CN112191202A - 非热等离子体协同催化常温下水解尿素制氨的装置 - Google Patents

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Abstract

非热等离子体协同催化常温下水解尿素制氨的装置，属于SCR脱硝还原剂制备领域。该装置包括一套尿素供给和喷射系统、一组非热等离子体协同催化反应器和一套气体分配与收集系统，尿素供给和喷射系统喷入的尿素进入一组呈矩阵式排列的非热等离子体协同催化反应器，借助介质阻挡放电产生的非热等离子体与ZrO2、TiO2、Al2O3等尿素分解催化剂之间的协同作用在常温下实现尿素高效水解产氨。该装置结构简单，成本低廉，常温下运行，启停方便，安全隐患少，易于在电站和工业锅炉(尤其是中小型锅炉)烟气SCR脱硝中进行推广应用。

Description

非热等离子体协同催化常温下水解尿素制氨的装置
技术领域
本发明涉及一种非热等离子体协同催化常温下水解尿素制氨的装置，具体地说是一种利用非热等离子体与催化剂的协同作用在常温下高效水解尿素制氨，为氨选择性催化还原(NH3-SCR)脱硝工艺提供还原剂(NH3)的装置，属于SCR脱硝还原剂制备领域。
技术背景
氮氧化物(NOx)是重要的大气污染物之一，能导致光化学烟雾、酸雨等重大环境问题，同时是大气细颗粒物中硝酸盐的主要前体物。火电厂、工业窑炉等固定燃烧源是NOx的主要排放源之一，排放的NOx中NO占90％～95％。
以NH3为还原剂的选择性催化还原(NH3-SCR)脱硝技术于20世纪70年代末首先在日本开发成功，现已在世界范围内成为大型工业锅炉烟气脱硝的主流工艺。在NH3-SCR脱硝技术中，还原剂NH3的供应直接影响NOx的脱除效果。氨气可直接来源于液氨，也可通过氨水或尿素间接制备。由于液氨和氨水具有爆炸性、强腐蚀性和较大的毒性，运输与储存均存在较大的安全隐患，近年来以燃煤电厂为代表的固定源烟气SCR脱硝系统开始尝试采用分解尿素的方法制氨。
尿素分解制氨通常有水解法和热解法2种，其中水解法是在低温、高压(120～180℃、0.3～0.8MPa)条件下将尿素以水溶液的形式加以分解。除NH3和CO2外，尿素水解还会产生氨基甲酸铵等强腐蚀性物质以及难溶于水的缩二脲等缩合物，易导致水解设备的腐蚀、泄漏和系统管道的堵塞。此外，尿素水解器为压力容器，存在一定的安全隐患。
热解法是快速加热雾化后的尿素溶液，使其在高温、常压(350～650℃、0.1MPa)条件下分解。热解法分解尿素需提供高温烟气或空气作为热解气流，喷入热解气流中的尿素溶液经水分蒸发、尿素热解(CO(NH2)2→NH3+HNCO)、异氰酸(HNCO)水解(HNCO+H2O→NH3+CO2)等步骤形成NH3和CO2。除能耗高外，热解法还存在HNCO水解速率低(400℃以下基本不水解)、热解炉局部温度较低(＜360℃)时尿素分解不彻底，易形成缩二脲、三聚氰酸、三聚氰胺等大分子中间产物等不足。
在热解炉中引入催化剂是降低尿素分解温度、提高制氨效率、减少副产物形成的有效途径。Catalysis Science&Technology 3(2013)942-951中的研究表明，ZrO2、TiO2、Al2O3等催化剂可同时催化尿素热解与HNCO水解产氨过程，但由于尿素热解过程是速控步骤，实现尿素完全分解制氨尚需反应温度高于200℃。
非热等离子体由于具有低温(室温)下引发各类化学反应以及激活催化剂的特性，近年来得到广泛关注。将非热等离子体与尿素分解催化剂相结合，有望利用等离子体与催化剂之间的协同作用在低温(室温)下实现尿素高效水解制氨(总反应CO(NH2)2+H2O→2NH3+CO2)，从而大大简化尿素分解制氨工艺，降低制氨能耗。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非热等离子体协同催化常温下水解尿素制氨的装置，利用非热等离子体与催化剂的协同作用在常温下高效水解尿素制氨，大大简化尿素分解制氨工艺，降低制氨能耗。
非热等离子体协同催化常温下水解尿素制氨的装置，其特征在于，该装置包括一套尿素供给和喷射系统、一组非热等离子体协同催化反应器和一套气体分配与收集系统；
其中尿素供给和喷射系统包括尿素水溶液储罐(1)、尿素水溶液分配系统(2)和尿素水溶液喷射装置(3)，可通过调节尿素水溶液中尿素的浓度和喷射装置的喷射流量调节尿素的注入量；
一组非热等离子体协同催化反应器包括呈矩阵式排列的多个非热等离子体协同催化单管反应器(4)，每排布置5～50个非热等离子体协同催化单管反应器且每排5～50个非热等离子体协同催化单管反应器共用一个高压电源(5)，相邻非热等离子体协同催化单管反应器之间的间隔为5～10cm；
非热等离子体协同催化单管反应器(4)为填充式介质阻挡放电反应器，包括石英管反应器(7)、高压电极(12)、接地电极(9)、催化剂填充层(8)、石英砂板(10)、尿素喷入口、载气入口(6)和含氨气体出口(11)，石英管反应器的上部设尿素喷入口和载气入口，下部设含氨气体出口；不锈钢棒高压电极位于石英管反应器中心，与高压电源的高压输出端电连接；石英管反应器外敷不锈钢网、铝箔或铜箔作为接地电极，与高压电源的接地端电连接；尿素分解催化剂填充在石英管反应器内壁与不锈钢棒高压电极的环隙间，由石英管反应器内布设的石英砂板支撑且完全置于放电区域内；
