CN104707747A - 一种空间受限脱硝装置的喷氨嘴喷口间距优化设计方法 - Google Patents

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袁景淇
王真
傅继星
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成宝琨
王晓初
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Abstract

本发明提供了一种空间受限脱硝装置的喷氨嘴喷口间距优化设计方法，该方法在混合距离、喷氨格栅管间距、喷氨嘴顶角给定的条件下，对喷氨嘴喷口间距进行优化，通过改变喷氨嘴长度来改变喷氨嘴喷口间距；在混合距离短、无法安装混合单元的特殊场合，该优化设计能提高催化层入口平面处的氨-烟气混合均匀度。本发明能在空间结构受限、混合距离短的情况下，使还原剂氨浓度均匀性达标，有确保NOx脱除效率、控制氨逃逸量的应用潜力。

Description

一种空间受限脱硝装置的喷氨嘴喷口间距优化设计方法
技术领域
本发明属于火电环保技术领域，具体涉及一种空间受限SCR脱硝装置的喷氨嘴喷口间距优化设计方法。
背景技术
火电机组燃煤产生的大量氮氧化物(NOx)不仅会造成环境污染，而且危害人们的健康。选择性催化还原(SCR-Selective Catalytic Reduction)法作为一种高效、成熟的烟气脱硝技术，在火电机组中得到广泛的应用。利用氨(NH3)作为还原剂，通过喷氨格栅与含有氮氧化物的烟气混合，在V2O5/WO3/TiO2或V2O5/MoO3/TiO2组成的催化层的作用下进行反应，将氮氧化物还原成氮气(N2)和水(H2O)。研究发现，氨-烟气混合均匀度极大的影响了整个SCR装置的脱硝效率。氨与烟气在进入反应器之前充分混合，可以保证氮氧化物反应完全，装置具有较高的脱硝效率，同时维持氨逃逸量在较低的水平。实际工程应用中，往往在喷氨格栅下游加装各式混合单元，增强混合效果，并提供足够长的混合距离，使得到达催化层入口平面氨-烟气均匀度符合要求，一般要求催化层入口平面氨浓度分布相对标准差控制在5％以内。
然而，SCR脱硝技术在我国火电机组上的应用有着一定的特殊性。我国大量现役燃煤电站的脱硝装置并非与火电机组同时建设，而是随着国家环保政策的完善而逐步投入建设的，属于改造项目。与新建项目机组相比，改造项目在装置空间结构方面有着更多的约束，有时混合距离很短，而无法安装混合单元，这时，从喷氨嘴喷射出的氨在短距离内很难与烟气充分混合，催化层入口平面的氨-烟气混合均匀度达不到规定的要求，从而降低脱硝效率。经过研究发现，在混合距离短、无法安装混合单元的特殊场合，喷氨嘴喷口间距，即每对喷氨嘴两个出射口平面中心点在催化层入口平面上的投影距离，是影响催化层入口平面氨-烟气混合均匀度的重要因素。
经过对现有的技术文献检索后发现，吴学智、鞠付栋等在《环境工程》(2014年第32卷增刊：415-418)发表了“基于CFD的SCR脱硝装置内构件的优化设计研究”，分析了典型SCR系统内部喷氨格栅的优化设计方法，以保证系统的脱硝性能。然而该文并未对空间受限的SCR脱硝装置的喷氨格栅进行具体分析研究，也未涉及喷氨嘴喷口间距优化。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种空间受限脱硝装置的喷氨嘴喷口间距优化设计方法，该方法在脱硝装置混合距离短、无法安装混合单元的特殊场合，从喷氨嘴喷口间距的角度对喷氨嘴结构进行优化，以提高催化层入口平面的氨-烟气混合均匀度，保证SCR脱硝装置的脱硝效率，控制氨逃逸量。
为实现以上目的，本发明提供一种空间受限脱硝装置的喷氨嘴喷口间距优化设计方法，该方法在混合距离、喷氨格栅管间距、喷氨嘴顶角给定的条件下，对喷氨嘴喷口间距进行优化，通过改变喷氨嘴长度来改变喷氨嘴喷口间距；在混合距离短、无法安装混合单元的特殊场合，该优化设计能提高催化层入口平面处的氨-烟气混合均匀度。
优选地，所述喷氨嘴喷口间距是指每对喷氨嘴两个出射口中心在平面上的投影距离S，简称喷氨嘴间距，在混合距离H、喷氨格栅管间距D、喷氨嘴顶角θ事先给定的条件下，S的数值通过CFD仿真寻优得到，其中：
所述混合距离H，是指喷氨管中心轴所在平面至催化层入口平面的距离；
所述喷氨格栅管间距D，是指相邻两根喷氨管中心轴之间的距离；
所述喷氨嘴顶角θ，是指每对呈倒V型布置的喷氨嘴的顶角。
优选地，喷氨嘴喷口间距S的优化是通过改变喷嘴长度L实现的，其中：
所述喷氨嘴长度L，是指喷氨管中心轴至喷氨嘴出射口平面之间的距离。
优选地，所述混合距离短，是指喷氨管中心轴所在平面与催化层入口平面之间的距离短而不满足安装混合单元的条件。
优选地，所述喷氨嘴的喷氨速度与烟气主流平均速度接近，若喷氨格栅上游烟气速度均匀分布则采用均匀喷氨；若喷氨格栅上游烟气速度呈非均匀分布则采用非均匀喷氨。
