DE102006001318A1 - Vermeidung von Wandbelägen bei der wandgebundenen Eindüsung - Google Patents

Abstract

Wenn Düsen ohne Düsenlanzen unmittelbar an Kanal- oder Behälterwänden installiert werden, stellt sich das Problem der Bildung störender Wandbeläge im Nahbereich der Düsen. Die vorliegende Erfindung betrifft Maßnahmen zur Vermeidung derartiger Wandbeläge sowie von Belägen im Bereich der Düsenmündung.

Description

• Stand der Technik
• Wenn Flüssigkeiten in gasführende Kanäle oder Behälter eingesprüht werden sollen, so erfolgt dies im Interesse einer möglichst gleichmäßigen Verteilung in aller Regel mit Hilfe von Düsenlanzen, die entsprechend weit in Kanäle oder Behälter eintauchen.
• 1 und 2 zeigen eine Ausführung nach dem Stand der Technik.
• An der Wand 1 eines von Gas 2 durchströmten Kanals oder Behälters 3 ist über einen Flansch 4 eine Düsenlanze 5 installiert, 1. Die Düsenlanze besteht aus einem Zentralrohr 6 für die Zuleitung der zu verdüsenden Flüssigkeit 7, einem das Zentralrohr umschließenden Rohr 8 für die Zuleitung des Zerstäubungs-Druckgases 9 sowie aus einem das Rohr 8 umschließenden Hüllluftrohr 10. In 2 ist der Bereich des Lanzenkopfes 11 vergrößert dargestellt. Diese Abbildung zeigt beispielhaft eine zur Achse 12 im Wesentlichen symmetrische Zweistoffdüse 13 nach dem Stand der Technik. Die zu versprühende Flüssigkeit 7 wird über das Zentralrohr 6 an der Engstelle 14 in die Mischkammer 15 eingeleitet. Das Druckgas 9 wird über Rohr 8 einer Ringkammer 16 zugeführt, welche die Mischkammer 15 ringförmig umschließt; über eine gewisse Anzahl von Bohrungen 17 wird das Druckgas 9 in die Mischkammer 15 eingeleitet. In dieser Mischkammer findet eine erste Zerteilung der Flüssigkeit in Tropfen statt, sodass hier ein tropfenhaltiges Gas 18 gebildet wird. Auch am Austritt aus der Mischkammer 15 existiert eine Engstelle 19. Es schließt sich ein divergentes Austrittsteil 20 an, welches mit der Düsenmündung 21 endet. Der in der Mischkammer 15 gebildete tropfenhaltige Gasstrom 18 wird in der Düse stark beschleunigt, sodass hier eine weitere Zerteilung der Tropfen bewirkt wird. Der aus der Düse austretende Strahl 22 ist von Hüllluft 23 umgeben, der aus der Hüllluftdüse 24 austritt, wodurch die Belagsbildung im Bereich der Düsenmündung 21 in manchen Fällen verhindert werden kann.
• Eine Belagsbildung an den Düsenlanzen, wie sie in 1 dargestellt ist, Position 25, kann erhebliche Betriebsstörungen verursachen. So können beispielsweise größere Belagsbrocken, die sich durch Erschütterungen von den Lanzen ablösen können, unterhalb angeordnete Installationen beschädigen. Aber auch kleinere abgelöste Belagsstücke können bereits sehr negative Auswirkungen haben; so können ja bereits Partikel mit einem Durchmesser von ca. 4 mm zu einer Verlegung eines nachgeschalteten Wabenkatalysators führen. Eine Belagsbildung lässt sich häufig nur dadurch vermeiden, dass man die Düsenlanzen auf eine Temperatur oberhalb des Schwefelsäuretaupunktes aufheizt. Hierfür ist bei den gegenwärtig bekannten Konfiguration ein erheblicher Energieaufwand nötig. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn die Düsenlanzen mit Hüllluft 23 versorgt werden, weil dann der relativ große Hüllluftstrom insgesamt auf eine ausreichend hohe Temperatur aufgeheizt werden muss.
• Im Interesse der Vermeidung von Ablagerungen sowie von Korrosions- und Erosionsschäden an Düsenlanzen sowie zur Vereinfachung der Arbeitsabläufe bei einem Düsenwechsel kann ein wandgebundener Einbau der Düsen vorteilhaft sein. 3 zeigt einen wandgebundenen Düseneinbau nach dem Stand der Technik. An der Wand 1 eines von Gas 2 durchströmten Behälters oder Kanals 3 ist wenigstens eine kurze Düsenlanze 5 angeordnet. Düsen wirken als Strahlpumpen; sie saugen Gas an und binden dieses in den Strahlkegel 22 der Düsen ein. Ohne zusätzliche Maßnahmen bilden sich häufig im Umfeld 26 der Düsen auf der Wand 1 Beläge 25 aus, die sich zu regelrechten Belagskronen 27 entwickeln können.
