CN115597368B - 基于天然气热风炉加热隧道式尿素裂解炉生产氰尿酸的方法及装置 - Google Patents

基于天然气热风炉加热隧道式尿素裂解炉生产氰尿酸的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及固相法制备氰尿酸粗品生产技术领域，具体涉及一种基于天然气热风炉加热隧道式尿素裂解炉生产氰尿酸的方法及装置。包括隧道式尿素裂解炉，天然气热风炉为隧道式尿素裂解炉提供热风，热风经进炉烟道均匀进入隧道式尿素裂解炉内的金属散热管，以此加热金属散热管外部移动的尿素，使其完成裂解，转变成氰尿酸粗品；尿素的移动方向和热风的移动方向为同向或者逆向；经金属散热管后的热烟气由出炉烟道汇集到一起成为余热烟气，经排烟风机排到排烟主管道中；之后，烟气分成三部分进行利用。本发明利用天然气热风炉加热隧道式尿素裂解炉作为尿素热解时的热源来生产氰尿酸粗品，节能减耗，达到低碳、低氮排放要求。

Description

基于天然气热风炉加热隧道式尿素裂解炉生产氰尿酸的方法 及装置
技术领域
本发明涉及固相法制备氰尿酸粗品生产技术领域，具体涉及一种基于天然气热风炉加热隧道式尿素裂解炉生产氰尿酸的方法及装置。
背景技术
氰尿酸又名三聚氰酸，其分子式为C3H3N3O3，为白色结晶，无臭略有苦味，它有两种互变异构体，含有两分子结晶水，加热到150℃时失去结晶水，受热易发生解聚反应。其产品可形成多种氰尿酸衍生物，也可作为耐高温、阻燃与润滑合成材料的原料。国内生产厂家及用户较多，最大厂家的生产能力超万吨，约50%产量出口国外。近年来，氰尿酸及其衍生物的生产工艺、品种开发迅速发展，市场潜力巨大。
传统的氰尿酸生产工艺是尿素热解法，即以尿素与裂解助剂为原料，经加热高温脱氨、聚合而得到粗品氰尿酸；粗品氰尿酸经强酸精制、冷却、固液分离、干燥而得成品。目前国内氰尿酸行业固相法工艺，单位消耗天然气为120～150标方天然气/吨尿素，其裂解能耗高，热利用率低，耗气量大，污染物后续处理费用高，动力消耗大。
在尿素热解过程中需要提供650～750℃的高温热风来提供热量。这一高温热风通常由热风炉产生，燃料以天然气为主，目前普遍存在的问题是耗能问题和尾气处理问题。如何找到一种有效的方法，能够在保证热解炉内部正常生产所必须的温度的同时，降低天然气的耗气量，并且使外排烟气达到直接排放标准，是研发新型天然气热风炉装置的目标。
中国专利CN104910087A公开一种利用工业废热生产氰尿酸工艺的研究与应用，包括以下步骤：（1）将尿素、氰尿酸或氰尿酸粗品、氯化铵、碳酸铵加热反应制成预缩合产物；（2）将预缩合产物加热反应制得产物氰尿酸粗品。该专利仅仅涉及废气热源的利用，但不能降低天然气的吨尿素消耗量。
中国专利CN103086990A公开一种利用工业废热生产氰尿酸的方法及隧道式裂解炉装置，其主要利用冶金高炉、加热炉、陶瓷炉窑以及热电厂、钢铁厂、石油化工、焦化厂等外排的废气废热；或硫酸企业生产时的二氧化硫和三氧化硫中间产品气体，这些高、中温气体通过隧道式裂解炉装置释放化学能而形成工业废热，工业废热转化为尿素裂解时的热源以替代燃煤烟道气热源来生产氰脲酸粗品，粗品氰脲酸含量高且稳定。该专利中的废气废热是来源于外部系统，隧道式尿素裂解炉自身产生的废气废热依然没有得到有效的利用。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于天然气热风炉加热隧道式尿素裂解炉生产氰尿酸的方法，降低了天然气的耗气量，节能减耗，超低氮排放；本发明同时提供其装置。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：
所述的基于天然气热风炉加热隧道式尿素裂解炉生产氰尿酸的方法，包括隧道式尿素裂解炉，天然气热风炉为隧道式尿素裂解炉提供热烟气，热烟气经进炉烟道均匀进入隧道式尿素裂解炉内的金属散热管，以此加热金属散热管外部移动的尿素，使其完成裂解，转变成氰尿酸粗品；尿素的移动方向和热烟气的移动方向为同向或者逆向；热烟气与金属散热管通过对流、传导、辐射等传热过程，将热量用于加热产品，热烟气经金属散热管后，由出炉烟道汇集到一起形成余热烟气，余热烟气经排烟风机排到排烟主管道中；之后，余热烟气分成三部分进行利用：
