制备适用于在SCR法中去除NO_x的尿素溶液的方法和系统的制作方法

专利名称：制备适用于在SCR法中去除NO_x的尿素溶液的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种制备适用于在SCR法中去除氮氧化物，即去除气流中含有的氮氧 化物的尿素水溶液的方法和系统。
背景技术：
选择性催化还原或SCR是公知的从气流中去除从例如化石燃料燃烧中产生的氮 氧化物的方法。SCR可用于例如去除车辆废气中的氮氧化物。基本上，SCR能将氮氧化物如NO和NO2转化为环境中呈惰性的化合物如氮气(N2) 和蒸气。SCR法最佳的温度范围通常为180-350°C。转化过程需要一些氨气(NH3),所述氨 气是通过向气流中注入尿素水溶液来提供的，这样可使尿素原位分解产生氨气。使用该溶 液能避免运输和储存纯氨或其溶液所存在的风险和缺点。在本说明书中，术语SCR溶液将 被用来表示适用于SCR法的尿素水溶液。SCR溶液中尿素的浓度通常为30-35wt% (按重量计)。优选的浓度约为32wt%。 从经济方面来看，考虑到尿素和可能的添加剂例如甲醛等的成本，通过将商用固体尿素溶 解在水中来生产很不可取。因此，现有技术中已经提出了替代方法。WO 2006/096048公开了一种制备含尿素的水流的方法，适用于在单元中减少废气 中的NOx，其中将含尿素的水流直接从尿素生产过程的回收区中分离或在回收区之后分离， 然后用水稀释至含尿素流的尿素含量在30-35wt%之间。根据熟知的现有技术，尿素生产过程发生在合成区，在那里氨和二氧化碳在高压 下发生反应，产生含尿素的水溶液、氨基甲酸铵和游离的氨；将该溶液输送到包括多个在中 和/或低压下操作的装置的回收区，在那里通过加热和/或剥离溶液使氨基甲酸酯分解，以 便将氨和二氧化碳回收到合成区。在回收区的下游，尿素溶液通常约含70wt %的尿素，残余 氨的百分比很低。然后将该溶液通过蒸发浓缩，生产纯尿素融体。然而在实践中，仅通过稀释现有技术水平尿素系统回收区的输出物获得的尿素水 溶液不符合SCR溶液的质量要求，尤其是在氨含量方面。氨的含量必须小于2000ppm，但在实践中有必要保持氨含量低于嗅觉值，这意味 着一个非常低的浓度，优选200-500ppm，更优选小于200ppm。从现有技术水平的尿素系统 回收区中得到的溶液，游离氨含量较低，但不可忽略，约为1-2% (10000-20000ppm)，尿素 含量为65-70wt%。因此，用水稀释到30-35wt%的尿素，不足以满足氨< 2000ppm、优选 < 200ppm的上述要求。当要用SCR溶液处理车辆，如配有柴油发动机的重型车辆的废气时，这个问题变 得更重要但并非是唯一的问题。在这种情况下，SCR溶液可能由非技术人员处理、被长时间 放在车辆油箱中储存、暴露在炎热的夏季气温下等；在这些情况下，显然必须避免氨蒸气释 放的风险。

发明内容
本发明要解决的技术问题是寻找一种适当的且成本-效益兼顾的方式，通过使用 从尿素生产系统的回收区中产生的含尿素水流，来获得适于在SCR单元中用作添加剂用于 去除氮氧化物的尿素水溶液。通过一种制备适用于在SCR法中去除氮氧化物的尿素水溶液的方法可以解决上 述问题，其中使用含有尿素且从尿素生产系统的回收区中得到的水流制备所述溶液，所述 方法的特征在于a)所述水流经过至少一个蒸发处理步骤，分离含有水和氨的蒸气流，获得基本上 无氨的浓缩液；b)然后稀释所述浓缩液以获得尿素浓度适用于SCR法的溶液。SCR溶液的浓度优选为含有15-35wt%的尿素，更优选地约30-35Wt%。所用的术语“无氨，，是指氨含量非常低，这样，稀释液的氨含量可符合SCR溶液的 需求，优选地低于嗅觉值。更优选地，在上述步骤a)获得的溶液的NH3含量为经稀释为含 30-35wt%的尿素后，NH3浓度小于2000ppm，更优选200-500ppm，甚至更优选小于200ppm。所述蒸发优选包括一个加热阶段和随后的真空分离，其中分离含有水和氨的蒸气 流，获得液相浓缩液。优选地，所述真空分离在压力为0. 2-0. 4巴(绝对压力)下进行，更 优选地，在所述压力下在约110°C进行。根据本发明的实施方案，回收区生产的全部水流或仅部分水流可用于生产SCR溶 液的目的。