一种scr脱硝装置喷氨嘴的设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种混合距离超短情况下的SCR脱硝装置喷氨嘴的设计方法，属于火电环保技术领域。
【背景技术】
[0002]选择性催化还原(SCR-Selective Catalytic Reduct1n)技术是目前燃煤火电站中应用最为广泛的烟气净化技术。其主要原理是利用氨气(NH3)和氮氧化物(NOx)在V2O5/评03/1102或V 205/Mo03/Ti02组成的催化剂的作用下进行的氧化还原反应，生成氮气(N 2)和水(H2O),从而脱除烟气中有害的N0X。在进行脱硝装置设计时，为了保证SCR系统的NOJ^除效率并控制氨逃逸量，需要采取一定的措施使得氨和烟气均匀混合。通常的做法是在喷氨格栅下游加装混合格栅，并为氨和烟气提供足够长的混合烟道，使得到达催化剂平面的氨浓度分布尽可能的均匀，一般以第一层催化剂入口平面氨浓度分布相对标准差为标准，要求该指标小于5%。
[0003]然而，SCR脱硝技术的应用在我国起步较晚，大部分燃煤火电站在建设初期并未考虑烟气脱硝，其SCR系统的加装需要基于原有的锅炉结构，属于改造设计。对不同的改造项目进行分析发现，由于已有锅炉结构及梁架结构的存在，SCR系统的设计受到了较多的约束。常见的如喷氨格栅安装位置与催化剂入口平面之间的距离比较短，到达催化剂入口的烟气和氨并不能充分混合均匀。针对此类情况，有时可以在整流格栅之后加装针对性的导流结构提高烟气与氨的混合均匀度，但在少部分情况下，这一距离超短，甚至没有加装混合格栅的空间，催化剂平面的氨浓度分布往往达不到要求，影响SCR系统的脱硝效率。通过对喷氨嘴结构参数进行合理优化设计可以提高烟气和氨的混合程度，保证装置的高效运行。
[0004]经过对现有的技术文献检索后发现，李娜、卢作基、秦翠娟在《电力技术与环保》(2012年第28卷第2期)发表了“基于参数化模型优化的喷氨格栅设计方法研宄”。分析了喷氨格栅几何参数(喷氨管间距、喷氨孔间距)对喷氨特性的影响，提出了一种设计方法，以获得氨浓度分布相对标准差最小时的喷氨格栅结构。然而该文并未对喷氨嘴进行具体分析研宄，也未从喷氨嘴的角度对喷氨格栅进行优化设计。
【发明内容】
[0005]针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种SCR脱硝装置喷氨嘴的设计方法，该方法在脱硝装置混合烟道距离超短的情况下对喷氨嘴结构进行优化，提高到达催化剂入口平面的烟气与氨的混合均匀度，保证NOJ^除效率，减少氨逃逸量。
[0006]为实现以上目的，本发明提供一种SCR脱硝装置喷氨嘴的设计方法，该方法根据混合距离、喷氨格栅管间距、孔间距对喷氨嘴结构进行优化，并将喷氨嘴设计成交错分布，在混合距离超短的情况下，保证到达催化剂入口平面的烟气和氨有高的混合均匀度，避免氨由于来不及扩散而造成的局部富集。
[0007]优选地，所述喷氨嘴的结构参数，包括:喷氨嘴的张角Θ、喷氨嘴的交错位移量Δ，这些参数根据混合距离H、管间距D1、孔间距D2、喷氨嘴长度L通过CFD仿真寻优得到。其中，混合距离H是指喷氨格栅安装位置与催化剂入口平面之间的距离；管间距D1是指喷氨格栅上相邻喷氨管中心轴之间的距离；孔间距D2是指同一根喷氨管上同一侧相邻喷氨嘴中心轴之间的距离。
[0008]优选地，所述喷氨嘴的张角Θ，是指:同一根喷氨管上呈V型分布的喷氨嘴，以焊接点为顶角，同一焊接点上往两个方向安装的喷嘴之间的夹角。
[0009]优选地，所述喷氨嘴交错分布，是指:相邻喷氨管的喷氨嘴并不对齐，任意相邻喷氨管的喷氨嘴之间沿喷氨管方向存在一个位移量△，位移量△与孔间距02有关，为孔间距
