CN214635436U - 用于scr脱硝的一体化均流混合装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于SCR脱硝的一体化均流混合装置，包括：包括：支撑架，支撑架内设置有喇叭状的均流组件；均流组件由减速板和多个导流板组成，所述减速板为正n边形，n>3且为偶数；多个导流板在正n边形的边上间隔设置，使相邻导流板之间形成气流缓冲区；每个导流板的上端与正n边形的一个边固定连接，其下端与支撑架的下端固接；所述支撑架的上端与喷嘴可拆卸连接。本实用新型将均流和混合一体化，通过一个装置实现了喷氨格栅处氨气的速度场、浓度场的均匀化，混合距离短，能够实现氨气与烟气的快速混合，提高了气‑气混合效果和混合效率。

Description

用于SCR脱硝的一体化均流混合装置

技术领域

本实用新型涉及流体混合设备技术领域，具体涉及一种用于SCR脱硝的一体化均流混合装置。

背景技术

选择性催化还原反应(SCR)脱硝工艺的重要评价指标是脱硝效率和氨逃逸，而影响SCR脱硝效率和氨逃逸的一个重要因素就是氨与工业烟气的混合效果。现有的为了提高氨气和工业烟气的混合效果，国内外的主要手段有：增加喷氨格栅上喷孔数量同时减小喷孔直径(详见汤元强,吴国江,赵亮.SCR脱硝系统喷氨格栅优化设计[J].热力发电,2013(03):64-68.)，通过喷氨后增加栅叶改善速度均匀性，再添加混合网格提高浓度分布均匀性(详见Gao X,Wang B,Yuan X,et al.Optimal design of selective catalystreduction denitrification system using numerical simulation[J].Journal ofEnvironmental Management,2019,231(FEB.1):909-918.)，喷氨喷嘴后增加挡板形成涡流强化混合(详见赵禹,路光杰,刘汉强等.烟气脱硝涡流混合器及涡流混合方法[P].中国专利：200810304120.X，2009.)，SMV型静态混合器对混合后的烟气和氨气分割成众多子烟道，混合气体经子烟道分割偏转再汇合实现均匀分布(详见Naqvi,M.,Meyer,C.Gas-gasmixing as applied to SCR’s[C].NETL Conference Pittsuburgh PA,2003.)，优化导流板和整流器的布置方式均匀浓度场(详见欧文剑.SCR脱硝反应器入口优化与仿真模拟[J].化工装备技术,2020,41(05):43-47.)，对反应器前导流板形态的研究以增大脱硝效率(详见沈丹,仲兆平,过小玲.600MW电厂SCR烟气脱硝反应器内不同导流板的流场数值模拟[J].电力环境保护,2007(01):42-45.及徐妍,李文彦.SCR脱硝反应器导流板的结构设计[J].热力发电,2008(10):49-52+54.)，在喷射出口布置多孔板强化混合(吴民权,黄发瑞.气—气快速混合研究[J].石油学报(石油加工),1993,009(002):112-118.)；对喷嘴开孔直径、断面速度比对混合效果的影响探究(俞丰,李瑞江,倪燕慧,et al.气-气快速混合的研究[J].化学反应工程与工艺,2003,19(1):45-45.)，采用数值模拟法探究单喷嘴和多喷嘴对混合效果的影响(Giorges AT G,Forney L J,Wang X.Numerical Study of Multi-Jet Mixing[J].Chemical Engineering Research&Design,2001,79(5):515-522.)，基于CFD数值模拟研究了喷射角度、孔口形状和气体流量对混合的影响(Patkar V C,Patwardhan AW.Effectof jet angle and orifice shape in gas–gas mixer using CFD[J].ChemicalEngineering Research&Design,2011,89(7):904-920.)。

