CN109045967A - 一种用于燃气机组余热锅炉的喷氨混合一体化aig - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于燃气机组余热锅炉的喷氨混合一体化AIG，包括进气管、联箱、短接管、喷氨混合一体化装置；进气管与联箱相连，短接管非等间距的设置于联箱的一侧，短接管上设置有喷氨混合一体化装置；喷氨混合一体化装置包括喷气管、扰流装置和喷嘴，喷气管平行设置于短接管上，扰流装置和喷嘴非等间距设置于喷气管上。本发明的喷氨混合一体化AIG能够明显增强氨气与烟气的混合程度，大幅提升催化剂入口NH3/NOx摩尔比分布均匀性，改善催化剂入口烟气速度分布均匀性；显著缩短氨气与烟气充分混合所需的高度，解决了现有燃气机组余热锅炉预留的脱硝系统位置高度普遍偏小、氨气与烟气混合不充分，导致脱硝效率下降、氨逃逸增加的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种环保技术领域，尤其涉及一种用于燃气机组余热锅炉的喷氨混合一体化AIG。
背景技术
近年来气电装机容量的迅速扩充，加之燃气电厂主要位于经济发达、环境敏感区域，其环保问题已日益凸显。燃气轮机发电机组排放的大气污染物主要是NOx。为此，重点地区进一步降低了燃气轮机发电机组NOx排放限值，当地发电企业甚至要求下属燃气发电机组NOx排放浓度应低于5mg/m3。为实现该目标，除在燃机配装干式低氮燃烧器外，仍需继续采取余热锅炉SCR(Selective Catalytic Reduction，简称SCR)脱硝技术。SCR脱硝技术是指在280～420℃范围内，还原剂(如液氨、尿素和氨水等)在催化剂作用下，“有选择性”地与烟气中的NOx反应，生成无污染的N2和H2O的NOx减排技术。SCR脱硝技术已成熟应用于燃煤机组，燃气电厂应用较少，缺少相关技术规范和经验积累，在设计及运营中还存在诸多问题。例如，燃气机组余热锅炉预留的脱硝系统位置高度普遍偏小(约3～5m)，SCR烟气脱硝装置的氨喷射格栅(简称AIG，Ammonia Injection Grid)，AIG系统距离催化剂层较近，喷嘴喷出的氨气与烟气未得到充分混合便进入催化剂进行脱硝反应，导致脱硝效率下降、氨逃逸增加。此外，由于混合距离短，烟道内支撑结构如工字梁及AIG主管道都会对烟气和氨气的混合及催化剂入口烟气速度分布均匀性产生不良影响。
在燃气机组NOx近零排放(<5mg/m3)形势下，SCR烟气脱硝效率需提高到约90％，对催化剂入口的NH3/NOx摩尔比分布均匀性提出了很高的要求。NH3/NOx摩尔比分布均匀性与喷氨格栅处的气态NH3、烟气速度及NOx浓度分布有关，除做好喷氨格栅系统本体的多方向分区调节和足够多的喷嘴均匀喷射外，还需要改进喷氨格栅气氨喷射混合技术。目前燃煤机组的SCR脱硝装置有以下特点：1、喷氨格栅系统距离催化剂层较远，一般达10-15m，故喷出的氨气与烟气在烟道内有充分的混合时间；2、喷氨格栅通常在高度方向上分层布置，在宽度方向上均匀布置，设置的静态混合器通常也布置在喷氨格栅下游；3、由于氨气与烟气的混合距离长，烟道内尺寸较小的支撑结构和AIG主管道等不会对烟气和氨气的混合及催化剂入口烟气速度分布均匀性产生太大影响。而燃气机组余热锅炉预留的脱硝系统位置高度普遍偏小，喷氨格栅系统距离催化剂层较近，约为3-5m，喷出的氨气与烟气在烟道内的混合距离短，容易造成氨气与烟气混合不充分；且烟道内支撑结构(如工字梁)和AIG主管道等均会对烟气和氨气的混合及催化剂入口烟气速度分布均匀性产生不利影响。由于燃煤机组与燃气机组在结构上差异很大，现有技术中燃煤机组的SCR喷氨混合技术并不能适用于燃气机组，因此亟需研发针对燃气机组余热锅炉的SCR脱硝装置的喷氨混合一体化AIG。
