CN100575259C - 用固体尿素球粒产生氨的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
用储备在储料容器中的固体尿素球粒产生氨的装置和方法。该装置配有子装置：球粒计量加料装置、球粒加速器、球粒喷射通道和氨反应器，后者带有尿素球粒喷射用的空间或区域和布置在喷射区段终端的球粒挡板以及尿素蒸发装置和水解催化器。所述方法具有如下特征：尿素球粒借助球粒计量加料装置从储料容器中按调节的量/数取出并输送到球粒加速器，用该加速器在内部机械地将球粒加速到高速度再射入球粒喷射通道并通过该通道继续导向运动喷入氨反应器中，球粒在喷射通道终端撞击到球粒挡板上粉碎成多个碎片，随即借助尿素蒸发装置转变成一种含氨和异氰酸的混合气，混合气与水蒸汽一起通入水解催化器并把异氰酸转变成氨和二氧化碳。
Description
技术领域
本发明涉及用于利用储备在一个储料容器中的固体尿素球粒产生氨的一种装置和一种方法。
背景技术
本发明基于EP 1 338 562 A1。该文献描述了产生氨的一种方法和装置，其中储备在一个储料容器中的星小球或球粒或粒子状的固体尿素借助压缩空气流送入产生氨的反应器中。在该反应器中，通过急速热解把送入的固体尿素转变成由氨和异氰酸组成的混合气。紧接着，这种混合气用水蒸汽进行催化再处理，在这种水解催化的情况下，异氰酸也被转化成氨和二氧化碳。固体尿素粒子用压缩空气支持的加料的前提是提供一个永久的压缩空气源，该空气源在需要时由一台空气压缩机充气。这种方法在某些具体情况下显得费用太大。
发明内容
所以本发明的目的是提出用固体尿素球粒产生氨的装置和方法，该装置或方法无须尿素球粒的压缩空气支持的计量加料。
本发明的这个目的是通过用于利用储备在一个储料容器中的固体尿素球粒产生氨的一种装置和一种方法来实现的。
本发明的装置具有多个依次布置的子装置，在其相互配合下，可用储备的固体尿素球粒按本发明方法产生氨。
这些子装置涉及一个球粒计量加料装置、一个球粒加速器、一条球粒喷射通道和一个氨反应器，后者带有尿素球粒喷射用的一个空间或区域、一块设置在喷射区段端部的球粒挡板、一个尿素蒸发装置和一个水解催化器。根据本发明的装置及方法，尿素球粒借助该球粒计量加料装置从储料容器中按调节的量取出并运送到球粒加速器，借助该加速器在内部用机械的方式加速到例如100米/秒的高速度，并通过球粒喷射通道喷入氨反应器中。在该处，尿素球粒在喷射区段的端部设置的球粒挡板上由于高的撞击能而被粉碎成多个碎片。紧接着，这些球粒碎片借助尿素蒸发装置通过热分解、尤其是急速热分解转变成一种由氨(NH3)和异氰酸(HNCO)组成的混合气。有害的异氰酸是这样消除的：这种混合气随即在水蒸汽中进行催化再处理并引入水解催化器中，把异氰酸转化成氨和二氧化碳。在工序结束时，在水解催化器出口给出的含氨的混合气在根据其下一步规定的使用被送入氨反应器后面的一种诸如SCR催化器的装置或设备中。
尿素球粒喷射到氨反应器中具有这样的优点，可避免尿素堵塞或粘接该喷射通道。喷入的尿素球粒在球粒挡板上的粉碎具有这样的优点，小的碎片可快速地和热能消耗相当小地转化成气体的聚合状态。
本发明还涉及其它优选的细节和方案或改进方案。
附图说明
下面结合附图示出的多个例子来更详细地说明本发明的装置和基于这些实施例的本发明方法。附图表示：
图1和图1A带有一个布置在一根废气管道以外的氨反应器时的本发明装置示意图；
图1和图1B带有一个布置在一根废气旁通管以内的氨反应器时的本发明装置示意图；
图1和图1C带有一个布置在一根废气管道以内的氨反应器时的本发明装置示意图；
图1和图1D带有一个布置在一根废气管道以内的氨反应器时的本发明装置示意图；
