CN114377547A - 一种天然气制氢转化炉烟气低氮处理装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提出了一种天然气制氢转化炉烟气低氮处理装置及方法，包括设置在燃烧炉上的烟气段，所述烟气段包括依次连接的第一水平管段、门型管段和第二水平管段；所述第一水平管段为烟气入口段，其内设置有用于喷洒脱硝剂的喷嘴；所述门型管段内设置有多个换热器，所述门型管段内位于所述换热器与所述第二水平管段之间的位置上设置有脱硝催化剂；本公开利用天然气制氢转化炉本体结构及各段的温度区间，实现转化炉烟气氮氧化物的超低排放，不设置专门的脱硝剂热解装置；利用炉内各段的换热管网结构，实现氨气的均匀导流，避免了专门导流结构的设置。
Description
技术领域
本公开属于大气污染物减排治理技术领域，尤其涉及一种天然气制氢转化炉烟气低氮处理装置及方法。
背景技术
氢作为现今最具有发展潜力的一种能源，来源广泛，几乎不产生污染，转化效率高，应用前景广泛；利用天然气制取氢气，可以在一定程度上缓解能源危机，进一步促进能源利用结构的转变；从天然气制取氢气过程的反应原理可以得到，天然气和水蒸气的反应需要高温条件；为了提供高温反应条件，现多使用高温烟气换热的方式实现，即设置燃烧炉，通过燃烧器产生高温烟气，通过换热提供高温反应环境；为了充分利用能量，采用梯级换热的方式逐渐提高天然气和水蒸气的温度。
本公开发明人发现，1.现在还没有燃烧炉脱硝系统与炉体一体化设计的工艺方案，在专利公开号为CN112827335A的一种低NOX烟气排放的天然气制氢工艺的专利申请中，直接将脱硝剂加入炉子高温区，与氮氧化物进行非催化还原反应，该方案因未经过催化反应，脱硝效率低，一般难以达到较低的氮氧化物排放，更难达到超低排放；2.加入炉内的脱硝剂在高温下能迅速分解生成氨气和二氧化碳，分解产生的氨气作为脱硝剂使用，通常需要设置专门的导流结构，实现氨气的均匀导流，增加了设计成本。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种天然气制氢转化炉烟气低氮处理装置及方法，本公开利用天然气制氢转化炉本体结构及各段的温度区间，实现转化炉烟气氮氧化物的超低排放，不设置专门的脱硝剂热解装置；利用炉内各段的换热管网结构，实现氨气的均匀导流，避免了专门导流结构的设置。
为了实现上述目的，第一方面，本公开提供了一种天然气制氢转化炉烟气低氮处理装置，采用如下技术方案：
一种天然气制氢转化炉烟气低氮处理装置，包括设置在燃烧炉上的烟气段，所述烟气段包括依次连接的第一水平管段、门型管段和第二水平管段；
所述第一水平管段为烟气入口段，其内设置有用于喷洒脱硝剂的喷嘴；所述门型管段内设置有多个换热器，所述门型管段内位于所述换热器与所述第二水平管段之间的位置上设置有脱硝催化剂。
进一步的，所述换热器采用管式换热器，管内为天然气和水蒸气。
进一步的，所述换热器上的多个管道平行交错设置，管道所在位置处所述门型管段的轴线与管道的轴线垂直。
进一步的，多个换热器的出口和入口依次连接，每个换热器入口管道上均设置有调节阀。
进一步的，多个换热器内流体的流向与所述烟气段内烟气的流向相反。
进一步的，所述脱硝催化剂为蜂窝式或者板式脱硝催化剂。
进一步的，所述脱硝催化剂与炉体一体化设计。
进一步的，所述脱硝催化剂设置在所述门型管段靠近所述第二水平管段的一端。
进一步的，所述喷嘴的喷射方向与所述烟气段内烟气的流动方向相同。
为了实现上述目的，第二方面，本公开还提供了一种天然气制氢转化炉烟气低氮处理方法，采用如下技术方案：
一种天然气制氢转化炉烟气低氮处理方法，采用了如第一方面中所述的天然气制氢转化炉烟气低氮处理装置，包括：
烟气进入所述第一水平管段后，所述喷嘴将脱硝剂喷入，所述第一水平管段内的温度为600～700℃；脱硝剂分解得到氨气；
氨气经过多个换热器，均匀的进入脱硝催化剂与氮氧化物发生还原反应；
进入脱硝催化剂的烟气温度为380～420℃。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
1.本公开中，利用天然气制氢转化炉本体结构及各段的温度区间，满足了脱硝剂热解对温度的要求，以及满足了脱硝催化剂与氮氧化物发生还原反应对温度的要求，实现了转化炉烟气氮氧化物的超低排放，并且不需要设置专门的尿素热解装置；
2.本公开中，利用炉内各段的换热管网结构，实现氨气的均匀导流，不设置专门的导流结构；
3.本公开中，脱硝催化反应器与炉体一体化设计，不设置单独的反应器。
附图说明
构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。
