本發(fā)明涉及脫硝噴槍系統(tǒng)，具體為一種脫硝長噴槍用噴嘴及其設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

氮氧化物(NOx)是燃煤電廠煙氣排放中的主要污染物之一，逸散到大氣中的NOx會毒害人類和動植物，形成酸雨，還能對臭氧層產(chǎn)生破壞。為減少NOx排放，當前廣泛使用的方法是選擇性催化還原脫硝技術(shù)(SCR)和選擇性非催化脫硝技術(shù)(SNCR)。SCR技術(shù)脫硝效率高，但建設(shè)、運行和維護成本較高，與其相比，SNCR技術(shù)系統(tǒng)簡單，在沒有必要使用SCR技術(shù)的情況下，同樣可以降低NOx的排放濃度。

液體霧化是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、能源利用和環(huán)境工程等領(lǐng)域中普遍存在的過程，在過去的幾十年里，人們對各種不同的液體霧化方法進行了廣泛的實驗與理論研究，并研制開發(fā)出了各種不同結(jié)構(gòu)和用途的噴嘴，如機械式噴嘴、氣力式噴嘴、旋轉(zhuǎn)式噴嘴、組合式噴嘴等。

氣力式噴嘴結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，霧化質(zhì)量較好，被廣泛應用于煤氣化和煙氣處理領(lǐng)域。氣力式霧化噴嘴在噴嘴內(nèi)部設(shè)計了空氣流道，利用高速氣體與低速液體射流的相互剪切作用使液體碎裂、霧化成更細小的液滴。氣力式噴嘴有內(nèi)混式和外混式兩種。高壓氣流霧化噴嘴屬于氣力式噴嘴，其霧化介質(zhì)通常是0.2-1.0MPa壓力的壓縮空氣或蒸汽，利用高壓氣流的能量將液體霧化。噴嘴是SNCR脫硝系統(tǒng)中長噴槍的核心設(shè)備之一，本專利根據(jù)某電廠具體煙氣工況，設(shè)計一種用于脫硝長噴槍的內(nèi)混式高壓氣流霧化噴嘴。

現(xiàn)有已商品化的噴嘴需要配套的長噴槍去適應和改變，在長噴槍加工時結(jié)構(gòu)要重新設(shè)計。噴嘴的設(shè)計和改變較為復雜，而且現(xiàn)有技術(shù)中，脫硝長噴槍所處運行環(huán)境溫度很高，同時含有大量煙塵及腐蝕性物質(zhì)，長期使用會造成噴嘴的堵塞和腐蝕，進而影響長噴槍的正常工作。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種脫硝長噴槍用噴嘴及其設(shè)計方法，結(jié)構(gòu)合理，設(shè)計方便，能夠根據(jù)噴槍的結(jié)構(gòu)變化進行方便的配合，保證脫硝效率。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種脫硝長噴槍用噴嘴，包括噴嘴底座，設(shè)置在噴嘴底座兩側(cè)的壓縮空氣進口和尿素溶液進口，以及設(shè)置在噴嘴底座上的液體帽和空氣帽；液體帽為一體結(jié)構(gòu)，包括同軸設(shè)置的端蓋和螺柱；液體孔沿端蓋和螺柱的軸線貫穿設(shè)置，空氣孔貫穿端蓋設(shè)置；螺柱通過螺紋密封連接在噴嘴底座中軸線上，液體孔的進液端與尿素溶液進口連通；端蓋下端與噴嘴底座上的階梯端面密封連接形成壓縮空氣腔，壓縮空氣腔的一端與壓縮空氣進口連通，另一端與空氣孔連通；空氣帽底端密封連接在液體帽上形成混合室，空氣帽頂端設(shè)置噴出口與混合室連通。

優(yōu)選的，噴嘴底座上設(shè)置有筒狀結(jié)構(gòu)，筒狀結(jié)構(gòu)高度不低于噴出口高度；端蓋和空氣帽位于筒狀結(jié)構(gòu)內(nèi)，筒狀結(jié)構(gòu)內(nèi)壁與端蓋和空氣帽呈間隙設(shè)置。

