一种填料式的尿素催化水解系统及方法与流程

1.本发明涉及火电厂烟气脱硝技术领域，具体为一种填料式的尿素催化水解系统及方法。


背景技术：

2.近年来，由于对安全因素和潜在危险的重视，尿素制氨技术逐渐替代液氨法，作为火电厂烟气脱硝技术中还原剂氨的制备方法。其中，尿素水解技术已成熟应用于化工行业中尿素合成的废液回收工艺，尿素水解原理是在高温下与水反应生成nh3和co2，当温度高于60℃时co(nh2)2开始水解，温度达到80℃时水解速度加快，145℃以上有加剧增加的趋势，在沸腾的尿素水溶液中水解更加剧烈。尿素水解的程度取决于反应温度、溶液中nh3和co2的含量、尿素的含量以及在反应器中的停留时间。
3.在固定体积的反应器内，不能够保证有足够长的水解反应时间，影响了水解效率。特别是高温尿素溶液在水解反应过程中，不断产生水解生成的nh3和co2，而游离的nh3对水解反应有抑制作用，使反应器内的高浓度尿素溶液不能及时的完全水解。另外，尿素溶液加热需要的热量和尿素水解反应液输出的热量，没有充分将热交换利用，从能耗来说不经济。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种填料式的尿素催化水解系统及方法，实现高效热交换，提高水解反应速率，避免nh3对水解反应的抑制作用，提高了反应釜内高浓度尿素溶液的水解效果，结构简单，经济性强。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种填料式的尿素催化水解系统，包括尿素催化水解反应釜和闪蒸循环装置；
7.尿素催化水解反应釜的顶部设有气体出口和饱和蒸汽入口，其内部设有换热器和用于放置负载催化剂的填料区域，饱和蒸汽入口与换热器入口连接，尿素催化水解反应釜的底部设有换热器出口、尿素溶液入口、气体入口和循环液出口，气体出口通过循环管路与气体入口连接；
8.闪蒸循环装置包括尿素溶液混合罐、尿素溶解罐和闪蒸罐；
9.其中，所述闪蒸罐包括疏水口、用于送入原料脱盐水的脱盐水口、蒸汽出口和液态水出口，疏水口与尿素催化水解反应釜的换热器出口连接，蒸汽出口处设有蒸汽逆止阀；
10.所述尿素溶解罐上分别设有与尿素催化水解反应釜的循环液出口连接的第一溶液入口，与闪蒸罐的液态水出口连接的第二溶液入口，用于送入原料尿素溶液的第三溶液入口，与尿素溶液混合罐的混合溶液入口连接的溶液出口以及用于送入蒸汽的尿素溶解罐蒸汽入口；
11.尿素溶液混合罐上还设有与尿素催化水解反应釜的尿素溶液入口连接的混合溶液出口，尿素溶液入口与混合溶液出口的连接管路上设有过滤器。
12.优选地，所述闪蒸罐的蒸汽出口与尿素溶解罐蒸汽入口连接。
13.优选地，所述尿素催化水解反应釜的内部通过隔板分隔为填料区域和包含换热器的换热器区域，填料区域包括底部设置的气体分布装置、顶部设置的液体分布装置以及气体分布装置和液体分布装置之间的填料层。
14.优选地，所述气体分布装置上方设置有支撑格栅，支撑格栅呈倾斜角度设置。
15.优选地，所述尿素溶液混合罐上还设有用于通入高温尿素溶液的入口，通入管道上设有高温尿素溶液流量阀和高温尿素溶液循环泵。
16.优选地，所述填料采用不锈钢材质的拉西环或者鲍尔环。
17.优选地，所述尿素催化水解反应釜的底部还设有排污口，排污口出口处设有过滤网。
18.优选地，所述闪蒸罐的液态水出口与尿素溶解罐的第二溶液入口的连接管路上设有闪蒸脱盐水流量阀和闪蒸脱盐水泵；
19.所述尿素溶液混合罐的混合溶液入口与尿素溶解罐的溶液出口的连接管路上设有尿素溶液流量阀和尿素溶液循环泵。
20.一种填料式的尿素催化水解方法，包括，
21.尿素溶液入口通入尿素溶液，尿素溶液在负载了催化剂的填料表面发生尿素催化水解反应，换热管通入饱和蒸汽，为尿素水解反应的提供热量；
