一种尿素热解制氨装置及方法

摘要

本发明提供了一种尿素热解制氨装置及方法，尿素热解制氨装置包括入口段、带有喷射器的主反应段和出口段，主反应段的两端分别与入口段和出口段相连通，其特征在于，所述的入口段与主反应段之间设置至少两级减速段，相邻的两级减速段之间设置稳定段。本发明的尿素热解制氨装置基于速度分区的设计思想，各段有相应的流速范围，气流速度分段下降，流速可控，且有稳定段的设计，保证气速下降后充分稳定再次降速，整体流场稳定。

权利要求

1.一种尿素热解制氨装置，包括入口段(1)、带有喷射器(5)的主反应段(6)和出口段(8)，主反应段(6)的两端分别与入口段(1)和出口段(8)相连通，其特征在于，所述的入口段(1)与主反应段(6)之间设置至少两级减速段，相邻的两级减速段之间设置稳定段(3)；所述的减速段包括一级减速段(2)和二级减速段(4)，一级减速段(2)的上端入口连通入口段(1)，二级减速段(4)的下端出口连通主反应段(6)；所述的稳定段(3)的两端分别连通一级减速段(2)和二级减速段(4)；

所述的一级减速段(2)的夹角介于30°～60°之间，其变径比介于1:2～1:5之间；

所述的二级减速段(4)的夹角介于10°～30°之间，其变径比介于2:3～2:5之间；

气流流经稳定段(3)的时间在0.1～1s之间，所述的稳定段(3)的长度为0.2～5m；

入口段(1)的气体流速为15m/s～30m/s，经一级减速段(2)后，稳定段(3)的气体流速为

2m/s～5m/s，再经二级减速段(4)后，主反应段的气体流速为1m/s～3m/s。

2.根据权利要求1所述的一种尿素热解制氨装置，其特征在于，所述的入口段(1)、减速段、稳定段(3)和主反应段(6)同轴设置，每一级减速段的横截面面积沿着由入口段(1)至主反应段(6)的方向逐渐增大，稳定段(3)的横截面面积沿着由入口段(1)至主反应段(6)的方向均相等。

3.根据权利要求1所述的一种尿素热解制氨装置，其特征在于，所述的减速段为内部中空的锥形结构，锥形结构的内径沿着由入口段(1)至主反应段(6)的方向逐渐增大；所述的稳定段(3)为内部中空的柱状结构。

4.根据权利要求1所述的一种尿素热解制氨装置，其特征在于，所述的一级减速段(2)的下端出口的内径、稳定段(3)的内径和二级减速段(4)的上端入口的内径均相等。

5.一种采用如权利要求1-4任意一项所述的制氨装置的尿素热解制氨方法，其特征在于，气体加热后以一定速度进入入口段(1)，经过至少两级减速后进入主反应段(6)与尿素溶液进行热解反应；所述的加热后的气体在经过一级减速段减速后进入稳定段(3)停留0.1～1s。

6.根据权利要求5所述的一种尿素热解制氨方法，其特征在于，所述加热后的气体的流速经一级减速段(2)较入口段(1)处流速下降50％～80％，加热后的气体的流速经二级减速段(4)较入口段(1)处流速下降80％～98％。

说明书

一种尿素热解制氨装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种脱硝系统还原剂的制备领域，具体地，涉及一种尿素热解制氨装置及方法。

背景技术

[0002] 传统的尿素的热解主要在热解反应器中进行，气体通过加热装置加热后作为反应热源，进入热解反应器，用于完全分解传送到氨喷射系统的尿素。气体通过加热控制装置以维持适当的尿素分解温度。尿素经过一个能提供完全分配的喷射器注入到热气体中。热解反应器从其进口开始算起，至出口结束，由入口段、减速段、本体、收缩段、出口等部分组成。热气体从反应器入口进入，通过减速段进入本体，尿素溶液通过喷射器送入本体，在高温下溶液发生汽化，尿素与水发生反应生成NH3和CO2。主要的化学反应为：

[0003] CO(NH2)2——NH3+HNCO

[0004] HNCO+H2O——NH3+CO2。

[0005] 为了增加尿素分解的反应停留时间，使得反应更加充分的进行，必须要降低热风在热解反应器内的流速。因此，在本体上部设置有减速段，用于放大本体直径，从而达到降低热气体流速的目的。

[0006] 但是，现有的热解反应器一般通过一段减速段直接减速后通入本体进行反应，气流速度一次性下降过快，会存在以下的问题：

[0007] 一方面，会造成下部气体流场紊乱，流场结构失衡。气流降速一步到位，气流进入反应器后，速度下降过快，会造成热解反应器内的流场不稳、气流分布不均。

[0008] 另一方面，也会造成温度场分布不均，影响反应效率。

[0009] 由于尿素分解反应在很短的时间内完成，对气体流场和温度场的要求非常高。如果气体流场和温度场分布不均，尿素就不能完全分解，未分解的尿素会在尾管管壁上结晶沉积。尿素结晶现象的增多会造成检修次数的增加，严重的还会对尿素热解系统的运行造成影响。

