一种用于垃圾焚烧锅炉SNCR脱硝的喷枪跟随及冷却系统的制作方法

本发明涉及环保脱硝，具体涉及一种用于垃圾焚烧锅炉sncr脱硝的喷枪跟随及冷却系统。

背景技术：

1、随着生活垃圾焚烧发电项目烟气超净排放的逐渐普及，烟气处理成本大幅度增加，其中氮氧化物对烟气处理成本影响程度最大。nox排放指标从早期的250mg/m³逐步加严至80mg/m³，sncr脱硝技术由于效率较低，难以满足日益加严的排放要求。为保证烟气达标排放，很多项目采用scr脱硝技术，scr脱硝能力强且稳定，但烟气处理成本增加接近10倍；部分项目运行负荷不饱满，导致生存压力增大。为减少处理成本，部分项目增加烟气再循环系统，能够从源头减少nox，运行成本低，但运行过程中由于低氧会造成锅炉负荷波动较大，一氧化碳较难控制，且回流烟气温度较低，容易造成烟道低温腐蚀。部分项目还会使用pncr脱硝技术，即使用高效脱硝剂在锅炉一烟道或二烟道进行脱硝，运行成本较低，但存在nox和氨逃逸排放指标不稳定的问题，在锅炉负荷波动时，烟气排放指标会产生较剧烈变化，无法保证烟气达标排放。

2、现有低成本运行的sncr脱硝技术脱硝效率通常在30%-70%，理论上能够满足部分生活垃圾焚烧项目的排放标准，但其脱硝效率低的主要原因在于喷入点长期不在最佳反应温度区间。sncr脱硝技术使用尿素的最佳反应温度为900-950℃，而锅炉烟温通常在850-1100℃波动。但由于锅炉工况随垃圾成分、垃圾投加量及其他运行参数不断变化，炉温波动较大，而sncr脱硝系统尿素溶液或氨水的喷入位置固定，当喷枪所在位置温度偏离最佳反应温度区间时，脱硝效率显著降低，需要喷入更多尿素或氨水，导致氨逃逸增加、物耗增加。

3、此外，喷枪伸入锅炉内部后需要承受900℃以上的高温，尿素溶液或氨水容易在喷枪内瞬间汽化，最终无法顺利喷出；同时，喷枪还易发生高温腐蚀，导致其使用寿命会急剧缩短。现有喷枪冷却技术中，仅采用单一水冷模式时，在900℃以上高温工况下极易发生膜态沸腾，导致冷却管壁局部过热烧毁，喷枪冷却彻底失效；而仅采用单一空冷模式时，受空气比热容与换热效率限制，通常只能将喷枪本体温度降低至400℃左右，仍无法满足喷枪长期运行的温度要求，无法避免高温腐蚀导致的寿命衰减问题。

技术实现思路

1、为了解决上述背景技术中提出的技术缺陷，本发明的目的是提供一种用于垃圾焚烧锅炉sncr脱硝的喷枪跟随及冷却系统，通过温度场精准测量、喷枪跟随移动和双层冷却保护，使sncr脱硝喷入点始终保持在最佳反应温度区间，提高脱硝效率，降低氮氧化物排放、氨逃逸和还原剂消耗，并保证喷枪在高温环境下长期稳定运行。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种用于垃圾焚烧锅炉sncr脱硝的喷枪跟随及冷却系统，包括：

4、温度测量系统，设置于锅炉一烟道中上部，所述温度测量系统包括沿锅炉一烟道周向布置的多个温度检测单元，所述多个温度检测单元用于采集锅炉一烟道内的温度场数据；

5、喷枪跟随系统，包括雾化喷枪、驱动机构和控制器；所述雾化喷枪伸入锅炉一烟道内，所述驱动机构与雾化喷枪传动连接，用于驱动所述雾化喷枪在锅炉一烟道内移动；所述控制器分别与温度测量系统和锅炉尾部烟气在线监测系统通信连接，所述控制器被配置为根据所述温度场数据控制所述驱动机构动作，使所述雾化喷枪的喷入点位于预设最佳反应温度区间，并根据所述烟气在线监测系统反馈的氮氧化物浓度和氨逃逸浓度调节所述雾化喷枪的还原剂流量；

6、喷枪冷却系统，包括套设在所述雾化喷枪外侧的双层冷却套管；所述双层冷却套管与所述雾化喷枪同步移动，所述双层冷却套管由外管和设置于所述外管内的内管组成，所述内管与所述雾化喷枪之间形成水冷却通道，所述外管与所述内管之间形成空气冷却通道；所述空气冷却通道与压缩空气源连通，所述水冷却通道与冷却水源连通。

7、优选的，所述空气冷却通道内设置有多个外肋片，所述外肋片沿所述内管的外周周向等分布置。

8、优选的，所述水冷却通道内设置有多个内肋片；所述内肋片沿所述雾化喷枪的外周周向等分布置。

9、优选的，所述空气冷却通道具有空气进口和空气出口，所述水冷却通道具有冷却水进口和冷却水出口；所述空气进口邻近所述冷却水出口设置，所述空气出口邻近所述冷却水进口设置，使所述空气冷却通道内的空气与所述水冷却通道内的冷却水形成逆流换热。

10、优选的，所述温度检测单元为红外温度探头，所述红外温度探头沿锅炉一烟道的周向环形布置；所述温度测量系统的测温范围为850℃-1050℃。

11、优选的，所述控制器包括温度场预测模块，所述温度场预测模块被配置为记录所述温度场数据以及锅炉工况数据，并基于大数据和人工智能模型预测锅炉一烟道内温度场的变化趋势，在锅炉工况数据发生变化时提前控制所述驱动机构动作；所述锅炉工况数据包括垃圾投加量、锅炉负荷、氧含量、垃圾厚度、风机流量和污染物浓度中的至少一种。