图1为本公开实施例1的结构示意图；
图2为本公开实施例1的烟气、天然气和水蒸气流向示意图；
图3为本公开实施例1的换热器结构示意图；
其中，1、烟气段，11、第一水平管段，12、门型管段，13、第二水平管段，2、喷嘴，3、第一换热器，4、第二换热器，5、第三换热器，6、脱硝催化剂，7、管道。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
天然气制氢工艺的原理就是先对天然气进行预处理，然后在转化炉中将甲烷和水蒸汽转化为一氧化碳和氢气等，在变换塔中将一氧化碳变换成二氧化碳和氢气的过程；如下：
天然气和水蒸汽在800～900℃高温和氧化镍催化剂的条件下反应生成一氧化碳和氢气，反应式为：CH4+H2O→CO+H2-Q；
一氧化碳和水在300-400℃条件下和三氧化二铁催化剂的条件下反应生成二氧化碳和氢气，反应式为：CO+H2O→CO2+H2+Q。
从反应原理可以看出，天然气和水蒸气的反应需要高温条件。为了提供高温反应条件，现多使用高温烟气换热的方式实现，即设置燃烧炉，通过燃烧器产生高温烟气，通过换热提供高温反应环境。为了充分利用能量，采用梯级换热的方式逐渐提高天然气和水蒸气的温度；燃烧炉燃料一般可直接采用天然气，燃烧过程中因为燃烧温度较高，会产生高浓度的氮氧化物烟气，需要进行处理才能达标排放。
正如背景技术中记载的，1.现在还没有燃烧炉脱硝系统与炉体一体化设计的工艺方案，在专利公开号为CN112827335A的一种低NOX烟气排放的天然气制氢工艺的专利申请中，直接将脱硝剂加入炉子高温区，与氮氧化物进行非催化还原反应，该方案因未经过催化反应，脱硝效率低，一般难以达到较低的氮氧化物排放，更难达到超低排放；2.加入炉内的脱硝剂在高温下能迅速分解生成氨气和二氧化碳，分解产生的氨气作为脱硝剂使用，通常需要设置专门的导流结构是，实现氨气的均匀导流，增加了设计成本。
实施例1：
如图1所示，本实施例提供了一种天然气制氢转化炉烟气低氮处理装置，包括设置在燃烧炉上的烟气段1，所述烟气段1包括依次连接的第一水平管段11、门型管段12和第二水平管段13；
所述第一水平管段11为烟气入口段，其内设置有用于喷洒脱硝剂的喷嘴2；所述门型管段12内设置有多个换热器，所述门型管段12内位于所述换热器与所述第二水平管段13之间的位置上设置有脱硝催化剂6；
在本实施例中，多个换热器可以包括三个，分别为第一换热器3、第二换热器4和第三换热器5，具体的，所述第一换热器3和所述第二换热器4设置在所述门型管段12的一端竖直管段内，所述第三换热器5设置在所述门型管段12的另一端竖直管段内；所述门型管段12结构的设置，与两侧的换热器配合，使得烟气中的脱硝剂(氨气)在流动过程中得到充分的分散，有利于氨气在烟气中的均匀分散，提高了在后期脱硝催化剂6内反应效果。
在本实施例中，所述换热器采用管式换热器，管内为天然气和水蒸气；如图3所示，所述换热器上的多个管道7平行交错设置，管道7所在位置处所述门型管段12的轴线与管道的轴线垂直；
多个管道7平行交错设置，使得经过换热器的烟气和氨气流向不断发生变化，使得氨气得到充分扩散，同时，氨气在管道的作用下形成分流，进一步对烟气和氨气进行混合处理。
在本实施例中，多个换热器的出口和入口依次连接，每个换热器入口管道上均设置有调节阀；
具体的，可以通过调节调节阀的开度来控制每个换热器内流体的流速和压力，从而实现调节不同换热器换热效率的目的，实现根据需求控制不同换热器处烟气温度的调节；可以理解的，可以在每个换热器处设置温度传感器进行烟气温度的检测。
在本实施例中，如图2所示，多个换热器内流体的流向与所述烟气段1内烟气的流向相反；
可以理解的，在所述第一水平管段11处，需要600～700℃的高温，对应的，所述第一换热器3内的液体经过了多级加热，使得所述第一换热器3需要的温度较少，保证了所述第一水平管段11处的高温要求；同样的，所述第二水平管段13前的脱销催化剂6处需要的温度为380～420℃，要求温度较低，对应的第三换热器5内的液体刚开始换热，本身温度较低，需要热能较多，保证了脱销催化剂6处需要的温度为380～420℃。
在本实施例中，所述脱硝催化剂6为蜂窝式或者板式脱硝催化剂；所述脱硝催化剂与炉体一体化设计；
具体的，脱硝催化反应器与炉体一体化设计，不设置单独的反应器，降低了设计成本。
在本实施例中，所述脱硝催化剂6设置在所述门型管段12靠近所述第二水平管段13的一端。
在本实施例中，所述喷嘴2的喷射方向与所述烟气段1内烟气的流动方向相同；
可以理解的，所述喷嘴2的喷射方向与所述烟气段1内烟气的流动方向相同，有利于氨气的快速流动。
