形成二氧化硫和水蒸汽，在火焰区内产生一个或多个热分解形成硫蒸汽的相对缺氧吸热的、硫化氢分解区，和一个或多个富氧燃烧区，使残余的硫化氢在炉子内与所说的二氧化硫反应，以便进一步形成硫蒸汽，从所说炉子的出口端排出含有硫蒸汽、水蒸气、硫化氢和二氧化硫的废气流，并从废气流中回收硫，其中该炉子是细长型的，纵横比至少为6∶1，而且火焰区从其根部分叉，其最大横截面面积至少为炉子内部平面的横截面面积的80％。
本发明也提供处理含有硫化氢的可燃气流的设备，包括用于通过硫化氢与二氧化硫反应形成硫蒸汽的炉子，可以纵向燃烧进入炉子并在使用中可以产生火焰区的燃烧器，该火焰区在炉子内部从上游端根部或在附近纵向延伸到其下游端，至少一个用于与燃烧器有关的所说可燃气的第一入口，至少一个用于含有氧分子的气体进入火焰区以支持燃烧的第二入口，其中第一和第二入口和燃烧器布置成在使用中一些硫化氢燃烧形成二氧化硫，并且在火焰区内产生一个或多个相对缺氧吸热、硫化氢分解区，在此区域中通过热分解形成硫，与一个或多个相对富氧的、强烈燃烧区，在炉子下游端用于包括硫化氢、二氧化硫、水蒸气和硫蒸汽的废气流的出口，以及用于从废气流中提取硫蒸汽的装置，其中炉子的纵横比为6∶1，且燃烧器及其入口布置而在使用中火焰区从其根部分叉，其最大的横截面面积至少为炉子内部平面的横截面面积的80％。
圆筒形炉子的纵横比是其轴向内部长度与内部直径的比率。平行管状炉子的纵横比是其轴向内部长度与其内部高度和内部宽度总合的一半的比率。参考的炉子横截面面积是通常沿炉子纵向截取的横截面。
通过使火焰快速膨胀并基本上充满炉子内部的整个横截面，通常可以达到2-3秒的高平均分子停留时间，基本上没有从燃烧器顶端到炉子出口的气体分子短路。因此加强了硫化氢转变为硫。
虽然火焰基本上膨胀充满炉子内部的整个横截面，但当将来自工业纯氧或富氧空气源的至少一些氧分子供应到火焰区时，该方法和设备特别适用。三个独立的机理有助于改善炉子耐火材料温度，其结果是与现有的已知方法相比，由于氧分子与氮分子的相对高比例，可以在给定的耐火温度下操作本发明的方法和设备。
第一个机理起因于炉子的纵横比。纵横比为至少6∶1的细长的炉子，与通常使用的相对短的、肥胖炉子相比，具有相对低的辐射的平均射线束长度。事实上，纵横比为2∶1或更大的圆筒形炉子，平均射线束长度近似于炉子直径。因此，平均气体热辐射率和从火焰到炉子耐火材料的辐射热传送速度相对较低，具有在加长炉子长度上将热量保持在气体中的效果。然后在吸热分解反应，特别是硫化氢的分解中可以吸收这些热。平均辐射射线束长度的减小可以在火焰的富氧区产生较高的温度，但不损坏炉子的耐火材料。
有助于改善炉子耐火温度的第二个机理是简单的，以至于大纵横比的炉子比短的、肥胖的、相同体积的炉子具有较大的外壁面积，因此在运行中，可以经受较大速度的热损失。(的确，如果使用空气作为唯一的氧分子源来燃烧硫化氢进行本发明的方法，那么希望对炉子提供绝热，以便保证炉壁保持在足够高的温度下(至少140℃，优选至少190℃)防止酸冷凝在炉壁的内表面上)。
有助于改善炉子耐火温度的第三个机理是在发生硫化氢热分解的火焰区内产生缺氧区。热分解是吸热的，因此对火焰有冷却效果。而且，因为硫化氢的热分解直接形成硫蒸汽，所以减少了二氧化硫与硫化氢反应形成的硫蒸汽的数量。因此减小了二氧化硫的需要，这样需要提供少量的氧分子。换句话说，产生缺氧硫化氢热分解区的温度调节作用是双重的。首先，借助于热分解的吸热性有一个直接冷却效果。第二，减小了氧气的需要量，因此减少了硫化氢燃烧产生的热量。
这三个机理的结果是对于给定的含有硫化氢的可燃气流组成来说，可以供应较少的氮分子，同时使用氧分子支持硫化氢的燃烧，即，与已知的方法相比，可以增加用工业纯氧源供应的氧分子的比例。