• Dies ist primär darauf zurückzuführen, dass die Düsen durch die zu verdüsende Flüssigkeit sowie bei Zweistoffdüsen durch das für die Versprühung eingesetzte Druckgas von innen her gekühlt werden. Und auch die Kanal- bzw. Behälterwände erfahren im Umfeld 26 der Installationsstelle der Lanze in aller Regel noch eine relevante Temperaturabsenkung. Dabei wird in diesen Bereichen häufig ein Taupunkt der Inhaltsstoffe des Gases 2 unterschritten, sodass es zum Austauen insbesondere von Schwefelsäure kommen kann. Da die Gase in den meisten Fällen mit Flugstäuben beladen sind, sind besagte Bereiche nicht nur korrosionsgefährdet, sondern es treten hier durch die Klebewirkung der ausgetauten Rauchgasinhaltsstoffe die bereits beschriebenen, voluminösen Feststoffablagerungen auf, die zu einer Störung der Eindüsung sowie zu Unterbelagskorrosion führen können.
• Ein weiterer Nachteil eines wandgebundenen Einbaues nach dem Stand der Technik liegt darin, dass die Eindringtiefe eines Strahles 22 gleichbleibender Stärke quer zu Hauptströmungsrichtung des Gases 2 von der Strömungsgeschwindigkeit dieses Gases bzw. vom dynamischen Druck dieses Gases und somit vom Anlagenbetriebspunkt abhängig ist. Eine Eindüsung in Strömungsrichtung des Gases weist diesen Nachteil nicht auf. Andererseits verliert man bei einer Eindüsung in Strömungsrichtung des Gases Wegstrecke für die Einmischung des eingedüsten Stoffes in das Gas. Bei räumlich beengten Verhältnissen kann dies für die Betriebssicherheit einer Anlage von entscheidender Bedeutung sein.
• Ziel der vorliegenden Erfindung sind Verfahren und Vorrichtungen, durch deren Einsatz die Probleme der Belagsbildung und Korrosion bei der wandgebundenen Eindüsung kälterer Fluide in ein mit Flugstäuben und bei höheren Temperaturen kondensierbaren Komponenten beladenes Gas behoben werden können, die somit insbesondere auch zu einer erheblichen Verringerung des Eigenenergiebedarfes und der Anlagenkosten beitragen, und die bei beengten räumlichen Verhältnissen vorteilhaft eingesetzt werden können.
• 4 zeigt eine Basisversion nach der Erfindung. Bei dieser Variante werden der Austrittsabschnitt der Hüllluftdüse 28 wie auch der angrenzende Wandabschnitt 29 von der Außenseite her mit Hilfe einer elektrischen Widerstandsheizung 30 auf die erforderliche Temperatur aufgeheizt. Um die erforderliche Heizleistung möglichst gering zu halten, ist die Hülluftdüse 28 zweischalig ausgeführt; der Zwischenraum ist mit einer thermischen Isolation 31 ausgestattet, sodass die Hüllluft nur relativ wenig Wärme von der beheizten Außenseite der Hüllluftdüse aufnehmen kann und die Heizleistung weitgehend der Austrittspartie 28 der Hüllluftdüse sowie dem angrenzenden Wandabschnitt 29 zur Verfügung steht. Durch Variation des Hüllluftvolumenstromes 4 ist es gemäß der Erfindung ferner möglich, 4, die Eindringtiefe des Strahles in die Gasströmung zu variieren, sofern dies beispielsweise für eine vom Betriebspunkt der Anlage unabhängige, möglichst gleichmäßige Einmischung des eingedüsten Fluides in die Grundströmung vorteilhaft ist.
