KR960008940B1

KR960008940B1 - 가스 스트림의 처리

Info

Publication number: KR960008940B1
Application number: KR1019880000773A
Authority: KR
Inventors: 윌리암 왓손 리차드
Original assignee: 더 비오씨 그룹 퍼블릭 캄파니 리미티드; 파울 그레햄 보소넷트 지오프레이 기터
Priority date: 1986-03-07
Filing date: 1988-01-29
Publication date: 1996-07-10
Anticipated expiration: 2008-01-29
Also published as: GB8702132D0; GB2187444A; JPS62230605A; ZA871345B; GB8605649D0; GB2187444B; JPH0551521B2; SG51091G; KR880008827A

Abstract

내용없음.

Description

가스 스트림의 처리

제1도는 본 발명에 따른 방법을 실시하는 하나의 공장을 설명하는 개략도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

2, 22, 62 : 도관 4, 6, 22 : 관로

8, 6, 24 : 버너 10, 26 : 연소대역

12 : 로 14, 16 : 입구

20 : 열교환기 28 : 주로

30 : 열반응대역 32 : 배플수단

36 : 폐열보일러 38 : 제1유황응축기

40 : 분지점 42 : 제1반응기

44 : 제2유황응축기 48 : 제2반응기

50 : 제3유황응축기 52 : 폐가스처리

54 : 시일피트 60 : 송풍기

본 발명은 가스스트림의 처리에 관한 것이다. 특별히는 본 발명은 황화수소를 포함하는 가스스트림의 처리에 관한다.

황화수소를 포함하는 가스스트림은 대표적으로 많은 산업공장으로부터의 폐기물이나 부산물로서 생성된다. 예를 들면, 이산화탄소와 황화수소를 포함하는 산성가스 스트림은 원유에서 유황을 제거하는 정유공장에서 대표적으로 생성된다. 유황-함유 가스의 함유물을 감소시키거나 또는 함께 제거하기 위하여 대기중에 이들을 방출하기전에 이러한 황화수소를 함유하는 스트림을 처리할 필요가 있다. 황화수소를 포함하는 가스 스트림을 처리하는 잘 알려지고, 광범위하게 실시하는 방법은 Claus법이다. 이 방법은 다음식에 따른 유황증기와 수증기를 형성시키기 위해서 황화수소와 이산화황간의 반응에 기초한다.

SO₂+2H₂S=2H₂O+3S

유황은 온도에 따라서 S₂, S₆및 S₈과 같은 다수의 상이한 분자종으로 증기상으로 존재한다.

Claus법의 제1단계는 다음식에 따라서 이산화황과 수증기를 형성하기 위해 유입되는 가스스트림에 있는 황화수소의 대략 3분의 1을 태운다 :

2H₂S+3SO₂=2H₂O+2SO₂

이 연소반응은 적합한 로안에서 일어나고 보통 공기가 연소용 산소의 공급원으로서 사용한다. 로는 이산화황과 황화수소간의 반응이 연소대역에서 시작하고 다음에 연소대역의 하류에서 계속되도록 설계한다.

그러나 Claus법의 특징은 황화수소의 연소에 의해서 발생되는 온도에서 이산화황에 의한 반응으로 나머지 황화수소의 대략 75% 이상을 유황으로 전환시키는 것은 불가능하고 대체로 50 내지 70%의 황화수소가 이렇게 전환된다는 것이다. 그러나 200 내지 350℃의 반응온도에서 나머지 황화수소와 이산화황을 촉매의 존재하에 반응시켜 높은 전환율을 얻을 수가 있다(이러한 촉매반응온도에서, 온도가 낮을수록 수득되는 전환율이 높아진다) 따라서, 가스가 로의 소위 열대역을 통과한 후, 이들이 로속에서 형성된 유황이 응축하는 온도로 냉각된다. 따라서 유황이 회수된다. 다음에 이 가스는 황화수소와 이산화황간의 촉매반응을 실시하는데 적합한 온도로 재가열되며, 이 온도는 대표적으로 200℃이다. 촉매반응이 실시되면 대체로 약 60%의 나머지 황화수소가 유황으로 전환된다.

그럼에도 불구하고 아직도 100%의 전환을 얻는 것은 불가능한데 그 이유는 실제에서 99.5% 이상의 전환은 유황증기가 응축하는 온도에서만 얻을 수 있어서 촉매의 효능을 상당히 감소시키기 때문이다. 그러므로 하나이상의 단계에서 이산화황으로 황화수소를 촉매적 산화를 시키는 것이 전형적인데 처음에는 유황증기를 응축시키고 다음에 황화수소를 가지는 가스스트림이 각 단계사이에서 재가열된다.