每个石英管反应器(7)的尿素喷入口安装有一个尿素水溶液喷射装置(3)，尿素水溶液储罐(1)通过尿素水溶液分配系统(2)与每一个尿素水溶液喷射装置(3)连接。
高压电源(5)选用交流或脉冲高压电源，可通过调节高压电源输出的电压、频率等调节输入非热等离子体协同催化反应器的放电功率。
非热等离子体协同催化单管反应器中的石英管反应器、高压电极和接地电极的尺寸以反应器内能产生有效放电且放电功率和催化剂装填量满足尿素水解需求为依据进行调节。非热等离子体协同催化单管反应器中填充的尿素分解催化剂选自ZrO2、TiO2、Al2O3等具有较高催化尿素水解活性的材料。
尿素分解过程中，一定流量的氮气或空气从各个非热等离子体协同催化单管反应器的载气入口进入反应器，氨气等尿素分解产物随载气流出反应器后被收集或用于SCR脱硝。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
1、该装置可以根据SCR脱硝对于还原剂的需求量调整非热等离子体协同催化单管反应器的数量，使得尿素分解产氨量与SCR脱除NOx的量进行匹配，达到预定脱硝效率的同时减少氨逃逸。
2、该装置结构简单，成本低廉，常温下运行，启停方便，尿素分解制氨能耗低。
3、该装置安全隐患少，易于在电站和工业锅炉(尤其是中小型锅炉)烟气SCR脱硝中进行推广应用。
附图说明
图1为本发明非热等离子体协同催化常温下水解尿素制氨的装置示意图。
图2为非热等离子体协同催化单管反应器结构示意图。
图中，1为尿素水溶液储罐，2为尿素水溶液分配系统，3为尿素水溶液喷射装置，4为非热等离子体协同催化反应器，5为高压电源，6为载气入口，7为石英管反应器，8为尿素分解催化剂，9为不锈钢网、铝箔或铜箔接地电极，10为石英砂板，11为含氨气体出口，12为不锈钢棒高压电极。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
如图1所示，尿素水溶液储罐(1)中的尿素水溶液经尿素水溶液分配系统(2)和尿素水溶液喷射装置(3)喷入各个非热等离子体协同催化单管反应器(4)，通过调节尿素水溶液中尿素的浓度和喷射装置的喷射流量可调节尿素的注入量。
非热等离子体协同催化单管反应器呈矩阵式排列，每排布置5～50个非热等离子体协同催化单管反应器且每排5～50个非热等离子体协同催化单管反应器共用一个交流或脉冲高压电源(5)，电源输出电压、频率等根据需要进行设置；相邻非热等离子体协同催化单管反应器之间的间隔为5～10cm。
如图1和2所示，非热等离子体协同催化单管反应器(4)为填充式介质阻挡放电反应器，包括石英管反应器(7)、高压电极(12)、接地电极(9)、催化剂填充层(8)、石英砂板(10)、尿素喷入口、载气入口(6)和含氨气体出口(11)，石英管反应器的上部设尿素喷入口和载气入口，下部设含氨气体出口；不锈钢棒高压电极位于石英管反应器中心，与高压电源的高压输出端电连接；石英管反应器外敷不锈钢网、铝箔或铜箔作为接地电极，与高压电源的接地端电连接；尿素分解催化剂填充在石英管反应器内壁与不锈钢棒高压电极的环隙间，由石英管反应器内布设的石英砂板支撑且完全置于放电区域内。
非热等离子体协同催化单管反应器中的石英管反应器、高压电极和接地电极的尺寸以反应器内能产生有效放电且放电功率和催化剂装填量满足尿素水解需求为依据进行调节。非热等离子体协同催化单管反应器中填充的尿素分解催化剂选自ZrO2、TiO2、Al2O3等具有较高催化尿素水解活性的材料。
尿素分解过程中，一定流量的氮气或空气从各个非热等离子体协同催化单管反应器的载气入口进入反应器，氨气等尿素分解产物随载气流出反应器后被收集或用于SCR脱硝。
实施例1
以ZrO2为尿素分解催化剂，以内径7.5mm，壁厚1mm，长50cm的石英管作为石英管反应器，直径1mm的不锈钢棒为高压电极，4cm长的铝箔为接地电极。取适量ZrO2置于放电区域中，将流量为1L/min的氮气作为载气通入非热等离子体协同催化单管反应器，尿素水溶液浓度为4wt％，喷射流量为16.7μL/min，交流高压电源输出电压22kV，频率200Hz，放电功率为48W，获得的NH3产率为90％。
实施例2
以Al2O3为尿素分解催化剂，以内径28mm，壁厚1.5mm，长40cm的石英管作为石英管反应器，直径1.4mm的不锈钢棒为高压电极，5cm长的铝箔为接地电极。取适量Al2O3置于放电区域中，将流量为1L/min的空气作为载气通入非热等离子体协同催化单管反应器，尿素水溶液浓度为25wt％，喷射流量为20μL/min，交流高压电源输出电压21kV，频率200Hz，放电功率为44W，获得的NH3产率为70％。
上述实施例表明，借助非热等离子体与催化剂的协同作用可在常温下高效水解尿素制氨，制氨工艺简单，成本低廉。但本发明并不限于上述实施例。