22.生成的水解气相产物经顶部的气体出口排出后一部分气体由底部的气体入口被输送回尿素催化水解反应釜中，经过气体分布器进入填料层进行气液两相之间的传热；
23.饱和蒸汽经换热后以高温疏水的方式由闪蒸罐的疏水口进入，与通入的原料脱盐水在闪蒸罐内利用潜热闪蒸形成饱和水蒸气和饱和水，饱和水输送至尿素溶解罐中与通入的循环液和原料尿素溶液一并送至尿素溶液混合罐中混合，经过滤器过滤后由尿素溶液入口送入尿素催化水解反应釜中继续进行尿素催化水解反应。
24.优选地，还包括在反应完成后，对填料进行清洗；
25.在尿素催化水解反应釜的底部开设排污口，填料从排污口取出后，利用稀盐酸浸泡直至溶液透明且填料无杂质，用蒸馏水清洗填料，清洗完成后，对填料进行负载催化剂的处理。
26.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
27.本发明提供一种填料式的尿素催化水解系统，采用填料式的尿素催化水解反应釜，在尿素催化水解反应釜中设置填料区域，使尿素溶液与尿素水解产物的气体分子，在负载催化剂的填料表面形成的液膜表面进行气液两相接触，高比表面积的填料结构使尿素溶液鼓泡均匀，传热传质更加有效，水解反应更加完全。同时通过设置闪蒸循环装置，包括将饱和蒸汽经过换热后产生的高温疏水和原料脱盐水送至闪蒸罐中利用潜热闪蒸迅速形成高温的饱和液态水后，输送至尿素溶解罐内与原料尿素溶液送入尿素溶液混合罐中混合，经过滤器后，泵送入尿素催化水解反应釜，实现低温进料和高温水解产物物料的高效热交换，达到高效热交换的同时降低了能耗，加速了尿素的分解，减少了尿素水解反应系统中聚合物生成的风险，降低了能耗，同时整个闪蒸循环装置与尿素催化水解反应釜之间形成一个闭合的循环回路，可实现溶液与蒸汽的重复循环利用，节约成本，减少浪费。其中，尿素催化水解反应釜内水解气相产物，混合气组分包括nh3、co2、h2o作为气体组分，在低温进料和高温物料混合温度下，与尿素溶液接触的气相组分的平衡分压趋于零，气相平衡分压远小
于液相平衡分压，挥发性组分由液相转入气相，使液相中游离的nh3及时排出，避免对水解反应的抑制作用，提高了反应釜内高浓度尿素溶液的水解效果。
28.进一步地，生成的水解气相产物经顶部的气体出口排出后一部分作为产品气送锅炉脱硝系统，一部分气体由底部的气体入口被输送回尿素催化水解反应釜中，经过气体分布器自下而上进入填料层进行气液两相之间的传热，使溶液中的溶解性气体和挥发性物质向气相转移，气体分子及时分离，避免游离的nh3对水解反应产生抑制作用，使反应器内的高浓度尿素溶液不能及时的完全水解，提高水解效率。
附图说明
29.图1为本发明填料式的尿素催化水解系统结构示意图。
30.图中，1-饱和蒸汽入口，2-换热器出口，3-加热管束，4-尿素溶液入口，5-尿素催化水解反应釜，6-隔板，7-溢流堰口，8-液体分布器，9-填料层，10-气体分布器，11-气体入口，12-循环液出口，13-排污口，14-液位计，15-安全阀，16-除雾器，17-气体出口，18-混合气调节阀，19-产品气调节阀，20-气体调节阀，21-堵头，22-尿素溶液输送泵，23-饱和蒸汽调节阀，24-污水系统，25-高温尿素溶液流量阀，26-高温尿素溶液循环泵，27-尿素溶液混合罐，28-尿素溶解罐，29-脱盐水，30-闪蒸罐，31-闪蒸罐液位计，32-排污球阀，33-闪蒸脱盐水流量阀，34-闪蒸脱盐水泵，35-尿素溶液流量阀，36-尿素溶液循环泵，37-过滤器，38-循环液泵，39-蒸汽逆止阀，40-蒸汽出口，41-原料尿素溶液，42-原料脱盐水，43-疏水截止阀，44-尿素溶解罐蒸汽入口。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.本发明一种填料式的尿素催化水解系统，包括尿素催化水解反应釜5和闪蒸循环装置；