综合以上可知，目前国内外对于SCR工艺过程中的提升氨与烟气的混合效果的措施，主要分为两类：一类是通过在喷氨后设置导流装置以均匀流速，延长混合时间；再通过设置涡流混合器等以增强混合效果；另一类是对喷嘴的结构参数和安装参数、喷嘴数量等的研究。而对喷嘴的相关参数的研究并不能从根本上解决混合均匀性问题；而对于强化气-气混合的方式主要是通过减速与混合器分开进行，即先减速再混合，这种方式势必会影响混合效果和混合效率，在工程应用中存在混合距离较长，耗材量大等缺陷。而对于高浓度NO_X烟气，喷氨量大，单个喷嘴流量较大、流速较高，混合效果变差。

实用新型内容

针对现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提出一种用于SCR脱硝的一体化均流混合装置，将均流和混合一体化，通过一个装置实现了喷氨格栅处氨气的速度场、浓度场的均匀化，混合距离短，能够实现氨气与烟气的快速混合，提高了气-气混合效果和混合效率，且安装方便，不改变原有烟道结构，具有广阔的工程应用价值。

为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案予以实现。

用于SCR脱硝的一体化均流混合装置，安装于喷嘴前端，喷嘴均布于喷氨格栅的喷氨主管上，所述一体化均流混合装置包括：支撑架，所述支撑架内设置有喇叭状的均流组件；

所述均流组件由减速板和多个导流板组成，所述减速板为正n边形，n>3且为偶数；多个导流板在正n边形的边上间隔设置，使相邻导流板之间形成气流缓冲区；每个导流板的上端与正n边形的一个边固定连接，其下端与支撑架的下端固接；所述支撑架的上端与喷嘴可拆卸连接。

本实用新型技术方案的特点和进一步的改进在于：

进一步地，多个导流板的底端外接圆与所述减速板的外接圆的直径之比为2:1～8:1。

更进一步地，多个导流板的底端外接圆与所述减速板的外接圆的直径之比为6:1。

进一步地，多个导流板的底端所在平面与减速板之间的垂直距离等于所述减速板至喷嘴出口处的距离。

进一步地，所述喷嘴的出口处至减速板的距离与所述喷嘴的直径之比为6:5。

进一步地，所述减速板为正十二边形，正十二边形的六个边上固接有导流板，且该六个边不相邻。

进一步地，所述支撑架包含上支撑环、下支撑环和设置于上支撑环与下支撑环之间的若干个支撑杆。

进一步地，所述上支撑环的内壁设置有内螺纹，所述喷嘴的外壁上设置有外螺纹，所述内螺纹与外螺纹相匹配。

进一步地，所述一体化均流混合装置与喷氨格栅内的喷嘴一一对应设置。

更进一步地，所述喷氨格栅内同一喷氨主管上的相邻喷嘴之间的距离不小于所述减速板的外接圆直径的十倍。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

(1)本实用新型通过结构设计，将氨气与烟气的减速、均流、混合等过程一体化，在距离喷嘴较近的位置实现了氨气与烟气的快速混合，提高了混合效果和混合效率。

(2)本实用新型通过减速板和导流板形成喇叭状的导流路径，同时在相邻导流板之间留有空隙，在为气流的混合提供缓冲区的同时，缓解气流的压损，保证流速和流场的快速均匀化过程。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明。

图1为本实用新型的一种安装于喷嘴上的一体化均流混合装置的三维立体结构示意图；

图2为本实用新型的一种安装于喷嘴上的一体化均流混合装置的正视图；

图3为本实用新型的一种安装于喷嘴上的一体化均流混合装置的俯视图；

图4为本实用新型的一体化均流混合装置在喷氨格栅内的布设图；

图5为(a)-(e)不同实验组喷嘴前端的轴向截面速度云图；

图6为(a)-(e)不同实验组喷嘴前端的径向截面速度云图；

图7为(a)-(e)不同实验组喷嘴前端的轴向截面氨气摩尔分数云图；

图8为(a)-(e)不同实验组喷嘴前端的径向截面氨气摩尔分数云图；

图9为(a)-(e)不同实验组氨气摩尔浓度相对标准偏差系数；

图10为(b)-(e)不同实验组，距喷嘴出口处和距均流混合器底端所在截面距离为0.03m位置处的截面的压力分布图；

图1-4中，1支撑架；101上支撑环；102支撑杆；103下支撑环；2减速板；3导流板；4喷嘴；5喷氨主管。

具体实施方式

下面将结合实施例对本实用新型的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本实用新型，而不应视为限制本实用新型的范围。

