CN113926385A - 一种尿素催化热解制氨的设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及氨气制备技术领域，特别涉及一种尿素催化热解制氨的设备及方法。其结构包括尿素溶液供给系统，尿素催化热解炉和高温稀释风供给系统，尿素溶液供给系统将尿素溶液经过喷枪喷入所述的尿素催化热解炉内，同时，所述的高温稀释风从锅炉内直接抽取，经高温除尘后送至所述的尿素催化热解炉，所述的尿素催化热解炉将产出的氨气发送至喷氨格栅，所述的喷氨格栅通过管路连接SCR反应器，所述的SCR反应器经过空气预热器连接烟囱。本发明的一种尿素催化热解制氨的设备及方法，具有减少厂用电率、减少运行费用，提高热解反应中氨气转化率、提高热解系统的运行可靠性和可用率，从而提高整个脱硝系统的可靠性和可用率等诸多优点。
Description
技术领域
本发明涉及氨气制备技术领域，特别涉及一种尿素催化热解制氨的设备及方法。
背景技术
随着人们对健康、安全的更加重视，传统脱硝工艺中所用还原剂液氨因其存在着火、爆炸风险且本身具有毒性已被列为重大危险源，在电厂脱硝工艺中逐渐被尿素替代。国家能源局分别于2019年和2020年发文要求“加快推进尿素替代升级改造进度。”
目前，尿素制备氨气工艺主要有两种：尿素热解制氨和尿素水解制氨，其中尿素水解制氨又分为普通尿素水解制氨和尿素催化水解制氨。相对来讲，尿素水解制氨由于水解器上部有含氨气体储存，因此其仅解决了液氨的运输和卸车过程中可能产生的安全问题，而并未解决现场的危险源储存的问题。同时，由于水解反应的复杂性，其造价和响应时间等方面也存在劣势。
但对于热解而言，虽然其响应迅速且造价较低，但传统热解采用电加热器为其提供热源，同时其中间产物HNCO不能完全转化为氨气，HNCO在一定的温度下会拟反应生成类尿素物质从而形成结晶，影响整个系统的运行。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种尿素催化热解制氨的设备及方法，不仅间接使用高温烟气的热量为热解反应提供热源，从而有效降低厂用电率、降低运行费用，同时在热解炉后增设催化装置，使热解中间产物HNCO完全转化为NH3，彻底杜绝热解不完全所产生的结晶现象，提高整个热解系统的安全性及可用率。
本发明所采用的技术方案如下：
一种尿素催化热解制氨的设备，包括尿素溶液供给系统，尿素催化热解炉和高温稀释风供给系统，尿素溶液供给系统将尿素溶液经过喷枪喷入所述的尿素催化热解炉内，同时，所述的高温稀释风从锅炉内直接抽取，经高温除尘后送至所述的尿素催化热解炉，所述的尿素催化热解炉将产出的氨气发送至喷氨格栅，所述的喷氨格栅通过管路连接SCR反应器，所述的SCR反应器通过空气预热器连接烟囱。
优选地，尿素溶液供给系统包括溶解罐，所述的溶解罐通过带有输送泵的管路连接溶液储罐，所述的溶液储罐通过带有计量分配模块的管路连接所述的喷枪，所述的溶液储罐上还设置有安装有背压调节阀的循环管路。
优选地，高温稀释风供给系统包括高温除尘器，所述的高温除尘器一侧连接锅炉，另一侧通过稀释风机连接所述的尿素催化热解炉。
优选地，高温除尘器为高温陶瓷除尘器，从锅炉水平烟道尾部引出600℃高温烟气，经过经过高温陶瓷除尘器后将干净的烟气经过稀释风机输送给尿素催化热解炉用作稀释风。
优选地，尿素催化热解炉包括热解炉和催化炉，所述的热解炉的顶部连接所述的高温稀释风供给系统，所述的热解炉的底部通过管路连接所述的催化炉，所述的热解炉的顶部设置流场均布装置，所述的热解炉的中部内侧设置喷枪，所述的催化炉内设置有催化剂模块。