图2各一个球粒储料容器、一个球粒计量加料装置和一个球粒加速器作为本发明装置的组成部分的实施方案；
图3图2的球粒加速器不带外壳盖时的透视图。
具体实施方式
图中用1表示固体尿素球粒的一个储料容器。尿素球粒最好是一种球形的尿素颗粒，该尿素球粒全部大小相同并具有直径为几十分之一毫米至几毫米的球形。这种尿素球粒在储料容器1内作为松散物料储备在一个储备室2中并通过一个可封闭的装料口3进入后者。储备室2在标记4处呈漏斗状向出料口5缩小。标记6表示一种未详细示出的设备，它用于保持储备室2中的尿素球粒的干燥和松散，即防止尿素球粒的粘接。在出料口5连接一个计量加料装置7并在该装置上连接一个球粒加速器8。在该球粒加速器的出口上连接一个球粒喷射通道9，后者通入氨产生用的反应器的一个空间或一个区域10中。这个反应器下面称为氨反应器11，该反应器具有尿素球粒喷射用的区域10和一块布置在畅通喷射区段终端上的球粒挡板12。此外，氨反应器11具有一个尿素蒸发装置13和连接其后的一个水解催化器14。在球粒喷射通道9中一最好靠近其反应器侧端部/出口方向一安装一个闭锁装置911例如一个闸阀，该闭锁装置通过一个电子控制和调节装置ECU的指令一见箭头912一进行控制，并只有在进行尿素球粒的输送时即球粒计量加料装置7和球粒加速器8都运行时，该闭锁装置才接通开启位置或通流位置。一旦球粒加速器8停止，闭锁装置911便转换到闭锁位置，所以不可能有热气体进入喷射通道9的已闭锁的部分中。标记15在各个实施例或使用例子中表示一根废气管道，该废气管道排出内燃机、燃气轮机或燃烧器的废气，这种废气借助本发明产生的氨可进行再处理。
图1结合图1A表示本发明装置的一个方案，在这个方案中，氨反应器11布置在废气管道15的外面；氨反应器11具有一个外壳16，在该外壳中，在空间或区域10内布置例如圆筒加热管形式的尿素蒸发装置13和后部的球粒挡板12，使产生的混合气可向外沿其旁边流到紧接其后的水解催化器14。该水解催化器在外壳16的整个横截面延伸。按流动方向，在水解催化器14后面设置一个排气室17，产生的混合气从该排气室中通过一根送气管道18流入一个后置的装置中。在图1A的情况中，送气管18通入废气管道15中并在该处离至少在一个安装在该废气管中的或一个消声器中的SCR催化器19前面一定距离排入一个混合区20，在该混合区内，输入的混合气在其进入之前可在一个/或多个SCR催化器19中与废气进行混合。此外，为了对在尿素粒子的热分解时产生的有害异氰酸进行相应的化学再处理，本发明方法需要水或水蒸汽。这种水可直接加入，但优先选用废气的剩余水蒸汽部分作为水供应，为此，在图1+图1A的情况中，来自废气管道15的废气分流通过一根从该废气管道分接的输入管21输入氨反应器11的空间或区域10中，亦即通过一个由电子控制和调节装置ECU经控制线2211相应调节的控制阀22按最佳需要的调节量输入。在输入管21的分接点和送气管道18的出气口之间，在废气管道15内设置一个流动阻力，该流动阻力可能是一个废气涡轮增压器的涡轮机和/或产生NO2的预氧化催化器。
图1+图1B表示本发明装置的另一种方案，这里的氨反应器11安装在一根废气旁通管1512中。该旁通管在一个入口1513从废气管15分出并按流动方向在氨反应器11后面重新汇入废气管15中，且汇入点1514在空间上设置在SCR催化器19及其前面给定的混合区20的不远处。在这种情况中，氨反应器11放在废气旁通管1512的形成该外壳的区段15121中，安装在该区段中的水解催化器14占据整个管道横截面，并在空间上布置在尿素蒸发装置13的前面，以及给定区域10，球粒喷射通道9汇入该区域，并在该区域中，在喷射区段的自由端上也设置一块球粒挡板12。在这里，尿素蒸发装置13也以圆筒形加热管或圆筒形加热螺旋的形式实现，并在其后的区域内支承球粒挡板12，使产生的混合气向外沿其旁边流到紧接其后的水解催化器14。