基于生物質鍋爐改善氨分布均勻性的脫硝噴嘴開發★

姚文杰，葉燕仙

（浙江農業商貿職業學院，浙江 紹興 312088）

引言

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

在生物質脫硝技術中，生物質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的混合距離才能混合均勻，會造成煙道浪費，成本增加，空間受限等問題。如果采用多支噴槍增加均勻性，則在成本、安裝和維護工作量上也會增加。因此，開發一種性價比高且能滿足寬擴散角，并能在短距離內實現氨均勻分布的新型噴槍，以達到節約脫硝系統安裝空間，提高脫硝率的目的，具有一定的現實意義[3-4]。

1 噴嘴現狀分析

在SCR系統中，噴嘴輸送的是32.5%質量濃度的尿素水溶液，因噴嘴經常處于高溫中，且會出現沒有尿素流經噴嘴的情況，殘留物在水分蒸發后會結晶堵塞噴嘴。噴嘴主要解決冷卻和防堵塞問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，現有市場中比較有競爭力的廠家主要有上海守望者、昆山法歌、東莞長原等，其主要致力于大型鍋爐的噴嘴形狀、材質等方面的研究，且因品牌效應，價格昂貴，大多適用于大型鍋爐，價格多為3 500元以上，電動伸縮噴槍更高達20 000萬元以上，而面向中小型鍋爐的噴槍則不多。

2 噴嘴設計理念

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，使液體霧化為更細的液滴。區別于傳統的空氣霧化噴嘴，噴嘴做了改進設計：在噴射管外部增設隔熱套，實現“隔熱層+空氣”雙層隔熱，且隔熱空氣量可通過減壓閥與節流閥調節；在接近出口的地方增加小孔，使部分的高壓空氣預先混合，增加氣液均勻性，實現“噴口內+噴口外”二次霧化。圖1為噴嘴全隔熱。

2.2 增設搖擺機構

新型脫硝噴槍是將傳統往復機構與噴嘴相結合設計，實現徑向搖擺，在短距離內實現氨均勻分布，用以滿足不同管徑排煙管的脫硝，見下頁圖2。產品能根據不同的煙氣流量和噴槍噴射量實時調節噴霧擴散角和擺動頻率，產品噴霧錐角可達15°～60°，改進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，改善了霧化質量[5-6]。

3 試驗與工程驗證

3.1 霧化測試

產品已通過DP-02噴霧粒度分析儀進行霧滴測量。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，因此試驗時采用純凈水作為霧化測試介質[7]。

圖3為不同流量下的霧化參數曲線。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的粒徑數最多，60%的液滴直徑在30μm以下，說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圖，隨著噴射量增大，特征粒徑增大，但沒超過30μm。其中29.61μm的粒徑數最多，見圖3。

3.2 工程應用

本產品已在上海盈泰新材料的鍋爐項目煙氣脫硝中應用。在發動機50%～100%負荷范圍內，現場測量數據如表1所示，脫硝率均達到99%以上，滿足工程設計指標，目前已累計運行2 000 h無故障。

表1 上海盈泰新材料的鍋爐煙氣脫硝率

4 結論

1）產品在傳統空氣霧化噴嘴基礎上進行改進設計，實現雙層隔熱、二次霧化，有效保證了噴嘴的霧化功能。

2）產品將傳統往復機構與噴嘴相結合設計，能根據不同煙道直徑、煙氣流量和噴射量實時調節噴霧擴散角和擺動頻率，提高霧化效果和脫硝率。產品噴霧錐角可達15°～60°，脫硝率達99%以上，比普通噴槍高出將近5%，售價為2 000～3 500元，約為品牌產品的一半，產品整體性價比高。

3）將驅動電機升級為伺服電機后，可遠程動態調節，根據不同的煙氣流量和噴槍噴射量實時調節噴霧擴散角和擺動頻率。