CN116425174A - 一种碳酸氢铵流化床热解制氨系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳酸氢铵流化床热解制氨系统及方法，包括热解炉、碳酸氢铵料仓、破碎装置及粉料输送机；热解炉的底部设置有热解炉气体入口，热解炉的顶部设置有热解炉气体出口，碳酸氢铵料仓的出口经破碎装置及粉料输送机与热解炉侧面的热解炉固体进料口相连通，热解炉内设置有气体分布板，该系统及方法能够避免溶解水蒸发吸热，能耗较低，同时给料均匀性及制氨系统运行稳定性优异。
Description
技术领域
本发明属于氨气制备技术领域，涉及一种碳酸氢铵流化床热解制氨系统及方法。
背景技术
NOx是造成大气污染、光化学烟雾、酸雨的主要根源之一。“超净排放”标准，对脱硝技术提出了严格的要求。其中，利用氨气作为还原剂的选择性催化还原(SCR)脱硝工艺效率高应用广泛。
脱硝系统常用的制氨试剂包括液氨、氨水和尿素三种。液氨法虽然成本低、系统简单，但是存在重大安全隐患，在运输和储存过程中都存在危险。氨水也是一种危险化学品，且含氨量低，运输体积大成本高，需要大型存储设备，制氨能耗也高。尿素法的主要优势在于其安全性，但尿素原料成本高，系统的投资和运行成本都要高于液氨系统，且分解生成的异氰酸和缩二脲等副产物会引起设备管道腐蚀，以及催化剂的堵塞中毒。随着烟气净化技术的不断发展，国家对于脱硝系统还原剂的安全性提出了新的要求，急需开发满足安全要求，同时更加高效经济的新型脱硝还原剂。
碳酸氢铵常温常压下以固态颗粒储存，是我国除了尿素之外的第二大氮肥，来源广泛。与液氨和氨水相比，碳酸氢铵在储存和运输方面不存在安全问题。与尿素相比，碳酸氢铵分解温度低，在100℃以下就可以从颗粒态直接热解生成氨气，且热解速度随温度升高迅速增大；同时，碳酸氢铵比尿素价格便宜，因此碳酸氢铵制氨系统潜在经济性更好。
目前，利用碳酸氢铵作为SCR制氨试剂的技术方案和系统中，主要可以分为溶液湿法制氨和固体热解制氨两类。其中，溶液湿法制氨工艺主要通过分解高浓度的碳酸氢铵溶液实现氨气的制备(CN201010194802、CN202111307077)。由于碳酸氢铵溶解度低，这类工艺在加热分解时水蒸发会消耗大量的热能；此外，若通过提高储存温度(～90℃)提高溶解度，则会造成碳酸氢铵溶液在储存时大量分解，导致氨气逸出和原料浪费，同时造成罐体破裂的危险。
另一方面，现有专利中的固体热解法均通过文丘里混合器和送粉风机来实现碳酸氢铵进料控制(CN200910086856、CN201010276538)，在实际运行中会出现碳酸氢铵给料不均匀，制备的氨气容易出现波动，影响到最终的脱硝效果。此外，两者均利用热空气实现对碳酸氢铵的依托作用，由于碳酸氢铵固体容易结块大小不均，该方法不能很好地控制反应物的停留时间，气流速度小的情况下导致部分碳酸氢铵沉积在热解炉底部，气流速度大的情况下又会导致未完全分解的碳酸氢铵被带出，进入脱硝喷氨系统造成堵塞，影响脱硝运行效果。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种碳酸氢铵流化床热解制氨系统及方法，该系统及方法能够避免溶解水蒸发吸热，能耗较低，同时给料均匀性及制氨系统运行稳定性优异。
为达到上述目的，本发明所述的碳酸氢铵流化床热解制氨系统包括热解炉、碳酸氢铵料仓、破碎装置及粉料输送机；
热解炉的底部设置有热解炉气体入口，热解炉的顶部设置有热解炉气体出口，碳酸氢铵料仓的出口经破碎装置及粉料输送机与热解炉侧面的热解炉固体进料口相连通，热解炉内设置有气体分布板。
热解炉底部的侧面设置有灰渣出口。
还包括气固分离器，热解炉顶部的热解炉气体出口与气固分离器的分离器入口相连通，气固分离器的顶部设置有产品气出口。
气固分离器底部的分离器固体出口与热解炉侧面的返料口相连通。
碳酸氢铵料仓的顶部开口处设置有安全阀。
所述热解炉顶部的内侧设置有换热装置。
本发明所述的碳酸氢铵流化床热解制氨方法包括以下步骤：
碳酸氢铵料仓输出的碳酸氢铵经破碎装置破碎后再经粉料输送机输入到热解炉中，并在热解炉中进行热解产生氨气、二氧化碳和水蒸气，其中，热解炉输出的混合气体及未完全分解的固体颗粒进入到气固分离器中进行分离，气固分离器分离出来的气体经产品气出口排出，气固分离器分离出来的固体颗粒返回至热解炉中。
