способ высокоэффективного получения серы из потока кислого газа

Формула изобретения

1. Способ получения серы, включающий

подачу потока кислого газа, содержащего сероводород в качестве исходного сырья, в установку для получения серы, которая содержит

средства сжигания, предназначенные для частичного окисления сероводорода в указанном потоке кислого газа с получением потока продуктов сгорания, и

средства для проведения реакции Клауса, предназначенные для проведения реакции в потоке продуктов сгорания, и при функционировании которой получают первый продукт в виде серы и хвостовой газ процесса Клауса, содержащий сероводород и менее 1000 ppmv диоксида серы; и

подачу указанного хвостового газа процесса Клауса в биологическую систему десульфуризации газа, при функционировании которой получают второй продукт в виде серы и нейтральный газ, содержащий менее 100 ppmv сероводорода, причем указанный поток продуктов сгорания содержит сероводород и диоксид серы в таких количествах, при которых молярное соотношение сероводорода и диоксида серы превышает 2:1.

2. Способ получения серы по п.1, в котором молярное соотношение сероводорода и диоксида серы превышает 2,125:1, но ниже 6:1.

3. Способ получения серы по п.1, в котором в указанные средства сжигания установки для получения серы подают кислородсодержащий газ, содержащий кислород в таком количестве, чтобы молярное отношение кислорода и сероводорода, подводимых в указанные средства сжигания, составляло менее чем 0,5.

4. Способ получения серы по п.1, в котором молярное соотношение кислорода и сероводорода превышает 0,15:1, но ниже 0,45:1.

5. Способ получения серы по п.1, в котором указанная биологическая система десульфуризации газа содержит

средства абсорбирования, предназначенные для контактирования хвостового газа процесса Клауса с ненасыщенным растворителем с получением указанного нейтрального газа и обогащенного растворителя, биореактор для биологического окисления растворенного сероводорода, содержащегося в обогащенном растворителе, и получения ненасыщенного растворителя; и

средства для выделения серы из части указанного ненасыщенного растворителя и получения второго продукта в виде серы и ненасыщенного растворителя с уменьшенным содержанием серы.

6. Способ получения серы по п.5, включающий возврат ненасыщенного растворителя с уменьшенным содержанием серы в биореактор.

7. Способ получения серы по п.1, дополнительно включающий

подачу указанного потока кислого газа, содержащего сероводород, в зону горения, образованную средствами сжигания и обеспечивающую тем самым получение потока продуктов сгорания, содержащих диоксид серы и сероводород,

регулирование количества сероводорода, окисленного в зоне сжигания, так, что менее чем 1/3 (одна третья часть) сероводорода в указанном потоке кислого газа окисляется до диоксида серы,

подачу потока продуктов сгорания к средствам проведения реакции Клауса, функционирующим в условиях конверсии согласно реакции Клауса с получением реакционного газа, содержащего первый продукт в виде серы, выделение первого продукта в виде серы из указанного реакционного газа с образованием хвостового газа процесса Клауса,

подачу хвостового газа процесса Клауса в зону абсорбции, образованную абсорбером, входящим в состав биологической системы десульфуризации газа, предназначенным для контактирования хвостового газа процесса Клауса с ненасыщенным раствором каустической соды, в результате чего из хвостового газа процесса Клауса извлекают сероводород и получают нейтральный хвостовой газ и обогащенный раствор каустической соды, и подачу обогащенного раствора каустической соды в зону биореакции, образованную биореактором, входящим в состав биологической установки для десульфуризации газа, предназначенным для биологического окисления растворенного сульфида в указанном обогащенном растворе каустической соды до элементарной серы.

8. Способ получения серы по п.7, в котором указанная стадия регулирования включает регулирование количеств диоксида серы и сероводорода в потоке продуктов сгорания так, чтобы в указанном потоке продуктов сгорания молярное соотношение сероводород и диоксида серы превышало 2:1.

9. Способ получения серы по п.8, в котором кислородсодержащий газ, содержащий кислород, направляют с потоком кислого газа в зону горения в таком количестве относительно потока кислого газа, чтобы молярное отношение кислорода и сероводорода в потоке, поступающем в зону горения, составляло менее 0,5.

10. Способ получения серы по п.9, дополнительно включающий получение из зоны биореакции ненасыщенного раствора каустической соды,

подачу части указанного ненасыщенного раствора каустической соды в средства выделения серы для получения серы из части ненасыщенного раствора каустической соды и получения серы и ненасыщенного раствора каустической соды с пониженным содержанием серы, возвращение ненасыщенного раствора каустической соды с пониженным содержанием серы в зону биореакции.

11. Способ получения серы по п.10, в котором нейтральный поток хвостового газа содержит менее 50 частей на миллион по объему H₂ S.

12. Способ получения серы по п.1, включающий проведение реакции потока кислого газа с кислородом в таких условиях окисления, чтобы получить продукты сгорания, содержащие сероводород и диоксид в таких относительных количествах, чтобы соотношение сероводорода и диоксида серы превышало 2:1;

химическое реагирование продуктов сгорания в условиях проведения реакции Клауса с получением реакционного газа, содержащего первый продукт в виде серы,

выделение указанного первого продукта в виде серы из реакционного газа с получением хвостового газа процесса Клауса,

контактирование хвостового газа процесса Клауса с ненасыщенным абсорбентом с извлечением в результате из указанного хвостового газа процесса Клауса некоторой части содержащегося в нем сероводорода и получение нейтрального газа, содержащего менее 100 ppmv сероводорода, и обогащенного растворителя, содержащего растворенный сероводород, и биологическое окисление растворенного сероводорода в указанном обогащенном растворителе до элементарной серы за счет контактирования обогащенного растворителя с серными бактериями в подходящих условиях биологического окисления.