参考图1-图4，本实用新型提供一种用于SCR脱硝的一体化均流混合装置，安装于喷嘴4前端，喷嘴4均布于喷氨格栅的喷氨主管5上，所述一体化均流混合装置包括：支撑架1，所述支撑架1内设置有喇叭状的均流组件；所述均流组件由减速板2和多个导流板3组成，所述减速板2为正n边形，n>3且为偶数；多个导流板3在正n边形的边上间隔设置，使相邻导流板3之间形成气流缓冲区；每个导流板3的上端与正n边形的一个边固定连接，其下端与支撑架1的下端固接；所述支撑架1的上端与喷嘴4可拆卸连接。

以上实施例中，根据烟气的流速分布，在喷氨管道上布置喷嘴4，在每个喷嘴4上安装一个本实用新型的一体化均流混合装置，如图4所示。烟气在烟道内流经喷氨格栅，拌合氨气混合向前流动，氨气从喷氨主管5上均布的多个喷嘴4喷出，喷射到减速板2上，致使氨气流速减小，并向四周散开，沿减速板2边沿喇叭状的多个导流板3向四周散开，与同向运动的烟气混合；本实用新型的减速板2为的正n边形，n>3且为偶数；多个导流板3在正n边形的边上间隔设置，使相邻导流板3之间形成气流缓冲区，有利于流速和流场的均匀化，同时强化混合效果。本实用新型将流场均匀化与氨气-烟气的混合集成于一体，通过喷嘴4前端的速度场和流场的分析进行相应的结构设计，在喷嘴4前端较近距离实现了速度场和流场的均匀化。

本实用新型的减速板2可以为平面状或向上拱起的拱形，拱形板的边缘为正n边形。将本实用新型装置通过丝扣或螺纹固接于喷嘴4上。

本实用新型实施例中，多个导流板3的底端外接圆与所述减速板2的外接圆的直径之比为2:1～8:1。

多个导流板3的底端外接圆与所述减速板2的外接圆的直径之比为6:1。

多个导流板3的底端所在平面与减速板2之间的垂直距离等于所述减速板2至喷嘴4出口处的距离。

所述喷嘴4的出口处至减速板2的距离与所述喷嘴4的直径之比为6:5。

进一步地，所述减速板2为正十二边形，正十二边形的六个边上固接有导流板3，且该六个边不相邻。

进一步地，所述支撑架1包含上支撑环101、下支撑环103和设置于上支撑环101与下支撑环103之间的若干个支撑杆102。

进一步地，所述上支撑环101的内壁设置有内螺纹，所述喷嘴4的外壁上设置有外螺纹，所述内螺纹与外螺纹相匹配。

进一步地，所述一体化均流混合装置与喷氨格栅内的喷嘴4一一对应设置。

更进一步地，所述喷氨格栅内同一喷氨主管5上的相邻喷嘴4之间的距离不小于所述减速板2的外接圆直径的十倍。

以上距离参数的设置，保证了本申请的均流混合效果。具体效果见仿真实验部分。

仿真实验

以喷嘴前不设置本实用新型装置和设置本实用新型装置进行对比。

如图2和图3所示本实施例中减速板为正十二边形作为顶面，6个导流板以喇叭口形式沿圆周方向均布，为六个全等的斜梯形。以不同的导流板的底端外接圆与减速板的外接圆的直径之比作为不同组进行试验。

