混合室喷孔对SNCR内混喷枪雾化特性的影响

陈辰，安璐，董长青，张雪辉

（1.华北电力大学生物质发电成套设备国家工程实验室,北京102206；2.北京华电光大环境股份有限公司，北京102206）

混合室喷孔对SNCR内混喷枪雾化特性的影响

陈辰1，安璐2，董长青1，张雪辉2

（1.华北电力大学生物质发电成套设备国家工程实验室,北京102206；2.北京华电光大环境股份有限公司，北京102206）

选择性非催化还原法（SNCR）脱硝系统中，还原剂喷枪的雾化特性对脱硝效率存在明显影响。通过改善喷枪的雾化特性以及提高喷枪对烟气的穿透深度，可以有效地提高脱硝效率。因此实验研究了SNCR内混喷枪的混合室喷孔结构对雾化特性的影响。实验设计了三种结构喷孔，研究了在不同气、液压力下三种喷孔的流量特性和雾化特性。实验表明：混合室喷孔结构对流量特性影响较小；扇形喷孔的喷枪的雾化效果最好，且液滴颗粒有粗有细，一大圆孔的喷枪水平射程最大。

SNCR；混合室喷孔；内混喷枪；扇形喷孔

选择性非催化还原法（SNCR，Selective Non-Catalytic Reduction）是指在不采用催化剂的情况下，向炉膛（或循环流化床分离器）内喷入氨或尿素等氨基还原剂，还原剂在炉中迅速分解，与烟气中的NOx反应生产N2和H2O的技术[1]。SNCR喷枪是SNCR脱硝技术的核心设备之一，喷枪的好坏直接关系到NOx脱除效率的高低，喷枪设计关键是保证还原剂与烟气混合的均匀、充分[2-4]。

根据雾化原理划分，目前应用较多的SNCR空气雾化喷枪[5-6]主要可分为内混式和气泡式[7]。气泡式喷枪是将空气（蒸汽）注入到液体中，在液体内部形成气泡，两相流中的气泡在混合室内加速、变形、膨胀，在喷嘴出口将液体挤压成丝线状，并通过爆破作用将液体炸成十分细小的液滴[8]。内混式喷枪是通过高速气体与低速液体在混合室中发生剧烈的混合，利用相互剪切作用使液体碎裂、雾化成细小液滴，完成初次雾化，随后气液混合物从喷孔喷出，由于气体膨胀使液滴进一步破碎，完成二次雾化[9]。内混式喷枪具有调节比宽，雾化质量好，气耗小，雾化锥角随工况变化小等优点[10]，故应用广泛，内混雾化喷枪可分为外气内液和外液内气两种模式。

针对大型电厂脱硝工程中SNCR喷枪刚度弱、射程小的问题，本文以外液内气内混式SNCR喷枪作为研究对象，通过设计制作了三种结构的混合室喷孔，在实验室小流量喷嘴实验台上进行冷态雾化实验，研究混合室喷孔结构对喷枪流量特性和雾化特性的影响。

1 实验装置

1.1 喷枪结构

SNCR喷枪采用内混喷嘴结构，如图1所示。

图1 内混喷嘴结构示意图

气体经进气孔加速后喷入混合室，与来自液孔的低速液体发生碰撞，通过较高相对速度产生的摩擦力使液体初次雾化后，气液混合物经过混合室喷孔发生二次雾化。保持混合室喷孔流通截面积不变，设计了三种喷孔，分别是扇形喷孔、中心大圆孔、8小圆孔。混合室喷孔外观如图2所示，喷孔结构参数见表1，实验研究这三种混合室喷孔结构对流量特性和雾化特性的影响。混合室喷孔与混合室之间采用螺纹连接，方便拆卸。

图2 三种结构的混合室喷孔图

表1 三种结构喷孔的结构参数

1.2 实验系统

SNCR喷枪冷态实验台的工艺流程如图3所示，分为液路和气路，液路主要由储水罐、离心式水泵、止回阀、球阀、针型阀、液体流量计、压力表、喷枪组成，气路由空气压缩机、调压阀、气体流量计、压力表、喷枪等组成。实验时液路介质为水，气路介质为压缩空气。液体经过离心泵加压后进入SNCR喷枪，空气由空气压缩机加压，经调压阀调节压力后进入SNCR喷枪。

图3 SNCR喷枪冷态实验台示意图

离心泵采用凯泉泵业提供的扬程为200 m的多级离心泵，液体的压力和流量通过旁路系统调节，即由液体主路管道上的针型阀及旁路管道上的球阀协同调节；压缩空气由型号为E.T 100的捷豹牌空气压缩机提供，压缩空气的压力和流量通过调压阀调节。在SNCR喷枪进口前，液路和气路均装有转子流量计和精密压力表以便测量液体介质和雾化介质的流量和压力。

喷雾的雾化效果采用数码相机拍照得到。喷枪的射程测量是将喷枪水平放置在支架上，支架距离地面1.9 m，当喷枪喷射喷雾后，在地面上寻找喷雾的最远落点，测量喷雾最远落点与喷枪出口之间的距离，将该距离视为喷枪水平喷射射程。

