DE3320719C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verteiler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Für von einem Trägergas, beispielsweise Luft, mitgeführte staubförmige Feststoffe - im folgenden als Staub bezeichnet - sind folgende unterschiedliche Verteilersysteme vorgeschlagen worden: (i) kaskadenförmig entlang der Haupt-Zufuhrleitung, angeordnete Y- oder T-förmige Rohrverzweigungen, (ii) eine zylindrische Verteilerkammer, in die die staubförmigen Feststoffe zusammen mit der Luft in einer aufwärts gerichteten Strömung eintreten und in der sie an der oberen Wand der Kammer umgelenkt und radial in die Zweigleitungen verteilt werden, die an der Seitenwand der zylindrischen Verteilerkammer angeordnet sind, und (iii) ein System, bei dem der Staub in einem Förder-Bett fließfähig gemacht wird und über Überläufe im oberen Bereich des Bettes in die einzelnen Zweigleitungen abfließt.

Die unter (i) und (ii) genannten Systeme haben den Nachteil, daß der Staub auf eine Innenwand der Verteilerkammer bzw. der Rohrverzweigungen trifft und von dieser Wand zurückprallt und daß es dabei zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Feststoffe kommt. Darüber hinaus tritt an den durch den Staub beaufschlagten Innenwänden ein beträchtlicher Abrieb oder eine Erosion auf, und der Druckabfall in derartigen Verteilern ist verhältnismäßig groß.

Das unter (iii) genannte herkömmliche System hat den Nachteil, daß es schwierig zu betreiben ist, da die Bedingungen, unter denen der Staub fließfähig wird nicht nur von dem Material und der Größe der Staubpartikel, sondern darüber hinaus in hohem Maße von der Oberflächenbeschaffenheit der Partikel abhängen, die ihrerseits witterungsbedingten Veränderungen (Feuchtigkeit und dergleichen) unterworfen ist.

Aus der FR-OS 24 75 649 ist ein Verteiler der eingangs genannten Art bekannt, bei dem das zugeführte Staub/Luft- Gemisch über einen in eine Richtung divergierenden und in der hierzu senkrechten Richtung konvergierenden Rohrabschnitt auf eine Anzahl fächerförmig auseinanderstrebender Zweigleitungen verteilt wird. Auch hier besteht jedoch das Problem, daß es leicht zu einer ungleichmäßigen Verteilung des Staubes auf die Zweigleitungen kommen kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Verteiler der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei dem eine gleichmäßigere Verteilung des Staubes auf die einzelnen Zweigleitungen erreicht wird.

Diese Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß sich an den Auslaß des divergierenden Rohrabschnitts ein gerader Rohrabschnitt anschließt, dessen Länge das 3- bis 50fache des Auslaßdurchmessers des divergierenden Rohrabschnitts beträgt und an dessen Auslaß-Ende die Zweigleitungen angeschlossen sind.

Aus der DE-OS 24 39 144 ist bereits ein Verteiler mit einem divergierenden Rohrabschnitt und einem sich daran anschließenden geraden Rohrabschnitt bekannt. Dieser Verteiler dient jedoch nicht zur Verteilung von in einem Trägergas suspendiertem Staub auf mehrere Zweigleitungen, sondern zum Verteilen von Gasen oder Flüssigkeiten von einem kleineren auf einen größeren Strömungsquerschnitt. Ein gleichmäßiges Strömungsprofil am Auslaß des Verteilers wird durch in dem divergierenden Rohrabschnitt und dem geraden Rohrabschnitt angeordnete Platten erreicht.

