一种流化床式尿素及其衍生物的分解及脱硝系统和工艺的制作方法

本发明属于烟气脱硝技术领域，具体为一种流化床式尿素及其衍生物的分解及脱硝系统和工艺。

背景技术：

随着国家环保指标的提高，燃煤电站锅炉烟气排放指标控制的越来越严格，燃煤电站烟气污染物的排放受到了国际和社会的广泛关注。锅炉烟气脱硝在全国各地全面普及，选择性催化还原烟气脱硝技术的发明，使液氨、氨水及尿素被广泛用作烟气脱硝还原剂。

1、液氨脱硝技术

液氨脱硝是选择催化还原烟气脱硝技术，采用垂直的催化剂反应塔与无水液氨从烟气除去氮氧化物(NOx),用氨气作为反应剂与烟气混合通过催化剂床层,在催化剂作用下有选择性地将Nox还原成N₂和H₂O；脱硝还原剂的选择主要从安全与经济角度考虑。近年来由于从地方管理部门获得液氨的使用与运输许可越来越困难，安全防范要求越来越严，相应的安全成本越来越大，因此，氨水和尿素证越来越多地作为脱硝还原剂使用。

2、氨水脱硝技术

氨水脱硝是将20％-30％的氨水溶液通过一个特殊制作的氨水蒸发器气化后与一定比例的空气混合，再通过喷氨格栅板喷人烟气中去完成脱硝还原反应。

3、尿素热解技术

尿素热解反应过程是将高浓度的尿素溶液喷入热解炉，在温度为350-650℃的热烟气条件下，液滴蒸发，得到固态或者熔化态的尿素，纯尿素在加热条件下分解和水解，最终生成NH₃和CO₂，NH₃作为脱硝还原剂送入反应器内，在催化剂作用下有选择性地将NOx还原成N₂和H₂O；尿素热解技术存在设备制造复杂，能源消耗高等弊病；

4、尿素水解脱硝技术

将颗粒尿素配制成40％-50％(wt)的尿素溶液，再尿素溶液泵送人水解换热器加热至185℃进入尿素水解器分解成NH₃和CO₂再进入脱硝反应器内，在催化剂作用下有选择性地将NOx还原成N₂和H₂O；尿素水解脱硝技术存在对尿素溶液缩二脲含量要求较高等缺点。

5、尿素湿法烟气脱硝技术

尿素湿法烟气脱硝就是采用尿素水溶液喷淋吸收烟气中的NO和NO₂，并利用尿素与之反应生成氮气，从而达到烟气脱硝的目的。但是湿法氧化需要在溶液中加入氧化剂，而氧化剂可以与吸收液中的尿素(还原剂)进行反应，导致氧化剂及尿素消耗量增加。

技术实现要素：

为了解决现有烟气脱硝技术中的生产、贮存及运输存在的安全风险、原材料及能源消耗较高、设备制造复杂等问题的同时，一并解决尿素和三胺生产产生的废弃物质(如废品三胺、三胺付产物)的回收利用困难，使尿素和三胺生产中产生的废料得到充分利用，减少对环境的污染，降低烟气处理的运行成本。本发明提供了一种以尿素及其衍生物和三胺生产中产生的废弃物质(如废品三胺、三胺付产物)作为原料，利用其分解产生的NH₃和CO₂分解气在脱硝催化剂的作用下对烟气进行脱硝，脱除烟气中的氮氧化物，从而达到烟气脱硝净化排空的目的。本发明目的通过以下技术方案来实现：

一种流化床式尿素及其衍生物的分解及脱硝系统，所述系统包括依次串联的流化床反应器、一级旋风分离器、二级旋风分离器、烟气及反应气混合器、多层脱硝反应器以及空气预热器。

