CN109173635B - 变径喷氨格栅管道系统及带有该管道系统的scr脱硝装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变径喷氨格栅管道系统及带有该管道系统的SCR脱硝装置，所述管道系统包括供氨管路和喷氨管路，所述喷氨管路包括渐缩式喷管主管，所述供氨管路与所述渐缩式喷管主管连接，所述渐缩式喷管主管包括多个喷氨主管段，多个所述喷氨主管段的管径由靠近所述供氨管路侧向远离侧依次减小，相邻两个喷氨主管段间通过变径连接管连接。所述SCR脱硝装置包括气体混合装置和SCR反应器，所述气体混合装置的出口与所述SCR反应器的入口相连接；所述气体混合装置包括所述变径喷氨格栅管道系统。本发明方案通过管道结构与尺寸的设计，实现了喷氨格栅管道内流场与烟道内流场特性的一致。
Description
技术领域
本发明涉及选择性催化反应(Selective Catalyst Reactive，SCR)脱硝氨氮均匀混合领域，具体涉及一种变径喷氨格栅管道系统及带有该管道系统的SCR脱硝装置。
背景技术
SCR烟气脱硝技术是目前应用最广泛的烟气脱硝技术之一，具有脱硝效率高、选择性好、运行稳定可靠等优点。国内电厂SCR系统入口烟道结构在横向方向上具有向一侧倾斜或扩宽的特性，有从水平到竖直转换的90°拐角，这些结构导致入口烟道内烟气流场在横向与纵向方向上具有不均匀性，尤其是靠近锅炉一侧的入口烟道壁面0-0.6m区域内烟气流速变化急剧，要实现装置内氨与氮氧化物的均匀混合，必须要求喷氨格栅系统具备区域不同喷氨量的调节能力，同时又要具备单根喷氨支管上各个喷嘴均匀喷氨的能力。而现有技术与研究的重心在于加强喷氨后氨与氮氧化物的区域性混合，如涡流混合器、混合格栅等。实践中还存在另一问题：即使喷氨主管上的起始端喷氨支管调节阀开度为100％时，支管内流量也没有末端喷氨支管调节阀开50％时的大(不同管径比值，出现的情况可能略有差异)，这是由于喷氨格栅主管上喷氨支管的分流效应，导致喷氨格栅主管内静分布呈逐渐增大趋势，进而引起支管内流量分布的不一致性。这些问题的存在导致在进行喷氨调整时阀门开度调节极为方便，也增加了实现装置内氨与氮氧化物均匀性混合的难度。既使在喷氨支管上装配压差流量计，喷氨量分布调整实现装置内氨与氮氧化物的均匀性混合，也会出现调阀开度差异性巨大的奇怪现象；若喷氨支管上没有压差流量计，而依据入口烟道内流速分布来调节对应支管阀门开度，则无法实现氨与氮氧化物的均匀性混合。
有相关研究表明：由于烟气的不均匀分布，需要进行不均匀喷氨，可以通过喷氨格栅对烟道截面进行分区域控制。现有技术中多数研究都忽略了喷氨格栅支管内的流场分布，多数研究将支管上所有喷嘴以均匀喷氨处理，而实践中要使喷氨支管上各个喷嘴进行均匀喷氨需要满足特定的条件，同时，也缺乏针对入口烟道内近锅炉侧区域烟气速度小但变化剧烈特性而进行的喷氨格栅特性结构设计。中国实用新型专利CN203208900U公开了一种动态喷氨格栅，该装置将喷氨区域划分为大小相同的至少一个控制区域，并通过喷嘴下方叶片单元体的不定向晃动来增强NH3与烟气的混合。然而该专利方案而仅能在一定程度上实现将烟气混匀的效果，因此，仍需对喷氨格栅的管道结构进行改进，以获得更好的混合效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种烟气混合效果更好的变径喷氨格栅管道系统及带有该管道系统的SCR脱硝装置，本发明方案尤其适用于入口烟道内横向与纵向烟气流场不均匀的现象。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种变径喷氨格栅管道系统，包括供氨管路和喷氨管路，所述喷氨管路包括渐缩式喷管主管，所述供氨管路与所述渐缩式喷管主管连接，所述渐缩式喷管主管包括多个喷氨主管段，多个所述喷氨主管段的管径由靠近所述供氨管路侧向远离侧依次减小，相邻两个喷氨主管段间通过变径连接管连接。
