CN104386708B - 一种应用于火电厂脱硝的尿素水解制氨系统及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于火电厂脱硝的尿素水解制氨系统及其工艺，该系统包括立式水解反应器、蒸汽管路、尿素溶液注入管路和产品气排出管路；反应器筒体、反应器上封头和反应器下封头围成密封的水解反应腔；水解反应腔上部设有除液器，下部设有多个超音速蒸汽喷嘴，多个超音速蒸汽喷嘴均与蒸汽入口连通。本发明通过超音速蒸汽喷嘴，采取蒸汽直接加热尿素溶液的方式进行尿素水解反应，本发明的系统结构简单，设计合理，降低了设备投资和水解反应器的腐蚀风险；本发明水解制氨工艺操作简单，方便，安全，可操作性高。

Description

一种应用于火电厂脱硝的尿素水解制氨系统及工艺

技术领域

本发明涉及烟气脱硝(氮)技术领域，特别涉及一种应用于火电厂脱硝的尿素水解制氨系统及其工艺。

背景技术

至2012年底，我国全口径发电装机容量已达到11.45亿千瓦，其中火电占71.55％；全口径发电量达4.98万亿千瓦时，其中火电占78.57％。我国“十二五”规划纲要中提出：至2015年底，单位国内生产总值能源消耗相比2010年降低16％，二氧化碳排放降低17％，二氧化硫、氮氧化物排放分别减少8％、10％。火力发电是我国一次能源消耗及污染物排放大户，其二氧化碳排放量占40％左右，二氧化硫、氮氧化物排放量占45％以上。因此减少火电厂污染物排放量是我国节能减排工作中的重点。

为推进我国火电企业的节能减排，我国推出了新的《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223－2011)，新标准中大幅降低了燃煤发电厂烟尘、SO₂、NOx等污染物的排放限值规定。从上个世纪80年代开始，由于我国燃煤烟气污染治理政策的实施，国内企业纷纷引进国外烟气除尘、烟气脱硫技术。烟气脱硝方面，我国以前普遍采用的是低NOx燃烧器，但是随着新标准的制定和施行，必须采用烟气脱硝才能达到排放标准，目前国内主要采用催化还原烟气脱硝(SCR)工艺，其技术最成熟、脱硝效率较高。SCR脱硝技术的原理是通过催化剂在合适的温度范围内使烟气中的NO_X(NO和NO₂)与NH₃产生反应生成对大气无害的N₂与H₂O。

4NO+4NH₃+O₂→4N₂+6H₂O

6NO₂+8NH₃→7N₂+12H₂O

随着脱硝技术的逐渐普及，为了有效降低还原剂在运输和使用过程中的安全风险，越来越多的国家和地区开始采用其他氨源作为脱硝还原剂的来源，尿素成为有效且易于运输的氨源。尿素水解是尿素制氨的有效手段，其原理为：

CO(NH₂)₂+H₂O→2NH₃+CO₂

目前，尿素水解反应器采用蒸汽间壁式换热器对尿素溶液加热，实现尿素的水解过程，由于尿素水解过程存在腐蚀性，多采用不锈钢制作尿素水解反应器造价较高，同时常时间运行存在安全隐患。另外，采用间壁式加热的方式，控制速度较慢，不利于适应机组快速调峰的要求。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种应用于火电厂脱硝的尿素水解制氨系统及其工艺，该系统结构简单，设计合理，降低了设备投资和水解反应器的腐蚀风险；该水解制氨工艺操作简单，方便，安全，可操作性高。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种应用于火电厂脱硝的尿素水解制氨系统，包括立式水解反应器、蒸汽管路、尿素溶液注入管路和产品气排出管路；该立式水解反应器包括反应器筒体、反应器上封头、反应器下封头，由反应器筒体、反应器上封头、反应器下封头围成密封的水解反应腔；反应器上封头上设有反应器上接口，反应器上接口和产品气排出管路连通，反应器下封头上设有反应器下接口，反应器下接口和尿素溶液注入管路连通，反应器筒体底部设有蒸汽入口，蒸汽入口和蒸汽管路连通；所述的水解反应腔上部设有除液器，下部设有多个超音速蒸汽喷嘴，多个超音速蒸汽喷嘴均与蒸汽入口连通。

