一种尿素直喷热解系统及方法

技术领域

本发明涉及热解设备技术领域，特别涉及一种尿素直喷热解系统及方法。

背景技术

尿素作为无危险的制氨原料,具有与液氨相同的脱硝性能,尿素是绿色肥料,无毒性,使用完全,因而没有法规限制,并且便于运输、储存和使用。在《火力发电厂氮氧化物防治技术政策》和《火力发电厂设计规范》中明确规定,位于人口稠密区的脱硝设施宜选用尿素作为还原剂。因此,尿素热解制氨技术得以应用并迅速发展。

在现有技术中，尿素热解分解速度较快，热解炉的响应时间为5～30秒，但电加热器响应时间较长，尿素热解后分解成一个氨气分子和一个异氰酸分子，而异氰酸在热解室的环境条件下难以分解为氨气，故热解系统尿素转化为氨的转化率相对较低，也是尿素热解炉结垢的原因。即尿素热解技术的主要问题是其消耗的能量大，运行成本偏高，由于热解炉温度分布不均导致热解炉内氨气生成率低，副反应复杂，会生成一些中间产物，它们在特定的条件下会发生聚合，导致热解炉结垢和管道堵塞等问题，因此如何稳定控制尿素喷出量是本领域技术人员急需解决的技术问题。

鉴于此，急需一种尿素直喷热解系统及方法，用于解决在现有技术中氨气生成率低，容易发生副反应的技术问题。

发明内容

本发明提供一种尿素直喷热解系统及方法，用于解决在现有技术中氨气生成率低，容易发生副反应的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明，一方面公开了一种尿素直喷热解系统，包括：

热解室，所述热解室内预设有若干个检测区域；

尿素喷射组件，设置在所述热解室内部，用于对每一所述检测区域内的氮氧化物进行尿素直喷，所述尿素喷射组件包括有喷头，所述喷头上设置有喷口；

检测模块，包括若干个取样探头，所述取样探头设置在所述尿素喷射组件的上游和/或下游，所述检测模块用于实时检测所述热解室内每一所述检测区域的尿素溶液雾滴直径△D、烟气温度T0及烟气流速V

计算模块，用于计算所述检测区域的氨逃逸浓度△M；

控制模块，包括所述喷头的喷射角度控制、所述喷口的开合度控制以及所述尿素的喷射时间控制，所述控制模块用于根据每一所述检测区域的尿素溶液雾滴直径、烟气温度及烟气流速，控制每一所述检测区域内的所述尿素的输入流量，并且根据所述检测区域的氨逃逸浓度△M对所述尿素的输入流量进行控制调节。

优选的，所述控制模块还用于设定所述尿素溶液雾滴直径的标准直径A0，预先设定第一标准直径A1、第二预设标准直径A2、第三预设标准直径A3和第四标准直径A4，且A1＞A2＞A3＞A4；

预先设定第一预设喷射时间T1、第二预设喷射时间T2、第三预设喷射时间T3和第四预设喷射时间T4，且0＜T1＜T2＜T3＜T4；

根据每一所述检测区域的尿素溶液雾滴直径△D与所述尿素溶液雾滴直径的标准直径A0之间的关系确定所述尿素喷射组件的初始喷射时间：

当A0≥A1时，选取所述第一预设喷射时间T1作为所述尿素喷射组件的初始喷射时间；

当A1＞A0≥A2时，选取所述第二预设喷射时间T2作为所述尿素喷射组件的初始喷射时间；

当A2＞A0≥A3时，选取所述第三预设喷射时间T3作为所述尿素喷射组件的初始喷射时间；

当A3＞A0≥A4时，选取所述第四预设喷射时间T4作为所述尿素喷射组件的初始喷射时间；

在选定第i预设喷射时间Ti作为所述尿素喷射组件的初始喷射时间后，i＝1，2，3，4，则此时的所述尿素喷射组件的初始喷射时间为Ti，记为初始喷射时间Ti。

优选的，所述控制模块还用于获取两相邻所述检测区域内的所述尿素喷射组件的初始喷射时间，则确定两相邻所述检测区域内的所述初始喷射时间的差值K，当两相邻所述检测区域内的所述初始喷射时间的差值K＞1s时对所述喷射时间Ti进行调整，以获取所述两相邻所述检测区域内的喷射时间短的所述检测区域的补偿喷射时间为log