여러가지 수단이 각 촉매단계전의 가스의 재가열에 효과를 주는데 사용될 수 있다. 예를 들면 주입가스 혼합물의 적은 부분을 로의 상류에서 분할하여 관내 버너에서 이산화황으로 완전히 태울 수 있으며, 각 촉매반응기의 상류에 이러한 하나의 버너가 있다. 고온의 이산화황함유 가스는 다음에 재가열을 효율적으로 하기 위하여 각각의 해당하는 촉매반응기의 상류에서 주가스 스트림과 혼합된다. 또한 주가스 스트림의 일부를, 말하자면 로를 떠나는 주가스 스트림을 냉각시키기 위하여 사용되고 관내 버너로부터 나오는 가스와 같은 방법으로 사용되는 폐열보일러로부터 취할 수 있다. 또다른 것은 재가열을 시키는 수증기로 간접 열교환을 사용하는 것이다.

대표적으로는 둘 또는 셋의 이러한 단계후에, 대부분의 하류 단계에서 형성된 유황이 가스스트림으로부터 응축되고 다음에 이 가스스트림을 비교적 희석된 황화수소 스트림을 처리하기 위한 공지된 종류의 폐가스, 세척법(예를 들면 Scot, Beavon 또는 Stretford법)에 통과시키거나 또는 이를 소각시킨다.

이 기본적 Claus법에 대한 많은 변경도 가능하다. 이러한 변경중 어떤 것은 다음의 문헌에 요약되어 있다 : 유황의 단가는 공정의 선택에 따라 다양하다by H, Fischer, 탄화수소처리, March 1979, pp125 to 129.

최근에는 비교적 유황함량이 높은 원유를 사용하는 경향이 있으며, 또한 유황함유 가스를 대기로 방출에 관한 보다 엄격한 환경기준이 적용되는 경향이 있어서, 황화수소를 함유하는 스트림 처리횟수 증가 및 황화수소 함유가스에 대한 더 큰 처리용량이 필요하다. 예를 들면 가능하면 기존의 Claus 공장으로 유황 생산률을 증가시키는 것이 소망된다. 실제에 있어서, 황화수소를 함유하는 가스의 증가된 통과량을 처리하는 이러한 공장의 능력은 한정되어 있다. 연소에 필요한 산소를 공급하기 위하여 대략 14용적의 공기가 혼합가스중의 황화수소의 각 6 용적에 필요하다는 것이 입증되었다. 예를 들면, Oxygen Use in Claus Sulphur Plantsby M.R. Gray and W.Y. Svercek, 1981 Gas Conditioning Conference, Oklahoma, 1981라는 제목의 보고서와 Modifications Jump Sulphur Recovery Plant Capacity, Oil and Gas Journal, August 20th 1984, pp108 to 112라는 제목의 보고서에서 제시한 것은 기존이 Claus법의 용량을 공기 대신에 몇몇 시판되는 순수산소로 대체함으로서 증가시킬 수가 있고 따라서 공정을 통해 흐르는 가스혼합물 중에는 질소의 비율을 감소시킬 수 있다는 것이다. 그러나, 실제로 많은 공장에서 이 방법으로 성취시킬 수 있는 생산율 증가는 제한된다. 왜냐하면 질소용적의 감소는 내화벽돌 라이닝에 의해 또는 로와 관련된 폐열보일러나 열교환기에 의해서 견딜 수 없는 높은 로의 출구온도에 이르게 하기 때문이다.

실제로, 가스스트림이 더욱 농축되면(황화수소에서), 생산율 증가의 가능성은 낮아지게 되고, 이러한 가능성은 종종 80용적% 이상의 황화수소를 포함하는 공급가스 스트림에 대해서 특히 제한된다. Claus법에 순수산소를 사용하는 또다른 제안은 미국특허 명세서 제3,681,024호와 이의 상응하는 카나다 특허 명세서 제854094호에 있다. 이러한 특허명세서는 약 95% 순도의 산소로 황화수소의 3분의 1을 태우는 것을 제시한다. 하나나 둘의 촉매반응기로부터의 공장 배출물이 배출물의 물함량을 줄이기 위하여 물세척탑에 보내고 충분한 량의 세척탑 오프-가스를 재순환시켜 공급산소를 희석시켜서 로의 온도가 공기로 조작할 때에 얻는 온도와 사실상 같게 한다.

이 방법은 공장 규모를 줄일 수 있는 잇점을 가지는 것으로 기술된다. 그러나, 황화수소의 연소를 돕기 위해서 공기를 사용하도록 건설된 기존 공장은 미국특허 명세서 제3,681,024호에 기술된 방법을 수행하도록 용이하게 전환하는 것이 불가능하여서, 이 방법은 산업적으로 바람직하지 않는 것으로 발견되었다. 더우기 통과시킨 가스혼합물을 열반응 대역에 재순환시키는 실시는 열반응 대역을 한정하는 로의 크기를 감소시킬 수 있는 정도에 제한을 가하며, 특히 만일 들어오는 황화수소 스트림이 말하자면 50용적% 이상의 황화수소를 포함할 때 더욱 그러하다. 미국특허 명세서 제3,331,733호와 제4,552,747호는 열반응기의 온도를 조절하기 위하여 가스를 순환시키는 다른 실시예가 있다.