作为本发明的进一步改进，所述除液器为两层交错布置，除液器安装点到反应器筒体底部的距离为(0.7～0.9)H，H为反应器筒体高度。

作为本发明的进一步改进，所述的超音速喷的喷嘴朝下设置，且多个超音速喷嘴均匀布置在同一平面上。

作为本发明的进一步改进，所述蒸汽管路上设有蒸汽调压装置；所述反应器筒体中部设有压力表接口和液位表接口，压力表接口和液位表接口分别装有压力表和液位表。

作为本发明的进一步改进，还包括除盐水净化系统，除盐水净化系统包括除盐水注入管路和废水排出管路，除盐水注入管路和反应器上接口连通，废水排出管路和反应器下接口连通。

作为本发明的进一步改进，蒸汽管路、尿素溶液注入管路、产品气排出管路、除盐水注入管路和废水排出管路上均设有调节阀。

作为本发明的进一步改进，反应器筒体设有固定装置。

一种应用于火电厂脱硝的尿素水解制氨工艺，尿素溶液从立式水解反应器底部反应器下接口进入水解反应腔，通过与蒸汽入口连通的超音速蒸汽喷嘴向下喷出热蒸汽，尿素溶液直接与热蒸汽接触，通过监测尿素水解反应器温度、压力、液位监测反应器工作状态，通过压力调节装置调节加热蒸汽压力以调节反应温度，并控制尿素溶液流量，以控制产品气生成量，水解产生的产品气经通过除液器除液后，通过反应器上接口排出到SCR反应区。

作为本发明的进一步改进，还包括清洗工艺，关闭尿素溶液注入管路和产品气排出管路，在立式水解反应器上接口注入除盐水对反应器进行清洗，清洗液经立式水解反应器下接口排出到废水箱。

作为本发明的进一步改进，立式水解反应器的工作压力范围为0.4-0.8MPa，工作温度范围为140-170℃，尿素溶液浓度为30％-50％，尿素溶液温度为50-80℃，热蒸汽压力为0.7-1.1MPa。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：

本发明的水解制氨系统可广泛用于火电厂脱硝过程，用于制取脱硝所需氨，具有良好的可靠性和安全性；本发明的水解制氨系统使尿素水解采用直接接触式加热方式，与采用蒸汽间接加热尿素溶液相比，取消了内置加热管束，降低了设备投资，同时内部取消管束，降低了水解反应器的腐蚀风险。

进一步，除液器两层除液器交错布置，且除液器设置在反应器筒体高度的0.7～0.9处，通过多次试验证实了除液效果最好，减少了排出气体的液体携带量，提高气体除液效果。

进一步，蒸汽通过均匀朝下的超音速蒸汽喷嘴喷入尿素溶液，可有效降低罐体震动，同时保证了尿素溶液和热蒸汽的最大程度直接接触，减少了热量损失，向下喷出的热蒸汽遇到水解反应腔底壁反向后还可以继续和尿素溶液接触，继续加热。

进一步，通过设置蒸汽调压装置，调节蒸汽压力迅速改变反应温度，使得该尿素水解制氨系统迅速匹配水电厂脱硝的氨量。压力表和液位表监测尿素水解反应器温度、压力、液位监测反应器工作状态，通过压力调节装置调节加热蒸汽压力以调节反应温度，并控制尿素溶液流量，以控制产品气生成量。

进一步，除盐水净化系统可以定期净化水解反应器内腔，保证长的使用寿命。产品气出口和清洗除盐水共用上接口，尿素溶液入口和清洗废水共用下接口，结构简单，设计合理。设有调节阀可以方便局部的管路流量控制，以及管路的开关控制。

