CN112512965B - 用于硫燃烧的反应器和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种用于硫燃烧的反应器。反应器壁(23)形成对称的基底区域b，至少两个燃烧器(2,2')分别利用燃烧器保持装置(22)来安装。所有燃烧器保持装置(22)相对于彼此具有相同的距离，每个燃烧器保持装置(22)相对于基底区域b的中心点z具有相同的距离。至少一个燃烧器保持装置(22')布置成使得在运行期间燃烧器(2')的火焰相对于中心轴线a成0°至45°之间的角度α，中心轴线a定义为燃烧器保持装置(22')和中心点z之间的最短连接。

Description

用于硫燃烧的反应器和方法
技术领域
本发明涉及用于硫燃烧的反应器，反应器壁形成对称的基底区域(b)，至少两个燃烧器分别利用燃烧器保持装置来安装，所有燃烧器保持装置相对于彼此具有相同的距离，每个燃烧器保持装置相对于基底区域(b)的中心点(z)具有相同的距离。
背景技术
几十年来，用于制造硫酸的方法是众所周知的。通过此方法，将硫燃烧生成二氧化硫(SO2)，然后通过多相催化反应进一步氧化成三氧化硫(SO3)。在浓硫酸中吸收生成的三氧化硫，添加水，最终转化为硫酸(H2SO4)。硫燃烧所需氧的来源可以是空气或富氧空气，或者是纯氧。
具体地，液态硫经由管线输送到至少一个燃烧器，在燃烧器中，液态硫与经由管线输送到燃烧器中的含氧气体(例如空气)混合。燃烧器向炉中喷焰，炉通常衬有多层耐火砖。在炉中，根据绝热燃烧的反应形成含SO2的气体：
S+O2→SO2；ΔH～-297kJ/mol
在已知的方法中，在炉内发生硫的氧化，硫被喷入炉中或通过其他装置雾化，例如通过喷嘴或特定的燃烧器，正如可以在例如EP 2 627949中找到的。
由于液滴尺寸和主流燃烧温度，需要一定的驻留时间以便液滴的完全蒸发和随后的氧化。因此，反应仅受到传质现象的限制，这就是为什么要使向反应器供给的硫和氧完全混合相当重要的原因。
通常，1,000℃以上的绝热燃烧温度是根据硫与燃烧空气之比决定的结果。此外，标准的硫燃烧单元采用废热锅炉(WHB)，以从***中回收多余能量。通常，火管锅炉安装在燃烧炉的下游，以将燃烧气体冷却到400至500℃之间的典型值，同时产生高压蒸汽。
通常，当采用火管锅炉时，由于以下两个原因，所描述方法的设备产能受到限制。
首先，由于热管板(废热锅炉的气体入口侧)不能在没有局部材料过热风险的情况下承受较高温度，所以将气体温度限制在约1200℃。通过管道给送热气体，而高压水/蒸汽出现在壳程处。在非常大的设备尺寸下，这也导致火管锅炉外壳直径非常大；因此，由于蒸汽压力的缘故，机械设计要求该外壳和管板的壁厚非常大。
此外，在这种情况下，采用较高蒸汽压力尤其重要。在典型的5,000mtpd(公吨/天)的大型设备尺寸下，火管设计不能适应蒸汽压力从目前典型65巴到例如100巴的任何实质性进一步增加。然而，由于产品蒸汽优选用于给送到蒸汽涡轮发电机，所以需要较高的蒸汽压力，因为这提供了提高热效率的优点。
其次，对于硫燃烧炉而言，可以说它们通常是衬有多层耐火材料的卧式容器。耐火材料的质量和设计取决于运行条件，例如绝热燃烧温度。通常，所需的比体积热率在300,000至3,000,000kcal/m3炉体积的范围内。
