固定式燃?xì)鈨?nèi)燃機SCR系統(tǒng)尿素噴嘴設(shè)計及試驗研究

洪浩楠 葉燕仙

摘 要：不同的噴嘴會產(chǎn)生不同霧化效果，進而影響NOx的轉(zhuǎn)換效率。通過分析常見噴嘴類型，設(shè)計了帶空氣隔熱的大功率發(fā)動機尾氣后處理SCR噴嘴，并進行了尿素噴嘴霧化試驗和實際工程應(yīng)用測試。測試結(jié)果表明：霧化效果良好，脫硝率達到97%以上，能滿足工程設(shè)計指標(biāo)，可在工業(yè)相關(guān)領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：燃?xì)鈨?nèi)燃機；SCR系統(tǒng)；脫硝噴嘴；霧化

中圖分類號：TK417+121 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）05-0099-02

0 引言

隨著全球城市化發(fā)展，內(nèi)燃機發(fā)電機組在通訊、電力、交通運輸、資源開發(fā)、國防等部門仍是不可替代的電源設(shè)備。節(jié)能減排和環(huán)境保護是當(dāng)今社會經(jīng)濟發(fā)展的重要課題，內(nèi)燃機作為排放濃度較高的一種機型勢必帶來新的環(huán)境問題，因此必須對此類設(shè)備密切關(guān)注，嚴(yán)格排放管理和控制[1]。

在燃?xì)鈨?nèi)燃機發(fā)電機組運行過程中，產(chǎn)生的二次污染物主要為煙氣氮氧化物（NOx）。資料顯示，國外內(nèi)燃機NOx排放濃度一般在250～500mg/Nm3，國產(chǎn)內(nèi)燃機NOx排放濃度一般為600～800mg/Nm3，部分工況甚至超過2500mg/Nm3（基于5%氧含量折算），北京市地方法規(guī)DB11-1056-2013《固定式內(nèi)燃機大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定煙氣中NOx的排放不高于75mg/Nm3[2]。隨著我國“十三五”提出新的治理NOx排放排放目標(biāo)：到2020年中國NOx排放量要在2015年的基礎(chǔ)上削減15%。因此，這類機組將不得不進行脫硝以適應(yīng)北京乃至全國范圍內(nèi)的環(huán)保法規(guī)。

1 氮氧化物處理的技術(shù)路線與難點

選擇性催化還原技術(shù)（SCR）是一種公認(rèn)的有效降低NOx排放的后處理技術(shù)，其原理是以NH3為還原劑，利用其對NOx的高選擇還原性，將煙氣中有害的NOx優(yōu)先還原為N2和H2O的技術(shù)。利用尿素水溶液作為還原劑，噴射到尾氣中還原氮氧化物，已是脫硝的普遍解決措施。

SCR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由噴射系統(tǒng)、催化器反應(yīng)系統(tǒng)及測量控制系統(tǒng)構(gòu)成，噴射子系統(tǒng)決定著整個SCR的效率，噴入的尿素溶液霧化程度越好，反應(yīng)越充分，降低NOx的效果越好。因此，噴射子系統(tǒng)是整個SCR系統(tǒng)的核心，而噴嘴是其噴射系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，決定了霧化效果的好壞[3]。不同的噴嘴會產(chǎn)生不同霧化效果的噴霧并影響噴霧的蒸發(fā)分解及其與排氣的混合，進而影響NOx的轉(zhuǎn)換效率，有研究提到噴霧霧化效果可以影響轉(zhuǎn)化效率約10%。

在實際應(yīng)用中，SCR系統(tǒng)的尿素水溶液噴霧受到排氣管的約束，尿素從噴嘴噴出后，容易被直接噴射到排氣管管壁上，雖然尿素液滴會隨尾氣蒸發(fā)掉大部分，但是依然會有一部分沉積在管壁上，久而久之形成液膜，進而形成結(jié)晶，其不但會對管壁造成腐蝕，還會堵塞管道[4-5]。因此，該結(jié)構(gòu)不但在安裝空間要求上有很大的局限性，而且因排氣管腐蝕、堵塞后需要更換而造成運行成本和維護成本的上升。

2 常見噴嘴類型分析

目前電站及船舶的SCR系統(tǒng)常用的噴嘴分有空氣輔助霧化噴嘴和單流體純液噴嘴（無空氣輔助）兩種。

2.1 空氣輔助霧化噴嘴

空氣輔助霧化噴嘴是一種應(yīng)用廣泛的霧化裝置，其又分為外混式和內(nèi)混式兩種。霧化原理是在噴口內(nèi)或噴口外實現(xiàn)尿素水溶液霧化，其主要特點是在噴嘴內(nèi)設(shè)計了空氣流道，利用高壓空氣的噴散作用，以較高的速度夾帶著液體噴出，或在噴嘴出和液體相互碰撞，從而使液體達到霧化效果[4]。

2.2 無空氣霧化噴嘴

無空氣霧化噴嘴是另一種常用的噴嘴，其霧化原理是利用泵站的高壓使液體在噴孔處實現(xiàn)破碎及霧化，無須使用壓縮空氣，利用液壓即可形成非常細(xì)微的空心錐形霧化噴霧，分布均勻，壓力和流量適用范圍廣。單流體噴嘴霧化形成范圍相對較小，一般2～4個一起使用[4]。

