一种喷氨静态混合器
技术领域
本发明涉及烟气脱硝技术领域,特别涉及一种喷氨静态混合器。
背景技术
现有的烟气脱硝方法主要包括选择性催化还原(SCR)技术、选择性非催化还原(SNCR)技术、SNCR/SCR联合烟气脱硝技术、液体吸收法、活性炭吸附法等。其中,SCR 技术由于脱硝效率高、性能稳定,成为目前国内外应用最广的烟气脱硝技术。SCR 技术的主要原理是将还原剂氨喷入280℃~ 420℃的烟气中并与之混合均匀,在催化剂的作用下,NH3把烟气中的NOx还原成无毒、无污染的氮气和水,从而实现混合气体脱除NOx的目的。
对于SCR 脱硝技术,烟气脱硝效率和NH3逃逸率是两个首要性能指标。研究表明,SCR反应器内横截面上混合气体的流场均匀性是保证SCR脱硝反应完全,提高脱硝效率和氨利用率,以及控制较低氨逃逸率的关键因素。混合气体流场均匀性主要包括气体速度分布均匀和还原剂NH3浓度分布均匀两个方面。DL/T 296-2011《火电厂烟气脱硝技术导则》规定:在SCR反应器第一层催化剂入口前500mm处,100%烟道横截面内各处流速的偏差宜为-15%~15%、100%烟道横截面烟气中各处NH3/NOx的摩尔比率的偏差宜为-10%~10%。
目前,现有调节SCR催化剂床层入口混合气体流场均匀性的主流技术手段是依靠烟气管道内布置的喷氨混合装置(系统)及其下游的导流板(直线型和弧线形)和整流格栅等设备。其中,导流板和整流格栅主要用于气体速度大小均匀分布和速度矢量方向调节,对于NH3浓度分布调节作用有限。喷氨混合装置(系统)则对气体速度分布均匀和NH3浓度分布均匀两个方面均有理想的效果,因而喷氨混合装置(系统)的研究和优化成为近年来SCR脱硝技术的科研热点。
国内外工程应用上习惯性的将喷氨混合装置(系统)简称为喷氨格栅(ammoniainjection grid,AIG),通常它的功能包括两部分:一是将稀释的NH3喷入烟道;二是喷入的NH3和含NOx烟气均匀混合。根据布置方式和结构类型,AIG分为三大类:线性控制式AIG、分区控制式AIG和混合式AIG,线性控制式AIG是由一个供NH3母管段和多根支管段组成,配有喷嘴的喷管和分配管、连接管相连,连接在同一分配管上的各根喷管流量相同,无法进行有差别式氨量调节;分区控制式AIG是将烟道横截面均匀分成若干个区域,NH3以分区控制式通过喷射孔或喷嘴喷入,各个区域的喷氨量单独可调;混合式AIG与传统AIG结构主要区别在于喷氨管下游布置了喷氨元件、每个喷氨管仅安装了数个或很少的几个大孔径喷嘴,工程应用上习惯称混合元件为SCR静态混合器,喷嘴与混合元件的叶片相对应布置。
GB/T 34339-2017《燃煤烟气脱硝喷氨混合系统》则将喷氨混合系统分为喷氨格栅(AIG)和喷氨静态混合器,AIG的定义是以格栅管道的形式使氨气注入烟道的喷射装置,包括喷氨管道、喷嘴、支撑及配件;静态混合器的定义是利用一定的固定部件,通过改变氨气与烟气流动状态,使其达到充分混合的装置;典型的喷氨静态混合器有涡流、旋流、纵向涡、V型等结构形式。
安装有喷氨静态混合器的混合式AIG主要优点为:喷嘴数量较少、孔径较大,喷嘴堵塞概率大大降低,使用寿命大幅提高;喷嘴加工容易,制造成本低;拥有较好的操作弹性。从NH3浓度均匀分布角度来说,安装有喷氨静态混合器的混合式AIG的混合效率比线性控制式AIG和分区控制式AIG的要高,联合使用分区控制式AIG和喷氨静态混合器可获得更高的NH3/NOx混合效率。
