Способ и устройство для смешивания газообразной текучей среды с большим объемным потоком газа, в частности, для введения восстановителя в содержащий оксиды азота дымовой газ
Изобретение относится к смешиванию газообразного потока текучей среды с большим объемным потоком газа и может использоваться, в частности, для введения восстановителя в содержащий оксиды азота дымовой газ. Большой объемный поток газа набегает на дискообразный смесительный элемент, установленный под углом к направлению течения потока и на котором образуются хвостообразные вихри потока с его передней (наветренной) стороны. Поток текучей среды направляют на центр отражающей поверхности, относящейся к подветренной стороне смесительного элемента. Газообразный поток текучей среды подмешивают позади смесительного элемента. Поток текучей среды направляют на центр отражающей поверхности с распределением газообразной текучей среды от центра по всей задней стороне смесительного элемента и ее введением по всей вихревой системе, образующейся у окружной кромки смесительного элемента. Технический результат состоит в улучшении смешивания потока текучей среды с большим объемным потоком газа. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 7 ил.
Изобретение относится к способу смешивания по меньшей мере одного газообразного потока текучей среды с большим объемным потоком газа, в частности для введения восстановителя в содержащий оксиды азота дымовой газ, при котором большой объемный поток газа набегает по меньшей мере на один дискообразный смесительный элемент, установленный под углом к направлению потока газа, на котором образуются вихри потока, с его передней (наветренной) стороны, при котором поток текучей среды направляют по существу на центр отражающей поверхности, относящейся к задней (подветренной) стороне смесительного элемента, и при котором газообразный поток текучей среды подмешивают к газовому потоку позади (ниже по потоку относительно) смесительного элемента.
Из ЕР 1604742 А1 известен способ, связанный с электрофильтрами для удаления золы из больших объемных потоков газа, при котором вихри потока, образующиеся у установленного под углом смесительного диска, называют вихрями у передней кромки. Кромка предпочтительно круглого диска, направленная против течения большого объемного потока газа, называется передней кромкой, а другая кромка - кромкой отрыва. При этом речь идет не о прямолинейных, а о дугообразных кромках.
Через вертикальную стенку газового канала, по которому протекает большой объемный поток газа, вертикально проходит патрубок для подмешивания кондиционирующей текучей среды. Патрубок, если смотреть в направлении течения большого объемного потока газа, входит за передней кромкой смесительного диска, не перекрывая его. Поток кондиционирующего средства, выходящий из патрубка, попадает на краевую поверхность раздела на передней кромке смесительного диска, расположенную рядом с выходом из патрубка, под углом, соответствующим углу наклона диска относительно направления течения большого объемного потока газа. В колонке 6, строках 5-6 ЕР 1604742 А1 целесообразными считаются также способы, при которых смесительное устройство устанавливается непосредственно на завихрителе.
Из ЕР 1568410 А1 известен способ такого рода для смешивания двух потоков текучей среды, связанный с установками для очищения дымового газа, при котором восстанавливающее средство, выходящее из патрубка, попадает на заднюю сторону наклонного смесительного диска (подветренная сторона) вблизи его центрального участка под углом, соответствующим углу наклона диска относительно направления течения большого объемного потока газа. Согласно колонке 2, строки 17-20 патрубок должен выдаваться вовнутрь из стенки канала, по которому проходит большой объемный поток газа (дымовой газ), только на небольшое расстояние. Из-за наклонного положения патрубка относительно смесительного элемента равномерного распределения газообразной текучей среды по всей задней (подветренной) стороне не происходит, и газообразная текучая среда подмешивается к потоку дымового газа не по всей окружной кромки смесительного элемента, а по существу лишь по ее верхнему, согласно фиг. 1 ЕР 1568410 А1, участку.
Таким образом, при таком осуществлении способа на смесительном диске не происходит оптимального распределения кондиционирующего средства, т.е. восстановителя, а тем самым и оптимального подмешивания в вихревую систему, образующуюся у смесительного диска.
