устройство для смешивания текучей среды с большим объемным потоком газа, в частности, для введения восстановителя в содержащий оксиды азота дымовой газ

Формула изобретения

1. Устройство для смешивания текучей среды с проходящим в газовом канале большим объемным потоком газа, содержащее, по меньшей мере, одну распылительную трубу, по меньшей мере, с одной распылительной форсункой для подвода текучей среды, ось которой образует угол с направлением объемного газового потока, и, по меньшей мере, один расположенный на расстоянии от указанной, по меньшей мере, одной распылительной форсунки плоский смесительный элемент, который образует угол с направлением объемного газового потока, при этом на смесительном элементе образуются вихри в объемном газовом потоке, и, по меньшей мере, часть текучей среды попадает в эти вихри, отличающееся тем, что при применении жидкости в качестве текучей среды распылительная труба (5) снабжена, по меньшей мере, двумя наклоненными относительно направления объемного газового потока (2) и наклоненными в противоположных направлениях друг к другу под углом ( ) распылительными форсунками (4а, 4b), причем распылительные форсунки (4а, 4b) расположены относительно объемного газового потока (2) за дискообразным смесительным элементом (1) с его подветренной стороны (1b) или перед дискообразным смесительным элементом (1) с его наветренной стороны (1а), и распыление направлено таким образом, что содержащиеся в выходящей из соответствующей распылительной форсунки струе (6) испаренные газообразные компоненты (6а) входят в вихри (3; 3а; 3b) объемного газового потока (2), в то время как неиспаренные, имеющие вид капелек компоненты (6b) за счет своей инерции и угла ( ) распыления не входят в вихри (3; 3а; 3b) объемного газового потока (2) вблизи смесительного диска (1).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что смесительный диск (1) выполнен круглым, эллиптическим, овальным, параболическим, ромбовидным или треугольным.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что угол ( ) между обеими распылительными форсунками находится в пределах от 60 до 120°, предпочтительно составляет 90°.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что смесительный диск (1) наклонен к направлению объемного газового потока под углом ( ) в пределах от 30 до 90°.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что распылительные форсунки (4а, 4b) являются форсунками для двух веществ, причем одним веществом является вспомогательная распылительная среда (5b).

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что распылительные форсунки (4а, 4b) являются нагнетающими форсунками.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что распылительные форсунки (4а, 4b) выполнены с возможностью снабжения запирающим воздухом (5с), окружающим струю (6).

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что проходящая через струи распылительных форсунок плоскость наклонена относительно направления объемного газового потока (2) под углом ( ) в пределах от 0 до 30°.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройству для смешивания текучей среды с проходящим в газовом канале большим объемным потоком газа (основным потоком), в частности для введения восстановителя в содержащий оксиды азота дымовой газ, содержащему, по меньшей мере, одну распылительную трубу, по меньшей мере, с одной форсункой для подачи текучей среды, ось которой образует угол с направлением объемного газового потока, и, по меньшей мере, расположенный на расстоянии от форсунки плоский смесительный элемент, который образует угол с направлением объемного газового потока, при этом на смесительном элементе образуются вихри потока, и, по меньшей мере, часть текучей среды попадает в эти вихри потока.

Такое устройство известно из DE 3723618 С1, при этом восстановитель подается в виде газа в большой объемный газовый поток (дымовой газ). Статичный смесительный элемент применяется для уменьшения в принципе очень длинных путей смешивания.

В установках SCR (избирательного каталитического восстановления) для удаления оксидов азота из дымовых газов, например, топок электростанций, с помощью восстановителя и катализатора принято, что в случае применения NH₃ в качестве восстановителя он хранится в виде сжиженного под давлением NH₃ или в виде аммиачной воды (NH₄OH), и предпочтительно испаренный NH ₃ вместе с несущим газовым потоком подается с помощью форсунки в поток дымового газа и смешивается с ним. В случае применения мочевины в качестве восстановителя сначала создается водный раствор мочевины, который затем после соответствующей подготовки подается с помощью форсунки также в газообразном виде в поток дымового газа.

