CN109603485A - 一种燃煤烟气脱硝剂的溶解制备过程工艺 - Google Patents

一种燃煤烟气脱硝剂的溶解制备过程工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃煤烟气脱硝剂的溶解制备过程工艺，包括在炉内喷入还原剂，还原剂分解与烟气反应进行脱硝，所述的还原剂包括尿素，其特征在于，在喷入还原剂时还加设磁场和加入温水，所述的磁场的磁场强度为300～900GS，所述的温水温度为20～40℃。本燃煤烟气脱硝剂的溶解制备过程工艺加快了尿素的溶解速度，而且降低了原本工艺中尿素溶解所需高温时消耗的巨大能耗，起到了节能低耗的作用，同时为实现NOx超低超稳排放提供了新的技术支撑，对改善户外空气质量有积极的意义。

Description

一种燃煤烟气脱硝剂的溶解制备过程工艺
技术领域
本发明属于工业废气治理技术领域，具体涉及一种燃煤烟气脱硝剂的溶解制备过程工艺。
背景技术
为防止锅炉内煤燃烧后产生过多的NOx污染环境，应对煤烟进行脱硝处理。燃煤锅炉烟气脱硝普遍采用选择性非催化还原法(selective non-catalytic reduction，以下简称SNCR)与选择性催化还原法(selective catalystic reduction，以下简称SCR)。SCR脱硝工艺是在320～450℃的环境中，在特定的催化剂作用下，喷入NH3使NOx还原为N2和H2O，该技术能大幅降低NOx排放量，是一种高效的烟气净化技术；SNCR则是在850～1050℃的环境向烟气中喷入还原剂(氨、尿素等)，通过选择性还原将NOx还原为N2和H2O，虽然SNCR脱硝工艺不需要催化剂的催化，但SNCR脱硝效率仅在30％～50％，远低于理论计算和实验室所能达到的80％以上，且反应温度过高容易导致较高的氨逃逸，因此国内燃煤锅炉烟气脱硝普遍采用SCR脱硝技术。
SCR脱硝技术是我国烟气脱硝控制NOx污染的主要手段，它具有占地面积小，应用技术成熟，无二次污染，脱硝效率高，多种还原剂供应方式等特点。根据SCR反应原理，利用氨气作为还原剂，与烟气中的NO发生还原反应，生成无污染的氮气和水。而还原剂氨气通常可以通过氨水、液氨或尿素三种原料获取。氨水由于运行成本较高且氨浓度含量偏低，运输、储存、使用等存在安全隐患，现在已经很少被用作脱硝还原剂；液氨(NH3)属易燃、易爆、有毒危险品，在运输、储存、使用、维护等过程存在极大的安全隐患，也已渐渐淡出脱硝市场；而尿素是一种无毒无害的固体颗粒，对环境无二次污染，以尿素作为原料制取氨气时相对于氨水及液氨具有较高的安全性，经济成本更加低廉，因此尿素已逐步代替液氨作为还原剂制备氨气。常规方法是将尿素以水溶液的形式加热溶解后，喷射至炉膛加热到反应温度进行脱硝，此种脱硝工艺中尿素溶解环境需要加温到40～80℃，待温度冷却后溶液经常结晶析出堵塞管道喷嘴造成脱硝中断，且加热溶解过程消耗巨大能源，加热不均还会产生大量未溶颗粒，既造成能耗浪费又降低了脱硝效率，严重抑制了尿素脱销工艺技术的发展。
发明内容
为了克服上述技术存在的缺陷和不足，本发明的目的是提供一种燃煤烟气脱硝剂的溶解制备过程工艺，以解决传统脱硝工艺中溶液经常结晶析出堵塞管道喷嘴造成脱硝中断，且加热溶解过程消耗巨大能源，加热不均还会产生大量未溶颗粒，既造成能耗浪费又降低了脱硝效率的瓶颈问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种燃煤烟气脱硝剂的溶解制备过程工艺，包括在炉内喷入还原剂，还原剂分解与烟气反应进行脱硝，所述的还原剂包括尿素，在喷入还原剂时还加设磁场和加入温水，所述的磁场的磁场强度为300～900GS，所述的温水温度为20～40℃。