作为本发明一种流化床式尿素及其衍生物的分解及脱硝系统的一个具体实施例，所述系统还包括与空气预热器连接相通的罗茨风机Ⅰ。

作为本发明一种流化床式尿素及其衍生物的分解及脱硝系统的一个具体实施例，所述系统还包括与所述流化床反应器下部连接相通的加料罐，以及与加料罐连接相通的斗提机。

作为本发明一种流化床式尿素及其衍生物的分解及脱硝系统的一个具体实施例，所述流化床反应器下部与加料罐连接处设置有喷枪。

作为本发明一种流化床式尿素及其衍生物的分解及脱硝系统的一个具体实施例，所述一级旋风分离器的旋风料腿与所述流化床反应器的上部连接相通。

作为本发明一种流化床式尿素及其衍生物的分解及脱硝系统的一个具体实施例，所述系统还包括与二级旋风分离器连接相通的粉尘排料罐。

作为本发明一种流化床式尿素及其衍生物的分解及脱硝系统的一个具体实施例，所述流化床反应器内设置有流化气分布器、流化板、催化剂床层、档气除尘器和内旋风。

作为本发明一种流化床式尿素及其衍生物的分解及脱硝系统的一个具体实施例，所述流化床反应器内装填有SiO2或Al2O3催化剂中的一种或两种；所述流化床反应器的温度为200～350℃，压力为0.05～0.15MPa。

作为本发明一种流化床式尿素及其衍生物的分解及脱硝系统的一个具体实施例，所述系统还包括与所述流化床反应器底部依次连接相通的烟气风机、热风炉以及罗茨风机Ⅱ。

作为本发明一种流化床式尿素及其衍生物的分解及脱硝系统的一个具体实施例，所述烟气风机通过烟气入口管道与所述流化床反应器底部连接相通。

作为本发明一种流化床式尿素及其衍生物的分解及脱硝系统的一个具体实施例，所述烟气入口管道上设置有蒸汽补充管道。

作为本发明一种流化床式尿素及其衍生物的分解及脱硝系统的一个具体实施例，所述热风炉采用天然气进行加热。

作为本发明一种流化床式尿素及其衍生物的分解及脱硝系统的一个具体实施例，所述流化床反应器的温度通过调节进入热风炉天然气量控制。

作为本发明一种流化床式尿素及其衍生物的分解及脱硝系统的一个具体实施例，所述热风炉与烟气管道连接相通；且热风炉与烟气管道之间设置有流量调节阀。

作为本发明一种流化床式尿素及其衍生物的分解及脱硝系统的一个具体实施例，所述热风炉与空气预热器连接相通。

作为本发明一种流化床式尿素及其衍生物的分解及脱硝系统的一个具体实施例，所述烟气及反应气混合器与烟气管道连接相通。

本发明还提供一种利用所述流化床式尿素及其衍生物分解及脱硝系统进行烟气脱硝的工艺，包括以下步骤：

(1)尿素衍生物、三胺废品或三胺付产物经斗提机提升进入加料罐，然后通过物料入口管道进入流化床反应器下部，经喷枪喷射到流化床反应器的床层中；

(2)从烟气管道过来的烟气经热风炉加热，再经烟气风机升压后，通过烟气入口管道与来自蒸汽补充管道的低压水蒸汽一起进入流化床反应器，流化床反应器的床层温度被升高到物料分解所需温度；同时，烟气经流化床反应器内部的流化气分布器、流化板均匀分布，自下而上使流化床反应器床层内的催化剂形成流态化状态；

(3)尿素衍生物、三胺废品或三胺付产物在水蒸汽、流态化催化剂、反应温度及压力的条件下分解为NH₃和CO₂；

(4)从流化床反应器顶部出来的气流进入一级旋风分离器，经一级旋风分离器分离出的催化剂通过旋风料腿返回至流化床反应器；

(5)从一级旋风分离器顶部出来的气体进入二级旋风分离器，将剩余的催化剂粉尘通过二级旋风分离器的旋风料腿排入粉尘排料罐；

(6)从二级旋风分离器顶部出来的气体进入烟气及反应器混合器，与烟气管道过来的大量烟气混合；

(7)从烟气及反应气混合器出来的混合气体从多层脱硝反应器的顶部进入，在脱硝催化剂的作用下烟气中的氮氧化物与NH₃还原反应生成N₂和H₂O；

(8)从多层脱硝反应器底部排出的气体经空气预热器回收余热后放空。

作为本发明一种流化床式尿素及其衍生物的分解及脱硝工艺的一个具体实施例，所述工艺还包括：空气经罗茨风机Ⅰ压缩升压后进入空气预热器，与多层脱硝反应器底部排出的气体换热升温后进入热风炉，提供天然气燃烧所需的空气。

