CN113477082B - 一种高均匀性scr喷氨格栅的设计方法 - Google Patents

一种高均匀性scr喷氨格栅的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高均匀性SCR喷氨格栅的设计方法，SCR喷氨格栅包括依次与母管连通的若干连接管、若干支管联箱和若干喷氨支管，每个喷氨支管上设若干喷嘴，还原剂与稀释风混合后进入母管内再通过喷嘴喷出，通过控制与母管相连的各连接管的出口气流量偏差、与支管联箱相连的各喷氨支管的出口气流量偏差及与喷氨支管相连的各喷嘴的出口气流量偏差使喷嘴的出口气流量分布均匀，实现对SCR喷氨格栅关键结构参数的优化。本发明给出了考虑联箱效应的SCR喷氨格栅关键结构参数的设计方法，明确母管内径、连接管内径及数量、支管联箱内径及数量、喷氨支管内径及数量、喷嘴内径及数量的计算方法，为提升SCR喷氨格栅出口气流分布均匀性提供依据。

Description

一种高均匀性SCR喷氨格栅的设计方法
技术领域
本发明属于火电环保技术领域，具体涉及一种高均匀性SCR喷氨格栅的设计方法。
背景技术
在NOx超低排放形势下，燃煤电厂NOx排放量要降低到50mg/m3以下，SCR脱硝效率需提高到约90％，对SCR反应器顶层催化剂入口的NH3/NO摩尔比分布均匀性提出了更高的要求。喷氨格栅是将还原剂均匀喷入烟气中的装置，其性能直接影响着催化剂入口的NH3/NO摩尔比分布均匀性。
中国发明专利，申请公布号CN101829498A，公开了一种喷氨格栅分区设计的方法，以匹配不均匀的烟气速度分布和NOx浓度分布，提升喷氨格栅的调节灵活性。中国发明专利，申请公布号CN104524972A，公开了一种SCR脱硝装置喷氨嘴的设计方法，通过对喷嘴的张角和交错位移量进行优化，提升NH3/NO摩尔比分布均匀性。上述两个专利均采用数值模拟方法，研究了喷氨格栅结构对催化剂入口的NH3/NO摩尔比分布均匀性的影响，分别提出了喷氨格栅分区和喷嘴交错布置的优化设计方法，但值得注意的是，上述两种设计方法中均未考虑箱效应对喷氨格栅出口流量均匀性的影响。
以图1-2所示的单个分区的SCR喷氨格栅结构为例进行说明，还原剂NH3与稀释风混合后进入母管1，每个分区的支管联箱3通过连接管2与母管1相连，与支管联箱3相接的喷氨支管4上布置有若干个喷嘴5。
在进行SCR流场及喷氨格栅优化设计时，通常都假定一个分区内的所有喷嘴5的出口气流量完全相同，进而通过SCR反应器内的氨氮混合数值模拟计算确定连接管2、喷氨支管4和喷嘴5的数量，然后按照一定的管内流速选取对应的管径。由于联箱效应的存在，这些喷嘴5的出口气流量存在一定偏差，如果格栅管路的几何结构设计不合理，这种偏差会非常大，直接影响了SCR喷氨格栅出口气流分布均匀性。
发明内容
为解决现有技术中存在的联箱效应造成的喷氨格栅各分区流量不一致、支管上各喷嘴流量不一致的问题，本发明的目的在于提供一种高均匀性SCR喷氨格栅的设计方法。
为实现上述目的，达到上述技术效果，本发明采用的技术方案为：
一种高均匀性SCR喷氨格栅的设计方法，所述SCR喷氨格栅包括依次与母管连通的若干连接管、若干支管联箱和若干喷氨支管，每个喷氨支管上设置若干个喷嘴，还原剂与稀释风混合后进入母管内再通过喷嘴喷出，通过控制与母管相连的各连接管的出口气流量偏差、与支管联箱相连的各喷氨支管的出口气流量偏差及与喷氨支管相连的各喷嘴的出口气流量偏差使喷嘴的出口气流量分布均匀，实现对SCR喷氨格栅的关键结构参数的优化。
进一步的，所述SCR喷氨格栅的关键结构参数包括母管内径、连接管内径及数量、支管联箱内径及数量、喷氨支管内径及数量、喷嘴内径及数量，SCR喷氨格栅的关键结构参数通过SCR反应器内的氨氮混合数值模拟计算和上游管段联箱效应对本段管路各分支出口流量偏差的计算获取。
进一步的，包括以下步骤：
