一种基于烟气量自动调节氨气流量的喷氨均混装置制造方法

一种基于烟气量自动调节氨气流量的喷氨均混装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于烟气量自动调节氨气流量的喷氨均混装置，包括喷氨母管、喷氨子管、弹性旋转支座、旋流喷管和旋流板；所述的喷氨子管等距并列布置在喷氨母管上；所述的旋流喷管和旋流板通过螺纹配合连接，构成气固间作用力传递原件和小尺度旋转涡流混合器；所述的弹性旋转支座放置在喷氨子管上端的定位槽内，支座顶部钢球陷在旋流喷管内的定位凹口，通过这种方式将旋流喷管套在喷氨子管上。本发明将气固相互作用力与弹簧弹性力相结合，解决了同一根喷氨管上不同喷氨支管喷氨量随烟气量变化的自动调节问题，真正实现了不均匀烟气量与不均匀喷氨量的匹配；而且利用同向多孔喷氨的反推力，实现了喷氨点的动态连续供氨。
【专利说明】一种基于烟气量自动调节氨气流量的喷氨均混装置
【技术领域】
[0001]本发明属于烟气净化【技术领域】，具体涉及一种基于烟气量自动调节氨气流量的喷氨均混装置。
【背景技术】
[0002]选择性催化还原方法(SCR)是对下游工质的一项处理工艺，其原理是在含有NOx的烟气中喷入NH3还原剂，在合适的温度条件下(通常为30(T400°C )，通过催化剂的催化作用，使其中的NOx还原成N2和H20。烟气与NH3充分混合是SCR取得成功的关键因素。如果烟气与NH3混合不均匀，不仅会降低脱硝效率，而且会增加氨的逃逸率，逃逸氨容易与由502催化氧化形成的SO3反应生成粘结性较强的硫酸铵或者硫酸氢铵，从而堵塞反应器下游的空预器。因此，合理设计喷氨装置已成为SCR烟气脱硝系统工艺设计的关键。
[0003]目前，研究者已经发明了许多基于不同原理的喷氨装置，部分技术已在实际工程中得到了应用。然而，这些喷氨装置普遍存在不尽人意之处。如发明专利CN102698579 A公开了一种烟气脱硝系统的喷氨与涡流混合装置及方法，该装置采用两个以上大小相等、在垂直烟道内间隔分布的圆形绕流板，各圆形绕流板上方分别对应安装有一个喷氨管，通过将氨喷射到扰流板的背流面，扩散至扰流板边缘与烟气形成涡流并混合均匀，该发明中圆形绕流板的直径大于烟道宽度的一半，如此大的扰流板限制了喷氨管的个数和布置方式，如在尺寸较大的烟道，只能布置庞大的扰流板和少量的喷氨管，对于只依赖驻涡来强化混合的装置，这种布置方式是非常不利于局部混合的。
[0004]发明专利CN202315668 U提供了一种SCR烟气脱硝装置的喷氨混合系统，该喷氨装置为一喷氨管，平行且均匀间隔排列在入口烟道的横截面上，管上沿轴向均匀设置喷氨孔，氨气通过喷氨孔与烟气混合，很显然，这种方式利用了射流穿透过程中对烟气的卷吸实现两者之间的混合，但这种卷吸混合只局限于喷射孔的附近区域，对于大空间的混合非常有限，尽管喷氨管下游布置了均流管，但远距离的小扰流作用收效甚微。
[0005]为了克服单射流的缺陷，发明专利CN102350216 A提出了一种三叉形喷嘴装置，SP在常规单射流两边增设了对称射流，这在一定程度上弥补了常规喷氨装置喷射角度单一的不足，但这种方式只能有限地照顾到相邻区域。
[0006]以上两种喷氨管在喷口直径相同的情况下，各喷口喷出的氨气量沿喷氨管道的延伸方向减小，这使得各喷口喷出的氨气不均匀，为此，发明专利CN101637700 A发明了采用非等直径喷孔喷氨格栅的SCR脱硝工艺及脱硝装置，目的是为了保证各喷氨孔喷出的氨气量相同，很显然，这种方式对于均匀入流的烟气来说是有效的，但是对于不均匀入流烟气，会产生氨气与烟气不匹配的现象，如在速度大的地方氨反应过剩，形成逃逸氨，速度小的地方氨供应不足，降低脱硝效率。