13. Способ получения серы по п.12, в котором нейтральный газ содержит менее 50 частей на миллион по объему H₂S.

14. Способ получения серы по п.13, кроме того, включающий получение элементарной серы и образование ненасыщенного абсорбента.

15. Способ получения серы по п.14, в котором серные бактерии включают в себя организмы бактерий рода Thiobacilli.

16. Способ получения серы по п.15, в котором ненасыщенный абсорбент представляет собой щелочной раствор, содержащий буфер.

Описание изобретения к патенту

Данная заявка основана на предварительной заявке US № 60/549685, поданной 03.03.2004.

Настоящее изобретение относится к способу получения серы из потоков кислого газа, содержащего сероводород. Один аспект изобретения относится к способу получения серы, который включает в себя как каталитическое, так и биологическое превращение сероводорода с образованием продукта в виде товарной серы и потока газа с низкой концентрацией сероводорода.

Удаление из потоков технологического газа может быть желательно или даже необходимо по многим причинам, включая, например, необходимость извлечения соединений серы из технологических потоков, отводимых из установок химической и нефтехимической промышленности с тем, чтобы выполнить соответствующие правительственные постановления.

Один хорошо известный способ, который используют для очистки определенного вида технологических потоков, содержащих сероводород, с целью получения элементарной серы, представляет собой процесс Клауса. Процесс Клауса представляет собой двухстадийный процесс, включающий термическую ступень окисления, за которой следует каталитическая ступень. На термической ступени сероводород, находящийся в потоке исходного материала, частично окисляется за счет сжигания кислорода с образованием газообразных продуктов сгорания, содержащих диоксид серы. Химическую реакцию на термической ступени можно представить следующим уравнением (1):

Сероводород и полученный диоксид серы, находящиеся в газообразных продуктах сгорания, могут быть подвергнуты реакции Клауса, при осуществлении которой они реагируют с образованием элементарной серы в соответствии со следующим уравнением (2):

Кроме того, при проведении процесса Клауса не прореагировавшие сероводород и диоксид серы в газообразных продуктах сгорания каталитически реагируют в соответствии с уравнением реакции Клауса (2) при пропускании продуктов сгорания через катализатор Клауса, который обеспечивает более низкую температуру реакции Клауса. Процесс Клауса, кроме того, обеспечивает получение в качестве товарного продукта образованной элементарной серы и получение хвостового газа процесса Клауса.

Хотя процесс Клауса весьма эффективен для извлечения основной части серы из потока исходного материала, однако при использовании установки для проведения процесса Клауса с двумя слоями катализатора он все еще обеспечивает выделение приблизительно от 94 до 96 процентов серы. Установки для проведения процесса Клауса с тремя или большим количеством слоев катализатора могут обеспечить большую эффективность выделения серы, но практически верхний предел выделения серы, осуществляемого только в установке для проведения процесса Клауса, составляет приблизительно от 97 до 98 процентов. Однако хвостовой газ, полученный при проведении процесса Клауса, может быть доочищен так, чтобы обеспечить химическое превращение остаточных сероводорода и диоксида серы и получение дополнительного количества серы. Путем проведения доочистки хвостового газа процесса Клауса, например с помощью SCOT-процесса, общая степень извлечения серы может достигать величины вплоть до приблизительно 99-99,8 процентов.

Существует постоянная необходимость в более эффективном технологическом процессе получения серы, который обеспечивает высокую степень выделения серы и более высокие рабочие характеристики, предпочтительно при низких капитальных затратах. При все большем повышении жесткости стандартов выброса серы в атмосферу существует также необходимость в способах выделения серы, которые обеспечивают еще большую степень извлечения серы из технологических потоков, содержащих соединения серы, по сравнению с известными системами для выделения серы, которые включают в себя установку для проведения процесса Клауса, соединенную с установкой для очистки хвостового газа процесса Клауса.

Задача настоящего изобретения заключается в достижении высокой степени выделения серы из технологического потока, содержащего соединение серы.

Другая задача данного изобретения заключается в создании способа эффективного выделения серы из технологического потока, содержащего соединение серы.

Соответственно один пример осуществления настоящего изобретения включает способ выделения серы. Согласно этому способу поток кислого газа, содержащий сероводород, подают в качестве исходного сырья в установку для выделения серы, при функционировании которой получают первый продукт в виде серы и хвостовой газ процесса Клауса, содержащий сероводород и менее чем приблизительно 1000 ppmv диоксида серы. Хвостовой газ процесса Клауса затем подают в биологическую систему десульфуризации газа, в которой получают второй продукт в виде серы, и нейтральный газ, содержащий менее 100 ppmv сероводорода.

Другой пример осуществления изобретения включает в себя способ выделения серы из потока кислого газа. Этот способ включает ступень выделения серы с использованием процесса Клауса в комбинации с биологической системой выделения серы с получением в результате потока нейтрального газа, имеющего очень низкую концентрацию сероводорода и диоксида серы. Поток кислого газа реагирует с кислородом с получением продуктов сгорания, содержащих сероводород и диоксид серы, при таких условиях окисления, чтобы соотношение количеств сероводорода и диоксида серы превышало 2:1. Продукты сгорания вступают в химическую реакцию в условиях проведения реакции Клауса с получением реакционного газа, содержащего серу. Серу выделяют из реакционного газа с получением хвостового газа, содержащего некоторую концентрацию сероводорода и менее 1000 частей на миллион по объему (ppmv) диоксида серы. Хвостовой газ контактирует со слабым абсорбентом, в результате чего из хвостового газа извлекается часть содержащегося в нем сероводорода и образуется нейтральный газ и обогащенный растворитель, содержащий растворенный сероводород. Растворенный сероводород из обогащенного растворителя биологически окисляется до элементарной серы за счет контактирования обогащенного растворителя с серными бактериями при подходящих условиях биологического окисления с использованием обогащенного растворителя.

