CN101734685A - 一种利用尿素定量生产氨并脱硝的方法 - Google Patents
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Abstract
一种由尿素定量产生气态氨并脱硝的方法，包括了如下步骤：将固态的尿素颗粒加热得到熔融态的尿素颗粒；将一定量的熔融态的尿素颗粒雾化喷入热解反应器，熔融态尿素在热解反应器中分解成为含氨混合气；含氨混合气在与稀释风混合后一起喷入脱硝催化剂上游的烟道中；含氨混合气在脱硝催化剂表面进一步完全分解产生氨气，氨气作为还原剂参与脱硝反应，达到脱硝的最终目的。本发明利用了熔融态尿素的热解反应，从而客服了普通尿素水溶液热解脱硝工艺的能耗大、水耗大的缺点，使系统的运行费用降低，同时保证了系统的性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种生产氨并脱硝的方法，特别是一种使用尿素热分解从而定量生产氨并脱硝的方法。
背景技术
氨气制备系统，近年来被广泛应用于环保领域，主要作为还原剂用于烟气脱硝。常见的氨气制备系统所使用的原料为液氨和氨水，是以氨的液态和水合物形式存在的，只要通过加热即可通过蒸发或分解过程获得氨气，但液氨或氨水一旦泄漏，将带来重大的安全事故。尤其是液氨的储存和运输均有巨大的安全隐患，美国在“911”等恐怖事件以后，将液氨贮罐视为潜在的大面积杀伤性武器，严格进行限制。尿素需要经过较为复杂的化学过程才能转化为氨气，在存储和运输过程中不产生氨气，非常安全，因此成为新型制氨系统的原料。
使用尿素制氨的技术主要有尿素的水解技术以及尿素的热解技术等。常见的尿素热解制氨及脱硝系统的流程如下：尿素颗粒在尿素溶解罐中与水混合，溶解为40％～60％的尿素溶液，存储在尿素溶液储罐中；尿素溶液储罐中的溶液加压喷入热解反应器，尿素溶液被雾化为小液滴，在350～650℃的温度下，尿素溶液小液滴迅速蒸发为固体尿素颗粒和水蒸汽，固体尿素颗粒升温后发生分解反应，从而生产气态的氨气和异氰酸，
NH2CONH2(固)→NH3+HNCO
气态异氰酸很稳定，但在金属氧化物催化剂表面会发生反应，分解为氨气；
HNCO+H2O→NH3+CO2
氨气、异氰酸以及稀释空气的混合气，喷入脱硝反应器，异氰酸在脱硝催化剂表面完全分解为氨气，作为还原剂参与脱硝反应。
这种常见的尿素热解制氨及脱硝系统与尿素水解制氨脱硝系统相比具有很多优点：工艺操作简洁可靠，人力和维护较少；系统中氨的存储量小，安全性高；无高压设备、无腐蚀问题；系统启停迅速，预热时间短；反应速度极快，负荷变化的跟随能力强，响应时间短。但是这种常见的尿素热解制氨及脱硝系统具有能耗高、水耗高等缺点，系统运行费用高。
发明内容
本发明的一个目的是要减少尿素热解制氨及脱硝系统的能耗，降低系统的运行费用。本发明的另一个目的是要降低尿素热解系统对于除盐水的消耗，这也会降低系统的运行费用。
本发明所公开的内容是提供一种由尿素定量产生气态氨及烟气脱硝的方法。该方法包括了如下步骤：将固态的尿素颗粒加热得到熔融态的尿素颗粒；将一定量的熔融态的尿素在热解反应器中分解成为含氨混合气；含氨混合气在与稀释风混合；稀释后的含氨混合气在脱硝催化剂表面进一步完全分解产生氨气，氨气作为还原剂参与脱硝反应，达到脱硝的最终目的。
通过如下详细描述，结合附图和所附的权利要求，对本领域技术人员来说，更多的方面和优点是显然的。虽然本发明易受各种形式的实施方案的影响，应理解，以下描述的具体的事实方案所公开的内容是说明性的，而不是将本发明现在为在此所述的具体实施方案。
附图说明
图1示出了根据本发明第一实施例的尿素制氨及脱硝系统，其被配置成利用稀释风机提供稀释风；
图2示出了根据本发明第二实施例的尿素制氨及脱硝系统，其被配置成利用部分热烟气作为稀释风。
本文中使用的附图标记如下所示：
10 尿素颗粒储仓
11 尿素颗粒储仓进料口
12 尿素颗粒给料装置
20 尿素熔融器
21 尿素熔融器加热器
22 熔融尿素供给泵
23 流量自动控制阀门
30 热解反应器
31 雾化喷嘴
32 热解加热器
40 稀释风机
