CN217909786U - 一种火电厂烟气脱硝用尿素催化水解制氨系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及火电厂烟气脱硝技术领域，尤其涉及一种火电厂烟气脱硝用尿素催化水解制氨系统，包括水解反应器的蒸汽输入端口与电站锅炉连接，水解反应器的疏水输出端口通过疏水管道与尿素溶解罐中的换热管入口相连，尿素溶解罐中的换热管出口与电站锅炉中的蒸汽管道入口连接；水解反应器的尿素溶液入口与混合箱的出口相连，尿素溶解罐和催化剂储罐出口均与混合器的入口连接，尿素溶解罐的除盐水入口和催化剂储罐的除盐水入口均与除盐水箱的出口连接；水解反应器的氨气出口与氨气混合器的氨气入口相连，氨气混合器的出口与电站锅炉尾部烟道中的氨喷口连接；水解反应器的排污口与混合器的循环液入口连接。

Description

一种火电厂烟气脱硝用尿素催化水解制氨系统

技术领域

本实用新型涉及火电厂烟气脱硝技术领域，具体为一种火电厂烟气脱硝用尿素催化水解制氨系统。

背景技术

在火电厂SCR脱硝系统中，还原剂是最大的消耗品，其消耗成本直接影响到脱硝系统的整体经济指标。脱硝还原剂的制备可采用液氨法和尿素法，其中液氨法工艺系统简单，投资、运行成本较低，在目前的工程中已广泛应用，但缺点是对系统的安全性要求较高。根据《危险化学品重大危险源辨识标准》（GB18218—2009)，液氨储量超过10吨即视为重大危险源，并且液氨具有腐蚀性且容易挥发，运输过程存在很大风险。尿素相对于液氨、氨水具有较高的安全性，易于运输和储存，在某些特殊地区及距离城市、居民区较近的燃煤电厂中，尿素制氨已成为制备SCR脱硝还原剂的推荐工艺。

尿素分解法制备脱硝还原剂，分为尿素热解法和尿素水解法。尿素分解法制备脱硝还原剂，分为尿素热解法和尿素水解法。目前尿素热解法和尿素水解法的初投资相当，但水解法采用低品质的蒸汽作为加热热源，运行成本大大低于采用电加热的尿素热解法。尿素水解法已在大、中型合成氨-尿素厂得到普遍应用，主要用于回收工艺废液中的尿素；而火电厂烟气脱硝尿素水解装置是为了更方便、经济地制备脱硝需要的氨气，与传统的化工行业尿素水解技术相比，其反应机理和工艺设计均具有显著的差别。

尿素水解制氨工艺是尿素溶液在压力釜中发生水解，生成氨气、二氧化碳、水。尿素水解有AOD和U2A两种工艺。AOD法起始于1996~1997年，是将浓度约5%~10%的尿素溶液被输送到水解器内，高温饱和蒸汽直接从底部喷入水解器内的溶液里，尿素溶液被加热分解成氨气与二氧化碳，水解器内形成气液两相平衡体系，平衡体系的压力约为1.9 MPa，温度约为190℃。U2A水解法尿素制氨系统与AOD法的不同点在于：加热蒸汽通过换热盘管的方式进入水解反应器，加热蒸汽不与尿素溶液混合，通过换热盘管回流，需要增加1个冷凝水回收装置，水解器内的气液两相平衡体系的压力约为1.4~2.1 MPa，温度约150℃。U2A技术水解后的产物为氨气、二氧化碳、水的混合蒸汽，经除雾器除掉携带的水滴后，通过自身压力送往氨气稀释系统，加入空气后稀释成浓度约5%的氨气，送往喷氨系统。与液氨或氨水系统不同的是，稀释空气需要加热到175℃以上，以避免氨气在低温下逆向反应，生成氨基甲酸盐。

现有尿素水解制氨工艺在运行过程中存在一些问题，例如：尿素溶液低温结晶导致输送管道堵塞；尿素溶液受热会产生固体沉积物，这种沉积物主要是由凝结的尿素和分解副产物缩二脲组成，造成尿素水解系统堵塞；尿素在水解过程中会产生一些酸性物质(如氨基甲酸铵等)，破坏不锈钢表面的氧化薄膜，使管道的腐蚀速度加快；水解反应速率较慢，反应器体积偏大，变负荷响应时间难以满足锅炉脱硝需求。

实用新型内容

针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种火电厂烟气脱硝用尿素催化水解制氨系统，具有体积小、安全性高、运行成本低和反应速率快的特点。

