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 потока текучей среды с большим объемным потоком газа и может применяться для введения восстановителя в содержащий оксиды азота дымовой газ. Большой объемный поток газа натекает на пластинообразный смесительный элемент, установленный под углом относительно направления течения потока, с передней стороны, причем у него образуются вихри потока. Поток текучей среды подмешивают к объемному потоку газа ниже по течению относительно смесительного элемента. Для улучшения подмешивания потока текучей среды в большой объемный поток газа предусмотрено, что поток текучей среды подмешивают в виде закрученного потока. При этом закрученный поток текучей среды предпочтительно направлять с задней (подветренной) стороны смесительного элемента перпендикулярно к нему и на его центр. Текучая среда поступает в вихри потока из центра вдоль задней стороны. Технический результат состоит в улучшении перемешивания. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 14 ил.
Описание
Изобретение относится к способу смешивания по меньшей мере одного потока текучей среды с большим объемным потоком газа, в частности для введения восстановителя в содержащий оксиды азота дымовой газ, согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения, а также к устройству для смешивания по меньшей мере одного потока текучей среды с большим объемным потоком газа, протекающим по газовому каналу, в частности для введения восстановителя в содержащий оксиды азота дымовой газ, согласно ограничительной части п.4 формулы изобретения.
Из ЕР 1604742 А1 известен такой способ, связанный с электрофильтрами для удаления золы из больших объемных потоков газа, при котором вихри потока, образующиеся у установленного под углом смесительной пластины, называют вихрями у передней кромки. Кромка предпочтительно круглой пластины, 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 смесительной пластины, не перекрывая его. Ламинарный поток кондиционирующего средства, выходящий из патрубка, попадает на краевую поверхность раздела на передней кромке смесительной пластины, расположенную рядом с выходом из патрубка, под углом, соответствующим углу наклона пластины относительно направления течения большого объемного потока газа.
При таком осуществлении способа кондиционирующее средство не смешивается в вихревой системе, возникающей у смесительной пластины, оптимальным образом.
В колонке 6, строках 5-6 ЕР 1604742 A1 целесообразными считаются также способы, при которых смесительное, устройство устанавливается непосредственно на завихрительном устройстве.
В US 5356213 А описан связанный со способом окисления в газовой фазе в области нефтехимии способ смешивания небольшого потока газа, например кислорода, с большим объемным потоком газа, например воздуха, при котором кислород по меньшей мере двумя закрученными частичными потоками вводят в движущийся по существу непрерывно в канале поток воздуха посредством закручивающих лопаток, установленных на конце участка трубы, открывающегося в направлении потока воздуха и проходящего в радиальном направлении, причем скорость кислорода выше по потоку относительно закручивающих лопаток повышается, в то время как ниже по потоку относительно закручивающих лопаток на выходном конце участка трубы натянуто полотно.
В смесительном устройстве, описанном в ЕР 1166861 B1 совместно с установками Denox и электрофильтрами, смесительная пластина (установочная поверхность) имеет камеру, к которой подходит отдельный проточный канал для подмешиваемой текучей среды и которая служит в качестве распределительной камеры для газового потока. С обратной (подветренной) стороны смесительной пластины, противоположной набегающему большому объемному газовому потоку, камера снабжена выходными отверстиями, из которых ламинарно вытекают частичные потоки текучей среды, 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 смесительной пластине. 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 смесительной пластине, а сама имела форму колпака. Проточный канал для подачи текучей среды может проходить в распределительную камеру сквозь смесительную пластину 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 NН3 в качестве восстановителя он хранится в виде сжиженного под давлением NH3 или в виде аммиачной воды (NH4OH), 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 B1), теплообменников, установок для обессеривания дымовых газов, а также гибридных башенных охладителей.