본 발명의 목적은 황화수소로 구성되거나 유황회수 공정을 통해 흐르는 질소와 같은 안정가스의 용적을 최소로 줄일 수 있고 로의 입구로 배출가스의 재순환에 의존할 필요가 없는 비교적 높은 비율의 황화수소를 포함하는 가스스트림으로부터 유황을 회수하는 개량된 방법과 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면 주 스트림과 부 스트림으로 공급가스를 분할하고, 부 스트림의 황화수소 함량의 최소한 50%를 제1연소 대역에서 태워서 이산화황과 수증기를 형성하고 다음에 부 스트림을 냉각시키고, 제2연소 대역에서는 주 스트림의 황화수소 함유물의 3분의 1 이하를 태워서 이산화황과 수증기를 형성하고, 제2연소 대역에 산소-농후 가스(이후에 정의된다)를 공급하여 주 스트림의 황화수소의 연소를 돕고, 전술한 제2연소대역과 관련된 열반응 대역에서 형성된 이산화황과 황화수소를 반응시켜 유황증기와 수증기를 형성하고, 수득되는 가스혼합물로부터 이러한 유황증기를 추출하고, 그리고 이 가스혼합물에 잔류 황화수소를 잔류 이산화황과 반응시켜 유황증기와 수증기를 추가로 형성하고, 다음에 추가의 유황증기를 추출하는 것을 포함하는 황화수소 함유하는 공급가스 스트림으로부터 유황을 회수하는 방법을 제공하는데, 이때 냉각된 부스트림의 일부가 제2연소대역 또는 관련된 열대역(또는 둘 모두)속으로 주입되고, 냉각된 부 스트림의 또 다른 부분은 온도를 조절하기 위하여 제1연소대역으로 재-순환되고 부 및 주 스트림의 전체 황화수소 함유량의 약 3분의 1을 태워서 이산화황과 수증기를 형성함을 특징으로 한다.

바람직하게는 부 스트림의 실질적으로 모든 황화수소 함유물을 태워서 이산화황과 수증기를 형성한다. 또한 본 발명은 전술한 공급가스 스트림의 소부분을 수용하기 위한 제1도관; 전술한 공급가스 스트림의 소부분을 수용하기 위한 제2도관; 부 스트림의 황화수소의 적어도 50%를 태워서 이산화황과 수증기를 형성하기 위해 적어도 하나의 버너를 가지는 제1연소대역, 여기서 전술한 버너는 전술한 제2도관과 통하는 입구를 가지며, 그리고 전술한 제1연소대역은 전술한 제1연소대역으로부터의 가스혼합물을 냉각하기 위해 열교환수단의 입구와 통하는 출구를 가지며; 황화수소를 태워서 수증기와 이산화황을 형성하기 위하여 관련된 최소한 하나의 제2버너를 가지는 제2연소대역, 전술한 최소한 하나의 제2버너는 제1도관과 통하는 입구와 산소-농후가스(이후에 정의된다)의 공급원과 통하는 입구를 가지며; 작동시 이산화황이 황화수소와 반응하여 유황증기와 수증기를 형성하는 열반응대역, 전술한 열반응대역은 전술한 제2연소대역으로부터의 출구와 통하고; 전술한 열반응대역을 나가는 가스혼합물로부터 유황증기를 추출하기 위해 전술한 열반응대역의 하류인 응축기; 황화수소와 이산화황의 사이에 추가 반응을 하여 추가의 유황증기와 수증기를 형성하기 위해 전술한 응축기의 하류에 최소한 하나의 추가의 반응대역; 전술한 추가의 유황증기를 추출하기 위한 추가의 응축기, 그리고 전술한 열교환 수단을 떠나는 냉각된 가스혼합물의 일부를 제2연소대역과 전술한 열반응대역의 하나나 둘 모두에 주입하는 수단 그리고 그속의 온도를 조절하여 작동시 대 및 소부분의 황화수소의 총 함유량의 약 3분의 1을 태워서 이산화황과 수증기를 형성할 수 있게 하는 수단을 포함하는, 황화수소함유 공급가스 스트림으로부터 유황을 회수하는 장치를 제공한다.