近几年,受经济增速放缓、环保压力增大等因素影响,燃煤机组、加热炉、焚烧炉、余热锅炉等利用小时数不断下降,长期处于低负荷运行,烟气量减少,喷氨量也随之降低,传统的AIG技术(包括线性控制式AIG和分区控制式AIG)喷嘴容易堵塞,造成氨喷射不均匀,直接影响脱硝效率,并且氨逃逸率大幅增加,导致后端空预器或省煤器等设备堵塞严重。现有的线性控制式AIG和分区控制式AIG已不能满足烟气SCR脱硝新常态的需求,急需开发混合效率高、低压降、NH3/NOx混合距离短、具有防止喷嘴堵塞功能的喷氨静态混合器。
CN102626585A公开了“一种用于SCR烟气脱硝装置的V型喷氨混合系统”,所使用的静态混合器由若干个混合单元排列组成,混合单元由两个V 形排布的叶片构成,每个叶片的下方均有一个与其相对的喷嘴,喷嘴朝向与烟气流向一致。该混合器采用V型元件形成回流卷吸,从而实现氨氮混合,但该喷氨混合系统依然需要较长混合距离,且混合卷吸的同时烟气产生横向速度将减弱混合效果。
CN 102389727A公开了“一种SCR脱硝四角切圆式氨气-烟气均混装置”,其包括喷氨格栅和一组以上静态混合器。该装置通过喷口之上导流板的旋转对称布置,使得各单元区域内气体形成四角切圆流动状态,进而实现氨气和烟气的扰流混合。该发明装置简单可行,实现氨气浓度相对偏差的有效控制,但装置难以在较短的混合距离内实现理想的四角切圆扰流,从而削弱了氨氮均混效果。
CN 106268294A公开了“一种用于SCR脱硝系统的纵向涡型喷氨混合装置”,包括由翼片和基体平板组成的静态混合单元,以及带有氨喷射孔的氨喷射管,基体平板垂直固定在氨喷射管上,翼片固定在基体平板上,翼片与基体平板存在夹角,每个翼片均对应设置在氨喷射孔在烟气流向的下游方向。该发明在氨气和烟气流经翼片时,形成二次卷吸混合的纵向涡,以实现氨和烟气的均匀混合,但该发明难以在较短的混合距离内实现水平方向NH3与烟气的均匀混合。
CN106731811A公开了“一种SCR烟气脱硝系统喷氨装置”,通过在每个喷氨单元上方设置扰流板来实现氨气与烟气的充分全面混合,该装置结构简单成本低,但所需的混合距离较长,局部NH3/NOx摩尔比例偏差较大。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解,而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可在较短的距离内实现氨气与烟气的均匀混合的喷氨静态混合器,可显著降低烟道同一横截面上气速分布偏差及氨浓度分布偏差,以提高烟气的脱硝率和催化剂的利用率,降低氨逃逸,并能解决由于烟道中落灰造成的SCR喷嘴堵塞的问题,有效延长SCR脱硝装置的检修周期。
为实现上述目的,本发明提供了一种喷氨静态混合器,该混合器为一层或多层,设于烟道中,每层混合器由多个静态混合器单元组成且呈矩阵分布,静态混合器单元包括:缩径段,其为上小下大的管状结构,用于提高氨与烟气混合气体的流速;扰流段,其位于缩径段上方并与缩径段连通,该扰流段设置用于将混合气体进行分流的扰流组件,使混合气体在该扰流段背面形成涡流。
进一步,上述技术方案中,混合器可设置为2至3层,每层之间的距离可以为0.2至1.5米。上层的静态混合器单元的上端面横截面积为下层的静态混合器单元的上端面横截面积的2至16倍。
进一步,上述技术方案中,静态混合器单元还可以包括:导流段,其为管状结构,该导流段上端与扰流段连接,下端与缩径段连接,用于将缩径段的混合气体引导至扰流段。扰流组件可以通过固定件与导流段连接,固定件可以设置为镂空支架或支撑杆结构。
进一步,上述技术方案中,缩径段的形状可以为梯形体、四棱台体、圆台体或上圆下方的几何体。
进一步,上述技术方案中,导流段的高度为缩径段高度的0.1至1.5倍。