本实用新型是通过以下技术方案来实现：一种火电厂烟气脱硝用尿素催化水解制氨系统，包括电站锅炉、尿素溶解罐、除盐水箱、混合器、水解反应器和催化剂储罐，水解反应器的蒸汽输入端口与电站锅炉连接，水解反应器的疏水输出端口通过疏水管道与尿素溶解罐中的换热管入口相连，尿素溶解罐中的换热管出口与电站锅炉中的蒸汽管道入口连接；水解反应器的尿素溶液入口与混合器的出口相连，尿素溶解罐和催化剂储罐出口均与混合器的入口连接，尿素溶解罐的除盐水入口和催化剂储罐的除盐水入口均与除盐水箱的出口连接；水解反应器的氨气出口与氨气混合器的氨气入口相连，氨气混合器的出口与电站锅炉尾部烟道中的氨喷口连接；水解反应器的排污口与混合器的循环液入口连接。

进一步的，还包括热风机，所述氨气混合器的热风入口与热风机相连，所述热风机吹出的热风温度高于170℃。

进一步的，还包括尿素储仓，所述尿素溶解罐的入口与尿素储仓的出口相连用于将尿素颗粒送入尿素溶解罐中。

进一步的，所述尿素溶解罐的出口通过尿素循环泵与尿素溶液储罐的入口连接，尿素溶液储罐的出口通过给料泵与混合器的入口连接。

进一步的，催化剂储罐中的催化剂为50wt.%的FeAl粉和50wt.%的Al₂O₃混合固体粉末。

进一步的，所述水解反应器为釜式反应器。

进一步的，所述氨喷口位于电站锅炉尾部烟道中SCR反应器的上游。

进一步的，所述水解反应器的工作温度为130℃-150℃，工作压力为0.4 Mpa -0.6Mpa。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型提供一种火电厂烟气脱硝用尿素催化水解制氨系统，电站锅炉为水解反应器提供了加热蒸汽，蒸汽在水解反应器和尿素溶解罐中放热后再回到电站锅炉中加热形成循环，热量在循环过程中分级利用，提高了热量的利用效率，电站锅炉还提供除盐水，用于溶解尿素溶解罐和催化剂储罐中的溶解尿素和催化剂，本实用新型水解制氨系统的运行所需的资源和能量全部由电站锅炉提供，无需外部送入，能够降低运行成本。

优选的，本实用新型中催化剂储罐中的催化剂采用FeAl粉和Al₂O₃混合固体粉末，不溶于水，与尿素溶液混合后形成悬浊液，催化剂颗粒与尿素溶液充分接触，能够促进催化反应的充分进行；FeAl粉和Al₂O₃混合固体粉末在较低温度下具有高活性，能够提高水解反应速率并抑制缩二尿产生。与液体催化剂相比，成本较低，损耗小，对反应废液无影响。

尿素水解反应速率较慢，为满足SCR用氨需求，需要提高水解反应温度或是增大反应器容积。尿素水解过程中会生成一些酸性物质（如氨基甲酸铵等），会严重腐蚀不锈钢管道表面的氧化膜，腐蚀程度随着温度的升高而升高，因此提高反应温度会增大腐蚀速率。增大反应器容积，一方面会提高制造成本，另一方面由于反应器内的尿素溶液具有很大的热惯性，会导致水解反应器变负荷响应时间延长，机组变负荷期间氮氧化物排放超标。本实用新型中加入催化剂能够提高水解反应速率，从而降低反应温度，减小反应器容积，并能够减小设备腐蚀和提高变负荷响应速率。

优选的，为防止尿素与催化剂混合悬浊液中的催化剂颗粒沉淀，本实用新型将水解反应器的排污口与混合器的循环液入口连接构成了反应液再循环单元，将反应液送入混合器中，促进水解反应器内部液体扰动，能够减小反应液内部浓度和温度分布的不均匀性，并促进催化剂颗粒的均匀分布，从而提高水解反应速率。

本实用新型中尿素水解反应器为一种釜式反应器，液体滞留量大，具有近似全混的性质以及良好的传质传热性能，可保证温度和浓度的均匀分布。反应器上部气相空间可储存部分氨气，起到了缓冲罐的作用，能够保证氨气输送压力的稳定。

附图说明

图1为本实用新型的火电厂烟气脱硝用尿素水解制氨系统示意图；

图中：1电站锅炉；2高温蒸汽输送管道；3疏水管道；4运送装置；5尿素储仓；6尿素溶解罐；7除盐水箱；8给水泵；9除盐水管道；10尿素循环泵；11尿素溶液储罐；12给料泵；13混合器；14混合溶液管道；15水解反应器；16氨气管道；17热风机；18氨气混合器；19氨喷口；20SCR反应器；21废水管道；22循环泵；23催化剂颗粒；24催化剂储罐。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本实用新型做进一步的详细说明，所述是对本实用新型的解释而不是限定。

