CN113023685B - 一种克劳斯硫磺回收再热装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种克劳斯硫磺回收再热装置和方法，通过在冷凝器和克劳斯反应器之间设置催化氧化加热器，利用过程气中硫化氢在催化氧化反应器内发生氧化反应产生的热量升温，达到克劳斯转化反应必要的温度。本发明大幅简化了工艺流程，简化了克劳斯硫磺回收工艺的设备和管线布置，比起常规的再热方式有着特殊的优势，更有利于克劳斯硫磺技术的小型化、模块化、经济化。

Description

一种克劳斯硫磺回收再热装置和方法

技术领域

本发明属于克劳斯硫磺回收领域，特别涉及一种克劳斯硫磺回收再热装置和方法。

背景技术

克劳斯硫磺回收工艺是处理精细化工、煤化工、焦化、炼油等行业含硫化氢酸性气的重要技术路线，可以利用硫化氢生产出优质的硫磺产品。它的主要反应方程如下：

2H₂S + 3O₂ → 2H₂O + 2SO₂

2H₂S + SO₂ ⇋ 3S + 2H₂O

由于上述克劳斯反应是个平衡可逆反应，为了提高硫磺回收率，必须通过多次的冷却、加热、反应过程才能满足工业要求，业界通常使用的有两级或三级克劳斯反应过程。再次加热的目的是为了满足克劳斯反应的温度要求，目前业界常规使用的过程气再热方式有高温掺和阀旁路再热、在线炉再热、蒸汽加热、电加热、过程气气/气换热等，这些加热方法各有其优缺点和应用场合。

掺和阀旁路再热法，即是在燃烧炉后部设置高温掺和口，将燃烧炉内的高温过程气放出一部分与硫冷凝器出口的低温过程气与进行混兑、使低温过程气升温。该再热方法结构最简单，投资最省，在中小型硫磺回收装置上得到了广泛的应用，但由于该阀直接承受高温气体冲蚀及硫腐蚀等，高温掺合阀的阀芯很容易损坏，硫回收装置的长周期运行无法保证。

在线炉再热法一般是在在线炉中次当量燃烧燃料气产生高温烟气，然后混兑进入硫冷凝器出口的低温过程气中进行加热。该方式调节比较灵活、快速，升温幅度保证度较高。其缺点一是增加了燃料气的消耗，二是由于酸性气以及燃料气成分的波动，使得次当量燃烧在控制上存在难度，经常会出现碳的析出或者氧气的溢出，影响下游克劳斯催化剂的性能。目前新建的硫回收装置已经较少采用在线炉。

采用中压蒸汽间接加热过程气是目前业界采用较多的方法，即设置管束式换热器，利用中压蒸汽对过程气进行再热。该再热方式再热效果好，热源稳定。其缺点是工艺流程稍显复杂，过程气压降偏大，对于一些中小规模的装置其经济性受到影响。

除了上述比较常用的再热方式外，业界也还存在其它几种再热方式，例如利用反应器出口过程气进行气/气换热、电加热等，但由于各自显而易见的缺点，其使用并不广泛。目前采用最多的加热方式仍然为高温热掺和、蒸汽换热及在线炉几种，但均存在一定的不足。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种克劳斯硫磺回收再热装置和方法，该装置大幅简化了工艺流程，简化了克劳斯硫磺回收工艺的设备和管线布置，比起常规的再热方式有着特殊的优势，更有利于克劳斯硫磺技术的小型化、模块化、经济化。

本发明提供了一种克劳斯硫磺回收再热装置，包括依次连接的酸性气燃烧炉、蒸汽发生器、冷凝器、催化氧化加热器和克劳斯反应器（冷凝器、氧化器和反应器依据硫回收率确定是一级还是二级或三级等）；含H₂S的酸性气进入所述酸性气燃烧炉部分燃烧产生的过程气经过所述蒸汽发生器、所述冷凝器降温冷凝后，与定量空气在所述催化氧化加热器中反应后再进入所述克劳斯反应器进行克劳斯转化反应。

进一步的，所述催化氧化加热器的级数根据克劳斯反应器的级数确定，可以为一级，二级或三级等。

进一步的，所述催化氧化加热器内的催化剂由Ti、Fe、Si、V₂O₅、Al₂O₃中的一种或几种组成。催化剂的种类和数量由过程气的流量、组分等来计算确定。

进一步的，所述克劳斯反应器连接有相应的冷凝器，各级克劳斯转化反应后经过相应的冷凝器冷凝的过程气经过捕集器再进入尾气处理单元。

进一步的，设置液硫池收集所述蒸汽发生器得到的硫磺、所述冷凝器得到的硫磺、所述克劳斯转化反应经过冷凝得到的硫磺和所述捕集器得到的硫磺。

进一步的，所述定量空气一并由鼓风机提供。

本发明还提供了一种克劳斯硫磺回收再热方法，包括：

将含H₂S的酸性气进入酸性气燃烧炉，燃烧后的过程气进入蒸汽发生器降温并副产中压饱和蒸汽（该蒸汽压力可根据厂区管网情况进行调整），随后过程气进入冷凝器进一步降温，之后过程气与定量空气在所述催化氧化加热器中反应，反应放出的热将过程气升温至克劳斯转化反应必要的温度再进入克劳斯转化反应器，克劳斯转化反应后经过冷凝的过程气经过捕集器再进入尾气处理单元，即可。