В смесительном устройстве, описанном в ЕР 1166861 В1 совместно с установками Denox и электрофильтрами, смесительный диск (установочная поверхность) имеет камеру, к которой подходит отдельный проточный канал для подмешиваемого газа или другой ньютоновской жидкости и которая служит в качестве распределительной камеры для газового потока. С обратной (подветренной) стороны смесительного диска, противоположной набегающему большому объемному газовому потоку, камера снабжена выходными отверстиями и установлена на участке передней кромки. К распределительной камере в направлении кромки отрыва подсоединяются камеры, которые, однако, не выполняют никаких распределительных или аэродинамических функций, а служат исключительно для придания жесткости смесительному диску. Выходные отверстия могут быть выполнены в крышке распределительной камеры или в ее боковых стенках. Однако они могут быть выполнены также в дополнительном колпаке, надеваемом на камеру. В то же время возможно также, чтобы сама камера не была оснащена крышкой, параллельной смесительному диску, а сама имела форму колпака. Проточный канал для подачи газа может проходить в распределительную камеру сквозь смесительный диск с его наветренной стороны или подводиться к ней с его подветренной стороны. При способе, описанном в ЕР 1166861 В1, необходима дополнительная камера, а подмешивание осуществляется в свою очередь только вблизи передней кромки.
Такие способы, именуемые способами смешивания с помощью статического смесителя, применяются, например, в установках SCR для очищения (избирательного каталитического восстановления) дымовых газов от оксидов азота, например, в станционных топках с использованием восстановителя и катализатора. При этом принято, что в случае применения NH3 в качестве восстановителя он хранится в виде сжиженного под давлением NH3 или в виде аммиачной воды (NH4ОН), и предварительно испаренный NH3 вместе с несущим газовым потоком подается 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 также в газообразном виде в поток дымового газа.
Кроме того, они применяются, например, при заполнении промышленных дымовых труб, распылительных сушилок (см., например, ЕР 0637726 В1), теплообменников, установок для обессеривания дымовых газов, а также гибридных башенных охладителей.
Задачей изобретения является усовершенствование способа такого рода в части подмешивания газообразного потока текучей среды в большой объемный поток газа.
Эта задача решается за счет того, что поток текучей среды направляют на центр отражающей поверхности на задней стороне по существу перпендикулярно с разделением газообразной текучей среды от центра по всей задней стороне смесительного элемента и ее введения по всей вихревой системе, образующейся у окружной кромки смесительного элемента.
Газообразный поток текучей среды из подающей трубы в виде ударной струи попадает перпендикулярно на центр отражающей поверхности и образует там точку полного торможения потока со статическим избыточным давлением, исходя из которой текучая среда распространяется радиально по существу параллельно отражающей поверхности. Таким образом, образуется осесимметричная плоская струя, которая с подветренной стороны смесительного элемента распространяется параллельно поверхности диска в направлении краев смесительного элемента и заходит в хвостообразные вихри потока, образующиеся посредством смесительного диска, установленного в большом объемном потоке газа под углом.
Тем самым добиваются того, чтобы газообразная текучая среда распределялась по всей задней стороне смесительного элемента и поступала в общую вихревую систему, образующуюся у окружной кромки диска.
Центр в случае круглого диска находится в центре круга или в случае правильного четырехугольника - в центре тяжести поверхности. В смесительном элементе с отклонениями от правильной формы, например в виде разностороннего треугольника, трапеции и т.п., необходимо согласование места выхода (места форсунок), и, тем не менее, следует добиваться максимально равномерного распределения газообразной текучей среды на задней стороне дискообразного смесительного элемента.
Предпочтительно предусмотрено, что газообразный поток текучей среды направлен непосредственно на заднюю (подветренную) сторону смесительного элемента и таким образом в качестве отражательной поверхности служит сам смесительный элемент.
С другой стороны, может быть целесообразным, что газообразный поток текучей среды с передней (наветренной) стороны смесительного элемента направлен через предусмотренное в смесительном элементе отверстие на отражательную пластину, установленную на задней (подветренной) стороне перед указанным отверстием.
Из GB 683667 известен распылитель (так называемый, Air Blast Atomizer), в котором жидкость, включая растворы, эмульсии и суспензии, должна распыляться с помощью распылительного газового потока. Струя распыляемой жидкости попадает на невращающийся диск. На диске образуется пленка, стекающая в направлении окружности диска и поступающая в зону, защищенную от распылительного газового потока перегородкой, установленной выше по потоку относительно диска и концентрично ему, диаметр которой должен быть в 3-7 раз больше диаметра распределительного диска. За пределами этой зоны, т.е. у окружной кромки отрыва на перегородке распыляемая жидкость подхватывается и поглощается распылительным газовым потоком. Никаких признаков образования особой вихревой системы у перегородки или у диска не наблюдается. На фиг. показано, что жидкость поступает в невозмущенный ламинарный поток распылительного газа. Способ должен найти применение при распылении биоцидных жидкостей, жидкого топлива и горючего.
