（热能工程专业论文）sncr气力式雾化喷嘴雾化特性的实验研究.pdf

浙江大学硕士论文 abs t raci ， abs tract n i t r o g en oxi d e s(nox) re l e as ed b ythe fu e l e l ec tri cp l antsare 丘 e q u entl y c o n c erned inth erece nit b i rty 界ars. s n c r( s e l e ctiv en o n 一 c at a l yt i c取d u c t i o n ) techi 1 o 1 o gy i s a d eve l opedn 0 xc 0 n t r 0 1 techoo l o gy anda 1r e ady w i d e l y b ro u ght i n t o conun二i als ervi c e abr o ad the s p r a y nozzl e w h 1 c h i s a cruc i ala p p a r a h l s ej e c t i n g th e r e d u c in g s o l utio n ins n c rs y s t em c ane fl 七 c t th e e ffic i enc y o f n ox c o n t r o l di r e c t l 丫 f i rstly， 而s p 即er1 n t ro duc e s the d e v e l opm ent a n dr ec ent s i tu at i on o f n ox con t rolt e c 11 n o fo gy，es p eci a i l y th e s n c r t echoo i o g y. n l e n s o m ec o in 刀 。 o n p e r fi n 1 1 a n c ei n d 1 c ators fo rspr a ynoz zl es are i n 仕 o d u c ed， s u c has th en ow r a t e c h a r a c l eris t i c s ， th e atom i zi ngang l e ， s md( s aute r mean d i ame t e r ) and i t s di s t r i b utio 几 v e l o c ity o f d r o p l ets， a w r( a l r w 自 t e r r a t i o ) and s o on. t h e p aperal s o give s s o m e exa n l p leso f n o z z le s a l r e a d y a p p 1 i edh o m e a n d a b ro a d ， 访 d u d i n g l h e i r s truc t u r e s an d spra y cha r a c t eris t i c s . s ec o n d y，the p a p erp r e s o l ts the c o m p ositi on o f exp e ri n l e n l a l s y s l e m田 l dthe e x p erim entalp ro c edut e s ， 阴dal soth e re l evant a p p a r a tu se s ， inclu di ng the l s 一 2 0 0 0 l as erp a rt i c leana 】皿era ll d h a a 又 卫m 切 卿vi sc omet er.e xperim ent s rese ar c h onthe fl ow一 rate c h a r a c t eristi c s ， p re s sure ， th e a 1 0 m l z i n g an gl e ， s m dand i t s di s t ri b utio n in t r a n s v ersaland l e n gt h w i s e di r 戊 t i on. ai the 五 r s t s t a g eo f exp erim e n t a l re se arc玩ap r e s sure t ype加zzlea n dan ai r- b l as t noz z l e are d eve l o p edand c o mpared，and the l atterone i s p ro v edt o b e n 1 u c h b ett既 therefo r edi ffer ent ki n ds o fl 沁 1 一 s h ape dai 卜 b l as tnoz z l e sare d eve fo p e d s ubs e q t le n t l yatthe s e c onds t age ， i nchi d i n gthe re c tangul arn o zzl e s ， o l i v e 一 sh aped 力 。 