CN101336130B - 用于使流体和大量的气流混合的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于使流体和在气体管道中流动的大量的气流(2)混合、特别是用于将还原剂(5a)导入到含有氧化氮的烟气中的装置，该装置具有至少一个喷管(5)，该喷管带有至少一个用于导入流体的喷雾嘴(4a，4b)，它的轴线与气流的流动方向形成一个角度，并且具有至少一个间隔一定距离配设于喷嘴的扁平的混合元件，该混合元件与气流的流动方向形成一个角度，其中在混合元件处形成流动涡流(3)，并且至少一部分流体到达该流动涡流中。当直接喷入一种液体特别是液态的还原剂作为流体时，通过短的混合路径，以便在基本范围内避免了沉淀的形成，依照本发明规定，在使用一种液体作为流体(5a)时，喷管(4)配备有至少两个相对于气流(2)的流动方向倾斜的、并且相互反向地倾斜的喷雾嘴(4a，4b)，该喷雾嘴配备有一个做成盘片式的混合元件(1)。

Description

用于使流体和大量的气流混合的装置
技术领域
本发明涉及一种装置，用于使流体和在气体管道中流动的大量气流(基流)混合、特别是用于将还原剂引入含有氧化氮的烟气中，该装置具有至少一个喷管，该喷管具有至少一个用于导入流体的喷嘴，它的轴线与气流的流动方向形成一个角度；还具有至少一个间隔一定距离地配设于该喷嘴的扁平的混合元件，该混合元件与气流的流动方向形成一个角度，在此在混合元件处形成流动涡流并且至少一部分流体到达该流动涡流中。
背景技术
在DE37 23 618 C1中已知这种装置，其中还原剂以气体形式被导入到大量的气流(烟气)中。为了缩短通常很长的混合路径，使用了静止的混合元件。
在SCR-设备中为了从烟气中脱氮(选择性的催化还原)，例如利用还原剂和催化剂从发电站燃烧废气中脱氮，通常的是，在NH3作为还原剂的情况下，它以加压液化的NH3的形式或者氨水(NH4OH)的形式存储，并且把预先蒸发的NH3通过载气流喷入到烟气流中，并与其混合。在用尿素作为还原剂的情况下，首先产生尿素水溶液，该尿素水溶液在进行合适的加工后同样呈气态被喷入到烟气流中。
在已知的装置中，混合元件是一个在烟道的宽度上延伸的矩形薄板。喷管与喷嘴主要位于侧面并且与相对于烟气流的流动方向位于上游的混合薄板的棱边平行，并且以NH3-载气-混合物形式的气态还原剂的喷射在侧面被流喷射到混合元件的背面上。流动涡流的分配是直接在混合薄板处以及在混合薄板后面发生，并且由于烟气流中加大的紊流在混合薄板的下游实现。在大的管道横截面的情况下设有充满横截面的并排的喷管，以及多个配设于喷管的流动薄板。
另外，也建议了将氨水(液态的NH4OH)或者尿素溶液不预先蒸发(Vorverdampfung)就直接喷入到混合元件背面的烟气流中，其中喷嘴设置在该混合元件的背面(背风面)上，喷入方向平行于烟气的气流延伸。喷射流是由气体和小液滴的混合物组成的，小液滴在约300℃的热环境内在一段时间之后被蒸发(verdampft)。在此产生危险，还原剂小滴和包含在烟气中的尘粒共同在所使用的混合元件、混合元件的支承元件上以及在可能情况下在烟道壁上导致混凝土式的沉淀形成。因此喷嘴应该尽可能地远离混合元件设置，这样没有被蒸发的小滴即使在回流(尾涡)的影响下也不会碰到混合片上。这导致了对于混合所需的无安装构件的烟道长度的延长。由于形成沉淀的危险，在喷入之后在烟气流内不能安装附加的静止的混合元件。
发明内容
本发明的目的是，这样改进此种类型的装置：通过直接喷入一种液体特别是液态的还原剂作为流体，通过短的混合路径在很大程度内避免了沉淀的形成。