进一步地，所述的磁场为恒定磁场或交变磁场。
进一步地，燃煤烟气脱硝剂应用于选择性非催化还原法脱硝工艺或选择性催化还原法脱硝工艺。
具体地，所述的选择性非催化还原法脱硝工艺包括在炉膛内喷入还原剂，还原剂在炉中分解与烟气反应进行脱硝处理；
所述的选择性催化还原法脱硝工艺包括在催化剂的作用下，在炉膛内喷入还原剂，还原剂在炉中分解与烟气反应进行脱硝处理。
进一步地，所述的恒定磁场来自恒定磁场装置，所述的交变磁场是将所述的恒定磁场装置与调压变压器连接，通过调压变压器进行磁场强度的调节。
优选的，所述的磁场的磁场强度为900GS，所述的温水温度为30℃。
具体地，所述的磁场的磁场强度为900GS，所述的温水温度为40℃。
具体地，所述的磁场的磁场强度为600GS，所述的温水温度为20℃。
具体地，所述的磁场的磁场强度为600GS，所述的温水温度为30℃。
具体地，所述的磁场的磁场强度为300GS，所述的温水温度为40℃。
本发明与现有技术相比具有以下技术效果：
(1)本发明通过一定强度的磁场的磁作用力和温度协同作用能大幅度增强尿素溶液分子无规则热运动，加快尿素的溶解速度，降低了原本工艺中尿素溶解所需高温时消耗的巨大能耗，一定程度上节约了尿素还原剂制备成本，起到了节能低耗的作用。
(2)本发明中在交变磁场作用后，磁场通过削弱高浓度溶液的高电泳效应，使溶液的电导率得提升空间具有显性影响，加速了尿素溶液的离子运动，使水溶晶体和离子溶解均匀稳定，避免了水溶液被动不均匀下的低脱硝效率。
(3)本发明中磁作用力可补充降温缺失的溶液热饱和温度值，溶液溶解度不会随温度变化使溶质呈晶体析出，维持了尿素溶液在脱硝工艺中的溶液稳定性。
附图说明
图1为实施例1中的永磁场示意图；
图2为实施例1中的交变磁场示意图；
图3为实施例1中在无磁场、恒定磁场及交变磁场条件下，5g尿素完全溶解所需时间随温度变化的示意图；
图4为实施例2中在无磁场、恒定磁场及交变磁场条件下，10g尿素完全溶解所需时间随温度变化的示意图；
图5为实施例2中在无磁场、恒定磁场及交变磁场条件下，15g尿素完全溶解所需时间随温度变化的示意图；
图6为实施例2中在无磁场、恒定磁场及交变磁场条件下，20g尿素完全溶解所需时间随温度变化的示意图；
图7为实例1中5g尿素在无磁场、恒定磁场和交变磁场中溶液溶解前后温度变化示意图
图8为实例2中5～20g尿素在交变磁场中溶解，溶液溶解温度前后变化示意图
图9为实施例3中不同质量尿素在恒定磁场作用下完全溶解后溶液的电导率变化示意图；
图10为实施例3中不同质量尿素在交变磁场作用下完全溶解后溶液的电导率变化示意图；
图11为实施例3中5g尿素在交变磁场和恒定磁场中溶解，溶液电导率随磁场强度变化而变化的示意图；
图12为实施例3中10g尿素在交变磁场和恒定磁场中溶解，溶液电导率随磁场强度变化而变化的示意图；
图13为实施例3中15g尿素在交变磁场和恒定磁场中溶解，溶液电导率随磁场强度变化而变化的示意图；
图14为实施例3中20g尿素在交变磁场和恒定磁场中溶解，溶液电导率随磁场强度变化而变化的示意图；
具体实施方式
本发明的技术问题提出：
