CN105129817A - 烟气scr脱硝尿素催化水解制氨系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种烟气SCR脱硝尿素催化水解制氨系统及方法，该系统主要包括反应系统、尿素溶液供给系统、蒸汽供给系统、氨空混合系统、排污及安全系统、催化剂给料系统、反吹系统。利用该系统熔融状态的尿素可在温度135-160℃、压力约0.4-0.9MPa下进行快速水解反应，反应速度较传统水解法提高约10倍以上，响应时间可达到1min以内；能耗约为热解技术的一半。本发明的系统及方法具有尿素水解速率快、尿素的消耗少和水解反应时间短，实现自动化的优点。

Description

烟气SCR脱硝尿素催化水解制氨系统及方法

技术领域

本发明属于大气污染控制技术领域，是一种尿素催化水解制氨用于烟气SCR脱硝的系统及方法。

技术背景

我国主要电力供应为燃煤火力发电，而燃煤产生的氮氧化合物NOx是造成光雾和酸雨主要污染物质，控制NOx排放的主要手段是燃烧烟气脱硝，在众多烟气的脱硝工艺中，选择性催化还原(SCR)是效率最高的，也是技术和工艺最成熟的一种方法，目前，最常用的SCR技术是基于在金属催化剂的作用下，利用氨气把烟气中的NOx还原成N₂和H₂O。

我国的脱硝市场经过近几年的发展，已经有了较为深刻的认知。在具备条件的电厂，使用液氨系统，但少部分大中城市(特别是北京和上海)等人口稠密区，从安全角度出发，都选择了尿素制氨系统。现有尿素制氨技术有尿素热解制氨技术和普通尿素水解技术。尿素热解技术运行成本较高。普通尿素水解技术系统响应速率较慢。

发明内容

针对现有技术的不足和缺陷，本发明的目的是提供一种烟气SCR脱硝尿素催化水解制氨系统及方法。

本发明的技术方案如下：

一种烟气SCR脱硝尿素催化水解制氨系统，包括反应系统、尿素溶液供给系统、蒸汽供给系统、氨空混合系统、催化剂给料系统、反吹系统和排污及安全系统；所述反应系统上设有催化剂进入口和尿素溶解进入口，所述催化剂给料系统通过催化剂进入口向反应系统提供催化剂，所述尿素溶液供给系统通过与尿素溶解进入口连接的尿素溶液管道向反应系统提供尿素溶液，所述反应系统出口的氨气通过氨气管道进入氨空混合系统进行稀释，所述反应系统上设置排污口和泄压口，通过废液排放管道和废气排放管道与排污及安全系统相连接，所述蒸汽供给系统为所述反应系统提供反应所需的热量，以及作为反吹系统用于反吹尿素溶液管道、氨气管道、废液排放管道和废气排放管道。

进一步地，所述烟气SCR脱硝尿素催化水解制氨系统还包括废水箱，用于接收反应系统和排污及安全系统排出的含污液体。

进一步地，所述蒸汽供给系统还包括减温系统，所述减温系统用于将蒸汽减温减压后分别送入反应系统中。

进一步地，所述催化剂给料系统包括催化剂溶解箱和高压泵，所述催化剂在催化剂溶解箱溶解后，通过高压泵加入反应系统中，催化剂在反应系统内可循环使用，由于排渣时催化剂会损耗一部分，所以，需每隔一段时间添加催化剂。

进一步地，所述催化剂为磷酸铵盐类催化剂。

进一步地，所述尿素溶液供给系统中的尿素溶液分为两路，一路进入催化剂溶解箱中，用于溶解固态催化剂；第二路进入反应系统中。其中，连接反应系统的尿素溶液管道是主管道，从主管道上分出了一个分支用来溶解催化剂溶解箱里面的催化剂。该尿素溶解进入口亦为反应系统初始进水口，此外，当系统故障或停机时，需用除盐水清洗反应系统，可用高压泵通过该进口将除盐水打入反应系统中。该主管道上设置压力传感器、气动球阀、逆止阀及手动阀等。

进一步地，所述烟气SCR脱硝尿素催化水解制氨系统还包括除盐水供给系统，所述除盐水供给系统通过除盐水管道向三个支路提供除盐水：一路为用于反应系统中尿素溶液的稀释；一路用于废水箱稀释；一路用于催化剂溶解箱的冲洗。除盐水的水质要求为：SiO₂≤20μg/L、Hardness～0μg/L、Conductivity(25DegC)≤0.40μS/cm，温度为20-50℃，压力为0.1-0.3MPa。