02的一半。
[0010]优选地，所述超短混合距离，是指:喷氨格栅安装位置至催化剂入口平面的距离不足以安装混合格栅或者其他提高烟气与氨混合均匀度的装置。
[0011]优选地，所述喷氨嘴的喷氨速度与主流平均速度接近，若喷氨格栅上游烟气速度均匀分布，采用均匀喷氨，若非均匀分布，则采用非均匀喷氨。
[0012]与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果:
[0013]本发明能够在混合距离超短的情况下，提高烟气与氨的混合均匀度，改善催化剂入口平面氨的分布，从而避免局部区域氨过多、过少造成的氨逃逸、顯^兑除不完全，具有提高SCR脱硝系统脱硝效率的作用，同时，在相同水平下，可以一定程度上减少催化剂的用量，节约成本。
【附图说明】
[0014]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
[0015]图1为本发明SCR脱硝装置结构及喷氨格栅示意图；
[0016]图中为喷氨格栅，2为SCR反应器；
[0017]图2为本发明喷氨格栅尺寸示意图；
[0018]图3为本发明喷氨嘴尺寸示意图
[0019]图4为优化结果图；
[0020]图5为常规喷氨嘴设计时，催化层入口平面中心区域氨浓度分布云图；
[0021]图6为喷氨嘴优化设计后，催化层入口平面中心区域氨浓度分布云图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0023]本实施例提供一种超短距离情况下的SCR脱硝装置喷氨嘴的设计方法，通过对喷氨嘴的结构参数进行调整优化，改变氨的出射角，继而改变到达催化剂的氨的分布，提高烟气与氨的混合均匀度；根据喷氨格栅至催化剂的距离、管间距、孔间距，进一步确定喷氨嘴的结构参数，结构参数是指喷氨嘴的张角Θ、喷氨嘴的交错位移量△，这些参数根据混合距离H、管间距D1、孔间距D2、喷氨嘴长度L通过CFD仿真寻优得到。
[0024]如图1所示，为某塔式燃气机组SCR脱硝装置结构及喷氨格栅示意图，I为喷氨格栅，2为SCR反应器；其中喷氨格栅上游为多层换热器结构，喷氨格栅至催化剂的距离超短，无法安装混合格栅，故采用本发明所设计的喷氨嘴结构；其中:
[0025]喷氨格栅至催化剂的距离为H。
[0026]喷氨格栅管间距、孔间距分别为Dp D2,喷氨嘴长度为L，喷氨嘴的张角为Θ，喷氨嘴交错分布位移为△，尺寸标注如图2、图3所示。
[0027]上述参数θ、Δ通过CFD(计算流体动力学)仿真寻优得到，优化结果图如图4所示，其中:
[0028]H = 3500mm ；
[0029]D1= 500mm, D 2= 300mm ;
[0030]L = 200mm ；
[0031]Δ = 150mm ;
[0032]θ = 80。。
[0033]本实施例中，由于该入口位于多层换热器下游，故入口烟气视为均匀分布，烟道入口烟气速度5.7m/s，喷氨速度6m/s，烟气出口静压力_1000Pa，温度设定为620K。CFD仿真使用Fluent 6.3.26软件，仿真时对催化剂入口平面尺寸取整，为7000mmX 5000mm。
[0034]图1中SCR反应器含一层，采用蜂窝状催化剂，烟气进入SCR反应器的入口平面为矩形。
[0035]在分析时，取催化剂入口平面中心区域作为对象，避免空间结构约束对仿真结果的影响。
[0036]图5为未进行喷氨嘴设计时，脱硝装置催化层入口平面中心区域氨浓度分布图，俯视，左侧为近锅炉侧，烟气流动方向由读者指向纸面。
