Способ и устройство для переработки смеси кислых газов
Изобретение относится к переработке смеси кислых газов. Предлагается способ переработки смеси кислых газов с помощью процесса Клауса, в котором смесь кислых газов содержит сероводород и диоксид углерода, причем смесь кислых газов подают в печь Клауса, и при этом часть сероводорода в смеси кислых газов окисляют с помощью пламенного окисления в печи Клауса, при этом способ включает по меньшей мере первый режим работы, в котором в печь Клауса подают воздух, чтобы обеспечить кислород для пламенного окисления, и второй режим работы, в котором вместо по меньшей мере части подаваемого воздуха в печь Клауса подают чистый кислород или газовую смесь с содержанием кислорода выше, чем в воздухе окружающей среды, чтобы обеспечить кислород для пламенного окисления, причем в первом режиме работы подаваемый воздух подают в виде воздуха, сжатого воздушным компрессором установки разделения воздуха, и при этом во втором режиме работы чистый кислород или газовую смесь с содержанием кислорода выше, чем в воздухе окружающей среды, подают в форме продукта разделения воздуха, поступающего из установки разделения воздуха, повышение эффективности переработки смесей кислых газов, включая процесс Клауса, осуществляемый с обогащением кислородом. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 2 ил.
Настоящее изобретение относится к способу переработки смеси кислых газов и к соответствующему устройству в соответствии с ограничительными частями независимых пунктов формулы изобретения.
Предшествующий уровень техники
Способы и устройства для переработки смесей кислых газов на основе процесса Клауса известны из предшествующего уровня техники. См., например, ссылку на статью «Natural Gas» в Ullmann’s Encyclopaedia of Industrial Chemistry, публикация в Интернете от 15 июля 2006 г., DOI: 10.1002/14356007.a17_073.pub2, особенно глава 2.4 «Removal of Carbon Dioxide and Sulfur Components». Процессы Клауса также описаны в US 2015/0191360 A1, US 6,287,535 B1 и EP 0 974 552 A2.
Первоначально в процессе Клауса смешивали только сероводород или соответствующую смесь кислых газов и кислород и смесь пропускали через предварительно нагретый слой катализатора. Позднее он был модифицирован путем включения пламенного окисления выше по потоку от слоя катализатора в так называемой печи Клауса. Большинство используемых в настоящее время установок производства серы (УПС) работают на основе соответствующим образом модифицированного процесса. Таким образом, если ниже по тексту для краткости говорится о «процессе Клауса» или соответствующем устройстве, речь идет о только что описанном модифицированном пламенным окислением процессе Клауса.
Так называемое обогащение кислородом является хорошо известным экономичным и надежным способом устранения узких мест существующих установок производства серы методом Клауса, требующим минимальных капиталовложений. Однако обогащение кислородом, как подробно описано ниже, не сводится только к переоборудованию существующих установок производства серы методом Клауса, но может быть с пользой применено и при проектировании новых установок. Ниже по тексту термин «обогащение кислородом» будет относиться к любому способу, в котором в установке производства серы методом Клауса или в соответствующем способе по меньшей мере часть подаваемого в печь Клауса воздуха заменяют кислородом или газовой смесью, которая по сравнению с воздухом окружающей среды обогащена кислородом или, в более общем смысле, имеет более высокое содержание кислорода, чем воздух окружающей среды.
Согласно US 6,508,998 B1, установка Клауса, в которой используется обогащение кислородом, усовершенствована путем рециркуляции выходящего из первого конденсатора потока обратно в реакционную печь через эжектор, чтобы снизить вызванные кислородом высокие температуры и тем самым обеспечить дополнительное обогащение кислородом и сопутствующую пропускную способность в установке Клауса.
Кислород или обогащенные кислородом газовые смеси для установок производства серы методом Клауса можно, как правило, получать криогенными способами разделения воздуха и соответствующими установками разделения воздуха (ASU), как это известно из предшествующего уровня техники, см., например, Haering, H.-W., «Industrial Gases Processing,» Wiley-VCH, 2008, особенно главу 2.2.5 «Cryogenic Rectification». Криогенные установки разделения воздуха обычно содержат так называемую теплую секцию, выполненную с возможностью сжатия, предварительного охлаждения, сушки и предварительной очистки подаваемого воздуха, и так называемую холодную секцию, выполненную с возможностью теплообмена и ректификации.
В то время как настоящее изобретение ниже по тексту описано с упором на криогенное разделение воздуха, оно может быть успешно использовано также в сочетании с некриогенными способами и установками разделения воздуха, например, основанными на адсорбции при переменном давлении (АПД), особенно с уровнями давления десорбции ниже атмосферного давления (вакуумная АПД, ВАПД).
Целью настоящего изобретения является создание усовершенствованных средств переработки смесей кислых газов, включая процесс Клауса, осуществляемый с обогащением кислородом.
Описание изобретения
В свете изложенного выше, в настоящем изобретении описан способ переработки смеси кислых газов и соответствующего устройства, включая элементы, описанные в независимых пунктах формулы изобретения соответственно. Преимущественные варианты осуществления являются объектом зависимых пунктов формулы изобретения и представленного ниже описания.
Прежде чем конкретно рассматривать особенности и преимущества настоящего изобретения, будут определены и кратко объяснены некоторые термины, используемые в настоящем документе. Кроме того, будет дано дополнительное объяснение принципа работы установки извлечения серы методом Клауса.
