本发明属于大气污染控制技术领域，具体涉及一种笑气的一体式自热分解系统及方法。
背景技术：
一氧化二氮(N2O)俗称笑气，是一种温室气体，加剧全球变暖，其引起温室效应的能力远强于二氧化碳与甲烷。同时N2O对臭氧层还有破坏作用，且此破坏作用同样远强于氟氯烃。目前，己二酸装置排放的尾气是笑气的一大来源。己二酸是最重要的脂肪族二元酸之一，大量用于聚氨酯、尼龙66盐以及增塑剂的生产。己二酸装置排放的尾气中，笑气体积分数可高达30％，且排放量巨大，目前大部分都直接排放至大气中，对环境将产生重大影响。
笑气性质非常稳定，在大气中可以存在百余年。笑气的分解产物为氮气与氧气，二者均为大气的基本组成成分，无有毒有害副产物。笑气分子由N-N键与N-O键组成，研究发现N-N键比N-O键更难分离，打开N—O键大约需要250～270kJ·mol-1的活化能，无催化剂存在时需约900℃才能将N2O完全分解，需要消耗大量的热能，如何实现低温分解笑气成为了研究者们的一大目标。同时，笑气的分解过程为强放热反应，反应热大，反应温升大，为了降低反应产物的温升，一般使用压缩空气稀释笑气，但完全分解后的气体温度仍会上升300℃左右，使得笑气处理系统存在不易控制、调节，弹性差的问题，一方面容易因局部过热产生安全问题，另一方面也对笑气处理装置的材质提出了极高的要求，提高了制造和维护成本。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明创造旨在提出一种特别适用于笑气及其类似反应的一体式自热分解系统及方法，使用不绣钢材料建造，能够在处理高浓度笑气的同时降低反应出口温度、副产高品位蒸汽，还具有良好的调节性能。
本发明创造提供的一体式自热分解系统包括切断阀、换热器、预热器、反应器和蒸汽发生器；所述切断阀、换热器的冷侧、预热器、反应器、蒸汽发生器和换热器的热侧依次串联构成串联通路；所述蒸汽发生器的连通于所述串联通路中的部分为其管程部分；所述换热器的热侧出口与大气连通；所述串联通路上，所述预热器的路段两端并联了设置有预热器旁路阀的旁路。
其中，所述串联通路中，所述切断阀和换热器之间的串联路段上设有一压缩空气支路入口。更进一步，所述压缩空气支路上设有调压阀。
其中，所述串联通路上，所述换热器的冷侧两端并联了设置有换热器旁路阀的旁路。
其中，所述蒸汽发生器的壳程入口通入来自系统外的除氧水，经换热后成为蒸汽经所述蒸汽发生器的壳程出口送出。
其中，所述反应器为自热式反应器，具有反应器壳程和反应器管程，所述反应器壳程的入口与所述预热器的出口或所述预热器旁路阀所在的旁路出口相连，所述反应器壳程的出口与所述反应器管程的入口相连，所述反应器管程的出口与所述蒸汽发生器的管程入口相连，所述反应器壳程为加热区域，所述反应器管程为反应区域。优选的，所述反应器为立式U形管式反应器。更优选的，所述反应器壳程设有两个并联的入口，分别位于反应器壳程的中部和下部，且与反应器管程的入口同侧；所述反应器壳程的出口设置于靠近壳程的上部，且与反应器管程的出口同侧。
其中，所述预热器的出口设有第一测温装置，所述反应器的反应区域入口设有第二测温装置，所述反应器的反应区域出口设有第三测温装置，所述切断阀受到所述第三测温装置的信号控制，所述预热器的调节装置同时受到所述第一测温装置和第二测温装置的信号调节与控制。
其中，所述预热器为电加热器，所述换热器为板式换热器或管壳式换热器，优选的为板式换热器，所述蒸汽发生器为釜式蒸发器或立式蒸发器。
本发明还提供了一种含笑气废气的处理方法，采用上述一体式自热分解系统，当系统稳定时，将预热器切出串联通路，使反应器的反应区域的入口温度控制在400±10℃，反应器的反应区域的出口温度在450-600℃的范围内波动，切断阀的切断温度设定为620±5℃。
相对于现有技术，本发明具有如下优势：
(1)系统操作温度低于不锈钢材料的耐受温度，系统中各个设备和管道可以采用不锈钢材料制造，造价低廉；
(2)能够充分回收和利用反应热，可副产高品味的蒸汽，提高热量回收的价值，在满足环保的同时增大经济效益；
(3)系统调节性能好，弹性高，适应性强，能适应不同的工况，且操作状态波动时，能自动调节，安全性高；
(4)采用换热、反应一体化设计，设备数目少，系统及其设备结构简单，容易实现，建设费用低，操作控制简单方便。
附图说明
图1为本发明一体式自热分解系统的结构示意图。