第一部分热烟气进入余热烟气热利用管道中，由余热利用风机（配风风机）打入热风炉燃烧室外夹套和热风炉燃烧室中；打入热风炉燃烧室外夹套内的热烟气与打入热风炉燃烧室内的热烟气体积比为1:1；由于余热烟气的温度较低，使得热风炉燃烧室内的温度能够降低200℃左右，热风炉燃烧室内的温度能够保持在850℃左右；
第二部分余热烟气进入余热烟气支管道中，由控制阀控制流量后进入助燃风管道中；
第三部分余热烟气经余热管道通过空气热交换器回收热量后由烟囱排出；空气热交换器置换出的热空气进入助燃风管道中；与经余热烟气支管道、且由控制阀控制流量后进入助燃风管道中的第二部分余热烟气一起进入天然气热风炉助燃。
其中：
第一部分余热烟气占余热烟气总体积的40-55%，第二部分余热烟气占余热烟气总体积的10-25%，第三部分余热烟气占余热烟气总体积的20-40%。
根据烟囱中烟气的氧含量的大小，调整控制阀，氧含量高时调大控制阀，此时该部分烟气的流量增大，助燃风管道内的氧含量下降；控制助燃风管道内的氧含量在15-18%之间，使得天然气完全燃烧后的烟气中的氧含量和氮氧化物含量亦下降，直至氮氧化物含量达到排放标准。
所述的第三部分余热烟气经余热管道通过空气热交换器回收热量后由烟囱排空；空气热交换器置换出的热空气进入助燃风管道中；与经余热烟气支管道，且由控制阀控制流量后进入助燃风管道中的第二部分余热烟气，经助燃风机控制流量后，作为助燃风一起进入天然气热风炉助燃，以达到调节助燃空气中氧含量的目的。
所述的第三部分余热烟气在空气热交换器中与室温空气进行热交换，交换完成后的超低温废烟气由烟囱排空。
所述的天然气热风炉由热风炉燃烧室、热风炉燃烧室外夹套和热风炉混合室组成，热风炉燃烧室产生热烟气提供热源，热风炉燃烧室外夹套内的余热烟气吸收了热风炉燃烧室外壁散发的热量，降低了热风炉燃烧室的外壁温度，减少热风炉的热损失，同时可大大提高热风炉的使用寿命。
实现所述方法的装置，包括隧道式尿素裂解炉，隧道式尿素裂解炉一端通过进炉烟道与天然气热风炉相连，隧道式尿素裂解炉内部均布多根金属散热管，隧道式尿素裂解炉另一端通过出炉烟道与排烟风机相连；且排烟风机与排烟主管道相连通；
排烟主管道之后，分为三个循环支路：
第一循环支路：排烟主管道、余热烟气热利用管道、天然气热风炉依次相连；
第二循环支路：排烟主管道、余热烟气支管道、控制阀、助燃风管道依次相连；
第三循环支路：排烟主管道、余热管道、空气热交换器、烟囱依次相连；空气热交换器还与助燃风管道依次相连，助燃风管道与天然气热风炉相连。
其中：
优选的，排烟主管道之后，分为三个循环支路：
第一循环支路：排烟主管道、余热烟气热利用管道、余热利用风机、天然气热风炉依次相连；
第二循环支路：排烟主管道、余热烟气支管道、控制阀、助燃风管道、助燃风机依次相连；
第三循环支路：排烟主管道、余热管道、空气热交换器、烟囱依次相连；空气热交换器还与助燃风管道、助燃风机依次相连，助燃风机与天然气热风炉相连。
所述的天然气热风炉由热风炉燃烧室、热风炉燃烧室外夹套和热风炉混合室组成；隧道式尿素裂解炉通过进炉烟道与热风炉混合室相连。
所述的第一循环支路中，余热利用风机与天然气热风炉的热风炉燃烧室外夹套和热风炉燃烧室相连。
所述的金属散热管为无缝钢管或翅片管，无缝钢管外表焊接散热翅片。
所述的空气热交换器选用热管式热交换器。
所述的第二循环支路中，控制阀的大小调整可以为电动控制或手动控制。
本发明将尿素裂解后的余热烟气100%的充分利用。加热完产品以后的余热烟气经排烟风机从出炉烟道抽出后不直接排空，其中大部分通过余热烟气热利用管道进入天然气热风炉再加热后，又成为尿素裂解时的热源；另一部分余热烟气进入空气热交换器进行利用；最后一部分余热烟气进入助燃风管道，调节热风炉燃烧室的燃烧状况，降低排空烟气的含氧量，从而降低其NOx的含量。
