專利名稱：流體流的混合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及采用至少一個安置在管道內(nèi)的混合裝置在管道中混合流體流的方法，具體地說，本發(fā)明涉及一種用于該方法的新穎的混合裝置。
本發(fā)明特別是涉及一種流體混合方法，該方法適用于包括在廢氣凈化時降低氮氧化物和降低酸霧產(chǎn)生的硫酸的應(yīng)用。
發(fā)明的
背景技術(shù)：
一股流體流或在管道或通道中相互作用的幾股流體流的適當(dāng)混合需要相對湍流區(qū)域的存在，該湍流區(qū)域是橫向于干線主流體流經(jīng)過管道的分速度的產(chǎn)生而帶來的。為得到注入到主流體流的例如一股或多股流體流之間的適當(dāng)混合，需要沿著管道(通道)有一段的距離。通常，這段距離以水管直徑來量化，稱為混合距離。本說明書中，混合距離是指從放置第一混合裝置的點到得到所需的流混合的點間的距離?；旌鲜侵杆婕暗牧髟谫|(zhì)量流量、速度、溫度和存在物質(zhì)的濃度方面的性質(zhì)均一。根據(jù)流體流的類型、相對容積流量和流體流中物質(zhì)濃度等的不同，混合距離可以在1-100倍管道直徑范圍內(nèi)變化。在本發(fā)明說明書中，流體流可以是氣體、液體或懸浮于氣體中的顆粒流，如氣溶膠。氣溶膠是指分散在氣體中的非常小的顆粒的聚集。
降低混合距離是非常需要的，能通過靜態(tài)混合器(也就是不運動混合裝置)的實施而實現(xiàn)。它們基本上是一些沒有驅(qū)動部件的裝置，當(dāng)流體流在經(jīng)過靜態(tài)混合器時混合或攪拌。在靜態(tài)混合器附近產(chǎn)生局部的湍流，從而能得到與混合器接觸的一股或多股流體流的均質(zhì)化。
靜態(tài)混合器的使用存在損失，就是它們的使用造成其自身在管道中有很大的壓力損失，伴隨的影響是昂貴的能量損失。雖然在優(yōu)良的混合極為重要時大量的壓力損失在應(yīng)用中可以接受，但是有效的靜態(tài)混合器或靜態(tài)混合器安置能夠在相對低的壓力損失的情況下，賦予相互作用的不同流間以良好的混合。
相互作用的不同流間的良好混合在涉及氣體凈化(例如來自產(chǎn)生氣體污染物的燃燒設(shè)施或高溫爐的煙道氣)的應(yīng)用中特別關(guān)鍵。在這種情況下，主氣流攜帶的污染物是氮氧化物(NOx)，還原劑例如氨作為第二流的活性物質(zhì)被注入。在該過程中，通過第二流摻入的氨量要比干流或主流的體積流量小得多。從而，少量氨的使用就對均質(zhì)性或氣體混合物的混合程度賦予了很高的要求?；旌蠚怏w向前運行至催化單元，其中氮的氧化物通過與氨的反應(yīng)還原成游離氮。
由于注入攜帶第一主流管道的第二流的出口孔從該管道壁向內(nèi)僅伸出很短的距離，第二流的活性物質(zhì)例如氨的濃度向管道的中心逐漸降低，由此導(dǎo)致不良混合。主流體朝向催化裝置運行時，基本上等濃度的氨遍及管道的整個橫截面是必須的。注入的氨的不良混合或不良均質(zhì)性意味著煙囪中更高的NOx水平以及不想要的通過催化單元未反應(yīng)的氨水平。
可以預(yù)計其他應(yīng)用，例如降低硫酸的生產(chǎn)中酸霧的形成。在濃縮硫酸的過程中會產(chǎn)生硫酸霧。這種酸霧可以看作是一種由硫酸小液滴組成的氣溶膠。來自硫酸生產(chǎn)廠的酸霧排放有嚴(yán)格環(huán)保要求，已經(jīng)公開了一些控制酸霧排放的方法。一種已公開的方法，例如第419,539號歐洲專利中描述的，依靠氣體中存在的小顆粒作為濃縮硫酸的成核種以刺激更大硫酸液滴的產(chǎn)生。在成核種存在下，這些液滴在濃縮發(fā)生時變得更大，因此使隨后的過濾更容易和更有效，從而使酸霧的排放達(dá)到環(huán)境可接受的水平。在這個過程中，成核種的直徑例如低于1μm就可作為顆粒懸浮劑(來自由電焊產(chǎn)生的金屬氧化物的煙，來自燃料燃燒的煙，例如來自硅油燃燒的煙)在硫酸濃縮前加入到供給的空氣。引入包括成核種的流體的合適方法描述于第419,539號歐洲專利中。該方法的成功取決于成核種與硫酸蒸氣相互作用的能力。該相互作用通過混合促進(jìn)。