Согласно используемой в настоящем документе терминологии, смесь компонентов, например газовая смесь, может быть богата или бедна одним или несколькими компонентами, где термин «богатый» может означать содержание более 75%, 80%, 85%, 90%, 95%, 99%, 99,5 или 99,9%, а термин «бедный» — содержание менее 25%, 20%, 15%, 10%, 5%, 1%, 0,5% или 0,1% в молярном, массовом или объемном измерении. Как указано ниже, в сфере переработки кислых газов смесь кислых газов с содержанием сероводорода более 80% обычно называется «богатой», а смесь кислых газов с меньшим содержанием сероводорода обычно называется «бедной». Согласно используемой в настоящем документе терминологии, смесь может быть также обогащенной или обедненной в отношении одного или нескольких компонентов, особенно при сравнении с другой смесью, при этом «обогащенная» может означать содержание по меньшей мере в 1,5 раза, 2 раза, 3 раза, 5 раз, 10 раз или 100 раз превышающее содержание в другой смеси, а «обедненная» — не более чем в 0,75 раза, 0,5 раза, 0,25 раза, 0,1 раза или 0,01 раза меньше содержания в другой смеси.
Согласно используемой в настоящем документе терминологии, термин «смесь кислых газов» относится к газовой смеси, содержащей сероводород и диоксид углерода в общем количестве по меньшей мере 50%, 75%, 80% или 90% по объему. В смеси кислых газов могут присутствовать также другие компоненты, в частности вода, углеводороды, бензол, толуол и ксилолы (БТК), монооксид углерода, водород, аммиак и меркаптаны.
Термины «уровень давления» и «уровень температуры» используются в настоящем документе для того, чтобы выразить, что для реализации изобретения и его преимущественных вариантов осуществления не могут быть использованы точные значения давления, но могут использоваться диапазоны давлений. Различные уровни давления и температуры могут находиться в разных диапазонах или в перекрывающихся диапазонах. Они также охватывают ожидаемые и неожиданные, особенно непреднамеренные, изменения давления или температуры, например неизбежные потери давления или температуры. Выраженные в барах значения уровней давления являются значениями абсолютного давления.
Компрессоры для использования в установках разделения воздуха, будь то установки криогенного или некриогенного типа, могут быть выполнены в виде турбомашин или объемных гидравлических машин, которые отличаются своими рабочими характеристиками. При использовании турбомашин количество сжатого газа уменьшается при повышении давления, а в объемных гидравлических машинах может быть достигнут почти постоянный массовый расход независимо от давления нагнетания компрессора. Наиболее часто используемыми для криогенного разделения воздуха машинами являются многоступенчатые турбокомпрессоры. Турбокомпрессоры могут быть радиального или осевого типа. Они отличаются друг от друга направлением, в котором сжатый газ выходит из рабочего колеса. Радиальный турбокомпрессор состоит из нескольких ступеней, которые расположены на одном или более валах. Эти валы приводятся в действие через привод либо электрическим двигателем, либо паровой турбиной. Воздух, сжатый в главном воздушном компрессоре (ГВК), например турбокомпрессорного типа, установки разделения воздуха обычно нагревается за счет сжатия до приблизительно 100°C, и поэтому перед охлаждением посредством теплообмена с продуктами разделения воздуха его, как правило, предварительно охлаждают водой.
Если ниже по тексту используется термин «главный воздушный компрессор», то данный термин предназначен для обозначения того компрессора или тех компрессоров криогенной или некриогенной установки разделения воздуха, который (-ые) сжимает (-ют) весь подлежащий разделению воздух до определенного уровня давления. За главным воздушным компрессором может следовать дожимной воздушный компрессор (ДВК) или несколько дожимных компрессоров, приводимых в действие турбинами. Однако машины последнего типа используют только для частей воздуха, уже сжатых главным воздушным компрессором. В настоящем документе следует понимать главный воздушный компрессор и дожимной воздушный компрессор как машины, полностью или как минимум частично приводимые в действие внешней энергией, при этом термин «внешняя энергия» относится к энергии, которая не получена за счет расширения технологических потоков, возникающих в самой установке разделения воздуха.
В классических криогенных установках разделения воздуха, как показано на Фиг. 2.3A в Haering, весь подаваемый в систему ректификационных колонн воздух сжимают до давления, которое равно или чуть ниже рабочего давления колонны высокого давления в главном воздушном компрессоре, и только часть сжатого таким образом воздуха дополнительно сжимают до более высокого давления в так называемом дожимном воздушном компрессоре. Такие классические конфигурации зачастую называются также конфигурациями «ГВК/ДВК». В то же время в более поздних конфигурациях, так называемых конфигурациях с «высоким давлением воздуха» (ВДВ) весь подаваемый воздух сжимается в главном воздушном компрессоре до давления, значительно превышающего рабочее давление в колонне высокого давления, т. е. как минимум на 2, 3, 4, 5 или 10 бар и до 20 бар или более. Однако это не исключает того, что части сжатого таким образом воздуха дополнительно сжимают в дожимных воздушных компрессорах или других дополнительных машинах. Конфигурации с высоким давлением воздуха известны из EP 2 466 236 A1, EP 2 458 311 A1 и US 5,329,776 A.
