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Diese Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Behandeln eines
brennbaren Gasstroms, der Schwefelwasserstoff enthält. Schwefelwasserstoff enthaltende
Gasströme (manchmal als "saure Gasströme" bezeichnet) werden typischerweise in
Ölraffinerien und Erdgasverarbeitungsanlagen gebildet. Solche Ströme können nicht direkt in die
Atmosphäre entlüftet werden, da Schwefelwasserstoff umweltschädlich ist. Ein
herkömmliches Verfahren zum Behandeln eines Schwefelwasserstoffgasstroms (der
gewünschtenfalls vorkonzentriert worden ist) ist der Claus-Prozeß. Bei diesem Prozeß wird ein Teil des
Schwefelwasserstoffgehalts des Gasstroms der Verbrennung in einem Ofen unterzogen,
um so Schwefeldioxid zu bilden. Das Schwefeldioxid reagiert dann in dem Ofen mit
restlichem Schwefelwasserstoff und bildet so Schwefeldampf. Die Reaktion zwischen
Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid braucht nicht vollständig abzulaufen. Der Abgasstrom
aus dem Ofen wird abgekühlt, und Schwefel wird typischerweise durch Kondensation aus
dem abgekühlten Abgasstrom extrahiert. Der resultierende Gasstrom, der noch restlichen
Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid enthält, gelangt durch eine Kette von Stufen, in
denen eine katalysatorgestützte Reaktion zwischen dem restlichen Schwefelwasserstoff
und dem restlichen Schwefeldioxid stattfindet. Der resultierende Schwefeldampf wird
stromab jeder solchen Stufe extrahiert. Das Abgas aus der stromabwärtigsten
Schwefelextraktion kann verbrannt oder einer weiteren Behandlung unterzogen werden, beispielsweise
durch den SCOT- oder BEAVON-Prozeß, um einen Gasstrom zu bilden, der sicher in die
Atmosphäre entlüftet werden kann.
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Luft kann zur Unterstützung der Verbrennung des Schwefelwasserstoffs im anfänglichen
Teil des Prozesses benutzt werden. Die Stöchiometrie der Reaktionen, die stattfinden, ist
derart, daß verhältnismäßig große Volumen von Stickstoff (der natürlich in der die
Verbrennung unterstützenden Luft vorhanden ist) durch den Prozeß hindurchströmen und
deswegen eine obere Begrenzung für den Durchsatz bilden, mit welchem der
Schwefelwasserstoff enthaltende Gasstrom in einem Ofen gegebenen Größe behandelt werden kann.
Diese obere Grenze kann durch Verwendung kommerziell reinen Sauerstoffs oder von
Sauerstoff angereicherter Luft zur Unterstützung der Verbrennung des
Schwefelwasserstoffs angehoben werden.
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Die meisten Claus-Anlagen sind mit geraden zylindrischen Öfen ausgestattet, die ein
Verhältnis von Länge zu Innendurchmesser im Bereich von 2 bis 4 haben. Die Öfen werden
typischerweise kreuzweise oder tangential durch einen Brenner oder durch Brenner
befeuert, die an der Seite montiert sind. Quer oder tangential betriebene Brenner erreichen eine
gute Vermischung der reagierenden chemischen Spezien. Gewünschtenfalls kann die
Durchmischung durch Ausrüsten des Ofens mit Leitblechen oder Schachbrettwänden
gesteigert werden.
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Ein besonderer Nachteil solcher Quer- oder Tangentialbrenneranordnungen liegt darin,
daß, wenn kommerziell reiner Sauerstoff oder Sauerstoff-angereicherte Luft zur
Unterstützung der Verbrennung des Schwefelwasserstoffs eingesetzt wird, eine ziemlich hohe
Gefahr der Beschädigung der feuerfesten Auskleidung durch den resultierenden Anstieg der
Flammentemperatur geschaffen wird. Es gibt im Stand der Technik eine Anzahl von
Vorschlägen, um dieses Problem zu lösen. Einige Vorschläge betreffen das Einleiten von
Flammenmoderatoren wie beispielsweise Wasser in den Ofen; andere beinhalten das
Rezirkulieren des Ofengases aus einem stromabwärtigen Teil der Anlage, um die Temperatur
im Ofen abzusenken; und noch weitere verwenden eine Mehrzahl von Öfen, um das
Ausmaß der Verbrennung zu begrenzen, das in jedem einzelnen Ofen durchgeführt wird,
wodurch die Notwendigkeit für einen externen Flammenmoderator oder zum Rezirkulieren
von Gas von einem stromabwärtigen Teil des Ofens vermieden wird. Alle diese
Vorschläge vergrößern jedoch die Komplexität der Anlage.