33.尿素催化水解反应釜5的顶部设有气体出口17和饱和蒸汽入口1，其内部设有换热器和用于放置负载催化剂的填料区域，饱和蒸汽入口1与换热器入口连接，尿素催化水解反应釜5的底部设有换热器出口2、尿素溶液入口4、气体入口11和循环液出口12，气体出口17通过循环管路与气体入口11连接；
34.闪蒸循环装置包括尿素溶液混合罐27、尿素溶解罐28和闪蒸罐30；
35.其中，所述闪蒸罐30包括疏水口、用于送入原料脱盐水的脱盐水口、蒸汽出口和液态水出口，疏水口与尿素催化水解反应釜5的换热器出口2连接，蒸汽出口处设有蒸汽逆止阀39；
36.所述尿素溶解罐28上分别设有与尿素催化水解反应釜5的循环液出口12连接的第一溶液入口，与闪蒸罐30的液态水出口连接的第二溶液入口，用于送入原料尿素溶液的第三溶液入口，与尿素溶液混合罐27的混合溶液入口连接的溶液出口以及用于送入蒸汽的尿素溶解罐蒸汽入口44；
37.尿素溶液混合罐27上还设有与尿素催化水解反应釜5的尿素溶液入口4连接的混合溶液出口，尿素溶液入口4与混合溶液出口的连接管路上设有过滤器37。
38.本发明提供一种填料式的尿素催化水解系统，采用填料式的尿素催化水解反应釜5，在尿素催化水解反应釜5中设置填料区域，使尿素溶液与尿素水解产物的气体分子，在负载催化剂的填料表面形成的液膜表面进行气液两相接触，高比表面积的填料结构使尿素溶液鼓泡均匀，传热传质更加有效，水解反应更加完全。同时通过设置闪蒸循环装置，包括将饱和蒸汽经过换热后产生的高温疏水和原料脱盐水送至闪蒸罐30中利用潜热闪蒸迅速形成高温的饱和液态水后，输送至尿素溶解罐28内与原料尿素溶液送入尿素溶液混合罐27中混合，经过滤器37后，泵送入尿素催化水解反应釜5，实现低温进料和高温水解产物物料的高效热交换，达到高效热交换的同时降低了能耗，加速了尿素的分解，减少了尿素水解反应系统中聚合物生成的风险，降低了能耗，同时整个闪蒸循环装置与尿素催化水解反应釜5之间形成一个闭合的循环回路，可实现溶液与蒸汽的重复循环利用，节约成本，减少浪费。其中，尿素催化水解反应釜5内水解气相产物，混合气组分包括nh3、co2、h2o作为气体组分，在低温进料和高温物料混合温度下，与尿素溶液接触的气相组分的平衡分压趋于零，气相平衡分压远小于液相平衡分压，挥发性组分由液相转入气相，使液相中游离的nh3及时排出，避免对水解反应的抑制作用，提高了反应釜内高浓度尿素溶液的水解效果。
39.进一步地，所述闪蒸罐30的蒸汽出口与尿素溶解罐28的蒸汽入口连接，可以将闪蒸罐30中获得的饱和水蒸气循环利用作为换热管的循环介质，为尿素水解反应的提供热量。
40.进一步地，尿素催化水解反应釜5通过在底部设置的隔板6将尿素催化水解反应釜5的内部分为换热区域和填料区域，隔板6的顶端设有溢流堰口；换热区域内设有换热器，换热区域的底部设有尿素溶液入口4；填料区域内自底部至隔板6的顶端依次设置有气体分布器、支撑格栅和液体分布器，支撑格栅、液体分布器、隔板6和尿素催化水解反应釜5的侧壁共同包围形成填料层9，用于放置高比表面积结构的填料，填料区域的底部设有气体入口11和循环液出口12。
41.其中，填料区域的支撑格栅设置在气体分布器之上，起到填料支撑板的作用，填料以堆放的方式置于支撑格栅之上，液体分布器较长，起到填料压板的作用，避免填料随着流体进入隔板6的另一侧。