Из полезного образца согласно DE 9207635.1 известна газовая горелка для предварительного смешения, в которой отражающая пластина, установленная за выходным отверстием трубки для введения газа, обеспечивает изменение направления и веерообразное распространение поначалу еще компактного газового потока. Веерообразно распространившийся газовый поток поступает в ламинарный воздушный поток.
Из DE 19806265 C5 известна дозирующая система для очистки отработавшего газа дизельного двигателя путем внесения раствора мочевины в отработавший газ перед катализатором, в которой выпускное отверстие для подачи раствора мочевины в емкость для отработавшего газа дополнено установкой на некотором расстоянии от него отражающего устройства, обеспечивающего изменение направления течения введенного через форсунки в емкость для отработавшего газа и еще не испарившегося раствора мочевины. Ось выпускного отверстия образует с направлением течения основного потока отработавшего газа в его емкость угол около 45°, а отражающее устройство располагается перпендикулярно этой оси, т.е. раствор мочевины попадает на переднюю (наветренную) сторону отражающего устройства. С задней стороны обеспечивается лучшая подача тепла для осуществления необходимого испарения. Специальный смесительный элемент, создающий дополнительные вихри в потоке, не предусмотрен.
Из реферата к японскому патенту 0804909 А известно устройство для удаления HCl из отработавшего газа небольшой установки для сжигания, в котором несколько струй промывочной жидкости из множества форсунок под разными углами направляются на щитообразную поверхность перегородки, установленной в очищаемом газовом потоке с вертикальной осью. Жидкость, стекающая по всей окружности круглой перегородки, образует водяную завесу, сквозь которую очищаемый отработавший газ снизу поступает в емкость, расположенную над перегородкой, а из нее оттекает вверх. В данной публикации отсутствует указание, что в устройстве целенаправленно создаются специальные вихри потока.
Выбор между обоими вышеупомянутыми способами зависит, например, от возможности установки впереди или после дискообразного смесительного элемента.
Настоящее изобретение направлено также на устройство для смешивания по меньшей мере одного газообразного потока текучей среды с большим объемным потоком газа, протекающим по газовому каналу, в частности, для введения восстановителя в содержащий оксиды азота дымовой газ, содержащее по меньшей мере один установленный в газовом канале дискообразный смесительный элемент со передней и задней сторонами, установленный под углом относительно направления течения газового потока и на котором образуются хвостообразные вихри потока, отражающую поверхность, установленную в центре задней стороны смесительного элемента и параллельную смесительному диску, и трубчатое подмешивающее устройством для газообразного потока текучей среды, направленное по существу на центр отражающей поверхности, в частности, для введения восстановителя в содержащий оксиды азота дымовой газ.
В нем для усовершенствования процесса смешивания предусмотрено, что направление вытекания в трубчатом подмешивающем устройстве ориентировано по существу перпендикулярно отражающей поверхности.
При этом предпочтительно предусмотрено, что выход для текучей среды из подмешивающего устройства расположен с задней (подветренной) стороны смесительного элемента, а сам смесительный элемент служит в качестве отражающей пластины, или выходом для текучей среды из подмешивающего устройства является по существу центральное отверстие в смесительном элементе, из которого поток текучей среды вытекает в направлении задней стороны, а с задней стороны на некотором расстоянии перед отверстием установлена специальная отражающая пластина.
Предпочтительно, если смесительный элемент выполнен круглым, эллиптическим, овальным, параболическим, ромбическим или треугольным, как это известно из DE 3723618 С1, колонка 2, строки 40-45. Возможна также многоугольная форма выполнения, например, восьмиугольная. Особенно предпочтительной является форма восьмиугольника, имеющего симметричную структуру, еще более предпочтительно - правильного восьмиугольника. Особенно удобным является также многоугольник в виде трапеции.
Смесительный диск предпочтительно наклонен к направлению движения газового потока на угол в диапазоне между 30-90°.
