一种脱硝长喷枪用喷嘴及其设计方法与流程

本发明涉及脱硝喷枪系统，具体为一种脱硝长喷枪用喷嘴及其设计方法。

背景技术：

氮氧化物(NOx)是燃煤电厂烟气排放中的主要污染物之一，逸散到大气中的NOx会毒害人类和动植物，形成酸雨，还能对臭氧层产生破坏。为减少NOx排放，当前广泛使用的方法是选择性催化还原脱硝技术(SCR)和选择性非催化脱硝技术(SNCR)。SCR技术脱硝效率高，但建设、运行和维护成本较高，与其相比，SNCR技术系统简单，在没有必要使用SCR技术的情况下，同样可以降低NOx的排放浓度。

液体雾化是农业生产、能源利用和环境工程等领域中普遍存在的过程，在过去的几十年里，人们对各种不同的液体雾化方法进行了广泛的实验与理论研究，并研制开发出了各种不同结构和用途的喷嘴，如机械式喷嘴、气力式喷嘴、旋转式喷嘴、组合式喷嘴等。

气力式喷嘴结构简单，易于加工，雾化质量较好，被广泛应用于煤气化和烟气处理领域。气力式雾化喷嘴在喷嘴内部设计了空气流道，利用高速气体与低速液体射流的相互剪切作用使液体碎裂、雾化成更细小的液滴。气力式喷嘴有内混式和外混式两种。高压气流雾化喷嘴属于气力式喷嘴，其雾化介质通常是0.2-1.0MPa压力的压缩空气或蒸汽，利用高压气流的能量将液体雾化。喷嘴是SNCR脱硝系统中长喷枪的核心设备之一，本专利根据某电厂具体烟气工况，设计一种用于脱硝长喷枪的内混式高压气流雾化喷嘴。

现有已商品化的喷嘴需要配套的长喷枪去适应和改变，在长喷枪加工时结构要重新设计。喷嘴的设计和改变较为复杂，而且现有技术中，脱硝长喷枪所处运行环境温度很高，同时含有大量烟尘及腐蚀性物质，长期使用会造成喷嘴的堵塞和腐蚀，进而影响长喷枪的正常工作。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种脱硝长喷枪用喷嘴及其设计方法，结构合理，设计方便，能够根据喷枪的结构变化进行方便的配合，保证脱硝效率。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种脱硝长喷枪用喷嘴，包括喷嘴底座，设置在喷嘴底座两侧的压缩空气进口和尿素溶液进口，以及设置在喷嘴底座上的液体帽和空气帽；液体帽为一体结构，包括同轴设置的端盖和螺柱；液体孔沿端盖和螺柱的轴线贯穿设置，空气孔贯穿端盖设置；螺柱通过螺纹密封连接在喷嘴底座中轴线上，液体孔的进液端与尿素溶液进口连通；端盖下端与喷嘴底座上的阶梯端面密封连接形成压缩空气腔，压缩空气腔的一端与压缩空气进口连通，另一端与空气孔连通；空气帽底端密封连接在液体帽上形成混合室，空气帽顶端设置喷出口与混合室连通。

优选的，喷嘴底座上设置有筒状结构，筒状结构高度不低于喷出口高度；端盖和空气帽位于筒状结构内，筒状结构内壁与端盖和空气帽呈间隙设置。

优选的，端盖上部设置连接柱，端盖通过连接柱外部的外螺纹与空气帽密封连接，空气孔贯穿连接柱和端盖设置。

优选的，端盖上设置有多个均匀分布在液体孔外围的空气孔。

优选的，压缩空气进口通过接头和密封垫片与压缩空气管路密封连接，尿素溶液进口通过接头和密封垫片与尿素溶液管路密封连接。

优选的，端盖下端与喷嘴底座上的阶梯端面通过金属密封垫片密封连接。

一种脱硝长喷枪用喷嘴的设计方法，所述喷嘴的结构如本发明所述，具体包括如下步骤，

步骤1，根据脱硝长喷枪所在机组烟气量，计算机组在脱销时每个喷嘴的尿素溶液喷射量；

步骤2，根据每个喷嘴的尿素溶液喷射量，由如下公式确定喷嘴中尿素溶液进口直径D₁和尿素溶液喷嘴喷口直径d₁；确定喷嘴内尿素溶液流道的参数；

$D_1=18.8\sqrt{\frac{q_{mf}}{{\mathrm{\ρ}}_1{u}_1}};d_1=1.13\sqrt{\frac{7.07\×{10}^2{q}_{mf}}{3600{\mathrm{\μ}}_1\sqrt{{\mathrm{\Δp\ρ}}_1}}};$