Bei dem erfindungsgemäßen Verteiler wird demgegenüber eine gleichmäßige Verteilung des Staubes auf die Zweigleitungen durch die spezielle Geometrie des Verteilers erreicht. Der in dem Trägergas mitgeführte Staub durchströmt in einer divergenten Strömung den divergierenden Rohrabschnitt und wird dadurch in diesem Rohrabschnitt gründlich durchmischt und gleichmäßig in dem Trägergas suspendiert, so daß sich eine über den gesamten Querschnitt dieses Rohrabschnitts gleichmäßige Verteilung des Staubes ergibt. Der in dieser Weise gleichmäßig verteilte Staub durchquert anschließend den geraden Rohrabschnitt, indem die Strömungsrichtung vereinheitlicht wird, so daß sich über den Radius dieses Rohrabschnitts ein gleichmäßiges staubdichtes Profil ausbildet. Die in dieser Weise gerichtete Strömung tritt in die einzelnen Zweigleitungen ein, und aufgrund der gleichmäßigen Dichteverteilung des Staubes ergibt sich eine im wesentlichen gleichförmige Verteilung des Staubes auf sämtlichen Zweigleitungen.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist es, daß in dem Verteiler auch dann eine gleichmäßige Verteilung des durch das Trägergas mitgeführten Staubes erreicht wird, wenn der Staub beim Eintritt in den Verteiler lokale Verdichtungen und somit eine ungleichförmige Dichteverteilung aufweist. Eine derartige ungleichmäßige Dichteverteilung tritt häufig in der Haupt- Zufuhrleitung auf, da der Staub durch Zentrifugalkräfte in gekrümmten Leitungsabschnitten stromabwärts des Verteilers lokal verdichtet wird. Dies gilt sowohl für waagerecht als auch für senkrecht verlaufende Leitungen. Bei herkömmlichen Verteilersystemen bleiben derartige Ungleichförmigkeiten oder lokale Verdichtungen des Staubes, die sich in Krümmungen der Haupt-Zufuhrleitung bilden, auch in und hinter dem Verteiler erhalten, so daß die Staub-Durchsätze durch die einzelnen Zweigleitungen bei herkömmlichen Systemen oft beträchtlich voneinander abweichen. Häufig beträgt die Abweichung in den einzelnen Zweigleitungen mehr als 30% des bei einer gleichmäßigen Verteilung zu erwartenden Durchsatzes. Demgegenüber bildet sich in dem erfindungsgemäßen Verteiler aufgrund der Erweiterung des Querschnitts des divergierenden Rohrabschnitts vom Einlaß zum Auslaß desselben eine turbulente und/oder wirbelförmige Strömung des in den divergierenden Rohrabschnitt eintretenden Staubes. Durch diese Turbulenzen oder Wirbel wird der in dem Trägergas mitgeführte Staub gründlich durchmischt, so daß sich am Ausgang in jedem Fall eine gleichmäßige Verteilung ergibt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Verteilers;

Fig. 2 ist eine Graphik zur Veranschaulichung der Abweichung des Staub- Durchsatzes von einem vorgegebenen Sollwert in Abhängigkeit von einem Divergenzwinkel (R);

Fig. 3 ist eine Graphik zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen der Abweichung des Kohlenstaub-Durchsatzes und der Länge (L) eines geraden Rohrabschnitts;

Fig. ist eine Graphik, in der die relativen Durchsatz-Schwankungen in bezug auf den Sollwert für jede einzelne und von sechs Zweigleitungen dargestellt sind.

Ein erfindungsgemäßer Verteiler 1 umfaßt gemäß Fig. 1 ein Einlaßrohr 2, einen mit diesem verbundenen divergierenden Rohrabschnitt 3, einen geraden Rohrabschnitt 4 und eine Anzahl von Zweigleitungen 5. Der divergierende Rohrabschnitt ist über eine Flanschverbindung 6 an das Einlaßrohr 2 angeschlossen. Das Einlaßrohr 2 ist seinerseits über eine nicht gezeigte Flanschverbindung mit einer ebenfalls nicht gezeigten Haupt-Zufuhrleitung verbunden. Die Zweigleitungen 5 sind in Richtung auf die Flanschverbindung 6 geöffnet und mit Hilfe einer weiteren, an einem Ende 8 des geraden Rohrabschnitts 4 montierten Flanschverbindung 7 an dem Ende des geraden Rohrabschnitts 4 befestigt.

Erfindungsgemäß liegt der Divergenzwinkel des divergierenden Rohrabschnitts im Bereich von 8 bis 180°. Das Divergenzverhältnis D₂/D₁, d. h., das Verhältnis des Durchmessers D₂ am erweiterten Ende des Rohrabschnitts 3 zu dem Durchmesser D₁ am verjüngten Ende des Rohrabschnitts ist größer oder gleich 1,3. Vorzugsweise liegt der Divergenzwinkel zwischen 20 und 120° und das Divergenzverhältnis beträgt 2 bis 3.

