CN105473942A - 用于高尘和低尘环境选择性催化还原系统的注射器格栅 - Google Patents

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Abstract

一种方法和布置22，用于将还原剂供应和混合到流过气体导管14且流到布置在该布置22下游的选择性催化还原(SCR)反应器18中的烟道气体FG中。本布置22可用于高尘和低尘环境二者中，以缓解还原剂喷嘴42上的灰尘和类似颗粒累积，且提供SCR反应器18上游的更一致的还原剂流动分布。

Description

用于高尘和低尘环境选择性催化还原系统的注射器格栅
技术领域
本发明涉及一种布置，其用于将还原剂供应和混合到烟道气体中，该烟道气体流过导管且流入布置在所述布置下游的选择性催化还原(SCR)反应器中。本布置可用于高尘和低尘环境二者中，以缓解灰尘和类似颗粒累积在还原剂喷嘴上，且提供SCR反应器上游的一致的还原剂流动分布。
背景技术
燃料如煤、油、天然气、泥煤、废物等在燃烧设备如发电设备或废物焚化设备中的燃烧生成过程气体。将在本文中表示为“NOx”的氮氧化物与此种过程气体或“烟道气体”分离通常使用还原剂如氨或尿素来实现。氨或尿素还原剂与烟道气体混合，其中混合物然后行进穿过催化器(catalyst)，来用于还原剂与烟道气体NOx的选择性反应以形成氮气和水蒸气。通常，催化器安装在通常称为选择性催化还原(SCR)反应器的物体中。还原剂和烟道气体的混合在SCR反应器上游的气体导管中实现。
还原剂由布置在气体导管内的多个喷管(lance)和喷嘴供应到气体导管。为了便于NOx和还原剂跨过气体导管的特定截面且因此还在SCR反应器的特定截面上的均匀浓度分布，混合装置布置在还原剂供应源下游的气体导管中，以导致湍流以及烟道气体和还原剂的混合。
然而，许多系统中的问题在于NOx和还原剂的浓度未跨过SCR反应器的特定截面在烟道气体中均匀地分布。这是个问题，因为NOx与还原剂之间的理想配比(stoichiometricratio)对于实现烟道气体内的NOx含量的有效还原和来自SCR反应器的还原剂的低逃逸(slip)是必要的。
DE3723618C1公开了一种出于诸如上述的目的而在气体导管中将两种气体混合在一起的装置。一种气体由在平行的喷嘴喷管上成排地布置的多个喷嘴供应。与喷嘴喷管一起，挡板形状的流动元件提供成以如下方式布置：在各种情况下，在流动挡板的背对所分配的喷嘴的一侧上形成另一流动通道。
发明内容
本公开内容的目的在于提供一种稳健的注射器布置，其优于所述现有技术装置地在减少的还原剂注射喷管和喷嘴上的灰尘累积的情况下提供还原剂和烟道气体互混。因此，还原剂注射喷管和喷嘴上的减少的灰尘累积促进了改善的还原剂流动和气体导管的特定截面上的更一致的还原剂浓度分布。此外，本注射器布置在气体导管内的安装和使用导致SCR反应器上游的压降的最小增大，这是极为合乎需要的。
上述目的通过本还原剂注射器布置来实现，该布置可用于将处于气态或液态形式的还原剂供应到流过气体导管的烟道气体中，该气体导管与布置在本注射器布置下游的选择性催化还原(SCR)反应器中的催化器流体地连通。本注射器布置包括多个喷嘴，喷嘴垂直于通过气体导管的烟道气流方向在布置于气体导管中的一个或更多个，或两个到八个注射器格栅(grid)椭圆形分支喷管上交错。配备有多个喷嘴的一个或更多个，或两个到八个注射器格栅椭圆形分支喷管中的各个由优选为一个的流动调整控制阀控制，但可使用更多的阀，以用于还原剂和烟道气体互混。因此，多个喷嘴布置成将还原剂供应到气体导管内，以用于与流过气体导管的所述烟道气体的互混和一致的浓度分布。
