DE2257426C3 - Verfahren zur Erzeugung von SO 62°-haltigen Gasen - Google Patents
Verfahren zur Erzeugung von SO 62°-haltigen GasenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von SOrhaltigen Gasen mit einer Temperatur entsprechend
der Anspringtemperatur der folgenden katalytischen Umwandlung zu SO3. SCVhaltige Gase werden in
der Rege! durch Verbrennen von Schwefel mit Luft erhalten.
Bei derartigen SO2-Erzeugungsverfahren ist es
erforderlich, einen wesentlichen Teil der Verbrennungswärme aus dem Gas zu entfernen, da die folgende
katalytische Umwandlung der SO2-Anteile zu SO3
zweckmäßig bei der jeweiligen Anspringtemperatur der Katalysatormasse beginnt. Die Anspringtemperatur
liegt in der Regel bei 400 bis 4500C.
Es ist bekannt, die SCVErzeugung derart durchzuführen,
daß der eingesetzte Schwefel und die Luft in einem Brenner gezündet werden und die Flamme dann in
einem Verbrennungsofen, der ausgemauert ist und für wirtschaftliche industrielle Anlagengrößen einen
Durchmesser von 3 m und mehr und eine Länge von 10 m und mehr liat, zur vollen Ausbildung kommt.
Diesem Verbrennungsofen folgt in der Regel ein Abhitzekessel zur Dampferzeugung, in welchem das
heiße Gas bis auf eine Temperatur unterhalb 4500C abgekühlt wird.
Um bei den herkömmlichen Verbrennungsofen nur geringe Wärmever'uste zu erhalten, werden sie zum
einen mit einer starkwandigen isolierenden Ausmauerung und zum anderen mit einer zusätzlichen Außenisolierung
um den Stahlmantel versehen. Infolge der großen Abmessungen des Verbrennungsofens werden
beträchtliche Inveütitionsmittel erforderlich.
Die Verbrennung wird in der Regel mit solch einem Luftüberschuß, der bei λ ungefähr 2,3 liegt, durchgeführt,
daß die Verbrennungsgase den Verbrennungsofen mit einer Temperatur unterhalb 1000°C verlassen. In dem
Abhitzekessel, der dem Verbrennungsofen nachgeschaltet ist, steht dann eine Temperaturdifferenz von max.
1000 -450 = 550°C zur Dampferzeugung zur Verfügung.
Infolge dieser geringen Temperaturdifferenz sind erhebliche Wärmeaustauscherflächen erforderlich. Der
hohe Luftüberschuß resultiert einmal aus der bereits bei der Verbrennung erfolgenden Zugabe des Reaktionssauerstoffs in Form von Luft für die später folgende
503-Reaktion und auf der Zugabe von weiterer Luft zur s Senkung der Gastemperatur im Verbrennungsofen.
Nach der DE-OS 19 48 754 wird versucht, die Temperatur der den Verbrennungsofen verlassenden
Gase bis auf etwa 16000C anzuheben durch unterstöchiometrische
Verbrennung des Schwefels mit Luft als Sauerstoffträger. In einem Abhitzekessel nach dem
Verbrennungsofen werden die SO2- und schwefeldampfhaltigen
Gase auf etwa 7500C abgekühlt Danach erfolgt bei weiterer Luftzugabe die Verbrennung des
restlichen Schwefeldampfes unter Temperaturerhöhung. In einer folgenden Mischvorrichtung wird die für
die SO3-BiIdung erforderliche Luftmenge zugegeben
und dadurch die Temperatur auf 4500C gesenkt. Nach dieser Veröffentlichung wird im Abhitzekessel nur die
Verbrennungswärme eines Teils des eingesetzten Schwefels teilweise ausgenutzt.
Nach der DE-OS 16 67421 werden zur Erzeugung
von Schwefeldioxyd schwefelhaltige Rohstoffe bei einem Luftüberschuß-Koeffizienten von /2=1,0 bis 1,6
verbrannt und in den Strom der Verbrennungsgase zusätzliche Luftmengen eingeführt, damit das für die
Oxydation zu Schwefeltrioxyd erforderliche Schwefeldioxyd-Sauerstoff-Verhältnis erreicht wird. Die Abfuhr
der Verbrennungswärme der ersten Oxydationsstufe erfolgt in einem der Brennkammer räumlich nachgeordneten
Abhitzekessel.
Aus der DE-OS 2 10 773 ist bekannt, Schwefel unter Druck und stöchiometrisch zu verbrennen. Dem die
Verbrennungszone verlassenden Gemisch wird sofort Sekundärluft zugemischt. Durch diese Maßnahme wird
das hohe Temperaturniveau der Verbrennung erniedrigt ohne optimal genutzt worden zu sein. Die
Brennkammer weist eine dickwandige Außenmauerung auf und am Brennkammerausgang schließt ein Wärmeaustauscher
an.
Zusammenfassend ergibt sich, daß in bekannten Verfahren bei überstöchiometrischer Verbrennung, d. h.
02-Überschuß, die Verbrennungsgase mit einer Temperatur von unterhalb 10000C in den Abhitzekessel
eintreten und bei unterstöchiometrischer Verbrennung unverbrannter Schwefel den Abhitzekessel durchströmt
und der verfügbare Teil seiner Verbrennungswärme nicht zur Dampferzeugung, sondern zur Aufheizung der
zugeführten restlichen Verbrennungsluft dient. Die bei der Erzeugung von SO2 aus der Verbrennung des
gesamten eingesetzten Schwefels mit einem sauerstoffhaltigen Gas anfallende Verbrennungswärme läßt sich
mittels bekannter Verfahren nicht bei optimaler Temperaturdifferenz gewinnen, bzw. die bei unterstöchiometrischer
Verbrennung verbleibende Verbrennungswärme der Rest-Schwefelmenge ist nicht zur Dampferzeugung nutzbar.