z z l esand l l o z z les w i th而x i n g se c ti on. witht h o ro u g hanal ysisand com p 幼50 几it c o m e s o utth atthe ol iv e 一 shapednozzle s and 加zzle s withm 涌ngs ecti onare th e b etter 。 n e s ， a ll d furt h e r re s e a rc h e s are c am e d o uton t l l e m. t h e s e fe j i . s h a p eda i r 七1 ast n o zzl e s h ave a weakn e s s t h a t event h e p re s s u r e s o f li qui d a n dp re s s uriz ed， air are l i n ed叩， a w 卫i s s t i l l a b i t l ow and n l a k e s d r o p l e t s a li tt l e b i gger.on the b as i s o f 丘 川 ， sh 叩edai r-bl as t noz z l e s ， b y a d d in g ext e rn a l . m l x in g p as s a g e s ， d i ffer e n t k i n d s o f p a 八 i ali n t ernal 一 nnx i ngnozzl esare d eve l oped. b e c ause o f th eexi s t e n c eo fe x t e rn al 一 而x i ng p as s a g e s ， a w rb ec omeshi gher， a n dd r o p l ets b eco m e s n l a ll er.o n the b as iso f rese 田 弋 h 胎on n o z z 】e s al l abo v e ， a si n 1 p 卜new-s tyle noz zl e w ithth eirm eritsare d ev el 叩edand ap p 1 i edinp r a c t ic alp r oj eet atthe e n d of chapt er4 . b ecaus e o f l h e l i mitati o n o f exp e n 们 n e n t a l s y s t em， th e vel o c i tyo f d ro p l et s c an，t l i 浙江大学硕士论文 a日s t ract b e m easured; t h e r e b y the v e fo c i t y fi e ldo f s p r a y c an，t b e w e l l und ersto o dn l lm eric al 5 加u l ation o f al o m i z i n gpr o c e s s i s tri e db yu s i n gf l u ent s o ft w are. f i rst s t 叩 o f s l r n u l ation i s tob ul l d th e m e shp attem w i ths i m i l ars t ru c t u r e 胡d s i z e o f r e a l n o z z l e ， andth en th e b o u l1 d a ryc o n d i ti o ns andi ni t i alc o n d i t i o ns are s et ， a n dthens t a rtthe it e r at i onb y us in g v o f ( vol uine o f f l u i d ) mul ti p h as e m o del lt i s a 即o d m a k e 份 upto th e e x p erim e n t a l re se areh. keywords: s n c r，n 0 z zl e ， a t o m i z ati。 氏air-bl ast， f an-sh叩ed， p a n i alinte rn a 】 一 mixi ng 学号: 2 0 5 0 8 2 2 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。 据我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其 他 人己 经 发 表 或 撰 写 过 的 研 究 成 果 ， 也 不 包 含 为 获 得 止 堑 些大全 或 其 他 教 育 机 构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名:签字日 期:年月日 学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者 完 全了 解三 拆 兰叁 岁 匕有 关 保留 、 使 用 学 位 论 文 的 规 定 ， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和 借 阅 。 