Еще один пример осуществления предложенного способа включает подачу потока кислого газа, содержащего сероводород, в зону горения для частичного окисления сероводорода, содержащегося в потоке кислого газа, кислородом с образованием диоксида серы, в результате чего получают поток газообразных продуктов сгорания, содержащих сероводород и диоксид серы. Количество сероводорода, окисляемого в зоне горения, регулируют так, чтобы менее чем 33 объемных процента сероводорода в потоке кислого газа окислялось до диоксида серы. Поток продуктов сгорания затем направляют в зону проведения реакции Клауса, работающую в условиях конверсии согласно процессу Клауса, с получением в ней реакционного газа, содержащего серу. Серу выделяют из реакционного газа с получением хвостового газа процесса Клауса, содержащего некоторую концентрацию сероводорода. Хвостовой газ процесса Клауса направляют в зону абсорбции для контактирования хвостового газа процесса Клауса со слабым раствором едкой щелочи (каустической соды), в результате чего из хвостового газа процесса Клауса улавливается сероводород и получается нейтральный хвостовой газ и обогащенный раствор щелочи. Обогащенный раствор щелочи соды транспортируют в зону биореакции для биологического окисления растворенного сульфида в указанном обогащенном растворе щелочи до элементарной серы.

Другие задачи и преимущества настоящего изобретения будут видны из нижеследующего подробного описания и приложенных пунктов формулы изобретения.

Фиг.1 - принципиальная схема, иллюстрирующая определенные аспекты установки, реализующей процесс Клауса, и ступень, реализующую процесс Клауса в соответствии с предложенным способом выделения серы.

Фиг.2 - принципиальная схема, иллюстрирующая определенные аспекты биологической системы десульфуризации газа и биологическую ступень осуществления процесса конверсии согласно предложенному способу извлечения серы.

Способ, соответствующий настоящему изобретению, обеспечивает высокую эффективность выделения серы из потока кислого газа и обеспечивает, таким образом, высокую степень улавливания сероводорода из потока газа, содержащего сероводород. Одна особенность предложенного способа заключается в компоновке установки для выделения серы в комбинации с биологической системой десульфуризации газа. Такое комбинирование обеспечивает обработку потока кислого газа и высокоэффективное извлечение серы из потока кислого газа, в результате чего получают поток продукта в виде серы и поток нейтрального газа, имеющего крайне низкие концентрации сероводорода и диоксида серы.

Способ выделения серы в соответствии с настоящим изобретением включает подачу потока кислого газа, который содержит сероводород (H₂S), в установку Клауса для выделения серы. Установкой Клауса для выделения серы может быть любая подходящая установка для обработки потока кислого газа с получением продукта в виде серы и хвостового газа процесса Клауса, содержащего некоторую концентрацию H₂S. Процесс Клауса для извлечения серы является известным способом извлечения серы из потоков кислого газа и может обеспечить приемлемо высокие степени выделения серы. Но в тех случаях, где желательны или необходимы крайне высокие степени выделения серы, процесс или установка Клауса для выделения серы не обеспечивают такой высокой степени выделения серы. В связи с этим в соответствии с настоящим изобретением установка Клауса соединена с биологической системой десульфуризации газа, которая обрабатывает хвостовой газ процесса Клауса и создает дополнительный прирост серы из хвостового газа процесса Клауса, так, чтобы получить нейтральный хвостовой газ, имеющий намного более низкую концентрацию сероводорода по сравнению с концентрацией сероводорода в хвостовом газе процесса Клауса, и чтобы обеспечить увеличение общего выделения серы из потока кислого газа.

Нейтральный хвостовой газ, таким образом, может иметь концентрацию H₂S, которая меньше, предпочтительно - значительно меньше, чем концентрация H₂S в хвостовом газе процесса Клауса. Таким образом, способ в соответствии с изобретением обеспечивает очень высокую глубину удаления H₂S из кислого газа, при которой нейтральный хвостовой газ, как правило, имеет концентрацию H₂S, которая составляет приблизительно менее 2000 ppmv, но желательно, чтобы концентрация H₂S в нейтральном отходящем газе была менее 100 ppmv. Способ, соответствующий данному изобретению, может обеспечить предпочтительную концентрацию H ₂S в нейтральном хвостовом газе, которая может составлять менее 50 ppmv, наиболее предпочтительно - менее 10 ppmv и даже менее 5 ppmv или 1 ppmv. Практический нижний предел для концентрации H₂S в нейтральном отходящем газе соответствует величине, приблизительно равной 100 частей на биллион по объему объем (ppb) или 10 ppb.

Установка Клауса для выделения серы может содержать средства сжигания и средства для проведения реакции соответственно, обеспечивающие проведение термической и каталитической ступеней процесса Клауса для получения в итоге серы в качестве продукта процесса Клауса и хвостового газа процесса Клауса. Средства сжигания могут включать камеру сгорания, снабженную горелками, или какое-либо иное подходящее устройство для сжигания, предназначенное для подачи в него кислого газа и кислородсодержащего газа, например воздуха, и сжигания некоторой части сероводорода, содержащегося в кислом газе, с образованием диоксида серы (SO₂) в соответствии с вышеприведенным уравнением (1). Средства сжигания, таким образом, образуют зону сжигания или термическую зону, где содержащийся в кислом газе H₂S частично окисляется с формированием потока продуктов сгорания, которые включают сероводород и диоксид серы.