在设备产能非常大的情况下，炉尺寸会变得非常大。在这种情况下，因在较大炉直径下砖衬完善性减弱(特别是在周向压应力和/或卧式圆柱形不稳定性增大方面)会带来限制，使得这种设计潜在地不可持续。此外，由于不同的热膨胀及其补偿变得越来越困难，炉的长度也受到就砖衬而言的限制。通过减小炉尺寸，高比热率可以使问题最小化，但是也对雾化硫的均质/均匀分布和所需的气体彻底混合方面带来了限制。
尽管通过多个平行的燃烧炉和废热锅炉单元可以实现大的设备输出产能，但未来将需要明显更大的单个单元来降低投资成本并提高能效。
发明内容
因此，本发明的目的是提供燃烧器、炉和相关废热锅炉的布置，以便能够实现几乎不受限制的设备产能。
通过具有根据本发明的特征的装置来实现上述任务。
将反应器设想为水管型废热锅炉，其特征在于，高压水/蒸汽在壁管内循环(与火管型锅炉相反)。还优选地是，用适当比例的空气来燃烧硫，以实现1500至2000℃的绝热燃烧温度，这与常规装置相比明显更高。同时，燃烧气体的总流量将变小，使得容器/反应器的尺寸/直径显著减小。因此，废热锅炉的下部不包含对流表面，而是壁仅暴露于辐射。一旦原始燃烧气体温度降低(基于辐射向壁的传热)，废热锅炉的上部则将还包含对流传热表面，而壁将在容器的整个长度延伸。
此种用于硫燃烧的反应器包括壁，壁形成对称的平面图区域/基底区域。在反应器内，至少两个燃烧器分别利用燃烧器保持装置来安装。燃烧器保持装置彼此对称地安装在反应器的壁上。每个燃烧器保持装置之间的距离是相同的。此外，每个燃烧器保持装置距燃烧基底区域中心的距离应相同。
决定性因素在于，燃烧器保持装置中的至少一个燃烧器保持装置设计成能够有意地调节成使得相关的火焰相对于横向中心点轴线成角度α，该角度在0°至45°之间，优选为2°至15°之间。中心轴线是形成燃烧器保持装置中心和基底区域中心之间直接连接的轴线。
因此，燃烧器可以有意地调节成使得反应器的最热点不再位于基底区域的中心。然而，重要的是在反应器内相对于基底区域中心建立不对称的温度分布。这种不对称的温度分布导致气体流动一方面促进气体更好地混合但另一方面也使得热量更好地散发到下游对流表面。因此，也可以设计和建造没有任何砖衬炉的硫燃烧***，并用水管锅炉代替传统的火管锅炉。这种燃烧反应器适用于不受限制的设备尺寸，本质上设计为工业已知的水管锅炉，并结合有多个燃烧器。请比较将此构思专用于热容量和操作压力更大的发电设备。因此，上面讨论的限制因素得以忽略。
本发明的优选设计是将反应器基底设计成正方形或圆形，这可以保证最简单的可行设计并从而可以保证最简单可行和最经济的制造。
另一个优点是：基底区域是具有至少六条边的多边形，边的数量与燃烧器数量相同或者是燃烧器数量的倍数，优选乘以一或二，以便确保燃烧器的对称分布，各燃烧器装置之间的距离相等。边的数量对应于燃烧器的数量是特别优选的。这种特殊的设计能够实现模块化设计。
还优选的是具有至少三个燃烧器。燃烧器数量的增加能够进一步提高设备产能。
本发明的另一个有利设计提供了在燃烧区域上方/周围的所谓对流区域，其中，下部的传热由辐射主导，气流进一步混合。这可靠地防止了热回流。
此外，有利的是壁至少部分设计成膜壁。膜壁是由管制成的壁，至少部分地包围反应器。传热介质(例如水/蒸汽混合物)可以通过管传送。总之，反应器壁是水管型废热锅炉的组成部分，由多个优选为竖直的管组成，管内容纳废热锅炉内部循环水的水/蒸汽混合物，在管的每个相对侧上具有焊接翅片，以便连接(焊接)到相邻的管，从而形成膜壁结构。
为了承受高气体温度并保护炉部件，膜壁外壳内部可以覆有耐火浇注料薄层。这不仅可以保护壁(和底部)以防与未蒸发的硫液滴发生不希望的接触，冷却的壁还显著降低了耐火材料的内表面温度，使其适于使用浇注料。不需要单独的卧式或立式炉。燃烧部(即浇注保护)的高度由硫液滴完全蒸发所需的驻留时间决定。因此，下游对流传热区段不会暴露于未蒸发的硫。
