CN103418238B - 流控制栅格 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及流控制栅格。一种流控制栅格包括连接到彼此上的多个通道组件。多个通道组件中的各个限定流矫直区段和流转向区段。流转向区段具有弓形节段和第一基本平坦节段。第一基本平坦节段定位在流矫直区段中。弓形节段从流矫直区段向外延伸。

Description

流控制栅格
技术领域
公开的主题涉及流控制栅格，并且更特别地涉及包括流矫直区段和流转向区段的流控制栅格，流矫直区段具有多个流通道组件，而流转向区段具有多个转向导叶，转向导叶延伸到流矫直区段中，并且与流矫直区段协作，以使流体流的方向改变，以及在流控制栅格的出口上形成均匀的流速度分布。
背景技术
世界上使用的大部分能量源自含有碳和氢的燃料(诸如煤、石油和天然气)的燃烧。除了碳和氢以外，这些燃料还包含氧、水分和污染物。烟道气是燃料燃烧的副产物，并且可包含灰、硫(常常呈硫氧化物的形式，其被称为“SOx”)、氮化合物(常常呈氮氧化物的形式，其被称为“NOx”)、氯、汞和其它微量元素。人们意识到在燃烧期间释放的污染物有损害作用，这触发对功率装置、精炼厂和其它工业工艺的排放实施越来越严格的限制。这样的装置的运营商在实现污染物近零排放方面受到增大的压力。
响应于对实现污染物近零排放的期望，已经开发出许多工艺和系统。系统和工艺包括(但不限于)选择性催化还原(SCR)系统、脱硫系统(其被称为湿法烟道气脱硫“WFGD”和干法烟道气脱硫“DFGD”)、颗粒过滤器(其包括例如，袋室、颗粒收集器等)，以及使用一种或多种吸收来自烟道气的污染物的吸收剂。
在商业性SCR系统的固体催化剂表面上的化学反应将NOx转化成N2。典型地，固体催化剂设置在形成于栅格中的衬底上，栅格构造成允许烟道气流过栅格，以及与催化剂反应。关于SCR系统的一个问题在于，催化剂的活性取决于温度和烟道气组分，并且会随时间的推移而退化。例如，由于通过栅格的一部分的烟道气的局部高速而导致的腐蚀的原因，可能需要过早地更换催化剂。但是，控制烟道气进入栅格的速度可为困难的，因为典型地，烟道气一般从一侧水平地进入SCR，而且必须在栅格的入口处转向和变成向下的方向。用于改变烟道气的方向且试图对进入栅格的烟道气建立均匀的速度分布的设备典型地较大，而且使SCR显著地增高。这样的设备非常重，难以安装，而且增加的SCR高度会产生增加的成本。因此，需要一种较紧凑和有效的流控制栅格，其可改变流体流的方向，以及在其出口处产生基本均匀的速度分布。
发明内容
根据本文示出的方面，提供一种流控制栅格，其包括连接到彼此上的多个通道组件。多个通道组件中的各个限定流矫直区段和流转向区段。流转向区段具有弓形节段和第一基本平坦节段。第一基本平坦节段定位在流矫直区段中。弓形节段从流矫直区段向外延伸。
根据本文公开的其它方面，提供一种用于控制流体速度的管道，其包括与罩区段处于流体连通的入口导管。管道包括延伸穿过罩区段的、呈阶梯式构造的流控制栅格。管道还包括连接到彼此上的多个通道组件。多个通道组件中的各个限定流矫直区段和流转向区段。流转向区段具有弓形节段和基本平坦节段。基本平坦节段定位在流矫直区段中，而弓形节段从流矫直区段向外延伸。
附图和详细描述举例说明以上描述和其它特征。
附图说明
现在参照附图，附图是示例性实施例，以及其中，以相同的方式对相同元件编号：
图1是其中包括选择性催化还原(SCR)反应器的功率装置系统的示意图；
图2是其中安装有流控制栅格的SCR的侧视平面图；
图3是在图2的横截面3-3上得到的图2的流控制栅格的一部分的俯视图；
图4是图3的流控制栅格的一部分的放大图；
图5是离开流控制栅格的流体流的随入口到栅格的距离而改变的归一化速度的速度分布图；
图6是离开流控制栅格的流体的随入口到栅格的距离而改变的进入角的图表。
具体实施方式
现在参照图1，诸如燃煤式功率装置的功率装置大体由标号10标示。功率装置10包括炉12，炉12限定燃烧室14和定位在燃烧室下游的烟道气出口区段16。烟道气出口区段16通过管道20而与选择性催化还原(SCR)反应器18处于流体连通，并且联接到SCR反应器18上。管道20连接在出口区段16的出口22和SCR反应器18的入口24之间。SCR反应器18限定出口26，出口26与空气预热器28处于流体连通。静电除尘器30与空气预热器28处于流体连通，并且定位在空气预热器28下游。烟道气脱硫系统(FGDS)32与静电除尘器30处于流体连通，并且定位在静电除尘器30下游。烟囱34与FGDS 32和抽风机33处于流体连通，并且定位在FGDS 32和抽风机33下游。