Der Grund für diese Wahl des Divergenzwinkels und des Divergenzverhältnisses soll nachfolgend im einzelnen erläutert werden.

Wenn der Divergenzwinkel klein ist, muß die Länge des divergierenden Rohrabschnitts 3 entsprechend vergrößert werden, damit sich eine hinreichend große Querschnittsfläche für die Installation der vorgesehenen Anzahl von Zweigleitungen ergibt. Dies ist nachteilig unter dem Gesichtspunkt einer möglichst effizienten Raumausnutzung. Darüber hinaus wird unter normalen Betriebsbedingungen, bei denen die Strömungsgeschwindigkeit des Trägergases im Bereich von 5 bis 50 m pro Sekunde liegen, die Bildung von Turbulenzen und Wirbeln unterdrückt, wenn der Divergenzwinkel kleiner als 8° ist. Dies führt zu einer weniger gründlichen Durchmischung des Staubes. Wenn andererseits der Divergenzwinkel mehr als 180° beträgt, wird die Form des Verteilers kompliziert, ohne daß wesentlich andere Wirkungen eintreten als bei einem divergierenden Rohrabschnitt mit einem Divergenzwinkel von 180°. Wenn der Divergenzwinkel mehr als 150° beträgt, ist ferner der durch den Staub verursachte Abrieb am Einlaß-Ende des divergierenden Rohrabschnitts verhältnismäßig hoch. Aus diesem Grund wird der Divergenzwinkel vorzugsweise zwischen 20 und 120° gewählt.

Das Divergenzverhältnis wird größer als 1,3 und vorzugsweise zwischen zwei und drei gewählt, da, wie bereits von im Handel erhältlichen Reduzierstücken für Luft oder Wasser bekannt ist, bei einem Divergenzverhältnis unter 1,3 der Druckabfall erheblich verringert ist und keine nennenswerte Durchmischungswirkung auftritt. Bei einem Divergenzverhältnis zwischen zwei und drei tritt bei staubförmigen Feststoffen eine wirksame Durchmischung ein.

Bevorzugt wird der Durchmesser des divergierenden Rohrabschnitts derart gewählt, daß die mittlere Strömungsgeschwindigkeit oder der mittlere Staub-Durchsatz in jedem Fall größer ist die Grenzgeschwindigkeit oder der Grenzdurchsatz für den Transport von Stäuben in einem Trägergas. Die Grenzgeschwindigkeit oder der Mindestdurchsatz wird experimentell bestimmt, wobei die zu fördernde Staubmenge und die Teilchengröße den tatsächlichen Werten entsprechen.

Durch den geraden Rohrabschnitt stromabwärts des divergierenden Rohrabschnitts wird erreicht, daß sich der Staub gleichmäßiger über den gesamten Querschnitt des geraden Rohrabschnitts verteilt, als dies in dem divergierenden Rohrabschnitt der Fall ist. Die Länge des geraden Rohrabschnitts ist von der Teilchengröße, dem spezifischen Gewicht und der Form der Staubpartikel, dem Durchsatz und Druck des Trägergases und anderen Parametern abhängig. Üblicherweise ist für den geraden Rohrabschnitt eine Länge angemessen, die das Drei- bis Fünfzigfache, vorzugsweise das Zehn- bis Dreißigfache des Durchmessers D₂ am stromabwärtigen Ende des divergierenden Rohrabschnitts beträgt. Es ist vorteilhaft, die Länge des geraden Rohrabschnitts größer als das Dreifache des Durchmessers am Auslaß des divergierenden Rohrabschnitts zu wählen, damit sich auf dem gesamten Querschnitt des geraden Rohrabschnitts eine gleichmäßige Staubkonzentration ergibt. Wenn jedoch die Länge des geraden Rohrabschnitts mehr als das Fünfzigfache des Durchmessers D₂ beträgt, kann es insbesondere bei Stäuben mit kleinem Partikeldurchmesser vorkommen, daß die zunächst gleichmäßig in dem geraden Rohrabschnitt verteilten Staubteilchen im stromabwärtigen Bereich des geraden Rohrabschnitts wieder konvergieren, so daß sich eine weniger gleichmäßige Verteilung der Staubpartikel am Ende des geraden Rohrabschnitts ergibt.