여기서 사용한 용어 산소-농후가스는 최소한 80용적%의 산소분자를 포함하는 가스혼합물을 의미한다. 이 산소-농후가스는 바람직하게는 실질적으로 순수한 산소가 된다. 또한, 이것은 예로서 산소가 풍부한 공기일 수도 있다. 부 및 주 스트림의 상대 크기를 적절히 선택하여 제2연소대역속으로 냉각된 부 스트림 및 산소-농후가스 이외에 다른 유체를 주입할 필요가 없이, 심지어 산소-농후가스가 순수한 산소이고 그리고 50용적% 이상의 황화수소(대표적으로는 60용적% 이상의 황화수소)를 포함하는, 황화수소가 비교적 농후한 황화수소 가스를 포함하는 가스인 경우에도 제2연소대역에 과잉온도가 발생치 않게 하는 것을 보장할 수가 있다. 따라서 단일의 로에서 황화수소 스트림의 약 3분의 1을 태워서 이산화황을 형성하고 황화수소의 연소를 돕기 위해 공기를 사용하는 통상적인 Claus법과 비교할 때, 황화수소의 비교적 큰 통과량을 본 발명에 따라서 주어진 크기의 로(제2연소대역과 이와 관련된 열반응 대역을 삽입하여)에 대해서 성취할 수도 있다.

공기나 또는 산소분자를 포함하는 다른 가스혼합물을 부 스트림의 연소를 돕는데 사용할 수도 있다. 제1연소대역에서는 삼산화황의 형성을 방지하는 것이 바람직하다. 따라서, 제1연소대역에 공급되는 산소분자의 양은 부 스트림의 황화수소 함량을 완전히 연소시키는데 필요한 양의 90 내지 100% 범위가 바람직하다. 또한 바람직한 것은 제1연소대역을 떠나는 가스가 이것이 냉각되는 곳의 하류에서 화염의 뜨거운 대역 또는 제2연소대역의 하나나 화염들 속으로 주입되는 것이 바람직하고 여기서 가스에 존재하는 미량의 삼산화황이 파괴될 수도 있다. 바람직하게는 공급가스 스트림의 8 내지 15용적%가 부 스트림으로서 취해진다.

본 발명에 따른 방법은 이 목적을 위하여 알맞게 전설된 공장에서 실시할 수도 있다. 그러나 공장에 비교적 사소한 개조만을 필요로 하는 Claus법을 수행하는 기존공장에 대해서 본 발명의 방법을 실시하는 것이 가능하다. 이와 같이, 하나의 기존의 Claus로를 본 발명에 따른 방법에서 제2연소대역과 이와 관련되는 열대역을 제공하는데 사용할 수 있고 제1연소대역에서의 조절제로서 물을 사용하는 경우에도 제1연소대역을 한정하는 비교적 작은 로와 비교적 작은 열교환기를 Claus로에 장치할 수 있다. 이러한 장치 개조는 전환효율의 손실이 없이 기존공장에 단위 시간당 생산되는 유황의 양을 실질적으로 증가시킬 수 있게한다. 만일 조절제가 재순환 가스이면, Claus로의 생산률 증가가 가능하지만 보다 큰 제1연소대역을 필요로 할 것이다.

본 발명에 따른 방법을 첨부도면을 참조하면서 실시예를 수단으로 기술한다.

도면을 참조하면, 도관(2)는 황화수소-농후가스 혼합물의 공급원(표시는 안됨)과 통한다. 대표적으로 황화수소-농후가스의 혼합물은 최소한 70용적%의 황화수소를 포함한다. 이것은 또한 이산화탄소, 질소, 수증기 및 탄화수소와 같은 하나나 그 이상의 다른 가스를 포함할 수도 있다. 이 도관(2)는 황화수소-농후가스 부 스트림의 흐름을 위한 제1관로(4)와 황화수소-농후가스 혼합물의 주 스트림의 흐름을 위한 제2관로(6)와 통한다. 필요하면, 송풍기(표시안됨)를 사용하여 관로(4)로 부 스트림의 흐름을 도울 수도 있다. 조업시, 대표적으로 도관(2)를 통하여 흐르는 8 내지 15%의 가스혼합물이 관로(4) 속으로, 그 나머지는 관로(6)속으로 주입한다. 관로(4)는 조업시 조그만 로(12)내에 한정된 제1연소대역(10)을 점화시키는 버너(8)로의 한 입구에서 그친다. 버너(8)은 산소를 공급하기 위한 또다른 입구(14)를 가진다. 로(12)는 열교환기(20)의 한 통로와 통하는 출구(18)을 가지고, 이 열교환기속에서 로(12)에서 나오는 가스혼합물이 냉각된다. 그리고 여기서 나오는 냉각된 혼합가스는 관로(22)를 통과하여 그 일부는 그 속에서 연소대역(26)을 한정하는 제2 또는 주로(28)를 점화시키는 제2버너(24)속으로 가는 입구의 상류영역에서 관로(6)을 통과하는 황화수소의 주 스트림과 다시 결합된다. 냉각된 가스혼합물의 나머지는 도관(62)에 설치된 송풍기(60)의 작동으로 도관(4)로 재순환되고 도관(62)는 열교환기(20)의 하류의 도관(22)에 입구가 있고 도관(4)에 출구가 있다. 따라서, 재순환된 가스는 로(12)속의 온도를 조절한다.