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Ein Weg zur Verringerung der Gefahr der Beschädigung der feuerfesten Auskleidung,
wenn kommerziell reiner Sauerstoff oder Sauerstoff-angereicherte Luft zur Unterstützung
der Verbrennung des Schwefelwasserstoffs verwendet wird, ist das Einsetzen von axial
bzw. in Längsrichtung feuernden Brennern, die an der Rückwand montiert sind, anstatt von
quer- oder tangential feuernden Brennern, die an der Seite des Ofens montiert sind. Solche
axial bzw. in Längsrichtung feuernden Brenner ergeben, wie sich gezeigt hat,
vergleichbare mittlere Verweilzeiten wie bei quer- oder tangential befeuerten Brennern
(typischerweise 1 bis 2 Sekunden) beim Auslegungsdurchsatz.
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Die Verwendung solcher axial- oder längsweise befeuerten Brenner ist in der europäischen
Patentanmeldung 0 315 225 A beschrieben, wo ein mittiges Rohr für Sauerstoff,
mindestens ein zweites Rohr für Schwefelwasserstoff enthaltendes Speisegas, welches koaxial das
mittige Rohr umgibt, und ein externes koaxiales Rohr für Luft vorhanden ist. Der Brenner
wird eingesetzt, wenn das Schwefelwasserstoff-Speisegas mindestens 5 Volumenprozent
Kohlenwasserstoffe oder Kohlendioxid enthält. Die Sauerstoffgeschwindigkeit am Auslaß
des Brenners liegt im Bereich von 50 bis 250 Meter pro Sekunde, und die entsprechende
Speisegasgeschwindigkeit liegt im Bereich von 10 bis 30 Meter pro Sekunde. Im Kern der
Brennerflamme werden Temperaturen im Bereich von 2000 bis 3000ºC erzeugt, und ein
Gasgemisch mit einer Temperatur im Bereich von 1350 bis 1650ºC verlässt den Ofen. Das
Gasgemisch enthält mindestens zwei Volumenprozent Kohlenmonoxid und mindestens 8
Volumenprozent Wasserstoff.
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Die WO-A-96/26157 beschreibt ebenfalls die Verwendung eines axial bzw. längsweise
befeuerten Brenners im Claus-Prozeß. Etwa parallele Strömungen eines ersten Gases, das
Schwefelwasserstoff enthält, und eines zweiten Gases, das mit Sauerstoff angereichert ist,
werden zur Brennerspitze zugeführt. Das Verhältnis der Geschwindigkeit des ersten Gases
zur Geschwindigkeit des zweiten Gases wird so gewählt, daß es im Bereich von 0,8 : 1 bis
1,2 : 1 liegt. Bei typischen Beispielen brennt der Brenner in Längsrichtung in einen Ofen
mit einer Länge von 8 Meter und einem Durchmesser von 1,5 Meter. Der Durchmesser des
Brenners beträgt 0,4 Meter.
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Wir haben festgestellt, daß ein Problem auftritt, wenn ein axial oder längsweise befeuerter
Brenner in einem Claus-Ofen eingesetzt wird. Dieses Problem besteht darin, daß eine
beträchtliche Kurzschlussströmung von Gasmolekülen von der Brennerdüse zum Ofenauslaß
auftritt. Darüber hinaus hat das Vorsehen von Leitblechen oder Schachbrettwänden
innerhalb des Ofens nur wenig Einfluß in Bezug auf eine Verringerung dieser
Kurzschlussströmung. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Einrichtung zum
Behandeln eines brennbaren Gasstroms zu schaffen, der Schwefelwasserstoff enthält,
womit dieses Problem gelöst oder abgeschwächt wird.
