VDI 3454 Blatt 1-2012 Emission control - Claus units.pdf

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1、VEREIN DEUTSCHERINGENIEUREEmissionsminderungClaus-AnlagenEmission controlClaus unitsVDI 3454Blatt 1 / Part 1Ausg. deutsch/englischIssue German/EnglishVDI/DIN-Handbuch Reinhaltung der Luft, Band 3: Emissionsminderung IIVDI-RICHTLINIENZubeziehen durch /Available at BeuthVerlag GmbH,10772 Berlin AlleRe

2、chtevorbehalten /All rights reserved Verein Deutscher Ingenieuree.V.,Dsseldorf 2012Vervielfltigung auchfr innerbetrieblicheZwecke nichtgestattet / Reproduction evenfor internal use not permittedDer Entwurf dieser Richtlinie wurde mit Ankndigung im Bundes-anzeiger einem ffentlichen Einspruchsverfahre

3、n unterworfen.Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich.ICS 13.040.40 April 2012The draft of this guideline has been subject to public scrutiny afterannouncement in the Bundesanzeiger (Federal Gazette).The German version of this guideline shall be taken as authorita-tive. No guarantee c

4、an be given with respect to the English trans-lation. Inhalt SeiteVorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Anwendungsbereich . . . . . . . . . . . . . . 22 Technologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.2 Prozesstechnik . . . . .

5、. . . . . . . . . . 42.3 Lagerung und Verladung des Schwefels . . 83 Technische Mglichkeiten zur Verminderungder Emissionen . . . . . . . . . . . . . . . . . 93.1 Schwefelemissionsgrad . . . . . . . . . . . 93.2 Prozessfhrung der Claus-Anlage . . . . . 103.3 Ergnzende Verfahrensschritte . . . . . .

6、. 114 Beschrnkung der Emissionen . . . . . . . . 125 Ermittlung der Emissionen und des Schwefelemissionsgrads . . . . . . . . . . . 135.1 Ermittlung der Emissionen . . . . . . . . . 135.2 Ermittlung des Schwefelemissionsgrads . . 13Schrifttum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15Contents Pag

7、ePreliminary note . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.2 Process technology . . . . . . . . . . . . . 42.3 Storage and loading of sulphur . .

8、. . . . . 83 Technical means of emission control. . . . . 93.1 Sulphur emission ratio . . . . . . . . . . . 93.2 Process control of Claus unit . . . . . . . . 103.3 Supplementary process steps . . . . . . . . 114 Emission limits . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 Determination of emissions and of

9、sulfur emission ratio . . . . . . . . . . . . . . 135.1 Determining the emissions . . . . . . . . . 135.2 Determining the sulphur emission ratio . . 13Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15FrhereAusgaben: 07.89; 10.10nderungsentwurfdeutschFormer editions: 07/89;10/10RevisionDraft, i

10、n German onlyKommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN Normenausschuss KRdLFachbereich UmweltschutztechnikB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 2 VDI 3454 Blatt 1 / Part 1VorbemerkungDer Inhal

11、t dieser Richtlinie ist entstanden unter Be-achtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richt-linie VDI 1000.Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, derFotokopie, der elektronischen Verwendung und derbersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstndig,sind vorbehalten.Die Nutzung dieser VDI-Richtli

12、nie ist unter Wahrungdes Urheberrechts und unter Beachtung der Lizenz-bedingungen (www.vdi-richtlinien.de), die in denVDI-Merkblttern geregelt sind, mglich.Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieserVDI-Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt.Eine Liste der aktuell verfgbaren Bltter dieserRic

13、htlinienreihe ist im Internet abrufbar unterwww.vdi.de/3454.1 AnwendungsbereichDiese Richtlinie gilt fr die Gewinnung von Schwefelaus Gasen mit schwefelhaltigen Verbindungen inClaus-Anlagen und fr nachgeschaltete Abgasreini-gungsanlagen.Auf die fr den Bau und Betrieb der Anlagen insbe-sondere gelten

