1.本发明涉及烟气脱硝还原剂制备领域,具体为一种尿素水解产品气净化系统及方法。
背景技术:
2.目前燃煤火电厂脱硝系统多采用选择性催化还原(scr)工艺,脱硝反应所需要的还原剂为氨气,氨气可利用液氨、氨水和尿素取得。液氨、氨水蒸发制氨,这两种制氨系统工艺简单、初期投资、运行成本和维护费用较低且易控制,但由于液氨或者氨水是一种有毒危险化学品,同时电厂烟气脱硝液氨或氨水用量大、储存多已形成重大危险源,安全风险很高。为了降低厂区重大危险源的数量,目前大多数火电厂采用尿素水解制氨工艺制备还原剂氨气。
3.尿素水解反应的主要方程式为:尿素水解反应的主要方程式为:一定浓度的尿素溶液在饱和蒸汽的加热下反应生成中间产物氨基甲酸铵,氨基甲酸铵进一步反应生成氨气、二氧化碳,最终和水蒸气混合形成混合产品气。目前普遍运用的是质量分数为50%尿素浓度,其水解反应生成的混合气中各成分体积分数占比为水蒸气44%、二氧化碳19%和氨气37%。尿素溶液水解反应过程产生的中间产物氨基甲酸铵具有强腐蚀性,混合气在低温条件下发生可逆反应凝结生产氨基甲酸铵,腐蚀供氨母管及附属部件,与此同时进一步失水形成尿素结晶体堵塞管道。目前为了使混合气不发生大比例的可逆反应,水蒸气不冷凝成水,常采用伴热保持混合气的温度。尿素水解反应器出口产品温度130~160度之间,供氨母管压力为0.35~0.55mpa,为了保持产品气输送过程中温度保持在水解器出口温度,产品气输送管道的的伴热温度要求需保持在140~170度之间。现行运行水解器供氨母管的伴热方式有蒸汽半管伴热、蒸汽夹套管、电伴热等,不管采用哪种伴热方式,将消耗大量能量,同时因伴热温度较高,造成对伴热及保温施工的质量较高。
技术实现要素:
4.针对现有技术中存在的问题,本发明提供一种尿素水解产品气净化系统及方法,设计合理,结构简单,使用方便,能同时除去产品气中的水蒸气和co2。
5.本发明是通过以下技术方案来实现:
6.一种尿素水解产品气净化系统,包括依次连接的尿素水解反应器、脱水装置、co2吸收解吸装置和供氨母管;
7.所述尿素水解反应器上依次设置产品气出口和产品气伴热管道;
8.所述脱水装置包括至少两个并联设置的脱水单元;所述脱水单元包括脱水外壳和脱水内壳;所述脱水外壳与脱水内壳之间设置有间隙,间隙内布置有电加热组件;所述脱水内壳的内部设置气体干燥剂,侧壁上连接设置有产品气入口管道、产品气出口管道和水蒸
气出口管道;所述两个脱水单元的产品气入口管道分别与产品气伴热管道连接,产品气出口管道合流后连接脱水后产品气管道的输入端;
9.所述co2吸收解吸装置包括两个脱除co2单元和两个脱除co2单元之间的气体冷却装置;所述脱除co2单元包括吸收外壳和吸收内壳,以及吸收外壳与吸收内壳之间形成的气体通道;两个脱除co2单元的气体通道分别与脱水后产品气管道的输出端连通,两个脱除co2单元的气体通道分别连接气体冷却装置后与另一个脱除co2单元的吸收内壳连通;两个脱除co2单元的吸收内壳分别经对应的内壳产品气出口管道与供氨母管连通,两个脱除co2单元的吸收内壳内设置co2固态胺吸着剂,两个脱除co2单元的吸收内壳还分别设置有co2收集出口管道。
10.进一步的,所述的脱水单元还包括设置在管道上的温度测量仪、湿度测量仪和阀门;所述脱除co2单元还包括设置在管道上的co2检测仪和阀门。
11.进一步的,所述脱水内壳中水平设置有隔离钢板;所述隔离钢板一端与脱水内壳侧壁连接,将气体干燥剂布置区域分割为气体入口区域和气体出口区域。
12.更进一步的,所述脱水内壳内竖直设置有干燥剂隔离网板,干燥剂隔离网板与隔离钢板及脱水内壳侧壁连接,气体干燥剂置于干燥剂隔离网板围成的容置空间内。
13.进一步的,所述脱水单元还包括水蒸气凝结箱;所述水蒸气凝结箱与水蒸气出口管道连接。
14.进一步的,所述脱水单元采用箱体式,其脱水外壳和脱水内壳之间的间隙内布置呈回字型的电加热组件。
15.进一步的,所述co2吸收解吸装置还包括co2收集箱;所述co2收集箱与第一co2收集入口管道和第二co2收集入口管道连接。
16.进一步的,所述气体冷却装置采用水冷模式,其内部设置有作为放热回路的换热管束,外部设置有除盐水入口管道和除盐水出口管道。
17.一种尿素水解产品气净化方法,包括,
18.尿素水解反应器中产生的产品气通过产品气出口进入产品气伴热管道内;
19.产品气从产品气入口管道进入脱水单元的脱水内壳,其中的水蒸汽被脱水内壳中的气体干燥剂吸收;
20.脱水后的产品气经产品气出口管道和脱水后产品气管道进入脱除co2单元的气体通道内,其中的co2被吸收内壳中co2固态胺吸着剂吸收,经内壳产品气出口管道进入供氨母管;
21.脱除水蒸气和co2的产品气通过供氨母管送至脱硝区域。
22.进一步的,
23.在系统运行时,先启动一个脱水单元,当湿度测量仪测量到管道内气体湿度不满足时,关闭正在运行的脱水单元,启动另一个脱水单元;同时开启对应的电加热组件对停止运行的脱水单元中的气体干燥剂进行干燥;干燥运行过程中,脱除的水蒸气通过水蒸气出口管道排出;
24.在系统运行时,产品气进入两个脱除co2单元的一个气体通道进行co2解吸及吸收,当与该气体通道连接的管道中的co2超标时,引导产品气进入另一个气体通道进行co2解吸及吸收;运行过程中,解析的co2通过co2收集出口管道排出。
