专利名称：组合的输入和混合设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种组合的输入和混合设备，用于将第一种流动介质输入在流动通道中输送的第二种流动介质中，以及用于混合这两种流动介质。
在许多工业的使用场合，要求尽可能均匀地将一种液态或气态的物流掺混到另一种液态或气态物流中，以获得高的过程效率。故例如按选择性催化反应法(SCR法)，为了包含在废气或烟气中的一氧化氮的催化反应，需要向要脱氮的废气或烟气流中配制掺合一种气态形式的还原剂，而且应加在催化器之前。通常在烟气中喷入一种氨-空气混合物作为还原剂，其中用于配制掺合的氨-空气体积流量与废气或烟气流量相比很小。通常这种配制掺合的氨-空气体积流量约为废气或烟气流量的2至5个体积百分比。
为了能使用于废气或烟气脱氮所必需的催化器体积选择得尽可能小，便要力图做到沿整个废气通道横截面均匀地充分利用催化器。这一点实际上要求氨-空气混合物尽可能均匀地沿整个废气通道横截面喷入以及与废气混合。
要将一种比较少量的液流或气流均匀地供入一种比较大量的液流或气流中并与之均匀混合，这在流体力学方面是有困难的，因此，技术上非常复杂。目前解决这一问题的方案是，在废气通道中装设许多可单独调节的喷管和许多喷嘴，为的是沿废气通道的整个横截面均匀地分布喷嘴，并因而将氨-空气混合物进入烟气的进料处均匀分布。这种方案的缺点是由于许多喷管造成的在烟气通道中的压力损失。此外，由于这一方案涉及导管、喷嘴、调节阀以及全部的配料计量控制或调节等装置，所以设备本身非常复杂。还有，在投入运行时这样一种系统的调整非常费时和费用很昂贵。
因此本发明的目的是要提出一种设备，采用这种设备，可以在投入运行时的压力损失可忽略不计、设备本身不复杂以及不昂贵的情况下，达到将第一种流动介质输入第二种流动介质以及沿流动通道的整个横截面均匀地分布第一种流动介质的要求。
本发明的目的是这样实现的，即设置至少一根输送第一种流动介质并带有至少一个输入口的管子和一个混合部件，其中，相对于流动通道的横截面积A和水力学直径dhydr.，每平方米横截面积A设0.05至10个输入口，以及，输入口与混合单元之间的距离a为0.05至3倍dhydr.。在这里，水力学直径定义为4倍流动通道的横截面积A除以流动通道的周长。
以此方式，由于在流动通道内装设的管子和输入口数量很少，从而使得用于输入要添加的流动介质的设备本身的复杂性以及费用支出大为降低。与此同时，与现有技术中传统的方案相比，在流动通道内的压力损失显著减小。借助于在流动通道中所设的混合部件，可做到将只是在少数地点引入烟气通道中的流动介质均匀地分布在由烟气通道输送的流动介质中。由于混合单元造成的压力降，可通过选用一种适宜的混合部件，使之显著低于由许多喷管所造成的压力损失。
尤其在设计用于具有几百兆瓦电功率的燃油发电厂的组合式输入和混合设备时，业已证实有利的做法是，每平方米横截面积约设置0.1至1个输入口，和/或距离a约为0.1至1倍dhydr.。
此外，在这种设备中以有利的方式相对于可忽略的压力降，为每平方米横截面积A设0.01至5，最好0.05至1根管子。
为了均匀地分布输入第二种流动介质中的第一种流动介质，通常要求已经存在于流动通道中的流动介质沿流动通道的整个横截面有尽可能均匀的速度分布。若在第一种流动介质的输入地点不存在足够均匀的流动剖面，则有利的做法是，沿第二种流动介质的流动方向在输入口和混合单元之前设导流装置。这种导流装置例如是导向板和类似的设备。
组合的输入和混合设备的其他有利的设计可见其余的从属权利要求。
按本发明的组合式输入和混合设备的一种最佳应用是，将气态的氨，例如一种氨-空气混合物，输入含氧化氮的混合气体中，例如燃油发电厂的烟气或汽车废气中，以及混合氨和含氧化氮的混合气体。原则上可以使用任何一种释放氨的物质，尤其是一种尿素水溶液，来替换氨-空气混合物。
下面借助于附图详细说明本发明的实施例，附图中
