(86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego: , PCT/EP03/ (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego:

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (21) Numer zgłoszenia: (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego: , PCT/EP03/ (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego: , WO04/ PCT Gazette nr 08/04 (51) Int.Cl. C01B 17/04 ( ) (54) Kocioł na ciepło odpadowe dla instalacji Clausa (30) Pierwszeństwo: ,DE, (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 17/05 (73) Uprawniony z patentu: UHDE GMBH,Dortmund,DE (72) Twórca(y) wynalazku: Holger Thielert,Dortmund,DE Klaus Schüpphaus,Herten,DE (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 04/09 (74) Pełnomocnik: Rogozińska Alicja, POLSERVICE, Kancelaria Rzeczników Patentowych Sp. z o.o. PL B1 (57) 1. Kocioł na ciepło odpadowe dla instalacji Clausa, z otoczoną wytrzymałym na ciśnienie płaszczem komorą wytwarzania pary i wiązkami rur wymiennika ciepła, znamienny tym, że ma jedną długą wiązkę (18) rur wymiennika ciepła, które przechodzą przez komorę wytwarzania pary i na obu końcach są osadzone w rurowych dnach (19), ograniczających komorę wytwarzania pary, co najmniej jedną następną wiązkę (20) krótszych rur wymiennika ciepła, które na swym wylotowym końcu są również osadzone w rurowym dnie (19), zaś na swym wlotowym końcu uchodzą do komory wlotowej (21), oraz głowicę (22), która na wylotowym końcu jest połączona z rurowym dnem (19) i podzielona na sekcje, przy czym przez długą wiązkę (18) rur przepływa wychodzący z komory spalania (2), gorący gaz procesowy, przy czym komora wlotowa (21) jest umieszczona wewnątrz komory wytwarzania pary i jest zasilana zimniejszym gazem procesowym (10) ze stopnia katalitycznego (4) instalacji Clausa, przy czym każdej sekcji głowicy (22) przyporządkowana jest wiązka (18, 20) rur, zaś do sekcji podłączone są urządzenia do odprowadzania skondensowanej siarki.

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest kocioł na ciepło odpadowe dla instalacji Clausa. W instalacji Clausa następuje przemiana siarkowodoru w siarkę elementarną, którą kondensuje się poprzez oziębianie strumienia gazu procesowego i oddziela w stanie ciekłym. Instalacja Clausa składa się w swej zasadniczej konstrukcji z komory spalania, kotła na ciepło odpadowe oraz co najmniej jednego stopnia katalitycznego. Kwaśny gaz, zawierający H 2 S, kieruje się wraz z powietrzem i gazem opałowym do komory spalania, gdzie w wyniku reakcji egzotermicznej około 60-70% siarkowodoru ulega przemianie w siarkę. Gaz procesowy opuszcza w temperaturze około 1200 C komorę spalania i jest oziębiany w kotle na ciepło odpadowe do temperatury poniżej 170 C. Po oddzieleniu kondensującej siarki gaz procesowy nagrzewa się ponownie i doprowadza do stopnia katalitycznego, w którym w temperaturze roboczej poniżej 300 C siarkowodór, zawarty nadal w gazie procesowym, ulega przemianie w siarkę elementarną. Gaz procesowy, opuszczający stopień katalityczny, chłodzi się do temperatury, wymaganej do kondensacji siarki. Po oddzieleniu siarki gaz procesowy doprowadza się z reguły do następnego stopnia katalitycznego, w którym pozostałość siarkowodoru przemienia się w siarkę, którą można oddzielić po ponownym oziębieniu gazu procesowego. Do chłodzenia gorącego gazu procesowego, odprowadzonego z komory