• Unter bestimmten Voraussetzungen kann es jedoch auch vorteilhaft sein, auf die Isolation 31 der Hüllluftdüse zu verzichten. Dann muss allerdings darauf geachtet werden, dass die Einkopplung von Wärme in die belagsgefährdete Austrittspartie der Hüllluftdüse so intensiv ist, z. B. von dem der heißen Rauchgasströmung zugewandten Frontabschnitt 29 her, dass die Austrittspartie der Hüllluftdüse auf Temperaturen oberhalb des Schwefelsäuretaupunkts, evtl. sogar oberhalb der Bildungstemperatur von Ammoniumsulfat aufgeheizt wird. Letzteres betrifft insbesondere Entstickungsanlagen für Rauchgase, die nach dem Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion arbeiten; denn hier wird über die Düsen Ammoniak oder Ammoniakwasser in das Rauchgas eingesprüht, sodass die Reaktionspartner Schwefelsäure und Ammoniak gemeinsam auftreten und zur Bildung von Ammoniumsulfatbelägen führen könnten.
• Es versteht sich von selbst, dass der Einbaubereich der Düse auch nach außen mit einer thermischen Isolation 32 versehen ist, sodass nur geringe Wärmeverluste zur Umgebung hin auftreten können.
• 5 zeigt eine Ausgestaltung der Erfindung. Hier ist die Düse von einem Kasten 33 umschlossen, der über die Leitung 34 mit Heißluft 35 beaufschlagt werden kann. Es kann vorteilhaft sein, die Heißluft über Bohrungen 36 und einen die zweischalige Hüllluftdüse 28 umschlingenden Ringspalt 37 in das Gas 2 einzuleiten. Selbstverständlich ist der Massenstrom der Heißluft 35 wesentlich geringer als der Massenstrom der Hüllluft 4, sodass nur ein verhältnismäßig niedriger Wärmebedarf für die Aufheizung der Heißluft 35 anfällt. Ferner ist bei dieser Konfiguration die dem Rauchgas zugewandte Seite des Heißluftkastens als elastische Membran 38 ausgeführt. Sollte es im Umfeld der Düsen, d. h., auf dieser Membran, zu Feststoffablagerungen kommen, so könnten diese z. B. mit Hilfe eines Druckstoßes, der auf die Luftkammer 33 wirkt, abgesprengt werden. Falls die Vorrichtung für eine Druckstoßabreinigung zu kostspielig ist, könnte die Membran natürlich auch mit Hilfe von Klopfern oder Rüttlern gereinigt werden.
• 6 zeigt eine weitere Ausgestaltung gemäß der Erfindung. Hier ragt die Düsenlanze geringfügig in den Rauchgaskanal hinein. Eine Eindringtiefe von 1–5 mal Lanzendurchmesser kann unter bestimmten Randbedingungen vorteilhaft sein. Dies ist insbesondere dann von Interesse, wenn Düsen am Kanalboden installiert werden sollen und wenn es an diesem Kanalboden bei Teillast und entsprechend niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten des Gases zu Staubablagerungen kommen kann.
• Je nach den Einsatzbedingungen sind naheliegende Abwandlungen der vorstehend beschriebenen Varianten möglich, die hier nicht durch Abbildungen belegt sind.
• Wenn, beispielsweise aufgrund ungünstiger räumlicher Verhältnisse, nur eine sehr kurze Strecke für die Verdunstung einer in das Gas 2 eingedüsten Flüssigkeit zur Verfügung steht, kann es vorteilhaft sein, die Hüllluft 4 gezielt auf ausreichend hohe Temperaturen aufzuheizen, um die Verdunstung der mit der Zweistoffdüse eingesprühten Flüssigkeit zu beschleunigen. Der hierfür notwendige Energieaufwand könnte dann unumgänglich sein. Grundsätzlich könnte man natürlich auch das Druckgas für die Feinzerstäubung der Flüssigkeit und die zu verdüsende Flüssigkeit selbst aufheizen; hiermit muss man jedoch sehr vorsichtig sein, um eine störende Belagsbildung in den Düsenlanzen und in den Düsen zu vermeiden.
• Eine interessante Ausgestaltung des Konzeptes der wandgebundenen Eindüsung quer zur Hauptströmungsrichtung des Gases 2 besteht auch in der Erzeugung einer vorteilhaften Tropfengrößenverteilung über den Strahlquerschnitt hinweg. Wenn kleine Tropfen am Strahlrand 39 erzeugt werden, ist die Eindringtiefe dieser Tropfen in die Gasströmung 2 gering; durch diese Tropfen werden mithin ein Abkühlungspotential bzw. Ammoniak in Bereichen nahe der Wand des Kanals bzw. des Behälters 3 angeboten. Größere Tropfen im Kern 40 des Strahls dringen weiter in die Gasströmung ein und können dort in Abwesenheit kleiner Tropfen ihr Abkühlungspotential bzw. ihren Ammoniakgehalt optimal zur Wirkung bringen.

