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一种采用尿素升膜式自循环水解反应器的尿素水解制氨工艺
将升膜式反应器与尿素水解工艺相结合,提高水解反应器的换热效率,节省设备的材料成本,同时由于反应器的持液量小,使得反应器的制氨反应便于控制,更加适应火电厂的生产负荷
技术介绍
T2019070008
小试阶段
中国
技术入股、技术转让
面议
工艺
化学化工
分离提纯技术、石油|石化|化工

方案描述

技术详述

一、团队介绍

技术发明人从事烟气脱硫脱硝的工程设计及技术研发近10年,已授权专利如下:

1、2014103106347用于烟气脱硝尿素热解炉底部尾管的尿素积垢消除装置;

2、2012102493292用于烟气脱硝的液氨蒸发器及液氨蒸发系统;

3、2009103091514疏水除铁除油过滤器;

4、2015104491420去除有机物过滤器及方法及超纯水制备方法;

5、2016105157766一种用于单塔双循环烟气脱硫工艺中的多层环碟型集液器;

6、2009203137373极水室、浓水室装填离子交换纤维的电去离子装置;

7、螺旋卷式微电解水处理器2009203137566;

8、201721814676X光热法减压多效膜蒸馏处理脱硫废水的装置和系统。

9、 2017102498655一种升膜式尿素水热制氨的反应器和尿素水氨制氨工艺方法。

二、技术背景

尿素制氨工艺包括尿素水解制氨工艺和尿素热解制氨工艺。其中尿素水解制氨工艺由于反应温度低、设备国产化率较高,可以利用二次蒸汽等原因,使得水解制氨的成本低于尿素热解工艺,因此在实际工程应用中逐渐开始推广起来。

尿素水解制氨系统包括尿素仓储、卸料给料设备,尿素溶液制备及储存设备,尿素溶液的输送与循环设备,尿素溶液的水解反应器。其中尿素水解反应器是尿素水解制氨的核心设备。目前,国内某企业开发的尿素水解反应工艺及装置在国内部分电厂得到应用。其结构及技术特点为:

1)采用尿素溶液水解制氨釜式反应器,主要由釜式圆筒结构反应釜、以及设置在卧式长筒型反应釜内部的U型换热盘管、以及设置在卧式长筒型反应釜外壁上的产品气出口管和尿素溶液喷射进料口构成。

2)反应器采用U型换热盘管完全浸泡于被传热尿素溶液中,冷侧液体受热后内部由下到上的进行着自循环。

3)加热蒸汽在管程,被加热尿素溶液壳程。与壳程相比管程完全浸没在反应液中。

4)采用撬装设计,将反应器及相关管路热控仪表模块化一体化设计。

其主要优点在于撬装化、模块化设计。但也存在以下问题:

1)管程为加热蒸汽,蒸汽在换热过程中凝结于管程内壁形成液膜,虽有高速蒸汽吹扫变薄,但仍影响换热效率。尤其在管程末端凝结水量加大可能形成液/液换热效率更低。

2)由于反应液在壳程,主要换热反应发生在U形管外壁,反应液在外壁上分解形成微小气泡扩散到反应液中逸出。而微小气泡的形成与液/固(U管壁)换热效率相比下降很多。

3)由于反应液在壳程,因此反应器的反应液保有量大。

4)虽然在壳程设置了折流挡板,与反应液在管程相比,反应液流速过低在U管外侧为滞流不利于设备换热。

5)过大的反应器体积提高了设备的造价,同时不利于设备的整体保温增加了设备能耗。

基于问题1)、2)、4)的原因,该反应器,换热效率低,完成相同的换热量所需的换热面积增大,相应提高了反应器的体积。由于问题3)和过大的反应器体积使反应器中反应液尿素溶液的保有量大,在SCR负荷变化条件下,反应生成氨气的响应时间过长。由于反应器采用卧式长筒型反应釜,其体积过大,反应液保有量大,启动时反应液加热到所需反应温度时间过长,同时对设备的占地面积和设备载荷提出了更高的要求。其制氨产量126kg/h的水解反应器其占地面积为7mX2.5m。

由于反应器对由于在SCR负荷变化导致氨气流量波动的响应时间过长,设备在启动时启动时间过长等原因,导致氨气逃逸或由于氨气量不足导致烟气中氮氧化物不达标排放。

因此,有必要研发一种换热效率高,占地面积小,响应时间短,启动时间较短的尿素水解反应器。

三、技术原理

尿素水解反应是尿素生产过程的逆反应,其反应可以认为由2步组成:

     NH2CONH2+H2O=NH2COONH4-15.5 kJ/mol (1)

     NH2COONH4=2NH3+CO2+177 kJ/mol   (2)

第1步反应为尿素与水生成氨基甲酸胺欲,该过程为微放热反应,反应过程非常缓慢;第2步反应为强吸热反应,氨基甲酸胺迅速分解生成氨气和CO2,反应过程非常迅速。对于水过剩的尿素溶液,过量水的存在可以加快反应速率的进行。在有过量水参与的情况下,尿素水解总的化学反应式为:

 NH2CONH2+xH20=2NH3+CO2+(x一1)H20+161.5 k7/mol   (3)

升膜式反应器的原理基本与升膜式蒸发器相同,其特点在于:反应产生的蒸汽及二次蒸汽在管内的流速很大,将反应的尿素溶液贴管壁拉曳成薄膜状便于反应生成的氨气溢出,同时也提高管内的换热效率。

四、应用影响

对尿素水解制氨设备的节能降耗来说具有革命性影响,该技术有效提高了设备的换热效率,明显降低了设备的材料成本和土建安装费用,使得尿素水解制氨的成本大幅度降低。

该发明可以用于火电企业脱硝由原来的氨法(液氨或氨水)改尿素的技术改造,或原有尿素水解制氨的增容改造或水解设备技改。

五、未来投入与收益

升膜式反应器的换热效率为传统釜式反应器的2~4倍,以相同的换热量相比节省换热面积50%~70%,降低设备材料成本50%以上。同时,设备为立式室外安装,与卧式设备室内安装相比,节约了土建成本,使采用该工艺的总体成本大为降低。

技术优势

1、换热效率高,与原有产品相比,提高换热效率2~4倍,节省换热面积50%~70%,同时反应液在管程,蒸汽在壳程,壳程可以采用碳钢材质,以上两因素可以有效降低设备成本;

2、设备为立式室外安装,与卧式设备室内安装相比,节约了土建成本;

3、由于设备本身持液量低,因此对氨气反应控制明显,对火电负荷波动的适应比较快。

适用对象

本技术适用于火力发电领域的工程总承包单位、尿素水解反应器的生产厂家,压力容器设备的生产厂家,以及烟气脱硫脱硝行业的环境工程公司或设备厂家。

联系方式:0546-7051969


 

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