固定式燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)SCR系統(tǒng)尿素噴嘴設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

1、    固定式燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)scr系統(tǒng)尿素噴嘴設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究    洪浩楠 葉燕仙摘 要：不同的噴嘴會(huì)產(chǎn)生不同霧化效果，進(jìn)而影響nox的轉(zhuǎn)換效率。通過分析常見噴嘴類型，設(shè)計(jì)了帶空氣隔熱的大功率發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣后處理scr噴嘴，并進(jìn)行了尿素噴嘴霧化試驗(yàn)和實(shí)際工程應(yīng)用測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：霧化效果良好，脫硝率達(dá)到97%以上，能滿足工程設(shè)計(jì)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(jī)；scr系統(tǒng)；脫硝噴嘴；霧化：tk417+121 ：a ：1671-2064（2019）05-0099-020 引言隨著全球城市化發(fā)展，內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組在通訊、電力、交通運(yùn)輸、資源開發(fā)、國(guó)

2、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(hù)是當(dāng)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要課題，內(nèi)燃機(jī)作為排放濃度較高的一種機(jī)型勢(shì)必帶來新的環(huán)境問題，因此必須對(duì)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(jī)發(fā)電機(jī)組運(yùn)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(guó)外內(nèi)燃機(jī)nox排放濃度一般在250500mg/nm3，國(guó)產(chǎn)內(nèi)燃機(jī)nox排放濃度一般為600800mg/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(jī)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/nm32。隨著我國(guó)“十三五”提出新的治理nox

3、排放排放目標(biāo)：到2020年中國(guó)nox排放量要在2015年的基礎(chǔ)上削減15%。因此，這類機(jī)組將不得不進(jìn)行脫硝以適應(yīng)北京乃至全國(guó)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(diǎn)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(duì)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(cè)量控制系統(tǒng)構(gòu)成，噴射子系統(tǒng)決定著整個(gè)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

4、系統(tǒng)是整個(gè)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(huì)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(jìn)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(shí)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(huì)隨尾氣蒸發(fā)掉大部分，但是依然會(huì)有一部分沉積在管壁上，久而久之形成液膜，進(jìn)而形成結(jié)晶，其不但會(huì)對(duì)管壁造成腐蝕，還會(huì)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(yùn)行成本和維護(hù)成本的上升。2 常見噴嘴

5、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(shí)現(xiàn)尿素水溶液霧化，其主要特點(diǎn)是在噴嘴內(nèi)設(shè)計(jì)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(dá)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(shí)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

6、形成范圍相對(duì)較小，一般24個(gè)一起使用4。3 空氣輔助霧化噴嘴設(shè)計(jì)尿素噴槍一般在鍋爐脫硝上使用，具有噴射量大的特點(diǎn)，與大功率燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)scr系統(tǒng)所需要的尿素噴射量有很大的差異，且噴槍造價(jià)昂貴，不適用于大功率發(fā)動(dòng)機(jī)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(jiǎn)單可靠、可以采用較低成本的噴射泵等優(yōu)點(diǎn)，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(jì)、簡(jiǎn)單、易拆卸的空氣隔熱型內(nèi)混合尿素噴嘴，三噴孔設(shè)計(jì)，最大霧化量10l/h，內(nèi)混合空氣消耗量2025nl/min，外部隔熱空氣量通

7、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(jī)scr尿素噴嘴實(shí)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(jì)隔熱套，為便于觀察與安裝及拆卸，設(shè)計(jì)成法蘭型結(jié)構(gòu)。這種噴嘴的優(yōu)點(diǎn)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(jiǎn)化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了成本降低。4 尿素噴嘴的霧化測(cè)試與實(shí)際工程應(yīng)用測(cè)試4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備組成霧化測(cè)試采用dp-02噴霧粒度分析儀進(jìn)行霧滴測(cè)量，霧化試驗(yàn)總布置如圖2。4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析表1為不同霧化介質(zhì)流量對(duì)霧化均勻性的影

8、響，由表可知，霧化介質(zhì)流量越大，對(duì)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- 60.49m，其中50.61m的粒徑數(shù)最多，60%的液滴直徑在60m以下，約250m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(cè)試該噴嘴已在北京清河醫(yī)院三聯(lián)供能源站項(xiàng)目煙氣脫硝中應(yīng)用。在發(fā)動(dòng)機(jī)50100%負(fù)荷范圍內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示，脫硝率均達(dá)到97%以上，滿足工程設(shè)計(jì)指標(biāo)，目前已累計(jì)運(yùn)行2000h無故障。5 結(jié)語本文設(shè)計(jì)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(jì)

9、了隔熱套，解決了長(zhǎng)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(duì)尿素分布的要求7。測(cè)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(duì)噴射系統(tǒng)的要求，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、霧化良好?？稍谛袠I(yè)類似工程項(xiàng)目應(yīng)用推廣。參考文獻(xiàn)1 何文深，陳建軍.固定源nox排放控制技術(shù)研究進(jìn)展j.中國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2011，10：8-13.2 db11/1056-2013，固定式內(nèi)燃機(jī)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(yàn)分析比較j.柴油機(jī)，2015，37（1）：17-20，45.4 唐蓮花，龍順洪，鄭貫宇.滿足國(guó)iv標(biāo)準(zhǔn)的噴嘴集成式scr系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)與試驗(yàn)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(jī)scr系統(tǒng)尿素水溶液噴霧分解的試驗(yàn)研究j.內(nèi)燃機(jī)工程