12、优选的，所述雾化喷枪为一根或多根；所述驱动机构包括导轨、丝杠、卷扬机构或机械臂，用于驱动所述雾化喷枪沿锅炉一烟道的高度方向和/或沿温度场等温线方向连续移动。

13、优选的，所述雾化喷枪的还原剂为尿素溶液或氨水。

14、优选的，所述喷枪冷却系统的冷却参数计算方法包括以下步骤：

15、s1、初选设计参数：所述设计参数包括最大插入高温区长度lmax、空冷结构外径do、水冷结构外径di、水冷套内径dwi、喷枪外径dg、炉膛烟气温度tg、外层套筒允许壁温t1、炉内综合换热系数h、空气入口温度ti、空气出口温度to、冷却水入口温度tn、冷却水出口温度tu、喷枪允许温度ta、空冷风量va及冷却水流量vw；

16、s2、按式（1）和式（2）计算空冷侧热负荷q和高温段外壁面积a：

17、q=h·a·(tg-t1)　（1）

18、a=π·do·lmax　 （2）

19、s3、按式（3）计算空冷所需空气质量流量m，并按式（4）计算空冷所需体积风量va：

20、m=q/[c·(to-ti)]     （3）

21、va=k·(m/ρ)·3600　　（4）

22、其中，c为空气定压比热，ρ为空气平均密度，k为风量余量系数，k≥1.5；

23、s4、按式（5）至式（8）校核空冷侧换热面积：

24、u=1/(1/h + 1/ho)　（5）

25、δt=[(tg-ti)-(tg-to)]/ln[(tg-ti)/(tg-to)]　　（6）

26、a1=q/(u·δt)　（7）

27、判断 a0=π·do·lmax≥a1 （8）

28、其中，u为总传热系数，ho为空冷侧有效换热系数，根据空冷侧对流换热系数和肋片参数确定；δt为烟气与空气之间的对数平均温差；a1为以外壁光管面积为基准的所需换热面积；a0为以外壁光管面积为基准的实际换热面积；

29、s5、按式（9）至式（13）计算并校核水冷侧参数：

30、qw=kw·q　　（9）

31、mw=qw/[cp·(tu-tw)]　　（10）

32、nu=0.023·re^0.8·pr^0.4　 （11）

33、hw=nu·kw/dh　　 （12）

34、tp=tw+qw/(hw·ag)　　（13）

35、判断 tp≤ta

36、其中，qw为水冷侧热负荷，kw为水冷负荷系数；mw为冷却水质量流量；cp为水的定压比热；nu、re、pr分别为水侧努塞尔数、雷诺数和普朗特数；kw为水的导热系数；dh为水冷环隙水力直径；hw为水侧对流换热系数；tw为冷却水平均温度；ag为喷枪高温段外壁面积；tp为喷枪外壁温度；

37、s6、根据步骤s2至s5的计算结果，确定设计参数或调整：

38、当步骤s4的校核结果满足a0≥a1、且步骤s5的校核结果满足tp≤ta时，将步骤s1中所初选的设计参数确定为所述双层冷却套管的最终结构参数；

39、当步骤s4的校核结果不满足a0≥a1时，调整步骤s1中的肋片数量 n、肋片高度h、肋片厚度t、空冷结构外径do或空冷风量va中的至少一项，并返回步骤s2重新校核；

40、当步骤s5的校核结果不满足tp≤ta时，调整步骤s1中的冷却水流量vw、水冷套内径dw、水冷结构外径di或喷枪允许温度ta对应的套管材质中的至少一项，并返回步骤s2重新校核；

41、其中，所述双层冷却套管的最终结构参数包括：空冷结构外径 do、水冷结构外径di、水冷套内径dwi、肋片数量n、肋片高度h、肋片厚度t、空冷风量va、冷却水流量vw和套管材质。

42、优选的，所述风量余量系数为1.5-2.0；所述空气冷却通道内的空气流速大于10m/s；所述冷却水体积流量为1.0-2.0m³/h；所述水冷却通道内的冷却水压力≥1.0mpa。

43、综上所述，本发明的有益效果为：

44、1.本发明通过温度测量系统实时获取锅炉烟道内的温度场分布，再由喷枪跟随系统带动雾化喷枪移动，让脱硝还原剂始终喷入最佳反应温度区间，从根本上解决了固定喷枪因炉温波动偏离最优反应区间导致的脱硝效率下降问题，在保证排放达标前提下，可有效降低还原剂消耗量与氨逃逸量。

45、2.本发明采用空冷结合水冷的双层逆流冷却结构，相较于单一水冷或单一空冷方案，冷却效果更稳定，既避免了高温下单一水冷易发生的膜态沸腾烧毁管壁问题，也解决了单一空冷难以将喷枪温度降至允许范围的缺陷，配合本发明提出的冷却参数计算方法，可精准匹配设计要求，保障喷枪在900℃以上的锅炉高温环境中长期稳定运行，大幅延长喷枪使用寿命，降低运维更换成本。

46、3.相较于scr脱硝技术，本发明改造成本低、运行成本低，能够在现有sncr脱硝装置基础上升级改造，适合运行负荷波动较大、成本压力较高的生活垃圾焚烧项目应用，可在满足现行氮氧化物排放要求的同时，大幅降低烟气脱硝的运行成本，提升项目整体经济效益。