具体试验参数为：减速板的外接圆直径为25mm，导流板的底端所在平面与减速板之间的垂直距离为30mm，喷嘴的长度为270mm，直径为25mm，喷嘴出口距离导流叶片顶面为30mm，喷氨格栅断面尺寸为3m*3m，喷嘴布置方式为12*12，同一输氨主管上相邻的喷嘴间距至少为300mm；实验组设置为：(a)喷嘴前无均流混合装置，此组作为对照组，其他组喷嘴前均设置本实用新型的均流混合装置，(b)导流板的底端外接圆的直径为50mm，(c)导流板的底端外接圆的直径为100mm，(d)导流板的底端外接圆的直径为150mm，(e)导流板的底端外接圆的直径为200mm。

本实用新型采用ANSYS ICEM FLUENT对该结构进行网格划分，采用结构化网格进行数值模拟。在计算中选择标准的k-epsilon方程，打开Species Transport方程。对于压力-速度耦合求解方面，采用SIMPLEC算法；压力、动量、湍动能和湍流耗散率采用一阶迎风格式，其它均为二阶迎风格式。迭代求解停止时各方程的残差值应小于10^-3。

以下为气流模拟参数设置：烟气管道的直径为300mm，长度为800mm；喷氨主管的直径为25mm，长度为270mm；氨气进口速度为18m/s，温度为350℃，组分含量为摩尔分数为0.02的氨气和摩尔分数为0.98的空气；空气进口速度为2.5m/s，温度为350℃，组分含量全为空气。

在等温圆断面自由射流过程中，根据出口与初始速度的值划分为起始段和主体段，在起始段存在一圆锥区域，其速度大小等于初始速度，导流叶片应尽量布置在起始段；为了提高输氨主管的机械强度以及减少均流混合器的数量，使均流混合器起到最大强化混合效果。同一输氨主管上相邻的喷嘴间距至少为300mm，即均流混合器之间的最小距离为300mm。

浓度相对标准偏差可以用来评定均相物质的混合效果，其值越小说明混合效果越好。X_i表示统计平面上点的摩尔浓度，

表示统计面上的平均摩尔浓度，σ表示浓度标准偏差，C_x表示浓度相对标准偏差。其计算公式如下：

其中，N为统计平面上的统计点的数量。

图5为不同实验组喷嘴前端的轴向截面速度云图。由图可知，当不安装均流混合器时，喷嘴出口后的气速在圆锥区域的值等于初始速度，即圆锥区域为常规喷射的初始区。由图中的a、b、c和d可知，加入均流混合器后，便不存在初始区。对比发现，气体经过均流混合器后，在中心处气速较小，两边气速增大。并且当导流叶片直径从100mm增加到150mm这一现象更为明显。此外随着导流叶片直径的增加，穿过叶片的气速逐渐减小，但穿过的区域逐渐增加。并且导流叶片增加到150mm时这一变化更加突出。

图6为不同实验组喷嘴前端的径向截面速度云图。图中y轴正方向为轴向指向喷射方向，其中，y＝0所在的截面为均流混合器减速板所在的平面。由图可知，当气体刚经过均流混合器时，随着导流板底端外接圆直径的增加，整个径向截面内存在速度差的区域越大。也就是说在大部分区域都存在速度差，由于气体的粘性，气体径向运动，气速逐渐趋于均匀，从而有利于强化混合。在(d)和(e)组，速度差除了中心处存在，在其四周同样存在，说明在随后的运动中，还存在气体之间的径向运动，气体之间仍在混合。

图7为不同实验组喷嘴前端的轴向截面氨气摩尔分数云图。对比(a)和(b)可以看出，在现有的计算区域内氨气的浓度在中心区域较大，沿着轴向距离氨气的扩散并不明显。随着导流板底端外接圆直径的增大，氨气形成多股气流沿着轴向方向逐渐向周围稀释、扩散，强化混合；沿着轴向方向氨气浓度逐渐趋于均匀，在计算域的出口已经形成良好混合效果。