[0007]综上所述，由于自身技术条件限制，目前存在的喷氨装置若要满足首层催化剂入口氨浓度标准偏差小于5%，需要较长的混合距离，这对于整套SCR脱硝装置的经济性是不利的，因此，为了降低SCR脱硝系统的建设成本，提高脱硝效率，迫切需要开发出一种在较短的混合距离下满足氨浓度分布均匀性要求的喷氨装置。

【发明内容】

[0008]发明目的:本发明针对大尺度涡流混合器因仅仅依靠驻涡扰动而难以实现局部混合均匀、小尺度喷氨格栅因仅仅依赖对流扩散缺少局部扰动而需要较长混合距离实现均匀混合、多个并列布置在喷氨格栅同一根喷氨管上的喷嘴不能根据不均匀入流烟气来单独调整自身喷氨量等问题，提供了一种随烟气量改变自动调节氨气流量的喷氨均混装置。
[0009]技术方案:为解决上述技术问题，本发明的一种基于烟气量自动调节氨气流量的喷氨均混装置，包括烟道、喷氨母管以及与喷氨母管相连的一组氨气调节装置；所述氨气调节装置包括喷氨子管、弹性旋转支座、旋流喷管和旋流板；所述喷氨母管从烟道外向烟道内里穿插固定在烟道一侧，所述喷氨母管在烟道内的一端呈封闭状，另一端与供氨装置连接，烟道内的喷氨母管上端上设有一组孔洞；所述喷氨子管包括喷管、设在喷管上喷氨孔、设在喷管内的隔板；隔板将喷氨管内腔分为上方的定位槽和下方的汇氨内腔，所述喷管与孔洞连接；所述弹性旋转支座包括设在一端设在隔板上的弹簧以及与设在弹簧另一端的定位块；所述旋流喷管包括套筒、与套筒相连的旋流管、设在旋流管内的环形凸台以及设在旋流管上的旋流孔，所述套筒与定位块相连；所述旋流板内环与喷管上下滑动连接，即旋流板内环与喷管之间留有微小空间能够使旋流板围绕喷管实现上下滑动，所述旋流板与旋流管实现连接。
[0010]进一步地，所述定位块为球形块，球形块的直径大于弹簧内径，所述套筒内上设有一定位凹口，口径与球径相等，其中，球形块直径d3比弹簧内径d4略大，使其刚好能放置在弹簧上部，弹簧外径d5等于喷管内径d6，使其能够刚好放在喷管上端的定位槽，放平稳后，弹簧比定位槽高h2，弹簧的弹性模量能保证弹簧在最大承重时h2始终大于0。
[0011]进一步地，所述氨气调节装置与孔洞的数量相等，孔洞孔径为d1=30-100mm，相邻小孔间距L1=0.15~0.5m，左侧第一个小孔距封闭端L2=0.05m。
[0012]进一步地，所述旋流孔的孔向非指向旋流管管心，即一般为相对于旋流管A-A截面方向俯视图呈顺时针或者逆时针方向，角度可以根据实际生产情况设定。
[0013]进一步地，为了达到理想的效果，所述当G1+G2+G3=F0时，环形凸台正好覆盖喷氨子管上的喷氨孔，G1、G2、G3分别表示旋流喷管、旋流板和钢球的重量，F0表示弹簧的弹力，F0=SXK, S为压缩量，K为弹性系数。
[0014]进一步地，所述旋流板呈圆环形，旋流板上设有一环形凹槽，环形凹槽一侧设有一第一内螺纹。
[0015]进一步地，所述旋流管下端设有一与第一内螺纹匹配的第一外螺纹，旋流管通过第一内螺纹与环形凹槽相连；所述旋流管上端设有一第二外螺纹，所述套筒下端设有与第二外螺纹相匹配的第二内螺纹。
[0016]进一步地，所述第一内螺纹、第一外螺纹的拧紧方向与第二内螺纹、第二外螺纹的拧紧方向一致，且旋流孔的孔向与拧紧方向一致。
[0017]进一步地，为了完全将喷氨孔覆盖住，所述环形凸台的高度大于喷氨孔的直径，所述喷氨孔为矩形喷氨孔，矩形喷氨孔的数量为3-5最佳。
[0018]在应用过程中，喷氨母管通过管上的小孔与喷氨子管焊接，弹性旋转支座放在喷氨子管的定位槽内，组装好的旋流喷管在与旋流板螺纹连接后套在喷氨子管上，导致弹性旋转支座由于承重而被压缩，这样旋流喷管内侧的环形凸台刚好覆盖喷氨子管上的矩形喷氨孔，此时，旋流喷管处于平衡状态，满足G (旋流喷管)+G (旋流板)+G (钢球)=匕(弹簧)，这里G分别表示旋流喷管、旋流板和钢球的重量，F表示弹簧的弹力，可用公式表示Ftl=SXK, S为压缩量，K为弹性系数，对于选定的弹簧为定值；