影响燃料型NOX生成因素较多，与燃烧温度、燃烧时的氧含量、反应时间等有关。一、温度的升高对燃料型NOX生成量有促进作用。天然气热风炉的燃烧温度越低，NOX的含量越低。二、氧含量的增多能够强化窑炉内燃烧的氧化气氛，促进燃烧中N向NOX的转化。燃料型NOX生成量随助燃风的过剩空气系数的下降而下降，在过剩空气系数a<1时，NOX生成量急剧下降。过剩空气系数低代表着天然气燃烧时的氧含量低，此时氧被燃料中的可燃成分消耗尽，没有多余的氧与氮气进行反应。在过剩空气系数a>1.1时，天然气充分燃烧后仍有多余的氧，在热风炉燃烧室内高温热能提供动力的状况下，燃料型NOX将大量产生。本发明根据以上两个原则对余热烟气开展了针对性利用。
本发明的有益效果如下：
（1）本发明将尿素裂解完成后的大部分余热烟气当配风，通过余热烟气热利用管道进入天然气热风炉，加热后再作为尿素裂解时的热源，用于生产氰尿酸粗品，由于余热烟气的温度通常仍有150～180℃，使得再次加热过程中大大降低了天然气的消耗量，节能降耗，降低了企业的碳排放。
（2）本发明将尿素裂解完成后的部分余热烟气用于空气热交换，提高了助燃风的温度，使得热风炉燃烧时能够使用热风助燃，再次节能降耗，降低碳排放。
（3）本发明将尿素裂解完成后的少量余热烟气直接加入到助燃风管道，用于调节降低助燃风的氧含量，从而大大降低排空废气中氮氧化物的含量。
（4）本发明隧道式尿素裂解炉内部的金属散热管可以加装焊接散热翅片，达到加强散热，提高隧道式尿素裂解炉的内部温度。
（5）本发明热隧道式尿素裂解炉的排烟风机排出来的一部分余热烟气直接送入热风炉燃烧室，进入燃烧室的烟气能够适当降低火焰的温度，从而减少废气中NOX的含量；
（6）本发明隧道式尿素裂解炉的排烟风机排出来的剩余余热烟气通过余热管道进入高效的空气热交换器，空气热交换器中该部分烟气与空气进行热交换，空气吸热得到的干净热空气也进入助燃风机，冷却后的低温烟气由烟囱直排。
综上，本发明提供了一种节能降耗，低碳、低氮排放的基于天然气热风炉加热隧道式尿素裂解炉生产氰尿酸的新方法，通过天然气热风炉、隧道式尿素裂解炉和热风管道系统以及空气热交换器等设备，显著降低了固相法工艺的单位天然气耗量，即天然气的吨尿素消耗量，由原来的消耗120-150 Nm³/T降到了85-100Nm³/T，为氰尿酸生产企业大大降低了生产成本。
本发明由烟囱排出来的烟气中氮氧化物排放量，折算后能够达到50mg/m3以下的热风炉排放的严苛标准，达到了直接排放的标准。节省了工厂后续的尾气处理装置。此方法为氰尿酸行业节能减排，降耗增效提供了一条有效的技术路线。本发明的方法及装置具有设备简单、操作方便、投资运行成本低，运行稳定等特点，已在年产2万吨氰尿酸生产线上得到了应用。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图中：1、天然气热风炉；2、进炉烟道；3、隧道式尿素裂解炉；4、金属散热管；5、出炉烟道；6、排烟风机；7、排烟主管道；8、余热管道；9、余热烟气热利用管道；10、空气热交换器；11、烟囱；12、余热烟气支管道；13、控制阀；14、余热利用风机；15、助燃风管道；16、助燃风机；17、热风炉燃烧室；18、热风炉燃烧室外夹套；19、热风炉混合室。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明做进一步描述。
实施例1
所述的基于天然气热风炉加热隧道式尿素裂解炉生产氰尿酸的方法，包括隧道式尿素裂解炉3，天然气热风炉1为隧道式尿素裂解炉3提供高温热烟气，高温热烟气经进炉烟道2均匀进入隧道式尿素裂解炉3内的金属散热管4，以此加热金属散热管4外部移动的尿素，使其完成裂解，转变成氰尿酸粗品；尿素的移动方向和热烟气的移动方向为同向；热烟气经金属散热管4后，由出炉烟道5汇集到一起形成余热烟气，余热烟气经排烟风机6排到排烟主管道7中；之后，余热烟气分成三部分进行利用：