进一步,上述技术方案中,扰流组件可以为带筛孔的扰流片,该扰流片可设置为一层或多层。扰流片的开孔率可以为2%至20%;筛孔直径可以为4至20mm。扰流片的面积可以为缩径段下端面横截面积的0.5至2.25倍。当扰流片为多层时,上层扰流片的面积可以为下层扰流片面积的0.25至0.85倍。
进一步,上述技术方案中,扰流组件与缩径段上端面之间的距离为缩径段高度的0.5至1.5倍。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
1、本发明的静态混合器单元收缩段上端面开口面积小于下端面开口面积,混合气体流经收缩段时速度增加,收缩段上方的扰流段对汇集的混合气体形成分流,混合气体在扰流段背面形成涡流,使氨与烟气在涡流作用下强制混合,增强了混合效果,提高了氨气与烟气的混合均匀性,从而缩短均匀混合所需的距离。
2、同一层喷氨静态混合器的静态混合器单元结构相同,可实现静态混合器单元模块化批量生产制造,降低生产和安装成本,提高产品竞争力。
3、设置多层静态混合器时,可实现不同区域氨气与烟气的混合,显著增强了氨气与烟气的混合均匀性,显著降低烟道同一横截面上气速分布偏差及氨浓度分布偏差,提高烟气的脱硝率和催化剂的利用率,降低氨逃逸。
4、静态混合器单元设置扰流段,在静态混合器上方烟道支撑及其拐弯处的积灰由于流动烟气的撞击或扰动从上到下大块掉落时,由于扰流段的遮挡作用,可防止静态混合器下方顺着烟气流向竖直设置的氨气喷嘴被大块落灰堵塞,解决了由于烟道中的落灰造成的SCR系统喷嘴堵塞问题,保证喷氨格栅喷嘴正常喷氨的均匀性,可有效延长装置的检修周期。
上述说明仅为本发明技术方案的概述,为了能够更清楚地了解本发明的技术手段并可依据说明书的内容予以实施,同时为了使本发明的上述和其他目的、技术特征以及优点更加易懂,以下列举一个或多个优选实施例,并配合附图详细说明如下。
附图说明
图1是本发明单层喷氨静态混合器的结构示意图。
图2是图1的俯视结构示意图。
图3是本发明双层喷氨静态混合器的结构示意图。
图4是图3的俯视结构示意图。
图5是本发明三层喷氨静态混合器的结构示意图。
图6是图5的俯视结构示意图。
图7是本发明实施例1喷氨静态混合器单元(缩径段为四棱台体))的结构示意图。
图8是图7的俯视结构示意图。
图9是本发明实施例2喷氨静态混合器单元(缩径段为梯形体的结构示意图。
图10是图9的俯视结构示意图。
图11是本发明实施例3喷氨静态混合器单元(缩径段为上圆下方几何体)的结构示意图。
图12是图11的俯视结构示意图。
图13是本发明实施例4喷氨静态混合器单元(缩径段为圆台体)的结构示意图。
图14是图13的俯视结构示意图。
主要附图标记说明:
1-静态混合器单元,11-缩径段,12-导流段,13-扰流段,131-筛孔,14-固定件;
F1-第一层喷氨静态混合器,F2-第二层喷氨静态混合器,F3-第三层喷氨静态混合器;
h1-缩径段高度,h2-导流段高度,h3-导流段上端面与扰流段下端面之间的高度,h4-缩径段上端面与扰流段下端面之间的高度,h5-扰流段上下层扰流片之间的高度,h6-扰流段上端面与下端面之间的高度。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明的具体实施方式进行详细描述,但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其他明确表示,否则在整个说明书和权利要求书中,术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分,而并未排除其他元件或其他组成部分。