优选的，所述控制模块还用于设定喷射角度矩阵R及烟气流速矩阵V,对于所述喷射角度矩阵R，设定为R(R1,R2,R3,R4)，其中，R1为第一喷射角度，R2为第二喷射角度，R3为第三喷射角度，R4为第四喷射角度，且90°＞R1＞R2＞R3＞R4＞0°；对于所述烟气流速V矩阵，设定V(V

所述控制模块还用于，当补偿喷射时间为log

当0＜V

当V

当V

当V

优选的，所述控制模块还设置有氨逃逸浓度矩阵M0和喷射角度修正系数矩阵e，其中，氨逃逸浓度矩阵M0，设定MO(M01，M02，M03，M04)M01为第一氨逃逸浓度，M01为第二氨逃逸浓度，M03为第三氨逃逸浓度，M04为第四氨逃逸浓度，且M01＜M02＜M03＜M04，对于喷射角度修正系数矩阵e(e1，e2，e3，e4)e1为第一喷射角度修正系数，e2为第二喷射角度修正系数，e3为第三喷射角度修正系数，e4为第四喷射角度修正系数，且0.5＜e1＜e2＜e3＜e4＜1；

所述控制模块还用于当所述氨逃逸浓度△M＞1000Ppm时，根据所述氨逃逸浓度△M与所述氨逃逸浓度矩阵M0之间的关系选定所述喷射角度修正系数矩阵e，相应地修正系数以对各预设喷射角度矩阵R进行修正；

当△M＜M01时，选定所述第一喷射角度修正系数e1对所述第一喷射角度R1进行修正，修正后的喷射角度为R1＊e1；

当M01≤△M＜M02时，选定所述第二喷射角度修正系数e2对所述第二喷射角度R2进行修正，修正后的喷射角度为R2＊e2；

当M02≤△M＜M03时，选定所述第三喷射角度修正系数e3对所述第三喷射角度R3进行修正，修正后的喷射角度为R3＊e3；

当M03≤△M＜M04时，选定所述第四喷射角度修正系数e4对所述第四喷射角度R4进行修正，修正后的喷射角度为RK4＊e4。

优选的，所述控制模块还设置有每一所述检测区域内的烟气温度矩阵T及喷口的开合度矩阵A0,对于所述温度矩阵T，设定为T(T1,T2,T3,T4)，其中，T1为第一温度，T2为第二温度，T3为第三温度，T4为第四温度，且300°＜T1＜T2＜T3＜T4＜400°；对于所述喷口的开合度矩阵A0，设定A(A01，A02，A03，A04)，其中A01为第一开合度，A02为第二开合度，A03为第三开合度，A04为第四开合度，且0＜A01＜A02＜A03＜A04＜100％，

所述控制模块还用于，当补偿喷射时间为log

当0＜T0＜T1时，选定所述第一开合度A01作为尿素喷射组件的开合度；

当T1≤T0＜T2，选定所述第二开合度A02作为尿素喷射组件的开合度；

当T2≤T0＜T3，选定所述第三开合度A03作为尿素喷射组件的开合度；

当T3≤T0＜T4，选定所述第四开合度A04作为尿素喷射组件的开合度。

优选的，所述控制模块内还设定有所述喷口的开合度修正系数矩阵r，对于所述喷口的开合度修正系数矩阵r(r1，r2，r3，r4)，r1为第一所述喷口的开合度修正系数，r2为第二所述喷口的开合度修正系数，r3为第三所述喷口的开合度修正系数，r4为第四所述喷口的开合度修正系数，且0＜r1＜r2＜r3＜r4＜1；

所述控制模块还用于当所述氨逃逸浓度△M＞1000Ppm时，根据所述氨逃逸浓度△M与所述氨逃逸浓度矩阵M0之间的关系选定所述喷口的开合度修正系数r，相应地修正系数以对各预设开口百分矩阵A0进行修正；

