комбинированное устройство подачи и смешивания

Формула изобретения

1. Комбинированное устройство подачи и смешивания для введения первой текучей среды в газообразную направляемую в канале течения в направлении течения вторую текучую среду и для смешивания текучих сред, содержащее по меньшей мере одну направляющую первую текучую среду трубу с по меньшей мере одним подающим отверстием и расположенной после подающего отверстия относительно направления течения смесительной вставкой, отличающееся тем, что смесительная вставка содержит смесительные элементы, которые являются относительно малыми по сравнению с гидравлическим диаметром d_hydr канала течения и расположены параллельными друг к другу рядами в плоскости, которая направлена под углом к направлению течения, при этом смесительные элементы каждого ряда наклонены относительно этой плоскости в одинаковом направлении относительно друг друга и в противоположном направлении относительно элементов каждого соседнего ряда, причем в расчете на площадь поперечного сечения А и гидравлический диаметр d_hydr канала течения предусмотрены 0,05 - 10 подающих отверстий на квадратный метр площади поперечного сечения канала течения, а расстояние между подающим отверстием и смесительной вставкой составляет величину, находящуюся между 0,05 и 3d_hydr.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что предусмотрено 0,1 - 1 подающее отверстие на квадратный метр площади поперечного сечения канала течения.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что расстояние между подающим отверстием и смесительной вставкой составляет 0,1 - 1d_hydr.

4. Устройство по одному из пп.1 - 3, отличающееся тем, что предусмотрены 0,05 - 5 труб на квадратный метр площади поперечного сечения канала течения.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что предусмотрена 0,1 - 1 труба на квадратный метр площади поперечного сечения канала течения.

6. Устройство по одному из пп.1 - 5, отличающееся тем, что в направлении течения второй текучей среды перед подающими отверстиями и смесительной вставкой предусмотрены средства направления потока.

7. Устройство по одному из пп.1 - 6, отличающееся тем, что смесительная вставка содержит 0,5 - 50 смесительных элементов на квадратный метр площади поперечного сечения канала течения.

8. Устройство по одному из пп.1 - 7, отличающееся тем, что предусмотрена по меньшей мере одна вставка для разделения канала течения на частичные каналы, причем в каждом частичном канале предусмотрены одно подающее отверстие и одна смесительная вставка.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к комбинированному устройству подачи и смешивания для введения первой текучей среды в газообразную и направляемую в канале течения в направлении течения вторую текучую среду и для смешивания текучих сред с по меньшей мере одной направляющей первую текучую среду трубой с по меньшей мере одним подающим отверстием и расположенной относительно направления течения после подающего отверстия смесительной вставкой, причем в расчете на площадь поперечного сечения A и гидравлический диаметр d_hydr. канала течения предусмотрены 0,05 - 10 подающих отверстия на м² площади поперечного сечения и расстояние а между подающим отверстием и смесительной вставкой составляет величину между 0,05 и 3 d_hydr..

Подобное комбинированное устройство подачи и смешивания следует из FR 2341040 A1.

Во многих промышленных применениях требуется возможно равномерное подмешивание жидкого или газообразного потока вещества к другому жидкому или газообразному потоку вещества для достижения высокой эффективности процесса. Так, например, для каталитического восстановления содержащихся в отработавшем или дымовом газе окислов азота по способу селективного каталитического восстановления (SCR-способ) требуется добавление восстановителя в газообразной форме к очищаемому от азота потоку отработавшего или дымового газа, а именно перед катализатором. В качестве восстановителя обычно в дымовой газ впрыскивают аммиачно-воздушную смесь, причем дозируемый объемный поток аммиачно-воздушной смеси по сравнению с потоком отработавшего или дымового газа является очень малым. Этот дозируемый объемный поток аммиачно-воздушной смеси составляет обычно порядка 2 - 5 объемных процентов отработавшего или дымового газа.

Чтобы можно было выбирать требуемый для удаления азота объем катализатора возможно малым, стремятся к равномерному использованию катализатора по всему поперечному сечению канала отработавшего газа. Этот факт делает необходимым впрыскивать аммиачно-воздушную смесь возможно равномерно по всему поперечному сечению канала отработавшего газа и смешивать с отработавшим газом.