进一步地，所述喷氨主管段的管径满足以下关系式：
D1/Da＝[n/(n-a+1)]0.5
式中，所述D1为第1个喷氨主管段的管径，所述Da为喷氨主管第a段的管径；n为渐缩式喷氨主管的总段数；a和n均为大于1的整数且a≤n，以最靠近供氨管路的喷氨主管段为第1个。
进一步地，所述供氨管路包括供氨管、至少一根供氨分管、至少一根纯氨支管和稀释风管，所述供氨分管与所述供氨管连接且部分伸入所述稀释风管内，所述纯氨支管均匀分配在所述供氨分管上且不同供氨分管上的纯氨支管交错分布在所述稀释风管内。
优选地，每根所述纯氨支管上至少开设有一个纯氨喷嘴，所述纯氨喷嘴的管径Φ3满足以下关系式：
(V/x/15/3.14)0.5<Φ3<(V/x/30/3.14)0.5
式中，V为额定工况下供氨总流量，x为纯氨喷嘴的总数。
优选地，所述纯氨喷嘴的喷气方向正对稀释风流动方向。
进一步地，所述喷氨管路还包括与所述渐缩式喷氨主管连接的喷氨支管，所述喷氨支管包括至少一根单分支喷氨支管和至少一根双分支喷氨支管，所述单分支喷氨支管和双分支喷氨管均由靠近渐缩式喷氨主管的一侧向外延伸；同一喷氨主管段上的单分支喷氨支管均位于所述双分支喷氨支管内侧。
进一步地，第a个喷氨主管段的管径Da与连接在该喷氨主管段上的双分支喷氨支管管径d2满足以下关系式：Da/d2≥3，式中，a为整数且1<a≤渐缩式喷氨主管的总段数。
进一步地，所述单分支喷氨支管管径小于所述双分喷氨支管管径；优选地，所述单分支喷氨支管管径d1和双分支喷氨支管管径d2满足以下关系式：d2/d1≥20.5；更优选地，4cm≤d1≤8cm。
优选地，同一喷氨主管段内单分支喷氨支管为一根。
进一步地，每根所述单分支喷氨支管和每根所述双分支喷氨支管上分别设有至少一个喷氨嘴。
进一步地，所述单分支喷氨支管的管径d1与位于该单分支喷氨支管的喷氨嘴管径Φ1与相应的满足以下关系式：d1/Φ1≥3。
进一步地，所述单分支喷氨支管的管径d2与位于该单分支喷氨支管的喷氨嘴管径Φ2与相应的满足以下关系式：d2/Φ2≥3。
本发明的有益效果在于：采用本发明方案的管道结构能实现喷氨主管内静压强一致、对近壁面特性流场区域进行单独喷氨且能对单支管控制区域内进行均匀喷氨，以利于实现SCR装置内NH3与烟气的均匀混合及喷氨调整；本发明方案采用的渐缩式喷氨主管，其管径逐渐缩小，既实现了喷氨主管内静压的一致，又消除了在各喷氨支管调节阀开度统一的情况下，喷氨主管起始端与末端支管流量差距大的现象，使得控制喷氨量控制与调整操作更为便利。
本发明还包括一种带有上述变径喷氨格栅管道系统的SCR脱硝装置，其特征在于：所述SCR脱硝装置包括气体混合装置和SCR反应器，所述气体混合装置的出口与所述SCR反应器的入口相连接；所述变径喷氨格栅管道系统位于所述气体混合装置中。
本发明的有益效果在于：本发明方案的SCR脱硝装置具有气体混合操作简便且混合效果好等优点。
附图说明
图1是本发明实施例的变径喷氨格栅管道系统的结构示意图；
图2为图1中喷氨主管A-A截面结构示意图。
图3为本发明实施例的喷氨支管结构示意图。
标号说明：1、稀释风管；2、供氨管；3、供氨分管；4、纯氨支管；5、纯氨喷嘴；6、渐缩式喷氨主管；7、变径连接管；8、单分支喷氨支管；9、双分支喷氨支管；10、单分支喷氨支管喷氨嘴；11、双分支喷氨支管喷氨嘴。