為使流體流在管道或通道徹底的混合而沒有大量的壓力損失，適當(dāng)?shù)幕旌涎b置，特別是靜態(tài)混合器是必要的，這點現(xiàn)有技術(shù)中已得到普遍認(rèn)可。
第4,527,903號美國專利披露了一種包括形狀不同的漩渦插入表面的系統(tǒng)，用于混合注入到干氣流的至少兩股氣流。該引文的附圖5-10顯示了漩渦插入單元寬范圍的形狀，例如圓形、拋物線形或基本菱形。漩渦插入表面能用于冷卻塔，在這里兩種不同的流注入干氣流或煙囪和管道系統(tǒng)。
第6,135,629號美國專利披露了一種混合裝置或用于混合幾種流體流的插入結(jié)構(gòu)的配置。插入結(jié)構(gòu)沿直線折疊形成ω或w橫截面，這樣它們就比常規(guī)的插入結(jié)構(gòu)更薄和重量更輕。這樣就允許結(jié)合相對輕的支架來保護(hù)插入結(jié)構(gòu)，使得該系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計得到改良。所引用的需要相對重的支撐結(jié)構(gòu)的常規(guī)插入結(jié)構(gòu)或一般裝置為圓形、橢圓、卵形、拋物線形、菱形、三角形。發(fā)明的目的是通過降低結(jié)構(gòu)和支架的重量來改良一般的裝置。
第5,456,533號美國專利披露了一種氣流通道中的靜態(tài)混合元件，包括在離通道壁一定的距離內(nèi)依附于安裝零件的擋板。該擋板相對于主要流體方向形成一個角度，可以有不同的形狀。該引文的附圖3a-3d顯示例如基本是圓形和三角形的擋板。
EP 1,170,054B1披露了一種用于混合氣體和其他牛頓液體的混合器，包括安裝于氣流通道內(nèi)的內(nèi)置表面(built-in-surface)以影響氣流。內(nèi)置表面置于橫向于主要氣流方向，部分重疊。這樣就用內(nèi)置表面的方法使氣流的速度分布圖均質(zhì)化。表明內(nèi)置表面可以是圓盤、△形或基本三角形的盤，或橢圓或拋物線形的盤?；旌掀髂茉诹黧w通道內(nèi)在很短的混合距離內(nèi)快速混合流體。
第5,547,540號美國專利披露了一種用于冷卻氣體和干燥加入氣體的固體顆粒的裝置，其中引入管線口是以激波擴(kuò)散器的形式存在。在激波擴(kuò)散器的區(qū)域內(nèi)安有一個或幾個插件，以產(chǎn)生前沿漩渦。該引文的附圖3-9顯示了幾種形狀，如圓的、三角形的和橢圓的。該引文的附圖8和9描述了剖面形狀，如圖8中的V形插件增加了混合的強度，同時有斜邊的插件穩(wěn)定了該插件。
EP 638,732A描述了在擴(kuò)散器的擴(kuò)張區(qū)內(nèi)圓形內(nèi)置表面的使用，以確保在低成本和低壓力損失下均勻流動。
EP 1,166,861B1披露了一種靜態(tài)混合器，其中氣流通道含影響氣流的盤，該盤還包括給第二氣流通過的縫隙，所述縫隙位于盤的后面，而且還有出口孔。該縫隙整體接在載有第二流的管道。這樣就允許在短的混合段內(nèi)快速混合流體流。
這些公開的共同點是利用了具有規(guī)則形狀的混合裝置。具有規(guī)則形狀的混合裝置是指具有無空橫截面的混合裝置，呈現(xiàn)的形狀基本為圓形的、梯形的、橢圓的、類似菱形的、三角形的等等。就是說，沒有突出物從混合裝置的外圍或主體向外延伸。
第4,929,088號和5,605,400號美國專利中披露了更復(fù)雜的靜態(tài)混合器。它們描述了相對昂貴的中空的帶有從裝置外圍向內(nèi)伸出的突出物或突出部分的混合裝置。