本 人 授 权 鱼遴大全一 可 以 将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 编 入 有 关 数 据 库 进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名:导师签名: 中咚 签字日 期:年月日签字日期:年月日 浙江大学硕士学位论文 第 一 章 第一章 绪论 我国是一 个能 源结 构以 煤炭为 主的国 家，由 煤炭等化石燃料燃烧会产生大 量的s ox， n ox等污染物。 n ox 氮氧化物目 前是主要的 大气污染物之一。 n ox 既 可直接对人体造成危害，也可形 成酸雨，甚至影响 气候11 司。 随着人们 环境 保护 意识的增强，使得 n ox氮氧化物成为最近三十多 年中受到极大关注的一种 污染 物， n ox 污 染物的 控制技术也己 经是全世界重要的研究课题。过去的几 十年， 已 经发展出很多低 n o x 技术， 有些己 经发展到比 较成熟的阶 段。 选择性非催化 还 原s n c r 技术是近年来发展比较迅 速的 低n ox技术，国 外发展己 经比 较成熟， 在 很多电 厂已 经投入商业运行“1 。 典型的s n c r 系统由 还原剂储槽、 多 层还原剂喷 入装置以 及相应的控制系统组成。 其中 十分关键的 一环就是还原剂喷入 装置， 也 就是液体气力雾化喷嘴17 。 下面将对低 n o x 技术的发 展和现状， 尤其是s nc r 技 术的发展状况做了详细的介绍。 也十分详细的介绍了液体雾化喷嘴的性能指标和 发展状况，列举了一些国内外液体雾化喷嘴的结构和雾化特性。 夸 1 . 1低n o x 技术的发展及现状 互 l l .1n o x 的 生成机理和危害 在煤炭等化石燃料燃烧过程中，燃料中和燃烧空气中的氮被转化成一氧化 氮、 氧化亚氮和二氧化氮。 这些通常统称为n o x 的 氮氧化物还包括从仇、 从氏、 从伍、 n z 伪。 n ox 污染物主要来源于生产、生活中所用的煤、石油 等燃料燃烧 的产物 ( 包括锅炉、汽车及一切内燃机燃烧排放的n ox ) ;其次是来自生产或使 用硝酸的工厂排放的废气。 n o x 的具体危害性表现在以 下几个方面t41 : 1) 吸 入 n o ， 很容易与血液中 的血色素结合， 可引起变性血红蛋白的 形成并对 动物和人的中 枢神经系统产生影响。 2) 能形成 酸雨， 造成酸沉降 污染， 导致环境问 题和经济损失. 3) 从0是一 种温室气体， 造成全球气候变暖， 还 会破坏臭氧层， 使紫 外线对人 体造成伤害。 4) n 氏通过光化学反应分解为n o 和臭0 3 ， 使得地 表大气中 臭氧浓度升高， 对 人体健 康十分有害， 对其它 动植 物也产生危害。 5) 与碳氢化 物共 存于空 气中时， 经阳光紫外线照射时，发生 光化学反应， 产生 一种光化学烟雾，对人体健康和植物都有危害。 6) 容易形成p m 10 和p m z j ， 被人吸入后， 会累 积在呼吸系统中， 引发许多 疾病， 对人体产生危害。 浙江大学硕士学位论文第一章 n ox 的 生成机理是整个低n o x 燃烧技术的基础。 n ox 是 在燃烧过程中由燃 料和空气中的氮与氧发生反 应生成的，煤炭燃烧过程产生的 含氮污 染物主 要为 n o和少量的n o z ，根据 燃烧过 程中n o x 产生机理的 不同， 可将其分为3 个主 要的 类 型 卜 12 ， 分 别 是: 1 . 热力型 n o x( t h e r ma l n 0 x ) 在高温环境下，空 气中的氮氧 化生成的 n ox ， 称之为热力型 n o x ， 也称为 温度型n o x 。 当 燃料充分混合和增加相对于碳和氢的过量氧时， 热力 型n ox的生 成量会增加。 当 燃烧空 气不足， 反应温度降低和混合不均匀时使热力 型n ox的生 成量减少。 生成 n o x 的 量还取决于颗粒在高 温区 域的 停留时间。 这个理论是由 前苏联科学家捷里多维奇( z el dovi ch) 于1 9 46年最早提出 的， 因 而也称为z el dovi ch机理l 3 。 根据这一机理， 氧氮化物的生 成过程是一个不分 支连锁反应。 首先，高温下的氧分子首先离解生成 氧原子，然后 氧原子 0撞击 氮分子，生成的n能与氧分子生成n o和氧原子，其生成反应式如下: o h- n z 叶n o h- n ( 1 一 1 ) n 十 0 2 弓n o h- 0 ( 1 一 2 ) 其连锁反应的总生成式为: 姚+ 0 2 *z n o( 1 一 3 ) 在过量空 气系数降 低、 还原性的气 氛下， 氧气0 2 氧化氮原子n的 作用减少， 反应式 ( 1 一 1 )中析出的氮原子 ( n )主要是靠氢氧根 ( o h )氧化，这叫做反应 式 ( 1 一 3 ) 的扩展z el dovi ch机理， 反应如式 (l一) 所示。 