Claims (5)

1.一种非热等离子体协同催化常温下水解尿素制氨的装置，其特征在于：该装置包括一套尿素供给和喷射系统、一组非热等离子体协同催化反应器和一套气体分配与收集系统；
其中尿素供给和喷射系统包括尿素水溶液储罐(1)、尿素水溶液分配系统(2)和尿素水溶液喷射装置(3)，可通过调节尿素水溶液中尿素的浓度和喷射装置的喷射流量调节尿素的注入量；
一组非热等离子体协同催化反应器包括呈矩阵式排列的多个非热等离子体协同催化单管反应器(4)，每排布置5～50个非热等离子体协同催化单管反应器且每排5～50个非热等离子体协同催化单管反应器共用一个高压电源(5)，相邻非热等离子体协同催化单管反应器之间的间隔为5～10cm；
非热等离子体协同催化单管反应器(4)为填充式介质阻挡放电反应器，包括石英管反应器(7)、高压电极(12)、接地电极(9)、催化剂填充层(8)、石英砂板(10)、尿素喷入口、载气入口(6)和含氨气体出口(11)，石英管反应器的上部设尿素喷入口和载气入口，下部设含氨气体出口；不锈钢棒高压电极位于石英管反应器中心，与高压电源的高压输出端电连接；石英管反应器外敷不锈钢网、铝箔或铜箔作为接地电极，与高压电源的接地端电连接；尿素分解催化剂填充在石英管反应器内壁与不锈钢棒高压电极的环隙间，由石英管反应器内布设的石英砂板支撑且完全置于放电区域内；
每个石英管反应器(7)的尿素喷入口安装有一个尿素水溶液喷射装置(3)，尿素水溶液储罐(1)通过尿素水溶液分配系统(2)与每一个尿素水溶液喷射装置(3)连接。
2.根据权利要求1所述的一种非热等离子体协同催化常温下水解尿素制氨的装置，其特征在于：所述高压电源(5)为交流高压电源或脉冲高压电源，可通过调节高压电源输出的电压、频率等调节输入非热等离子体协同催化反应器的放电功率。
3.根据权利要求1所述的一种非热等离子体协同催化常温下水解尿素制氨的装置，其特征在于：所述非热等离子体协同催化单管反应器中的石英管反应器、高压电极和接地电极的尺寸以反应器内能产生有效放电且放电功率和催化剂装填量满足尿素水解需求为依据进行调节。
4.根据权利要求1所述的一种非热等离子体协同催化常温下水解尿素制氨的装置，其特征在于：所述非热等离子体协同催化单管反应器中填充的尿素分解催化剂选自ZrO2、TiO2、Al2O3等具有较高催化尿素水解活性的材料。
5.根据权利要求1所述的一种非热等离子体协同催化常温下水解尿素制氨的装置，其特征在于：所述气体分配与收集系统包括载气供给与分配系统和反应器出口含氨气体收集系统，其中载气供给与分配系统用于向各个非热等离子体协同催化单管反应器输送一定流量的氮气或空气作为载气，氨气等尿素分解产物随载气流出反应器后被收集和利用。
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