Равномерное добавление относительно малого потока жидкости или газа к относительно большому потоку жидкости или газа и соответственно перемешивание с относительно большим потоком жидкости или газа является сложным с точки зрения гидродинамики и поэтому технически связанным с очень большими затратами. В настоящее время эта проблема решается за счет того, что в канале отработавшего газа размещают множество отдельно регулируемых впрыскивающих труб с множеством сопел, чтобы получить равномерное распределение сопел по всему поперечному сечению канала отработавшего газа и таким образом мест входа аммиачно-воздушной смеси в дымовой газ. Недостатком при этом решении является вызванная множеством вводящих труб потеря напора в канале дымового газа. Кроме того, это решение требует очень высоких затрат на аппаратуру, относительно трубопроводов, сопел, регулировочных вентилей и всего управления или регулирования дозирования. Кроме того, наладка такой системы при вводе в эксплуатацию является очень напряженной с точки зрения времени и расходов.

В основе изобретения поэтому лежит задача создания устройства, с которым при пренебрежимо малой потере напора, малыми затратами на аппаратуру, а также с малыми затратами на ввод в эксплуатацию достигается введение первой текучей среды во вторую текучую среду и однородное по всему поперечному сечению канала течения распределения первой текучей среды.

Эта задача в комбинированном устройстве подачи и смешивания для введения первой текучей среды в газообразную направляемую в канале течения в направлении течения вторую текучую среду и для смешивания текучих сред, содержащее по меньшей мере одну направляющую первую текучую среду трубу с по меньшей мере одним подающим отверстием и расположенной после подающего отверстия относительно направления течения смесительной вставкой, согласно изобретению решается тем, что смесительная вставка содержит смесительные элементы, которые являются относительно малыми по сравнению с гидравлическим диаметром d_hydr. канала течения и расположены параллельными друг к другу рядами в плоскости, которая направлена под углом к направлению течения, при этом смесительные элементы каждого ряда наклонены относительно этой плоскости в одинаковом направлении относительно элементов каждого соседнего ряда, причем в расчете на площадь поперечного сечения A и гидравлический диаметр d_hydr. предусмотрены 0,05-10 подающих отверстий на квадратный метр площади поперечного сечения канала течения, а расстояние между подающими отверстиями и смесительной вставкой составляет величину, заключающуюся между 0,05 и 3 d_hydr. гидравлического диаметра.

Гидравлический диаметр при этом определен как четырехкратная площадь поперечного сечения A канала течения, деленная на его периметр.

Целесообразно предусмотреть 0,1-1 подающих отверстия на квадратный метр площади поперечного сечения канала течения.

Предпочтительно, если расстояние между подающим отверстием и смесительной вставкой составляет 0,1-1 гидравлического диаметра.

Может быть предусмотрено 0,05-5 труб на квадратный метр площади поперечного сечения канала течения.

При этом предпочтительным является размещение 0,1-1 труб на квадратном метре площади поперечного сечения канала течения.

В направлении течения второй текучей среды перед подающими отверстиями и смесительной вставкой предусмотрены средства направления потока.

Такими средствами направления потока являются, например, щитки и т.п.

Смесительная вставка содержит 0,5-50 смесительных элементов на квадратный метр площади поперечного сечения канала течения.

Целесообразно предусмотреть по меньшей мере одну вставку для разделения канала течения на частичные каналы, причем в каждом частичном канале предусматриваются одно подающее отверстие и одна смесительная вставка.

Особенно предпочтительным использованием заявленного комбинированного устройства подачи и смешивания является введение газообразного аммиака, например, аммиачно-воздушной смеси, в содержащую окись азота газовую смесь, например, дымовой газ работающих на ископаемом топливе энергетических установок или отработавшие газы автомобиля, и смешивание аммиака и содержащей окись азота газовой смеси. Альтернативно к аммиачно-воздушной смеси в принципе может использоваться любое выделяющее аммиак вещество, в частности, водный раствор мочевины.

