本发明涉及一种尿素热解反应中引导气流的方法,所述尿素热解反应在反应器内进行,所述反应器包括反应器入口、反应器本体和反应器出口,所述反应器本体上设置提供雾化尿素溶液的喷枪,所述尿素热解反应中热空气进入反应器并经引导后形成二维流场,所述二维流场为反应器内部中心区域为缓速旋流的气流,反应器内部内壁周围的圆周区域为高速直流的气流。中间缓速旋流的气流延长反应停留时间,周围部分形成高速直流的气流防止尿素溶液结晶粘壁,提高反应效率。
1.一种尿素热解反应中引导气流的方法,所述尿素热解反应在反应器内进行,所述反应器包括反应器入口、反应器本体和反应器出口,所述反应器本体上设置提供雾化尿素溶液的喷枪,其特征在于:所述尿素热解反应中热空气进入反应器并经引导后形成反应器内部中心区域为缓速旋流的气流,反应器内部内壁周围的圆周区域为高速直流的气流的流场。
2.根据权利要求1所述的尿素热解反应中引导气流的方法,其特征在于:所述中心区域的气流的速度小于圆周区域的气流的速度。
3.根据权利要求2所述的尿素热解反应中引导气流的方法,其特征在于:所述圆周区域的气流紧贴反应器内壁,高速直流将反应器内部的反应物与反应器内壁隔离开。
4.根据权利要求3所述的尿素热解反应中引导气流的方法,其特征在于:该方法包括以下步骤:1)向反应器入口通入热空气;2)所述热空气的中心区域被旋流装置分成多路气流,且被旋流装置引导成旋流气流;所述热空气的圆周区域的气流保持进入时的高速直流,形成反应器内部中心区域为缓速旋流的气流,反应器内部内壁周围的圆周区域为高速直流的气流的流场;3)多路旋流气流经过旋流装置后由于惯性在反应器内部形成缓速旋流的气流,与反应器内部的雾化尿素溶液充分混合,延长停留时间,圆周区域的高速直流沿反应器内壁向下运动,将雾化尿素溶液与反应器内壁隔离开,阻止尿素溶液在反应器内壁上结晶;4)所述缓速旋流的热空气与反应器内部的雾化尿素溶液混合,雾化尿素溶液发生热解反应。
5.根据权利要求4所述的尿素热解反应中引导气流的方法,其特征在于:所述1)中通入热空气的速度大于8米每秒。
6.根据权利要求4所述的尿素热解反应中引导气流的方法,其特征在于:所述2)中热空气经旋流装置后速度降低80-90%。
7.根据权利要求4所述的尿素热解反应中引导气流的方法,其特征在于:所述3)中圆周区域的高速直流的气流挤压缓速旋流的气流,限制中心旋流造成的内循环回流。
8.根据权利要求4所述的尿素热解反应中引导气流的方法,其特征在于:所述2)中在反应器入口处和/或反应器本体内喷枪以上的部分形成反应器内部中心区域为缓速旋流的气流,反应器内部内壁周围的圆周区域为高速直流的气流的流场。
9.根据权利要求4所述的尿素热解反应中引导气流的方法,其特征在于:所述旋流装置包括一两端封闭的柱体和柱体侧面上至少两个沿同一方向旋转且均匀分布的螺旋结构的涡流曲面叶片,所述涡流曲面叶片的螺旋中心线沿柱体轴线方向设置,所述柱体引导热空气进入,阻止多个进气口相互干扰,所述涡流曲面叶片引导热空气沿叶片形状形成缓速旋流。
10.根据权利要求9所述的尿素热解反应中引导气流的方法,其特征在于:所述旋流装置位于反应器入口和/或反应器本体内,距反应器内壁一定距离形成一环状区域,该环状区域通过的热空气保持进入时的速度和方向,形成高速直流。技术领域
本发明涉及尿素热解反应领域,尤其是一种尿素热解反应中引导气流的方法
背景技术