在这种情况中，废气旁通管1512类似于图1A的输入管21那样用于把废气分流输入氨反应器11中，在这里，该废气分量也用其剩余水蒸汽部分来供水，以便在尿素蒸发时除了氨以外还产生的有害的异氰酸在水解催化器14中化学转变成氨和二氧化碳。废气部分流的量通过一个布置在废气旁通管道1512的入口1513的区域内的闭锁/通流装置1515进行调节，该装置可处于一个闭锁位置、一个全开位置和在其间的不同的中间位置并通过一个调节机构进行操作，该调节机构从调节和控制单元ECU通过控制线15151获得指令。
图1A结合图1C和图1D分别表示本发明装置的另一种可供选择的方案，此时的氨反应器11布置在废气管道15中并按流动方向位于一个/多个SCR催化器19之前。在图1+图1C的情况中，氨反应器11具有一个外壳23，该外壳构成废气管道15的一部分或一段。在图1+图1D的情况中，氨反应器11的外壳23在直径上小于废气管道15并同轴布置在该废气管道中，所以在外壳23周围剩留一个通流的环形空间24。水解催化器14安置在外壳23中，并在空间上尿素蒸发装置13位于该水解催化器14之前。球粒喷射通道9通入该处的区域10中，并在畅通的喷射区段的端部设置球粒挡板12。在图1+图1C的情况中，水解催化器14在外壳23的整个横截面延伸，且在空间上位于尿素蒸发装置13之前的挡板12倾斜布置在外壳23中，所以产生的尿素球粒的碎片被导向尿素蒸发装置13。
在所有情况中，挡板12都设计成平的或带槽的或别的表面结构的金属板以便粉碎球粒。
在氨反应器11后面，在图1+图1C的情况中，在废气管道15内和空间上在一个/多个SCR催化器19之前设置一个过渡/稳定区2011，并在图1+图1D的情况中也设置一个混合区20，在该混合区内，来自水解催化器14的混合气在其进入一个/多个SCR催化器之前与通过环形空间24输入的废气进行混合。在图1+图1C的情况中，进入废气管道15中的废气全部通过水解催化器14，所以它的剩余水蒸汽部分被完全利用。而在图1+图1D的情况中，只有废气分量通过水解催化器14及其剩余水蒸汽部分被用于把在尿素蒸发时产生的异氰酸转变成氨和二氧化碳。
下面结合图2和3来详细说明本发明装置的各部分的不同实施方案。
储料容器是这样设计和布置的，在其室2内储备的尿素球粒可通过重力从该室中排出。为此设置在储料容器1的最低位置处的出口5或者通过一根直径与一个尿素球粒被导向运动的单个出口相适应的出料管构成，或者通过一个与多个尿素球粒同时的出口相适应的出料竖筒构成。后一种结构型式可从图2一目了然。相关的出料竖筒的宽度与尿素球粒的直径相适应，长度与同时被排出的尿素球粒的数目×直径相适应。
球粒计加料量装置7用其球粒入口25下面直接形状匹配地连接在球粒储料容器1的球粒出口5上。在所示例子中，球粒计量装置7在一个与储料容器1连接的外壳26中具有一个通过球粒入口25的连续传送带27，该传送带具有用于分别容纳一个尿素球粒的一个接一个的凹坑28。传送带27借助一台(未示出的)由电子调节和控制装置ECU通过控制线2911进行转速调节的电动机29通过传动轮30进行传动。用这条传送带27把通过入口25输入的尿素球粒沿导向滑板31输送到一个在其端部设置的转向机构32并用它送入一个出料通道33以及通过该出料通道流出计量加料装置7。
在所示例子中，球粒加速器8用其按输入尿素球粒的单个入口设计的入口通道34连接到球粒计量加料装置7的出料通道33上。所示的球粒加速器8具有一个带盖36的外壳35，在该外壳中构成入口通道34，且内部有一个机电式的球粒加速装置37，借助该加速装置可把每个输入的球粒加速到100米/秒数量级的速度，然后通过一个出口38从外壳35、36进入关闭着的喷射通道9中以及通过该喷射通道继续运送喷入氨反应器11中。