作为本发明一种流化床式尿素及其衍生物的分解及脱硝工艺的一个具体实施例，所述烟气经热风炉加热后的温度为250～400℃，经烟气风机升压后的压力为0.1～0.2MPa。

作为本发明一种流化床式尿素及其衍生物的分解及脱硝工艺的一个具体实施例，所述低压水蒸汽的压力为0.1～0.2MPa，且所述低压水蒸汽的加入量应以从流化床反应器顶部出来的气流中不含H₂O为准。

作为本发明一种流化床式尿素及其衍生物的分解及脱硝工艺的一个具体实施例，所述从流化床反应器顶部出来的气流为NH₃、CO₂、烟气及少量的催化剂。

作为本发明一种流化床式尿素及其衍生物的分解及脱硝工艺的一个具体实施例，所述脱硝催化剂为金属氧化物脱硝催化剂。

本发明还提供所述流化床式尿素及其衍生物的分解及脱硝系统和工艺的应用，所述系统及工艺在尿素及其衍生物、三胺废品、三胺付产物的分解及脱硝中的应用。

本发明的有益效果：

1、本发明分解及脱硝系统利用流化床反应器对尿素及其衍生物、三胺废品、三胺付产物进行分解，其分解效果更高，更充分，分解率可以达到95％以上；

2、本发明流化床反应器分解所用原材料为尿素及其衍生物、三胺废品、三胺付产物等工业废弃物，将其分解成脱硝所需的NH₃，降低脱硝所需成本，同时使废物得到充分利用，减少环境污染；

3、本发明流化床反应器采用烟气作为流化介质，部分烟气内的氮氧化物在流化床内即参与脱硝反应，使废物料分解反应所需水蒸气量会低于预期，降低脱硝反应器的负荷；

4、本发明流化床反应器及多层脱硝反应器反应所用的原料均为工业排放物，利用流化床反应器分解工业废弃物产生的NH₃在多层脱硝反应器中对烟气进行脱硝，同时烟气又为流化床反应器提供流化介质，各个环节相互配合，同时实现对尿素、三胺废品及烟气的回收利用，降低废物处理及脱硝成本，减少环境污染。

5、现有的尿素一般采用热分解技术，其热分解室的温度为350-650℃，同时要消耗大量的高温空气(温度约650℃)，属高温条件，所以能耗比较高；而本发明流化床反应器的温度仅为200～350℃，压力为0.05～0.15MPa。相对于现有技术本发明采用流化床反应器对尿素及其衍生物、三胺废品及三胺付产物进行分解对温度及压力的要求更低，能耗也更低。

附图说明

图1为本发明流化床式尿素及其衍生物的分解及脱硝系统流程示意图；

图2为本发明流化床反应器结构示意图；

附图标记：1-流化床反应器、2-一级旋风分离器、3-二级旋风分离器、4-烟气及反应气混合器、5-多层脱硝反应器、6-空气预热器、7-罗茨风机Ⅰ、8-加料罐、9-斗提机、101-喷枪、201-旋风料腿、10-粉尘排料罐、102-流化气分布器、103-流化板、104-档气除尘器、105-内旋风、106-烟气进口管、107-封头、108-催化剂床层、109-排出管、11-烟气风机、12-热风炉、13-罗茨风机Ⅱ、14-烟气入口管道、15-蒸汽补充管道、16-烟气管道、17-流量调节阀。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种流化床式尿素及其衍生物的分解及脱硝系统，如图1所示。所述系统包括依次串联的流化床反应器1、一级旋风分离器2、二级旋风分离器3、烟气及反应气混合器4、多层脱硝反应器5以及空气预热器6。本发明系统中，流化床反应器1用来对尿素及其衍生物、三胺废品、三胺付产物进行分解，一级旋风分离器2用来对从流化床反应器顶部出来的气流(含有NH₃、CO₂、烟气及少量的催化剂)中的催化剂分离出来，二级旋风分离器3用来对气流中的催化剂进行进一步分离，并将其排出系统；烟气及反应气混合器4用来对烟气及反应气进行混合，然后进入多层脱硝反应器5中进行脱硝反应，将烟气中的氮氧化物(NOx)与NH₃还原反应成N₂和H₂O，空气预热器6的作用是利用脱硝反应后气体的热量对空气进行加热，并将加热后的空气通入热风炉12，作为天然气燃烧所需空气，进一步达到节约能源，降低消耗的目的。