本注射器布置提供在注射器布置下游的气体导管的特定或给定截面上的供应还原剂遍及烟道气体的相对有效的且一致浓度的互混。此外，本注射器布置相对于发电设备操作条件中如在高尘或低尘环境中的变化是稳健的。使用本注射器布置供应还原剂缓解了还原剂注射喷管和喷嘴上的尘土、锅炉灰尘、或类似的颗粒累积，从而提供了在进入下游SCR反应器之前的改善的还原剂流动和一致的浓度分布的优点。因此，本注射器布置与环境无关地以非常均匀地分布的方式将还原剂供应到经过的烟道气流中，且根据需要使气体导管内的压降最小化。
本注射器布置因此可用于将还原剂供应和混合到在气体导管中流动的烟道气体中，该气体导管与该布置下游的选择性催化还原反应器中的催化器连通。出于此目的，注射器布置包括还原剂供应源，以用于供应还原剂来流动通过流体地连接的椭圆形主供应喷管、椭圆形分支喷管、交错的注射管和喷嘴，以用于将还原剂从喷嘴注射到流过气体导管的烟道气体中。
根据一个实施例，椭圆形主供应喷管流体地连接到一个或更多个椭圆形分支喷管。
根据另一实施例，椭圆形主供应喷管流体地连接到两个到八个椭圆形分支喷管。
根据另一实施例，椭圆形分支喷管流体地连接到大约5个到大约20个交错的注射管。
根据另一实施例，交错的注射管配备有可除去地固定的帽部件，帽部件各自具有形成喷嘴的开口。
根据另一实施例，喷嘴可通过从交错的注射管移除可移除地固定的帽部件且用新的或清洁的帽部件替换来清洁。
根据另一实施例，椭圆形主供应喷管和椭圆形分支喷管的椭圆形状优于圆形管路地减小了气体导管中的压降。
根据另一实施例，椭圆形主供应喷管和椭圆形分支喷管的椭圆形状优于圆形管路地减少了喷嘴上的颗粒累积，从而改善还原剂流动和气体导管内的更一致的还原剂浓度分布。
使用本注射器布置来将还原剂供应和混合到在气体导管(其与所述布置下游的选择性催化还原反应器中的催化器连通)中流动的烟道气体中的方法包括提供还原剂供应源，以流过流体地连接的椭圆形主供应喷管、椭圆形分支喷管、交错的注射管和喷嘴，以用于将还原剂的供应从喷嘴注射到流过气体导管的烟道气体中。
根据一个方法，椭圆形主供应喷管流体地连接到一个或更多个椭圆形分支喷管。
根据另一方法，椭圆形分支喷管流体地连接到大约5个到大约20个交错的注射管。
根据另一方法，交错的注射管配备有可移除地固定的帽部件，帽部件各自具有形成喷嘴的开口。
根据另一方法，喷嘴可通过从交错的注射管移除可移除地固定的帽部件且用新的或清洁的帽部件替换来清洁。
根据另一方法，椭圆形主供应喷管和椭圆形分支喷管的椭圆形状优于圆形管路地减小了气体导管中的压降。
根据另一方法，椭圆形主供应喷管和椭圆形分支喷管的椭圆形状优于圆形管路地减少了喷嘴上的颗粒累积，从而改善还原剂流动和气体导管内的更一致的还原剂浓度分布。
根据以下详细描述和权利要求，本注射器布置和使用本注射器布置的方法的其他目的和特征将是显而易见的。
附图说明
现在将参照下文所述的附图来更详细地描述本注射器布置。
图1为具有根据本发明的还原剂注射格栅的设备的示意侧视图。
图2为图1的还原剂注射格栅的放大示意性侧部透视图。
图3为图2的还原剂注射格栅的在线3-3处截取的示意性端部截面视图。
具体实施方式
发电设备通常使用焚烧煤、油、天然气、泥煤、废物或类似燃料的锅炉来供能。根据图1中例示的本发电设备系统10，燃料在存在空气A的情况下在锅炉12中燃烧，从而生成烟道气体FG形式的过程气流，其经由流体地连接的气体导管14流出锅炉12。穿过气体导管14，烟道气体FG流至选择性催化还原(SCR)反应器18的入口16。图1例示了注射器布置19，其处于跨过气体导管14垂直于通过气体导管14的烟道气体FG的流动且相对于去往SCR反应器18的烟道气体FG流动在上游的还原剂注射格栅20的形式。