专利名称：烟气脱硝涡流混合器及涡流混合方法
技术领域：
本发明涉及一种烟气脱硝工艺中将两种或多种气体混合均匀的装置，以及应用该装置的 涡流混合方法。
背景技术：
大气中氮氧化物的主要来源是燃料，其中近70%来自于煤炭的直接燃烧。我国是以煤炭 为主要能源的国家，火电厂燃煤量又占到我国煤炭消费总量的一半以上。据统计，2000年我 国N0x的排放总量约为1880万吨，其中，火力发电厂氮氧化物排放量为496万吨。按照目前的 排放水平测算，预计到2020年，我国火电排放的氮氧化物将达到1000万吨以上。NOx浓度的 升高，将使大气氧化性增加，导致酸雨、臭氧层破坏、光化学烟雾等一系列的城市和区域环 境问题，对人体健康和生态环境构成巨大的威胁。因此，燃煤电站烟气脱硝是我国控制NOx 排放的重中之重。
选择性催化还原(SCR)技术是目前工业上应用最为广泛的一种脱硝技术，原理是以 NH3为还原剂，选择催化还原烟气中的N0x还原为无害的N2和H20，以脱除NOx，满足日趋严格 的环保要求。其主要反应如下
4NH3 + 4N0 + 02 — 4N2 + 6H20 (1 )
8NH3 + 6NO — 7N2 + 12H20 (2)
SCR技术的关键是反应器内反应物NH3与污染物N0x混合均匀，否则，NH3与N0x在烟气中 的混合不均会造成SCR系统性能降低。氨在某些区域过量，会导致过剩的氨逃逸出反应器， 造成新的环境污染，同时导致脱硝效果变差；某些区域的氨量不足，则导致NOx并未被还原 的结果。
传统的格栅式氨混合器，其工作原理是喷氨格栅安装于通向SCR反应器的烟道内部， 由若干个垂直布置的还原剂喷管和水平布置的还原剂喷管组成，管上设有一定数量喷嘴。每 路还原剂喷管都设有调节装置，让喷入的氨的分布和烟气中NOx的分布尽量的匹配，使得氨 氮摩尔比的分布尽量均匀。
然而经过长期运行发现，由于格栅式混合器占据烟道面积非常大，因此阻力较大，系统 的压力损失较大。同时，喷嘴堵塞现象时有发生，造成氨混合不均匀，进而严重影响脱硝效 率，而且系统调节非常复杂，经常发生故障。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种烟气脱硝涡流混合器及涡流混合方法，提高了烟气 脱硝混合效果和脱硝效率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是
一种烟气脱硝涡流混合器，包括置于烟道内的混合元件和插入烟道内的还原剂喷管，其 特征在于上述混合元件斜置于烟道内，由支撑梁与烟道内壁固定连接，混合元件的背流面 为平面，该背流面与烟气流动方向的夹角为IO。 90° ，且正对还原剂喷管的喷口，但不与 还原剂喷管的喷口相接触，混合元件的向流面朝向流体的流动方向。
上述混合元件可为片状混合元件或锥状混合元件。
上述片状混合元件的平面可以是与烟道横截面形状适应的圆形、椭圆形或多边形。 上述锥状混合元件可以是正圆锥形、斜圆锥形、椭圆锥形、等边棱锥形或不等边棱锥 形，其锥体底面为背流面，锥体尖部朝向烟气的流动方向。 上述混合元件的背流面可固定有放射状分布的分隔板。 上述混合元件为耐高温的金属或非金属材料。 上述混合元件的大小不超过烟道横截面大小的80%。
上述支撑梁的一端与混合元件中心固定或穿过混合元件中心与烟道内壁固定，支撑梁的 另一端与烟道另一侧内壁固定。
一种应用上述烟气脱硝涡流混合器的涡流混合方法，其特征在于将烟气脱硝涡流混合 器的混合元件斜置于与SCR反应器顶部连通的烟道内，将还原剂喷管从烟道壁插入烟道内， 使混合元件的向流面朝向烟气的流动方向，使混合元件的背流面正对还原剂喷管的喷口，且 不相接触，使还原剂氨从还原剂喷管的喷口喷射到混合元件背流面，还原剂氨从混合元件中 心，均匀分布到整个背流面，并扩散至混合元件边缘，在混合元件的向流面，烟气进入烟道 后，受混合元件向流面的阻挡发生扰动，在混合元件的边缘形成涡流，在斜置的混合元件两 端形成压差，引起两侧涡流的不平衡，在形成的涡流中，使催化剂氨与烟气混合均匀。
上述混合元件斜置于直烟道中或烟道拐弯处。
本发明的特点和有益效果是采用本发明的脱硝系统，利用烟气形成的涡流对还原剂氨 进行均匀混合，使得NH3/N0x在第一层催化剂入口断面各点混合均匀偏差在士5。/。以内，完全 达到了NH3/N0x充分混合的目的。
