CN114870662A - 烟气混合器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种烟气混合器，包括混合器外管和所述混合器外管一侧的烟气支管，所述混合器外管的两端与空气管道连接，所述烟气支管与烟气管道连接，所述混合器外管内沿着介质流动方向依次设置收缩喷管、过渡段喷管和掺混喷嘴，所述收缩喷管的一端与所述混合器外管的内壁固定连接，且内径沿着介质流动方向逐渐减小，所述过渡段喷管的一端与所述收缩喷管相连，另一端与所述掺混喷嘴相连，所述过渡段喷管与所述混合器外管之间形成一个环形空腔，所述烟气支管与所述环形空腔连通，并且所述环形空腔中设置有流量分配挡板。本发明的烟气混合器具有体积小、混合距离短和混合均匀等优点。

Description

烟气混合器
技术领域
本发明属于烟气混合装置技术领域，特别涉及烟气再循环脱硝领域的空气、烟气掺混的内置式烟气混合器。
背景技术
随着环保要求越来越高，各地环保部门纷纷更新环保政策，要求工业锅炉烟气排放NOx(氮氧化物)达到超低水平。烟气再循环技术是降低 NOx排放的有效技术手段之一。烟气再循环技术，是从锅炉尾部抽取氧气浓度较低的烟气(氧气浓度约5％)，通过烟气混合器与新鲜空气(氧气浓度21％)混合后，形成氧气浓度约16％的混合气体，再进入燃烧器燃烧。由于炉膛燃烧区域氧气浓度降低，能够避免炉膛内部出现局部高温燃烧区域，同时可以降低火焰的中心温度，从而降低NOx的生成量，进而满足 NOx超低排放的环保要求。
烟气混合器的作用是让含氧量低的烟气与含氧量高的空气能够充分混合，改善空气、烟气混合后，混合气体氧气浓度偏差大的问题；解决氧量计测量值偏差大的问题；避免混合气体进入燃烧器时由于烟气、空气的混合不均匀而引起局部NOx超标的问题。因此烟气混合器至关重要。
现有的烟气混合器有以下缺点：其原理主要是采用多股烟气进入圆筒形混合室，在混合室内达到均匀混合的目的。此类烟气混合器占地面积大，重量大，不适合改造工程等空间狭窄的工业现场；其次是这种混合器只有混合功能，并没有解决烟气输入空气管道后与来流空气的对冲问题，造成较大的压力损失，想强行打入烟气只能增加再循环风机的压头，提高了风机的选型难度；混合距离较长，不能满足在混合器下游较短距离内安装氧量计的要求。
因此目前需要解决的技术难题有：1.烟气混合器小型化、轻量化，适合造工程等空间狭窄的工业现场方便安装；2.烟气能更容易的打入空气管道，节约烟气再循环风机成本；3.在短距离内实现混合气氧气浓度均匀，满足氧量计安装及测量准确的要求；4.安全：如风机处于跳停漏气状态，不会造成空气倒灌进风机房。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有烟气混合器的至少一个缺点，提供了一种用于烟气再循环系统的内置式烟气混合器。
为了解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的。
一种烟气混合器，包括混合器外管和所述混合器外管一侧的烟气支管，所述混合器外管的两端与空气管道连接，所述烟气支管与烟气管道连接，所述混合器外管内沿着介质流动方向依次设置收缩喷管、过渡段喷管和掺混喷嘴，所述收缩喷管的一端与所述混合器外管的内壁固定连接，且内径沿着介质流动方向逐渐减小，所述过渡段喷管的一端与所述收缩喷管相连，另一端与所述掺混喷嘴相连，所述过渡段喷管与所述混合器外管之间形成一个环形空腔，所述烟气支管与所述环形空腔连通，并且所述环形空腔中设置有流量分配挡板，所述流量分配挡板用于将所述烟气支管输送的烟气分成流量相近或相同的两部分。
在一些实施方式中，所述收缩喷管与所述过渡段喷管的连接处设置有固定环，用于将所述收缩喷管与所述过渡段喷管固定在所述混合器外管的内壁上。
在一些实施方式中，所述过渡段喷管与所述混合器外管的内径比为 (0.6-0.9):1，例如0.7:1或0.8:1。
在一些实施方式中，所述收缩喷管的锥角为20-40°，优选为25-35°，例如26°、27°、28°、29°、30°、31°、31°、32°、33°或34°。
在一些实施方式中，所述掺混喷嘴的端部设置有流向涡发生元件，所述流向涡发生元件的几何形状包括波瓣、锯齿、突片中的至少一种。
在一些实施方式中，所述流向涡发生元件所在平面偏离所述喷嘴中心轴线的夹角为20-40°，优选为25-35°，例如26°、27°、28°、29°、30°、31°、 31°、32°、33°或34°。
在一些实施方式中，所述流量分配挡板所在平面与所述混合器外管的轴线夹角为30-60°，优选为40-50°，例如41°、42°、43°、44°、45°、46°、 47°、48°或49°。