在本文中,为了描述的方便,可以使用空间相对术语,诸如“下面”、“下方”、“下”、“上面”、“上方”、“上”等,来描述一个元件或特征与另一元件或特征在附图中的关系。应理解的是,空间相对术语旨在包含除了在图中所绘的方向之外物件在使用或操作中的不同方向。例如,如果在图中的物件被翻转,则被描述为在其他元件或特征“下方”或“下”的元件将取向在所述元件或特征的“上方”。因此,示范性术语“下方”可以包含下方和上方两个方向。物件也可以有其他取向(旋转90度或其他取向)且应对本文使用的空间相对术语作出相应的解释。
在本文中,术语“第一”、“第二”等是用以区别两个不同的元件或部位,并不是用以限定特定的位置或相对关系。换言之,在一些实施例中,术语“第一”、“第二”等也可以彼此互换。
如图1-14所示,本发明的喷氨静态混合器由至少一层喷氨静态混合器组成,其设置在烟道内,优选采用2~3层喷氨静态混合器。每层喷氨静态混合器之间的距离为0.1~2m,优选为0.2~1.5m。每层喷氨静态混合器由若干静态混合器单元1组成,静态混合器单元包括缩径段11、导流段12(可选),扰流段13。如果不设置导流段,扰流段13通过固定件14与缩径段11连接;如果设置导流段,扰流段13通过固定件14与导流段12连接。
进一步如图3、5所示,如果喷氨静态混合器设置两层(三层),第二层喷氨静态混合器F2(第三层喷氨静态混合器F3)的静态混合器单元上端面横截面积为第一层喷氨静态混合器F1(第二层喷氨静态混合器F2)的静态混合器单元上端面横截面积的1.2~25倍,优选为2~16倍。
进一步如图1-6所示,每层的多个静态混合器单元1呈矩阵分布。如图7-14所示,静态混合器单元1的缩径段11为上小下大的管状结构,用于提高氨与烟气混合气体的流速;扰流段13位于缩径段11上方并与缩径段11连通,扰流段13设置用于将混合气体进行分流的扰流组件,使混合气体在扰流段13背面形成涡流。进一步如图9、11和13所示,设置导流段时,导流段12的高度h2为缩径段11高度h1的0~2.5倍,优选为0.1~1.5倍。进一步如图7所示,不设置导流段时,扰流段13下端面与缩径段11上端面之间的距离h4为缩径段11高度的0.2~3倍,优选为0.5~1.5倍。
优选而非限制性地,缩径段11上、下端面横截面的形状可以为圆形、椭圆形、半圆形、心形、梅花形、三角形、正方形、长方形、平行四边形、梯形、菱形、星型、五边形、六边形、多边形等,优选采用圆形、正方形和长方形。缩径段11的立体结构优选采用梯形体、四棱台体、五棱台体、六棱台体、圆台体、双曲面体及上圆下方的几何体,如图7-14所示,更优选采用梯形体、四棱台体、圆台体、上圆下方的几何体。
优选而非限制性地,扰流段13的扰流组件可以为球体、椭球体、半球体、锥体、圆环体、扰流片等,同一横截面可设置一个或多个扰流组件,设置一个扰流组件时扰流组件中心线与缩径段11中心线和/或导流段12中心线在同一条直线上。扰流组件也可设置为一层或多层。
在扰流段13的扰流组件采用扰流片的情况下,优选而非限制性地,扰流片形状可以采用圆形、矩形、正方形、星型、梅花形、人字型、多边形等,优选与缩径段下端面或导流段下端面形状一致。扰流片和缩径段或导流段之间实际是一个镂空的空间,即固定件14是一个镂空支架或者采用四根支撑杆结构,用于支撑扰流片,扰流片上不开孔或设置有若干筛孔,扰流片的开孔率为0%~50%,优选开孔率为2%~20%;所述的筛孔形状可以为圆形、椭圆形或多边形,优选圆形。筛孔直径范围为2~25mm,优选直径为4~20mm。扰流片面积为缩径段11下端面横截面的面积的0.2~3倍,优选为0.5~2.25倍。扰流片可设置为两层或三层,第二层扰流片的面积为第一层扰流片的面积的0.25~0.85倍,第三层扰流片的面积为第二层扰流片的面积的0.25~0.85倍。
