CN107081055B - 一种旋流组合式scr静态混合器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种旋流组合式SCR静态混合器，包括尖端体，多个围绕以尖端体所在轴为中心轴的若干片弧形导流板，以及设置于导流板下端、以上述轴为中心轴均匀分布的若干挡板；挡板使烟气向氨气喷嘴处汇聚，弧形导流板使烟气与氨气产生横向速度并呈螺旋状向上流动，中心区域未直接受到弧形导流板影响的气流撞击到尖端体后与四周气流交错流动，实现烟气与氨气的混合。本发明有利于促进氨气扩散，大幅度强化混合效果，提高氨氮摩尔比均匀性，对SCR脱硝系统的优化与增效具有良好效果。

Description

一种旋流组合式SCR静态混合器
技术领域
本发明涉及一种旋流组合式SCR静态混合器。
背景技术
“十二五”期间电力生产行业减排工作取得了良好的成果，NOx排放总量和排放绩效分别由2010年的1055万吨和2.6g/kWh，下降到948万吨和2.4g/kWh，但是氮氧化物的排放总量依然十分巨大。与此同时，面对世界上最严排放标准《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)，要求氮氧化物污染物达到100mg/m3的排放限值，作为氮氧化物排放大户的火力电厂仍担负着十分艰巨的减排任务。
目前火电行业的主流氮氧化物控制技术是以低氮燃烧和烟气脱硝相结合的方法，这其中选择性催化还原(SCR)烟气脱硝技术作为技术最成熟、应用最广泛的烟气脱硝技术，是控制氮氧化物最根本的措施。其原理是在催化剂存在的情况下，通过向反应器内喷入脱硝还原剂氨，将NOx还原为N2。但是由于电厂内各大型设备布局紧凑，烟道布置空间严重受限，SCR喷氨层上下游直管段长度皆不够长，气气混合距离过短，且存在转向变径等结构，烟气流动均匀性很差，即使采用喷氨格珊喷氨方式，还原剂氨气与烟气混合效果不理想，氨气逃逸，严重影响脱硝效率，增加电厂运营成本。为此，通过在SCR喷氨层下游布置静态混合器来促进还原剂与烟气充分混合是一种行之有效的办法。
申请号为201410328172.1的专利，提出了一种由八个全等的直角三角板结构围绕同一中心点共同拼接而成的静态混合单元，在烟道内布置多个混合单元以达到促进还原剂和烟气混合的目的；申请号为201310002325.9的专利，提出了一种密集布置的仿松针型叶片SCR静态混合器，利用树叶型叶片产生的流场混沌效应强化混合效果；申请号为200820080620.0的专利，提出了一种四角为圆形或正方形的X型静态混合器，改善还原剂与烟气的混合效果。上述形式的静态混合器虽然能够增强还原剂与烟气的混合效果，但是并没有解决烟气贴壁流动“短路”问题，这部分烟气未能受静态混合器影响，氨氮摩尔比偏低，脱硝效果不甚理想；同时上述静态混合由于结构原因对烟道内流场也产生了较差的影响，致使反应器内流动不均匀，局部速度偏高，从而可能导致催化剂磨损加剧、局部积灰的现象。
因此，为了解决存在的问题，同时保证优异的混合效果和流动均匀性，并控制附加阻力损失在可接受范围内，本发明研究了一种旋流组合式静态混合器，并简化了喷氨方式。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种旋流组合式SCR静态混合器，本发明可促进氨气与烟气充分混合、优化喷氨层下游流动均匀性并简化现有喷氨方式，能够降低氨逃逸率，提高脱硝效率，降低运营成本。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种旋流组合式SCR静态混合器，其特征是：包括尖端体，多个围绕以所述尖端体所在轴为中心轴的若干片弧形导流板，以及设置于导流板下端、以上述轴为中心轴均匀分布的若干挡板；