符号说明：D1、渐缩式喷氨主管第1段管径；D2、渐缩式喷氨主管第2段管径；Dn-1、渐缩式喷氨主管第n-1段管径；Dn、渐缩式喷氨主管第n段管径；d1、单分支喷氨支管管径；d2、双分支喷氨支管管径；Φ1、单分支喷氨支管喷嘴管径；Φ2、双分支喷氨支管喷嘴管径；Φ3、纯氨喷嘴管径。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
一种变径喷氨格栅管道系统，包括供氨管路和喷氨管路，所述喷氨管路包括渐缩式喷管主管，所述供氨管路与所述渐缩式喷管主管连接，所述渐缩式喷管主管包括多个喷氨主管段，多个所述喷氨主管段的管径由靠近所述供氨管路侧向远离侧依次减小，相邻两个喷氨主管段间通过变径连接管连接。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：采用本发明方案的管道结构能实现喷氨主管内静压强一致、对近壁面特性流场区域进行单独喷氨且能对单支管控制区域内进行均匀喷氨，以利于实现SCR装置内NH3与烟气的均匀混合及喷氨调整；本发明方案采用的渐缩式喷氨主管，其管径逐渐缩小，既实现了喷氨主管内静压的一致，又消除了在各喷氨支管调节阀开度统一的情况下，喷氨主管起始端与末端支管流量差距大的现象，使得控制喷氨量控制与调整操作更为便利。
进一步地，所述喷氨主管段的管径满足以下关系式：
D1/Da＝[n/(n-a+1)]0.5
式中，所述D1为第1个喷氨主管段的管径，所述Da为喷氨主管第a段的管径；n为渐缩式喷氨主管的总段数；a和n均为大于1的整数且a≤n，以最靠近供氨管路的喷氨主管段为第1个。
进一步地，所述供氨管路包括供氨管、至少一根供氨分管、至少一根纯氨支管和稀释风管，所述供氨分管与所述供氨管连接且部分伸入所述稀释风管内，所述纯氨支管均匀分配在所述供氨分管上且不同供氨分管上的纯氨支管交错分布在所述稀释风管内。
优选地，每根所述纯氨支管上至少开设有一个纯氨喷嘴，所述纯氨喷嘴的管径Φ3满足以下关系式：
(V/x/15/3.14)0.5<Φ3<(V/x/30/3.14)0.5
式中，V为额定工况下供氨总流量，x为纯氨喷嘴的总数。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：通过本发明方案比例关系的喷氨支管管径与喷嘴管径配合，能实现喷氨支管上喷嘴间流量的一致性，消除同一喷氨支管上喷嘴间喷氨流量差异性大的现象。
优选地，所述纯氨喷嘴的喷气方向正对稀释风流动方向。
进一步地，所述喷氨管路还包括与所述渐缩式喷氨主管连接的喷氨支管，所述喷氨支管包括至少一根单分支喷氨支管和至少一根双分支喷氨支管，所述单分支喷氨支管和双分支喷氨管均由靠近渐缩式喷氨主管的一侧向外延伸；同一喷氨主管段上的单分支喷氨支管均位于所述双分支喷氨支管内侧。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：同一管径上的喷氨支管依照距离锅炉侧的远近次序进行布置，使得喷氨支管喷氨量与烟道内流场分布更好的相适应。
第a个喷氨主管段的管径Da与连接在该喷氨主管段上的双分支喷氨支管管径d2满足以下关系式：Da/d2≥3，式中，a为整数且1<a≤渐缩式喷氨主管的总段数。