图1为用于在烟气通道中喷入并与此同时均匀分布氨的传统设备；图2为按本发明用于将氨输入在烟气通道中输送的烟气中的组合式输入和混合设备；图3为在燃油的600兆瓦发电厂烟气管道中按图2所示的组合的输入和混合设备的配置；以及图4为按本发明的另一种组合的输入和混合设备，带有再分割流动通道的插件。
在图1至4中，相同的部件有同样的符号。
图1表示一种传统设备2的烟气或流动通道4横截面图，此设备用于将氨输入在这里为垂直于图纸平面流动的烟气中。设备2包括许多喷入或输入管6，它们在烟气通道4中均匀分布地排列，并具有喷头8作为输入口。喷管6的入口端各经由一个可调整的阀10，与氨-空气混合物的供入管12连接。
由于在烟气通道4中所设的大量输入管6，引起了不可忽略的压力损失，这种压力损失例如导致成为发电厂设备电功率的负载。同样使设备本身非常复杂。例如，对于一个600兆瓦的发电厂，可大约有30至50根输入管6和各有一个可调节的阀10，以及有大约1600个喷头8的喷嘴数。为了投入运行和维护这种设备2，需要较长的时间和昂贵的费用支出。
图2表示了按本发明的组合式输入和混合设备14。在这里所表示的视图中，人们可以看到8根各有一个调节阀16的喷管18，喷管18的入口端与氨-空气混合物M1的供入管20连接，出口端通入设计作为输入口的喷头22。
为了将按本发明的设备14与在图1中讨论过的并由现有技术已知的传统喷入设备工作直接的比较，图2中画上了由图1已知的流动通道4。在此实施例中，流动通道4的横截面积A约为8米2，因此对于这里所给出的横截面形状为2米×4米时，得出的水力学直径约为2.67米。水力学直径dhydr.在这里定义为横截面积A的4倍除以流动通道4的周长U。在图中喷头22的后面设有8个混合元件24a至24h，它们一个套一个地安排成两排。这些属于一个混合单元26的混合元件24a至24h都是梯形的，并总是从图纸平面起朝着梯形的窄边方向向下向外倾斜。此相对于图纸平面的倾斜角在这种情况下可以为10与60°之间，最好在30至45°之间。在流动通道4中输送的流体介质最好垂直于所选的图纸平面流动，也就是从上向下流入图纸平面内。借助于这种混合元件24a至24h，不仅获得此流动介质与输入此流动介质中的氨-空气混合物M1的局部涡流，而且达到沿流动通道4整个横截面的普遍混合。当每平方米流动通道横截面设0.5至50个混合元件24时，其中，此数量最好为每平方米0.5和10个混合元件之间，则对于输入流动介质中的氨-空气混合物沿流动通道4整个横截面的均匀分布是有利的。
在图3示意表示的在这里没有进一步表示的燃油发电设备的烟气管道4的截面中，沿着在这里有的流动介质M2，也就是一种含氧化氮的烟气28的流动方向，在蒸汽发生器30与脱NOx反应器32之间，设置按图2所示的组合式输入和混合设备14。
在发电设备运行时，含氧化氮的烟气28从蒸汽发生器30，经过设在烟气通道内的导流板34，流往组合的输入和混合设备14。导流板34用于使烟气28速度剖面均匀化，所以烟气28以沿着烟气通道4的整个横截面大体相同的速度到达喷管18。
在输入管18处，相对于烟气28的体积流量大约为2至5个体积百分比的经供入管20输送并借助于阀16计量的氨-空气混合气M1输入烟气28中。在沿烟气28的流动方向设在输入管18后面的混合单元26中，氨-空气混合物与烟气28进行混合，所以，均匀地掺有氨的烟气28′供入脱NOx反应器32。
在平面中上下叠置在脱NOx反应器32中的催化器34a至34e，所谓脱NOx催化器处，包含在烟气28′中的氧化氮与氨一起，与催化器34a至34e接触后发生催化反应，分解为氮和水。因此，离开脱NOx反应器32的是不含氧化氮和氨的烟气28″。由于氨均匀地分布在烟气28中，所以沿着整个横截面均匀地充分利用催化器34a至34e。
混合单元26距输入管1 8的距离a，一般应在0.05与3倍dhydr.之间。这一距离a最好在0.1和1倍dhydr.之间。