发明内容：
本发明目的是提供了一种燃气机组余热锅炉的喷氨混合一体化AIG，解决了现有燃气机组余热锅炉预留的脱硝系统位置高度普遍偏小、喷嘴喷出的氨气与烟气混合不充分，导致脱硝效率下降、氨逃逸增加的问题；安装本方案的AIG系统后可有效提升催化剂入口氨氮摩尔比分布均匀性，并大幅改善催化剂入口烟气速度分布均匀性，从而提高脱硝效率。
为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于燃气机组余热锅炉的喷氨混合一体化AIG，其特征在于：包括进气管、联箱、短接管、喷氨混合一体化装置；所述进气管与所述联箱相连，连接部位以联箱中间为优，所述短接管非等间距的设置于所述联箱一侧，所述短接管上设置有所述喷氨混合一体化装置；所述喷氨混合一体化装置包括喷气管、扰流装置和喷嘴，所述喷气管平行设置于所述短接管上，所述扰流装置和所述喷嘴非等间距设置于所述喷气管上。通过将喷氨格栅和混合装置集成在一起，扰流装置和喷嘴设置在喷气管上且布置在同一高度，以及短接管和喷气管、喷气管上喷嘴的非等间距设置，大大缩短了喷氨及氨气与烟气充分混合所需的高度，有效的解决了燃气机组余热锅炉预留的脱硝系统位置高度普遍偏小、喷嘴喷出的氨气与烟气混合不充分的问题。将喷气管设置于短接管上、短接管非等间距设置于联箱上，是因为受工字梁的阻挡作用，烟气通过烟道时会有烟气流速分布不均的情况，即在工字梁附近流速低(则该区域所需喷氨量就少)，采用非等间距设置，增大工字梁附近喷嘴(或喷气管)间距，使该区域喷氨量相对减少。同理，联箱尺寸较大，受其阻碍作用，联箱下游附近烟气流速低，喷气管上喷嘴采用非等间距设置，增大联箱两侧的相邻喷嘴之间间距，亦使联箱下游附近区域喷氨量相对减少可有效提升到达催化剂上游烟气的氨氮摩尔比分布均匀性；再经过扰流装置扰乱烟气分布的作用，喷嘴喷出的氨气与烟气可在短距离内得到更充分、均匀的混合。
优选的，联箱两端通过工字梁固定于燃气机组余热锅炉烟道内，联箱及与其相连的进气管、短接管、喷氨混合一体化装置构成一个喷射单元，多个喷射单元呈矩阵式布置在烟道横截面上。每根进气管为一个喷射单元供氨，从而实现每个喷射单元可以单独控制喷氨量，更有利于供氨量的调节。
优选的，扰流装置固定在喷气管上，分布于喷嘴两侧，单个喷嘴两侧的扰流板大小和形状相同，对称布置。扰流装置固定在喷气管上并分布于喷嘴两侧,使得喷氨与混合过程有效结合到同一水平面，能显著增强喷嘴附近烟气的扰动，加强氨气与烟气的混合，大大缩短喷氨及氨气与烟气混合充分所需要的距离；单个喷嘴两侧的扰流板大小和形状相同，对称布置，有利于提高氨气与烟气的混合均匀性。
优选的，喷嘴开口方向与燃气机组烟道内的烟气流向相同。如此设置，可保证所喷出的氨气方向与烟气流向相同，保证二者混合更为充分，避免烟气压力堵塞喷嘴。