第一部分余热烟气进入余热烟气热利用管道9中，由余热利用风机14打入热风炉燃烧室外夹套18和热风炉燃烧室17中；打入热风炉燃烧室外夹套18内的余热烟气与打入热风炉燃烧室17内的余热烟气体积比为1:1；
第二部分余热烟气进入余热烟气支管道12中，由控制阀13控制流量后进入助燃风管道15中，调节助燃风的氧含量；
第三部分余热烟气经余热管道8通过空气热交换器10回收热量后由烟囱11排出；空气热交换器10置换出的热空气进入助燃风管道15中；与经余热烟气支管道12、且由控制阀13控制流量后进入助燃风管道15中的第二部分余热烟气一起进入天然气热风炉1助燃。
其中：
第一部分余热烟气占余热烟气总体积的40-55%，第二部分余热烟气占余热烟气总体积的10-25%，第三部分余热烟气占余热烟气总体积的20-40%。
所述的余热利用风机14用变频器来控制其流量，余热烟气支管道12上的控制阀13为手动控制调节，在正常生产后这两个流量都不需要再调节。
换热器10选用热管式热交换器。
根据烟囱11中烟气的氧含量的大小，调整控制阀13，氧含量高时调大控制阀13，此时该部分烟气的流量增大，助燃风管道15内的氧含量下降；控制助燃风管道15内的氧含量在15-18%之间。
第三部分余热烟气经余热管道8通过空气热交换器10回收热量后由烟囱11排空；空气热交换器10置换出的热空气进入助燃风管道15中；与经余热烟气支管道12，且由控制阀13控制流量后进入助燃风管道15中的第二部分余热烟气，经助燃风机16控制流量后，一起进入天然气热风炉1助燃。
天然气热风炉1由热风炉燃烧室17、热风炉燃烧室外夹套18和热风炉混合室19组成，热风炉燃烧室17产生热烟气提供热源，热风炉燃烧室外夹套18降低热风炉燃烧室17的外壁温度。
空气热交换器10显著提高了助燃风的温度，同时采用降低助燃风含氧量改造后，使得隧道式尿素裂解炉3的余热有效地叠加到热风炉系统中，实现能量分配和利用的最大化，实现了热能的高值利用，且设备简单、操作方便、投资运行成本低，运行稳定。
实现上述方法的装置包括隧道式尿素裂解炉3，隧道式尿素裂解炉3一端通过进炉烟道2与天然气热风炉1相连，隧道式尿素裂解炉3内部均布多根金属散热管4，隧道式尿素裂解炉3另一端通过出炉烟道5与排烟风机6相连；且排烟风机6与排烟主管道7相连通；
其中：
排烟主管道7之后，分为三个循环支路：
第一循环支路：排烟主管道7、余热烟气热利用管道9、天然气热风炉1依次相连；
第二循环支路：排烟主管道7、余热烟气支管道12、控制阀13、助燃风管道15依次相连；
第三循环支路：排烟主管道7、余热管道8、空气热交换器10、烟囱11依次相连；空气热交换器10还与助燃风管道15依次相连，助燃风管道15与天然气热风炉1相连。
优选的，排烟主管道之后，分为三个循环支路：
第一循环支路：排烟主管道7、余热烟气热利用管道9、余热利用风机14、天然气热风炉1依次相连；
第二循环支路：排烟主管道7、余热烟气支管道12、控制阀13、助燃风管道15、助燃风机16依次相连；
第三循环支路：排烟主管道7、余热管道8、空气热交换器10、烟囱11依次相连；空气热交换器10还与助燃风管道15、助燃风机16依次相连，助燃风机16与天然气热风炉1相连。
天然气热风炉1由热风炉燃烧室17、热风炉燃烧室外夹套18和热风炉混合室19组成；隧道式尿素裂解炉3通过进炉烟道2与热风炉混合室19相连。
第一循环支路中，余热利用风机14与天然气热风炉1的热风炉燃烧室外夹套18和热风炉燃烧室17相连。
金属散热管4为无缝钢管或翅片管，无缝钢管外表焊接散热翅片。
本发明由烟囱11排出来的烟气中氮氧化物排放量折算后达到了50mg/m3以下，完全达到了直排要求，节省了尾气处理装置。天然气的吨尿素消耗量由原来的消耗120-150Nm³/T降到了85-100Nm³/T，大大节约了氰尿酸产品的生产成本。

Claims (8)