Турбокомпрессоры являются высокозатратными компонентами, и капиталовложения в компрессоры, включая их приводные механизмы, составляют обычно 15–20% от общего объема капиталовложений в установку разделения воздуха. Приблизительно 90% общего потребления энергии криогенной установки разделения воздуха приходится на компрессоры. Вентиляторы, воздуходувки и компрессоры зачастую отличаются друг от друга удельным коэффициентом сжатия, то есть отношением давления на выходе стороны нагнетания к давлению на входе. Таким образом, удельный коэффициент сжатия определяет степень сжатия текучей среды. Удельный коэффициент сжатия обычно составляет 1,11 для вентилятора, 1,11–1,20 для воздуходувки и более 1,20 для компрессора.
Источником смеси кислых газов, используемой в качества сырья для установки производства серы методом Клауса, обычно является установка очистки кислых газов, например природного газа или газа с нефтехимического или нефтеперерабатывающего завода. Смесь кислых газов, содержащая различные количества сероводорода и диоксида углерода, насыщена водой и часто содержит также небольшие количества углеводородов и других примесей помимо основных компонентов. В типичной установке производства серы методом Клауса смесь кислых газов поступает под давлением около 0,5 бар (изб.) и при температуре 50°С. В классических установках производства серы методом Клауса воздух для сжигания сжимается до эквивалентного давления центробежными воздуходувками. Оба входных потока затем поступают в горелку, которая загорается в печи Клауса, причем горелка питается дополнительным топливом.
Газовая смесь из печи Клауса, обычно имеющая температуру до 1400°C, как правило, охлаждается при производстве пара в котле-утилизаторе отработавших газов и дополнительно охлаждается при производстве пара низкого давления в отдельном теплообменнике. При этом горячие газы охлаждаются до температуры приблизительно 160°C, конденсируя большую часть серы, которая уже образовалась к этому моменту. Полученная жидкая сера извлекается в сепараторной секции конденсатора и самотеком поступает в емкость для хранения серы. Здесь она сохраняется в расплавленном состоянии с помощью паровых змеевиков при температуре приблизительно 140°C. Накопленную в этой емкости серу перекачивают в грузовые автомобили или железнодорожные вагоны для транспортировки.
Дальнейшую конверсию сернистых газов, все еще содержащихся в поступившей из печи Клауса газовой смеси, необходимо производить при помощи каталитической реакции. Поэтому газовую смесь повторно нагревают одним из нескольких способов, а затем подают в слой катализатора. Каталитическая реакция Клауса высвобождает дополнительную энергию и преобразует более половины оставшихся сернистых газов в пары серы. Эти пары конденсируются при производстве пара низкого давления и удаляются из газовой смеси. Оставшуюся газовую смесь повторно нагревают и подают в следующий слой катализатора. Этот цикл повторного нагрева, каталитической конверсии и конденсации серы повторяют на двух–четырех каталитических ступенях. Типичная установка производства серы методом Клауса содержит одну ступень реакции на открытом пламени, т. е. одну печь, и три ступени каталитической реакции. На каждой ступени реакции в пары серы превращается все меньшая доля оставшихся сернистых газов.
Если трехступенчатая или четырехступенчатая установка производства серы не может обеспечить требуемые уровни выбросов в газовой смеси, полученной после последней ступени каталитической реакции, т.е. в так называемом хвостовом газе, необходима дополнительная очистка. Это включает так называемую установку очистки хвостовых газов (УОХГ), которая обычно может быть выполнена с возможностью осуществления процессов газоочистки сухим слоем и мокрой газоочистки. В способах с сухим слоем, таких как процесс поглощения в холодном слое вещества Amoco (ПХС), используют ту же каталитическую реакцию Клауса, что и в стандартной установке извлечения серы методом Клауса, за исключением того, что они происходят при температуре ниже температуры точки росы серы. По мере образования сера откладывается на катализатор. Как только слой катализатора поглощает достаточное количество серы, его регенерируют для отделения серы из катализатора и его восстановления. Способы мокрой газоочистки, такие как BSR (процесс «Бивон» для удаления серы) / аминовый процесс компании WorleyParsons, включают в себя секцию предварительной обработки для конверсии обратно в сероводород всех соединений серы, все еще содержащихся в хвостовом газе. После охлаждения содержащий сероводород хвостовой газ вступает в контакт с растворителем для удаления сероводорода, что очень похоже на обычную установку для очистки газа. Затем растворитель регенерируют для удаления сероводорода, который затем рециркулируют в находящуюся выше по потоку установку извлечения серы методом Клауса для последующей конверсии и восстановления.
Уровни концентрации сероводорода в смесях кислых газов значительно варьируют в зависимости от их источника. Кислые газы, полученные в результате процессов абсорбции, таких как обработка амином природного газа или газа нефтепереработки, могут содержать сероводород в количестве 15–95% от объема или более. Обычно, как говорилось выше, в сфере переработки кислых газов смеси кислых газов с содержанием сероводорода 80% или более обычно называются «богатыми», а смеси кислых газов с меньшим содержанием — «бедными».