第4,929,088號美國專利描述了一種簡單的靜態(tài)混合器以促使流體在導(dǎo)管內(nèi)混合，該導(dǎo)管內(nèi)一個或多個傾斜的小突起以銳角從界面向內(nèi)突出，也就是，通道壁中小突起向氣流的方向傾斜。所述靜態(tài)混合器是中空的以允許氣流從中通過，其外圍基本上與通道如穿墻管的外圍一致。混合裝置可以看到有從氣流通道的外圍向內(nèi)的突起。
第5,605,400號美國專利描述了一種用于使流體從中通過的圓柱形的混合元件，包括多個分布于混合元件內(nèi)部的叫做螺旋阻板的部件。放置這些部件是為了形成多個沿混合元件的長度螺旋延伸的流體通道。將螺旋阻板與圓柱形混合元件獨立排列，并用例如焊接的方法結(jié)合。據(jù)說，這使靜態(tài)混合器與那些類似的圓柱形元件與阻板部件聯(lián)合排列的混合元件相比，在相對低成本下產(chǎn)生高混合效率。
第4,034,965號美國專利描述了一種具有中心平坦部分和相對彎曲突耳的靜態(tài)混合器。相對彎曲突耳是在管道內(nèi)基本橫向于流體流，然而所述中心平坦部分的平面規(guī)定為與管道的縱軸排成直線。將所述突耳在它們外面的外圍設(shè)成大體適于管道壁或優(yōu)選從管道壁“躍出”。
甚至更復(fù)雜的靜態(tài)混合器包括分成更小波紋部分形成許多更小間隔的通道。這種配置將流體分成獨立的流，以使在各流之間產(chǎn)生強烈的相互作用。然后將獨立的流改道以形成均質(zhì)混合物。這種類型的靜態(tài)混合器(Sulzer SMV氣體混合器)在相對低的壓力損失下達(dá)到優(yōu)良的混合。然而，它們非常昂貴而且需要比用規(guī)則形狀的靜態(tài)混合裝置更大量的注入點將第二流導(dǎo)入主流體流。
為了在商業(yè)可接受的范圍內(nèi)應(yīng)對壓力損失，更簡單的具有規(guī)則形狀的混合裝置通常用這樣的方法安置，就是第一主流以特定的入射角沖擊混合裝置的前面。EP 1,170,054 B1描述了例如規(guī)則形狀部件的排列，諸如置于基本橫向于主氣流方向的圓盤與主流體方向形成40°至80°的角，優(yōu)選60°。入射角是指主流體流方向與沿混合裝置橫截面的平面之間形成的角。
可以理解的是，具有很大入射角如90°將混合裝置置于橫向于第一主流的干線方向，和低入射角例如0°將混合裝置置于與第一主流的主要方向排成直線之間需要折衷的辦法。前者，混合器在橫向于干流方向的投影面積與混合器的橫截面積相等。這種結(jié)構(gòu)促進(jìn)了在混合裝置背面湍流區(qū)的產(chǎn)生，但是強加了大量的壓力損失。后種安排，入射角為0°，混合裝置就不對主流有任何影響。混合器在橫向于主流方向的投影面積為零；從而，不產(chǎn)生湍流區(qū)域，混合結(jié)果也不好。但其壓力損失非常低?；旌掀髟跈M向于主流方向的投影面積很重要。更大的投影面積意味著在混合裝置的背面產(chǎn)生更大的湍流區(qū)域，且由此帶來的流體更好的混合。因此，為了在壓力損失最小的情況下能增加混合的程度，需要提供相對于主流體流具有最佳入射角的混合裝置配置。
現(xiàn)有技術(shù)中面臨的主要問題是在沿管道相對短的距離內(nèi)相互作用的流體流間需要獲得優(yōu)良的混合，同時由混合裝置帶來的高能量損失不危及系統(tǒng)的能量效率。
另外，需要能找到能使單一流體流或至少兩股匯合流體流更好混合的方法，同時相對于現(xiàn)有技術(shù)混合裝置得到的混合其壓力損失在商業(yè)可接受的范圍內(nèi)，現(xiàn)有技術(shù)混合裝置特別是具有基本規(guī)則形狀的混合器，如圓形或橢圓。此外，還需要提供能解決在最低的壓力損失和低成本下流體流有效混合問題的混合裝置以及提供簡單的方法。
特別是在常規(guī)的規(guī)則形狀的混合裝置例如圓形的和橢圓的混合器中面臨的另外一個問題是，在長方形或正方形的管道中這些裝置的安置會導(dǎo)致在管道的角落區(qū)域或其附近會有相對不良的混合。