燃烧器安装在独立砖衬炉中的缺点是：一旦设备跳闸或暂时离线，则必须将燃烧器从炉移除，即，否则燃烧器暴露于热炉辐射而不能冷却，这会导致燃烧器转杯或传统喷嘴的机械损坏或变形。因此，移除燃烧器是对时间要求苛刻的。
通过本发明，不使用或通过使用由膜壁冷却的浇注料，与传统单独炉的耐火措施相比，表面温度以及因此在停机后的剩余辐射显著更低/更小。一旦燃烧停止，燃烧室很快冷却下来，最终接近膜温度。把传统的1600℃左右的炉温与低于500℃左右的膜壁(根据具体情况可以加上浇注料)温度进行比较。因此，不再必须从炉快速移除燃烧器。
反应器完全设计成具有膜壁也是有利的，以便在早期阶段经由辐射从***移除大量热量。优选地，炉的外壳和下游对流锅炉元件设计为整体连续全长膜壁，水/蒸汽通过竖直锅炉管循环，从而为内部构件提供冷却。
反应器的内径设计成大于燃烧火焰长度，因此使得其本身完美适合于硫燃烧器的侧面布置，即使是在与上述5,000mtpd产能相比制酸设备尺寸小得多的情况下，但也优选适用于更大的设备产能。
通常，设计为对流传热区域的一个换热器在燃烧器区段下游安装于反应器内。然而，也优选使用两个这样的换热器。在两个这样的换热器之间，可以设置附加的氧注入措施或附加的燃烧器。因此，一部分燃烧可以重新安置，这也可提供更均匀的热分布。
通过两级燃烧***的布置，反应器将使得第一燃烧单元级能够在亚化学计量范围(相对于氧而言)运行，因此不易形成氮氧化物。因为后者至少部分地由酸吸收，所以是不希望有的杂质。
本发明的另一特殊设计设想的是提供至少一个控制单元，该控制单元基于测量的温度在角度α范围内调节燃烧器，以使得热分布尽可能均匀，其中，基于存储的实验确定矩阵进行该调节。
在换热器内进行温度测量是特别优选的，这样，由于已经降低的温度，在实践中相对而言可以传送热分布。这种解决方式既可以在换热器的基底区域上进行，也可以沿着整个流动方向的路径进行，优选在所有三个维度中。
最后，本发明还包括具有本发明特征的硫燃烧方法。
在此种方法中，用至少两个燃烧器燃烧硫。这些燃烧器安装在反应器壁上，反应器壁限定了对称平面图。经由相应的燃烧器保持装置可以有意地对燃烧器的火焰方向进行调节成使得相对于燃烧器保持装置和由反应器壁所限定的基底区域的中心之间最短连接的轴线成在0°和45°之间优选在2°和15°之间的角度α。
综上所述，本发明提供了以下优点：
1、没有燃烧炉尺寸限制，即没有单独的炉。
2、基于良好的硫雾化可以使用反应器膜壁，这样就最小化了硫液滴碰到膜壁的风险。因此，可以省略浇注料覆层；或者为了安心，尽管风险低，也可以安装浇注料覆层。
3、炉和废热锅炉之间没有膨胀差异，在无砖衬的设计的情况下界面应力较小。
4、在炉/废热锅炉周边可以布置几乎不受限制数量的燃烧器，因此在硫燃烧方面设备尺寸产能没有限制。
5、废热锅炉的蒸汽压力几乎不受限制，因此可显著提高热效率。
6、炉/反应器和废热锅炉的形状可以是圆形的，或者例如是正方形/六边形/八边形，这取决于制造偏好和内部过程气体压力。
7、当使用远超环境空气20.9％氧含量所限浓度的富氧空气时，可以实现燃烧气体的高SO2浓度。
附图说明
从以下对示例性实施例和附图的描述可得出本发明的其他特征、优点和可行的应用。在此描述和/或图示的所有特征均构成本发明的主题，无论是单独地还是以任何期望的组合形式，而不管它们如何在权利要求中或在回引在前权利要求时进行组合。