Так называемое обогащение кислородом, как уже упоминалось, является хорошо известным экономичным и надежным способом устранения узких мест существующих установок производства серы методом Клауса, требующим минимальных капиталовложений. Это также может устранить необходимость совместного сжигания топливного газа в реакционной печи, что требуется для поддержания правильной температуры для разрушения загрязняющих веществ, например для разрушения бензола, толуола и ксилолов в кислотной газовой смеси. Более высокие температуры необходимы, как правило, для поддержания стабильного пламени (выше около 1000°C), а также для разрушения БТК и/или аммиака (присутствующих в газе, поступающем из отпарной колонны кислой воды на нефтеперерабатывающих предприятиях). Требуется ли соответствующее совместное сжигание, зависит прежде всего от содержания сероводорода в обработанной смеси кислых газов и от того, можно ли получить достаточную температуру и стабильное пламя путем сжигания только смеси кислых газов.
Концепция обогащения кислородом предполагает замену части или всего подаваемого в печь Клауса воздуха обогащенным воздухом или чистым кислородом. Соответственно, объемный поток через установку производства серы методом Клауса уменьшается, что позволяет подавать в систему больше смеси кислых газов. Это приводит к повышению производительности по получению серы без необходимости значительно модифицировать существующее оборудование или существенно изменять динамику давления технологической установки.
Применение обогащения кислородом не сводится только к переоборудованию существующих установок производства серы методом Клауса или устранению их узких мест, но может также давать преимущества и при проектировании новых установок, в которых получаемые смеси кислых газов являются бедными и содержат бензол, толуол и ксилолы. Для таких установок традиционно требуется предварительный нагрев сырьевого газа и/или воздуха для сжигания, а также совместное сжигание топливного газа, и их применение по традиции не рассматривается для операций с участием обогащенного кислорода. Однако и для таких установок использование технологии, включающей обогащение кислородом, приводит к сокращению физических размеров всех основных единиц оборудования и связанному с этим значительному сокращению капитальных затрат. В частности, может быть достигнуто значительное снижение потребности в топливе при совместном сжигании в печи Клауса и других установках, поэтому большее количество топлива, например природного газа, можно использовать для других целей или поставлять в качестве продукции всей установки.
Кроме того, особое преимущество обогащения кислородом заключается в том, что хвостовой газ ниже по потоку от установки очистки хвостовых газов меньше «разбавляется» азотом из воздуха для сжигания, используемого в традиционной схеме. Если в процесс поступает мало дополнительного азота или он вообще не поступает, то основной компонент смеси кислых газов после десульфурации, т. е. диоксид углерода, и другие компоненты, такие как водород, могут быть получены более простым и экономичным способом, например с помощью только криогенной технологии и без энергоемкой мокрой технологии.
Преимущества изобретения
В основе настоящего изобретения лежит обнаружение того, что в случае использования двух разных режимов работы устройство для переработки кислых газов методом Клауса можно комбинировать с установкой разделения воздуха, получая особое преимущество за счет использования синергетических эффектов двух процессов. В первом режиме работы процесс Клауса или, более конкретно, печь Клауса работает на воздухе, т. е. без обогащения кислородом, в то время как во втором режиме работы используют обогащение кислородом.
Независимо от того, основаны установки разделения воздуха на криогенных процессах или адсорбционных процессах, им требуются компрессоры для подготовки воздуха, используемого в качестве сырья. Установки извлечения серы методом Клауса традиционно работают за счет подачи воздуха окружающей среды в печь Клауса через воздуходувки с целью поступления кислорода, содержащегося в воздухе окружающей среды, в качестве компонента реакции. Улучшенный способ, как упоминалось, представляет собой применение обогащения кислородом, когда по меньшей мере часть воздуха окружающей среды заменяют чистым кислородом или газовой смесью с более высоким содержанием кислорода, чем в воздухе окружающей среды. Например, чистый кислород или обогащенную кислородом газовую смесь можно смешивать с воздушным потоком, подаваемым в печь Клауса воздуходувкой, при этом количество воздуха соответственно уменьшается, чтобы поддерживался установленный массовый расход. В альтернативном варианте осуществления воздуходувку больше не используют для подачи воздуха в печь Клауса, а для того, чтобы обеспечить кислород для горения, могут использовать только кислород или обогащенную кислородом газовую смесь. В этом случае отпадает необходимость в воздуходувке для подачи основного воздуха в печь Клауса. Значительно меньшие по размеру воздуходувки для генератора восстановительного газа и печи дожига хвостовых газов (при их наличии, соответственно), можно дополнительно уменьшить.
В частности, в последнем случае воздуходувка вообще не требуется во время нормальной работы печи Клауса. Однако и в первом случае во время нормальной работы требуется подавать меньше воздуха в печь Клауса, что снижает требуемую мощность воздуходувки. Однако техническая потребность в воздуходувке все еще может сохраняться на этапе запуска процесса, поскольку процесс запускается с воздухом окружающей среды и затем постепенно усиливается путем обогащения кислородом до желаемого уровня, например до 100% или подачи по меньшей мере 100-процентного кислорода. В частности, соответствующая установка должна быть разогрета перед розжигом основной горелки, чтобы избежать термического удара и т. д. Для этого при запуске в печи Клауса будет сжигаться топливный газ с воздухом (подаваемым воздуходувкой).
Другими словами, в ходе процесса извлечения серы методом Клауса с обогащением кислородом («обогащение кислородом», как упоминалось, относится также и к работе с использованием чистого кислорода), мощность воздуходувки можно было бы существенно снизить или можно было бы обойтись вообще без воздуходувки. Однако для запуска установки извлечения серы методом Клауса все еще требуются повышенные количества воздуха окружающей среды, поэтому воздуходувку устанавливать необходимо, причем с мощностью 100% (исходя из подачи кислорода через традиционную систему закачки воздуха).
