本發(fā)明屬于大氣污染控制技術(shù)領域，具體涉及一種笑氣的一體式自熱分解系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
一氧化二氮(N2O)俗稱笑氣，是一種溫室氣體，加劇全球變暖，其引起溫室效應的能力遠強于二氧化碳與甲烷。同時N2O對臭氧層還有破壞作用，且此破壞作用同樣遠強于氟氯烴。目前，己二酸裝置排放的尾氣是笑氣的一大來源。己二酸是最重要的脂肪族二元酸之一，大量用于聚氨酯、尼龍66鹽以及增塑劑的生產(chǎn)。己二酸裝置排放的尾氣中，笑氣體積分數(shù)可高達30％，且排放量巨大，目前大部分都直接排放至大氣中，對環(huán)境將產(chǎn)生重大影響。
笑氣性質(zhì)非常穩(wěn)定，在大氣中可以存在百余年。笑氣的分解產(chǎn)物為氮氣與氧氣，二者均為大氣的基本組成成分，無有毒有害副產(chǎn)物。笑氣分子由N-N鍵與N-O鍵組成，研究發(fā)現(xiàn)N-N鍵比N-O鍵更難分離，打開N—O鍵大約需要250～270kJ·mol-1的活化能，無催化劑存在時需約900℃才能將N2O完全分解，需要消耗大量的熱能，如何實現(xiàn)低溫分解笑氣成為了研究者們的一大目標。同時，笑氣的分解過程為強放熱反應，反應熱大，反應溫升大，為了降低反應產(chǎn)物的溫升，一般使用壓縮空氣稀釋笑氣，但完全分解后的氣體溫度仍會上升300℃左右，使得笑氣處理系統(tǒng)存在不易控制、調(diào)節(jié)，彈性差的問題，一方面容易因局部過熱產(chǎn)生安全問題，另一方面也對笑氣處理裝置的材質(zhì)提出了極高的要求，提高了制造和維護成本。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
有鑒于此，本發(fā)明創(chuàng)造旨在提出一種特別適用于笑氣及其類似反應的一體式自熱分解系統(tǒng)及方法，使用不繡鋼材料建造，能夠在處理高濃度笑氣的同時降低反應出口溫度、副產(chǎn)高品位蒸汽，還具有良好的調(diào)節(jié)性能。
本發(fā)明創(chuàng)造提供的一體式自熱分解系統(tǒng)包括切斷閥、換熱器、預熱器、反應器和蒸汽發(fā)生器；所述切斷閥、換熱器的冷側(cè)、預熱器、反應器、蒸汽發(fā)生器和換熱器的熱側(cè)依次串聯(lián)構(gòu)成串聯(lián)通路；所述蒸汽發(fā)生器的連通于所述串聯(lián)通路中的部分為其管程部分；所述換熱器的熱側(cè)出口與大氣連通；所述串聯(lián)通路上，所述預熱器的路段兩端并聯(lián)了設置有預熱器旁路閥的旁路。
其中，所述串聯(lián)通路中，所述切斷閥和換熱器之間的串聯(lián)路段上設有一壓縮空氣支路入口。更進一步，所述壓縮空氣支路上設有調(diào)壓閥。
其中，所述串聯(lián)通路上，所述換熱器的冷側(cè)兩端并聯(lián)了設置有換熱器旁路閥的旁路。
其中，所述蒸汽發(fā)生器的殼程入口通入來自系統(tǒng)外的除氧水，經(jīng)換熱后成為蒸汽經(jīng)所述蒸汽發(fā)生器的殼程出口送出。
其中，所述反應器為自熱式反應器，具有反應器殼程和反應器管程，所述反應器殼程的入口與所述預熱器的出口或所述預熱器旁路閥所在的旁路出口相連，所述反應器殼程的出口與所述反應器管程的入口相連，所述反應器管程的出口與所述蒸汽發(fā)生器的管程入口相連，所述反應器殼程為加熱區(qū)域，所述反應器管程為反應區(qū)域。優(yōu)選的，所述反應器為立式U形管式反應器。更優(yōu)選的，所述反應器殼程設有兩個并聯(lián)的入口，分別位于反應器殼程的中部和下部，且與反應器管程的入口同側(cè)；所述反應器殼程的出口設置于靠近殼程的上部，且與反應器管程的出口同側(cè)。
其中，所述預熱器的出口設有第一測溫裝置，所述反應器的反應區(qū)域入口設有第二測溫裝置，所述反應器的反應區(qū)域出口設有第三測溫裝置，所述切斷閥受到所述第三測溫裝置的信號控制，所述預熱器的調(diào)節(jié)裝置同時受到所述第一測溫裝置和第二測溫裝置的信號調(diào)節(jié)與控制。
其中，所述預熱器為電加熱器，所述換熱器為板式換熱器或管殼式換熱器，優(yōu)選的為板式換熱器，所述蒸汽發(fā)生器為釜式蒸發(fā)器或立式蒸發(fā)器。