(1)假定一个分区内的所有喷嘴的出口气流量完全相同，通过SCR反应器内的氨氮混合数值模拟计算，确定顶层催化剂入口的NH3/NO摩尔比分布均匀性达到设计要求时的连接管、喷氨支管和喷嘴的数量；
(2)通过SCR反应器内的氨氮混合数值模拟校核计算，确定顶层催化剂入口的NH3/NO摩尔比分布均匀性达到设计要求时一个分区内的喷嘴的出口气流量允许的最大相对标准偏差RSD3,max；
(3)根据上游管段联箱效应对本段管路各分支出口流量偏差的计算公式确定与各喷氨支管相连的各喷嘴的出口实际流量相对标准偏差RSD3,act≤RSD3,max时与支管联箱相连的各喷氨支管的出口气流量偏差RSD2和与各喷氨支管相连的各喷嘴的出口气流量偏差RSD3；
(4)根据与支管联箱相连的各喷氨支管的出口气流量偏差RSD2和与各喷氨支管相连的各喷嘴的出口气流量偏差RSD3确定喷嘴与喷氨支管的流通截面比、喷氨支管与支管联箱的流通截面比，进而根据连接管、喷氨支管和喷嘴的数量，计算得到喷嘴与喷氨支管的内径比及喷氨支管与支管联箱的内径比；
(5)根据与母管相连的各连接管的出口气流量偏差RSD1≤5％确定连接管与母管的流通截面比，进而根据连接管的数量，计算得到连接管与母管的内径比；
(6)根据喷嘴的出口气流速及上游管路的管内流速确定最终的喷嘴内径、喷氨支管内径、支管联箱内径、连接管内径和母管内径。
进一步的，步骤(3)中，上游管段联箱效应对本段管路各分支出口流量偏差影响的计算公式为：
Figure BDA0003127648430000031
j＝2～m
其中，RSDj,act为第j级管路分支出口实际流量相对标准偏差；RSDj为入口流量偏差为零时的第j级管路分支出口流量相对标准偏差；RSDj-1为入口流量偏差为零时的第j-1级管路分支出口流量相对标准偏差；m为喷氨管路分支的次数，母管到连接管是第一次分支，支管联箱到喷氨支管是第二次分支，喷氨支管到喷嘴是第三次分支。
进一步的，所述入口流量偏差为零时的第j级管路分支出口流量相对标准偏差RSDj采用下列公式计算得到：
Figure BDA0003127648430000032
其中，xi为各分支出口的流量；
Figure BDA0003127648430000033
为分支出口流量的平均值；n为分支数量。
进一步的，所述喷嘴的出口气流速为20～50m/s。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明公开了一种高均匀性SCR喷氨格栅的设计方法，SCR喷氨格栅包括依次与母管连通的若干连接管、若干支管联箱和若干喷氨支管，每个喷氨支管上设置若干个喷嘴，还原剂与稀释风混合后进入母管内再通过喷嘴喷出，通过控制与母管相连的各连接管的出口气流量偏差、与支管联箱相连的各喷氨支管的出口气流量偏差及与喷氨支管相连的各喷嘴的出口气流量偏差使喷嘴的出口气流量分布均匀，实现对SCR喷氨格栅的关键结构参数的优化。本发明提供的高均匀性SCR喷氨格栅的设计方法，给出了考虑联箱效应的SCR喷氨格栅关键结构参数的设计方法，明确了母管内径、连接管内径及数量、支管联箱内径及数量、喷氨支管内径及数量、喷嘴内径及数量的计算方法，为提升SCR喷氨格栅出口气流分布均匀性提供了依据。
附图说明
图1为典型SCR喷氨格栅结构的立体结构示意图；
图2为图1的左视图；
图3为本发明的喷嘴流量相对标准偏差与流通截面比的关系曲线；
图4为本发明的喷氨支管流量相对标准偏差与流通截面比的关系曲线。
具体实施方式
下面对本发明的实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
名词解释：
SCR：英文全称Selective Catalytic Reduction，英文简称SCR。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。
