一種升膜式尿素水熱制氨的反應器和尿素水解制氨工藝方法與流程

本發明涉及一種用于煙氣脫硝用尿素水熱制氨的升膜式水解反應器和尿素水解制氨方法。

背景技術：

選擇性催化還原（selectivecatalyticreduction）脫硝工藝是目前燃煤電廠的主要脫硝工藝，其原理是在一定溫度和催化劑的作用下，還原劑有選擇的把煙氣中的nox還原為無污染的n2和水。目前工業應用的還原劑主要是氨或者是尿素，其中采用氨作為還原劑需要使用氨氣蒸發供應系統，即先將液氨蒸發為氨氣，然后通過氨氣緩沖罐，然后再與空氣（利用稀釋風機輸送）在混合器中混合，然后再進入噴氨格柵，最后再進入催化反應器進行反應。由于液氨在運輸、貯存需要防火防爆等問題。在部分遠離液氨生產的地區，或在電廠居民區附近由于安全因素主要采用尿素制氨工藝提供脫硝所需的氨氣。

尿素制氨工藝包括尿素水解制氨工藝和尿素熱解制氨工藝。其中尿素水解制氨工藝由于反應溫度低、設備國產化率較高，可以利用二次蒸汽等原因，使得水解制氨的成本低于尿素熱解工藝，因此在實際工程應用中逐漸開始推廣起來。尿素水解反應是尿素生產過程的逆反應，其反應可以認為由2步組成：

nh2conh2+h2o=nh2coonh4-15.5kj/mol(1)

nh2coonh4=2nh3+co2+177kj/mol(2)

第1步反應為尿素與水生成氨基甲酸胺欲，該過程為微放熱反應，反應過程非常緩慢；第2步反應為強吸熱反應，氨基甲酸胺迅速分解生成氨氣和co2，反應過程非常迅速。對于水過剩的尿素溶液，過量水的存在可以加快反應速率的進行。在有過量水參與的情況下，尿素水解總的化學反應式為:

nh2conh2+xh20=2nh3+co2+(x一1）h20+161.5k7/mol(3)

尿素水解制氨系統包括尿素倉儲、卸料給料設備，尿素溶液制備及儲存設備，尿素溶液的輸送與循環設備，尿素溶液的水解反應器。其中尿素水解反應器是尿素水解制氨的核心設備。目前，國內某企業開發的尿素水解反應工藝及裝置在國內部分電廠得到應用。其結構及技術特點為：

1）采用尿素溶液水解制氨釜式反應器，主要由釜式圓筒結構反應釜、以及設置在臥式長筒型反應釜內部的u型換熱盤管、以及設置在臥式長筒型反應釜外壁上的產品氣出口管和尿素溶液噴射進料口構成。

2）反應器采用u型換熱盤管完全浸泡于被傳熱尿素溶液中，冷側液體受熱后內部由下到上的進行著自循環。

3）加熱蒸汽在管程，被加熱尿素溶液殼程。與殼程相比管程完全浸沒在反應液中。

4）采用撬裝設計，將反應器及相關管路熱控儀表模塊化一體化設計。

其主要優點在于撬裝化、模塊化設計。但也存在以下問題：

1）管程為加熱蒸汽，蒸汽在換熱過程中凝結于管程內壁形成液膜，雖有高速蒸汽吹掃變薄，但仍影響換熱效率。尤其在管程末端凝結水量加大可能形成液/液換熱效率更低。

2）由于反應液在殼程，主要換熱反應發生在u形管外壁，反應液在外壁上分解形成微小氣泡擴散到反應液中逸出。而微小氣泡的形成與液/固（u管壁）換熱效率相比下降很多。

3）由于反應液在殼程，因此反應器的反應液保有量大。

4）雖然在殼程設置了折流擋板，與反應液在管程相比，反應液流速過低在u管外側為滯流不利于設備換熱。

5）過大的反應器體積提高了設備的造價，同時不利于設備的整體保溫增加了設備能耗。

基于問題1）、2）、4）的原因，該反應器，換熱效率低，完成相同的換熱量所需的換熱面積增大，相應提高了反應器的體積。由于問題3）和過大的反應器體積使反應器中反應液尿素溶液的保有量大，在scr負荷變化條件下，反應生成氨氣的響應時間過長。由于反應器采用臥式長筒型反應釜，其體積過大，反應液保有量大，啟動時反應液加熱到所需反應溫度時間過長，同時對設備的占地面積和設備載荷提出了更高的要求。其制氨產量126kg/h的水解反應器其占地面積為7mx2.5m。