Кислый газ, направляемый в средства сжигания установки Клауса, может подводиться от любого источника. При этом в отношении используемого здесь термина "кислый газ" следует пояснить, что кислым газом называют поток текучей среды, который, как правило, содержит значительный уровень концентрации H₂S. Подводимый кислый газ может также содержать и другие компоненты, такие, например, как двуокись углерода или азот, или углеводород, или аммиак, или комбинации с одним или большим количеством перечисленных компонент. Состав исходного кислого газа, однако, может изменяться в зависимости от его источника и других факторов. Обычным источником кислого газа является известная система очистки природного газа, транспортируемого по трубопроводам, используемая для извлечения сероводорода из потоков флюидов, содержащих таковой.

Концентрация N₂ S в исходном кислом газе, как правило, может меняться примерно от 5 объемных процентов от общего объема потока исходного кислого газа (об.%) приблизительно до 98 об.%. Однако, как правило, концентрация H₂S в потоке исходного кислого газа находится в интервале от 50 об.% до 95 об.%, и более типично - от 80 об.% до 94 об.%. В представленной ниже Таблице 1 приведены типичные состав и интервалы концентрации различных компонент потока кислого газа.

Таблица 1.
Типичный состав потока исходного кислого газа, поступающего в установку Клауса
Компонент	Интервал концентрации (объем. %)
Сероводород (H2S)	от 5 до 98
Диоксид углерода (СO2)	от 1 до 90
Углеводороды	от 0,1 до 2
Азот (N2)	от 0,1 до 1
Аммиак (NH3)	до 50
Другие	от 0,1 до 1

Поток продуктов сгорания направляют в средство для проведения реакции Клауса, которое может включать реактор Клауса, содержащий подходящий катализатор Клауса и конденсатор серы. Средство проведения реакции Клауса образует зону проведения каталитической реакции Клауса, содержащую катализатор, например, активированный оксид алюминия, и зону конденсации серы. Средство проведения реакции Клауса обеспечивает осуществление химической реакции между H₂S и SO ₂, содержащихся в продуктах сгорания, в соответствии с вышеприведенным уравнением (2). Средство для проведения реакции Клауса, кроме того, обеспечивает выделение серы как товарного продукта процесса Клауса и получение хвостового газа процесса Клауса. Типичный хвостовой газ процесса Клауса содержит H ₂S и SO₂. В представленной ниже Таблице 2 приведены типичные состав и интервалы концентраций для различных компонент потока хвостового газа процесса Клауса.

Таблица 2.
Типичный состав хвостового газа процесса Клауса при обычном функционировании установки Клауса.
Компонент	Интервал концентрации (объем. %)
Сероводород (H2S)	от 0,2 (2000 ppmv) до 2 (20000 ppmv)
Диоксид углерода (CO2)	от 0,1 (1000 ppmv) до 1 (10000 ppmv)
Окись углерода (СО)	от 0,5 до 2
Водород (Н2)	от 1 до 3
Азот (N2)	от 20 до 80
Двуокись углерода (СО2)	от 20 до 80
Вода (Н2O)	от 10 до 35
Аргон (Аr)	от 0,5 до 1
Другие серные соединения	от 0,12 до 1,2

Хвостовой газ процесса Клауса подают в биологическую систему десульфуризации газа, обеспечивающую проведение стадии технологического процесса, которая заключается в удалении H₂S из хвостового газа процесса Клауса с получением нейтрального хвостового газа и в конверсии извлеченного H₂S с получением в биореакторе продукта в виде серы. Биологическая система десульфуризации газа может быть любой подходящей системой, обеспечивающей осуществление биологического способа обработки потока текучей среды, содержащей некоторую концентрацию H₂S, с целью улавливания из него H₂S и получения в биореакторе продукта в виде серы. Примером одного такого биологического процесса десульфуризации газа является процесс Shell-Paque выделения серы из потоков текучей среды, содержащих H₂S.

В соответствии с предпочтительным вариантом воплощения изобретения биологическая система десульфуризации газа включает сочетание средств абсорбирования, биореактора и средств выделения серы, которые при их соединении обеспечивают получение H₂S из хвостового газа процесса Клауса и его конверсию с получением продукта в виде элементарной серы и нейтрального хвостового газа, имеющего очень низкую концентрацию серы, например, сверхнизкие концентрации H₂S и SO ₂. Средства абсорбирования, используемые в биологической системе десульфуризации газа, могут, например, включать контактный аппарат, такой как абсорбер или какое-либо иное контактное устройство, которое образует зону абсорбции или зону контактирования, где хвостовой газ процесса Клауса контактирует с ненасыщенным растворителем для получения нейтрального хвостового газа и обогащенного растворителя, содержащего растворенный сероводород.

Ненасыщенный растворитель, используемый в биологической системе десульфуризации газа, может включать какой-либо растворитель, который подходящим образом позволяет улавливать Н₂S из хвостового газа процесса Клауса предпочтительно за счет наличия гидроксид-ионов, которые могут реагировать с H₂S хвостового газа процесса Клауса для образования ионов сульфида, которые растворяются в полученном в результате обогащенном растворителе. Следовательно, ненасыщенный растворитель может представлять собой щелочной раствор, например, раствор, содержащий гидроокись натрия или гидроокись калия или смесь обеих указанных гидроокисей. В качестве ненасыщенного растворителя желательно использовать забуференный щелочной раствор гидроокиси натрия или едкой щелочи, при этом желательно, чтобы этот ненасыщенный растворитель имел величину рН, превышающую 7, например, находящуюся в интервале от 7 до 14. Предпочтительно, чтобы величина рН ненасыщенного растворителя находилась приблизительно в интервале от 7,5 до 12, и наиболее предпочтительно - в интервале от 8 до 10.