进一步，所述系统还包括与空气预热器6连接相通的罗茨风机Ⅰ7。罗茨风机Ⅰ7用来对空气进行压缩，使吸入的空气进行升压，然后进入空气预热器6进行换热后进入热风炉12，提供天然气燃烧所需空气。

为了方便实现原料尿素及其衍生物、三胺废品、三胺付产物的添加，本发明系统还包括与所述流化床反应器1下部连接相通的加料罐8，以及与加料罐连接相通的斗提机9。更进一步，所述流化床反应器1下部与加料罐8连接处设置有喷枪101，喷枪101可以将分解的原料喷射到流化床反应器的流化床上，使反应物料与流化床上分布的催化剂充分接触，提高反应效率，使分解更充分。

进一步，所述一级旋风分离器2的旋风料腿201与所述流化床反应器1的上部连接相通。这样设置的目的是将一级旋风分离器2收集到的催化剂返回至流化床反应器内，节约催化剂的用量。

一级旋风分离器2顶部排出的气体中还含有一些催化剂粉尘，这些催化剂粉尘由于颗粒太细，加之流化床反应器1进料原料中含有一定量固体粉尘需要定期排出系统，在一级旋风分离器2后设置有对催化剂粉尘进行进一步回收的二级旋风分离器3，并通过二级旋风分离器3料腿排入粉尘排料罐10，再经粉尘排料罐10排放到粉尘贮罐或作为废渣去包装。

本发明所述流化床反应器1内设置有流化气分布器102、流化板103、催化剂床层108、档气除尘器104和内旋风105，其结构如图2所示。流化床反应器1上部安装的档气除尘器104来初步完成反应器中气流与催化剂的分离；顶部的内旋风105将进一步使气流与催化剂分离。采用本发明流化床反应器对尿素及其衍生物、三胺废品、三胺付产物进行分解，其分解率可以达到95％以上，且本发明流化床反应器与现有的热分解相比温度及压力更低，所需的能耗也更低。本发明流化床反应器1对尿素及其衍生物、三胺废品及三胺付产物分解的具体过程如下：

烟气通过烟气进口管106进入流化气分布器102，然后进入流化床封头107腔体内，在气流充满封头107后再穿过两层流化板103，通过流化板103后，流化气得到再分配，使反应器同一截面上的气量和流速分布更加均匀。在催化剂床层108内至下而上流动的烟气流化气带动催化剂和经喷枪101雾化后的尿素及尿素衍生物一起运动，在此运动中由于气流和催化剂之间搅动作用加剧了离子间的运动速度，使离子之间接触碰撞的机率增多，在此碰撞接触中受热气化的尿素或尿素衍生物与烟气中加入的水蒸汽，在热能和催化剂作用下床层内各种物料高速流动形成喘流状态，提高传热传质的效率，使反应床层中尿素及其衍生物的与水蒸汽完成水解反应快速进行。反应如下

CO(NH₂)₂+H₂O→2NH₃+CO₂(尿素水解)

尿素衍生物(如三聚氰胺及其副产物等)在加热状态下亦容易与水发生水解反应，反应生成三聚氰酸(C₃H₃O₃N₃)并放出氨，而三聚氰酸受热时易发生解聚作用，生成氰酸(CHNO)，氰酸性质不稳定，易水解生成氨和二氧化碳。

C₃N₆H₆+3H₂O→C₃H₃O₃N₃+3NH₃(三胺水解)

C₃H₃O₃N₃→3CHNO(三聚氰酸受热解聚)

CHNO+H₂O→NH₃+CO₂(氰酸水解)

