CN101400431A - 用于使气态流体与大流量气流混合、特别用于在包含氮氧化物的烟气中导入还原剂的方法和装置 - Google Patents

用于使气态流体与大流量气流混合、特别用于在包含氮氧化物的烟气中导入还原剂的方法和装置 Download PDF

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Abstract

在一种用于使至少一个流体流(F)与一大流量气流(2)混合、特别用于在一包含氮氧化物的烟气中加入一还原剂的方法中，其中大流量气流在混合元件的入流面流向至少一个相对于大流量气流的流动方向成一角度倾斜设置的设计成盘状的混合元件(1；8)，在混合元件上形成流动涡流(3)，并且在混合元件的下游将流体流混入大流量气流，为了改善流体流在大流量气流中的混合设定，将流体流作为形成旋涡的流(7；10)混入。这里优选形成旋涡的流动流在混合元件(8)的流出面(8b)(背风面)上基本上垂直地朝混合元件(8)和基本上朝混合元件的中心(M)导向并且流体从中心开始沿流出面流入流动涡流中。但也可以使形成旋涡的流体流在入流面(1a)(迎风面)上基本上垂直地向混合元件(1)导向并且通过一基本上设置在混合元件的中心(M)的孔(8)向混合元件的流出面(1b)(背风面)流出而且流体从中心起沿流出面流入流动涡流中。本发明还涉及一种相应的装置。

Description

用于使气态流体与大流量气流混合、特别用于在包含氮氧化物的烟气中导入还原剂的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种按照权利要求1的前序部分所述用于使至少一个流体流与一大流量气流混合、特别用于在包含氮氧化物的烟气中导入一种还原剂的方法以及一种按照权利要求4的前序部分所述用于使至少一个流体流与在一气体通道中流动的大流量气流混合、特别用于在包含氮氧化物的烟气中导入还原剂的装置。
背景技术
由EP 1 604 742 A1已知一种与电除尘器结合用于对大流量气流进行除尘的方法，在该方法中在倾斜的混合盘上形成的流动涡流称为前缘涡流。优选为圆形的盘的朝向大流量气流的边缘称为入流边缘且另一边缘称为分离边缘。所述边缘不是直线的边缘，而是弧形的边缘。
引导大流量气流的气体通道的垂直壁由一用于混入一调节流体的接管垂直穿过。该接管沿大流量气流的流动方向观察在混合盘的入流边缘的后面通入而不与混合盘重叠。从接管流出的调节剂流成一角度到达混合盘的流出面的与接管出口相邻的固定的分表面，该角度对应于盘相对于大流量气流的流动方向的倾斜角。
在该方法进程中未以最佳的方式将调节剂混入在混合盘上形成的涡流系统中。
在EP 1 604 742 A1的第6栏第5-6行也符合目的地遵守这样的方法，其中将混合装置直接安装在涡流装置上。
在US 5 356 213 A中结合石油化学的领域中的气相氧化方法描述一种用于使一小的气体流例如氧与一大流量气流例如空气混合的方法，其中将氧以至少两个形成旋涡的分流通过设置在一沿空气流动方向开口的管段的端部上的径向延伸的旋流叶片导入基本上无干扰地在一通道中流动的空气流，其中在旋流叶片的上游提高氧的速度和在旋流叶片的下游在管段的出口端上张紧覆盖一织物。
在EP 1 166 861 B1中结合Denox装置和电除尘器描述的混合装置中混合盘(安装面)具有一空腔，在该空腔中通入一单独的用于待混入的流体的流动通道并且用作流体流的分布空腔。该空腔在混合盘的远离大流量气流的流入部的背面(流出面，背风面)上设有多个出口，从所述出口层流流出流体流的多个分流，并且所述出口设置在入流边缘的区域内。在分布空腔上朝分离边缘连接有多个空腔，但这些空腔没有分布功能或流动技术上的功能，而只是用于加强混合盘。各出口可以在分布空腔的盖中或其侧壁中形成。但它们也可以在套装于空腔上的附加的罩中形成。但也有可能的是，空腔本身不配备一平行于混合盘的盖，而将其本身设计成盖形的。供给流体的流动通道可以由混合盘的迎风面穿过盘进入空腔或在混合盘的背风面上通向空腔。在EP 1 166 861 B1中描述的方法中需要一附加的空腔并且也是只在入流边缘附近实现混合。