Ниже изобретение более подробно поясняется на примерах со ссылками на фигуры, где:
на фиг. 1 показан в трехмерном изображении подковообразный вихрь с вихревой дорожкой, образующийся на круглом диске, обтекаемом объемным потоком газа и установленном под углом α относительно направления потока,
на фиг. 2 показан вид сбоку в поперечном направлении относительно линии А-А на фиг. 1,
на фиг. 3 показан вид спереди на подветренную сторону диска в направлении, поперечном относительно линии В-В на фиг. 1,
на фиг. 4 показан вид сбоку/частичное сечение первой формы выполнения устройства согласно изобретению, аналогичный фиг. 2, с восьмиугольным смесительным диском, у которого поток текучей среды направлен на его заднюю (подветренную) сторону,
на фиг. 5 показано устройство согласно фиг. 4 с опорами смесительного диска, установленными со задней стороны, в перспективе,
на фиг. 6 показан вид сбоку/частичное сечение второй формы выполнения устройства согласно изобретению, аналогичный фиг. 4, в которой поток текучей среды с передней (наветренной) стороны подается сквозь отверстие в смесительной пластине,
на фиг. 7 показано перспективное изображение устройства согласно фиг. 6 с видом на переднюю сторону смесительного диска и отражательную пластину, установленную в нем над отверстием.
Под формированием вихревых дорожек речь идет о естественном феномене в трехмерных потоках у тела (см. Prandtl, Oswatitsch, Wieghardt: «Справочник по аэрогидродинамике», 9-е издание 1990; ISBN 3-528-28209-6, стр. 229, рис. 4.41 и соответствующее описание).
Образование, 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 установлен под углом α 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 соответствующей фиг. 4 и 5 форме выполнения устройства согласно изобретению подводящая труба 4 прямым участком 4а проходит сквозь стенку 5 канала K, через который пропускают большой объемный поток 2 газа и в котором под углом установлен правильный восьмиугольный смесительный диск 1. (Восьмиугольная форма является предпочтительной). К участку 4а трубы примыкает расположенный под углом участок 4b, направленный перпендикулярно на центр М подветренной стороны смесительного диска 1.
Газообразная струя текучей среды 6, выходящая из участка 4b трубы, ударяется о смесительный диск 1 с центром в точке М в качестве точки полного торможения потока и распределяется по задней стороне 1b смесительного диска 1, как это схематично показано стрелками 6а на фиг. 5. В области окружной кромки происходит смешивание с вихрями 3 потока.
На фиг. 5 изображены три опоры, прикрепленные с задней стороны 1b смесительного диска 1 и проходящие до центра М, каждая пара которых образует между собой угол 120° и свободные концы 7а которых соединены со стенками канала или с несущей конструкцией (не показана). Опоры 7 могут проходить вплоть до стенок канала и привариваться там. Поскольку опоры проходят в радиальном направлении, они не мешают движению потока в направлении стрелки 6, а скорее способствуют радиальной ориентации потока.
В соответствующей фиг. 6 и 7 форме выполнения устройства согласно изобретению круглый смесительный диск 8 снабжен центральным отверстием 9. Подводящая труба 10 прямым участком 10а проходит сквозь стенку 5 канала K, по которому проходит большой объемный поток 2 газа. К участку 10а трубы 10 примыкает расположенный под углом участок 10b, направленный с наветренной стороны смесительного диска 8 перпендикулярно на отверстие 9 и сваренный с диском.
С подветренной стороны на некотором расстоянии от отверстия 9 над ним установлена отражающая пластина 11. Поток 12 текучей среды, изменивший на ней направление течения, распределяется по подветренной стороне, как это схематически показано стрелками 12а на фиг. 7. На области окружной кромки происходит смешивание с вихрями 3 потока.
Поскольку предусмотренные здесь опоры 13 также проходят в радиальном направлении, они не мешают движению потока в направлении стрелок 12.
Трубы 4 и 10 в канале К необязательно должны быть изогнутыми, важно лишь, чтобы газообразная текучая среда подавалась на смесительный диск перпендикулярно, т.е., чтобы было возможным прохождение труб 4, 10 сквозь стенку 5 канала К под углом. Возможно также, чтобы другой участок трубы проходил параллельно стенкам канала.
Использованы могут быть также другие радиальные конфигурации опор в количестве более или менее трех.
Само собой разумеется, что при больших диаметрах канала по их поперечному сечению могут распределяться несколько смесительных дисков с соответствующей системой подачи текучей среды, предусмотренных на одном или нескольких ступенчато расположенных уровнях.
