Способ получения триоксида серы

Настоящее изобретение относится к способу получения триоксида серы, предназначенного для получения серной кислоты, из исходных серосодержащих материалов с высоким потенциалом образования так называемой липкой пыли. Способ получения включает сжигание в присутствии обогащенного кислородом потока в печи (3). Серосодержащие соединения в сырьевом потоке превращают в SO₂. Далее охлаждают газ посредством излучения для утилизации тепла в виде пара высокого давления. По меньшей мере 50% полезной мощности в утилизационном котле (5) переносится излучением газа и частиц. Дополнительно охлаждают технологический газ, который выходит из утилизационного котла, в нагревателе разбавляющего воздуха (7). Добавляют разбавляющий воздух в технологический газ для обеспечения достаточного кислорода для окисления SO₂ в SO₃ в конвертере SO₂. Разбавленный технологический газ вводят в конвертер (12) SO₂, содержащий ряд каталитических слоев. Утилизационный котел представляет собой теплообменник радиационного типа в форме конструкции с мембранными стенками, в которой стенка представляет собой охлаждающую поверхность. Технический результат: увеличение степени утилизации тепла, уменьшение отложений в котле-утилизаторе и уменьшение занимаемой им площади, увеличение межремонтного интервала. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 3 пр., 3 табл., 6 ил.

 

Настоящее изобретение относится к способу получения триоксида серы, предназначенного для получения серной кислоты, из исходных серосодержащих материалов с высоким потенциалом образования так называемой липкой пыли, которая может закупоривать традиционные утилизационные котлы, вызывая тем самым внеплановые отключения всей сернокислотной установки.

Более конкретно, настоящее изобретение предлагает способ получения триоксида серы из сырьевого потока, содержащего серосодержащие соединения и растворенные металлы, такие как щелочные металлы, включающий следующие стадии:

сжигание в присутствии обогащенного кислородом потока, в результате чего серосодержащие соединения в сырьевом потоке превращаются в SO₂,

охлаждение газа в утилизационном котле для утилизации тепла в виде пара высокого давления, причем по меньшей мере 50% полезной мощности в утилизационном котле переносится излучением газа и частиц,

дополнительное охлаждение технологического газа, который выходит из утилизационного котла, в нагревателе разбавляющего воздуха,

добавление разбавляющего воздуха в технологический газ в целях обеспечения достаточного кислорода для окисления SO₂ в SO₃ в конвертере SO₂ и

введение разбавленного технологического газа в конвертер SO₂, состоящий из ряда каталитических слоев с теплообменниками, установленными между каталитическими слоями.

Настоящее изобретение также относится к установке для получения триоксида серы описанным выше способом, причем указанная установка содержит сжигательную печь, утилизационный котел, нагреватель разбавляющего воздуха и пылеудаляющий абсорбер. В частности, для применения в получении серной кислоты установка дополнительно содержит конвертер SO₂ и сернокислотный конденсатор.

Сырьевой поток может представлять собой отработанную серную кислоту, производимую в процессе алкилирования, в котором серная кислота выступает в качестве катализатора для получения алкилата, т.е. топливной присадки. В процессе алкилирования серную кислоту загрязняют вода и растворимые в кислоте масла, а также в некоторой степени продукты коррозии из оборудования установки (ионы Fe, Cr, Ni) и ионы щелочных металлов (Na, K), поступающие, например, из оборудования для очистки алкилата. Эту кислоту выводят из процесса алкилирования, регенерируют с получением концентрированной серной кислоты в отдельной сернокислотной установке и возвращают в процесс алкилирования.

Другой пример сырьевого потока представляют собой продукты процесса очистки коксового газа, в котором присутствующие в коксовом газе H₂S и HCN абсорбируют водным щелочным раствором и перерабатывают в элементарную серу (S) и соли SCN^-, S₂O₃^2- и SO₄^2-. Обычно соответствующий катион представляет собой NH₄⁺ или Na⁺ в зависимости от способа регулирования щелочности, например, с помощью NH₃ или NaOH. Такие процессы очистки коксового газа известны, например, под товарными наименованиями HPF, PDS, Perox и Stretford. Указанные продукты имеют низкое качество и стоимость и могут быть переработаны в концентрированную серную кислоту для повышения качества и стоимости серы.