优选的，所述喷气管在所述联箱上非等间距布置，所述工字梁两侧的相邻喷气管之间间距为其它位置上相邻喷气管之间间距的1.3-1.7倍。受工字梁的影响，联箱两侧的工字梁附近烟气流速低，喷气管采用非等间距设置，是充分考虑到烟气分布特点后，对烟气流速分布的不均匀性采取的针对性设置，可有效提升催化剂入口氨氮摩尔比分布均匀性，减少氨逃逸。经过CFD数值模拟试验发现，受联箱两端固定装置工字梁的影响，烟气流速分布呈非均匀分布，工字梁附近的烟气流速较低。当两组喷嘴间距的比例处于1.3-1.7倍的比例范围时，有助于促进烟气与氨气的充分均匀混合，提高脱硝性能。
优选的，所述工字梁两侧的喷气管上的喷嘴数量低于其它位置的喷气管上的喷嘴数量。由于工字梁下游区域附近烟气流速低、需要喷氨量相对较少，因此将工字梁两侧的喷气管上的喷嘴数量设计得比其他位置处的喷嘴数量少；而其他位置的烟气流速高，对应的喷嘴数量多，有效的保证喷出的氨气与烟气的充分混合，是针对烟气流速分布的不均匀性针对性的设计。
优选的，所述喷嘴在所述喷气管上非等间距布置，所述联箱两侧的相邻喷嘴之间间距为其它位置上相邻喷嘴之间间距的1.2-1.3倍。受联箱的影响，联箱下游附近烟气流速低，喷嘴采用非等间距设置，是充分考虑到烟气分布特点后，对烟气流速分布的不均匀性采取的针对性设置。经过CFD数值模拟试验发现，当两组喷嘴间距的比例处于1.2-1.3倍的比例范围时，有助于促进烟气与氨气的充分均匀混合，提高脱硝性能。
优选的，扰流装置的截面形状为半圆形。针对不同形状扰流装置做了大量测试，发现烟气在经过截面形状为半圆形的扰流装置后，分布均匀性及与氨气混合更充分更均匀。
优选的，扰流装置在相邻喷嘴两侧的喷气管上按照指定角度交替错开设置，能充分扰乱烟气分布，提高氨气与烟气的混合均匀性和效率。
优选的，所述指定角度为相邻所述喷嘴两侧的扰流装置分别与烟道内烟气流向呈50～65°和-50～65°交替布置。经过前期大量试验结果发现，当扰流装置与烟气流向呈50～65°和-50～65°交替错开时，能在有效提高氨气与烟气的混合效率的同时，降低烟气阻力，达到更节能高效的作用。
优选的，还包括与所述进气管相连的外部调节阀，每个所述外部调节阀控制一个所述喷射单元的喷嘴的喷氨量。通过设置控制阀，可以根据烟气流量实时调节喷氨量，保证氨气与烟气之间的比例范围和充分混合，并改善催化剂入口烟气速度分布均匀性，进而提高脱硝效率；增加本AIG系统的可调节性和实用性。
本发明的技术方案具有以下有益技术效果：
1、本方案通过将喷氨格栅和混合装置进行集成且布置在同一高度，以及短接管和喷气管、喷气管上喷嘴的非等间距设置，显著缩短了喷氨及氨气与烟气充分混合所需的高度，有效克服了燃气机组余热锅炉预留的脱硝系统位置高度普遍偏小的问题；
2、本方案根据烟气分布特点，将喷嘴按照非等间距布置，扰流装置按照指定角度交替错开设置于喷嘴两侧，经过扰流装置的作用，喷嘴喷出的氨气与烟气在短距离内得到更充分、均匀的混合，SCR脱硝系统催化剂入口处的NH3/NOx摩尔比分布均匀性显著提高，提高了脱硝效率，减少了氨逃逸；
3、本方案的喷氨混合一体化AIG有效节约能源与成本，且本方案AIG系统可以进行调节、实用性强，对于我国开展燃气机组的深度低氮改造工作具有较好的实用价值。
附图说明
从以下结合附图的描述可以进一步理解本发明。图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在示出实施例的原理上。在图中，在不同的视图中，相同的附图标记指定对应的部分。
图1是本发明喷氨混合一体化AIG的结构示意图；
图2是图1中喷氨混合一体化AIG的主视图；
