低温下将硫化氢直接氧化为元素硫的方法

摘要

一种从含有硫化氢和汞的气态物流中除去硫化氢和汞的方法，其中硫化氢转化催化剂在低于或等于元素硫的露点的温度下与气态物流接触，并且硫化氢被氧化，形成元素硫。

说明书

发明背景技术

发明技术领域

本发明涉及一种从含有硫化氢的气态物流(例如由传统的气化方法所产生的那些)中除去硫化氢的方法。更特别地，本发明涉及一种从含有硫化氢的气态物流中除去硫化氢的方法，其中硫化氢在低温下被直接地氧化以生成元素硫。

有关技术描述

对将硫化氢直接地氧化为元素硫已经进行了几年的研究，连同将有毒的硫化氢转化为稳定的、无毒的(并且有时是有价值的)产品，例如元素硫。近年来，一些研究已经转向直接氧化以转化来自气化系统的合成气体(合成气)中的硫化氢的本体以生成元素硫的应用，用以在随后的通过传统的或非传统的基于吸收的系统将剩余的硫化氢除去至极低水平之前，由凝结低成本的除去。

较早的对将合成气物流中的硫化氢直接氧化的研究普遍地遇到形成不希望的副产品的问题，例如硫化羰、COS。而且，依照惯例认为催化剂的温度必须足够的高以防止形成的元素硫凝结，并且加入的氧气必须保持接近于化学计量水平(O₂∶H₂S为0.5)以防止合成气的有价值的组分，主要为CO和氢气的不希望的氧化。

现有技术中硫化氢转化为硫的方法是Claus方法。在Claus反应的第一步骤，处理的流体物流中存在的大约三分之一的硫化氢被氧化为二氧化硫，并且在第二步骤，剩余的硫化氢和二氧化硫反应生成硫。然而，这个反应被热力学平衡限制，并且仅仅一部分的硫可以被回收。硫回收可以通过使用多级来增加；然而，未实现满足现行规章所要求的硫回收效率水平。另外，Claus方法的效率受到进料气体物流的组成、温度、或停留时间的甚至小变化的影响。进料中存在的二氧化碳可以导致不希望的硫化羰的形成，其很难转变成硫。另外，进料气体物流中存在的烃可以导致催化剂失活和方法效率全面下降。

硫化氢的选择性氧化为硫和水是一种将硫化氢转化为硫的有吸引力的方法。选择性氧化反应不被平衡所限制，并且可能在单级有高的硫回收效率。然而，作为副产品的二氧化硫的产生是选择性硫化氢氧化催化剂的重要问题。实际上，硫化氢可以被完全地氧化为二氧化硫；任何由硫化氢形成的硫可以进一步地被氧化为二氧化硫；并且形成的硫还可以与水反应生成硫化氢和二氧化硫。

发明概述

因此，本发明的一个目的是提供一种从含有硫化氢的气态物流中除去硫化氢的方法。

本发明的一个目的是提供一种硫化氢直接氧化生成硫的方法，其解决了与传统的硫化氢氧化方法相关的问题。

本发明的这些和其他目的由一种从含有硫化氢的气态物流中除去硫化氢的方法解决，所述方法包括以下的步骤：在催化反应器中将布置于该催化反应器中的硫化氢转化催化剂与含有硫化氢的气态物流在低于或等于元素硫的露点的温度下接触，并且在催化反应器中氧化硫化氢生成元素硫。本发明的方法可在O₂∶H₂S的比率显著地大于化学计量时进行，即大于约0.5。含有硫化氢的气态物流具有适合于提供约100-约2000体积小时空速(VHSV)的空速的流动速率。惯用方法以及先知认为，不可能存在这样的低温条件，其中硫的凝结将没有阻塞催化剂表面上的活性部位，与此相反，本发明的方法在低于防止所形成的元素硫凝结所要求的温度下和在大于0.5的化学计量水平进行，对元素硫具有高选择性。

本发明的方法适合用于任何含有硫化氢的气态物流，但是特别适合用于来自气化方法的合成气。本发明的方法通过在气相催化反应器中最初的百分之七十到九十以上的硫化氢以元素硫的状态本体除去而降低合成气热净化的成本。