Кроме того, в DE-A1-10129367 раскрыт способ и устройство для увлажнения воздуха, в которых подлежащий увлажнению поток воздуха натекает на множество пластинообразных элементов для создания турбулентности, расположенных под углом относительно направления течения потока, с их передней стороны, причем у них образуются вихри потока. Ниже по потоку относительно ступени завихрения воздуха, образованной элементами создания турбулентности, на заданном расстоянии расположена сопловая ступень. Указанная сопловая ступень образована множеством вихревых сопел, каждому из которых предназначен элемент для создания турбулентности. Выходящая из сопел закрученная струя не выходит ни на переднюю сторону, ни на заднюю сторону элемента для создания турбулентности, а направлена от него. Таким образом, в отличие от заявленного изобретения, непосредственного подмешивания в вихри потока, образованные у элемента для создания турбулентности, не происходит.
Задачей изобретения является усовершенствование способа и устройства такого рода в части подмешивания потока текучей среды в большой объемный поток газа.
Эта задача решается с помощью способа согласно п.1 и устройства согласно п.4 формулы изобретения. Другие формы выполнения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.
При этом особенностью является подмешивание потока текучей среды в качестве закрученного потока.
В результате предварительного завихрения текучей среды перед поступлением в вихревую систему улучшается ее подмешивание к большому объемному потоку газа.
В целях дальнейшего усовершенствования подмешивания предпочтительно предусмотрено, что закрученный поток текучей среды направляют с задней (подветренной) стороны смесительного элемента по существу перпендикулярно на смесительный элемент и по существу на его центр, и что текучая среда входит в вихри потока из центра вдоль задней стороны.
Однако также возможно, что закрученный поток текучей среды направляют с передней (наветренной) стороны смесительного элемента по существу перпендикулярно на смесительный элемент и он выходит через отверстие, предусмотренное по существу в центре смесительного элемента, на заднюю (подветренную) сторону смесительного элемента, и что текучая среда входит в вихри потока из центра вдоль задней стороны.
В случае закрученной струи центробежная сила создает по оси струи разрежение и формирует трубчатую струю, стремящуюся наружу, которая при соответствующих параметрах отверстия (радиуса, плавности перехода) подводящей трубы следует кривизне стенок на выходе (эффект Коанды) и превращается в плоскую струю.
В обоих вариантах с подветренной стороны из-за перпендикулярной ориентации возникает осесимметричная плоская струя, направленная параллельно поверхности смесительного элемента и распространяющаяся по существу в радиальном направлении. При закрученном набегающем потоке скорость плоской струи наряду с радиальной составляющей имеет также окружную составляющую. Окружная составляющая внутри выхода (форсунка) имеет наибольшее значение и с увеличением радиального удаления от выхода убывает.
Центр в случае круглой пластины 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 текучей среды на задней стороне пластинообразного смесительного элемента.
При обоих вариантах осуществления способа добиваются того, что текучая среда распределяется по всей задней стороне и поступает во всю вихревую систему, образующуюся по окружной кромке.
В устройстве согласно изобретению для улучшения процесса смешивания предусмотрено, что в подмешивающем устройстве перед выходным отверстием для текучей среды предусмотрено завихрительное устройство.
Завихрительные устройства, которые можно использовать, известны, например, из технологии горения.
При этом предпочтительно предусмотрено, что скругленное отверстие для выпуска текучей среды из подмешивающего устройства выполнено с задней (подветренной) смесительного элемента и направлено по существу на его центр и по существу перпендикулярно этому центру.
Однако также возможно, чтобы скругленное выходное отверстие для выхода текучей среды из подмешивающего устройства соотносилось с центральным отверстием смесительного элемента, через которое закрученный поток текучей среды, поданный по существу перпендикулярно на пластину смесительного элемента, вытекает к задней стороне.
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.
Смесительная пластина, предпочтительно, наклонена к направлению течения газового потока на угол в диапазоне между 30° и 90°.
Для ограничения попадания золы в подводящее устройство за счет обратного потока перед отверстием в смесительном элементе или в отверстии предпочтительно устанавливать пылезащитную пластину.
