低设计及运行风险和尿素结晶风险的大型尿素热解反应器

摘要

本发明公开了一种低设计及运行风险和尿素结晶风险的大型尿素热解反应器，属于烟气净化脱硝装置领域，包括反应器本体，反应器本体从烟气进口向下到出口方向依次包括内径依次增大的第一段锥段、第一段直段、第二段锥段和直段主反应区，在第一锥段布置有整流器，在第二段锥段布置有能够独立运行的第一喷枪组，第一喷枪组仅有一根尿素溶液喷枪。本发明是一种具有低设计及运行风险和低尿素结晶风险特点的，用于尿素水溶液耗量达到500kg/h以上的大型尿素热解反应器。

说明书

技术领域

本发明属于烟气净化脱硝装置领域，尤其涉及尿素水溶液耗量达到500kg/h以上的大 型尿素热解反应器。

背景技术

我国氮氧化物排放量巨大，己成为仅次于二氧化硫的大气污染物，酸雨问题、空气质 量问题、大气层臭氧破坏越来越突出。目前中国已继欧洲和北美之后成为世界第三大酸雨 区，从而给我国经济的可持续发展造成严重的环境压力。常用的烟气脱硝技术主要有：选 择性催化还原法(SCR)、选择性非催化还原法(SNCR)两种。随着氮氧化物排放标准的严 格化，很多现有的设备工艺已经不能达到国家规定的排放标准。选择性催化还原法(SCR) 由于其工艺简单，脱硝效率高。广泛用于电厂等燃煤锅炉上。

SCR技术需采用氨水或者液氨作为还原剂，但氨水或者液氨具有强腐蚀性且运输与储存 地域等因素的限制，存在安全隐患，因此，在工业生产中希望能找到一种安全的还原剂来 替代氨水或液氨。尿素(Urea)是绿色肥料，作为无危险可以是制氨原料又具有与液氨相同 的脱硝性能，完全没有危险和法规限制，可以方便的被运输、储存和使用，因此尿素热解 制氨技术逐渐受到青睐，将为许多用户提供选择。

尿素热解装置承担的任务为尿素水溶液蒸发并热解反应生成氨气的过程，对于大多数 现有的大型尿素热解装置及系统(特指示尿素水溶液耗量达到500kg/h以上)，存在着两方 面的问题：

1)设计及运行风险大：

因尿素热解装置过大，所需喷枪数量过多，而喷枪过多造成设计及运行风险大大增加。

2)尿素结晶风险大：

因为个别的喷枪雾化不良都易造成尿素颗粒沉积在热解炉壁面及热解炉出口，造成壁 面及热解炉出口结晶物多，从而导致系统堵塞或不正常运行，而现有技术的大型尿素热解 装置喷枪数量众多，大大增加了这个风险，同时，反应器内部流场不合理进一步极易造成 流场出现如图1所示，回流区H出现在两侧，从而使得尿素颗粒被卷吸至壁面，造成尿素 颗粒壁面结晶的风险加大。

发明内容

本发明的目的在于：提出一种具有低设计及运行风险和低尿素结晶风险特点的，用于尿 素水溶液耗量达到500kg/h以上的大型尿素热解反应器。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种低设计及运行风险和尿素结晶风险的大型尿素热解反应器，包括反应器本体，反应 器本体从烟气进口向下到出口方向依次包括内径依次增大的第一段锥段、第一段直段、第 二段锥段和直段主反应区，直段主反应区具有内径d；在第一锥段布置有整流器，整流器为 一开口朝下的圆台形的罩体，由具有中心孔的上底面和侧面构成，且侧面与第一锥段内壁 间留有间隙，上底面中心孔圆心与第一锥段轴线重合，中心孔半径为0.1-0.3d，上底面的 环形面宽度E为0.05d-0.3d，圆台高度为3-5E；在第二段锥段布置有能够独立运行的第一 喷枪组，布置位置距离第一段直段和第二段锥段接口处0.1d-0.3d，第一喷枪组仅有一根尿 素溶液喷枪，喷枪喷头竖直向下喷射，雾化角度范围为90-120度，同时颗粒平均粒径不超 过50微米，最大粒径不超过100微米。

