CN107081058A - 一种有助于脱硝混合的高效混合系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种有助于脱硝混合的高效混合系统，包括高效混合系统，所述高效混合系统包括一级高效混合装置和二级高效混合装置，一级高效混合装置包括若干个一级高效混合元件，一级高效混合元件包括无缝钢管和折叠形圆形钢板，折叠形圆形钢板两侧的翼边均同时穿过无缝钢管，二级高效混合装置包括多个二级高效混合元件，二级高效混合元件包括无缝钢管和圆形钢板，圆形钢板穿过无缝钢管。通过从局部到整体的思路逐步优化脱硝流场，确定安装高效混合系统的位置、型式、级数，提升了氨烟气混合质量，进而提高了脱硝系统对来流工况变化的抗干扰性，保证了机组安全、经济运行，解决了现有技术存在的问题。

Description

一种有助于脱硝混合的高效混合系统
技术领域
本发明涉及SCR脱硝系统领域，特别涉及一种有助于脱硝混合的高效混合系统。
背景技术
现在我国燃煤电站锅炉均已安装脱硝系统，其中绝大部分采用SCR脱硝方式，部分现役工程建设投运初期由于新装催化剂时活性高，整体效率达标，但随着投运时间的加长，催化剂活性衰退，氨氮摩尔比偏差的问题逐渐暴露出来，直观表现为脱硫脱硝CEMS偏差大、氨耗量增大、空预器堵塞等。
三部委《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014-2020年》明确燃煤电厂“超低排放”的定义：烟气中烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别不超过10mg/Nm3、35 mg/Nm3、50mg/Nm3（干基、标态、6%含氧量）；部分省市将烟尘的要求提高到5 mg/Nm3。部分项目进行脱硝提效，加装了备用层催化剂，催化剂的氧化作用增强，会进一步增加烟气中SO3浓度和硫酸氢铵生成量，不但脱硝效率不达标，无法实现超低排放，同时氨逃逸过大，空预器堵塞加剧。
现役机组的调试和性能测试多是在BMCR或高负荷条件下进行，因此高负荷条件下脱硝性能达标。在低负荷条件下，特别是AIG喷氨型式，燃烧调整导致烟气来流变化，进而导致NH3和NOX不匹配，脱硝效率下降，氨逃逸升高，空预器堵塞加剧。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种有助于脱硝混合的高效混合系统，针对性能试验数据结果作为流场优化分析的边界条件，通过从局部到整体的思路逐步优化脱硝流场，确定安装高效混合系统的位置、型式、级数，提升氨/烟气混合质量，进而提高脱硝系统对来流工况变化的抗干扰性，保证机组安全、经济运行，进而解决上述存在的问题。
本发明采用的技术方案如下：一种有助于脱硝混合的高效混合系统，包括设于进口烟道和顶部烟道内的高效混合系统，其特征在于，所述高效混合系统包括一级高效混合装置和二级高效混合装置，一级高效混合装置设于喷氨格栅的上方，二级高效混合装置设于进口烟道与顶部烟道相交的转角处，一级高效混合装置包括若干个一级高效混合元件，一级高效混合元件包括无缝钢管和折叠形圆形钢板，无缝钢管垂直固定在烟道内壁上，折叠形圆形钢板两侧的翼边均同时穿过无缝钢管并固定连接在无缝钢管上，二级高效混合装置包括多个二级高效混合元件，二级高效混合元件包括无缝钢管和圆形钢板，圆形钢板穿过无缝钢管并内嵌固定在无缝钢管上，圆形钢板通过无缝钢管固定在烟道内壁上。
作为优选，一级高效混合元件包括两根平行设置的无缝钢管和一块折叠形圆形钢板，折叠形圆形钢板两侧的翼边均同时穿过两根无缝钢管。
作为优选，折叠形圆形钢板对半折叠形成具有120°角度的V形结构。
进一步，在一级高效混合元件中，每根无缝钢管的迎风面上均固定设有一根角钢。
作为优选，二级高效混合元件包括一根无缝钢管和两块圆形钢板，两块圆形钢板穿过同一根无缝钢管并内嵌在无缝钢管上，圆形钢板的迎风面垂直于烟气流向的轴向方向。
进一步，在二级高效混合装置中，两个二级高效混合元件为一组，在该组内，两根无缝钢管之间设有条形钢板，条形钢板用于加固圆形钢板。
进一步，在二级高效混合元件中，无缝钢管的迎风面上均固定有一根角钢。