В известном устройстве смесительный элемент является проходящим по ширине канала дымового газа прямоугольным стальным листом. Распылительная труба с форсункой лежит по существу сбоку и параллельно лежащей относительно направления потока дымового газа впереди кромки смесительного стального листа, и струя форсунки из газообразного восстановителя в виде смеси NH₃ и несущего газа распыляется сбоку на заднюю сторону смесительного элемента. Распределение происходит в вихрях потока непосредственно на смесительном стальном листе или за ним, а также за счет повышенной турбулентности в потоке дымового газа ниже по потоку относительно смесительного стального листа. При большом поперечном сечении канала предусмотрены заполняющие поперечное сечение, расположенные рядом друг с другом распылительные трубы, а также несколько соответствующих распылительным трубам, находящихся в потоке стальных листов.

Было предложено также распыление аммиачной воды (жидкого NH₄OH) или раствора мочевины без предварительного испарения непосредственно в поток дымового газа на задней стороне смесительного элемента, при этом форсунка расположена на задней стороне (подветренной стороне) смесительного элемента, так что направление распыления проходит параллельно объемному потоку дымового газа. Струя из форсунки состоит из смеси газа и капелек жидкости, которые в горячем окружении с температурой около 300°С после определенного времени испаряются. При этом существует опасность того, что капельки восстановителя вместе с содержащимися в дымовых газах частицами пыли приводят к образованию бетонообразного отложения на установленном смесительном элементе (элементах), опорных элементах для смесительного элемента, а также возможно на стенках канала дымового газа. Поэтому форсунка должна быть расположена настолько далеко от смесительного элемента, что неиспаренные капельки не могли попадать на смесительный диск даже под влиянием обратных потоков (сбегающих вихрей). Это приводит к увеличению необходимой для смешивания свободной длины канала дымового газа. Дополнительные статичные смесительные элементы не могут быть установлены в потоке дымового газа после распыления из-за опасности образования отложения.

Задачей данного изобретения является такое улучшение известного из уровня техники устройства, что при непосредственном распылении жидкости в качестве текучей среды, в частности жидкого восстановителя, по существу исключается образование отложения при коротком смесительном пути.

Эта задача решена в известном из уровня техники устройстве за счет того, что при применении жидкости в качестве текучей среды подводящая труба снабжена, по меньшей мере, двумя наклоненными относительно направления объемного газового потока и наклоненными в противоположных направлениях друг к другу распылительными форсунками, причем распылительные форсунки отнесены к выполненному в виде диска смесительному элементу, и распыление направляется так, что содержащиеся в выходящей из распылительных форсунок соответствующей струе испаренные газообразные компоненты входят в вихри потока, в то время как неиспаренные, имеющие вид капелек компоненты на основании их инерции и угла распыления не входят в вихри потока вблизи смесительного диска.

Распылительные форсунки могут быть расположены относительно объемного газового потока впереди (т.е. выше по потоку) или позади (т.е. ниже по потоку) смесительного диска.

В обоих вариантах выполнения обеспечивается, что большие, неиспаренные капли на основании их инерции максимально следуют первоначальной оси струи и не попадают на смесительный диск с образованием там отложения, в то время как испаренный в горячем дымовом газе NH ₃ из подаваемого жидкого восстановителя следует течению дымового газа и в виде газа вводится в закручивающиеся непосредственно позади смесительного диска вихревые дорожки. Таким образом, даже при непосредственном распылении NH₄OH достигается предварительное распределение.

Смесительный диск предпочтительно выполнен круглым, эллиптическим, овальным, параболическим, ромбовидным или треугольным, как это известно из DE 3723618 C1, колонка 2, строки 40-45.

Угол между обеими распылительными форсунками целесообразно находится в пределах от 60 до 120°, предпочтительно составляет 90°.

Смесительный диск предпочтительно наклонен под углом в пределах от 30 до 90° к направлению объемного газового потока.

Распылительные форсунки целесообразно являются форсунками для двух веществ с вспомогательной распылительной средой, предпочтительно со сжатым воздухом или водяным паром в качестве вспомогательного распылительного средства. С помощью форсунок для двух веществ можно создавать тонкий спектр капелек.