대표적으로 도면에 표시된 공장을 조업할 때, 버너(6)에 공기나 산소가 공급되는 율은 연소대역(10)에서 이산화황으로 산화되기 위해서 부 스트림의 황화수소 함유량의 90 내지 100%이면 족하다. 만일 필요하면, 고압산소를 사용하여 관로(4)속으로의 부 스트림의 흐름을 유발할 수도 있다. 버너(8)의 입구(16)을 통하여 연소대역(10)으로 냉각된 가스스트림의 나머지가 재순환되는 율은 열교환기(20)으로의 입구에서 견딜 수 있는 최고온도에 따라서 변한다. 대표적으로, 이 최고온도는 1250℃ 정도이다. 이와 같이 재순환율은 황화수소가 버너(8)에 공급되는 율과 버너(8)로 들어가는 황화수소 스트림속에 있는 어떤 다른 가스의 농도에 따라서 상기 최고 온도가 1250℃ 또는 달리 선택된 최고온도를 초과하지 않도록 선택된다.

로(12)로부터 출구의 하류인 부 스트림은 바람직하게는 300℃ 정도의 온도까지 냉각되는데, 이 온도는 혼합물의 여러가지 성분의 이슬점 이상의 온도가 된다. 부 스트림의 황화수소 함유물 전부가 이산화황으로 산화되지 않는 경우에는 나머지 황화수소의 얼마는 로(12)속의 이산화황과 반응하는 경향이 있다. 이러한 유황중기는 열교환기(20)을 통과하는 중에 증기상태로 남게된다.

버너(24)가 점화시키는 연소대역(26)은 제2 또는 주로(28)에 의해서 한정된다. 이 버너(24)는 로(28)의 상류단부에 설치되고 황화수소의 주 스트림을 위한 입구 이외에 산소-농후가스를 입구를 가진다(이곳에는 냉각된 주 스트림이 열교환기(20)으로부터 되돌아 온다). 이 산소-농후가스는 바람직하게는 순수산소이다. 버너(24)로의황화수소-함유가스 스트림과 산소스트림의 공급의 상대비율은 전체적으로 버너(8,24)가 들어오는 황화수소를 유황으로 실질적으로 완전하게 전환시키기 위해 화학양론적 양의 황화수소에 대해 필요한 연소를 성취하도록 하는 비율이다. 바람직하게는 황화수소-함유가스의 부 스트림의 실질적인 전량이 버너(24)에서 연소되기 때문에 관로(6)에서 버너(24)로 공급되는 주 가스스트림의 황화수소 함유물의 3분의 1 훨씬 이하가 도관(2)로 들어가는 황화수소의 총 함유량의 꼭 3분의 1의 연소를 성취시키기 위하여 연소된다. 열교환기(20)로부터 나오는 냉각된 가스스트림과 주 스트림의 혼합과 타지 않은 황화수소의 일부의 효과로 인하여 연소대역(26)에서 과잉 온도가 발생되는 것을 방지할 수 있다. 관로(4,6)을 통하여 황화수소 함유가스의 상대 유량은 심지어 주 스트림의 황화수소 함유물의 연소를 돕기 위해 순수산소를 사용하는 경우에도 과잉온도가 로(28)내에 발생되지 않도록 선택된다. 그러나, 이러한 범위내에서 버너(8)에서의 연소를 위해 관로(4)로 분기되는 도관(2)에 들어가는 가스혼합물의 비율은 바람직하게는 가능한 한 적게 유지한다. 대표적으로, 주입 가스혼합물이 75 내지 100% 용적 %의 황화수소를 함유하는 경우, 관로(4)로 분기되는 주입가스 혼합물의 비율은 8 내지 15용적% 정도이고, 90% 황화수소에서는 12용적% 정도이다.

일반적으로 로(28)은 통상적인 Claus와 실질적으로 동일하다. 그러므로 로(28)은 적합한 내화벽돌 라이닝(표시안됨)과 연소대역(26)과 관련하여 적절한 열반응 대역이 되는데 충분한 용적을 가진다. 황화수소와 이산화황간의 반응은 대표적으로 연소대역(26)에서 개시되어 열반응대역(30)에서 계속된다. 필요하면, 로(28)에는 열반응대역(30)속에서의 가스의 혼합을 돕기 위하여 배플수단(32)을 설치한다. 황화수소와 이산화황간의 열반응은 약 600℃의 이상의 흡열반응이므로 온도가 1350℃ 내지 1450℃ 범위에 있는 열반응대역(30)에서 얼마의 온도 강하가 일어난다. 이후에 배출가스는 폐열보일러 또는 열교환기(36)에서 275 내지 325℃ 범위의 온도까지 냉각된다.