所述蒸发阶段的输入流可以是回收区产生的水流，或将回收区的水流经过进一步 处理步骤去除部分氨获得的水流。根据本发明优选的方面，有两个连续的蒸发步骤，其中第 一蒸发可以获得浓缩液，且将至少一部分所述溶液在第二蒸发步骤中进一步蒸发，获得进 一步浓缩的且无氨的浓缩液。因此，在优选的实施方案中，将来自尿素工艺的回收区的水流经过第一蒸发步骤， 获得含有水和氨的蒸气相以及尿素浓缩液的液相；然后将至少一部分所述的尿素浓缩液经 过第二蒸发步骤，分离含有水和氨的蒸气相，并获得进一步浓缩的且基本上无氨的尿素浓 缩液；然后用水将所述进一步浓缩的尿素溶液稀释到预定的尿素浓度。本发明在这方面提供了 一种特别有效的两步法去除氨。可以采用常规的热交换器进行蒸发，优选壳管式间接热交换器，其中尿素溶液被 输送到管的一端。优选地，使用蒸气加热管热交换器，其中尿素溶液被输送到管或板的一 端，蒸气作为热源在壳端被压缩。本发明的另一个目的是提供一种适于根据上述方法生产SCR溶液的系统。该系统 还可以用于获得其它产物，如尿素。尤其是，本发明的系统至少包括将氨和二氧化碳转化为含有尿素、氨基甲酸铵和 未反应的游离氨的第一水流的合成区；适合分解氨基甲酸酯和将氨与二氧化碳回收至合成 区的回收区，产生基本上含有尿素、水和残余氨的第二水流，所述系统的特征在于包括适合将 所述第二水流的至少一部分转化为用于SCR法的低尿素浓度溶液的附加区，所述附加区包括-至少一个蒸发单元，适于获得进一步浓缩的且基本上无氨的尿素浓缩液的液相，-混合装置，适于用水稀释所述浓缩液。
根据本发明的一方面，所述附加区包括串联运行的两个蒸发单元，其中第一蒸发 单元可以获得浓缩液，并将至少部分所述溶液输送到第二蒸发单元。在本发明优选的实施方案中，提供了第一蒸发单元，用于获得含有水和氨的蒸气 相及尿素浓缩液的液相，和第二蒸发单元，所述第二蒸发单元被加注至少部分来自第一单 元的所述尿素浓缩液，并获得进一步浓缩的基本上无氨的尿素溶液。优选地，第一蒸发单元 包括蒸发器和闪蒸罐；优选地，第二蒸发单元包括蒸发器和真空分离器。将第二单元获得的 无氨的浓缩液输送到混合装置，添加水直到达到合适的尿素浓度。本发明进一步的目的是提供一种用于改进现有尿素生产系统的方法，以便实施上 述方法。因此，本发明的一个目的是提供一种用于改进现有尿素生产系统的方法，包括合 成区、回收区和浓缩区，所述回收区可以获得基本上含有尿素、水和残余氨的水流，输送到 浓缩区以生产高纯度尿素，该方法包括提供至少一个适于将所述水流的至少一部分转化为 用于SCR法的低尿素浓度的溶液的附加区，所述附加区包括至少一个蒸发单元，适于获得 基本上无氨的尿素浓缩液，以及适于用水稀释所述浓缩液混合装置。本发明的主要优点是能有效去除来自尿素系统回收区的尿素溶液中的氨，从而使 稀释液能满足作为SCR系统添加剂的严格要求，尤其是在车辆上。应该指出的是，本发明提供了对从回收区取得的溶液进行第一蒸发和浓缩、去除 游离NH3和水，然后用水稀释的方法。与单纯的稀释(例如从70wt%到32wt% )不同，已 经发现该方法可以进行调整，以满足SCR溶液的质量要求，并得到残余NH3低于嗅觉水平的 高品质溶液。从经济角度看，该方法也很有吸引力，避免使用溶解固体尿素这种更昂贵的方 法。结合指示性且非限制性的附图，通过以下优选的实施方案，将清楚地描述本发明 进一步的特点和优势。


图1为根据本发明的方法适于生产SCR溶液的系统的简化示意图。图2为本发明的方法优选的实施方案的示意图。图3为图2示意图优选实施方案的更详细的实施例。
具体实施例方式优选实施方案的详述图1显示了尿素生产系统的常规框图。该系统基本上包括高压(HP)合成区1、回 收区2和浓缩区3。HP合成区1将氨输入4和二氧化碳输入5转化为水流6，水流6含有尿 素、氨基甲酸铵(NH3)20)2和游离氨；所述回收区包括中压和/或低压装置，适于分离氨基甲 酸酯，然后通过流7将氨和二氧化碳回收至合成区1，并且产生基本上含有尿素、水和残余 氨的水流8 ；浓缩区3包括用于去除水的装置和获得高纯度例如99%或更高(根据应用) 纯度的尿素融体9的装置。所有的尿素系统均遵循图1的基本方案；由于区1、2和3的装置已为本领域所熟 知，因此未做更详细地说明。