42.本发明在尿素催化水解反应釜5内部设置有填料区域，气体通过填料区域底部设置的气体入口11通入，尿素溶液自尿素溶液入口4流入，经过换热器提供一定热量后顺着隔板6顶端的溢流堰口流入装有填料的填料区域，尿素溶液沿着填料表面结构，自上向下流动，形成液膜，分散在通入的连续流动的气体中，尿素溶液和水解产物气体在填料层9内汇合，气液两相接触面在填料的液膜表面，高比表面积的填料结构使气液两相充分接触，不仅增加了两相流体间的面积，也增强了尿素水解气液两相之间的热传质，促进了气相的分离和液相的水解率，有效提高了尿素水解的催化效果，达到提高水解反应速率的目的。
43.本实施例中，尿素催化水解反应釜采用卧式反应釜，换热器采用列管式换热器。
44.优选地，所述尿素催化水解反应釜5的底部还设有排污口13，排污口13出口处设有过滤网，所述支撑格栅呈倾斜角度设置，方便反应完成将填料取出时填料可顺着有一定倾斜角度的支撑格栅滑出排污口13。
45.优选地，所述填料为不同形状结构的立体填充物，可以采用直径与高度相等的拉西环或者改进后的鲍尔环的一种，能够更好的随着流体滚动，其中，常用规格为25-75mm直径，壁厚2.5-9.5mm，考虑尿素催化水解反应釜5底部的排污直径大小，尽量选择小规格的填料结构，方便排出。
46.优选地，所述填料采用不锈钢材质。
47.具体地，填料采用316l不锈钢材质。
48.本实施例中，所述闪蒸罐30的液态水出口与尿素溶解罐28的第二溶液入口的连接管路上设有闪蒸脱盐水流量阀和闪蒸脱盐水泵；
49.所述尿素溶液混合罐27的混合溶液入口与尿素溶解罐28的溶液出口的连接管路上设有尿素溶液流量阀和尿素溶液循环泵。
50.本发明还提供一种填料式的尿素催化水解方法，包括
51.尿素溶液入口4通入尿素溶液，尿素溶液在负载了催化剂的填料表面发生尿素催化水解反应，换热管通入饱和蒸汽，为尿素水解反应的提供热量；
52.生成的水解气相产物经顶部的气体出口17排出后一部分作为产品气送锅炉脱硝系统，一部分气体由底部的气体入口11被输送回尿素催化水解反应釜5中，经过气体分布器自下而上进入填料层9进行气液两相之间的传热，使溶液中的溶解性气体和挥发性物质向气相转移，气体分子及时分离，避免游离的nh3对水解反应产生抑制作用，使反应器内的高浓度尿素溶液不能及时的完全水解，提高水解效率；
53.饱和蒸汽经换热后以高温疏水的方式由闪蒸罐30的疏水口进入，与通入的原料脱盐水在闪蒸罐30内利用潜热闪蒸形成饱和水蒸气和饱和水，饱和水输送至尿素溶解罐28中与通入的循环液和原料尿素溶液一并送至尿素溶液混合罐27中混合，经过滤器过滤后由尿素溶液入口4送入尿素催化水解反应釜5中继续进行尿素催化水解反应。
54.进一步地，还包括在反应完成后，对填料进行清洗；在尿素催化水解反应釜5的底部开设排污口13，填料从排污口13取出后，利用一定温度的稀盐酸浸泡直至溶液透明且填料无杂质后，用蒸馏水清洗填料多次，清洗完成后，对填料进行负载催化剂的处理，如利用浸渍法负载液体催化剂或者表面喷涂催化剂涂层的方法，但不限于此。填料的不定期清洗可以带出高温高浓度尿素水解中副产物进行清洗去除，一定程度上解决了高浓度尿素高压水解过程中不溶固体物质的沉积堵塞等问题
55.进一步地，所述液体分布器的长度大于气体分布器的长度。
56.本实施例中，所述尿素催化水解反应釜5换热区域的一侧设置有呈倾斜角度的突出段，倾斜的突出段能够增加气相产物上升路径，增加气液分离的效率。
57.进一步地，所述循环液出口12通过管路与尿素溶解罐28连接，部分尿素溶液可作为回料送至尿素溶液入口4混合后循环使用，降低成本，提高经济性。
58.具体地，如图1所示，本发明提供一种填料式的尿素催化水解系统，尿素催化水解反应釜5为卧式结构，顶部设置带除雾器16的突出段，尿素催化水解反应釜5的一端设置有液位计14，换热器采用列管式换热器，加热管束3通过堵头21将一端固定在尿素催化水解反应釜5一端，并深入尿素催化水解反应釜5内，保持釜内尿素溶液液面高于加热管束3，盘管内部介质为循环水蒸气，反应过程中，经饱和蒸汽入口通入饱和蒸汽至换热器的加热管束3中，为尿素催化水解反应釜5内的尿素溶液提供水解反应的热量后，饱和蒸汽形成的高温疏