实施例1
如图1、2所示,本实施例的喷氨静态混合器由一层喷氨静态混合器组成,喷氨静态混合器由40个静态混合器单元1组成,静态混合器单元1如图7~8所示,静态混合器单元1包括缩径段11、扰流段13、固定件14,扰流段13通过固定件14与缩径段11连接。
缩径段11为上下开口的四棱台体结构,缩径段11上、下端面横截面的形状为正方形,上端面开口面积为0.04 m2,下端面开口面积为0.09 m2,缩径段11的高度h1为0.2m。
扰流段13为双层圆形扰流片结构,下层扰流片直径为0.15m,下层扰流片与缩径段11上端面横截面的面积比例为0.56,上层扰流片直径为0.10m,上层扰流片与缩径段11上端面横截面的面积比例为0.25,下层扰流片设置9个直径为15mm的筛孔131,开孔率为9%,上层扰流片设置5个直径为15mm的筛孔131,开孔率为15.75%,下层扰流片与缩径段11上端面之间的高度h4为缩径段11高度h1的0.5倍,上层扰流片与下层扰流片之间的高度h5为0.08m。
某炼化企业锅炉烟气脱硝装置采用该喷氨静态混合器之后,锅炉SCR反应器第一层催化剂入口前500mm处,100%烟道横截面内各处流速的偏差由±23%降低至±5%;100%烟道横截面烟气中各处NH3/NOx的摩尔比率的偏差由±18%降低至±5%,优于DL/T 296-2011《火电厂烟气脱硝技术导则》的要求。
实施例2
如图3、4所示,本实施例的喷氨静态混合器由第一层喷氨静态混合器F1和第二层喷氨静态混合器F2组成,喷氨静态混合器F1由40个静态混合器单元1组成,第二层喷氨静态混合器F2由10个静态混合器单元1组成,第一层喷氨静态混合器F1的上端面与第二层喷氨静态混合器F2下端面之间的距离为0.2m。
本实施例的静态混合器单元1如图9~10所示,静态混合器单元1包括缩径段11、导流段12、扰流段13,导流段12一端与缩径段11相连,另一端通过固定件14与扰流段13连接。
本实施例组成第一层喷氨静态混合器F1的静态混合器单元1的结构为:缩径段11为上下开口的梯形体结构,缩径段11上、下端面横截面的形状为长方形,下端面开口横截面长方形的长、宽分别为0.4m和0.3m,上端面开口横截面长方形的长、宽分别为0.2m和0.15m,高度h1为0.3m。导流段12为与缩径段11上端面形状一致的矩形管,导流段12上下开口,高度h2与缩径段11高度h1比例为0.75。扰流段13采用单层矩形扰流片,扰流片13与导流段12上端面之间的距离h3为导流段12高度h2的1.5倍,扰流片的长、宽分别为0.3m和0.2m,扰流片面积为缩径段11上端面横截面的面积的2倍,扰流片设置49个边长为8mm的正方形筛孔131,扰流片的开孔率为5.2%。
组成第二层喷氨静态混合器F2的静态混合器单元1结构为:缩径段11下端面开口横截面长方形的长、宽分别为1.6m和1.2m,上端面开口横截面长方形的长、宽分别为0.8m和0.6m,高度h1为1.0m,扰流片的长、宽分别为1.2m和0.8m,扰流片开孔率为8.5%,其余与组成第一层喷氨静态混合器F1的静态混合器单元1相同。