氮氧化物(NOx)是主要的大气污染物之一,随着严格的环保标准的实施,烟气脱硝系统成为火电厂必不可少的设备之一,选择性催化还原反应(Selectivexa0Catalystxa0Reduction,简称SCR)以其脱硝效率高的优点成为了电厂脱硝项目的技术首选,得到了越来越广泛的应用。SCR技术中还原剂NH3的来源有3种:液氨、氨水和尿素,选择尿素作为还原剂,具有安全性高、来源广泛、易于运输和储存等特点,在环保领域得到了广泛的应用。尿素的分解主要在热解反应器中进行,热解反应器是一个内部全空的容器,热空气从入口段进入,尿素经过一个提供完全分配的喷射器注入到热空气中反应,热解反应器,由入口段、放大段、本体、收缩段、出口等部分组成。为了增加尿素分解的反应停留时间,必须要降低热风在热解反应器内的流速,因此在本体上部设置有放大段,用于放大本体直径,从而达到降低热空气流速的目的。在传统热解反应器设计中,采用放大本体直径这一单一方法来达到热解反应停留时间的要求,具有一定的局限性,或者入口设置为文丘里结构,需要较长的稳定段,包括入口减缩、喉部、出口渐扩,长度要求较高,由于受现场的空间限制,这种方法对于大型反应器在实际工程中的设计布置较难实现,而且热解装置的反应室由不锈钢制成,大体积的热解装置制造成本较高。气流进入反应器时,没有引流装置,会造成热解反应器内的气流分布不均,由于尿素分解反应在很短的时间内完成,一般只有几秒钟的时间,对气体流场和温度场的要求非常高,如果气体流场和温度场分布不均,尿素就不能完全分解,未分解的尿素会在尾管管壁上结晶沉积,尿素结晶现象的增多会造成检修次数的增加,严重的还会对尿素热解系统的运行造成影响。专利文献CN101574616A中公开了一种碳酸氢铵制氨气的的热解炉,所述热解炉体下部分布了四根热空气引入管,所述四根热空气引入管的偏斜布置使得热空气进入热解炉后具有一定的旋转强度,使炉内流场充满度好,热解炉内温度分布均匀。然而由于所用的碳酸氢铵为固体颗粒,为了使所述固体颗粒分解需要激烈的撞击运动,所以所述热解炉中的热空气需要设计成旋转流动的,并且将热空气入口设在热解炉下部,下部的旋转气流保证固体颗粒不落地,而尿素制氨所用的尿素为溶液,需要的是自上而下具有稳定流动速度的热空气,因此上述碳酸氢铵的热解装置不适用于尿素的热解。专利文献CN201907975U公开的用于尿素制氨的热解装置,包括气体入口、内部设有喷枪的反应室以及气体出口,所述气体入口设置于所述反应室上部,所述气体出口设置于所述反应室下部,还包括设置于所述反应室内部且所述喷枪上部的筛板型气流分配装置,在反应室内部且在喷枪上部设置了设有多个开孔的筛板型气流分配装置,使得进入热解装置的热气流在扩散过程中,更快地取得了均匀向下流动的热气流流场,提高了喷枪的相对布置位置,使得热解装置有更短的长度要求,有效降低了热解装置的高度,但是,气流必须通过带有很多细孔的孔板进入,阻力很大,会造成压力损失。鉴于此提出本发明。
发明内容
本发明的目的为克服现有技术的不足,提供一种尿素热解反应中引导气流的方法,使用此方法尿素热解反应中热空气进入反应器并经引导后形成中心区域为缓速旋流的气流,延长停留时间,反应充分,反应器内部内壁周围的圆周区域为高速直流的气流,隔离雾化尿素溶液与反应器内壁,阻止尿素溶液在反应器内壁上结晶。为了实现该目的,本发明采用如下技术方案:一种尿素热解反应中引导气流的方法,所述尿素热解反应在反应器内进行,所述反应器包括反应器入口、反应器本体和反应器出口,所述反应器本体上设置提供雾化尿素溶液的喷枪,所述尿素热解反应中热空气进入反应器并经引导后形成二维流场,所述二维流场为反应器内部中心区域为缓速旋流的气流,反应器内部内壁周围的圆周区域为高速直流的气流。所述中心区域的气流的速度小于圆周区域的气流的速度。所述圆周区域的气流紧贴反应器内壁,高速直流将反应器内部的反应物与反应器内壁隔离开。