现有技术中，对于大型尿素热解反应器都是直接在主反应区布置众多尿素溶液喷枪，存 在设计及运行风险大和尿素结晶风险大的问题，参见图1。而本专利采用特殊设计的反应器 本体结构，配合特殊设计的整流器，以及特殊布置的第一喷枪组，由此实现仅需一根喷枪 就能满足锅炉的正常负荷需求(第一喷枪组的尿素溶液喷枪流量可满足30％-100％锅炉负荷 的尿素需要量调节范围)，设计及运行风险大大降低，同时尿素结晶风险也大大降低，参见 图3，回流区H在中间。

作为选择，在直段主反应区上部还布置有能够独立运行的第二喷枪组，第二喷枪组具有 沿直段主反应区周向均匀布置的若干根尿素溶液喷枪，其喷枪的插入深度为0.3-0.7d，喷 枪喷头喷射方向与直段主反应区径向方向垂直，且与竖直向下方向呈2-20度夹角，雾化角 度范围为60-90度，同时颗粒平均粒径不超过50微米，最大粒径不超过100微米。

上述方案中，在第一喷枪组正常运行时，可以与第二喷枪组同时运行，而当第一喷枪组 因为故障或检修维护等原因停运时，也可以通过第二喷枪组保障尿素热解反应的正常运行， 整体更为灵活方便，进一步降低了设计及运行风险。而特殊配置的第二喷枪组及其特殊的 喷射形式，又避免了现有技术多根喷枪存在的尿素结晶风险大的问题，参见图8。

作为进一步选择，第二喷枪组的尿素溶液喷枪布置2-6根。

上述方案中，本专利的第二喷枪组相对现有技术可采用更少的喷枪数量。

作为选择，圆台形整流器的上底面与第一段锥段与第一段直段的连接处平齐。

作为选择，圆台形整流器的侧面与第一段锥段内壁平行。

前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可 采用并要求保护的方案：如本发明，各选择即可和其他选择任意组合，本领域技术人员在 了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技 术方案，在此不做穷举。

本发明的有益效果：解决尿素水溶液耗量达到500kg/h以上的大型尿素热解反应器所存 在的设计及运行风险大和尿素结晶风险大的问题。

附图说明

图1是现有热解炉存在较大尿素结晶风险的烟气回流区示意图；

图2是本发明实施例的结构示意图；

图3是本发明实施例具有低尿素结晶风险的烟气回流区示意图；

图4是本发明实施例的整流器的立面布置结构示意图；

图5是图4的平面布置结构示意图；

图6是本发明实施例的第二喷枪组的平面布置结构示意图；

图7是本发明实施例的第二喷枪组的倾斜角度示意图；

图8是本发明实施例的第二喷枪组具有低尿素结晶风险的流场示意图；

其中1、第一段锥段；2、第一段直段；3、第二段锥段；4、直段主反应区；5、尾部锥 段；6、第一喷枪组；7、第二喷枪组；10、整流器；101、中心孔；102、上底面；103、侧 面。

具体实施方式

下列非限制性实施例用于说明本发明。

参考图2所示，一种低设计及运行风险和尿素结晶风险的大型尿素热解反应器，包括反 应器本体，反应器本体从烟气进口向下到出口方向依次具有内径依次增大的第一段锥段1、 第一段直段2、第二段锥段3、直段主反应区4和尾部锥段5，直段主反应区4具有内径d； 参考图4、5，在第一锥段1布置有整流器10，整流器10为一开口朝下的圆台形的罩体， 由具有中心孔101的上底面102和侧面103构成，上底面102与第一段锥段1和第一段直 段2的连接处平齐，侧面103与第一段锥段1内壁平行，且侧面103与第一锥段1内壁间 留有间隙，上底面102中心孔101圆心与第一锥段1轴线重合，中心孔101半径D为 0.1-0.3d，上底面102的环形面宽度E为0.05d-0.3d，圆台高度F为3-5E；在第二段锥段 3布置有能够独立运行的第一喷枪组6，因布置第一喷枪组6处存在一定的烟气内件及变径， 从而烟气存在回流现象，使得该值过小易造成尿素溶液颗粒被卷吸至壁面的可能性加大， 过大则会造成尿素颗粒在炉内停留时间缩短，这和布置双层喷枪的初衷相违背，因此其布 置位置距离第一段直段2和第二段锥段3接口处0.1d-0.3d，第一喷枪组6仅有一根尿素溶 液喷枪，喷枪喷头竖直向下喷射，雾化角度范围为90-120度，同时颗粒平均粒径不超过50 微米，最大粒径不超过100微米。