用于流体与在气体管道中流动的大量的气流混合的装置，它具有：
至少一个喷管，该喷管带有至少一个用于导入流体的喷雾嘴，该喷雾嘴的轴线与气流的流动方向形成一个角度；和至少一个间隔一定距离地配设于所述至少一个喷雾嘴的扁平的混合元件，该混合元件与气流的流动方向形成一个角度；其中，在混合元件处气流中形成流动涡流，并且至少一部分流体到达该流动涡流中，其特征在于：
在使用一种液体作为流体的情况下，喷管配备有至少两个相对于气流的流动方向倾斜的、并且相互反向倾斜一个喷雾角的喷雾嘴，设计成盘片式的所述混合元件配设于该喷雾嘴，其中，所述喷雾嘴相对于气流设置在混合元件的背风面的下游或者设置在该混合元件的迎风面的上游，并且喷雾这样实现：即，包含在由喷雾嘴中各自喷出的喷射流中的蒸发的气态部分进入到气流的流动涡流中，而未被蒸发的小滴状部分由于其惯性和喷雾角不进入所述盘片式的混合元件附近的气流的流动涡流中。
该任务通过一种此类的装置这样解决：在使用一种液体作为流体的情况下，喷管配备有至少两个相对于气流的流动方向倾斜的、并且相互反向倾斜的喷雾嘴，该喷雾嘴与一个设计成盘片式的混合元件相配，并且喷雾这样实现，即在由喷雾嘴中各自喷出的喷射流中包含的蒸发的气态部分进入到流动涡流中，而未被蒸发的小滴状部分由于其惯性和喷雾角度则不进入混合片附近的流动涡流中。
喷雾嘴可以相对于气流设置在混合片的上游或者下游。
在这两种实施形式中可以确定，大的未蒸发的液滴由于其惯性在很大程度上遵循原始的喷射轴线，并且不会碰到混合片而在那里导致沉淀的形成，而在热烟气中蒸发的来自输入的液态还原剂的NH3跟随着烟气流，并且作为气体被并入到直接在混合片后卷起的涡流尾迹中。通过这种方式，即使在直接喷入NH4OH的情况下也可以达到预先分配。
如在DE 37 23 618 C1，Sp.2，Z.40-45中已知的那样，混合片优选设计成圆形的、椭圆形的、卵形的、抛物线形的、菱形的或者三角形的。
当两个喷雾嘴之间的角度位于60度与120度之间的范围内，优选为90度，是符合目的的。
混合片优选以一个在30度至90度之间的范围内的角度倾斜于气流的流动方向。
当喷雾嘴是带有一种雾化辅助介质的2-材料-喷嘴，优选为以压缩空气或者水蒸气作为雾化辅助剂，是符合目的的。通过2-材料-喷嘴可以产生精细的小滴种类(Troepfchenspektrum)。
此外，也可以使用不带辅助介质的压力喷嘴作为喷雾嘴。
为了避免在喷嘴出口处的小滴掉落，喷雾嘴可以配备有阻隔空气或者屏蔽空气。
为了还优化小滴轨迹的取向，由喷雾嘴的喷射流确定的平面相对于气流的流动方向倾斜一个在0度至30度范围内的角度。
附图说明
下面借助于附图举例详细解释本发明。附图中：
图1在一个由气流迎流的、并与气流成角度α倾斜的圆形盘片上形成的马蹄形涡流及涡流尾迹的三维视图；
图2横向于依照图1的线A-A的侧视图；
图3横向于依照图1的视图中的线B-B的盘片的背风面的前视图；
图4与图2类似的依照本发明的装置的第一实施形式的侧视图，其中喷雾嘴相对于气流设置在混合片的下游，其中一起示出了引导气流的气体管道的横截面；
图5横向于依照图1的视图中的线B-B的盘片的迎风面的背视图；
图6与图4类似的依照本发明的装置的第二实施形式的侧视图，其中喷雾嘴相对于气流设置在混合片的上游；以及
图7横向于依照图1的视图中的线B-B的盘片的背风面的前视图。
具体实施方式
涡流尾迹的形成涉及一种在物体上的三维流的自然现象。(参见Prandtl，Oswatitsch，Wieghardt：流体动力学指南，第9版1990；ISBN3-528-28209-6，第229页，参阅图4.41和响应的描述)。