该方法包括以下步骤:1)向反应器入口通入热空气;2)所述热空气的中心区域被旋流装置分成多路气流,且被旋流装置引导成旋流气流;所述热空气的圆周区域的气流保持进入时的高速直流,形成二维流场;3)多路旋流气流经过旋流装置后由于惯性在反应器内部形成缓速旋流的气流,与反应器内部的雾化尿素溶液充分混合,延长停留时间,圆周区域的高速直流沿反应器内壁向下运动,将雾化尿素溶液与反应器内壁隔离开,阻止尿素溶液在反应器内壁上结晶;4)所述缓速旋流的热空气与反应器内部的雾化尿素溶液混合,雾化尿素溶液发生热解反应。所述1)中通入热空气的速度大于8米每秒。所述2)中热空气经旋流装置后速度降低80-90%。在反应器入口处和/或反应器本体内喷枪以上的部分形成二维流场。所述3)中圆周区域的高速直流的气流挤压缓速旋流的气流,限制中心旋流造成的内循环回流。所述旋流装置包括一两端封闭的柱体和柱体侧面上至少两个沿同一方向旋转且均匀分布的螺旋结构的涡流曲面叶片,所述涡流曲面叶片的螺旋中心线沿柱体轴线方向设置,所述柱体引导热空气进入,阻止多个进气口相互干扰,所述涡流曲面叶片引导热空气沿叶片形状形成缓速旋流。所述旋流装置位于反应器入口和/或反应器本体内,距反应器内壁一定距离形成一环状区域,该环状区域通过的热空气保持进入时的速度和方向,形成高速直流。采用本发明所述的技术方案后,带来以下有益效果:1、设置旋流装置引导热气流进入反应器后形成旋流,以延长停留时间。2、旋流装置采用多个涡流曲面叶片,气流均匀。3、旋流装置中间设置两端封闭的柱体,中间柱体起到引导气体进气的作用,气体绕柱体旋转进气,跟没有柱体相比,可以避免多个进气口之间的相互干扰。4、旋流装置周围设置环状开放区域引导进入的气体在反应器内壁处形成直流高速区,防止液滴结晶粘壁。5、效率提高,反应效率提高14%以上。下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
附图说明
图1:本发明尿素热解反应器结构图图2:本发明尿素热解反应器中形成二维流场的装置结构图图3:本发明旋流装置结构图其中:1、反应器入口,2、放大段,3、喷枪,4、反应器本体,5、收缩段,6、反应器出口,7、柱体,8、涡流曲面叶片,9、圆柱面,10、环状开放区域,11形成二维流场的装置,12、旋流装置。具体实方式本发明所述一种尿素热解反应中引导气流的方法,所述尿素热解反应在反应器内进行,所述反应器包括反应器入口、反应器本体和反应器出口,所述反应器本体上设置提供雾化尿素溶液的喷枪,所述尿素热解反应中热空气进入反应器并经引导后形成二维流场,所述二维流场为反应器内部中心区域为缓速旋流的气流,反应器内部内壁周围的圆周区域为高速直流的气流。所述中心区域的气流的速度小于圆周区域的气流的速度。所述圆周区域的气流紧贴反应器内壁,高速直流将反应器内部的反应物与反应器内壁隔离开。该方法包括以下步骤:1)向反应器入口通入热空气;2)所述热空气的中心区域被旋流装置分成多路气流,且被旋流装置引导成旋流气流;所述热空气的圆周区域的气流保持进入时的高速直流,形成二维流场;3)多路旋流气流经过旋流装置后由于惯性在反应器内部形成缓速旋流的气流,与反应器内部的雾化尿素溶液充分混合,延长停留时间,圆周区域的高速直流沿反应器内壁向下运动,将雾化尿素溶液与反应器内壁隔离开,阻止尿素溶液在反应器内壁上结晶;4)所述缓速旋流的热空气与反应器内部的雾化尿素溶液混合,雾化尿素溶液发生热解反应。所述的缓速旋流的气流通过反应器内部的反应区,该缓速旋流的气流延长气流在反应器内部的停留时间,可延长反应的时间,让反应充分进行;所述的高速直流的气流位于反应器内部紧邻反应器内壁,该高速直流的气流将反应器内壁和反应器内部反应区隔离开,防止内部溶液接触反应器内壁结晶粘连在反应器内壁上。所述1)中通入热空气的速度大于8米每秒,一般达数十米每秒。