从催化剂床出来的反应气继续至下而上流动，流经档气除尘器104，气流中夹带的催化剂部分被分离下来。气流经档气除尘器104后继续沿反应器向上流动进入内旋风105，完成反应气流与夹带催化剂的最终分离后经排出管109排出反应器进入一级旋风分离器2。

为了更利用原料尿素及其衍生物、三胺废品及三胺付产物的分解，提高其分解率，使分解更充分，所述流化床反应器1内装填有SiO₂或Al₂O₃催化剂中的一种或两种；所述流化床反应器的温度为200～350℃，压力为0.05～0.15MPa。本发明流化床反应器尿素及其衍生物分解所用的催化剂除了本发明公开的催化剂以外，只要是能实现尿素及其衍生物分解的催化剂均可。

进一步，本发明分解及脱硝系统还包括为流化床反应器1原料分解提供烟气使催化剂流化的与所述流化床反应器1底部依次连接相通的烟气风机11、热风炉12以及罗茨风机Ⅱ13。其中，烟气风机11对烟气进行升压，作为原料分解的流化烟气，使催化剂形成流态化状态；热风炉12用来对烟气进行加热，随着烟气将热量带入流化床反应器1内部，使流化床床层温度增加，达到催化剂分解反应所需温度，使反应原料分解为脱硝所需的NH₃；罗茨风机Ⅱ吸入空气升压，为热风炉12天然气燃烧提供所需空气，从而实现对热风炉12内烟气的加热。

本发明烟气在流化床反应器的作用是使催化剂流动起来的流化介质；高温烟气将催化剂流化并使反应器的流动形成喘流状态，在此状态下，高温烟气放出热量并带动床层内催化剂和物料粒子剧烈运动，最终使各物料间充分混合并相互接触与碰撞，加快了物料间的传热传质，从而提高了反应速度和效率。

所述烟气风机11通过烟气入口管道14与所述流化床反应器1底部连接相通。更进一步，所述烟气入口管道14上设置有蒸汽补充管道15。流化烟气进入流化床反应器1之前还加入了一定量可供尿素衍生物、三胺废品、三胺付产物等分解所需的水蒸汽，所以在烟气入口管道14上设置有蒸汽补充管道15。烟气入口管道12上蒸汽补充量由流化床反应器1内物料分解量和烟气中氮氧化物的含量来确定，同时，为了保证多层脱硝反应器中有较高的反应效率，流化床反应器水蒸汽加入量应当以出流化床反应器1的气流中基本不含H₂O为准。本发明设置流化床反应器水蒸气补充量的目的是为了控制反应器出口气中的H₂O含量。尿素及衍生物的分解需要水，当加入反应器水蒸汽量过高时，反应器出口气中的水分含量会偏高，过多水分存在会影响后工序脱硝反应的进行，因为烟气脱硝最终要将产生H₂O；

4NH₃+4NO+O₂→4N₂+6H₂O

相反，当加入反应器蒸汽量过低时，尿素及衍生物分解反应进行不完全，使反应效率降低。

具体的，本发明采用天然气对所述热风炉12进行加热。热风炉12内的烟气经天然气燃烧产生的热量加热升温后进入流化床反应器1内部，所以流化床反应器1的温度通过调节进入热风炉12天然气量控制，天然气量越多，燃烧产生的热量越多，烟气温度越高，则相同量的烟气带入流化床反应器1内的热量也就越多，反应器温度也越高。

本发明天然气量对反应器温度控制具体过程为：反应器温度的要求控制值为一设定值，当反应器实测温度的高低值与设定值之间产生偏差时，温度控制器就输出一个信号去调节进入热风炉天然气阀门开度的大小，以输入一定量的天然气，并同步调节进入热风炉空气风门的开度大小，配比一定比例的空气进入量，以满足进入的热风炉天然气充分燃烧时所需要的氧气量。当反应器实测温度低于设定值时，调节器即输出一个信号去增加进入热风炉的天然气阀门及空气风门的开度，增加天然气和空气量，从而获得更多燃烧热使热风炉出口烟气温度升高，带入反应器的热量增加最终使反应器温度升高；当反应器实测温度高于设定值时，调节器即输出一个信号去降低进入热风炉的天然气阀门及空气风门的开度，减少进入热风炉的天然气和空气量，即减少热风炉的燃烧热，从而降低了热风炉出口温度，带入反应器的热量减少最终使反应器温度降低。