Ненасыщенный растворитель контактирует с хвостовым газом процесса Клауса при таких подходящих условиях абсорбции, чтобы обеспечить получение нейтрального хвостового газа и обогащенного растворителя. Обогащенный растворитель затем направляют в биореактор, который образует зону биореакции и обеспечивает биологическое окисление растворенного сероводорода, содержащегося в крепком растворителе, до элементарной серы. Зона биореакции функционирует при подходящих условиях для биологического окисления в присутствии кислорода так, чтобы находящиеся в ней серные бактерии конвертировали сульфид, содержащийся в обогащенном растворителе, с образованием элементарной серы и гидроксид-ионов, обеспечивая тем самым регенерацию обогащенного растворителя с получением ненасыщенного растворителя. В результате такого биологического окисления ненасыщенный растворитель может содержать элементарную серу, как правило, в виде твердых частиц.

В зоне биореакции могут быть использованы любые серные бактерии, которые подходящим образом обеспечивают конверсию растворенного сероводорода, содержащегося в обогащенном растворителе, до элементарной серы. Возможные виды и штаммы серных бактерий могут быть выбраны из классифицированных в пределах рода Beggiotoa, Thiothrix и Thiobacillus. При этом источник серных бактерий не является существенным, поскольку для биологического окисления H₂S в обогащенном растворителе могут быть использованы любые подходящие серные бактерии, при условии, что эти серные бактерии выполняют вышеуказанную требуемую функцию превращения H₂S в элементарную серу. Многие из подходящих видов серных бактерий существуют в природе и могут быть обнаружены в окружающей среде, включая производственную среду и естественную среду, где присутствует сера или сернистые соединения, например, в горячих серных источниках и в окружающей их внешней среде. Предпочтительным родом бактерий, из которого выбирают вид серных бактерий для использования в биореакторе, являются Thiobacillus.

Для выделения серы, полученной на стадии биореакции, часть ненасыщенного растворителя, содержащего серу, направляют в средство выделения серы с целью выделения серы из части ненасыщенного растворителя и получения второго продукта в виде серы, т.е. товарной серы, полученной в биореакторе, и ненасыщенного раствора с пониженным количеством серы. Один способ выделения твердых частиц серы из ненасыщенного раствора включает его подачу в средства осаждения серы. Средство осаждения серы может представлять собой резервуар, например отстойник серы, образущий зону осаждения серы. Зона осаждения серы обеспечивает такое время пребывания в ней ненасыщенного растворителя, которое позволяет твердым частицам серы осаждаться. Таким образом, средство осаждения серы обеспечивает выделение серы в виде частиц, находящихся в ненасыщенном растворителе, с образованием суспензии, содержащей твердые частицы серы. Содержащиеся в суспензии частицы серы затем могут быть отделены с помощью какого-либо подходящего известного способа, такого, например, как способ центрифугирования и способ отстаивания, для получения серы как продукта биореакции и ненасыщенного растворителя с пониженным содержанием серы, имеющего концентрацию элементарной серы ниже, чем ее концентрация в ненасыщенном растворителе, который может быть возвращен в биореактор.

Важная особенность способа в соответствии с настоящим изобретением заключается в том, что при его осуществлении минимизируется количество SO ₂, которое содержится в хвостовом газе процесса Клауса, направляемом в биологическую систему десульфуризации. Обычно нежелательно, чтобы хвостовой газ процесса Клауса, который вводится в абсорбер биологической системы десульфуризации газа, содержал значительную концентрацию SO₂, по причине его реакции с каустической содой ненасыщенного растворителя. В действительности, существует прямое соотношение между концентрацией SO₂ в хвостовом газе процесса Клауса, который контактирует с каустической содой ненасыщенного растворителя, и потреблением каустической соды. Поэтому для снижения потребления каустической соды при функционировании биологической ступени десульфуризации и, следовательно, снижения текущих операционных расходов концентрация SO₂ в хвостовом газе процесса Клауса, осуществляемого в рамках способа согласно изобретению, должна быть уменьшена перед его обработкой в биологической системе десульфуризации. Другая проблема, вызванная избыточной концентрацией SO₂ в хвостовом газе процесса Клауса, заключается в том, что эта избыточная концентрация имеет тенденцию к снижению, и даже значительному, величины рН растворителя. Уменьшение рН растворителя может оказывать отрицательное воздействие на эффективность удаления H₂S в биологической системе десульфуризации.

Концентрация SO₂ в хвостовом газе процесса Клауса, осуществляемого согласно предложенному способу, должна быть меньше типичных значений концентраций SO ₂ в потоках хвостового газа процесса Клауса для известных действующих установок Клауса. Поэтому обычно концентрация SO ₂ в хвостовом газе процесса Клауса, осуществляемого по способу согласно изобретению, как правило, меньше 1000 ppmv. Но, как отмечено выше, это является наиболее желательным аспектом способа, соответствующего изобретению, с точки зрения концентрации SO₂ в хвостовом газе процесса Клауса SO₂ , которую следует минимизировать, и, таким образом, она может быть менее чем приблизительно 500 ppmv, и даже менее 300 ppmv. Предпочтительно концентрация SO₂ в хвостовом газе процесса Клауса, осуществляемого по способу согласно изобретению, составляет менее 100 ppmv, наиболее предпочтительно менее 50 ppmv. Практический нижний предел для концентрации SO₂ составляет около 100 ppb или 10 ppb.