当△M＜M01时，选定所述第一所述喷口的开合度修正系数r1对所述第一开合度A01进行修正，修正后的开合度为A01＊r1；

当M01≤△M＜M02时，选定所述第二所述喷口的开合度修正系数r1对所述第二开合度A02进行修正，修正后的开合度为A02＊r2；

当M02≤△M＜M03时，选定所述第三所述喷口的开合度修正系数r1对所述第三开合度A03进行修正，修正后的开合度为A03＊r3；

当M03≤△M＜M04时，选定所述第四所述喷口的开合度修正系数r1对所述第四开合度A04进行修正，修正后的开合度为A04＊r4。

另一方面，本申请还提供一种尿素直喷热解方法，包括以下步骤：

步骤S1：在热解室内预设有若干个检测区域，尿素喷射组件对每一所述检测区域内的氮氧化物进行尿素直喷；

步骤S2：检测模块实时检测所述热解室内每一所述检测区域的尿素溶液雾滴直径△D、烟气温度T0及烟气流速V

步骤S3：计算模块计算所述检测区域的氨逃逸浓度△M；

步骤S4：控制模块根据每一所述检测区域的尿素溶液雾滴直径、烟气温度及烟气流速，控制每一所述检测区域内的所述尿素的输入流量，并且根据所述检测区域的氨逃逸浓度△M对所述尿素的输入流量进行控制调节。

优选的，在步骤S4中，所述控制模块根据控制喷头的喷射角度控制、所述喷口的开合度控制以及所述尿素的喷射时间控制。

优选的，在所述步骤S4中，所述控制模块还根据所述检测区域的氨逃逸浓度△M对喷射角度控制、所述喷口的开合度进行控制。

本发明提供的一种尿素直喷热解系统及方法，与现有技术相比，其有益效果在于：

(1)根据每一所述检测区域的温度、所述喷射组件四周的烟气流速控制每一所述检测区域内的尿素输入流量，能够有效控制每一所述检测区域内的反应效率；

(2)根据所述检测区域的氨逃逸浓度△M对所述喷头角度和喷口开合度进行反馈调节，能够实时有效修正每一所述检测区域内的尿素输入流量，进一步稳定反应效率。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明尿素直喷热解系统的功能框图；

图2是本发明实施例尿素喷射组件喷射角度示意图；

图3是本发明尿素直喷热解系统的流程图。

图中：1、检测区域；2、尿素喷射组件；21、喷头；22、喷口；3、喷射角度区域。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本发明的原理为：

尿素溶液喷入高温烟气中，会发生以下三步反应：

第一步，水从尿素溶液雾滴中蒸发出来：

CO(NH2)2 xH2O(溶液)→CO(NH2)2(固或气)+xH2O

第二步，尿素热解成氨气和异氰酸：

CO(NH2)2(固或气)→HNCO(气)+NH3(气)

第三步，异氰酸发生水解反应生成氨气：

HNCO(气)+H2O(气)→NH3(气)+CO2(气)

其中，第一步反应的反应时间主要受到尿素溶液浓度、烟气温度和尿素溶液雾滴直径的影响，一般来说尿素溶液浓度越高、烟气温度越高或尿素溶液雾滴直径越小，尿素溶液中水份蒸发的时间越小。第二步反应为SCR进口烟道尿素热解的主要化学反应，其反应主要受化学反应动力学控制。第三步反应在SCR进口烟道中发生的可能性较小，主要是因为异氰酸的水解反应在300℃以上才开始发生，而在SCR进口烟道内，烟气的温度一般在300℃到400℃范围内，且喷入尿素溶液的停留时间较短，当停留时间达到0.5s以上时，尿素的热解效率在95％以上，并且在1.7s的停留时间里，尿素热解生成的异氰酸并未与烟气中的水发生水解反应。

即尿素热解后分解成一个氨气分子和一个异氰酸分子，而异氰酸在热解室的环境条件下难以分解为氨气，故热解系统尿素转化为氨的转化率较低，也是尿素热解炉结垢的原因。

根据素热解效率与烟气温度和停留时间的关系，在300℃-400℃范围内，根据烟气流速测试可以得到，当停留时间达到0.5s以上时，尿素的热解效率在95％以上。并且在1.7s的停留时间里，尿素热解生成的异氰酸并未与烟气中的水发生水解反应。

本发明提供的一种尿素直喷热解系统及方法，与现有技术相比本发明，根据每一所述检测区域1内的温度、喷射组件四周的烟气流速控制每一所述检测区域1内的尿素输入流量，能够有效控制每一所述检测区域1内的反应效率；

与现有技术相比本发明还根据检测区域1的氨逃逸浓度△M对喷头21角度和喷口22开合度进行反馈调节，能够实时有效修正每一所述检测区域1内的尿素输入流量，进一步稳定反应效率。