为了保证提供流化床反应器1分解反应所需烟气，所述热风炉12与烟气管道16连接相通；同时，热风炉12与烟气管道16之间设置有流量调节阀17。

进一步，所述热风炉12与空气预热器6连接相通。这样设置的目的是将经过空气预热器6换热后的空气通入热风炉12，作为天然气燃烧所需空气，进一步实现热量回收，降低能喊，节约成本。

为了保证烟气脱硝反应的顺利进行，所述烟气及反应气混合器4与烟气管道16连接相通。烟气及反应气混合器4提供烟气和反应气混合的场所，将其汇合后通入多层脱硝反应器5内进行脱硝反应。

本发明所述流化床式尿素及其衍生物分解及脱硝系统进行烟气脱硝的工艺，包括以下步骤：

(1)尿素衍生物、三胺废品或三胺付产物经斗提机9提升进入加料罐8，然后通过物料入口管道进入流化床反应器1下部，经喷枪101喷射到流化床反应器1的床层中；

(2)从烟气管道过来的烟气经热风炉12加热，再经烟气风机11升压后，通过烟气入口管道14与来自蒸汽补充管道15的低压水蒸汽一起进入流化床反应器1，流化床反应器1的床层温度被升高到物料分解所需温度；同时，烟气经流化床反应器1内部的流化气分布器102、流化板103均匀分布，自下而上使流化床反应器1床层内的催化剂形成流态化状态；

(3)尿素衍生物、三胺废品或三胺付产物在水蒸汽、流态化催化剂、反应温度及压力的条件下分解为NH₃和CO₂；

(4)从流化床反应器1顶部出来的气流进入一级旋风分离器2，经一级旋风分离器2分离出的催化剂通过旋风料腿201返回至流化床反应器1；

(5)从一级旋风分离器2顶部出来的气体进入二级旋风分离器3，将剩余的催化剂粉尘通过二级旋风分离器3的旋风料腿排入粉尘排料罐10；

(6)从二级旋风分离器3顶部出来的气体进入烟气及反应器混合器4，与烟气管道16过来的大量烟气混合；

(7)从烟气及反应气混合器4出来的混合气体从多层脱硝反应器5的顶部进入，在脱硝催化剂的作用下烟气中的氮氧化物与NH₃还原反应生成N₂和H₂O；

(8)从多层脱硝反应器5底部排出的气体经空气预热器6回收余热后放空。

进一步，为了实现对系统热量的回收利用，所述工艺还包括：空气经罗茨风机Ⅰ压缩升压后进入空气预热器，与多层脱硝反应器底部排出的气体换热升温后进入热风炉，提供天然气燃烧所需的空气。

本发明分解及脱硝工艺中，烟气的需要量以及温度取决于反应器流速以及流化床反应器分解反应所需的温度。优选地，所述烟气经热风炉加热后的温度为250～400℃，经烟气风机升压后的压力为0.1～0.2MPa。

所述低压水蒸汽的压力为0.1-0.2MPa，此压力应与反应器烟气流化气压力为0.1～0.2MPa一致，水蒸汽的主要作用使帮助尿素及其衍生物分解。

所述水蒸汽的加入量应以从流化床反应器顶部出来的气流中不含H₂O为准。水蒸汽补充量由流化床反应器1内物料分解量和烟气中氮氧化物的含量来确定，同时，为了保证多层脱硝反应器5中有较高的反应效率，流化床反应器水蒸汽加入量应当以出流化床反应器1的气流中基本不含H₂O为准。

进一步，所述从流化床反应器1顶部出来的气流为NH₃、CO₂、烟气及少量的催化剂。

进一步，所述脱硝催化剂为金属氧化物脱硝催化剂等常规脱硝用催化剂，脱硝温度为常规脱硝控制温度。本发明脱硝催化剂及温度均为本领域内的常规设置，只要能实现烟气脱硝目的催化剂及温度均可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。