[0010] 因此，如何提高热解反应器中气流的气体流场和温度场对于尿素的热解反应的稳定有效进行至关重要。

[0011] 有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

[0012] 为了解决上述问题，本发明的第一发明目的是提供了一种尿素热解制氨装置，具体地，采用了如下的技术方案：

[0013] 一种尿素热解制氨装置，包括入口段、带有喷射器的主反应段和出口段，主反应段的两端分别与入口段和出口段相连通，其特征在于，所述的入口段与主反应段之间设置至少两级减速段，相邻的两级减速段之间设置稳定段。

[0014] 进一步地，所述的入口段、减速段、稳定段和主反应段同轴设置，每一级减速段的横截面面积沿着由入口段至主反应段的方向逐渐增大，稳定段的横截面面积沿着由入口段至主反应段的方向均相等。

[0015] 进一步地，所述的减速段为内部中空的锥形结构，锥形结构的内径沿着由入口段至主反应段的方向逐渐增大；所述的稳定段为内部中空的柱状结构。

[0016] 进一步地，所述的减速段包括一级减速段和二级减速段，一级减速段的上端入口连通入口段，二级减速段的下端出口连通主反应段；所述的稳定段的两端分别连通一级减速段和二级减速段。

[0017] 进一步地，所述的一级减速段的下端出口的内径、稳定段的内径和二级减速段的上端入口的内径均相等。

[0018] 进一步地，所述的一级减速段的夹角介于30°～60°之间，其变径比介于1:2～1:5之间。

[0019] 进一步地，所述的二级减速段的夹角介于10°～30°之间，其变径比介于2:3～2:5之间。

[0020] 进一步地，所述的稳定段的长度需要满足：气流流经稳定段的时间在0.1～1s之间；

[0021] 优选地，所述的稳定段的长度为0.2～5m。

[0022] 本发明的第二发明目的是提供一种采用上述的制氨装置的尿素热解制氨方法，，气体加热后以一定速度进入入口段，经过至少两级减速后进入主反应段与尿素溶液进行热解反应；所述的加热后的气体在经过每一级减速段减速后进入稳定段停留0.1～1s。

[0023] 进一步地，所述加热后的气体的流速经一级减速段较入口段处流速下降50％～80％，加热后的气体的流速经二级减速段较入口段处流速下降80％～98％。

[0024] 本发明的尿素热解制氨装置采用逐级放大结构，温度场分布均匀，提高反应效率，利于尿素溶液的完全热解。气流在进入上一级减速段之后，进入稳定段，维持流场稳定并且不产生紊流，然后再次进入下一级减速段。稳定段的长度需要满足气流停留时间在0.1～1s之间的要求。

[0025] 因此，本发明的尿素热解制氨装置基于速度分区的设计思想，各段有相应的流速范围，气流速度分段下降，流速可控，且有稳定段的设计，保证气速下降后充分稳定再次降速，整体流场稳定。

[0026] 具体地，本发明具有如下技术效果：

[0027] 1、气流分阶段降速，并且引入稳定段，一级减速后进入稳定段，充分稳定后进行二级减速，整体流场结构稳定，不产生紊流。

[0028] 2、避免因流场不稳定对温度场分布的影响，造成截面温度分布不均匀，形成局部低温点，尿素溶液无法充分分解，影响分解效率。

[0029] 3、截面速度相对标准偏差减小10％以上。

[0030] 4、截面温度相对标准偏差减小14％以上。

附图说明

[0031] 图1本发明的尿素热解制氨装置的结构示意图；

[0032] 图2本发明的尿素热解制氨装置的不同速度区间及风速变化趋势图。

[0033] 附图中的标号说明：1-入口段 2-一级减速段 3-稳定段 4-二级减速段 5-喷射器6-主反应段 7-收缩段 8-出口段 9-出口管路。

具体实施方式

[0034] 下面结合附图对本发明的一种尿素热解制氨装置及方法进行详细描述：

[0035] 如图1所示，本发明的一种尿素热解制氨装置，包括入口段1、带有喷射器5的主反应段6和出口段8，主反应段6的两端分别与入口段1和出口段8相连通，所述的入口段1与主反应段6之间设置至少两级减速段，相邻的两级减速段之间设置稳定段3。

[0036] 本发明的制氨装置逐级的将气体的流速降低，并且在每一级降速后通入到稳定段3，稳定段3对气体在其内部流动时具有一定的缓冲效果，避免气体流速降低过快导致气体流场和温度场的不稳定，经过稳定段3稳定后的气体再次进入下一级的减速段进一步地减速。