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Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zum Behandeln eines brennbaren Gasstroms
vorgesehen, der Schwefelwasserstoff enthält, welches das Verbrennen eines Teils des
Schwefelwasserstoffgehalts des Gasstroms zur Bildung von Schwefeldioxid in einer
Flammenzone umfasst, die sich im wesentlichen in Längsrichtung innerhalb eines Ofens von einer
Wurzel an oder nahe dessen stromaufwärtigen Ende in Richtung zu einem Auslaß an
dessen stromabwärtigem Ende erstreckt, was den Eintritt von Sauerstoffmolekülen in die
Flammenzone zur Unterstützung der Verbrennung von Schwefelwasserstoff darin bewirkt,
um so Schwefeldioxid und Wasserdampf zu bilden, und wobei unter einer Temperatur von
mindestens 1700ºC innerhalb der Flammenzone ein oder mehrere relativ sauerstoffarme
endotherme Schwefelwasserstoff-Dissoziationsbereiche erzeugt werden, in welchen
Schwefeldampf durch thermische Dissoziation gebildet wird und ein oder mehrere relativ
sauerstoffreiche intensive Verbrennungsbereiche erzeugt werden, die restlichen
Schwefelwasserstoff innerhalb des Ofens mit dem Schwefeldioxid reagieren lassen, um so weiteren
Schwefeldampf zu erzeugen, weiter das Abziehen eines Abgasstroms, der Schwefeldampf,
Wasserdampf, Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid enthält, aus dem genannten
Auslassende des Ofens, und die Rückgewinnung von Schwefel aus dem Abgasstrom umfasst,
wobei der Ofen länglich ist und ein Seitenverhältnis von mindestens 6 : 1 hat, und wobei die
Flammenzone von ihrer Wurzel aus divergiert, so daß sie an ihrem minimalen Querschnitt
mindestens 80% des des damit koplanaren Ofeninnenquerschnitts einnimmt.
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Die Erfindung beinhaltet auch eine Einrichtung zum Behandeln eines brennbaren
Gasstroms, der Schwefelwasserstoff enthält, mit einem Ofen zur Bildung von Schwefeldampf
durch Reaktion von Schwefelwasserstoff mit Schwefeldioxid, einem Brenner, der so
positioniert ist, daß er eine längs in den Ofen ragende Flamme erzeugen kann, und der so
betrieben wird, daß er im Betrieb eine Flammenzone erzeugt, die in Längsrichtung innerhalb
des Ofens von einer Wurzel an oder nahe dessen stromaufwärtigem Ende zu einem Auslaß
an dessen stromabwärtigem Ende hin verläuft, mindestens einem ersten Einlaß für den
genannten brennbaren Gasstrom im Zusammenhang mit dem Brenner, mindestens einem
zweiten Einlaß für ein Sauerstoffmoleküle enthaltendes Gas zum Eintritt in die
Flammenzone zur Unterstützung der Verbrennung darin, wobei der erste und der zweite Einlaß und
der Brenner so angeordnet sind, daß im Betrieb ein Teil des Schwefelwasserstoffs zur
Bildung von Schwefeldioxid verbrennt und ein oder mehrere relativ sauerstoffarme,
endotherme thermische Schwefelwasserstoff-Dissoziationsbereiche innerhalb der Flammenzone
erzeugt werden, in denen Schwefel durch die thermische Dissoziation gebildet wird, und
ein oder mehrere relativ sauerstoffreiche intensive Verbrennungsbereiche erzeugt werden,
einem Auslaß aus dem Ofen an dessen stromabwärtigen Ende für einen Abgasstrom, der
Schwefelwasserstoff, Schwefeldioxid, Wasserdampf und Schwefeldampf enthält, und
Mitteln zum Abziehen des Schwefeldampfs aus dem Abgasstrom, wobei der Ofen ein
Seitenverhältnis von mindestens 6 : 1 hat und der Brenner und seine Einlässe so angeordnet sind,
daß im Betrieb die Flammenzone von ihrer Wurzel aus divergiert, so daß sie an ihrem
maxiamalen Querschnitt mindestens 80% des damit koplanaren Innenquerschnitts des Ofens
einnimmt.
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Das Seitenverhältnis eines zylindrischen Ofens ist das Verhältnis seiner (axialen) inneren
Länge zum Innendurchmesser. Das Seitenverhältnis eines parallelepipedförmigen Ofens ist
das Verhältnis seiner (axialen) inneren Länge zur halben Summe seiner inneren Höhe und
inneren Breite. Bezugnahmen auf die Querschnittsfläche des Ofens beziehen sich auf
Querschnitte senkrecht zur Längsachse des Brenners.
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Indem man die Flamme schnell expandieren und im wesentlichen den gesamten
Querschnitt des Ofeninneren ausfüllen läßt, kann eine hohe mittlere Molekülverweilzeit,
typischerweise im Bereich von 2 bis 3 Sekunden, erreicht werden, ohne daß eine wesentliche
Kurzschlussströmung von Gasmolekülen von der Brennerspitze zum Ofenauslaß auftritt.
Die Umwandlung von Schwefelwasserstoff zu Schwefel wird dadurch gesteigert.