热解炉的热源来自经热解炉气体入口进入热解炉的热流化气流或者换热装置。
热解过程中，热解炉内的温度大于等于150℃。
热解过程中，热解炉内的温度为220-250℃。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的碳酸氢铵流化床热解制氨系统及方法在具体操作时，采用碳酸氢铵作为制氨试剂，运输储存安全，避免使用液氨及氨水时的安全隐患，原料的安全性较高，成本较低，其中，需要说明的是，2022年3月份尿素的价格为2900元/吨，碳酸氢铵价格为950元/吨。即使用尿素制氨的原料成本为5.12元/kg NH3，而使用碳酸氢铵制氨的原料成本更低，为4.42元/kg NH3。另外，本发明利用碳酸氢铵固体直接热解实现氨气制备，避免溶解水蒸发吸热，只需要提供碳酸氢铵固体分解的反应热，从而降低了制氨过程的能耗。同时需要说明的是，由于碳酸氢铵易吸潮结块，载气输送的方式容易造成给料不均匀。本发明采用固体粉料输送装置进行碳酸氢铵原料的输送进料，属于容积式输送装置，实现固体粉料的计量输送，易于集中控制，从而实现碳酸氢铵的均匀给料，并根据负荷需求及时调控给料量，碳酸氢铵给料均匀性较高。最后需要说明的是，本发明中热解炉采用流化床的结构设计，气流和固体颗粒之间传热良好，温度均匀，位于热解炉下部的气体分布板可以支撑碳酸氢铵颗粒，避免碳酸氢铵在炉底沉积，同时使碳酸氢铵固体均匀流化受热。热解炉中被气流带出的碳酸氢铵颗粒，以及经过空气预热器的热一次风中的烟尘颗粒，都可以通过气固分离装置进行捕集回收，避免了颗粒物及烟尘进入后续的脱硝系统，造成系统管道、阀门和喷氨格栅等的堵塞问题。
附图说明
图1为实施例一中本发明的结构图；
图2为实施例四中本发明的结构图。
其中，1为碳酸氢铵料仓、2为粉料输送机、3为热解炉、4为气固分离器、1a为破碎装置、1b为安全阀、3a为热解炉固体进料口、3b为返料口、3c为热解炉气体入口、3d为热解炉气体出口、3e为灰渣出口、3f为气体分布板、3g为换热装置、4a为分离器入口、4b为分离器固体出口、4c为产品气出口。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，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的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。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，都应当属于本发明保护的范围。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
参考图1及图2，本发明所述的碳酸氢铵流化床热解制氨系统包括碳酸氢铵料仓1、粉料输送机2、热解炉3及气固分离器4；
热解炉3的底部设置有热解炉气体入口3c，热解炉3底部的侧面设置有灰渣出口3e，热解炉3顶部的热解炉气体出口3d与气固分离器4的分离器入口4a相连通，气固分离器4的顶部设置有产品气出口4c，气固分离器4底部的分离器固体出口4b与热解炉3侧面的返料口3b相连通，碳酸氢铵料仓1的顶部开口处设置有安全阀1b，碳酸氢铵料仓1的出口经破碎装置1a及粉料输送机2与热解炉3侧面的热解炉固体进料口3a相连通，热解炉3内设置有气体分布板3f，其中，热解炉气体出口3d、返料口3b、热解炉固体进料口3a、气体分布板3f、灰渣出口3e及热解炉气体入口3c自上到下依次分布。
优选的，所述热解炉3顶部的内侧设置有换热装置3g。粉料输送机2为螺旋式输送机。气固分离器4为旋风分离器。
需要说明的是，本发明中的碳酸氢铵料仓1保持密封，防止水汽进入，碳酸氢铵料仓1上部设置有由内向外单向通气的安全阀1b，防止碳酸氢铵料仓1内因碳酸氢铵的缓慢分解导致压力升高；碳酸氢铵料仓1下部设置有破碎装置1a，对结块的碳酸氢铵固体进行粉碎处理。
通过气体分布板3f支撑碳酸氢铵反应物的同时保证气体对颗粒的均匀流化。