Перечень позиций
| 1 | круглый смесительный диск |
| 1a | наветренная сторона диска |
| 1b | подветренная сторона диска |
| 2 | объемный поток газа |
| 2а | объемный поток газа, часть потока с наветренной стороны 1а диска |
| 2b | объемный поток газа, часть потока с подветренной стороны 1b диска |
| 3 | подковообразный вихрь и вихревые дорожки |
| 3a | ось вихря |
| 3b | внешняя граница вихря |
| 4 | подающая труба |
| 4a | прямой участок трубы |
| 4b | расположенный под углом участок трубы |
| 5 | стенка дымового канала К |
| 6 | струя текучей среды |
| 6а | стрелки направления потока текучей среды |
| 7 | опоры |
| 7a | свободные концы опор |
| 8 | восьмиугольный смесительный диск |
| 8a | наветренная сторона |
| 8b | подветренная сторона |
| 9 | центральное отверстие |
| 10 | подающая труба |
| 10а | прямой участок трубы |
| 10b | расположенный под углом участок трубы |
| 11 | отражающая пластина |
| 12 | поток текучей среды |
| 12a | стрелки направления потока текучей среды |
| 13 | опоры |
| K | канал для дымового газа |
| M | центр дисков 1,8 или точка полного торможения ударной струи |
1. Способ смешивания, по меньшей мере, одного газообразного потока текучей среды с большим объемным потоком газа, в частности, для введения восстановителя в содержащий оксиды азота дымовой газ, при котором большой поток газа набегает, по меньшей мере, на один пластинообразный смесительный элемент, установленный под углом к направлению течения потока, и на котором образуются хвостообразные вихри потока с его передней (наветренной) стороны, при котором поток текучей среды направляют, по существу, на центр отражающей поверхности, относящейся к задней (подветренной) стороне смесительного элемента, причем газообразный поток текучей среды подмешивают позади смесительного элемента, отличающийся тем, что поток текучей среды направляют, по существу, перпендикулярно на центр отражающей поверхности с задней стороны с распределением газообразной текучей среды от центра по всей задней стороне смесительного элемента и ее введением по всей вихревой системе, образующейся у окружной кромки смесительного элемента.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поток текучей среды направляют непосредственно на заднюю (подветренную) сторону смесительного элемента.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что поток текучей среды с передней (наветренной) стороны смесительного элемента направляют через предусмотренное в смесительном элементе отверстие на отражательную пластину, установленную с задней (подветренной) стороны перед указанным отверстием.
4. Устройство для смешивания, по меньшей мере, одного газообразного потока (6; 12) текучей среды с большим объемным потоком (2) газа, протекающим по газовому каналу, в частности, для введения восстановителя в содержащий оксиды азота дымовой газ, содержащее, по меньшей мере, один установленный в газовом канале пластинообразный смесительный элемент (1; 8) с передней (1а) и задней (1b) сторонами, установленный под углом относительно направления течения объемного потока газа, и на котором образуются хвостообразные вихри (3) потока, отражающую поверхность (1; 8; 11), относящуюся к центру задней стороны (1b) смесительного элемента и параллельную смесительной пластине, и направленное, по существу, на центр отражающей поверхности трубчатое подмешивающее устройство (4, 10) для газообразного потока текучей среды, в частности, для введения восстановителя (5а) в содержащий оксиды азота дымовой газ, отличающееся тем, что направление (6; 12) истечения из трубчатого подмешивающего устройства (4; 10) ориентировано, по существу, перпендикулярно на отражающую поверхность (1; 8; 11).
5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что выход (4а) для текучей среды (6) из подмешивающего устройства расположен с задней (подветренной) стороны (lb, 8b) смесительного элемента, при этом в качестве отражающей пластины служит сам смесительный элемент.
6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что выходом (10b) для текучей среды (12) из подмешивающего устройства (10) является, по существу, центральное отверстие (9) в смесительном элементе, из которого поток текучей среды вытекает к задней стороне (1а, 8а), при этом с задней стороны на расстоянии впереди отверстия установлена специальная отражающая пластина (11).
7. Устройство по одному из пп.4-6, отличающееся тем, что смесительный элемент (1) выполнен круглым, эллиптическим, овальным, параболическим, ромбическим, многоугольным или треугольным.
8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что многоугольной формой является восьмиугольная форма с симметричной структурой, в частности правильная восьмиугольная форма или форма трапеции.
9. Устройство по одному из пп.4-6, отличающееся тем, что смесительная пластина (1) наклонена к направлению течения объемного потока газа на угол α в диапазоне между 30 и 90°.
10. Устройство по одному из пп.4-6, отличающееся тем, что с задней стороны смесительной пластины (1; 8) установлены опоры (7; 13) для удержания смесительной пластины (1; 8) в газовом канале (К), проходящие в радиальном направлении.