所述燃烧后的过程气温度为1000℃-1300℃；所述蒸汽发生器降温后的过程气温度为320℃-330℃；所述冷凝器降温后的过程气温度为160℃-170℃。

所述定量空气指通过控制进入催化氧化加热器空气的流量来控制催化氧化反应的程度，进而控制过程气升温幅度。

本发明过程气中0.6％(体积分数)的H₂S氧化为SO₂时，即可使过程气产生所需要的约60℃的温升，由于燃烧炉出来的过程气中硫化氢体积分数约为5%-7%，因此可以确保各级催化氧化反应能释放处足够的热量满足克劳斯反应器的需要。通过精确控制进入各级催化氧化反应器空气的流量来控制反应的程度，从而达到控制各级过程气升温幅度的目的。同时，催化氧化加热器设置多组测温点，实时监测催化氧化加热器出口温度，并将反应器出口温度-反应器空气进料流量进行串级控制，实现精确控制催化加热的温度以满足下游克劳斯反应要求。优选的，控制进入一级克劳斯反应器的过程气温度为230-240℃，二级克劳斯反应器的过程气温度为220-230℃，三/四级克劳斯反应器的过程气温度为200℃左右（如果有第三/四级）。

有益效果

1)本发明取消了常规克劳斯工艺中再热设备，采用催化氧化加热器代替传统硫回收装置中的再热器对过程气进行再热；

2)本发明实施过程中可以将催化氧化加热器和克劳斯反应器组合成一台设备，因此全部装置可以减少1~3台蒸汽再热器，可有效简化工艺流程并减小装置占地面积；或者避免了采用高温掺和阀，既简化了工艺管线的布置，又避免了使用低寿命的高温掺和阀，能够确保装置的长周期运行，尤其适用于中小规模硫磺回收装置；

3)本发明催化氧化加热器内装填的催化剂，启动温度低，对硫蒸汽、高含量的H₂O均不敏感，抗硫酸盐化性能优异，使用寿命长且性能稳定；

4)本发明并不改变克劳斯总体工艺中对H₂S:SO₂比值的要求，既能应用于传统的克劳斯硫回收工艺H₂S:SO₂=2:1情况，也能应用于超级克劳斯工艺路线中H₂S:SO₂＞2:1情况。

5)由于本发明采用的是过程气中的H₂S的进一步催化氧化，避免了高温掺和阀工艺中主燃烧炉所需要旁路的未经充分反应的H₂S、SO₂以及硫蒸汽等，因此本发明的克劳斯硫回收率会高于高温掺和阀工艺，而接近蒸汽加热工艺的硫回收率。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的工艺流程示意图。

图2为实施例1的工艺流程示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本领域的技术人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，在本领域普通技术人员没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

实施例1

以1万吨/年的硫回收装置，采用二级克劳斯工艺为例，本发明具体实施方式如下，如图2所示：

将含H₂S的酸性气进入酸性气燃烧炉1内，入酸性气燃烧炉1的空气由鼓风机11提供，空气分为主调风和微调风两路进行调节，主调风与酸性气量构成比例关系，微调风则根据设置在捕集器10出口管线上的H₂S/SO₂比值仪的H₂S/SO₂比例信号进行精确调节。通过主风和微调风调节，使酸性气在主燃烧炉内燃烧约1/3、比值仪显示H₂S:SO₂＞2:1，满足克劳斯反应要求。燃烧后的1000-1300℃的高温过程气进入蒸汽发生器2降温至320℃，并副产4.0MPaG中压饱和蒸汽并入厂区蒸汽管网。

蒸汽发生器2出口320℃的过程气进入一级硫冷凝器3降温至170℃并冷凝分离出硫磺，之后过程气进入一级催化氧化加热器4，与鼓风机11输送的定量空气在一级催化氧化加热器4内发生催化氧化反应，其主要反应方程式如下：

2H₂S + 3O₂ → 2SO₂ + 2H₂O

2H₂S + O₂ → 2S + 2H₂O

一级催化氧化加热器4内反应生成的热将过程气温度升高至230℃后进入一级克劳斯反应器5，在一级克劳斯反应器5内克劳斯催化剂的作用下，H₂S与SO₂反应生成单质硫。

出一级反应器5的320℃的过程气进入二级硫冷凝器6降温至170℃并冷凝分离出硫磺，之后过程气进入二级催化氧化加热器7，过程气与鼓风机11输送的定量空气混合后进入二级催化氧化加热器7，在二级催化氧化加热器7内发生催化氧化反应，其主要反应方程式如下：