本发明的具体工作过程为：
碳酸氢铵料仓1输出的碳酸氢铵经破碎装置1a破碎后经粉料输送机2输入到热解炉3中，并在热解炉3中进行热解产生氨气、二氧化碳和水蒸气，其中，热解炉3输出的混合气体及未完全分解的固体颗粒进入到气固分离器4中，形成的灰渣经灰渣出口3e排出，气固分离器4分离出来的气体经产品气出口4c排出，气固分离器4分离出来的固体颗粒返回至热解炉3中。
需要说明的是，热解炉3内的温度大于等于150℃，优选的为220-250℃。
热解炉3的热源来自进入热解炉3的热流化气流，气流温度在200℃以上，优选的，热流化气流的温度为300-500℃；优选的，所述热流化气流为从空气预热器出口引出的热一次风。
或者，热解炉3的热源来自换热装置，流化气流选用常温空气，通过热解炉3内部设置的换热装置控制热解炉3温度。
进一步，气固分离器4的产品气出口4c与缓冲罐的入口相连通，其中，缓冲罐的外壁上设置有保温装置，防止氨基甲酸盐的产生；当混合气体中的氨气浓度大于5％，则通过混合器与空气混合稀释，当小于5％，则不需要设置空气混合器，随后通过喷氨格栅进入SCR反应器。
实施例一
本实施例中热解炉3的热源来自进入热解炉3的热流化气流，运输来的碳酸氢铵固体直接储存在碳酸氢铵料仓1中，以10kmol/h产氨量为目标，10kmol/h的碳酸氢铵固体经破碎装置1a粉碎后，通过粉料输送机2输送至热解炉固体进料口3a。350℃略带正压的热空气以453kmol/h的流量从热解炉气体入口3c进入热解炉3，经过气体分布板3f与碳酸氢铵固体混合接触。碳酸氢铵固体颗粒被气流均匀流化并受热分解，生成1：1：1的氨气、二氧化碳和水蒸气混合气体。热解后的混合气体和未完全分解的固体颗粒离开热解炉3进入气固分离器4中进行分离，分离后的固体重新送回热解炉3内循环利用。分离后的混合气体进入设置有保温装置的缓冲罐，防止氨基甲酸盐的产生，随后通过喷氨格栅进入SCR反应器。
由于热解炉3中作为碳酸氢铵分解热源的热空气已经起到了对氨气的稀释作用，从热解炉3中排出的氨气/空气摩尔比在5％以下，因此后续不需要再与空气混合稀释，可以直接用于SCR反应。该条件下，热解炉3内的温度维持在220℃，碳酸氢铵固体的分解率为92.6％，产品气中氨气的体积分数为2.1％。
实施例二
如实施例一所述，其他条件不变，选用250℃略带正压的热空气作为流化气体，以1917kmol/h的流量从热解炉气体入口3c进入热解炉3。
在该条件下，热解炉3内的温度维持在220℃，碳酸氢铵固体的分解率为90.5％，产品气中氨气的体积分数为0.5％。
实施例三
如实施例一所述，其他条件不变，选用500℃略带正压的热空气作为流化气体，以213kmol/h的流量从热解炉气体入口3c进入热解炉3。
该条件下，热解炉3内温度维持在220℃，碳酸氢铵固体分解率为95.4％，产品气中氨气的体积分数约为4.1％。
实施例四
本实施例采用换热装置3g作为热源，同时引入常温空气。
实施例五
如实施例四所述，其他条件不变，运输来的碳酸氢铵固体直接储存在碳酸氢铵料仓1中，以10kmol/h产氨量为目标，10kmol/h的碳酸氢铵固体经破碎装置1a粉碎后，通过粉料输送机2输送至热解炉3进料口。略带正压的常温空气以30kmol/h的流量从热解炉气体入口3c进入热解炉3，经过气体分布板3f进入炉膛，使碳酸氢铵固体颗粒均匀流化。换热装置3g维持热解炉3内温度在220℃左右，碳酸氢铵固体在热解炉3内受热分解，生成1：1：1的氨气、二氧化碳和水蒸气混合气体。热解后的混合气体和未完全分解的固体颗粒离开热解炉3，进入气固分离器4，分离后的固体重新送回热解炉3内循环利用。分离后的混合气体进入设置有保温装置的缓冲罐，防止氨基甲酸盐的产生；随后进入气体混合器与空气混合稀释，稀释后的混合气体通过喷氨格栅进入SCR反应器。
该条件下，热解炉3内温度维持在220℃所需换热能耗为578kW，碳酸氢铵固体分解率为94.8％，产品气中氨气的体积分数约为16.7％。因此后续需要与热空气混合稀释，使氨气的体积分数降至5％以下，再喷入SCR反应区域。
实施例六
如实施例五所述，其他条件不变，换热装置3g维持热解炉3内的温度在270℃左右。