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Trotz der Tatsache, daß die Flamme im wesentlichen zum Ausfüllen des gesamten
Querschnitts des Ofeninneren expandiert, sind das Verfahren und die Einrichtung besonders
dann zum Einsatz geeignet, wenn mindestens einige der Sauerstoffmoleküle aus einer
Quelle kommerziell reinen Sauerstoffs oder Sauerstoff angereicherter Luft in die
Flammenzone zugeführt werden. Drei diskrete Mechanismen tragen zur Mäßigung der
Ofenauskleidungstemperaturen bei, mit dem Ergebnis, daß das Verfahren und die Einrichtung
nach der Erfindung bei einer gegebenen Auskleidungstemperatur mit einem
verhältnismäßig hohen Verhältnis von Sauerstoffmolekülen zu Stickstoffmolekülen im Vergleich zu
vorbekannten Verfahren betrieben werden können.
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Der erste dieser Mechanismen ergibt sich aus dem Seitenverhältnis des Ofens. Ein
länglicher Ofen mit einem Seitenverhältnis von mindestens 6 : 1 hat im Vergleich zu einem
verhältnismäßig kurzen dicken Ofen der typischerweise verwendeten Bauart eine
verhältnismäßig kurze mittlere Strahlenlänge für Strahlung. Tatsächlich hat ein zylindrischer Ofen
mit einem Seitenverhältnis von 2 : 1 oder größer eine mittlere Strahlenlänge, die annähernd
dem Ofendurchmesser entspricht. Daher ist das mittlere Gasemissionsvermögen und die
Strahlungswärmeübertragungsrate der Flamme zur Ofenauskleidung verhältnismäßig niedrig
mit dem Effekt, die Wärme über eine gesteigerte Ofenlänge innerhalb der Gase zu
halten. Diese Wärme kann dann in den endothermen Dissoziationsreaktionen absorbiert
werden, insbesondere der Zersetzung von Schwefelwasserstoff. Die Verminderung der
mittleren Strahlenlänge für Strahlung ermöglicht es, höhere Temperaturen in den
sauerstoffreichen Zonen der Flamme zu erzeugen, als es ansonsten ohne Beschädigung der feuerfesten
Ofenauskleidung möglich wäre.
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Der zweite der Mechanismen, der zur Mäßigung der Ofenauskleidungstemperatur beiträgt,
liegt einfach darin, daß ein Ofen mit großem Seitenverhältnis eine größere
Außenwandfläche als ein kürzerer dickerer Ofen gleichen Volumens hat und dadurch im Betrieb einer
größeren Wärmeverlustrate unterliegt. (Wenn das Verfahren nach der Erfindung mit Luft
als einziger Quelle von Sauerstoffmolekülen zur Verbrennung des Schwefelwasserstoffs
betrieben wird, kann es sogar wünschenswert sein, eine Wärmeisolation für den Ofen
vorzusehen, um sicher zu stellen, daß die Wände auf einer ausreichend hohen Temperatur
(mindestens 140ºC und vorzugsweise mindestens 190ºC) gehalten werden, um eine
Säurekondensation auf den Innenwandflächen zu vermeiden.)
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Der dritte der Mechanismen, die zur Mäßigung der Ofenauskleidungstemperatur beitragen,
ist die Erzeugung eines sauerstoffarmen Bereichs oder solcher Bereiche innerhalb der
Flammenzone, in welchen eine thermische Dissoziation von Schwefelwasserstoff
stattfindet. Die thermische Dissoziation ist endotherm und hat dadurch eine Kühlwirkung auf die
Flamme. Darüber hinaus, weil Schwefeldampf direkt durch die thermische Dissoziation
von Schwefelwasserstoff gebildet wird, wird die Menge von durch Reaktion von
Schwefeldioxid mit Schwefelwasserstoff gebildetem Schwefeldampf verringert. Es besteht daher
ein verringerter Bedarf nach Schwefeldioxid und folglich müssen weniger
Sauerstoffmoleküle bereit gestellt werden. Mit anderen Worten, der temperaturdämpfende Effekt des
Erzeugens eines sauerstoffarmen thermischen Schwefelwasserstoff-Dissoziationsbereichs ist
zweifach. Erstens ist ein direkter Kühleffekt wegen der endothermen Natur der
thermischen Dissoziation vorhanden. Zweitens ist der Bedarf für Sauerstoff verringert und
folglich wird die durch die Verbrennung von Schwefelwasserstoff erzeugte Wärme verkleinert.
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Das Ergebnis dieser drei Mechanismen liegt darin, daß für eine gegebene
Zusammensetzung des brennbaren Gasstroms, der Schwefelwasserstoff enthält, es möglich wird, weniger
Stickstoffmoleküle mit den Sauerstoffmolekülen zuzuführen, die zur Unterstützung der
Verbrennung des Schwefelwasserstoffs eingesetzt werden, das heißt der Anteil der
sauerstoffinoleküle, die von einer Quelle kommerziell reinen Sauerstoffs zugeführt werden
können, kann im Vergleich zu vergleichbaren bekannten Prozessen erhöht werden.