参阅图1所示，在本申请的一些实施例中，提供一种尿素直喷热解系统，包括：

热解室、尿素喷射组件2、检测模块、计算模块和控制模块；其中，热解室内预设有若干个检测区域1；而尿素喷射组件2设置在热解室内部，用于对每一检测区域1内的氮氧化物进行尿素直喷，尿素喷射组件2包括有喷头21，喷头21上设置有喷口22；检测模块则包括若干个取样探头，取样探头设置在尿素喷射组件2的上游和/或下游，检测模块用于实时检测热解室内每一检测区域1的尿素溶液雾滴直径△D、烟气温度T0及烟气流速V

在本申请的一些实施例中，所述控制模块还用于设定所述尿素溶液雾滴直径的标准直径A0，预先设定第一标准直径A1、第二预设标准直径A2、第三预设标准直径A3和第四标准直径A4，且A1＞A2＞A3＞A4；

预先设定第一预设喷射时间T1、第二预设喷射时间T2、第三预设喷射时间T3和第四预设喷射时间T4，且0＜T1＜T2＜T3＜T4；

根据每一所述检测区域1的尿素溶液雾滴直径△D与所述尿素溶液雾滴直径的标准直径A0之间的关系确定所述尿素喷射组件2的初始喷射时间：

当A0≥A1时，选取所述第一预设喷射时间T1作为所述尿素喷射组件2的初始喷射时间；

当A1＞A0≥A2时，选取所述第二预设喷射时间T2作为所述尿素喷射组件2的初始喷射时间；

当A2＞A0≥A3时，选取所述第三预设喷射时间T3作为所述尿素喷射组件2的初始喷射时间；

当A3＞A0≥A4时，选取所述第四预设喷射时间T4作为所述尿素喷射组件2的初始喷射时间；

在选定第i预设喷射时间Ti作为所述尿素喷射组件2的初始喷射时间后，i＝1，2，3，4，则此时的所述尿素喷射组件2的初始喷射时间为Ti，记为初始喷射时间Ti。

参阅图2所示，在本申请的一些实施例中，所述控制模块还用于获取两相邻所述检测区域1内的所述尿素喷射组件2的初始喷射时间，则确定两相邻所述检测区域1内的所述初始喷射时间的差值K，当两相邻所述检测区域1内的所述初始喷射时间的差值K＞1s时对所述喷射时间Ti进行调整，以获取所述两相邻所述检测区域1内的喷射时间短的所述检测区域1的补偿喷射时间为log

在本申请的一些实施例中，所述控制模块还用于设定喷射角度矩阵R及烟气流速矩阵V,对于所述喷射角度矩阵R，设定为R(R1,R2,R3,R4)，其中，R1为第一喷射角度，R2为第二喷射角度，R3为第三喷射角度，R4为第四喷射角度，且90°＞R1＞R2＞R3＞R4＞0°，即喷射角度区域3；对于所述烟气流速V矩阵，设定V(V

所述控制模块还用于，当补偿喷射时间为log

当0＜V

当V

当V

当V

在本申请的一些实施例中，所述控制模块还设置有氨逃逸浓度矩阵M0和喷射角度修正系数矩阵e，其中，氨逃逸浓度矩阵M0，设定MO(M01，M02，M03，M04)M01为第一氨逃逸浓度，M01为第二氨逃逸浓度，M03为第三氨逃逸浓度，M04为第四氨逃逸浓度，且M01＜M02＜M03＜M04，对于喷射角度修正系数矩阵e(e1，e2，e3，e4)e1为第一喷射角度修正系数，e2为第二喷射角度修正系数，e3为第三喷射角度修正系数，e4为第四喷射角度修正系数，且0.5＜e1＜e2＜e3＜e4＜1；

所述控制模块还用于当所述氨逃逸浓度△M＞1000Ppm时，根据所述氨逃逸浓度△M与所述氨逃逸浓度矩阵M0之间的关系选定所述喷射角度修正系数矩阵e，相应地修正系数以对各预设喷射角度矩阵R进行修正；

