CN106082271B - 适用于scr脱硝系统的尿素返混热解装置及热解方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于SCR脱硝系统的尿素返混热解装置及热解方法，该热解装置包括塔体；所述塔体从上至下依次由助燃风管道、入口变径段、热解反应段、出口变径段，以及出口管道构成；所述热解反应段从上至下依次设有喷枪层、补偿风管道层和气体均流板；其中，喷枪层至少为一层，所述喷枪层上均设有多个用于喷淋雾化后的尿素溶液的喷枪，多个喷枪径向均匀分布于所述热解反应段的塔壁上，且每根所述喷枪喷射方向沿所述热解反应段的轴线方向向下。本发明通过与助燃风混合进行一次热解，再与补偿风混合进行二次热解，能有效促进尿素溶液与热气体的混合程度，防止生成尿素沉积结晶，从而提高尿素溶液的分解效率。

Description

适用于SCR脱硝系统的尿素返混热解装置及热解方法
技术领域
本发明涉及尿素热解装置的结构设计技术领域，尤指一种适用于SCR脱硝系统的尿素返混热解装置及热解方法。
背景技术
SCR脱硝工艺中的还原剂为氨气，氨气可直接来源于液氨，也可通过氨水或尿素间接置备。但在选择还原剂制备技术时，不仅要考虑其初期投资和运行成本，还要考虑安全因素、场地因素以及系统的复杂性等问题。
由于尿素是一种白色或浅黄色的结晶体，吸湿性较强，易溶于水。尿素分子式为CO(NH2)2，在高温高压(160～240℃，2.0MPa)或者高温常压(350～650℃，0.1MPa)条件下，C—N键断裂分解成NH3与CO2。因尿素运输、储存方便，无需安全及危险性的考虑，故随着尿素转氨制备技术的日渐成熟，从1999年开始，尿素逐渐用于SCR系统的还原剂制备。
目前尿素制氨通常有水解法和热解法两种。水解法是将尿素以水溶液的形式加以分解，热解法是快速加热雾化后的尿素溶液使其分解。尿素水解产生的酸性物质会腐蚀电厂设备和生成难溶于水的缩二脲及其它缩合物，易使尿素水解系统堵塞。尿素热解反应完全，不易产生中间聚合物和堵塞管道，喷入烟道的氨气混合物温度约为300℃，对SCR入口烟气温度的影响小。
如在SCR尿素热解系统运行的过程中，尿素溶液分解不完全，将会导致尿素沉积结晶和SCR运行成本的增加，从而影响脱硝效率。因此，设计合理的尿素热解装置可促进尿素溶液分解，增加热解炉出口氨气的体积分数，减少运行成本，提高脱硝效率是本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于SCR脱硝系统的尿素返混热解装置及热解方法，能有效促进尿素溶液与热气体的混合程度，防止生成尿素沉积结晶，提高尿素溶液的分解效率。
本发明提供的技术方案如下：
一种适用于SCR脱硝系统的尿素返混热解装置，包括塔体；
所述塔体从上至下依次由助燃风管道、入口变径段、热解反应段、出口变径段以及出口管道构成；
所述热解反应段从上至下依次设有喷枪层、补偿风管道层、气体均流板；
其中，喷枪层至少为一层，所述喷枪层上均设有多个用于喷淋雾化后的尿素溶液的喷枪，多个喷枪径向均匀分布于所述热解反应段的塔壁上，且每个所述喷枪喷射方向沿所述热解反应段的轴线方向向下。
优选地，所述喷枪层包括第一喷枪层和第二喷枪层，每层所述喷枪层上设置的所述喷枪数量均在3-5个之间，且上下相邻设置的所述喷枪层的所述喷枪交错排列。
优选地，所述喷枪为双流体雾化喷枪。
优选地，所述补偿风管道层上设有多个用于补偿风引入的补偿风管道，多个补偿风管道径向均匀分布于所述热解反应段的塔壁上。
优选地，所述补偿风管道的数量为3-5个。
优选地，每个所述补偿风管道为一倾斜管道，且与所述热解反应段塔壁连接，位于所述热解反应段外侧的为第一端，位于所述热解反应段内侧的为第二端，且所述第二端伸入所述热解反应段内；