因此，我們認(rèn)識到需要重新設(shè)計已知的規(guī)則形狀的混合裝置，特別是基本上是圓形或橢圓的混合器，以使它們在提供良好混合方面變得更有效，同時降低管道內(nèi)的混合距離。特別地，我們認(rèn)識到如果所用的混合裝置所有這些都能達(dá)到，而且比用傳統(tǒng)規(guī)則形狀的混合器帶來更好的混合程度，同時壓力損失在商業(yè)能接受的范圍內(nèi)，我們就需要。
因此，根據(jù)本發(fā)明，我們提供的一種用于在管道中混合流體流的方法，包括在第一主流流經(jīng)的管道內(nèi)安置至少一個具有前面和背面的混合裝置，該至少一個混合裝置決定整個橫截面積，該橫截面積明顯比管道小以允許所述第一主流通過，該至少一個混合裝置是一個基本橫向于所述第一主流運行方向安置的固體板，帶有從主固體板體向外延伸的一個或多個突起。
固體板意為位于基本橫向于流體流的任何金屬或其他材料片，它在封閉環(huán)境中能偏轉(zhuǎn)或控制所述流體。主固體板體是指規(guī)則形狀例如圓形的部件，其構(gòu)成所述固體板，突起也從其上顯現(xiàn)。
令人驚訝地發(fā)現(xiàn)，固體板中備有的突起明顯地增加了流體流的混合程度。相信所述突起的作用就像臂，能在環(huán)固體板特別是正方形或長方形管道的角落或其附近的可能的靜區(qū)抓住和給予該流另外的運動。靜區(qū)認(rèn)為是形成主流的部分速度剖面的速度矢量縮短的區(qū)域，即，速度接近于零?？梢岳斫猓?dāng)固體板列成基本橫向于第一主流，固體板的作用就像主混合元件，因此在其背面產(chǎn)生相對大的漩渦。通過在固體板背面的更大漩渦夾帶的小漩渦的產(chǎn)生，所述突起幫助由該流體撞擊在固體板的前面產(chǎn)生的主要混合。
在本發(fā)明另一個優(yōu)選的實施方式中，提供了一種在一股或多股流體流注入主流時特別方便的方法。因此，我們提供了一種在管道中混合流體流的方法，包括在所述第一主流流經(jīng)的管道內(nèi)安置至少一個具有前面和背面的混合裝置，該至少一個混合裝置決定整個橫截面積，該橫截面積明顯比管道小以允許所述第一主流通過；向所述第一主流在其中流動的管道內(nèi)注入至少一股第二流，使所述至少一股第二流沖擊至所述至少一個混合裝置背面的至少一部分區(qū)域，該至少一個混合裝置是一個基本橫向于所述第一主流運行方向安置的固體板，該固體板帶有從主固體板體向外延伸的一個或多個突起。
第一主流可以是含氮氧化物的煙道氣，所述第二流可以是含氮氧化物還原劑例如氨或尿素的流體。一般地，所述第一主流的容積流量比所述至少一股的第二流體流的容積流量大得多。所述第一主流與第二流的容積流量比可高至1000∶1，如100∶1或10∶1。
第一主流同樣也可以是含可濃縮硫酸蒸氣的煙道氣和可以含可作為用于形成硫酸小液滴的成核種的顆粒。
我們發(fā)現(xiàn)，與規(guī)則形狀的混合裝置相比，特別是圓形混合器，本發(fā)明的混合裝置對于線流體流的阻礙更小。本發(fā)明的混合裝置結(jié)合了外圍突起之間的一定程度的空隙或空區(qū)，致使對主流體流產(chǎn)生相對小的阻力，因此更加降低了壓力損失。相信本發(fā)明的混合裝置好處的出現(xiàn)不僅是因為在固體板(混合裝置)背面產(chǎn)生局部湍流區(qū)域，還因為當(dāng)其撞擊到固體板前面時對主流體流的阻礙的降低。
本發(fā)明中，混合裝置優(yōu)選橫向和沿管道長度方向并聯(lián)放置。還可將所述混合裝置排列成相對于主流體流在管道中的運行傾斜的排列。傾斜排列帶來的優(yōu)點是對主流體相對低的阻力，以及降低了由不需要的壓力損失帶來的損失?？蓪⑺龌旌涎b置排列成重疊或偏轉(zhuǎn)區(qū)，使主流體偏離其主要運行方向，因此更加促進(jìn)了流體的混合或均質(zhì)化。EP 1,170,054 B1中披露了這種利用圓形靜態(tài)混合器的排列。
在本發(fā)明的一個詳細(xì)的實施方式中，被本發(fā)明的混合裝置所覆蓋的總橫截面積與規(guī)則形狀如圓形的混合裝置的橫截面一致。在這種方式中，使混合的流在管道中自由通行的總橫截面保持基本不變。