Установка разделения воздуха, используемая в настоящем изобретении, предназначена для подачи кислорода в установку извлечения серы методом Клауса с целью обеспечить работу установки извлечения серы методом Клауса на обогащенной кислородом газовой смеси или 100-процентном кислороде. Однако во время запуска установки извлечения серы методом Клауса кислород не требуется, поскольку, как упоминалось, содержание кислорода в сырье, подаваемом в установку извлечения серы методом Клауса, будет постепенно увеличиваться. В соответствии с настоящим изобретением главный воздушный компрессор, необходимый для установки разделения воздуха, в течение этого периода можно использовать для подачи воздушного потока в установку Клауса. Требуемый уровень давления воздуха для подачи в установку извлечения серы методом Клауса, называемый здесь уровнем давления подачи, составляет 0,5–3,5 бар (изб.) (бар манометрического давления).
На данном этапе запуска установки извлечения серы методом Клауса разделение воздуха может быть отключено или может выполняться в минимальном допустимом режиме. По мере того как уровень обогащения кислородом в установке извлечения серы методом Клауса постепенно возрастает, объем воздуха, необходимый для установки извлечения серы методом Клауса, может соответствующим образом постепенно уменьшаться. Таким образом, главный воздушный компрессор может обеспечивать постепенно увеличивающийся объем воздуха для процесса разделения воздуха, который, в свою очередь, может обеспечивать постепенно возрастающие количества продуктов разделения воздуха. Как правило, «продукт разделения воздуха» относится к текучей среде, которая может быть получена путем криогенного или некриогенного разделения воздуха и которая содержит один или более компонентов воздуха окружающей среды с более высоким или более низким содержанием, чем воздух окружающей среды, т. е. являющейся обогащенной или обедненной в указанном выше смысле. В частности, продуктом разделения воздуха в контексте настоящего изобретения является богатый или обогащенный кислородом продукт разделения воздуха или (по существу) чистый кислород.
С учетом этого в настоящем изобретении предложен способ переработки смеси кислых газов с помощью процесса Клауса, причем смесь кислых газов содержит сероводород и диоксид углерода, причем смесь кислых газов подают в печь Клауса, и при этом часть сероводорода в смеси кислых газов окисляют с помощью пламенного окисления в печи Клауса.
В соответствии с настоящим изобретением способ включает первый режим работы, в котором в печь Клауса подают некоторое количество воздуха, чтобы обеспечить кислород для пламенного окисления, и второй режим работы, в котором вместо по меньшей мере части количества воздуха в печь Клауса подают чистый кислород или газовую смесь с содержанием кислорода выше, чем в воздухе окружающей среды, чтобы обеспечить кислород пламенного окисления.
В соответствии с настоящим изобретением в первом режиме работы количество воздуха по меньшей мере частично подают в виде воздуха, сжатого главным воздушным компрессором установки разделения воздуха, а во втором режиме работы чистый кислород или газовую смесь с содержанием кислорода выше, чем в воздухе окружающей среды, по меньшей мере частично подают в форме продукта разделения воздуха, поступающего из установки разделения воздуха. Воздух, сжатый главным воздушным компрессором установки разделения воздуха, который используют в первом режиме работы, в частности, по-прежнему имеет состав воздуха окружающей среды, но его можно подсушивать или предварительно очищать в соответствии с настоящим изобретением. В случае с криогенной установкой разделения воздуха продукт разделения воздуха представляет собой жидкую или газообразную богатую кислородом или обогащенную кислородом текучую среду, извлеченную из системы ректификационных колонн.
В соответствии с настоящим изобретением можно обойтись без компрессора или воздуходувки для процесса Клауса, поскольку этот воздух обеспечивает главный воздушный компрессор установки разделения воздуха вместо компрессора или воздуходувки, особенно в ситуациях, когда этот компрессор или эта воздуходувка были бы нужны для подачи сжатого воздуха в печь Клауса, т.е. особенно во время запуска. Таким образом, главный воздушный компрессор установки разделения воздуха, который не нужен в такие периоды для подачи воздуха в установку разделения воздуха, поскольку нет потребности в кислороде или обогащенных кислородом продуктах разделения воздуха, может быть применен с пользой. В соответствии с настоящим изобретением ни один из компрессоров не простаивает в течение длительных периодов времени, как это было бы в случае простой параллельной работы процесса разделения воздуха и процесса Клауса.
В соответствии с особенно предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения способ включает промежуточный режим работы, в котором количество подаваемого в печь Клауса воздуха постепенно или поэтапно замещают чистым кислородом или газовой смесью с содержанием кислорода выше чем в воздухе окружающей среды, чтобы перейти из первого режима работы во второй режим работы. Это повышение содержания кислорода в печи Клауса было уже описано ранее. Это также позволяет обеспечить постепенное увеличение объема производства установки разделения воздуха и, соответственно, постепенное или поэтапное уменьшение количества воздуха, подаваемого главным воздушным компрессором установки разделения воздуха, воздух из которого затем вместо этого могут постепенно подавать в установку разделения воздуха.
Количество воздуха, полученное благодаря этому преимуществу, в первом режиме работы подают в печь Клауса при уровне давления подачи 0,5–4 бар изб., предпочтительно в диапазоне 0,5–1,8 бар изб. Такой уровень давления может обеспечивать главный воздушный компрессор установки разделения воздуха, которая в случае криогенной установки разделения воздуха выполнена с возможностью обеспечения существенно более высокого давления. Как объяснено ниже, существуют различные альтернативные варианты осуществления для поступления воздуха при уровне давления подачи.