RSD：英文全称Relative Standard Deviation，英文简称RSD，中文名称为相对标准偏差，又叫标准偏差系数、变异系数、变动系数等，由标准偏差除以相应的平均值乘100％所得值。
实施例1
如图1-4所示，一种高均匀性SCR喷氨格栅的设计方法，通过沿程各级分支管路出口流量偏差使喷出口或喷嘴处的出口气流量分布均匀，实现对SCR喷氨格栅的关键结构参数的优化。
以图1-2所示的典型SCR喷氨格栅结构为例进行详细说明。SCR喷氨格栅包括依次与母管1连通的若干连接管2、若干支管联箱3和若干喷氨支管4，每个喷氨支管4上设置若干个喷嘴5，还原剂与稀释风混合后进入母管1内再通过喷嘴5喷出，本发明严格控制沿程各级分支管路出口流量偏差，具体需要分别控制与母管1相连的各连接管2的出口气流量相对标准偏差RSD1、与支管联箱3相连的各喷氨支管4的出口气流量相对标准偏差RSD2、与各喷氨支管4相连的各喷嘴5的出口气流量相对标准偏差RSD3，使喷嘴5的出口气流量分布均匀，确保喷嘴5的出口气流量偏差在合理范围内，实现对SCR喷氨格栅的关键结构参数的优化。
上游管段联箱效应对本段管路各分支出口流量相对标准偏差的影响可归结为一组系数，这些系数的完全相同时，RSDj-1＝0，RSDj,act＝RSDj，若这些系数存在偏差时，RSDj-1>0，RSDj,act可近似用式2描述：
Figure BDA0003127648430000051
Figure BDA0003127648430000052
其中，RSDj为入口流量偏差为零时的第j级管路分支出口流量相对标准偏差；xi为各分支出口的流量；
Figure BDA0003127648430000053
为分支出口流量的平均值；n为分支数量；RSDj,act为第j级管路分支出口实际流量相对标准偏差；RSDj-1为入口流量偏差为零时的第j-1级管路分支出口流量相对标准偏差；m为喷氨管路分支的次数，母管1到连接管2是第一次分支，支管联箱3到喷氨支管4是第二次分支，喷氨支管4到喷嘴5是第三次分支。
本发明的高均匀性SCR喷氨格栅的设计方法，包括以下步骤：
(1)假设母管1的内径为Dmg，连接管2的内径为dlj，数量为Nlj，支管联箱3的内径为Dlx，支管联箱3的数量与连接管2相同，也为Nlj，喷氨支管4的内径为dzg，数量为Nzg。每根喷氨支管4上的喷嘴5的内径为dpz，数量为Npz。假定一个分区内的所有喷嘴5的出口气流量完全相同，喷嘴5的出口气流速为20～50m/s。通过SCR反应器内的氨氮混合数值模拟计算，确定顶层催化剂入口的NH3/NO摩尔比分布均匀性达到设计要求时的连接管2的数量Nlj、喷氨支管4的数量Nzg和喷嘴5的数量Npz；
(2)通过SCR反应器内的氨氮混合数值模拟校核计算，确定顶层催化剂入口的NH3/NO摩尔比分布均匀性达到设计要求时一个分区内的喷嘴5的出口气流量允许的最大相对标准偏差RSD3,max；
(3)以支管联箱3-喷氨支管4-喷嘴5形成的管路系统为研究对象，根据式2确定RSD3,act≤RSD3,max时的RSD2和RSD3；
(4)根据RSD2和RSD3查图3-4确定喷嘴5与喷氨支管4的流通截面比、喷氨支管4与支管联箱3的流通截面比，进而根据连接管2、喷氨支管4和喷嘴5的数量，计算得到喷嘴5与喷氨支管4的内径比dpz/dzg、喷氨支管4与支管联箱3的内径比dzg/Dlx；
(5)根据RSD1≤5％查图4确定连接管2与母管1的流通截面比，进而根据连接管2的数量Nlj，计算得到连接管2与母管1的内径比dlj/Dmg；
(6)根据喷嘴5的出口气流速20～50m/s、上游管路的管内流速8～15m/s确定最终的喷嘴内径dpz、喷氨支管内径dzg、支管联箱内径Dlx、连接管内径dlj、母管内径Dmg。
