基于生物質(zhì)鍋爐改善氨分布均勻性的脫硝噴嘴開(kāi)發(fā)★

姚文杰，葉燕仙

（浙江農(nóng)業(yè)商貿(mào)職業(yè)學(xué)院，浙江 紹興 312088）

引言

在“碳中和”的大背景下，生物質(zhì)能源越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視。隨著鍋爐煙氣超低排放的推廣實(shí)行，生物質(zhì)鍋爐會(huì)按照超低排放要求執(zhí)行，即生物質(zhì)鍋爐NOx排放水平由150～300 mg/m3降低到30～50 mg/m3。為此，脫硝技術(shù)成熟的選擇性催化還原SCR也將被廣泛應(yīng)用。噴嘴作為SCR系統(tǒng)中還原劑的源頭，尿素噴嘴與氨氣生成速率有很大關(guān)系，將直接影響SCR系統(tǒng)的脫硝率。有研究提到噴霧霧化效果可以影響轉(zhuǎn)化效率約10%[1-2]。

在生物質(zhì)脫硝技術(shù)中，生物質(zhì)鍋爐噸位也往往比較大，排氣煙道較粗，而目前市面中使用的噴槍噴霧擴(kuò)散角比較窄，一般只有15°～20°，難以滿足大口徑排煙管中氨氣均勻性分布要求，而單根噴槍需要很長(zhǎng)的混合距離才能混合均勻，會(huì)造成煙道浪費(fèi)，成本增加，空間受限等問(wèn)題。如果采用多支噴槍增加均勻性，則在成本、安裝和維護(hù)工作量上也會(huì)增加。因此，開(kāi)發(fā)一種性價(jià)比高且能滿足寬擴(kuò)散角，并能在短距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)氨均勻分布的新型噴槍，以達(dá)到節(jié)約脫硝系統(tǒng)安裝空間，提高脫硝率的目的，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義[3-4]。

1 噴嘴現(xiàn)狀分析

在SCR系統(tǒng)中，噴嘴輸送的是32.5%質(zhì)量濃度的尿素水溶液，因噴嘴經(jīng)常處于高溫中，且會(huì)出現(xiàn)沒(méi)有尿素流經(jīng)噴嘴的情況，殘留物在水分蒸發(fā)后會(huì)結(jié)晶堵塞噴嘴。噴嘴主要解決冷卻和防堵塞問(wèn)題及具有耐高溫性能、良好的抗腐蝕性。

目前主要以空氣霧化噴嘴居多，現(xiàn)有市場(chǎng)中比較有競(jìng)爭(zhēng)力的廠家主要有上海守望者、昆山法歌、東莞長(zhǎng)原等，其主要致力于大型鍋爐的噴嘴形狀、材質(zhì)等方面的研究，且因品牌效應(yīng)，價(jià)格昂貴，大多適用于大型鍋爐，價(jià)格多為3 500元以上，電動(dòng)伸縮噴槍更高達(dá)20 000萬(wàn)元以上，而面向中小型鍋爐的噴槍則不多。

2 噴嘴設(shè)計(jì)理念

2.1 隔熱原理

同軸管中管，利用高壓空氣的吹散作用，以較高的速度夾帶著液體噴出，使液體霧化為更細(xì)的液滴。區(qū)別于傳統(tǒng)的空氣霧化噴嘴，噴嘴做了改進(jìn)設(shè)計(jì)：在噴射管外部增設(shè)隔熱套，實(shí)現(xiàn)“隔熱層+空氣”雙層隔熱，且隔熱空氣量可通過(guò)減壓閥與節(jié)流閥調(diào)節(jié)；在接近出口的地方增加小孔，使部分的高壓空氣預(yù)先混合，增加氣液均勻性，實(shí)現(xiàn)“噴口內(nèi)+噴口外”二次霧化。圖1為噴嘴全隔熱。

2.2 增設(shè)搖擺機(jī)構(gòu)

新型脫硝噴槍是將傳統(tǒng)往復(fù)機(jī)構(gòu)與噴嘴相結(jié)合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)徑向搖擺，在短距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)氨均勻分布，用以滿足不同管徑排煙管的脫硝，見(jiàn)下頁(yè)圖2。產(chǎn)品能根據(jù)不同的煙氣流量和噴槍噴射量實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)噴霧擴(kuò)散角和擺動(dòng)頻率，產(chǎn)品噴霧錐角可達(dá)15°～60°，改進(jìn)后的噴嘴霧化貫穿距較短，霧化錐角較大，霧炬較為飽滿，霧化液滴沿徑向分布較為均勻，改善了霧化質(zhì)量[5-6]。

3 試驗(yàn)與工程驗(yàn)證

3.1 霧化測(cè)試

產(chǎn)品已通過(guò)DP-02噴霧粒度分析儀進(jìn)行霧滴測(cè)量。室溫下32.5%尿素水溶液的密度約為1 090 kg/m3，黏度為1.4 mPa·S，與純凈水密度1 000 kg/m3，黏度1 mPa·S的物性相近，因此試驗(yàn)時(shí)采用純凈水作為霧化測(cè)試介質(zhì)[7]。

圖3為不同流量下的霧化參數(shù)曲線。由圖可知，隨著流量的增大，特征粒徑逐步增大，在1 000～7 500 mL/h的噴射量下，特征粒徑分布主要集中在25～30μm，其中29μm的粒徑數(shù)最多，60%的液滴直徑在30μm以下，說(shuō)明該款噴嘴的霧化效果良好，滿足噴射要求。

圖4為不同噴射量下特征粒徑的分布趨勢(shì)圖，隨著噴射量增大，特征粒徑增大，但沒(méi)超過(guò)30μm。其中29.61μm的粒徑數(shù)最多，見(jiàn)圖3。

3.2 工程應(yīng)用

本產(chǎn)品已在上海盈泰新材料的鍋爐項(xiàng)目煙氣脫硝中應(yīng)用。在發(fā)動(dòng)機(jī)50%～100%負(fù)荷范圍內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示，脫硝率均達(dá)到99%以上，滿足工程設(shè)計(jì)指標(biāo)，目前已累計(jì)運(yùn)行2 000 h無(wú)故障。

表1 上海盈泰新材料的鍋爐煙氣脫硝率

4 結(jié)論

1）產(chǎn)品在傳統(tǒng)空氣霧化噴嘴基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)雙層隔熱、二次霧化，有效保證了噴嘴的霧化功能。

2）產(chǎn)品將傳統(tǒng)往復(fù)機(jī)構(gòu)與噴嘴相結(jié)合設(shè)計(jì)，能根據(jù)不同煙道直徑、煙氣流量和噴射量實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)噴霧擴(kuò)散角和擺動(dòng)頻率，提高霧化效果和脫硝率。產(chǎn)品噴霧錐角可達(dá)15°～60°，脫硝率達(dá)99%以上，比普通噴槍高出將近5%，售價(jià)為2 000～3 500元，約為品牌產(chǎn)品的一半，產(chǎn)品整體性價(jià)比高。

3）將驅(qū)動(dòng)電機(jī)升級(jí)為伺服電機(jī)后，可遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，根據(jù)不同的煙氣流量和噴槍噴射量實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)噴霧擴(kuò)散角和擺動(dòng)頻率。