这样的称为具有一静态的混合器的混合方法例如也在SCR(选择性的催化还原)装置用于借助于还原剂和催化剂对例如发电厂燃烧炉的烟气进行脱氮。这里通用的是，在NH3作为还原剂的情况下将其以压力液化的NH3的形式或以氨水(NH4OH)的形式储存并且将预汽化的NH3用一载气流喷入烟气流中并与其混合。在尿素作为还原剂的情况下首先制造一种尿素水溶液，该溶液在适当的处理以后接着同样以气态喷入烟气流中。
此外该方法例如在工业烟囱、喷雾干燥器(参阅例如EP 0 637 726B1)、热交换器、烟气脱硫装置和混合冷却塔的供气中使用。
发明内容
本发明的目的是，在所述类型的方法和所述类型的装置中改善流体流在大流量气流中的混合。
通过一种按照权利要求1所述的方法和一种按照权利要求4所述的装置实现该目的。其他的实施形式是从属权利要求的内容。
这里尤其是将流体流作为形成旋涡的流动混入。
通过流体在进入涡流系统之前的预形成旋涡改善向大流量气流中的混入。
优选为了进一步改善混入设定，使形成旋涡的(verdrallte)流体流在混合元件的流出面(背风面)上基本上垂直地朝混合元件并基本上朝混合元件的中心导向并且流体由中心开始沿流出面流入流动涡流中。
但也有可能，形成旋涡的流体流在入流面(迎风面)上基本上垂直地向混合元件转向并且通过一基本上设置在混合元件的中心的孔流向混合元件的流出面(背风面)，而且流体从中心开始沿流出面流入流动涡流中。
在形成旋涡射流中离心力在射流轴线上产生一负压并形成一倾向于向外的空心射流，该空心射流在适当地设计供给管道的出口的(半径、光滑的过渡)情况下遵循在出口上的壁的弯曲曲率(附壁效应)并张开成为平面射流。
在两个方案中在背风面上由于垂直的走向形成一旋转对称的扁平射流，其平行于混合元件的装置延伸并基本上沿径向扩展。在形成旋涡的入流中平面射流的速度除径向分量外还具有一周向分量。周向分量在出口(喷嘴)内是最大的并随着离出口的径向距离增加而降低。
所述中心在圆盘的情况下位于圆心或在一规则的多边形的情况下位于面积重心。在一具有不同于规则形状的形状例如不等边三角形、梯形等的混合元件的情况下需要对出口位置(喷嘴位置)进行调整，以便尽管如此仍实现气态流体在盘形的混合元件的流出面上基本上均匀的分布。
在两个方法进程中达到，流体在混合元件的全部流出面上分布并且加入全部的在环绕的边缘上形成的涡流系统中。
在本发明的装置中为了改善混合过程设定，在混入装置中在流体出口之前设置一旋流装置。
可使用的旋流装置例如在燃烧技术中是已知的。
这里符合目的地设定，混入装置的倒圆地构成的流体出口设置在混合元件的流出面(背风面)上并且基本上垂直于和基本上对准混合元件的中心。
但也可以将混入装置的倒圆地构成的流体出口配设给混合元件的一基本上居中的孔，基本上垂直于混合元件板供给的形成旋涡的流体流从该孔往流出面流出。
优选混合元件设计成圆形的、椭圆形的、卵形的、抛物线形的、棱形的或三角形的，如由DE 37 23 618 C1第2栏第40-45行已知的。也可以采用多角形的构型、例如八角形。特别优选一对称构造的八角形的形状，进一步优选规则的八角形。一梯形形状的多角形也是特别适用的。
混合盘优选以一在30°至90°之间范围内的角度倾斜于大流量气流的流动方向。
为了限制由于向供给装置中因回流引起的灰尘进入，适宜地在混合元件中在孔之前或孔中设置一防尘板。
优选将旋流装置设置在混入装置的供给管中或连接在供给管的前面。
