一种烟气脱硝用尿素催化水解反应器及方法与流程

1.本发明涉及火电厂烟气脱硝技术，具体为一种烟气脱硝用尿素催化水解反应器及方法。


背景技术：

2.选择性催化还原(scr)是目前我国运用最广的烟气脱硝技术，工艺中主要以氨作为还原剂。氨的来源有液氨、尿素和氨水三种，近年来国内外发电企业对液氨使用过程中的潜在危险越来越重视，以尿素替代液氨制备氨气的工艺得到了广泛关注，可以预见未来几年内，尿素制氨技术的市场需求空间将会很大。尿素制氨包括热解和水解两种方法，其中水解技术具有尿素转化率高、副产物少，只需要低品位的蒸汽即可满足水解反应的热量需求等特点，在烟气脱硝领域逐渐推广应用。
3.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。尿素水解技术来源于化工行业尿素生产中的废液回收工艺，应用于火电厂scr烟气脱硝还原剂制备工艺时，需要面对不同的工艺流程、不同的运行环境和操作参数，其工艺设计具有显著的差别。另外，尿素水解工艺在运行过程中也存在一些其它问题，例如：尿素水解会产生缩二尿晶体堵塞管道，降低尿素利用率，并且水解温度和尿素浓度的升高会促进缩二尿晶体的产生；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。
4.目前的尿素水解工艺反应速率较慢，需调节工艺条件或加入催化剂来满足变负荷工况对响应时间的需求。相关研究表明加入催化剂可以有效促进尿素分解过程，国内外一些研究学者相继开发了含钒催化剂、不同晶相氧化铝催化剂等材料，降低了尿素水解所需活化能。
5.专利cn202010319585.9公开了一种用于尿素水解反应的复合催化剂，包括磷酸二氢钠和磷酸铵，将其按照一定的摩尔比进行组合。复合催化剂可抑制结晶物质的产生，并使其软化、溶解，利于反应器设备内部的清洗，并且工质溶液碱性化，降低了对设备的腐蚀性。
6.专利cn201610056720.9公开了一种在线补加催化剂的尿素催化水解方法，该方法以磷酸、碳酸、mgo/al2o3、镍和铁混合物、二氧化钛和粉煤灰中任一种作为催化剂，用尿素供给箱中的尿素溶液溶解催化剂，然后将其加入到水解反应器内，及时补充水解反应器内损失的催化剂。
7.专利cn201210120731.0公开了一种将tio2‑
al2o3涂层溶液涂覆在fecral合金载体上的催化剂涂层制备方法，并用于固态尿素水解制氨。催化剂涂层为tio2与al2o3组成的混合氧化物，利用溶胶凝胶法制备，主要用于柴油车尾气净化领域。
8.专利cn202011610401.0公开了一种用于尿素水解制氨的非均相固体催化剂的制备方法，采用al2o3为载体，碱性金属氧化物为活性组分，通过浸渍法制备出非均相固体催化剂。催化剂可以降低操作温度和压力，减少蒸汽消耗，降低系统的运行成本。
9.综上所述，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。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。
10.现有水解装置在使用过程中，出现的普遍问题是反应器体积大、负荷响应速率慢、水解中间产物堵塞排污管等；同时，已有的水解装置一般采用磷酸氢盐或磷酸二氢盐等液体水解催化剂，损耗较大，需要随时补充，并且会导致废水中含有磷化合物，直接排放会造成水体富营养化；另外，相关专利提出的固体催化剂在狭小的反应器空间内难以布置且更换困难。