还原剂供应系统22操作以用于将还原剂如氨或尿素(但优选为处于气体形式的氨，更优选为处于稀释气体形式，且最优选为处于用空气稀释的稀释气体形式)从还原剂供应源24通过流体地连接的还原剂管26供应至还原剂注射格栅20。一个或更多个流动调整控制阀72用于控制还原剂通过该一个或更多个还原剂管26到还原剂注射格栅20的流动。因此，还原剂注射格栅20在烟道气体FG流入SCR反应器18之前将稀释或未稀释的气态氨NH3供应至流过气体导管14的烟道气体FG。SCR反应器18包括布置在SCR反应器18内侧的SCR催化器30的一个或更多个连续层28。作为例子，SCR催化器30可包括应用到陶瓷蜂窝载体材料或平行板结构(未示出)的催化活性组分，诸如，具有其他化学添加剂如三氧化钨(WO3)和三氧化钼(MoO3)的五氧化二钒(V2O5)和二氧化钛(TiO2)基底。在SCR反应器18中，烟道气体FG中的氮氧化物NOx与通过还原剂注射格栅20供应的氨反应，以形成氮气N2和水蒸气。在SCR反应器18中的该反应之后，“清洁的”烟道气体CG经由流体地连接的出口导管32流出SCR反应器18，以用于经由流体地连接的排气管34排放到大气中。将认识到的是，发电设备系统10还可包括气体清洁装置，如干和/或湿的洗涤器，和颗粒移除器，如，静电沉淀器和纤维过滤器，它们为了清楚而未在本文提供的附图中例示。
如图2中最佳地例示的，还原剂注射格栅20包括多个交错的注射管36，该多个交错的注射管36各自具有喷嘴42，经由其间的流体地连接的椭圆形分支喷管40流体地连接到椭圆形主供应喷管38。还原剂从还原剂供应源24流动通过流体地连接的还原剂管26、椭圆形主供应喷管38、椭圆形分支喷管40和交错的注射管36，以用于在气体导管14内释放，以用于与流过其的烟道气体FG互混。
如图3中最佳地例示的，椭圆形分支喷管40为椭圆形式。因此，各椭圆形分支喷管40由相反的侧壁46a和46b形成。相反的侧壁46a和46b形成椭圆形分支喷管40的相反的外部表面44和内部表面48。相反的侧壁46a和46b在上游顶点52和下游顶点54处连结。流过气体导管14的烟道气体FG在流经下游顶点54之前首先接触上游顶点52。椭圆形主供应喷管38和椭圆形分支喷管40二者的该椭圆形形式通过减少通常在烟道气体围绕圆形注射管路流动时发生的烟道气体FG回流(recirculation)或涡流来缓解喷嘴42上的灰尘和类似颗粒的累积。现有技术的圆形注射管路由于相对大的烟道气体初始接触区域而形成烟道气体回流或涡流。该相对大的烟道气体初始接触区域对烟道气流进行阻挡和重新定向，从而导致增大的压降和增大的烟道气体回流或涡流形成。如图3中例示的，椭圆形主供应喷管38和椭圆形分支喷管40二者的椭圆形式的特征为相对小的烟道气体FG初始接触区域CA。该相对小的烟道气体FG初始接触区域CA提供了烟道气体FG流动的最小阻塞和重新定向，从而使压降和烟道气体FG回流或涡流形成最小化。使烟道气体FG回流最小化对于防止喷嘴42堵塞和利用在气体导管14内流动的烟道气体FG的所得的差的还原剂注射和浓度分布而言是非常合乎需要的。
椭圆形主供应喷管38优选地配备有一个或更多个，或两个到八个椭圆形分支喷管40。内部表面48限定椭圆形分支喷管40的内部区域50，还原剂通过该内部区域50流至流体地连接的交错注射管36。各椭圆形分支喷管40的长度范围从大约1米(m)到大约4m的长度，且可配备有总共大约5个到大约20个的交错注射管36。如图所示，交错的注射管36从椭圆形分支喷管40的相反侧壁46a和46b的外部表面44突出大约8厘米(cm)到大约20cm。交错的注射管36交错，使得从侧壁46a突出的交错注射管36布置成以便在从侧壁46b突出的交错注射管36之间，且反之亦然。交错注射管36的该交错布置允许还原剂在气体导管14内的更一致的分布和流动。
