烟气温度均匀化装置和方法与流程

本发明涉及烟气脱硝领域，具体涉及一种烟气温度均匀化装置和方法。

背景技术：

选择性催化还原(scr)法是一种普遍使用的烟气脱硝方法。来自例如燃煤锅炉的烟气与催化剂接触，其中的氮氧化物被还原成氮气和水。

化学反应的反应速率与烟气温度有密切关系。随着温度升高，氮氧化物的脱除率先增大后减小。此外，随着温度增加，nh3逃逸量不断降低，但so2转化率不断升高。因此，对于scr工艺来说，温度不能过高，也不能过低。因此，需要维持烟气温度的稳定性。

然而，由于入口烟道截面较大，即使温度平均值在要求范围内，也不能保证在烟道横截面内温度分布的均匀性，即部分区域温度可能过高，同时部分区域温度可能过低。

目前，对于烟道中烟气温度的均匀性，一直缺乏相关的调节手段，制约了脱硝性能的进一步提升。

技术实现要素：

本发明提供一种烟气温度均匀化装置，其特征在于，所述装置包括：

在烟道的第一横截面中的第一导热管道网络，所述第一导热管道网络中填充有相变介质；

设置在所述烟道外部的压力控制器；和

将所述第一导热管道网络和所述压力控制器流体连接的压力调节管，

其中，所述压力控制器配置为经由所述压力调节管调节所述第一导热管道网络中所述相变介质的压力，使得所述相变介质的液-气相变温度处于目标均匀化温度。

可选地，所述压力控制器通过改变相变介质的总体积调节压力。

可选地，所述压力控制器是具有活塞的腔室。

可选地，所述压力控制器通过改变相变介质的总量调节压力。

可选地，所述压力控制器包括：

从所述导热管道网络中接收相变介质的负压储罐；和

向所述导热管道网络中输入相变介质的正压储罐。

可选地，所述装置还包括：

在所述第一横截面下游的所述烟道的第二横截面中的第二导热管道网络，所述第二导热管道网络中填充有所述相变介质，并且所述第二导热管道网络与所述第一管道网络流体连通。

可选地，所述液-气相变温度在300℃至450℃之间。

可选地，所述相变介质在常压下的液-气相变温度在300℃至450℃之间。

可选地，所述相变介质选自汞、航空燃油或聚四氟乙烯。

本发明还提供一种烟气温度均匀化方法，所述方法包括：

在烟道的第一横截面中设置相变介质；

将相变介质的压力设置为使得所述相变介质的液-气相变温度处于目标均匀化温度，并且将相变介质的温度设置在所述液-气相变温度；以及

使烟气通过所述横截面，并且与所述相变介质发生热交换，从而使温度高于所述目标均匀化温度的烟气降温并且使温度低于所述目标均匀化温度的烟气升温；

其中，在发生所述热交换的过程中，保持所述相变介质的压力稳定，从而保持所述相变介质处于所述目标均匀化温度。

可选地，在所述第一横截面下游的烟道的第二横截面中设置相变介质，所述第二横截面中的相变介质与所述第一横截面中的相变介质流体连通。

可选地，所述目标均匀化温度在与所述相变介质发生热交换前的烟气的平均温度±0.5℃的范围内。

附图说明

图1是本发明的装置的一个实施方案的示意图。

图2是本发明的装置进行烟气均匀化的一个实施方案的示意图。

图3是本发明的另一个实施方案的示意图。

图4是本发明的压力控制器的一个具体实例的示意图。

图5是本发明的装置的一个具体实例的示意图。

图6是汞的相图。

具体实施方式

为了解决烟气在烟道横截面内不同位置温度不均匀的问题，本发明提出了一种烟气温度均匀化装置，其特征在于，所述装置包括：

在烟道的第一横截面中的第一导热管道网络，所述第一导热管道网络中填充有相变介质；

设置在所述烟道外部的压力控制器；和

将所述第一导热管道网络和所述压力控制器流体连接的压力调节管，

其中，所述压力控制器配置为经由所述压力调节管调节所述第一导热管道网络中所述相变介质的压力，使得所述相变介质的液-气相变温度处于目标均匀化温度。

本发明的导热管道网络是由导热管道组成的网络，其在烟道的横截面内伸展。在本发明中，网络表示在烟道横截面内的导热管道的任意两点之间都是通过导热管道彼此流体连通的。网络可以采用各种形式，只要能保证流体连通性即可。