所述倾斜管道的第一端高于第二端；
且所述补偿风管道与所述热解反应段内壁之间形成一夹角β，5°<β<75°。
优选地，所述气体均流板上开具多个孔径相同的气流孔，且多个所述气流孔分布在所述气体均流板的中心处。
优选地，所述入口变径段包括第一侧壁，所述第一侧壁围成两端开口形状，且靠近所述助燃风管道一侧的口径小于另一侧开口的口径。
优选地，所述出口变径段包括第二侧壁，所述第二侧壁围成两端开口形状，且靠近所述出口管道一侧的口径小于另一侧开口的口径。
本发明还提供了一种热解方法，应用前述所述的用于SCR脱硝系统的尿素返混热解装置，包括以下步骤：
从助燃风管道引入的助燃热风与喷枪层喷入的尿素溶液混合热解；
混合热解的尿素溶液与从补偿风管道层引入的补偿热风混合；
热解后生产的气体流过气体均流板；
均匀分布的气体从出口管道流出完成尿素热解过程。
通过本发明提供的一种适用于SCR脱硝系统的尿素返混热解装置及热解方法，能够带来以下至少一种有益效果：
1、本装置整体的流场设计结构合理，充分结合了补偿风返混后热交换效率高，以及助燃风垂直流动使物料不粘壁的优点，克服了传统热解装置旋转风易粘壁、垂直风热效率低的缺点，有效地提高了热能利用率；结合气体均流板的布置，使内部气体流场和温度场分布均匀，避免在热解反应段临近壁面区域流速和温度上的盲点，可以充分保障尿素的完全分解，有效地抑制未分解的尿素在尾管产生沉积结晶现象，提高尿素溶液的分解效率。
2、热解反应段设有互相间隔布置的第一喷枪层和第二喷枪层，两组喷枪层可根据实际需要进行间隔投运或同时投运，易于清理、使用灵活，避免因尿素在喷枪内结晶堵塞而影响尿素热解量。
3、具有一定初速度的补偿热风通过补偿风管道进入该热解装置后，可在热解反应段上部形成一个速度较大的湍流区域，使混合气体发生返混现象，增加了反应的停留时间，有利于气体的高强度混合，进一步加强尿素溶液分解率，降低热解装置的整体高度、节省能耗。
4、从助燃风管道处引入热解装置的助燃热风可抵消补偿热风产生反混现象后的气体回流，促进尿素溶液在热解装置轴线方向上的扩散，从而提高尿素的热解率。
5、设置的气体均流板可进一步增加湍流区域的反应停留时间，有利于气体的高强度混合，并使热分解后的混合气体在扩散过程中，更快地取得均匀向下流动的热气流流场。同时气体均流板在热解装置壁面结合处不设开孔，可以对气体有聚拢效果，使得混合后的气流分配更均匀，降低热解装置的整体高度；以达到较优的均布效果。
附图说明
下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种适用于SCR脱硝系统的尿素返混热解装置及热解方法的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
图1是本发明适用于SCR脱硝系统的尿素返混热解装置的结构示意图；
图2是本发明中喷枪层的结构俯视图；
图3是本发明中补偿风管道层的结构俯视图；
图4是本发明中气体均流板的结构俯视图。
附图标号说明：
塔体A；
1-助燃风管道；2-入口变径段；3-热解反应段；4-第一喷枪层；5-第二喷枪层；6-补偿风管道；7-气体均流板；8-出口变径段；9-出口管道。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
在本发明的实施例一中，参看图1所示，适用于SCR脱硝系统的尿素返混热解装置，包括塔体A，塔体A从上至下依次由助燃风管道1、入口变径段2、热解反应段3、出口变径段8，以及出口管道9构成。其中，热解反应段3从上至下依次设有喷枪层、用于引入补偿热风的补偿风管道层和用于提高返混后气体均布性的气体均流板7。应说明的是，塔体A的结构可以为多种，本申请中优选为圆柱体结构。
