碳酸铵或碳酸氢铵制降氮脱硝用氨水装置、方法及其用途

摘要

碳酸铵或碳酸氢铵制降氮脱硝用氨水装置，包括反应塔，所述反应塔包括固体进料口、液体进料口、循环液出口，所述反应塔还包括位于气体出口和位于反应塔底部的加热装置；所述反应塔还包括位于反应塔顶部的喷淋装置、以及与喷淋装置管道连接的循环液进口。还涉及一种碳酸铵或碳酸氢铵制降氮脱硝用氨水方法。上述装置及方法可用于水泥厂或火电厂或工业窑炉中降氮脱硝用氨水的制备。

说明书

技术领域

本发明涉及环保节能减排应用技术领域，特别涉及一种碳酸铵或碳酸氢铵制降氮脱硝用氨水装置、方法及其用途。

背景技术

国家提出在“十二五”控制氮氧化物排放的规划和要求，规划中规定重点行业和地区氮氧化物排放总量要比2010年减少10%，水泥厂和火电厂首当其冲。水泥厂和火电厂目前降氮脱硝的所使用的还原剂主要为氨水和尿素。脱硝技术在目前在国内已较为成熟，根据水泥厂和火电厂不同的生产方式，主要有两种主流的脱硝技术，即SNCR和SCR，分别称之为选择性非催化还原法和选择性催化还原法。

虽然上述两种方法采用的技术路线不尽相同，但均需用到还原剂：氨水或尿素。就国内情况而言，水泥厂和火电厂在建设初期往往未投资建设脱硝装置，脱硝装置大多为后期新建。因此在使用还原剂时受到厂区安全间距、运输距离等因素的制约，如何能方便、安全且经济地获得还原剂成为目前许多上马脱硝装置的企业所迫切需要解决的问题。

现有技术中将液氨或氨水运输至厂区进行脱硝，普通液氨或氨水运输距离长，运至现场后需储罐储存，而储罐体积受到厂区规划、安全距离等因素的影响，一般储存量只能供使用一周左右。虽然可以采用运输尿素到厂区制造氨水的方式以降低运输成本，但尿素价格昂贵，经济上同样难以承受。

发明内容

为满足水泥厂、火电厂等对脱硝装置脱硝还原剂-氨水的需求，获得稳定经济的氨水来源，本发明公开了一种碳酸铵或碳酸氢铵制降氮脱硝用氨水装置、方法及其用途。

本发明所述碳酸铵或碳酸氢铵制降氮脱硝用氨水装置，包括反应塔，所述反应塔包括固体进料口、液体进料口、循环液出口，所述反应塔还包括位于气体出口和位于反应塔底部的加热装置；所述反应塔还包括位于反应塔顶部的喷淋装置、以及与喷淋装置管道连接的循环液进口。

基于上述基础技术方案的第一种优选实施方式为，所述加热装置为位于反应塔底部的蒸汽逸出管及与蒸汽逸出管连接的蒸汽进口。

基于第一种优选实施方式的第二种优选实施方式为，所述反应塔还包括搅拌器，所述搅拌器的桨叶位于反应塔内下半部分。

基于上述基础技术方案的第三种优选实施方式为，还包括安装高度高于循环液出口的氨水出口。

基于上述基础技术方案的第四种优选实施方式为，所述反应塔上还设置有液位计。

基于上述基础技术方案的第五种优选实施方式为，所述气体出口上还安装有放空阻火呼吸器。

本发明还公开了一种碳酸铵或碳酸氢铵制降氮脱硝用氨水方法，采用如第二种优选实施方式所述碳酸铵或碳酸氢铵制降氮脱硝用氨水装置，包括如下步骤：

步骤101.从固体进料口和液体进料口分别加入固体原料物和水混合，开启搅拌器搅拌均匀得到母液，所述固体原料物为碳酸铵或碳酸氢铵；

步骤102.从蒸汽接口持续通入水蒸汽对母液加热至温度T1后停止加热并维持T1温度，当温度到达T1时从循环液进口通入循环液使其从顶部向下喷淋，吸收反应产生的氨气；所述T1高于40摄氏度；

步骤103.维持T1温度的时间持续TM后，停止维持，持续循环液喷淋，温度降至T2后，停止喷淋，从循环液出口输出氨水；所述TM为预设的反应时间，所述T2低于40摄氏度。

上述方法的第一种优选实施方式为，包括如下A、B、C中至少之一技术特征：

A.T1=40~99摄氏度；B.T2=5~40摄氏度；C.TM=5min~2小时。  

上述方法的第二种优选实施方式为，所述步骤102和/或步骤103中，将反应塔的循环液出口与循环液进口通过循环泵管道连接，开启循环泵使循环液循环使用。

本发明还公开了将上述方法和装置用于在火电厂或水泥厂或工业窑炉使用的降氮脱硝用氨水的制备的用途。

采用本发明所述的碳酸铵或碳酸氢铵制降氮脱硝用氨水装置及方法，采用低成本的碳酸铵或碳酸氢铵制得纯度和浓度符合脱硝要求的氨水，仅需一个反应塔和普通工业用水即可完成反应过程，反应步骤少，操作简单，所得到的氨水可满足脱硝用氨水的要求，从而降低企业在脱硝装置还原剂方面的投入。