所述2)中热空气经旋流装置后速度降低80-90%。在反应器入口处和/或反应器本体内喷枪以上的部分形成二维流场。所述3)中圆周区域的高速直流的气流挤压缓速旋流的气流,限制中心旋流造成的内循环回流。所述旋流装置包括一两端封闭的柱体和柱体侧面上至少两个沿同一方向旋转且均匀分布的螺旋结构的涡流曲面叶片,所述涡流曲面叶片的螺旋中心线沿柱体轴线方向设置,所述柱体引导热空气进入,阻止多个进气口相互干扰,所述涡流曲面叶片引导热空气沿叶片形状形成缓速旋流。所述旋流装置位于反应器入口和/或反应器本体内,距反应器内壁一定距离形成一环状区域,该环状区域通过的热空气保持进入时的速度和方向,形成高速直流。所述的旋流装置包括一柱体和柱体侧面上至少两个螺旋结构的涡流曲面叶片,所述涡流曲面叶片的螺旋中心线沿柱体轴线方向设置,所述的柱体两端封闭,多个涡流曲面叶片在柱体侧面沿同一方向旋转且均匀分布。所述的涡流曲面叶片为至少包含0.5个螺距的螺旋结构,所述的涡流曲面叶片的个数为4到10个,优选6个。所述的旋流装置与环状开放区域之间设置一圆柱面,该圆柱面隔离高速直流气流和缓速旋流气流。所述的形成二维流场的装置位于反应器入口处,所述形成二维流场的装置11与反应器入口1的内壁装配连接或者焊接连接。所述的形成二维流场的装置也可位于反应器本体,所述形成二维流场的装置11与反应器本体的内壁装配连接或者焊接连接。形成二维流场的装置位于反应器本体内时,要位于喷枪的以上部位。所述的反应器入口和反应器本体之间还可以设置有放大段,所述的反应器本体和反应器出口之间还可以设置有收缩段,放大段为逐渐放大的设计保持流场在经过放大段时不产生紊流,合适的角度设计可以确保放大时流场保持稳定,放大段的入口处直径和反应器入口处直径相等,放大段的出口处和反应器本体的直径相等,收缩段的入口处的直径和反应器本体的直径相等,收缩段的出口处的直径和反应器出口处的直径相等。所述的形成二维流场的装置也可以位于放大段内,所述形成二维流场的装置11与放大段的内壁装配连接或者焊接连接。所述的反应器入口的进气量为Q,所述的涡流曲面叶片的宽度为W,Q/W²=N,其中N为一定值,N值与流场的分布形式有关;所述的涡流曲面叶片的宽度与高度的比值在1:2到2:1之间;所述的旋流装置的直径与形成二维流场的装置所在的反应器入口或者反应器本体的直径的比值在1:2到4:5之间。所述的尿素热解反应中热空气以大于十米每秒的速度进入反应器入口,经过中间的旋流装置后气流形成旋流,速度降低80-90%,形成缓速旋流的气流,经过周围的环状开放区域后气流速度不变,形成高速直流的气流,所述缓速旋流的气流经过反应器内反应区延长停留时间,促进反应充分进行,所述高速直流的气流,沿反应器内壁高速流动,防止内部溶液接触反应器内壁结晶粘连在反应器内壁上。热空气由外部热源加热至约600°C左右,通过反应器入口、放大段之后进入反应器本体,通过反应器入口时,由于反应器入口内安装有形成二维流场的装置,通过中间部分的旋流装置的引导作用,进入旋流装置的热空气,通过涡流曲面叶片的引导作用,中间部位形成缓速旋流气流,通过外围环状开放区域的引导作用,周围部位形成高速直流气流,即所述尿素热解反应中热空气进入反应器内通过形成二维流场的装置引导热空气在反应器内部中间部分形成缓速旋流的气流,在反应器内部周围部分形成高速直流的气流。从而热空气进入放大段和反应器本体后,由于进入时候的惯性,使热空气形成中间为缓速旋流,周围为高速直流的流场,喷枪上接有两路入口:一路为配置好的尿素溶液,一路为雾化空气,尿素溶液通过喷枪喷射到反应器本体中,雾化的尿素溶液在反应器本体内的热空气中发生反应,由于热空气形成中间为缓速旋流,周围为高速直流的流场,中间的缓速旋流气流可以延长停留的时间,从而使反应充分,周围的高速直流气流可以在反应器本体内壁形成高速区,防止尿素溶液结晶粘壁,还可以挤压中心旋流区,有效限制中心旋流所造成的内循环回流区的范围。