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Ein weiter Bereich von Techniken kann angewendet werden, um den oder die
sauerstoffarmen thermischen Schwefelwasserstoff-Dissoziationsbereich bzw. -Bereiche und
sauerstoffreichen Schwefelwasserstoff-Verbrennungsbereich bzw. -Bereiche zu erzeugen. (Es
versteht sich, daß eine gewisse Verbrennung auch in dem oder den Dissoziationsbereich
bzw. -Bereichen und eine gewisse thermische Dissoziation von Schwefelwasserstoff auch
in dem oder den Verbrennungsbereich bzw. -Bereichen stattfinden kann.) Insbesondere
kann die Verbrennung stufenweise erfolgen. Beispielsweise kann Schwefelwasserstoff in
zwei radial beabstandete Bereiche der Flamme an deren proximalen Ende eingeleitet
werden, um so zwei diskrete Schwefelwasserstoffströmungen zu erzeugen, und die Zufuhr von
Sauerstoffmolekülen kann so angeordnet werden, daß ein überwiegender teil der
Sauerstoffinoleküle mit der einen Strömung, aber nicht mit der anderen vermischt wird.
Alternativ oder zusätzlich können nur einige der Sauerstoffmoleküle am proximalen Flammenende
eingeleitet werden. Der Rest der Sauerstoffmoleküle kann an einer oder mehreren
beabstandeten Stellen stromab der Flammenwurzel zugeführt werden. Eine oder mehrere
Sauerstofflanzen können für diesen Zweck eingesetzt werden.
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Der oder die sauerstoffarmen thermischen Schwefelwasserstoff-Dissoziationsbereich bzw.
-Bereiche hat bzw. haben vorzugsweise ein Molverhältnis von Schwefelwasserstoff zu
Sauerstoff von mehr als 2,5 : 1, mehr vorzugsweise von größer als 4 : 1. Der oder die
sauerstoffreichen Verbrennungsbereich bzw. -Bereiche hat bzw. haben vorzugsweise ein
Molverhältnis von Schwefelwasserstoff zu Sauerstoff von weniger als 1,8 : 1.
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Die Länge der Flammenzone beträgt vorzugsweise 40 bis 60% der axialen Länge des
Ofens. Die genaue Länge der Flammenzone wird durch die physikalische Auslegung und
die Ärodynamik des Brenners und dadurch bestimmt, ob Sauerstoff direkt in die Flamme
stromab ihrer Wurzel eingeleitet wird. Vorzugsweise werden einige der
Sauerstoffmoleküle zur Flammenwurzel aus einem Luftstrom zugeführt, der getrennte Strömungen von
Schwefelwasserstoff und Sauerstoff angereicherter Luft oder Sauerstoff trennt.
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Vorzugsweise wird ein sauerstoffreicher intensiver Verbrennungsbereich längs der
Ofenachse erzeugt, und ein sauerstoffarmer thermischer Schwefelwasserstoff-
Dissoziationsbereich wird in einem umgebenden Bereich gleicher Ausdehnung erzeugt.
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Der Brenner ist vorzugsweise koaxial im Ofen montiert und gehört vorzugsweise der
Düsenmischbauart an. Sein Durchmesser beträgt vorzugsweise etwa die Hälfte desjenigen des
Ofens.
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Der Abgasstrom wird vorzugsweise in einem Abgaswärmekessel abgekühlt, und der
gekühlte Abgasstrom wird vorzugsweise in einen Kondensator geleitet, in welchem
Schwefeldampf daraus auskondensiert wird. Der Abgasstrom wird vorzugsweise stromab des
Schwefelkondensators mindestens einer Stufe einer katalytischen Reaktion zwischen
Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid unterzogen.
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Das Verfahren und die Einrichtung nach der Erfindung sind besonders für die Behandlung
eines Gasstroms geeignet, dessen Molanteil an Schwefelwasserstoff und anderen
brennbaren Stoffen mindestens 0,7 beträgt.
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Das Verfahren und die Einrichtung nach der Erfindung werden nunmehr beispielshalber
unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung beschrieben, die ein schematisches
Strömungsdiagramm einer Claus-Anlage für die Rückgewinnung von Schwefel aus
Schwefelwasserstoff zeigt.
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Die Zeichnung ist nicht maßstäblich.