该条件下，热解炉3内温度维持在270℃所需换热能耗为603kW，碳酸氢铵固体分解率为99.6％，产品气中氨气的体积分数约为16.7％。
实施例七
如实施例五所述，其他条件不变，换热装置3g维持热解炉3内的温度在200℃左右。
该条件下，热解炉3内温度维持在200℃所需换热能耗为572kW，碳酸氢铵固体分解率为85.7％，产品气中氨气的体积分数约为16.7％。
对比例一
如实施例一所述，其他条件不变，选用200℃略带正压的热空气作为流化气体，以2000kmol/h的流量从气体入口进入热解炉3。
该条件下，热解炉3内温度为166℃，碳酸氢铵固体分解率为29.1％，产品气中氨气的体积分数为0.5％。
对比例二
如实施例五所述，其他条件不变，换热装置3g维持热解炉3内的温度在140℃左右。
该条件下，热解炉3内温度维持在140℃所需换热能耗为1126kW，碳酸氢铵固体分解率为2.3％，产品气中氨气的体积分数约为16.7％。
对比例三
如实施例五所述，其他条件不变，常温空气以10kmol/h的流量进入热解炉3，换热装置3g维持热解炉3内温度在140℃左右。
该条件下，热解炉3内温度维持在140℃所需换热能耗为864kW，碳酸氢铵固体分解率为4.0％，产品气中氨气的体积分数约为25.0％。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种碳酸氢铵流化床热解制氨系统，其特征在于，包括热解炉(3)、碳酸氢铵料仓(1)、破碎装置(1a)及粉料输送机(2)；
热解炉(3)的底部设置有热解炉气体入口(3c)，热解炉(3)的顶部设置有热解炉气体出口(3d)，碳酸氢铵料仓(1)的出口经破碎装置(1a)及粉料输送机(2)与热解炉(3)侧面的热解炉固体进料口(3a)相连通，热解炉(3)内设置有气体分布板(3f)。
2.根据权利要求1所述的碳酸氢铵流化床热解制氨系统，其特征在于，热解炉(3)底部的侧面设置有灰渣出口(3e)。
3.根据权利要求1所述的碳酸氢铵流化床热解制氨系统，其特征在于，还包括气固分离器(4)，热解炉(3)顶部的热解炉气体出口(3d)与气固分离器(4)的分离器入口(4a)相连通，气固分离器(4)的顶部设置有产品气出口(4c)。
4.根据权利要求3所述的碳酸氢铵流化床热解制氨系统，其特征在于，气固分离器(4)底部的分离器固体出口(4b)与热解炉(3)侧面的返料口(3b)相连通。
5.根据权利要求1所述的碳酸氢铵流化床热解制氨系统，其特征在于，碳酸氢铵料仓(1)的顶部开口处设置有安全阀(1b)。
6.根据权利要求1所述的碳酸氢铵流化床热解制氨系统，其特征在于，所述热解炉(3)顶部的内侧设置有换热装置(3g)。
7.一种碳酸氢铵流化床热解制氨方法，其特征在于，包括以下步骤：
碳酸氢铵料仓(1)输出的碳酸氢铵经破碎装置(1a)破碎后再经粉料输送机(2)输入到热解炉(3)中，并在热解炉(3)中进行热解产生氨气、二氧化碳和水蒸气，其中，热解炉(3)输出的混合气体及未完全分解的固体颗粒进入到气固分离器(4)中进行分离，气固分离器(4)分离出来的气体经产品气出口(4c)排出，气固分离器(4)分离出来的固体颗粒返回至热解炉(3)中。
8.根据权利要求7所述的碳酸氢铵流化床热解制氨方法，其特征在于，热解炉(3)的热源来自经热解炉气体入口(3c)进入热解炉(3)的热流化气流或者换热装置(3g)。
9.根据权利要求7所述的碳酸氢铵流化床热解制氨方法，其特征在于，热解过程中，热解炉(3)内的温度大于等于150℃。
10.根据权利要求7所述的碳酸氢铵流化床热解制氨方法，其特征在于，热解过程中，热解炉(3)内的温度为220-250℃。
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| Title |
|---|
| 罗晨等: ""基于碳酸氢铵的SNCR低温脱硝实验研究"", 《热能动力工程》, vol. 37, no. 8, 31 August 2022 (2022-08-31), pages 128 - 134 * |
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