n十 oh弓no 叶h( 1 一) 从以 上热力型 n o x的反 应机理可以 看出，热力型n o x 生成的主要影响因 素是温度、 在高温区停留的时间和氧浓度。由于相对于燃料氧化的速率来说， 热 力型n ox 生 成的总 速率较低。因 此， 根据z el d ovi ch 的 建议， 热力型n ox 的生 成反应可以 从燃烧氧化反应中 分离出 来， 热力型n c 比并不是煤粉燃 烧系统中 最 主要的n ox 生成机理。 因 此控制热力型n o x 的措施是:降 低燃烧时的 温度、 避 免产生局部高 温区、缩短烟气在炉内高温区的 停留时间以 及降 低烟气中 氧的浓 度。 2 .快速型n o x( p rom p t n o x ) 快 速型n ox 在燃烧的初期阶段生成。 在富氧燃 烧条件下， 燃料在 燃烧器喷 嘴顶部开始 燃烧， 氮分 子和碳氢化 合物发生 反应， 产生 氢氰酸 ( h c n ) 。随 后氢 氰酸就被氧化成为n o x ， 快速型n ox 在总 排放的n ox 中 所占的比 例是 很小的。 h c n和n生成n o的反应可分为以下几步【 1 4，1 5 : nz十 c h *h c n + n( 1 一 5 ) c + n z *c n 十 n( 1 一 6 ) c n 十 0 2 *c o 十 n o( 1 一 7 ) 浙江大学硕士学位论文第 一 章 hc n十 0 弓nc o 叶 c o( 1 一 8 ) nc o 叶 h-+n h 毛0( 1 一 9 ) n h+ h 一n 十 姚( 1 一 10) n十 0 2 -+no+ 0( 1 一 1 1 ) 快速型n ox 的生 成主要取决于 三个因 素: a) 是c h原子团的浓 度及形成的 速 度; b) 是从分 子 反 应生 成 氮 化 物的 速 率 大 小: c) 是 氮 化 物 之间 相互 的 转 化 率 。 在炉膛火 焰温度t 1 的 条件下正常燃烧并生成n ox，称为主燃 区。然后将剩余的 巧%加%的燃料在主燃烧器的上部送入二级燃烧区， 在 。 l 的条件下形成很强的还原性气氛， 使得在主燃区生成的 n ox 被还原成氮分子 ( nz ) ，称为再燃区。在再燃区中不仅己生成的 n ox 得到还原，同时还抑制了 再燃燃料中n ox 的 生成， 使n ox 的 排放浓度大幅度降 低。 最后， 燃烧产物进入 燃尽区， 与 燃尽风o f a混合， 达到最终完 全燃烧【 撇 7 。 实现再嫩的方法有两种: a)沿炉膛布置 三段燃烧方式， 实现炉内 脱硝; b) 在燃烧器内 设计三段燃烧方式， 实现燃烧器内再 燃脱硝。再燃过程中 最重要的反 应是 c h i 、 c o 、 h z 等还原性气 体将n o还原成h c n的 反应， 其它的反 应与 燃料氮转化过程中 的还原机理相似。 b i l b a o和k r i s t en s en 认为在再燃区内n ox 主 要被转化成其它氮物质 ( 主要是 h c n 、 n h 3 ) 。这些氮物质可以 把n o还 原成从， 也可以 被氧化成n o ，因 此， 燃尽区燃烧组织的好坏与否是决定再燃脱 硝效果的 关键因 素。 k r i st en s en 提出使 用多级o f a，充分利用 h c n、n h ; 对n o的还原作用。 浙江大学硕士学位论文第一章 所 谓 先 进 再 燃 烧 ( a d v a n c edr e b 咖 ng) 技 术是 指 再 燃 烧 技 术 与n催 化 剂 射 入 技术 相 结 合 ，是 一 种 更 有 效的n o x 控 制 技 术。 这种 技 术 是 将 氨 水 或 尿 素 作 为n 催 化 剂 加 入 到 再 燃 烧区 或 燃 尽区 ，进 一 步降 低n ox ;同 时 加果 将 无 机 盐 (尤 其 是 碱 金 属 ) 助 催 化 剂 通 过 不同 方 式 一 并 加 入 ，将 更 有 利 于n o x的 还 原。 先 进再 燃 烧 技 术可降低n ox 85% 以上， 具有非常好的 技术优势。 (4) 烟 气 再 循 环技 术 ， fgr( fue l一 g asr e c i r c u la t io n ) 烟 气 再 循 环技 术 是目 前 应 用比 较多 的 技术 口 闪 01 。 它是 在 锅 炉 的 空 气预 热 器 前抽取一部分 低温烟气 直接送入炉内， 或与一次风或二次风 混合后 送入炉内， 这 样不但可降 低燃烧温度， 而且也降 低了 氧气浓度， 进而降 低了n o x 的排放浓度。 从空气预热 器前 抽取温度较低的烟 气， 通过再循 环风 机将抽取的烟气送入空气 烟 气混合器，和空气混合后一起送入炉内。 烟气再 循环法降 低n o x 排放的 效果与 燃料品 种和烟气再循环有关。 经验表 明， 烟气再循环率为 巧一20%时， 煤粉炉的n o x 排放浓度可降低 25%左右. n o x 的 降低率随 着烟气再循 环率的 增加而 增加。 而且与燃料种类和燃烧 温度有关。 燃 烧温度越高， 烟气再循环率对n o x 降 低率的影响 越大。 烟气再循 环法可在一台锅炉上单独使用， 也可和其它低n ox 燃烧技术配合 使用， 可用来降 低主燃烧 器空气的浓度， 也可用来输送二次 燃料. 