导热管道允许管道内的物质与管道外的物质进行热交换。在本发明中，导热管道设置在烟道中，并且将与流过其外部的烟气接触。导热管道内填充有相变介质。这样，烟气可以与相变介质进行热交换。当烟气温度高于相变介质的温度时，热量从烟气经过导热管道传导至相变介质；当烟气温度低于相变介质的温度时，热量从相变介质经过导热管道传导至烟气。

导热管道的材质和尺寸可以适当的设计，本发明对此没有特别的限制。例如，可以使用常见的换热器的设计方式。

相变介质是可以发生相变的介质。在相变过程中，在温度不变的情况下，介质会吸收或放出相变热。通常，介质的相变热与介质的比热容导致的吸热和放热相比要大得多。相变有多种形式，例如固-液相变、液-气相变等。本发明中，使用液-气相变的相变热来调节烟气温度。

相变介质填充在导热管道网络中，并且被调节至其液-气相变的温度。在此温度下，当介质吸收热量时，其温度并不升高，而是从液态变成气态，直至介质全部变成气态。同样，当介质放出热量时，其温度并不降低，而是从气态变成液态，直至介质全部变成液态。

这样，当烟道中的烟气经过烟道的横截面中的导热管道网络时，与导热管道中的相变介质发生热交换。在横截面中的一些位置，烟气温度可能高于相变介质的相变温度，则热量将由烟气传到相变介质，并且烟气温度降低，最低不低于相变温度。在横截面中的另一些位置，烟气温度可能低于相变介质的相变温度，则热量将由相变介质传到烟气，并且烟气温度升高，最高不高于相变温度。由于导热管道网络中的相变介质是通过网络彼此流体连通的，所以它们处于相同的压力下，从而具有相同的相变温度。该相变温度受相变介质的压力限定。当压力稳定时，相变温度稳定。因此，当将压力控制为稳定时，烟道中的烟气与导热管道网络接触的过程中，温度都将向着稳定的相变温度变化，即高温烟气降温，同时低温烟气升温，从而达到了本发明的将烟道横截面内的烟气温度“均匀化”的目的。换言之，将烟气的温度都向着液-气相变温度调节。

本发明的装置是烟气温度均匀化装置，而非烟气加热或冷却装置。因此，相变介质的液-气相变温度应当设置在需要的温度，在本发明中称为目标均匀化温度，其应位于温度不均匀分布的烟气的温度范围内。如果目标均匀化温度设定得高于烟气的最高温度，那么烟气温度对于相变介质的气液相变温度过低，导致相变介质将持续放热并液化，并且最终全部液化。如果目标均匀化温度设定得低于烟气的最低温度，那么烟气温度对于相变介质的气液相变温度过高，导致相变介质将持续气化，并且最终全部气化。两种情况都将使相变介质失去借助相变吸收或放出热的能力，进而使装置失去均匀化能力。

当相变介质发生液-气相变时，其体积将明显变化。例如，当气化时，其体积将明显增加。如果导热管道网络是封闭的，则内部压力剧增，可能破坏管道，并且更重要的是相变温度可能随之变化。理想状态下，将目标均匀化温度设置为达到该温度所需的吸热与放热基本相同，相变介质的体积和压力基本不变。但是该理想状态几乎是不可能的。为此，本发明的装置中设置了在烟道外部的压力控制器，和将导热管道网络与压力控制器流体连通的压力调节管。

