陳辰，安璐，董長青，張雪輝

（1.華北電力大學生物質(zhì)發(fā)電成套設(shè)備國家工程實驗室,北京102206；2.北京華電光大環(huán)境股份有限公司，北京102206）

混合室噴孔對SNCR內(nèi)混噴槍霧化特性的影響

陳辰1，安璐2，董長青1，張雪輝2

（1.華北電力大學生物質(zhì)發(fā)電成套設(shè)備國家工程實驗室,北京102206；2.北京華電光大環(huán)境股份有限公司，北京102206）

選擇性非催化還原法（SNCR）脫硝系統(tǒng)中，還原劑噴槍的霧化特性對脫硝效率存在明顯影響。通過改善噴槍的霧化特性以及提高噴槍對煙氣的穿透深度，可以有效地提高脫硝效率。因此實驗研究了SNCR內(nèi)混噴槍的混合室噴孔結(jié)構(gòu)對霧化特性的影響。實驗設(shè)計了三種結(jié)構(gòu)噴孔，研究了在不同氣、液壓力下三種噴孔的流量特性和霧化特性。實驗表明：混合室噴孔結(jié)構(gòu)對流量特性影響較??；扇形噴孔的噴槍的霧化效果最好，且液滴顆粒有粗有細，一大圓孔的噴槍水平射程最大。

SNCR；混合室噴孔；內(nèi)混噴槍；扇形噴孔

選擇性非催化還原法（SNCR，Selective Non-Catalytic Reduction）是指在不采用催化劑的情況下，向爐膛（或循環(huán)流化床分離器）內(nèi)噴入氨或尿素等氨基還原劑，還原劑在爐中迅速分解，與煙氣中的NOx反應(yīng)生產(chǎn)N2和H2O的技術(shù)[1]。SNCR噴槍是SNCR脫硝技術(shù)的核心設(shè)備之一，噴槍的好壞直接關(guān)系到NOx脫除效率的高低，噴槍設(shè)計關(guān)鍵是保證還原劑與煙氣混合的均勻、充分[2-4]。

根據(jù)霧化原理劃分，目前應(yīng)用較多的SNCR空氣霧化噴槍[5-6]主要可分為內(nèi)混式和氣泡式[7]。氣泡式噴槍是將空氣（蒸汽）注入到液體中，在液體內(nèi)部形成氣泡，兩相流中的氣泡在混合室內(nèi)加速、變形、膨脹，在噴嘴出口將液體擠壓成絲線狀，并通過爆破作用將液體炸成十分細小的液滴[8]。內(nèi)混式噴槍是通過高速氣體與低速液體在混合室中發(fā)生劇烈的混合，利用相互剪切作用使液體碎裂、霧化成細小液滴，完成初次霧化，隨后氣液混合物從噴孔噴出，由于氣體膨脹使液滴進一步破碎，完成二次霧化[9]。內(nèi)混式噴槍具有調(diào)節(jié)比寬，霧化質(zhì)量好，氣耗小，霧化錐角隨工況變化小等優(yōu)點[10]，故應(yīng)用廣泛，內(nèi)混霧化噴槍可分為外氣內(nèi)液和外液內(nèi)氣兩種模式。

針對大型電廠脫硝工程中SNCR噴槍剛度弱、射程小的問題，本文以外液內(nèi)氣內(nèi)混式SNCR噴槍作為研究對象，通過設(shè)計制作了三種結(jié)構(gòu)的混合室噴孔，在實驗室小流量噴嘴實驗臺上進行冷態(tài)霧化實驗，研究混合室噴孔結(jié)構(gòu)對噴槍流量特性和霧化特性的影響。

1 實驗裝置

1.1 噴槍結(jié)構(gòu)

SNCR噴槍采用內(nèi)混噴嘴結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 內(nèi)混噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖

氣體經(jīng)進氣孔加速后噴入混合室，與來自液孔的低速液體發(fā)生碰撞，通過較高相對速度產(chǎn)生的摩擦力使液體初次霧化后，氣液混合物經(jīng)過混合室噴孔發(fā)生二次霧化。保持混合室噴孔流通截面積不變，設(shè)計了三種噴孔，分別是扇形噴孔、中心大圓孔、8小圓孔?；旌鲜覈娍淄庥^如圖2所示，噴孔結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，實驗研究這三種混合室噴孔結(jié)構(gòu)對流量特性和霧化特性的影響?；旌鲜覈娍着c混合室之間采用螺紋連接，方便拆卸。

圖2 三種結(jié)構(gòu)的混合室噴孔圖

表1 三種結(jié)構(gòu)噴孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 實驗系統(tǒng)