n个弧形导流板构成一个等效圆台，对等效圆台侧面进行2n等分，间隔着取其中n个弧面，每个弧面绕相同直边按相同方向旋转相同角度，得到所有弧形导流板；
所述挡板绕尖端体所在轴为中心轴的轴线旋转相同角度，挡板在水平面上的宽度小于烟道宽度，在挡板的作用下使烟气向氨气喷嘴处汇聚，弧形导流板使烟气与氨气产生横向速度并呈螺旋状向上流动，中心区域未直接受到弧形导流板影响的气流撞击到尖端体后与四周气流交错流动，实现烟气与氨气的混合。
进一步的，所述尖端体为锥形钝体或锥形空心帽。
进一步的，所述弧形导流板绕中心轴线旋转相同角度α。
进一步的，所述角度范围为15°<α<25°。
进一步的，所述尖端体的外轮廓线与弧形导流板的外轮廓线在同一直线上。使得尖端体与等效圆台可构成一个等效圆锥。
进一步的，烟道内喷氨层上端设置有若干所述旋流组合式SCR静态混合器，且在水平方向上的投影面积不超过覆盖区域面积的45％。
进一步的，多个旋流组合式SCR静态混合器并排依次设置。
进一步的，所述挡板在水平面上的宽度与烟道宽度的比值范围为[0.08-0.16]。
进一步的，弧形导流板构成的等效圆台底面半径与烟道宽度的比值范围为[0.24，0.4]。
本发明的工作原理为：挡板的作用下，消除了烟气贴壁流动造成的“短路”现象，使烟气向氨气喷嘴处汇聚，促进烟气与氨气混合。烟气与氨气继续向前流动撞击在弧形导流板上，在弧形导流板作用下产生横向速度并呈螺旋状向上流动，由此导致在较短距离内促进烟气与氨气更大程度的均匀混合。中心区域未直接受到弧形导流板影响的气流将撞击到锥形钝体或锥形空心帽上，流动方向发生改变，与四周气流交错流动，经一定程度上的混合后绕过锥形钝体或锥形空心帽继续向上流动，在此影响下可进一步促进烟气与氨气的均匀混合，并避免了中心区域流量过大破坏流动均匀性的问题。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明通过对旋流组合式SCR静态混合器的研究，经过流体动力学计算软件进行验证表明烟气与氨气在经过静态混合器过程中进行快速混合，大大缩短混合行程，并能得到优异的混合效果。
(2)本发明的静态混合器避免了烟气贴壁流动“短路”现象，使所有烟气均与氨气充分混合。
(3)通过对上述静态混合器的关键参数的设定，可以在保证混合效果的前提下降低阻力损失和弱化对流场的扰动，以保证混合气流在进入反应器前有较好的流动均匀性。
(4)本发明的静态混合器可以在非喷氨格珊喷氨方式下仅凭借少数喷氨嘴达到优异的混合效果，不仅降低了喷氨系统投资成本，也大大降低了喷氨系统运营和维护费用。
(5)本发明使烟气与氨气组成的混合气体在静态混合器作用下产生旋流和交错流动，促进氨气扩散，大幅度强化混合效果，提高氨氮摩尔比均匀性，对SCR脱硝系统的优化与增效具有良好效果。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是按照本发明优选实施例所构建的混合单元的立体结构示意图；
图2是按照本发明的静态混合器安装于烟道时的示意图；
图3是用于示范性说明将按照本发明的静态混合器用于现有SCR烟气脱硝系统时的主体结构示意图；