目前，针对脱硝喷嘴存在的堵塞现象，人们理解为，在工业生产中，尿素的纯度低，含有大量的杂质，导致脱硝工艺中的喷嘴堵塞，一直以来解决的办法是更换大量的喷嘴；其实不然，尿素的低纯度、温度冷却后尿素溶液的重结晶以及加热不均产生大量未溶颗粒都会导致喷嘴的堵塞，本发明针对此问题，提出一种燃煤烟气脱硝剂的溶解制备过程工艺，在定径管周围布局交变磁场和永磁场，在搅拌和磁场环境综合作用下，加速尿素晶体的溶解的方法，结果表明，在此情况下，形成了稳定及不易重新结晶的电导率特征。在实际现场工艺调试中发现，加磁场环境下脱硝喷嘴口处无堵塞和结晶现象，保证了脱硝过程的连续性。磁性尿素水溶液的稳定性和迅速溶解特征，使得该发明在实际运行过程中很强的应用性，传统加热方式的溶解过程，往往消耗大量的能源且加热过程溶液温度不均匀，造成溶解效率降低，不溶尿素晶体沉淀量也较大，磁性尿素水溶液溶解过程比传统形式减少了70％的不溶沉淀量。
本发明的创新点：
(1)本发明通过一定强度的磁场的磁作用力和温度协同作用能大幅度增强尿素溶液分子无规则热运动，加快尿素的溶解速度，降低了原本工艺中尿素溶解所需高温时消耗的巨大能耗，一定程度上节约了尿素还原剂制备成本，起到了节能低耗的作用，且交变磁场磁作用力优于恒定磁场。
(2)磁场作用后尿素溶液的电导率均有所升高，且随着磁场强度的不断增加，电导率的变化幅度增大，当磁场强度增加到一定程度时，电导率的增加达到饱和现象，稳定了离子活性，而且交变磁场作用后的尿素溶液的电导率变化幅度远大于恒定磁场，磁场的强磁作用力通过改变洛伦兹力运动方向的摩擦力，减弱离子水化作用，使溶液的电导率升高。
(3)在交变磁场作用后，高浓度的尿素溶液的电导率变化要大于低浓度尿素溶液，磁场通过削弱高浓度溶液的高电泳效应，使溶液的电导率得提升空间具有显性影响，加速了尿素溶液的离子运动，使水溶晶体和离子溶解均匀稳定，避免了水溶液被动不均匀下的低脱硝效率。
(4)尿素溶解至饱和状态后溶液的热饱和温度逐渐降低，通过在交变磁场作用后，磁作用力补充了降温缺失的溶液热饱和温度值，溶液溶解度不会随温度变化使溶质呈晶体析出，维持了尿素溶液在脱硝工艺中的溶液稳定性。
选择性非催化还原法(Selective Non-Catalytic Reduction，SNCR)脱硝工艺是在不采用催化剂的情况下，在炉膛(或循环流化床分离器)内烟气适宜处均匀喷入氨或尿素等氨基还原剂。还原剂在炉中迅速分解，与烟气中的NOx反应生产N2和H2O，而基本不与烟气中的氨气发生作用的技术。其中SNCR工艺系统主要包括：(1)还原剂储存与制备系统：包括必要的输送设备、罐类设备等；(2)稀释系统：包括稀释泵或风机等设备；(3)输送系统；(4)计量分配系统；(5)尿素溶液喷射系统；(6)其他：SNCR脱硝的其他系统包括水、气、汽以及控制、消防等系统。当SNCR脱硝时，使用氨水输送泵将储罐中的氨水溶液抽出在静态混合器中和来自脱盐水罐的稀释水混合稀释后，再输送到炉前分配模块，进入喷枪，在压缩空气的作用下，雾化成液滴喷入炉内温度适合区域，与烟气进行混合，和其中的NOx发生氧化还原反应，生成氮气和水。氨水溶液输送泵和稀释水输送泵采用多级离心泵。
选择性催化还原法(Selective Catalytic Reduction，SCR)脱硝工艺是指在催化剂的作用下，利用还原剂(如NH3、液氨、尿素)来“有选择性”地与烟气中的NOx反应并生成无毒无污染的N2和H2O。SCR主要包括以下步骤：(1)还原剂的准备与储存；(2)还原剂的蒸发并与预混空气相混合；(3)还原剂与空气的混合气体在反应器前的适当位置喷入烟气系统中，其位置通常在反应器入口附近的烟道中输送系统；(4)喷入的混合气体与烟气的混合。(5)各反应物向催化剂表面的扩散并进行反应，去除NOx。
实施方法：