由于反應器對由于在scr負荷變化導致氨氣流量波動的響應時間過長，設備在啟動時啟動時間過長等原因，導致氨氣逃逸或由于氨氣量不足導致煙氣中氮氧化物不達標排放。

因此，有必要研發一種換熱效率高，占地面積小，響應時間短，啟動時間較短的尿素水解反應器。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種換熱效率高、占地面積小、響應時間短、啟動時間較短的高效尿素水解反應器及尿素水解制氨工藝。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：一種用于煙氣脫硝尿素水解制氨工藝的升膜式自循環反應器，其特征在于：1）水解反應器采用升膜式自循環水解反應器。反應器垂直立式安裝，采用管殼式結構，尿素溶液在管程，水蒸汽在殼程，尿素溶液接近分解溫度條件下進入反應器，在管側受熱分解形成氨氣和二氧化碳，反應生成的氣體上升至至反應器頂部經汽水分離器排出。尿素溶液在氣流的作用下在反應器的管程以液膜狀態下抬升至反應器的持液層；2）在反應器的上部和底部之間設有一聯通管，尿素溶液在達到反應器上部后，在上部維持一定的尿素溶液液位，夾帶上來的尿素溶液經過連通管回流至反應器底部，由于液體的密度大于氣液混合物的密度，在反應器內部形成尿素溶液的循環；3）尿素溶液從反應器底部聯通管水平段進入，尿素溶液進口在連通管內以噴管的形式出現。利用進口尿素溶液的高速流動促進反應器內部的溶液循環；4）在殼程加熱蒸汽進口為一個或多個，對于多個蒸汽進口可以根據反應器上中下（或上下）分層布置，每層的蒸汽入口應均布；5）其換熱管的面積應根據反應器的設備出力（氨氣的產量）確定，并有50%的設計裕量。為加快管內尿素溶液的流動速度，設備整體的長徑比不小于5，換熱管的長徑比不小于100，一般為300。換熱管的外直徑不大于15mm。管內氣體流速不低于15m/s,一般為30m/s；6）其進口的尿素溶液的質量濃度為40%～50%，比重1.13～1.15，ph值7～10；7）在反應器的上部有出霧器，除霧器為絲網式或其他適宜形式，除霧器應設置兩層，去除反應生成氨氣二氧化碳所夾帶的尿素溶液；8）反應器殼程底部設有疏水口，冷凝水通過疏水口經疏水閥排至疏水回收水箱（與預熱器器的回收凝結水共用）。疏水箱的回收水可以用于尿素的溶解或其他用途；9）反應器的殼程的材質可以采用304不銹鋼或碳鋼，換熱管、反應器的上、下封頭、除霧器等與氨氣及尿素接觸部分應采用304或316l不銹鋼；10）在反應器的下部應設有排污閥，在反應器的殼程上部設有安全閥及溫度、壓力測量裝置；11）反應器出口設有有加熱盤管，使反應器排出的氣體高于它們的露點溫度。一般不低于150℃。

上述所指的用于煙氣脫硝尿素升膜自循環尿素水解反應器的水解制氨工藝，其特征如下：1）尿素水解制氨工藝由尿素儲運、尿素溶解、尿素輸送、尿素預熱系統、尿素水解制氨系統，以及疏水回收水箱及疏水泵等輔助設備組成。

上述所指的用于煙氣脫硝尿素升膜自循環尿素水解反應器的水解制氨工藝，其特征如下：1）尿素水解制氨工藝由尿素儲運、尿素溶解、尿素輸送、尿素水解制氨系統，以及疏水回收水箱及疏水泵等輔助設備組成；2）在尿素溶液預熱階段通過控制加熱水蒸氣的流量或開關控制尿素溶液在預熱器出口的溫度維持在130℃，出口壓力不小于0.55mpa。將尿素水解反應控制在第一階段，避免由于尿素在預熱器提前水解產生氨氣和二氧化碳影響預熱器的換熱效果；3）在水解制氨階段，通過控制加熱水蒸氣和尿素溶液的流量來控制反應器的氨生成量。以滿足不同工況下煙氣脫硝的氨氣用量。控制反應溫度在145℃～165℃，反應壓力在0.55～0.70mpa；4）尿素深度水解制氨系統使用的汽源為電廠中壓供熱蒸汽，汽源壓力約3.5mpa，溫度420℃二經過減溫減壓裝置得到壓力0.5～0.8mpa，溫度150℃～170℃的蒸汽，供水解系統使用；5）與水解反應器連接的氨氣管道應加強伴熱和保溫，是管道內溫度不低于混合氣體的露點溫度；6）可能的條件下，尿素水解區域內設置有氨氣吸收系統，用于事故狀態下氨氣的吸收。該系統主要由氨氣吸收罐、連接管道和噴淋水管組成。尿素水解反應器、氨氣緩沖罐安全門排放管道連接至氨氣吸收罐。水解器出口有管道直排氨氣吸收罐，當出現異常時，氨氣排入氨氣吸收罐，當吸收罐內溫度達到40℃時啟動開啟噴淋，大量消防水噴出吸收氨氣。含氨廢水通過氨氣吸收罐的溢流水管排出進入廢水坑；7）在尿素的輸送管道應加強保溫及伴熱是尿素溶液的溫度不低于40℃，防止由于溫度較低尿素結晶導致管道堵塞。

