固定式燃气内燃机SCR系统尿素喷嘴设计及试验研究

2019-04-24洪浩楠叶燕仙

中国科技纵横 2019年5期

关键词：雾化

洪浩楠叶燕仙

摘要：不同的喷嘴会产生不同雾化效果，进而影响NOx的转换效率。通过分析常见喷嘴类型，设计了带空气隔热的大功率发动机尾气后处理SCR喷嘴，并进行了尿素喷嘴雾化试验和实际工程应用测试。测试结果表明：雾化效果良好，脱硝率达到97%以上，能满足工程设计指标，可在工业相关领域推广应用。

关键词：燃气内燃机；SCR系统；脱硝喷嘴；雾化

中图分类号：TK417+121 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）05-0099-02

0 引言

随着全球城市化发展，内燃机发电机组在通讯、电力、交通运输、资源开发、国防等部门仍是不可替代的电源设备。节能减排和环境保护是当今社会经济发展的重要课题，内燃机作为排放浓度较高的一种机型势必带来新的环境问题，因此必须对此类设备密切关注，严格排放管理和控制[1]。

在燃气内燃机发电机组运行过程中，产生的二次污染物主要为烟气氮氧化物（NOx）。资料显示，国外内燃机NOx排放浓度一般在250～500mg/Nm3，国产内燃机NOx排放浓度一般为600～800mg/Nm3，部分工况甚至超过2500mg/Nm3（基于5%氧含量折算），北京市地方法规DB11-1056-2013《固定式内燃机大气污染物排放标准》规定烟气中NOx的排放不高于75mg/Nm3[2]。隨着我国“十三五”提出新的治理NOx排放排放目标：到2020年中国NOx排放量要在2015年的基础上削减15%。因此，这类机组将不得不进行脱硝以适应北京乃至全国范围内的环保法规。

1 氮氧化物处理的技术路线与难点

选择性催化还原技术（SCR）是一种公认的有效降低NOx排放的后处理技术，其原理是以NH3为还原剂，利用其对NOx的高选择还原性，将烟气中有害的NOx优先还原为N2和H2O的技术。利用尿素水溶液作为还原剂，喷射到尾气中还原氮氧化物，已是脱硝的普遍解决措施。

SCR系统结构主要由喷射系统、催化器反应系统及测量控制系统构成，喷射子系统决定着整个SCR的效率，喷入的尿素溶液雾化程度越好，反应越充分，降低NOx的效果越好。因此，喷射子系统是整个SCR系统的核心，而喷嘴是其喷射系统的关键部件，决定了雾化效果的好坏[3]。不同的喷嘴会产生不同雾化效果的喷雾并影响喷雾的蒸发分解及其与排气的混合，进而影响NOx的转换效率，有研究提到喷雾雾化效果可以影响转化效率约10%。

在实际应用中，SCR系统的尿素水溶液喷雾受到排气管的约束，尿素从喷嘴喷出后，容易被直接喷射到排气管管壁上，虽然尿素液滴会随尾气蒸发掉大部分，但是依然会有一部分沉积在管壁上，久而久之形成液膜，进而形成结晶，其不但会对管壁造成腐蚀，还会堵塞管道[4-5]。因此，该结构不但在安装空间要求上有很大的局限性，而且因排气管腐蚀、堵塞后需要更换而造成运行成本和维护成本的上升。

2 常见喷嘴类型分析

目前电站及船舶的SCR系统常用的喷嘴分有空气辅助雾化喷嘴和单流体纯液喷嘴（无空气辅助）两种。

2.1 空气辅助雾化喷嘴

空气辅助雾化喷嘴是一种应用广泛的雾化装置，其又分为外混式和内混式两种。雾化原理是在喷口内或喷口外实现尿素水溶液雾化，其主要特点是在喷嘴内设计了空气流道，利用高压空气的喷散作用，以较高的速度夹带着液体喷出，或在喷嘴出和液体相互碰撞，从而使液体达到雾化效果[4]。