14、den Gesetze, Verordnungen, Verwal-tungs- und sonstige Vorschriften wird hingewiesen(siehe Schrifttum).Alle Volumenangaben fr Gase in dieser Richtliniebeziehen sich auf den Normzustand (273 K, 1013 hPa)nach Abzug des Wasserdampfanteils. Auf Ausnah-men wird besonders hingewiesen.2 Technologie2.1 Allge

15、meinesAbgase aus Gasreinigungs- oder chemischen Pro-zessanlagen knnen mehr oder weniger Schwefel-wasserstoff (H2S) und andere schwefelhaltige Ver-bindungen enthalten. Diese knnen durch die An-wendung des Claus-Prozesses zu elementaremSchwefel umgesetzt werden. Beim Einsatz vonClaus-Anlagen stand urs

16、prnglich die Produktionvon Schwefel (S) im Vordergrund. Durch die Gewin-nung des Schwefels als Produkt wird jedoch dieSchwefeldioxidemission wesentlich vermindert, so-dass Claus-Anlagen einen erheblichen Beitrag zurReinhaltung der Luft leisten. Als Manahmen fr denUmweltschutz knnen heute, bedingt du

17、rch techni-sche Weiterentwicklung, Claus-Anlagen mit hohemSchwefelgewinnungsgrad betrieben werden.Preliminary noteThe content of this guideline has been developed instrict accordance with the requirements and recom-mendations of the guideline VDI 1000.All rights are reserved, including those of repr

18、inting,reproduction (photocopying, micro copying), storagein data processing systems and translation, either ofthe full text or of extracts.The use of this guideline without infringement of copy-right is permitted subject to the licensing conditionsspecified in the VDI Notices (www.vdi-richtlinien.d

19、e).We wish to express our gratitude to all honorary con-tributors to this guideline.A catalogue of all available parts of this series ofguidelines can be accessed on the internet atwww.vdi.de/3454.1 ScopeThis guideline applies to the recovery of sulphur fromgases with compounds containing sulphur in

20、 Clausunits and to downstream waste gas cleaning units.Reference is made to the specific laws, regulationsand provisions, administrative or otherwise, applica-ble to the construction and operation of the facilitiesin question (see Bibliography).All volumes referred to in this guideline are based ont

21、he standard state (273 K, 1013 hPa) minus the watervapour content. A special note is made of any excep-tions.2 Technology2.1 GeneralWaste gases from gas cleaning or chemical processunits may contain more or less hydrogen sulphide(H2S) and other compounds containing sulphur.These can be converted to

22、elemental sulphur in theClaus process. Originally, the production of sulphur(S) was the primary reason for the operation of Clausunits. However, due to the recovery of sulphur fromwaste gases, the sulphur dioxide emission is reducedconsiderably and thus, Claus units contribute a greatdeal to air pol

23、lution prevention. In view of technicaldevelopment, Claus units with a high degree of sul-phur recovery can be operated at present as measuresfor pollution control.B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012

24、 VDI 3454 Blatt 1 / Part 1 3 Mit der von C.F. Claus gefundenen Reaktion unddem von ihm entwickelten Verfahren kann Schwefel-wasserstoff durch eine Teilverbrennung direkt zu ele-mentarem Schwefel umgesetzt werden. Ein Gasge-misch aus Schwefelwasserstoff und Luft wird im st-chiometrischen Verhltnis be

25、r einen Bauxit-Kontaktgeleitet, wobei elementarer Schwefel entsteht. DieReaktion verluft exotherm nach folgender Reakti-onsgleichung:(1)Bei der Reaktion wird das Prozessgas wegen der gro-en Reaktionswrme Q1 zu hohen Temperaturen auf-geheizt, sodass aus thermodynamischen Grnden nureine unvollkommene

26、Umsetzung erreichbar ist. Dagleichzeitig bei diesen Temperaturen der Bauxit-Katalysator geschdigt wird, ist die technische Nut-zung dieser Einschrittreaktion nicht mglich.Durch die Aufteilung der H2S-Umsetzung in zweiEinzelschritte, die erstmalig Bhr/Braus vornahmen,wurde die Umsetzung von Schwefelw