所述突起可以是任何形狀，然而，優(yōu)選從主固體板體向外尖出的錐形。突起的數(shù)量可以變化；可以只有一個突起，但兩至六個突起能獲得更好混合。優(yōu)選四或五個，最優(yōu)選五個。每一個突起的橫截面積可以變化，但是優(yōu)選至少兩個突起顯示基本相同的橫截面積。術(shù)語“突起”可以理解為從主固體板如其外圍伸出的固體板區(qū)域，主固體板具有規(guī)則的形狀，如圓形、橢圓形、三角形、△形、偏菱形等。所述突起優(yōu)選在主固體板體的橫截面決定的相同平面內(nèi)向外延伸，但是它們也可相對于所述平面形成角向外延伸。所述突起可向固體板的前面傾斜，也就是，向主流體流方向伸出或它們可向固體板的后面傾斜。
在本發(fā)明另一個有利的實施方式中，一個突出只延伸至略微離開主體，與位于附近和基本低于至少一股第二流體流出口的區(qū)域一致。因此，注入裝置，例如向主流導(dǎo)入氨的導(dǎo)管適合為所述至少一股第二流沖擊和接觸到固體板背面的至少部分區(qū)域作準(zhǔn)備。在該方式中，防止了第二流的回流防止了第二流在固體板(混合裝置)下面向下流動和流入前面部分。反之，所述第二流向上運行進(jìn)入由下游產(chǎn)生的湍流，也就是固體板的背面。
作為本發(fā)明的結(jié)果，混合的程度或效果在給定混合距離或在給定(商業(yè)可接受的)的壓力損失范圍內(nèi)得到了提高。這種相對于如圓形混合裝置的混合的提高可以量化(參見下面在附圖3中給出的有關(guān)實施例)。本發(fā)明的優(yōu)點還可從壓力損失方面看出現(xiàn)在的處理比用通常用的常規(guī)的圓形混合裝置處理的壓力損失更低。此外，需要獲得相同的混合程度的在管道中的混合長度比用圓形混合器縮短了。與用常規(guī)的圓形混合器相比，管道中的混合距離能明顯的縮短(無量綱)。例如，對于包括方管道中單獨混合裝置的配置，得到給定程度的混合所需的混合距離可從用圓形混合裝置的三個水力直徑縮短至用本發(fā)明的混合裝置的兩個水力直徑。
作為本發(fā)明的結(jié)果，現(xiàn)在可以用簡單的方法在硫酸生產(chǎn)期間廢氣處理時進(jìn)一步降低酸霧的形成。一般的方法包括氣流在氣—氣熱交換器中預(yù)熱，然后在催化轉(zhuǎn)換器中將氣流中的SO2催化氧化成SO3。然后使來自催化轉(zhuǎn)換器中的氣體通過所述氣—氣熱交換器，在這里其溫度降至約200-300℃。然后將來自催化轉(zhuǎn)換器的氣體在一個稱作H2SO4冷凝器中進(jìn)一步冷卻至約100℃，在這里SO3與水蒸氣起反應(yīng)產(chǎn)生H2SO4蒸氣，該H2SO4蒸氣濃縮成濃H2SO4。
本發(fā)明的一個或多個混合裝置可方便的置于所述硫酸濃縮步驟上游的任何點，如在載有加入的氣體進(jìn)入所述SO2-SO3催化轉(zhuǎn)換器的管道中，或者隨后的管道，位于催化轉(zhuǎn)換器和所述氣—氣熱交換器之間。優(yōu)選地，將所述一個或多個混合裝置置于所述氣—氣熱交換器和H2SO4冷凝器之間的管道中。
可以將直徑為例如小于1μm的成核種作為懸浮顆粒加入，該成核種來自電焊產(chǎn)生的煙，染料燃燒產(chǎn)生的煙，如礦物油或硅油燃燒產(chǎn)生的煙。硅油燃燒產(chǎn)生的煙特別有利，是因為與例如菜油相比能產(chǎn)生大量的成核種?？梢詫⒊珊朔N在硫酸濃縮前加到所述的注入空氣中。第419,539號歐洲專利中描述了引入包括成核種的流體的合適方法。
可將以懸浮顆粒形式存在的成核種作為第二流加至與放置所述至少一個混合裝置相同的管道中。
也可將以懸浮顆粒形式存在的成核種加至位于所述至少一個混合裝置上游的另一管道中。如成核種加入的管道是注入氣體進(jìn)入SO2-SO3催化轉(zhuǎn)換器時通過的管道。優(yōu)選地，當(dāng)所述至少一個混合裝置位于所述氣—氣熱交換器和H2SO4冷凝器之間的管道中時，成核種是加到氣—氣熱交換器的上游的管道。
