[发明专利]非热等离子体协同催化常温下水解尿素制氨的装置

说明书

非热等离子体协同催化常温下水解尿素制氨的装置，属于SCR脱硝还原剂制备领域。该装置包括一套尿素供给和喷射系统、一组非热等离子体协同催化反应器和一套气体分配与收集系统，尿素供给和喷射系统喷入的尿素进入一组呈矩阵式排列的非热等离子体协同催化反应器，借助介质阻挡放电产生的非热等离子体与ZrO₂、TiO₂、Al₂O₃等尿素分解催化剂之间的协同作用在常温下实现尿素高效水解产氨。该装置结构简单，成本低廉，常温下运行，启停方便，安全隐患少，易于在电站和工业锅炉(尤其是中小型锅炉)烟气SCR脱硝中进行推广应用。

技术领域

本发明涉及一种非热等离子体协同催化常温下水解尿素制氨的装置，具体地说是一种利用非热等离子体与催化剂的协同作用在常温下高效水解尿素制氨，为氨选择性催化还原(NH₃-SCR)脱硝工艺提供还原剂(NH₃)的装置，属于SCR脱硝还原剂制备领域。

技术背景

氮氧化物(NO_x)是重要的大气污染物之一，能导致光化学烟雾、酸雨等重大环境问题，同时是大气细颗粒物中硝酸盐的主要前体物。火电厂、工业窑炉等固定燃烧源是NO_x的主要排放源之一，排放的NO_x中NO占90％～95％。

以NH₃为还原剂的选择性催化还原(NH₃-SCR)脱硝技术于20世纪70年代末首先在日本开发成功，现已在世界范围内成为大型工业锅炉烟气脱硝的主流工艺。在NH₃-SCR脱硝技术中，还原剂NH₃的供应直接影响NO_x的脱除效果。氨气可直接来源于液氨，也可通过氨水或尿素间接制备。由于液氨和氨水具有爆炸性、强腐蚀性和较大的毒性，运输与储存均存在较大的安全隐患，近年来以燃煤电厂为代表的固定源烟气SCR脱硝系统开始尝试采用分解尿素的方法制氨。

尿素分解制氨通常有水解法和热解法2种，其中水解法是在低温、高压(120～180℃、0.3～0.8MPa)条件下将尿素以水溶液的形式加以分解。除NH₃和CO₂外，尿素水解还会产生氨基甲酸铵等强腐蚀性物质以及难溶于水的缩二脲等缩合物，易导致水解设备的腐蚀、泄漏和系统管道的堵塞。此外，尿素水解器为压力容器，存在一定的安全隐患。

热解法是快速加热雾化后的尿素溶液，使其在高温、常压(350～650℃、0.1MPa)条件下分解。热解法分解尿素需提供高温烟气或空气作为热解气流，喷入热解气流中的尿素溶液经水分蒸发、尿素热解(CO(NH₂)₂→NH₃+HNCO)、异氰酸(HNCO)水解(HNCO+H₂O→NH₃+CO₂)等步骤形成NH₃和CO₂。除能耗高外，热解法还存在HNCO水解速率低(400℃以下基本不水解)、热解炉局部温度较低(＜360℃)时尿素分解不彻底，易形成缩二脲、三聚氰酸、三聚氰胺等大分子中间产物等不足。

在热解炉中引入催化剂是降低尿素分解温度、提高制氨效率、减少副产物形成的有效途径。Catalysis ScienceTechnology 3(2013)942-951中的研究表明，ZrO₂、TiO₂、Al₂O₃等催化剂可同时催化尿素热解与HNCO水解产氨过程，但由于尿素热解过程是速控步骤，实现尿素完全分解制氨尚需反应温度高于200℃。