其中，1为省煤器出口，2为喷氨层，3为静态混合器，4为导流板，5为整流格珊，6为催化剂层，7为锥形钝体或锥形空心帽，8为绕特定轴线旋转α角度的弧形导流板，9为挡板，10为氨气喷嘴。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不能解决烟气贴壁流动“短路”问题，这部分烟气未能受静态混合器影响，氨氮摩尔比偏低，脱硝效果不甚理想、容易导致催化剂磨损加剧、局部积灰的现象的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种促进氨气与烟气充分混合、优化喷氨层下游流动均匀性并简化现有喷氨方式的高效静态混合器，由一个锥形钝体或锥形空心帽、八片同规格绕轴线旋转相同角度的弧形导流板和四片挡板三部分组成。八片弧形导流板可构成一个等效圆台，等效圆台母线与底面夹45°角，对等效圆台侧面进行十六等分，间隔着取其中八个弧面，每个弧面绕相同直边按相同方向旋转相同角度后，即得到上述绕特定轴线旋转α角度的弧形导流板。同样的，上述静态混合器顶端锥形钝体或锥形空心帽与等效圆台可构成一个等效圆锥。依据实际烟道截面尺寸，可布置一组或几组旋流组合式SCR静态混合器。
此外，在四片挡板的作用下，消除了烟气贴壁流动造成的“短路”现象，使烟气向氨气喷嘴处汇聚，促进烟气与氨气混合。
烟气与氨气继续向前流动撞击在八片弧形导流板上，在弧形导流板作用下产生横向速度并呈螺旋状向上流动，由此导致在较短距离内促进烟气与氨气更大程度的均匀混合。
中心区域未直接受到弧形导流板影响的气流将撞击到锥形钝体或锥形空心帽上，流动方向发生改变，与四周气流交错流动，经一定程度上的混合后绕过锥形钝体或锥形空心帽继续向上流动，在此影响下可进一步促进烟气与氨气的均匀混合，并避免了中心区域流量过大破坏流动均匀性的问题。
为优化上述静态混合器在达到最佳混合效果同时，对流场干扰和阻力损失影响最小，控制组成上述静态混合器的三部分组件在水平方向上的投影面积不超过覆盖区域面积的45％。
改变弧形导流板旋转角度，控制15°<α<25°增强混合效果。
改变四片挡板的尺寸，控制0.08<l/L<0.16降低阻力损失和对流动的干扰。
改变弧形导流板构成的等效圆台底面半径，控制0.24<R/L<0.4增强混合效果，降低阻力损失和对流动的干扰。
可减少上述静态混合器正下方氨气喷嘴数量最少至四个，均匀布置，对喷嘴尺寸及喷量进行相应补偿，同样可达到喷氨格珊喷氨方式的混合效果，但是喷嘴数量大大减少，大大降低喷氨系统运营与维护成本。
作为一种典型实施例，如图3中所示，高温烟气经省煤器出口流入，经过一段转向过渡烟道并在一组导流板的矫正下，180°转向至竖直段。喷氨层2布置在竖直烟道的中游附近，同时在该喷氨层2的上方譬如0.2m的位置安装有按照本发明的静态混合器3。该静态混合器3由多组结构相同的混合单元共同组成，沿着烟道的横截面方向水平排列。
氨气经喷嘴射入烟道后，撞击在八片弧形导流板上，在弧形导流板作用下产生横向速度并呈螺旋状向上流动，同时被来自上游的烟气卷携并充分扩散；中心区域未直接受到弧形导流板影响的气流将撞击到锥形钝体或锥形空心帽上，流动方向发生改变，与四周气流交错流动，经一定程度上的混合后绕过锥形钝体或锥形空心帽继续向上流动，在此影响下可进一步促进烟气与氨气的均匀混合。然后混合气再继续经竖直烟道顶部发生两次转向，通过整流格栅5。充分混合后的氨与烟气进入催化剂层6发生催化还原反应，脱硝后的净烟气流向下游的空气预热器。
如图1中所示，每组旋流组合式SCR静态混合器由一个锥形钝体或锥形空心帽、八片同规格绕特定轴线旋转相同角度的弧形导流板和四片挡板三部分组成。八片弧形导流板可构成一个等效圆台，等效圆台母线与底面夹45°角，对等效圆台侧面进行十六等分，间隔着取其中八个弧面，每个弧面绕其相同直边按相同方向旋转相同角度后，即得到上述绕特定轴线旋转α角度的弧形导流板。同样的，上述静态混合器顶端锥形钝体或锥形空心帽与等效圆台可构成一个等效圆锥。