1

Wand eines Behälters oder Kanals

2

Gas, welches den Behälter oder Kanal 3 durchströmt

3

von Gas durchströmter Kanal oder Behälter

4

Einbauflansch einer Düsenlanze

5

Düsenlanze

6

Zentralrohr zur Flüssigkeitszufuhr

7

zu versprühende Flüssigkeit

8

Zuführungsrohr für das Druckgas für die Versprühung der Flüssigkeit

9

Druckgas

10

Hüllluftrohr

11

Kopf der Düsenlanze

12

Achse der Düse

13

Zweistoffdüse

14

Engstelle am Eintritt in die Mischkammer

15

Mischkammer

16

Ringkammer, welche die Mischkammer umschließt

17

Eintrittsbohrungen für das Druckgas

18

tropfenhaltiger Gasstrom in der Mischkammer

19

Engstelle am Austritt aus der Mischkammer

20

divergentes Austrittsteil der Zweistoffdüse

21

Düsenmündung

22

aus der Düse austretender, mit Tropfen beladener Strahl

23

Hüllluft

24

Hüllluftdüse

25

Beläge an der Düsenlanze bzw. an der Wand des Kanals oder Behälters

26

Umfeld des Düsendurchtritts durch die Wand 1

27

Belagskrone

28

Austrittsabschnitt der Hüllluftdüse

29

beheizter Wandabschnitt im Umfeld des Düsendurchtritts durch die Wand

30

elektrische Widerstandsheizung

31

thermische Isolation der Hüllluftdüse

32

thermische Isolation des Düseneinbauflansches

33

Düseneinbaukasten

34

Heißluftzuleitung

35

Heißluft

36

Bohrungen für Heißlufteinleitung

37

Ringspalt, der die Hüllluftdüse umschließt

38

elastische Membran auf der dem Kanal bzw. Behälter zugewandten Seite des Heißluftkastens

39

Strahlrand

40

Strahlkern

Claims (8)

1. Wandgebundene Düse mit Hüllluft, dadurch gekennzeichnet, dass die Hüllluftdüse und der Wandbereich im Umfeld der Düse beheizt sind.
2. Wandgebundene Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung durch elektrische Widerstandsbeheizung bewirkt wird.
3. Wandgebundene Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hüllluftdüse zur Hüllluftseite hin thermisch isoliert ist.
4. Wandgebundene Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse von einem Luftkasten umschlossen ist, der mit Heißluft beaufschlagt wird.
5. Wandgebundene Düse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Kanal oder Behälter zugewandte Seite des Luftkastens als flexible Membran ausgeführt ist.
6. Wandgebundene Düse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftkasten mit Luft-Druckstößen beaufschlagt wird.
7. Wandgebundene Düse nach einem der Ansprüche 4–6, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Luftkasten zugeführte Heißluft am Umfang der Düse als Hüllluft in den Kanal oder Behälter eingeblasen wird.
8. Wandgebundene Düse nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass der Hüllluft-Volumenstrom variabel ist und an den Betriebspunkt der Anlage angepasst wird.