2 实验结果与讨论

2.1 流量特性

喷枪依次安装三种结构的混合室喷孔，在实验工况（空气压力0.28 MPa，液体压力0.28 MPa）下，分别测量喷枪的液体流量和空气流量，得到实验数据如表2所示：

表2 三种喷孔的流量比较

从表2可见，空气和液体压力均为0.28 MPa时，三种喷孔的液体流量基本一样，均为50 L/h左右，空气流量也变化较小，因此，混合室喷孔结构对流量特性影响较小。

在气压0.2 MPa不变的情况下，根据测试实验数据，绘制出流量特性曲线如图4所示；在液压为0.2 MPa不变的情况下，根据测试实验数据，绘制出流量特性曲线如图5所示。

图4 气压0.2 MPa不变下的流量特性曲线图

图4和图5中，三种喷孔的数据点几乎相近，液体流量和耗气量随气压或液压变化趋势基本一致，所以喷孔结构对流量特性曲线的影响较小，即在混合室喷孔流通面积一致的情况下，混合室喷孔的结构对流量特性的影响较小。

2.2 雾化效果

上一节实验得到在相同实验工况下，混合室喷孔的结构对流量特性曲线的影响较小，本节主要是针对在工况空气压力0.28 MPa，液体压力0.28 MPa下的喷嘴雾化特性进行研究，如图6所示。SNCR喷枪不同于燃油等其它雾化喷嘴，并非液滴雾化越细越好，通常要求雾化粒度在50～200μm之间，分布要有粗有细，兼顾大颗粒的大的穿透深度和小颗粒的混合均匀。在锅炉炉膛中，小粒径的液滴进入炉内遇到高温烟气后，会很快蒸发掉，只有大颗粒的液滴才能深入到炉膛内部，因此SNCR喷枪形成的液滴分布最好是一部分大粒径的液滴集中在喷雾中心，可以喷入到炉膛深处，一部分小粒径颗粒分散在喷雾的四周，在喷嘴出口处附近就与烟气混合并反应[11]。

图5 液压0.2 MPa不变下的流量特性曲线

图6 实验工况下雾化效果比较图

通过雾化实验图6可见，混合室喷孔为扇形喷孔的喷枪喷出的液体雾化较好，雾化角在65°左右，并且液滴颗粒有粗有细，中间分布较多的液体大颗粒，两侧颗粒较小，颗粒分布更符合SNCR系统对喷枪的雾化要求。该结论与文献[11]的实验结果相吻合，扇型雾化喷嘴的雾化粒度分布呈现类似“W”形分布，雾化角在70°～110°之间，是比较理想的SNCR喷嘴雾化形式。

混合室喷孔为1大圆孔的喷枪喷出的液滴颗粒稍大于混合室喷孔为扇形喷孔的喷枪，且液滴几乎都是小颗粒，大粒径的液滴较少。混合室喷孔为8小圆孔结构的喷枪雾化效果最差，液滴颗粒较大。

2.3 喷射射程

SNCR喷枪除了对雾化效果有要求外，还要求喷雾有一定的刚度，以便根据工程具体情况，设计不同射程需求的SNCR喷枪。本次实验针对实验工况空气压力0.28 MPa，液体压力0.28 MPa下喷枪的水平喷射射程进行了测量，如表3所示。

表3 相同实验工况下水平喷射射程比较

空气压力和液体压力均为0.28 MPa时，混合室喷孔为1大圆孔的喷枪喷射射程最远，达到5.1 m；混合室喷孔为8小圆孔的喷枪喷射射程最短。

3 结论

（1）混合室喷孔结构对流量特性影响较小。

（2）混合室喷孔为1大圆孔的喷枪雾化效果好于混合室喷孔为8小圆孔结构的喷枪，混合室喷孔为扇形喷孔的喷枪的雾化效果最好，并且液滴颗粒有粗有细，比较符合SNCR系统对喷雾的要求。

（3）相同实验工况时，混合室喷孔为1大圆孔的喷枪水平射程最大，混合室喷孔为8小圆孔的喷枪水平射程最小。

通过以上结论可知，对于大烟道，对SNCR喷枪射程有要求，混合室喷孔采用1大圆孔较好；对于小烟道，对还原剂液滴颗粒大小有要求，混合室喷孔采用扇形喷孔较好。

[1]段传和.选择性非催化还原法（SNCR）烟气脱硝[M].北京：中国电力出版社,2012.

[2]李明磊,阎维平,郭娟宝.SNCR气力式喷嘴雾化特性数值模拟[J].热力发电,2015（6）：52-57.

[3]陈镇超,杨卫娟,周俊虎,等.尿素溶液雾化颗粒在锅炉炉内的运动轨迹[J].热力发电,2010,39（2）：18-23.

[4]张立娟.水泥窑烟气SNCR脱硝技术喷枪的设计及应用[J].工业安全与环保,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,周林华,杨卫娟,等.新型扇形雾化喷嘴的实验研究[J].过程工程学报,2007,7（4）：652-656.

[8]段钰锋,刘猛,陈良勇,等.可调式螺旋气泡雾化喷嘴：CN201503015U[P].2010-06-09.

[9]方立军,尹荣荣,胡月龙.单相/双相压力型喷嘴雾化特性实验研究[J].华北电力大学学报（自然科学版）,2014,41（3）：89-93.

[10]侯凌云，侯晓春.喷嘴技术手册[M].2版.北京：中国石化出版社,2010.

[11]周林华.SNCR气力式雾化喷嘴雾化特性的实验研究[D].杭州：浙江大学,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

陈辰（1993—），男，硕士研究生，研究方向为烟气SNCR脱硝。