用于硫回收的方法和装置与流程

本申请基于巴黎公约要求2014年5月20日提交的美国专利申请号62/000,845的优先权，该美国专利申请的全部内容通过引用结合于本文。

技术领域

以下总体涉及用于硫回收的方法和装置。尤其是，以下涉及从在Claus设备中的酸性气体流中回收硫。

背景

硫回收装置(SRU)广泛用于从酸性气体流回收硫。例如，酸性气体(acid gas)流可以通过胺气体处理方法产生，其中将含有硫化氢(H₂S)的酸腐气体(sour gas)通过吸收器装置和再生器装置以产生富含硫化氢的气体流，其通常被称为胺酸性气体流。根据酸腐气体的组成，酸性气体流还可以含有其他成分，如二氧化碳(CO₂)、水蒸汽(H₂O)、氨(NH₃)和其他杂质。

通常，在硫回收装置中，使用称为Claus方法的过程从酸性气体流回收硫，这种Claus方法例如在由B.G.Goar在Gas Conditioning Conference Report(1977)中发表的名为"Fundamentals of Sulfur Recovery by the Claus Process"的文章中有描述。

还已知，硫回收装置的能力可以通过氧富集加强，氧富集是这样的过程：其中将补充的氧流引入反应炉中以增加该炉中的氧浓度。增加的氧浓度增加了在Claus过程期间燃烧的硫化氢的量。SRU的能力通常在使用氧富集时增加，主要是因为通常存在于周围气体中的一部分惰性气体(例如氮)被补充的氧替代，其以液压的方式卸载SRU。这使得增加量的酸性气体被进料到SRU，由此提升总体硫产生率。

然而，氧富集可以用于商业Claus装置的程度通常受SRU的反应炉中使用的耐火材料的最高容许操作温度限制。例如，用于可商业获得的反应炉的通常耐火材料具有最多约2850°F(1565℃)的连续最高操作温度。为了降低对耐火材料的应力，Claus装置的操作者可以保守地将操作温度限制到低至2500°F-2600°F之间。因为氧富集通常增加操作温度，密切监控并控制加入至反应炉中的氧的量以保证操作温度不超过耐火材料的所需的或最高容许温度。因此，氧富集的程度通常受限并且因此这些SRU的能力仍然较低。

已经进行一些尝试来增加SRU的能力，特别是在使用氧富集的Claus装置中。例如，Nasato的美国专利号6,508,998描述了在氧富集的Claus装置中通过经喷射器将工艺再循环流引入反应炉中以改善SRU能力的方法，从而所述再循环流用作吸热设备以控制反应炉中的操作温度。然而，在一些情况中，该方法的实施可能具有挑战，因为其需要处理再循环气流。因为再循环气流通常在硫露点，再循环流中的硫蒸气可以冷凝成液体并且随后凝固并且沉积在反应炉燃烧器和/或工艺管道内部。硫的冷凝或凝固是操作危险的，因为其可以造成降低的Claus装置能力、差的燃烧器性能、或灾难性的设备故障。此外，再循环流可以含有不希望的污染，比如氨、氨盐和未燃烧的烃，其可以造成可以弄脏设备和降低能力或影响SRU的性能的固体盐的形成。该方法通常还将需要用于喷射器的蒸汽套和工艺管线以及再循环管道和阀以正确操作，这增加了实施和操作装置的成本。

Watson的美国专利号5,294,428描述了从含有硫化氢的进料气流回收硫的两阶段燃烧方法。在Watson的方法中，两个分开的燃烧区用于处理从氧富集的燃烧过程得到的热负荷。然而，Watson的方法需要两组热阶段装置和较大的布局空间以安装所有需要的装置。因此，该方法通常昂贵并且难以实施，特别是当在可能有空间限制的情况下改进已有的Claus装置时。

以下的一个目的是解决上述缺陷中的至少一个。

概述

在一个方面，提供一种硫回收系统，所述系统包括反应炉、用于将动力流体提供至喷射器的动力流体流，用于将酸性气体提供至所述喷射器的酸性气体流，与反应炉连接的用于向反应炉提供包含所述动力流体和所述酸性气体的混合物的喷射器，以及与所述反应炉连接的用于向所述反应炉提供燃烧气体的燃烧气体供应流，所述燃烧气体包含氧。

在另一方面，提供一种在硫回收系统中处理酸性气体流的方法，所述方法包括向喷射器提供动力流体，向所述喷射器提供所述酸性气体流以获得混合物，所述混合物包含所述动力流体和所述酸性气体流，向反应炉提供所述混合物，向所述反应炉提供燃烧气体，所述燃烧气体包含氧，并且将所述反应炉的内容物反应。

