CN106029207B - 燃烧器和用于选择性非催化还原的装置的组件和喷嘴 - Google Patents

Abstract

一种用于将反应剂喷射到燃烧器中的喷嘴(10)具有：本体(50)，其具有腔体；用于腔体的堵塞件(53)；用于喷射反应剂的缝隙(54，54a，54b)；在本体(50)和堵塞件(53)之间的至少一个中间盘(56)，该至少一个中间盘(56)具有供反应剂通过的至少一个开口(57)，其中，喷嘴(10)具有在本体(50)和至少一个中间盘(56)之间的第一缝隙(54a)、在堵塞件(53)和至少一个中间盘(56)之间的第二缝隙(54b)，以及/或者至少一个缝隙(54，54a，54b)具有至少一个波纹状边界(59)，该至少一个波纹状边界(59)限定在最小尺寸(SZ1)和最大尺寸(SZ2)之间的可变尺寸缝隙。

Description

燃烧器和用于选择性非催化还原的装置的组件和喷嘴

技术领域

本发明涉及燃烧器和用于选择性非催化还原的装置的组件和喷嘴。特别地，本发明涉及燃烧器，它是锅炉，诸如用于产生电功率的功率装置的锅炉；无论如何燃烧器可为不同的燃烧器，诸如用于生产水泥的旋转窑。在下面参照的是锅炉。

背景技术

锅炉包括管壁，管壁限定内部空间；诸如煤、油、废料的燃料供应到内部空间中，并且与诸如空气或氧的氧化剂一起燃烧。在燃烧期间，产生烟道气，烟道气富含NOx，必须在烟道气排到大气中之前，将NOx的量降低到给定极限以下。

为了从烟道气中移除NOx，可将诸如氨(作为液体溶液的NH₃)或脲(作为液体溶液的CH₄N₂O)的反应剂喷射到烟道气中，并且烟道气可传送通过催化器，以便NOx转化成N₂和H₂O(选择性催化还原，SCR)；这个反应在低温下发生，例如介于250℃-450℃之间。

催化器昂贵且在运行期间可能受损，由于这个原因，已经研究出一种方法，根据此方法，将氨或脲喷射到具有高温的烟道气中，例如在750℃-1300℃的范围中，使得在不需要催化器的情况下，NOx转化成N₂和H₂O (选择性非催化还原，SNCR)。

WO2012/059 184公开了一种用于废料-能量应用的锅炉(即，废料用作锅炉中的燃料)。锅炉在其顶壁处具有孔口，使得用于选择性非催化还原的装置通过这个孔口引入到内部空间中。用于选择性非催化还原的装置具有管状喷管和滑动到喷管中的软管。软管在其端部处具有喷嘴，该端部容纳在内部空间中。在运行期间，喷管悬挂在锅炉的顶壁上，并且软管从喷管延伸；反应剂传送通过软管，并且通过喷嘴向上喷射。

反应剂在喷射之后必须蒸发，以与烟道气混合，以使混合物经受选择性催化还原来移除NOx。发明人已经发现，在围绕喷嘴的有限空间中发生蒸发；具有用于较大量烟道气的较大蒸发区是有益的，以使烟道气与蒸气反应剂混合，并且因而通过选择性非催化反应来处理较大部分的烟道气。

发明内容

本发明的一方面包括提供一种允许反应剂在围绕喷嘴的大区域中蒸发的组件和方法。

通过提供根据所附权利要求的组件和方法来实现这些和另外的方面。

附图说明

根据锅炉的优选但非排它性实施例的描述，另外特性和优点将更加显而易见，在附图中以非限制性示例的方式示出实施例，其中：

图1显示根据本发明的示意性锅炉；

图2至4显示喷管的不同实施例；

图5显示根据现有技术的喷嘴的实施例；

图6至10C显示喷嘴的不同实施例；

图11显示锅炉的内部空间内的等温曲线(在火焰上方)；

图12显示关于反应剂的脉冲喷射的阀开度与时间的关系；

图13和14显示关于以不同的方式运行的不同喷嘴的蒸发区域；

图15显示连接在支承梁上的喷管；

图16显示连接到支承梁上的托架；

图17显示可调整侧向位置的支承梁的实施例。

具体实施方式

参照附图，这些显示了燃烧器是锅炉1，它包括包围内部空间3的侧管壁2和顶壁4。通过喷燃器5对锅炉供应诸如煤(但其它类型的燃料也是可行的，诸如废料、油、气体等)的燃料和诸如空气或氧的氧化剂。