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Gemäß der Zeichnung ist ein Ofen 2 an seinem einen Ende mit einem Brenner 4
ausgestattet, der in das Innere des Ofens 2 hineinfeuert. Der Brenner 4 ist koaxial mit der
Längsachse des Ofens 2 ausgebildet und vom Hauptkörper des Ofens 2 zurückgesetzt, wobei
mindestens sein distales Ende innerhalb eines Brennersteins 6 angeordnet ist. Der Brenner 4
wird mit drei Gasströmen gespeist, die erst stromab der Düse 8 des Brenners 4
aufeinandertreffen. Ein erster dieser drei Gasströme besteht aus Schwefelwasserstoff und
Kohlendioxid. Typische Zusammensetzungen umfassen mindestens 90 Volumenprozent Schwefelwasserstoff.
Andere Zusammensetzungen können Ammoniak und/oder
Kohlenwasserstoffe als zusätzliche brennbare Komponenten enthalten. Ein zweiter dieser zum Brenner 4
zugeführten Gasströme besteht aus einem Strom aus unreinem Sauerstoff oder
Sauerstoffangereicherter Luft. Dieser Strom enthält typischerweise mindestens 90 Volumenprozent
Sauerstoff, wobei der Rest Stickstoff und Argon ist. Alternativ kann er von einer Anlage
zum Trennen von Luft durch Destillation zugeführt werden. In einer weiteren Alternative
wird der Sauerstoff aus einem flüssigen Sauerstoff enthaltenden Speicherbehälter
zugeführt. Wenn die Sauerstoffquelle eine Anlag zur Lufttrennung durch Destillation oder ein
Speicherbehälter für Flüssigsauerstoff ist, hat der Sauerstoff typischerweise eine Reinheit
von mindestens 98%. Der dritte der Gasströme, der in den Brenner 4 zugeführt wird,
besteht aus nicht mit Sauerstoff angereicherter Luft.
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Der Brenner 4 ist mit inneren Kanälen (nicht dargestellt) ausgebildet und typischerweise an
seinem distalen Ende bzw. seiner Spitze 8 mit einer Stirnplatte (nicht dargestellt) versehen,
so daß eine langgestreckte, in Längsrichtung verlaufende Flamme 12 im Betrieb des
Brenners gebildet wird, die drei unterschiedliche Zonen bzw. Abschnitte 14, 16 und 18
aufweist. Die innerste Zone 14 ist eine endotherme thermische Schwefelwasserstoff-
Dissoziationszone, die im wesentlichen sauerstoffarm ist, so daß die thermische
Dissoziation von Schwefelwasserstoff durch die Reaktion
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H&sub2;S → H&sub2; + S
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gegenüber irgendeiner Verbrennung von Schwefelwasserstoff nach der Reaktion
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2H&sub2;S + 3O&sub2; → 2H&sub2;O + 2SO&sub2;
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vorherrscht.
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Die Zone 16 umgibt die innerste Zone 14 und ist eine sauerstoffreiche Zone auf besonders
hoher Temperatur, in welcher Verbrennungsreaktionen über eine etwaige thermische
Dissoziation von Schwefelwasserstoff vorherrscht. Die Zone 16 erzeugt folglich die
notwendige Temperatur, um sicherzustellen, daß sich die innerste Zone 14 auf einer Temperatur
von mindestens 1200ºC und vorzugsweise oberhalb 1600ºC befindet. Um eine solche Zone
16 zu erzeugen, ist es wünschenswert, einen Teil des Schwefelwasserstoff enthaltenden
Speisegasstroms und den unreinen Sauerstoffstrom teilweise oder ganz in sie einzuleiten.
Die Zone 18 der Flamme ist die äußerste Zone, die sich auf niedrigerer Temperatur als die
Zone 16 befindet. In der Zone 18 kann Verbrennung eher als thermische Dissoziation von
Schwefelwasserstoff vorherrschen und kann durch den nichtangereicherten Luftstrom zum
Brenner oder durch einen Luftstrom unterstützt werden, der nur ein begrenztes Maß an
Sauerstoffanreicherung aufweist, wodurch es möglich wird, daß die Temperatur der Zone
18 niedriger als die Temperatur der Zone 16 ist. In jedem Fall erfolgt jedoch die
Verbrennung in der Zone 18 deutlich unterstöchiometrisch bezüglich des Bedarfs bezüglich der
gesamten Claus-Reaktion. Die Temperatur in der Zone ist nicht hoch genug, um die
feuerfeste Auskleidung des Ofens zu beschädigen, selbst wenn reiner Sauerstoff verwendet
wird.