电 站锅炉和烟 气再循环率一般控制在 10一2 0 %。 当采用更高的烟气再循环率时， 燃烧会不稳定， 未完全燃烧热损失会增加。另外采用烟气再循环时需加装再循环风机、 烟道， 还 需要场地，增大了投资，系统复杂。 3 .燃烧后控制技术 燃烧后控制技术分成干法和湿法两种仪 时01 。 湿法脱硝主要是利用 各种氧化 剂， 将n ox中占 主要的不 溶于 水的 n o 转化成可溶的 n 0 2 ， 然后进一步使用溶液 洗涤的 方法进行脱除。 碱性溶液和 n 0 2 反应生成硝酸盐和亚硝酸盐， 和姚场反应 生 成亚硝酸盐。 碱液吸收法的 优点是能将 n o x 回收利用， 具有一定的经济效益， 工 艺流程和设备也比 较简单。 干法主要包括s c r 技术， s n c r 技术等。 考虑到技术可靠性、初投资成本、 运行费用、脱硝效率等因素，目 前被大 规 模工业应用的 是干法的s c r技术和 snc r技术。 下面主要介 绍 s c r技术和 s n c r 技术的发展和现状。 (1 ) 选 择 性 催 化 还 原 技术 ， s c r( s e l e c tive c a t a ly tic red u ctio n ) s c r技术是 还原剂 ( n h 3 、 尿素) 在催化剂作 用下， 选择性地与 n o x反 应 生 成n z 和h 20 ， 而不 是被0 2 所 氧 化， 故 称为“ 选 择 性 催 化 还 原 ” 3l 。 主 要 的反应式如下: 4 n h 3 + 4 n 0 +02一月 n z 十 6 h 2 0( 1 一 1 2 ) 4 n h 3 十 2 n 0 2 +0 2 6 n 2 十 6 h 2 0( 1 一 1 3 ) 浙江大学硕士学位论文 第 一 章 s c r技术是利 用n h 3 与n o反应在一个狭窄的 温度范围内 的选 择性， 在催 化 氧化剂 表面将富氧烟气中的n o还原成从和h z o 。 s c r系统 包括催化剂反应 室、 氨储运系统、 氨喷射系统及相关的测试控制系统。 s c r系统中的 一个重要组成部分是催化剂， 当前流行的成熟 催化剂有蜂窝 式、 波纹状和平板式几种形式。由 于不同的催化剂的 作用温度不一 样，目 前使用 最广泛的温度范围为 350 一 400 c ，最新的 s c r工业催化剂为 ti o : 为载体的 叭仇阴伪及m n 氏等 金属 化合物。 s c r系 统的核 心装置是s c r 反应器， 有水平和垂直气 流两种布置方式。 根 据反 应器在烟气流程中 的位置， 又可以分为高温高灰布置、 高温低 灰布置、 低温 低灰布置 三种。 高 温高灰 布置的反 应器位于省 煤器后空 预器前， 催化剂需要承受 高 浓度飞 灰的 碰撞、 磨损; 高温低灰布置则需要在催化塔之前布置高 温静电 除尘 器e s p ， 位置与高温高灰布置大致相同;低温低灰则是布置在湿 法脱硫 ( f g d ) 工艺 之后的 低温环境里，由 于烟气温度低于催化条件下 n h 3 和 n o反 应的 合适 温度， 需 要加装加热器， 造成经济性降低。目 前以 高温高灰的反应器 布置 形式应 用最为 广泛131 刁 3 。 在 众多的 脱硝技术中， scr 技术是 脱硝效率最高， 发展也最为成熟的 一种脱 硝技术。1975 年在日本 s h i n l o n e s ki 电厂建立了第一个 s c r 系统的示范工程， 其后s c r技术在日 本得到了 广泛应用， 大约有170套装置， 接近 l oog w 容量 的电厂安装了这种设备。 在欧洲己有 1 20 多台大型装置的成功应用经验， 其n o x 的脱除率可达到8 小90%。 美国政府也将 s c r技术作为主要的电厂控制n o x技 术。 s c r技术由于 催化剂的 作用使部分 5 仇氧化成 5 伪， 因此燃烧高 硫煤时引 起的硫酸氢氨和硫酸氨站污腐蚀和堵塞情况比较严重。 另外烟气中的碱金属和重 金属 ( 如钾，钠，氧化砷等)会使催化剂中毒失活， 加速催化剂更换的速度，增 加运行费用。不过总的来说，s c r技术是一种十分有发展前景的脱硝技术。 (2 ) 选 择 性 非 催化 还原 技 术， s n c r( s e le c 伽e n o u 一at a 晒c red u c “ o n ) s n c r 是一种发展成熟的n ox 控制技术。 1 9 74年在日 本首次投人商 业应用， 到目前为止，全世界大约有 3 00 套 s n c r装置应用于电站锅炉、工业锅炉、市 政垃圾焚 烧炉和 其它 燃烧装置。 它的原 理是在9 001 2 o 0 c 下， 将含 有氨基的 氮 还原剂 ( 一 般是 氨或者 尿素水溶液) 喷入烟气中， 还原 剂快速热解成 n h 3 并和 烟气中的n o进行还原反应， 把n o x 还原，生 成氮气 和水因，o 目 前 的 趋势 是 用 尿 素( 州日 4 ) 2 c 0 ) 溶 液 作 为 还 原 剂 ， 主 要 的 反 应 式 为: ( n h 礴 ) c o *z n hz 十 c o ( 1 一 1 4 ) n h z 十 n o *nz十 h 2 0( 1 一 1 5 ) c o+ no一nz + c oz( 1 一 1 6 ) 浙江大学硕士学位论文 第 一 章 实 验表明，当 温度超过 1 093 c 时，n 比 会被氧化成n o ， 反而造成n ox 排 放 浓度增大，其反 应式为: 4 n h 3 + 5 0 2 衬4 n 0 阵 6 h z o( 1 一 1 7 ) 而当温度低于9 27 . c时，反 应不完全使得氨逃逸率高，造成新的污染。 