相比之前的热空气竖直的通过热解反应器,由于形成旋流,在反应器本体长度不变的情况下,增加了混合气流在反应器本体内的停留时间,从而有利于尿素的充分分解,在停留时间不变的情况下,可以降低反应器本体的高度,从而降低制造成本,周围形成高速直流气流能够隔离内部溶液与反应器内壁,避免内部溶液接触反应器内壁造成结晶,影响反应效率。在高温条件下,尿素发生分解反应,其化学反应如下:CO(NH₂)₂→NH₃+HNCOHNCO+H₂O→NH₃+CO₂反应生成物与热空气组成混合气体经过反应器出口排出,再进入SCR反应器。实施例一如图3所示,本发明所述的旋流装置12包括一柱体7和柱体7侧面上6个螺旋结构的涡流曲面叶片8,所述涡流曲面叶片8的螺旋中心线沿柱体7轴线方向设置,所述的6个涡流曲面叶片8的高度和柱体7的高度一致,且上下端分别平齐。所述的柱体7两端封闭,中间的柱体7起到引导气体进气的作用,气体绕柱体7旋转进气,跟没有柱体7相比,可以避免多个进气口之间的相互干扰,多个涡流曲面叶片8在柱体7侧面沿同一方向旋转且均匀分布,有利于气流的均匀分布,所述的涡流曲面叶片8为至少包含0.5个螺距的螺旋结构。也可理解为将一长条状薄板的一端固定,另一端沿长条状薄板的垂直于固定端的中心线顺时针或逆时针方向逐渐扭转一定角度得到的渐变扭板状的螺旋结构,所述一定角度由入口段1的流速、高度与直径决定,本实施例优选扭转180度,即为0.5个螺距的螺旋结构;三个上述相同的螺旋结构的渐变扭板的中心线重合后,中心线位置设置一个两端封闭的柱体,柱体将三个渐变扭板分别分割成两个涡流曲面叶片,即形成柱体7的侧面上均匀分布6个旋转方向相同的涡流曲面叶片8。实施例二如图2所示,本发明所述的形成二维流场的装置11优选设置在反应器入口1内,所述形成二维流场的装置11包括中间部分引导气流形成旋流减慢流速的旋流装置12和外围部分引导气流高速流动的环状开放区域10。旋流装置12和环状开放区域10之间设置圆柱面9,圆柱面9隔离直流高速气流和缓速旋流气流,避免了气流之间的相互干扰。圆柱面9中间包围的区域为引导气流形成旋流减慢流速的旋流装置12,圆柱面9和反应器入口1内壁之间的区域为引导气流高速流动的环状开放区域10。形成二维流场的装置11上端与反应器入口上端平齐,或者形成二维流场的装置11上端低于反应器入口上端,这样有利于气流的分布。形成二维流场的装置11与反应器入口装配连接,或者与反应器入口内壁焊接连接。热空气进入反应器入口1后经过形成二维流场的装置11,经过中间旋流装置12时,气体从涡流曲面叶片8之间的螺旋通道通过,形成中间缓速旋流的气流,经过周围环状开放区域的引导形成周围高速直流的气流,这样可以使中间的缓速旋流的气流在反应器中的停留时间延长,使反应充分,周围高速直流的气流将内部的喷淋反应区与反应器本体4隔离防止液滴结晶粘壁,还可以挤压中心旋流区,有效限制中心旋流所造成的内循环回流区的范围。实施例三本发明所述的形成二维流场的装置11还可以设置在反应器的放大段2内(图中未画出),所述形成二维流场的装置11包括中间部分引导气流形成旋流减慢流速的旋流装置12和外围部分引导气流高速流动的环状开放区域10。旋流装置12和环状开放区域10之间设置圆柱面9,圆柱面9隔离直流高速气流和缓速旋流气流,避免了气流之间的相互干扰。圆柱面9中间包围的区域为引导气流形成旋流减慢流速的旋流装置12,圆柱面9和放大段2内壁之间的区域为引导气流高速流动的环状开放区域10。形成二维流场的装置11上端与放大段2上端平齐,或者形成二维流场的装置11上端低于放大段2上端,设置在放大段2内可以让热空气在入口处分布均匀后在形成二维旋流。