因此，在本發(fā)明中，主流體流可以是一種含可濃縮的硫酸蒸氣的氣流。所述第一主流可含能作為成核種的顆粒用于形成酸液滴。
在本發(fā)明中，所述沖擊到至少一個混合裝置背面的至少一股第二流也可以是一種含能作為形成酸液滴的成核種的顆粒的流體流。成核種優(yōu)選作為顆粒懸浮劑加入，所述顆粒懸浮劑選自由電焊產(chǎn)生的金屬煙，由電焊產(chǎn)生的金屬氧化物煙和硅油燃燒產(chǎn)生的煙。
發(fā)明詳述


了本發(fā)明，其中圖1表示本發(fā)明煙道氣區(qū)段垂直橫斷面的圖解。
附圖2表示置于正方形管道的本發(fā)明的混合器的橫斷面視圖。
附圖3表示相對于常規(guī)的圓形混合裝置，本發(fā)明混合裝置的混合程度作為壓力損失的函數(shù)的圖表。
在附圖1中，用于還原氮氧化物的煙道氣區(qū)段包括具有長方形部分的管道1，煙道氣2從中通過。煙道氣表示以Z方向運行的第一主流，與混合裝置3的前面相撞，該混合設(shè)備位于基本橫向于所述第一主流的運行方向?；旌掀?相對于主流體流2的運行方向以入射角α放置。第二流體流4通過固體板或混合裝置3的背面3’的導(dǎo)管5注入?；旌涎b置3在主流體3經(jīng)過時產(chǎn)生渦流或湍流6，從而攜帶第二流4，允許流體流2、4的混合?？芍獌?yōu)良混合的出現(xiàn)是因為在混合裝置3的背面3’產(chǎn)生了湍流6，該混合裝置包括漩渦狀部分，流體在其中部分以Y方向流動，也就是橫向于主流體的方向Z。在更大的管道中，可以放置另外的混合設(shè)備3”，以給貫穿整個通道橫截面帶來優(yōu)良的混合?？梢苑胖昧硗獾挠糜谧⑷氲诙?的導(dǎo)管5’。在更下游可供有催化劑部件7。
附圖2顯示了單獨混合裝置3的前面。所述混合裝置是一個固體板，包括從圓形主固體板體10向外延伸的三角形突起9。突起在主固體板體的橫截面確定的同一平面向外延伸?；旌涎b置3放在邊長為S1和S2的管道8內(nèi)。所述管道可以是任何形狀，但優(yōu)選正方形(S1＝S2)或長方形(S1≠S2)。該附圖中的第一主流2的入射角等于90°。第二氣流沖擊至混合裝置3的背面3’，細(xì)小突起11起到尾巴的作用，阻止所述第二流體4回流至混合器3的前面部分。
主固體板周圍的虛線12表示半徑Rc與混合裝置13的相同的橫斷面視圖，該混合裝置13為基本圓形以及其橫截面與混合裝置3的相等。用于比較的目的，但不是必需的，所述混合裝置3的橫截面積與相應(yīng)的具有基本規(guī)則形狀這里為圓形的混合裝置13相等?；疽?guī)則形狀也可以是除圓形以外的其他形狀，例如在第4,527,903號美國專利中附圖4至8所公開的。
突起的形狀優(yōu)選從半徑為R的基本圓形的主固體板體10向外變尖，如附圖2所示。因此這些突起可以是三角形，也可以設(shè)想為別的形狀，如矩形、橢圓形或△形。突起的數(shù)量和形狀可以在單個混合裝置內(nèi)變化，這樣使有些突起比其他突起向外延伸的更長。突起能根據(jù)需要縮短或伸長，但是需要增加或移走的材料在主體10內(nèi)通過增長或減短主其半徑R來增加或移走，這樣總的橫截面積保持基本不變。
附圖2的混合裝置中顯示了四個三角形主要突起9和小突起11。只有一個主要突起9的混合裝置3也可以，但是主要突起9的數(shù)量可以比四或五個更多，如六至十個甚至更多。優(yōu)選地，主要突起9的數(shù)量保持在約四個，以在正方形或長方形管道的角落中提高流體的混合。
在本發(fā)明一個有利的實施方式中，將主要突起9置于邊長為S1和S2的假定矩形的角落，將混合裝置3包圍。每個突起9和11的跨度為角θ。角θ能在20°到45°的范圍內(nèi)變化，但優(yōu)選在25°至35°的范圍內(nèi)，更優(yōu)選30°左右。附圖2中顯示的實施方式中的突起9的伸長SW優(yōu)選Sw＞2·(Rc-R)?；旌显O(shè)備的總橫截面積為包圍混合裝置3的邊長為S1和S2的假定長方形或正方形的50％到75％或80％。
固體板可以用像金屬、玻璃纖維、塑料等材料制成。提到固體板，包括多種形式的剛性和非剛性的板，可以或不可以由于主流體流的影響而彎曲。優(yōu)選地，是相對薄的盤，如5-20mm厚，用金屬制成，在流體經(jīng)過時不彎曲。
如上所述，當(dāng)主要突起能阻止第二流回流至固體板的前面部分，小突起11是可以省略的?？芍旌涎b置3的位置可相對于注入裝置5的出口以某種方式布置以使第二流4的回流最小化，如用在中心區(qū)域附近讓第二流4沖擊混合裝置3的背面3’的方法。因此，第二流的出口基本與注入裝置5相同是適合的，這樣可以為第二流4沖擊到所述至少一個混合裝置3的背面3’的至少部分區(qū)域作準(zhǔn)備。該沖擊區(qū)域的跨度基本超過細(xì)小突出11所在的固體板區(qū)域內(nèi)角θ所給的區(qū)域。
附圖3顯示了常規(guī)圓形混合裝置13和本發(fā)明的混合裝置3(附圖2中具有三角形突出的圓形混合器)之間的對照實施例。兩種混合器具有相同的橫截面積。混合的程度作為在尺寸為200×200mm的方形管道中測得的壓力損失的函數(shù)。這種管道一般的半徑范圍在50-100mm，如77mm。對照是在混合距離相當(dāng)于三個水力直徑下給出的，其中水力直徑定義為四倍流體流動橫截面積S1·S2與濕周長2·(S1+S2)的比。需要注意的是附圖3中的混合程度實際上描述為不混合度；就是沿Y軸的不混合度的值越低，主氣流中的示蹤氣體混合得越好。
附圖3中的不混合度已經(jīng)根據(jù)下述的激光片可視化方法測定，S.Matlok，P.S.Larsen，E.Gjernes和J.Folm-Hansen的“Mixng studies in a 160scale mole ofa corner-fired boiler with OFA”在8thInternational Symposium on Flow Visualisation，1998，第1-1至1-6頁和對照的附圖。該激光方法只適于量化某些物質(zhì)的濃度，如在管道中以任何混合距離的帶有煙霧(油煙)的示蹤氣體，管道中的混合距離也就是與第一混合裝置放置點的距離。然而，用其他常規(guī)的方法也是合適的，這對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的。如通過注入示蹤氣體如甲烷，用適合的示蹤氣體分析儀測量其在給定混合距離時的濃度。
附圖3中的不混合度定義為一種物質(zhì)沿管道的寬度以一定的混合距離其濃度的標(biāo)準(zhǔn)偏差(RMS)和平均偏差(Mean)的比，該物質(zhì)如帶有煙霧的示蹤氣體(油煙)，一定的混合距離這里是三個水力直徑。因此，其比(RMS/Mean)越低，沿管道寬度從濃度平均值偏離的值也越低，從而混合得更好。載有示蹤氣體的次流與沿管道運行的主流的容積流量比約為1∶100。
附圖3給出的沿X軸的壓力損失在速度頭的數(shù)量方面在本領(lǐng)域中是常規(guī)的，也就是壓力下降系數(shù)ε，符合下述關(guān)系ΔP＝ε·(1/2ρ·V2)其中ΔP是壓力損失(Pa)，1/2ρ·v2指管道中在給定混合距離的速度頭(Pa)；和ρ指流體的密度(kg/m3)，v指流體速度(m/s)。
壓力下降系數(shù)可以與管道中流體向混合裝置前面部分的入射角α相關(guān)聯(lián)，因此曲線中8和9之間的壓力下降系數(shù)相應(yīng)的入射角為約90°。反之，壓力下降系數(shù)為0的相應(yīng)的入射角為0°。
在本發(fā)明中，當(dāng)入射角范圍在10-80°之間，優(yōu)選20-60°之間，與圓形混合裝置相比，在混合或壓力損失方面取得了有利的結(jié)果。優(yōu)選地，入射角在30-50°之間，最優(yōu)選35°至45°。