图3是图1中喷氨混合一体化AIG的俯视图；
附图中的标记为：1-进气管、2-联箱、3-短接管、4-喷氨混合一体化装置、5-喷气管、51-工字梁两侧喷气管、52-非工作梁两侧喷气管、6-喷嘴、7-扰流板、8-工字梁。
具体实施方式
现参照说明书及其附图来阐述本发明的选定实施例，本领域技术人员根据本公开的本发明的实施例的下属说明仅是示例性的，并不是为了限制本发明的方案。
实施例
参见示意图1所示的用于燃气机组余热锅炉的喷氨混合一体化AIG的结构示意图，包括进气管1、联箱2、短接管3、喷氨混合一体化装置4。进气管1设置于联箱2一侧；短接管3非等间距的设置于联箱2上与进气管1相对的另一侧，短接管3与联箱2连通；每个短接管3上均设置有喷氨混合一体化装置4；联箱2及与其相连的进气管1、短接管3、喷氨混合一体化装置4构成一个喷射单元，多个喷射单元呈矩阵式布置在烟道横截面上(图1中只示意了一个喷射单元)。联箱2两端通过工字梁8固定于燃气机组余热锅炉烟道内，氨气通过进气管1进入喷射单元的短接管3，再通过喷氨混合一体化装置4喷射到余热锅炉烟道内。
参见示意图2所示，喷氨混合一体化装置4包括喷气管5、扰流装置7和喷嘴6，喷气管5平行设置于短接管3上，扰流装置7和喷嘴6非等间距设置于喷气管5上。扰流装置7的截面形状是半圆形，单个喷嘴6两侧的扰流装置7在喷气管5上呈对称设置，且按照与烟气流向呈夹角为60°和-60°的角度进行交替错开布置。将喷气管平行设置于短接管上，扰流装置和喷嘴非等间距设置于喷气管上，使得喷氨格栅和混合装置集成在一起，布置在同一高度；扰流装置扰动烟气，使喷嘴喷出的氨气与烟气在短距离内得到更充分、均匀的混合，大大提高了脱硝效率，减少了氨逃逸。在其他实施例中，在喷嘴6两侧的喷气管5上按照与烟气流向呈50°和-50°交替错开设置或65°和65°交替错开设置。经过前期试验统计发现，当扰流装置与烟气流向呈50～65°和-50～65°交替错开时，能在有效提高氨气与烟气的混合效率的同时，降低烟气阻力，达到更节能高效的作用。
参见示例图3，喷气管5在联箱2上为非等间距布置，工字梁两侧喷气管51之间间距为346mm，非工字梁两侧喷气管52之间间距为250mm；单个的工字梁两侧喷气管51上喷嘴6数量为12个，单个的工字梁两侧喷气管52上喷嘴6数量为14个。经过前期CFD数值模拟试验发现，在工字梁的下游区域烟气流速较低，未被工字梁遮挡区域的烟气流速较高，因此工字梁两侧的喷气管间距需大于非工字梁两侧喷气管间距，且工字梁两侧的喷气管上喷嘴数量需低于非工字梁两侧喷气管上喷嘴数量。通过CFD数值模拟试验发现，工字梁两侧的相邻喷气管之间间距为非工字梁两侧喷气管之间间距的1.3-1.7倍，有利于烟气和氨气的充分均匀混合，从而提高脱硝效率，减少氨逃逸。
参见示意图3，喷嘴6在平面内为非等间距布置，工字梁两侧喷气管51上联箱2两侧的相邻喷嘴6距离为370mm，其余位置的相邻喷嘴6之间间距为283mm；非工字梁两侧喷气管52上联箱2两侧的相邻喷嘴6距离为306mm，其余位置的相邻喷嘴6之间间距为245mm，喷嘴孔径为4mm。扰流装置7的截面形状是半圆形，两块半圆形在喷嘴6两侧的喷气管5上对称设置。经过前期CFD数值模拟试验发现，在联箱下游区域烟气流速较低，未被联箱遮挡区域的烟气流速较高，因此联箱两侧喷嘴间间距需大于非联箱两侧喷嘴间距，也即喷嘴在喷气管上采用非等间距布置。通过CFD数值模拟试验发现，联箱两侧的相邻喷嘴之间间距为其它位置上相邻喷嘴之间间距的1.2-1.3倍时，有利于烟气和氨气的充分均匀混合，从而提高脱硝效率，减少氨逃逸。在本实施例中，短接管3的长度为100mm，扰流装置7的截面形状是半径为150mm的半圆形。CFD数值模拟试验发现，扰流装置的截面半径设置为150mm，烟气与氨气混合的充分性与烟气阻力处于最佳的平衡点，从而能达到更节能高效的作用。在其他实施例中，可以根据AIG系统各组件大小及烟气流速具体设计扰流装置的形状及大小。