本实施例的目的是解决天然气制氢燃烧炉烟气脱硝的问题，保证烟气排放达到超低排放标准；利用炉内各温度段，实现脱硝剂(尿素)的热解及催化还原脱硝的工艺，不用设置传统的反应器和热解装置。
本实施例的工作原理或过程为：
如图1所示，高温烟气从所述第一水平管段11进入，经过所述门型管段12，从所述第二水平管段13排出；
所述第一水平管段11的烟气温度一般为600～700℃；
所述第一换热器3、所述第二换热器4和所述第三换热器5是设置在烟气段的各级换热器，可以采用管式换热器的形式，管外为烟气段内烟气，管内为天然气和水蒸气；经过从后到前的各级换热器，天然气和水蒸气逐渐升温，烟气温度逐渐下降；在所述第三换热器5之后的烟气温度约为380℃-420℃(催化反应温度窗口)；在本实施例中，所述换热器为3级，在其他实施例中，换热器可以为两级或更多级；
在所述第三换热器5之后的烟气段内，为脱硝催化剂段，其中安装用于烟气催化脱硝的催化剂6；
在所述第一水平管段11之后，利用所述喷嘴2将脱硝剂(尿素溶液)喷入烟道段，此段的温度与入口段烟气的温度相近，为600～700℃；尿素一般在150℃时就进行分解，在600～700℃的高温下能迅速分解生成氨气和二氧化碳，分解产生的氨气作为脱硝剂使用；
脱硝剂(氨气)经过烟道段内各级换热器，均匀的进入催化剂段与氮氧化物发生还原反应；
如图3所示，所述换热器上的多个管道7平行交错设置，烟气流经换热器的管束，在管束作用下形成紊流和均流作用。
所述脱硝催化剂6为蜂窝式或者板式催化剂；
经过烟气在之前各段的降温，控制进入所述脱硝催化剂6的烟气温度为380～420℃，为脱硝反应的最佳反应温度。
本实施例中，经过温度检测、热力计算和换热调节等手段，保证烟气在进入所述脱硝催化剂6的温度为380～420℃，同时管内混合气体经过逐级加热，达到分解温度。
实施例2：
本实施例提供了一种天然气制氢转化炉烟气低氮处理方法，采用了如实施例1中所述的天然气制氢转化炉烟气低氮处理装置，包括：
烟气进入所述第一水平管段后，所述喷嘴将脱硝剂喷入，所述第一水平管段内的温度为600～700℃；脱硝剂分解得到氨气；
氨气经过多个换热器，均匀的进入脱硝催化剂与氮氧化物发生还原反应；
进入脱硝催化剂的烟气温度为380～420℃。
以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种天然气制氢转化炉烟气低氮处理装置，包括设置在燃烧炉上的烟气段，其特征在于，所述烟气段包括依次连接的第一水平管段、门型管段和第二水平管段；
所述第一水平管段为烟气入口段，其内设置有用于喷洒脱硝剂的喷嘴；所述门型管段内设置有多个换热器，所述门型管段内位于所述换热器与所述第二水平管段之间的位置上设置有脱硝催化剂。
2.如权利要求1所述的一种天然气制氢转化炉烟气低氮处理装置，其特征在于，所述换热器采用管式换热器，管内为天然气和水蒸气。
3.如权利要求2所述的一种天然气制氢转化炉烟气低氮处理装置，其特征在于，所述换热器上的多个管道平行交错设置，管道所在位置处所述门型管段的轴线与管道的轴线垂直。
4.如权利要求1所述的一种天然气制氢转化炉烟气低氮处理装置，其特征在于，多个换热器的出口和入口依次连接，每个换热器入口管道上均设置有调节阀。
5.如权利要求4所述的一种天然气制氢转化炉烟气低氮处理装置，其特征在于，多个换热器内流体的流向与所述烟气段内烟气的流向相反。
6.如权利要求1所述的一种天然气制氢转化炉烟气低氮处理装置，其特征在于，所述脱硝催化剂为蜂窝式或者板式脱硝催化剂。
7.如权利要求6所述的一种天然气制氢转化炉烟气低氮处理装置，其特征在于，所述脱硝催化剂与炉体一体化设计。
8.如权利要求6所述的一种天然气制氢转化炉烟气低氮处理装置，其特征在于，所述脱硝催化剂设置在所述门型管段靠近所述第二水平管段的一端。
9.如权利要求1所述的一种天然气制氢转化炉烟气低氮处理装置，其特征在于，所述喷嘴的喷射方向与所述烟气段内烟气的流动方向相同。
10.一种天然气制氢转化炉烟气低氮处理方法，其特征在于，采用了如权利要求1-9任一项所述的天然气制氢转化炉烟气低氮处理装置，包括：
烟气进入所述第一水平管段后，所述喷嘴将脱硝剂喷入，所述第一水平管段内的温度为600～700℃；脱硝剂分解得到氨气；
氨气经过多个换热器，均匀的进入脱硝催化剂与氮氧化物发生还原反应；
进入脱硝催化剂的烟气温度为380～420℃。
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2021
- 2021-12-03 CN CN202111470632.0A patent/CN114377547A/zh active Pending
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