技术实现要素：

11.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种烟气脱硝用尿素催化水解反应器及方法，经济可行，结构简单，催化剂补充方便，工作寿命长。
12.本发明是通过以下技术方案来实现：
13.一种烟气脱硝用尿素催化水解反应器，包括釜体和通过堵头固定设置在釜体内的盘管簇；
14.所述釜体的底部设置有尿素溶液入口，顶部设置有氨气出口；所述堵头的外侧分别设置饱和蒸汽入口和疏水出口；
15.所述盘管簇包括插入釜体内部的若干根盘管；所述盘管端部与堵头内侧固定，其外表面包覆设置有催化剂涂层，所述盘管的入口端与饱和蒸汽入口连通，出口端与疏水出口连通。
16.进一步的，所述盘管为采用316l不锈钢材质制成的u型管。
17.进一步的，所述釜体内部底面设置有隔板；隔板一侧布置盘管簇，另一侧釜体的底面设置有排污口。
18.进一步的，所述釜体上设置有安全阀。
19.进一步的，所述釜体上设置有液位计。
20.进一步的，所述氨气出口上连接设置有输送管道。
21.进一步的，所述氨气出口内设置有除雾器。
22.一种烟气脱硝用尿素催化水解反应方法，包括，
23.根据反应负荷需求，将40
‑
60％质量浓度的尿素溶液通过尿素溶液入口送入釜体中，并将饱和蒸汽通过饱和蒸汽入口送入盘管簇的盘管中；在盘管表面的催化剂涂层的催化作用下，尿素溶液发生水解吸热反应生成含氨混合气；
24.饱和蒸汽在盘管中发生冷凝换热后成为疏水，通过疏水出口排出釜体；含氨混合气通过氨气出口排出釜体，并送入scr反应器参与脱硝反应。
25.进一步的，所述在盘管表面的催化剂涂层的催化作用下，尿素溶液发生水解吸热反应生成含氨混合气的工作温度为130
‑
150℃，工作压力为0.4
‑
0.6mpa。
26.进一步的，所述催化剂涂层为50wt.％的feal粉和50wt.％的al2o3混合固体粉末，
催化剂涂层厚度小于1mm。
27.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
28.本发明系统通过在釜体内部设置由表面包覆催化剂涂层的若干盘管组成的盘管簇，并将盘管端部和堵头整体连接，拆卸安装较方便，盘管能够从釜体中取出进行检修，当催化剂涂层有损耗时，可将盘管取出进行重新涂覆，解决了固体催化剂难以补充的问题，且能保证釜体体积不过大，从而缩短水解反应时间，避免出现氮氧化物排放超标现象的发生；同时采用粉末包覆法将催化剂粉末涂覆在若干盘管表面形成催化剂涂层，使盘管与涂层之间结合紧密，不易脱落，有效提高水解反应速率。
29.进一步，本发明系统采用的盘管由316l不锈钢材质制成，能有效防止盘管被腐蚀，耐腐蚀性能和防污垢性能好，使盘管耐用程度增大。
30.进一步，本发明系统通过设置隔板将盘管簇和排污口隔开，安全可靠，环保经济，能有效确保系统稳定运行。
31.进一步，本发明系统采用在釜体上设置安全阀，保证尿素催化水解反应的安全可靠性；同时还设置了液位计，能及时测量釜体内部尿素溶液液位。
32.进一步，本发明系统通过在氨气出口设置输送管道将产生的氨气送出，较为方便，而且在氨气出口内部设置了除雾器，能去除氨气中的水分，确保后续处理效果。
附图说明
33.图1为本发明实施例中所述的水解反应器的结构示意图。
34.图2为图1中a
‑
a的剖视图。
35.图3为单根盘管和催化剂及涂层的结构示意图。
36.图中：1.饱和蒸汽入口，2.釜体，3.堵头，4.盘管簇，5.疏水出口，6.尿素溶液入口，7.除雾器，8.氨气出口，9.输送管道，10.安全阀，11.排污口，12.液位计，13.隔板，14.盘管，15.催化剂涂层。
具体实施方式
37.下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