本发明设备简单，控制简便，调试时间短。利用烟气形成的涡流对还原剂氨进行均匀混 合，烟气适应性强，NH3/N0x混合效果更好。并且由于还原剂喷管数量少，口径大，可以作到无堵塞运行，不需要进行维护。
本发明特别适用于火力发电厂选择性催化还原(SCR)烟气脱硝工艺，将还原剂氨引入 含有氮氧化物的烟气中，并使其混合均匀。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图l是本发明实施例一的结构示意图。
图2是本发明实施例二的结构示意图。
图3是分隔板的分布示意图。
图4是应用本发明烟气脱硝涡流混合器的示意图。
图5是图4中A—A剖面多个混合元件的示意图。
图中l-烟气、2-氨、3-涡流、4-片状混合元件、5-向流面、6-背流面、7-还原剂喷 管、8-烟道、9-锥状混合元件、10-分隔板、11-水平烟道、12-烟道拐弯、13-垂直烟道、 14-导流叶片、15-入口烟道、16-渐縮段、17-整流格栅、18-催化剂层、19-SCR反应器、 20-支撑梁。
具体实施例方式
实施例一参见图l所示，这种烟气脱硝涡流混合器，包括置于烟道8内的混合元件和插入 烟道内的还原剂喷管7，其特征在于上述混合元件斜置于烟道内，由支撑梁20与烟道内壁 固定连接，混合元件的背流面6为平面，该背流面与烟气流动方向的夹角为IO。 90° ，且 正对还原剂喷管7的喷口，但不与还原剂喷管的喷口相接触，混合元件的向流面5朝向流体的 流动方向。
上述片状混合元件4的平面可以是与烟道横截面形状适应的圆形、椭圆形、矩形、梯形 或其它多边形。混合元件为碳钢或其它耐45(TC高温的材料。混合元件的直径不超过烟道横 截面大小的80%。还原剂喷管7的喷口与混合元件背流面的距离不超过两个混合元件直径的长度。
上述支撑梁20的一端既可以与混合元件中心固定，也可以穿过混合元件中心与烟道内壁 固定，支撑梁20的另一端与烟道另一侧内壁固定。
实施例二参见图2所示，与实施例一不同的是烟气脱硝涡流混合器采用锥状混合元件9， 上述锥状混合元件9是正圆锥形、斜圆锥形、椭圆锥形、等边棱锥形或不等边棱锥形，其锥 体底面为背流面，锥体尖部朝向烟气1的流动方向。
参见图3，上述混合元件4的背流面可以固定有将表面3-n等分的放射状分隔板10。分隔
板起导流作用，可以使气流分布更加均匀。
对于形状规则的混合元件，还原剂氨可送至背流面的中心，其中心位于平面重心。对于 非规则形状的混合元件，例如不等边三角棱锥形、梯形或者类似形状的多边形混合元件，需 要调节还原剂喷管出口位置，以便达到流体在混合元件背流面尽可能的均匀分布。
在实际工程中，需要根据烟气流速(V)，调节混合元件直径(d)、与烟气流向之间的 角度(a)，并且优化氨喷射速度(V')以及还原剂喷管出口与混合元件之间的距离 (1)，保证氨与烟气的均匀混合扩散。
烟气流速(V)为5-25m/s，还原剂氨喷射速度(V')为5-25m/s，并且始终保持V >V'。
本发明的涡流混合原理参见图l、图2所示，在流体力学中，在一股流体的通道中加入一 块与主流成小迎角的平板，在平板向流面一侧，由于有超压生成，使流线向左右铺展开，在 背流面那一边，流线由于减压吸引而向板中间弯拢。结果在板后缘处，除了后缘的中心以 外，在向流面速度有指向板两边的分量，而在背流面速度有指向板中央的分量；在定常流动 的情况下，由于压力的连续性而且所有流线的来源共同，间断面两侧的速度一样，只有速度 方向的间断。间断面都是从两侧缘就巻起了的，结果产生了两个涡旋，并可在板的整个行程 中看到。
涡流本身对气体的流动是起阻碍作用的，但是如果利用这种原理，在平板的背面增加一 股流体，同样，该流体也会在平板背面形成另一组涡流，这样在平板的边缘，两股流体形成 的两股涡流就会形成混合作用。
应用本发明烟气脱硝涡流混合器进行涡流混合的脱硝工艺参见图4所示，将烟气脱硝涡 流混合器的混合元件斜置于与SCR反应器19顶部连通的烟道8内，将还原剂喷管7从烟道壁插 入烟道内，使混合元件的向流面5朝向烟气1的流动方向，使混合元件的背流面6正对还原剂 喷管7的喷口，且不相接触，在混合元件上方一段距离，对应设置还原剂喷管7，使还原剂氨 从还原剂喷管的喷口喷射到混合元件背流面，还原剂氨从混合元件中心，均匀分布到整个背 流面，并扩散至混合元件边缘，在混合元件的向流面5，烟气由锅炉尾部经过接口进入脱硝 系统，首先经过水平烟道ll、烟道拐弯12和垂直烟道13，在烟道拐弯处遇到混合元件，烟气 受混合元件向流面5的阻挡发生扰动，在混合元件的边缘形成涡流，在斜置的混合元件两端 形成压差，引起两侧涡流的不平衡，在形成的涡流中，使催化剂氨与烟气混合均匀。然后， 混合物再经过导流叶片14转向后进入入口烟道15，经过渐縮段16、整流格栅17向下到达反应 器第一催化剂层18， SCR反应器19为烟气竖直向下流动方式，反应器入口及出口烟道转弯处均可设有导流板，反应器入口可装设气流均布装置。