41 稀释风加热器
50 催化剂前烟道
51 喷氨格栅
具体实施方式
本发明一般涉及由熔融态尿素定量产生氨并脱硝的方法，和用于尿素熔融以及尿素热解反应的相关方法和设备。
本发明所公开的内容是提供一种由尿素定量产生气态氨并脱硝的方法。该方法包括了如下步骤：将固态的尿素颗粒加热得到熔融态的尿素颗粒；将一定量的熔融态的尿素雾化喷入热解反应器，熔融态尿素在热解反应器中分解成为含氨混合气；含氨混合气在与稀释风混合后一起喷入脱硝催化剂上游的烟道中；含氨混合气在脱硝催化剂表面进一步完全分解产生氨气，氨气作为还原剂参与脱硝反应，达到脱硝的最终目的。
参见图1，其中示出了根据本发明第一实施例的以尿素为原料的氨气制备及脱硝工艺系统100。尿素制氨及脱硝系统100一般包括：用于存储固体尿素的储仓10；用于将固态尿素转化为熔融态尿素的熔融器20；用于将熔融态尿素分解的热解反应器30；用于提供氨气稀释风的稀释风机40；用于将氨气与烟气混合后输送至催化剂表面进行脱硝反应的烟道50。其中正如本领域技术人员所公知的，尿素颗粒通过进料口11通过手动或气力输送的方式加入到尿素储仓10中，尿素储仓需要保持干燥，保持干燥的方法也是公知的，尿素颗粒通过给料装置12输送入尿素熔融器20中；尿素熔融器20中包含了用于提供熔融能量的加热器21，熔融态尿素从熔融器20的出口通过供给泵22输送至热解反应器30，自动调节阀门23用于控制输送到热解反应器30的流量，供给泵22输送尿素的需求部分回流至熔融器20；尿素在热解反应器30内通过雾化喷嘴31雾化并喷入热解反应器的空间内，热解反应所需要的能量由热解加热器32提供；稀释风机40产生稀释风后，通过稀释风加热器加热到一定的温度，进入到热解反应器30内，与尿素分解所产生的气体混合；含氨混合器通过喷氨格栅51喷入催化剂前的烟道50中，与烟气进一步混合后在催化剂表面参与脱硝反应，降低烟气中的NOX含量。
100％尿素的熔融温度为132.7℃，控制熔融器20内尿素溶液温度达到140℃，加热器21可使用蒸汽或电作为热源；输送尿素熔融液的管道需要进行保温和伴热，以保证管道及阀门等附件的温度大于140℃，防止尿素发生结晶进而堵塞管道和阀门，同样输送泵22也需要进行保温和伴热。
熔融态的尿素通过雾化喷嘴31喷入热解反应器30内，可以使用机械雾化或压缩空气雾化，使熔融尿素形成小液滴，雾化后液滴的直径越小，则尿素热解反应的反应速率越快，尿素在反应器内所需要的停留时间也越短。保证雾化后平均液滴直径＜2mm的情况下，完全热解所需要的时间＜5s。加热器32用于提供热解所需要的热量，由于热解反应的温度＞350℃，一般使用电加热或燃油燃气加热。在热解反应器30中发生的反应如下：
NH2CONH2(熔融)→NH3+HNCO
在实施实例1中，稀释风机40被用于供给稀释风，并通过稀释风加热器41加热到温度超过140℃后再进入热解反应器30，稀释风加热器41可使用蒸汽或电作为热源，稀释风量一般根据最大氨产率来确定，需要保证稀释后氨的浓度低于某限定值，目前在脱硝行业内，此限定值一般为5％。
尿素热解的产物气与稀释风混合后，一起喷入催化剂前的烟道50中，在脱硝催化剂上发生进一步的分解反应
HNCO+H2O→NH3+CO2
此反应非常迅速及完全，所生产的氨气与在热解反应器30内生产的氨气一起参加脱硝反应，脱除烟气中的NOx。
系统可根据需要脱除的NOx量计算出所需要的氨，再根据上述化学方程式中的化学当量比计算出需要的尿素量，用此尿素需求信号控制自动调节门23的开度，使得进入热解反应器30的流量为所需的尿素量，从而达到定量生产氨并脱硝的目的。
表1 工艺参数对比表
一般尿素热解工艺 本发明实施例一
氨气产率kg/h 100 100
尿素消耗量kg/h 176.5 176.5
除盐水消耗量kg/h 264.7 0
能耗kW 545 300