В одном альтернативном варианте осуществления количество подаваемого в печь Клауса воздуха в первом режиме работы могут отбирать из главного воздушного компрессора при уровне давления подачи, а последующий воздух сжимают в главном воздушном компрессоре до уровня конечного давления, превышающего уровень давления подачи. Используемый в печи Клауса воздух могут, например, отбирать из главного воздушного компрессора при промежуточном давлении. В этом альтернативном варианте осуществления последующий воздух могут использовать для получения одного или более продуктов разделения воздуха, таких как кислород или обогащенный кислородом воздух, которые, хотя они еще и не нужны в первом режиме работы, могут храниться для последующего использования или для других целей. Предпочтительно хранить эти газы в форме сжиженных газов. Количество полученных в первом режиме работы продуктов разделения воздуха можно уменьшать на количество воздуха, используемого в печи Клауса, либо совокупное количество воздуха, которое может быть сжато в главном воздушном компрессоре, можно соответствующим образом увеличивать, чтобы поддерживать постоянное производство продуктов разделения воздуха.
В другом альтернативном варианте осуществления количество подаваемого в печь Клауса воздуха в первом режиме работы отбирают из главного воздушного компрессора вместе с последующим воздухом, сжатым в главном воздушном компрессоре при уровне конечного давления, превышающем уровень давления подачи, и затем подвергают расширению, чтобы получить уровень давления подачи. За счет этого используемый в печи Клауса воздух можно использовать для создания дополнительного холода в установке разделения воздуха. Так же как в другом описанном выше альтернативном варианте осуществления объем производства можно уменьшать на количество используемого в печи Клауса воздуха или можно поддерживать на постоянном уровне, увеличивая общий объем сжатого воздуха.
Как было упомянуто, настоящее изобретение можно использовать, в частности, в криогенной установке разделения воздуха, содержащей систему ректификационных колонн. В этом случае уровень конечного давления может быть равен самому высокому рабочему давлению системы ректификационных колонн или превышать его, либо в альтернативном варианте осуществления уровень конечного давления может превышать самое высокое рабочее давление системы ректификационных колонн как минимум на 4 бар, и это превышение может доходить до 20 бар. Иными словами, настоящее изобретение можно применять также в связи со способом с высоким давлением воздуха, как описано выше.
В еще одном альтернативном варианте осуществления, дополняющем описанные выше альтернативные варианты осуществления, из главного воздушного компрессора в первом режиме работы могут отбирать весь воздух при давлении подачи. Для этого главный воздушный компрессор должен работать при пониженном конечном давлении в первом режиме работы, и это может потребовать соответствующей приостановки разделения воздуха.
В общем случае, как было упомянуто, количество продуктов разделения воздуха, отбираемых из установки разделения воздуха, в первом режиме работы может быть меньше, чем во втором режиме работы, или работа установки разделения воздуха может быть приостановлена в первом режиме работы. Приостановка работы установки разделения воздуха может, в частности, заключаться в том, что работает только главный воздушный компрессор, а дожимные воздушные компрессоры или другие воздушные компрессоры временно остановлены. Это возможно особенно в том случае, если продукты установки разделения воздуха не используют для других целей помимо применения в установке извлечения серы методом Клауса.
Если количество воздуха, отбираемое из главного воздушного компрессора и подаваемое в печь Клауса в первом режиме работы, находится на уровне температуры 20–150°C, который, в частности, является уровнем температуры, получающимся в результате сжатия, это может оказаться особым преимуществом. Дело в том, что такому воздуху не требуется или только частично требуется дополнительный нагрев, когда его подают в установку извлечения серы методом Клауса.
Обычно газовая смесь с содержанием кислорода выше, чем в воздухе окружающей среды, которую могут использовать во втором режиме работы, может содержать по меньшей мере 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% или 95% кислорода по объему. Иными словами, возможны различные уровни обогащения кислородом. Также возможно использование по существу чистого кислорода. Установка разделения воздуха может также обеспечивать частично обогащенные кислородом продукты в зависимости от конкретных потребностей установки извлечения серы методом Клауса, и, таким образом, можно соответственно оптимизировать энергопотребление установки разделения воздуха. В частности, для этой цели можно использовать криогенную установку разделения воздуха, включающую в себя смесительную колонку, как, например, описано в документе EP 3 179 187 A1 и приведенных в нем ссылках.
Конкретные преимущества могут быть получены, если в печь Клауса во втором режиме работы подают только газы или газовые смеси, бедные азотом или не содержащие азота. За счет этого можно получить практически чистый диоксид углерода, возможно с содержанием водорода. Конкретные преимущества см. в приведенных дальнейших пояснениях вышеописанного.
Устройство переработки смеси кислых газов с помощью процесса Клауса, в котором смесь кислых газов содержит сероводород и диоксид углерода и в котором предусмотрены средства, выполненные с возможностью подачи кислой газовой смеси в печь Клауса и окисления части сероводорода в смеси кислых газов с помощью пламенного окисления в печи Клауса, также является объектом настоящего изобретения.