Для того чтобы обеспечить требуемую концентрацию SO₂ в хвостовом газе процесса Клауса, направляемом в биологическую систему десульфуризации по способу, соответствующему изобретению, термическая ступень установки Клауса функционирует нетрадиционным путем. При известном функционировании установки Клауса в термической ступени важно производить сжигание такого количества H₂S, содержащегося в исходном кислом газе, чтобы молярное соотношение количеств H₂S и SO₂ в полученных продукты сгорания было как можно ближе к стехиометрическому отношению 2:1, как это необходимо для осуществления реакции Клауса, приведенной выше в уравнении (2). В результате при функционировании установки будет минимизировано количество общей серы, содержащейся в H ₂S и SO₂, которая перемещается в потоке хвостового газа процесса Клауса. Обычно для достижения молярного соотношения H₂S и SO₂, равного 2:1 в продуктах сгорания, которые затем подают к каталитическую ступень установки Клауса, термическую стадию проводят таким образом, что только приблизительно одна треть объемных или молярных процентов (примерно 33%) H ₂S, который направляют в средства сжигания установки Клауса, конвертируется или окисляется с получением SO₂. В соответствии с вышеприведенным уравнением (1) это будет обеспечивать в продуктах сгорания молярное соотношение H₂S и SO ₂, равное 2:1. Для достижения этого соотношения молярное соотношение количеств кислорода и сероводорода, направляемых в средства сжигания установки Клауса, регулируют так, чтобы оно составляло приблизительно 0,5:1.

В противоположность известному способу работы установки Клауса по способу согласно данному изобретению термическую ступень процесса Клауса, как было отмечено выше, преднамеренно проводят так, чтобы в хвостовом газе процесса Клауса обеспечить минимальную концентрации SO ₂. Это достигается за счет ведения термической стадии в установке Клауса таким образом, чтобы газообразные продукты сгорания содержали сероводород и диоксид серы в относительных пропорциях, при которых молярное соотношение между количествами H₂ S и SO₂ больше, чем приблизительно 2:1, или больше, чем 2,125:1. Предпочтительно, чтобы молярное соотношение между количествами H₂S и SO₂ в продуктах сгорания было более 2,333:1 или даже более 2,5:1. Вместе с тем, данное молярное соотношение, как установлено, не должно быть слишком велико, а должно быть лишь настолько высоким, чтобы получить стехиометрический избыток H₂S в продуктах сгорания, поступающих на стадию каталитической реакции процесса Клауса, позволяющий обеспечить желательное минимальное количество SO ₂ в хвостовом газе процесса Клауса. Поэтому практический верхний предел для молярного отношения Н₂S к SO ₂ в продуктах сгорания может быть менее 6:1, или даже менее 4:1, или менее 3:1.

Чтобы получить желаемую концентрацию в потоке продуктов сгорания и, следовательно, необходимую минимизацию SO₂ в хвостовом газе процесса Клауса, количество H ₂S, окисленного или сожженного в зоне горения на стадии десульфуризации процесса Клауса, регулируют так, чтобы менее чем приблизительно 33 молярных или объемных процентов этого газа превращалось в SO₂. Поэтому процентная конверсия H ₂S в ступени сжигания установки Клауса может находиться в интервале от 32% до 15%. Как правило, нежелательно, чтобы процентное содержание сожженного Н₂S становилось слишком низким, в связи с чем нижний предел интервала количества сожженного H ₂S может быть больше, чем 18%, или более 20%. Однако для достижения желаемой минимизации SO₂ в хвостовом газе процесса Клауса может потребоваться, чтобы процент сожженного H₂S был менее 30% или даже менее 28% или 25%.

Количество H₂S, сжигаемого на термической стадии процесса десульфуризации Клауса, кроме того, можно регулировать путем регулирования относительного количества кислорода, подводимого вместе с H₂S в средство сжигания термической ступени установки Клауса, таким образом, чтобы обеспечить желательную конверсию H₂S. Это осуществляют путем подачи кислородсодержащего газа, содержащего кислород вместе с кислым газом, к средству сжигания в таком количестве, чтобы молярное соотношение между количествами кислорода и сероводорода было приблизительно менее чем 0,5:1 или менее 0,48:1. Предпочтительное молярное соотношение кислород-сероводород составляет менее чем 0,45:1, а более предпочтительно указанное молярное соотношение H₂S составляет менее 0,375:1 или даже менее 0,3:1. Нижний предел для указанного молярного отношения кислород - H₂S составляет приблизительно более чем 0,15:1, предпочтительно - более 0,2:1 и наиболее предпочтительно - более 0,25:1.

На фиг.1 представлена принципиальная схема установки 10 для получения серы по методу Клауса, в которой осуществляется способ согласно данному изобретению. Установка 10 для получения серы по методу Клауса включает ступень 12 термической обработки или сжигания и каталитическую ступень 14. Поток кислого газа и поток кислородосодержащего газа вводят в камеру сгорания 16 по трубопроводам 18 и 20 соответственно. Камера сгорания 16 обеспечивает частичное сжигание H₂S, содержащегося в потоке кислого газа, с образованием SO₂. Поток полученных продуктов сгорания из камеры сгорания 16 по трубопроводу 22 поступает в теплообменник 24, где он охлаждается водой за счет косвенного теплообмена. Вода подводится в теплообменник 24 посредством трубопровода 26, а полученный водяной пар отводится из теплообменника 24 по трубопроводу 28.