压力控制器用于控制导热管道中的压力，并且同时为导热管道中由于吸热而气化的相变介质提供容纳空间，或者为导热管道中由于相变介质放热液化而产生的体积收缩提供补充。压力调节管用于连接压力控制器和导热管道网络。压力调节管可以是一根管道，也可以是多根管道。

可选地，压力控制器通过改变相变介质的总体积调节压力。当由于相变导致的导热管道中的相变介质的总体体积整体上变化不大时，可以通过调节容纳相变介质的容器的整体体积来保持压力恒定。这种压力控制器的一个可能的简单实例是一个具有受恒定外部压强的活塞的腔室。腔室与导热管道流体连通。腔室中的相变介质同样处于相变温度和液-气混合态。当内部压力由于相变介质吸热气化而略微增加时，活塞向腔室外侧运动，直至内外压力平衡，从而相变介质的压强保持不变，进而保持气-液相变温度不变；反之亦然。当烟气温度不均导致的相变介质的总体积变化不大时，可以采用这样的简明方案。

更一般地，可以通过改变相变物质的总量，来控制压力。在一个实施方案中，压力控制器包括：从所述导热管道网络中接收相变介质的负压储罐；和向所述导热管道网络中输入相变介质的正压储罐。可以在压力控制管设置两个在固定压力下打开的单向阀的腔室作为压力控制器。一个单向阀设定为当导热管道网络内部压力高于预定压力时，将相变介质排出到负压储罐。另一个单向阀设定为当导热管道网络内部压力低于预定压力时，从正压储罐向导热管道内部充入相变介质。此处的负压与正压均是相对于为保持相变温度所需的压力而言。

还可以通过其他方式设计压力控制器，只要其能够通过压力调节管调节导热管道内部相变介质的压力即可。

压力控制装置用于稳定相变介质的压力，进而提供稳定的液-气相变温度。并且，选择不同的预设压力，即可获得不同的目标均匀化温度。

在本装置运行时，通过压力控制器使得相变介质的液-气相变温度处于目标均匀化温度，进而使得通过导热管道网络的烟气温度都向该目标靠近，起到温度均匀化的作用。

本发明的装置可以有多个导热管道网络，各自在烟道的不同横截面内伸展。本发明的装置至少有一个导热管道网络，可以称为第一导热管道网络，位于第一横截面中。本发明的装置还可以具有第二、第三乃至更多导热管道网络，分别位于第二、第三乃至更多横截面中。第二横截面可以在第一横截面的下游。多个导热管道网络是互相流体连通的，从而使得经过均匀化但仍不够均匀的烟气继续均匀化。

可以根据需要选择合适的相变温度和相应的相变介质。目前，燃煤锅炉scr技术成熟的催化剂为v2o5-tio2催化剂，正常工作温度范围为310℃至420℃，最佳温度范围在340℃至360℃之间。因此，优选将相变介质所处的液-气相变温度调节至300℃至450℃之间，优选310至420℃之间，更优选340℃至360℃之间。对于该温度范围，可以采用在常压下的液-气相变温度在300℃至450℃之间的物质作为相变温度。这样，当相变介质工作时，其工作压力在常压附近，便于控制。汞是合适的相变介质。汞的沸点为357℃，并且可以容易地通过压力变化将相变温度调节至所需值。常规航空燃油的沸点在200至400℃之间，因此也可以选用合适的航空燃油。还可以使用沸点为400℃的聚四氟乙烯。

在一个实施方案中，可以使烟气自上而下通过安装有本发明的装置的竖向烟道。当局部烟气温度高于该处相变介质的气化温度时，相变介质会被气化，并吸收大量的热量，直到该局部烟气温度等于相变介质的气化温度；同理，当局部烟气温度低于该处相变介质的气化温度时，相变介质会被液化，并放出大量的热量，这部分热量会加热烟气，使得烟气温度提高。由于介质相变热量非常巨大，所有，这种方式能够实现高效快速的热量传递。最终使得结果该装置后的烟气均接近介质的液-气相变温度，实现大截面上烟气温度分布的均衡。