锅炉还具有用于选择性非催化还原SNCR的装置7；装置7包括喷管8，喷管8承载软管9，喷管8具有至少喷嘴10；如显示的那样，优选地喷嘴处于软管终端部分处，软管终端部分容纳在内部空间3内。装置7进一步具有软管驱动机构11，以驱动喷管8内的软管。

图显示了2程(pass)锅炉的示例，并且在这种情况下，装置7与第一程相关联，总之明确的是，锅炉可为任何类型的锅炉，并且装置7可位于任何地方，在其中存在用于正确的选择性非催化反应的温度的位置处。

有利地，喷管8从锅炉的侧管壁5突出到内部空间3中。照这样，与在喷管悬挂在锅炉的顶壁4上的情况相比，容纳在内部空间3内的软管的长度更短，使得传送通过软管的反应剂在运行期间不蒸发，或者至少在到达喷嘴10之前不经历较大程度的蒸发。优选地喷管8基本水平地突出。

为了进一步阻碍反应剂的蒸发，喷管8优选地设有冷却系统；图2至4显示具有不同冷却系统的喷管8。

冷却系统包括用于冷却介质(诸如空气和/或另一种气体和/或蒸汽和/或水)的一个或多个通道15。通道15优选具有环形，并且位于喷管壁16和软管9之间。例如，图2显示喷管8，其中软管9从其开口端凸出；一个环形通道15限定在喷管8的壁16和软管9之间。图3显示喷管8，它具有开口19和从这个开口19凸出的软管9；一个环形通道15限定在喷管8的壁16和软管9之间。图4显示喷管8，其中软管9从其开口端凸出；两个环形通道15a、15b限定在喷管8的壁16和软管9之间。

通往用于冷却介质的通道15、15a、15b中的入口20位于喷管8的在内部空间3外部的部分处(图2-4)；相反，来自通道15、15a、15b的出口可位于喷管8的在内部空间3内部的部分处(图2和3)，并且可由开口19限定，并且/或者出口可位于喷管8的在内部空间3外部的部分处(图4)，并且可由专用开口21限定。

另外，喷管8可具有外部隔离层22，以对喷管进行热隔离，并且保护它免受烟道气的影响。如果需要，根据冷却系统的热移除能力来实现外部隔离层22。

在冷却介质是空气和/或另一种气体的情况下：

-当空气/其它气体具有低压力时(例如空气/其它气体通过送风机供应到通道15、15a、15b中)，则典型地需要隔离层22；

-当空气/其它气体具有中等压力时(例如空气/其它气体通过送风机供应到通道15、15a、15b中)，典型地不需要隔离层22，因为空气/其它气体的压力提高允许移除足够的热；

-当空气/其它气体具有高压力时(例如空气/其它气体通过压缩机供应到通道15、15a、15b中)，则典型地不需要隔离层22。

当冷却介质是空气/其它气体时，它可排到锅炉的内部空间3中(即，喷管8可具有图2或3中显示的结构)；实际上，空气可有利地允许燃料进一步反应(即，它可像上部引入的燃烧空气那样起作用)。

在冷却介质是水的情况下，它可在中等压力下供应到通道15、15a、15b，典型地不需要任何外部隔离层22；在这种情况下，水可排到内部空间3内(像图2和3中那样)，或者排到内部空间3外部(像图4中那样)。

在冷却介质是蒸汽的情况下：

-它可在低压下供应到通道15、15a、15b中，典型地不需要任何外部隔离层22；在这种情况下，蒸汽排到内部空间3中(像图2和3中显示的喷管那样)；

-它可在高压下供应到通道15、15a、15b，典型地不需要任何外部隔离层22；在这种情况下，蒸汽排到内部空间3外部(像图4中显示的喷管那样)。

当然，喷管的具体设计，外部隔离层的存在性和入口20和出口的位置，通道15、15a、15b的构造，冷却器件的类型和冷却器件的压力，可为任何组合，而且将取决于特定条件。

喷管8优选地设有喷管定位系统，以调整软管9在内部空间3内的位置。特别地，喷管定位系统布置成用于调整喷管在其纵向轴线25上的位置。

在一个实施例中，用于调整喷管在其纵向轴线上的位置的喷管定位系统包括喷管支承梁26和可在支承梁26上移动的托架27；喷管8连接到托架27上。

还提供鼓29来承载软管9；鼓29优选地不连接到托架27上；鼓29例如可连接到支承梁26或外部支承件上且由它们支承。

托架27进一步支承软管驱动机构11。软管驱动机构11具有相对的轮31(软管9穿过相对的轮31)和用于驱动轮31的马达32，使得在运行期间，轮31驱动软管9，并且鼓29仅用来缠绕或松开软管9。例如具有链条36和马达37的驱动系统用来沿着支承梁26驱动托架27。在这方面，托架27在位置38处固定到链条36上。