将理解的是，交错注射管36的数目和它们相对接近椭圆形分支喷管40下游顶点54的定位可变化。交错注射管36的数目应当适于如下参数，诸如烟道气体的性质(quality)、椭圆形分支喷管40和气体导管14的大小、以及SCR反应器18所需的还原剂和稀释空气的量。
图3中最佳地例示的交错注射管36从椭圆形分支喷管40的相反侧壁46a和46b的外部表面44突出。交错的注射管36与上游顶点52相比相对接近下游顶点54从外部表面44突出，且以从交错注射管36的纵轴线L到垂直于通过气体导管14的烟道气体FG的流动的平面P-P测得的朝下游顶点54的大约45度到大约50度的角度A突出。交错的注射管36自由端58与同外部表面44的交错注射管36连接处相反。螺纹62在自由端58处在交错注射管36的外部表面60上。交错注射管36上的螺纹62适宜与布置在交错注射管36的自由端58上的帽部件68的内部表面66上的螺纹64公母联锁。尽管螺纹62、64在本文中描述为用于将帽部件68可移除地固定到交错注射管36，但本领域的技术人员已知的将帽部件68可移除地固定到交错注射管36的其他手段将同样是可接受的。穿过帽部件68自由端70的开口56形成喷嘴42。螺纹62、64通过使用具有不同尺寸的开口56的不同帽部件68来提供喷嘴42的迅速调整。同样，喷嘴42的清洁可通过移除脏的喷嘴42和用新的或清洁的喷嘴42替换其来相对容易地实现。各喷嘴42优选地操作以提供还原剂的从还原剂供应源24，通过流体地连接的还原剂管26，通过流体地连接的椭圆形主供应喷管38，穿过流体地连接的椭圆形分支喷管40，且穿过交错的注射管36到气体导管14中的连续流动。
还原剂供应系统22提供还原剂到气体导管14的迅速供应。还原剂供应源24可处于与汽化滑块和流动控制滑块组合地使用的罐的形式，或本领域技术人员已知的任何适合的储存布置的形式。作为非限制性实例，还原剂可为氨或尿素。在氨的情况下，其可以以气态形式输送至发电设备10，或者以液态形式输送，以用于随后在注射到气体导管14中之前汽化和稀释。将氨和稀释空气维持为过热气态形式避免了因与烟道气体FG颗粒相互作用的微滴或冷凝物引起的沉积物形成相关的问题。
还原剂供应系统22至此公开为具有单个整体的还原剂注射格栅20，还原剂注射格栅20包括多个交错的注射管36，注射管36各自具有经由其间的流体地连接的椭圆形分支喷管40而流体地连接到椭圆形主供应喷管38的喷嘴42。然而，应理解的是，还原剂供应系统22可扩展，以包括定位在气体导管14中的一个或更多个不同的还原剂注射格栅20，以供有不同量的还原剂或不同程度的加压。如果已通过在SCR反应器18下游进行的测量而检测到存在非均匀的NOx分布廓线(distributionprofile)，则后者可能是有用的。
此外，还原剂供应系统22可连接到控制系统74，以基于由SCR反应器18下游的烟道气体FG中的一个或更多个传感器76b测量的NOx的量来调节去往气体管道14的还原剂的供应。此种控制系统74可直接地或通过电子信号流动调整控制阀72控制或调节流过喷嘴42的还原剂。
如图1中还例示的，第一NOx传感器76a操作以用于在锅炉12之后和SCR反应器18的上游测量气体导管14的烟道气体中的NOx的量。第二NOx传感器76b操作以用于在SCR反应器18的下游测量出口导管32的烟道气体中的NOx量。控制系统74接收来自第一NOx分析器76a和第二NOx传感器76b的数据输入。基于数据输入，控制系统74计算当前的NOx移除效率。计算的当前NOx移除效率与NOx移除设定点相比较。基于比较的结果，供应至烟道气体FG的还原剂的量被调整以用于最佳的效率。
