CN104003417B - 一种逆流式尿素热解制氨装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种逆流式尿素热解制氨装置及方法，包括入口段、进行尿素热解制氨反应的主体段、圆锥状的B收缩段、出口段，入口段设置在主体段的下部，出口段设置在热解制氨装置的上部，主体段的上部通过B收缩段与出口段连接，入口段包括进气段和文丘里管。本发明减少了尿素结晶及堵塞的现象，延长了热解反应停留时间，改善了热解装置的传热与传质效果，提高了热解系统的稳定性，整体设计简单，而且降低运行和维护热解设备所引起的费用，延长定期维修的周期。

Description

一种逆流式尿素热解制氨装置及方法

技术领域

本发明属于选择性催化还原烟气脱硝的技术领域，具体涉及一种逆流式尿素热解制氨装置及方法。

背景技术

择性催化还原烟气脱硝即SCR烟气脱硝，SCR是当前广泛应用的电厂烟气脱硝方法。在脱硝系统中，还原剂是最大的消耗品，其消耗成本直接影响到脱硝系统的整体经济指标，目前，SCR烟气脱硝还原剂包括液氨、氨水及尿素。液氨、氨水及尿素均可作为烟气脱硝还原剂，随着脱硝还原剂制备、储存与供应技术的日渐成熟，脱硝还原剂的选择原则逐渐转为以安全与经济为主。液氨是危险化学品，随着国家对安全问题的日益重视，正逐渐出台一系列相关的限制措施，使得电厂在用液氨时在审批、工期、占地等诸多方面受到越来越多的制约，投运后通过环保验收的程序也较为繁琐；氨水因为其运行成本居高不下也受到应用的局限。作为无危险的制氨原料，尿素热解制氨具有与液氨相同的脱硝性能，尿素是绿色肥料、无毒性，因而没有法规限制，并且便于运输、储存和使用。目前在国内SCR脱硝采用尿素为还原剂已经成为一种趋势。

尿素的分解主要在热解反应器中进行，热解反应器是一个内部全空的容器，热空气从入口段进入，尿素经过一个提供完全分配的喷射器注入到热空气中进行反应。目前在国内工程应用的尿素热解制氨装置，设计形式均为顶部单路进气，然后通过内置不同结构的旋流板或气流均布板来实现流场和温度场的均匀分布。但普遍存在的问题为：（1）旋流板的设计很难保证在热解装置内形成足够均匀的流场和温度场，尤其是在靠近热解装置的区域，容易形成局部的低温或低速区，造成尿素溶液沾壁，甚至结晶；（2）气流均布板的存在增大了热解装置的整体压力损失，而且长久运行容易因为灰分的积累和结晶的形成而堵塞开孔，开孔一旦堵塞则会造成流场紊乱，进而影响整个热解系统的稳定运行。

专利CN201020633701.6中公开了一种尿素制氨的热解装置，包括气体入口、内部设置有喷枪的反应室以及气体出口，气体入口设置于反应室上部，气体出口设置于反应室下部，还包括设置于反应室内部且在喷枪上部的筛板型气流分配装置。热解装置解决了现有技术中存在尿素热解装置中气流分配不佳、体积过大的问题，然而气流经过筛孔板后仍不能避免热解炉内贴壁低速区的存在，热解装置内的传热与传质效果仍然具有很大的提升空间。

发明内容

为了克服尿素结晶及堵塞，热解系统的稳定运行差，热解装置的传热与传质效果不佳的缺点，本发明提供了一种逆流式尿素热解制氨装置及方法，减少了尿素结晶及堵塞的现象，延长了热解反应停留时间，改善了热解装置的传热与传质效果，提高了热解系统的稳定性，整体设计简单，而且降低运行和维护热解设备所引起的费用，延长定期维修的周期。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种逆流式尿素热解制氨装置，包括入口段、进行尿素热解制氨反应的主体段、圆锥状的B收缩段、将制得氨气排出的出口段，其特征在于，入口段设置在主体段的下部，出口段设置在热解制氨装置的上部，主体段的上部通过B收缩段与出口段连接，入口段包括进气段和文丘里管，尿素热解制氨装置采用逆流式进气，延长了尿素在热解装置主体段的停留时间，改善热解装置的传热与传质效果。

文丘里管包括A收缩段、喉管、扩散段，A收缩段通过喉管与扩散段相连接。

A收缩段为圆锥管，喉管为圆柱状套管，扩散段为倒圆锥管，进气段与圆锥管的一端连接，圆锥管的另一端通过圆柱状套管与倒圆锥管连接，倒圆锥管的另一端与主体段相连接，文丘里管使得气流形成高速均匀的热气流，减少了尿素结晶及堵塞的现象。