作为优选，折叠形圆形钢板和圆形钢板均采用Q345-B材质的金属材料，厚度为10mm。
进一步，折叠形圆形钢板的选择规则按照n=L/W+1,D≈0.65-0.75W进行参数选择，圆形钢板的选择规则按照N=2n，D≈500-600mm进行选择，其中，n代表折叠形圆形钢板的个数，D代表折叠形圆形钢板的直径，L代表安装位置处烟道的长度，W代表安装位置处烟道的直径， N代表圆形钢板的个数，D代表圆形钢板的直径。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明的高效混合系统通过利用驻涡原理来提升NH3/NOX的混合效果，NH3/NOX混合质量的提高，不仅可以迅速降低氨逃逸量，其还可以节省催化剂耗量，当设计脱硝效率越高时，降低氨逃逸量的效果和节省催化剂耗量的节省效果会更加明显；
2、通过在进口烟道与顶部烟道相交的转角处设置二级高效混合装置，使烟道转弯处烟气严重分层的现象得以改善，可以增加氨氮、烟气的混合效果，起到事半功倍的作用，同时，增加二级高效混合装置后，烟道内的局部阻力会稍微增大或基本不变，从而在整体上使脱硝系统的整体阻力变化不大；
3、通过设置多级混合措施，实现烟气与还原剂的二次混合，提高了烟气湍流程度，烟道内部构件得到优化，实现了流体边界层的快速剥离，进而提高了烟气来流变化的抗干扰能力，在整体上，克服了脱硝效率下降，氨逃逸升高，空预器堵塞加剧等技术问题。
附图说明
图1是本发明的一种有助于脱硝混合的高效混合系统结构示意图；
图2是本发明的一级高效混合装置主视结构示意图；
图3是本发明的一级高效混合装置平面结构示意图；
图4是本发明的一级高效混合装置三维结构示意图；
图5是氨烟气流体流过一级高效混合装置时的流动形式示意图；
图6是本发明的二级高效混合装置主视结构示意图；
图7是本发明的二级高效混合装置平面结构示意图；
图8是本发明的二级高效混合装置三维结构示意图。
图中标记：1为进口烟道，2为出口烟道，3为顶部烟道，4为反应器，401为第一层催化剂，402为第二层催化剂，403为第三层催化剂，5为整流器，6为喷氨格栅，7为一级高效混合装置，701为一级高效混合元件，702为折叠形圆形钢板，8为二级高效混合装置，801为二级高效混合元件，802为圆形钢板，803为条形钢板，9为无缝钢管，10为角钢。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示， 一种SCR脱硝系统（选择性催化还原脱硝系统），包括进口烟道1和出口烟道2，位于进口烟道1和出口烟道2之间的顶部烟道3和反应器4，进口烟道1和顶部烟道3内设有高效混合系统，反应器4用于对烟道内的烟气进行催化反应，即反应器4的上端贯通连接顶部烟道3，下端贯通连接出口烟道2，反应器4内从上自下依次设有整流器5、第一层催化剂401、第二层催化剂402和第三层催化剂403，在反应器4内，烟气中的NOX与NH3发生还原反应，变成N2和H2O，进而达到脱除氧化物的目的。整流器5的设置可以提高反应器4对烟气来流变化的抗干扰能力，使混合烟气均匀地分布在催化剂层上，进而提高脱硝效果。
高效混合系统包括一级高效混合装置7和二级高效混合装置8，如图1所示，一级高效混合装置7设于喷氨格栅6的上方，二级高效混合装置8设于进口烟道1与顶部烟道3相交的转角处，更进一步说，一级高效混合装置7距离喷氨格栅6的距离为1-2m，准确位置根据不同的项目进行调整，二级高效混合装置8在直角烟道转弯处。
更具体地说，一级高效混合装置7包括无缝钢管9和折叠形圆形钢板702，以两根无缝钢管9为例，如图2至图4所示，两根无缝钢管9相互平行设置且均垂直固定在烟道内壁上，折叠形圆形钢板702对半折叠形成具有一定角度的V形结构，折叠形圆形钢板702两侧的翼边均同时穿过两根无缝钢管9，即折叠形圆形钢板702的折线垂直于无缝钢管9，折叠形圆形钢板702用于实现对烟气内的NH3/NOX驻涡混合，无缝钢管9用于加强折叠形圆形钢板702的结构强度。两根无缝钢管9和一块折叠形圆形钢板702组合成为一个一级高效混合元件701，一级高效混合装置7由若干个一级高效混合元件701按照一定排序组合形成。