Die über die Haupt-Zufuhrleitung zugeführten staubförmigen Feststoffe treten durch das Einlaßrohr 2 in den erfindungsgemäßen Verteiler ein und werden in dem divergierenden Rohrabschnitt durchmischt und über den gesamten Querschnitt gleichmäßig in dem Trägergas verteilt. Die auf diese Weise durchmischten und in dem Trägergas suspendierten staubförmigen Feststoffe bilden in dem geraden Rohrabschnitt eine gleichmäßige Fluidschicht mit auf dem gesamten Querschnitt dieses Rohrabschnitts im wesentlichen gleichförmigem Feststoffgehalt. Das Fluid wird somit gleichmäßig in die in Richtung auf den geraden Rohrabschnitt geöffneten Zweigleitungen 5 verteilt.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand einiger Versuchsbeispiele näher erläutert werden, bei denen Kohlen- oder Koksstaub als pulverisierte Feststoffe verwendet wurden.

Beispiel 1

Dieses Versuchsbeispiel diente zur Ermittlung des Einflusses des Divergenzwinkels.

In Fig. 2 sind die Ergebnisse einer Versuchsreihe dargestellt, die mit einem Verteiler gemäß Fig. 1 durchgeführt wurden. In Fig. 2 ist die Abweichung von einer gleichmäßigen Strömungsverteilung in % vom Absolutwert in Abhängigkeit von dem Divergenzwinkel R dargestellt. Der Durchmesser des Einlaßrohres 2 des Verteilers betrug 41,5 mm, der Durchmesser am Auslaß-Ende des divergierenden Rohrabschnitts 3 betrug 80 mm, und das Divergenzverhältnis hatte den Wert 2. Der Divergenzwinkel wurde im Bereich zwischen 3° und 210° variiert, indem die Länge des divergierenden Rohrabschnitts verändert wurde. Die Länge des geraden Rohrabschnitts 4 betrug 1300 mm. Am stromabwärtigen Ende des geraden Rohrabschnitts waren sechs Zweigleitungen mit jeweils einem Durchmesser von 20 mm installiert. Als staubförmiger Feststoff wurde Kohlenstaub mit einer Teilchengröße von durchschnittlich 70 µm verwendet. Das Trägergas war Stickstoff mit einem Durchsatz von 5 Nm³/min (2 kg/ cm²-G).

Die Abweichung von einer gleichmäßigen Strömungsverteilung oder die Ungleichförmigkeit der Strömung wurde nach folgender Formel berechnet:

Ungleichförmigkeit (%) = Abweichung vom Mittelwert/Mittelwert×100.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist für eine gegebene Länge des geraden Rohrabschnitts die Ungleichförmigkeit mit dem Divergenzwinkel veränderlich. Die Ungleichförmigkeit beträgt mehr als 10%, wenn der Divergenzwinkel kleiner als 8° ist, sinkt jedoch auf einen konstanten niedrigen Wert von beispielsweise 5% ab, wenn der Divergenzwinkel auf über 8° erhöht wird.

Zusätzlich wurde unter den gleichen Bedingungen wie oben die Abhängigkeit der Ungleichförmigkeit der Strömung von der Länge des geraden Rohrabschnitts bestimmt. Bei diesen Messungen betrug der Divergenzwinkel 30° und daß Auslaß-Ende des divergierenden Rohrabschnitts hatte einen Durchmesser von 80 mm, d. h., das Divergenzverhältnis hatte etwa den Wert zwei.

Die Ergebnisse dieser Meßreihe sind in Fig. 3 dargestellt. Die Ungleichförmigkeit nimmt ab, wenn die Länge des geraden Rohrabschnitts 0,24 m übersteigt. Eine besonders starke Abnahme ergibt sich oberhalb einer Länge von 0,85 m. Aus diesem Grund wird für die Länge des geraden Rohrabschnitts wenigstens der dreifache, vorzugsweise der zehnfache Wert des Durchmessers des Auslasses des divergierenden Rohrabschnitts gewählt. Andererseits soll der erfindungsgemäße Verteiler so kompakt und klein wie möglich sein. Wenn der gerade Rohrabschnitt so lang ist, daß die einmal gleichmäßig verteilten Feststoff-Partikel dazu neigen, wieder zu konvergieren, ergibt sich eine weniger gleichmäßige Verteilung. Aus diesem Grund wird die Länge des geraden Rohrabschnitts auf das Fünfzigfache, vorzugsweise das Dreißigfache des Durchmessers des Auslasses des divergierenden Rohrabschnitts begrenzt.