[0037] 本发明的制氨装置经过多级逐步减速使气体流速达到反应要求，并且每一级减速过后都进入稳定段3进行气体的流场和温度场的稳定，这相对于现有热解反应器将气体流速一次性降低后通入到主反应体的方式，最后进入主反应段6的气体流速的流场以及温度场的分布更加的均匀，更加有利于从喷射器5喷出的尿素热解反应，使得反应更加的稳定高效。

[0038] 因此，本发明的尿素热解制氨装置采用逐级放大结构，温度场分布均匀，提高反应效率，利于尿素溶液的完全热解。气流在进入上一级减速段之后，进入稳定段，维持流场稳定并且不产生紊流，然后再次进入下一级减速段。

[0039] 本发明的减速段可根据实际的反应要求进行设置，主要取决于入口段1处气体流速、进入主反应段6的气体流速以及制氨装置的规格(即容量)所决定。一般，减速段的级数可在满足反应效率的条件下尽可能多的设置，这样可以确保气体流速稳定降低。但是，减速段也不应设置的过多，因为减速段越多，稳定段3设置的也就越多，会影响气体的传输效率，进而影响到反应效率。

[0040] 为了实现本发明的减速段的减速效果和稳定段3的稳定气体流场和温度场的效果，作为本发明的一种优选实施方式，本发明的入口段1、减速段、稳定段3和主反应段6同轴设置，每一级减速段的横截面面积沿着由入口段1至主反应段6的方向逐渐增大，稳定段3的横截面面积沿着由入口段1至主反应段6的方向均相等。

[0041] 本发明的每一级减速段的横截面面积沿着由入口段1至主反应段6的方向逐渐增大，使得气体再由入口段1流向主反应段6的过程中，传输空间逐渐增大，气体流速逐渐降低。本发明的稳定段3的横截面面积沿着由入口段1至主反应段6的方向均相等，说明稳定段3是内部通道均匀，不会发生径向尺寸的改变而影响到气体的正常传输，从而使得气体能够在流经稳定段3的过程中，内部的流场和温度场得以缓冲而变得更加的均匀。

[0042] 本发明的制氨装置整体呈柱状结构，柱状结构内部中空，优选地，采用圆柱状结构。

[0043] 作为本发明的一种优选实施方式，所述的减速段为内部中空的锥形结构，锥形结构的内径沿着由入口段1至主反应段6的方向逐渐增大；所述的稳定段3为内部中空的柱状结构。

[0044] 本发明的减速段为内部中空的锥形结构，实现气体减速效果，稳定段3为内部中空的柱状结构，实现气体流场和温度场的稳定效果。而且锥形结构和柱状结构的连接过渡更加平滑，避免连接处尺寸突变对气体造成紊流，影响气体流场和温度场的稳定性。

[0045] 作为本发明的一种优选实施方式，本发明的减速段包括一级减速段2和二级减速段4，一级减速段2的上端入口连通入口段1，二级减速段4的下端出口连通主反应段6；所述的稳定段3的两端分别连通一级减速段2和二级减速段4。

[0046] 本发明的具体的采用了两级减速的方式，这是在满足反应效率的基础上做出的一种较优的方式。本发明的两级减速中一级减速段2起到主要的减速作用，二级减速段4在一级减速段2减速后的基础上进一步减速以达到反应要求。因此，将稳定段3设置在一级减速段2和二级减速段4，气体在经过一级减速段2减速后气体流速变化较大，气体流场和温度场分布不均匀，随后进入稳定段3进行气体缓冲，使气体流场和温度场重新分布。经过稳定段3稳定后的气体再经过二级减速段4进一步减速，二级减速段4的减速作用较小，气体经过二级减速段4的变化远小于经过一级减速段2，气体流速变化不大，对气体流场及温度场影响较小，因此，经过二级减速段4减速后的气体达到反应要求后可直接通入到主反应段6中对由喷射器5喷出的尿素进行热解反应。

[0047] 本发明的两级减速方式并非简单的将气体进行两次减速，而是具有“主次”，一级减速段2具有主要减速的作用，经过其减速后的气体流场和温度场变化较大，因此，将经过一级减速段2减速后的气体通入到稳定段3及时进行缓冲，以稳定气体的流场和温度场。而二级减速段4具有次要减速作用，主要是将稳定后的气体再次减速达到反应要求。

[0048] 本发明的一级减速段2和二级减速段4具有不同的作用和效果，一级减速段2起到主要的减速作用，同时也保证了气体的传输效率，二级减速段4确保了气体达到最终的反应要求。