本发明提出的燃煤烟气脱硝剂的溶解制备过程工艺，具体包括在脱硝工艺喷射装置——定径管周围布局交变磁场和永磁场，在搅拌和磁场环境综合作用下，加速尿素晶体的溶解的方法，进而溶解制备燃煤烟气脱硝剂，实验室方案包括：设置恒定磁场装置和交变磁场装置，然后将取自工厂的尿素放置在不同磁场中进行溶解实验。
(1)恒定磁场装置的设定
在直径为32mm的不锈钢容器侧壁上捆绑6～18片铁心，铁心规格为2.5mm厚的稀土永磁铁，如磁瓦和磁环，铁心宽度为5mm，高度为4mm，通过增减铁心数量，来调节磁场的磁场强度为300～900GS；
(2)交变磁场装置的设定
采用市电(50Hz)进行交变磁场设置，将上述恒定磁场发生装置的螺线管引出线与调压变压器连接,调节市电输出的电压频率来调节磁场的磁场强度为300～900GS；
(3)尿素的溶解实验
将不同质量的尿素分别置于烧杯、内嵌不锈钢的容器中和比色管中，并分别放置在无磁场、恒定磁场装置和交变磁场装置中，注入恒温纯水，用玻璃棒匀速搅拌，使其完全溶解，记录完全溶解所需的时间和尿素溶解前后溶液的温度及溶液的电导率。
实施例1：
(1)恒定磁场装置的设定
在直径为32mm的不锈钢容器侧壁上捆绑18片铁心，铁心规格为2.5mm厚的稀土永磁铁，如磁瓦和磁环，铁心宽度为5mm，高度为4mm，此时磁场强度为900GS，并用高斯计进行测试，恒定磁场装置示意图如图1所示；
(2)交变磁场装置的设定
采用市电(50Hz)进行交变磁场设置，将上述恒定磁场发生装置的螺线管引出线与调压变压器连接，调节市电输出的电压频率来调节磁场的磁场强度与恒定磁场的磁场强度相同，均为900GS，并用高斯计进行测试，交变磁场装置示意图如图2；
(3)尿素的溶解实验
将5g尿素置于100ml烧杯中，注入50ml的温度为10～40℃的恒温纯水，并开始计时，用玻璃棒匀速搅拌，使其完全溶解，记录完全溶解所需的时间和尿素溶解前后溶液的温度；
将5g尿素置于100ml内嵌不锈钢的容器中，将不锈钢的容器插入上述恒定磁场装置中心，注入50ml的温度为10～40℃的恒温纯水，并开始计时，用玻璃棒匀速搅拌，使其完全溶解，记录完全溶解所需的时间和尿素溶解前后溶液的温度；
将5g尿素置于100ml比色管中，将比色管插入上述交变磁场装置中心，注入50ml的温度为10～40℃的恒温纯水，并开始计时，用玻璃棒匀速搅拌，使其完全溶解，记录完全溶解所需时间和尿素溶解前后溶液的温度。
将上述所得溶解所需时间数据绘制成如图3所示，即在无磁场、恒定磁场及交变磁场条件下，尿素完全溶解所需时间随温度变化的示意图。
实施例2：
同实施例1，但与实施例1不同的是，尿素的用量分别为10～20g。在无磁场、恒定磁场及交变磁场条件下，尿素完全溶解所需时间随温度变化的示意图如图4-6。
实施例1中5g尿素溶解前后的温度差变化示意图如图7所示，在交变磁场作用下的不同质量尿素溶解前后温度差变化示意图如图8所示。
从图3-6可看出，相同质量的尿素随着磁场作用的不断提高，尿素溶液分子无规则热运动越来越强烈，也就是说布朗运动越来越强烈，溶解时间便越来越快；从双视角温度和有无磁场条件来说，相同质量的尿素在磁场作用下的溶解时间远低于在无磁场作用下的溶解时间，且交变磁场对尿素溶解的促进效果要优于恒定磁场。值得注意的是在30℃条件下，相同质量的尿素在交变磁场下的溶解时间几乎等同于40℃条件下尿素在无磁场下的溶解时间和在恒定磁场下的溶解时间，也就是说交变磁场的磁化作用等效替代了加温效果，使尿素在较低温度状态下仍可加速尿素溶解，原因是尿素溶液分子在温度和磁场的协同作用下无规则热运动越来越强烈，避免了原本工艺中加热不均产生大量未溶颗粒的现象，不仅实现了加速尿素溶解的最终效果，还降低了原本工艺中所需高温时所消耗的巨大能耗，起到了节能低耗的作用。