Завихрительное устройство предпочтительно установлено в подводящей трубе подмешивающего устройства или перед ней.
Завихрительное устройство предпочтительно выбрано из группы: завихрители с радиальной решеткой, завихрители с аксиальной решеткой, завихрители с тангенциально подводимым потоком.
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 круглой пластине, обтекаемой объемным потоком газа и установленной 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 пластины 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 восьмиугольной смесительной пластиной, у которой закрученный поток текучей среды направлен на его переднюю (наветренную) сторону и выходит через отверстие в смесительной пластине к задней стороне,
на фиг.5 показан вид устройства на фиг.4 с видом на заднюю сторону смесительной пластины, в перспективе,
на фиг.6 показан вид сбоку/частичное сечение второй формы выполнения устройства согласно изобретению, аналогичный фиг.4, в котором закрученный поток текучей среды направлен по центру на заднюю сторону смесительной пластины,
на фиг.7 показан вид сбоку/частичный разрез, аналогичный фиг.4, с пылезащитной пластиной в качестве перекрытия обратного потока,
на фиг.8 показан вертикальный разрез завихрительного устройства, выполненного в виде радиальной решетки,
на фиг.9 показан горизонтальный разрез радиальной решетки согласно фиг.8,
на фиг.10 показан вертикальный разрез завихрительного устройства, выполненного в виде аксиальной решетки,
на фиг.11 показан горизонтальный разрез аксиальной решетки согласно фиг.10,
на фиг.12 показан вертикальный разрез завихрительного устройства со спиральным корпусом,
на фиг.13 показан горизонтальный разрез завихрительного устройства со спиральным корпусом согласно фиг.12 и
на фиг.14 показан узел завихрительного устройства с несколькими радиальными решетками.
Под формированием вихревых дорожек речь идет об 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 смесительной пластины потоке схематично показаны на фиг.1-3 и ниже приводится их описание.
Круглая пластина 1 установлена под углом α относительно приходящего на фиг.1 снизу объемного газового потока 2. На наветренной стороне 1а пластины 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 пластиной. На подветренной стороне 1b пластины образуется область пониженного давления, которая заполняется частичным потоком 2b объемного газового потока через край пластины. За счет отклонения потока на краю круглой пластины образуется подковообразный вихрь 3 с изображенной штриховыми линиями вихревой осью 3а, который продолжается позади пластины 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 изображенную границу 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 пластины, 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 вводимого газового потока.
В соответствующей фиг.4 и 5 форме выполнения устройства согласно изобретению подводящая труба 4, служащая для подвода подмешиваемой текучей среды F, своим прямым участком 4а проходит сквозь стенку 5 канала К, через который пропускают большой объемный поток 2 газа и в котором под углом установлена восьмиугольная смесительная пластина 1. К участку 4а трубы примыкает расположенный под углом участок 4b, направленный перпендикулярно на центр М наветренной стороны смесительной пластины 1. В центре М пластины предусмотрено отверстие 6.
Как схематично обозначено на фиг.4, в участке 4b трубы установлено завихрительное устройство DE в виде аксиальной решетки и таким образом установлено перед выходным отверстием 4с трубы.
Аксиальная решетка AG и другие примеры возможных завихрительных устройств описаны далее.
Выходной конец расположенного под углом участка 4b трубы снабжен выходным отверстием 4с, выполненным скругленным с предварительно заданным радиусом R, т.е. постоянно расширяющимся, причем направленным на отверстие 6 и соединенным с пластиной. Радиус R округления предпочтительно равен R=D/2, где D - диаметр трубы.
Выходящий из выходного отверстия 4с закрученный поток 7 текучей среды разделяется под влиянием завихрения по задней стороне, как это схематично показано стрелками 7а на фиг.5. В области окружной кромки смесительной пластины происходит подмешивание в вихри 3 потока.