在所示例子中，球粒加速器8的加速装置37由一个中心支承在外壳35、36中的圆盘40组成，该圆盘由一台电子转速调节的电动机39驱动，且上侧具有至少一个通过螺旋形从中心到外缘延伸的壁41、42界定的加速通道43、44。在外壳盖36中构成的入口通道34通过它的或它们的靠近中心的内部区域。界定加速通道43、44的壁具有一个螺旋形的曲线，这种曲线由多条不同的圆弧和/或一条对数曲线和/或一条带连续正斜率的曲线组成。在球粒加速器8的外壳35、36中，围绕旋转圆盘40在上侧加速通道43、44的高度内设置一个部分呈环槽形的出口通道45，在其端部46连接一条切向引出的管状出口通道47，并在其上连接喷射通道9。用每根螺旋形通道43、44把输入的尿素球粒通过圆盘40在旋转过程中从中心到边缘由零加速到最大并用这种高速度通过出口通道45、47进入喷射通道9以及通过该喷射通道射入氨反应器11。由于在这些球粒上作用如此强大的功能，所以在这些球粒撞击在球粒挡板12上时被粉碎成多个碎片。为了有利于粉碎成尽可能多的小碎片，挡板12的表面结构化。
球粒计量加料装置7和球粒加速器8的旋转圆盘40中的传送带27的转速是根据要射入氨反应器11中的尿素球粒的最佳需要量/数相互精确配合，其中相应的需要取决于产生的含氨的气体的输出量和输出速度。这种需要是作为调节参数输入计算机支持的调节和控制单元ECU中，然后该调节和控制单元把这个额定值转换成转速调节。其中驱动圆盘的电动机39最好调节到一个恒定的、例如15000～20000转/分的高转速并在这种转速下运行。
按本发明装置用固体尿素球粒产生氨的本发明方法的工艺流程如下：
尿素球粒借助计量加料装置7按调节的量/数从储料容器1取出并输送到球粒加速器8。用该加速器把每个输入的尿素球粒在内部以机械方式加速到一个高的速度，然后以这种高速度进入一个出口侧连接的喷射通道9并通过该通道继续进行导向运动喷入氨反应器11中，球粒在喷射区段终端上的球粒挡板12上被粉碎成多个碎片。这些球粒碎片随即借助尿素蒸发装置13在高达大约550℃温度的情况下转变成一种含氨和异氰酸的混合气。然后，这种混合气与水蒸汽例如内燃机、燃气轮机或燃烧器的废气中的剩余水蒸汽一起通入水解催化器14，并将异氰酸转变成氨和二氧化碳。
所以在本发明方法的工艺流程结束时，在水解催化器14的出口提供含氨的混合气，这种混合气随即根据其下一步规定的使用被输入氨反应器11后置的一种装置或设备例如图示的SCR催化器19中。
Claims (19)
1.用储备在一个储料容器(1)中的固体尿素球粒产生氨的装置，其特征是具有如下依次布置的子装置，即：
a)一个球粒计量加料装置(7)；
b)一个球粒加速器(8)；
c)一条球粒喷射通道(9)；
d)一个氨反应器(11)，包括：
d1)尿素球粒喷射用的一个空间或区域(10)；
d2)一块布置在畅通喷射区段终端的球粒挡板(12)；
d3)一个尿素蒸发装置(13)；
d4)一个水解催化器(14)，
其中尿素球粒借助球粒计量加料装置(7)按调节的量/数从储料容器(1)能够取出，并能够输入球粒加速器(8)，用该加速器在内部以机械方式能够加速到一个高的速度，然后从该加速器通过球粒喷射通道(9)能够喷入到氨反应器(11)中，球粒在喷射区段终端的球粒挡板(12)上能够被粉碎成多个碎片，这些碎片随即借助尿素蒸发装置(12)转变成一种含氨和异氰酸的混合气，然后这种混合气与水蒸气一起能够引导通过水解催化器(14)，并在这种情况下将异氰酸转变成氨和二氧化碳。
2.按权利要求1所述的装置，其特征为，氨反应器(11)设置在内燃机、燃气轮机或燃烧器的废气管道(15)以内或以外。