从图7-8可以看出，溶液经过加热，不断蒸发溶剂最终完全溶解成饱和溶液，此时若降低溶液的热饱和温度，溶解度随温度变化较大的溶质就会呈晶体析出，而在磁场的磁化作用下尿素溶解前后温差变化远小于无磁场，且交变磁场的温差值远低于恒定磁场，同时在交变磁场磁化作用下，随着尿素溶液浓度的不断增加，尿素溶解前后温度变化越来越显著，且温度越高温度差越大，交变磁场磁化作用等效替代了温度效果，通过交变磁场离子的电迁移在金属内部产生的感应电流使温度升高，补充了由于降温缺失的溶液热饱和温度值，避免了尿素冷却降温时的大量结晶析出造成管道堵塞问题，维持了尿素溶液在脱硝工艺中的溶液稳定性。
实施例3
(1)恒定磁场装置的设定
同实施例1，但与实施例1不同的是，铁心的数量为6～18片，使其磁场强度为300～900GS，并用高斯计进行测试。
(2)交变磁场装置的设定
同实施例1，但与实施例1不同的是，调节市电输出的电压频率来调节磁场强度为300～900GS进行测试，并用高斯计进行测试。
(3)尿素的溶解实验
将5～20g尿素分别置于100ml内嵌不锈钢的容器中，放置在上述恒定磁场磁场强度为300～900GS的中心，注入50ml温度为30℃的恒温纯水，并开始计时，用玻璃棒匀速搅拌，使其完全溶解，测试其溶解后的电导率，将所得数据绘制成如图9所示，即不同质量尿素在恒定磁场作用下完全溶解后溶液的电导率变化示意图。
将5～20g尿素分别置于100ml比色管中，将比色管插入上述磁场强度为300～900GS的交变磁场中心，注入50ml温度为30℃的恒温纯水，并开始计时，用玻璃棒匀速搅拌，使其完全溶解，测试其溶解后的电导率，将所得数据绘制成如图10所示，即不同质量尿素在交变磁场作用下完全溶解后溶液的电导率。
从图9可看出，恒定磁场中尿素溶液的电导率发生先增加后下降的趋势，其原因是离子间作用随浓度的上升而上升，即尿素溶液浓度的不断增加，电泳效应(溶液离子在运动时所受到的摩擦力就大于其在静止介质中运动时的摩擦力，此额外摩擦力被称为电泳力，这个作用即是电泳效应)会更加明显，通过降低离子的移动迁移率，从而阻碍了电导率的增加。从图10可看出，在交变磁场作用下，电泳效应被磁化作用削弱，尿素溶液的电导率仍处于增加趋势。结合水溶晶体和离子运动的表征现象来看，尿素溶液在交变磁场的强电导率也成为尿素溶解的助力剂，不仅加速了尿素溶液的离子运动，且电导率饱和状态稳定了离子活性，使水溶晶体和离子溶解均匀稳定，避免了水溶液被动不均匀下的低脱硝效率。
将所得数据绘制成如图11-14所示，即相同浓度的尿素溶液在交变磁场和恒定磁场中，电导率随磁场强度变化而变化的示意图。
从附图11-14可看出，在恒定和交变磁场作用下不同浓度的尿素溶液的电导率均有所升高，且电导率变化的趋势也基本相同。从单一变量来说，相同浓度的尿素溶液在初始磁场强度较弱的时候，恒定和交变磁场作用下电导率变化幅度均较小，后随着磁场强度的不断增加，电导率的变化幅度增大，且在交变磁场的强磁化作用下电导率的变化幅度远大于恒定磁场，而当磁场强度增加到一定程度时，电导率的增加达到饱和状态，不再随着磁场的增加而增加。
(1)恒定磁场装置的设定
在直径为32mm的不锈钢容器侧壁上捆绑18片铁心，铁心规格为2.5mm厚的稀土永磁铁，如磁瓦和磁环，铁心宽度为5mm，高度为4mm，此时磁场强度为900GS，并用高斯计进行测试；
(2)交变磁场装置的设定