此外，在四片挡板的作用下，消除了烟气贴壁流动造成的“短路”现象，使烟气向氨气喷嘴处汇聚，促进烟气与氨气混合。烟气与氨气继续向前流动撞击在八片弧形导流板上，在弧形导流板作用下产生横向速度并呈螺旋状向上流动，氨气可以扩散到更广泛的空间，由此导致在较短距离内促进烟气与氨气更大程度的均匀混合。中心区域未直接受到弧形导流板影响的气流将撞击到锥形钝体或锥形空心帽上，流动方向发生改变，与四周气流交错流动，经一定程度上的混合后绕过锥形钝体或锥形空心帽继续向上流动，在此影响下可进一步促进烟气与氨气的均匀混合，并避免了中心区域流量过大破坏流动均匀性的问题。
更具体的，对上述静态混合器重要参数进行优选，设定15°<α<25°、0.08<l/L<0.16、0.24<R/L<0.4，各部分组件在水平面的投影面积设定为小于烟道横截面的45％。按照本发明的一个优选实施方式，对于上述静态混合器，可达到最大混合效果，最优喷氨后流场均匀性。
作为本发明的另一优选实施方式，也可简化喷氨方式，最少在每组上述静态混合器下方均匀布置四个喷嘴，对喷嘴尺寸及喷量进行相应补偿，同样可达到喷氨格珊喷氨方式的混合效果，但是喷嘴数量大大减少，大大降低喷氨系统运营与维护成本。
通过使用数值模拟方法验证本发明的实际效果，经计算，SCR反应器首层催化剂前速度分布偏差小于10％。此外，未加设混合器前，氨氮摩尔比的浓度偏差为7.5％，加装该混合器后，偏差值为2.3％，远优于工程设计目标，上述实际测试结果表明了本发明的静态混合器具备较大的应用价值。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种旋流组合式SCR静态混合器，其特征是：包括尖端体，多个围绕以所述尖端体所在轴为中心轴的若干片弧形导流板，以及设置于导流板下端、以上述轴为中心轴均匀分布的若干挡板；
n个弧形导流板构成一个等效圆台，对等效圆台侧面进行2n等分，间隔着取其中n个弧面，每个弧面绕相同直边按相同方向旋转相同角度，得到所有弧形导流板；
所述挡板绕尖端体所在轴为中心轴的轴线旋转相同角度，挡板在水平面上的宽度小于烟道宽度，在挡板的作用下使烟气向氨气喷嘴处汇聚，弧形导流板使烟气与氨气产生横向速度并呈螺旋状向上流动，中心区域未直接受到弧形导流板影响的气流撞击到尖端体后与四周气流交错流动，实现烟气与氨气的混合。
2.如权利要求1所述的一种旋流组合式SCR静态混合器，其特征是：所述尖端体为锥形钝体或锥形空心帽。
3.如权利要求1所述的一种旋流组合式SCR静态混合器，其特征是：所述弧形导流板绕中心轴线旋转相同角度α。
4.如权利要求3所述的一种旋流组合式SCR静态混合器，其特征是：所述角度范围为15°<α<25°。
5.如权利要求1所述的一种旋流组合式SCR静态混合器，其特征是：所述尖端体的外轮廓线与弧形导流板的外轮廓线在同一直线上， 使得尖端体与等效圆台构成一个等效圆锥。
6.如权利要求1所述的一种旋流组合式SCR静态混合器，其特征是：烟道内喷氨层上端设置有若干所述旋流组合式SCR静态混合器，且在水平方向上的投影面积不超过覆盖区域面积的45％。
7.如权利要求1所述的一种旋流组合式SCR静态混合器，其特征是：多个旋流组合式SCR静态混合器并排依次设置。
8.如权利要求1所述的一种旋流组合式SCR静态混合器，其特征是：所述挡板在水平面上的宽度与烟道宽度的比值范围为[0.08-0.16]。
9.如权利要求1所述的一种旋流组合式SCR静态混合器，其特征是：弧形导流板构成的等效圆台底面半径与烟道宽度的比值范围为[0.24，0.4]。
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