3 空氣輔助霧化噴嘴設(shè)計

尿素噴槍一般在鍋爐脫硝上使用，具有噴射量大的特點，與大功率燃?xì)鈨?nèi)燃機SCR系統(tǒng)所需要的尿素噴射量有很大的差異，且噴槍造價昂貴，不適用于大功率發(fā)動機或小型鍋爐的脫硝。因空氣霧化噴嘴具有霧化質(zhì)量高、氣耗率低、不易堵塞、供給系統(tǒng)簡單可靠、可以采用較低成本的噴射泵等優(yōu)點，并且輔助空氣起到一定的冷卻作用，能夠避免電磁閥和尿素水溶液溫度過高而造成不良后果。本文借鑒車用SCR系統(tǒng)噴嘴與鍋爐脫硝噴槍的構(gòu)造，開發(fā)一種經(jīng)濟、簡單、易拆卸的空氣隔熱型內(nèi)混合尿素噴嘴，三噴孔設(shè)計，最大霧化量10L/h，內(nèi)混合空氣消耗量20～25NL/min，外部隔熱空氣量通過節(jié)流閥或減壓閥調(diào)節(jié)。該噴嘴總成由焊接法蘭、內(nèi)混合噴嘴與隔熱套等組成。圖1為固定式燃?xì)鈨?nèi)燃機SCR尿素噴嘴實物。

噴嘴在不改變性能及與噴槍性能相當(dāng)?shù)那闆r下，增加設(shè)計隔熱套，為便于觀察與安裝及拆卸，設(shè)計成法蘭型結(jié)構(gòu)。這種噴嘴的優(yōu)點在于適應(yīng)大口徑的排氣管，可以防止尿素在噴射出來之前結(jié)晶堵塞，并可以通過冷卻空氣適度調(diào)整噴射方向和輔助霧化，隔熱空氣壓力與流量通過減壓閥與節(jié)流閥調(diào)節(jié)。在結(jié)構(gòu)簡化的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了成本降低。

4 尿素噴嘴的霧化測試與實際工程應(yīng)用測試

4.1 實驗設(shè)備組成

霧化測試采用DP-02噴霧粒度分析儀進行霧滴測量，霧化試驗總布置如圖2。

4.2 實驗結(jié)果與分析

表1為不同霧化介質(zhì)流量對霧化均勻性的影響，由表可知，霧化介質(zhì)流量越大，對應(yīng)的壓力也越大，霧化分布越均勻，霧化粒徑分布范圍也越大。在1000ml/h-7500ml/h的噴射量下，特征粒徑分布主要集中在24.80- 60.49μm，其中50.61μm的粒徑數(shù)最多，60%的液滴直徑在60μm以下，約250μm以下的粒子占100%。說明該款噴嘴的霧化效果良好，完全能夠滿足噴射要求。

4.3 工程應(yīng)用測試

該噴嘴已在北京清河醫(yī)院三聯(lián)供能源站項目煙氣脫硝中應(yīng)用。在發(fā)動機50～100%負(fù)荷范圍內(nèi)，現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)如表2所示，脫硝率均達到97%以上，滿足工程設(shè)計指標(biāo)，目前已累計運行2000h無故障。

5 結(jié)語

本文設(shè)計的適用于大直徑排氣管的空氣隔熱型內(nèi)混合噴嘴增加設(shè)計了隔熱套，解決了長噴嘴結(jié)晶堵塞問題，并可借助隔熱空氣流量大小來調(diào)整尿素噴霧方向，以適應(yīng)一些特殊管道對尿素分布的要求[7]。

測試結(jié)果表明：該噴嘴具有良好的霧化效果，完全能滿足SCR系統(tǒng)對噴射系統(tǒng)的要求，具有結(jié)構(gòu)簡單、霧化良好?？稍谛袠I(yè)類似工程項目應(yīng)用推廣。

參考文獻

[1] 何文深，陳建軍.固定源NOx排放控制技術(shù)研究進展[J].中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2011，10：8-13.

[2] DB11/1056-2013，固定式內(nèi)燃機大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3] 金玉山，李虎生劉猛.船用SCR系統(tǒng)尿素溶液噴嘴試驗分析比較[J].柴油機，2015，37（1）：17-20，45.

[4] 唐蓮花，龍順洪，鄭貫宇.滿足國IV標(biāo)準(zhǔn)的噴嘴集成式SCR系統(tǒng)仿真設(shè)計與試驗研究[J].汽車技術(shù)，2015，10（4）：7-10，31.

[5] 唐韜，趙彥光，華倫，等.柴油機SCR系統(tǒng)尿素水溶液噴霧分解的試驗研究[J].內(nèi)燃機工程，2015，36（1）：1-5.

[6] 馬哲樹，劉吉財，劉少俊，等.船用柴油機Urea-SCR系統(tǒng)噴霧特性試驗研究[J].航海工程，2015，29（6）：536-539.

[7] 葉燕仙.適用于大口徑排氣管的SCR尿素溶液噴嘴開發(fā)[J].內(nèi)蒙古科技，2017，10（36）：66-68.