一種空間受限脫硝裝置的噴氨嘴噴口間距優化設計方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于火電環保技術領域，具體涉及一種空間受限SCR脫硝裝置的噴氨嘴噴口間距優化設計方法。
【背景技術】
[0002]火電機組燃煤產生的大量氮氧化物(NOx)不僅會造成環境污染，而且危害人們的健康。選擇性催化還原(SCR-Selective Catalytic Reduct1n)法作為一種高效、成熟的煙氣脫硝技術，在火電機組中得到廣泛的應用。利用氨(NH3)作為還原劑，通過噴氨格柵與含有氮氧化物的煙氣混合，在％05/103/1102或V 205/Mo03/Ti02組成的催化層的作用下進行反應，將氮氧化物還原成氮氣(N2)和水(H2O)。研宄發現，氨-煙氣混合均勻度極大的影響了整個SCR裝置的脫硝效率。氨與煙氣在進入反應器之前充分混合，可以保證氮氧化物反應完全，裝置具有較高的脫硝效率，同時維持氨逃逸量在較低的水平。實際工程應用中，往往在噴氨格柵下游加裝各式混合單元，增強混合效果，并提供足夠長的混合距離，使得到達催化層入口平面氨-煙氣均勻度符合要求，一般要求催化層入口平面氨濃度分布相對標準差控制在5%以內。
[0003]然而，SCR脫硝技術在我國火電機組上的應用有著一定的特殊性。我國大量現役燃煤電站的脫硝裝置并非與火電機組同時建設，而是隨著國家環保政策的完善而逐步投入建設的，屬于改造項目。與新建項目機組相比，改造項目在裝置空間結構方面有著更多的約束，有時混合距離很短，而無法安裝混合單元，這時，從噴氨嘴噴射出的氨在短距離內很難與煙氣充分混合，催化層入口平面的氨-煙氣混合均勻度達不到規定的要求，從而降低脫硝效率。經過研宄發現，在混合距離短、無法安裝混合單元的特殊場合，噴氨嘴噴口間距，即每對噴氨嘴兩個出射口平面中心點在催化層入口平面上的投影距離，是影響催化層入口平面氨-煙氣混合均勻度的重要因素。
[0004]經過對現有的技術文獻檢索后發現，吳學智、鞠付棟等在《環境工程》(2014年第32卷增刊:415-418)發表了 “基于CFD的SCR脫硝裝置內構件的優化設計研宄”，分析了典型SCR系統內部噴氨格柵的優化設計方法，以保證系統的脫硝性能。然而該文并未對空間受限的SCR脫硝裝置的噴氨格柵進行具體分析研宄，也未涉及噴氨嘴噴口間距優化。
【發明內容】
[0005]針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種空間受限脫硝裝置的噴氨嘴噴口間距優化設計方法，該方法在脫硝裝置混合距離短、無法安裝混合單元的特殊場合，從噴氨嘴噴口間距的角度對噴氨嘴結構進行優化，以提高催化層入口平面的氨-煙氣混合均勻度，保證SCR脫硝裝置的脫硝效率，控制氨逃逸量。
[0006]為實現以上目的，本發明提供一種空間受限脫硝裝置的噴氨嘴噴口間距優化設計方法，該方法在混合距離、噴氨格柵管間距、噴氨嘴頂角給定的條件下，對噴氨嘴噴口間距進行優化，通過改變噴氨嘴長度來改變噴氨嘴噴口間距；在混合距離短、無法安裝混合單元的特殊場合，該優化設計能提高催化層入口平面處的氨-煙氣混合均勻度。
[0007]優選地，所述噴氨嘴噴口間距是指每對噴氨嘴兩個出射口中心在平面上的投影距離S，簡稱噴氨嘴間距，在混合距離H、噴氨格柵管間距D、噴氨嘴頂角Θ事先給定的條件下，S的數值通過CFD仿真尋優得到，其中:
[0008]所述混合距離H，是指噴氨管中心軸所在平面至催化層入口平面的距離；
[0009]所述噴氨格柵管間距D，是指相鄰兩根噴氨管中心軸之間的距離；