Es wurde gefunden, daß sich diese Nachteile vermeiden lassen, wenn das Verfahren zur Erzeugung
von SO2-haItigen Gasen mit einer Temperatur entsprechend der Anspringtemperatur der folgenden katalytischen
Umwandlung zu SO3, durch Verbrennen von Schwefel mit Sauerstoff oder stark sauerstoffhaltigen
Gasen derart durchgeführt wird, daß der gesamte, zur SO2-Erzeugung notwendige Schwefel stöchiometrisch
oder nahstöchiometrisch und unter einem Druck von mindestens 3 atü verbrannt wird und die Abfuhr
derjenigen Verbrennungswärmemenge, die oberhalb der für die Anspringtemperatur maßgeblichen Wärme-
menge liegt, sowohl im Bereich der Flamme als auch im
Bereich der abströmenden Heißgase durch eine als Wärmetauscher dienende, die Flamme und die Heißgase
umgebende Rohrwand, deren Rohre längs angeordnet und miteinander dicht verbunden sind, erfolgt
Unter stark sauerstoffhaltigen Gasen sind solche mit einem Sauerstoffgehalt von mehr als 50% und einem
Stickstoffgehalt von weniger als 50% zu verstehen. Der Stickstoff kann auch ersetzt werden durch ein anderes
inertes Verbrennungsgas.
Um die hohe Flammen- und Gastemperatur schnell abbauen zu können, wird das Verfahren so betrieben,
daß die Rohre des Wärmetauschers vom Kühlmittel in Strömungsrichtung der Flamme und der Heißgase
durchströmt werden.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der ausgemauerte Verbrennungsofen
nicht benötigt wird. Infolge der hohen Gastemperaturen ergeben sich verbesserte Wärmeübergangswerte,
wodurch die Wärmeaustauschflächen gering gehalten werden können. Die Schwefelverbrennungsanlage
wird dadurch kompakter. Die stöchiometrische Verbrennung zu SO2 liefert mehr verfügbare
Abwärme, da kein Ballast-Sauerstoff aufgeheizt werden muß. Außer geringeren Wärmeverlusten treten geringere
Fundamentbelastungen und ein geringerer Platzbedarf auf. Weiterhin kann dieses Verfahren bei
senkrechter Aufstellung der Verbrennungsanlage durchgeführt werden.
Da das Verfahren bei einem Druck oberhalb 3 atü betrieben wird, lassen sich zum einen bessere Wärmeübergangszahlen
für die Wärmeabfuhr erzielen und zum anderen ergibt sich eine Reduzierung der Apparateabmessungen.
Überraschenderweise zeigt sich als weiterer Vorteil, daß der NO-Gehalt der Verbrennungsgase trotz der
hohen Verbrennungstemperatur im gleichen ppm-Bereich liegt wie bei herkömmlichen Verfahren. Da die
erzeugte Gasmen,ge infolge Fehlen des Luftstickstoffes und infolge der Verbrennung bei λ von ungefähr 1
jedoch geringer ist, ist die effektive NO-Menge ebenfalls geringer. Die rasche Abkühlung der Verbrennungsgase
unterbindet vorzeitig die Gleichgewichtseinstellung der NO-Reaktion.
Die Verbrennung von Schwefel und Sauerstoff unter einem Druck von mindestens 3 atü, bringt darüber
hinaus den überraschenden Effekt, daß die Reaktionsflamme ein vermindertes Flammenvolumen aufweist
und dadurch das Brennkammervolumen unter Berücksichtigung der zulässigen Wärmestromdichten klein
gehalten werden kann.
Im allgemeinen ist es zweckmäßig, das erfindungsgemäße Verfahren in der Weise durchzuführen, daß der
gesamte zu verbrennende Schwefel und der Sauerstoff oder die stark sauerstoff haltigen Gase dem Brenner
zugeführt werden. Die Verbrennung soll praktisch stöchiometrisch geführt werden, d. h. mit dem aus
technischen Gründen geringstmöglichen Sauerstoff-Überschuß. Die vor dem Brenner stehende Flamme ist
von einem Verbrennungsraum umgeben, der durch Wärmeaustauscherrohre gebildet wird, durch welche
das Wämeübertragungsmedium, in der Regel Speisewasser
oder verdampfendes Wasser, strömt. Die Wärmeabfuhr erfolgt dadurch unmittelbar an das
Wärmeübertragungsmedium. Die SO2-haltigen Gase verlassen mit einer Temperatur um etwa 45O0C die
Verbrennungs- und Wärmeaustauschereinrichtung.
Claims (2)
1. Verfahren zum Erzeugen von SCVhaltigen Gasen mit einer Temperatur entsprechend der
Anspringtemperatur der folgenden katalytischen Umwandlung zu SO3 durch Verbrennung von
Schwefel mit Sauerstoff oder stark sauerstoffhaltigen Gasen, dadurch gekennzeichnet, daß
der gesamte zur SO2-Erzeugung notwendige Schwefel
stöchiometrisch oder nahstöchiometrisch und unter einem Druck von mindestens 3 atü verbrannt
wird und die Abfuhr derjenigen Verbrennungswärmemenge, die oberhalb der für die Anspringtemperatur
maßgeblichen Wärmemenge liegt, sowohl im Bereich der Flamme als auch im Bereich der
abströmenden Heißgase durch eine als Wärmetauscher dienende, die Flamme und die Heißgase
umgebende Rohrwand, deren Rohre längs angeordnet und miteinander dicht verbunden sind, erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel die Rohre des
Wärmetauschers in Strömungsrichtung der Flamme und der Heißgase durchströmt.
Priority Applications (8)
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