本实施例中，工字梁两侧喷气管51之间间距为346mm，非工字梁两侧喷气管52之间间距为250mm。工字梁两侧喷气管51上联箱2两侧的相邻喷嘴6距离为370mm，其余位置的相邻喷嘴6之间间距为283mm；非工字梁两侧喷气管52上联箱2两侧的相邻喷嘴6距离为306mm，其余位置的相邻喷嘴6之间间距,为245mm。喷嘴6喷出的氨气流向与烟道内的烟气流向相同，喷嘴6的孔径设置为4mm。计算可知，工字梁两侧喷气管51之间间距约为非工字梁两侧喷气管52之间间距的1.4倍，工字梁两侧喷气管51上联箱2两侧的相邻喷嘴6之间间距为其它位置喷嘴6间距的1.3倍，非工字梁两侧喷气管52上联箱2两侧的相邻喷嘴6之间间距为其它位置喷嘴6间距的1.2倍。在其他实施例中，联箱上喷气管之间的间距以及喷气管上喷嘴之间的间距可以设置为其他数值，扰流装置的截面半径也需根据喷嘴间的距离做适当调整。
本实施例中的喷氨混合一体化AIG还设有外部调节阀(图中未示意)，外部调节阀控制进气管和喷嘴的氨气量。每个喷射单元的喷嘴6由一根进气管1供氨，并由外部调节阀控制，每个调节阀控制一个喷射单元喷嘴6的喷氨量。这样设置，可以根据烟气流量实时调节喷氨量，保证氨气与烟道内烟气之间的比例范围和充分混合，改善催化剂入口烟气速度分布均匀性，进而提高脱硝效率；增加了本AIG系统的调节性和实用性。
本实施例中喷氨混合一体化AIG的工作原理和工作过程介绍如下：
1、将用于燃气机组余热锅炉的喷氨混合一体化AIG设置在余热锅炉烟道内，使喷嘴呈矩阵式非等间距布置在烟道横截面上，每个喷嘴两侧的位置均设置扰流板；
2、启动燃气机组和AIG系统，烟道中烟气受工字梁和AIG主管道影响流速发生非均匀性分布，氨气从喷氨混合一体化AIG的喷嘴喷出，扰流装置充分扰乱烟气分布，提高氨气与烟气的混合均匀性；
3、根据烟道中烟气的流速变化，调节外部调节阀控制对应喷射单元喷嘴的喷氨量，实时控制调整喷氨量，进而控制SCR脱硝催化剂上游的烟气流场的各项性能指标，最终达到最佳的脱硝效果。
以下为分别使用某燃气机组电厂的2个对比AIG系统与本发明中的SCR喷氨混合一体化AIG系统进行SCR烟气脱硝数值模拟试验，统计SCR脱硝系统催化剂上游的烟气流场的各项性能指标，统计结果如表1所示。
表1不同AIG系统的烟气流场性能指标统计数据
其中，对比例1与实施例对比区别在于，对比例1未采用喷氨混合一体化装置中的扰流装置，短接管、喷气管和喷嘴采用等间距设置；对比例2与实施例对比区别在于，对比例2未采用喷氨混合一体化装置中的扰流装置。
从表1可以看出，对比例1中多个短接管、喷气管和喷嘴采用等间距设置，其NH3/NOx摩尔比分布相对标准偏差明显大于对比例2和实施例。对比例2中对多个短接管、喷气管和喷嘴采用了非等间距设置，但是没有设置扰流装置，其速度分布相对标准偏差和NH3/NOx摩尔比分布相对标准偏差均大于实施例的数据。