25.与现有技术相比,本发明具有以下有益的技术效果:
26.本发明系统通过在尿素水解反应器的产品气出口依次设置脱水装置和co2吸收解吸装置,将产品气中的水蒸气利用脱水单元中的气体干燥剂进行干燥去除,再将脱水后的产品气利用两个脱除co2单元将产品气中的二氧化碳去除,最终将脱出水蒸气和二氧化碳的产品气通过供氨母管送入后续脱硝作业,从而能有效解决尿素水解产品气对供给管道腐蚀、堵塞及伴热保温施工难度大等问题,同时产品气中水蒸气的脱除,有利于下游催化剂设备的正常运行;采用的脱水装置包括至少两个脱水单元,其能在有效去除水解产品气中的水蒸气的同时确保脱水作业连续进行,而采用在两个脱除co2单元中间设置气体冷却装置的连接方式,能有效确保二氧化碳吸收过程顺利进行;同时,能通过设置在脱水单元上的水蒸气出口管道及时将去除的水蒸气排出,通过设置在脱除co2单元上的co2收集出口管道及时将去除的二氧化碳排出,这种净化系统减少了供氨母管的伴热及保温工作,解决了管道腐蚀、堵塞问题,使得供氨系统更加简单方便,安全可靠。
27.进一步,本发明系统通过在脱水单元和脱除co2单元分别设置了湿度测量仪和co2检测仪,能及时准确的掌握管道内气体湿度和二氧化碳浓度的情况,从而根据需要控制相应的作业单元进行水蒸气脱除、二氧化碳解吸吸收和气体干燥剂干燥等,设计合理,进一步确保了系统的安全可靠性。
28.进一步,本发明系统采用在脱水单元的脱水内壳中设置隔离钢板,能将气体入口和气体出口分隔开,从而增加产品气在内壳中的停留时间,增强干燥效果,使水蒸气被充分吸收。
29.进一步,本发明系统通过设置干燥剂隔离网板,能有效避免气体干燥剂进入管道内,提高安全可靠性。
30.进一步,本发明系统采用在脱水装置内设置水蒸气凝结箱,从而将脱除的水蒸气通过水蒸气出口管道收集在水蒸气凝结箱中,有效确保系统环保安全性。
31.进一步,本发明系统通过采用箱体式的脱水单元,且在其外壳和内壳形成的“回”字型间隙中设置“回”字型的电加热组件,能使气体干燥剂各处的温度均匀,且不遗漏任何受热面,提高干燥效率和效果。
32.进一步,本发明系统采用在第一脱水单元的产品气入口管道上设置温度测量仪,能测量管道内的温度,确保系统安全可靠性。
33.进一步,本发明系统通过在第一co2收集入口管道和第二co2收集入口管道上连接co2收集箱,能对解吸吸收的二氧化碳进行集中收集,环保高效,方便可性。
34.进一步,本发明系统采用的气体冷却装置为水冷模式,通过内部设置的换热管束和除盐水出入口管道,实现换热冷却,结构简单,处理效果好。
附图说明
35.图1为本发明实施例中所述系统的结构示意图。
36.图中:1
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尿素水解反应器,2
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产品气出口,3
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产品气伴热管道,4
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第一阀门,5
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第二阀门,6第一脱水单元,61
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第一产品气入口管道,62
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第一隔离钢板,63
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第一产品气出口管道,64
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第一电加热组件,65
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第一干燥器隔离网板,66
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第一水蒸气出口管道,67
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第一气体干燥剂,7
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第二脱水单元,71
‑
第二产品气入口管道,72
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第二隔离钢板,73
‑
第二干燥器隔离
网板,74
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第二电加热组件,75
‑
第二水蒸气出口管道,76
‑
第二产品气出口管道,77
‑
第二气体干燥剂,8
‑
第一脱除co2单元,81
‑
第一外壳产品气入口管道,82
‑
第一内壳产品气出口管道,83
‑
第一co2固态胺吸着剂,84
‑