水经换热器出口2送出。
59.尿素催化水解反应釜5内设置隔板6，尿素催化水解反应釜5顶部设置安全阀15；尿素溶液经尿素溶液输送泵22送入液位计14的尿素催化水解反应釜5，在隔板一侧形成液面高度，当高度达到溢流堰口7，进入隔板另一侧，尿素溶液经过液体分布器8，自上而下进入填料层9；水解气相产物经反应釜顶部除雾器16从排气口17送出，经过混合气调节阀18一部分作为产品气经产品气调节阀19送锅炉脱硝系统，一部分作为气体经过气体调节阀20，经气体入口11送入尿素催化水解反应釜5，经过气体分布器10，自下而上进入填料层9，与尿素溶解发生气液两相的传热传质，气体分子及时分离，经过尿素催化水解反应釜5顶部排气口17送出，液相由循环液口12经循环泵送入尿素溶液混合罐27，与新鲜的原料液混合经过过滤，重新送入尿素催化水解反应釜5。尿素催化水解反应釜5设置底部排污口13，可以根据工况实时排污送去污水系统24处理，通过过滤网拦截填料后排污，当需要清洗和再生催化剂的时候，抽掉过滤网，填料沿着斜坡从排污口排出，送去填料清洗、催化剂再生、催化剂涂覆环节，用风送方式吹入一定体积的填料，或者随着水的混合物输送到填料层9，待水与填料的混合物达到液体分布器8的液面后，静止一段时间使填料沉降堆积在填料层9，在排污口13加上过滤网装置，排出输入的清水，正常运行尿素催化水解反应釜5，不需要排污的正常情况，将排污口13的尿素溶液经高温尿素溶液流量阀25和高温尿素溶液循环泵26送入尿素溶液混合罐27；尿素催化水解反应釜5底部的循环液出口12，送入尿素溶解罐28，与闪蒸罐30来的脱盐水29，经闪蒸脱盐水流量阀33和闪蒸脱盐水泵34，送入尿素溶解罐28，与原料尿素溶液41充分溶解后的尿素溶液经尿素溶液流量阀35和尿素溶液循环泵36，送入尿素溶液混合罐27，充分混合后的尿素溶液经过滤器37进一步过滤，经循环液泵38从尿素溶液入口4送入尿素催化水解反应釜5进行水解反应，尿素溶液混合罐27上还设有用于通入高温尿素溶液的入口，通入管道上设有高温尿素溶液流量阀25和高温尿素溶液循环泵26。
60.自减温减压站来的饱和蒸汽1，通过饱和蒸汽调节阀23，送入尿素催化水解反应釜5的加热管束3，尿素溶液在尿素催化水解反应釜5内加热条件下发生水解反应；换热后的高温疏水从高温疏水出口2，经过疏水截止阀43进入带闪蒸罐液位计31的闪蒸罐30上部，闪蒸罐30下部设置原料脱盐水42入口，利用潜热闪蒸迅速形成饱和水蒸气和饱和水，水蒸气通过闪蒸罐30顶部的蒸汽逆止阀39从蒸汽出口40送出，闪蒸后的液态水作为脱盐水29送入顶部设置尿素溶解罐蒸汽入口44的尿素溶解罐28，污水从闪蒸罐30的底部经排污球阀32排出。
61.尿素溶液在操作温度约150℃和操作压力0.6mpa的条件下，在浸渍液体催化剂和固体催化剂涂层的填料表面，发生尿素催化水解反应，经过填料表面增强的的气液传质，产生氨气混合气。
62.本发明中实现了多种循环，包括，
63.循环液循环，经填料层与气相传热传质后的尿素溶液作为循环液抽出，在尿素溶解罐28与新鲜的原料液混合过滤，重新送入尿素催化水解系统中；
64.排污水循环，反应釜底部排污口根据工况实时排污送去污水系统处理，不需要排污的正常情况，将排污口的尿素溶液送入尿素溶液混合罐27，经过滤后送入尿素催化水解系统中；
65.循环液和闪蒸后脱盐水，与原料尿素溶液在尿素溶解罐28充分溶解后，经尿素溶
液流量阀和尿素溶液循环泵，和部分排污水送入尿素溶液混合罐27，充分混合后经过滤器后泵送入水解反应釜进行水解反应。
66.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。