然后，从供氨装置过来的体积浓度为5%的氨气A进入喷氨母管，并分别通过小孔进入每个喷氨子管，当烟道内烟气流量为O时，喷氨孔处于封闭状态，氨气不能流入到烟道；当烟道内烟气B均匀流过同一根喷氨母管上的不同旋流喷管时，旋流板在烟气B的曳力作用下向上移动，到一定位置时达到新的平衡，此时满足G (旋流喷管)+G (旋流板)+G (钢球)=F1 (弹簧)+f (曳力)，对于一定的喷氨装置，公式左边为定值，为使等式成立，当f增大时，F1就减小，促使环形凸台向上移动，也就是说，随着烟气流速增加，矩形喷氨孔开度增加，喷氨量增加；当烟道内烟气不均匀流过同一根喷氨母管上的不同旋流喷管时，流速大的地方，喷氨量大，流速小的地方，喷氨量小，这使得当地烟气量和局部供氨量具有很好的匹配性。
[0019]当氨气从汇氨外腔进入烟道时，因为旋流孔均匀布置且都与旋流喷管的内径相切，所以从每个旋流孔喷出的氨气对旋流喷管施加了同一方向的反推力，即都是顺时针或都是逆时针，由于每个旋流孔的孔径不同，故通过旋流孔的喷氨量是不同的，这导致不同大小的反推力产生，这样，旋流喷管在受到喷出氨气的一致反推作用下绕着钢球快速旋转，将氨气均匀引入到喷管四周，同时，当烟气流过旋流板后，容易在背面形成驻涡区，驻涡的产生为均匀入流的氨气提供了湍动空间，促进了氨气与烟气的混合。
[0020]有益效果:本发明相对于现有技术而言，具有以下优点:
1、本发明采用了小尺度喷氨格栅应用的多点强制混合理论，这种耦合方法一方面实现了宏观尺度上氨气的对流混合，另一方面也促进了微观尺度上氨气的扩散混合，有利于减小混合长度，大大减少了设备的投资成本。
[0021]2、本发明巧妙地运用了牛顿第一运动定律，通过气固相互作用力与弹簧弹性力的结合实现了烟气量变动与喷氨量变化两者之间的动态关联，很好地满足了烟气量及时改变对喷氨量的需求，解决了常规喷氨格栅在同一根喷氨管上不同喷氨支管的流量自动调节问题。
[0022]3、本发明应用了动量守恒定律理论，旋流喷管通过四周切向喷出氨气，使其本身绕活动支点向相反的方向旋转，这种喷氨方式克服了传统喷氨装置只能固定点、离散性供氨的弊端，实现了喷氨点的动态连续性供氨，使氨气能均匀分布到喷射点的四周，同时有节奏地扰动了烟气流场，有利于提高流场混合均匀度。
[0023]4、本发明的旋流板既传递气固间的相互作用力，也用作小尺度涡流混合器，为氨气小尺度混合创造了湍动空间，这种布置方式强化了微观尺度上的混合，有助于烟气与氨气的全局混合。
【专利附图】

【附图说明】
[0024]图1是本发明的一种自动调节氨气流量的喷氨均混装置示意图，其中有:来自供氨装置的氨气A、烟气B、旋流喷管1、套筒2、定位凹口 3、旋流管4、环形凸台5、旋流孔6、汇氨外腔7、球形块8、弹簧9、喷氨子管10、喷管11、隔板12、矩形喷氨孔13、定位槽14、汇氨内腔15、环形凹槽16、旋流板17、喷氨母管18、蒙板19和烟道20。
[0025]图2是本发明的喷氨子管不意图,其中有:喷氨子管10、喷管11、隔板12、矩形喷氨孔13、定位槽14和汇氨内腔15。
[0026]图3是本发明的旋流喷管拆卸示意图，其中有:旋流喷管1、套筒2、定位凹口 3、旋流管4、环形凸台5、旋流孔6、第一内螺纹21、第二外螺纹22、第一外螺纹23。
[0027]图4是本发明的旋流喷管A-A俯视图，其中有:旋流喷管1、旋流孔6。
[0028]图5是本发明的旋流板示意图，其中有:环形凹槽16、旋流板17、第一内螺纹24。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图f 5对本发明作更进一步的说明。