如图1所示，本实用新型提出一种火电厂烟气脱硝用尿素催化水解制氨系统，其特点是利用催化剂来提高水解反应速度，并通过反应液循环来提高催化剂颗粒分布的均匀性，具体包括水解反应器15，水解反应器15包括蒸汽输入端口、疏水输出端口、尿素溶液入口、氨气出口和排污口，水解反应器15蒸汽输入端口通过高温蒸汽输送管道2与电站锅炉1连接，水解反应器15的疏水输出端口通过疏水管道3与尿素溶解罐6中的换热管入口相连，尿素溶解罐6中的换热管出口接入电站锅炉1中的蒸汽管道，将疏水送入电站锅炉1中加热成高温蒸汽；水解反应器15的尿素溶液入口通过混合溶液管道14与混合器13的出口相连，混合器13用于盛放尿素溶液和催化剂的混合溶液；水解反应器15的氨气出口通过氨气管道16与氨气混合器18的氨气入口相连，氨气混合器18的热风入口与热风机17相连，氨气混合器18的出口与电站锅炉1尾部烟道中的氨喷口19连接；水解反应器15上的排污口分为两路，一路与废水管道21连通，另一路通过循环泵22与混合器13的循环液入口连接用于将水解反应器15中的反应液送入混合器13中。

优选的，尿素溶解罐6的入口与尿素储仓5的出口相连用于将尿素颗粒送入尿素溶解罐6中；尿素溶解罐6的除盐水入口通过水泵8和除盐水管道9与除盐水箱7相连用于将除盐水送入尿素溶解罐6中；尿素溶解罐6的出口通过尿素循环泵10与尿素溶液储罐11的入口连接，尿素溶液储罐11的出口通过给料泵12与混合器13的入口连接；

优选的，催化剂储罐24的除盐水入口通过水泵8和除盐水管道9与除盐水箱7的另一路出口相连用于将除盐水通入催化剂储罐24中与催化剂颗粒23混合后，催化剂储罐24的出口与混合器13的催化剂入口连通；

优选的，氨喷口19位于SCR反应器20的上游；

优选的，送入催化剂储罐24中的催化剂为50wt.%的FeAl粉和50wt.%的Al₂O₃混合固体粉末。

优选的，水解反应器15的蒸汽输入端口通过换热盘管与疏水输出端口连接。

优选的，水解反应器15为一种釜式反应器，液体滞留量大，保证温度和浓度的均匀分布；釜式反应器上部气相空间可储存部分氨气，起到了缓冲罐的作用，能够保证氨气输送压力的稳定。

优选的，给水泵8、尿素循环泵10、给料泵12、热风机17、循环泵22运行所需的电均由电站锅炉1发电提供。

本实用新型的一种火电厂烟气脱硝用尿素催化水解制氨系统的制氨方法，包括如下步骤：

1）袋装尿素由运送装置4运输到电厂，放置在尿素储仓5中，破袋后由斗提机送到尿素溶解罐6中；除盐水箱7中的除盐水经软化后通过给水泵8和除盐水管道9一路送入尿素溶解罐6中，另一路送入催化剂储罐24中；在尿素溶解罐6中，用除盐水9将尿素颗粒溶解成40~60%质量浓度的尿素溶液，经尿素循环泵10送入尿素溶液储罐11中储存，投运后根据负荷需求通过给料泵12送入混合器13；

优选的，当系统停运时，尿素溶液储罐11中的尿素溶液通过尿素循环泵10送回尿素溶解罐6；

2）通过催化剂管道23送入催化剂储罐24中的催化剂为50wt.%的FeAl粉和50wt.%的Al₂O₃混合固体粉末，在催化剂储罐24中与除盐水混合形成催化剂悬浊液，然后送入混合器13；尿素溶液和催化剂悬浊液在混合器13中混合形成混合溶液，然后由底部通入水解反应器15；

优选的，水解反应器15运行期间，尿素溶液连续通入，催化剂悬浊液仅通入一次，催化剂悬浊液的量根据水解反应器的体积确定；

3）由电站锅炉1中抽出的高温蒸汽减温降压后通过高温蒸汽输送管道2送入水解反应器15的换热盘管中与混合溶液换热，不与混合溶液混合；高温蒸汽冷凝放热后变为疏水通过疏水管道3排出，疏水送入尿素溶解罐6中的换热盘管中，放热用于尿素溶解，冷却后的疏水再回到电站锅炉1中加热形成循环；