Однако можно использовать также нагнетающие форсунки без вспомогательной среды в качестве распылительных форсунок.

Для исключения падения капелек на выходе из форсунки распылительные форсунки могут быть снабжены запирающим или соответственно образующим завесу воздухом.

Для оптимизации траекторий капелек по их ориентации проходящая через струи распылительных форсунок плоскость наклонена относительно направления объемного газового потока под углом в пределах от 0 до 30°.

Ниже приводится в качестве примера подробное пояснение изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

фиг. 1 - возникающий на обтекаемом объемным газовым потоком и наклоненным к потоку под углом круглом диске подковообразный вихрь с вихревой дорожкой, в перспективе;

фиг. 2 - разрез по линии А-А на фиг. 1, на виде сбоку;

фиг. 3 - разрез по линии В-В на фиг. 1, на виде спереди на подветренную сторону диска;

фиг. 4 - разрез по линии А-А на фиг. 1 первого варианта выполнения устройства согласно изобретению, в котором распылительные форсунки расположены относительно объемного газового потока позади (ниже) смесительного диска, при этом показано поперечное сечение газового канала, через который проходит объемный газовый поток, на виде сбоку;

фиг. 5 - разрез по линии В-В на фиг. 1, на виде сзади на наветренную сторону диска;

фиг. 6 - разрез по линии А-А на фиг. 1 второго варианта выполнения устройства согласно изобретению, в котором распылительные форсунки расположены относительно объемного газового потока впереди (выше) смесительного диска;

фиг. 7 - разрез по линии В-В на фиг. 1, на виде спереди на подветренную сторону диска.

Под образованием вихревых дорожек понимается естественное явление в трехмерных течениях у тела (смотри Prandtl, Oswatitsch, Wieghard: «Справочник по аэрогидродинамике», 9-е издание, 1990; ISBN 3-528-28209-6, стр. 229, рис. 4.41 и соответствующее описание).

Возникновение, форма и положение таких вихревых дорожек в отходящем от смесительного диска потоке схематично показаны на фиг. 1-3 и ниже приводится их описание.

Круглый диск 1 наклонен под углом относительно приходящего на фиг. 1 снизу объемного газового потока 2. На наветренной стороне 1а диска объемный газовый поток отклоняется от своего основного направления потока, и возникает область повышенного давления. Частичный поток 2а объемного газового потока 2 проходит с заданным углом под диском. На подветренной стороне 1b диска образуется область пониженного давления, которая заполняется частичным потоком 2b объемного газового потока через край диска. За счет отклонения потока на краю круглого диска образуется подковообразный вихрь 3 с изображенной штриховыми линиями вихревой осью 3а, который продолжается позади диска в виде вихревой дорожки с двумя симметрично вращающимися вихрями. Боковые вихри подковообразного вихря продолжаются в виде вихревой дорожки, накладываются на объемный газовый поток (основной поток) и распространяются вместе с основным потоком. Состояние потока внутри вихревой дорожки является сильно турбулентным. Схематично изображенная граница 3b подковообразного вихря и вихревой дорожки не следует понимать как резкое разграничение. Положение и структуру, а также противоположные направления вращения обоих вихрей можно определять экспериментально с помощью подходящей измерительной техники.

При других формах диска, таких как эллиптическая форма, овальная форма, параболическая форма, ромбовидная форма или треугольная форма, образуются аналогичные вихри с вихревыми дорожками.

Турбулентное перемешивание вихревых дорожек и объемного газового потока используется для равномерного распределения по очень большому поперечному сечению почти точечно распыляемого газового потока.

В варианте выполнения устройства согласно изобретению, показанном на фиг. 4 и 5, две распылительные форсунки 4а и 4b расположены на головке проходящей в канал R дымового газа распылительной трубы 5 (возможно применение более двух распылительных форсунок; возможно применение также нагнетающих форсунок). Распылительные форсунки расположены на подветренной стороне 1b предпочтительно выполненного круглым смесительным диском 1 на заданном расстоянии от него. Выходящая из одной из форсунок 4а и соответственно 4b соответствующая струя содержит газообразные компоненты 6а и неиспаренные капельки 6b. Обе распылительные форсунки 4а и 4b образуют друг с другом угол , равный 120°, и наклонены относительно основного потока. Возможны другие углы. Предпочтительным является диапазон между 60 и 120°.