附图简述

在参考所述附图的以下详细描述中，本发明的特征将变得更显而易见，其中：

图1是根据一个实施方案的硫回收系统的示意图；

图2是说明根据一个实施方案的回收硫的方法的流程图；和

图3是显示在一个实施方案中流的流速和所述氧浓度之间的关系的图表。

详述

术语″包含(comprise)″，″包含(comprises)″，″包含(comprised)″或″包含(comprising)″可以用于本说明书。如本文中使用的(包括说明书和/或权利要求)，这些术语要解释为指定所述特征、整数、步骤或成分的存在，但不解释为排除一个或多个其他特征、整数、步骤、成分或其组的存在，这些对于相关领域技术人员将会是显而易见的。

在一个方面，提供硫回收系统，所述硫回收系统包含反应炉，用于向喷射器提供动力流体的动力流体流，向所述喷射器提供酸性气体的酸性气体流，所述喷射器与所述反应炉连接以用于向所述反应炉提供包含所述动力流体和所述酸性气体的混合物，以及与所述反应炉连接的用于向所述反应炉提供燃烧气体的燃烧气体供应流，所述燃烧气体包含氧。例如，所述燃烧气体可以是空气，空气和补充的氧的混合物，或纯氧。

在一个实施方案中，以第一压力向所述喷射器提供所述动力流体流，并且以第二压力向所述喷射器提供所述酸性气体流，所述第一压力大于所述第二压力。

在一个实施方案中，所述酸性气体包括胺酸性气体。例如，胺酸性气体可以通过用胺气体处理过程处理酸腐气体，这是本领域中公知的。在另一实施方案中，所述酸性气体包括酸腐水汽提装置的酸性气体。如将理解的，所述酸性气体将通常包含至少5摩尔百分数的硫化氢并且通常至多约80-95摩尔百分数的硫化氢。要理解的是，胺酸性气体可以包含其他气体，包括，但不限于二氧化碳、水蒸汽、氨和其他杂质。要理解的是，本文中使用的酸性气体流通常是澄清流并且不是再循环流(即已经至少部分通过Claus方法处理的流)。

在一个实施方案中，所述动力流体包含蒸汽。在其他实施方案中，所述动力流体可以包括加压液态水、水蒸汽、超饱和的水蒸汽、硫化氢、二氧化硫、二氧化碳、或其混合物。

在一个实施方案中，所述系统还包括连接至所述反应炉的用于从所述反应炉接收流出物流的硫回收区，和位于所述硫回收区下游的用于控制所述硫回收区的操作压力的背压控制阀。

在另一实施方案中，所述硫回收系统还包括连接至所述反应炉的用于从所述反应炉接收流出物流的硫回收区，连接至所述反应炉的用于从所述硫回收区接收尾气流的尾气处理区，和位于所述尾气处理单元下游的用于控制所述尾气处理单元区和所述硫回收区中的至少一个的操作压力的背压控制阀。所述硫回收系统还可以包括位于所述硫回收区的下游，但位于所述尾气处理单元区的上游的另一背压控制阀。

图1是根据一个实施方案的硫回收系统100的示意图。在硫回收系统100中，酸性气体进料流30被用于引入胺酸性气体，并且蒸汽供给管线20被用于引入蒸汽。所述酸性气体进料流30和蒸汽供给管线20连接于汽液分离器80，其用于分离出任何存在于输入流中的液体。将任何从输入流分离的液体用压缩机86加压并且经由管线84移除，并且经由管线82向反应炉130的燃烧器120提供分离的气体。

氧入口流40和空气入口流50分别用于将氧和空气引入燃烧器120。在图1的实施方案中，显示空气入口流50具有主管线和调谐管线55。其他入口流，如酸腐水汽提装置的酸性气体(SWSAG)流10和燃料气体流60还可以与燃烧器120连接，用于将其他气体引入到该燃烧器。例如，SWSAG流10可以用于引入包含H₂S和NH₃的气体流，并且燃料气体流60可以用于为燃烧器120引入燃料。

在系统100的构造中，喷射器26被示出是与蒸汽供给管线20和酸性气体进料流30连接的。蒸汽供给管线20所载的蒸汽通常是高压蒸汽，其在引入到喷射器26时用作动力流体。在使用中，将酸性气体进料流30所载的胺酸性气体作为吸入液被引入到喷射器26以产生输出流，随后将其经由汽-液分离器80和管线82进料到燃烧器120。要理解的是，因为喷射器26的输出流通过将高压蒸汽与胺酸性气体混合而形成，输出流的压力将通常大于输入胺酸性气体的压力，但低于输入蒸汽的压力。