可以根据待均匀化的烟气的温度来调节液-气相变温度，使得其位于横截面中烟气的最高温和最低温之间。优选地，目标均匀化温度设置在与所述相变介质发生热交换前的烟气的平均温度±0.5℃的范围内。从而使平均化的烟气温度基本上为烟气的平均温度。

本发明的装置可以自动且快速的实现高温区域向低温区的热量传递，进而维持scr烟道内烟气温度分布的均匀性，提高脱硝反应速率，提高脱硝系统性能。

本发明还提出了一种烟气温度均匀化方法，所述方法包括：

在烟道的第一横截面中设置相变介质；

将相变介质的压力设置为使得所述相变介质的液-气相变温度处于目标均匀化温度，并且将相变介质的温度设置在所述液-气相变温度；以及

使烟气通过所述横截面，并且与所述相变介质发生热交换，从而使温度高于所述目标均匀化温度的烟气降温并且使温度低于所述目标均匀化温度的烟气升温；

其中，在发生所述热交换的过程中，保持所述相变介质的压力稳定，从而保持所述相变介质处于所述目标均匀化温度。

本发明的方法使温度不均匀的烟气的温度通过换热向目标均匀化温度靠近，起到温度均匀化作用。此外，通过采用相变吸收和放出的热量，可以快速地实现温度均匀化。

还可以在第一横截面下游的烟道的第二横截面中设置相变介质，所述第二横截面中的相变介质与所述第一横截面中的相变介质流体连通。这样，可以使已经经过均匀化的烟气的温度进一步均匀化。

优选地，所述目标均匀化温度在与所述相变介质发生热交换前的烟气的平均温度±0.5℃的范围内。这样，可以使烟气在温度均匀化后基本处于其平均温度。

图1是本发明的装置的一个实施方案的示意图。

图1的上图是竖直烟道的俯视图。1表示烟道，10表示烟道壁。2是在烟道横截面中的导热管道网络，21表示导热管道壁。3是压力控制器，4是压力调节管，41是压力调节管端口。51(52)是填充在导热管道网络中的相变介质。烟气在1中垂直于纸面方向流动，并且经过导热的管道壁21与管道网络2中的相变介质51(52)进行热交换。导热管道网络2通过压力调节管4与压力控制器3流体连通。压力调节管4上可以具有端口41。

下图是上图沿a-a′方向的剖视图。其中，相变介质处于液-气相变温度，因此由气相51和液相52组成。注意此处51和52之间的液-气相界面仅是示意性的。当相变介质从烟气吸热时，将在相变温度由液相52变为气相51，但温度保持不变。反之，当烟气从相变介质热时，相变介质将在相变温度由气相51变为液相52，温度也保持不变。

图2示出了当温度不均匀的烟气通过导热管道网络时的示意图。从上方流入的烟气用箭头表示，温度分别为t1、t2和t3，并且t1＞t2＞t3。通过压力控制器3经由压力调节管4将相变介质的压力调节为使其液-气相变温度在目标均匀化温度处。例如，使目标均匀化温度为中间温度t2。同时，将导热管道网络2中的相变介质的温度调节至t2。此时，相变介质处于气相51与液相52共存的状态，并且温度为t2。温度t1的烟气与该局部的相变介质换热，使得该处部分液相相变介质52吸热变为气相51。而温度t3的烟气则使局部的气相51变为52。当压力控制器将压力控制管端口41处的相变介质压力保持不变的情况下，导热管道网络中的相变介质的相变温度将保持在t2，从而可以持续地将t1的烟气降温，并将t3的烟气升温。这样，在理想的情况下，经过导热管道后，各处烟气都变为相变温度t2。

图1和图2仅是示意性的。可以设计各种具体结构的导热管道网络。

图3示出了本发明的另一个实施方案的示意图。在图2的基础上，在导热管道网络下游再设置一个导热管道网络，两者可以分别称为第一、第二导热管道网络。下游的第二导热管道网络可以将在第一导热管道网络处未能完全温度均匀化的烟气进一步均匀化，从而更加接近目标均匀化温度。