其中，q_mf为尿素溶液喷射量，ρ₁为尿素溶液密度，u₁为尿素溶液管内流速，μ₁为尿素溶液出口流量系数，Δp为尿素溶液绝对压力p₁与混合室临界压力p₃之差；

步骤3，由如下公式确定喷嘴中压缩空气出口直径d₂、压缩空气入口直径D₂和空气帽喷出口孔径d₃；确定喷嘴内压缩空气流道的参数；

$D_2=\sqrt{1273240\·\frac{q_{ma}\·{\mathrm{\υ}}_2}{u_2}+{D_{10}}^2};$

$d_3=1.13\sqrt{F_3/n_3};$

其中，q_ma为压缩空气流量，n为空气孔孔数，u₂为压缩空气在管内流速，为临界截面流量计算系数，p₂为压缩空气压力，υ₂为压缩空气比容，D₁₀为尿素溶液进口外径，F₃为空气帽出口截面积，n₃为空气帽喷出口数量；

步骤4，由步骤2和3中确定的尿素溶液流道的参数和压缩空气流道的参数，结合如权利要求1中所述的喷嘴结构，完成脱硝长喷枪用喷嘴的设计。

优选的，步骤1中，由如下公式得到每个喷嘴的尿素溶液喷射量；

$W_n=\frac{V_q\×C_{NO}\×60}{30\×{10}^6}\×NSRn;$

q_mf＝W_n/m；

其中，W_n为尿素耗量，V_q为机组烟气量，C_NO为机组脱硝时入口NO浓度，NSRn为尿素和NO的当量摩尔比，m为喷嘴总数。

进一步，步骤3中，由如下公式得到混合室出口截面积F₃；

$F_3=\frac{7.07\×{10}^2(q_{mf}+q_{ma})}{{\mathrm{\μ}}_3{\sqrt{p_3/\mathrm{\υ}}}_3};$

其中，μ₃为空气帽出口流量系数，p₃＝β_lj·p₂，υ₃为空气帽混合气比容，p₂为压缩空气压力，β_lj为压缩空气临界压力比。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明通过设置的喷嘴底座对所需要的零件进行安装和定位，其作为耐用结构，能够保证基本的使用寿命，通过设置的能够拆卸的液体帽和空气帽，使其在实际使用中便于维护更换，减小了其维护成本，提高了使用寿命。

进一步的，利用设置筒状结构，减缓烟气中工质对空气帽和液体帽磨损和腐蚀，提高了其使用寿命。

进一步的，液体孔和空气孔均设置在液体盖上，利用其本身的结构特点，能够在拧紧后形成压缩空气室，结构巧妙，连接简单方便。

本发明所述的设计方法，针对不同的烟气工况，通过合理的计算，所设计喷嘴在脱硝还原剂穿透距离和雾化粒径上能达到比较平衡的状态，使还原剂覆盖面积广，还原剂颗粒与氮氧化物接触充分，进而保证脱硝效率。

附图说明

图1为本发明实例中所述的脱硝长喷枪用喷嘴示意图。

图2为本发明实例中所述的脱硝长喷枪用喷嘴空气帽示意图，2a为俯视图，2b为A-A剖视图。

图3为本发明实例中所述的脱硝长喷枪用喷嘴流体帽示意图，3a为主视局部剖视图，3b为俯视图。

图4为本发明实例中所述的脱硝长喷枪用喷嘴底座示意图，4a为俯视图，4b为B-B剖视图。

图5为本发明实例中所述的脱硝长喷枪用喷嘴剖切后的组装示意图。

图中：1.压缩空气进口；2.喷嘴底座；3.液体帽；4空气帽；5.金属密封垫片；6.尿素溶液进口；7.密封垫片。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明一种脱硝长喷枪用喷嘴，如图1所示，其包括喷嘴底座2、液体帽3和空气帽4；以及设置在喷嘴底座2上的压缩空气进口1和尿素溶液进口6。其中喷嘴底座2、液体帽3和空气帽4通过细螺纹连接组装，采用垫圈密封加密封胶密封。喷嘴底座2、液体帽3和空气帽4均采用316L不锈钢材质加工。压缩空气进口1和尿素溶液进口6均连接采用钢丝软管和相应连接结构的压缩空气管路和尿素溶液管路。

压缩空气管路的工作压力为0.6-0.8MPa，尿素溶液管路的工作压力为0.4-0.55MPa；

工作时，如图5所示，作为雾化介质的压缩空气经压缩空气进口1进入喷嘴底座2中，经液体帽3上的六个空气孔进入空气帽4，作为脱硝还原剂的尿素溶液经尿素溶液进口6进入液体帽3，经液体孔进入空气帽4，压缩空气和尿素溶液在空气帽4的混合室中混合雾化后经空气帽4上的喷出口喷出。其中尿素溶液的质量浓度为10％；