需要说明的是，图1-2所示的单个分区的SCR喷氨格栅结构为现有技术中典型的喷氨格栅结构，其他具有类似沿程分级的喷氨格栅结构同样适合使用本发明的设计方法设计SCR喷氨格栅的关键结构参数，实现SCR喷氨格栅出口气流分布均匀性。
本发明未具体描述的部分采用现有技术即可，在此不做赘述。
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效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种高均匀性SCR喷氨格栅的设计方法，其特征在于，所述SCR喷氨格栅包括依次与母管连通的若干连接管、若干支管联箱和若干喷氨支管，每个喷氨支管上设置若干个喷嘴，还原剂与稀释风混合后进入母管内再通过喷嘴喷出，通过控制与母管相连的各连接管的出口气流量偏差、与支管联箱相连的各喷氨支管的出口气流量偏差及与喷氨支管相连的各喷嘴的出口气流量偏差使喷嘴的出口气流量分布均匀，实现对SCR喷氨格栅的关键结构参数的优化；
高均匀性SCR喷氨格栅的设计方法，包括以下步骤：
(1)假定一个分区内的所有喷嘴的出口气流量完全相同，通过SCR反应器内的氨氮混合数值模拟计算，确定顶层催化剂入口的NH3/NO摩尔比分布均匀性达到设计要求时的连接管、喷氨支管和喷嘴的数量；
(2)通过SCR反应器内的氨氮混合数值模拟校核计算，确定顶层催化剂入口的NH3/NO摩尔比分布均匀性达到设计要求时一个分区内的喷嘴的出口气流量允许的最大相对标准偏差RSD3,max；
(3)根据上游管段联箱效应对本段管路各分支出口流量偏差的计算公式确定与各喷氨支管相连的各喷嘴的出口实际流量相对标准偏差RSD3,act≤RSD3,max时与支管联箱相连的各喷氨支管的出口气流量偏差RSD2和与各喷氨支管相连的各喷嘴的出口气流量偏差RSD3；
(4)根据与支管联箱相连的各喷氨支管的出口气流量偏差RSD2和与各喷氨支管相连的各喷嘴的出口气流量偏差RSD3确定喷嘴与喷氨支管的流通截面比、喷氨支管与支管联箱的流通截面比，进而根据连接管、喷氨支管和喷嘴的数量，计算得到喷嘴与喷氨支管的内径比及喷氨支管与支管联箱的内径比；
(5)根据与母管相连的各连接管的出口气流量偏差RSD1≤5％确定连接管与母管的流通截面比，进而根据连接管的数量，计算得到连接管与母管的内径比；
(6)根据喷嘴的出口气流速及上游管路的管内流速确定最终的喷嘴内径、喷氨支管内径、支管联箱内径、连接管内径和母管内径；
步骤(3)中，上游管段联箱效应对本段管路各分支出口流量偏差影响的计算公式为：
Figure FDA0003684487220000011
j＝2～m
其中，RSDj,act为第j级管路分支出口实际流量相对标准偏差；RSDj为入口流量偏差为零时的第j级管路分支出口流量相对标准偏差；RSDj-1为入口流量偏差为零时的第j-1级管路分支出口流量相对标准偏差；m为喷氨管路分支的次数，母管到连接管是第一次分支，支管联箱到喷氨支管是第二次分支，喷氨支管到喷嘴是第三次分支；
所述入口流量偏差为零时的第j级管路分支出口流量相对标准偏差RSDj采用下列公式计算得到：
Figure FDA0003684487220000021
其中，xi为各分支出口的流量；
Figure FDA0003684487220000022
为分支出口流量的平均值；n为分支数量。
2.根据权利要求1所述的一种高均匀性SCR喷氨格栅的设计方法，其特征在于，所述SCR喷氨格栅的关键结构参数包括母管内径、连接管内径及数量、支管联箱内径及数量、喷氨支管内径及数量、喷嘴内径及数量，SCR喷氨格栅的关键结构参数通过SCR反应器内的氨氮混合数值模拟计算和上游管段联箱效应对本段管路各分支出口流量偏差的计算获取。
3.根据权利要求1所述的一种高均匀性SCR喷氨格栅的设计方法，其特征在于，所述喷嘴的出口气流速为20～50m/s。
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