旋流装置优选选自以下组：具有径流式叶栅的旋流生成器、具有轴流式叶栅的旋流生成器、具有切向入流的旋流生成器。
附图说明
以下例如借助附图更详细地说明本发明。其中：
图1示出一在一由大流量气流入流的并相对于该流成一角度α倾斜的圆形的盘上出现的包括涡流尾流的马蹄状涡流的三维图；
图2示出横向于按图1的线A-A的侧视图；
图3示出横向于按图1的视图中的线B-B朝向盘的背风面的正视图；
图4示出本发明的装置包括八角混合盘的第一实施形式的与图2相似的部分剖面图/侧视图，其中形成旋涡的流体流朝混合盘的入流面(迎风面)上导向并通过混合盘中的一孔流向流出面；
图5示出按图4的装置朝向混合盘的流出面的透视图；
图6示出本发明的装置的第二实施形式的与图4相似的部分剖面图/侧视图，其中形成旋涡的流体流在中心朝混合盘的流出面上导向；
图7示出与图4相对应的部分剖面图/侧视图，包括一防尘板作为防回流装置；
图8示出一设计成径流式叶栅的形成旋涡装置的垂直剖面图；
图9示出按图8的径流式叶栅的水平剖面图；
图10示出一设计成轴流式叶栅的形成旋涡装置的垂直剖面图；
图11示出按图10的轴流式叶栅的水平剖面图；
图12示出一具有螺旋壳体的形成旋涡装置的垂直剖面图；
图13示出按图12的形成旋涡装置的水平剖面图；以及
图14示出一具有多个径流式叶栅的形成旋涡装置组件。
具体实施方式
涡流尾流的形成是在一物体上的三维流动中的自然现象，(参阅Prandtl、Oswatitsch、Wieghardt：Führer durch die 
Figure A200780008301D0008152557QIETU
，第9版，1990年，ISBN 3-528-28209-6，第229页，图4.41和所属的描述)。
这种在从混合盘的流出中的涡流尾流的形成、形状和位置应首先示意地在图1-3中示出并且对其加以描述。
一圆形的盘1相对于图1中来自下面的流动的大流量气流2倾斜角度α。在盘的迎风面1a上使大流量气流从其主流方向偏转出来并且形成一超压区域。大流量气流2的分流2a以预定的角度沿盘的下面流动。在盘的背风面1b上形成一负压区域，该负压区域在盘的边缘上由大流量气流的分流2b填满。通过在盘边缘上的流动转向形成一具有虚线示出的涡流轴线3a的马蹄状涡流3，所述涡流3以一具有两个对称旋转的涡流的涡流尾流的形式在盘的下游延续。马蹄状涡流的侧向的涡流作为涡流尾流延续、与大流量气流(基本流)叠加并随基本流动扩展。在涡流尾流内的流动状态是高度紊流的。示意示出的马蹄状涡流和涡流尾流的边界3b不应被理解为分明的界限。可以利用适当的测量技术实验地确定两个涡流的位置和结构以及相反的旋转方向。
对于其他的盘形状，如椭圆形、卵形、抛物线形、棱形、四角形或三角形，形成类似的、包括涡流尾流的涡流。
在本发明的装置按图4和5的实施形式中，用于供给待混入的流体F的供给管4以一直的区段4a穿过一引导大流量气流2的通道K的壁5，在该通道中倾斜设置一八角的混合盘1。在管段4a上连接一折弯的管段4b，该管段垂直对准混合盘1的迎风面1a的中心M。在盘的中心M设置一孔6。
如图4中示意地示出的那样，在管段4a内设置一轴流式叶栅AG形式的旋流装置DE并因此该旋流装置连接在管的出口4c的前面。
轴流式叶栅AG和可能的形成旋涡装置的其他的实例将在后面说明。
折弯的管段4b的出口端设有一出口4c，其以预定的半径R倒圆，亦即连续地扩大，并且对准孔6且与盘连接。倒圆半径R优选R＝D/2，其中D为管直径。
从出口4c流出的形成旋涡的流动流7在形成旋涡的影响下在流出面上分布，如由图5中箭头7a示意示出的那样。在混合盘的环绕的边缘的区域内实现向流动涡流3中的混入。