spalania, z jednej strony i chłodzenia gazu procesowego, opuszczającego stopnie katalityczne, z drugiej strony stosuje się zazwyczaj oddzielne kotły na ciepło odpadowe. W pozycji pt. Ullmans Encyklopädie der technischen Chemie", tom 21, strona 11, rysunek 7, opisana jest instalacja Clausa, zaopatrzona w dwustopniowy kocioł na ciepło odpadowe, w którym chłodzi się gaz procesowy z komory spalania oraz gaz procesowy ze stopnia katalitycznego. Konstrukcja tego kotła na ciepło odpadowe nie jest opisana. W wyniku dużych różnic temperatur napływających strumieni gazu procesowego należy spodziewać się znacznych naprężeń cieplnych, które w pojedynczym urządzeniu są trudne do opanowania. Celem wynalazku jest zaproponowanie kotła na ciepło odpadowe dla instalacji Clausa do wytwarzania niskoprężnej pary, który to kocioł ma prostą konstrukcję i umożliwia chłodzenie w jednym urządzeniu zarówno gorącego gazu procesowego, wychodzącego z komory spalania, jak też chłodzenie zimniejszych gazów procesowych, opuszczających stopnie katalityczne. Kocioł na ciepło odpadowe dla instalacji Clausa, z otoczoną wytrzymałym na ciśnienie płaszczem komorą wytwarzania pary i wiązkami rur wymiennika ciepła, według wynalazku charakteryzuje się tym, że ma jedną długą wiązkę rur wymiennika ciepła, które przechodzą przez komorę wytwarzania pary i na obu końcach są osadzone w rurowych dnach, ograniczających komorę wytwarzania pary, co najmniej jedną następną wiązkę krótszych rur wymiennika ciepła, które na swym wylotowym końcu są również osadzone w rurowym dnie, zaś na swym wlotowym końcu uchodzą do komory wlotowej, oraz głowicę, która na wylotowym końcu jest połączona z rurowym dnem i podzielona na sekcje, przy czym przez długą wiązkę rur przepływa wychodzący z komory spalania, gorący gaz procesowy, przy czym komora wlotowa jest umieszczona wewnątrz komory wytwarzania pary i jest zasilana zimniejszym gazem procesowym ze stopnia katalitycznego instalacji Clausa, przy czym każdej sekcji głowicy przyporządkowana jest wiązka rur, zaś do sekcji podłączone są urządzenia do odprowadzania skondensowanej siarki. Korzystnie do położonego od strony wlotu, rurowego dna podłączona jest głowica z kołnierzem przyłączeniowym do bezpośredniego zamocowania na komorze spalania lub na zawierającym komorę spalania reaktorze rozszczepieniowym. Korzystnie komora wlotowa ma umieszczony w płaszczu wlot gazu procesowego. Korzystnie komora wlotowa jest podzielona na sekcje, przy czym każda z sekcji komory wlotowej ma umieszczony w płaszczu wlot gazu procesowego ze stopnia katalitycznego instalacji Clausa. Korzystnie pozycja komory wlotowej jest tak dopasowana do profilu temperatury, jaki ustala się wewnątrz rur wymiennika ciepła, tworzących długą wiązkę rur, że różnica temperatur pomiędzy komorą wlotową i lokalną temperaturą gazu procesowego, prowadzonego przez długą wiązkę rur, jest mniejsza niż 150 C. Korzystnie przez komorę wytwarzania pary przechodzi dodatkowa rura na gorący gaz procesowy, zaś po stronie wylotowej umieszczone jest urządzenie do sterowania strumieniem ilościowym gazu procesowego, przepływającego przez dodatkową rurę, przy czym gaz procesowy o wysokiej temperaturze wychodzi ponownie z dodatkowej rury i jest wykorzystywany do nagrzewania strumienia gazu procesowego, oziębionego do temperatury poniżej temperatury kondensacji siarki.