可 见 温度过高或过低都不 利于对 污染 物排放的 控制。 典型的s n c r系 统工艺 布置图 如图 ( 1 一 2) 所示。 它由 还原储槽、 多层还原 剂喷入装置和与之相匹配的控 制仪 表等部分 组成。 s n c r系统烟气脱硝过程是由 下面四个基本过程完成: 接收和储存还原剂; 还原剂的 计量输出、 与水混合稀释; 在锅炉合适位置注入稀释后的 还原剂; 还原 剂与 烟气混合进行脱硝反应。 飞赵住燮干刻不二蜘 燮压级 鑫 月. 泊， 国. ，之 . 烟 .，脚娜州口 困幽 口 均 分零 典 块 钥沪 扩 一- 一 创” 卜 j播_一 一j 里.一 ， 口 一一一气 1奋 艺臼 鑫危_ _ 廿 组硕 奥 块 11刁 麟;瓷，玫 制，卜毒从沂二讯1 ;) 奸 深蒙翎鑫班 罄，三 一 : 续尹龟加热鹅书 1 伪 环 系一 一 1 . 一 _一一j 供应 护诵1 梨里 块 汉 撇攀盆 嗽获 图1 一 z s n c r系统工艺布置图 和 s c r技术相比，s n c r技术的主要特点有如下几点: l) s ncr 利 用 炉 内 的 高 温驱 动 氨与n o 的 选 择性 还 原 反 应 ， 因 此 不 需 要 昂 贵 的催化剂和体积庞 大的反 应器。 2) s n cr 相对于低n ox 燃烧器 和 s c r来说，初投资 低，停工安装期短，脱 硝效率中等。 3) 参加反应的还原剂除了可以使 用氨溶液以 外， 还可以用尿素溶液。 而s c r 烟气温度比 较低， 尿素溶液必须 制成氨溶液以 后才能喷入烟气中。 浙江大学硕士学位论文第一章 4) 脱 硝 还 原 反 应 要 求 的 温 度 比s c r高， 比 如 脱 硝 剂 为 氨时 ， 反 应温 度 窗 为 87小n oo。当烟气温度大于1 o 5 0 c时， 氨就会开始被氧化成n ox，到 1 1 0 0 c ， 氧化速度会明 显加快。 这 样一方 面降 低了 脱硝效率， 另外一方面 也增加了 还原剂的用量和成本。 5) 由 于 反 应 温 度 窗 的 原 因， 反 应时 间 以 及 喷 氨 点 的 设 置以 及 切 换 受 锅 炉 炉 膛 和受热面布置的限制。 6) 为了 满 足 反 应 时 温 度 在 温 度 窗 的 范 围内 ， 对 喷 氨 的 控 制 要 求很 高 。 喷 氨 的 控制成了s n c r的技术关键， 同时 也成了限 制s n c r系统脱硝效率和稳定 运行的最大障碍。 乃 氨氮摩尔比 ( n s r ) 是获得高的脱硝效率、 低的漏氨和稳定的性能的重要 因素。 首先， s n c r还原反 应的 氨氮 摩尔比 不象s c r一样固 定为1 : 1 ， 随 着反应条件的变化， 这个比 例是一 个变化的 值。 然后， 在s n c r的喷氨区， n ox 的分布的均匀性很差，而且没有使 n ox 分布变得均匀的混合手段， 因此要获得接近最佳氨氮摩尔比 几乎是不可能的。 snc r的漏氨率一般控 制在5 一 1 0 p p m ， 而s c r 控制在2 一 s ppm 。 8) s n c r脱硝效率较一般为3 0-50% ， 对于大型电 站锅炉， 脱硝效率一般低于 4 0 % 。 相比 之下， s c r技术的脱硝率比 较稳定， 这是跟锅炉尾部低温区的 烟气温度稳定、 湍流波动小等特点分不开的。 s c r的脱硝效率在技术上几 乎没有上限，只是从性价比上考虑，国外一般性能保证值为90%。 9) s c r在催化剂的 作用下， 部分5 0 2 会转化成5 伪， s c r的催化剂会造成较 大的压力损失，s n c r则不会有这些问题。 总的来说，s n c r的优点是投资省、可以直 接使用尿素， 不存在 s c r技术 中5 0 2 转化成5 0 3 的问 题， 缺点 是脱硝效率较低、 运行的可靠性和稳定性不够好。 从目 前投 运的sn c r系统运行业绩来看，电站大 型机组如果脱硝效率要求在 25 % 4 。 %， 那么采用snc r技术是比 较合适的; 小型机组如果在配合l n b 、 o f a 技术的情况下，总的脱硝效率可达 80%左右。 另 外还有一种将snc r 技术和s c r技术结 合起来的 技术， 叫s n c rjs c r混 合 脱硝技术。它将s n c r技术的还原剂溶液喷入炉 膛技术和 s c r技术利用逃逸 氨 进行催化反应的技术结合起 来脱除n ox 。 它 将s n c r 技术的 低费用 特点和s c r 技 术的高效率及氨逃逸率低等 特点有效结合 起来， 因 此更有优势35 。 snc 侧s c r 混 合脱硝技术于20世纪70 年 代首次 在日 本的一 座燃油装置上进行试验， 试验结 果 表明了该技术的可行性。