38.本发明一种烟气脱硝用尿素催化水解反应器，如图1所示，包括釜体2、饱和蒸汽入口1、堵头3、盘管簇4、疏水出口5、尿素溶液入口6、除雾器7、氨气出口8、输送管道9、安全阀10、隔板13、排污口11、液位计12、盘管14和催化剂涂层15；
39.如图1所示，所述尿素溶液入口6和排污口11位于釜体2的底部；所述氨气出口8和安全阀10设置在釜体2的顶部；所述隔板13设置在釜体2内部底面；液位计12连接在釜体2上；所述输送管道9与氨气出口8相连；所述除雾器7设置在氨气出口8内部；所述排污口11位于隔板13一侧；
40.如图1所示，所述盘管簇4通过堵头3固定布置在釜体2内部隔板13另一侧，如图2和图3所示，盘管簇4由多根盘管14和涂覆包裹在盘管14外部表面的催化剂涂层15组成；盘管14的材质为316l不锈钢，为u型管；催化剂涂层15为50wt.％的feal粉和50wt.％的al2o3混合固体粉末，且催化剂涂层15的厚度小于1mm，这种铝系催化剂涂层不会对盘管换热性能产生
影响，而采用粉末包覆法涂覆在盘管14的外部表面形成的一层催化剂涂层15，作为催化剂的同时可以防止盘管14被腐蚀；铝系催化剂涂层的耐腐蚀性能优于316l不锈钢，能够防止盘管簇发生腐蚀，提高盘管工作寿命。
41.如图1所示，所述堵头3的外侧设置有饱和蒸汽入口1和疏水出口5，堵头3内侧与盘管14端部固定；所述饱和蒸汽入口1连接盘管14的入口端，疏水出口5连接盘管14的出口端；所述盘管簇4与堵头3整体焊接，可一起从釜体2中取出；如图2和图3所示，当任意一个盘管14损坏或催化剂涂层15失效时，可将盘管簇4整体从釜体2中取出，并更换其中损坏的盘管14，或在盘管14表面重新涂覆催化剂层14；更换完成后，将盘管簇4与堵头3重新焊接，再一起插入釜体2中。
42.在实际使用中，本发明一种烟气脱硝用尿素催化水解反应器的工作步骤如下，
43.1)釜体2的工作温度为130
‑
150℃，工作压力为0.4
‑
0.6mpa，确保在盘管14表面的催化剂涂层15的催化作用下，尿素溶液发生水解吸热反应生成含氨混合气；
44.2)40
‑
60％质量浓度的尿素溶液，储存在尿素溶液储罐中，投运后根据负荷需求通过尿素溶液入口6送入釜体2中；在催化剂涂层15的催化作用下，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；
45.3)由锅炉抽出的饱和蒸汽通过饱和蒸汽入口1送入盘管簇4中，在盘管14中发生冷凝换热后成为疏水，由疏水出口5排出，回流进入锅炉除盐水，不与尿素溶液混合；
46.4)尿素水解产生的含氨混合气经过除雾器7除水后，由氨气出口8排出釜体2，经过输送管道9送往稀释风混合器，混入热空气后送入scr反应器参与脱硝反应；
47.5)釜体2上布置了安全阀10，防止釜体2内压力超过保护值；液位计12用来测量釜体2内部尿素溶液液位，并通过液位计12控制尿素溶液入口6流量。
48.基于上述任意一种系统，本发明还提供一种烟气脱硝用尿素催化水解反应方法，包括，
49.根据反应负荷需求，将40
‑
60％质量浓度的尿素溶液通过尿素溶液入口6送入釜体2中，并将饱和蒸汽通过饱和蒸汽入口1送入盘管簇4的盘管14中；在盘管14表面的催化剂涂层15的催化作用下，尿素溶液发生水解吸热反应生成含氨混合气；
50.饱和蒸汽在盘管14中发生冷凝换热后成为疏水，通过疏水出口5排出釜体2；含氨混合气通过氨气出口8排出釜体2，并送入scr反应器参与脱硝反应。
51.其中，所述在盘管14表面的催化剂涂层15的催化作用下，尿素溶液发生水解吸热反应生成含氨混合气的工作温度为130
‑
150℃，工作压力为0.4
‑
0.6mpa；
52.其中，所述催化剂涂层15为50wt.％的feal粉和50wt.％的al2o3混合固体粉末，催化剂涂层15厚度小于1mm。
53.本发明中采用feal粉和al2o3混合固体粉末制备催化剂，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。