可以使用多种技术，以便产生缺氧硫化氢热分解区和富氧硫化氢燃烧区。(应当明白在分解区可以发生一些燃烧和在燃烧区可以发生一些硫化氢的热分解)。特别地，燃烧是阶段性的。例如，硫化氢可以在其近端引入两个径向隔开的火焰区域中，以便产生两股独立的硫化氢流，且供应的氧分子这样布置以至于氧气分子大部分与一股硫化氢混合而不与另一股硫化氢混合。换句话说，或除此之外，只有一些氧分子可以在火焰近端引入。其余的氧分子在火焰根部的下游在一个或多个间隔的位置上加入。一个或多个氧气枪可以用于这种目的。
缺氧硫化氢热分解区优选地其硫化氢与氧气的摩尔比为大于2.5∶1，更优选大于4∶1。富氧燃烧区优选地其硫化氢与氧气的摩尔比为1.8∶1。
火焰区的长度优选为炉子轴向长度的40-60％。火焰区的精确长度可以通过燃烧器的物理设计和空气动力学，或者通过氧气是否在根部下游直接引入到火焰中控制。
优选使用来自包围单独的硫化氢的空气流和富氧空气或氧气将一些氧分子供应到火焰的根部。
优选地，沿着窑炉轴向产生富氧的、强烈燃烧的区域，和在其邻接的周围区域中产生缺氧的、硫化氢热分解区域。
燃烧器优选与炉子共轴安装，且优选属顶端混合型。其直径优选为大约炉子直径的一半。
优选在废热锅炉冷却废气流，且冷却的废气流优选通过冷凝器，冷凝成硫蒸汽。废气流优选地在硫冷凝器的下游至少进行一次硫化氢与二氧化硫的催化反应。
本发明的方法和设备特别适合处理硫化氢与其它可燃气体的摩尔分数至少为0.7的气流。
现在将参考附图，通过实施例描述本发明的方法和设备，该附图是从硫化氢回收硫的Claus工厂的示意流程图。
附图不是按比例绘的。
参考附图，炉子2在其一端装有燃烧进入炉子2内部的燃烧器4。燃烧器4与炉子2的纵向轴同轴，并位于炉子2主体的后面，至少其末端位于异形耐火砖6的里面。燃烧器4配有互不影响的三种气流直到燃烧器4顶端8的下游。第一种气流包括硫化氢和二氧化碳。典型的组成包括至少90％体积的硫化氢。其它组成可以包括氨和/或烃作为附加的可燃组份。供应到燃烧器4的第二种气流包括掺杂的氧气流或富氧空气。这些气流通常包含至少90％体积的氧气，其余的由氮气和氩气组成。通常可以由用以分离空气的变压吸附设备来供应第二种气流。换句话说，可以从用于通过蒸馏分离空气的设备供应第二种气流。在另一种选择中，从含有液氧的贮藏容器中供应氧气。如果氧气源是由通过蒸馏分离空气或液体氧的贮藏容器的设备供应，那么氧气的纯度通常至少为98％。供应到燃烧器4中的第三种气流包括非富氧的空气。
燃烧器4由内部通道(未表示)形成，且通常在其末端或顶端8装有尾板(未表示)，以至于在燃烧器的燃烧中形成纵向延长的火焰12，具有三个截然不同的区域或部分14、16和18。最里面的区域14是吸热的硫化氢热分解区，该区域基本上缺乏氧气，以至于硫化氢的热分解反应：
比本发明硫化氢的任何一种燃烧：
占优势。区域16包围着最里面的区域14，且是具有特别高的温度的富氧区，其中燃烧反应比硫化氢的任何热分解占优势。区域16由此产生所需要的温度，保证最里面的区域14的温度至少为1200℃，优选1600℃以上。为了产生这样一个区域16，需要将部分含硫化氢的进料气流和部分或全部掺杂氧气流直接导入该区域。火焰区域18是最外的区域，其处于比区域16较低的温度。在该区域18，硫化氢的燃烧比热分解占优势，而且可以由非富氧的空气流，或仅有有限数量的富氧空气流进入燃烧器来保证，由此区域18的温度可以低于区域16的温度。总之，无论如何，在区域18中以明显低于整个Claus反应所需要的化学计量进行燃烧。在该区域的温度不高，即使使用纯净的氧气也不足以损坏炉子的耐火材料衬。