В соответствующей фиг.6 форме выполнения устройства согласно изобретению с восьмиугольной смесительной пластиной 8 подводящая труба 9 прямым участком 9а проходит сквозь стенку 5 канала К, по которому проходит большой объемный поток 2 газа. К участку 9а трубы примыкает расположенный под углом участок 9b, направленный на центр М подветренной стороны 8b смесительной пластины 8 и на своем выходном конце имеет скругленное выходное отверстие 9с. Выходное отверстие 9с расположено на расстоянии от задней (подветренной) стороны 8b смесительной пластины 8. В участке 9а предусмотрено завихрительное устройство DE.
Установка завихрительного устройства DE в расположенный под углом участок или присоединение его к указанному участку, как в форме выполнения согласно фиг.4 и 5, является, однако, предпочтительным, поскольку в этом случае закрученный (завихренный) поток может выходить без дальнейшего отклонения в трубе из выходного отверстия.
Выходящий из выходного отверстия 9с закрученный поток 10 текучей среды распределяется по задней стороне 8b, как это схематично показано соответственно для потока 7 текучей среды стрелками 7а на фиг.5. В области окружной кромки смесительной пластины 8 происходит подмешивание в вихри 3 потока.
Трубы 4 и 10 в канале К необязательно должны быть изогнутыми; важно лишь, чтобы текучая среда подавалась на смесительную пластину 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 5 канала К.
Как показано на фиг.7, к отверстию 6 может быть установлена пылезащитная пластина. Когда закрученная струя используется в окружающей среде, загрязненной золой, зола с обратным потоком RS, образующимся по оси струи, может попадать обратно в подводящую трубу 4. За счет центробежной силы зола частично перемещается к стенке трубы и может образовывать там отложения. Пылезащитная пластина может воспрепятствовать этому.
Само собой разумеется, что при больших поперечных сечениях канала могут быть предусмотрены несколько смесительных пластин с соответствующей подачей текучей среды, распределенных по поперечному сечению канала на одном уровне или ступенчато.
Ниже описаны примеры возможных завихрительных устройств.
В горелках на поток воздуха для горения с целью радиального расширения пламени часто накладывается окружная составляющая. Это расширение может быть доведено до такой степени, что пламя лопается и прижимается к стенкам камеры сгорания в виде так называемого плоского пламени. Типичным для закрученных потоков в горелках является область разрежения, сознательно используемая для стабилизации пламени.
Известны, например, следующие технологии.
При завихрении с помощью радиальной решетки RG согласно фиг.8 и 9 в корпусе G тангенциально внутренней окружности IK устанавливаются несколько дефлекторов LF. Закрученный поток FD текучей среды выпускается по центру.
При завихрении с помощью аксиальной решетки AG согласно фиг.10 и 11 поток F текучей среды поступает на аксиальную решетку AG, образованную несколькими направляющими лопатками L, установленными под углом и в радиальном направлении в трубе R, и закручивается там в поток FD.
При завихрении с помощью набегающего тангенциального потока поток F текучей среды согласно фиг.12 и 13 заводится в спиральный корпус S и выходит из него по центру в виде закрученного потока FD. Спиральный корпус служит дефлектором, так что никаких направляющих лопаток не нужно.
На фиг.14 показано, что в случае подачи закрученного потока текучей среды на несколько смесительных пластин возможно соединение нескольких завихрительных устройств, таких как, например, радиальных решеток, в один узел. В общем корпусе GM установлено несколько радиальных решеток RG, и выпускаются несколько частичных закрученных потоков FD1, FD2, FD3.
Возможны и другие завихрительные устройства; например, ссылка дается на DE 4021817 А1, где направляющие устройства выполнены не в виде лопаток, как в форме выполнения согласно фиг.10 и 11, а в виде пазов в стенках трубы. Аналогичные пазы встречаются также в устройствах для впрыскивания топлива согласно ЕР 1605204 А2.