然后将入口流的混合物在燃烧器120中燃烧并逐渐扩展入反应炉130，在那里，发生Claus方法的反应。具体地，在反应炉130中，约三分之一硫化氢与氧反应，产生二氧化硫和水，并且剩余的硫化氢与二氧化硫反应，产生硫和水。这些反应由以下公示表示：

H₂S+3/2O₂→SO₂+H₂O

2H₂S+SO₂→3/2S₂+2H₂O

然后将来自反应炉130的流出物送至硫回收区140，硫回收区140通常用于从反应炉流出物提取硫。例如，硫回收区140可以包含一个或多个冷凝器、加热器和/或催化转换器反应器。这些组件是公知的并且可以在这些组件中发生的反应在例如Nasato的美国专利申请号6,508,998和Ferrell的美国专利申请号7,597,871中有描述。

离开硫回收区140的流可以随后引入到尾气处理单元(TGTU)区160，其用于降低流中存在的任何残留的含硫化合物的量。将离开TGTU区160的流送至焚化炉，之后释放到大气中。备选地，离开硫回收区140的流可以直接送至所述焚化炉，而不通过TGTU区160，条件是从焚化炉排出的气体是满足排放标准的可接受的硫含量水平。

系统100还包括很多用于调节通过各种流和管线的气体流量的阀。如图1中所示的，通过蒸汽供给管线20的加压蒸汽的流量和通过所述酸性气体进料流30的胺酸性气体的流量由常闭(NC)阀22，32和常开(NO)阀34调节。所述喷射器26的出口由NC阀24调节。在氧入口流40中，气体的流量由阀42调节，并且在气体入口流50中，所述流量由主管线中的阀52和调谐管线55中的阀57调节。

阀通常根据所述系统100中测量的一个或多个参数控制。例如，用于调节蒸汽流量的NC阀22根据流量控制220所测量的流量的量调节。如图1中所示，其他NC阀24、32和NO阀34受流量控制器240控制，流量控制器240与位于所述氧入口流40的阀42连接。位于空气入口流50的主管线上的阀52受控制器单元270控制，并且位于调谐管线55上的阀57由尾气分析仪控制。

各种测量单元、控制器和/或指示器位于整个系统100中，用于监测和/或控制不同的工艺参数。例如，流量指示器210，230，260分别位于SWSAG流10，酸性气体进料流30，和燃料气体流60上，用于测量通过各个流的气体的流量。与控制器单元270连通的压力控制器250，位于空气入口流50上，用于控制流经空气入口流50的气体的压力。将取自这些测量单元、控制器和/或指示器的测量值传送至控制器单元270，并且如果需要，所述控制器单元270可以产生和传送信号以控制各个入口/出口流中的气体流量。如所示的，可以提供手动控制所述控制单元270的手动控制单元280。此外，所述反应炉130内部的温度可以由温度指示器330监测。

在一个实施方案中，一个或多个背压控制阀位于硫回收区140的下游。所述一个或多个背压控制阀通常用于控制位于所述一个或多个阀的上游的任意硫回收系统的操作压力。例如，在图1中所示的系统100中，第一背压控制阀170位于TGTU区160和硫回收区140的下游，用于控制硫回收区140和/或TGTU区160的操作压力，并且第二背压控制阀150位于硫回收区140的下游，但在TGTU区160的上游，用于控制硫回收区140的操作压力。备选地，如果仅使用一个背压控制阀可以获得在两个硫回收系统中对操作压力的充分控制，则系统100可以仅包含第一压力控制阀170而不包含第二压力控制阀150。

在系统不包括TGTU区的其他实施方案中，从硫回收区离开的尾气可以直接送至所述焚化炉。在这样的实施方案中，所述压力控制阀可以位于硫回收区和焚化炉之间以控制硫回收区的操作压力。备选地，要理解的是，所述压力控制阀可以位于焚化炉的下游和烟囱的上游。

所述一个或多个背压控制阀通常根据取自系统100的各种测量值调节。在图1中所示的实施方案中，第一背压控制阀170受压力控制器370控制并且第二压力控制阀150受压力控制器350控制。配置压力控制器350，370以监测位于各自的阀的上游的任意硫回收系统的压力，并且控制各自的阀150，170以调节这些硫回收系统的操作压力。通过使用一个或多个背压控制阀限制从硫回收区140和/或TGTU区160离开的气体的流量，这些区内的操作压力增加，因此增强从所述酸性气体流的硫回收。