具体的运用时，设置的喷枪层至少为一层，且喷枪层上均设有多个用于喷淋雾化后的尿素溶液的喷枪，多个喷枪径向均匀分布于热解反应段3的塔壁上，同时将每个喷枪喷射的方向均沿热解反应段3的轴线方向向下，可以提高热解反应效率。
在本实施例二中，实施例二与实施例一的结构和功能原理相同，区别仅在于：再次参看图1所示，优选地将喷枪层设置为两层，分别为上下设置的第一喷枪层4和第二喷枪层5，且每层喷枪层上设置的喷枪数量在3-5个之间。见图2所示，本申请中优选为4个，且4个喷枪均匀分设，这样上下相邻两层喷枪交错排列后可以实现热解反应段3的四壁均有尿素溶液喷入塔体A内，提高均匀度。喷枪层也可以理解为是用于尿素溶液进入塔体A内的入口，可以有效地将尿素溶液导流塔体A内，且在整个塔体界面上进行均匀热解。当然了在其他实施例中，喷枪层的数量根据整个塔体A的高度做合理的增减，均属于本申请保护的范围之内。
其中，应说明的是，本申请中的喷枪优选为双流体雾化喷枪，主要是该喷枪喷嘴的颗粒度相对较小，雾化效果较好。通过调节不同的液压和气压比例，产生不同颗粒度大小的雾滴颗粒。这样经由第一喷枪层4和/或第二喷枪层5的双流体雾化喷枪雾化后，被喷淋入热解装置的热解反应段3内，与助燃风管道1引入的助燃热风相混合后进行一次热解，并流至补偿风管道层处(图中的箭头表示烟气入口方向)进行二次热解。
在本实施例三中，实施例三与实施例二的结构和功能原理相同，区别仅在于：参看图1、3所示，具体的在补偿风管道层上设有多个用于补偿风引入的补偿风管道6，且多个补偿风管道6径向均匀分布于热解反应段3的塔壁上。补偿风管道6的数量为3-5个，具体的根据热解反应段3塔壁的直径大小做设置，而本申请中，优选地为4个，每个补偿风管道6为一倾斜管道，且与热解反应段3塔壁连接，位于热解反应段3外侧的为第一端，位于热解反应段3内侧的为第二端，且第二端伸入热解反应段3内；同时将倾斜管道的第一端高于第二端；使得补偿风管道6与热解反应段3内壁之间形成一夹角β，5°<β<75°。这样可以保证补偿热风进入装置内部的初始风速。当然在其他实施例中，假设进入热解装置的总风量一定情况下，可通过CFD(即计算流体动力学，是流体力学的一个分支)流场模拟和物模试验，确定助燃热风和补偿热风的最佳风速匹配值。具体的匹配值本申请中不再一一列出。
在本实施例四中，实施例四与实施例三的结构和功能原理相同，区别仅在于：由于热解后生成的气体在助燃热风的风压作用下继续向下流动，经气体均流板7。其中，设置的气体均流板7上开具多个孔径相同的气流孔，且多个气流孔分布在气体均流板7的中心处，即可以理解为当气体均流板7四周与热解反应段3内壁连接后，靠近热解反应段3内壁处的气体均流板7上不设置气流孔，这样可以通过设置的气体均流板7更快地取得均匀向下流动的热气流流场，且中心处设置的气流孔可以对气体有聚拢效果，使得混合后的气流分配更均匀，有效地降低热解装置的整体高度。应说明的是，根据热解装置的不同直径及不同热空气流量，并通过CFD流场模拟结果可确定气体均流板7的开孔尺寸和数量，具体的如何确定本申请中不再一一赘述。
在上述四个实施例中，设置的入口变径段2的结构包括第一侧壁，第一侧壁围成两端开口形状，且靠近助燃风管道1一侧的口径小于另一侧开口的口径。该结构可以有效地提高引入助燃风的流量。
在上述四个实施例中，设置的出口变径段8的结构包括第二侧壁，第二侧壁围成两端开口形状，且靠近出口管道9一侧的口径小于另一侧开口的口径。可以将热解后的气体均匀地从出口管道9流出，还可以有效地控制流出的速度，进而保证尿素溶液能够在热解反应段3进行充分分解，提高热解率。
本发明中还提供了一种热解方法，主要是应用前述四个实施例中的用于SCR脱硝系统的尿素返混热解装置，具体的热解方法，包括以下步骤：
从助燃风管道1引入的助燃热风与喷枪层喷入的尿素溶液混合热解；