图4示出了压力控制器的一种实施方案的示意图。其是一个腔室，左侧与压力控制管连通。腔室顶部具有可上下移动的活塞6，从而腔室体积可以改变。活塞外侧施加确保液-气相变温度为目标均匀化温度的压强p0。腔室内部也填充相变介质51(气相)和52(液相)，并且其温度也处于相变温度。腔室外壳6可以为绝热材料，以使腔室内的相变介质与外部绝热。

图5示出了压力控制器的一种实施方案的示意图。图中，左下方的矩形简化表示导热管道网络，其中包括气态和液态相变介质。在导热管道网络中设置有压力测量装置如压力表，其测量导热管道网络中的压力并且将测量值送至用于控制压力的计算机。压力控制器还包括负压储罐和正压储罐，它们分别通过压力调节管连接至导热管道网络。在图中，负压储罐中储存气相相变介质，并且在正压储罐中储存液相相变介质。在两根压力调节管上分别设置有减压阀和加压阀。储罐中的压力也通过压力表测量并送至计算机。压力控制器还包括与储罐连接的压力泵。

当从导热管道网络测得的压力低于保持稳定相变温度的压力时，计算机控制打开加压阀，使得相变介质进入导热管道网络，从而提高其中的压力至预期值。反之，当测得导热网络中压力过高时，计算机打开减压阀，使一部分相变介质排出到负压储罐中，从而降低压力至预期值。

例如，压力控制器可以由压力表、高压储罐0.1mpa、负压储罐-0.5mpa、增压阀、减压阀、压力泵、以及计算机构成。此处压力均为相对压力。

当需要将压力控制在0.01mpa时，计算机在检查到实际压力小于需要的压力时，控制打开增压阀，将液态的介质送入装置中，随着介质的送入，装置中压力不断提高，当压力表检测到实际压力达到0.01mpa时，计算机控制关闭增压阀。

运行过程中，高压储罐单向送往装置；装置又单向送往负压储罐。所以最终会导致高压储罐压力越来越低，负压储罐压力越来越高。压力泵的作用是维持两个储罐的压力的。当储罐的压力偏离正常值时，启动压力泵，提高高压储罐压力，降低负压储罐压力。

图6显示了汞的相图，显示了在不同压力和温度下汞的相。从相界线可以看出相变温度和压力呈正相关的关系。在常压附近，即约0.1mpa处，汞的液-气相变温度在300至400℃之间，示于作为本发明的烟气温度均匀化装置的相变介质。

以下通过实施例进一步说明本发明。

实施例：

某火电机组额定负荷为600mw，其scr区域烟道尺寸为10米*9米。烟气体积流量为500000nm³/h。烟气密度为1.34kg/m³，因此烟气质量流量为670000kg/h。烟道中烟气平均温度为350℃，温度偏差为±10℃。烟道一侧为高温区，温度为360℃，另一侧为低温区，温度为340℃。两侧的烟气流量基本相等。

常规烟气的定压比热为约1.15kj/(kg*k)。为了使烟道两侧的烟气达到350℃，单位时间的换热量需求将为2140.3kw。在采用横截面中的换热器来完成换热的情况下，假如换热器管道占横截面积1/9，即总换热面积为10m²。需要的换热系数将为21402.8w/(m²*k)。

如此高的换热系数对于常规的不涉及相变的换热介质来说是难以达到的。例如，即使采用水的强迫对流换热，换热系数也仅为1000～15000w/(m²*k)，远远不能满足需求。

相变过程中，汽化热(也叫潜能)往往很大，所以相变换热的换热系数远远大于对流换热系数。例如，若采用汞作为相变介质，其潜热为272kj/kg。也就时说，在高温区(360℃)汞吸收烟气的热量，按7.8kg/s的速度从液态变为气态；在低温区(340℃)汞释放热量，按7.8kg/s的速度从气态变为液态，即可快速地使高低温区的温度都达到350℃，从而实现温度均衡。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。