另外，支承梁还可具有链接件和侧向驱动机构，侧向驱动机构包括例如链条41，链条41的端部连接到支承梁26和轮42上；至少一个轮42连接到马达43上，以控制和调节箭头S上方的侧向位置。

锅炉1进一步具有控制系统44，以控制来自喷嘴10的流量。有利地控制系统44可布置成用于从喷嘴10产生脉冲流。例如，锅炉可具有一个或多个阀45，阀45连接到控制系统44上且由其驱动，以产生脉冲流。另外或者作为备选方案，可通过泵供应反应剂，泵是受控制的，以便提供脉冲流。当然用于产生脉冲流的其它器件是可行的。

根据描述和示出的内容，锅炉的运行是显而易见的，而且其运行基本如下。

燃料和氧化剂供应到内部空间3中，并且燃料燃烧，从而产生火焰F和烟道气G，烟道气G传送通过锅炉。烟道气包含NOx(主要是NO和少量NO₂)，必须至少部分地移除NOx。

喷管8例如通过侧管壁2的侧部开口引入到内部空间3中(但这不是强制性的，并且喷管可从例如锅炉的顶壁4引入到内部空间中)；开口可为用于不同的领域的开口，诸如检查开口或专用开口。

软管9和喷嘴10从喷管8悬挂在内部空间3中。

可沿水平和竖向调节喷嘴位置。

沿竖向调节喷嘴位置是为了使喷嘴10将反应剂喷射到其中温度对于选择性非催化反应最佳的区中。可通过以下方式进行竖向调节：运行马达32，以便驱动轮31推动/拉软管9通过喷管8，如箭头F1指示的那样，以及调整喷嘴竖向位置，如箭头F2指示的那样。

沿着轴线25调节喷嘴位置(例如水平地)，以将喷嘴10置于其中烟道气速度(并且因而质量流量)较高的区中，因为大部分NOx传送通过这些区。可通过以下方式沿着支承梁26水平地调整喷嘴位置：运行马达37，以便沿着支承梁26驱动托架27，如箭头F3指示的那样。托架27的移动使喷管8沿着支承梁26相应地移动，如箭头F4指示的那样。

另外，还可枢转地调节喷嘴位置。通常不需要这样做，因为特别是对于大型锅炉而言，提供不止一个喷管；无论如何，侧向调节可使调整更灵活。在这种情况下，可通过以下方式完成调整：运行马达43，以便如箭头F5指示的那样移动链条41，并且因而使支承梁26(和其所支承的喷管8)如箭头S指示的那样枢转。

可在锅炉启动之前，根据预测运行状况来调节喷嘴的位置，但也可在锅炉的运行期间，响应于不同的运行状况或使喷嘴位置更好地适应当前运行状况和/或温度分布和/或烟道气速度分布，来改变喷嘴的位置。

在锅炉1的运行期间，从罐47对软管9供应反应剂，诸如氨或脲；反应剂传送通过软管9且通过喷嘴10喷射。

对于喷射有不同的可能性。优选地反应剂例如通过槽口喷射在圆锥形表面48上，但也可通过多个单个射流喷射，各个射流依靠在圆锥形表面上。优选地软管9和通过喷嘴10喷射的流之间的角度A在0°<A<180°的范围中，更优选地在90°<A<180°的范围中，并且甚至更优选地在135°<A<155°的范围中。

喷射在圆锥形表面48上，从而限定90°-180°之间和优选地135°-155°的角度A，这是有利的，因为允许在温度均匀的区域上喷射反应剂。实际上，内部空间3内的温度比侧管壁2附近的温度更低，而且向上(即，远离火焰)更低；因此等温曲线具有钟形，其端部朝下，并且接近侧管壁2(图11)。因此在顶点在顶部且朝下的圆锥形表面上喷射允许反应剂横穿烟道气，从而具有基本均匀的温度，或者比其它构造更均匀的温度。