上述中，一级高效混合装置7设置在喷氨格栅6上方的缘由是，一级高效混合装置7是以驻涡混合为机理的还原剂混合装置，通过融合喷氨格栅技术与驻涡混合技术，其能够大幅提高氨烟气混合质量，氨烟气混合质量的提高，不仅可以迅速降低氨逃逸量，其还可以节省催化剂耗量，当设计脱硝效率越高时，降低氨逃逸量的效果和节省催化剂耗量的节省效果会更加明显，更具体地说，当烟气流体上升至一级高效混合装置7布置位置处时，烟道截面减小，烟气流体经过一级高效混合装置时，只能从一级高效混合装置701的折叠形圆形钢板702迎风面的翼缘绕过，并在折叠形圆形钢板702的背风面区域形成低压区，烟气流体经过折叠形圆形钢板702后被吸向低压区，进而实现涡流混合，有效提高了氨烟气混合质量，原理如图5所示，烟气流体绕过折叠形圆形钢板702迎风面的翼缘时，折叠形圆形钢板702迎风面两侧的翼缘会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡，形成卡门涡街和漩涡状流动，进而具有强卷吸作用，由于边界层的存在，虽然烟道内非流线的物理结构的阻力大，但是可以增强流动的湍流程度，在还原剂混合过程中（氨烟气混合过程中），湍流扩散（涡流扩散）的强度要远高于分子扩散，进而在宏观表现为，大幅提高氨烟气混合质量。
更进一步地说，二级高效混合装置8包括无缝钢管9和圆形钢板802，圆形钢板802穿过无缝钢管9并内嵌固定在无缝钢管9上，以两块圆形钢板802为例，两块圆形钢板802穿过同一根无缝钢管9并内嵌在无缝钢管9上，如图6至图8所示，以此为一组二级高效混合元件801，二级高效混合元件801通过无缝钢管9固定在烟道内壁上，并使圆形钢板802的迎风面垂直于烟气流向的轴向方向，二级高效混合装置8由若干个二级高效混合元件801按照一定排序组合形成。
同理，二级高效混合装置8的作用与一级高效混合装置7的作用相似，在进口烟道1与顶部烟道3相交的转角处设置二级高效混合装置8的缘由在于，氨氮、烟气混合气流在直角烟道弯头处换向，分层严重，设置二级高效混合装置8后，可以增加氨氮、烟气的混合效果，起到事半功倍的作用。同时，氨氮、烟气混合气在直段内本來只有沿程阻力，局部阻力很小，若另外增加混合装置，局部阻力增加很大，而直角弯头处本來就有局部阻力，加二级高效混合装置8后，局部阻力会稍微增大或基本不变，从而在整体上使脱硝系统的整体阻力变化不大。
更进一步地说，在一级高效混合元件701中，每根无缝钢管9的迎风面上均固定有一根角钢10，由于脱硝装置一般布置于除尘器前，气流含尘量较高，对无缝钢管9具有很强的磨损能力，角钢10的设置可以保护无缝钢管9，增强无缝钢管9的防磨性能。
更进一步地说，折叠形圆形钢板702对半折叠形成具有120°角度的V形结构。在本发明中，120°的折角是最优折角，若折角大于120°，由于烟气含尘量较高，容易在折叠形圆形钢板702的背风面积灰，进而影响结构安全；若折角小于120°，则在折叠形圆形钢板702的背风面形成的低压区域变小，其实现的卷吸效果变弱，进而在提高氨烟气混合质量的效果上减弱。
更进一步地说，在二级高效混合装置8中，每根无缝钢管9的迎风面上均固定有一根角钢10，相应地，角钢10的设置是为了增强无缝钢管9的防磨性能。
更进一步地说，在二级高效混合装置8中，两个二级高效混合元件801为一组，在该组内，两根无缝钢管9之间设有条形钢板803，条形钢板803用于加固圆形钢板802和改善流场条件，如图7和图8所示，两根无缝钢管9之间固定连接有两根条形钢板803，条形钢板803的两端固定在圆形钢板802的背风面上。
更进一步地说，折叠形圆形钢板702和圆形钢板802均优先采用Q345-B材质的金属材料，其厚度优选为10mm，条形钢板的厚度优选为10mm，在一级高效混合装置7中，折叠形圆形钢板702的选择规则按照n=L/W+1,D≈0.65-0.75W进行参数选择，其中，n代表折叠形圆形钢板702的个数，D代表折叠形圆形钢板702的直径，进一步地，在二级高效混合装置8中，圆形钢板802的选择规则按照N=2n，D≈500-600mm进行选择，其中，N代表圆形钢板802的个数，D代表圆形钢板802的直径。按照上述选择规则得到的一级高效混合装置7和二级高效混合装置8结构最优，对氨烟气混合质量的提高效果最佳。