優(yōu)選的，端蓋上部設(shè)置連接柱，端蓋通過連接柱外部的外螺紋與空氣帽密封連接，空氣孔貫穿連接柱和端蓋設(shè)置。

優(yōu)選的，端蓋上設(shè)置有多個均勻分布在液體孔外圍的空氣孔。

優(yōu)選的，壓縮空氣進口通過接頭和密封墊片與壓縮空氣管路密封連接，尿素溶液進口通過接頭和密封墊片與尿素溶液管路密封連接。

優(yōu)選的，端蓋下端與噴嘴底座上的階梯端面通過金屬密封墊片密封連接。

一種脫硝長噴槍用噴嘴的設(shè)計方法，所述噴嘴的結(jié)構(gòu)如本發(fā)明所述，具體包括如下步驟，

步驟1，根據(jù)脫硝長噴槍所在機組煙氣量，計算機組在脫銷時每個噴嘴的尿素溶液噴射量；

步驟2，根據(jù)每個噴嘴的尿素溶液噴射量，由如下公式確定噴嘴中尿素溶液進口直徑D₁和尿素溶液噴嘴噴口直徑d₁；確定噴嘴內(nèi)尿素溶液流道的參數(shù)；

$D_1=18.8\sqrt{\frac{q_{mf}}{{\mathrm{\ρ}}_1{u}_1}};d_1=1.13\sqrt{\frac{7.07\×{10}^2{q}_{mf}}{3600{\mathrm{\μ}}_1\sqrt{{\mathrm{\Δp\ρ}}_1}}};$

其中，q_mf為尿素溶液噴射量，ρ₁為尿素溶液密度，u₁為尿素溶液管內(nèi)流速，μ₁為尿素溶液出口流量系數(shù)，Δp為尿素溶液絕對壓力p₁與混合室臨界壓力p₃之差；

步驟3，由如下公式確定噴嘴中壓縮空氣出口直徑d₂、壓縮空氣入口直徑D₂和空氣帽噴出口孔徑d₃；確定噴嘴內(nèi)壓縮空氣流道的參數(shù)；

$D_2=\sqrt{1273240\·\frac{q_{ma}\·{\mathrm{\υ}}_2}{u_2}+{D_{10}}^2};$

$d_3=1.13\sqrt{F_3/n_3};$

其中，q_ma為壓縮空氣流量，n為空氣孔孔數(shù)，u₂為壓縮空氣在管內(nèi)流速，為臨界截面流量計算系數(shù)，p₂為壓縮空氣壓力，υ₂為壓縮空氣比容，D₁₀為尿素溶液進口外徑，F(xiàn)₃為空氣帽出口截面積，n₃為空氣帽噴出口數(shù)量；

步驟4，由步驟2和3中確定的尿素溶液流道的參數(shù)和壓縮空氣流道的參數(shù)，結(jié)合如權(quán)利要求1中所述的噴嘴結(jié)構(gòu)，完成脫硝長噴槍用噴嘴的設(shè)計。

優(yōu)選的，步驟1中，由如下公式得到每個噴嘴的尿素溶液噴射量；

$W_n=\frac{V_q\×C_{NO}\×60}{30\×{10}^6}\×NSRn;$

q_mf＝W_n/m；

其中，W_n為尿素耗量，V_q為機組煙氣量，C_NO為機組脫硝時入口NO濃度，NSRn為尿素和NO的當量摩爾比，m為噴嘴總數(shù)。

進一步，步驟3中，由如下公式得到混合室出口截面積F₃；

$F_3=\frac{7.07\×{10}^2(q_{mf}+q_{ma})}{{\mathrm{\μ}}_3{\sqrt{p_3/\mathrm{\υ}}}_3};$

其中，μ₃為空氣帽出口流量系數(shù)，p₃＝β_lj·p₂，υ₃為空氣帽混合氣比容，p₂為壓縮空氣壓力，β_lj為壓縮空氣臨界壓力比。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

本發(fā)明通過設(shè)置的噴嘴底座對所需要的零件進行安裝和定位，其作為耐用結(jié)構(gòu)，能夠保證基本的使用壽命，通過設(shè)置的能夠拆卸的液體帽和空氣帽，使其在實際使用中便于維護更換，減小了其維護成本，提高了使用壽命。

進一步的，利用設(shè)置筒狀結(jié)構(gòu)，減緩煙氣中工質(zhì)對空氣帽和液體帽磨損和腐蝕，提高了其使用壽命。

進一步的，液體孔和空氣孔均設(shè)置在液體蓋上，利用其本身的結(jié)構(gòu)特點，能夠在擰緊后形成壓縮空氣室，結(jié)構(gòu)巧妙，連接簡單方便。