27、asserstoff inSchwefel grotechnisch mglich 1 bis 5.Der erste thermische Reaktionsschritt nach(2)wird in einer Brennkammer mit nachgeschalteter Ab-khlung des Prozessgases im sogenannten Abhitze-kessel durchgefhrt. Der nachgeschaltete Reaktions-schritt nach(3)luft in Anwesenheit eines Katalysators bei

28、vermin-derter Temperatur und entsprechend besserer Aus-beute ab, Bild 1 6.Bild 1. Theoretische Umsetzung von Schwefelwasserstoff durchstchiometrische Oxidation mit Luft entsprechend der Summen-gleichung nach Gleichung (1) bei 1000 hPa Systemdruck ohneSchwefelabscheidung 63H2S 32-O2+ 3n-Sn 3H2S Q1+ +

29、H2S 32-O2+ SO2 H2S Q2+ +2H2S SO2+ 3n-Sn 2H2S Q3+ +With the reaction discovered by C.F. Claus and theprocess developed by him, hydrogen sulphide can beconverted directly to elemental sulphur by partialcombustion. A gas mixture of hydrogen sulphide andair in the stoichiometric ratio is routed over a b

30、auxitecatalyst, elemental sulphur being formed. The reac-tion is exothermal according to the following reactionequation:(1)During the reaction, the process gas is heated to hightemperatures due to the high reaction heat Q1 so thatonly incomplete conversion can be obtained for ther-modynamic reasons.

31、 As, at the same time, the bauxitecatalyst is damaged at these temperatures, this single-stage reaction cannot be applied technically.The conversion of hydrogen sulphide into sulphurwas realized on a large scale by splitting the H2S con-version into two single stages, practised for the firsttime by

32、Bhr/Braus 1 to 5.The first thermal reaction step to(2)is carried out in a combustion chamber with down-stream cooling of the process gas in the so-calledwaste heat boiler. The next reaction step(3)proceeds in the presence of a catalyst at a reducedtemperature and appropriately improved yield, Fi-gur

33、e 1 6.Figure 1. Theoretical conversion of hydrogen sulphide by stoichi-ometric oxidation with air to the total equation according toEquation (1) at 1000 hPa system pressure without sulphur sepa-ration 63H2S 32-O2+ 3n-Sn 3H2S Q1+ +H2S 32-O2+ SO2 H2S Q2+ +2H2S SO2+ 3n-Sn 2H2S Q3+ +B55EB1B3E14C22109E91

34、8E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 4 VDI 3454 Blatt 1 / Part 1Entsprechend den kinetischen und thermodynami-schen Bedingungen kommt es in der Brennkammerauch zur Reaktion der Gleichung (3), sodass verfah-renstechni

35、sch die beiden Reaktionsschritte von Glei-chung (2) und Gleichung (3) nicht voneinander zutrennen sind.Fremdbestandteile, z.B. Kohlenwasserstoffe, Am-moniak, Kohlendioxid, Wasser, knnen einen erheb-lichen Einfluss auf die Prozessfhrung und die Akti-vitt sowie die Lebensdauer des Katalysators haben.Z

36、ur Erzielung der fr die thermische Reaktion erfor-derlichen Temperatur von etwa 1000 C in der Brenn-kammer wird ein H2S-Volumengehalt von mindes-tens 40 % bentigt. Bei einem Eintrittsvolumengehaltunter 40 % Schwefelwasserstoff 2; 7 sind zustz-liche Manahmen zweckmig bzw. abhngig vonden Fremdbestandt

37、eilen des Einsatzgases unbedingterforderlich.Mgliche Manahmen sind z.B. bei H2S-Volumen-gehalten unter 10 %die katalytische Umsetzung des H2S-haltigen Ein-satzgases mit im stchiometrischen Verhltnis zugemischtem Schwefeldioxid (z.B. aus einerSchwefelverbrennungsanlage) oder mit Luft bzw.Sauerstoff v