附图概述

通过以下对照附图的详细说明，可以更好地理解本发明的这些和其他目的及特征，其中：

图1(a)和1(b)是为测试本发明方法而使用的直接催化氧化测试装置(DO-CTU)的示意图；和

图2是显示利用图1的DO-CTU所获得的结果的图表。

目前优选实施方案的详细说明

如上所述，本发明涉及催化剂和工艺条件的组合的发现，其中在相对低温并且O₂∶H₂S比率显著地大于约0.5以及对元素硫具行高选择性的情况下可以实现所希望的元素硫的大量形成。更特别地，本发明的方法涉及在低于或等于元素硫的露点的温度下并且O₂∶H₂S比率显著地大于约0.5的情况下，硫化氢直接氧化而生成元素硫。硫化氢氧化为硫按照以下反应进行：H₂S+1/2O₂＝H₂O+S并且是在硫化氢转化催化剂存在下进行，其中有许多为本领域技术人员所知。参见，例如，授予Srinivas等人的美国专利6,099,819，其教导了许多适合于硫化氢选择性氧化为元素硫的催化剂。

本领域技术人员应认识到，元素硫的露点是许多因素的函数，其包括但不限于气态物流的组成和气态物流的压力。因此，对于给定的操作条件来说，对本文中公开的本发明的示范性实施方案所陈述的温度低于元素硫的露点。

为了评价本发明的方法，在催化剂测试装置(CTU)中进行测试。给催化剂的进料由混合气体合成，并且复合进料(composite feed)模拟典型的来自气化反应器的合成气。合成的合成气进料通过利用质量流量控制器计量加入适当流动速率的钢瓶气体来配制，使得通过催化剂的最终的气体组成与典型的煤气化器合成气组成相似。在催化剂反应器的上游利用化学计量泵，通过泵送液态水进入加热的汽化器(vaporizer)而获得水分含量(moisture content)。

实施例1

在该实施例中，概括成下文的表格1，通过将空气添加到模拟合成气中来氧化硫化氢，硫化氢的转化率在约58％到约69％范围内。元素硫的收率，以被转化的硫化氢的百分比计，在约73％到约79％的范围内。随着氧气与硫化氢的比率增加到高达约0.9，硫化氢的转化率增加，如同元素硫的选择性一样，而氧气与模拟合成气的一氧化碳或者氢气组分的反应非常小。

这些结果是利用公称1英寸的管状反应器(CTU)获得，使用从UOP获得的40克的称为UOP S-7001新鲜催化剂，其中催化剂的形式为5毫米乘5毫米的小粒，在反应器中整齐的装填而没有玻璃珠或其他的稀释剂。催化剂的长度约6-1/2英寸。在标准1英寸量筒中测量的催化剂的体积为61立方厘米，其得到密度约0.66gm/cc。反应器由氮气加压到约360psig，并且建立氮气流动。系统由流动的氮气加热到催化剂温度约385°F。当温度已经稳定，将硫化氢和空气混合进氮气进料气体中。在这些流动稳定约15分钟后，二氧化碳、一氧化碳、和氢气被加入进料混合物。总流动速率，为质量流量控制器显示的速率之和，约14.7Slpm(标准升每分钟)。混合进料的组成大约如下：硫化氢      4300ppm-v氧气        2000ppm-v氢气        13体积％一氧化碳    10体积％二氧化碳    1.7体积％氮气        平衡

为了确定进料组成接近要求的水平，最初将混合进料的滑流(slipstream)供应到分析系统。当测定值稳定并且确定在可接受的范围内时，将采样系统切换为引导反应器产物滑流进入分析器。监测反应器产物组成并观察其稳定以后，将采样系统切换回来以测量检验进料组成。然后对大约六个样品监测进料组成超过约15分钟，直到其稳定。这部分的测试被称为阶段“A”。

混合合成气进料的氧气含量随后被增加，以将氧气与硫化氢的摩尔比率从稍微低于化学计量水平(以生成元素硫，O₂∶H₂S＝0.5)提高到稍微高于化学计量水平。测量进料组成、然后反应器产物和最终再次检验混合进料的次序，被称为阶段“B”。

由于硫化氢的转化率随着O₂∶H₂S比率的增加而显著地增加，并且由于不希望的副产品COS(硫化羰)的收率没有显著地变化，所以混合进料中的氧气浓度以两个更多的增量(in two more increments)增加。这些附加的测量进料组成、然后反应器产物和最终再次检验混合进料的次序，被称为阶段“C”和“D”。完成阶段“D”之后，过程终止。