2H₂S + 3O₂ → 2SO₂ + 2H₂O

2H₂S + O₂ → 2S + 2H₂O

二级催化氧化加热器7内反应生成的热能将过程气温度提高至230℃后进入二级克劳斯反应器8。在二级克劳斯反应器8内克劳斯催化剂的作用下，H₂S与SO₂反应生成单质硫，进一步提高硫回收率。

出二级反应器8的250℃的过程气进入三级硫冷凝器9深冷降温至135℃并冷凝分离出硫磺，之后过程气经捕集器10进一步捕集过程气中的硫磺后进入后续的尾气处理单元。

本实施例中，所述1万吨/年的硫回收装置的4.0MPaG中压蒸汽产量在2500-2800kg/h,该中压蒸汽可以并入厂区管网用来发电，或供其他装置使用。

本实施例中，可以将过程气再热器和反应器组合成一台设备，采用催化氧化反应器（加热器）+克劳斯反应器组合的结构，全部克劳斯部分因此可以减少2台蒸汽再热器，可有效简化工艺流程并减小装置占地面积。比起高温掺和阀再热流程，既简化了工艺管线的布置，又避免了使用低寿命的高温掺和阀，因此能够确保装置的长周期运行。

本实施例中，在一/二级催化氧化加热器（4、7）出口处，设置过程气温度计，根据过程气温度计的读数定量控制过程气中补入的空气量，控制进入一级克劳斯反应器5的过程气温度为230-240℃，控制进入二级克劳斯反应器8的过程气温度为220-230℃。

本实施例中，一/二级催化氧化加热器（4、7）内装填催化氧化催化剂，主要由Ti、Fe、Si、V₂O₅、Al₂O₃等活性组分中的一种或几种组成，该催化剂对硫蒸汽、高含量的H₂O均不敏感，抗硫酸盐化性能优异，催化氧化反应的启动温度低，寿命通常＞5年。

本实施例的装置和工艺能实现的硫回收率约在96%-97%左右，高于传统的高温热掺和再热工艺，与蒸汽加热的工艺大致相当。为了满足更严格的排放指标，采用本发明的克劳斯装置可以与常规的超级克劳斯、超优克劳斯、加氢还原吸收工艺（SCOT）或其它尾气净化工艺进行联合使用。

Claims (8)

1.一种克劳斯硫磺回收再热装置，其特征在于：包括依次连接的酸性气燃烧炉、蒸汽发生器、冷凝器、催化氧化加热器和克劳斯反应器；含H₂S的酸性气进入所述酸性气燃烧炉部分燃烧产生的过程气经上述蒸汽发生器和冷凝器降温冷凝后，与定量空气在所述催化氧化加热器中反应后再进入所述克劳斯反应器进行克劳斯转化反应；其中，所述催化氧化加热器内的催化剂由Ti、Fe、Si、V₂O₅、Al₂O₃中的一种或几种组成。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述催化氧化加热器的级数根据克劳斯反应器的级数确定，为一级，二级或三级。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述克劳斯反应器连接有相应的冷凝器，各级克劳斯转化反应后经过相应的冷凝器冷凝的过程气经过捕集器再进入尾气处理单元。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：设置液硫池收集所述蒸汽发生器得到的硫磺、所述冷凝器得到的硫磺、所述克劳斯转化反应经过冷凝得到的硫磺和所述捕集器得到的硫磺。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述定量空气一并由鼓风机提供。

6.一种克劳斯硫磺回收再热方法，用于控制权利要求1至5任一所述克劳斯硫磺回收再热装置，该方法步骤包括：将含H₂S的酸性气进入酸性气燃烧炉，燃烧后的过程气进入蒸汽发生器降温并副产中压饱和蒸汽，随后过程气进入冷凝器进一步降温，之后过程气与定量空气在所述催化氧化加热器中反应，反应放出的热将过程气升温至克劳斯转化反应必要的温度再进入克劳斯转化反应器，克劳斯转化反应后经过冷凝的过程气经过捕集器再进入尾气处理单元；其中，所述催化氧化加热器内的催化剂由Ti、Fe、Si、V₂O₅、Al₂O₃中的一种或几种组成。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述燃烧后的过程气温度为1000℃-1300℃；所述蒸汽发生器降温后的过程气温度为320℃-330℃；所述冷凝器降温后的过程气温度为160℃-170℃。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述定量空气指通过控制进入催化氧化加热器空气的流量来控制催化氧化反应的程度，进而控制过程气升温幅度。

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