采用市电(50Hz)进行交变磁场设置，将上述恒定磁场发生装置的螺线管引出线与调压变压器连接，调节市电输出的电压频率来调节磁场的磁场强度与恒定磁场的磁场强度相同，均为900GS，并用高斯计进行测试；
(3)尿素的溶解实验
将5g尿素置于100ml烧杯中，注入50ml的温度为40℃的恒温纯水，并开始计时，用玻璃棒匀速搅拌，使其完全溶解，记录完全溶解所需的时间和尿素溶解前后溶液的温度；
将5g尿素置于100ml内嵌不锈钢的容器中，将不锈钢的容器插入上述恒定磁场装置中心，注入50ml的温度为40℃的恒温纯水，并开始计时，用玻璃棒匀速搅拌，使其完全溶解，记录完全溶解所需的时间和尿素溶解前后溶液的温度；
将5g尿素置于100ml比色管中，将比色管插入上述交变磁场装置中心，注入50ml的温度为40℃的恒温纯水，并开始计时，用玻璃棒匀速搅拌，使其完全溶解，记录完全溶解所需时间和尿素溶解前后溶液的温度。
实施例4
对SNCR工艺(SCR尿素溶液的喷射过程与之相同)中的尿素喷射装置进行本发明的设置，对喷射管道加设磁场强度为900GS的恒定磁场和交变磁场，并加入30℃的温水，进行尿素溶液的喷射，发现此时喷射装置中喷头的更换频率大幅降低，从不加磁场之前的平均20-25天更换一次，下降到平均50-60天更换一次，提升喷头寿命2倍以上。证明了磁场的设置，能促进尿素晶体的溶解，且磁场环境利于尿素溶液的稳定，不宜重新结晶堵塞喷头，大大保障了脱硝工艺的连续性，保障了脱硝效率。
现场测试统计如表1所示：
表1燃煤脱硝工艺的尿素喷射装置中喷头更换频率

Claims (10)

1.一种燃煤烟气脱硝剂的溶解制备过程工艺，包括在炉内喷入还原剂，还原剂分解与烟气反应进行脱硝，所述的还原剂包括尿素，其特征在于，在喷入还原剂时还加设磁场和加入温水，所述的磁场的磁场强度为300～900GS，所述的温水温度为20～40℃。
2.如权利要求1所述的燃煤烟气脱硝剂的溶解制备过程工艺，其特征在于，所述的磁场为恒定磁场或交变磁场。
3.如权利要求1所述的燃煤烟气脱硝剂的溶解制备过程工艺，其特征在于，所述的燃煤烟气脱硝剂应用于选择性非催化还原法脱硝工艺或选择性催化还原法脱硝工艺。
4.如权利要求3所述的燃煤烟气脱硝剂的溶解制备过程工艺，其特征在于，所述的选择性非催化还原法脱硝工艺包括在炉膛内喷入还原剂，还原剂在炉中分解与烟气反应进行脱硝处理；
所述的选择性催化还原法脱硝工艺包括在催化剂的作用下，在炉膛内喷入还原剂，还原剂在炉中分解与烟气反应进行脱硝处理。
5.如权利要求2所述的燃煤烟气脱硝剂的溶解制备过程工艺，其特征在于，所述的恒定磁场来自恒定磁场装置，所述的交变磁场是将所述的恒定磁场装置与调压变压器连接，通过调压变压器进行磁场强度的调节。
6.如权利要求1所述的燃煤烟气脱硝剂的溶解制备过程工艺，其特征在于，所述的磁场的磁场强度为900GS，所述的温水温度为30℃。
7.如权利要求1所述的燃煤烟气脱硝剂的溶解制备过程工艺，其特征在于，所述的磁场的磁场强度为900GS，所述的温水温度为40℃。
8.如权利要求1所述的燃煤烟气脱硝剂的溶解制备过程工艺，其特征在于，所述的磁场的磁场强度为600GS，所述的温水温度为20℃。
9.如权利要求1所述的燃煤烟气脱硝剂的溶解制备过程工艺，其特征在于，所述的磁场的磁场强度为600GS，所述的温水温度为30℃。
10.如权利要求1所述的燃煤烟气脱硝剂的溶解制备过程工艺，其特征在于，所述的磁场的磁场强度为300GS，所述的温水温度为40℃。
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