其中，上述所指的用于煙氣脫硝尿素水解反應器的尿素溶液預加熱系統主要包括尿素溶液預熱器及相關管路組成，其特征在于：1）預加熱器可以采用管殼式換熱器或板式換熱器，對于管殼式換熱器尿素溶液在管側流動，水蒸汽在殼側冷凝，對于板式換熱器則一側為尿素溶液另一側為蒸汽；2）換熱器的冷凝水通過預熱器底部的疏水口經疏水閥排至疏水回收水箱（與升膜自循環尿素水解反應器的回收凝結水共用）。疏水箱的回收水可以用于尿素的溶解或其他用途。3）預熱器的換熱面積應滿足尿素溶液從室溫加熱至接近反應溫度（130℃）所需的換熱面積的150%，加熱蒸汽的溫度為135℃～140℃。

附圖說明

下面結合附圖對本發明做進一步詳細的說明。

圖1是用于煙氣脫硝尿素水解制氨的升膜自循環反應器的制氨工藝流程示意圖；

圖2是用于煙氣脫硝尿素水解制氨的升膜自循環反應器的結構示意圖；

1）下封頭、2）升膜式換熱器、3）除霧器、4）上封頭、5）尿素循環連接管、6）尿素溶液循環進口、7）排污口、8）加熱蒸汽入口（一個或多個）、9）疏水口、10）溫度計接口、11）壓力表接口、12）殼程安全閥接口。13）尿素溶液溢流口、14）液位計口、15）一級除霧器層、16）二級除霧器層、17）換熱蒸汽盤管、18）氨氣及二氧化碳出口、19）壓力表接口、20）反應器安全閥接口、21）溫度計接口。

尿素水解制氨工藝由以下設備以及相關泵閥管道儀表組成，具體設備如下：尿素斗提機、尿素儲倉、尿素中間儲倉、尿素溶解罐、尿素溶液儲罐、尿素溶液預加熱器、升膜式自循環水解反應器、氨氣緩沖罐、疏水水箱、氨氣吸收系統。

預加熱器可以采用管殼式換熱器或板式換熱器，對于管殼式換熱器尿素溶液在管側流動，水蒸汽在殼側冷凝，對于板式換熱器則一側為尿素溶液另一側為蒸汽

尿素升膜式自循環水解反應器主要由1）下封頭、2）升膜式換熱器、3）除霧器、4）上封頭、5)尿素循環連接管組成。在下封頭設有6)尿素溶液循環進口、7)排污口。在升膜換熱器設有8)加熱蒸汽入口（一個或多個）、9)疏水口、10)溫度計接口、11)壓力表接口、12)安全閥接口。在除霧器下部設有13)尿素溶液溢流口，以及14)液位計口，除霧器上部包括15)一級除霧器、16)二級除霧器、17)換熱蒸汽盤管。上封頭設有18)氨氣及二氧化碳出口、19)壓力表接口、20)安全閥接口。在尿素溶液循環管設有21)溫度計接口。

具體實施方式

實施例參見圖1所示，這種用于煙氣脫硝的尿素水解制氨的升膜式自循環水解反應器由尿素溶液預熱器和升膜式自循環反應器兩部分組成。尿素經外運至尿素水解制氨場地后，經斗提機輸送至尿素儲倉經尿素中間儲倉（計量用）通過重力落至尿素溶解罐，在尿素溶解罐經攪拌及加熱在除鹽水中溶解成45%～55%的尿素溶液，經尿素混合泵泵送至尿素溶液儲罐，尿素溶液儲罐的尿素溶液經尿素輸送泵輸送至尿素溶液預加熱器，在尿素溶液預加熱器管程的尿素溶液被二次蒸汽加熱至135℃后進入升膜式自循環水解反應器，在尿素溶液在反應器的管程上升過程中，尿素溶液在管壁吸收熱量發生水解反應生成氨氣和二氧化碳，從管壁逸出的氣體快速上升減薄了換熱管壁尿素溶液的液膜厚度，帶動了尿素溶液的爬升速度，提高了反應器的換熱效率，當尿素溶液至反應器的上部時由于反應器的尿素回流口與管程與一定距離，在反應器上部形成了一定高度的持液層，由于持液層的存在在反應器上部的尿素溶液在重力作用下回流至反應器管程入口，與進入反應器的尿素溶液混合重新進行水解反應。反應生成的氨氣、二氧化碳經反應器上部的除霧器去除尿素溶液后進入氨氣緩沖罐用于電廠鍋爐煙氣脫硝反應。在尿素預熱器和尿素水解反應器中凝結的蒸氣經疏水閥統一排放至疏水水箱用于尿素的溶解或其他工藝用水。在尿素制氨區域設有氨氣吸收系統，用于事故狀態下氨氣的吸收。該系統主要由氨氣吸收罐、連接管道和噴淋水管組成。水解器、氨氣緩沖罐安全門排放管道連接至氨氣吸收罐。水解器出口有管道直排氨氣吸收罐，當出現異常時，氨氣排入氨氣吸收罐，當吸收罐內溫度達到40℃時啟動開啟噴淋，大量消防水噴出吸收氨氣。含氨廢水通過氨氣吸收罐的溢流水管排出進入廢水坑。