3.按权利要求2所述的装置，其特征为，当设置在废气管道(15)以外时，氨反应器(11)通过一根介于废气管道(15)和氨反应器(11)之间延伸的以及汇入它的空间或区域(10)的、配置一个控制阀(22)的输入管(21)能够供给一股从废气管道(15)按调节量分接出的废气分流，其剩余蒸汽部分在氨反应器(11)中在通过水解催化器(14)时用来把尿素粒子在热分解时产生的异氰酸转变成氨和二氧化碳，其中控制阀(22)能够通过电子调节和控制单元的指令进行相应调节。
4.按权利要求2所述的装置，其特征为，当设置在废气管道(15)以外时，氨反应器(11)布置在一根废气旁通管(1512)内，通过该旁通管按调节的量能够供给该氨反应器一股废气分流，其剩余蒸汽部分在氨反应器(11)中在通过水解催化器(14)时用来把尿素粒子在热分解时产生的异氰酸转变成氨和二氧化碳，其中为了调定分接出的废气分流的量，其中最好在废气旁通管(1512)的入口(1513)设置一个能由电子调节和控制装置调定的闭锁通流装置(1515)。
5.按权利要求2所述的装置，其特征为，当设置在废气管道(15)以内时，氨反应器(11)在一个至少接近于同轴的外壳(23)中具有至少水解催化器(14)和按流动方向最好位于其前面的尿素蒸发装置(13)，外壳(23)容许在废气管道(15)中从外部通过一股废气分流和从内部流通一股剩余的废气分流，其剩余水蒸汽部分用于把尿素粒子在热分解时产生的异氰酸转变成氨和二氧化碳。
6.按权利要求2所述的装置，其特征为，当设置在废气管道(15)以内时，氨反应器(11)布置在一个由该废气管道的一部分或一段构成的外壳(23)中，这时水解催化器(14)在外壳(23)的整个横截面延伸，所以能够流通全部废气流，其剩余水蒸汽部分因此全部能够用于把尿素粒子在热分解时产生的异氰酸转变成氨和二氧化碳。
7.按权利要求1所述的装置，其特征为，尿素球粒能够通过重力从储料容器(1)中排出，为此设置在储料容器(1)的最低位置处的出口(5)或者通过一根在直径上与一个尿素球粒的被导向运动的单个出口相适应的出料管构成，或者通过一个与多个尿素球粒同时的出口相适应的出料竖筒构成，该出料竖筒的宽度与尿素球粒的直径相适应，长度与同时被排出的尿素球粒的数目×直径相适应。
8.按权利要求1和7任一项所述的装置，其特征为，球粒计量加料装置(7)用其球粒入口(25)按形状匹配地在下方连接在储料容器(1)的球粒出口(5)上。
9.按权利要求1和8任一项所述的装置，其特征为，球粒计量加料装置(7)在一个外壳(26)中具有一条在球粒入口(25)旁边经过的连续的传送带(27)，该传送带能够通过一台由一个调节和控制单元进行电子式转速调节的电动机(29)驱动，并借助该传送带把通过球粒入口(25)输入的尿素球粒沿导向滑板(31)能够传送到一个在其端部设置的转向机构(32)，并用它能够将球粒单独地一个接一个地送入一个出料通道(33)，以及通过该出料通道使球粒能够单独地流出计量加料装置(7)。
10.按权利要求1和9任一项所述的装置，其特征为，球粒加速器(8)用其按输入的尿素球粒的单个入口设计的入口通道(34)连接到球粒计量加料装置(7)的出料通道(33)上。
11.按权利要求1和10任一项所述的装置，其特征为，球粒加速器(8)具有一个用于计量的尿素球粒的单个入口的入口通道(34)的外壳(35、36)，且内部有一个机电式的球粒加速装置(37)，借助该球粒加速装置能够把每个输入的尿素球粒加速到100米/秒数量级的速度，然后能够通过一个出口(46、47)从球粒加速器(8)的外壳(35、36)中射出，并且能够射入到关闭着的喷射通道(9)中以及通过该喷射通道继续运送地射入到氨反应器(11)中。