本發(fā)明所述的設(shè)計方法，針對不同的煙氣工況，通過合理的計算，所設(shè)計噴嘴在脫硝還原劑穿透距離和霧化粒徑上能達到比較平衡的狀態(tài)，使還原劑覆蓋面積廣，還原劑顆粒與氮氧化物接觸充分，進而保證脫硝效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實例中所述的脫硝長噴槍用噴嘴示意圖。

圖2為本發(fā)明實例中所述的脫硝長噴槍用噴嘴空氣帽示意圖，2a為俯視圖，2b為A-A剖視圖。

圖3為本發(fā)明實例中所述的脫硝長噴槍用噴嘴流體帽示意圖，3a為主視局部剖視圖，3b為俯視圖。

圖4為本發(fā)明實例中所述的脫硝長噴槍用噴嘴底座示意圖，4a為俯視圖，4b為B-B剖視圖。

圖5為本發(fā)明實例中所述的脫硝長噴槍用噴嘴剖切后的組裝示意圖。

圖中：1.壓縮空氣進口；2.噴嘴底座；3.液體帽；4空氣帽；5.金屬密封墊片；6.尿素溶液進口；7.密封墊片。

具體實施方式

下面結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。

本發(fā)明一種脫硝長噴槍用噴嘴，如圖1所示，其包括噴嘴底座2、液體帽3和空氣帽4；以及設(shè)置在噴嘴底座2上的壓縮空氣進口1和尿素溶液進口6。其中噴嘴底座2、液體帽3和空氣帽4通過細螺紋連接組裝，采用墊圈密封加密封膠密封。噴嘴底座2、液體帽3和空氣帽4均采用316L不銹鋼材質(zhì)加工。壓縮空氣進口1和尿素溶液進口6均連接采用鋼絲軟管和相應連接結(jié)構(gòu)的壓縮空氣管路和尿素溶液管路。

壓縮空氣管路的工作壓力為0.6-0.8MPa，尿素溶液管路的工作壓力為0.4-0.55MPa；

工作時，如圖5所示，作為霧化介質(zhì)的壓縮空氣經(jīng)壓縮空氣進口1進入噴嘴底座2中，經(jīng)液體帽3上的六個空氣孔進入空氣帽4，作為脫硝還原劑的尿素溶液經(jīng)尿素溶液進口6進入液體帽3，經(jīng)液體孔進入空氣帽4，壓縮空氣和尿素溶液在空氣帽4的混合室中混合霧化后經(jīng)空氣帽4上的噴出口噴出。其中尿素溶液的質(zhì)量濃度為10％；

本發(fā)明所述的設(shè)計方法，具體如下。

某電廠600MW機組煙氣量(V_q)為1889640Nm³/h，入口NO濃度(C_NO)為450mg/Nm³，根據(jù)以下公式可計算出尿素耗量(W_n，kg/h)：

$W_n=\frac{V_q\×C_{NO}\×60}{30\×{10}^6}\×NSRn---\left(1\right);$

式中，NSRn為尿素和NO的當量摩爾比，根據(jù)SNCR系統(tǒng)運行經(jīng)驗，SNCR脫硝效率為35％時，NSRn為1.25，計算得W_n為2125.8kg/h。

機組中采用的SNCR系統(tǒng)內(nèi)長噴槍共布設(shè)6根，每根長噴槍各有24個噴嘴，按此設(shè)計參數(shù)，單個噴嘴的尿素噴射量計算值為14.7kg/h，在SNCR系統(tǒng)運行中通常噴射10％質(zhì)量濃度的尿素溶液，則單個噴嘴10％質(zhì)量濃度的尿素溶液噴射量(q_mf)為147kg/h。