3 PL B1 3 Kocioł na ciepło odpadowe jest usytuowany w pozycji leżącej. Do komory wytwarzania pary podłączone są typowe urządzenia do regulacji doprowadzania wody zasilającej kocioł oraz urządzenia do odciągania pary. Komora wlotowa, wbudowana w komorę wytwarzania pary, pozwala zapanować nad różnymi temperaturami wlotu gazu, bez konieczności przedsiębrania kosztownych środków celem kompensacji rozszerzeń cieplnych. Jeżeli instalacja Clausa ma dwa lub więcej stopni katalitycznych, które pracują w temperaturach pomiędzy 200 i 300 C, wówczas komora wlotowa jest korzystnie podzielona na sekcje, przy czym każda z sekcji komory wlotowej ma umieszczony w płaszczu wlot gazu procesowego ze stopnia katalitycznego instalacji Clausa. Pozycja komory wlotowej może być tak dopasowana do profilu temperatury, jaki ustala się wewnątrz rur wymiennika ciepła, tworzących długą wiązkę rur, by różnica temperatur pomiędzy komorą wlotową i lokalną temperaturą gazu procesowego, prowadzonego przez długą wiązkę rur, była mniejsza niż 150 C. Przy optymalnym dopasowaniu różnice temperatur w każdym przekroju rur urządzenia powinny być jak najmniejsze. Po oddzieleniu skondensowanej siarki gaz procesowy trzeba nagrzać do temperatury powyżej temperatury kondensacji siarki, zanim wejdzie on do stopnia katalitycznego. Nagrzewanie odbywa się korzystnie poprzez mieszanie z gorącym gazem procesowym. W następnej postaci wykonania wynalazku przez komorę wytwarzania pary przechodzi dodatkowa rura na gorący gaz procesowy, który wychodzi ponownie, mając wysoką temperaturę, z dodatkowej rury i jest wykorzystywany do nagrzewania strumienia gazu procesowego, oziębionego do temperatury poniżej temperatury kondensacji siarki. Po stronie wylotu dodatkowej rury umieszczone jest urządzenie do sterowania strumieniem ilościowym gazu procesowego, przepływającego przez dodatkową rurę. Kocioł na ciepło odpadowe według wynalazku przyczynia się do znacznego uproszczenia instalacji Clausa pod względem aparatury. Uproszczeniu ulega orurowanie. Zbędne są nagrzewacze pośrednie i skraplacze. Skomplikowaną regulację wody zasilającej kocioł trzeba przewidzieć tylko dla jednego urządzenia. Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia instalację Clausa z kotłem na ciepło odpadowe, fig. 2 - inny przykład wykonania kotła na ciepło odpadowe, zaś fig. 3 - przekrój A-A z fig. 2. W przedstawionej na fig. 1 instalacji Clausa siarkowodór ulega przemianie w siarkę elementarną. Do zasadniczej konstrukcji instalacji należy reaktor rozszczepieniowy 1 z komorą spalania 2, dołączony do wylotu gazu z reaktora rozszczepieniowego 1 kocioł 3 na ciepło odpadowe oraz stopień katalityczny 4. Kwaśny gaz 5, zawierający siarkowodór, wprowadza się wraz z powietrzem 6 i gazem opałowym 7 do komory spalania 2 reaktora rozszczepieniowego 1, który w przykładzie wykonania zawiera dodatkowo poza komorą spalania 2 sypki katalizator 8. Gaz procesowy opuszcza reaktor rozszczepieniowy 1 w temperaturze około 1200 C i zostaje oziębiony w kotle 3 na ciepło odpadowe do temperatury poniżej 170 C, potrzebnej do kondensacji siarki. Kondensująca siarka zostaje oddzielona. Po oddzieleniu siarki oziębiony gaz procesowy 9 nagrzewa się i doprowadza do stopnia katalitycznego 4, w którym związki siarki ulegają na katalizatorze przemianie w siarkę elementarną. Stopień katalityczny 4 pracuje w temperaturze poniżej 300 C. Gaz procesowy, opuszczający stopień katalityczny 4, zostaje również w kotle 3 na ciepło odpadowe oziębiony do temperatury, potrzebnej do kondensacji siarki. Skondensowaną