Охлажденный поток продуктов сгорания из теплообменника 24 по трубопроводу 30 направляется в каталитическую ступень 14 установки 10 Клауса для получения серы. Каталитическая ступень 14, кроме того, предусматривает прохождение охлажденного потока продуктов сгорания по трубопроводу 30 в первый конденсатор 32 серы. Первый конденсатор 32 серы образует зону конденсации и обеспечивает средства конденсации и отделения жидкой серы от охлажденного потока продуктов сгорания, чтобы в результате разделения получить поток исходного сырья для первого реактора Клауса, поступающий в первый реактор 34 Клауса через трубопровод 36. Отделенная жидкая сера отводится из первого конденсатора 32 серы по трубопроводу 37. Трубопровод 36 сообщается по текучей среде с первым конденсатором 32 серы, первым реактором 34 Клауса и размещенным между ними первым подогревателем 38, который образует зону теплообмена и обеспечивает средства косвенного нагрева потока исходного сырья, поступающего в реактор Клауса, перед его поступлением в качестве исходного сырья в первый реактор 34 Клауса. Обычно подходящим источником нагрева служит водяной пар, который поступает в первый подогреватель 38 по трубопроводу 40.

Первый реактор 34 Клауса образует зону реакции, которая содержит слой 42 катализатора для процесса Клауса, например, активированный оксид алюминия. Первая зона реакции Клауса, образованная первым реактором 34 Клауса, при ее функционировании обеспечивает контактирование потока исходного сырья, поступающего в первый реактор Клауса, с катализатором процесса Клауса, размещенным внутри первой зоны реакции Клауса, в подходящих условиях проведения реакции Клауса. Поток отработанного вещества, вытекающий из первого реактора Клауса, проходит от первого реактора 34 Клауса по трубопроводу 44 ко второму конденсатору 46 серы. Второй конденсатор 46 серы образует зону конденсации и содержит средства конденсации и отделения жидкой серы от потока, вытекающего из первого реактора Клауса, чтобы обеспечить тем самым поток исходного сырья для второго реактора Клауса, который поступает во второй реактор 48 Клауса через трубопровод 50. Отделенная жидкая сера отводится из второго конденсатора 46 серы посредством трубопровода 51. На трубопроводе 50 размещен второй подогреватель 52, который образует зону теплообмена и содержит средства косвенного нагрева потока исходного сырья для второго реактора Клауса перед его подачей во второй реактор 48 Клауса. Как правило, походящим источником тепла является водяной пар, который подводится ко второму подогревателю 52 по трубопроводу 54.

Второй реактор 48 установки Клауса образует вторую зону реакции Клауса, содержащую слой 56 катализатора, например, слой активированного оксида алюминия. Вторая зона реакции Клауса, образованная вторым реактором 48 Клауса, при ее функционировании обеспечивает контактирование потока исходного сырья для второго реактора Клауса с катализатором процесса Клауса, размещенным во второй зоне реакции Клауса, в условиях, подходящих для ведения реакции Клауса. Поток отработанного вещества, вытекающий из второго реактора 48 Клауса, направляется по трубопроводу 58 к третьему конденсатору 60 серы. Третий конденсатор 60 серы образует зону конденсации и снабжен средствами для конденсации и отделения жидкой серы от потока отработанного вещества, полученного во втором реакторе Клауса, в результате чего образуется поток хвостового газа процесса Клауса, который по трубопроводу 62 направляется в биологическую систему выделения серы, которая на фиг.1 не показана, но показана на фиг.2. Отделенная жидкая сера отводится из третьего конденсатора 60 серы по трубопроводу 64.

Следует отметить, что в приведенном здесь описании каталитическая ступень 14 процесса Клауса представлена состоящей из двух стадий каталитической реакции, которые связаны последовательно. Однако понятно, что при использовании каталитической ступени процесса Клауса точное количество каталитических ступеней, в способе согласно изобретению будет зависеть от состава исходного кислого газа и других соображений экономического характера. Поэтому упоминаемый в данном описании процесс Клауса может означать способ извлечения серы, включающий термическую ступень, за которой следует ступень проведения реакции Клауса, на которой при ведении реакции Клауса, осуществляемой как без использования катализатора Клауса, так и с использованием катализатора Клауса, образуется элементарная сера в соответствии с вышеприведенным уравнением (2), при этом указанная ступень проведения реакции Клауса осуществляется в одной или большем количестве реакционных ступеней.

Жидкая сера, протекающая по трубопроводам 37, 51 и 64, отводится из ступени 10 выделения серы по процессу Клауса по трубопроводу 66 в качестве первого товарного продукта, полученного по способу, соответствующему изобретению.

На фиг.2 представлена принципиальная схема биологической системы 100 для получения серы по способу, соответствующему данному изобретению. Биологическая система 100 для получения серы включает в себя ступень 102 абсорбции, биологическую ступень 104 окисления и ступень 106 отделения серы. Поток хвостового газа процесса Клауса, выходящий по трубопроводу 62 из ступени 10 выделения серы по процессу Клауса, направляют в ступень 102 абсорбции, которая обеспечивает контактирование хвостового газа процесса Клауса с ненасыщенным растворителем при подходящих условиях проведения абсорбции с тем, чтобы улавливать из хвостового газа H₂S и даже SO₂, если она входит в состав указанного хвостового газа, с получением нейтрального хвостового газа и обогащенного растворителя. Для проведения абсорбции предназначен абсорбер 108. Абсорбер 108 образует зону абсорбции и содержит средства абсорбирования Н₂S и SO₂ из хвостового газа процесса Клауса для получения нейтрального хвостового газа и обогащенного растворителя. Нейтральный хвостовой газ отводится из абсорбера 108 через трубопровод 110.