Проходящая через форсунки 4а и 4b плоскость не наклонена относительно основного потока.

На фиг. 4 и 5 жидкий восстановитель 5а распыляется с помощью вспомогательной распылительной среды 5с, и струя 6 форсунки окружена запирающим или соответственно образующим завесу воздухом 5с.

На фиг. 4-7 схематично показаны наряду с частичными потоками 2а и 2b потоки 6а (газообразный компонент струи 6 форсунки) и 6b (неиспаренные капельки) распыляемого потока 6. Испаренная часть 6а распыляемого потока следует, как показано на чертежах, кривизне основного потока и сворачивается в вихревой поток 3. Неиспаренные капельки 6b вследствие своей инерции проходят под выбранным углом распыления и пронизывают тем самым на подветренной стороне 1b диска 1 ведущие обратно на подветренную сторону вихри, так что по существу исключается образование отложения из капелек и мелкой пыли из дымового газа.

Капельки частичного потока 6b испаряются позже в потоке дымового газа и в достаточной степени за счет имеющейся турбулентности.

Частичный поток 6а может также содержать мельчайшие капельки, которые, однако, быстро испаряются и поэтому лишь незначительно, если вообще, способствуют образованию отложения. Относительно количества восстановителя частичный поток 6а содержит существенно больше восстановителя, чем частичный поток 6b. При пронизывании в противоположность данному изобретению вихревых жгутов даже меньший частичный поток 6b мог бы приводить к образованию значительного отложения.

В варианте выполнения, согласно фиг. 6 и 7, головка для форсунок с распылительными форсунками 4а и 4b расположена по потоку перед смесительным диском 1, т.е. выше по потоку относительно соединительно диска 1. Распылительные форсунки 4а и 4b расположены так, что оси струй 6 форсунок проходят по обе стороны на достаточном расстоянии рядом со смесительным диском 1. Расстояние до диска может составлять предпочтительно около 0,5 м. И в этом варианте выполнения траектории 6b капелек также пронизывают направленные к смесительному диску вихри.

В варианте выполнения, согласно фиг. 6 и 7, проходящая через форсунки 4а и 4b плоскость наклонена к основному потоку под углом , равным 20°.

В этом варианте выполнения и в варианте выполнения, согласно фиг. 4 и 5, возможен угол наклона в диапазоне от 0 до 30°.

В варианте выполнения согласно фиг. 6 и 7 преимуществом является то, что часто не используемое по техническим причинам пространство впереди смесительного диска 1 можно использовать для расположения распылительной трубы 5. Кроме того, в этом варианте выполнения распылительная труба 5 может проходить, независимо от наклона смесительного диска 1 относительно основного потока, из любого направления от стенки канала R к месту распыления, без необходимости, как известно, очень сложного пронизывания смесительного диска 1.

Само собой разумеется, что при больших поперечных сечениях канала может быть предусмотрено несколько смесительных дисков с соответствующими распылительными форсунками с распределением по поперечному сечению канала. Также более двух форсунок могут соответствовать, например, в идеальной системе, одному смесительному диску. Они должны быть лишь расположены так, чтобы траектории капелек пронизывали вихри.

Перечень позиций

1 Диск (смесительный диск)

1а Наветренная сторона диска

1b Подветренная сторона диска

2 Объемный газовый поток

2а Частичный поток объемного газового потока на наветренной стороне диска

2b Частичный поток объемного газового потока на наветренной стороне диска

3 Подковообразный вихрь и вихревая дорожка

3а Ось вихря

3b Наружная граница вихря

4а Распылительная форсунка

4b Распылительная форсунка

4с Головка с форсунками

5 Распылительная труба

5а Подвод жидкого восстановителя

5b Подвод газообразной вспомогательной распылительной среды

5с Подвод запирающего воздуха или соответственно образующего завесу воздуха

6 Струя форсунки

6а Газообразный компонент

6b Неиспаренные капельки

R Канал дымового газа