本發(fā)明還提供了一種含笑氣廢氣的處理方法，采用上述一體式自熱分解系統(tǒng)，當系統(tǒng)穩(wěn)定時，將預熱器切出串聯(lián)通路，使反應器的反應區(qū)域的入口溫度控制在400±10℃，反應器的反應區(qū)域的出口溫度在450-600℃的范圍內(nèi)波動，切斷閥的切斷溫度設定為620±5℃。
相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下優(yōu)勢：
(1)系統(tǒng)操作溫度低于不銹鋼材料的耐受溫度，系統(tǒng)中各個設備和管道可以采用不銹鋼材料制造，造價低廉；
(2)能夠充分回收和利用反應熱，可副產(chǎn)高品味的蒸汽，提高熱量回收的價值，在滿足環(huán)保的同時增大經(jīng)濟效益；
(3)系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能好，彈性高，適應性強，能適應不同的工況，且操作狀態(tài)波動時，能自動調(diào)節(jié)，安全性高；
(4)采用換熱、反應一體化設計，設備數(shù)目少，系統(tǒng)及其設備結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，建設費用低，操作控制簡單方便。
附圖說明
圖1為本發(fā)明一體式自熱分解系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
其中，1-切斷閥；2-換熱器；3-預熱器；4-反應器；41-反應器殼程；42-反應器管程；5-蒸汽發(fā)生器；6-調(diào)壓閥；7-預熱器旁路閥；8-換熱器旁路閥；91-第一測溫裝置；92-第二測溫裝置；93-第三測溫裝置。
具體實施方式
構(gòu)成本發(fā)明的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當限定。
本發(fā)明說明書和權(quán)利要求書中的下列用語具有行業(yè)內(nèi)的通用含義，為方便理解，在下面做了簡單的說明。
管程：指管殼式換熱設備(如蒸汽發(fā)生器、反應器)的換熱管以內(nèi)以及與其直接相連的封頭內(nèi)的空間，對所有管殼式換熱設備都適用。
殼程：指管殼式換熱設備(如蒸汽發(fā)生器、反應器)的換熱管以外、殼體以內(nèi)的空間，管程與殼程被換熱管隔開，二者內(nèi)的流體只可相互換熱，不能直接接觸。
冷側(cè)：指換熱設備(如換熱器)內(nèi)較冷的流體流經(jīng)的一側(cè)，可以從熱側(cè)吸收熱量。
熱側(cè)：指換熱設備(如換熱器)內(nèi)較熱的流體流經(jīng)的一側(cè)，可以向冷側(cè)放出熱量。
旁路：直接連接設備(如換熱器或閥門)的入口與出口的跨接管線，用于繞過此設備而直接進入下游，這條跨接管線上可以設有閥門，該閥門一般被稱為旁路閥。
下面結(jié)合附圖對本案的技術(shù)方案進行進一步詳細說明。
本發(fā)明的一體式自熱分解系統(tǒng)包括切斷閥1、換熱器2、預熱器3、反應器4和蒸汽發(fā)生器5；所述切斷閥1、換熱器2的冷側(cè)、預熱器3、反應器4、蒸汽發(fā)生器5和換熱器2的熱側(cè)依次串聯(lián)構(gòu)成串聯(lián)通路；所述蒸汽發(fā)生器5的連通于所述串聯(lián)通路中的部分為其管程部分；所述換熱器2的熱側(cè)出口與大氣連通；所述串聯(lián)通路上，所述預熱器3的路段兩端并聯(lián)了設置有預熱器旁路閥7的旁路。
所述切斷閥1用于在需要情況下切斷向整個系統(tǒng)內(nèi)的待處理氣體(含笑氣尾氣)的輸送。所述換熱器2能夠?qū)a(chǎn)蒸汽后的尾氣的剩余熱回收，用于對所述串聯(lián)通路中待進入反應器的待處理氣體進行預熱，對系統(tǒng)余熱進行充分再利用。所述預熱器3用于在系統(tǒng)開車進入穩(wěn)定運行前對整個系統(tǒng)管路、設備和運行氣體(包括待處理氣體以及通入的壓縮空氣)進行預熱，使系統(tǒng)快速達到穩(wěn)定狀態(tài)，預熱器旁路閥7在系統(tǒng)進入穩(wěn)定狀態(tài)后用于將預熱器3切出串聯(lián)通路。所述反應器4是對待處理氣體進行反應處理的裝置。所述蒸汽發(fā)生器5能夠?qū)Ψ磻?中產(chǎn)物的熱量進行充分回收利用，副產(chǎn)高品位蒸汽用于其他生產(chǎn)生活的需要。