SNCR噴槍冷態(tài)實驗臺的工藝流程如圖3所示，分為液路和氣路，液路主要由儲水罐、離心式水泵、止回閥、球閥、針型閥、液體流量計、壓力表、噴槍組成，氣路由空氣壓縮機、調(diào)壓閥、氣體流量計、壓力表、噴槍等組成。實驗時液路介質(zhì)為水，氣路介質(zhì)為壓縮空氣。液體經(jīng)過離心泵加壓后進入SNCR噴槍，空氣由空氣壓縮機加壓，經(jīng)調(diào)壓閥調(diào)節(jié)壓力后進入SNCR噴槍。

圖3 SNCR噴槍冷態(tài)實驗臺示意圖

離心泵采用凱泉泵業(yè)提供的揚程為200 m的多級離心泵，液體的壓力和流量通過旁路系統(tǒng)調(diào)節(jié)，即由液體主路管道上的針型閥及旁路管道上的球閥協(xié)同調(diào)節(jié)；壓縮空氣由型號為E.T 100的捷豹牌空氣壓縮機提供，壓縮空氣的壓力和流量通過調(diào)壓閥調(diào)節(jié)。在SNCR噴槍進口前，液路和氣路均裝有轉(zhuǎn)子流量計和精密壓力表以便測量液體介質(zhì)和霧化介質(zhì)的流量和壓力。

噴霧的霧化效果采用數(shù)碼相機拍照得到。噴槍的射程測量是將噴槍水平放置在支架上，支架距離地面1.9 m，當噴槍噴射噴霧后，在地面上尋找噴霧的最遠落點，測量噴霧最遠落點與噴槍出口之間的距離，將該距離視為噴槍水平噴射射程。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 流量特性

噴槍依次安裝三種結(jié)構(gòu)的混合室噴孔，在實驗工況（空氣壓力0.28 MPa，液體壓力0.28 MPa）下，分別測量噴槍的液體流量和空氣流量，得到實驗數(shù)據(jù)如表2所示：

表2 三種噴孔的流量比較

從表2可見，空氣和液體壓力均為0.28 MPa時，三種噴孔的液體流量基本一樣，均為50 L/h左右，空氣流量也變化較小，因此，混合室噴孔結(jié)構(gòu)對流量特性影響較小。

在氣壓0.2 MPa不變的情況下，根據(jù)測試實驗數(shù)據(jù)，繪制出流量特性曲線如圖4所示；在液壓為0.2 MPa不變的情況下，根據(jù)測試實驗數(shù)據(jù)，繪制出流量特性曲線如圖5所示。

圖4 氣壓0.2 MPa不變下的流量特性曲線圖

圖4和圖5中，三種噴孔的數(shù)據(jù)點幾乎相近，液體流量和耗氣量隨氣壓或液壓變化趨勢基本一致，所以噴孔結(jié)構(gòu)對流量特性曲線的影響較小，即在混合室噴孔流通面積一致的情況下，混合室噴孔的結(jié)構(gòu)對流量特性的影響較小。

2.2 霧化效果

上一節(jié)實驗得到在相同實驗工況下，混合室噴孔的結(jié)構(gòu)對流量特性曲線的影響較小，本節(jié)主要是針對在工況空氣壓力0.28 MPa，液體壓力0.28 MPa下的噴嘴霧化特性進行研究，如圖6所示。SNCR噴槍不同于燃油等其它霧化噴嘴，并非液滴霧化越細越好，通常要求霧化粒度在50～200μm之間，分布要有粗有細，兼顧大顆粒的大的穿透深度和小顆粒的混合均勻。在鍋爐爐膛中，小粒徑的液滴進入爐內(nèi)遇到高溫煙氣后，會很快蒸發(fā)掉，只有大顆粒的液滴才能深入到爐膛內(nèi)部，因此SNCR噴槍形成的液滴分布最好是一部分大粒徑的液滴集中在噴霧中心，可以噴入到爐膛深處，一部分小粒徑顆粒分散在噴霧的四周，在噴嘴出口處附近就與煙氣混合并反應(yīng)[11]。

圖5 液壓0.2 MPa不變下的流量特性曲線

圖6 實驗工況下霧化效果比較圖

通過霧化實驗圖6可見，混合室噴孔為扇形噴孔的噴槍噴出的液體霧化較好，霧化角在65°左右，并且液滴顆粒有粗有細，中間分布較多的液體大顆粒，兩側(cè)顆粒較小，顆粒分布更符合SNCR系統(tǒng)對噴槍的霧化要求。該結(jié)論與文獻[11]的實驗結(jié)果相吻合，扇型霧化噴嘴的霧化粒度分布呈現(xiàn)類似“W”形分布，霧化角在70°～110°之間，是比較理想的SNCR噴嘴霧化形式。

混合室噴孔為1大圓孔的噴槍噴出的液滴顆粒稍大于混合室噴孔為扇形噴孔的噴槍，且液滴幾乎都是小顆粒，大粒徑的液滴較少?；旌鲜覈娍诪?小圓孔結(jié)構(gòu)的噴槍霧化效果最差，液滴顆粒較大。