Примеры выполнения изобретения поясняются более подробно с помощью чертежей, на которых показано:

Фиг.1 - обычная система для впрыскивания и одновременно для равномерного распределения аммиака в канале дымового газа;

Фиг. 2 - соответствующее изобретению комбинированное устройство подачи и смешивания для введения аммиака в дымовой газ, направляемый в канале дымового газа;

Фиг.3 - расположение комбинированного устройства подачи и смешивания согласно фигуре 2 в трубопроводе дымового газа работающей на ископаемом топливе 600-мегаваттной электростанции; и

Фиг. 4 - другое соответствующее изобретению комбинированное устройство подачи и смешивания с вставкой для разделения канала течения.

На фиг. 1 - 4 - одинаковые части имеют одинаковые ссылочные позиции.

Фиг. 1 показывает в виде сверху на поперечное сечение канала дымового газа или канала течения 4 обычную систему 2 для введения аммиака в текущий здесь перпендикулярно к плоскости изображения дымовой газ. Система 2 содержит множество впрыскивающих или подающих труб 6, которые расположены распределенными равномерно в канале дымового газа 4 и имеют в качестве подающих отверстий сопловые головки 8. Впрыскивающие трубы 6 со стороны входа связаны каждая через регулируемый вентиль 10 с подводящим трубопроводом 12 для аммиачно-воздушной смеси.

Вследствие множества расположенных в канале дымового газа 4 впрыскивающих труб 6 вызывается потеря напора, которой нельзя пренебречь, которая, например, ухудшает электрическую мощность энергетической установки. Кроме того, затраты на аппаратуру являются очень высокими. Они могут составлять, например, для 600-мегаваттной электростанции примерно до 30 - 50 впрыскивающих труб 6, каждая с регулируемым вентилем 10 и количеством сопел порядка 1600 сопловых головок 8. Для ввода в эксплуатацию и технического обслуживания такой системы 2 требуются высокие затраты времени и другие расходы.

На фиг.2 показано соответствующее изобретению комбинированное устройство подачи и смешивания 14. В представленном здесь сверху можно видеть восемь снабженных соответственно каждая регулировочным вентилем 16 впрыскивающих труб 18, которые со стороны входа соединены с подводящими трубопроводами 20 для аммиачно-воздушной смеси M1, а со стороны выхода впадают в предусмотренные в качестве подающих отверстий сопловые головки 22.

Для непосредственного сравнения соответствующего изобретению устройства 14 с обсуждаемой на фиг.1 и известной из уровня техники, обычной системой впрыскивания 2 обозначен известный из фиг.1 канал течения 4. В примере выполнения поперечное сечение A этого канала течения 4 составляет порядка 8 м² за счет чего при заданной здесь форме поперечного сечения 2 х 4 м получается гидравлический диаметр порядка 2,67 м. Гидравлический диаметр d_hydr., при этом определен как четырехкратная площадь поперечного сечения A, деленная на периметр U канала течения 4.

В графическом представлении после сопловых головок 22 расположены уложенные в шахматном порядке в два ряда восемь смесительных элементов 24a - 24h. Эти относящиеся к смесительной вставке 26 смесительные элементы 24a - 24h имеют трапециедальную форму и наклонены вниз наружу из плоскости изображения соответственно к узкому краю трапеции. Угол наклона относительно плоскости изображения может при этом составлять между 10 и 60^o, предпочтительно между 30 и 45^o. Направляемая в канале течения 4 текучая среда предпочтительно протекает при этом перпендикулярно к выбранной плоскости изображения, а именно входя в плоскость изображения сверху вниз. С помощью этих смесительных элементов 24a -24h достигается как местное завихрение текучей среды с введенной в текучую среду аммиачно-воздушной смесью M1, так и распространяющееся по всему поперечному сечению канала течения 4 перемешивание. Для однородного распределения введенной в введенной в текучую среду аммиачно-воздушной смеси по всему поперечному сечению канала течения 4 является выгодным, если предусмотрены 0,5-50 смесительных элементов 24 на м² поперечного сечения канала течения, причем предпочтительно это количество лежит между 0,5 и 10 смесительных элементов на м².