12.按权利要求11所述的装置，其特征为，球粒加速装置(8)由一个中心地支承在外壳(35、36)中的圆盘(40)组成，该圆盘能够由一台由一个调节和控制单元进行电子式转速调节的电动机(39)驱动，且上侧具有至少一个通过螺旋形地从中心向外缘延伸的壁(41、42)所界定的加速通道(43、44)，入口通道(34)通过该加速通道的靠近中心的内部区域流入。
13.按权利要求12所述的装置，其特征为，界定一条螺旋形加速通道(43、44)的壁(41、42)具有由多条圆弧和/或一条对数曲线和/或一条带连续正斜率的曲线组成的曲线。
14.按权利要求13所述的装置，其特征为，在球粒加速器(8)的外壳(35、36)中，围绕旋转圆盘(40)在其上侧加速通道(43、44)的高度内设置一个部分呈环槽形的出口通道(45)，从该出口通道切向地分接一条管状出口通道(47)，在该出口通道上连接喷射通道(9)。
15.按前述权利要求任一项所述的装置，其特征为，射入的球粒以高速度撞击到挡板(12)上，该挡板的表面结构化，这有利于撞击的尿素球粒粉碎成尽可能多的和很小的碎片。
16.按前述权利要求任一项所述的装置，其特征为，球粒计量加料装置(7)和球粒加速器(8)的旋转圆盘中的传送带(27)的转速调节是根据要射入氨反应器(11)中的尿素球粒的最佳需要的量/数相互精确地配合的，其中两个转速由计算机支持的电子控制和调节装置预先给定，而且只是球粒计量加料装置(7)的电动机(29)的转速产生变化，而球粒加速器(8)的电动机(39)的转速则保持恒定的速度。
17.用储备在一个储料容器(1)中的固体尿素球粒产生氨的方法，其特征是具有如下的工艺步骤，即：尿素球粒借助一个球粒计量加料装置(7)从储料容器(1)按调节的量/数取出，并输送到球粒加速器(8)，用该加速器在内部以机械方式将球粒加速到一个高的速度，然后从该加速器射入一条球粒喷射通道(9)，并通过该球粒喷射通道继续进行导向运动喷入一个氨反应器(11)中，其中球粒在喷射区段终端上的球粒挡板(12)上被粉碎成多个碎片，这些碎片随即借助一个尿素蒸发装置(13)转变成一种含氨和异氰酸的混合气，然后这种混合气与水蒸汽一起引导通过一个水解催化器(14)，并把异氰酸转变成氨和二氧化碳。
18.按权利要求17所述的方法，其特征为，在工艺流程结束时在水解催化器(14)的出口处提供的含氨的混合气随即根据其规定的下一步使用被输入氨反应器(11)后面的一种装置或设备中。
19.按权利要求18所述的方法，其特征为，在工艺流程结束时在水解催化器(14)的出口提供的含氨的混合气随即根据其规定的下一步使用被输入氨反应器(11)后面的一个或多个SCR催化器(19)中。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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Owner name: MAN TRUCK + BUS AG Free format text: FORMER NAME: MAN NUTZFAHRZEUGE AG |
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Address after: Munich, Germany Patentee after: MAN TRUCK & BUS AG Address before: Nuremberg Patentee before: MAN TRUCK & BUS AG |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20091230 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |