一种用于中小型船舶SCR系统的尿素强效混合装置

摘要

本发明涉及船舶烟气脱硝设备领域，具体涉及一种用于中小型船舶SCR系统的尿素强效混合装置。一种用于中小型船舶SCR系统的尿素强效混合装置，该装置包括管体和自下而上安装在管体内的多孔板、尿素喷嘴和混合器，所述的整流装置为分布有多个圆孔的多孔板，所述的扰流装置为混合器。本发明的优势在于尿素喷嘴的上游设置整流装置（多孔板），尿素喷嘴的下游设置扰流装置，该结构能够使烟气和尿素喷雾在有限的空间内得到更充分的混合，尿素喷雾能够在较短的时间内吸收更多的烟气废热提高分解速度，从而保证混合烟气到达SCR反应器入口处时NH3/NOX浓度比值达到反应要求。

权利要求

1.一种用于中小型船舶SCR系统的尿素强效混合装置，其特征在于：该装置包括管体和自下而上安装在管体内的整流装置、尿素喷嘴和扰流装置，所述的整流装置为分布有多个圆孔的多孔板，所述的扰流装置为混合器，混合器上固定有若干个呈十字形的翼片，翼片由两片平板交错形成；

多孔板安装在尿素喷嘴上游200cm-340cm处，混合器安装在尿素喷嘴下游300cm-500cm处；所述圆孔在多孔板上呈中心对称分布，各圆孔的圆心间隔为22mm-26mm；沿多孔板半径方向从里到外，各层圆孔的圆心在一系列同心圆上；圆孔直径为16mm-20mm；

混合器主体为不锈钢管，不锈钢管内设有支撑框架，支撑框架上固定有翼片，翼片在不锈钢管内呈中心对称分布；支撑框架由两根互相垂直的长钢条和固定在长钢条上的4根短钢条组成，长钢条沿不锈钢管的直径方向设置，两根长钢条的交叉点即为不锈钢管的圆心，短钢条垂直固定于一根长钢条上且与另一根长钢条相平行；4根短钢条在径向上呈中心对称分布；不锈钢管的长度为45mm-55mm，长钢条直径为5mm-8mm、长度为300mm-330mm，短钢条与平行的长钢条相距54mm-58mm；在每根短钢条的中点上焊接一个翼片，翼片是由两块尺寸相同的钢片焊接而成，使钢片短边与相应短钢条所在的垂直于长钢条的平面距离为42mm-

46mm。

2.根据权利要求1所述的用于中小型船舶SCR系统的尿素强效混合装置，其特征在于：多孔板是直径为300mm-330mm，厚为4mm-8mm的圆形不锈钢板。

3.根据权利要求1所述的用于中小型船舶SCR系统的尿素强效混合装置，其特征在于：多孔板的开孔率为40%-55%。

4.根据权利要求1所述的用于中小型船舶SCR系统的尿素强效混合装置，其特征在于：翼片是由两块尺寸相同、长120mm-130mm、宽40mm-48mm、厚1.0mm-3.0mm的钢片90°交叉焊接而成。

说明书

一种用于中小型船舶SCR系统的尿素强效混合装置

技术领域

[0001] 本发明涉及船舶烟气脱硝设备领域，具体涉及一种用于中小型船舶SCR系统的尿素强效混合装置。

背景技术

[0002] 随着对大气污染治理工作的推进，船舶污染物的排放问题也逐渐突显并受到重视。国际海事组织（IMO）海洋环境保护委员会(MEPC)于2008年10月对“国际防止船舶造成污染公约(MERPOL)”附则VI进行了修正，对船舶在近海排放限制区内航行时的氮氧化物排放提出了更严格的标准，要求氮氧化物排放量达到Tier III标准，以维护近海海域的大气环境以及沿海居民的健康保障。

[0003] 选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction, SCR ）是当前主流的发动机尾气脱硝技术，可以有效脱除氮氧化物，能使船舶尾气达到Tier III排放标准。以尿素为制氨原料的船舶SCR系统运行管理成本较低，且尿素无危险，便于运输、储存和使用。在这一技术中，尿素水溶液喷射雾化质量，尿素的热解效率，氨气与烟气的混合均匀程度对系统的脱硝效率，氨逃逸率和使用寿命有很大的影响。

[0004] 现有技术中也有在SCR脱硝系统中应用尿素混合器的案例。如中国专利CN 201200864 Y设计的X形静态混合器，有效地增强了流体滞留区的扰动，提高了烟气和NH3的混合效果。但该专利对船舶实际运行工况的适应性不佳。船舶作业过程中，其运行工况复杂多变，变工况时烟气流场分布不均，该设计中的混合器板沿同一方向布置不能够很好地改善NH3/NOX浓度空间分布不均的问题。中国专利CN 101900018 A提出了一种由多对相对设置的叶片对组成的尿素混合装置，能使排气通过混合器时产生强烈的气流扰动，混合效果良好，且结构对称，制造方便。但该专利设计会产生不小的压降，带来排气背压升高和发动机有效功率耗损的不利影响。中国专利CN 102242662 B设计的静态混合器设置在尿素喷嘴的上游，使得尿素喷嘴处的流场均匀，扰动增强。但在尿素喷嘴下游未设置混合装置，下游扰动效果不佳，存在流体滞留区，尿素喷雾与烟气混合不充分，尿素溶液不能充分利用烟气热量进行蒸发和热解，尿素热解效率降低。局部低温区还容易形成沉积物，导致设备使用寿命缩短和管道堵塞。

发明内容

[0005] 本发明针对现有SCR系统中尿素喷雾与烟气混合不均匀，尿素热解效率不高易生成沉积物，压降较大，SCR催化器入口速度偏差和NH3/NOX浓度偏差较大等缺陷，提供一种用于中小型船舶SCR系统的尿素强效混合装置。

[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

[0007] 一种用于中小型船舶SCR系统的尿素强效混合装置，该装置包括管体和自下而上安装在管体内的多孔板、尿素喷嘴和混合器，所述的整流装置为分布有多个圆孔的多孔板，所述的扰流装置为混合器。本发明的优势在于尿素喷嘴的上游设置整流装置（多孔板），尿素喷嘴的下游设置扰流装置，该结构能够使烟气和尿素喷雾在有限的空间内得到更充分的混合，尿素喷雾能够在较短的时间内吸收更多的烟气废热提高分解速度，从而保证混合烟气到达SCR反应器入口处时NH3/NOX浓度比值达到反应要求。

[0008] 作为优选，多孔板安装在尿素喷嘴上游200cm-340cm处，混合器安装在尿素喷嘴下游300cm-500cm处。多孔板、尿素喷嘴、混合器沿烟气流动方向依次布置在管道内。

[0009] 作为优选，多孔板是直径为300mm-330mm，厚为4mm-8mm的圆形不锈钢板。

[0010] 作为优选，所述圆孔在多孔板上呈中心对称分布，各圆孔的圆心间隔为22mm-26mm；沿多孔板半径方向从里到外，各层圆孔的圆心在一系列同心圆上；圆孔直径为16mm-
20mm。为保证流场均匀并且一定的背压要求，多孔板的开孔率需在40%-55%之间。发动机尾气经过多孔板后，速度场会变得均匀，多孔板下游的喷嘴喷出的雾滴才能和尾气更均匀的混合，能够提高脱硝效率10%—15%。

[0011] 作为优选，混合器主体为不锈钢管，不锈钢管内设有支撑框架，支撑框架上固定有翼片，翼片在不锈钢管内呈中心对称分布。

[0012] 作为优选，支撑框架由两根互相垂直的长钢条和固定在长钢条上的4根短钢条组成，长钢条沿不锈钢管的直径方向设置，两根长钢条的交叉点即为不锈钢管的圆心，短钢条垂直固定于一根长钢条上且与另一根长钢条相平行；4根短钢条在径向上呈中心对称分布。

[0013] 作为优选，不锈钢管的长度为45mm-55mm，长钢条直径为5mm-8mm、长度为300mm-330mm，短钢条与平行的长钢条相距54mm-58mm。两根互相垂直的长钢条将不锈钢管的圆形截面平均分成四部分。在四个相同的扇形区域内分别固定一短钢条，短钢条固定在长钢条
1/4和3/4处，且与另一根长钢条平行。

[0014] 作为优选，翼片是由两块尺寸相同的长120mm-130mm、宽40mm-48mm、厚1.0mm-3.0mm的钢片90°交叉焊接而成。根据不同的烟道截面尺寸，翼片大小会有所变化。一般来说，翼片投射于所在的烟道截面上的面积约占烟道截面积的45%为宜。过大会使尾气阻力增加，过小则扰动不充分。

[0015] 作为优选，在每根短钢条的中点上焊接一组翼片，使钢片短边与相应短钢条所在的垂直于长钢条的平面距离为42mm-46mm。使4组翼片在烟道截面上均匀分布，尾气经过混合器时会产生强烈的扰动，使尾气和经上游喷嘴喷射出的还原剂充分混合，促进还原剂浓度场的均匀性和尾气速度场的均匀性，既增强了脱硝效率，又防止催化剂表面磨损。

[0016] 作为优选，所述的尿素喷嘴使用SUS 304、SUS 316等材料，避免尿素的腐蚀；多孔板以及混合器采用SUS 304或者碳钢材料，材料选择依据烟气量以及氮氧化物浓度衡量。

[0017] 上游的多孔板的设置能够很好地适应中小型船舶空间小、振动大、工况复杂多变的实际情况。尾气经过多孔板后，烟气在尿素喷嘴处已形成分布均匀且有一定扰动的流场。在船舶工况变动或振动造成排气分布不均的情况下也能保证喷雾质量以及喷雾与烟气及时有效的混合。下游混合器结构中组成翼片的两块钢片呈90°交叉，使得每一钢片背面的流体滞留区都有流经另一钢片的气流填充并形成涡流，使流体滞留区的扰动大大增强。尿素喷雾与烟气能够更为充分地混合，尿素溶液液滴在更短的时间内吸收更多的烟气废热蒸发热解，尿素热解效率提高，产生了更多的还原剂NH3，减少了尿素溶液的浪费。尿素喷嘴下游气流扰动的增强减少了局部低温区的存在，有效改善了因局部低温而造成的沉积现象，延长设备使用寿命，避免管道堵塞带来的不良后果。

[0018] 本发明的尿素强效混合装置的压降不大，可减小发动机有效功率的损耗。且装置结构简单，制造方便，能够根据实际情况的要求调整多孔板圆孔和混合器中钢片等尺寸，以达到最优的效果。最终在SCR催化器入口处形成较为均匀的速度和NH3/NOX浓度分布，提高了SCR系统的脱硝性能，减少了尿素溶液的浪费和氨逃逸造成的污染。

附图说明

[0019] 图1是多孔板的结构示意图；

[0020] 图2是为混合器立体结构示意图；

[0021] 图3是混合器平面设计图；

[0022] 图4是本发明尿素强效混合装置的结构示意图；

[0023] 图5是本发明尿素强效混合装置安装在船舶排气烟道中侧视图；

[0024] 图中：1.连接法兰 2.管体 3. 多孔板 4.尿素喷嘴 5.混合器6. 圆孔 7. 长钢条 8.短钢条 9.钢片 10.SCR催化器 11. 不锈钢管。

具体实施方式

[0025] 下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。应当理解，本发明的实施并不局限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围。

[0026] 实施例1

[0027] 一种用于中小型船舶SCR系统的尿素强效混合装置，如图4所示，该装置包括管体和自下而上安装在管体内的多孔板、尿素喷嘴4和混合器，所述的整流装置为分布有多个圆孔的多孔板3，所述的扰流装置为混合器5，混合器上固定有4个呈十字形的翼片，翼片由两片平板交错形成。多孔板安装在尿素喷嘴上游340cm处，混合器安装在尿素喷嘴下游500cm处。多孔板、尿素喷嘴、混合器沿烟气流动方向依次布置在管道内。管体上焊接有用于与SCR系统相连接的连接法兰1。

[0028] 多孔板的结构见图1，多孔板是由一块直径330mm，厚10mm的圆形钢板制成。板上按一定规律分布着圆孔6：圆孔在多孔板上呈中心对称分布，圆孔圆心间隔26mm；多孔板的中心为第一个圆孔，沿多孔板半径方向从里到外，各层圆孔的圆心在一系列同心圆上；圆孔直径为20mm。