4）在催化剂作用下，水解反应器15中尿素溶液发生水解反应生成氨气，反应方程式为CO(NH₂)₂(尿素) + H₂O→2NH₃(氨) +CO₂，该反应为吸热反应；水解反应器15中产生的氨气通过氨气管道16首先进入计量模块，然后与热风机17吹出的热风在氨气混合器18处稀释，氨气稀释到5-10%的质量浓度，稀释后的氨气经管道送入氨喷口19，喷入电站锅炉尾部烟道与烟气混合，最后进入SCR反应器20，在催化剂的作用下将烟气中含有的氮氧化物还原为氮气和水；

优选的，热风机17吹出的热风温度高于170℃。

5）运行期间，将水解反应器15中的反应液由排污口通过循环泵22送入混合器13中，与尿素溶液混合，实现反应液的再循环流动；

设备检修期间将废水通过废水管道21由排污口排出，检修完成后水解反应器15投入运行时，需补充催化剂悬浊液。

优选的，水解反应器15的工作温度为130-150℃，工作压力为0.4-0.6Mpa；高温蒸汽、尿素溶液和氨气的流量均根据电站锅炉1烟气的脱硝用氨需求自动调节。

本实用新型中加热蒸汽来自电站锅炉抽气，尿素溶解所需的水来自电站锅炉除盐水，泵运行所需的电来自锅炉发电，整套水解系统运行所需的水电气全部由电站锅炉提供，无需外部送入，能够降低运行成本。蒸汽在水解反应器和尿素溶解罐中放热后再回到电站锅炉中加热形成循环，热量在循环过程中分级利用，提高了热量的利用效率。蒸汽在水解反应器15和尿素溶解罐6中通过盘管换热，不与尿素溶液接触，可循环利用，减少了蒸汽损耗。

Claims (4)

1.一种火电厂烟气脱硝用尿素催化水解制氨系统，其特征在于，包括电站锅炉（1）、尿素溶解罐（6）、除盐水箱（7）、混合器（13）、水解反应器（15）和催化剂储罐（24），水解反应器（15）的蒸汽输入端口与电站锅炉（1）连接，水解反应器（15）的疏水输出端口通过疏水管道（3）与尿素溶解罐（6）中的换热管入口相连，尿素溶解罐（6）中的换热管出口与电站锅炉（1）中的蒸汽管道入口连接；水解反应器（15）的尿素溶液入口与混合器（13）的出口相连，尿素溶解罐（6）和催化剂储罐（24）出口均与混合器（13）的入口连接，尿素溶解罐（6）的除盐水入口和催化剂储罐（24）的除盐水入口均与除盐水箱（7）的出口连接；水解反应器（15）的氨气出口与氨气混合器（18）的氨气入口相连，氨气混合器（18）的出口与电站锅炉（1）尾部烟道中的氨喷口（19）连接；水解反应器（15）的排污口与混合器（13）的循环液入口连接；

还包括热风机（17），所述氨气混合器（18）的热风入口与热风机（17）相连，所述热风机（17）吹出的热风温度高于170℃；

还包括尿素储仓（5），所述尿素溶解罐（6）的入口与尿素储仓（5）的出口相连用于将尿素颗粒送入尿素溶解罐（6）中；

所述尿素溶解罐（6）的出口通过尿素循环泵（10）与尿素溶液储罐（11）的入口连接，尿素溶液储罐（11）的出口通过给料泵（12）与混合器（13）的入口连接；

所述氨喷口（19）位于电站锅炉（1）尾部烟道中SCR反应器（20）的上游；

给水泵（8）、尿素循环泵（10）、给料泵（12）、热风机（17）、循环泵（22）运行所需的电均由电站锅炉（1）发电提供；

除盐水箱（7）的入口与电站锅炉（1）的除盐水出口连通。

2.根据权利要求1所述的一种火电厂烟气脱硝用尿素催化水解制氨系统，其特征在于，催化剂储罐（24）中的催化剂为50wt.%的FeAl粉和50wt.%的Al₂O₃混合固体粉末。

3.根据权利要求1所述的一种火电厂烟气脱硝用尿素催化水解制氨系统，其特征在于，所述水解反应器（15）为釜式反应器。

4.根据权利要求1所述的一种火电厂烟气脱硝用尿素催化水解制氨系统，其特征在于，所述水解反应器（15）的工作温度为130℃-150℃，工作压力为0.4 Mpa -0.6Mpa。

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