도시된대로, 열교환기나 폐열보일러(36)는 로(28)로부터의 배출가스를 위한 두개의 통로를 가진다. 배출가스의 대부분은 두 통로를 통해 흘러서 275 내지 325℃ 범위의 전술한 온도로 냉각된다. 전술한 가스의 소부분은 제1통로만을 통해 흘러서 590 내지 600℃ 범위의 높은 온도로 폐열보일러(36)를 떠나서 아래에 기술되는 것 같이 사용된다. 다음에 배출가스의 대부분은 제1유황응축기(38)로 들어가고 거기서 이산화황과 황화수소간의 반응으로 발생된 유황증기가 로(28)를 떠나는 가스스트림으로부터 응축된다. 이 응축은 140℃정도의 온도로 이 가스스트림을 냉각시켜 실시된다. 다음에 유황응축물은 유황시일피트(54)로 보내진다. 응축기(38)에서 배출되는 가스혼합물은 대표적으로 황화수소, 이산화황, 수증기, 질소(예컨대 공기를 버너(8)에 공급함으로써 얻어지는) 및 이산화탄소와 함께 미량의 기타 가스를 함유한다. 이 가스혼합물(40)에서 배출가스의 전술한 소부분으로부터 취한 제1가스스트림과 혼합시켜 200 내지 250℃ 범위의 온도까지 재가열한다. 다음에 이 재가열된 가스혼합물을 제1촉매반응기(42)로 통과시켜서 이 촉매반응기에서 황화수소와 이산화황간에 반응이 일어나 유황증기와 수증기를 추가로 형성시킨다. 이 반응은 예로서 활성 알루미나와 같은 통상적인 형태의 촉매에서 일어난다. 이러한 저온에서의 황화수소와 이산화황간의 촉매반응은 발열반응이기 때문에 제1촉매반응기(42)에서 온도가 상승하므로 이 반응기(42)를 떠나는 가스혼합물은 대표적으로 300 내지 350℃ 정도의 온도를 가진다.

필요하면, 반응기(42)의 출구온도는 보다 높게 즉 350 내지 400℃ 범위로 조절할 수도 있다. 이러한 보다 높은 출구온도는 반응기(42)로 들어오는 가스혼합물에 존재하는 어떤 산황화탄소와 이황화탄소의 향상된 가수분해를 일으키는 경향이 있다. 촉매반응기(42)로부터의 가스혼합물은 제2유황 응축기(44)를 통과하고 여기서 유황이 가스혼합물로부터 응축된다. 수득되는 유황응축물은 유황시일피트(54)로 통과한다. 유황응축기(44)의 하류인, 이 가스혼합물은 (46)에서 폐열보일러(36)로부터의 배출가스의 전술한 소부분의 제2부분과 혼합하여 140℃의 온도로부터 200 내지 220℃ 범위의 온도로 재가열하고, 전술한 온도는 대표적으로 제1촉매반응기(42)으로의 입구온도보다 약간 낮다. 이후에 이 가스스트림은 제2촉매반응기(42)를 통과하고 여기서 잔류 황화수소와 잔류 이산화황 사이에 추가의 반응이 일어나서 수증기와 유황증기가 형성되고 열이 발생되어 촉매반응기(48) 입구에서 출구로 통과할 때 가스의 온도는 50℃ 정도 상승한다.

이 제2촉매반응기(48)에 사용하는 촉매는 대표적으로 제1촉매반응기(42)에서 사용한 것과 같은 것이 된다.

제2촉매반응기(48)를 떠난 다음에, 이 가스혼합물은 제3유황응축기(50)를 통과하고 여기서 유황이 가스스트림으로부터 응축한다. 이 유황응축물은 유황시일피트(54)로 통과한다. 이 가스스트림은 140℃ 정도의 폐가스 가스스트림으로서 제3유황응축기(50)을 떠나고 다음에 폐가스 세척공장(52)로 들어간다. 이 폐가스 세척공장(52)는 통상적인 종류가 될 수도 있다.

대표적으로, 도면에 표시된 로는 대기압 보다 약간 높은 압력으로 조업된다. 예를 들면 로의 압력은 1.5 내지 2 절대기압의 범위가 된다.

대표적으로 버너(8), 제1로(10), 열교환기(20), 송풍기(60) 및 연관된 관로를 제외하면 도면에 표시된 모든 공장은 Claus법에서 황화수소를 포함하는 가스스트림에서 유황을 회수하는 기존 공장이 될 수도 있다. 이러한 공장의 정상 조업에서, 연소대역(26)에서의 황화수소의 연소를 돕기 위하여 순수한 산소를 공급하는 대신 산소가 증대되지 않은 공기를 이 목적으로 사용한다. 황화수소의 약 3분의 1을 이러한 정상적인 조업에서 태우기 때문에 대략 14 용적의 공기 그리고 이에 따른 11 용적의 질소를 각각 6 용적의 황화수소용으로 사용한다. 이와 같이 이 공장의 용량의 상당한 부분이 유황-함유가스가 아닌 질소를 운반하는데 이용된다. 공기 대신 순수한 산소로 대체하고(그리고 만일 필요하면 버너(24)로 개조하여) 그리고 공장의 나머지 부분에 관로(4), 버너(8), 로(12), 열교환기(20) 및 관로(22)를 추가하면 이 공장을 본 발명에 따라 조업할 수 있게 되고 한편으로 공장으로 통하는 질소의 유량을 실질적으로 감소시킨다. 따라서, 이 공장을 본 발명에 따라서 조작하여 조업율을 상당히 높일 수도 있다.