另外，可以将区域14和16相反布置，也就是说，区域14在相对富氧且高温下进行，使之发生硫化氢的燃烧，而区域16在相对缺氧中进行，以至于在此区域中发生相当程度的硫化氢的热分解。适合的燃烧器(未表示)具有一个内部圆筒形通道和用于可燃气体的外部环形通道，两者在与燃烧器垂直的共同的地方终止。有一个中间环形富氧空气通道，它终止在喷嘴中，其具有与其它两个通道的出口同一平面的末端。该喷嘴管具有在其近端与中间通道相通的孔。在沿着燃烧器的轴向流动的方向包括一些孔，其它的则远离它。最外部的空气通道通常限定在燃烧器的主体和燃烧器末端进入窑炉的炉口之间。可以选择孔的数量和方向，以便在火焰中提供缺氧区和富氧区。
再参考附图，炉子2具有细长的构造。其纵横比优选为6∶1-12∶1(更优选为8∶1-12∶1)且属于空心的直筒形的形状。按照前面的解释，这种细长的炉子减小了平均辐射射线束长度，但是与等体积但纵横比较低的炉子相比增强了从炉壁的外部热量损失的速度。于是，掺杂氧气的供应速度与非富氧空气的供应速度之比可以比使用常规的相对短的炉子大。这样可以在热分解区14产生较高的温度，可以大幅度提高硫化氢的热分解。结果，这大大有助于调节火焰12内的局部温度，当决定掺杂氧气的供应速度与非富氧空气的供应速度之比时，也可以考虑此因素。
火焰12快速从其根部分叉并且其最大宽度占有与其共同平面的炉子2内部横截面面积的至少80％，且基本上充满炉子2内的整个共同平面的横截面面积。如以前解释的那样，这种布置可以使从燃烧器顶端到炉子出口的气体分子的短循环达到最小。
火焰12沿着炉子2的纵向轴延长近似一半的路程。因此在火焰2的下游有一细长的反应区20。通常，硫化氢和二氧化硫分子在火焰内按照下列等式反应形成硫蒸汽和水蒸气：
根据在炉子2中的特殊的操作条件，将发生各种其它反应。例如，一氧化碳(其本身是通过二氧化碳的热分解或通过二氧化碳与硫化氢反应形成的)与硫蒸汽反应形成硫氧化碳，也形成二硫化碳。另外，我们认为在氢(硫化氢热分解形成的)与二氧化硫之间反应进一步形成硫蒸汽和水蒸气。
基本上由硫化氢、二氧化硫、硫蒸汽、水蒸气、二氧化碳、氢和一氧化碳组成且也包括较小数量的硫氧化碳和二硫化碳以及其它分子物的废气混合物通过出口22以通常1350-1650℃的温度离开炉子2。可以根据选择的镶衬炉子2内壁的耐火材料24选择出口的温度。现代耐火材料通常可以经受不超过1650℃的连续操作温度。
离开炉子2的出口22的气体混合物通过废热锅炉26，以便将其温度减小到硫蒸汽冷凝点以上一点，在废热锅炉26下游通过冷凝器28，其中气体混合物冷却到硫的露点以下，以便形成液体硫。将冷凝的液体硫送到贮罐中。所得到的气体混合物以硫化氢与二氧化硫的摩尔比为2∶1从冷凝器28中相继流过催化Claus阶段30、32和34。按照本领域通常的惯例，每个阶段30、32和34可以包括一系列依次由下列部分组成的装置，再热器(未表示)使气体混合物的温度提高到适合硫化氢和二氧化硫之间催化反应的温度，催化反应器(未表示)，其中硫化氢与二氧化硫反应形成硫和水的蒸气，和硫冷凝器(未表示)。如果需要，根据在附图中表示的设备需要满足的环境标准，可以省略一个或多个催化阶段30、32和34。
离开最下游催化阶段34的气体混合物可以经过任何一种已知的处理方法，以使Claus工艺流出物适合排放到大气中。例如气体混合物可以通入水解反应器36中，其中气体混合物中存在的组份经过水解和氢化作用。在反应器36中，残余的硫氧化碳和二硫化碳在催化剂，例如用钴和钼浸渍的氧化铝上被水蒸气水解产生硫化氢。本领域的人员都知道这种催化剂。同时，残余的元素硫和二氧化硫氢化形成硫化氢。在通常为300-350℃的温度下在前述浸渍的氧化铝催化剂上发生水解和氢化作用。所得到的基本上由硫化氢、氮气、二氧化碳、水蒸气和氢组成的气体混合物离开反应器36且首先流到水冷凝装置中(未表示)，然后到分离装置中(未表示)，在此装置中，例如通过化学吸收方法分离硫化氢。适合的化学吸收剂是甲基二乙胺。如果需要，例如硫化氢可以通过与进来的包含硫化氢的供气气流混合循环到炉子2中。