图8为不同实验组喷嘴前端的径向截面氨气摩尔分数云图。随着导流板底端外接圆直径的增大，氨气分布的面积逐渐增加，更加靠近壁面，混合效果明显增加。在出口处已经接近均匀。

图9为不同实验组氨气摩尔浓度相对标准偏差系数。其中氨气摩尔浓度相对标准偏差系数越小，混合效果越好。由图可知，对照组在喷氨出口附近的相对标准偏差系数远大于安装本实用新型的均流混合器。

图10为距喷嘴出口处和距均流混合器底端所在截面距离为0.03m位置处的截面的压力分布图，图中y1为距喷嘴出口处0.03m位置的截面压力分布，y2为距均流混合器底端所在截面距离为0.03m位置处的截面的压力分布。由图可知，在(b)-(e)这四组实验中，氨气入口处存在正压；随着导流叶片底端外接圆直径的增加，影响区域内的压降逐渐减小，但是压降的范围逐渐增加。总体压降较为均匀，对导流叶片的扰动较小。

综合以上结果可以看出，本实用新型设计的一体化均流混合装置能够在较短距离内实现气体流场的均匀化，且具有较为均匀的压降，对导流板扰动小。此外，本实用新型在不改变烟道内本身结构的基础上，非常便捷的实现均流混合装置的安装和拆卸，具有广阔的工程应用价值。

虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。

Claims (10)

1.用于SCR脱硝的一体化均流混合装置，安装于喷嘴前端，喷嘴均布于喷氨格栅的喷氨主管上，其特征在于，所述一体化均流混合装置包括：支撑架，所述支撑架内设置有喇叭状的均流组件；

所述均流组件由减速板和多个导流板组成，所述减速板为正n边形，n＞3且为偶数；多个导流板在正n边形的边上间隔设置，使相邻导流板之间形成气流缓冲区；每个导流板的上端与正n边形的一个边固定连接，其下端与支撑架的下端固接；所述支撑架的上端与喷嘴可拆卸连接。

2.根据权利要求1所述的用于SCR脱硝的一体化均流混合装置，其特征在于，多个导流板的底端外接圆与所述减速板的外接圆的直径之比为2∶1～8∶1。

3.根据权利要求2所述的用于SCR脱硝的一体化均流混合装置，其特征在于，多个导流板的底端外接圆与所述减速板的外接圆的直径之比为6∶1。

4.根据权利要求3所述的用于SCR脱硝的一体化均流混合装置，其特征在于，多个导流板的底端所在平面与减速板之间的垂直距离等于所述减速板至喷嘴出口处的距离。

5.根据权利要求1所述的用于SCR脱硝的一体化均流混合装置，其特征在于，所述喷嘴的出口处至减速板的距离与所述喷嘴的直径之比为6∶5。

6.根据权利要求1所述的用于SCR脱硝的一体化均流混合装置，其特征在于，所述减速板为正十二边形，正十二边形的六个边上固接有导流板，且该六个边不相邻。

7.根据权利要求1所述的用于SCR脱硝的一体化均流混合装置，其特征在于，所述支撑架包含上支撑环、下支撑环和设置于上支撑环与下支撑环之间的若干个支撑杆。

8.根据权利要求7所述的用于SCR脱硝的一体化均流混合装置，其特征在于，所述上支撑环的内壁设置有内螺纹，所述喷嘴的外壁上设置有外螺纹，所述内螺纹与外螺纹相匹配。

9.根据权利要求1-8任一项所述的用于SCR脱硝的一体化均流混合装置，其特征在于，所述一体化均流混合装置与喷氨格栅内的喷嘴一一对应设置。

10.根据权利要求1所述的用于SCR脱硝的一体化均流混合装置，其特征在于，所述喷氨格栅内同一喷氨主管上的相邻喷嘴之间的距离不小于所述减速板的外接圆直径的十倍。

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