在某些情况下，上述系统相对于本领域中已知的一些其他系统可以是有利的。例如，因为喷射器26不需要蒸汽套来操作，与安装系统相关的成本和复杂性保持较低。此外，因为系统100中仅需要一组热阶装置(thermal stage equipment)，不需要Claus装置进料流的歧管系统(manifolding)或流分裂。这还降低安装、操作和维护的成本和复杂性。尤其在对已有Claus装置或系统改造系统100的情况下可以实现进一步的益处，因为对于大多数已有Claus装置或系统，组件的安装将通常需要额外的布局空间。

要理解的是，在其他实施方案中，第二喷射器可以以与喷射器26类似的方式配置，从而在将SWSAG引入燃烧器120之前增强SWSAG流10的压力。在另一实施方案中，可以在进入喷射器26之前将SWSAG流10与酸性气体进料流30合并。

在一个方面，提供在硫回收系统中处理酸性气体流的方法，所述方法包括向喷射器提供动力流体，向喷射器提供酸性气体流以获得混合物，所述混合物包含动力流体和酸性气体流，向反应炉提供所述混合物，向反应炉提供燃烧气体，所述燃烧气体包含氧，以及将反应炉的内容物反应。例如，所述燃烧气体可以是空气，空气和补充的氧的混合物，或纯氧。

在一个实施方案中，以第一压力提供动力流体并且以第二压力提供酸性气体流，其中所述第一压力大于所述第二压力。

在一个实施方案中，所述动力流体包括蒸汽。例如，在图1的实施方案中，示出了通过蒸汽供给管线20将蒸汽引入喷射器26，作为用于喷射器26的动力流体。在其他实施方案中，所述动力流体可以包括水蒸汽、超饱和的水蒸汽、硫化氢、二氧化硫、二氧化碳、和/或其混合物。

图2是示出根据一个实施方案的方法的流程图。为了更清楚，与图1中所示的系统100相关描述所述方法。在510中，打开反应炉130的燃烧器120。例如，燃烧器120可以通过经由燃料气体流60供应燃料气体和点燃所述燃料气体来起动。在520中，将酸性气体、氧和空气分别经由酸性气体进料流30、氧入口流40和空气入口流50供应至燃烧器120。要理解的是，通常在该阶段NC阀22、24、32关闭并且NO阀34打开，以使得酸性气体流过酸性气体进料流30进入到汽液分离器80，并且经由管线82到达燃烧器120。流入燃烧器120的氧和空气的量可以通过调节阀42、52、57来调节。

尽管典型地，一旦将所述酸性气体、氧和空气引入燃烧器120后就关闭燃料气体，但应理解的是，所述燃料气体流60可以继续向燃烧器120供应燃料，尤其是在燃烧器120在没有燃料气体的情况下不能维持火焰在需要的温度的情况下。例如，这可以在所述酸性气体富含二氧化碳的情况下发生。

在530中，将动力流体引入喷射器26。在图1的实施方案中，所述动力流体是由蒸汽供给管线20携带的蒸汽。为了引入蒸汽，NC阀22、24至少部分打开，从而蒸汽可以流过喷射器26进入汽液分离器80，并经由管线82到达所述燃烧器120。在一个实施方案中，当氧浓度达到空气和氧流混合物的30至35体积百分数时，引入动力流体。一旦引入蒸汽，位于酸性气体进料流30上的NO阀34关闭以改变酸性气体流动的方向进入540中的喷射器26。以此方式，经由管线82引入燃烧器120的酸性气体的压力增加，因为来自管线20的高压蒸汽与来自管线30的酸性气体混合。此外，蒸汽的引入降低反应炉内的温度，从而增强如下文所解释的能力。

不希望受理论限制，本发明人认为，蒸汽用作吸热设备，用于调节反应炉中燃烧产物的温度。本发明人还认为，蒸汽的存在有利地改变Claus炉反应以降低氧需求，因此进一步降低火焰和炉温度。通过以此方式降低反应炉的操作温度，可能增加氧浓度至更高水平，同时维持炉温度低于所希望的水平。例如，如图3的图表中说明的，可以引入另外的蒸汽，也称为″补足(make-up)蒸汽″，以在较高氧水平(例如大于30％)调节炉温度。在图3中，在随着氧浓度增加超过30％将动力蒸汽的流速保持在恒定水平的同时，与所述动力蒸汽分开引入补足蒸汽以将炉温度维持在可接受水平。例如，可以将补足蒸汽直接通过入口流引入到燃烧器120，其独立于蒸汽供给管线20操作。备选地，可以将补足蒸汽与动力蒸汽合并，并且通过管线20引入到喷射器26，并进入反应炉130中。