在本发明的装置按图6包括八角形的混合盘8的实施形式中，一供给管9以一直的段9a穿过一引导大流量气流2的通道K的壁5，在该通道中倾斜设置圆形的混合盘8。在管段9a上连接一折弯的管段9b，该管段垂直对准混合盘8的背风面8b的中心M并在其出口端具有一倒圆的出口9c。出口9c与混合盘8的流出面8b(背风面)间隔开设置。在管段9a中设置一旋流装置DE。
但优选将旋流装置DE接入或配设给折弯的段，如在按图4和5的实施形式中那样，因为在这种情况下形成旋涡的流动可以在管中无其他转向地流出出口。
流出出口9c的形成旋涡的流体流10在流出面8b上分布，如相应地对于流体流7由图5中箭头7a示意示出的那样。在混合盘8的环绕的边缘的区域内实现向流动涡流3中的混入。
管4和10不是必须在通道K中折弯；流体只是必须垂直地供应给混合盘，亦即也可以设想管倾斜穿过通道壁5。也可设想，至少一个另外的管段平行于通道壁延伸。
如图7所示，可以为孔6配设一防尘板11。如果在一含尘的环境中使用旋流射流，则灰尘可以随在射流轴线上形成的回流RS返回进入供给管4。通过离心力灰尘可能部分地移动到管壁上并且可能在那里导致沉淀。防尘板11可以阻止这种情况。
当然，在大的通道横截面的情况下可以将多个混合盘连同配设的流体供给在通道横截面上分布地设置在一个平面内或交错地设置。
以下将描述用于可能的旋流装置的实例：
在燃烧器中通常使一燃烧空气流具有一周向分量，以便使火焰径向扩张。该扩张可以进行至这样的程度，即火焰分裂并作为所谓的扁平火焰贴靠在燃烧室壁上。对于燃烧器流动典型的是一负压区域，有意识地将该负压区域用于火焰稳定。
例如已知以下技术：
在利用一按图8和9的径流式叶栅RG产生形成旋涡时在一壳体G内切向于内圆1K设置多个导流面LF。在中心排出形成旋涡的流体流FD。
在利用一按图10和11的轴流式叶栅AG产生形成旋涡时流体流F流入由多个倾斜安装的和径向设置在一管R内的导流叶片L构成的轴流式叶栅AG中并在其中形成旋涡成流FD。
在利用切向的流入产生形成旋涡时按图12和13将流体流F导入一螺旋壳体S并且该流体流在中心作为形成旋涡的流动FD离开螺旋壳体。螺旋壳体用作导流面，从而不需要导流叶片。
图14示出，如果将一形成旋涡的流动体供应给多个混合盘，可以将多个旋流装置例如径流式叶栅合并为一个组件。在一共同的壳体GM中设置多个径流式叶栅RG并且排出多个形成旋涡的分流FD1、FD2、FD3。
也可以采用其他的旋流装置；例如参阅DE 40 21 817 A1，其中导流装置不像在按图10和11的实施形式中那样设计成叶片状的，而是凹槽状地形成于管壁中。在按照EP 1 605 204 A2的燃料喷射装置中也有类似的凹槽。
附图标记清单
1    圆的混合盘          30       9    供给管
1a   盘的迎风面                   9a   直的管段
1b   盘的背风面                   9b   折弯的管段
2    大流量气流                   9c   弧形的出口
2a   大流量气流，在盘的迎         10   形成旋涡的流体流风面1a上的分流             35       11   防尘板
2b   大流量气流，向盘的背         AG   轴流式叶栅风面1b的分流                        D    管4、9的直径
3    马蹄状涡流和涡流尾流         DE   旋流装置(Wirbelschleppe)                   F    流体流
3a   涡流轴线            40      FD   形成旋涡的流体流
3b   涡流的外边界                G    壳体
4    供给管                      GM   共同的壳体