[0029] 混合器的结构如图2和图3，混合器主体为不锈钢管，不锈钢管内设有支撑框架，支撑框架上固定有翼片，翼片在不锈钢管内呈中心对称分布。支撑框架由两根互相垂直的长钢条7和固定在长钢条上的4根短钢条8组成，长钢条沿不锈钢管的直径方向设置，两根长钢条的交叉点即为不锈钢管的圆心，短钢条垂直固定于一根长钢条上且与另一根长钢条相平行；4根短钢条在径向上呈中心对称分布。不锈钢管的长度为55mm，长钢条直径为8mm、长度为330mm，短钢条与平行的长钢条相距58mm。

[0030] 支撑框架将混合器的圆形截面平均分成四个扇区。在四个扇形区域分别固定一短钢条，每一短钢条上焊接由两块的钢片9 90°交叉组成的翼片，每片钢片与烟道横截面呈45°夹角。钢片长130mm、宽48mm，厚3.0mm。

[0031] 多孔板3、尿素喷嘴4、混合器5沿烟气流动方向依次布置在管道内。多孔板设置在喷嘴上游约200—340cm处，混合器设置在喷嘴下游约300—500cm处，如图4所示。

[0032] 实施例2

[0033] 一种用于中小型船舶SCR系统的尿素强效混合装置，如图4所示，该装置包括管体和自下而上安装在管体内的多孔板、尿素喷嘴4和混合器，所述的整流装置为分布有多个圆孔的多孔板3，所述的扰流装置为混合器5，混合器上固定有4个呈十字形的翼片，翼片由两片平板交错形成。多孔板安装在尿素喷嘴上游200cm处，混合器安装在尿素喷嘴下游300cm处。多孔板、尿素喷嘴、混合器沿烟气流动方向依次布置在管道内。管体上焊接有用于与SCR系统相连接的连接法兰1。

[0034] 多孔板的结构见图1，多孔板是由一块直径300mm，厚8mm的圆形钢板制成。板上按一定规律分布着圆孔6：圆孔在多孔板上呈中心对称分布，圆孔圆心间隔22mm；多孔板的中心为第一个圆孔，沿多孔板半径方向从里到外，各层圆孔的圆心在一系列同心圆上；圆孔直径为16mm。

[0035] 混合器的结构如图2和图3，混合器主体为不锈钢管，不锈钢管内设有支撑框架，支撑框架上固定有翼片，翼片在不锈钢管内呈中心对称分布。支撑框架由两根互相垂直的长钢条7和固定在长钢条上的4根短钢条8组成，长钢条沿不锈钢管的直径方向设置，两根长钢条的交叉点即为不锈钢管的圆心，短钢条垂直固定于一根长钢条上且与另一根长钢条相平行；4根短钢条在径向上呈中心对称分布。不锈钢管的长度为45mm，长钢条直径为5mm、长度为300mm，短钢条与平行的长钢条相距54mm。

[0036] 支撑框架将混合器的圆形截面平均分成四个扇区。在四个扇形区域分别固定一短钢条，每一短钢条上焊接由两块的钢片9 90°交叉组成的翼片，每片钢片与烟道横截面呈45°夹角。钢片长120mm、宽40mm，厚1.0mm。

[0037] 多孔板3、尿素喷嘴4、混合器5沿烟气流动方向依次布置在管道内。多孔板设置在喷嘴上游约200—340cm处，混合器设置在喷嘴下游约300—500cm处，如图4所示。

[0038] 以图5所示的尿素强效混合装置安装在某船舶排气管道中为例，尿素强效混合装置的下方与烟气进入管道相连，尿素强效混合装置的上方与SCR催化器10相连。烟气流从管道口进入，经过多孔板后形成初步扰动，于尿素喷嘴处形成均匀且有一定扰动强度的流场，在各种工况下保证了尿素喷雾与烟气较为充分的混合。之后混合烟气流过混合器，扰动进一步加强。尿素的分解率提高，分解产物NH3与烟气混合更为充分，在SCR催化器10的入口处形成烟气流速和NH3/NO浓度均匀的流场。经测试，此装置能够有效提高船舶SCR系统的脱硝效率，最优时脱硝效率达到95%以上。减少尿素溶液的浪费和氨逃逸率。

[0039] 以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。