理论上，s n c r技术在脱除部分n ox 的同时 也为后 面的催化法脱硝提供充足的氨，但是 控制好 氨的 分布以 适应n ox 的 分布的 改变 却是非常困难的。 为了 克服这一难点，需要在s c r反应器中 安装一个辅助氨喷 射系统，从而准确地试验和调节辅助氨喷射，改善氨在反应器中的分布. 浙江大学硕士学位论文 第一章 表 ( 1 . 1 )为 几种n ox 燃烧控制技术的简单比 较。 表1 一 1 几种n ox 燃烧控制技术简 单比 较 技术名称 脱硝效率 ( % ) 工程成本运行费用 l n b技术 2 5 月 0较低 低 s n c r技术 3 0 60低 中等 l n b+sn c r技术 4 0 7 0中等 中等 s c r技术 7 0 90高中等 snc 侧s c r混合技术 4 0 8 0中等 中等 芬 1 . 2喷嘴常用的性能指标 (1 ) 流量特性 喷嘴的 流量特性是指喷嘴的质 量流量 ( 或体积流量) 随着液体压力变化而 变化的 规律， qvf( q m f ) = f( p f) 。 对于 气力 雾化喷 嘴来说， 它 还包括气相的 流量和 压力。 它决定了 气液质量比， 也就是喷嘴的 气耗率a w r( 气体 和液 体质量流量 之比) ，进而影响喷嘴的雾化质量。 对于y型喷嘴来说， 液体质量流量公式如式 ( 1 一 1 8) 所示 136 礼 。 ， 一 3 6 0 0 矶呻涯可 亚 、 ，一 1 8 ) 其中， 其中， q为 液 体 质 量 流 量， 单 位 是k g/h: f z 为 液 体 通 道 的 横 截 面 积， 单 位 是扩; p =py 一p 氏 ， 为 喷 嘴 液 体 通道 入口 处 和 混 合 点( 气 液相 遇 开 始 混 合的 点 ) 的 压差 ， 巧为 喷 嘴 入口 液压 ， 几为 喷 嘴 入口 气 压， p h 为 混 合 点 压 力， 巧 = p p ， ; 卜 为喷嘴的流 量系数，一般喷嘴设 计时取0 . 7 ; p 为 比 例系 数 ， 为p 卜用 q 。 一 般 设 计 喷 嘴 时 推 荐 值 为0. 94。 对于y型喷嘴来说， 气体质量 流量公式如式 ( 1 一 1 9) 所示 136 : 。 ; 一 3 6 0 0 矶， 沂 石 可 ( 1一 19 ) q为 气体质量 流量， 单位为k g/h ; 甲 为系数， 对于过热蒸汽， 申 =2.0 9 ; 对于饱和蒸汽， 中 =l. 99; 对于压 缩空 气，中 趁. 14; pa 为 喷 嘴 入口 处 雾 化 介 质 的 绝 对 压 力 ， 单 位 为kg f m z ， 也 就 是m . 旧 2众 va 为 喷 嘴 入口 处 雾 化介 质的 比 容， 单 位 为k 留 m 3 ; 林 为喷嘴的流量系数， 一般喷嘴设计时取0 . 45一 0 . 7 。 喷嘴设计时一般先确定好液流量和气耗率， 再计算气流量， 再最终确定喷 嘴的尺寸。 后面设计 扇形气力雾化喷嘴时， 就借鉴了y型喷嘴液流量公 式。 浙江大学硕士学位论文第一章 (2 )雾化角和射程 喷雾雾化角是表征喷雾扩张程度的 一个量， 它直接影响到喷雾在整个空间 的 分布特性137 邓 。 雾化角有两种定义的方法: 一 种是 将喷嘴出口中 心点到喷雾炬 外包络线的两条切线之间的夹角定义为出口 雾化角a . 出口 雾化角的 大小与理论 计算值比 较接近，由 于喷雾炬在离喷口 后会有一定程度的 收缩， 。 另一种工程上 常用的 表示法是以 喷口 为中心，在距喷嘴端面 l处与 喷雾曲 面的 交点连线的夹 角 a ，称为条 件雾化角， 条件雾化角随 l 的取值不同而 不同。 一般 l 的取值在 2 0 m m以上， 对于小流量喷嘴l = 4 0 一8 仓 叮 m ; 而对于大流 量的喷 嘴l =l00一 250 m m 为 宜。 可参照图 ( 1 一 3 ) 。 一般条件雾化角小于出口 雾化角， 两者有时会相差2 0 以 上。 条 件雾化角随 所用的距离而变， 它便于测量，能更真实的反映喷雾的运动趋势，因此， 实验时 常常采用，雾化角 a的大小影响喷雾与燃烧空气的混合，燃烧的质量等等。 1 . 喷 嘴 2. 雾 炬 外 包 络 线 图1 刁雾化角定义的示意图 雾炬射程是指雾化颗粒所能到达的距出口最远的距离，一般将速度衰减到 出口 速度的95% 左右的距离作为喷雾射流的射程， 从定义可以 看出射 程主 要决定 于喷雾的速度。 (3 )雾化粒 径及其分布 液态工质从喷嘴喷射出 来以 后， 会形成尺寸差别不一的 喷雾液滴群，因 此 液滴的平均雾化 粒径是雾化质量的主要 指标。 对于同 样的喷 雾， 如果 采用不同 的 直径平均方法和不同的 取样方法， 所得到的平均 直径是不同的。 国内 常用的 喷雾 取样方法有两种: 一种是沿喷雾的 横截 面取样， 计算平均直径; 另一种是在 喷雾 最密集的地方取 样， 计算 平均直径。 常见的 直接平均方法有表面平均直 径和质量 中间直径两 种13 同510 本文中用的雾化 粒径是指索特尔平均粒径， s aut erm e andiaj 刀 e t er( s m d ) 。 索特尔平均粒 径是按 照平均直径d s 计算的 假想液滴群的总体积和总表面积的比 值恰好和实际液滴 群的 总体积与总表面 积的比 值相等来确定的， 因此它属于 表面 平均直径。 