优选地，流场均布装置为多导流片式，设置在热解炉入口处，在所述流场均布装置的中间部位设置中心锥体，均流混合装置的外侧设置有外节套，所述外节套的内侧设置有内节套，且外节套与内节套通过内外节连接隔板连接，所述的内节套内设置有数个螺旋叶片。
优选地，催化炉为锥形结构，入口段和出口段均做变径处理，以使得所述催化炉中的介质流速降低为正常流速的1/10以下。
一种尿素催化热解制氨的方法，包括以下步骤：
A、将40-60％质量浓度的尿素溶液送到尿素催化热解炉旁，通过计量分配模块根据DCS控制系统的信号调节所需的尿素量后，经喷枪喷入热解炉内；
B、600℃高温烟气经高温除尘后，经过流场均布装置进入尿素催化热解炉；
C、高温稀释风经过流场均布装置后，通过2段扩径后流速降低，同时在尿素催化热解炉喷枪至尿素催化热解炉底部锥形区域形成稳定均匀流场和温度场，同截面温度偏差不超过±5％；
D、40-60％质量浓度的尿素溶液经喷枪雾化后喷入均匀流场中吸收热量进行分解反应；
E、分解后产物经催化室变径段后速度降为正常流速的1/10以下，催化室内装填以TiO2为载体的蜂窝状或颗粒状催化剂，催化剂中间产物经过催化剂后完全转化为NH3后经上部出口至喷氨格栅。
优选地，催化剂为蜂窝式/颗粒式，主要成分为TiO2、ZrO2、Al2O3、V2O5、WO3，催化剂用量为0.005-0.02m3/kg，催化剂比表面积为500-1500m2/m3。
优选地，在所述尿素催化热解炉出口设置3个热电偶，用于监视热解炉内温度变化。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：
本发明的一种尿素催化热解制氨的设备及方法，其设备采用了高温烟气换热器、带流场均布装置的热解炉以及定制喷枪，同时在热解炉出口加装催化剂模块，在节省电耗的同时通过流场均布装置使得热解炉内流场、温度场均处于最佳状态，有效增强了热解炉内的扰动，使传热、传质能力显著增强，在此基础上在热解炉尾部加装催化模块，使得喷入尿素热解中间产物完全转化成氨，具有反应速度极快，反应充分完全等优点，从而进一步降低能耗，杜绝热解炉内的结晶现象，提高了设备的安全性和可用率。
综上所述，本发明的一种尿素催化热解制氨的设备及方法，具有减少厂用电率、减少运行费用，提高热解反应中氨气转化率、提高热解系统的运行可靠性和可用率，从而提高整个脱硝系统的可靠性和可用率等诸多优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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。
图1为本发明的一种尿素催化热解制氨的设备及方法的系统原理图；
图2为本发明的一种尿素催化热解制氨的设备及方法的尿素催化热解炉的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一
如附图1所示，一种尿素催化热解制氨的设备，包括尿素溶液供给系统1，尿素催化热解炉2和高温稀释风供给系统3，尿素溶液供给系统1将尿素溶液经过喷枪4喷入所述的尿素催化热解炉2内，同时，所述的高温稀释风供给系统3一侧连接锅炉5，另一侧将稀释后的高温稀释风送至所述的尿素催化热解炉2，所述的尿素催化热解炉2将产出的氨气发送至喷氨格栅6，所述的喷氨格栅6通过管路连接SCR反应器7，所述的SCR反应器7通过空气预热器8连接烟囱9。
所述的高温稀释风有两种来源，一种是环境空气(或一/二次风)通过换热器升温，一种是从锅炉内直接抽取烟气，经高温除尘后通过高温稀释风机将干净的高温稀释风送至所述的尿素催化热解炉，所述的尿素催化热解炉将产出的氨气送至喷氨格栅，所述的喷氨格栅通过管路连接SCR反应器，氨气在SCR反应器中与烟气中的NOx反应从而完成NOx的脱除工作。