[0030]如图f 5所示，一种基于烟气量自动调节氨气流量的喷氨均混装置，包括烟道20、喷氨母管18以及与喷氨母管18相连的一组氨气调节装置；所述氨气调节装置包括喷氨子管10、弹性旋转支座、旋流喷管I和旋流板17 ;所述喷氨母管18从烟道20外向烟道20内里穿插固定在烟道20 —侧，所述喷氨母管18在烟道20内的一端通过蒙板19封闭，另一端与供氨装置连接，烟道20内的喷氨母管18上端上设有一组孔洞；所述喷氨子管10包括喷管11、设在喷管11上喷氨孔13、设在喷管11内的隔板12 ;隔板12将喷管11内腔分为上方的定位槽14和下方的汇氨内腔15，所述喷管11与孔洞连接；所述弹性旋转支座包括设在一端设在隔板12上的弹簧9以及与设在弹簧9另一端的球形块8 ;所述旋流喷管I包括套筒2、与套筒2相连的旋流管4、设在旋流管4内的环形凸台5以及设在旋流管4上的旋流孔6，所述套筒2与球形块8相连；所述旋流板17内环与喷管11上下滑动连接，所述旋流板17与旋流管4连接；所述旋流板17呈圆环形，旋流板17上设有一环形凹槽16，环形凹槽16 —侧设有一第一内螺纹24，所述旋流管4下端设有一与第一内螺纹24匹配的第一外螺纹，所述旋流管4下端设有一与第一内螺纹24匹配的第一外螺纹23，旋流管4通过第一内螺纹24与环形凹槽相连；所述旋流管4上端设有一第二外螺纹22，所述套筒下端设有与第二外螺纹22相匹配的第二内螺纹21，所述环形凸台5的高度大于喷氨孔13的直径。旋流孔6的孔向相对于旋流管A-A截面方向俯视图呈顺时针或者逆时针方向。
[0031]实施例一:
本实施例针对某电厂SCR脱硝系统按1:10设计的冷模实验台设计喷氨装置，并建立了对应的物理模型和数学模型。为了比较说明，数值实验设计了三种喷氨方案:
第一种方案在Φ32管子上以80mm间距开设3个Φ20喷氨孔作为喷氨管；
第二种方案在前述基础上，采用Φ20管子作为喷氨子管，一端插入喷氨管小孔并与其焊接，另一端封闭，并在侧面开设3个矩形喷氨孔，孔高5mm ；
第三种方案是本发明的内容，采用Φ32管子作为喷氨母管，在管子上间隔80mm开设3个Φ20小孔，采用Φ20管子作为喷氨子管，一端插入母管小孔并与其焊接，另一端距端口IOmm处用隔板分割成定位槽和汇氨内腔，在距隔板IOmm的管子四周开设3个矩形喷氨孔，孔高5mm。将适当大小弹簧放入定位槽，并在弹簧顶部放置钢球，采用Φ60的圆板作为旋流板，并与组装好的旋流喷管连接套在喷氨子管上。旋流喷管里面有一厚7mm环形凸台，距凸台IOmm处开设4个圆形旋流孔,孔径依次为I mm、2mm、3 mm、4 mm,开孔方向为俯视呈顺时针，并与旋流管内径相切。静止时，弹簧被压缩，旋流喷管内侧环形凸台刚好覆盖喷氨子管上的喷氨孔。
[0032]模拟工况分为均匀入流和非均匀入流模拟烟气。数值模拟结果表明:当采用均匀入流烟气时，对于第一种方案，首层催化剂前氨浓度不均匀系数为10.5%，对于第二种方案，不均匀系数为5.6%，对于第三种方案，不均匀系数为1.3%。
[0033]当采用不均匀入流烟气时，对于第一种方案，首层催化剂前氨浓度不均匀系数为14.7%，对于第二种方案，不均匀系数为7.2%，对于第三种方案，不均匀系数为2.7%。
通过数据比较得知，在均匀入流和非均匀入流模拟烟气工况下，采用本发明方案均能满足测试要求。
[0034]实施例二:
本实施例针对某电厂SCR脱硝系统设计喷氨装置。采用Φ76管子作为喷氨母管，在管子上间隔200mm开设5个Φ32小孔。采用Φ32X2管子作为喷氨子管，一端插入母管小孔并与其焊接，另一端距端口 20mm处用隔板分割成定位槽和汇氨内腔，在距隔板20mm的管子四周开设3个矩形喷氨孔,孔高10mm。将外径为28mm、高为35mm弹簧放入定位槽,并在弹簧顶部放置直径为28_钢球。采用Φ 120的圆板作为旋流板，并与组装好的旋流喷管连接套在喷氨子管上。旋流喷管里面有一厚12mm环形凸台，内径为Φ34πιπι，距凸台20mm处开设5个圆形旋流孔,孔径依次为2 mm、3 mm、4 mm、5开孔方向为俯视呈顺时针，并与
