DE2257426C3

DE2257426C3 - Verfahren zur Erzeugung von SO 62°-haltigen Gasen

Info

Publication number: DE2257426C3
Application number: DE2257426A
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim 4620 Castrop-Rauxel Kümmel; Peter Dipl.-Ing. Dr. 5804 Herdecke Meurer
Original assignee: Uhde GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Priority date: 1972-11-23
Filing date: 1972-11-23
Publication date: 1982-10-21
Also published as: DE2257426A1; DK133426C; FR2207752A1; GB1449197A; FR2207752B1; DE2257426B2; ZA738868B; IT995530B; NL7312985A; BE807749A; DK133426B

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

Patentansprüche:

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.