进气段包括进气口和圆柱管状的过渡段，进气口通过过渡段与文丘里管相连接。

进气段、A收缩段、喉管、扩散段中至少一处设置有使尿素热解制氨装置的流场分布均匀的旋流板，有利于气流形成高速的旋流。

优选的，在喉管内设置有使尿素热解制氨装置的流场分布均匀的旋流板。

旋流板由数个环形布置的叶片组成，叶片与管道的横截面所成的角度为30°-50°。

主体段为圆柱体，在主体段内设置有提供雾化的尿素溶液的双流体雾化喷枪，喷枪沿主体段的内圆周面均匀布置，喷枪设置有4-6根。

逆流式尿素热解制氨装置所采用的制氨方法，其特征在于，热空气经入口段进行收缩，收缩后的热空气保持压缩状态，压缩的热空气进行扩散，使得热空气产生较高的流速，高速的热空气由下向上喷射，再与呈下降状态的尿素溶液均匀接触，热解生成氨气；同时空气的压缩与扩散产生压力差，压力差对周围的尿素溶液产生一个外在的吸附力，使得尿素溶液与热空气充分反应，制得氨气，其反应方程式如下：

CO(NH₂)₂→NH₃+HNCO

HNCO+H₂O→NH₃+CO₂。

压缩状态的热空气形成旋流，压缩并且旋流状态的热空气进行扩散，使得热空气的流场分布均匀。

本发明的有益效果是，减少了尿素结晶及堵塞的现象，延长了热解反应停留时间，改善了热解装置的传热与传质效果，提高了热解系统的稳定性，整体设计简单，而且降低运行和维护热解设备所引起的费用，延长定期维修的周期。

附图说明

下面结合附图对本发明所述的逆流式尿素热解制氨装置及方法进行具体说明。

图1是本发明的结构示意图；

图2为本发明旋流板的俯视结构示意图；

图3为本发明旋流板的侧视结构示意图。

如图所示，进气口1，A收缩段2，喉管3，扩散段4，主体段5，B收缩段6，出口段7，喷枪8，旋流板9，叶片10，过渡段11。

具体实施方式

如图1所示，逆流式尿素热解制氨装置包括入口段、主体段5、圆锥管状的B收缩段6、出口段7。入口段设置在主体段5的下部，包括进气段和文丘里管，进气段包括进气口1和过渡段11，过渡段11为圆柱管状，进气口1通过过渡段11与文丘里管相连接，将热空气以垂直状态进入文丘里管内，便于热空气在文丘里管内的流动。文丘里管包括增加热空气流速的A收缩段2、喉管3、保持热空气流速并稳定流场的扩散段4。过渡段11与A收缩段2的一端相连接，A收缩段2的另一端与喉管3相连接，喉管3通过扩散段4与主体段5的下部连接，主体段5的上部通过B收缩段6与出口段7连接。

尿素热解制氨装置采用逆流式进气，并使用文丘里管作为入口段，加快了热空气的流速并且对附近区域的尿素溶液产生吸附力，这样可以极大地延长尿素在热解装置中的停留时间，提高传质传热效果，形成高速均匀的热气流，有效减少尿素结晶及堵塞现象，增加了反应时间，有利于尿素的分解。整个热解装置结构简单，降低运行和维护热解设备所引起的费用，延长定期维修的周期。并且，文丘里管布置在热解装置的下部，利于检修和维护。

A收缩段2为圆锥管，由进气口1到喉管3逐渐收缩，收缩角为15°-35°，增加了热空气的流速。喉管3为圆柱状的套管，喉管3的直径与A收缩段2收缩后的直径相同，使得高速的热空气稳定通过。扩散段4为倒圆锥管，由喉管3到主体段5逐渐扩充，扩充角为25°-45°，降低了热空气的较高的流速，稳定流场。

如图2、3所示，在进气段、A收缩段2、喉管3、扩散段4中至少有一处设置有旋流板9，优选的，在喉管3内设置有旋流板9。热空气在文丘里管内产生了真空区，使得热空气达到较高的流速，压强减小，产生压力差，对周围的液体产生外在的吸附力。文丘里管内设置的旋流板，使得高速的热空气产生旋流，旋流均匀分布，并且由底部进气，逆流而上，与喷枪中的尿素溶液均匀接触，更好地发生化学反应。喷枪喷落的尿素溶液坠落在底部，由于文丘里管的真空吸附和旋流板的旋流作用，吸附周边的尿素溶液，再与高速的热空气发生热解制氨反应，有效减少了结晶，长期使用减少了堵塞现象。旋流板9由环形布置的多块叶片10组成，叶片与管道的横截面所成的角度为30°-50°。旋流板9引导气流形成旋流，使得尿素热解制氨装置的流场分布均匀。文丘里管与设置在文丘里管内的旋流板共同营造了均匀的气体流场和温度流场，延长了气体在尿素热解制氨装置内的停留时间，让反应更加充分彻底，并且降低了气体阻力。

主体段5为圆柱体，为尿素热解制氨的反应器，采用不锈钢材料制作。在主体段5内设置有提供雾化的尿素溶液的双流体雾化喷枪8，喷枪8沿主体段5的内圆周面均匀布置，共设置有4-6根。喷枪8的布置应避开旋流造成的内循环回流区域。B收缩段6由主体段5到出口段7逐渐收缩，直径逐渐缩小，与出口段的直径相符，便于与出口段连接。B收缩段6的收缩角度在50°-70°。