进一步地，所述烟气SCR脱硝尿素催化水解制氨系统还包括用于为需要伴热的管道伴热的伴热系统，需要伴热的管道包括尿素溶液管道、除盐水管道、废液排放管道、氨气管道、废气排放管道、催化剂溶液管道。

进一步地，所述反应系统包括双气室尿素催化水解反应器，该反应器内设置挡板，将反应器分为大气室和小气室两个气室，大气室用于反应，小气室用于表面排污。小气室体积约为大气室的5-15％，挡板高度为反应器直径的60-80％，并且大小气室都安装有加热盘管。因为尿素与催化剂里含有杂质，反应过程中产生污染物，所以需要定时清理反应器中的固体、沉积物和其他污染物，使其保持到最小值，反应器需要定期进行底部排污和表面排污。定期升高反应室的液位，将上层含污液体排入小气室，将其在小气室的底部排出到废水箱。大气室底部的含污液体从大气室底部的排污口排出到废水箱。

进一步地，本发明的系统还包括疏水扩容器，所述加热盘管中蒸汽加热后形成的饱和水通过疏水管道进入疏水扩容器，所述疏水管道上设置疏水器、旁路手动门等阀门。

进一步地，在反应系统上还设有雷达液位计、就地磁翻板液位计和温度传感器，用于测量反应系统中的尿素溶液的液位和温度，并在尿素溶液管道上设置相应的电动门、气动关断球阀、气动调节阀、逆止阀门及压力传感器。为了检测尿素溶液浓度，在尿素溶液管道上设有取样口及相应的阀门。

进一步地，所述排污及安全系统主要是由一级排污管线、二级排污管线、三级排污管线和手动排污管线组成，一级排污管线和手动排污管线与反应系统的排污口相连，用于日常系统排渣，二级排污管线和三级排污管线与氨空混合系统连接用于排放氨气，这两条管线都通过阀门与通往废水箱的管线连接。当反应器压力大于1.2MPa时，二级排污管线动作，进行泄压排污，保护反应系统。当压力达到1.9MPa时，三级排污管线动作。

一种烟气SCR脱硝尿素催化水解制氨方法，包括：

1)将尿素溶液从尿素溶液供给系统中通过尿素溶液管道加入到反应系统中；

2)催化剂给料系统中的催化剂通过尿素溶液供给系统中的尿素溶液溶解后注入反应系统；

3)利用蒸汽供给系统提供的蒸汽对反应系统的加热盘管进行加热，在温度135-160℃，压力0.4-0.9MPa之间进行催化水解反应制取氨气；

4)反应系统出口的氨气通过氨气管道进入氨空混合系统进行稀释，同时，反应中产生的废液和废气通过排污及安全系统排出。

进一步地，当出现系统停运行，或者管道堵塞的情况时，所有的操作都停止，利用蒸汽供给系统提供的蒸汽对所有管道进行吹扫。

进一步地，尿素溶液供给系统保温50-80℃。

本发明的有益效果如下：

低能耗尿素催化水解技术是在尿素普通水解和热解技术的基础上，提出的一种新型尿素制氨技术，经过磷酸铵盐类催化剂的催化作用，熔融状态的尿素可在温度135-160℃、压力约0.4-0.9MPa下进行快速水解反应，传统水解法响应时间为30-60min，本发明反应速度较传统水解法提高约10倍以上，响应时间可达到1min以内。因此，本发明提供的系统具有尿素水解速率快、尿素的消耗少和水解反应时间短，实现自动化的优点。

附图说明

图1是本发明实施例的流程图。

图中：1-反应室(大气室)；2-排污室(小气室)；3-挡板；4-催化剂罐；5-尿素溶液储罐；6，7-氨空混合器；8-二级排污管线；9-三级排污管线；10-排污室一级排污管线；11-反应室一级排污管线；12-冷凝液去排放总管；13-废水箱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构、原理和工作过程作进一步的说明。

图1为本发明提供的一种火电厂烟气SCR脱硝尿素催化水解制氨系统流程图。所述系统包括反应系统、尿素溶液供给系统、蒸汽供给系统、氨空混合系统、排污系统、除盐水系统、催化剂给料系统、反吹系统、排污及安全系统。