进一步地，所述单分支喷氨支管管径小于所述双分喷氨支管管径；优选地，所述单分支喷氨支管管径d1和双分支喷氨支管管径d2满足以下关系式：d2/d1≥20.5；更优选地，4cm≤d1≤8cm。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：采用本发明方案管径比例关系对支管结构进行分区设计，既符合入口烟道内区域流场特性，又可实现对同一控制区域的均匀喷氨，能够便利地调整与控制各个区域内的喷氨量分布，采用本发明方案管道结构可使得装置区域内NH3与NOx混合比例的相对标准偏差小于8％，优于常规设计要求的15％。
优选地，同一喷氨主管段内单分支喷氨支管为一根。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：针对近壁面区域入口烟道内近锅炉侧区域烟气速度小但变化剧烈，将通过一根单分支喷氨支管控制该区域喷氨量即可。
进一步地，每根所述单分支喷氨支管和每根所述双分支喷氨支管上分别设有至少一个喷氨嘴。
进一步地，所述单分支喷氨支管的管径d1与位于该单分支喷氨支管的喷氨嘴管径Φ1与相应的满足以下关系式：d1/Φ1≥3。
进一步地，所述单分支喷氨支管的管径d2与位于该单分支喷氨支管的喷氨嘴管径Φ2与相应的满足以下关系式：d2/Φ2≥3。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：空间上交错布置纯氨支管与均匀布置的纯氨喷嘴，实现稀释风管内氨气与空气的均匀混合，通过对喷嘴管径的控制，起到调节纯氨管道内的压力稳定的作用。
本发明还包括一种带有上述变径喷氨格栅管道系统的SCR脱硝装置，其特征在于：所述SCR脱硝装置包括气体混合装置和SCR反应器，所述气体混合装置的出口与所述SCR反应器的入口相连接；所述变径喷氨格栅管道系统位于所述气体混合装置中。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：本发明方案的SCR脱硝装置具有气体混合操作简便且混合效果好等优点。
本发明方案实施例一为：一种变径喷氨格栅管道系统，如图1所示，包括供氨管路和喷氨管路，所述供氨管路包括供氨分管3和纯氨支管4，所述供氨分管3与供氨管2相连；所述纯氨支管4均匀分配在供氨分管3上，且交错分布在稀释风管1内，如图2所示，纯氨支管4上均匀开设有十个纯氨喷嘴5。所述纯氨喷嘴的管径Φ3满足以下关系式：(V/10/15/3.14)0.5<Φ3<(V/10/30/3.14)0.5，其中V＝300m3/h。所述喷氨管路包括渐缩式喷氨主管6、变径连接管7、单分支喷氨支管8和双分支喷氨支管9，渐缩式喷氨主管6上不同管径段通过变径连接管7连接；所述单分支喷氨支管上设有单分支喷氨支管喷氨嘴10，所述双分支喷氨支管上设有双分支喷氨支管喷氨嘴11。
管径Dn大小间的关系通过公式：D1＝[n/(n-1)]0.5×D2＝[n/(n-2)]0.5×D3＝[n/[n-(n-2)]]0.5×Dn-1＝[n/[n-(n-1)]]0.5×Dn来确定，其中，D1＝52cm，n＝6。同一管径上，喷氨支管控制区域距锅炉侧越远，其与喷氨主管的连接位置越靠后，如图3所示，喷氨支管管道在喷氨嘴下方相互连接，且连接位处于中间两个喷氨嘴的中间区域，单分支喷氨支管8控制近锅炉侧壁面区域的喷氨，其它区域由“工字型”双分支喷氨支管9控制，喷氨主管管径Dn与双分支喷氨支管管径d2满足以下关系式Dn/d2＝3，双分支喷氨支管9的管径d2与单分支喷氨支管8的管径d1间满足以下关系式，d2/d1＝20.5，d1＝5cm。喷氨支管上喷氨嘴的喷气方向与烟道内烟气流动方向一致，单分支喷氨支管喷氨嘴10管径Φ1与单分支喷氨支管8的管径d1间满足以下关系式：d1/Φ1＝3，双分支喷氨支管喷嘴12管径Φ2与单分支喷氨支管9的管径d2间满足以下关系式：d2/Φ2＝3。喷氨支管间距W在30-50cm间，喷氨支管与壁面的间距为1/2×W，喷嘴间距L在20-30cm间。