Beispiel 2

Bei diesem Beispiel wurde ein Verteiler gemäß Fig. 1 verwendet. Die Abmessungen des Verteilers und die Bedingungen bei der Förderung des Staubes durch den Verteiler sind in der nachfolgenden Übersicht zusammengefaßt.

Die Meßergebnisse, die die Verteilung des Staubes auf die einzelnen Zweigleitungen wiedergeben, sind in Fig. 4 dargestellt.

I. Abmessungen:

Einlaßrohr41,5 mm (Innendurchmesser) Divergierender Rohrabschnitt41,5 mm×80 mm
Divergenzverhältnis = 2
Divergenzwinkel = 30° Gerader Rohrabschnitt80 mm (Innendurchmesser)× 1300 mm (Länge) Zweigleitungen20 mm (Innendurchmesser); 6 Leitungen

II. Förderbedingungen:

Wie in Fig. 4 zu erkennen ist, lag die Ungleichförmigkeit der Strömung für Kohlenstaub im Bereich von ±5% (Symbol "○") und für Koksstaub (Symbol "∆") im Bereich von ±2%.

Wie diese verhältnismäßig kleinen Abweichungswerte zeigen, wird durch den erfindungsgemäßen Verteiler eine im wesentlichen gleichförmige Verteilung des Fluids erreicht. Zum Vergleich betragen die Abweichungen bei herkömmlichen Verteilungssystemen wenigstens 30%.

Durch den erfindungsgemäßen Verteiler wird eine gleichmäßige Staubkonzentration überall innerhalb des Verteilers erreicht. Dies führt zu einer verbesserten Gleichförmigkeit der Verteilung des Staubes auf die einzelnen Zweigleitungen. Da die Förderung des Staubes im wesentlichen entlang einer Geraden erfolgt und somit keine Richtungsumkehr der Staubpartikel erforderlich ist, ergibt sich eine Verringerung des Druckabfalls und eine Verminderung des Abriebs an den Innenwänden des Verteilers.

Claims (5)

1. Verteiler zur Verteilung von in einem Trägergas mitgeführten staubförmigen Feststoffen auf eine Anzahl von Zweigleitungen (5), mit einem an eine Haupt-Zufuhrleitung angeschlossenen Einlaßrohr (2) und einem sich an das Einlaßrohr anschließenden divergierenden Rohrabschnitt (3), dessen Divergenzwinkel im Bereich zwischen 8 und 180° liegt und bei dem das Verhältnis D₂/D₁ des Auslaß-Durchmessers D₂ zu dem Einlaß-Durchmesser D₁ wenigstens 1,3 beträgt, gekennzeichnet durch einen an den Auslaß des divergierenden Rohrabschnitts (3) angeschlossenen geraden Rohrabschnitt (4), dessen Länge (L) das Drei- bis Fünfzigfache des Auslaß-Durchmessers D₂ des divergierenden Rohrabschnitts (3) beträgt und an dessen Auslaß-Ende (8) die Zweigleitungen (5) angeschlossen sind.

2. Verteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Divergenzwinkel R im Bereich von 20 bis 120° liegt.

3. Verteiler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis D₂/D₁ des Auslaß- Durchmessers zum Einlaß-Durchmesser des divergierenden Rohrabschnitts (3) im Bereich von 2 bis 3 liegt.

4. Verteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des divergierenden Rohrabschnitts einen mittleren Strömungsdurchsatz gestattet, der wenigstens dem minimalen Durchsatz entspricht, der zur Förderung staubförmiger Feststoffe in einem Träger-Fluid erforderlich ist.

5. Verteiler nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet daß die Länge des geraden Rohrabschnitts (4) das Zehn- bis Dreißigfache des Auslaß-Durchmessers D₂ des divergierenden Rohrabschnitts (3) beträgt.