附图示意性地示出了：
图1a示意性地示出了用于硫燃烧的工业已知第一布置，包括带砖衬的立式燃烧室4，燃烧室连接到位于燃烧室顶部的废热锅炉，
图1b示意性地示出了用于硫燃烧的传统、流行且工业已知第二布置，包括带砖衬的卧式燃烧室4，该燃烧室从侧面连接到废热锅炉6，
图1c示意性地示出了用于硫燃烧的传统且工业已知第三布置，包括2个或更多个带砖衬的卧式燃烧室4和连接到废热锅炉6的单个带砖衬的中心立式收集室4'，
图2a示意性地示出了根据本发明的用于硫燃烧的第一实施例燃烧器布置，没有单独的燃烧室，用于硫燃烧的供氧可以是空气或富氧空气，
图2b示意性地示出了根据本发明的用于硫燃烧的第二实施例燃烧器布置，没有单独的燃烧室，使用富氧空气或纯氧，利用该布置并且通过使在废热锅炉6处冷却的气体再循环并随后在换热器11例如省煤器中进行进一步冷却，可以实现气体的高SO2浓度，最高可达100％(体积百分比)，
图2c示意性地示出了根据本发明的用于硫燃烧的第三实施例燃烧器布置，没有单独的燃烧室，使得硫燃烧相对于氧而言是亚化学计量的，因此导致较少生成氮氧化物，其中，在添加适量氧(空气或富氧空气)以完成剩余S2气体的氧化之前，在废热锅炉6处将包含未氧化S2气体的燃烧产物冷却至一般为550℃，然后是附加的换热器，例如锅炉元件。
图2d示意性地示出了根据本发明的用于硫燃烧的第四实施例燃烧器布置，没有单独的燃烧室，硫燃烧器2,2”布置成用于两级燃烧，通过废热锅炉6对第一(下部)燃烧气体进行中间冷却，并且在第二(上部)硫燃烧之后对气体进行最终冷却。同样，可以借助空气或富氧空气来供氧。
图3示意性地示出了根据本发明的燃烧器布置，在这种情况下布置在圆柱形反应器形状中。
具体实施方式
图1a示出了用于硫燃烧的反应器的可行设计。液态硫经由管线1、1'引入燃烧器2中。经由管线3、3'将类似氧的气体(通常是空气)给送到燃烧器2中。该硫在立式燃烧室4中燃烧，燃烧室具有砖衬5。
然后，所产生的热量导入废热锅炉6的换热器中。通过管线7排出所产生的二氧化硫。
图1b本质上对应于该设计，其中，卧式燃烧室4在此布置在废热锅炉6的换热器的侧面。
图1c示出了一种布置，中央竖直收集室4'和相对于其对称布置的两个卧式燃烧室4，随后是废热锅炉6。
与上述相反，本发明的主题是省略单独的硫燃烧炉或硫燃烧室，而燃烧器直接向膜壁水管锅炉的下侧空部中喷焰。废热锅炉的下侧空部是辐射室(高温)，而锅炉的上部包含对流部。
图2a示出了某种程度上更复杂的结构，该结构只能通过根据本发明调节燃烧器2来实现。同样，硫经由管线1、1'给送到燃烧器2，空气或富氧空气则经由管线3、3'给送。
决定性因素在于：这里没有带砖衬的燃烧室4，而是燃烧器2与废热锅炉及其相关换热器布置在同一壳体中。
该设计本质上与图2b的设计相对应，在图2b中，首先经由管线7和管线10将部分生成的二氧化硫给送到换热器11，然后再给送到压缩机12，最后再经由管线16再循环到管线3和3'中。可以使用此种冷却后气体的再循环，以达到更高的SO2浓度，最高可达100％的体积百分比。
图2c示出了一种结构，其中，空气或富氧空气经由管线13和14在第一换热器上方引入***中，然后完成燃烧。第二换热器15位于该气体/空气输入部的上方。因此，提供了二级燃烧，布置在同一全长膜壳中。缺氧亚化学计量燃烧应用于低硫燃烧器2，使得包含SO2的气体也包含气态未燃烧硫S2，在添加空气/富氧空气之前在第一换热器处一般冷却至550至700℃。通过添加空气，S2气体随后完全氧化为SO2。因此，不仅第一燃烧级的燃烧温度保持较低，而且由于有限的氧含量也防止/减少了氮氧化物的形成。