通常，水流8含有约65-70%的尿素和约30%的水，残留的约的游离氨。根 据本发明，至少部分所述水流8被输送到附加区10以生产SCR溶液14，其含有30-35%尿 素且适用于SCR法用于减少NOx。参考图1，水流8的第一部分8a用于生产SCR溶液14，而其余的第二部分8b被输 送到浓缩区3中。所述第一部分8a被输送到蒸发和真空分离单元E，其中含有水的和氨的 蒸气相15被分离，获得液相无氨浓缩液11。浓缩液11被输送到混合器12中，用水13稀释 至适当的尿素浓度，优选30-35wt%。水流8b是可选的。在本发明的变型中，水流8全部直接进入单元E，水流8b来自 所述的单元E，如图1虚线所示。在进一步的变型中，水流8b可以直接用于其它用途而不是 在区3中进行浓缩。水流13优选地为去离子水。也可使用在尿素其它过程中回收的经处理的浓缩液。图1涉及适于生产SCR溶液14和尿素融体9的系统。在特别设计用于生产SCR 溶液的系统中，全部的水流8可以直接进入区10，省略浓缩区3。图2显示了本发明一个优选的实施方案。水流8或其一部分，如部分8a，被输送到 第一蒸发单元E1，获得含有NH3和水的蒸气流102，浓缩液103。所述浓缩液的部分107被输 送到第二蒸发单元氏，获得蒸气相112和氨含量非常低的进一步的浓缩液，以浓缩液11表 示。所述浓缩液11被输送到混合装置12。来自第一单元E1的浓缩液的剩余部分114可用 于其它用途，例如形成图1中虚线所示的水流8b。在其它实施方案中，全部的流103可以直 接进入第二单元E2。蒸气流102和112可以合并，如图所示，例如直接进入系统的真空装置(未示出)。 通过分别在蒸发单元E1和氏提供两步串联的浓缩和游离NH3的去除，本发明的这个实施方 案特别有效。本发明优选的实施方案更详细的内容如图3所示。第一单元E1包括蒸气-加热 蒸发器100和闪蒸罐101。在该实施例中，蒸发器100为壳管式热交换器，其中含尿素的水 流8被输送到管中，由在壳端压缩的蒸气120加热，并作为浓缩物121被回收。蒸发器100的管束输出被转移到闪蒸罐101，其中含有氨和水的蒸气相102被分 离，获得浓缩液103，储存在罐104中。流105来自所述罐并被输送到泵106。所述泵的泵 出物分出的流107用于生产SCR溶液，流114可以用于其它用途，如在浓缩区3中生产尿素 融体。浓缩液的流107被输送到第二蒸发单元氏中，该单元包括通过管道109与真空分 离器Iio连接的热交换器108。含有水和尿素的蒸气相112也从所述分离器110中分离，获 得进一步浓缩的且基本上无氨的溶液113，输送到混合器12。第二蒸发单元氏包括一个壳管式热交换器，其中流107被输送到管中，由被输送 到壳端的蒸气122加热，并作为浓缩物123被回收。适合的分离器优选被安装在容器101中以从蒸气102中分离液相103。分离器110 具有较好的底孔111用于收集液相形成浓缩液113。 应该指出的是，壳管式热交换器优选交换器100和/或108，但是，任何常规的热交 换器都可以使用。 一个实施例如下。含有68wt%尿素的水流8在蒸发器100中蒸发，并在OAbarabs和95°C下通过闪蒸罐101，获得含有71wt %尿素的浓缩液流103。在第二单元&获得 的流113含有90wt%的尿素和430ppm的游离氨；然后在混合器12中加水13稀释所述流， 获得含有32wt%尿素和< 200ppm氨的溶液14。该溶液14适于用作SCR溶液，即用于SCR 法去除N0X。溶液的冷却器可以安装在混合装置12的下游。 又如图1所示，包括合成区1、回收区2和浓缩区3的生产尿素的常规系统可以进 行改进，以使用至少一部分区2的输出物生产SCR溶液14。这项改进涉及至少提供区10和 相关的管路及配件，如泵、阀等。区10可以依次包括如图2-3所示的单元仏和E2,如上所 述。因此，改进后的尿素系统能生产SCR溶液14。
权利要求