1.如圖4所示，尿素溶液進口直徑D₁(mm)計算公式為：

$D_1=18.8\sqrt{\frac{q_{mf}}{{\mathrm{\ρ}}_1{u}_1}}---\left(2\right);$

式中：q_mf——10％質(zhì)量濃度尿素溶液噴射量，147kg/h；

ρ₁——10％質(zhì)量濃度尿素密度，ρ₁＝1019kg/m³；

u₁——尿素溶液管內(nèi)流速，u₁＝0.5-1.5m/s；

代入公式計算得D₁范圍為5.83-10.10mm，取D₁＝7.0mm。

2.如圖3所示，尿素溶液噴嘴噴口直徑d₁(mm)也就是液體孔的直徑計算公式為：

$d_1=1.13\sqrt{F_1}=1.13\sqrt{\frac{7.07\×{10}^2{q}_{mf}}{3600{\mathrm{\μ}}_1\sqrt{{\mathrm{\Δp\ρ}}_1}}}---\left(3\right);$

式中：F₁為尿素溶液出口截面積；

μ₁——尿素溶液出口流量系數(shù)，μ₁＝0.2-0.4；

Δp——尿素溶液絕對壓力p₁與混合室臨界壓力p₃之差，計算公式為：

Δp＝p₁-p₃＝p₁-β_lj·p₂ (4)；

其中：p₁——尿素溶液絕對壓力，p₁＝0.4MPa；

p₂——壓縮空氣壓力，為霧化介質(zhì)，p₂＝0.6MPa；

β_lj——壓縮空氣臨界壓力比，β_lj＝0.528；代入式(4)得Δp＝0.0832MPa。

根據(jù)式(3)得d₁取值范圍為3.16-4.47mm，取d₁＝3.2mm。

3.如圖3所示，尿素溶液噴嘴中壓縮空氣出口直徑d₂(mm)也就是空氣孔的直徑計算公式為：

式中：F₂為壓縮空氣出口總截面積；

n——壓縮空氣空氣孔孔數(shù)，n＝6；

q_ma——壓縮空氣流量，q_ma＝q·q_mf；q為壓縮空氣消耗量比，q在0.6-1.0之間，取q＝0.8kg/s；

μ₂——壓縮空氣在混合室入口流量系數(shù)，μ₂＝0.87-0.25β，其中β為混合室入口壓力比，一般β＝β_lj＝0.528；

——臨界截面流量計算系數(shù)，

υ₂——壓縮空氣比容，

假定空氣為理想氣體，υ₂＝RT/p₂，取T＝308K，R＝8.314×10^-3kJ/mol·K，p₂＝600kPa，代入得υ₂＝4.27×10^-3m³/mol＝0.147m³/kg；

根據(jù)式(5)可得d₂＝2.6mm。

4.如圖4所示，壓縮空氣入口直徑D₂(mm)也就是壓縮空氣腔的直徑計算公式為：

$D_2=\sqrt{1273240\·\frac{q_{ma}\·{\mathrm{\υ}}_2}{u_2}+{D_{10}}^2}---\left(6\right);$

式中D₁₀——尿素溶液進口外徑，D₁₀＝12mm；

u₂——壓縮空氣在管內(nèi)流速，u₂＝20m/s；

根據(jù)式(6)可得D₂＝21.2mm，考慮實際加工情況取D₂＝24.0mm。

5.空氣帽(混合室)出口截面積F₃計算公式為：

$F_3=\frac{7.07\×{10}^2(q_{mf}+q_{ma})}{{\mathrm{\μ}}_3{\sqrt{p_3/\mathrm{\υ}}}_3}---\left(7\right);$

式中μ₃——空氣帽出口流量系數(shù)，μ₃＝0.87-0.25β'；

β'——空氣帽出口壓力比，β'＝p_o/p₃，p_o＝0.1MPa，p₃＝β_lj·p₂＝0.317MPa；

υ₃——空氣帽混合氣比容，計算公式為：

${\mathrm{\υ}}_3=(\frac{q_{mf}}{{\mathrm{\ρ}}_1}+q_{ma}{\mathrm{\υ}}_2)/(q_{mf}+q_{ma})---\left(8\right);$

根據(jù)式(8)可得υ₃＝0.066m³/kg；

根據(jù)式(7)可得F₃＝29.94mm²。

6.如圖2所示，空氣帽噴出口孔徑d₃計算公式為：

$d_3=1.13\sqrt{F_3/n_3}---\left(9\right);$

式中n₃——空氣帽噴出孔數(shù)，n₃＝1；

根據(jù)式(7)，式(9)可得d₃計算值為6.18mm，取d₃＝6.0mm。

由1-6計算結(jié)果確定用于脫硝長噴槍的內(nèi)混式高壓氣流霧化噴嘴各尺寸參數(shù)。