图2d替代地示出了另外两个燃烧器2”和相应的硫供应管线1”的布置。因此，两种燃烧温度，即第一级和第二级，都可以保持在较低水平，并且都可以实现低氮氧化物值以及总燃烧气体的较高SO2浓度。
图3示出了根据本发明的燃烧器布置。反应器壁23形成具有中心点z的基底区域。燃烧器保持装置22安装在反应器壁23上，每个燃烧器安装成距所有其它燃烧器的距离相同。
中心轴线a定义为从燃烧器保持装置22到中心点z的最短连接。燃烧器保持装置22中的至少一个布置成使得燃烧器火焰在运行期间相对于中心轴线成角度α。
反应器壁23的至少一部分配备有管25作为膜壁24。
这种布置使全部燃烧空气和燃烧气体绕圈运动/旋转，从而改善了在进入下游对流部时气体的混合和流动的均匀性。结果，在燃烧器2附近区域中的传热由辐射主导，而在辐射区域上方/下游建立了对流区域。
倾斜角α可以从零度或几度变化到较大的值，例如15°。显然，本构思可以应用于所有其它形状的膜壁。
附图标记列表
1,1',1”管线
2,2',2”'燃烧器
3,3',3”,3”'管线
4燃烧室
4'收集室
5砖衬
6废热锅炉
7管线
9,10管线
11 换热器
12 压缩机
13,14 管线
15 第二换热器
16 管线
22,22'燃烧器保持装置
23 反应器壁
24 膜壁
25 管
a中心线
b基底区域
z中心点
α角度

Claims (9)

1.一种用于硫燃烧的反应器，反应器壁(23)形成对称的基底区域b，至少两个燃烧器分别利用燃烧器保持装置(22)来安装，所有燃烧器保持装置(22)相对于彼此具有相同的距离，每个燃烧器保持装置(22)相对于基底区域b的中心点z具有相同的距离，其特征在于，至少一个燃烧器保持装置布置成使得在运行期间燃烧器的火焰相对于中心轴线a成0°至45°之间的角度α，中心轴线a定义为燃烧器保持装置和中心点z之间的最短连接。
2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，基底区域b是正方形或圆形。
3.根据权利要求1或2所述的反应器，其特征在于，基底区域b是具有至少六条边的多边形，并且边的数量是燃烧器数量的倍数。
4.根据权利要求1或2所述的反应器，其特征在于，提供至少三个燃烧器。
5.根据权利要求1或2所述的反应器，其特征在于，反应器具有在废热锅炉处热量经由辐射来传递的第一区域和热量经由对流来传递的第二区域。
6.根据权利要求1或2所述的反应器，其特征在于，反应器壁至少部分地设计为膜壁(24)。
7.根据权利要求1或2所述的反应器，其特征在于，反应器具有两个换热器，在两个换热器之间引入附加的氧或设置附加的燃烧器。
8.根据权利要求1或2所述的反应器，其特征在于，提供至少一个控制单元，控制单元基于测量的温度来在角度α的范围内调节燃烧器保持装置，以使得热分布尽可能均匀，调节是基于存储的实验确定矩阵来进行。
9.一种用于硫燃烧的方法，其中，硫在至少两个燃烧器中燃烧，这些燃烧器安装在反应器壁上，反应器壁限定了对称平面图，各燃烧器之间的距离相同，其特征在于，至少一个燃烧器就其火焰方向而言布置成使得火焰方向相对于燃烧器保持装置和由反应器壁限定的基底区域b的中心点z之间最短连接的轴线a成0°至45°之间的角度α。
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