应首先在图1-3中简示和借其描述从混合片流出中的这样的涡流尾迹的形成、形式和位置。
一个圆形的盘片(Scheibe)1相对于在图1中从下方来的流动的气流2倾斜角度α。在盘片的迎风面1a，气流从其主流动方向偏转，并且产生一个过压区。气流2的分流2a在盘片的下面以给定的角度沿着流动。在盘片的背风面1b，形成了一个低压区，它通过气流的分流2b被填充超过盘片的边缘。通过在盘片边缘上的流动转向，形成了一个具有虚线所示的涡流轴线3a的马蹄形涡流3，该涡流以具有两个对称转动的涡流的涡流尾迹的形式在盘片的下游延续。马蹄形涡流的侧面涡流作为涡流尾迹延续，与气流(基流)交迭，并且与基流一起扩展。在涡流尾迹内部的流动状况是高度的紊流。简示出的马蹄形涡流的边界3b和涡流尾迹不可以理解为清晰的界限。两个涡流的位置和结构，以及互相相反的转动方向可以通过适合的测量技术根据试验确定。
通过其他的盘片形状如椭圆形、卵形、抛物线形、菱形或者三角形构成类似的带有涡流尾迹的涡流。
涡流尾迹和气流的紊流的混合将被用于将一个几乎是点式喷入的气流均匀地分布在很大的横截面上。
在根据图4和图5的依照本发明的装置的实施形式中，在一个延伸到烟道R内部的喷管5的头部4c上设置了两个喷雾嘴4a和4b(也可以使用多于两个喷雾嘴；另外也可以使用压力喷嘴)。该喷雾嘴是在优选为圆形构造的混合片(Mischerscheibe)1的背风面1b距离它一个预定的间距地设置。由喷嘴4a或者4b各自喷出的喷射流包含气态部分6a和未蒸发的小滴6b。两个喷雾嘴4a和4b夹成一个120度的角度β，并且相对于基流倾斜。其他的角度也是可能的。它优选在60度与120度之间的范围内。
由喷嘴4a和4b确定的平面不倾斜于基流。
在图4和图5中，液态还原剂5a借助于雾化辅助介质5b被雾化，并且喷射流6被阻隔空气或者屏蔽空气5c包围。
在图4-7中，除分流2a和2b之还外简示出射入流6的流6a(喷射流6的气态部分)和6b(未被蒸发的小滴)。射入流的蒸发的部分6a-如图所示-跟随基流的弯曲并且被卷入涡流3中。没有被蒸发的小滴6b遵循它的惯性成选定的喷入角β，并因此在盘片1的背风面1b穿透导回到背风面的涡流中，因此基本避免了烟气中的小滴和细尘粒的沉淀形成。
分流6b的小滴稍后在烟气中蒸发，并且通过在那里存在的涡流以足够的程度被混入。
分流6a还可能含有极细小的小滴，但该小滴很快蒸发，因此对于沉淀的形成-如果有的话-只有很少的贡献。关于还原剂的量，分流6a比分流6b包含明显更多的还原剂。但在不是依照本发明的尾涡的透入中，较小的分流6b将导致显著的沉淀形成。
在依照图6和7的实施形式中，喷嘴头连同喷雾嘴4a和4b设置在混合片的上游。喷雾嘴4a和4b是这样设置的，即喷射流6的轴线在两侧以足够的间距在混合片1旁边延伸。离盘片的距离可以优选为约0.5m。在这个实施形式中，小滴轨迹6b也穿透混合片到定向的涡流。
在依照图6和7的实施形式中，由喷嘴4a和4b限定的平面相对于基流倾斜了角度γ＝20°。
在这个实施形式中和在依照图4-5的实施形式中，可以是一个在0度到30度范围内的倾斜角γ。
依照图6和7的实施形式有利的是，由于技术原因经常不被利用的在混合片1上游的空间可以被用于设置喷管5。而且在这个实施形形式中产生了以下的自由，即把喷管5与混合片1的倾斜无关地相对于基流从管道K的壁的任意方向引导到喷入位置，而在此不必如已知的方式那样执行非常消耗的穿透混合片1。
不言而喻的是，在大的管道横截面中，可以设有多个带有沿管道的横截面分布的配设的喷雾嘴的混合片。也可以是多于两个喷嘴例如以刺猬形布局配设于一个混合片。它们只须设置成使小滴轨迹穿透涡流。