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Die Anordnung kann alternativ so getroffen werden, daß die Zonen 14 und 16 umgekehrt
sind, d. h. daß die Zone 14 relativ Sauerstoffreich und auf hoher Temperatur betrieben
wird, so daß die Verbrennung von Schwefelwasserstoff stattfindet, und die Zone 16 relativ
Sauerstoffarm betrieben wird, so daß ein beträchtliches Maß an thermischer Dissotiation
von Schwefelwasserstoff in dieser Zone stattfindet. Ein geeigneter Brenner (nicht
dargestellt) hat einen inneren zylindrischen Kanal und einen äußeren Ringkanal für das
brennbare Gas, die beide in einer gemeinsamen, zur Brennerachse senkrechten Ebene endigen.
Weiter ist ein mittlerer ringförmiger Kanal für Sauerstoff-angereicherte Luft vorgesehen,
der in einer Düse mit einem distalen Ende endigt, das koplanar mit den Auslässen der
beiden anderen Kanäle ist. Die Düse hat Öffnungen, die an ihrem proximalen Ende mit dem
mittleren Kanal in Verbindung stehen. Einige der Öffnungen sind in Richtung der
Strömung zur Achse des Brenners hin und andere davon weg angeordnet. Ein äußerster
Luftkanal ist typischerweise zwischen dem Brennerkörper und einer Öffnung angeordnet,
durch welche das distale Ende des Brenners in den Ofen hineinragt. Die Anzahl und die
Orientierung der Öffnungen kann so gewählt werden, um sauerstoffarme und
sauerstoffreiche Bereiche in der Flamme zu schaffen.
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Wie sich wieder aus der Zeichnung ergibt, hat der Ofen 2 eine längliche Konfiguration.
Sein Seitenverhältnis liegt vorzugsweise im Bereich von 6 : 1 bis 12 : 1 (mehr vorzugsweise
im Bereich von 8 : 1 bis 12 : 1) und ist von hohler gerader zylindrischer Form. Wie oben erläutert,
reduziert ein solcher länglicher Ofen die mittlere Strahlenpfadlänge für Strahlung,
aber vergrößert das Ausmaß des äußeren Wärmeverlustes von den Ofenwänden im
Vergleich zu einem vergleichbaren Ofen gleichen Volumens, aber kleinerem Seitenverhältnis.
Dementsprechend kann das Verhältnis des Durchsatzes der Zufuhr des unreinen
Sauerstoffs zum Durchsatz der Zufuhr der nicht angereicherten Luft größer sein als wenn ein
herkömmlicher, verhältnismäßig kurzer Ofen verwendet würde. Dies wiederum ermöglicht
das Erzeugen höherer Temperaturen in der thermischen Dissoziationszone 14, was ein
größeres Maß an thermischer Dissoziation von Schwefelwasserstoff ermöglicht. Als Ergebnis
ergibt sich ein größerer Beitrag zur Regulierung örtlicher Temperaturen innerhalb der
Flamme 12, was ebenfalls in Betracht gezogen werden kann, wenn das Verhältnis der
Zufuhrrate von unreinem Sauerstoff zur Zufuhrrate von nicht angereicherter Luft bestimmt
wird.
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Die Flamme 12 divergiert schnell von ihrer Wurzel aus und nimmt an ihrer maximalen
Ausdehnung mindestens 80% des damit koplanaren Innenquerschnitts des Ofens 2 ein und
füllt vorzugsweise den gesamten koplanaren Querschnitt innerhalb des Ofens 2 aus. Wie
zuvor erläutert, hält diese Anordnung die Kurzschlußströmung von Gasmolekülen von der
Brennerdüse zum Ofenauslaß auf einem Minimum.
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Die Flamme 12 ragt etwa um die Hälfte entlang der Längsachse des Ofens 2 in diesen
hinein. Daher ist stromab der Flamme 2 ein länglicher Reaktionsbereich 20 vorhanden.
Typischerweise reagieren Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxidmoleküle innerhalb der
Flamme zur Bildung von Schwefeldampf und Wasserdampf entsprechender Gleichung
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2H&sub2;S + SO&sub2; = 2H&sub2;O + 3S
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Verschiedene andere Reaktionen finden in Abhängigkeit von dem jeweiligen
Betriebsbedingungen im Ofen 2 statt. Beispielsweise reagiert Kohlenmonoxid (das seinerseits durch
gemischte Dissoziation von Kohlendioxid oder durch Reaktion von Kohlendioxid mit
Schwefelwasserstoff gebildet wird) mit Schwefeldampf zur Bildung von
Kohlenstoffoxysulfid. Kohlendisulfid wird ebenfalls gebildet. Des weiteren gibt es vermutlich eine
Reaktion zwischen Wasserstoff (der durch die thermische Dissoziation des Schwefelwasserstoffs
gebildet wird) mit Schwefeldioxid zur Bildung von weiterem Schwefeldampf und
Wasserdampf.