浙江大学硕士学位论文第 一 章 用公式 ( 1 一 0 ) ， ( 1 一 2 1 ) 表示如下 1 3 7 1 : 耐3 心 树5 心 粤 二 又 (从 d 户 ) _卫二 二二 二 一 二 艺 ( 从 刃 )“ 1一20 ， 丫( nd 尹 ) smd一 “ 32 一 “ 二 茵 奋 淤 了 一21 其中， n i 表示实际 直径为di的 液滴数; ns表示假 想液滴都为平 均直径ds时的液滴数。 质量中间直 径 ( m m d ) 是大于小于 这个直 径的雾滴的质量 各占 一半。 它可 以 从雾滴尺寸的罗辛 一拉姆勒分 布曲 线上查 取。 s md比mm d能反映真实的液 滴群的雾化情况，因此在液态工质雾化中广泛应用。 雾化粒径的分布是影响雾化质量的另一个重要指标，它 包括雾 化粒径均匀 度和雾化粒径在空间上的分布。 雾化粒径的均匀度是指某个测量点的不同尺寸的 液滴的百分比分 布。 而雾化粒径 在空间 上的 分布是指不同空间 测量点上平均雾化 粒径 ( 比如 s md)的分布。 圣 1 .3国内外液体雾化喷嘴 喷嘴是液体燃料 燃烧中不可缺少的 一个关键组成部分， 在s n c r 系统中 喷 嘴喷射系统也是非常重要的一个环节。 喷嘴是实现燃油等液态工质雾化最简单的 装置， 喷嘴的基本功能是把燃油雾化成微小的液滴， 并且使液滴按要求分布在一 定雾化角度的横截面上; 喷嘴的 另一功能就是计量燃料， 只要在喷嘴前维持一 个 固 定压力， 相应喷嘴就会有一个固 定的燃油喷射量。 目 前普遍应用的 喷嘴主要有 以下几种类型:机械式喷嘴，气 力式喷嘴，旋转式喷嘴等。 互 1 .3.1国 外液体雾化喷嘴 美国 专利号 3 7 4 3 6 06 ( 19 73 年发 布) 也公 布了一 种三通道外混式气力雾化 喷嘴， 如图 ( 1 4) 所示139 1 。 燃料为油 ( 或其他液态碳氢化合物) ，由中 间出口 喷 出， 内 环通氧气 ( 或富氧空气) ， 外 环通水蒸气。 喷 嘴端部 周围 有环形冷却通道， 用以 冷却喷嘴. 冷却面 3 6为外凸 形， 这样可以适应高压环境。喷 嘴出口 油速 1 卜5 0 ， 氧气速度20价6 00，水蒸气的 速度为1 。 。 3 00， 单位均为fe 留5 。 氧气和 油之间的高速差， 可以使油得到良好的雾化，并且混合。 外环水蒸气的速度比较 低， 这样在出口四周高温气体的回流漩涡减少， 从而保护了喷嘴外部受高温气体 浙江大学硕士学位论文第 一 章 冲刷造成的 物理化学损伤。 此外， 在氧气周围 的水蒸气层， 使 氧气和气化产 物气 体不会立即发生放热反应，从而保护了喷嘴。 图1 4美国 专利号3 743 606 中的 喷嘴示意图 美国 专利号 4 1 3 9 15 7( 1 9 79 年发布) 公布了 一种双通道 气力雾化喷嘴， 如 图 (l 一 5) 所示140， 左边的 是喷嘴的 纵截面图， 右边是喷嘴横 截面图。该喷 嘴应 用在燃汽轮机中姗料的雾化以及和空气的混合燃烧过程。 燃气轮机燃烧效果不佳 一直是个问题， 开发能在较大燃料流量的范围内都能将其雾化成小液滴的喷嘴非 常有必要。 通常的做法是采用压力式旋流喷嘴来雾化燃料。当燃料以很高的压力 通入到 旋流室， 形成自由 涡流， 最后通过喷嘴出口 形成圆锥形喷雾。 但压力 式旋 流喷嘴适用的流量范围比较窄，而这个喷嘴却有适应大范围的流量变化的特点。 图 1 一美国专利号 4 139 1 57 中的喷嘴示意图 浙江大学硕士学位论文第一章 如图 ( 1 一 5) 所示，该喷嘴的燃料通道包括一个主通道和一个辅助通道。 主通 道呈很细的圆 柱形或者圆锥形， 燃料 通入后被高速高 压的 空气雾化。 辅助通道也 是圆 柱形或者圆 锥形， 不 过更粗 一些， 辅助通道在雾化空气作 用之后才和主 通道 一起工作。 燃料供给系统有阀门 使燃料首先供给给主通道，当工况 条件增加时， 辅助通道开启， 使得两个通道都能达到合适的流量。 燃料进入主通道(2 ) 后， 经过一 个过滤屏( 1 4) ( 通过弹簧 ( 巧 ) 定位) ， 进入斜 通道(9 ) ， 再进入环形通道(l 0)， 最终流入到旋流室( 1 2)， 通过部件(4 ) 和部件(5 ) 产生自 由 涡流。 再通过喷嘴出口 ( 1 3) 喷射形成圆 锥形的 喷雾。 辅助 通道燃料 通过 通道(3 ) 进入， 再进入 环形通道( 1 6)， 过滤屏 ( 17 ) ，随 后进入二级环形通道( 19) ， 通过三个旋流孔进入旋流室( 21) ， 通过部件 (5 ) 和部件(6 ) 形成自 由 涡流， 再由喷口 (2 2) 喷出与主通道的燃料流混合， 最终形成单一的喷雾由 喷口 ( 1 3) 喷出。由于该 喷嘴有独立的主通道，因而能改善低流量下的喷嘴雾化效果;辅助通道启用后， 能在所有工况下保证喷雾的形状和燃料的不间断的流动。 美国 专利6 7 8 6 4 3 0 b 2(2 0 04年发布) 发布了 一种利用空气旋流的 液体雾化 喷 嘴， 如图 ( 1 一6) 所 示 141 。 上图 是 喷 嘴 截 面 图 ， 左 下是b l 一b l 截 面图 ， 右 下