siarkę oddziela się. Reaktor rozszczepieniowy 1 składa się z zaopatrzonego w ogniotrwałe wyłożenie, leżącego cylindrycznego kotła, w którym umieszczone są obok siebie komora spalania 2, komora katalityczna z sypkim katalizatorem 8 oraz komora wylotowa. Otwór wlotowy i wylot gazu znajdują się na przeciwległych czołowych stronach kotła. Komora katalityczna jest z obu stron ograniczona przepuszczalnymi dla gazu cegłami kratownicowymi 11 i ma od strony płaszcza otwór nasypowy do wprowadzania sypkiego katalizatora 8. Cegły kratownicowe 11 są korzystnie zaopatrzone w podłużne otwory. Do obwodu komory, położonej od strony wylotu, dołączony jest zaopatrzony w ogniotrwałe wyłożenie przewód odgałęzieniowy 12, który uchodzi do sąsiedniego przewodu gazu procesowego. W obszarze ujścia przewodu odgałęzieniowego 12 umieszczony jest zawór 13, za pomocą którego reguluje się strumień ilościowy gorącego strumienia gazu, wychodzącego z przewodu odgałęzieniowego 12. Korpus zaworu 13 jest przy tym chłodzony przez zimny gaz procesowy 9, co pozwala na wykonanie go z typowych tworzyw metalicznych. Kocioł 3 na ciepło odpadowe ma otoczoną wytrzymałym na ciśnienie płaszczem 14 komorę wytwarzania pary, do której podłączone jest urządzenie doprowadzające 16 dla wody zasilającej kocioł

4 4 PL B1 oraz urządzenie wyciągowe 17 dla niskoprężnej pary. Kocioł 3 na ciepło odpadowe zawiera długą wiązkę 18 rur wymiennika ciepła, które przechodzą przez komorę wytwarzania pary i na obu końcach są osadzone w rurowych dnach 19, ograniczających komorę wytwarzania pary. Ponadto przewidziana jest co najmniej jedna następna wiązka 20 krótszych rur wymiennika ciepła, które na swym wylotowym końcu są również osadzone w rurowym dnie 19, zaś na wlotowym końcu uchodzą do komory wlotowej 21. Przez długą wiązkę rur 18 przepływa gorący gaz procesowy, wychodzący z komory spalania względnie reaktora rozszczepieniowego. Komora wlotowa 21 jest usytuowana wewnątrz komory wytwarzania pary 15 i zasilana zimniejszym gazem procesowym ze stopnia katalitycznego 4. Kocioł 3 na ciepło odpadowe ma ponadto głowicę 22, która na wylotowym końcu jest połączona z rurowym dnem 19 i podzielona na sekcje. Każdej sekcji głowicy 22 przyporządkowana jest jedna wiązka 18, 20 rur. Do sekcji podłączone są urządzenia do odprowadzania skondensowanej siarki. Kocioł 3 na ciepło odpadowe jest od strony wlotu podłączony bezpośrednio do reaktora rozszczepieniowego 21. Ma on odpowiednią głowicę z kołnierzem przyłączeniowym. Odciągany ze stopnia katalitycznego 4, zimniejszy gaz procesowy jest przez znajdujący się w płaszczu wlot gazu wprowadzany do komory wlotowej 21. Miejsce podawania zimniejszego gazu procesowego jest tak dobrane wzdłuż kotła 3 na ciepło odpadowe, że w rurach nie występują zbyt duże różnice temperatur, co pozwala opanować naprężenia cieplne. W przykładzie wykonania pozycja komory wlotowej 21 jest tak dopasowana do profilu temperatury, jaki ustala się wewnątrz rur wymiennika ciepła, tworzących długą wiązkę 18 rur, że różnice temperatur pomiędzy komorą wlotową 21 i lokalną temperaturą gazu procesowego, prowadzonego przez długą wiązkę 18 rur, jest mniejsza niż 150 C. Przykład wykonania przedstawiony na fig. 2 i 3 jest przeznaczony dla instalacji Clausa, zawierającej komorę spalania względnie reaktor rozszczepieniowy i dwa stopnie katalityczne, pracujące w temperaturze poniżej 300 C. Komora wlotowa 21 jest podzielona na sekcje 21a, 21b, z których każda ma umieszczony w płaszczu wlot gazu, przeznaczony dla gazu procesowego z jednego stopnia