[0010]所述噴氨嘴頂角Θ，是指每對呈倒V型布置的噴氨嘴的頂角。
[0011]優選地，噴氨嘴噴口間距S的優化是通過改變噴嘴長度L實現的，其中:
[0012]所述噴氨嘴長度L，是指噴氨管中心軸至噴氨嘴出射口平面之間的距離。
[0013]優選地，所述混合距離短，是指噴氨管中心軸所在平面與催化層入口平面之間的距離短而不滿足安裝混合單元的條件。
[0014]優選地，所述噴氨嘴的噴氨速度與煙氣主流平均速度接近，若噴氨格柵上游煙氣速度均勻分布則采用均勻噴氨；若噴氨格柵上游煙氣速度呈非均勻分布則采用非均勻噴氨。
[0015]更優選地，所述非均勻噴氨與非均勻煙氣速度具有相同或相近的分布。
[0016]與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果:
[0017]本發明所述的一種空間受限脫硝裝置的噴氨嘴噴口間距優化設計方法，能夠在空間結構受限、混合距離短的情況下，使還原劑氨濃度均勻性達標，有確保NOJ^除效率、控制氨逃逸量的應用潛力。
【附圖說明】
[0018]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特征、目的和優點將會變得更明顯:
[0019]圖1本發明一優選實施例的SCR脫硝裝置結構及噴氨格柵示意圖；
[0020]圖中:I為噴氨格柵，2為SCR脫硝反應器；
[0021]圖2本發明一優選實施例的噴氨格柵尺寸示意圖；
[0022]圖3本發明一優選實施例的噴氨嘴尺寸示意圖
[0023]圖4本發明一優選實施例的噴氨嘴噴口間距優化結果圖；
[0024]圖5常規噴氨嘴設計時，脫硝裝置催化層入口平面中心區域氨濃度分布云圖；
[0025]圖6噴氨嘴噴口間距優化設計后，脫硝裝置催化層入口平面中心區域氨濃度分布云圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發明的保護范圍。
[0027]本實施例提供一種空間結構受限、混合距離短的特殊場合的SCR脫硝裝置噴氨嘴噴口間距優化設計方法，該方法根據給定的混合距離、噴氨格柵管間距、噴氨嘴頂角，通過改變噴氨嘴長度對噴氨嘴噴口間距進行優化，提高到達催化層入口平面的氨-煙氣混合均勾度。
[0028]如圖1所示，為本實施例涉及的某塔式燃氣機組SCR脫硝裝置結構及噴氨格柵示意圖，圖中:I為噴氨格柵，2為SCR反應器；其中噴氨格柵I的上游為多層換熱器結構，噴氨格柵I至催化層的距離超短，不滿足安裝混合單元的條件，故采用本發明所設計的噴氨嘴噴口間距優化方法。其中:
[0029]噴氨格柵I至催化層的混合距離為H(H = 3500mm)，噴氨格柵管間距為D (D =500mm)，噴氨嘴頂角為Θ ( Θ = 120° )，噴氨格柵、噴氨嘴尺寸標注如圖2、圖3所示。
[0030]本實施例中，由于該入口位于多層換熱器下游，故入口煙氣視為均勻分布，入口煙氣速度5.7m/s，噴氨速度6m/s，二者較為接近，煙氣出口靜壓力_1000Pa，溫度設定為620K。催化層入口平面尺寸為7000mmX 5000mm。
[0031]如圖1所示，本實施例所述的SCR脫硝反應器催化層呈蜂窩狀，壓損約400Pa，SCR脫硝反應器入口平面為矩形。
[0032]在上述條件下，通過CFD仿真(軟件為Fluent 6.3.26)對L尋優，進而獲得最優S，優化結果見圖4，最優L = 150mm，對應的噴氨嘴噴口間距S = 259.8mm。
[0033]圖5是常規噴氨嘴結構對應的脫硝裝置催化層入口平面中心區域氨濃度分布云圖，俯視，煙氣流動方向由讀者指向紙面。常規噴氨嘴結構參數:噴氨嘴長度L = 200mm、噴氨嘴張角120°。圖5的氨濃度分布相對標準差為11.63%，達不到〈5%的設計要求。
