非热等离子体协同催化常温下水解尿素制氨的装置

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(NH

技术背景

氮氧化物(NO

以NH

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NH

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(NH

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 Science&Technology 3(2013)942-951中的研究表明，ZrO

非热等离子体由于具有低温(室温)下引发各类化学反应以及激活催化剂的特性，近年来得到广泛关注。将非热等离子体与尿素分解催化剂相结合，有望利用等离子体与催化剂之间的协同作用在低温(室温)下实现尿素高效水解制氨(总反应CO(NH

发明内容

本发明的目的在于提供一种非热等离子体协同催化常温下水解尿素制氨的装置，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，大大简化尿素分解制氨工艺，降低制氨能耗。

非热等离子体协同催化常温下水解尿素制氨的装置，其特征在于，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；

其中尿素供给和喷射系统包括尿素水溶液储罐(1)、尿素水溶液分配系统(2)和尿素水溶液喷射装置(3)，可通过调节尿素水溶液中尿素的浓度和喷射装置的喷射流量调节尿素的注入量；

一组非热等离子体协同催化反应器包括呈矩阵式排列的多个非热等离子体协同催化单管反应器(4)，每排布置5～50个非热等离子体协同催化单管反应器且每排5～50个非热等离子体协同催化单管反应器共用一个高压电源(5)，相邻非热等离子体协同催化单管反应器之间的间隔为5～10cm；

非热等离子体协同催化单管反应器(4)为填充式介质阻挡放电反应器，包括石英管反应器(7)、高压电极(12)、接地电极(9)、催化剂填充层(8)、石英砂板(10)、尿素喷入口、载气入口(6)和含氨气体出口(11)，石英管反应器的上部设尿素喷入口和载气入口，下部设含氨气体出口；不锈钢棒高压电极位于石英管反应器中心，与高压电源的高压输出端电连接；石英管反应器外敷不锈钢网、铝箔或铜箔作为接地电极，与高压电源的接地端电连接；尿素分解催化剂填充在石英管反应器内壁与不锈钢棒高压电极的环隙间，由石英管反应器内布设的石英砂板支撑且完全置于放电区域内；

每个石英管反应器(7)的尿素喷入口安装有一个尿素水溶液喷射装置(3)，尿素水溶液储罐(1)通过尿素水溶液分配系统(2)与每一个尿素水溶液喷射装置(3)连接。

高压电源(5)选用交流或脉冲高压电源，可通过调节高压电源输出的电压、频率等调节输入非热等离子体协同催化反应器的放电功率。

非热等离子体协同催化单管反应器中的石英管反应器、高压电极和接地电极的尺寸以反应器内能产生有效放电且放电功率和催化剂装填量满足尿素水解需求为依据进行调节。非热等离子体协同催化单管反应器中填充的尿素分解催化剂选自ZrO

尿素分解过程中，一定流量的氮气或空气从各个非热等离子体协同催化单管反应器的载气入口进入反应器，氨气等尿素分解产物随载气流出反应器后被收集或用于SCR脱硝。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

1、该装置可以根据SCR脱硝对于还原剂的需求量调整非热等离子体协同催化单管反应器的数量，使得尿素分解产氨量与SCR脱除NO

2、该装置结构简单，成本低廉，常温下运行，启停方便，尿素分解制氨能耗低。

3、该装置安全隐患少，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。

附图说明

图1为本发明非热等离子体协同催化常温下水解尿素制氨的装置示意图。

图2为非热等离子体协同催化单管反应器结构示意图。

图中，1为尿素水溶液储罐，2为尿素水溶液分配系统，3为尿素水溶液喷射装置，4为非热等离子体协同催化反应器，5为高压电源，6为载气入口，7为石英管反应器，8为尿素分解催化剂，9为不锈钢网、铝箔或铜箔接地电极，10为石英砂板，11为含氨气体出口，12为不锈钢棒高压电极。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如图1所示，尿素水溶液储罐(1)中的尿素水溶液经尿素水溶液分配系统(2)和尿素水溶液喷射装置(3)喷入各个非热等离子体协同催化单管反应器(4)，通过调节尿素水溶液中尿素的浓度和喷射装置的喷射流量可调节尿素的注入量。

非热等离子体协同催化单管反应器呈矩阵式排列，每排布置5～50个非热等离子体协同催化单管反应器且每排5～50个非热等离子体协同催化单管反应器共用一个交流或脉冲高压电源(5)，电源输出电压、频率等根据需要进行设置；相邻非热等离子体协同催化单管反应器之间的间隔为5～10cm。

如图1和2所示，非热等离子体协同催化单管反应器(4)为填充式介质阻挡放电反应器，包括石英管反应器(7)、高压电极(12)、接地电极(9)、催化剂填充层(8)、石英砂板(10)、尿素喷入口、载气入口(6)和含氨气体出口(11)，石英管反应器的上部设尿素喷入口和载气入口，下部设含氨气体出口；不锈钢棒高压电极位于石英管反应器中心，与高压电源的高压输出端电连接；石英管反应器外敷不锈钢网、铝箔或铜箔作为接地电极，与高压电源的接地端电连接；尿素分解催化剂填充在石英管反应器内壁与不锈钢棒高压电极的环隙间，由石英管反应器内布设的石英砂板支撑且完全置于放电区域内。

非热等离子体协同催化单管反应器中的石英管反应器、高压电极和接地电极的尺寸以反应器内能产生有效放电且放电功率和催化剂装填量满足尿素水解需求为依据进行调节。非热等离子体协同催化单管反应器中填充的尿素分解催化剂选自ZrO

尿素分解过程中，一定流量的氮气或空气从各个非热等离子体协同催化单管反应器的载气入口进入反应器，氨气等尿素分解产物随载气流出反应器后被收集或用于SCR脱硝。

实施例1

以ZrO

实施例2

以Al

上述实施例表明，借助非热等离子体与催化剂的协同作用可在常温下高效水解尿素制氨，制氨工艺简单，成本低廉。但本发明并不限于上述实施例。