本发明的工作原理如下：
NH3通过纯氨支管4上均匀布置的纯氨喷嘴5均匀喷入稀释风管1，交错布置的纯氨支管4通过增强区域湍流强度促进NH3与空气的混合，通过纯氨喷嘴5的数量与管径Φ3的大小联合控制NH3喷入时的压降，促进供氨调节阀开度变化时供氨管2内压强的稳定性。渐缩式喷氨主管6上不同管段管径的定量设计，大大减弱了渐缩式喷氨主管6内流体流速的差异性，实现了渐缩式喷氨主管6内静压的一致性，进而促进不同区域喷氨支管在同一支管调门开度下其管内流速一致性的实现。靠近所述渐缩式喷氨主管的一侧为锅炉侧，远离侧为SCR反应器侧，单分支喷氨支管8控制近锅炉侧烟道壁面0-0.6m区域的喷氨量，由于入口烟道90°拐角导致该区域烟气速度小且变化剧烈，若与其它区域一样用双分支喷氨支管9来控制喷氨量，会因为其控制区域烟气流速差异大而导致喷氨量控制难、区域间NH3与烟气不均匀性混合现象。喷嘴直径与喷氨支管管径间的大小比例关系，促进同一喷氨支管各个喷嘴流量的一致性，实现单根支管对控制区域进行均匀喷氨。
所述变径喷氨格栅管道结构主要包括喷氨主管内均匀布置的纯氨喷嘴、管径逐渐缩小的喷氨主管、按序分布、不同结构与尺寸的喷氨支管以及喷氨支管上与管径成一定比例的喷氨嘴；所述变径喷氨主管用来实现主管内静压的一致性，所述纯氨喷嘴用来促使氨与空气的均匀混合与稳定纯氨管内流量调节的稳定性，所述支管结构用于更好地实现烟道内氨与氮氧化物的均匀混合。本发明实现了喷氨格栅管道内流场的均一性与区域不均匀喷氨调节的可能性。该方案对应装置区域内NH3与NOx混合比例的标准误差小于5％。
本发明方案实施例二为：一种变径喷氨格栅管道系统，如图1所示，包括供氨管路和喷氨管路，所述供氨管路包括供氨分管3和纯氨支管4，所述供氨分管3与供氨管2相连；所述纯氨支管4均匀分配在供氨分管3上，且交错分布在稀释风管1内，如图2所示，纯氨支管4上均匀开设有十个纯氨喷嘴5。所述纯氨喷嘴的管径Φ3满足以下关系式：(V/10/15/3.14)0.5<Φ3<(V/10/30/3.14)0.5，其中V＝200m3/h。所述喷氨管路包括渐缩式喷氨主管6、变径连接管7、单分支喷氨支管8和双分支喷氨支管9，渐缩式喷氨主管6上不同管径段通过变径连接管7连接；所述单分支喷氨支管上设有单分支喷氨支管喷氨嘴10，所述双分支喷氨支管上设有双分支喷氨支管喷氨嘴11。
管径Dn大小间的关系通过公式：D1＝[n/(n-1)]0.5×D2＝[n/(n-2)]0.5×D3＝[n/[n-(n-2)]]0.5×Dn-1＝[n/[n-(n-1)]]0.5×Dn来确定其中，D1＝47cm，n＝5。同一管径上，喷氨支管控制区域距锅炉侧越远，其与喷氨主管的连接位置越靠后，如图3所示，喷氨支管管道在喷氨嘴下方相互连接，且连接位处于中间两个喷氨嘴的中间区域，单分支喷氨支管8控制近锅炉侧壁面区域的喷氨，其它区域由“工字型”双分支喷氨支管9控制，喷氨主管管径Dn与双分支喷氨支管管径d2满足以下关系式Dn/d2＝3，双分支喷氨支管9的管径d2与单分支喷氨支管8的管径d1间满足以下关系式，d2/d1＝20.5，d1＝5cm。喷氨支管上喷嘴方向与烟道内烟气流动方向一致，单分支喷氨支管喷氨嘴10管径Φ1与单分支喷氨支管8的管径d1间满足以下关系式：d1/Φ1＝3，双分支喷氨支管喷嘴12管径Φ2与单分支喷氨支管9的管径d2间满足以下关系式：d2/Φ2＝3。喷氨支管间距W在30-50cm间，喷氨支管与壁面的间距为1/2×W，喷嘴间距L在20-30cm间。该方案对应装置区域内NH3与NOx混合比例的标准误差小于7％。