附图说明

图1示出本发明所述碳酸铵或碳酸氢铵制降氮脱硝用氨水装置的一种具体实施方式示意图；

各图中附图标记名称为：1-固体进料口 2-液体进料口 3-循环液进口 4-料斗 5-桨叶6-搅拌电机 7-蒸汽进口 8-蒸汽逸出管 9-液位计 10-气体出口 11-氨水出口 12-循环液出口 13-温度传感器 14-温度地面显示器15-喷淋装置 16-放空阻火呼吸器。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明所述碳酸铵或碳酸氢铵制降氮脱硝用氨水装置，包括反应塔，所述反应塔包括固体进料口、液体进料口、循环液出口，所述反应塔还包括位于气体出口和位于反应塔底部的加热装置；所述反应塔还包括位于反应塔顶部的喷淋装置、以及与喷淋装置管道连接的循环液进口。

使用时，从固体进料口和液体进料口分别送入固体碳酸铵或碳酸氢铵及水，混合后利用加热装置对混合后的母液进行加热，当加热温度大于碳酸铵或碳酸氢铵溶液的分解温度时，母液开始分解产生氨气及二氧化碳，此时从循环液进口通入循环液，通过喷淋装置从塔顶喷洒循环液，由于氨气在水中的溶解度远高于二氧化碳，因此大部分氨气被循环液吸收，二氧化碳溶解度较低，部分溶于氨水，部分从气体出口分离排放。

碳酸铵或碳酸氢铵分解产生氨气及氨气溶于水产生氨水都是公知的化学反应，但在脱氮除硝的应用中，对氨水需求量巨大且纯度、纯度要求不高，现有技术并未见利用固体原料大规模制备较低纯度和浓度氨水的设备，本发明采用的原料是普通的工业级碳酸铵、碳酸氢铵及普通工业用水或自来水，无须加入其他反应物或催化剂，获得的氨水产物虽然浓度较低，通常只有10%量级（体积百分比），且可能还含有部分未分解的碳酸铵或碳酸氢铵，，但这些未分解原料也可以作为还原剂喷射进入工业炉，起到脱硝作用，只是效果没有氨水理想，并不产生副反应及毒害作用，无须增加后续的过滤提纯等设备，采用本发明制备氨水的成本相对传统技术大大降低，且可以满足降氮除硝使用要求，因此本发明特别适用于制备降氮除硝用氨水。

加热装置可以采用传统的电加热器，但如前所述，本发明主要使用于发电厂和水泥厂等的降氮除硝过程，火力发电厂和水泥厂的反应锅炉通常会产生大量高温蒸汽，本发明所述的加热装置因此优选采用蒸汽加热方式以利用反应锅炉产生的高温蒸汽。碳酸铵或碳酸氢铵溶液在常温下即可分解产生蒸汽，当溶液受热时，分解速度快速增加，碳酸铵在80摄氏度，碳酸氢铵更低，30摄氏度时即大量分解，考虑到反应原料的分解温度，本发明采用加热装置的具体实施方式为在反应塔底部设置蒸汽逸出管及与蒸汽逸出管连接的蒸汽进口。将电厂或水泥厂的蒸汽引入反应塔，含有高温水蒸汽的气泡从母液的底部通过蒸汽逸出管逸出，气泡在上浮过程中与母液完成热交换过程。

使用蒸汽加热装置一方面利用了容易获得的高温蒸汽作为热源，不再额外消耗电能，同时高温水蒸气的引入适当补充了反应时的母液分解损失，提高了对氨气的吸收效果。

高温蒸汽气泡加热的方式使加热过程相对缓慢可控，避免化学性质不稳定的碳酸铵或碳酸氢铵剧烈反应快速分解造成的氨气逸出。同时在热交换过程中，母液的内部部分首先加热，分解的氨气被周围的母液吸收，同样减少了氨气的逸出。

为使反应开始前固体原料与液体原料充分混合，优选的可以在反应塔内安装搅拌器，所述搅拌器的桨叶位于反应塔内下半部分，在加入固体原料和液体原料后，开启搅拌器，使母液搅拌均匀。为方便观察液位和加热温度，可以在反应塔上安装液位计和温度传感器以检测液面高度和温度，由于反应时反应塔内部实际分为液体层和气体层，因此温度传感器安装在不同高度，分别检测母液和母液上方气体的温度。方便控制人员根据温度调整运行设备。