[0037]在未进行喷氨嘴设计时，催化剂入口平面氨浓度分布相对标准差为11.51%。从云图上可以看出，氨的分布呈条状，高浓度与低浓度区域间隔分布，不均匀程度较高。此时，在高浓度区域，氨不能被催化反应完全消耗，造成氨逃逸，离开反应器之后，会对下游设备造成腐蚀；在低浓度区域，脱硝反应不能完全进行，出反应器的气体中仍包含大量NOx，脱硝效率得不到保证。在对喷氨嘴进行优化设计后，相应的氨浓度分布相对标准差大幅下降，减小为2.18%，相应的氨浓度分布云图如图6所示，可以看出，之前明显的条状分布已经消失，除少数区域浓度较高之外，大部分区域的氨浓度分布都趋于均匀。同时，优化设计之后，催化剂入口平面氨的最高浓度较之前有所下降。统计数据表明，未进行喷氨嘴设计情况下，到达催化剂入口平面的氨的最高浓度超过平均浓度约15%，而优化设计之后，相应的的氨的最高浓度超过平均浓度不到5%。
[0038]可见，在喷氨距离超短的情况下使用本发明技术可以使催化层入口处的氨浓度分布均匀度得到提升，消除氨在催化层入口处的不均匀现象，从而避免氨浓度分布不均导致的局部区域氨过多、过少造成的氨逃逸、NOJ^*不完全，起到提高SCR脱硝系统脱硝效率的作用。
[0039]以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
【主权项】
1.一种SCR脱硝装置喷氨嘴的设计方法，其特征在于，该方法根据混合距离、喷氨格栅管间距、孔间距对喷氨嘴结构进行优化，并将喷氨嘴设计成交错分布，避免由于混合距离超短、氨来不及扩散而造成的局部富集。
2.根据权利要求1所述的一种SCR脱硝装置喷氨嘴的设计方法，其特征在于，所述喷氨嘴的结构参数是指喷氨嘴的张角Θ、喷氨嘴的交错位移量△，这些参数根据混合距离H、管间距D1、孔间距D2、喷氨嘴长度L通过CFD仿真寻优得到。
3.根据权利要求2所述的一种SCR脱硝装置喷氨嘴的设计方法，其特征在于，所述喷氨嘴的张角Θ，是指:同一根喷氨管上呈V型分布的喷氨嘴，以焊接点为顶角，同一焊接点上往两个方向安装的喷嘴之间的夹角。
4.根据权利要求2所述的一种SCR脱硝装置喷氨嘴的设计方法，其特征在于，所述喷氨嘴交错分布，是指:相邻喷氨管的喷氨嘴并不对齐，任意相邻喷氨管的喷氨嘴之间沿喷氨管方向存在一个位移量Δ，位移量Δ与孔间距D2有关，位移量Δ为孔间距的一半。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种SCR脱硝装置变径烟道导流板设计方法，其特征在于，所述超短混合距离是指喷氨格栅安装位置至催化剂入口平面的距离不足以安装提高烟气与氨混合均匀度的装置。
6.根据权利要求1-4任一项所述的一种SCR脱硝装置变径烟道导流板设计方法，其特征在于，所述喷氨嘴的喷氨速度与主流平均速度接近，若喷氨格栅上游烟气速度均匀分布，采用均匀喷氨，若非均匀分布，则采用非均匀喷氨。
【专利摘要】本发明提供了一种SCR脱硝装置喷氨嘴的设计方法，该方法针对脱硝装置烟气与氨的混合距离超短的情况，通过对喷氨嘴的张角θ进行优化，并将喷氨嘴设置成交错分布，避免氨浓度局部过高或者过低；根据混合距离、喷氨格栅管间距、孔间距、喷氨嘴长度确定喷氨嘴的结构参数；喷氨嘴的结构参数包括：喷氨嘴的张角θ、喷氨嘴的交错位移量Δ。本发明能在混合距离超短的情况下提高到达催化剂入口平面的烟气和氨的混合均匀度，保证NOx脱除效率，减少氨逃逸量。
【IPC分类】B01D53-56, B01D53-90
【公开号】CN104524972
【申请号】CN201410822742
【发明人】冯金煌, 曾豪骏, 袁景淇, 丁承刚, 郭士义, 朱彬, 成宝琨, 傅继星, 王晓初, 田震
【申请人】上海电气电站环保工程有限公司, 上海交通大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年12月22日