综上所述，本发明方案提供的一种变径喷氨格栅管道系统及带有该管道系统的SCR脱硝装置，通过管道结构与尺寸的设计，实现了喷氨格栅管道内流场与烟道内流场特性的一致；通过横向与纵向的分区域控制以及近锅炉侧烟道壁面区域的特性结构控制，实现了对烟道截面各个区域内喷氨量的准确与可调性控制。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种变径喷氨格栅管道系统，其特征在于：包括供氨管路和喷氨管路，所述喷氨管路包括渐缩式喷氨主管，所述供氨管路与所述渐缩式喷氨主管连接，所述渐缩式喷氨主管包括多个喷氨主管段，多个所述喷氨主管段的管径由靠近所述供氨管路侧向远离侧依次减小，相邻两个喷氨主管段间通过变径连接管连接；所述供氨管路包括供氨管、至少一根供氨分管、至少一根纯氨支管和稀释风管，所述供氨分管与所述供氨管连接且部分伸入所述稀释风管内，所述纯氨支管均匀分配在所述供氨分管上且不同供氨分管上的纯氨支管交错分布在所述稀释风管内；每根所述纯氨支管上至少开设有一个纯氨喷嘴，所述纯氨喷嘴的管径Φ3满足以下关系式：
(V/x/15/3.14)0.5<Φ3<(V/x/30/3.14)0.5
式中，V为额定工况下供氨总流量，x为纯氨喷嘴的总数；
所述喷氨管路还包括与所述渐缩式喷氨主管连接的喷氨支管，所述喷氨支管包括至少一根单分支喷氨支管和至少一根双分支喷氨支管，所述单分支喷氨支管和双分支喷氨管均由靠近渐缩式喷氨主管的一侧向外延伸；同一喷氨主管段上的单分支喷氨支管均位于所述双分支喷氨支管内侧；
第a个喷氨主管段的管径Da与连接在该喷氨主管段上的双分支喷氨支管管径d2满足以下关系式：Da/d2≥3，式中，a为整数且1<a≤渐缩式喷氨主管的总段数。
2.根据权利要求1所述的变径喷氨格栅管道系统，其特征在于：所述喷氨主管段的管径满足以下关系式：
D1/Da=[n/(n-a+1)]0.5
式中，所述D1为第1个喷氨主管段的管径，所述Da为喷氨主管第a段的管径；n为渐缩式喷氨主管的总段数；a和n均为大于1的整数且a≤n，以最靠近供氨管路的喷氨主管段为第1个。
3.根据权利要求1所述的变径喷氨格栅管道系统，其特征在于：所述单分支喷氨支管管径小于所述双分支喷氨支管管径。
4.根据权利要求3所述的变径喷氨格栅管道系统，其特征在于：所述单分支喷氨支管管径d1和双分支喷氨支管管径d2满足以下关系式：d2/d1≥20.5。
5.根据权利要求4所述的变径喷氨格栅管道系统，其特征在于：4cm≤d1≤8cm。
6.根据权利要求1所述的变径喷氨格栅管道系统，其特征在于：同一喷氨主管段内单分支喷氨支管为一根，所述单分支喷氨支管和每根所述双分支喷氨支管上分别设有至少一个喷氨嘴。
7.根据权利要求6所述的变径喷氨格栅管道系统，其特征在于：所述单分支喷氨支管的管径d1与位于该单分支喷氨支管的喷氨嘴管径Φ1与相应的满足以下关系式：d1/Φ1≥3；所述双分支喷氨支管的管径d2与位于该双分支喷氨支管的喷氨嘴管径Φ2与相应的满足以下关系式：d2/Φ2≥3。
8.一种带有如权利要求1-7任一项所述的变径喷氨格栅管道系统的SCR脱硝装置，其特征在于：所述SCR脱硝装置包括气体混合装置和SCR反应器，所述气体混合装置的出口与所述SCR反应器的入口相连接；所述变径喷氨格栅管道系统位于所述气体混合装置中。
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