[0034]圖6是噴氨嘴噴口間距優化后，脫硝裝置催化層入口平面中心區域氨濃度分布云圖，俯視，煙氣流動方向由讀者指向紙面。優化后的噴氨嘴結構參數:噴氨嘴長度150mm、噴氨嘴間距259.8mm，噴氨嘴張角仍為120°。圖6的氨濃度分布相對標準差為2.11%，明顯優于〈5%的設計要求。另外可以看出，之前的條狀分布已經消失，僅存少量點狀次高濃度區域，整體氨濃度分布都趨于均勻。
[0035]可見，在空間受限、噴氨混合距離短的特殊場合使用本發明技術可以提高催化層入口平面的氨-煙氣混合均勻度，從而起到提高脫硝效率、降低氨逃逸率的作用。
[0036]以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變形或修改，這并不影響本發明的實質內容。
【主權項】
1.一種空間受限脫硝裝置的噴氨嘴噴口間距優化設計方法，其特征在于，該方法在混合距離、噴氨格柵管間距、噴氨嘴頂角給定的條件下，對噴氨嘴噴口間距進行優化，通過改變噴氨嘴長度來改變噴氨嘴噴口間距；在混合距離短、無法安裝混合單元的特殊場合，該優化設計能提高催化層入口平面處的氨-煙氣混合均勻度。
2.根據權利要求1所述的一種空間受限脫硝裝置的噴氨嘴噴口間距優化設計方法，其特征在于，所述噴氨嘴噴口間距是指每對噴氨嘴兩個出射口中心在平面上的投影距離S，簡稱噴氨嘴間距，在混合距離H、噴氨格柵管間距D、噴氨嘴頂角Θ事先給定的條件下，S的數值通過CFD仿真尋優得到，其中: 所述混合距離H，是指噴氨管中心軸所在平面至催化層入口平面的距離； 所述噴氨格柵管間距D，是指相鄰兩根噴氨管中心軸之間的距離； 所述噴氨嘴頂角Θ，是指每對呈倒V型布置的噴氨嘴頂角。
3.根據權利要求2所述的一種空間受限脫硝裝置的噴氨嘴噴口間距優化設計方法，其特征在于，所述噴氨嘴噴口間距的優化是通過改變噴氨嘴長度L實現的，其中: 所述噴氨嘴長度L，是指噴氨管中心軸至噴氨嘴出射口平面之間的距離。
4.根據權利要求1-3任一項所述的一種空間受限脫硝裝置的噴氨嘴噴口間距優化設計方法，其特征在于，所述混合距離短，是指噴氨管中心軸所在平面與催化層入口平面之間的距離短而不滿足安裝混合單元的條件。
5.根據權利要求1-3任一項所述的一種空間受限脫硝裝置的噴氨嘴噴口間距優化設計方法，其特征在于，所述噴氨嘴的噴氨速度與煙氣主流平均速度接近，若噴氨格柵上游煙氣速度均勻分布則采用均勻噴氨；若噴氨格柵上游煙氣速度呈非均勻分布則采用非均勻噴氨。
6.根據權利要求5所述的一種空間受限脫硝裝置的噴氨嘴噴口間距優化設計方法，其特征在于，所述非均勻噴氨與非均勻煙氣速度具有相同或相近的分布。
【專利摘要】本發明提供了一種空間受限脫硝裝置的噴氨嘴噴口間距優化設計方法，該方法在混合距離、噴氨格柵管間距、噴氨嘴頂角給定的條件下，對噴氨嘴噴口間距進行優化，通過改變噴氨嘴長度來改變噴氨嘴噴口間距；在混合距離短、無法安裝混合單元的特殊場合，該優化設計能提高催化層入口平面處的氨-煙氣混合均勻度。本發明能在空間結構受限、混合距離短的情況下，使還原劑氨濃度均勻性達標，有確保NOx脫除效率、控制氨逃逸量的應用潛力。
【IPC分類】B05B13-02, G06F17-50, B01D53-56, B01D53-90
【公開號】CN104707747
【申請號】CN201510119466
【發明人】曾豪駿, 袁景淇, 王真, 傅繼星, 朱彬, 成寶琨, 王曉初, 田震
【申請人】上海交通大學
【公開日】2015年6月17日
【申請日】2015年3月18日