其中，1-切断阀；2-换热器；3-预热器；4-反应器；41-反应器壳程；42-反应器管程；5-蒸汽发生器；6-调压阀；7-预热器旁路阀；8-换热器旁路阀；91-第一测温装置；92-第二测温装置；93-第三测温装置。
具体实施方式
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
本发明说明书和权利要求书中的下列用语具有行业内的通用含义，为方便理解，在下面做了简单的说明。
管程：指管壳式换热设备(如蒸汽发生器、反应器)的换热管以内以及与其直接相连的封头内的空间，对所有管壳式换热设备都适用。
壳程：指管壳式换热设备(如蒸汽发生器、反应器)的换热管以外、壳体以内的空间，管程与壳程被换热管隔开，二者内的流体只可相互换热，不能直接接触。
冷侧：指换热设备(如换热器)内较冷的流体流经的一侧，可以从热侧吸收热量。
热侧：指换热设备(如换热器)内较热的流体流经的一侧，可以向冷侧放出热量。
旁路：直接连接设备(如换热器或阀门)的入口与出口的跨接管线，用于绕过此设备而直接进入下游，这条跨接管线上可以设有阀门，该阀门一般被称为旁路阀。
下面结合附图对本案的技术方案进行进一步详细说明。
本发明的一体式自热分解系统包括切断阀1、换热器2、预热器3、反应器4和蒸汽发生器5；所述切断阀1、换热器2的冷侧、预热器3、反应器4、蒸汽发生器5和换热器2的热侧依次串联构成串联通路；所述蒸汽发生器5的连通于所述串联通路中的部分为其管程部分；所述换热器2的热侧出口与大气连通；所述串联通路上，所述预热器3的路段两端并联了设置有预热器旁路阀7的旁路。
所述切断阀1用于在需要情况下切断向整个系统内的待处理气体(含笑气尾气)的输送。所述换热器2能够将产蒸汽后的尾气的剩余热回收，用于对所述串联通路中待进入反应器的待处理气体进行预热，对系统余热进行充分再利用。所述预热器3用于在系统开车进入稳定运行前对整个系统管路、设备和运行气体(包括待处理气体以及通入的压缩空气)进行预热，使系统快速达到稳定状态，预热器旁路阀7在系统进入稳定状态后用于将预热器3切出串联通路。所述反应器4是对待处理气体进行反应处理的装置。所述蒸汽发生器5能够对反应器4中产物的热量进行充分回收利用，副产高品位蒸汽用于其他生产生活的需要。
其中，所述串联通路中，所述切断阀1和换热器2之间的串联路段上设有一压缩空气支路入口，用于向系统中通入压缩空气，压缩空气能够发挥调整系统压力、调整待处理气体浓度、调节系统温升等多方面用途。更进一步，所述压缩空气支路上设有调压阀6，用于调节进入系统的压缩空气的压力。
其中，所述串联通路上，所述换热器2的冷侧两端并联了设置有换热器旁路阀8的旁路。换热器旁路阀8能够通过调整换热器2的冷侧的流体流量或流速来控制换热器2的换热量，进而调节、控制进入反应器4的反应区域内的待处理气体的温度，提高了系统装置的操作弹性，防止反应热被过度回收，在装置内循环积累，最终导致装置超温。
其中，所述蒸汽发生器5的壳程入口可以通入来自系统外的除氧水，经换热后成为蒸汽经所述蒸汽发生器5的壳程出口送出，实现反应热量的高品质回收利用。
其中，所述反应器4为自热式反应器，具有反应器壳程41和反应器管程42，所述反应器壳程41的入口与所述预热器3的出口或所述预热器旁路阀7所在的旁路出口相连，所述反应器壳程41的出口与所述反应器管程42的入口相连，所述反应器管程42的出口与所述蒸汽发生器5的管程入口相连，所述反应器壳程41为加热区域，所述反应器管程42为反应区域。优选的，所述反应器4为立式U形管式反应器，其壳程加热区域用于对待处理气体进行进一步加热，加热的热源主要来自于管程反应区域的放热，其管程反应区域内装填有待处理气体(笑气)分解催化剂，用于待处理气体的催化分解，分解反应放出的热量由管程的反应区域传递至壳程的加热区域，将待参与反应的气体加热至约400℃。更进一步，所述反应器壳程41设有两个并联的入口，分别位于反应器壳程41的中部和下部，且与反应器管程42的入口同侧，用于及时降低反应后的反应器管程42内高温气体的温度，同时避免刚进入反应区域的气体的温度被降低，无法达到反应要求的初始温度；所述反应器壳程41的出口设置于靠近壳程的上部，且与反应器管程42的出口同侧，用于充分回收反应器管程42出口附近高温气体的热量，且降低反应器管程42入口附近反应管内外的温差，避免未反应的气体被提前冷却。本发明为叙述方便，当将反应器4视为一个整体时，反应器4的入口或出口则分别指反应器4相对于外部的入口和出口，即分别为反应器壳程41的入口和反应器管程42的出口。