在一些实施方式中，所述烟气混合器的材质为耐高温的金属材料或非金属材料。
在一些实施方式中，所述金属材料选自不锈钢、碳钢、钛合金和铝合金中的一种或多种。
在一些实施方式中，所述非金属材料选自聚四氟乙烯、聚酰亚胺和聚醚醚酮中的一种或多种。
一种烟气再循环系统，包含所述烟气混合器。
总体而言，本发明的烟气混合器与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1、小型化、轻量化：不占用外部空间，在原有空气管路以三通的形式安装，烟气混合器的各个元件内置在混合器外管内，适合改造类工程等施工空间狭小的项目现场。
2、烟气更容易打入空气管道：在混合器掺混喷嘴的头部，空气、烟气属于同向的高速射流，具有互相抽吸的作用。
3、混合距离短：在短距离内即可实现混合气氧气浓度均匀，满足氧量计安装及测量技术条件，自动控制精度更高。
4、安全性高：混合器内空气和烟气属同向高速射流，烟气支管入口始终保持微负压，如风机处于跳停漏气状态，不会造成空气倒灌，导致风机房一氧化碳浓度升高，从而影响生产安全。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
图1是包含所述烟气混合器的烟气再循环系统的示意图；
图2是本发明所述烟气混合器的剖面图；
图3是本发明所述烟气混合器的轴测图；
图4是本发明所述烟气混合器的烟气支管方向的仰视图；
图5是采用流体动力学软件模拟，混合器出口2米截面的氧气浓度分布图；
附图标记说明：1-混合器外管、2-收缩喷管、3-过渡段喷管、4-掺混喷嘴、5-流量分配挡板、6-烟气支管、7-固定环。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
在本发明的说明书中，提及“一个实施例”时均意指在该实施例中描述的具体特征、结构或者参数、步骤等至少包含在根据本发明的一个实施例中。因而，在本发明的说明书中，若采用了诸如“根据本发明的一个实施例”、“在一个实施例中”等用语并不用于特指在同一个实施例中，若采用了诸如“在另外的实施例中”、“根据本发明的不同实施例”、“根据本发明另外的实施例”等用语，也并不用于特指提及的特征只能包含在特定的不同的实施例中。本领域的技术人员应该理解，在本发明说明书的一个或者多个实施例中公开的各具体特征、结构或者参数、步骤等可以以任何合适的方式组合。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明实施例中的烟气再循环系统包括燃烧器、送风机、空烟引风机和再循环风机，其中送风机与轧钢加热炉通过空气管道相连，用于向轧钢加热炉中输送空气，空气管道上设置有烟气混合器，空烟引风机与轧钢加热炉通过排烟管相连，用于将烟气输送到烟囱。再循环风机将从排烟管抽取的烟气通过烟气输入管道送入烟气混合器，烟气输入管道上设置有流量调节阀，用于调节烟气的输入量，空气、烟气进入烟气混合器内进行混合，以得到合适氧气浓度的混合气体输入燃烧器。
烟气混合器出口下游配置有氧量计，用于测量混合后气体的氧气浓度，自动控制系统由此调节烟气输入管道上流量调节阀的开度、再循环风机的转速等。
如图2和3所示，本发明的烟气混合器包括混合器外管1和混合器外管一侧的烟气支管6，混合器外管的外径与空气管道外径相同，以三通的形式安装在空气管道上，烟气支管与烟气输入管道连接，混合器外管1内沿着介质流动方向依次设置收缩喷管2、过渡段喷管3和掺混喷嘴4。
收缩喷管2的一端与混合器外管1的内壁固定连接，且内径沿着介质流动方向逐渐减小，收缩喷管2的锥角可以为20-40°。过渡段喷管3的一端与收缩喷管2相连，另一端与掺混喷嘴4相连，渡段喷管3与混合器外管1的内径比为(0.6-0.9):1。收缩喷管2与过渡段喷管3的连接处设置一个固定环7，用于将收缩喷管2与过渡段喷管3固定在混合器外管1的内壁上。掺混喷嘴4的端部具有涡流发生元件，其形状可以为波瓣、锯齿、突片等；涡流发生元件所在平面的倾角(即涡流发生元件所在平面与掺混喷嘴4中心轴线的夹角)为20-40°。
在一个实施例中，掺混喷嘴4的端部设置有内外交错的锯齿形涡流发生元件，总齿数为36齿，内外齿数分别为18齿，锯齿倾角为30度(锯齿倾角定义为锯齿所在平面偏离掺混喷嘴4中心轴线的夹角)。
过渡段喷管3与混合器外管1之间形成一个环形空腔，烟气支管6与环形空腔连通，环形空腔内设置有流量分配挡板5，流量分配挡板5两侧分别固定在过渡段喷管3的外壁和混合器外管1的内壁上，用于将环形空腔分割为烟气支管近侧和烟气支管远侧两个部分。
