In Raffinerien, die Rohöle mit hohem Schwefelgehalt verarbeiten, entstehen erhebliche Mengen an Schwefelwasserstoff (H2S), auch saures Gas genannt. Dieses Gas wird häufig in einer Claus-Schwefel-Rückgewinnungsanlage (SRU) verarbeitet.
Beim Claus-Verfahren wird saures Gas (H2S) in einem sauerstoffarmen Verbrennungsprozess in elementaren Schwefel umgewandelt. Anschließend fließt flüssiger Schwefel aus dem Kondensator durch einen Dichtungsstrang in eine abgedeckte Grube, aus der er zum Versand an die Endverbraucher in Lastwagen oder Eisenbahnwaggons gepumpt wird. Ungefähr 65 bis 70 Prozent des Schwefels werden zurückgewonnen. Das SCOT-Verfahren (Shell Claus Off-gas Treating Process) wurde von Shell entwickelt und in den frühen siebziger Jahren als attraktives Verfahren zur Verbesserung der Effizienz einer Claus-Schwefelrückgewinnungsanlage eingeführt. Das Verfahren besteht aus vier Verbrennungsprozessen (sowie aus katalytischen Reaktoren, die hier nicht behandelt werden):
1. Reaktionsofen
2. Inline-Zwischenüberhitzer
3. Reduktionsgaserzeuger
4. Abgasverbrennungsanlage
Die in diesem Artikel behandelte CFD-Analyse berücksichtigt nur den zweiten Prozess, den Inline-Zwischenüberhitzer. Der Inline-Zwischenüberhitzer erwärmt das saure Gas, indem er es mit heißen reduzierenden Verbrennungsprodukten mischt. Eine wichtige konstruktive Überlegung ist, dass die gemischten Verbrennungsprodukte reduzierend sind. Wenn O2-Schlupf (unverbranntes O2) zum Mischen mit dem sauren Gas vorhanden ist, kann das H2S zu unerwünschten Verbindungen (z. B. SO3, SO4, H2SO4) oxidiert werden, die feuerfeste Materialien angreifen und die Umwelt schädigen können.
Schlussfolgerungen
In diesem Beitrag wurde die CFD-Analyse des Inline-Zwischenüberhitzungsabschnitts eines SCOT-Systems vorgestellt. Die vorliegende Analyse hat gezeigt, dass die Durchmischung in der brennernahen Zone sehr gut ist und dass eine O2-Verschleppung nicht vorhergesagt wird. Die Analyse der chemischen Zusammensetzung im Reaktor unter Verwendung des thermodynamischen Gleichgewichtscodes CET89 erleichterte die Vorhersage der Acetylen-Molfraktionen im Gleichgewicht an verschiedenen Stellen im Behälter. Diese Molfraktionen deuten darauf hin, dass in der Verbrennungszone oder in der SRU-Abgasmischzone keine Rußbildung auftreten wird.
Der Einsatz von CFD-Analysen in der Entwurfsphase industrieller Verbrennungssysteme kann die Wahrscheinlichkeit von Anlauf- und Betriebsproblemen erheblich verringern. In diesem Fall wären Probleme wie lange Flammen oder Rußbildung im Ofen sehr teuer zu beheben, da die Anlage kontinuierlich in Betrieb ist. Der Systembetrieb wurde anhand der folgenden Leistungsfälle getestet. Die Daten aus diesen Fällen wurden auch mit experimentellen Messungen verglichen (sowohl mit dem gemessenen Druckabfall über verschiedene Teile des Reaktors als auch mit visuellen Beobachtungen der Rußbildung). Auf der Grundlage dieser Vergleiche wurde der Reaktor gebaut und installiert und arbeitet erfolgreich wie erwartet.
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