Перечень позиций
1 - круглая смесительная пластина
1a - наветренная сторона пластины
1b - подветренная сторона пластины
2 - объемный газовый поток
2а - объемный газовый поток, частичный поток с наветренной стороны 1а пластины
2b - объемный газовый поток, частичный поток с подветренной стороны 1b пластины
3 - подковообразный вихрь и вихревые дорожки
3а - ось вихря
3b - внешняя граница вихря
4 - подводящая труба
4а - прямой участок трубы
4b - расположенный под углом участок трубы
4с - скругленное выходное отверстие
5 - стенка канала К для дымового газа
6 - отверстие
7 - закрученный поток текучей среды
7а - стрелки потока текучей среды
8 - восьмиугольная смесительная пластина
8а - наветренная сторона
8b - подветренная сторона
9 - подводящая труба
9а - прямой участок трубы
9b - отогнутый участок трубы
9с - скругленное выходное отверстие
10 - закрученный поток текучей среды
11 - пылезащитная пластина
AG - аксиальная решетка
D - диаметр трубы 4, 9
DE - завихрительное устройство
F - поток текучей среды
FD - закрученный поток текучей среды
G - корпус
GM - общий корпус
IK - внутренняя окружность
К - канал для дымового газа
L - направляющие лопатки
LF - дефлектор
М - центр пластин 1, 8
R - радиус кривизны расширения
RG - радиальная решетка
RS - обратный поток
S - спиральный корпус
1. Способ смешивания по меньшей мере одного 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 натекает по меньшей мере на один пластинообразный смесительный элемент, установленный под углом относительно направления течения потока, с его передней стороны, причем у него образуются вихри потока, а поток текучей среды подмешивают к объемному потоку газа ниже по потоку относительно смесительного элемента с закручиванием, отличающийся тем, что закрученный поток текучей среды направляют с одной стороны смесительного элемента, по существу, перпендикулярно на смесительный элемент и, по существу, на его центр, причем текучая среда поступает в вихри потока из центра вдоль задней стороны.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что закрученный поток текучей среды направляют на заднюю сторону смесительного элемента.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что закрученный поток текучей среды направляют на переднюю сторону смесительного элемента, причем он выходит через отверстие, предусмотренное, по существу, в центре смесительного элемента, на заднюю сторону смесительного элемента.
4. Устройство для смешивания по меньшей мере одного 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 пластинообразный смесительный элемент с передней и задней сторонами, который заключает с направлением течения объемного потока газа угол и у которого образуются вихри потока, а также трубчатое подмешивающее устройство для потока текучей среды, снабженное завихрительным устройством, отличающееся тем, что выполненное в подмешивающем устройстве отверстие для текучей среды направлено, по существу, перпендикулярно одной стороне смесительного элемента и, по существу, на его центр.
5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что скругленное выходное отверстие для текучей среды, выполненное в подмешивающем устройстве, расположено с задней стороны смесительного элемента.
6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что скругленное выходное отверстие для текучей среды, выполненное в подмешивающем устройстве, соотнесено с, по существу, центральным отверстием смесительного элемента, через которое закрученный поток текучей среды вытекает в направлении задней стороны.
7. Устройство по одному из пп.4-6, отличающееся тем, что смесительный элемент выполнен круглым, эллиптическим, овальным, параболическим, ромбическим, многоугольным или треугольным.
8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что многоугольная форма является восьмиугольной формой с симметричной структурой, в частности правильной восьмиугольной формой, или трапецеидальной формой.
9. Устройство по одному из пп.4-6, отличающееся тем, что смесительный элемент установлен к направлению течения объемного потока газа под углом (α), находящимся в диапазоне между 30° и 90°.
10. Устройство по п.6, отличающееся тем, что перед отверстием или в нем установлена пылезащитная пластина.
11. Устройство по одному из пп.4-6, отличающееся тем, что завихрительное устройство установлено в подводящей трубе подмешивающего устройства или перед ней.
12. Устройство по одному из пп.4-6, отличающееся тем, что завихрительное устройство выбрано из группы: завихрители с радиальной решеткой, завихрители с аксиальной решеткой, завихрители с тангенциально подводимым потоком.