参见图5，在大尺寸烟道内，可将多个混合元件呈排布置，还原剂喷管与混合元件对应 布置。多个混合元件可以用统一的支撑梁固定，也可以分别用支撑梁固定在烟道内。
脱硝系统的设计条件为
机组容量 2X330丽；
烟气量 391.673kg/s;
烟气温度 365°C;
NOx入口浓度 400mg/Nm3;
脱硝系统的主要设计参数
烟气流速 15m/s;
氨喷射速度 10m/s;
混合元件 6个X小150mm;
混合元件圆盘与水平夹角37° ;
氨还原剂喷管口距离圆盘中心 800mm。
权利要求
1.一种烟气脱硝涡流混合器，包括置于烟道(8)内的混合元件和插入烟道内的还原剂喷管(7)，其特征在于上述混合元件斜置于烟道内，由支撑梁(20)与烟道内壁固定连接，混合元件的背流面(6)为平面，该背流面与烟气流动方向的夹角为10°～90°，且正对还原剂喷管(7)的喷口，但不与还原剂喷管的喷口相接触，混合元件的向流面(5)朝向流体的流动方向。
2.根据权利要求l所述的烟气脱硝涡流混合器，其特征在于上述混 合元件为片状混合元件(4)或锥状混合元件(9)。
3.根据权利要求2所述的烟气脱硝涡流混合器，其特征在于上述片状混合元件(4)的平面是与烟道横截面形状适应的圆形、椭圆形或多边形。
4.根据权利要求2所述的烟气脱硝涡流混合器，其特征在于上述锥状混合元件(9)是正圆锥形、斜圆锥形、椭圆锥形、等边棱锥形或不等边棱锥形，其锥体 底面为背流面，锥体尖部朝向烟气(1)的流动方向。
5.根据权利要求3或4所述的烟气脱硝涡流混合器，其特征在于上述混合元件的背流面(6)固定有放射状分布的分隔板(10)。
6.根据权利要求3或4所述的烟气脱硝涡流混合器，其特征在于上述混合元件为耐高温的金属或非金属材料。
7.根据权利要求3或4所述的烟气脱硝涡流混合器，其特征在于上述混合元件不超过烟道横截面大小的80%。
8.根据权利要求3或4所述的烟气脱硝涡流混合器，其特征在于上 述支撑梁(20)的一端与混合元件中心固定或穿过混合元件中心与烟道内壁固定，支撑梁 (20)的另一端与烟道另一侧内壁固定。
9. 一种应用权利要求l-8任意一项烟气脱硝涡流混合器的涡流混合方法，其特征在于将烟气脱硝涡流混合器的混合元件斜置于与SCR反应器(19)顶部连通的 烟道(8)内，将还原剂喷管(7)从烟道壁插入烟道内，使混合元件的向流面(5)朝向烟气(1)的流动方向，使混合元件的背流面(6)正对还原剂喷管(7)的喷口，且不相接触 ，使还原剂氨从还原剂喷管的喷口喷射到混合元件背流面，还原剂氨从混合元件中心，均匀 分布到整个背流面，并扩散至混合元件边缘，在混合元件的向流面(5)，烟气进入烟道后 ，受混合元件向流面(5)的阻挡发生扰动，在混合元件的边缘形成涡流，在斜置的混合元 件两端形成压差，引起两侧涡流的不平衡，在形成的涡流中，使催化剂氨与烟气混合均匀。
10.根据权利要求9所述的烟气脱硝涡流混合器的涡流混合方法，其 特征在于上述混合元件斜置于直烟道(13)中或烟道拐弯(12)处。
全文摘要
一种烟气脱硝涡流混合器及涡流混合方法，该混合器包括置于烟道内的混合元件和插入烟道内的还原剂喷管，上述混合元件的背流面为平面，该背流面正对还原剂喷管的喷口，但不与还原剂喷管的喷口相接触，混合元件的向流面朝向流体的流动方向。采用本发明的脱硝系统，利用烟气形成的涡流对还原剂氨进行均匀混合，使得NH<sub>3</sub>/NO<sub>x</sub>在第一层催化剂入口断面各点混合均匀偏差在±5％以内，完全达到了NH<sub>3</sub>/NOx充分混合的目的。本发明特别适用于火力发电厂选择性催化还原(SCR)烟气脱硝工艺，将还原剂氨引入含有氮氧化物的烟气中，并使其混合均匀。
文档编号B01D53/56GK101342457SQ20081030412
公开日2009年1月14日 申请日期2008年8月21日 优先权日2008年8月21日
发明者刘汉强, 敌 吴, 滨 沈, 禹 赵, 路光杰 申请人:北京国电龙源环保工程有限公司