尿素催化热解的尿素来源于尿素溶液制备、储存、输送系统；计量分配模块根据DCS控制系统中锅炉的烟气量信号、SCR反应器出入口NOx信号，计算所需的尿素溶液量，瞬时精确调节尿素喷入量，经过定制喷枪雾化后喷入带流场均布装置的热解炉中，热解炉的热源来源于高温烟气换热器。尿素溶液在热解炉内分解后的产物经过后面的催化室中催化剂模块的催化完全转换成氨。
本实施例的尿素溶液供给系统1包括溶解罐11，所述的溶解罐11通过带有输送泵12的管路连接溶液储罐13，所述的溶液储罐13通过带有计量分配模块14的管路连接所述的喷枪4，所述的溶液储罐13上还设置有安装有背压调节阀15的循环管路16。
本实施例的高温稀释风供给系统3包括烟气换热器31，所述的烟气换热器31一侧连接稀释风机32，另一侧连接所述的尿素催化热解炉2。
本实施例中的烟气换热器包括炉内高温烟气换热器和炉外高温烟气换热器，所述的炉内高温烟气换热器为支管式，布置在锅炉水平烟道尾部，支管内的空气与管外烟气进行换热从而将空气温度提升到450-600℃；所述的炉外高温烟气换热器为管壳式，高温烟气从锅炉水平烟道尾部位置抽出，经过炉外高温烟气换热器的内管程后返回SCR反应器出口处，需换热的环境空气或一次风送入所述换炉外高温烟气换热器的管壳内，与高温烟气进行换热从而将空气温度提升到450-600℃。
高温烟气换热器入口设置稀释风机，其从锅炉水平烟道尾部引出750℃左右的高温烟气，与稀释风机提供的环境空气或一次风进行热交换，经过换热后的空气或一次风升温到450-650℃，为尿素热解提供热源的同时将产物中氨的体积浓度控制在5％以下。
所述的高温稀释风有两种来源，一种是环境空气(或一/二次风)通过换热器升温，一种是从锅炉内直接抽取烟气，经高温除尘后通过高温稀释风机将干净的高温稀释风送至所述的尿素催化热解炉。
如附图2所示，本实施例的尿素催化热解炉2包括热解炉21和催化炉22，所述的热解炉21的顶部连接所述的高温稀释风供给系统1，所述的热解炉21的底部通过管路连接所述的催化炉22，所述的热解炉21的顶部设置流场均布装置23，所述的热解炉21的中部内侧设置喷枪4，所述的催化炉23内设置有催化剂模块24。
本实施例中的流场均布装置为多导流片式，设置在热解炉入口处，在所述流场均布装置的中间部位设置中心锥体，均流混合装置的外侧设置有外节套，所述外节套的内侧设置有内节套，且外节套与内节套通过内外节连接隔板连接，所述的内节套内设置有数个螺旋叶片。具体结构可参照专利号为201220627517.x的实用新型专利公告文件。
催化炉为锥形结构，入口段和出口段均做变径处理，以使得所述催化炉中的介质流速降低为正常流速的1/10以下。
实施例二
本实施例提供一种尿素催化热解制氨的方法，包括以下步骤：
A、将40-60％质量浓度的尿素溶液送到尿素催化热解炉旁，通过计量分配模块根据DCS控制系统的信号调节所需的尿素量后，经喷枪喷入热解炉内；
B、稀释风通过高温烟气换热器，将温度提升到450-600℃，经过流场均布装置进入尿素催化热解炉；
C、高温稀释风经过流场均布装置后，通过2段扩径后流速降低，同时在尿素催化热解炉喷枪至尿素催化热解炉底部锥形区域形成稳定均匀流场和温度场，同截面温度偏差不超过±5％；
D、40-60％质量浓度的尿素溶液经喷枪雾化后喷入均匀流场中吸收热量进行分解反应；
在所述尿素催化热解炉出口设置3个热电偶，用于监视热解炉内温度变化。