其中，所述串聯(lián)通路中，所述切斷閥1和換熱器2之間的串聯(lián)路段上設有一壓縮空氣支路入口，用于向系統(tǒng)中通入壓縮空氣，壓縮空氣能夠發(fā)揮調(diào)整系統(tǒng)壓力、調(diào)整待處理氣體濃度、調(diào)節(jié)系統(tǒng)溫升等多方面用途。更進一步，所述壓縮空氣支路上設有調(diào)壓閥6，用于調(diào)節(jié)進入系統(tǒng)的壓縮空氣的壓力。
其中，所述串聯(lián)通路上，所述換熱器2的冷側(cè)兩端并聯(lián)了設置有換熱器旁路閥8的旁路。換熱器旁路閥8能夠通過調(diào)整換熱器2的冷側(cè)的流體流量或流速來控制換熱器2的換熱量，進而調(diào)節(jié)、控制進入反應器4的反應區(qū)域內(nèi)的待處理氣體的溫度，提高了系統(tǒng)裝置的操作彈性，防止反應熱被過度回收，在裝置內(nèi)循環(huán)積累，最終導致裝置超溫。
其中，所述蒸汽發(fā)生器5的殼程入口可以通入來自系統(tǒng)外的除氧水，經(jīng)換熱后成為蒸汽經(jīng)所述蒸汽發(fā)生器5的殼程出口送出，實現(xiàn)反應熱量的高品質(zhì)回收利用。
其中，所述反應器4為自熱式反應器，具有反應器殼程41和反應器管程42，所述反應器殼程41的入口與所述預熱器3的出口或所述預熱器旁路閥7所在的旁路出口相連，所述反應器殼程41的出口與所述反應器管程42的入口相連，所述反應器管程42的出口與所述蒸汽發(fā)生器5的管程入口相連，所述反應器殼程41為加熱區(qū)域，所述反應器管程42為反應區(qū)域。優(yōu)選的，所述反應器4為立式U形管式反應器，其殼程加熱區(qū)域用于對待處理氣體進行進一步加熱，加熱的熱源主要來自于管程反應區(qū)域的放熱，其管程反應區(qū)域內(nèi)裝填有待處理氣體(笑氣)分解催化劑，用于待處理氣體的催化分解，分解反應放出的熱量由管程的反應區(qū)域傳遞至殼程的加熱區(qū)域，將待參與反應的氣體加熱至約400℃。更進一步，所述反應器殼程41設有兩個并聯(lián)的入口，分別位于反應器殼程41的中部和下部，且與反應器管程42的入口同側(cè)，用于及時降低反應后的反應器管程42內(nèi)高溫氣體的溫度，同時避免剛進入反應區(qū)域的氣體的溫度被降低，無法達到反應要求的初始溫度；所述反應器殼程41的出口設置于靠近殼程的上部，且與反應器管程42的出口同側(cè)，用于充分回收反應器管程42出口附近高溫氣體的熱量，且降低反應器管程42入口附近反應管內(nèi)外的溫差，避免未反應的氣體被提前冷卻。本發(fā)明為敘述方便，當將反應器4視為一個整體時，反應器4的入口或出口則分別指反應器4相對于外部的入口和出口，即分別為反應器殼程41的入口和反應器管程42的出口。
其中，所述預熱器3的出口設有第一測溫裝置91，所述反應器4的反應區(qū)域入口設有第二測溫裝置92，所述反應器4的反應區(qū)域出口設有第三測溫裝置93，所述切斷閥1受到所述第三測溫裝置93的信號調(diào)節(jié)與控制，所述預熱器3的調(diào)節(jié)裝置(為預熱器3本身具有的裝置，如開關閥或加熱功率控制閥等)同時受到所述第一測溫裝置91和第二測溫裝置92的信號調(diào)節(jié)與控制。所述切斷閥1、預熱器旁路閥7和預熱器3的調(diào)節(jié)裝置能夠根據(jù)預先的配置或設定，分別在與其信號連接的測溫裝置的信號控制作用下，調(diào)整系統(tǒng)內(nèi)流經(jīng)其所在通路的流體的流量或流速，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)目標部位的溫度進行調(diào)節(jié)與控制。
其中，所述預熱器3為電加熱器；換熱器2為板式換熱器或管殼式換熱器，優(yōu)選為為板式換熱器，傳熱系數(shù)高，結(jié)構(gòu)緊湊；所述蒸汽發(fā)生器5為釜式蒸發(fā)器或立式蒸發(fā)器。
本發(fā)明提供的上述一體式自熱分解系統(tǒng)十分適用于含笑氣尾氣的處理，也能夠適用于其他具有相似反應特點(反應需要較高的起始溫度，同時反應過程是放熱反應)的其他流體的處理。