形成二维流场的装置11与放大段2装配连接,或者与放大段2内壁焊接连接。热空气进入反应器入口1后进入放大段2内的形成二维流场的装置11,经过中间旋流装置12时,气体从涡流曲面叶片8之间的螺旋通道通过,形成中间缓速旋流的气流,经过周围环状开放区域的引导形成周围高速直流的气流,这样可以使中间的缓速旋流的气流在反应器中的停留时间延长,使反应充分,周围高速直流的气流将内部的喷淋反应区与反应器本体4隔离防止液滴结晶粘壁,还可以挤压中心旋流区,有效限制中心旋流所造成的内循环回流区的范围。实施例四本发明所述的形成二维流场的装置11还可以设置在反应器本体4内(图中未画出),但是要设置在反应器本体4内喷枪以上的位置,所述形成二维流场的装置11包括中间部分引导气流形成旋流减慢流速的旋流装置12和外围部分引导气流高速流动的环状开放区域10。旋流装置12和环状开放区域10之间设置圆柱面9,圆柱面9隔离直流高速气流和缓速旋流气流,避免了气流之间的相互干扰。圆柱面9中间包围的区域为引导气流形成旋流减慢流速的旋流装置12,圆柱面9和反应器本体4内壁之间的区域为引导气流高速流动的环状开放区域10。形成二维流场的装置11上端与反应器本体4上端平齐,或者形成二维流场的装置11上端低于反应器本体4上端,设置在反应器本体4内可以让热空气在入口处分布均匀后经放大段2引导后在形成二维旋流,避免放大段2对二维流场的影响。形成二维流场的装置11与反应器本体4装配连接,或者与反应器本体4内壁焊接连接。热空气进入反应器入口1后进入放大段2经放大段2引导气流截面积放大后进入反应器本体4的形成二维流场的装置11,经过中间旋流装置12时,气体从涡流曲面叶片8之间的螺旋通道通过,形成中间缓速旋流的气流,经过周围环状开放区域的引导形成周围高速直流的气流,这样可以使中间的缓速旋流的气流在反应器中的停留时间延长,使反应充分,周围高速直流的气流将内部的喷淋反应区与反应器本体4隔离防止液滴结晶粘壁,还可以挤压中心旋流区,有效限制中心旋流所造成的内循环回流区的范围。实施例五本发明所述的形成二维流场的装置11还可以同时设置在反应器入口1、放大段2和反应器本体4中的两个或者三个结构内(图中未画出),但是设置在反应器本体4内使要设置在喷枪以上的位置,所述形成二维流场的装置11包括中间部分引导气流形成旋流减慢流速的旋流装置12和外围部分引导气流高速流动的环状开放区域10。旋流装置12和环状开放区域10之间设置圆柱面9,圆柱面9隔离直流高速气流和缓速旋流气流,避免了气流之间的相互干扰。圆柱面9中间包围的区域为引导气流形成旋流减慢流速的旋流装置12,圆柱面9和反应器入口1或者放大段2或者反应器本体4内壁之间的区域为引导气流高速流动的环状开放区域10。多个结构中同时设置形成二维流场的装置11,可以更好引导气流的形成二维流场。形成二维流场的装置11与反应器入口1或者放大段2或者反应器本体4装配连接,或者与反应器入口1或者放大段2或者反应器本体4内壁焊接连接。热空气进入反应器入口1后经过形成二维流场的装置11,经过中间旋流装置12时,气体从涡流曲面叶片8之间的螺旋通道通过,形成中间缓速旋流的气流,经过周围环状开放区域的引导形成周围高速直流的气流,这样可以使中间的缓速旋流的气流在反应器中的停留时间延长,使反应充分,周围高速直流的气流将内部的喷淋反应区与反应器本体4隔离防止液滴结晶粘壁,还可以挤压中心旋流区,有效限制中心旋流所造成的内循环回流区的范围。以上所述仅为本发明的优选实施方式,应当指出,对于本领域的普通技术人员而言,在不脱离本发明原理前提下,还可以做出多种变形和改进,这也应该视为本发明的保护范围。