CN113184879A - 一种利用纳米氧化铝催化尿素水解的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用纳米氧化铝催化尿素水解的方法，涉及电厂烟气脱硝领域。该利用纳米氧化铝催化尿素水解的方法，包括制备纳米氧化铝，以纳米氧化铝为催化剂，在水解反应器内进行尿素催化水解反应，并在水解反应器下部安装有蒸汽喷射系统，水解反应器下部安装有蒸汽喷射系统，此技术可起到以下作用：水蒸汽作为汽提介质，将水解反应生成的气体及时汽提出去，水蒸汽经过蒸汽喷射系统，加强尿素溶液的湍动程度，加强气液传质，利于生成气的排出，并防止NH3在水中的溶解及逆反应的进行；高速的气体流体可对水解器中悬浮的催化剂纳米氧化铝造成扰动，使尿素溶液与催化剂的接触更加充分，有利于催化水解反应的进行，解决固定床反应器所存在的问题。
Description
技术领域
本发明涉及电厂烟气脱硝领域，具体为一种利用纳米氧化铝催化尿素水解的方法。
背景技术
火电厂烟气脱硝还原剂的制备是整个脱硝系统中很重要的一个环节。脱硝系统最常用的脱硝还原剂为NH3，而尿素是氨的理想来源，为人工合成的无毒无味的白色晶体或粉末，其理化性质较稳定，易于散装运输并长期储存。尿素广泛应用于工农业领域，其使用不会对人员和周围居民区产生不良影响。
目前，尿素催化水解的专利所应用的催化剂大多为均相催化剂，如专利《尿素催化水解装置》（201822129821.1）、专利《一种尿素催化水解的方法和装置》（201310344322.3）、专利《一种烟气脱硝用尿素催化水解制氨系统》（201920470300.4）等以磷酸盐为催化剂，进行尿素催化水解制备脱硝用氨气，而磷酸盐溶于尿素水溶液，因此存在反应后续分离困难、不利于催化剂回收利用的问题；也有少数专利采用固体催化剂进行尿素水解反应，如专利《一种固体催化剂催化水解低浓度尿素废水的方法》（201210542106.5）以活性氧化铝、沸石分子筛等为催化剂处理低浓度尿素废水，此技术是以一种固定床催化水解装置作为催化水解装置，可以有效降低废水中尿素的含量，并实现催化剂的回收利用，但是此方法仅仅是针对低浓度尿素废水所提出的一项技术，并且由于固体催化剂在固定床床层中静止不动，因此存在着以下缺点：1.催化剂载体往往导热性不良，受压降限制气体流速又不能太大，则造成床层中传热性能较差，也给温度控制带来困难；2.不能使用细粒催化剂，否则流体阻力增大，破坏了正常操作，所以催化剂的活性内表面得不到充分利用；3.催化剂的再生、更换均不方便。
发明内容
（一）解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种利用纳米氧化铝催化尿素水解的方法，解决了现有技术中尿素催化水解均相催化剂存在缺点的问题。
（二）技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种利用纳米氧化铝催化尿素水解的方法，包括制备纳米氧化铝，以纳米氧化铝为催化剂，在水解反应器内进行尿素催化水解反应，并在水解反应器下部安装有蒸汽喷射系统，水解反应器下部安装有蒸汽喷射系统，此技术可起到以下作用：1）水蒸汽作为汽提介质，将水解反应生成的气体及时汽提出去，水蒸汽经过蒸汽喷射系统，形成较高的速度，加强尿素溶液的湍动程度，加强气液传质，利于生成气的排出，并防止NH3在水中的溶解及逆反应的进行；2)高速的汽体流体可对水解器中悬浮的催化剂纳米氧化铝造成扰动，使尿素溶液与催化剂的接触更加充分，有利于催化水解反应的进行，解决固定床反应器所存在的问题。
优选的，具体的水解方法如下：