E、分解后产物经催化室变径段后速度降为正常流速的1/10以下，催化室内装填以TiO2为载体的蜂窝状或颗粒状催化剂，催化剂中间产物经过催化剂后完全转化为NH3后经上部出口至喷氨格栅。催化剂为蜂窝式/颗粒式，主要成分为TiO2、ZrO2、Al2O3、V2O5、WO3，催化剂用量为0.005-0.02m3/kg，催化剂比表面积为500-1500m2/m3。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种尿素催化热解制氨的设备，包括尿素溶液供给系统，尿素催化热解炉和高温稀释风供给系统，其特征在于，所述的尿素溶液供给系统将尿素溶液经过喷枪喷入所述的尿素催化热解炉内，同时，所述的高温稀释风从锅炉内直接抽取，经高温除尘后送至所述的尿素催化热解炉，所述的尿素催化热解炉将产出的氨气发送至喷氨格栅，所述的喷氨格栅通过管路连接SCR反应器，所述的SCR反应器通过空气预热器连接烟囱。
2.根据权利要求1所述的一种尿素催化热解制氨的设备，其特征在于，所述的尿素溶液供给系统包括溶解罐，所述的溶解罐通过带有输送泵的管路连接溶液储罐，所述的溶液储罐通过带有计量分配模块的管路连接所述的喷枪，所述的溶液储罐上还设置有安装有背压调节阀的循环管路。
3.根据权利要求1所述的一种尿素催化热解制氨的设备，其特征在于，所述的高温稀释风供给系统包括高温除尘器，所述的高温除尘器一侧连接锅炉，另一侧通过稀释风机连接所述的尿素催化热解炉。
4.根据权利要求3所述的一种尿素催化热解制氨的设备，其特征在于，所述的高温除尘器为高温陶瓷除尘器，从锅炉水平烟道尾部引出600℃高温烟气，经过经过高温陶瓷除尘器后将干净的烟气经过稀释风机输送给尿素催化热解炉用作稀释风。
5.根据权利要求1或3所述的一种尿素催化热解制氨的设备，其特征在于，所述的尿素催化热解炉包括热解炉和催化炉，所述的热解炉的顶部连接所述的高温稀释风供给系统，所述的热解炉的底部通过管路连接所述的催化炉，所述的热解炉的顶部设置流场均布装置，所述的热解炉的中部内侧设置喷枪，所述的催化炉内设置有催化剂模块。
6.根据权利要求5所述的一种尿素催化热解制氨的设备，其特征在于，所述的流场均布装置为多导流片式，设置在热解炉入口处，在所述流场均布装置的中间部位设置中心锥体，均流混合装置的外侧设置有外节套，所述外节套的内侧设置有内节套，且外节套与内节套通过内外节连接隔板连接，所述的内节套内设置有数个螺旋叶片。
7.根据权利要求5所述的一种尿素催化热解制氨的设备，其特征在于，所述的催化炉为锥形结构，入口段和出口段均做变径处理，以使得所述催化炉中的介质流速降低为正常流速的1/10以下。
8.一种尿素催化热解制氨的方法，包括以下步骤：
A、将40-60％质量浓度的尿素溶液送到尿素催化热解炉旁，通过计量分配模块根据DCS控制系统的信号调节所需的尿素量后，经喷枪喷入热解炉内；
B、600℃高温烟气经高温除尘后，经过流场均布装置进入尿素催化热解炉；
C、高温稀释风经过流场均布装置后，通过2段扩径后流速降低，同时在尿素催化热解炉喷枪至尿素催化热解炉底部锥形区域形成稳定均匀流场和温度场，同截面温度偏差不超过±5％；
D、40-60％质量浓度的尿素溶液经喷枪雾化后喷入均匀流场中吸收热量进行分解反应；
E、分解后产物经催化室变径段后速度降为正常流速的1/10以下，催化室内装填以TiO2为载体的蜂窝状或颗粒状催化剂，催化剂中间产物经过催化剂后完全转化为NH3后经上部出口至喷氨格栅。
9.根据权利要求8所述的一种尿素催化热解制氨的方法，其特征在于，所述的催化剂为蜂窝式/颗粒式，主要成分为TiO2、ZrO2、Al2O3、V2O5、WO3，催化剂用量为0.005-0.02m3/kg，催化剂比表面积为500-1500m2/m3。
10.根据权利要求8所述的一种尿素催化热解制氨的方法，其特征在于，在所述尿素催化热解炉出口设置3个热电偶，用于监视热解炉内温度变化。
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