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Ein Abgasgemisch, das im wesentlichen aus Schwefelwasserstoff, Schwefeldioxid,
Schwefeldampf, Wasserdampf, Kohlendioxid, Wasserstoff und Kohlenmonoxid besteht und auch
kleinere Mengen Kohlenstoffoxysulfid und Kohlendisulfid und andere molekulare Spezien
enthält, verlässt den Ofen 2 durch einen Auslaß 22 auf einer Temperatur typischerweise im
Bereich von 1350 bis 1650ºC. Die Auslasstemperatur kann entsprechend der Wahl des
feuerfesten Materials 24 zur Auskleidung der Innenwände des Ofens 2 gewählt werden.
Moderne feuerfeste Materialien können tpyischerweise kontinuierlichen
Betriebstemperaturen von bis zu 1650ºC standhalten.
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Das den Auslaß 22 des Ofens 2 verlassende Gemisch gelangt durch einen Abwärmekessel
26, um seine Temperatur auf ein wenig oberhalb des Punkts zu verringern, bei welchem
Schwefeldampf kondensiert, und stromab des Abwärmekessels 26 durch einen
Kondensator 28, in welchem das Gasgemisch auf unterhalb des Taupunkts von Schwefel abgekühlt
wird, um flüssigen Schwefel zu bilden. Der flüssige Schwefel, der auskondensiert wird,
gelangt zur Speicherung. Das resultierende Gasgemisch strömt aus dem Kondensator 28
mit einem Molverhältnis von Schwefelwasserstoff zu Schwefeldioxid von 2 : 1 durch
aufeinanderfolgende katalytische Claus-Stufen 30, 32 und 34. Jede der Stufen 30, 32 und 34
kann entsprechend der allgemeinen Praxis auf dem Fachgebiet eine Kette von Einheiten
umfassen, die der Reihe nach aus einem Wiedererhitzer (nicht dargestellt) zum Anheben
der Temperatur des Gasgemischs auf eine für die katalytische Reaktion zwischen
Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid geeignete Temperatur, einem katalytischen Reaktor
(nicht dargestellt), in welchem Schwefelwasserstoff mit Schwefeldioxid zur Bildung von
Schwefel und Wasserdampf reagiert, und einen Schwefelkondensator (nicht dargestellt)
umfasst. Gewünschtenfalls kann in Abhängigkeit von den Umweltanforderungen, welchen
die in den Zeichnungen dargestellte Anlage entsprechen muß, eine oder mehrere der
katalytischen Stufen 30, 32 und 34 weggelassen werden.
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Das die stromabwärtigste katalytische Stufe 34 verlassende Gasgemisch kann einer
weiteren einer Anzahl bekannter Behandlungen unterzogen werden, um das Claus-Prozeß-
Abgas für den Austrag in die Atmosphäre geeignet zu machen. Beispielsweise kann das
Gasgemisch zu einem Hydrolysereaktor 36 geleitet werden, in welchem die in dem
Gasgemisch vorhandenen Komponenten der Hydrolyse und der Hydrogenierung unterzogen
werden. Im Reaktor 36 werden restliches Kohlenoxysulfid und Kohlendisulfid mit
Wasserdampf über einem Katalysator, beispielsweise mit Kobalt und Molybdän imprägniertem
Aluminiumoxid, hydrolysiert, um Schwefelwasserstoff zu bilden. Solche Katalysatoren
sind auf dem Fachgebiet bekannt. Gleichzeitig werden restlicher elementarer Schwefel und
Schwefeldioxid zur Bildung von Schwefelwasserstoff hydrogeniert. Die Hydrolyse und die
Hydrogenierung finden auf dem oben genannten imprägniertem Aluminiumoxidkatalysator
auf einer Temperatur typischerweise im Bereich von 300 bis 350ºC statt. Ein
resultierendes Gasgemisch, das im wesentlichen aus Schwefelwasserstoff, Stickstoff, Kohlendioxid,
Wasserdampf und Wasserstoff besteht, verlässt den Reaktor 36 und strömt zuerst zu einer
Wasserkondensationseinheit (nicht dargestellt) und dann zu einer getrennten Einheit (nicht
dargestellt), in welcher Schwefelwasserstoff abgeschieden wird, beispielsweise durch
chemische Absorption. Ein geeignetes chemisches Absorptionsmittel ist Methyl-
Diethylamin. Gewünschtenfalls kann der Schwefelwasserstoff zum Ofen 2 rezirkuliert
werden, beispielsweise durch Mischen mit dem ankommenden, Schwefelwasserstoff
enthaltenden Speisegasstrom.