[0049] 具体地，本发明的气体的流速经一级减速段2较入口段1处流速下降50％～80％，加热后的气体的流速经二级减速段4较入口段1处流速下降80％～98％。

[0050] 因此，为了实现本发明的一级减速段2、二级减速段4和稳定段的技术效果，本发明：

[0051] (1)一级减速段2的夹角介于30°～60°之间，其变径比介于1:2～1:5之间。

[0052] (2)二级减速段4的夹角介于10°～30°之间，其变径比介于2:3～2:5之间。

[0053] (3)稳定段3的长度需要满足：气流流经稳定段3的时间在0.1～1s之间。

[0054] 本发明的一级减速段2的夹角较大，所以轴向上的内径突变较大，而变径比较小使得一级减速段2的轴向长度较短，因此，气体流速在一级减速段2中降低的更快。

[0055] 本发明的二级减速段4的夹角较小，所以轴向上的内径突变较小，而变径比较大使得二级减速段4的轴向长度较长，因此，气体在二级减速段4中传输时流速降低较小且流场及温度场分布更加均匀。

[0056] 本发明的稳定段3使得气体在其中经过0.1～1s的缓冲，更加有利于流场和温度场的重新均匀分布，避免进入主反应段6中的气体流场和温度场突变较大，不利于反应的进行。

[0057] 本发明的稳定段3的长度是决定气体在其中传输时间长短的主要决定性因素，而稳定段3的长度取决于气体流速和装置的整体规格。一般的，本发明的稳定段3的长度为0.2～5m。

[0058] 作为本发明的一种优选实施方式，本发明的一级减速段2的下端出口的内径、稳定段3的内径和二级减速段4的上端入口的内径均相等。这样，使得本发明的稳定段2与两端的减速段连接处平稳过渡，无尺寸上的突变，不会对气体传输造成紊流。

[0059] 本发明的尿素热解制氨装置还包括收缩段7，收缩段7设置在主反应段6和出口段8之间，收缩段7的内径沿着主反应段6至出口段8的方向逐渐降低。具体地，收缩段7呈倒锥形结构。

[0060] 本发明的尿素热解制氨装置的出口段8后连接出口管路9，出口管路9连通脱硝系统，用于将主反应段6制得的氨气通入脱硝系统进行进一步反应。

[0061] 本发明的尿素热解制氨装置基于速度分区的设计思想，各段有相应的流速范围，气流速度分段下降，流速可控，且有稳定段的设计，保证气速下降后充分稳定再次降速，整体流场稳定。如图2所示，为本发明的尿素热解制氨装置的不同速度区间及风速变化趋势图：

[0062] 第1段为入口段，风速介于15m/s～30m/s之间；

[0063] 第2段为一级减速段；

[0064] 第3段稳定段，风速介于2m/s～5m/s之间；

[0065] 第4段为二级减速段；

[0066] 第6段为主反应段，风速介于1m/s～3m/s之间。

[0067] 因此，本发明的尿素热解制氨装置具有如下技术效果：

[0068] 1、气流分阶段降速，并且引入稳定段，一级减速后进入稳定段，充分稳定后进行二级减速，整体流场结构稳定，不产生紊流。

[0069] 2、避免因流场不稳定对温度场分布的影响，造成截面温度分布不均匀，形成局部低温点，尿素溶液无法充分分解，影响分解效率。

[0070] 3、截面速度相对标准偏差减小10％以上。

[0071] 4、截面温度相对标准偏差减小14％以上。

[0072] 实施例一

[0073] 本实施例提供了一种采用具体实施方式所述的制氨装置的尿素热解制氨方法，气体加热后以一定速度进入入口段1，经过至少两级减速后进入主反应段6与尿素溶液进行热解反应；所述的加热后的气体在经过每一级减速段减速后进入稳定段3停留0.1～1s。

[0074] 本实施例的尿素热解制氨方法通过控制热解气体的流速，使得热解气体与尿素之间的反应更加的充分，反应的速率更高。

[0075] 具体地，本实施例加热后的气体的流速经一级减速段2较入口段1处流速下降80％～95％，加热后的气体的流速经二级减速段4较入口段1处流速下降95％～98％。

[0076] 本实施例的方法控制气体分级减速，并且每一级的减速作用不同，确保了气体减速效率的同时保证了气体流场和温度长度均匀稳定，更加有利于尿素的热分解反应。

[0077] 本实施例的热气体从入口段1进入，经一级放大段2后气流减速到一定范围内，进入稳定段3，通过一定时间的稳定后，再次经二级放大段4减速，进入反应器主体段6，从喷射器5喷入的尿素溶液在主体段6进行反应，尿素溶液充分分解生成NH3后，含氨混合气体从尾部收缩段7进入尾管8，输送进入脱硝系统。

[0078] 以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。