应理解的是，当使用控制系统74时，本文中描述的特定实施例仅为一个可能的解决方案。取决于待实现的所需出口NOx排放水平，控制系统74可改变以控制SCR反应器18的NOx还原效率。
还应理解的是，可使用负载传感器(未示出)，该负载传感器操作成用于感测锅炉12上的负载。例如，此种负载可例如按照燃料量来表示，诸如，运输至锅炉12的煤的吨/小时。来自此种负载传感器的数据信号可用于进一步控制经由喷嘴42供应至气体导管14的还原剂的量。根据一个实施例，烟道气体NOx廓线数据是基于在SCR反应器18的上游和/或下游执行的NOx测量而定期地生成的。该实施例的优点在于，NOx廓线的变化(此种变化例如由锅炉上的负载的变化、燃料品质的变化、锅炉的焚烧器的状态变化等)可通过供应至气体导管14的还原剂的量的控制来解决，使得可始终确保有效的NOx移除。
还应理解的是，NOx廓线数据可通过进行手动测量来获得，以确定适量的还原剂由喷嘴42供应到气体导管14中的烟道气体FG。
此前已描述了，本发明可用于减少来自焚烧煤的锅炉12中生成的过程烟道气体FG的NOX排放。将认识到的是，本发明还可用于其他类型的试剂注射过程，例如，液体吸附剂注射系统、和其他类型的过程气体，包括在焚烧油气的锅炉、焚化设备(包括废物焚化设备)、水泥窑、鼓风炉、联合循环设备和包括烧结带的其他冶金设备等中生成的过程气体。
同样，应理解的是，气体导管14可在还原剂注射格栅20的下游或上游设有为任何几何形状的一个或更多个混合板78，以增大湍流和还原剂与烟道气体FG的互混。
总的来说，本公开提供了一种注射器布置19，其用于将还原剂RA供应和混合到在气体导管14中流动的烟道气体FG中，气体导管14与注射器布置19下游的选择性催化还原反应器18中的催化器30连通。注射器布置19包括还原剂供应源24，以用于供应还原剂RA来流过流体地连接的椭圆形主供应喷管38、椭圆形分支喷管40、交错的注射管36和喷嘴42，以用于将还原剂RA从喷嘴42注射到流过气体导管14的烟道气体FG中。
根据一个实施例，椭圆形主供应喷管38流体地连接到一个或更多个椭圆形分支喷管40。
根据另一实施例，椭圆形主供应喷管38流体地连接到两到八个椭圆形分支喷管40。
根据另一实施例，椭圆形分支喷管40流体地连接到大约5个到大约20个交错的注射管36。
根据另一实施例，交错的注射管36配备有可移除地固定的帽部件68，帽部件68各自具有形成喷嘴42的开口56。
根据另一实施例，喷嘴42可通过从交错的注射管36移除可移除地固定的帽部件68且用新的或清洁的帽部件68替换来清洁。
根据另一实施例，椭圆形主供应喷管38和椭圆形分支喷管40的椭圆形状优于圆形管路地减小气体导管14中的压降。
根据另一实施例，椭圆形主供应喷管38和椭圆形分支喷管40的椭圆形状优于圆形管路地减少了喷嘴42上的颗粒累积，从而改善了还原剂RA流动且提供气体导管14内的更一致的还原剂RA浓度分布。
使用本注射器布置19来将还原剂RA供应和混合到在气体导管14(其与所述布置19下游的选择性催化还原反应器18中的催化器30连通)中流动的烟道气体FG中的方法包括提供还原剂RA供应源，以流过流体地连接的椭圆形主供应喷管38、椭圆形分支喷管40、交错的注射管36和喷嘴42，以用于将还原剂RA供应从喷嘴42注射到流过气体导管14的烟道气体FG中。
根据一个方法，椭圆形主供应喷管38流体地连接到一个或更多个椭圆形分支喷管40。
根据另一方法，椭圆形分支喷管38流体地连接到大约5个到大约20个交错的注射管36。
根据另一方法，交错的注射管36配备有可移除地固定的帽部件68，帽部件68各自具有形成喷嘴42的开口56。