步骤一.在室温及搅拌的条件下，加入丙酮、0,0’-二(2一氨基丙基)聚丙二醇-嵌段-聚乙二醇-嵌段-聚丙二醇、异辛醇和异丙醇铝，然后滴加水，充分搅拌，待2 h后在60℃的条件下，烘箱中烘烤12 h，所得凝胶焙烧4 h，并升温至500℃，焙烧6 h得到纳米氧化铝，纳米氧化铝不溶于尿素水溶液，且可悬浮在尿素水溶液中，有利于催化剂与反应溶液的分离及催化剂的回收利用。利用此非均相催化剂进行反应，解决了均相催化剂所存在的问题；
步骤二.干的尿素颗粒散装于罐车中，罐车与气泵相连，通过气泵将空气打入罐车，从而将尿素颗粒吹入尿素溶解罐中，尿素溶解罐中装有搅拌器与加热器，利用热蒸汽进行加热，尿素颗粒溶解，尿素溶解罐与输送泵相连，通过输送泵，尿素溶液被输送到尿素溶液储存罐中，储存罐与输送泵相连，尿素溶液被输送到水解反应器中，水解反应器中安装有加热器，利用热蒸汽进行加热，催化剂罐中装有制备好的纳米氧化铝，与输送泵相连，通过输送泵将催化剂输入水解反应器中，与尿素溶液充分混合、接触，催化尿素进行水解反应；
步骤三.水解反应器的下部安装有蒸汽喷射系统，热蒸汽在水解反应器下端通入，在蒸汽喷射系统的作用下，加剧了尿素溶液的湍动程度，并造成悬浮的纳米氧化铝的扰动，从而使得尿素溶液在催化剂、加热的作用下，于130℃-160℃、0.4Mpa-0.6Mpa的条件下水解生成NH3、CO2，生成气将在蒸汽喷射系统的作用下，被汽提上升到水解反应器的上部，进入气体收集器，水解反应后产生的含有氨气的混合气经除雾后进入氨/空混合器，混合气进入脱硝系统。
优选的，步骤一中的凝胶在马沸炉中在300摄氏度的环境下进行焙烧。
优选的，步骤二中利用热蒸汽对尿素颗粒进行加热到50-60摄氏度时尿素颗粒溶解。
优选的，所述纳米氧化铝的各重量份原料为：丙酮10-15份、0,0’-二(2一氨基丙基)聚丙二醇-嵌段-聚乙二醇-嵌段-聚丙二醇12-15份、异辛醇5-7份、异丙醇铝15-18份和水25-28份。
（三）有益效果
本发明提供了一种利用纳米氧化铝催化尿素水解的方法。具备以下有益效果：
1.本发明的方法制备出的纳米氧化铝为非均相固体催化剂，不溶于尿素溶液，有利于反应后续与反应溶液的分离及催化剂的回收利用，克服了均相催化剂不利于回收利用的问题,纳米催化剂具有比表面积高（约314m2·g-1）、孔体积大（约1.5cm3·g-1）等特点，增大催化剂与尿素溶液的接触面积，利于尿素水解反应的进行。
2.水解反应器底部安装有蒸汽喷射系统，通过气泵通入的汽提介质热蒸汽可在喷射系统的作用下，以较高的速度喷入尿素溶液中，从而加强汽提效果。同时可以对尿素溶液中悬浮的纳米氧化铝造成扰动，起到搅拌作用，使反应溶液与催化剂充分接触，克服固定床反应器的缺点，加快传热速率及水解反应，在130℃-160℃、0.4MPa-0.6MPa下，产氨量可达600Kg/h左右。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
本发明实施例提供一种利用纳米氧化铝催化尿素水解的方法，包括制备纳米氧化铝，以纳米氧化铝为催化剂，在水解反应器内进行尿素催化水解反应，并在水解反应器下部安装有蒸汽喷射系统。
具体的水解方法如下：
步骤一.在室温及搅拌的条件下，加入丙酮、0,0’-二(2一氨基丙基)聚丙二醇-嵌段-聚乙二醇-嵌段-聚丙二醇、异辛醇和异丙醇铝，然后滴加水，充分搅拌，待2 h后在60℃的条件下，烘箱中烘烤12 h，所得凝胶在马沸炉中以300摄氏度的环境下进行焙烧4 h，并升温至500℃，焙烧6 h得到纳米氧化铝；
步骤二.干的尿素颗粒散装于罐车中，罐车与气泵相连，通过气泵将空气打入罐车，从而将尿素颗粒吹入尿素溶解罐中，尿素溶解罐中装有搅拌器与加热器，利用热蒸汽进行加热到50-60摄氏度，尿素颗粒溶解，尿素溶解罐与输送泵相连，通过输送泵，尿素溶液被输送到尿素溶液储存罐中，储存罐与输送泵相连，尿素溶液被输送到水解反应器中，水解反应器中安装有加热器，利用热蒸汽进行加热，催化剂罐中装有制备好的纳米氧化铝，与输送泵相连，通过输送泵将催化剂输入水解反应器中，与尿素溶液充分混合、接触，催化尿素进行水解反应；