38、on 10 % bis 20 %vollstndiges oder teilweises Ersetzen der Ver-brennungsluft durch Sauerstoff bei der H2S-Ver-brennung, um ausreichend hohe Verbrennungs-temperaturen in der Brennkammer (Flammensta-bilitt) zu erreichen von 20 % bis 40 %vollstndige Verbrennung eines H2S-Gasstroms inder Brennkammer und

39、eine separate kalte H2S-Restgasumfhrung der BrennerZustzliche Manahmen sind: Aufheizen des Claus-Einsatzgases und/oder derVerbrennungsluft Einsetzen einer Sttzflamme zur Erhhung derBrennkammertemperaturDie weiteren Ausfhrungen dieser Richtlinie bezie-hen sich auf Claus-Anlagen, die Einsatzgase mitH2

40、S-Volumengehalten von mindestens 40 % verar-beiten.Das Schema einer dreistufigen Claus-Anlage ist inBild 2 dargelegt.2.2 Prozesstechnik2.2.1 Thermischer ProzessschrittDie gesteuerte Teilverbrennung von Schwefelwasser-stoff wird in einer ausgemauerten und ungekhltenAccording to the kinetic and thermo

41、dynamic condi-tions, there is also a reaction of Equation (3) in thecombustion chamber and, therefore, the two reactionsteps of Equation (2) and Equation (3) cannot be sep-arated.Foreign constituents such as hydrocarbons, ammo-nia, carbon dioxide and water may exert considerableinfluence on process

42、control and the activity as wellas the life time of the catalyst.An H2S volume content of at least 40 % is required toobtain a temperature of about 1000 C in the combus-tion chamber, which is necessary for the reaction. Inthe inlet volume content being less than 40 % hydro-gen sulphide 2; 7, additio

43、nal measures are advisableor absolutely necessary depending on the percentageof extraneous constituents in the starting gas.Examples of possible measures are at an H2S volumecontent of less than 10 %catalytic conversion of the starting gas containingH2S with sulfur dioxide admixed in a stoichiomet-r

44、ic ratio (e.g. from a sulphur incineration unit) orwith air or oxygen, respectively from 10 % to 20 %complete or partial replacement of the combustionair by oxygen with the H2S combustion in order toobtain sufficiently high temperatures in the com-bustion chamber (flame stability) from 20 % to 40 %c

45、omplete combustion of an H2S gas stream in thecombustion chamber and a separate cold H2S re-sidual gas bypass round the burnerAdditional measures are: heating of the Claus starting gas and/or the com-bustion air application of a supporting flame to increase thetemperature of the combustion chamberTh

46、e further statements in this specification refer toClaus unit starting gases with H2S volume contents ofat least 40 %.The diagram of a three-stage Claus unit is shown inFigure 2.2.2 Process technology2.2.1 Thermal process stepThe controlled partial combustion of hydrogen sul-phide is carried out in

47、a refractory-lined and non-B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 VDI 3454 Blatt 1 / Part 1 5 Brennkammer mit Spezialbrennern durchgefhrt 5.Die Brennkammertemperatur liegt im Bereich vonetwa 900 C bis 1

48、250 C. Die Verweilzeit des Reakti-onsgasgemischs in der Brennkammer liegt in derGrenordnung von einer Sekunde. Das heie Gas-gemisch aus der Brennkammer wird einem Abhitze-kessel zugefhrt, in dem es auf etwa 300 C abge-khlt wird. Brennkammer und Abhitzekessel werdenfast ausschlielich in einer Einheit

49、 gebaut.In dem System Brennkammer/Abhitzekessel werdenabhngig von Brennerkonstruktion und Prozesssteu-erung etwa 50 % bis 70 % des Schwefelwasserstoffszu Elementarschwefel umgewandelt (Bild 1). DieKonstruktion von Brenner und Brennkammer sowiedie Zusammensetzung des Einsatzgases beeinflussenden Verlauf der Verbrennung und die Entstehung vonGasanteilen, die den weiteren Prozessverlauf stren.Erwhnt sei hier die Bildung von Kohlenoxidsulfid(CO