本发明所述的设计方法，具体如下。

某电厂600MW机组烟气量(V_q)为1889640Nm³/h，入口NO浓度(C_NO)为450mg/Nm³，根据以下公式可计算出尿素耗量(W_n，kg/h)：

$W_n=\frac{V_q\×C_{NO}\×60}{30\×{10}^6}\×NSRn---\left(1\right);$

式中，NSRn为尿素和NO的当量摩尔比，根据SNCR系统运行经验，SNCR脱硝效率为35％时，NSRn为1.25，计算得W_n为2125.8kg/h。

机组中采用的SNCR系统内长喷枪共布设6根，每根长喷枪各有24个喷嘴，按此设计参数，单个喷嘴的尿素喷射量计算值为14.7kg/h，在SNCR系统运行中通常喷射10％质量浓度的尿素溶液，则单个喷嘴10％质量浓度的尿素溶液喷射量(q_mf)为147kg/h。

1.如图4所示，尿素溶液进口直径D₁(mm)计算公式为：

$D_1=18.8\sqrt{\frac{q_{mf}}{{\mathrm{\ρ}}_1{u}_1}}---\left(2\right);$

式中：q_mf——10％质量浓度尿素溶液喷射量，147kg/h；

ρ₁——10％质量浓度尿素密度，ρ₁＝1019kg/m³；

u₁——尿素溶液管内流速，u₁＝0.5-1.5m/s；

代入公式计算得D₁范围为5.83-10.10mm，取D₁＝7.0mm。

2.如图3所示，尿素溶液喷嘴喷口直径d₁(mm)也就是液体孔的直径计算公式为：

$d_1=1.13\sqrt{F_1}=1.13\sqrt{\frac{7.07\×{10}^2{q}_{mf}}{3600{\mathrm{\μ}}_1\sqrt{{\mathrm{\Δp\ρ}}_1}}}---\left(3\right);$

式中：F₁为尿素溶液出口截面积；

μ₁——尿素溶液出口流量系数，μ₁＝0.2-0.4；

Δp——尿素溶液绝对压力p₁与混合室临界压力p₃之差，计算公式为：

Δp＝p₁-p₃＝p₁-β_lj·p₂ (4)；

其中：p₁——尿素溶液绝对压力，p₁＝0.4MPa；

p₂——压缩空气压力，为雾化介质，p₂＝0.6MPa；

β_lj——压缩空气临界压力比，β_lj＝0.528；代入式(4)得Δp＝0.0832MPa。

根据式(3)得d₁取值范围为3.16-4.47mm，取d₁＝3.2mm。

3.如图3所示，尿素溶液喷嘴中压缩空气出口直径d₂(mm)也就是空气孔的直径计算公式为：

式中：F₂为压缩空气出口总截面积；

n——压缩空气空气孔孔数，n＝6；

q_ma——压缩空气流量，q_ma＝q·q_mf；q为压缩空气消耗量比，q在0.6-1.0之间，取q＝0.8kg/s；

μ₂——压缩空气在混合室入口流量系数，μ₂＝0.87-0.25β，其中β为混合室入口压力比，一般β＝β_lj＝0.528；

——临界截面流量计算系数，

υ₂——压缩空气比容，

假定空气为理想气体，υ₂＝RT/p₂，取T＝308K，R＝8.314×10^-3kJ/mol·K，p₂＝600kPa，代入得υ₂＝4.27×10^-3m³/mol＝0.147m³/kg；

根据式(5)可得d₂＝2.6mm。

4.如图4所示，压缩空气入口直径D₂(mm)也就是压缩空气腔的直径计算公式为：

$D_2=\sqrt{1273240\·\frac{q_{ma}\·{\mathrm{\υ}}_2}{u_2}+{D_{10}}^2}---\left(6\right);$

式中D₁₀——尿素溶液进口外径，D₁₀＝12mm；

u₂——压缩空气在管内流速，u₂＝20m/s；

根据式(6)可得D₂＝21.2mm，考虑实际加工情况取D₂＝24.0mm。

5.空气帽(混合室)出口截面积F₃计算公式为：

$F_3=\frac{7.07\×{10}^2(q_{mf}+q_{ma})}{{\mathrm{\μ}}_3{\sqrt{p_3/\mathrm{\υ}}}_3}---\left(7\right);$

式中μ₃——空气帽出口流量系数，μ₃＝0.87-0.25β'；

β'——空气帽出口压力比，β'＝p_o/p₃，p_o＝0.1MPa，p₃＝β_lj·p₂＝0.317MPa；

υ₃——空气帽混合气比容，计算公式为：

${\mathrm{\υ}}_3=(\frac{q_{mf}}{{\mathrm{\ρ}}_1}+q_{ma}{\mathrm{\υ}}_2)/(q_{mf}+q_{ma})---\left(8\right);$

根据式(8)可得υ₃＝0.066m³/kg；

根据式(7)可得F₃＝29.94mm²。

6.如图2所示，空气帽喷出口孔径d₃计算公式为：

$d_3=1.13\sqrt{F_3/n_3}---\left(9\right);$

式中n₃——空气帽喷出孔数，n₃＝1；

根据式(7)，式(9)可得d₃计算值为6.18mm，取d₃＝6.0mm。

由1-6计算结果确定用于脱硝长喷枪的内混式高压气流雾化喷嘴各尺寸参数。