katalitycznego. Rozumie się, że także położona po stronie wylotu gazu głowica 22 jest podzielona na odpowiednią liczbę sekcji. Na fig. 3 zaznaczono ponadto linią przerywaną, że kocioł na ciepło odpadowe może mieć dodatkową rurę 24 na gorący gaz procesowy, która przechodzi przez komorę wytwarzania pary i na wylotowym końcu jest zaopatrzona w urządzenie 25 do sterowania strumieniem ilościowym gazu procesowego. Dodatkowa rura 24 jest tak ukształtowana, że gaz procesowy o wysokiej temperaturze wychodzi ponownie z dodatkowej rury 24 i jest wykorzystywany do nagrzewania strumienia gazu procesowego, oziębionego do temperatury poniżej temperatury kondensacji siarki. Dodatkowa rura 24 zastępuje w tym zakresie przewód objętościowy. Zastrzeżenia patentowe 1. Kocioł na ciepło odpadowe dla instalacji Clausa, z otoczoną wytrzymałym na ciśnienie płaszczem komorą wytwarzania pary i wiązkami rur wymiennika ciepła, znamienny tym, że ma jedną długą wiązkę (18) rur wymiennika ciepła, które przechodzą przez komorę wytwarzania pary i na obu końcach są osadzone w rurowych dnach (19), ograniczających komorę wytwarzania pary, co najmniej jedną następną wiązkę (20) krótszych rur wymiennika ciepła, które na swym wylotowym końcu są również osadzone w rurowym dnie (19), zaś na swym wlotowym końcu uchodzą do komory wlotowej (21), oraz głowicę (22), która na wylotowym końcu jest połączona z rurowym dnem (19) i podzielona na sekcje, przy czym przez długą wiązkę (18) rur przepływa wychodzący z komory spalania (2), gorący gaz procesowy, przy czym komora wlotowa (21) jest umieszczona wewnątrz komory wytwarzania pary i jest zasilana zimniejszym gazem procesowym (10) ze stopnia katalitycznego (4) instalacji Clausa, przy czym każdej sekcji głowicy (22) przyporządkowana jest wiązka (18, 20) rur, zaś do sekcji podłączone są urządzenia do odprowadzania skondensowanej siarki. 2. Kocioł na ciepło odpadowe według zastrz. 1, znamienny tym, że do położonego od strony wlotu, rurowego dna podłączona jest głowica z kołnierzem przyłączeniowym do bezpośredniego zamocowania na komorze spalania lub na zawierającym komorę spalania reaktorze rozszczepieniowym. 3. Kocioł na ciepło odpadowe według zastrz. 1, znamienny tym, że komora wlotowa (21) ma umieszczony w płaszczu wlot gazu procesowego. 4. Kocioł na ciepło odpadowe według zastrz. 1, znamienny tym, że komora wlotowa (21) jest podzielona na sekcje (21a, 21b), przy czym każda z sekcji (21a, 21b) komory wlotowej ma umieszczony w płaszczu wlot gazu procesowego ze stopnia katalitycznego instalacji Clausa.

5 PL B Kocioł na ciepło odpadowe według zastrz. 1, znamienny tym, że pozycja komory wlotowej (21) jest tak dopasowana do profilu temperatury, jaki ustala się wewnątrz rur wymiennika ciepła, tworzących długą wiązkę (18) rur, że różnica temperatur pomiędzy komorą wlotową (21) i lokalną temperaturą gazu procesowego, prowadzonego przez długą wiązkę (18) rur, jest mniejsza niż 150 C. 6. Kocioł na ciepło odpadowe według zastrz. 1, znamienny tym, że przez komorę wytwarzania pary przechodzi dodatkowa rura (24) na gorący gaz procesowy, zaś po stronie wylotowej umieszczone jest urządzenie (25) do sterowania strumieniem ilościowym gazu procesowego, przepływającego przez dodatkową rurę (24), przy czym gaz procesowy o wysokiej temperaturze wychodzi ponownie z dodatkowej rury (24) i jest wykorzystywany do nagrzewania strumienia gazu procesowego, oziębionego do temperatury poniżej temperatury kondensacji siarki. Rysunki

6 6 PL B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,00 zł.