更优选地，所述非均匀喷氨与非均匀烟气速度具有相同或相近的分布。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明所述的一种空间受限脱硝装置的喷氨嘴喷口间距优化设计方法，能够在空间结构受限、混合距离短的情况下，使还原剂氨浓度均匀性达标，有确保NOx脱除效率、控制氨逃逸量的应用潜力。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1本发明一优选实施例的SCR脱硝装置结构及喷氨格栅示意图；
图中：1为喷氨格栅，2为SCR脱硝反应器；
图2本发明一优选实施例的喷氨格栅尺寸示意图；
图3本发明一优选实施例的喷氨嘴尺寸示意图
图4本发明一优选实施例的喷氨嘴喷口间距优化结果图；
图5常规喷氨嘴设计时，脱硝装置催化层入口平面中心区域氨浓度分布云图；
图6喷氨嘴喷口间距优化设计后，脱硝装置催化层入口平面中心区域氨浓度分布云图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本实施例提供一种空间结构受限、混合距离短的特殊场合的SCR脱硝装置喷氨嘴喷口间距优化设计方法，该方法根据给定的混合距离、喷氨格栅管间距、喷氨嘴顶角，通过改变喷氨嘴长度对喷氨嘴喷口间距进行优化，提高到达催化层入口平面的氨-烟气混合均匀度。
如图1所示，为本实施例涉及的某塔式燃气机组SCR脱硝装置结构及喷氨格栅示意图，图中：1为喷氨格栅，2为SCR反应器；其中喷氨格栅1的上游为多层换热器结构，喷氨格栅1至催化层的距离超短，不满足安装混合单元的条件，故采用本发明所设计的喷氨嘴喷口间距优化方法。其中：
喷氨格栅1至催化层的混合距离为H(H＝3500mm)，喷氨格栅管间距为D(D＝500mm)，喷氨嘴顶角为θ(θ＝120°)，喷氨格栅、喷氨嘴尺寸标注如图2、图3所示。
本实施例中，由于该入口位于多层换热器下游，故入口烟气视为均匀分布，入口烟气速度5.7m/s，喷氨速度6m/s，二者较为接近，烟气出口静压力-1000Pa，温度设定为620K。催化层入口平面尺寸为7000mm×5000mm。
如图1所示，本实施例所述的SCR脱硝反应器催化层呈蜂窝状，压损约400Pa，SCR脱硝反应器入口平面为矩形。
在上述条件下，通过CFD仿真(软件为Fluent 6.3.26)对L寻优，进而获得最优S，优化结果见图4，最优L＝150mm，对应的喷氨嘴喷口间距S＝259.8mm。
图5是常规喷氨嘴结构对应的脱硝装置催化层入口平面中心区域氨浓度分布云图，俯视，烟气流动方向由读者指向纸面。常规喷氨嘴结构参数：喷氨嘴长度L＝200mm、喷氨嘴张角120°。图5的氨浓度分布相对标准差为11.63％，达不到<5％的设计要求。
图6是喷氨嘴喷口间距优化后，脱硝装置催化层入口平面中心区域氨浓度分布云图，俯视，烟气流动方向由读者指向纸面。优化后的喷氨嘴结构参数：喷氨嘴长度150mm、喷氨嘴间距259.8mm，喷氨嘴张角仍为120°。图6的氨浓度分布相对标准差为2.11％，明显优于<5％的设计要求。另外可以看出，之前的条状分布已经消失，仅存少量点状次高浓度区域，整体氨浓度分布都趋于均匀。
可见，在空间受限、喷氨混合距离短的特殊场合使用本发明技术可以提高催化层入口平面的氨-烟气混合均匀度，从而起到提高脱硝效率、降低氨逃逸率的作用。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种空间受限脱硝装置的喷氨嘴喷口间距优化设计方法，其特征在于，该方法在混合距离、喷氨格栅管间距、喷氨嘴顶角给定的条件下，对喷氨嘴喷口间距进行优化，通过改变喷氨嘴长度来改变喷氨嘴喷口间距；在混合距离短、无法安装混合单元的特殊场合，该优化设计能提高催化层入口平面处的氨-烟气混合均匀度。
2.根据权利要求1所述的一种空间受限脱硝装置的喷氨嘴喷口间距优化设计方法，其特征在于，所述喷氨嘴喷口间距是指每对喷氨嘴两个出射口中心在平面上的投影距离S，简称喷氨嘴间距，在混合距离H、喷氨格栅管间距D、喷氨嘴顶角θ事先给定的条件下，S的数值通过CFD仿真寻优得到，其中：
所述混合距离H，是指喷氨管中心轴所在平面至催化层入口平面的距离；
所述喷氨格栅管间距D，是指相邻两根喷氨管中心轴之间的距离；
所述喷氨嘴顶角θ，是指每对呈倒V型布置的喷氨嘴顶角。
3.根据权利要求2所述的一种空间受限脱硝装置的喷氨嘴喷口间距优化设计方法，其特征在于，所述喷氨嘴喷口间距的优化是通过改变喷氨嘴长度L实现的，其中：
所述喷氨嘴长度L，是指喷氨管中心轴至喷氨嘴出射口平面之间的距离。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种空间受限脱硝装置的喷氨嘴喷口间距优化设计方法，其特征在于，所述混合距离短，是指喷氨管中心轴所在平面与催化层入口平面之间的距离短而不满足安装混合单元的条件。
5.根据权利要求1-3任一项所述的一种空间受限脱硝装置的喷氨嘴喷口间距优化设计方法，其特征在于，所述喷氨嘴的喷氨速度与烟气主流平均速度接近，若喷氨格栅上游烟气速度均匀分布则采用均匀喷氨；若喷氨格栅上游烟气速度呈非均匀分布则采用非均匀喷氨。
6.根据权利要求5所述的一种空间受限脱硝装置的喷氨嘴喷口间距优化设计方法，其特征在于，所述非均匀喷氨与非均匀烟气速度具有相同或相近的分布。
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