본 발명에 따른 방법을 아래의 실시예로 추가로 설명하는데 이 실시예에서는 도면에 표시된 것과 유사한 공장을 사용하지만, 각 촉매반응기의 바로 앞의 가스스트림의 재가열은 폐열보일러(36)(도면에서 나타낸 것 같이)의 인접한 영역으로부터 통과된 가스로 가스스트림을 혼합하는 것이 아니라 간접 열교환에 의해서 실시한다.

90용적%의 황화수소와 10용적%의 이산화탄소를 포함하는 가스스트림을 시간당 100Kmole의 율로 처리한다. 이 가스스트림의 소부분을 제1연소대역으로 시간당 11.5Kmole의 율로 통과시키고 그 황화수소 함유량 전부를 태워서 이산화황과 수증기를 형성한다. 황화수소의 연소를 돕기 위하여 시간당 15.5Kmole의 율로 순수한 산소를 제1연소대역 속으로 통과시킨다. 약 1250℃로 최고 화염 온도를 유지하기 위하여 조절가스 스트림(이의 형성은 아래에 기술한다)을 시간당 71.5Kmole의 율로 화염속으로 주입한다. 47.7용적%의 수증기, 47.4용적%의 이산화황 및 5.2용적%의 이산화탄소를 포함하는 연소생성물을 시간당 93.35Kmole의 율로 열교환기에 통과시켜 그 온도를 300℃로 낮춘다. 다음에 수득되는 냉각된 가스혼합물을 두부분으로 나눈다. 일부분(71.5Kmole/hr)는 조절가스로서 사용되므로 제1연소대역으로 되돌려 보낸다. 다른부분(21.85Kmole/hr)은 황화수소와 이산화탄소의 가스혼합물의 나머지부분(88.5Kmole/hr)과 혼합시킨다. 다음에 이 혼합물로 로의 일부분을 형성하는 제2연소대역속으로 통과시키고 여기서 황화수소가 산소에 의해서 이산화황으로 산화되어 수득되는 가스가 2대 1의 비율로 황화수소와 이산화황을 포함하게 된다. 또한 이산화황은 로속에서 황화수소와 반응하여 수증기와 유황증기를 형성한다.

유황증기, 수증기, 황화수소, 이산화황, 이산화탄소, 그리고 소량의 수소, 일산화탄소 및 산황화탄소(부반응의 결과로서 생성된)를 포함하는 수득된 가스혼합물은 약 1423℃의 온도로 로를 떠나서 폐열보일러에서 약 316℃로 온도가 떨어진다. 이 폐열보일러를 떠나는 가스혼합물을 유황응축기를 통과하는데 여기서 유황이 응축되어서 이 응축물이 가스혼합물로부터 추출된다. 유황증기가 추출된 후 이 가스혼합물은 용적으로 아래의 조성을 가진다 : 이산화황 8.6%; 황화수소 16.65%; 수증기 61.6%; 이산화탄소 7.95%; 수소 4.0%; 일산화탄소 0.67%; 옥시황화탄소 0.50%.

황화수소와 이산화황간에 추가의 반응을 진행시키는데는 대표적으로 둘의 통상적인 단계가 있다. 이러한 제1단계의 상류인 유황 응축기로부터의 가스혼합물을 약 232℃로 재가열 한다. 이는 약 369.5℃의 온도에서 제1단계를 떠난다. 이렇게 형성된 유황증기를 응축하고 추출한 후, 이 가스혼합물을 약 215.5℃로 재가열하고 다음에 제2촉매 전환단계로 통과하는데 여기서 온도는 약 275℃로 오른다. 수득되는 가스혼합물이 이로부터 응축되고 추출된 유황증기를 가지고 다음에 통상적인 폐가스 처리를 하여 제2촉매단계후의 가스혼합물 속에 남아있는 황화수소의 대부분을 제거한다.

Claims

황화수소를 포함하는 공급가스 스트림으로부터 유황을 회수하는 방법에 있어서, 주 스트림 및 부 스트림으로 공급가스를 분할하고, 제1연소대역에서 부 스트림의 황화수소 함유량의 최소한 50%를 태운 이후에 부 스트림을 냉각시키고, 제2연소대역에서 주 스트림의 황화수소 함유량의 3분의 1 이하를 태워서 이산화황과 수증기를 형성하고, 제2연소대역에 산소-농후가스(최소한 80용적%의 산소를 유지하는)를 공급하여 주 스트림에 있는 황화수소의 연소를 돕고 전술한 제2연소대역과 연관된 열반응대역에서 이렇게 형성된 이산화황을 황화수소와 반응시켜 유황증기와 수증기를 형성하고, 수득되는 가스혼합물로부터 전술한 유황증기를 추출하고, 그리고 가스혼합물에 잔유하는 황화수소를 잔유하는 이산화황과 반응시켜 추가의 유황증기와 수증기를 형성하고 그리고 추가의 유황증기를 추출하는 것을 포함하며, 여기서 냉각된 부 스트림의 한부분을 제2연소대역 또는 이와 관련된 열대역(또는 둘 모두)에 주입하고 냉각된 부 스트림의 또다른 부분은 제1연소대역으로 재순환시켜 그속의 온도를 조절하고, 그리고 부 및 주 스트림의 전체 황화수소 함량의 약 3분의 1을 태워서 이산화황 및 수증기를 형성하는 황화수소를 포함하는 공급가스 스트림으로부터 유황을 회수하는 방법.
제1항에 있어서, 부 스트림의 실질적인 전체 황화수소 함유량을 태워서 이산화황과 수증기를 형성시키는 유황 회수방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 산소-농후가스가 순수한 산소인, 유황 회수방법.
제1항에 있어서, 공급가스 스트림이 60용적% 이상의 황화수소를 포함하는 유황 회수방법.
제4항에 있어서, 공급가스 스트림이 최소한 70용적%의 황화수소를 포함하는 유황 회수방법.
제1항에 있어서, 제2연소대역속으로 냉각된 부 스트림과 산소-농후가스 이외에 다른 유체는 주입하지 않는 유황 회수방법.
제1항에 있어서, 제1대역에 공급되고 산소분자를 포함하는 가스나 가스혼합물을 부 스트림의 연소를 돕는데 사용하고, 산소분자의 양이 황화수소를 완전연소시키는데 필요한 양의 90 내지 100% 범위내에 이슨 유황회수 방법.
제7항에 있어서, 냉각된 가스혼합물의 전술한 일부를 제2연소대역에서 있는 최소한 하나의 화염의 고온영역 속으로 주입하는 유황 회수방법.
제8항에 있어서, 냉각된 가스혼합물의 전술한 일부를 전술한 고온영역으로 주입되는 전술한 주 스트림 상류와 혼합시키는, 유황 회수방법.
제1항에 있어서, 공급가스 스트림의 8 내지 15용적%를 부 스트림을 형성하는데 사용하고 공급가스 스트림의 그 나머지를 주 스트림을 형성하는데 사용하는 유황 회수방법.
제1항에 있어서, 전술한 추가의 유황증기와 황화수소와 이산화황간의 반응을 위한 촉매상에서 형성되는 유황 회수방법.
황화수소를 포함하는 공급가스 스트림으로부터 유황을 회수하는 장치에 있어서, 전술한 공급가스 스트림의 대부분을 회수하기 위한 제1도관; 전술한 공급가스 스트림의 소부분을 수용하기 위한 제2도관; 부 스트림의 황화수소 함량의 최소한 50%를 태워서 이산화황과 수증기를 형성시키기 위해 관련된 최소한 하나의 제1버너를 가지는 제1연소대역, 전술한 버너는 전술한 제2도관과 통하는 입구를 가지며, 그리고 전술한 제1연소대역은 전술한 제1연소대역으로부터의 가스혼합물을 냉각시키기 위한 열교환수단의 입구와 통하는 출구를 가지며; 황화수소를 연소시켜서 수증기와 이산화황을 형성하기 위해 관련된 최소한 하나의 버너를 가지는 제2연소대역, 전술한 최소한 하나의 제2버너는 전술한 제1도관과 통하는 입구와 산소-농후가스(앞에서 정의한 것 같은)의 공급원과 통하는 입구를 가지며; 작동시 이산화황이 황화수소와 반응하여 유황증기와 수증기를 형성하는 열반응대역, 전술한 열반응대역은 전술한 제2연소대역으로부터의 출구와 통하고; 전술한 열반응대역을 떠나는 가스혼합물로부터 유황증기를 추출하기 위한 전술한 열반응대역의 하류인 응축기; 황화수소와 이산화황간에 추가반응을 시켜서 유황증기와 수증기를 추가로 형성하기 위하여 전술한 응축기의 하류에 최소한 하나의 추가 반응대역; 그리고 온도를 조절하기 위하여 전술한 열교환기 수단을 떠나는 냉각된 가스혼합물의 일부를 제2연소대역 및 전술한 열반응대역중 하나나 둘 모두의 속으로 주입하기 위한 수단 그리고 제1연소대역 속으로 냉각된 부 스트림의 또다른 부분을 다시 주입하는 수단을 포함하여 조작시 전술한 대 및 소 부분의 전체 황화수소 함유량의 약 3분의 1을 태워서 이산화황과 수증기를 형성시킬 수 있는 황유 회수장치.
제12항에 있어서, 전술한 최소한 하나의 추가의 반응대역이 황화수소와 이산화황간의 반응촉매를 포함하는 유황 회수장치.