当△M＜M01时，选定所述第一喷射角度修正系数e1对所述第一喷射角度R1进行修正，修正后的喷射角度为R1＊e1；

当M01≤△M＜M02时，选定所述第二喷射角度修正系数e2对所述第二喷射角度R2进行修正，修正后的喷射角度为R2＊e2；

当M02≤△M＜M03时，选定所述第三喷射角度修正系数e3对所述第三喷射角度R3进行修正，修正后的喷射角度为R3＊e3；

当M03≤△M＜M04时，选定所述第四喷射角度修正系数e4对所述第四喷射角度R4进行修正，修正后的喷射角度为RK4＊e4。

在本申请的一些实施例中，所述控制模块还设置有每一所述检测区域1内的烟气温度矩阵T及喷口22的开合度矩阵A0,对于所述温度矩阵T，设定为T(T1,T2,T3,T4)，其中，T1为第一温度，T2为第二温度，T3为第三温度，T4为第四温度，且300°＜T1＜T2＜T3＜T4＜400°；对于所述喷口22的开合度矩阵A0，设定A(A01，A02，A03，A04)，其中A01为第一开合度，A02为第二开合度，A03为第三开合度，A04为第四开合度，且0＜A01＜A02＜A03＜A04＜100％，

所述控制模块还用于，当补偿喷射时间为log

当0＜T0＜T1时，选定所述第一开合度A01作为尿素喷射组件2的开合度；

当T1≤T0＜T2，选定所述第二开合度A02作为尿素喷射组件2的开合度；

当T2≤T0＜T3，选定所述第三开合度A03作为尿素喷射组件2的开合度；

当T3≤T0＜T4，选定所述第四开合度A04作为尿素喷射组件2的开合度。

在本申请的一些实施例中，所述控制模块内设还设定有所述喷口22的开合度修正系数矩阵r，对于所述喷口22的开合度修正系数矩阵r(r1，r2，r3，r4)，r1为第一所述喷口22的开合度修正系数，r2为第二所述喷口22的开合度修正系数，r3为第三所述喷口22的开合度修正系数，r4为第四所述喷口22的开合度修正系数，且0＜r1＜r2＜r3＜r4＜1；

所述控制模块还用于当所述氨逃逸浓度△M＞1000Ppm时，根据所述氨逃逸浓度△M与所述氨逃逸浓度矩阵M0之间的关系选定所述喷口22的开合度修正系数r，相应地修正系数以对各预设开口百分矩阵A0进行修正；

当△M＜M01时，选定所述第一所述喷口22的开合度修正系数r1对所述第一开合度A01进行修正，修正后的开合度为A01＊r1；

当M01≤△M＜M02时，选定所述第二所述喷口22的开合度修正系数r1对所述第二开合度A02进行修正，修正后的开合度为A02＊r2；

当M02≤△M＜M03时，选定所述第三所述喷口22的开合度修正系数r1对所述第三开合度A03进行修正，修正后的开合度为A03＊r3；

当M03≤△M＜M04时，选定所述第四所述喷口22的开合度修正系数r1对所述第四开合度A04进行修正，修正后的开合度为A04＊r4。

另一方面，参阅图3所示，本申请还提供一种尿素直喷热解方法，包括以下步骤：

步骤S1：在热解室内预设有若干个检测区域1，尿素喷射组件2对每一所述检测区域1内的氮氧化物进行尿素直喷；

步骤S2：检测模块实时检测所述热解室内每一所述检测区域1的尿素溶液雾滴直径△D、烟气温度T0及烟气流速V

步骤S3：计算模块计算所述检测区域1的氨逃逸浓度△M；

步骤S4：控制模块根据每一所述检测区域1的尿素溶液雾滴直径、烟气温度及烟气流速，控制每一所述检测区域1内的所述尿素的输入流量，并且根据所述检测区域1的氨逃逸浓度△M对所述尿素的输入流量进行控制调节。

在本申请的一些实施例中，在步骤S4中，所述控制模块根据控制喷头21的喷射角度控制、所述喷口22的开合度控制以及所述尿素的喷射时间控制。

在本申请的一些实施例中，在所述步骤S4中，所述控制模块还根据所述检测区域1的氨逃逸浓度△M对喷射角度控制、所述喷口22的开合度进行控制。

(1)根据每一所述检测区域1内的温度、喷射组件四周的烟气流速控制每一所述检测区域1内的尿素输入流量，能够有效控制每一所述检测区域1内的反应效率；

(2)根据检测区域1的氨逃逸浓度△M对喷头21角度和喷口22开合度进行反馈调节，能够实时有效修正每一所述检测区域1内的尿素输入流量，进一步稳定反应效率。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD－ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。