利用上述系统进行烟气SCR脱硝尿素催化水解制氨的过程如下：

1)将质量浓度为50％的尿素水溶液从尿素溶液储罐(保温50-80℃)5中通过尿素溶液管道加入到反应系统中。

反应系统设计了双气室尿素催化水解反应器，即排污室2和反应室1两个气室，这两个气室通过挡板3隔开，其中反应室1用于反应，排污室2用于表面排污。一周升高一次液位，当液位高于挡板980mm室，尿素溶液流到排污室，一个月之后打开排污阀进行反应室和排污室的同时排污。反应器中的反应室1和排污室2都设有加热盘管，以保证反应区域的温度。加热盘管中的加热介质是炉后母管的高温过热蒸汽减温减压至180℃、1MPa的饱和蒸汽，加热后形成的180℃、1MPa的饱和水通过疏水管道进入疏水扩容器。疏水管道上设置疏水器、旁路手动门等阀门。经过反应室和排污室的加热盘管换热之后的冷凝液(饱和溶液)通过冷凝液去排放总管12排入到疏水箱，进行循环使用。

反应室1底部设有尿素溶解进入口，与尿素溶液供给系统相连，该进口亦为反应器初始进水口。此外，当系统故障或停机时，需用除盐水清洗反应器，可用高压泵通过该进口将除盐水打入反应器中。该进口管道上设置压力传感器、气动球阀、逆止阀及手动阀等。

反应器上设置排污口和泄压口，与排污及安全系统相连接。此外，反应器上设有三个雷达液位测量计和两个温度传感器，用于测量反应器中的尿素溶液的液位和温度。

尿素溶液供给系统中的尿素溶液分为两路，一路进入催化剂溶解箱中，用于溶解固态催化剂；第二路进入反应器中。并设置质量流量控制系统，此外，在反应器上设置了雷达液位计和就地磁翻板液位计，并在尿素溶液进入反应器的管道上设置相应的电动门、气动关断球阀、气动调节阀、逆止阀门及压力传感器。为了检测尿素溶液浓度，在管道上设有取样口及相应的阀门。

2)催化剂给料系统包括催化剂罐4、催化剂供给泵、自动给料阀门、流量测量仪表等，为反应器提供催化剂。催化剂罐4中的磷酸铵盐类催化剂在催化剂溶解箱中通过尿素溶液溶解后通过高压泵注入反应系统。

反应室1上设有催化剂进入口，催化剂在反应器内可循环使用，由于排渣时催化剂会损耗一部分，所以，需每隔一段时间添加催化剂。

3)电厂的炉后母管供给的蒸汽，通过蒸汽供给系统中的减温系统减温减压至180℃、1MPa后，送入反应系统的加热盘管中，进行加热，在温度135-160℃，压力0.4-0.9MPa之间进行催化水解反应制取氨气。

通过蒸汽供给系统中的减温系统减温减压至180℃、1MPa的蒸汽，分为两路，一路送入反应器的加热盘管中，用于加热反应区；另一路用于冲洗尿素溶液、氨气和排污管道，防止管道堵塞，即为反吹系统。

水解系统现场安装完成后进行系统吹扫及二次气密性试验。撬块本身吹扫介质用蒸汽；吹扫管线：所有蒸汽管线正向吹扫，尿素给料管线、催化剂给料管线经反应器倒吹，出氨气管线、排污管线经反应器正吹；蒸汽吹扫前应拆除流量孔板(测量一次元件)、介质走调节阀旁路、拆除过滤器滤芯。对管道上的手动阀及控制阀进行吹扫时，阀门均需打开；对旁路阀门进行吹扫时，旁路阀打开，旁路阀所对应的主管路上的气动调节阀、开关阀及仪表前后的关断阀需关闭；蒸汽吹扫时需在进行时应将仪表隔离开来。

4)反应系统出口的氨气通过氨气管道分两路进入氨空混合器6和7进行稀释，由混合前体积浓度为37.5％，稀释到体积浓度为5％，同时，反应中产生的废液和废气通过排污及安全系统排出。

排污及安全系统主要是由一级排污管线10和11、二级排污管线8、三级排污管线9和手动排污管线组成。一级排污管线和手动排污管线与反应器底部的排污口相连，用于日常系统排渣。当反应器压力大于1.2MPa时，二级排污管道4动作，进行泄压排污，保护反应器。当压力达到1.9MPa时，三级排污管道5动作。两排污管道均与废水箱13连接。

本发明中的除盐水供给系统(图中未示出)分为三个支路：一路为用于反应器尿素溶液的稀释；一路用于废水箱稀释；一路用于催化剂溶解箱的冲洗。除盐水由电厂提供，其水质要求为：SiO₂≤20μg/L、Hardness～0μg/L、Conductivity(25DegC)≤0.40μS/cm，温度为30℃，压力为0.25MPa。