SCR反应器18限定主体区段18A，主体区段18A具有下部下游端，下部下游端定位在出口26附近，并且与出口26处于流体连通。反应器18还限定罩区段18B，罩区段18B定位在入口24附近，并且与入口24处于流体连通。两个催化剂栅格36定位在由SCR反应器18限定的内部区域18C中。催化剂栅格36具有延伸通过其中的多个流径36A。催化材料36B设置在催化剂栅格36的表面上，使得与从另一个栅格46中喷射出的氨一起流过催化剂栅格36的烟道气暴露于催化材料，并且与催化材料反应，以从烟道气中移除诸如NOx的污染物。
SCR反应器18还包括流控制栅格40，流控制栅格40在罩区段18B中定位在入口24的下游，以及在催化剂栅格36的上游且在其上方。流控制栅格40限定定位在流控制栅格40的下部节段(例如下游)中的流矫直区段42。流控制栅格40还包括流转向区段44。流转向区段44包括第一节段44A和第二节段44B，第一节段44A从流矫直区段42向外延伸，并且定位在流矫直区段42的上方(例如，上游)，而第二节段44B定位在矫直区段42中，并且构成矫直区段42的一部分。流控制栅格40构造成使流体流有九十度的方向变化，以及在流控制栅格的出口40B上形成均匀流速分布。例如，参照图2，流体流的方向从大体平行于管道20中的被标示为X轴的轴的第一方向F1变成流控制栅格40下面的第二方向F2。流体在管道20和出口40B之间沿箭头F3的大体方向流动。第一方向F1定向成与第二方向成九十度，并且大体平行于被标示为Z轴的轴。虽然显示和描述了流控制栅格40会实现九十度的流向变化，但本公开在此方面不受限制，因为流控制栅格可构造成有其它大小的流向变化，包括(但不限于)具有大于或小于九十度的大小的那些。
参照图2，显示了控制栅格40具有十六个通道组件51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65和66，它们定位在罩区段18B中呈阶梯式构造，阶梯式构造具有由第一基准线R1和第二基准线R2之间的角度S限定的坡度。在一个实施例中，角度S为大约8度至大约12度。通道组件52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65和66中的各个沿箭头T的方向(例如，向上)与通道组件51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64和65中的相邻的且在入口24侧的相应的一个偏开。例如，通道组件52沿箭头T指示的方向与通道组件51偏开距离G。虽然显示和描述了控制栅格40具有十六个定位在罩区段18B中的通道组件51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64，65和66，但本公开在此方面不受限制，可采用任何数量的通道组件。角度S可取决于实际的管道尺寸而改变。
如图3中显示的那样，流通道51、52、53和54从SCR反应器18的第一侧18F延伸，并且固定到第一侧18F上，而且在SCR反应器18的第二侧18R处终止，并且固定到第二侧18R上。类似于图3中针对流通道51、52、53和54所显示的那样，流通道55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65和66也从SCR反应器18的第一侧18F延伸，并且固定到第一侧18F上，而且在SCR反应器18的第二侧18R处终止，并且固定到第二侧18R上，这类似于针对流通道组件51、52、53和54所描述和显示的。如图2中显示的那样，通道组件51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64，65和66布置成从入口24附近的区域40S开始的阶梯式构造40。通道组件51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64，65和66的端面68定位成沿箭头U的大体方向，沿对角线跨过罩区段18B的第一侧18F和第二侧18R，以及在罩区段18B的角部40T附近终止。如图2和3中示出的那样，两个板72沿横向延伸跨过通道组件51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65和66，并且支承通道组件。各个板72的一个边缘72E固定到由罩区段18B限定的内表面18T上。
参照图2-4，在入口24附近的流通道组件51包括转向导叶51A和五个流板51B、51C、51D、51E和51F，流板定位成基本平行于彼此，并且彼此间隔开距离W1。流板51B、51C、51D、51E和51F中的各个基本是平坦的，并且具有高度H和厚度W3。转向导叶51A由下者限定：1)在第一点77和第二点75之间延伸的第一基本笔直区段51J；2)弓形节段51K，其在第二点75和第三点74之间延伸，并且具有曲率半径R5；以及3)第二基本平坦区段51L，其从第三点74延伸，并且在第四点76(即，平坦区段51L的远端)处终止。第二基本平坦区段51L相对于基准线R3以角度A2偏离流板51B、51C、51D、51E和51F。第二基本平坦区段51L和弓形节段51K在流板51B、51C、51D、51E和51F上面，沿箭头T2指示的方向，朝入口24延伸距离W2。在一个实施例中，距离G为高度H的大约三分之一。在一个实施例中，距离W2大约等于距离W1的五倍加上厚度W3的大约五倍。在一个实施例中，角度A2为大约十度。在一个实施例中，距离W1为大约四英寸。虽然描述了角度A2为大约十度，但本发明在这方面不受限制，因为角度A2可为其它大小，包括大于或小于十度的那些。虽然描述了距离W1为大约四英寸，但距离W1可为大于或小于四英寸的其它大小。
流板51B、51C、51D、51E和51F的相邻的一对在它们之间限定流径70(例如，具有长方形横截面的流径)。第一基本笔直区段51J和流板51B在它们之间限定另一个流径70。各个流径70在入口平面79和出口平面80它们之间延伸。转向区域78限定在第二基本平坦区段51L和弓形节段51K和入口平面79之间。在转向区域78中，沿方向F1流动的流体转向九十度到达方向F2，如箭头F3显示的那样。
第四点76沿箭头T指示的方向，与入口平面79间隔开距离H2，沿着垂直于入口平面的线测量距离H2。流通道组件51具有总高度H3，总高度H3等于距离H2和流板51B、51C、51D、51E和51F的高度H的总和。
参照图2-4，定位在流通道组件51和53之间的流通道组件52包括转向导叶52A和八个流板52B、52C、52D、52E、52F、52G、52H和52I，流板定位成基本平行于彼此，并且彼此间隔开距离W1。流板52B、52C、52D、52E、52F、52G、52H和52I中的各个基本是平坦的，并且具有高度H。转向导叶52A由下者限定：1)在第一点77和第二点75之间延伸的第一基本笔直区段52J；2)弓形节段52K，其在第二点75和第三点74之间延伸，并且具有曲率半径R5；以及3)第二基本平坦区段52L，其从第三点74延伸，并且在第四点76处终止。第二基本平坦区段52L相对于基准线R3，以角度A2偏离流板52B、52C、52D、52E和52F。第二基本平坦区段52L和弓形节段52K在流板52B、52C、52D、52E和52F上面朝入口24延伸距离W2。
流板52B、52C、52D、52E、52F、52G、52H和52I的相邻的一对在它们之间限定流径70。第一基本笔直区段52J和流板52B在它们之间限定另一个流径70；而第一基本笔直区段51J和流板52I在它们之间限定另一个流径70。各个流径70在入口平面79和出口平面80之间延伸。转向区域78限定在第二基本平坦区段52L和弓形节段52K和入口平面79之间。在转向区域78中，沿方向F1流动的流体转向九十度到达方向F2。第四点76沿箭头T指示的方向，与入口平面79间隔开距离H2，沿着垂直于入口平面的线测量距离H2。流通道组件52具有总高度H3，总高度H3等于距离H2和流板52B、52C、52D、52E、52F、52G、52H和52I的高度H的总和。
流通道组件53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64和65中的各个构造成类似于流通道组件52。流通道组件66构造成类似于流通道组件51。因此，对相同元件分配相同元件标号和字母。例如，流通道组件53包括转向导叶53A和八个流板53B、53C、53D、53E、53F、53G、53H和53I，流板定位成基本平行于彼此，并且彼此间隔开距离W1。流板53B、53C、53D、53E、53F、53G、53H和53I中的各个基本是平坦的，并且具有高度H。转向导叶53A由下者限定：1)在第一点77和第二点75之间延伸的第一基本笔直区段53J；2)弓形节段53K，其在第二点75和第三点74之间延伸，并且具有曲率半径R5；以及3)第二基本平坦区段53L，其从第三点74延伸，并且在第四点76处终止。第二基本平坦区段53L相对于基准线R3，以角度A2偏离流板53B、53C、53D、53E和53F。第二基本平坦区段53L和弓形节段53K在流板53B、53C、53D、53E和53F上面，朝入口24延伸距离W2。流通道组件51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64，65和66各自具有总高度H3，总高度H3等于距离H2和高度H的总和。
参照图2和4，流通道组件51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64，65和66各自限定第一纵横比A1，第一纵横比A1等于高度H除以距离W1。在一个实施例中，第一纵横比A1等于大约3至大约4.5。虽然描述了第一纵横比A1等于大约3至大约4.5，但本公开在此方面不受限制，因为第一纵横比A1可为其它大小，包括(但不限于)以下范围：2至9。
发明人进行了大量的计算流体动态分析，与传统逻辑相反，该分析表明，与具有较高纵横比的栅格相比，具有等于大约3至大约4.5的第一纵横比A1的通道组件51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64，65和66会产生更均匀的流速分布和流角度。
参照图2和3，第一流分配阵列82定位在管道20和罩区段18B中；而第二流分配阵列84在管道20中定位在入口24上游。第一流分配阵列82由成第一排82A的十二个基本圆柱形部件(诸如(但不限于)各自具有直径D9的管86)和成第二排82B的十三个基本圆柱形部件(诸如(但不限于)各自具有直径D10的管86)限定。管86中的一个定位在罩区段18B中。排82A和82B彼此间隔开距离W5，并且相对于基准线R9倾斜角度S9。在一个实施例中，直径D9为大约2英寸，间隔W5为大约六英寸，而角度S9为大约四十五度。第二流分配阵列84由四个基本圆柱形部件限定，诸如(不限于)具有直径D10的管85。管85布置成两个排84A和84B，排84A中的管85中的两个定位在排84B中的管85上方。管86和85在管道20的第一侧20F和第二侧20R之间延伸，并且固定到第一侧20F和第二侧20R上。管86中的一个定位在罩区段18B的第一侧18F和第二侧18R之间，并且固定到第一侧18F和第二侧18R上。第一流分配阵列82和第二流分配阵列84可用于降低进入入口24附近的流通道组件51的速度。虽然描述和显示了管86中的一个定位在罩区段18B中，但本公开在此方面不受限制，因为任何数量的管可定位在罩区段和/或管道20中。
在SCR反应器18的运行期间，烟道气沿箭头F1的大体方向，从出口区段16中流出，并且进入到管道20中。烟道气沿箭头F3的大体方向行进通过罩区段18B，并且进入到流控制栅格中。流分配阵列82和84将流基本均匀地分配到流通道组件51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65和66中的各个中。烟道气的流向在转向区域78中有九十度的变化，以及然后流过流径70。烟道气沿箭头F2的大体方向离开流径70。流通道组件51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65和66和/或流分配阵列82和84协作，以在流通道组件的下游，从用于允许进入催化剂栅格36的点40V至另一个点40W，产生基本均匀的流速分布。在本文中根据烟道气离开各个流径70的归一化速度来描述均匀的流速分布。归一化速度在本文中被定义为在点40V和点40W之间的某一点处的流体流的速度除以在点40V和点40W之间的多个点处的流体流的平均速度。例如，如图5中显示的那样，在V轴上显示在出口平面80附近离开流径70的烟道气的归一化速度，以及在X轴上显示从点40V点到40W的距离的百分比。在一个实施例中，在出口平面80附近离开流径70的烟道气的归一化速度介于大约0.85和1.35之间。特别地，从点40V到点40X定位有从点40V到点40W的距离X1的大约17%的距离，在出口平面80附近离开流径70的烟道气的归一化速度介于大约0.85和1.35之间；而从点40X到点40W，在出口平面80附近离开流径70的烟道气的归一化速度介于大约0.85和大约1.1之间，或者介于大约0.09和大约1.1之间。