旋流管内径相切。静止时，弹簧被压缩，旋流喷管内侧环形凸台刚好覆盖喷氨子管上的喷氨孔。
[0035]从供氨装置过来的体积浓度为5%的氨气进入喷氨母管，并分别通过小孔进入每个喷氨子管。当烟气流过喷氨装置时，旋流板受到烟气曳力作用向上运动，矩形喷氨孔开度增加，氨气通过喷氨孔进入汇氨外腔，然后又经过旋流孔喷入烟道，此时，旋流喷管在喷出氨气的反推力作用下快速旋转，促使氨气均匀分配到喷射点的四周，并在由旋流板形成的驻涡区与烟气均匀混合。数值计算结果显示，在首层催化剂前，氨浓度不均匀系数仅为0.7%，远低于5%的测试要求。
[0036]以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种基于烟气量自动调节氨气流量的喷氨均混装置，其特征在于:包括烟道、喷氨母管以及与喷氨母管相连的一组氨气调节装置；所述氨气调节装置包括喷氨子管、弹性旋转支座、旋流喷管和旋流板；所述喷氨母管从烟道外向烟道内里穿插固定在烟道一侧，所述喷氨母管在烟道内的一端呈封闭状，另一端与供氨装置连接，烟道内的喷氨母管上端上设有一组孔洞；所述喷氨子管包括喷管、设在喷管上喷氨孔、设在喷管内的隔板；隔板将喷管内腔分为上方的定位槽和下方的汇氨内腔，所述喷管与孔洞连接；所述弹性旋转支座包括设在一端设在隔板上的弹簧以及与设在弹簧另一端的定位块；所述旋流喷管包括套筒、与套筒相连的旋流管、设在旋流管内的环形凸台以及设在旋流管上的旋流孔，所述套筒与定位块相连；所述旋流板内环与喷管上下滑动连接，所述旋流板与旋流管连接。
2.根据权利要求1所述的基于烟气量自动调节氨气流量的喷氨均混装置，其特征在于:所述旋流孔的孔向非指向旋流管管心。
3.根据权利要求1所述的基于烟气量自动调节氨气流量的喷氨均混装置，其特征在于:所述定位块为球形块，球形块的直径大于弹簧内径，所述套筒内上设有一定位凹口，口径与球径相等；所述氨气调节装置与孔洞的数量相等。
4.根据权利要求1所述的基于烟气量自动调节氨气流量的喷氨均混装置，其特征在于:所述当G1+G2+G3=Fq时，环形凸台正好覆盖喷氨子管上的喷氨孔，G1、G2、G3分别表示旋流喷管、旋流板和钢球的重量，F0表示弹簧的弹力，F0=SXK, S为压缩量，K为弹性系数。
5.根据权利要求1所述的基于烟气量自动调节氨气流量的喷氨均混装置，其特征在于:所述旋流板呈圆环形，旋流板上设有一环形凹槽，环形凹槽一侧设有一第一内螺纹。
6.根据权利要求5所述的基于烟气量自动调节氨气流量的喷氨均混装置，其特征在于:所述旋流管下端设有一与第一内螺纹匹配的第一外螺纹，旋流管通过第一内螺纹与环形凹槽相连；所述旋流管上端设有一第二外螺纹，所述套筒下端设有与第二外螺纹相匹配的第二内螺纹。
7.根据权利要求6所述的基于烟气量自动调节氨气流量的喷氨均混装置，其特征在于:所述第一内螺纹、第一外螺纹的拧紧方向与第二内螺纹、第二外螺纹的拧紧方向一致，且旋流孔的孔向与拧紧方向一致。
8.根据权利要求1所述的基于烟气量自动调节氨气流量的喷氨均混装置，其特征在于:所述环形凸台的高度大于喷氨孔的直径。
9.根据权利要求2所述的基于烟气量自动调节氨气流量的喷氨均混装置，其特征在于:所述弹簧的弹性模量在弹簧在最大承重时的高度始终大于定位槽的高度。
10.根据权利要求3所述的基于烟气量自动调节氨气流量的喷氨均混装置，其特征在于:所述喷氨母管上端等距离设有一组孔径相同的孔洞。
【文档编号】B01D53/90GK103768940SQ201410055978
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年2月19日 优先权日:2014年2月19日
【发明者】张勇, 金保昇, 夏文青 申请人:东南大学