第一co2收集出口管道,85
‑
第一内壳产品气入口管道,86
‑
第一外壳产品气出口管道,9
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第二脱除co2单元,91
‑
第二外壳产品气入口管道,92
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第二内壳产品气出口管道,93
‑
第二co2固态胺吸着剂,94
‑
第二co2收集出口管道,95
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第二内壳产品气入口管道,96
‑
第二外壳产品气出口管道,10
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温度测量仪,11
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第一湿度测量仪,12
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第三阀门,13
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第四阀门,14
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第五阀门,15
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水蒸气凝结箱,16
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第二湿度测量仪,17
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第三湿度测量仪,18
‑
第六阀门,19
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第七阀门,20
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第八阀门,21
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脱水后产品气管道,22
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第一co2检测仪,23
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第九阀门,24
‑
第十阀门,25
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第十一阀门,26
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换热管束,27
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气体冷却装置,28
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除盐水出口管道,29
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第十二阀门,30
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co2收集箱,31
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第十三阀门,32
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第十四阀门,33
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第二co2检测仪,34
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第十五阀门,35
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第十六阀门,36
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第十七阀门,37
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除盐水入口管道,38
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第十八阀门,39
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第十九阀门,40
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第二十阀门,41
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第三co2检测仪。
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.本发明一种尿素水解产品气净化系统,包括尿素水解反应器1,反应器设置产品出气口2;所述产品出气口2通过产品气伴热管道3连接脱水装置入口;所述脱水装置出口通过脱水后产品气管道21连接co2吸收解吸装置入口;所述co2吸收解吸装置出口连接供氨母管;即供氨母管上连接了产品气脱水装置及co2吸收解吸装置,其中脱水装置位于尿素水解反应器1及co2吸收及解吸装置之间;
39.所述脱水装置包括至少两个脱水单元和水蒸气凝结箱15;所述的脱水单元依次并联在产品气伴热管道3上;所述脱水单元包括脱水内壳、脱水外壳、温度测量仪10、湿度测量仪、产品气出入口管道以及水蒸气出口管道;所述脱水单元的脱水内壳上设置有产品气出口管道、产品气入口管道以及水蒸气出口管道,脱水内壳中竖直布置有干燥剂隔离网板,水平设置有隔离钢板;所述干燥剂隔离网板围成的容置空间内设置有气体干燥剂,干燥剂隔离网板与隔离钢板及脱水内壳侧壁连接;所述脱水外壳和脱水内壳之间形成间隙空间,当脱水单元采用箱体式时,脱水外壳和脱水内壳之间的间隙内布置呈“回”字型高温电加热组件;所述各管道上分别设置有阀门;
40.所述co2吸收及解吸装置包括第一脱除co2单元8、第二脱除co2单元9、co2收集箱30和气体冷却装置27;所述第一脱除co2单元8和第二脱除co2单元9均包括各自的吸收内壳、吸收外壳、吸收外壳与吸收内壳之间形成的气体通道以及co2检测仪等;所述第一脱除co2单元8和第二脱除co2单元9的外壳均为回字形气体通道,其上布置各自的外壳产品气出入口管道,内壳中布置产品气出入口管道和各自的co2固态胺吸着剂、co2收集出口管道;所述气体冷却装置27位于两组脱除co2单元之间,采用水冷模式,其内部设置有放热回路的换热管束26,外部设置有除盐水入口管道37和除盐水出口管道28;所述各管道上分别设置有阀门;
41.所述第一脱除co2单元8的吸收内壳中设置有第一co2固态胺吸着剂83,两侧壁上设置有第一内壳产品气入口管道85和第一内壳产品气出口管道82,底部设置有第一co2收集出口管道84;所述第一脱除co2单元8的吸收外壳的侧壁上设置有第一外壳产品气入口管道
81和第一外壳产品气出口管道86;
42.所述第二脱除co2单元9的吸收内壳中设置有第二co2固态胺吸着剂93,两侧壁上设置有第二内壳产品气入口管道95和第一内壳产品气出口管道92,底部设置有第二co2收集出口管道94;所述第二脱除co2单元9吸收外壳的侧壁上设置有第二外壳产品气入口管道91和第二外壳产品气出口管道96;
43.所述第一外壳产品气入口管道81或者第二外壳产品气入口管道91分别与脱水后产品气管道21连接;所述第一外壳产品气出口管道86或者第一内壳产品气入口管道85分别经过气体冷却装置27的放热回路与第二内壳产品气入口管道95或者第一外壳产品气出口管道96连接;所述第一内壳产品气出口管道92或者第一内壳产品气出口管道82分别与供氨母管连接;
44.所述一个脱水单元的产品气入口管道上设置有温度测量仪10和湿度测量仪;所述两个脱水单元的产品气出口管道上分别设置有湿度测量仪;所述脱水后产品气管道21、第一内壳产品气出口管道92和第一内壳产品气出口管道82分别设置有第一co2检测仪22、第二co2检测仪33和第三co2检测仪41;
45.所述的各个管道上设置的阀门,用于控制产品气在管道中的流动。
46.下面以脱水装置采用两个并联的脱水单元为例,如图1所示,对本发明系统的具体结构和工作原理作出如下说明,
47.产品气进入第一脱水单元6经干燥后排出;当第一脱水单元6的第一产品气出口管道63的气体第三湿度测量仪17显示气体湿度超标,停止产品气进入第一脱水单元6,引导产品气进入第二脱水单元7进行干燥,同时启动第一脱水单元6的外壳内的第一电加热组件64,对其内壳内的第一气体干燥剂67进行除水干燥,其蒸发水蒸气经第一水蒸气出口管道66进入水蒸气凝结箱15;同样当第二脱水单元7的第二产品气出口管道76的气体湿度超标,则产品气循环进入第一脱水单元6进行除水干燥;
48.脱水后的产品气进入第一脱除co2单元8外壳内,通过其高温特性对其内壳中的第一co2固态胺吸着剂83进行解吸处理,解吸后的co2通过第一co2收集出口管道84进入co2收集箱30;释放热量后的产品气进入换热管束26,换热管束26置于气体冷却装置27,该气体冷却装置27采用水冷模式,使得产品气进一步降温后进入第二脱除co2单元9,对其co2进行吸收,之后产品气经第二内壳产品气出口管道92进入供氨母管将氨气送至脱硝区域。当第二脱除co2单元9的第二内壳产品气气体出口管道92的第二co2检测仪33测量超标,引导产品气进入第二脱除co2单元9外壳内,对其内壳中的第二co2固态胺吸着剂93进行co2解吸,随后产品气进入第一脱除co2单元8内壳,其内的第一co2固态胺吸着剂83对产品气中co2进行吸附;
49.经过脱水单元、脱除co2单元对尿素水解反应器1制氨产品气中水蒸气和co2脱除后,产品气中基本只剩下氨气,无需进行高温伴热及保温,解决了供氨母管的堵塞及腐蚀问题,同时有利于下游设备的正常运行。
50.在实际应用中,使用上述发明系统的具体操作步骤如下,如图1所示,