Далее настоящее изобретение описано более подробно со ссылкой на фигуры, причем

на фиг. 1 представлена известная технологическая схема превращения сырьевого потока в концентрированную серную кислоту,

на фиг. 2 представлен способ получения серной кислоты с использованием нового котла радиационного типа согласно настоящему изобретению, и

на фиг. 3-6 представлены различные альтернативные теплообменники радиационного типа, используемые согласно настоящему изобретению.

На фиг. 1 представлена обычно применяемая технологическая схема превращения указанных исходных материалов в концентрированную серную кислоту. На первой стадии сырьевой поток, содержащий серосодержащие соединения и растворенные металлы и щелочные металлы 1, вводят в печь 3, работающую при 900-1100°С. В зависимости от конкретного состава исходного материала в этой печи происходят следующие реакции:

H₂SO₄→SO2+0,5О₂+H₂O

Растворимые в кислоте масла + O₂→CO₂+H₂O+SO₂

S+O₂→SO₂

SCN^-+2O₂→SO₂+CO₂+0,5N₂

S₂O₃^2-+0,5О₂→2SO₂

SO₄^2-→SO₂+O₂

CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O

Для поддержания высокой температуры в печи часто необходимо введение вспомогательного топлива 2, чтобы обеспечивать достаточно высокую теплотворную способность исходных материалов. Такое вспомогательное топливо может представлять собой СН₄, С₂Н₆ и другие виды топлива на углеводородной основе, но также могут быть использованы H₂S, СО и Н₂.

Чтобы обеспечить достаточное количество O₂ для описанных выше реакций окисления, в печь направляют обогащенный кислородом поток 24. Наиболее часто используют атмосферный воздух, поскольку горячий воздух 22 выходит из сернокислотного конденсатора 17 в установке.

В некоторых приложениях может оказаться выгодным применение O₂ в повышенной концентрации (т.е. превышающей 21 об. %), но обычно стоимость обогащения воздуха выше, чем выгода от повышенной концентрации O₂.

Технологический газ, выходящий из печи 4, охлаждают до 450-600°С в утилизационном котле 5, чтобы утилизировать тепло в форме пара высокого давления. Манометрическое давление пара находится в диапазоне от 20 до 85 бар.

Наиболее распространенный тип утилизационного котла для указанных приложений представляют собой так называемые огнетрубные котлы, в которых технологический газ протекает через ряд параллельных горизонтальных труб. Скорость газа является высокой (составляя обычно от 25 до 50 м/с), чтобы обеспечивать высокий коэффициент конвективного теплопереноса для эффективной передачи тепла охлаждающей среде на оболочечной стороне труб. Охлаждающая среда обычно представляет собой воду высокого давления, и тепло поглощают посредством фазового перехода (т.е. кипения). Эта конструкция является хорошо известной и применяется в промышленности.

Другой тип утилизационного котла представляет собой так называемый водотрубный котел, в котором технологический газ протекает на оболочечной стороне труб, а вода/пар протекает внутри труб. Водотрубные котлы также работают за счет конвективного теплопереноса, и, таким образом, скорость газа должна быть высокой, и расстояние между трубами должно быть малым.

Технологический газ 6, выходящий из утилизационного котла, затем дополнительно охлаждают до 375-450°С в нагревателе 7 разбавляющего воздуха. Если отсутствует необходимость разбавления воздухом, может быть установлен пароперегреватель, или может быть сконструирован находящийся выше по потоку утилизационный котел 5 для охлаждения технологического газа до 375-400°С.

Для защиты находящегося ниже по потоку оборудования пыль из технологического газа удаляют в электростатическом осадителе 9. Могут быть также использованы другие типы пылеудаляющего оборудования, например керамические фильтры.

После удаления пыли горячий разбавляющий воздух 2 6 вводят в технологический газ 10, чтобы обеспечивать достаточное количество кислорода для каталитического окисления SO₂ в SO₃. Это положение для введения воздуха обеспечивает сокращение до минимума размера печи 3, утилизационного котла 5, нагревателя 7 разбавляющего воздуха и электростатического осадителя 9.