附图标记清单
1   盘片(混合片)
1a  盘片的迎风面(Luv-Seite)
1b  盘片的背风面(Lee-Seite)
2   气流
2a  气流，在盘片的迎风面1a上的分流
2b  气流，在盘片的背风面1b上的分流
3   马蹄形涡流和涡流尾迹
3a  涡流轴线
3b  涡流的外边界
4   喷管
4a  喷雾嘴
4b  喷雾嘴
4c  喷嘴头
5a  液态还原剂的导入
5b  气态雾化辅助介质的导入
5c  阻隔空气或者屏蔽空气的导入
6   喷射流
6a  气态部分
6b  未被蒸发的小滴
R   烟道

Claims (9)

1.一种用于流体与在气体管道中流动的大量的气流混合的装置，它具有：
至少一个喷管，该喷管带有至少一个用于导入流体的喷雾嘴，该喷雾嘴的轴线与气流的流动方向形成一个角度，和
至少一个间隔一定距离地配设于所述至少一个喷雾嘴的扁平的混合元件，该混合元件与气流的流动方向形成一个角度，
其中，在混合元件处气流中形成流动涡流，并且至少一部分流体到达该流动涡流中，
其特征在于：
在使用一种液体作为流体的情况下，喷管(5)配备有至少两个相对于气流(2)的流动方向倾斜的、并且相互反向倾斜一个喷雾角(β)的喷雾嘴(4a，4b)，设计成盘片式的所述混合元件(1)配设于该喷雾嘴，其中，所述喷雾嘴相对于气流(2)设置在混合元件(1)的背风面(1b)的下游或者设置在该混合元件(1)的迎风面(1a)的上游，并且喷雾这样实现：即，包含在由喷雾嘴中各自喷出的喷射流(6)中的蒸发的气态部分(6a)进入到气流(2)的流动涡流(3；3a；3b)中，而未被蒸发的小滴状部分(6b)由于其惯性和喷雾角(β)不进入所述盘片式的混合元件(1)附近的气流(2)的流动涡流(3；3a；3b)中。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，混合元件(1)设计成圆形的、椭圆形的、卵形的、抛物线形的、菱形的或三角形的。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，两个喷雾嘴之间的角度、即喷雾角(β)位于60度和120度之间的范围内。
4.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，混合元件(1)相对于气流的流动方向倾斜一个在30度到90度之间范围内的角度(α)。
5.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，喷雾嘴(4a，4b)是带有雾化辅助介质(5b)的2-材料-喷嘴。
6.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，喷雾嘴(4a，4b)是压力喷嘴。
7.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，喷雾嘴(4a，4b)配备有阻隔空气(5c)。
8.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，由喷雾嘴的喷射流确定的平面相对于气流(2)的流动方向倾斜一个在0度至30度范围内的角度(γ)。
9.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述喷雾角(β)为90度。
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