流量分配挡板5的作用是平衡环形空腔截面的烟气流量，烟气支管近侧，环形空腔内气流的转弯角度小，阻力大，流量小；烟气支管远侧，环形空腔内气流的转弯角度大，阻力小，流量大。流量分配挡板5起到分割烟气支管出口气流的作用，通过调节流量分配挡板5距离烟气支管轴线的位置，可以使环形空腔内烟气支管出口远近两侧的烟气流量相近或基本相等，从而保证下游烟气浓度均匀，其中流量相近是指两侧烟气的流量差低于20％，优选低于10％，更优选低于5％。
如图3和4所示，在一个实施例中，流量分配挡板5为U形板结构，对称设置在过渡段喷管3外壁上，流量分配挡板5所在平面与混合器外管 1的轴线夹角α为30-60°。
在本发明的烟气混合器中，收缩喷管2、过渡段喷管3、掺混喷嘴4、流量分配挡板5，内置式地安装在混合器外管1内，因此是一种内置式烟气混合器。
如图2和3所示，来自空气管道的空气，经混合器外管1的入口，流动至收缩喷嘴2，静压减小，流速增大，射流的携带作用增强，随后经过渡段喷管3，进入掺混喷嘴4的内圈；烟气由烟气支管6输入，经流量分配挡板5进行流量调节，进入混合器外管1与过渡段喷管3形成的环形空腔，之后到达掺混喷嘴4的外圈。空气、烟气在掺混喷嘴4头部汇合、掺混，进入与原空气管道烟气接点下游，由于掺混喷嘴4端部的涡流发生元件，使两股高速射流产生流向涡，混合气体在下游继续掺混，引起对流掺混作用的增强。
由于本发明的烟气混合器所在的烟气再循环系统温度较高，材质优选为耐高温的金属材料(例如不锈钢、碳钢，钛合金、铝合金等)或非金属材料(例如聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚醚醚酮等)。
根据流体动力学软件模拟验证表明，在表1的工作参数下，所述烟气混合器能够实现在短距离内实现对空气、烟气射流的快速混合，有效提高混合效率。图4所示，在烟气混合器出口2米处截面，氧气浓度达到基本均匀。
表1.所述烟气混合器仿真参数
空气 烟气
管道直径/mm 720 377
流量/Nm<sup>3</sup>/h 10000 3000
氧气浓度/％ 21 5
温度/℃ 20 150
压力/kPa 7.5 8.2
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种烟气混合器，其特征在于，包括混合器外管和所述混合器外管一侧的烟气支管，所述混合器外管的两端与空气管道连接，所述烟气支管与烟气管道连接，所述混合器外管内沿着介质流动方向依次设置收缩喷管、过渡段喷管和掺混喷嘴，所述收缩喷管的一端与所述混合器外管的内壁固定连接，且内径沿着介质流动方向逐渐减小，所述过渡段喷管的一端与所述收缩喷管相连，另一端与所述掺混喷嘴相连，所述过渡段喷管与所述混合器外管之间形成一个环形空腔，所述烟气支管与所述环形空腔连通，并且所述环形空腔中设置有流量分配挡板，所述流量分配挡板用于将所述烟气支管输送的烟气分成流量相近或相同的两部分。
2.根据权利要求1所述的烟气混合器，其特征在于，所述收缩喷管与所述过渡段喷管的连接处设置有固定环，用于将所述收缩喷管与所述过渡段喷管固定在所述混合器外管的内壁上。
3.根据权利要求1所述的烟气混合器，其特征在于，所述过渡段喷管与所述混合器外管的内径比为(0.6-0.9):1。
4.根据权利要求1所述的烟气混合器，其特征在于，所述收缩喷管的锥角为20-40°，优选为25-35°。
5.根据权利要求1所述的烟气混合器，其特征在于，所述掺混喷嘴的端部设置有流向涡发生元件，所述流向涡发生元件的几何形状包括波瓣、锯齿、突片中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的烟气混合器，其特征在于，所述流向涡发生元件所在平面偏离所述喷嘴中心轴线的夹角为20-40°，优选为25-35°。
7.根据权利要求1所述的烟气混合器，其特征在于，所述流量分配挡板所在平面与所述混合器外管的轴线夹角为30-60°，优选为40-50°。
8.根据权利要求1所述的烟气混合器，其特征在于，所述烟气混合器的材质为耐高温的金属材料或非金属材料。
9.根据权利要求8所述的烟气混合器，其特征在于，所述金属材料选自不锈钢、碳钢、钛合金和铝合金中的一种或多种；所述非金属材料选自聚四氟乙烯、聚酰亚胺和聚醚醚酮中的一种或多种。
10.一种烟气再循环系统，其特征在于，包含权利要求1-9任一项所述烟气混合器。
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