Разбавленный технологический газ 11 затем поступает в конвертер SO₂ 12 при 375-420°С. Конвертер состоит из ряда каталитических слоев 13 с теплообменниками 14, установленными между каталитическими слоями. Превращение SO₂ в SO₃ представляет собой экзотермическую реакцию, и в целях доведения до максимума суммарной степени превращения SO₂ обычная практика представляет собой применение ряда каталитических слоев, причем каждый последующий слой работает при меньшей температуре, чтобы обеспечить максимально возможную степень превращения. Число каталитических слоев составляет от 1 до 4, причем 3 представляет собой наиболее распространенное число для указанных приложений.

Теплообменники 14 между каталитическими слоями выполнены с возможностью обеспечения оптимальной температуры технологического газа на впуске каждого из каталитических слоев 13. В качестве охлаждающей среды обычно используют насыщенный и/или перегретый пар, но могут быть также использованы воздух, расплавленная соль или горячая вода при повышенном давлении (котловая вода).

После заключительного каталитического слоя 13 с переработанный технологический газ охлаждают до 250-310°С в котле 15, прежде чем технологический газ выходит из конвертера 12 SO₂. В данном температурном диапазоне SO₃ начинает реагировать с H₂O в газовой фазе с образованием пара H₂SO₄.

Эта реакция протекает до завершения в сернокислотном конденсаторе 17, в котором технологический газ охлаждают до 60-200°С. Основная часть пара серной кислоты конденсируется, и жидкую концентрированную H₂SO₄ 18 выводят из нижней части конденсатора, в то время как очищенный газ 19 выходит в верхней части конденсатора. В зависимости от законодательства об охране окружающей среды, для очищаемого газа могут потребоваться дополнительные стадии очистки перед выпуском в атмосферу через дымовую трубу 20.

Получаемую H₂SO₄ 18 охлаждают приблизительно до 40°С и направляют за пределы установки для хранения или непосредственного применения. Концентрация H₂SO₄ составляет от 93 до 98,5 масс. % в зависимости от соотношения H₂O/SO₃ в технологическом газе 16.

Охлаждающая среда 21 для конденсации серной кислоты представляет собой воздух, и горячий воздух 22, выходящий из конденсатора, можно возвращать на впуск сернокислотной установки как предварительно нагретый воздух 24 для сжигания и горячий воздух 25 для разбавления. Для возврата горячего воздуха необходим вентиляторный воздухонагреватель 23. Любой горячий воздух 26, не используемый для указанных целей, можно смешивать с очищенным газом 19, получая сухой чистый газ (и, таким образом, выводить в сухом состоянии через дымовую трубу), или тепло может быть использовано, например, для предварительного нагревания питающей котловой воды или нагревания/высушивания в других целях.

В сернокислотном конденсаторе 17 используют стеклянные трубы для отделения технологического газа от охлаждающего воздуха, потому что металлы не способны выдерживать коррозионное воздействие горячей концентрированной серной кислоты.

Так называемая сухая газовая технология получения серной кислоты имеет иную схему. Печь и утилизационный котел аналогичны соответствующим устройствам, используемым в мокрой газовой технологии, которая описана выше и представлена на фиг. 1, но после утилизационного котла технологический газ быстро охлаждают до 50-60°С для вымывания пыли и удаления воды из технологического газа. Холодный сухой технологический газ, содержащий SO₂, затем повторно нагревают, SO₂ каталитически окисляют до SO₃, и полученный SO₃ абсорбируют концентрированной серной кислотой в специальной абсорбционной колонне. Как мокрый, так и сухой способ позволяет перерабатывать вышеупомянутые исходные материалы при том условии, что концентрации образующих пыль металлов и щелочных металлов являются достаточно низкими. При превышении допустимой концентрации указанных примесей оба способа страдают от эффекта образования и осаждения пыли.

Допустимые концентрации металлов и щелочных металлов в исходном материале трудно определить количественно, потому что образование частиц липкой пыли зависит от взаимодействия между различными металлами, присутствующими в. исходном материале, а также от состава технологического газа.

Образование липких частиц обуславливают, главным образом Na и K. При увеличении концентраций Na и K усиливается образование липких частиц.

Это может быть несколько компенсировано присутствием, например, Fe, Al и Mg, которые могут в некоторой степени "высушивать" частицы и уменьшать их липкость.

Присутствие SO₃ в технологическом газе также усиливает образование липких частиц.