2.3 噴射射程

SNCR噴槍除了對霧化效果有要求外，還要求噴霧有一定的剛度，以便根據(jù)工程具體情況，設(shè)計不同射程需求的SNCR噴槍。本次實驗針對實驗工況空氣壓力0.28 MPa，液體壓力0.28 MPa下噴槍的水平噴射射程進行了測量，如表3所示。

表3 相同實驗工況下水平噴射射程比較

空氣壓力和液體壓力均為0.28 MPa時，混合室噴孔為1大圓孔的噴槍噴射射程最遠，達到5.1 m；混合室噴孔為8小圓孔的噴槍噴射射程最短。

3 結(jié)論

（1）混合室噴孔結(jié)構(gòu)對流量特性影響較小。

（2）混合室噴孔為1大圓孔的噴槍霧化效果好于混合室噴孔為8小圓孔結(jié)構(gòu)的噴槍，混合室噴孔為扇形噴孔的噴槍的霧化效果最好，并且液滴顆粒有粗有細，比較符合SNCR系統(tǒng)對噴霧的要求。

（3）相同實驗工況時，混合室噴孔為1大圓孔的噴槍水平射程最大，混合室噴孔為8小圓孔的噴槍水平射程最小。

通過以上結(jié)論可知，對于大煙道，對SNCR噴槍射程有要求，混合室噴孔采用1大圓孔較好；對于小煙道，對還原劑液滴顆粒大小有要求，混合室噴孔采用扇形噴孔較好。

[1]段傳和.選擇性非催化還原法（SNCR）煙氣脫硝[M].北京：中國電力出版社,2012.

[2]李明磊,閻維平,郭娟寶.SNCR氣力式噴嘴霧化特性數(shù)值模擬[J].熱力發(fā)電,2015（6）：52-57.

[3]陳鎮(zhèn)超,楊衛(wèi)娟,周俊虎,等.尿素溶液霧化顆粒在鍋爐爐內(nèi)的運動軌跡[J].熱力發(fā)電,2010,39（2）：18-23.

[4]張立娟.水泥窯煙氣SNCR脫硝技術(shù)噴槍的設(shè)計及應(yīng)用[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2015（4）：87-90.

[5]LING F,XUE S X.Effect of injection-nozzle operating parameters on the interaction between a gas-liquid jet and a gas-solid fluidized bed[J].Powder Technology,2008,184（1）：1-10.

[6]RIZK N K,LEFEBVRE A H.Spray characteristics of plain-jet airblast atomizers[J].Journal of Engineering for Gas Turbines&Power,1984,106（3）：634-638.

[7]周俊虎,周林華,楊衛(wèi)娟,等.新型扇形霧化噴嘴的實驗研究[J].過程工程學報,2007,7（4）：652-656.

[8]段鈺鋒,劉猛,陳良勇,等.可調(diào)式螺旋氣泡霧化噴嘴：CN201503015U[P].2010-06-09.

[9]方立軍,尹榮榮,胡月龍.單相/雙相壓力型噴嘴霧化特性實驗研究[J].華北電力大學學報（自然科學版）,2014,41（3）：89-93.

[10]侯凌云，侯曉春.噴嘴技術(shù)手冊[M].2版.北京：中國石化出版社,2010.

[11]周林華.SNCR氣力式霧化噴嘴霧化特性的實驗研究[D].杭州：浙江大學,2007.

Influence of Mixing Chamber Nozzle on Atomization Characteristics of SNCR Internal Mixing Sprayer

CHEN Chen1,AN Lu2,DONG Changqing1,ZHANG Xuehui2
（1.National Engineering Laboratory for Biomass Power Generation Equipment,North China Electric Power University,Beijing 102206,China;2.Beijing Nation Power Group Co.,Ltd,Beijing 102206,China）

The atomization characteristics of sprayer have obvious influence on the denitrification efficiency in selective non-catalytic reduction(SNCR)system.Through improving the atomization characteristics and penetration depth of sprayer in the flue gas,the efficiency of the denitrification can be improved apparently.Therefore,the influence of mixing chamber nozzle structure on the atomization characteristics of SNCR internal-mixing sprayer wasstudied.Three mixing chamber nozzles with different structure were designed,and the flow characteristics and atomization characteristics of three nozzles were studied under different gas and hydraulic pressure.The experimental study shows that,the nozzle structure of mixing chamber has little influence on the quantity of flow.The droplet particles from fan nozzle have better particle size distribution which is favor for denitrification.The spray distance of sprayer with one circular hole nozzle is the farthest.

SNCR;mixing chamber nozzle;internal-mixing sprayer;fan nozzle

TF066.1+5

A

1001-6988（2016）06-0005-04

2016-09-12

陳辰（1993—），男，碩士研究生，研究方向為煙氣SNCR脫硝。