本发明的水解制氨工艺操作简单，方便，安全，可操作性高。

附图说明

图1为应用于火电厂脱硝的尿素水解制氨系统的示意图；

图2为超音速蒸汽喷嘴的安装分布的示意图；

图中：1为立式水解反应器、2为蒸汽调压装置、3为蒸汽管路、4为尿素溶液注入管路、5为产品气排出管路、6为除盐水注入管路、7为废水排出管路、101为反应器筒体、102为反应器上封头、103为反应器下封头、104为除液器、105为固定装置、106为压力表接口、107为液位表接口、108为蒸汽入口、109为反应器上接口、110为反应器下接口、111为超音速蒸汽喷嘴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。

参照图1所示，为本发明提供的一种应用于火电厂脱硝的尿素水解制氨系统，其包括立式水解反应器1、蒸汽管路3、尿素溶液注入管路4和产品气排出管路5，该立式水解反应器1包括反应器筒体101、反应器上封头102、反应器下封头103，反应器筒体101设有固定装置105，用于固定立式水解反应器1，反应器筒体101中部设有压力表接口106和液位表接口107，压力表接口106和液位表接口107分别装有压力表和液位表。反应器上封头102上设有反应器上接口109，反应器上接口109和产品气排出管路5连通，反应器下封头103上设有反应器下接口110，反应器下接口110和尿素溶液注入管路4连通，反应器筒体101底部设有蒸汽入口108，入口108和蒸汽管路3连通。蒸汽管路3上设有蒸汽调压装置2。由反应器筒体101、反应器上封头102、反应器下封头103围成密封的水解反应腔；该反应腔上部设有除液器104，下部设有多个超音速蒸汽喷嘴111，多个超音速蒸汽喷嘴111均与蒸汽入口108连通；除液器104设置两层，且该两层除液器104交错布置；除液器104安装位置到反应器筒体底部的距离为(0.7～0.9)H，H为反应器筒体高度。

参照图1及2所示，超音速喷嘴111的喷嘴朝下设置，且多个超音速喷嘴111均匀布置在同一平面上。本发明选用的超音速喷嘴数量为三个，且三个超音速喷嘴圆形连接线形成等边三角形。蒸汽通过均匀朝下的超音速蒸汽喷嘴喷入尿素溶液，可有效降低罐体震动，同时保证了尿素溶液和热蒸汽的最大程度直接接触，减少了热量损失，向下喷出的热蒸汽遇到水解反应腔底壁反向后还可以继续和尿素溶液接触，继续加热。

除盐水净化系统，除盐水净化系统包括除盐水注入管路6和废水排出管路7，除盐水注入管路6和反应器上接口109连通，废水排出管路7和反应器下接口110连通。蒸汽管路3、尿素溶液注入管路4、产品气排出管路5、除盐水注入管路6和废水排出管路7上均设有调节阀，设有调节阀可以方便局部的管路流量控制，以及管路的开关控制。

一种应用于火电厂脱硝的尿素水解制氨工艺，尿素溶液从立式水解反应器1底部反应器下接口110进入水解反应腔，通过与蒸汽入口108连通的超音速蒸汽喷嘴111向下喷出热蒸汽，尿素溶液直接与热蒸汽接触，尿素溶液在蒸汽的加热下发生水解，通过监测尿素水解反应器温度、压力、液位监测反应器工作状态，通过压力调节装置2调节加热蒸汽压力以调节反应温度，并控制尿素溶液流量，以控制产品气生成量，水解产生的产品气经通过除液器104除液后，通过反应器上接口109排出到SCR反应区。其中，立式水解反应器1的工作压力范围为0.4-0.8MPa，工作温度范围为140-170℃，尿素溶液浓度为30％-50％，尿素溶液温度为50-80℃，热蒸汽压力为0.7-1.1MPa。