На схематически представленном на фиг.3 вырезе трубопровода дымового газа 4 не представленной здесь более подробно работающей на ископаемом топливе энергетической установки комбинированное устройство подачи и смешивания 14 согласно фиг. 2 расположено в направлении течения имеющейся здесь текучей среды M2, а именно содержащего окись азота дымового газа 28, между парогенератором 30 и DeNO_x-реактором 32.

При работе энергетической установки содержащий окись азота дымовой газ 28 из парогенератора 30 через расположенные в канале дымового газа направляющие поток щитки 34 течет к комбинированному устройству подачи и смешивания 14. Направляющие поток щитки 34 служат для гомогенизации профиля скорости дымового газа 28, так что дымовой газ 28 практически с равной скоростью по всему поперечному сечению канала дымового газа 4 достигает впрыскивающих труб 18.

На подающих трубах 18 в дымовой газ 28, в расчете на объемный поток дымового газа 28, вводится порядка 2 - 5 объемных процентов направляемой по подводящему трубопроводу 20 и дозированной с помощью вентиля 16 аммиачно-воздушной смеси M1. В расположенной по течению дымового газа 28 после подающих труб 18 смесительной вставке 26 достигается перемешивание аммиачно-воздушной смеси с дымовым газом 28, так что к DeNO_x-реактору 32 подводится однородно смешанный с аммиаком дымовой газ 28".

На расположенных в DeNO_x-реакторе 32 плоскостями друг над другом катализаторах 34a - 34e, так называемых DeNO_х-катали- заторах, содержащиеся в дымовом газе 28" окислы азота вместе с аммиаком каталитически преобразуются путем приведения в контакт на катализаторах 34a - 34e в азот и воду. DeNO_x-реактор 32 поэтому покидает свободный от окислов азота и аммиака дымовой газ 28"". Вследствие однородного распределения аммиака в дымовом газе 28 катализаторы 34a - 34e используются равномерно по всему поперечному сечению.

Расстояние a смесительной вставки 26 от подающих труб 18 должно в общем лежать между 0,05 и 3 d_hydr.. Предпочтительно это расстояние a лежит между 0,1-1 d_hydr..

Фиг. 4 показывает другой пример выполнения комбинированного устройства подачи и смешивания 36. Здесь можно видеть известные из фиг.2 части: канал дымового газа 4, регулировочные вентили 16, впрыскивающие трубы 18, подводящий трубопровод 20 для аммиачно-воздушной смеси M1 и сопловые головки 22. Дополнительно предусмотрена вставка 38, которая подразделяет канал течения 4 на длине порядка 3 d_hydr. на восемь частичных каналов 4a - 4h. Кроме того, каждому частичному каналу 4a - 4h придана в соответствие предусмотренная в качестве подающего отверстия сопловая головка 22 и в принципе одинаковая по конструкции, но уменьшенная по сравнению с фиг.2 смесительная вставка 26a - 26h. Каждая из этих смесительных вставок 26a - 26h охватывает 24 расположенных рядами в шахматном порядке трапециедальных смесительных элементов 24". Для наглядности смесительные элементы 24" показаны только в смесительной вставке 26a. Само собой разумеется, что также и другие смесительные вставки 26b - 26h имеют такое же количество и конфигурацию смесительных элементов 24", как и смесительная вставка 26a.

С помощью предусмотренной здесь вставки 38 является возможным более полное и интенсивное смешивание введенной здесь аммиачно-воздушной смеси M1 с направляемой в канале течения 4 текучей средой M2, например, с содержащим окись азота дымовым газом 28 согласно фиг.3. Выравнивание концентрации в большом пространстве возможно имеющихся NO_x- NH₃-нерегулярностей возможно скорее со смесительной вставкой 26 согласно фиг.2. Поэтому это зависит от конкретного случая, какой вариант выбирают в качестве комбинированного устройства подачи и смешивания 14, 36.