混合热解的尿素溶液与从补偿风管道层引入的补偿热风混合；
热解后生产的气体流过气体均流板7；
均匀分布的气体从出口管道9流出完成尿素热解过程。
作为一个具体的热解方法的实施例，主要是尿素水溶液经由第一喷枪层4和/或第二喷枪层5的双流体雾化喷枪雾化后，被喷淋入热解装置的圆柱体热解反应段3内，与助燃风管道1引入的助燃热风相混合后进行一次热解，并流至补偿风管道6处；在补偿风管道6处送出的补偿热风与上述气体高强度混合后形成一个速度较大的湍流区域，发生气体返混现象，雾化后的尿素水溶液在返混作用下进行二次热解，完全分解生成NH3和CO2气体；热解后生成的气体(NH3和CO2)在助燃风管道1中持续进入的助燃热风的风压作用下流过气体均流板7，这样在热解装置内的气体均布性得到提高，最后流出热解反应段3从出口管道9流出，完成尿素热解的全过程。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种适用于SCR脱硝系统的尿素返混热解装置，包括塔体；
其特征在于：
所述塔体从上至下依次由助燃风管道、入口变径段、热解反应段、出口变径段，以及出口管道构成；
所述热解反应段从上至下依次设有喷枪层、补偿风管道层和气体均流板；
其中，喷枪层至少为一层，所述喷枪层上均设有多个用于喷淋雾化后的尿素溶液的喷枪，多个喷枪径向均匀分布于所述热解反应段的塔壁上，且每个所述喷枪喷射方向沿所述热解反应段的轴线方向向下；
所述补偿风管道层上设有多个用于补偿风引入的补偿风管道，多个补偿风管道径向均匀分布于所述热解反应段的塔壁上；
每个所述补偿风管道为一倾斜管道，且与所述热解反应段塔壁连接，位于所述热解反应段外侧的为第一端，位于所述热解反应段内侧的为第二端，且所述第二端伸入所述热解反应段内；
所述倾斜管道的第一端高于第二端；
且所述补偿风管道与所述热解反应段内壁之间形成一夹角β，5°<β<75°。
2.根据权利要求1所述的适用于SCR脱硝系统的尿素返混热解装置，其特征在于：
所述喷枪层包括第一喷枪层和第二喷枪层，每层所述喷枪层上设置的所述喷枪数量均在3-5个之间，且上下相邻设置的所述喷枪层的所述喷枪交错排列。
3.根据权利要求1所述的适用于SCR脱硝系统的尿素返混热解装置，其特征在于：
所述喷枪为双流体雾化喷枪。
4.根据权利要求1所述的适用于SCR脱硝系统的尿素返混热解装置，其特征在于：
所述补偿风管道的数量为3-5个。
5.根据权利要求1所述的适用于SCR脱硝系统的尿素返混热解装置，其特征在于：
所述气体均流板上开具多个孔径相同的气流孔，且多个所述气流孔分布在所述气体均流板的中心处。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的适用于SCR脱硝系统的尿素返混热解装置，其特征在于：
所述入口变径段包括第一侧壁，所述第一侧壁围成两端开口形状，且靠近所述助燃风管道一侧的口径小于另一侧开口的口径。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的适用于SCR脱硝系统的尿素返混热解装置，其特征在于：
所述出口变径段包括第二侧壁，所述第二侧壁围成两端开口形状，且靠近所述出口管道一侧的口径小于另一侧开口的口径。
8.一种热解方法，其特征在于，应用权利要求1-7中任一项所述的用于SCR脱硝系统的尿素返混热解装置，包括以下步骤：
从助燃风管道引入的助燃热风与喷枪层喷入的尿素溶液混合热解；
混合热解的尿素溶液与从补偿风管道层引入的补偿热风混合；
热解后生产的气体流过气体均流板；
均匀分布的气体从出口管道流出完成尿素热解过程。
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