图5至10显示喷嘴10的不同实施例。

图5显示根据现有技术的实施例，其中喷嘴10具有本体50，本体50具有腔体(优选地本体50具有管状形状)，本体50例如由钢或其它金属制成，支承臂51连接在本体50中。喷嘴10的一端连接到软管9上，另一端具有用于腔体的堵塞件53，堵塞件53连接到支承臂51上。堵塞件53与本体50共同限定缝隙54。缝隙54可具有(但这不是强制性的)从本体50的内部到其外部的会聚传送区域。在运行期间，反应剂传送通过软管9且进入本体50的腔体；然后反应剂通过缝隙54喷射到锅炉的内部空间3中。

图6至8显示根据本发明的喷嘴10的实施例。在这个实施例中，喷嘴10具有本体50，本体50具有腔体和支承臂51，支承臂51支承一个或多个(在该示例中仅显示了一个)中间盘56和堵塞件53。

盘56设有供反应剂通过的开口57。盘56与本体50限定第一缝隙54a，并且与堵塞件53限定第二缝隙54b；缝隙54a和54b可具有相同尺寸SZ，但优选地它们具有不同的尺寸SZ。

通过不同的缝隙喷射允许液滴较好地散布在烟道气中。另外，在通过不同尺寸的缝隙喷射的情况下，不同直径的液滴在喷射之后形成；不同直径的液滴在锅炉的不同部分中蒸发(液滴越小，蒸发越快)，以便使反应剂较好地分布在内部空间3内。当然超过一个盘也是可行的，并且因而超过两个缝隙也是可行的。例如图10A显示具有不止一个中间盘56的喷嘴的实施例。在这种情况下，第一、第二和第三缝隙优选地具有不同的尺寸。另外，即使附图显示了支承臂51用于保持中间盘(一个或多个)56和堵塞件53，其它构造也是可行的。例如，中间盘(一个或多个)56可直接从本体50和/或其它中间盘(一个或多个)56得到支承；在这种情况下，缝隙可在喷嘴的周边的仅一部分上延伸，而非其整个周边。同样，堵塞件53可直接连接到中间盘56上而非支承臂51；在这种情况下，第二缝隙54b可在喷嘴10的周边的仅一部分上延伸。

图9和10显示根据本发明的喷嘴的另一个示例；在这个实施例中，盘56具有界定缝隙54a的外部边界59，外部边界59不是笔直的(像前面的示例中那样)，而是波纹状，以便限定在最小尺寸(SZ1)和最大尺寸(SZ2)之间的可变尺寸缝隙。同样，图10B显示喷嘴的示例，它具有一个缝隙54和具有波纹状边界的堵塞件53。

当然具有结合了上面描述的那样特征的解决方案的实施例也是可行的，使得例如可仅在盘56和堵塞件53两者处，或者作为边界59的替代或者补充，提供波纹状边界，内部边界60(图10C)也可具有波纹状形状。

除了喷嘴特征(例如缝隙的数量和/或它们的构造)之外，或者作为其备选方案，还可通过经由控制系统44和优选地阀45控制的脉冲喷射，来改进反应剂分布和蒸发。

图12显示阀开度和时间之间的关系；明确的是可根据需要来设定最小阀开度65、最大阀开度66、最大开度的持续时间67和斜坡(ramp)频率。

在运行期间，由于不同的体积流量，来自缝隙的出口速度提高和/或降低，这使反应剂液滴的直径改变。不同直径的液滴的蒸发不同，使得在有脉冲喷射的情况下，与没有脉冲喷射相比，实现更大的蒸发区是可行的。

作为示例，图13和14显示其中反应剂液滴在内部空间3内蒸发的区域的顶部的视图；图13指的是具有不同缝隙54a、54b的喷嘴实施例(例如喷嘴可具有图6-8中显示的构造)，并且图14指的是具有脉冲反应剂喷射的喷嘴实施例(例如喷嘴可具有图5中显示的构造)。

根据图13显而易见的是，具有较小直径的液滴(例如通过缝隙54b喷射)比具有较大直径的液滴(例如通过缝隙54a喷射)蒸发得更快。在这方面，环形区域68指示其中较小直径的液滴蒸发的区，并且区域69指示其中较大直径的液滴蒸发的区。根据图13显而易见的是，与在仅使用一个缝隙的情况相比，两个(而且很可能超过两个)缝隙允许有大得多的蒸发区域。

图14显示其中发生反应剂液滴蒸发的区70；而且在这种情况下，显而易见的是有脉冲喷射的蒸发比无脉冲喷射大得多；作为示例，线71指示在未使用脉冲的情况下的可行蒸发起始点。