使用Varian型CP-4900Micro-GC，其配备有两个柱，1)用于氧气、氮气、一氧化碳和氢气的带有热导率探测器的分子筛，以及2)用于硫化氢、硫化羰、二氧化硫和二氧化碳的带有热导率探测器的Poropak Q，来测量进料和产物物流的组成。该过程的全部结果在下面的表1中阐明。表1实验概要

       A       B       C       D  指定时间  开始  完成       13:30       15:55       16:00       17:40       17:45       19:15       19:20       21:00  过程条件

       A       B       C       D  压力，psig  温度，°F  最大  平均  VHSV       360        395       380       900       360        390       380       900       360        390       380       900       360        390       380       900  进料浓度  EST  H₂S  O₂  O₂/H₂S  H₂  CO  CO₂  4350     4330  2075     1925  0.48     0.44  13.05％  13.05％  10.20％  10.15％  1.70％   1.73％  4300     4300  2480     2480  0.58     0.58  12.94％  12.94％  10.08％  10.08％  1.73％   1.73％  4330     4210  3130     3140  0.72     0.75  12.96％  12.92％  10.08％  10.13％  1.73％   1.72％  4180     4206  3770     3740  0.90     0.89  12.85％  12.82％  10.12％  10.10％  1.68％   1.66％  产物浓度  H₂S  O₂  SO₂  COS  H₂  CO  CO₂  H₂O       1820       625       0       690       12.95％       10.10％       1.78％      1580      1085      0      660      12.94％      10.12％      1.73％       1355       1635       0       635       12.87％       10.10％       1.72％  1050-    1300  2005-    2260       0  680-     610       12.80％       10.08％       1.69％  产物分布  H₂S转化率  COS收率(Pct.Fd.H2S)  SO₂收率(Pct.Fd.H2S)  Est.元素硫收率(Pct.Fd)       58.1％       15.9％       0  42.2％   73％       63.3％       15.3％       0  47.9％   76％       68.30％       14.90％       0  53.4％   78％       69.00％       14.50％       0  54.4％  79％  氧气平衡(Prelim，ppm)  消耗(F-P)  H₂SRxn  H2Rxn  CO₂生成  CORxn  反应总计       1375       1260       500       325       375  2085     152％       1395       1360       0       0       -200  1360     97％       1500       1485       350       -25       25  1783     119％       1495       1446       175       100       150  1721     115％  硫平衡(Prelim，ppm)

       A       B       C       D  H₂S转化率  COS生成  SO₂生成  元素硫(Diff)       2520       690       0  1830     73％       2720       660       0  2060     76％       2915       635       0  2280     78％       2893       610       0  2283     79％  硫露点，°F       405       415       420       425

这次测试的稳态部分分析的要点可概述如下。在阶段A的初始部分中，在生产中(on stream)产物里的硫化氢的水平随时间减少，最终稳定在约1820ppmv。硫化羰的产物浓度稳定在约690ppmv。产物中存在未转化的氧气，浓度约625ppmv，但是在这个或任何后续实验阶段的产物中都没有检测到二氧化硫。因为没有直接测量元素硫的分析方法，其通过硫进出的物料平衡进行估算。

在阶段A，硫化氢的转化率约58％，同时检测到约16％的硫化羰的收率。通过差值，元素硫的收率为约42％。因此，反应的硫化氢的大约四分之三转化为元素硫，而四分之一转化为硫化羰。

从进料到产物分析可以发现一氧化碳和氢气浓度的轻微下降，以及二氧化碳浓度的轻微增加。这些变化将显示出一些不希望的在催化剂上的在进料氧气和合成气的主要组分之间的反应，而起初的“氧气平衡”没有很好地接近(close)。当包括氧气与CO和氢气的反应时，检测到的氧气的减少量接近于硫化氢反应的计算结果，但是小于总的氧气消耗量的计算结果。或者存在没有达到稳态的与氧气的表面反应，或者对CO、氢气、和/或二氧化碳的分析精确度不足以检测这些副反应。

在阶段B，随着氧气与硫化氢的比率增加，在第一分析中，产物硫化氢浓度显著地减少，并且随后稍微增加。事后看来，随着采样从产物切换回进料，硫化氢的产物浓度可能稍微增加，但硫化羰的浓度是稳定的。

在该阶段结束时，硫化氢的转化率为约63％，同时检测到约15％的硫化羰的收率。通过差值，元素硫的收率为约48％。因此，反应的硫化氢的四分之三略强转化为元素硫，而四分之一弱转化为硫化羰。