將上述一體式自熱分解系統(tǒng)應用于含笑氣的尾氣處理，當系統(tǒng)穩(wěn)定時，將預熱器3切出串聯(lián)通路(即切出系統(tǒng)運行之外)，使反應器4的反應區(qū)域的入口溫度控制在400±10℃，反應器4的反應區(qū)域的出口溫度控制在450-600℃，切斷閥1的切斷溫度設定為620±5℃。該工藝條件能夠最大限度地對笑氣反應產(chǎn)生的熱量進行回收利用，穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時不需要外界輸入熱量，同時能夠副產(chǎn)高品位蒸汽。
下面以笑氣處理為例簡要介紹本系統(tǒng)的一個工作過程。
首先，打開壓縮空氣支路上的調(diào)壓閥6，關閉換熱器旁路閥8、切斷閥1、預熱器旁路閥7。使用壓縮空氣打通系統(tǒng)中各個設備、閥門與管線通路，將壓縮空氣依次引入換熱器2的冷側(cè)、預熱器3、反應器4、蒸汽發(fā)生器5的管程、換熱器2的熱側(cè)，最后排入大氣。同時，向蒸汽發(fā)生器5的殼程引入除氧水至合適液位。
然后，使用壓縮空氣作為熱載體對系統(tǒng)進行預熱。將預熱器3投入使用，使用電能加熱壓縮空氣至400℃，然后依次流經(jīng)反應器4、蒸汽發(fā)生器5的管程、換熱器2的管程，將各設備、管線依次預熱，最后排入大氣。
然后，當反應器4的出口溫度基本不變時，打開切斷閥1，向系統(tǒng)中逐漸引入笑氣，使笑氣跟隨壓縮空氣沿串聯(lián)通路依次進入預熱器3、反應器4的殼程中，被加熱至400℃后進入反應器4的管程。笑氣將在反應器4的反應區(qū)域(反應器管程42)內(nèi)發(fā)生分解反應，溫度升高，并加熱預先流經(jīng)反應器4的加熱區(qū)域(反應器殼程41)的氣體，同時，預熱器3的調(diào)節(jié)裝置將根據(jù)反應器管程42的入口溫度逐漸降低預熱器3的加熱功率，直至為0。
最后，逐漸增大進入系統(tǒng)的含笑氣尾氣的流量至設計值，使系統(tǒng)各指標運行穩(wěn)定。打開預熱器旁路閥7所在的旁路，關閉預熱器3，將所述預熱器3切出系統(tǒng)的運行，此時進入系統(tǒng)的氣體能在所述自熱式反應器4中被加熱至400℃。穩(wěn)定運行時，反應器殼程41入口的笑氣體積分數(shù)為14.53％，反應器殼程41的入口溫度為147℃，反應器管程42的入口溫度為400℃，反應器4出口溫度為497℃。
在上述過程及系統(tǒng)穩(wěn)定運行中，當來料波動時，系統(tǒng)會做出自動調(diào)整。當來料流量增大或笑氣濃度增大時，反應器4的反應區(qū)域放出的熱量會增大，溫度隨之升高。此時控制系統(tǒng)會自動增大預熱器旁路閥7的開度，降低換熱器2的換熱量，即降低進入反應器4氣體的溫度，從而降低反應器4的溫度。由于換熱器2的換熱量降低，多余的反應熱將隨著處理后的尾氣排入大氣中，從而避免在系統(tǒng)中循環(huán)、累積，造成系統(tǒng)溫度整體抬升，最終超過材料的耐受溫度。當來料流量降低或笑氣濃度減小時，則會自動減小預熱器旁路閥7的開度，所述反應器4的出口溫度可以隨著待處理尾氣中的笑氣濃度、溫度等參數(shù)的變化，被控制在450℃-600℃的范圍內(nèi)波動。
蒸汽發(fā)生器5副產(chǎn)蒸汽的品味可根據(jù)笑氣處理裝置從屬的主裝置的需求而定，副產(chǎn)蒸汽的溫度可為100-300℃，并可根據(jù)實際情況進行調(diào)整。
切斷閥1用于防止設備與管道的溫度超出各自的承受能力，由所述反應器4的出口溫度決定其開或者關的狀態(tài)。例如，當所述反應器4的出口溫度達到620℃時，關閉切斷閥1中斷反應，防止溫度繼續(xù)上升。壓縮空氣繼續(xù)吹掃整個系統(tǒng)，溫度下降，保證系統(tǒng)安全。
以上所述僅為本發(fā)明創(chuàng)造的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明創(chuàng)造，凡在本發(fā)明創(chuàng)造的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明創(chuàng)造的保護范圍之內(nèi)。