另外伴热系统中各管道需要伴热，伴热的温度要求见下表

发明人基于上述研究成果完成了200MW热电机组脱硝系统150KG/h制氨量的工程示范，制氨系统负荷变化率大于13％/分钟，水解率99.53％，能耗为8296.9KJ/kg氨气，能耗成本为0.21元/kg氨气，能耗和能耗成本分别为同类型机组尿素热解装置的52％和14％。

Claims (10)

1.一种烟气SCR脱硝尿素催化水解制氨系统，包括反应系统、尿素溶液供给系统、蒸汽供给系统、氨空混合系统、催化剂给料系统、反吹系统和排污及安全系统；所述反应系统上设有催化剂进入口和尿素溶解进入口，所述催化剂给料系统通过催化剂进入口向反应系统提供催化剂，所述尿素溶液供给系统通过与尿素溶解进入口连接的尿素溶液管道向反应系统提供尿素溶液，所述反应系统出口的氨气通过氨气管道进入氨空混合系统进行稀释，所述反应系统上设置排污口和泄压口，通过废液排放管道和废气排放管道与排污及安全系统相连接，所述蒸汽供给系统为所述反应系统提供反应所需的热量，以及作为反吹系统用于冲洗尿素溶液管道、氨气管道、废液排放管道和废气排放管道。

2.如权利要求1所述的烟气SCR脱硝尿素催化水解制氨系统，其特征在于，还包括用于接收反应系统和排污及安全系统排出的含污液体的废水箱。

3.如权利要求2所述的烟气SCR脱硝尿素催化水解制氨系统，其特征在于，所述催化剂供给系统包括催化剂溶解箱和高压泵，所述催化剂在催化剂溶解箱溶解后，通过高压泵加入反应系统中。

4.如权利要求3所述的烟气SCR脱硝尿素催化水解制氨系统，其特征在于，所述尿素溶液给料系统中的尿素溶液分为两路，一路进入催化剂溶解箱中，用于溶解固态催化剂；第二路进入反应系统中。

5.如权利要求3所述的烟气SCR脱硝尿素催化水解制氨系统，其特征在于，还包括除盐水供给系统，所述除盐水供给系统通过除盐水管道向三个支路提供除盐水：一路为用于反应系统中尿素溶液的稀释；一路用于废水箱稀释；一路用于催化剂溶解箱的冲洗。

6.如权利要求5所述的烟气SCR脱硝尿素催化水解制氨系统，其特征在于，还包括用于为需要伴热的管道伴热的伴热系统，所述需要伴热的管道包括尿素溶液管道、除盐水管道、废液排放管道、氨气管道、废气排放管道和催化剂溶液管道。

7.如权利要求1所述的烟气SCR脱硝尿素催化水解制氨系统，其特征在于，所述反应系统包括双气室尿素催化水解反应器，该反应器内设置挡板，将反应器分为大气室和小气室两个气室，大气室用于反应，小气室用于表面排污；小气室体积为大气室的5-15％，挡板高度为反应器直径的60-80％，并且大气室和小气室都安装有加热盘管。

8.如权利要求2所述的烟气SCR脱硝尿素催化水解制氨系统，其特征在于，所述排污及安全系统包括一级排污管线、二级排污管线、三级排污管线和手动排污管线；所述一级排污管线和手动排污管线与排污口相连，用于日常系统排渣；所述二级排污管线和三级排污管线与氨空混合系统连接用于排放氨气，所述二级排污管线和三级排污管线都通过阀门与通往废水箱的管线连接。

9.采用权利要求1-8任一所述的烟气SCR脱硝尿素催化水解制氨系统的方法，包括：

1)将尿素溶液从尿素溶液供给系统中通过尿素溶液管道加入到反应系统中；

2)催化剂给料系统中的催化剂通过尿素溶液供给系统中的尿素溶液溶解后注入反应系统；

3)利用蒸汽供给系统提供的蒸汽对反应系统的加热盘管进行加热，在温度135-160℃，压力0.4-0.9MPa之间进行催化水解反应制取氨气；

4)反应系统出口的氨气通过氨气管道进入氨空混合系统进行稀释，同时，反应中产生的废液和废气通过排污及安全系统排出。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，当出现系统停运行，或者管道堵塞的情况时，所有的操作都停止，利用蒸汽供给系统提供的蒸汽对所有管道进行吹扫。