为了更好地说明本发明的技术效果，以下列举出本发明的具体实施例：
工程概况：改造SCR脱硝超低排放工程，改造2×600MW燃煤机组，入口NOX浓度400mg/Nm3，原设计效率80%，要求脱硝出口NOX浓度≤50 mg/Nm3，氨逃逸量≤3ppm，SO2/SO3转化率≤1.5%。
布置：双反应器，常规2+1布置，初装两层蜂窝催化剂，采用常规设计的方法，在喷氨格栅的上方设置常用的圆形涡流混合装置。
投入运行后，发现问题：初装两层催化剂，设计效率80%，性能达标，空预器检修周期控制在9个月左右，2014年底增加备用层催化剂提效，要求脱硝出口NOX浓度≤50 mg/Nm3，投运后，脱硝出口多处氨逃逸量超标，运行2个月后，空预器严重堵塞，测试表明，不同负荷条件下脱硝入口烟气的氮氧化物极不均匀，相差较大。
采用本发明的方案进行改造时，喷管数量和口径不变，将原圆形涡流混合装置更换为一级高效混合装置，在进口烟道与顶部烟道相交的转角处设置二级高效混合装置，并增加第三层催化剂，测试表明，并未出现上述改造后的问题，氨逃逸量达标，空预器未发生堵塞。经研究得到，一级高效混合装置提高了局部的湍流程度，进而促进了氨气与烟气混合，提高了对烟气来流NOX的调整能力，二级高效混合装置实现了氨气与烟气中氮氧化物的二次混合，进而进一步增加了氨氮、烟气的混合效果，在整体上，使改造后的SCR脱硝超低排放工程达到了设计要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种有助于脱硝混合的高效混合系统，包括设于进口烟道和顶部烟道内的高效混合系统，其特征在于，所述高效混合系统包括一级高效混合装置和二级高效混合装置，一级高效混合装置设于喷氨格栅的上方，二级高效混合装置设于进口烟道与顶部烟道相交的转角处，一级高效混合装置包括若干个一级高效混合元件，一级高效混合元件包括无缝钢管和折叠形圆形钢板，无缝钢管垂直固定在烟道内壁上，折叠形圆形钢板两侧的翼边均同时穿过无缝钢管并固定连接在无缝钢管上，二级高效混合装置包括多个二级高效混合元件，二级高效混合元件包括无缝钢管和圆形钢板，圆形钢板穿过无缝钢管并内嵌固定在无缝钢管上，圆形钢板通过无缝钢管固定在烟道内壁上。
2.如权利要求1所述的有助于脱硝混合的高效混合系统，其特征在于，一级高效混合元件包括两根平行设置的无缝钢管和一块折叠形圆形钢板，折叠形圆形钢板两侧的翼边均同时穿过两根无缝钢管。
3.如权利要求2所述的有助于脱硝混合的高效混合系统，其特征在于，折叠形圆形钢板对半折叠形成具有120°角度的V形结构。
4.如权利要求3所述的有助于脱硝混合的高效混合系统，其特征在于，在一级高效混合元件中，每根无缝钢管的迎风面上均固定设有一根角钢。
5.如权利要求4所述的有助于脱硝混合的高效混合系统，其特征在于，二级高效混合元件包括一根无缝钢管和两块圆形钢板，两块圆形钢板穿过同一根无缝钢管并内嵌在无缝钢管上，圆形钢板的迎风面垂直于烟气流向的轴向方向。
6.如权利要求5所述的有助于脱硝混合的高效混合系统，其特征在于，在二级高效混合装置中，两个二级高效混合元件为一组，在该组内，两根无缝钢管之间设有条形钢板，条形钢板用于加固圆形钢板。
7.如权利要求6所述的有助于脱硝混合的高效混合系统，其特征在于，在二级高效混合元件中，无缝钢管的迎风面上均固定有一根角钢。
8.如权利要求7所述的有助于脱硝混合的高效混合系统，其特征在于，折叠形圆形钢板和圆形钢板均采用Q345-B材质的金属材料，厚度为10mm。
9.如权利要求1-8之一所述的有助于脱硝混合的高效混合系统，其特征在于，折叠形圆形钢板的选择规则按照n=L/W+1,D≈0.65-0.75W进行参数选择，圆形钢板的选择规则按照N=2n，D≈500-600mm进行选择，其中，n代表折叠形圆形钢板的个数，D代表折叠形圆形钢板的直径，L代表安装位置处烟道的长度，W代表安装位置处烟道的直径， N代表圆形钢板的个数，D代表圆形钢板的直径。
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