根据另一方法，喷嘴42可通过从交错的注射管36移除可移除地固定的帽部件68且用新的或清洁的帽部件68替换来清洁。
根据另一方法，椭圆形主供应喷管38和椭圆形分支喷管40的椭圆形状优于圆形管路地减小了气体导管14中的压降。
根据另一方法，椭圆形主供应喷管38和椭圆形分支喷管40的椭圆形状优于圆形管路地减少了喷嘴42上的颗粒累积，从而改善了还原剂RA流动和气体导管14内的更一致的还原剂RA浓度分布。
将认识到的是，本发明的上述实施例的许多变型在所附权利要求的范围内是可能的。

Claims (15)

1.一种用于将还原剂供应和混合到在气体导管中流动的烟道气体中的布置，所述气体导管与所述布置下游的选择性催化还原反应器中的催化器连通，所述布置包括：
还原剂供应源，其用于供应还原剂以流过流体地连接的椭圆形主供应喷管、椭圆形分支喷管、交错的注射管和喷嘴，以用于将所述还原剂从所述喷嘴注射到流过所述气体导管的烟道气体中。
2.根据权利要求1所述的布置，其中，所述椭圆形主供应喷管流体地连接到一个或更多个椭圆形分支喷管。
3.根据权利要求1所述的布置，其中，所述椭圆形分支喷管流体地连接到大约5个到大约20个交错的注射管。
4.根据权利要求1所述的布置，其中，所述交错的注射管配备有可移除地固定的帽部件。
5.根据权利要求1所述的布置，其中，所述交错的注射管配备有可移除地固定的帽部件，所述帽部件各自具有形成喷嘴的开口。
6.根据权利要求1所述的布置，其中，所述喷嘴可通过从交错的注射管移除可移除地固定的帽部件且用新的或清洁的帽部件替换来清洁。
7.根据权利要求1所述的布置，其中，所述椭圆形主供应喷管和所述椭圆形分支喷管的椭圆形状优于圆形管路地减小所述气体导管中的压降。
8.根据权利要求1所述的布置，其中，所述椭圆形主供应喷管和所述椭圆形分支喷管的椭圆形状优于圆形管路地减少喷嘴上的颗粒累积，从而改善还原剂流动且提供所述气体导管内的更一致的还原剂浓度分布。
9.一种使用布置来将还原剂供应和混合到在气体导管中流动的烟道气体中的方法，所述气体导管与所述布置下游的选择性催化还原反应器中的催化器连通，所述方法包括：
提供还原剂供应源，以流过流体地连接的椭圆形主供应喷管、椭圆形分支喷管、交错的注射管和喷嘴，以用于将所述还原剂的供应从所述喷嘴注射到流过所述气体导管的烟道气体中。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述椭圆形主供应喷管流体地连接到一个或更多个椭圆形分支喷管。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述椭圆形分支喷管流体地连接到大约5个到大约20个交错的注射管。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，所述交错的注射管配备有可移除地固定的帽部件，所述帽部件各自具有形成喷嘴的开口。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，所述喷嘴可通过从交错的注射管移除可移除地固定的帽部件且用新的或清洁的帽部件替换来清洁。
14.根据权利要求9所述的方法，其中，所述椭圆形主供应喷管和所述椭圆形分支喷管的椭圆形状优于圆形管路地减小所述气体导管中的压降。
15.根据权利要求9所述的方法，其中，所述椭圆形主供应喷管和所述椭圆形分支喷管的椭圆形状优于圆形管路地减少喷嘴上的颗粒累积，从而改善还原剂流动且提供所述气体导管内的更一致的还原剂浓度分布。
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