51.首先,尿素水解反应器1中尿素水解制氨产品气经产品出气口2和产品气伴热管道3进入脱水装置:打开第二阀门5、第六阀门18、第八阀门20,关闭阀门第一阀门4、第三阀门12、第七阀门19,通过第一湿度测量仪11、温度测量仪10测量管道内气体温度及湿度,随后产品气进入第一脱水单元6,利用第一隔离钢板62将第一气体干燥剂67的布置区域分割为
气体入口区域(上部)及气体出口区域(下部),利用第一干燥器隔离网板65防止干燥剂进入第一产品气入口管道61、第一产品气出口管道63和第一水蒸气出口管道66的管道口;产品气通过第一产品气入口管道61进入第一脱水单元6内壳中,利用内壳中的第一气体干燥剂67吸收产品气中水蒸气,之后产品气进入第一产品气出口管道63,通过第三湿度测量仪17检测第一产品气出口管道63内气体湿度,满足要求后进入脱水后产品气管道21;
52.其中,当气体湿度超标,关闭阀门第二阀门5、第六阀门18、第五阀门14,打开阀门第一阀门4、第七阀门19,利用第二脱水单元7对产品气进行干燥,同时启动第一电加热组件64对第一脱水单元6中的第一气体干燥剂67进行高温除水干燥,打开第三阀12和第四阀门13,蒸发的水蒸气通过第一水蒸气出口管道66进入水蒸气凝结箱15;同样,当第二脱水单元7的第二产品气出口管道76内气体湿度超标,立即投入第一脱水单元6进行产品气脱水工作,同时对第二脱水单元7内壳中的第二气体干燥剂77进行除水干燥,转为备用系统;
53.然后,打开第九阀门23,通过第一co2测量仪22检测脱水后产品气管道21内脱水后产品气中co2含量,之后进入co2吸收解吸装置:通过第一外壳产品气入口管道81使产品气进入第一脱除co2单元8外壳内,利用高温特性解吸第一脱除co2单元8内壳中第一co2固态胺吸着剂83吸附的co2,打开第十一阀门25,第一脱除co2单元8内壳中解吸后的co2通过第一co2收集管道入口84进入co2收集箱30;随后打开第十六阀门35、第十八阀门38,产品气通过第一外壳产品气出口管道86进入换热管束26,换热管束26置于气体冷却装置27中进一步将产品气降温,之后进入第二脱除co2单元9内壳内,利用其内的第二co2固态胺吸着剂93吸收产品气中co2,随后打开第十四阀门32,将净化后的产品气利用第二内壳产品气出口管道92送至供氨母管;
54.其中,气体冷却装置27的除盐水入口管道37和除盐水出口管道28上分别设置的第十七阀门36和第十二阀门29控制除盐水的进入和排出;当第二co2检测仪33测量管道内co2超标,立即关闭第九阀门23、第十六阀门35、第十八阀门38、第十四阀门32和第十一阀门25,打开第十阀门24,将产品气送至第二脱除co2单元9外壳内,利用产品气高温特性将内壳中第二co2固态胺吸着剂93吸附的富co2解吸,随后打开第十三阀门31,解吸后的co2通过第二co2收集管道94进入co2收集箱30,随后打开第十九阀门39、第十五阀门34,产品气进入气体冷却装置27中的换热管束26进一步降温,利用第一脱除co2单元8内壳中的第一co2固态胺吸着剂83吸附中的co2,随后打开第二十阀门40将净化后的产品气通过第一内壳产品气出口管道82送至供氨母管;
55.最后,供氨母管将脱除水蒸气和co2的产品气送至后续脱硝系统。
56.本发明解决了尿素水解制氨产品气管道运输过程中的堵塞、腐蚀及高温伴热保温问题,同时净化产品气,有效祛除产品气中的水蒸气及co2,其中所用的气体干燥剂及co2固态胺吸着剂可实现循环利用,以达到该系统高效、经济、合理下运行。
57.基于上述系统,本发明还提供一种尿素水解产品气净化方法,包括,
58.尿素水解反应器1中产生的产品气通过产品气出口2进入产品气伴热管道3内;
59.产品气从产品气入口管道进入脱水单元的脱水内壳,其中的水蒸汽被脱水内壳中的气体干燥剂吸收;
60.脱水后的产品气经产品气出口管道、脱水后产品气管道21和第一外壳产品气入口管道81进入第一脱除co2单元8的吸收外壳,利用其产品气高温特性解吸第一co2固态胺吸着
剂83吸附的co2;释放热量后的产品气再经第一外壳产品气出口管道86进入气体冷却装置27进行热量交换,进一步降温后经第二内壳产品气入口管道95进入第二脱除co2单元9的吸收内壳,其中的co2被第二co2固态胺吸着剂93吸收,之后产品气经第二内壳产品气出口管道92进入供氨母管;
61.脱除水蒸气和co2的产品气通过供氨母管送至脱硝区域。
62.其中,
63.在系统运行时,通过对应的控制阀先启动一个脱水单元,当湿度测量仪测量到管道内气体湿度不满足时,通过对应的控制阀关闭正在运行的脱水单元,启动另一个脱水单元;同时开启对应的电加热组件对停止运行的脱水单元中的气体干燥剂进行干燥;干燥运行过程中,脱除的水蒸气被收集的水蒸气通过水蒸气出口管道排至水蒸气凝结箱15中;
64.在系统运行时,当第二co2检测仪33测量的co2超标时,通过控制相对应的阀门,引导产品气进入第二脱除co2单元9的外壳内,对其内壳中的第二co2固态胺吸着剂93进行co2解吸,随后产品气进入第一脱除co2单元8内壳,其中的第一co2固态胺吸着剂83对产品气中co2进行吸附;解吸的co2被收集在co2收集箱30中。
再多了解一些
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