В соответствии с настоящим изобретением предложены средства, выполненные с возможностью эксплуатации устройства в первом режиме работы, в котором в печь Клауса подают некоторое количество воздуха для обеспечения кислорода для пламенного окисления, и с возможностью эксплуатации устройства во втором режиме, в котором вместо по меньшей мере части количества воздуха в печь Клауса подают чистый кислород или газовую смесь с содержанием кислорода выше, чем в воздухе окружающей среды, чтобы обеспечить кислород для пламенного окисления. Устройство выполнено с возможностью обеспечения в первом режиме работы количества воздуха, находящегося по меньшей мере частично в форме воздуха, сжатого главным воздушным компрессором установки разделения воздуха, и с возможностью обеспечения во втором режиме работы чистого кислорода или газовой смеси с содержанием кислорода выше, чем в воздухе окружающей среды, находящихся по меньшей мере частично в форме продукта разделения воздуха, производимого установкой разделения воздуха.
Что касается конкретных дополнительных признаков и вариантов осуществления такого устройства, для них даны ссылки на приведенные выше пояснения, относящиеся к способу в соответствии с изобретением и его преимущественными вариантами осуществления. Это в равной степени применимо к соответствующему устройству, выполненному с возможностью осуществления соответствующего способа, или одному из его вариантов осуществления.
Настоящее изобретение будет дополнительно описано со ссылкой на прилагаемые чертежи, которые относятся к предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.
Краткое описание графических материалов
Фиг. 1A и 1B схематично иллюстрируют способ в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения в первом и втором режимах работы.
Подробное описание графических материалов
Фиг. 1A и 1B схематично иллюстрируют способ 100 в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения в первом (Фиг. 1A) и втором (Фиг. 1B) режимах работы. Способ 100 включает использование установки извлечения серы методом Клауса, в общем обозначенной как 10, и установки разделения воздуха, в общем обозначенной как 20.
В установку 10 извлечения серы методом Клауса подают поток А смеси кислых газов, например, из установки очистки высокосернистых природных газов (не показана). Смесь кислых газов потока A могут предварительно очищать или подсушивать в одной или более из расположенных выше по потоку соответствующих технологических установках (на фигурах не показаны).
Смесь кислых газов потока A подают вместе с дополнительным потоком газа B в печь 11 Клауса установки 10 извлечения серы методом Клауса. В первом режиме работы, показанном на Фиг. 1A, дополнительный поток B газа представляет собой поток воздуха, сжатый в главном воздушном компрессоре 21 установки 10 разделения воздуха. Во втором режиме работы, показанном на Фиг. 1B, дополнительный поток B газа представляет собой поток продукта установки 10 разделения воздуха, например кислорода или газовой смеси с более высоким содержанием кислорода, чем в воздухе окружающей среды. Необязательно может потребоваться небольшая воздуходувка для кислорода, если его давление слишком низкое. Такая воздуходувка не показана на схемах, представленных на Фиг. 1A и 1B.
Как показано пунктирной стрелкой, в печь 11 Клауса установки 10 извлечения серы методом Клауса необязательно могут подавать дополнительный поток C газа. В частности, это используемый для совместного сжигания поток топлива, который используют, как объяснено выше, если содержание сероводорода в смеси кислых газов потока A слишком низкое для поддержания стабильного пламени или для достижения требуемой температуры в печи Клауса.
В печи 11 Клауса установки 10 извлечения серы методом Клауса часть сероводорода, содержащегося в смеси кислых газов потока A, преобразуется с получением газовой смеси D, которая в показанном примере подается в три каталитические ступени 12, 13, 14. Ступени охлаждения и нагрева ниже по потоку от печи 11 Клауса, а также между и после трех каталитических ступеней 12, 13, 14 не показаны из соображений краткости, при этом дана ссылка на экспертную литературу. Ступени охлаждения включены, в частности, чтобы конденсировать серу, образовавшуюся в печи и каталитических реакторах, а последующее нагревание выполняют, чтобы снова довести оставшуюся газовую смесь до температуры, при которой может происходить каталитическая реакция. На каждой из трех каталитических ступеней 12, 13, 14 или ниже них по потоку серу получают в форме потоков E.
После последней каталитической ступени 14 получают поток F хвостового газа, который в показанном на Фиг. 1A и 1B примере подают в установку очистки хвостовых газов 15 (УОХГ). В ней выполняют очистку хвостового газа, обычно известную из предшествующего уровня техники. Следует понимать, что использование установки очистки хвостовых газов является необязательной частью способа, особенно если приемлема эффективность восстановления серы ниже 97%. Таким образом, настоящее изобретение не ограничивается способами, в которых используют установку очистки хвостовых газов. В частности, в установке 15 очистки хвостовых газов вместо воздуха можно использовать богатую кислородом или обогащенную кислородом газовую смесь или чистый кислород. Хвостовой газ отбирают из установки 15 очистки хвостовых газов, если она имеется, в форме потока G.
Помимо главного воздушного компрессора 21, на который подают воздушный пар Н, установка 20 разделения воздуха содержит систему 22 очистки воздуха и систему 23 разделения воздуха. В случае, если установка 20 разделения воздуха является криогенной, система 23 разделения воздуха содержит главный теплообменник и систему ректификационных колонн, в которые подают поток I очищенного воздуха и из которых могут отбирать продукт разделения воздуха потока B. Возможно также получение и других продуктов разделения воздуха, в общем показанных как поток K, как широко известно в практике разделения воздуха.