步骤三.水解反应器的下部安装有蒸汽喷射系统，热蒸汽在水解反应器下端通入，在蒸汽喷射系统的作用下，加剧了尿素溶液的湍动程度，并造成悬浮的纳米氧化铝的扰动，从而使得尿素溶液在催化剂、加热的作用下，于130℃-160℃、0.4Mpa-0.6Mpa的条件下水解生成NH3、CO2，生成气将在蒸汽喷射系统的作用下，被汽提上升到水解反应器的上部，进入气体收集器，水解反应后产生的含有氨气的混合气经除雾后进入氨/空混合器，混合气进入脱硝系统。
纳米氧化铝的各重量份原料为：丙酮份、0,0’-二(2一氨基丙基)聚丙二醇-嵌段-聚乙二醇-嵌段-聚丙二醇12份、异辛醇5份、异丙醇铝15份和水25份。
实施例二：
纳米氧化铝的各重量份原料为：丙酮13份、0,0’-二(2一氨基丙基)聚丙二醇-嵌段-聚乙二醇-嵌段-聚丙二醇14份、异辛醇6份、异丙醇铝17份和水26份。
实施例三：
纳米氧化铝的各重量份原料为：丙酮15份、0,0’-二(2一氨基丙基)聚丙二醇-嵌段-聚乙二醇-嵌段-聚丙二醇14份、异辛醇5份、异丙醇铝18份和水25份。
各实施例纳米氧化铝的使用数据对比
| 催化时间 | 催化成本（100吨尿素） | 催化剂是否可以回收利用 | |
| 实施例一 | 12-14小时 | 12100元 | 是 |
| 实施例二 | 12-13.5小时 | 12325元 | 是 |
| 实施例三 | 13-13.5小时 | 12000元 | 是 |
| 传统催化对比 | 16-16.5小时 | 65000元 | 否 |
综上本发明的实施例可以有效的对催化时间和催化成本进行压缩，且催化剂可以回收利用，保证进一步的降低成本，更加的环保，且节约能源。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.一种利用纳米氧化铝催化尿素水解的方法，其特征在于，包括制备纳米氧化铝，以纳米氧化铝为催化剂，在水解反应器内进行尿素催化水解反应，并在水解反应器下部安装有蒸汽喷射系统。
2.根据权利要求1所述的一种利用纳米氧化铝催化尿素水解的方法，其特征在于，具体的水解方法如下：
步骤一.在室温及搅拌的条件下，加入丙酮、0,0’-二(2一氨基丙基)聚丙二醇-嵌段-聚乙二醇-嵌段-聚丙二醇、异辛醇和异丙醇铝，然后滴加水，充分搅拌，待2 h后在60-65℃的条件下，烘箱中烘烤12-13 h，所得凝胶焙烧4-5h，并升温至500-520℃，焙烧6-7h得到纳米氧化铝；
步骤二.干的尿素颗粒装于罐车中，罐车与气泵相连，通过气泵将空气打入罐车，从而将尿素颗粒吹入尿素溶解罐中，溶解尿素颗粒成尿素溶液；
步骤三.水解反应器的下部安装有蒸汽喷射系统，热蒸汽在水解反应器下端通入，在蒸汽喷射系统的作用下，加剧了尿素溶液的湍动程度，并造成悬浮的纳米氧化铝的扰动，从而使得尿素溶液在催化剂、加热的作用下，于130℃-160℃、0.4Mpa-0.6Mpa的条件下水解生成NH3、CO2，生成气将在蒸汽喷射系统的作用下，被汽提上升到水解反应器的上部，进入气体收集器，水解反应后产生的含有氨气的混合气经除雾后进入氨/空混合器，混合气进入脱硝系统。
3.根据权利要求1所述的一种利用纳米氧化铝催化尿素水解的方法，其特征在于：步骤一中的凝胶在马沸炉中在300-350摄氏度的环境下进行焙烧。
4.根据权利要求1所述的一种利用纳米氧化铝催化尿素水解的方法，其特征在于：所述纳米氧化铝的各重量份原料为：丙酮10-15份、0,0’-二(2一氨基丙基)聚丙二醇-嵌段-聚乙二醇-嵌段-聚丙二醇12-15份、异辛醇5-7份、异丙醇铝15-18份和水25-28份。
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