4a   直的管段                    1K   内圆
4b   折弯的管段                  K    烟气通道
5    烟气通道K的壁       45      L    导流叶片
6    孔                         LF   导流面
7    形成旋涡的流体流            M    盘1、8的中心
7a   流体流动的箭头              R    扩张的曲率半径
8    八角形的混合盘              RG   径流式叶栅
8a   迎风面              50      RS   回流
8b   背风面                      S    螺旋壳体

Claims (12)

1.用于使至少一个流体流与大流量气流混合、特别用于在一包含氮氧化物的烟气中导入一种还原剂的方法，其中大流量气流在混合元件的入流面流向至少一个相对于大流量气流的流动方向成一角度设置的、设计成盘状的混合元件，在所述混合元件上形成流动涡流，并且在混合元件的下游将流体流混入大流量气流；其特征在于，将流体流作为形成旋涡的流混入。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，将形成旋涡的流体流在混合元件的流出面(背风面)上基本上垂直地向混合元件和基本上向混合元件的中心导向并且流体从中心起沿流出面流入流动涡流中。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，将形成旋涡的流体流在入流面(迎风面)上基本上垂直地向混合元件导向并且所述流体流通过一基本上设置在混合元件的中心的孔向混合元件的流出面(背风面)流出而且流体从中心起沿流出面流入流动涡流中。
4.用于使至少一个流体流与在一气体通道中流动的大流量气流混合、特别用于在一包含氮氧化物的烟气中导入一种还原剂的装置，包括至少一个保持在气体通道中的设计成盘状的具有入流面和流出面的混合元件，所述混合元件与大流量气流的流动方向夹一角度并且在所述混合元件上形成流动涡流；还包括一用于流体流的管状的混入装置；其特征在于，在流体出口之前给混合装置配设一旋流装置(DE；RG；AG；S)。
5.按照权利要求4所述的装置，其特征在于，混入装置的倒圆地构成的流体出口(9c)设置在混合元件(8)的流出面(背风面)(8b)上并且基本上垂直于混合元件并基本上对准混合元件的中心。
6.按照权利要求4所述的装置，其特征在于，给混入装置的倒圆的流体出口(4c)配设混合元件(1)的一基本上居中的孔(6)，基本上垂直于混合元件供给的形成旋涡的流体流从所述孔往流出面(1b)流出。
7.按照权利要求4至6之一项所述的装置，其特征在于，混合盘(1；8)构成圆形的、椭圆形的、卵形的、抛物线形的、菱形的、多角的或三角形的。
8.按照权利要求7所述的装置，其特征在于，多角形是一对称构造的八角形、特别是规则的八角形，或一梯形。
9.按照权利要求4至7之一项所述的装置，其特征在于，混合盘(1；8)以一在30°至90°之间范围内的角度(α)倾斜于大流量气流的流动方向。
10.按照权利要求4至10之一项所述的装置，其特征在于，在孔(6)之前或孔(6)中设置一防尘板(11)。
11.按照权利要求4至10之一项所述的装置，其特征在于，旋流装置(DE；RG；AG；S)设置在混入装置的一供给管中或连接在供给管的前面。
12.按照权利要求4至11之一项所述的装置，其特征在于，旋流装置选自以下组：具有径流式叶栅的旋流生成器(RG)、具有轴流式叶栅的旋流生成器(AG)、具有切向入流的旋流生成器(S)。
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