对于该实验阶段，氢气、CO、和二氧化碳的进料与产物浓度之间基本上没变化。恰好考虑氧气和硫化氢的反应的话，氧气平衡很好地接近(close)。

在阶段C，随着氧气与硫化氢的比率进一步从约0.58增加到约0.72，在第一分析中产物硫化氢浓度再次显著地减少，并且随后稍微增加。随着采样从产物切换回进料，硫化氢的产物浓度可能稍微增加，但硫化羰的浓度还是很稳定。

对于该阶段结束，硫化氢的转化率为约68％，同时检测到15％的硫化羰收率。通过差值，元素硫的收率为约53％。因此，反应的硫化氢的四分之三略强转化为元素硫，而四分之一弱转化为硫化羰。

对于该实验阶段，氢气和一氧化碳从进料浓度降低到产物浓度，但二氧化碳浓度基本上无变化。恰好考虑氧气和硫化氢的反应的情况下，氧气平衡很好地接近(close)。

在阶段D，随着氧气与硫化氢的比率进一步从约0.75增加到约0.90，第一产物分析中的产物硫化氢浓度又适度地减少，并且随后稍微增加。出现了产物硫化氢浓度的稳定阶段，但随后又开始增加。随着采样从产物切换回进料，硫化氢的产物浓度可能稍微增加，但硫化羰的浓度还是很稳定。

在该阶段结束时，硫化氢的转化率为约69％，同时检测到略低于15％的硫化羰收率。通过差值，元素硫的收率约为54％。从进料中氧气的最后的累积增加来看，硫化氢的转化率和硫化羰的收率没有大的变化。

对于该实验阶段，也出现了氢气和一氧化碳从进料到产物浓度的很轻微的降低，和二氧化碳浓度的轻微增加。恰好考虑氧气和硫化氢的反应，氧气平衡很好地接近(close)。

实施例2

该实施例中，使用如图1(a)和1(b)所示的改进的1-英寸(新型管状，带有惰性涂层的)反应器(DO-CTU)进行一系列测试。装置的反应器和产物回收部分，涂覆有宾夕法尼亚州(PA)Bellefonte的RestekCorporation公司的惰性材料，其被设计成最小的表面积/最小的滞留体积。这些测试的主要目的是(1)检验在低的催化剂温度和低的体积空速下的直接氧化性能，以及(2)检测系统在直接氧化环境中捕获混合合成气进料中的汞蒸气的能力。

测试首先对仅具有氮气流动的CTU系统进行，其中通过加热的渗透管将汞加入进料中。对于冷和热的系统，在产物系统中几乎相同的水平检测加入进料的汞的浓度。因此，CTU改进被认为已经成功。然后1-英寸管式反应器装填55克的3毫米挤出物形式的催化剂样品(CRS-31，可以从Axens North America获得)，反应器中装填整齐且没有玻璃珠或其他的稀释剂。稀释的(diluted)催化剂的长度约7英寸。

DO-CTU系统用氮气加压至360psig，并且建立氮气流。系统由流动的氮气加热至约300°F的催化剂温度。当温度已经稳定时，硫化氢、二氧化碳、一氧化碳、和氢气混合进氮气进料气体。这些流动已经稳定约45分钟之后，空气被加入进料混合物。进料中汞的浓度为约300mg/m³；产物中，加入合成气组分之前，汞的浓度较低，约150μg/m³。这表明热的催化剂也许从进料气体中吸附了一些汞。然而，当空气被加入进料气体以建立直接氧化操作，产物气体中的汞的水平减少到基本上零。

在约一小时的直接氧化操作以后，合成气组分从进料气体物流中除去，并且当CTU加热器关闭并且装置减压时，仅仅氮气流过催化剂。当合成气浓度为约8％的氢气、10％的一氧化碳、和6200ppm的硫化氢时，实验结束时，硫化氢的转化率稳定在约55％。检测到微乎其微的硫化羰——约40ppm；基于进料浓度，该收率将为约0.65％，或者以反应的硫化氢的百分比表示，收率为约1.1％。产物合成气中基本上没有汞，并且合成气组分氢气或一氧化碳没有可测量到的氧化。这在压力为350psig，催化剂温度为小于300°F，并且体积空速为约880Hr^-1的条件下完成。

尽管在前述说明书中，本发明通过其某些优选的实施方式进行了描述，并且为了举例说明的目的对很多细节进行了阐述，但是对于本领域技术人员来说显见的是本发明可适于更多的实施方式，并且此处描述的细节可以在不背离本发明基本原则的情况下进行相当地变化。