热空气由外部热源加热至约600℃，由热解制氨装置的底部通过进气口1进入过渡段11中，使得气体为垂直状态，再进入A收缩段2。A收缩段2把由过渡段11流入的热空气由粗变细，以加快气体流速，热气流在喉管3内高速通过，并且压强减小，产生压力差，使气体在扩散段4的出口处形成一个“真空”区，一方面气流保持较高的流速，高速的气流经过扩散段4后进入主体段5；另一方面，产生的“真空”区会对附近区域的尿素溶液产生一定的外在吸附作用，与气流发生热解反应，有效减少尿素结晶及堵塞现象。

气流逆流通过进气口1、过渡段11、A收缩段2、喉管3时，由于喉管3内安装有旋流板，经过旋流板的引导，使得热空气形成旋流，然后进入扩散段4，保持高速的旋流状态流向主体段5的上部。主体段5内的喷枪8上接有两路出口：一路为配置好的尿素溶液，一路为雾化空气，两路出口使得尿素溶液雾化。一方面，尿素溶液通过喷枪8喷入主体段5，雾化的尿素溶液在主体段5内与以旋流状态的热空气均匀接触发生反应，尿素热解生成氨气。另一方面，扩散段4产生的真空区对附近区域的由主反应段内滴落的尿素溶液产生一定的吸附力，使其与热空气均匀接触，热解制得氨气。其反应方程式如下：

CO(NH₂)₂→NH₃+HNCO

HNCO+H₂O→NH₃+CO₂

热解后的氨气通过B收缩段6送至出口段7。

尿素热解制氨装置采用逆流式进气不仅使得尿素溶液与热空气充分接触，迅速升温发生热解反应，而且被气流带到热解装置上部的尿素结晶会由于重力作用回落，与热空气再次接触，促进其分解，减少了尿素结晶及堵塞现象。尿素热解制氨装置采用文丘里管作为入口段，可以使得热空气产生较高的流速，将气流带到热解装置的上部与尿素溶液充分接触，并且压强的减小产生的压力差对附近区域的尿素溶液产生吸附力，使其与热空气均匀接触，极大的减少了尿素结晶及堵塞现象。在喉管处布置的旋流板使得逆流而上的空气形成旋流，一方面高速的旋流可以避免贴壁低速区引起的尿素结晶，另一方面旋流使得气流在热解装置内部的停留时间大大增加，尽可能地降低了热解装置的高度，既大大节约了场地，又能降低投资和运行的成本。

Claims (7)

1.一种逆流式尿素热解制氨装置，包括入口段、进行尿素热解制氨反应的主体段(5)、圆锥状的B收缩段(6)、将制得氨气排出的出口段(7)，其特征在于，所述入口段设置在主体段(5)的下部，所述出口段(7)设置在热解制氨装置的上部，所述主体段(5)的上部通过B收缩段(6)与出口段(7)连接，所述入口段包括进气段和文丘里管；文丘里管包括A收缩段(2)、喉管(3)、扩散段(4)，进气段与A收缩段(2)相连，A收缩段(2)通过喉管(3)与扩散段(4)相连接，扩散段(4)与主体段(5)相连；所述喉管(3)中设置有使尿素热解制氨装置的流场分布均匀的旋流板。

2.根据权利要求1所述的一种逆流式尿素热解制氨装置，其特征在于，所述A收缩段(2)为圆锥管，喉管(3)为圆柱状套管，扩散段(4)为倒圆锥管，所述进气段与圆锥管的一端连接，圆锥管的另一端通过圆柱状套管与倒圆锥管连接，倒圆锥管的另一端与主体段(5)相连接。

3.根据权利要求1所述的一种逆流式尿素热解制氨装置，其特征在于，所述进气段包括进气口(1)和圆柱管状的过渡段(11)，所述进气口(1)通过过渡段(11)与文丘里管相连接。

4.根据权利要求3所述的一种逆流式尿素热解制氨装置，其特征在于，所述旋流板由数个环形布置的叶片(10)组成，所述叶片(10)与管道的横截面所成的角度为30°-50°。

5.根据权利要求1所述的一种逆流式尿素热解制氨装置，其特征在于，所述主体段(5)为圆柱体，在主体段(5)内设置有提供雾化的尿素溶液的双流体雾化喷枪(8)，所述喷枪(8)沿主体段的内圆周面均匀布置，所述喷枪(8)设置有4-6根。

6.一种根据权利要求1-5任一所述逆流式尿素热解制氨装置所采用的制氨方法，其特征在于，热空气经入口段进行收缩，收缩后的热空气保持压缩状态，压缩的热空气进行扩散，使得热空气产生较高的流速，高速的热空气由下向上喷射，再与呈下降状态的尿素溶液均匀接触，热解生成氨气；同时空气的压缩与扩散产生压力差，压力差对周围的尿素溶液产生一个吸附力，使得尿素溶液与热空气充分反应，制得氨气，其反应方程式如下：

CO(NH₂)₂→NH₃+HNCO

HNCO+H₂O→NH₃+CO₂。

7.根据权利要求6所述的一种逆流式尿素热解制氨方法，其特征在于，所述压缩状态的热空气形成旋流，压缩并且旋流状态的热空气进行扩散。