1.一种制备适用于在SCR法中去除氮氧化物的尿素水溶液的方法，其中使用含有尿素 且从尿素生产系统的回收区O)中得到的水流(8，8a)制备所述溶液，所述方法的特征在 于-所述水流(8，8a)经过至少一个蒸发处理步骤，分离含有水和氨的蒸气流(15)，获得 基本上无氨的浓缩液(11)；-然后稀释所述浓缩液(11)以获得尿素浓度适用于SCR法的溶液(14)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述蒸发包括加热步骤，随后真空分离，其中含有 水和氨的蒸气流与浓缩液分离。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述真空分离为在0.2-0. 4巴的压力下进行。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其中将来自回收区⑵的所述水流⑶先进 行第一蒸发步骤，获得含有水和氨的蒸气相(10 以及尿素浓缩液(10 的液相；然后将所 述尿素浓缩液的至少一部分(107)进行第二蒸发步骤，分离含有水和氨的蒸气相(112)，并 进一步获得基本上无氨的尿素浓缩液(11)；然后加水(1 将所述进一步浓缩的尿素浓缩 液(11)稀释到预定的尿素浓度。
5.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中所述蒸发在壳管式间接热交换器中进 行，其中所述尿素溶液被输送到管的一端。
6.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中用水稀释后溶液中尿素的浓度为 30-;35wt%。
7.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中稀释溶液中NH3的含量小于2000ppm，优 选地小于200ppm。
8.一种制备适用于在SCR法中去除氮氧化物的尿素水溶液的系统，所述系统至少包 括合成区(1)，用于将氨和二氧化碳转化为含有尿素、氨基甲酸铵和未反应的游离氨的第 一水流(6)；回收区0)，其适合分解氨基甲酸酯和将氨与二氧化碳回收至合成区，并产生 基本上含有尿素、水和残余氨的第二水流(8)，所述系统的特征在于包括适于将所述第二 水流⑶的至少一部分(8a)转化为用于SCR法的低尿素浓度溶液(14)的附加区(10)，所 述附加区(10)包括-至少一个蒸发单元(E)，适于获得基本上无氨的尿素浓缩液(11)，-混合装置(12)，适于用水稀释所述浓缩液(11)。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述附加区(10)至少包括串联运行的第一蒸发单 元(El)和第二蒸发单元(E2)。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述附加区(10)包括第一蒸发单元(El)，用于 获得含有水和氨的蒸气相及尿素浓缩液的液相，和第二蒸发单元(E2)，所述第二蒸发单元 被加注至少部分来自第一单元的所述尿素浓缩液，并获得进一步浓缩的基本上无氨的尿素 溶液，其经稀释用于生产SCR法中使用的溶液。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述第一蒸发单元(El)包括蒸发器和闪蒸罐， 所述第二蒸发单元(E》包括蒸发器和真空分离器。
12.一种用于改进现有尿素生产系统，使之适于生产SCR法中使用的尿素溶液的方法， 所述系统包括合成区(1)、回收区( 和浓缩区(3)，所述回收区( 获得基本上含有尿素、 水和残余氨的水流(8)，输送到浓缩区(3)以生产高纯度尿素，所述方法包括提供至少一个适于将所述水流(8)的至少一部分(8a)转化为用于SCR法的低尿素浓度的溶液(14)的附 加区(10)，所述附加区(10)包括至少一个蒸发单元(E)，适于获得基本上无氨的尿素浓缩 液(11)，以及适于用水稀释所述浓缩液(11)的混合装置(12)。
全文摘要
一种制备适用于在SCR法中去除氮氧化物的尿素水溶液的方法和系统，其中将来自尿素系统回收区中的尿素溶液经过至少一个蒸发处理步骤，分离含有水和氨的蒸气流，获得基本上无氨的浓缩液，将所述浓缩液稀释至适用于SCR法的尿素浓度。
文档编号B01D53/90GK102112209SQ200980130123
公开日2011年6月29日 申请日期2009年7月21日 优先权日2008年7月31日
发明者费得瑞科·扎迪 申请人:卡萨尔尿素公司