1.一种基于天然气热风炉加热隧道式尿素裂解炉生产氰尿酸的方法，包括隧道式尿素裂解炉（3），其特征在于：天然气热风炉（1）为隧道式尿素裂解炉（3）提供热烟气，热烟气经进炉烟道（2）均匀进入隧道式尿素裂解炉（3）内的金属散热管（4），以此加热金属散热管（4）外部移动的尿素，使其完成裂解，转变成氰尿酸粗品；尿素的移动方向和热烟气的移动方向为同向或者逆向；热烟气经金属散热管（4）后，由出炉烟道（5）汇集到一起形成余热烟气，余热烟气经排烟风机（6）排到排烟主管道（7）中；之后，余热烟气分成三部分进行利用：
第一部分余热烟气进入余热烟气热利用管道（9）中，由余热利用风机（14）打入热风炉燃烧室外夹套（18）和热风炉燃烧室（17）中；打入热风炉燃烧室外夹套（18）内的余热烟气与打入热风炉燃烧室（17）内的余热烟气体积比为1:1；
第二部分余热烟气进入余热烟气支管道（12）中，由控制阀（13）控制流量后进入助燃风管道（15）中；
第三部分余热烟气经余热管道（8）通过空气热交换器（10）回收热量后由烟囱（11）排空；空气热交换器（10）置换出的热空气进入助燃风管道（15）中；与经余热烟气支管道（12）、且由控制阀（13）控制流量后进入助燃风管道（15）中的第二部分余热烟气，经助燃风机（16）控制流量后，一起进入天然气热风炉（1）助燃。
2.根据权利要求1所述的基于天然气热风炉加热隧道式尿素裂解炉生产氰尿酸的方法，其特征在于：第一部分余热烟气占余热烟气总体积的40-55%，第二部分余热烟气占余热烟气总体积的10-25%，第三部分余热烟气占余热烟气总体积的20-40%。
3.根据权利要求1所述的基于天然气热风炉加热隧道式尿素裂解炉生产氰尿酸的方法，其特征在于：根据烟囱（11）中烟气的氧含量的大小，调整控制阀（13），氧含量高时调大控制阀（13），此时该部分烟气的流量增大，助燃风管道（15）内的氧含量下降；控制助燃风管道（15）内的氧含量在15-18%之间。
4.根据权利要求1所述的基于天然气热风炉加热隧道式尿素裂解炉生产氰尿酸的方法，其特征在于：天然气热风炉（1）由热风炉燃烧室（17）、热风炉燃烧室外夹套（18）和热风炉混合室（19）组成，热风炉燃烧室（17）产生热烟气提供热源，热风炉燃烧室外夹套（18）降低热风炉燃烧室（17）的外壁温度。
5.一种实现权利要求1-4任一所述方法的装置，包括隧道式尿素裂解炉（3），其特征在于：隧道式尿素裂解炉（3）一端通过进炉烟道（2）与天然气热风炉（1）相连，隧道式尿素裂解炉（3）内部均布多根金属散热管（4），隧道式尿素裂解炉（3）另一端通过出炉烟道（5）与排烟风机（6）相连；且排烟风机（6）与排烟主管道（7）相连通；
排烟主管道（7）之后，分为三个循环支路：
第一循环支路：排烟主管道（7）、余热烟气热利用管道（9）、余热利用风机（14）、天然气热风炉（1）依次相连；
第二循环支路：排烟主管道（7）、余热烟气支管道（12）、控制阀（13）、助燃风管道（15）、助燃风机（16）依次相连；
第三循环支路：排烟主管道（7）、余热管道（8）、空气热交换器（10）、烟囱（11）依次相连；空气热交换器（10）还与助燃风管道（15）、助燃风机（16）依次相连，助燃风机（16）与天然气热风炉（1）相连。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：天然气热风炉（1）由热风炉燃烧室（17）、热风炉燃烧室外夹套（18）和热风炉混合室（19）组成；隧道式尿素裂解炉（3）通过进炉烟道（2）与热风炉混合室（19）相连。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：第一循环支路中，余热利用风机（14）与天然气热风炉（1）的热风炉燃烧室外夹套（18）和热风炉燃烧室（17）相连。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：金属散热管（4）为无缝钢管或翅片管，无缝钢管外表焊接散热翅片。
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