Ненасыщенный растворитель вводится в абсорбер 108 с помощью трубопровода 112, а хвостовой газ процесса Клауса водится в абсорбер 108 по трубопроводу 62. В абсорбере 108 ненасыщенный растворитель и хвостовой газ процесса Клауса контактируют друг с другом, предпочтительно в противоточном режиме течения. Обогащенный растворитель вытекает из абсорбера 108 через трубопровод 113 в ступень 104 биологического окисления, которая обеспечивает контактирование обогащенного растворителя с кислородом. Находящиеся в растворителе серные бактерии обеспечивают окисление сульфида, растворенного в обогащенном растворителе, до элементарной серы. Для проведения биологического окисления используется биореактор 114. Биореактор 114 образует зону биологического окисления или реакционную зону и содержит средства для биологического окисления или проведения биологической реакции с растворенным сульфидом, содержащимся в обогащенном растворителе, с получением ненасыщенного растворителя. Полученный таким образом ненасыщенный растворитель может содержать серу. Биореактор 114 обеспечивает биологическое окисление за счет контактирования обогащенного растворителя в условиях, подходящих для проведения биореакции с участием серных бактерий и кислорода. Кислород или воздух вводят в биореактор 114 для контактирования с обогащенным растворителем по трубопроводу 115.

Ненасыщенный растворитель отводится из биореактора 114 и подается, как отмечено выше, в качестве исходного сырья по трубопроводу 112 в абсорбер 108, в то же время часть ненасыщенного растворителя из биореактора 114 по трубопроводу 118 направляется в ступень 106 отделения серы. Ступень 106 отделения серы обеспечивает выделение серы из ненасыщенного растворителя с получением серы как продукта биореакции и ненасыщенного растворителя с пониженным содержанием серы. Ступень 106 разделения предусматривает прохождение некоторой части ненасыщенного растворителя в аппарат 120 для осаждения серы. Указанный аппарат 120 для осаждения серы образует зону осаждения, которая обеспечивает время пребывания в ней ненасыщенного растворителя, достаточное для осаждение твердых частиц серы. Полученная суспензия, содержащая твердые частицы серы, отводится из аппарата 120 для осаждения и направляется по трубопроводу 122 к средству 124 отделения серы, такому, например, как центрифуга или декантатор. Средство 124 отделения серы образует зону разделения и включает в себя средства для отделения серы от суспензии с получением серы как продукта биореакции и ненасыщенного растворителя с пониженным содержанием серы. Товарная сера, полученная в биореакторе, отводится из средства 124 отделения серы по трубопроводу 126. В то же время ненасыщенный растворитель с пониженным содержанием серы возвращается обратно в биореактор 114 по трубопроводу 128.

Нижеследующий пример приведен для дополнительной иллюстрации данного изобретения, но его не следует рассматривать как ограничение объема изобретения.

Пример

Данный пример представляет типичный состав исходного кислого газа, который подводят в типичную двухступенчатую установку Клауса, предназначенную для получения серы, и расчетные составы хвостового газа для базового случая, представляющего общепринятое функционирование установки Клауса для получения серы, т.е. функционирование реактора Клауса с подачей в него газа с молярным отношением H ₂S к SO₂, равным 2:1, и для случая, соответствующего настоящему изобретению, демонстрирующего способ работы установки Клауса для получения серы в соответствии со способом согласно данному изобретению.

Ниже в Таблице 3 представлен а) типичный поток исходного кислого газа в установке Клауса для получения серы, б) расчетный состав хвостового газа в установке Клауса для получения серы при ее функционирование с получением в хвостовом газе типичного молярного отношения H₂S к SO₂, равного 2:1, и в) расчетный состав хвостового газа в установке Клауса для получения серы, при ее функционировании с уменьшением подачи воздуха горения, подводимого в установку Клауса для получения серы, так, чтобы получить в хвостовом газе молярное отношение H₂S к SO₂, равное 20:1.

Таблица 3.
Типичные составы исходного кислого газа и хвостового газа в установке Клауса для получения серы и пример состава хвостового газа для работы установки Клауса, предназначенной для получения серы и реализующей способ согласно данному изобретению
Компонент	Состав исходного кислого газа	Состав хвостового газа	Состав хвостового газа
Базовый случай (%)	Случай согласно изобретению (%)
Н2		2,05	2,09
СН4	1,0
Н2O	6,0	34,99	35,08
СО		0,44	0,42
N2		58,68	58,15
CS2		0,01	0,01
H2S	85,0	0,50 (5000 ppmv)	1,04 (10040 ppmv)
SO2		0,25 (2500 ppmv)	0,05 (500 ppmv)
СO 2	8,0	2,94	3,03
COS		0,02	0,02
Элементарная сера		0,12	0,11
Всего	100,0	100,0	100,0

Из приведенных в Таблице 3 составов можно видеть, что при функционировании установки Клауса согласно данному изобретению в потоке хвостового газа обеспечивается значительно более низкая концентрация SO₂ , и, следовательно, в потоке хвостового газа содержится значительно меньшее количество SO₂ по сравнению с известным способом работы установки Клауса. При подаче потока хвостового газа в абсорбер с каустической содой биологической системы для выделения серы поток хвостового газа, характеризуемый много меньшей концентрацией SO₂, будет обеспечивать пониженное потребление каустической соды и, следовательно, снижение эксплуатационных расходов в биологической системе для выделения серы.

Соответствующие подходящие варианты выполнения, модификации и приспособления могут быть выполнены в пределах объема вышеизложенного описания изобретения и приложенных пунктов формулы изобретения без отклонения от объема изобретения.