与一般的尿素热解工艺相比，本发明的实施例一中由于使用了熔融尿素作为热解反应的原料，虽然尿素熔融过程消耗了一定能量，但节省了水蒸发所需要消耗的大量能量，总的能量消耗是节省的，同时节省了系统对于除盐水的消耗。如表1所示，对于一个需要100kg/h氨产量的尿素制氨及脱硝系统，同样使用稀释风机提供稀释风，那么使用40％尿素溶液的一般尿素热解制氨工艺需要消耗除盐水264.7kg/h，能耗为545kW，而使用本发明实施例一所详述工艺的的尿素热解制氨工艺不需要消耗水，能耗为300kW。本发明实施例一在系统性能相同的前提下，可节约能耗45％，同时可节约系统除盐水的消耗。
参见图2，其中示出了根据本发明第二实施例的以尿素为原料的氨气制备及脱硝工艺系统200。本实施例与本发明第一实施例不同之处在于：取消了图1中的稀释风机40和稀释风加热器41，使用烟气中的一部分作为稀释风，从而节省了加热稀释风的能耗。如表2所示，对于一个需要100kg/h氨产量的尿素制氨及脱硝系统，同样使用热烟气作为稀释风，那么使用40％尿素溶液的一般尿素热解制氨工艺需要消耗除盐水264.7kg/h，能耗为490kW，而使用本发明实施例二所详述工艺的的尿素热解制氨工艺不需要消耗水，能耗为190kW。本发明实施例一在系统性能相同的前提下，可节约能耗54％，同时可节约系统除盐水的消耗。
表2 工艺参数对比表
一般尿素热解工艺 本发明实施例二
氨气产率kg/h 100 100
尿素消耗量kg/h 176.5 176.5
除盐水消耗量kg/h 264.7 0
能耗kW 445 190
此外，本领域技术人员应该意识到，在本发明各个实施例的氨气供应系统中还可根据安全需要设置尿素储仓干燥系统、氨气泄漏检测与水雾喷淋系统、废水储存及排出系统等辅助子系统，这些都是常规的辅助系统，本文对其不做具体描述。
虽然本文示出和描述了多个示例性的优选实施例，但本领域技术人员可以据此推导出符合本发明原理的其他实施例，这些实施例也应被认为落入本发明的保护范围内。
Claims (11)
1.一种由尿素定量产生气态氨并烟气脱硝方法，包括了如下步骤：将固态的尿素颗粒加热得到熔融态的尿素；
将一定量的熔融态的尿素在热解反应器中分解成为含氨混合气；
含氨混合气与稀释风混合；
稀释后的含氨混合气在脱硝催化剂表面进一步完全分解产生氨气，氨气作为还原剂参与脱硝反应，降低烟气中的NOx含量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的用于热解生产氨气的尿素为熔融状态的。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，用于热解生产氨气的尿素是不含有水分的干尿素，在制备尿素熔融液时不需要向尿素中添加任何除盐水。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，尿素颗粒需要加热到132.7℃以上以使尿素处于熔融状态，并且尿素在输送过程需要伴热以保持处于熔融状态。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，熔融态的尿素液是由雾化喷嘴喷入热解反应器中，雾化产生小的尿素液滴，并在热解反应器中快速分解生成含氨混合气。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在热解反应器中分解生成含氨产品气与稀释风混合形成氨浓度低于8％甚至5％的含氨混合气。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，含氨产品气与稀释风混合后通过喷氨格栅均匀喷射到脱硝催化剂前的烟道，并在催化剂表面最终分解产生氨气完成脱硝。
8.根据权利要求6所述的用于稀释氨气的稀释风，可以是由风机提供。
9.根据权利要求8所述的由稀释风机提供的用于稀释氨气的稀释风，需要经过预热后再进入热解反应器，预热温度需要超过132.7℃。
10.根据权利要求6所述的用于稀释氨气的稀释风，可以由部分热烟气提供，热烟气的温度至少需要超过132.7℃。
11.根据权利要求1的方法，其特征在于，系统根据脱硝需要氨的量，按照化学反应摩尔比计算需要尿素的量，实时控制进入热解反应器的熔融尿素量，从而达到定量产生氨的目的。
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