Кроме того, имеет значение диаметр труб в огнетрубном утилизационном котле, потому что трубы большего диаметра являются более устойчивыми к засорению и закупориванию, чем трубы меньшего диаметра.

Согласно общему правилу, концентрации Na и K ниже 25-50 мас. ч./млн. в отработанной кислоте из установки алкилирования обеспечивают бесперебойную эксплуатацию утилизационного котла.

В печи 3 содержащиеся в исходном материале растворенные металлы и щелочные металлы образуют оксиды и/или сульфаты в твердом или жидком состоянии. Температура и химический состав частиц будут определять степень присутствия частиц в жидком состоянии. Указанные частицы будут удаляться из печи вместе с технологическим газом 4. В промышленности хорошо известно, что высокие концентрации Na и K приводят к образованию сульфатов (таких как Na₂S04/K2S04, а также NaHSO₄/KHSO₄ и Na₂S₂O₇/K₂S₂O₇), которые по меньшей мере частично переходят в жидкое состояние при высоких температурах печи. Сульфаты могут также объединяться с другими твердыми соединениями, образуя при этом смеси с иными температурами плавления, чем температура плавления сульфата в чистом состоянии. Примеры так называемых эвтектических смесей, у которых температура плавления ниже, чем у их составляющих в чистом состоянии, представляют собой Na₃Fe(SO₄)₃, NaFe(SO₄)₂, K₃Fe(SO₄)₃ и KFe(SO₄)₂, которые имеют температуры плавления в диапазоне от 600 до 700°С, в то время как Na₂SO₄ имеет температуру плавления 885°С.

Когда указанные "липкие" частицы вступают в контакт с холодными поверхностями утилизационного котла 5, частицы прилипают к поверхности и быстро затвердевают, образуя слой отложений. Толщина слоя отложений увеличивается с течением времени, и, в конечном счете, слой становится настолько толстым, что поток технологического газа через трубу утилизационного котла (в огнетрубном котле) или между трубами утилизационного котла (в водотрубном котле) задерживается в такой степени, что дальнейшая эксплуатация установки становится невозможной, и, таким образом, установка должна быть отключена для удаления указанных отложений.

Продолжительность эксплуатации между такими отключениями может составлять более одного года для очень чистых исходных материалов, но для исходных материалов с очень высокой концентрацией, в частности, щелочных металлов трубы могут закупориваться в результате менее чем 24 часов эксплуатации.

Период времени между отключениями можно в некоторой степени увеличивать, добавляя в исходные потоки уменьшающие липкость соединения, такие как MgO или Al₂(SO₄)₃, и/или используя некоторого рода встроенные системы для очистки утилизационного котла. Такие системы могут представлять собой, например, сажеобдувочные аппараты, устройства для обдувки сжатым воздухом, механические очистители и акустические рупоры. Вследствие механической схемы утилизационных котлов с длинными трубами малого диаметра (огнетрубный котел) эффективность указанных систем очистки не является высокой. Для трубных пучков с малым расстоянием между трубами (водотрубный котел) эффективность указанных систем очистки можно повышать, разделяя водотрубный котел на несколько секций трубных пучков и устанавливая системы очистки между секциями.

Для исходных материалов с очень высокой концентрацией щелочных металлов можно также пожертвовать утилизацией тепла, осуществляя быстрое водяное охлаждение технологического газа от приблизительно 1000°С сразу до 30-60°С. При этом липкая пыль растворяется в воде и удаляется со сточной водой, но данный способ страдает от очень низкой эффективности использования энергии, высокого расхода воды и больших объемов сточной воды.

Чтобы получить способ обработки вышеупомянутых проблематичных исходных потоков, который обеспечивает также высокую степень утилизации тепла, предложено применение иного теплообменника. Такой теплообменник должен иметь способность охлаждения технологического газа в сочетании с высокой устойчивостью к отложениям липкой пыли.

Такой теплообменник может представлять собой охладитель радиационного типа. Основу одной редко используемой конструкции составляют два концентрических цилиндрических канала, причем горячий технологический газ, содержащий липкую пыль, протекает во внутреннем канале, а хладагент протекает в кольцевом пространстве между двумя каналами. Направление потока хладагента может быть противоположным или совпадающим с направлением потока технологического газа. Хладагент обычно представляет собой горячий воздух, подаваемый при температуре, превышающей температуру конденсации серной кислоты в горячем технологическом газе.

Внутренний канал имеет большой диаметр (более 500 мм), и, таким образом, закупоривание оказывается невозможным.

Недостаток этого радиационного охладителя представляет собой ограниченная способность теплопереноса: скорость радиационного теплопереноса уменьшается вследствие высокой температуры металла каналов. Кроме того коэффициент конвективного теплопереноса на стороне охлаждающего воздуха является относительно низким, и для применения горячего охлаждающего воздуха требуются дополнительные

теплообменники, чтобы превращать тепло, например, в пар, который является более полезным в перерабатывающей промышленности. Для высоких температур металла требуется высококачественная сталь, которая является дорогостоящей.

Для настоящей заявки рекомендован альтернативный теплообменник радиационного типа. Различные схемы представлены на фиг. 3-6.

На фиг. 2 представлен способ получения серной кислоты с помощью нового котла радиационного типа. Здесь изменен только утилизационный котел, в то время как остальные устройства технологической схемы остаются неизменными.

Этот альтернативный теплообменник радиационного типа представляет собой так называемую конструкцию с мембранными стенками, в которой стенки составляют охлаждающие поверхности. Это обеспечивает доведение до максимума площади теплопереноса и в то же время гарантирует отсутствие в котле холодных точек, где серная кислота может конденсироваться и вызывать коррозию.

На фиг. 3 представлена примерная схема утилизационного котла радиационного типа.

Горячий технологический газ из печи 4 поступает в утилизационный котел 5 с температурой от 900 до 1100°С. Технологический газ содержит SO₂, CO₂, H₂O, N₂, O₂, а также в небольших количествах SO₃, NO_x и частицы пыли, обычно состоящие из оксидов/сульфатов Fe, Na, K, Cr и Ni.

Когда поток технологического газа проходит через утилизационный котел, тепло от технологического газа переносится через стенки котла в котловую воду, и в результате этого образуется пар. Охлажденный технологический газ выходит из утилизационного котла через нижний выпуск 6.

Стенка состоит из ряда вертикальных труб 40, которые отделяют друг от друга металлические пластины/полосы 41, полностью приваренные к трубам, в целях получения газонепроницаемо конструкции. Вода/пар протекает внутри труб и охлаждает стенки труб и металлические пластины и в то же время обеспечивает минимальную температуру металлических поверхностей. Это очень полезно для указанных приложений, поскольку предотвращает конденсацию пара серной кислоты, которая могла бы в иных условиях вызывать коррозию металла.

Котловая питающая вода поступает во все трубы через нижний коллектор (31), который принимает воду из парового барабана, расположенного на определенном уровне над верхом теплообменника. Это повышенный уровень необходим для обеспечения течения воды и пара посредством естественной циркуляции. Если используют принудительную циркуляцию, отсутствует необходимость расположения парового барабана выше утилизационного котла.

Смесь воды и пара выводят из труб в верхней части утилизационного котла и собирают в верхнем коллекторе 32 перед направлением в тот же паровой барабан для разделения воды и пара.

Поскольку температуру технологического газ на выпуске 6 необходимо регулировать для оптимальной эксплуатации расположенного ниже по потоку оборудования, требуется возможность отвода части горячего технологического газа с длинного пути охлаждения и обеспечения короткого пути с низкой степенью охлаждения технологического газа. На фиг. 3 это достигнуто за счет присутствия шибера 34 основного канала и шибера 33 обводного канала, причем работой обоих шиберов управляет температурный регулятор, расположенный ниже по потоку относительно котла. Шибер обводного потока также необходим для регулирования температуры на выпуске при эксплуатации установки с уменьшенной нагрузкой, т.е. для такой эксплуатации установленная охлаждающая поверхность является больше, чем требуется. Кроме того, обычной практикой является введение дополнительной площади теплопереноса таким образом, чтобы котел мог хорошо работать при проектной нагрузке даже в том случае, когда на частях теплообменной поверхности образуются отложения, затрудняя теплоперенос от технологического газа к охлаждаемой поверхности.

Вследствие большого расстояния между стенками оказывается практически невозможным накопление слоя отложений такой толщины, при которой ограничение потока становится настолько значительным, что требуется отключение установки вследствие ограничений перепада давления. Все же некоторые отложения могут накапливаться на стенках котла, тем самым препятствуя теплопереносу.

Указанные отложения могут быть удалены с помощью систем очистки, которые описаны выше для водотрубного и огнетрубного котла. Преимущество котла с мембранными стенками заключается в том, что все поверхности теплопереноса являются открытыми (т.е. отсутствуют скрытые трубные пучки или длинные трубы, где сила системы очистки быстро снижается), и, таким образом, системы очистки имеют непрерывный путь между системой и стенкой, и в результате этого обеспечивается максимальная эффективность системы очистки.

На фиг. 3 горячий обводной шибер 33 расположен несколько выше, чем впуск 4 технологического газа. Это предназначено для защиты шибера обводного канала от любого непосредственного излучения из печного пространства выше по потоку относительно котла и снижения температуры технологического газа на 100-200°С в целях защиты неохлаждаемой поверхности шибера от чрезмерной температуры.

На фиг. 3 конструкция котла имеет шибер как основного канала, так и обводного канала. В принципе, котел мог бы работать с одним единственным шибером (либо на основном канале, либо на отводном канале), но перепад давления в котле является очень низким (менее 5 мбар) и, таким образом, с одним единственным шибером должно быть

затруднительным осуществление значительных изменений в распределении между охлаждаемым технологическим газом и горячим отводным технологическим газом. Имея два шибера, распределение можно, в принципе, регулировать в диапазоне от 0 до 100% потока через шибер обводного потока.

На фиг. 4 представлена схема котла, в которой шибер 33 обводного канала и шибер 34 основного канала расположен снаружи котла. В данной схеме регулирование температуры технологического газа является таким же хорошим, как и на фиг. 3. Преимущество данной схемы представляет собой упрощенная конструкция труб в котле, поскольку не нужно изгибать трубы, чтобы обеспечивать пространство для шибера и вала шибера. Недостаток этой конструкции может заключаться в том, что на горячий короб и шибер обводного канала воздействует высокая температура печи, и что может потребоваться применение редких конструкционных материалов, и/или может сокращаться срок эксплуатации материала.

Для сокращения занимаемой площади утилизационный котел состоит из двух квадратных коробов, где поток технологического газа направляют вверх и поворачивают в верхней части котла. Затем поток направляют вниз и выводят из нижней части котла 6.

На фиг. 5 выпуск котла расположен в верхней части котла, но в остальных отношениях схема является такой же, как на фиг. 4. Преимущество этой схемы представляет собой дальнейшее уменьшение занимаемой площади и сокращение длины короба, при том условии, что расположенное ниже по потоку оборудование находится на повышенном уровне, например, у впуска в каталитический конвертер 12, имеющий множество каталитических слоев и соответствующие теплообменники между слоями. Недостаток этой схемы представляет собой высота конструкции, для которой требуется еще более высокое расположение парового барабана в целях обеспечения естественной циркуляции котловой воды в котел и из него.

На фиг. 6 представлена четвертая схема утилизационного котла, которая может быть применена в случае необходимости охлаждения технологического газа до температуры ниже оптимальной температуры для радиационного теплопереноса. Хорошо известно, что теплоперенос посредством излучения является наиболее эффективным при высоких температурах (теплоперенос пропорционален температуре в четвертой степени), и, таким образом, существует практический нижний предел для температуры на выпуске котла. Эта температура составляет от 500 до 600°С, и если требуется дополнительное охлаждение, оказывается необходимым применение конвективного теплопереноса, например, посредством установки трубных пучков в наиболее холодной части котла. Расстояние между указанными трубами будет аналогично расстоянию, которое используют в обычных огнетрубных котлах и водотрубных котлах. Трубы могут быть горизонтальными или вертикальными.

Альтернатива, которую широко используют, например, в больших котлах электростанций, представляет собой принудительную циркуляцию, в которой поток воды и пара через трубы регулируют посредством выделенного насоса.

Настоящее изобретение дополнительно проиллюстрировано в примерах, которые представлены ниже.

Пример 1

В обычно используемой конструкции огнетрубного и водотрубного котла механизм теплопереноса представляет собой, главным образом, конвекцию. Чтобы спроектировать эффективный и компактный теплообменник конвекционного типа, скорость технологического газа должна быть максимально высокой, насколько это возможно, и, таким образом, расстояние между трубами (в водотрубном котле) и диаметр труб (в огнетрубном котле) должны быть минимально возможными. Недостаток такой конструкции заключается в том, что является низкой устойчивость к закупориванию: расстояние от металлической поверхности до противоположной металлической поверхности является коротким, и, таким образом, относительно тонкий слой отложений может приводить к высокой степени ограничения потока.

Расстояние теплопереноса посредством излучения является значительно больше, чем расстояние теплопереноса посредством конвекции, и, таким образом, теплообменник радиационного типа может быть спроектирован с увеличенным расстоянием между противоположными поверхностями. В качестве примера, огнетрубный котел спроектирован с рядом трехдюймовых труб (внутренний диаметр 63 мм), а радиационный теплообменник спроектирован, например, с открытым каналом длиной 1800 мм между противоположными металлическими поверхностями.

Ниже в таблице 1 представлено сравнение между конструкцией огнетрубного утилизационного котла и конструкцией котла с мембранными стенками согласно настоящему изобретению для переработки приблизительно 4 т/ч отработанной серной кислоты от процесса алкилирования.

Огнетрубный утилизационный котел представляет собой двухпроходный котел с трехдюймовыми трубами в первом проходе для повышения устойчивости к закупориванию и двухдюймовыми трубами во втором проходе для увеличения скорости теплопереноса

Котел с мембранными стенками представляет собой канал квадратной конструкции, которая представлена на фиг. 3, где ширина боковых стенок составляет 1800 мм.

Технологический газ охлаждают от 1000°С до 550°С.

В таблице 1 представлено относительное сравнение двухпроходного огнетрубного утилизационного котла и утилизационного котла с мембранными стенками.

Утилизационные котлы оценены в отношении установки регенерации отработанной серной кислоты (4 т/ч), где технологический газ охлаждают от 1000°С до 550°С в утилизационном котле.

Как видно в таблице 1, между двумя утилизационными котлами существует несколько основных различий. Прежде всего, теплоперенос посредством конвекции является более эффективным, чем теплоперенос посредством излучения, и, таким образом, для утилизационного котла с мембранными стенками требуется увеличенная площадь теплообмена, чтобы отводить такое же количество тепла.

Поскольку скорость технологического газа в теплообменнике с мембранными стенками является весьма низкой (<5 м/с), перепад давления будет значительно ниже, и, таким образом, уменьшается стоимость эксплуатации вентиляторов технологического газа.

Наиболее значительным является различие в расстоянии между соседними стенками, и это означает, что оказывается почти невозможным закупоривание утилизационного котла с мембранными стенками.

Даже если в теплообменнике с мембранными стенками установить увеличенную площадь теплообмена, его конструкция является дешевле, чем в случае огнетрубного котла. Это обусловлено более простой конструкцией мембранной стенки, где смесь воды и пара высокого давления заключена в небольшие трубы, в то время как в огнетрубном котле смесь воды и пара высокого давления заключена в большой кожух. В последнем случае требуется увеличение толщины металла трубной решетки и разгрузочного кожуха.

Пример 2

При использовании размеров утилизационного котла из примера 1 некоторые приблизительные вычисления показывают улучшение устойчивости к закупориванию конструкции с мембранными стенками.

Для вычисления предположена постоянная скорость накопления слоя отложений, составляющая 1 мм/сутки, т.е. пыль технологического газа, имеющая высокий закупоривающий потенциал.

Ниже в таблице 2 проиллюстрированы эффекты накопления отложений на скорость поток и перепад давления в трубах огнетрубного утилизационного котла и канале утилизационного котла с мембранными стенками. Предположена постоянная скорость накопления слоя отложений, составляющая 1 мм/сутки, т.е. пыль технологического газа, проявляющая высокий закупоривающий потенциал.

Как представлено выше в таблице 2, огнетрубный котел оказывается существенно закупоренным после трехнедельной эксплуатации, в то время как наблюдается лишь весьма незначительное воздействие на утилизационный котел с мембранными стенками.

Пример 3

Ниже в таблице 3 представлены различные конфигурационные схемы утилизационных котлов для охлаждения технологического газа от сжигания так называемой отработанной серной кислоты. Более конкретно, поток технологического газа имеет скорость 5000 Нм³/ч (определение м³/ч при 0°С и 1 атм.) и содержит 10 об. % SO₂, 25 об. % H₂O и 10 об. % CO₂. Газообразные компоненты, несущие ответственность за излучение тепла из технологического газа на охлаждаемые металлические поверхности, представляют собой SO₂, CO₂ и H₂O.

Теплоперенос в огнетрубном котле представляет собой в основном конвективный теплоперенос, и, таким образом, скорость газа должна быть высокой. В примере только 5-20% теплопереноса в огнетрубном котле обусловлено излучением от газа, в то время как 80-95% тепла переносится посредством конвективного теплопереноса. Это распределение между конвективным и радиационным теплопереносом является типичным как для огнетрубных котлов, так и для водотрубных котлов.

Для утилизационного котла радиационного типа распределение теплопереноса является противоположным, т.е. 80-95% тепла переносится посредством излучения, в то время как только 5-20% тепла переносится посредством конвективного теплопереноса. Скорость газа является низкой, уменьшая скорость конвективного теплопереноса, хотя обеспечивается достаточная продолжительность выдерживания для излучения тепла.

1. Способ получения триоксида серы из сырьевого потока, включающего серосодержащие соединения и растворенные металлы, такие как щелочные металлы, причем указанный способ включает следующие стадии:

сжигание в присутствии обогащенного кислородом потока, причем серосодержащие соединения в сырьевом потоке превращают в SO₂,

охлаждение газа посредством излучения для утилизации тепла в виде пара высокого давления, причем по меньшей мере 50% полезной мощности в утилизационном котле переносится излучением газа и частиц,

дополнительное охлаждение технологического газа, который выходит из утилизационного котла, в нагревателе разбавляющего воздуха,

добавление разбавляющего воздуха в технологический газ для обеспечения достаточного кислорода для окисления SO₂ в SO₃ в конвертере SO₂ и

введение разбавленного технологического газа в конвертер SO₂, содержащий ряд каталитических слоев,

причем утилизационный котел представляет собой теплообменник радиационного типа в форме конструкции с мембранными стенками, в которой стенка представляет собой охлаждающую поверхность.

2. Способ по п. 1, в котором температура сжигания составляет 900–1100°C.

3. Способ по п. 1, в котором температура газа, выходящего из утилизационного котла, составляет 450–600°C.

4. Способ по п. 1, в котором температура на впуске каталитического слоя (-ев) конвертера SO₂ составляет 375–420°C.

5. Способ по любому из пп. 1-3, в котором переработанный технологический газ, выходящий из конвертера SO₂, охлаждают до 250–310°C.

6. Установка для получения триоксида серы способом по любому из пп. 1-4, причем указанная установка включает сжигательную печь (3), утилизационный котел (5), нагреватель разбавляющего воздуха (7), пылеудаляющий абсорбер (9) и конвертер (12) SO₂, причем утилизационный котел (5) представляет собой теплообменник радиационного типа в форме конструкции с мембранными стенками, в которой стенка представляет собой охлаждающую поверхность.

7. Установка по п. 6, дополнительно включающая сернокислотный конденсатор (17) для получения серной кислоты.

8. Установка по п. 6, в которой конвертер (12) SO₂ состоит из ряда каталитических слоев (13) с теплообменниками (14), установленными между каталитическими слоями.

9. Установка по п. 8, в которой число каталитических слоев (13) составляет от 2 до 4, предпочтительно 3.

10. Установка по п. 6, в которой стенки утилизационного котла (5) состоят из ряда вертикальных труб (40), каждая из которых отделена от соседних труб посредством металлических пластин или полос (41), приваренных к трубам для образования газонепроницаемой конструкции.

11. Установка по п. 6, в которой утилизационный котел (5) сконструирован с шибером (33) обводного канала и шибером (34) основного канала, расположенными либо внутри, либо снаружи котла.

12. Установка по п. 11, в которой как шибер (33) обводного канала, так и шибер (34) основного канала расположены внутри котла и в которой трубные пучки (36) установлены в наиболее холодной части котла для создания конвективного теплопереноса.