参照图2，4和6，在一个实施例中，烟道气在出口平面80附近离开流径70的速度相对于Z轴处于角度θ。对于具有负的X分量Vx(--)和Vz分量的流体向量，角度θ为负。对于具有正的X分量(+)和Vz分量的流体向量，角度θ为正。图6是在θ轴上显示的角度θ的曲线图，并且在X轴上显示从点40V到点40W的距离的百分比。在一个实施例中，烟道气在出口平面80附近离开流径70的角度θ的大部分点在基准线(Vz)Z轴(例如竖轴)的+/-(正或负)15度内。
流控制栅格可操作来在其出口处实现基本均匀的速度分布。在一个实施例中，基本均匀的速度分布由大多数值在大约0.85和1.1之间的归一化速度的最大偏差限定。在一个实施例中，在出口42处的均匀的速度分布由相对于基准线Vz具有在大约+/-15度的范围内的方向的角速度向量限定。流控制栅格可用于在排出包含灰(诸如煤)的烟道气的炉(在较小程度上，燃油炉)中使用的选择性催化还原(SCR)反应器中。在这样的SCR中，由流控制栅格产生的均匀的角速度分布会改进SCR的效率，以及减少高的局部流速引起的腐蚀。本发明的优点在于，降低SCR反应器高度，从而减少建造材料和支承钢材，显著节约材料和劳动力成本。
用语“第一”、“第二”等在本文不表示任何顺序、数量或重要性，相反，它们用来区分一个元件与另一个元件。用语“一个”和“一种”在本文中不表示对数量的限制，而是表示存在至少一个所指项目。
虽然参照多个示例性实施例对本发明进行了描述，但本领域技术人员将理解，可在不偏离本发明的范围的情况下做出各种改变，而且等效物可代替本发明的元件。另外，可在不偏离本发明的实质范围的情况下作出许多改良，以使具体情况或内容适于本公开的教导。因此，意图的是本发明不限于被公开为为了执行本发明而构想的最佳模式的特定实施例，相反，本发明将包括落在所附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (11)

1.一种流控制系统，用于改变流体流的方向并且在管道内产生均匀流体速度，所述流控制系统包括：
流分配阵列，其包括横跨所述管道的宽度延伸的多个管并且固定在所述管道的第一侧和第二侧之间；
彼此相邻地布置并且呈阶梯式构造的多个通道组件，每个通道组件用于接收所述流体流的一部分并且包括：
包括多个流板的流矫直区段，所述多个流板定位成基本平行于彼此并且彼此间隔开，以在间隔的流板之间限定多个流径；
定位在所述流矫直区段上游的流转向区段，所述流转向区段包括转向导叶，用于将所述流体流的相应部分大致引导至由相应所述流矫直区段的流板所限定的多个流径，所述转向导叶具有弓形节段，其从所述流矫直区段向外并且在上游延伸；并且
所述流分配阵列布置在所述通道组件的上游。
2.根据权利要求1所述的流控制系统，其特征在于，所述流矫直区段具有第一高度，并且所述流板彼此间隔开第一宽度，而且所述第一高度除以所述第一宽度限定纵横比，所述纵横比具有3至4.5的大小。
3.根据权利要求1所述的流控制系统，其特征在于，所述流转向区段限定从所述弓形节段延伸的基本平坦区段。
4.根据权利要求1所述的流控制系统，其特征在于，所述流控制系统可操作来实现流过其中的流体的方向的九十度的变化。
5.根据权利要求1所述的流控制系统，其特征在于，所述流控制系统可操作来在其出口处实现基本均匀的速度分布，所述基本均匀的速度分布由这样的归一化速度限定，即，所述归一化速度的大多数值介于0.85和1.10之间。
6.根据权利要求1所述的流控制系统，其特征在于，所述流控制系统可操作来在其出口处实现基本均匀的速度分布，所述基本均匀的速度分布由具有在基准线的+/-15度的范围内的方向的角速度限定。
7.根据权利要求1所述的流控制系统，其特征在于，所述流矫直区段具有第一高度，并且所述流板彼此间隔开第一宽度，而且所述第一高度除以所述第一宽度限定纵横比，所述纵横比具有2至9的大小。
8.一种用于控制流体速度的管道，包括：
与罩区段处于流体连通的入口导管；
根据权利要求1-7中任一项所述的流控制系统，其呈阶梯式构造地延伸穿过所述罩区段。
9.根据权利要求8所述的用于控制流体速度的管道，其特征在于，包括定位在所述流控制系统上游的至少一个流分配阵列。
10.根据权利要求9所述的用于控制流体速度的管道，其特征在于，所述至少一个流分配阵列包括延伸穿过所述管道的至少一个圆柱形部件。
11.根据权利要求8所述的用于控制流体速度的管道，其特征在于，所述管道定位在选择性催化还原反应器中。
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