某电力企业燃煤锅炉烟气脱硝装置采用该喷氨静态混合器之后,锅炉SCR反应器第一层催化剂入口前500mm处,100%烟道横截面内各处流速的偏差由±26%降低至±4.5%;100%烟道横截面烟气中各处NH3/NOx的摩尔比率的偏差由±21%降低至±4%,优于DL/T 296-2011《火电厂烟气脱硝技术导则》的要求。
实施例3
如图5、6所示,本实施例的喷氨静态混合器由第一层喷氨静态混合器F1、第二层喷氨静态混合器F2和第三层喷氨静态混合器F3组成,第一层喷氨静态混合器F1由40个静态混合器单元1组成,第二层静态混合器F2由10个静态混合器单元1组成,第三层静态混合器F3由8个静态混合器单元1组成。第一层喷氨静态混合器F1上端面与第二层喷氨静态混合器F2下端面之间的距离为0.4m,第二层喷氨静态混合器F2上端面与第三层喷氨静态混合器F3下端面之间的距离为0.5m。
组成第一层喷氨静态混合器F1、第二层喷氨静态混合器F2的静态混合器单元1结构与实施例2相同。
组成第三层喷氨静态混合器F3的静态混合器单元1的结构如图11~12所示,缩径段11为上下开口的上圆下方几何体结构,缩径段11下端面横截面的形状为长方形,长方形的长、宽分别为0.5m和0.375m,上端面开口横截面为圆形,圆形的直径为0.4m,高度h1为0.4m。导流段12为与缩径段11上端面形状一致的圆管,导流段12上下开口,高度h2为缩径段11高度h1的0.75倍。扰流段13为圆锥形,扰流段13下端面与导流段12上端面之间的距离h3为导流段12高度h2的2倍,扰流段13圆锥底面积为缩径段11上端面横截面面积的0.75倍,扰流段13的圆锥高度为0.1m。
某火电厂锅炉烟气脱硝装置采用该喷氨静态混合器之后,锅炉SCR反应器第一层催化剂入口前500mm处,100%烟道横截面内各处流速的偏差由±23%降低至±2%;100%烟道横截面烟气中各处NH3/NOx的摩尔比率的偏差由±15%降低至±3%,优于DL/T 296-2011《火电厂烟气脱硝技术导则》的要求。
实施例4
如图1所示,本实施例的喷氨静态混合器由第一层喷氨静态混合器F1组成,喷氨静态混合器由40个静态混合器单元1组成,静态混合器单元1如图13~14所示,静态混合器单元1包括缩径段11、导流段12、扰流段13,导流段12一端与缩径段11相连,另一端通过固定件14与扰流段13连接。
缩径段11为上下开口的圆台体结构,缩径段11上、下端面横截面的形状均为圆形,上端面圆形的直径为0.2m,下端面圆形的直径为0.5m,高度h1为0.3m。导流段12为与缩径段11上端面形状一致的圆管,导流段12上下开口,高度h2为缩径段11高度h1的1.5倍。扰流段13在图13中呈V型,扰流段13下端面与导流段12上端面之间的距离h3为导流段高度h2的2.5倍,扰流段13底面积为缩径段11上端面横截面面积的0.6倍,扰流段13的高度为0.1m。
某电厂锅炉烟气脱硝装置采用该喷氨静态混合器之后,锅炉SCR反应器第一层催化剂入口前500mm处,100%烟道横截面内各处流速的偏差由±16%降低至±5%;100%烟道横截面烟气中各处NH3/NOx的摩尔比率的偏差由±12%降低至±4%,优于DL/T 296-2011《火电厂烟气脱硝技术导则》的要求。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式,并且很显然,根据上述教导,可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用,从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。针对上述示例性实施方案所做的任何简单修改、等同变化与修饰,都应落入本发明的保护范围。