1.1 课题研究背景

随着我国经济持续的高速发展，对能源的需求也是越来越大，能源供应也变得十分紧张。高硫原油的加工和利用也变得尤为重要，但环境保护的要求也越来越高。所以硫磺回收工艺在石化，煤化等行业中起到越来越重要的作用。Claus工艺是目前最为成熟的硫磺回收装置，但由于转化率的问题，Claus尾气中仍然存在着一些硫化物，主要成分是H₂S和SO₂。

H₂S、SO₂气体排放入大气，对生态环境造成了极大的破坏。其中，H₂S具有很强的腐蚀性和毒性，高浓度时更是能致人死亡，SO₂不仅会对植物生长造成严重的影响，更是导致酸雨的罪魁祸首。目前各国都在加强环境立法，以期减少H₂S、SO₂的排放，保护生态环境。为此我国最新的GB16297-1996《大气污染物排放标准》规定：硫磺回收装置排放尾气中的SO₂质量浓度要求从960 mg/m³降至低于100 mg/m³。因此硫磺回收装置的开发和应用势在必行^[1]。

如何改进现有的Claus工艺以及发现新的尾气处理工艺并实现工业化，成为了现在许多排硫行业如煤化厂，炼油厂以及合成氨等的重中之重。采用合适的工艺来回收高纯度硫磺，可以在保护环境的前提下满足产品的质量要求。通过简化现有的的工艺流程处理尾气，降低装置的操作和投资成本，不仅满足了环保要求，更能给工厂带来不错的经济效益。

1.2 传统Claus工艺

Claus法是一种成熟的多单元硫处理技术，是目前应用最为广泛的硫回收技术。现如今，超过90%的硫磺产自于油气加工工业，而其中又有超过85%用CLAUS硫磺回收工艺生产。2012年，全球硫磺产量约5500#215;10⁴ t，其中94%产自油气加工工业的约1350套Claus硫磺回收工艺装置^[2]。传统的Claus装置由一个燃烧炉和之后的一系列的催化阶段组成，每个催化阶段又由气体再热器，催化剂室和冷凝器组成。催化阶段一般分为二到三级催化。传统的Claus工艺流程如图1-1所示。

反应的基本原理是含有H₂S酸性气与空气混合后在燃烧炉中燃烧，反应掉约三分之一的H₂S，并使炉膛内H₂S∶SO₂体积比为2∶1。

随后在催化剂的作用下，剩余的三分之二未燃烧的H₂S和SO₂反应生成硫磺。

燃烧炉通过废热锅炉副产蒸汽回收热量，再通过冷凝器进一步将通过燃烧炉的气体降温至硫磺露点以下使得炉内产生的硫磺析出。剩余气体被继续加热至Claus催化反应段要求的温度后送入催化反应器，气体中剩余的H₂S和SO₂继续进行Claus反应。如此进行过二至三级催化反应后硫回收率达到94%-97%。再增加催化段对硫回收率已无明显提高，尾气通过液体硫磺捕集器后放空。

由于Claus装置操作简便，生产硫磺纯度高的一系列优点，被广泛应用在化肥，炼油厂和煤化工厂中。但实际上，常规Claus 工艺存在的许多的缺点。如在发生Claus反应的同时，还发生了许多其他的副反应，生成了羰基(COS)和二硫化碳(CS₂)，它们无法轻易转化为单质硫和二氧化碳，限制了硫的转化率，这已经成为许多Claus工厂中日益严重的问题。传统的Claus工艺硫的转化率对空气与酸性气的配比相当敏感，若不能保持H₂S∶SO₂为2∶1的最佳比例将导致硫的转化率降低。又因为Claus 反应要产生一定量的水气。随着水气含量的增加，相应的降低H₂S，SO₂的含量，影响了Claus 反应的平衡，从而阻碍了硫的生成，同样限制了硫的转化率。Claus工艺反应受到热力学的限制硫的转化反应不可能完全过程气中仍存有少量的 H₂S和SO₂限制了硫的转化率。