反应时，可以通过循环泵将液体进料口和循环液出口连接，使从循环液出口排出的循环液再次进入液体进料口循环，反应结束后，再将循环泵断开，从循环液出口排出氨水产品。优选的，本发明所述反应塔还包括安装高度高于循环液出口12的氨水出口11。可以直接从氨水出口得到氨水产物，氨水出口高于循环液出口，由于循环液出口设置在靠近反应塔底面，在反应过程中，反应塔中原有的单一的母液层逐渐分离为氨水层和母液层，其中氨水层由于密度较低，位于母液层上方，反应结束后，母液大部分反应完毕，底部残存少量母液及未反应的固体杂质颗粒，因此氨水出口安装高度高于循环液出口，使引出的氨水产品纯度得到一定程度的提高，并避免了固体杂质的混入。

本发明还公开了一种碳酸铵或碳酸氢铵制降氮脱硝用氨水方法，采用如前所述的碳酸铵或碳酸氢铵制降氮脱硝用氨水装置，包括如下步骤：

步骤101.从固体进料口和液体进料口分别加入固体原料物和水混合，开启搅拌器将搅拌均匀得到母液，所述固体原料物为碳酸铵或碳酸氢铵；

步骤102.从蒸汽接口持续通入水蒸汽对母液加热至温度T1后停止加热并维持T1温度，当温度到达T1时从循环液进口通入循环液使其从顶部向下喷淋，吸收反应产生的氨气；所述T1高于40摄氏度；T1温度只要不使水沸腾，并能使碳酸铵或碳酸氢铵快速大量反应，优选使T1设置在40-99摄氏度的范围。

步骤103.维持T1温度的时间持续TM后，停止维持，持续循环液喷淋，温度降至T2后，停止喷淋，从循环液出口输出氨水；所述TM为预设的反应时间，所述T2低于40摄氏度。T2温度的下限值是使水溶液不会结冰，在外界环境气温低于零摄氏度时，为使氨水顺利排出，需要保证T2温度高于零度。

如图1示出本发明所述碳酸铵或碳酸氢铵制降氮脱硝用氨水装置的一个具体实施方式，反应塔顶部安装有固体进料口1、搅拌电机6、循环液进口3、气体出口10和液体进料口2，制氨水之前，先将工业纯度的碳酸铵或碳酸氢铵颗粒或粉末通过料斗4从固体进料口投入，将水从液体进料口投入，固体原料和液体质量比可以在1:2-1:10的范围内选择，优选的可以取固液比1:4.5，混合后的母液高度大约相当于反应塔高度的60%左右，开启搅拌电机6，搅拌器的桨叶位于反应塔下部，伸入母液液面大约中部位置，将母液搅拌均匀。

虽然氨气极溶于水，但仍然会有部分氨气从气体出口10逸出，而氨气是易燃气体，因此优选的在气体出口10处安装放空阻火呼吸器16，防止氨气爆燃。

从位于反应塔底部的蒸汽入口7通入温度约100摄氏度的水蒸气，水蒸气从蒸汽逸出管8逸出，包含高温水蒸气的气泡从母液底部上升至液面的过程中，与母液进行热量交换，对母液进行加温，通过安装在反应塔侧壁的温度传感器13可以测量得出母液的温度及母液上方空间温度，图1中还安装有温度地面显示器，收集安装在高处的温度传感器信息并显示，方面地面操作人员监控。蒸汽逸出管可以是包含多个逸出口的排管，多个逸出口均匀分布在母液底部，提高加热效果。在利用蒸汽加温至母液温度大于60摄氏度之后，母液反应速度急剧增加，开始大量反应产生氨气，此时开启循环泵（连接循环液进口和循环液出口，图中未画出），通过循环液进口加入水，从位于反应塔顶部的喷淋装置15向下喷洒水雾对氨气进行吸收，吸收了氨气的水下落与母液混合，从循环液出口12排出的循环液经过管道到达循环泵后，再次被泵入反应塔，实现循环液的反复使用。

当母液温度达到90摄氏度以后，反应速率达到最大，此时仍然持续通入水蒸气，但控制蒸汽流量或温度，使母液温度保持在90摄氏度，根据反应物质数量，反应条件等维持母液温度的时间可以选择在5分钟至2小时范围，本实施例中选择维持此温度1小时，使碳酸铵或碳酸氢铵全部分解后，停止通入水蒸气。从位于反应塔底部的氨水出口11引出体积浓度10%的氨水产物。

前述整个反应过程中使用的循环液或水可以是普通的工业用水或自来水。反应过程中产生的水蒸气、分解产生的二氧化碳等气体从位于反应塔顶部的气体出口10排出。采用的加热用水蒸气可以直接使用火电厂或水泥厂的冷却水产生的蒸汽。反应塔可以建设在火电厂或水泥厂锅炉或工业窑炉周边，就近利用高温水蒸气并输送氨水产物。

采用本发明所述的碳酸铵或碳酸氢铵制降氮脱硝用氨水装置及方法，采用低成本的碳酸铵或碳酸氢铵制得纯度和浓度符合脱硝要求的氨水，仅需一个反应塔和普通工业用水即可完成反应过程，反应步骤少，操作简单，所得到的氨水可满足脱硝用氨水的要求，从而降低企业在脱硝装置还原剂方面的投入。

前文所述的为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。