其中，所述预热器3的出口设有第一测温装置91，所述反应器4的反应区域入口设有第二测温装置92，所述反应器4的反应区域出口设有第三测温装置93，所述切断阀1受到所述第三测温装置93的信号调节与控制，所述预热器3的调节装置(为预热器3本身具有的装置，如开关阀或加热功率控制阀等)同时受到所述第一测温装置91和第二测温装置92的信号调节与控制。所述切断阀1、预热器旁路阀7和预热器3的调节装置能够根据预先的配置或设定，分别在与其信号连接的测温装置的信号控制作用下，调整系统内流经其所在通路的流体的流量或流速，从而实现对系统内目标部位的温度进行调节与控制。
其中，所述预热器3为电加热器；换热器2为板式换热器或管壳式换热器，优选为为板式换热器，传热系数高，结构紧凑；所述蒸汽发生器5为釜式蒸发器或立式蒸发器。
本发明提供的上述一体式自热分解系统十分适用于含笑气尾气的处理，也能够适用于其他具有相似反应特点(反应需要较高的起始温度，同时反应过程是放热反应)的其他流体的处理。
将上述一体式自热分解系统应用于含笑气的尾气处理，当系统稳定时，将预热器3切出串联通路(即切出系统运行之外)，使反应器4的反应区域的入口温度控制在400±10℃，反应器4的反应区域的出口温度控制在450-600℃，切断阀1的切断温度设定为620±5℃。该工艺条件能够最大限度地对笑气反应产生的热量进行回收利用，稳定运转时不需要外界输入热量，同时能够副产高品位蒸汽。
下面以笑气处理为例简要介绍本系统的一个工作过程。
首先，打开压缩空气支路上的调压阀6，关闭换热器旁路阀8、切断阀1、预热器旁路阀7。使用压缩空气打通系统中各个设备、阀门与管线通路，将压缩空气依次引入换热器2的冷侧、预热器3、反应器4、蒸汽发生器5的管程、换热器2的热侧，最后排入大气。同时，向蒸汽发生器5的壳程引入除氧水至合适液位。
然后，使用压缩空气作为热载体对系统进行预热。将预热器3投入使用，使用电能加热压缩空气至400℃，然后依次流经反应器4、蒸汽发生器5的管程、换热器2的管程，将各设备、管线依次预热，最后排入大气。
然后，当反应器4的出口温度基本不变时，打开切断阀1，向系统中逐渐引入笑气，使笑气跟随压缩空气沿串联通路依次进入预热器3、反应器4的壳程中，被加热至400℃后进入反应器4的管程。笑气将在反应器4的反应区域(反应器管程42)内发生分解反应，温度升高，并加热预先流经反应器4的加热区域(反应器壳程41)的气体，同时，预热器3的调节装置将根据反应器管程42的入口温度逐渐降低预热器3的加热功率，直至为0。
最后，逐渐增大进入系统的含笑气尾气的流量至设计值，使系统各指标运行稳定。打开预热器旁路阀7所在的旁路，关闭预热器3，将所述预热器3切出系统的运行，此时进入系统的气体能在所述自热式反应器4中被加热至400℃。稳定运行时，反应器壳程41入口的笑气体积分数为14.53％，反应器壳程41的入口温度为147℃，反应器管程42的入口温度为400℃，反应器4出口温度为497℃。
在上述过程及系统稳定运行中，当来料波动时，系统会做出自动调整。当来料流量增大或笑气浓度增大时，反应器4的反应区域放出的热量会增大，温度随之升高。此时控制系统会自动增大预热器旁路阀7的开度，降低换热器2的换热量，即降低进入反应器4气体的温度，从而降低反应器4的温度。由于换热器2的换热量降低，多余的反应热将随着处理后的尾气排入大气中，从而避免在系统中循环、累积，造成系统温度整体抬升，最终超过材料的耐受温度。当来料流量降低或笑气浓度减小时，则会自动减小预热器旁路阀7的开度，所述反应器4的出口温度可以随着待处理尾气中的笑气浓度、温度等参数的变化，被控制在450℃-600℃的范围内波动。
蒸汽发生器5副产蒸汽的品味可根据笑气处理装置从属的主装置的需求而定，副产蒸汽的温度可为100-300℃，并可根据实际情况进行调整。
切断阀1用于防止设备与管道的温度超出各自的承受能力，由所述反应器4的出口温度决定其开或者关的状态。例如，当所述反应器4的出口温度达到620℃时，关闭切断阀1中断反应，防止温度继续上升。压缩空气继续吹扫整个系统，温度下降，保证系统安全。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。