以上对比数据显示，采用本实施例的AIG系统，整个催化剂上游烟道内的烟气分布更为均匀，氨气与烟气混合更充分。说明对多个短接管、喷气管和喷嘴采用非等间距设置，并安装扰流装置，可以在大大缩短喷氨及氨气与烟气混合充分所需要距离的同时，大幅提升催化剂入口NH3/NOx摩尔比分布均匀性和烟气速度分布均匀性；从而解决燃气机组余热锅炉预留的脱硝系统位置高度普遍偏小的问题，大大提高了燃气机组的脱硝效率，减少了氨逃逸。
最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所述领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或等同替换，但以上变更、修改或等同替换，均在本申请的待授权或待批准之权利要求保护范围之内。
Claims (11)
1.一种用于燃气机组余热锅炉的喷氨混合一体化AIG，其特征在于：包括进气管、联箱、短接管、喷氨混合一体化装置；所述进气管与所述联箱相连，所述短接管非等间距的设置于所述联箱的一侧，所述短接管上设置有所述喷氨混合一体化装置；所述喷氨混合一体化装置包括喷气管、扰流装置和喷嘴，所述喷气管平行设置于所述短接管上，所述扰流装置和所述喷嘴非等间距设置于所述喷气管上。
2.根据权利要求1所述的用于燃气机组余热锅炉的喷氨混合一体化AIG，其特征在于：所述联箱两端通过工字梁固定于燃气机组余热锅炉烟道内，所述联箱及与其相连的所述进气管、短接管、喷氨混合一体化装置构成一个喷射单元，多个所述喷射单元呈矩阵式布置在烟道横截面上。
3.根据权利要求1所述的用于燃气机组余热锅炉的喷氨混合一体化AIG，其特征在于：所述扰流装置固定在所述喷嘴两侧的喷气管上，单个所述喷嘴两侧的扰流板大小和形状相同。
4.根据权利要求书3所述的用于燃气机组余热锅炉的喷氨混合一体化AIG，其特征在于：所述喷嘴开口方向与燃气机组烟道内的烟气流向相同。
5.根据权利要求书4所述的用于燃气机组余热锅炉的喷氨混合一体化AIG，其特征在于：所述喷气管在所述联箱上非等间距布置，所述工字梁两侧的相邻喷气管之间间距为其它位置上相邻喷气管之间间距的1.3-1.7倍。
6.根据权利要求书1所述的用于燃气机组余热锅炉的喷氨混合一体化AIG，其特征在于：所述工字梁两侧的喷气管上的喷嘴数量低于其它位置的喷气管上的喷嘴数量。
7.根据权利要求书1所述的用于燃气机组余热锅炉的喷氨混合一体化AIG，其特征在于：所述喷嘴在所述喷气管上非等间距布置，所述联箱两侧的相邻喷嘴之间间距为其它位置上相邻喷嘴之间间距的1.2-1.3倍。
8.根据权利要求书1所述的用于燃气机组余热锅炉的喷氨混合一体化AIG，其特征在于：所述扰流装置的截面形状为半圆形。
9.根据权利要求书8所述的用于燃气机组余热锅炉的喷氨混合一体化AIG，其特征在于：所述扰流装置在相邻所述喷嘴两侧的喷气管上按照指定角度交替错开设置。
10.根据权利要求书9所述的用于燃气机组余热锅炉的喷氨混合一体化AIG，其特征在于：所述指定角度为相邻所述喷嘴两侧的扰流装置分别与烟道内烟气流向呈50～65°和-50～65°交替布置。
11.根据权利要求书1所述的用于燃气机组余热锅炉的喷氨混合一体化AIG，其特征在于：还包括与所述进气管相连的外部调节阀，每个所述外部调节阀控制一个所述喷射单元喷嘴的喷氨量。
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