1. Способ (100) переработки смеси кислых газов с помощью процесса (10) Клауса, в котором смесь кислых газов содержит сероводород и диоксид углерода, причем смесь кислых газов подают в печь (11) Клауса, и при этом часть сероводорода в смеси кислых газов окисляют с помощью пламенного окисления в печи (11) Клауса, отличающийся тем, что способ (100) включает по меньшей мере первый режим работы, в котором в печь (11) Клауса подают воздух, чтобы обеспечить кислород для пламенного окисления, и второй режим работы, в котором вместо по меньшей мере части подаваемого воздуха в печь (11) Клауса подают чистый кислород или газовую смесь с содержанием кислорода выше, чем в воздухе окружающей среды, чтобы обеспечить кислород для пламенного окисления, причем в первом режиме работы подаваемый воздух по меньшей мере частично подают в виде воздуха, сжатого воздушным компрессором (21) установки (20) разделения воздуха, и при этом во втором режиме работы чистый кислород или газовую смесь с содержанием кислорода выше, чем в воздухе окружающей среды, по меньшей мере частично подают в форме продукта разделения воздуха, поступающего из установки (20) разделения воздуха.
2. Способ (100) по п. 1, включающий промежуточный режим работы, в котором подаваемый в печь (11) Клауса воздух постепенно или поэтапно замещают чистым кислородом или газовой смесью с содержанием кислорода выше, чем в воздухе окружающей среды, чтобы перейти из первого режима работы во второй режим работы.
3. Способ (100) по п. 1 или 2, в котором воздух подают в печь (11) Клауса в первом режиме работы при уровне давления подачи от 1 до 3 бар.
4. Способ (100) по п. 2, в котором подаваемый в печь (11) Клауса воздух в первом режиме работы отбирают из воздушного компрессора (21) при уровне давления подачи и в котором последующий воздух сжимают в воздушном компрессоре (21) до уровня конечного давления, превышающего уровень давления подачи.
5. Способ (100) по п. 2, в котором подаваемый в печь (11) Клауса воздух в первом режиме работы отбирают из воздушного компрессора (21) вместе с последующим воздухом, сжатым в воздушном компрессоре (21) при уровне конечного давления, превышающем уровень давления подачи, и затем подвергают расширению, чтобы получить уровень давления подачи.
6. Способ (100) по любому из пп. 4 или 5, в котором установка (20) разделения воздуха является криогенной установкой (20) разделения воздуха, содержащей систему (24) ректификационных колонн, и в котором уровень конечного давления равен самому высокому рабочему давлению системы (24) ректификационных колонн или превышает его.
7. Способ (100) по п. 6, в котором уровень конечного давления по меньшей мере на 4 бар превышает самое высокое рабочее давление системы (24) ректификационных колонн.
8. Способ (100) по п. 1 или 2, в котором весь воздух отбирают из воздушного компрессора (21) в первом режиме работы при уровне давления подачи.
9. Способ (100) по любому из предшествующих пунктов, в котором количество продуктов разделения воздуха, отбираемых из установки (20) разделения воздуха, в первом режиме работы меньше, чем во втором режиме работы.
10. Способ (100) по любому из предшествующих пунктов, в котором работу установки (20) разделения воздуха приостанавливают в первом режиме работы.
11. Способ (100) по любому из предшествующих пунктов, в котором подаваемый в печь (11) Клауса воздух отбирают из воздушного компрессора (21) и подают в печь (11) Клауса в первом рабочем режиме при температуре 20-150°С.
12. Способ (100) по любому из предшествующих пунктов, в котором газовую смесь с содержанием кислорода выше, чем в воздухе окружающей среды, используют во втором режиме работы, причем газовая смесь содержит по меньшей мере 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% или 95% кислорода по объему.
13. Способ (100) по любому из предшествующих пунктов, в котором в печь (11) Клауса во втором режиме работы подают только газы или газовые смеси, бедные азотом или не содержащие азота.
14. Устройство для переработки смеси кислых газов с помощью процесса (10) Клауса, в котором смесь кислых газов содержит сероводород и диоксид углерода и в котором предусмотрены средства, выполненные с возможностью подачи смеси кислых газов в печь (11) Клауса и окисления части сероводорода в смеси кислых газов с помощью пламенного окисления в печи (11) Клауса, отличающееся тем, что средства выполнены по меньшей мере с возможностью эксплуатировать устройство в первом режиме работы, в котором в печь (11) Клауса подают воздух, чтобы обеспечить кислород для пламенного окисления, и эксплуатировать устройство во втором режиме работы, в котором вместо по меньшей мере части подаваемого воздуха в печь (11) Клауса подают чистый кислород или газовую смесь с содержанием кислорода выше, чем в воздухе окружающей среды, чтобы обеспечить кислород для пламенного окисления, причем устройство выполнено с возможностью в первом режиме работы подавать подаваемый воздух по меньшей мере частично в виде воздуха, сжатого воздушным компрессором (11) установки (20) разделения воздуха, и при этом устройство выполнено с возможностью во втором режиме работы подавать чистый кислород или газовую смесь с содержанием кислорода выше, чем в воздухе окружающей среды, по меньшей мере частично в форме продукта разделения воздуха, поступающего из установки (20) разделения воздуха.
15. Устройство по п. 14, содержащее средства, выполненные с возможностью осуществления способа по любому из пп. 1-13.