运行一段时间后，关闭尿素溶液注入管路4和产品气排出管路5，在立式水解反应器1上接口109注入除盐水对反应器进行清洗，清洗液经立式水解反应器1下接口110排出到废水箱。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种应用于火电厂脱硝的尿素水解制氨系统，其特征在于，包括立式水解反应器(1)、蒸汽管路(3)、尿素溶液注入管路(4)和产品气排出管路(5)；该立式水解反应器(1)包括反应器筒体(101)、反应器上封头(102)和反应器下封头(103)，反应器筒体(101)、反应器上封头(102)和反应器下封头(103)围成密封的水解反应腔；反应器上封头(102)上设有反应器上接口(109)，反应器上接口(109)和产品气排出管路(5)连通，反应器下封头(103)上设有反应器下接口(110)，反应器下接口(110)和尿素溶液注入管路(4)连通，反应器筒体(101)底部设有蒸汽入口(108)，蒸汽入口(108)和蒸汽管路(3)连通；所述的水解反应腔上部设有除液器(104)，下部设有多个超音速蒸汽喷嘴(111)，多个超音速蒸汽喷嘴(111)均与蒸汽入口(108)连通。

2.根据权利要求1所述的一种应用于火电厂脱硝的尿素水解制氨系统，其特征在于，所述除液器(104)为两层交错布置，除液器(104)安装位置到反应器筒体底部的距离为(0.7～0.9)H，H为反应器筒体高度。

3.根据权利要求1所述的一种应用于火电厂脱硝的尿素水解制氨系统，其特征在于，超音速蒸汽喷嘴(111)的喷嘴朝下设置，且多个超音速蒸汽喷嘴(111)均匀布置在同一平面上。

4.根据权利要求1所述的一种应用于火电厂脱硝的尿素水解制氨系统，其特征在于，所述蒸汽管路(3)上设有蒸汽调压装置(2)；所述反应器筒体(101)中部设有压力表接口(106)和液位表接口(107)，压力表接口(106)和液位表接口(107)分别装有压力表和液位表。

5.根据权利要求1所述的一种应用于火电厂脱硝的尿素水解制氨系统，其特征在于，还包括除盐水净化系统，除盐水净化系统包括除盐水注入管路(6)和废水排出管路(7)，除盐水注入管路(6)和反应器上接口(109)连通，废水排出管路(7)和反应器下接口(110)连通；蒸汽管路(3)、尿素溶液注入管路(4)、产品气排出管路(5)、除盐水注入管路(6)和废水排出管路(7)上均设有调节阀。

6.使用权利要求1至5中任意一项所述的一种应用于火电厂脱硝的尿素水解制氨系统的工艺，其特征在于，包括以下步骤：

尿素溶液从立式水解反应器(1)底部反应器下接口(110)进入水解反应腔，蒸汽入口(108)连通的超音速蒸汽喷嘴(111)向下喷出热蒸汽，尿素溶液直接与热蒸汽接触，尿素溶液在热蒸汽的加热下发生水解，水解产生的产品气经通过除液器(104)除液后，通过反应器上接口(109)排出到SCR反应区。

7.根据权利要求6所述的一种应用于火电厂脱硝的尿素水解制氨系统的工艺，其特征在于，还包括清洗工艺，关闭尿素溶液注入管路(4)和产品气排出管路(5)，在立式水解反应器(1)上接口(109)注入除盐水对反应器进行清洗，清洗液经立式水解反应器(1)下接口(110)排出到废水箱。

8.根据权利要求6所述的一种应用于火电厂脱硝的尿素水解制氨系统的工艺，其特征在于，立式水解反应器(1)的工作压力为0.4-0.8MPa，工作温度为140-170℃，尿素溶液浓度为30％-50％，尿素溶液温度为50-80℃，热蒸汽压力为0.7-1.1MPa。