图4表示组合的输入和混合设备36的另一种实施例。由图4仍可看出由图2所示部分烟气通道4、调节阀16、喷管18、供入氨-空气混合物M1的供入管20和喷头22。附加地设有插件38，它将流动通道4沿着大约3倍dhydr.的长度，再分为8个局部通道4a至4h。此外，为每一个局部通道4a至4h，配设一个规定作为输入口的喷头22，和一个与图2相比结构基本相同但较小的混合单元26a至26h。每一个这种混合单元26a至26h包括24个排列成排并一个套一个的梯形混合元件24′。为了看得清楚起见，只在混合单元26a中画有混合元件24′。当然，其他的混合单元26b至26h也有与混合单元26a中同样数量和结构的混合元件24′。
通过这里所设的插件38，可以使在这里所输入的氨-空气混合物M1，与在流动通道4内输送的流动介质M2，例如与图3所示的含氧化氮的烟气28，充分和强烈地混合。当然，可能存在NOx或NH3不平衡的大容积的浓度平衡，宁可借助于图2所示的混合单元26。因此，选用何种方案作为组合的输入和混合设备14、36，要根据具体情况而定。
权利要求
1.一种组合的输入和混合设备(14，36)，用于将第一种流动介质(M1)输入在流动通道(4)中输送的第二种流动介质(M2)中，以及用于混合这两种流动介质(M1，M2)，其特征在于至少设有一根具有至少一个输入口(22)的输送第一种流动介质(M1)的管子(18)，和设有一个混合单元(26，26a至26h)，其中，相对于流动通道(4)的横截面积A和水力学直径dhydr.，每平方米横截面积A设0.05至10个输入口(22)，以及，输入口(22)与混合单元(26)之间的距离a为0.05至3倍dhydr.。
2.按照权利要求1所述的组合的输入和混合设备(14，36)，其特征在于每平方米横截面积A设0.1至1个输入口(22)。
3.按照权利要求1或2所述的组合的输入和混合设备(14，36)，其特征在于距离a为0.1至1倍dhydr.。
4.按照权利要求1至3中任一项所述的组合的输入和混合设备(14，36)，其特征在于每平方米横截面积设0.05至5根管子(18)。
5.按照权利要求4所述的组合的输入和混合设备(14，36)，其特征在于每平方米横截面积设0.1至1根管子。
6.按照权利要求1至5中任一项所述的组合的输入和混合设备(14，36)，其特征在于沿第二种流动介质(M2)的流动方向，在输入口(22)和混合单元(26)之前设导流装置(34)。
7.按照权利要求1至6中任一项所述的组合的输入和混合设备(14，36)，其特征在于输入口(22)沿第二种流动介质(M2)的流动方向设在混合单元(26)之前。
8.按照权利要求1至7中任一项所述的组合的输入和混合设备(14，36)，其特征在于混合单元(26)每平方米横截面积具有0.5至50个混合元件(24a至24h)。
9.按照权利要求1至8中任一项所述的组合的输入和混合设备(14，36)，其特征在于混合元件(24a至24h)小于水力学直径dhydr.，混合元件(24a，24h)在一个与第二种流动介质(28，M2)的流动方向成一个角度的平面内，安排在此平面内平行延伸的不同排中，以及，每一排在一排内同向而相对于紧邻的那一排反向的混合元件相对于此平面倾斜。
10.按照权利要求1至9中任一项所述的组合的输入和混合设备(36)，其特征在于至少设置一个插件(38)，用于将流动通道(4)再分为部分通道(4a至4h)，以及，在每一个部分通道(4a至4h)中设一个输入口(22)和一个混合单元(26a至26h)。
11.使用按照权利要求1至10中任一项所述的组合的输入和混合设备(14，36)，用于向含氧化氮的混合气体中输入气态的氨，并用于混合氨和含氧化氮的混合气体。
全文摘要
一种组合的输入和混合设备，用于将第一种流动介质，例如氨，输入在流动通道中输送的第二种流动介质中，例如含氧化氮的烟气中，以及用于混合这两种流动介质。此设备有至少一根输送第一种流动介质并带有至少一个输入口的管子和一个混合单元。相对于流动通道的横截面积A和水力学直径d
文档编号B01F5/04GK1144492SQ95192212
公开日1997年3月5日 申请日期1995年3月13日 优先权日1994年3月25日
发明者克劳斯·胡滕霍弗, 沃尔夫冈·赫尔, 约瑟夫·斯普里, 霍斯特·斯皮尔曼 申请人:西门子公司