在喷射和蒸发之后，反应剂与烟道气混合，并且执行已知的选择性非催化反应，以至少部分地从烟道气中移除NOx。

当然，可彼此独立地提供所描述的特征。

在实践中，可根据要求和现有技术随意选择所使用的材料和尺寸。

参考标号列表

1锅炉

2侧管壁

3内部空间

4顶壁

5喷燃器

7用于选择性非催化还原的装置

8喷管

9软管

10喷嘴

11软管驱动机构

15、15a、15b冷却通道

16喷管壁

19侧部开口

20入口

21开口

22隔离层

25纵向轴线

26支承梁

27托架

29鼓

31轮

32马达

36链条

38固定位置

37马达

40铰接件

41链条

42轮

43马达

44控制系统

45阀

47罐

48圆锥形表面

50本体

51支承臂

53堵塞件

54、54a、54b缝隙

56中间盘

57开口

59外部边界

60内部边界

65最小阀开度

66最大阀开度

67最大开度的持续时间

68较小直径的液滴的蒸发区

69较大直径的液滴的蒸发区

70液滴的蒸发区

71无脉冲喷射的可行液滴蒸发起始点

A角度

F火焰

F1软管的推/拉

F2喷嘴竖向位置的调整

F3托架在支承梁上移动

F4喷管移动

F5链条42的移动

G烟道气

S箭头

SZ、SZ1、SZ2缝隙的尺寸。

Claims (14)

1.一种用于将反应剂喷射到燃烧器中的喷嘴(10)，所述喷嘴(10)包括

具有腔体的本体(50)，

用于所述腔体的堵塞件(53)，

用于喷射所述反应剂的缝隙(54，54a，54b)，

其特征在于，所述喷嘴(10)进一步包括

在所述本体(50)和堵塞件(53)之间的至少一个中间盘(56)，所述至少一个中间盘(56)具有供所述反应剂通过的至少一个开口(57)，其中，所述喷嘴(10)进一步具有在所述本体(50)和至少一个中间盘(56)之间的第一缝隙(54a)、在所述堵塞件(53)和至少一个中间盘(56)之间的第二缝隙(54b)，

以及/或者

至少一个缝隙(54，54a，54b)具有至少一个波纹状边界(59)，所述至少一个波纹状边界(59)限定在最小尺寸(SZ1)和最大尺寸(SZ2)之间的可变尺寸缝隙。

2.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述第一和第二缝隙(54a，54b)具有不同的尺寸(SZ)。

3.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述喷嘴包括多个中间盘(56)，其中，至少第三缝隙(54c)限定在相邻的中间盘(56)之间。

4.根据权利要求3所述的喷嘴，其特征在于，所述第一缝隙(54a)、所述第二缝隙(54b)和所述至少第三缝隙(54c)具有不同的尺寸。

5.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述喷嘴包括支承臂(51)，所述支承臂(51)连接到所述本体(50)上，并且支承所述至少一个中间盘(56)。

6.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述喷嘴包括支承臂(51)，所述支承臂(51)连接到所述本体(50)上，并且支承所述堵塞件(53)。

7.一种包括燃烧器和用于选择性非催化还原的装置(7)的组件，其特征在于，所述用于选择性非催化还原的装置(7)包括根据权利要求1至6中的至少一项所述的喷嘴(10)。

8.根据权利要求7所述的组件，其特征在于，所述用于选择性非催化还原的装置(7)包括：喷管(8)，其承载具有所述喷嘴(10)的软管(9)；以及用于驱动所述喷管(8)内的所述软管的软管驱动机构(11)。

9.根据权利要求8所述的组件，其特征在于，所述喷嘴(10)布置成在所述软管(9)和喷射的流之间具有角度A的情况下喷射所述流，所述角度A的范围为0°<A<180°。

10.根据权利要求9所述的组件，其特征在于，所述角度A的范围为90°<A<180°。

11.根据权利要求9所述的组件，其特征在于，所述角度A的范围为135°<A<155°。

12.根据权利要求8所述的组件，其特征在于，所述燃烧器是锅炉，所述锅炉具有包围内部空间(3)的侧管壁(2)。

13.根据权利要求12所述的组件，其特征在于，所述喷管(8)从所述锅炉(1)的侧管壁(2)突出到所述内部空间(3)中。

14.根据权利要求7所述的组件，其特征在于，所述组件进一步包括控制系统(44)，以控制来自所述喷嘴(10)的流，所述控制系统布置成从所述喷嘴(10)产生脉冲流。