本专利避免了现有技术所出现的图1所示的流场，造成尿素溶液颗粒被壁面吸附的可能 性加大，能够得到一个如图3所示的流场，由该图可见本专利彻底解决了图1所示的壁面 回流区的流场，使得壁面区域不存在回流区，同时出现了一个非常好的惯性回流区，回流 区的产生将使得尿素颗粒有效的停留时间大大增加，其中E的长度为一个非常关键的参数， 该值的范围为0.05d-0.3d，可能很清楚的认识到该值过小，回流区的大小不够，过大造成 反应器的阻力过大的同时也存在尿素溶液颗粒被卷吸到内件的作用，另外F值得选取为 3-5E,以配合惯性分离的产生，D的值选取为0.1-0.3d，以保证足够的烟气能够将设置在其 下的喷枪的尿素溶液蒸发并热解。

进一步地，参考图6，在直段主反应区4上部还布置有能够独立运行的第二喷枪组7， 第二喷枪组7具有沿直段主反应区周向均匀布置的若干根尿素溶液喷枪，第二喷枪组的尿 素溶液喷枪优选布置*-*根。其喷枪的插入深度G为0.3-0.7d，喷枪喷头喷射方向与直段主 反应区4径向方向垂直，且与竖直向下方向呈2-20度夹角a(参考图7，X-Y-Z构成三维 立体，其中X轴为直段主反应区4的径向方向，Y轴为水平方向且与X轴垂直，即周向的切 线方向，Z轴为竖直方向，第二喷枪组7的喷枪沿X轴方向插入，其喷嘴的喷射方向为图中 的箭头方向)，雾化角度范围为60-90度，同时颗粒平均粒径不超过50微米，最大粒径不 超过100微米。

现有技术的喷枪喷头都设计为竖直向下喷射，本专利的特点是第二喷枪组7喷枪布置有 一定的周向速度，以形成图8所示的流场，该流场具有一定旋转，相同垂直距离的停留时 间更长，提高了尿素溶液的热解转化率，有效解决了尿素未完全反应而结晶引起的系统堵 塞问题。倾斜角度a为2-20度，过小形成的旋转作用不明显，过大易造成颗粒被旋流作用 甩至壁面，同时该倾斜角度需配合插入的深度一起作用，插入的深度G为0.3-0.7d。

作为优选的示例，反应器本体分为五段，从烟气进口到出口分别第一段锥段1、第一段 直段2、第二段锥段3、直段主反应区4和尾部锥段5，同时布置如下装置：第一喷枪组6、 第二喷枪组7和整流器10。第一喷枪组6设置一根尿素溶液喷枪，布置于反应器本体第二 段锥段3处，距离第一段直段2和第二段锥段3接口处0.15d(d为反应器的直段主反应区 4内径)左右，第二喷枪组7布置多根尿素溶液喷枪，水平均匀布置在直段主反应区4上部。 流场内加入整流器10，其中E的长度为0.1d，另外F值选取为4E,D的值选取为0.2d。第 二喷枪组7喷枪布置周向倾角6度，插入的深度G为0.5d。第一喷枪组6的喷枪雾化角度 范围为120度，第二喷枪组7的喷枪雾化角度范围为90度，同时颗粒平均粒径是50微米， 最大粒径不超过100微米。

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。