附圖3表明了壓力下降系數(shù)的商業(yè)相關(guān)范圍，就是0.5到3之間，本發(fā)明的混合裝置，就是帶三角形突出的，與具有相同橫截面積的圓形混合裝置相比，在相同的RMS/Mean值下具有明顯更低的壓力下降系數(shù)。另外，在給定的壓力下降系數(shù)下，本發(fā)明的混合裝置與圓形混合裝置相比能得到更好的混合。作為特殊的實施例，在商業(yè)相關(guān)的壓力下降系數(shù)為2時，用常規(guī)的圓形混合器的RMS/Mean值(不混合度)為約0.24，而附圖2中用本發(fā)明混合裝置，該值為0.12。另一個特別的實施例，可接受的RMS/Mean值預(yù)定為0.2，附圖2中的圓形混合裝置壓力下降系數(shù)為約3，而附圖2中的本發(fā)明混合裝置壓力下降系數(shù)為約1。從上下文可以看出沿X軸的壓力下降系數(shù)1-3的范圍相應(yīng)為約2mbar。主要容積流量為700,000Nm3/h的普通發(fā)電站1mbar的壓力損失意味著在設(shè)備折舊期間大致要虧損EUR 150,000。
權(quán)利要求
1.一種在管道(1)中混合流體流的方法，包括—在第一主流(2)流經(jīng)的管道(1)內(nèi)安置至少一個具有前面和背面(3’)的混合裝置(3)，該至少一個混合裝置(3)決定的整個橫截面積明顯比管道(1)的小，以允許所述第一主流(2)通過，—所述至少一個混合設(shè)備(3)是一個基本橫向于所述第一主流運行方向的固體板，該板帶有從主固體板體向外延伸的一個或多個突起(9，11)。
2.一種根據(jù)權(quán)利要求1的所述的方法，還包括注入至少一股第二流(4)至所述管道(1)，其中所述第一主流(2)運行使所述第二流(4)沖擊至所述至少一個混合裝置(3)的背面(3’)。
3.一種根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中所述的管道(1)是正方形或長方形的。
4.一種根據(jù)上述任何權(quán)利要求的方法，其中所述主固體板體(10)的形狀是基本圓形或橢圓。
5.一種根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述第一主流(2)是含氮氧化物的煙道氣，所述第二流(4)是含氮氧化物還原劑的流體。
6.一種根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述第一主流與第二流體流的容積流量比在10∶1至1000∶1的范圍內(nèi)。
7.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中第一主流(2)是一種含能濃縮的硫酸蒸氣的煙道氣。
8.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中第一主流(2)是含能作為成核種用于酸液滴形成的顆粒的流體流。
9.一種根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述至少一股第二流(4)是含能作為成核種用于酸液滴的形成的顆粒的流體。
10.一種根據(jù)權(quán)利要求8或9的方法，其中成核種作為顆粒懸浮劑加入，所述顆粒懸浮劑選自由電焊產(chǎn)生的金屬煙、由電焊產(chǎn)生的金屬氧化物煙和硅油燃燒產(chǎn)生的煙。
全文摘要
一種在管道中混合流體流的方法，包括—在第一主流流經(jīng)的管道內(nèi)安置至少一個具有前面和背面的混合裝置，該至少一個混合裝置決定的整個橫截面積明顯比管道的小，以允許所述第一主流體通過，所述至少一個混合裝置為固體板，該板帶有從主固體板體向外延伸的一個或多個突起。
文檔編號B01F5/06GK1689691SQ20051006402
公開日2005年11月2日 申請日期2005年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月27日
發(fā)明者M·B·漢森 申請人:赫多特普索化工設(shè)備公司