2.2 无空气雾化喷嘴

无空气雾化喷嘴是另一种常用的喷嘴，其雾化原理是利用泵站的高压使液体在喷孔处实现破碎及雾化，无须使用压缩空气，利用液压即可形成非常细微的空心锥形雾化喷雾，分布均匀，压力和流量适用范围广。单流体喷嘴雾化形成范围相对较小，一般2～4个一起使用[4]。

3 空气辅助雾化喷嘴设计

尿素喷枪一般在锅炉脱硝上使用，具有喷射量大的特点，与大功率燃气内燃机SCR系统所需要的尿素喷射量有很大的差异，且喷枪造价昂贵，不适用于大功率发动机或小型锅炉的脱硝。因空气雾化喷嘴具有雾化质量高、气耗率低、不易堵塞、供给系统简单可靠、可以采用较低成本的喷射泵等优点，并且辅助空气起到一定的冷却作用，能够避免电磁阀和尿素水溶液温度过高而造成不良后果。本文借鉴车用SCR系统喷嘴与锅炉脱硝喷枪的构造，开发一种经济、简单、易拆卸的空气隔热型内混合尿素喷嘴，三喷孔设计，最大雾化量10L/h，内混合空气消耗量20～25NL/min，外部隔热空气量通过节流阀或减压阀调节。该喷嘴总成由焊接法兰、内混合喷嘴与隔热套等组成。图1为固定式燃气内燃机SCR尿素喷嘴实物。

喷嘴在不改变性能及与喷枪性能相当的情况下，增加设计隔热套，为便于观察与安装及拆卸，设计成法兰型结构。这种喷嘴的优点在于适应大口径的排气管，可以防止尿素在喷射出来之前结晶堵塞，并可以通过冷却空气适度调整喷射方向和辅助雾化，隔热空气压力与流量通过减压阀与节流阀调节。在结构简化的基础上实现了成本降低。

4 尿素喷嘴的雾化测试与实际工程应用测试

4.1 实验设备组成

雾化测试采用DP-02喷雾粒度分析仪进行雾滴测量，雾化试验总布置如图2。

4.2 实验结果与分析

表1为不同雾化介质流量对雾化均匀性的影响，由表可知，雾化介质流量越大，对应的压力也越大，雾化分布越均匀，雾化粒径分布范围也越大。在1000ml/h-7500ml/h的喷射量下，特征粒径分布主要集中在24.80- 60.49μm，其中50.61μm的粒径数最多，60%的液滴直径在60μm以下，约250μm以下的粒子占100%。说明该款喷嘴的雾化效果良好，完全能够满足喷射要求。

4.3 工程应用测试

该喷嘴已在北京清河医院三联供能源站项目烟气脱硝中应用。在发动机50～100%负荷范围内，现场测量数据如表2所示，脱硝率均达到97%以上，满足工程设计指标，目前已累计运行2000h无故障。

5 结语

本文设计的适用于大直径排气管的空气隔热型内混合喷嘴增加设计了隔热套，解决了长喷嘴结晶堵塞问题，并可借助隔热空气流量大小来调整尿素喷雾方向，以适应一些特殊管道对尿素分布的要求[7]。

测试结果表明：该喷嘴具有良好的雾化效果，完全能满足SCR系统对喷射系统的要求，具有结构简单、雾化良好。可在行业类似工程项目应用推广。

参考文献

[1] 何文深，陈建军.固定源NOx排放控制技术研究进展[J].中国环保产业，2011，10：8-13.

[2] DB11/1056-2013，固定式内燃机大气污染物排放标准[S].

[3] 金玉山，李虎生刘猛.船用SCR系统尿素溶液喷嘴试验分析比较[J].柴油机，2015，37（1）：17-20，45.

[4] 唐莲花，龙顺洪，郑贯宇.满足国IV标准的喷嘴集成式SCR系统仿真设计与试验研究[J].汽车技术，2015，10（4）：7-10，31.

[5] 唐韬，赵彦光，华伦，等.柴油机SCR系统尿素水溶液喷雾分解的试验研究[J].内燃机工程，2015，36（1）：1-5.

[6] 马哲树，刘吉财，刘少俊，等.船用柴油机Urea-SCR系统喷雾特性试验研究[J].航海工程，2015，29（6）：536-539.