在一个实施方案中，加压液态水流自行注射到燃烧器120。在另一实施方案中，将加压液态水流与蒸汽合并，注射到燃烧器120中。例如，加压液态水流可以与动力蒸汽和所述补足蒸汽(如果存在)一起引入。

甚至在装置操作者不希望增加反应炉130中的氧浓度的情况下，蒸汽的引入仍然可以是有益的，因为蒸汽降低氧需求，同时基本上维持相同水平的生产量。通过降低所需氧的量，与购买和/或生产纯氧相关的操作成本降低。此外，因为蒸汽降低反应炉130内的操作温度，用蒸汽操作的炉将会经历较少的热应力，同时基本上维持与不用蒸汽操作的炉相同水平的生产量。对燃烧器和炉材料强加较少热应力可以潜在地增加炉和其中的各种组件的寿命。

在动力流体包含氮或二氧化碳的情况下，动力流体仍然可以用作吸热设备以调节反应炉中燃烧产物的温度，由此增加能力。具体地，关于二氧化碳，据信，二氧化碳的引入可以改变炉反应的热力学平衡，从而有利于产物的形成。在将二氧化硫作为动力流体引入的情况下，其还可以改变Claus反应的平衡，从而有利于产物的形成，因为二氧化硫是反应物中的一种。引入二氧化硫还降低反应所需氧的量，因为将需要较少硫化氢与氧反应，形成硫化氢。

对于所述硫回收系统的至少一种实施方式，使用计算流体动力学(CFD)建模来分析所述硫回收单元(SRU)火焰的动力学。具体地，进行所述CFD建模以获得对高压喷射器系统的潜在能力和得到的对SRU热阶火焰带的动力学和热动力学效应的理解。通过分析CFD模型，发现SRU火焰的一些区域可以基本上具有比所述火焰的其他区域高的温度。因此，可以考虑的是，可以在这些较高温度区域从喷射器加压的气流的使用促进某些有益化学反应。此外，可以考虑的是，这样的反应提供的效应可以通过操作火焰样式和特征来提高，从而将所述加压的气流注射入燃烧器的优选区域。

返回图2，在550中，背压阀150、170被用于增加硫回收区140和/或TGTU区160的操作压力。例如，硫回收区140中的操作压力可以通过使用第二背压阀150限制从硫回收区140离开的流来增加。类似地，使用第一背压阀170限制从TGTU区160离开的气体增加了TGTU区160的操作压力。要理解的是，在一些配置中，所述第一背压阀170可以用于调节硫回收区140和TGTU区160二者的操作压力。

如上文所述的，硫回收区130和/或TGTU区160的操作压力的提高增强了酸性气体进料流的硫回收，主要是由于勒夏特利埃原理。例如，因为用于Claus反应的反应物通常是气体，所以增加反应容器的压力导致反应平衡的改变，从而有利于产物的形成。操作压力的增加还降低反应物气体的流速，因此增加反应容器中反应物气体的残留时间。增加的残留时间在一些情况下可以造成较高的反应物转变。

尽管已经参考喷射器描述了所述装置的各个实施方案，要理解的是，其他用于增加进料源的压力和引入蒸汽的机制可以替代使用。例如，机械鼓风机和/或压缩机可以用于增加胺酸性气体流的压力，并且可以在压力增加之前或之后向胺酸性气体流中加入蒸汽。然而，所述喷射器的使用相对于其他增压机制可以是有利的，因为容易维护和较高的可靠度，尤其是在长期操作中。注意的是，喷射器在工业中还可以称为排泄器(eductor)或热压缩机。

要理解的是，尽管关于阀已经描述了各种实施方案，但是其他限流设备或背压增强策略，如风门、可移动门和快门(shutter)可以替代阀使用。

要理解的是，尽管关于氧富集装置和系统已经描述了各种实施方案，基本上相同方法和装置可以用于基于空气的装置和系统，其中不向反应炉引入补充的氧。

还要理解的是，尽管关于硫回收方法已经在本文中描述了装置和方法，类似的装置和方法可以与不涉及硫回收的其他方法联合使用。

尽管关于某些具体实施方案已经描述了方法和装置，其各种改变对于本领域技术人员将是显而易见的。包括本文中提供的任何实施例仅用于说明所述方法和装置，并且不意在以任何方式限制本发明。本文中提供的任何附图仅用于说明本发明的各个方法，并且不意在按比例绘制或以任何方式限制本发明。本文所附权利要求的范围不应该受上述说明书中陈述的优选实施方案限制，而应该以与本说明书整体一致的最宽的解释给出。本文中引用的所有现有技术的公开内容通过引用以其整体并入本文。