EP1890081B1 - Düse zum Einbringen und Dosieren eines Behandlungsmediums in den Abgasstrom bei Verbrennungsprozessen - Google Patents

Düse zum Einbringen und Dosieren eines Behandlungsmediums in den Abgasstrom bei Verbrennungsprozessen Download PDF

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EP1890081B1
EP1890081B1 EP07010666.1A EP07010666A EP1890081B1 EP 1890081 B1 EP1890081 B1 EP 1890081B1 EP 07010666 A EP07010666 A EP 07010666A EP 1890081 B1 EP1890081 B1 EP 1890081B1
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EP
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jet
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medium
mixing chamber
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    • F23J15/00—Arrangements of devices for treating smoke or fumes
    • F23J15/003—Arrangements of devices for treating smoke or fumes for supplying chemicals to fumes, e.g. using injection devices
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    • B05B7/0416—Spray pistols; Apparatus for discharge with arrangements for mixing liquids or other fluent materials before discharge with arrangements for mixing one gas and one liquid
    • B05B7/0441—Spray pistols; Apparatus for discharge with arrangements for mixing liquids or other fluent materials before discharge with arrangements for mixing one gas and one liquid with one inner conduit of liquid surrounded by an external conduit of gas upstream the mixing chamber
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    • B05B7/0416—Spray pistols; Apparatus for discharge with arrangements for mixing liquids or other fluent materials before discharge with arrangements for mixing one gas and one liquid
    • B05B7/0441—Spray pistols; Apparatus for discharge with arrangements for mixing liquids or other fluent materials before discharge with arrangements for mixing one gas and one liquid with one inner conduit of liquid surrounded by an external conduit of gas upstream the mixing chamber
    • B05B7/0466—Spray pistols; Apparatus for discharge with arrangements for mixing liquids or other fluent materials before discharge with arrangements for mixing one gas and one liquid with one inner conduit of liquid surrounded by an external conduit of gas upstream the mixing chamber with means for deflecting the central liquid flow towards the peripheral gas flow

Definitions

  • the invention relates to a nozzle for introducing and metering a treatment medium into the exhaust gas flow in combustion processes, in which a treatment medium and a carrier medium are miscible with each other and jointly ausdüsbar.
  • the invention also relates to a method of operating such a nozzle.
  • a single-component nozzle in which the treatment medium and the carrier medium can be introduced into a mixing chamber and atomized by means of a nozzle head having a nozzle bore.
  • a disadvantage of this nozzle is the fact that the nozzle head in the furnace is exposed to a strong heat and corrosion.
  • the US 3,680,781 A describes a generic nozzle in which the nozzle gap is variable by moving the Hülliatas.
  • the object of the invention is to provide a nozzle of this type, which better withstand the stresses in the furnace and can be made operational again in case of wear in a simple manner.
  • the sheath element Since the sheath element is cooled from the inside by the mixture of carrier medium and treatment medium, it is able to withstand the strong effects of heat for a longer time.
  • the inner displacement body can be arranged easily replaceable. In severe damage to the front end of the Hülliatas and the displacement body, these two parts, if they were originally designed long enough, can be shortened in a simple manner, whereby the nozzle is operational again. Compared to a known nozzle with nozzle head and nozzle bore this brings considerable simplifications in the operation of such a nozzle with it, since a Einstoffdüse with specially tuned nozzle outlet easily clogged and can not be easily cut off at its front end, as is possible with the nozzle according to the invention ,
  • outer casing element and the feed element are round tube elements.
  • a particularly good mixing is achieved in that the treatment medium transversely, preferably perpendicular, enters the mixing chamber to the flow direction of the carrier medium.
  • the displacer protrudes beyond the enveloping element, since this can exert a favorable impulse effect on the immediate core region in front of the nozzle.
  • the displacement body with its taper on the in the flow direction front end of the feed element for the treatment medium is interchangeably arranged, which extends in the axial direction of the displacer through the mixing space and having at the periphery in the vicinity of the taper outlet openings for the treatment medium.
  • a simple embodiment of a constructive nature results when the supply element for the treatment medium passes centrally through the pressure chamber and connects both axial boundary walls and the mixing chamber associated boundary wall has a permeable for the support medium holder for the feed.
  • the cladding element is made of a heat-resistant material, this extends the life.
  • the enveloping element is connected to the boundary wall via a detachable connection.
  • the invention also relates to a method for operating such a nozzle and is characterized in that the flow rate of the mixture of carrier medium and treatment medium and the momentum of this mixture in the core region and vicinity of the nozzle orifice can be controlled by changing the length of the mixing section of both media.
  • the nozzle has an outer enveloping element 2 and an inner cross-sectionally round displacer 1, which has a length L2 and is inserted over a length L1 in the enveloping element 2.
  • a nozzle gap 14 is limited.
  • the cladding tube 4 is connected by means of a releasable connection 4.1, e.g. a mother, connected to a boundary wall 4.
  • the displacement body 1 has at its rear end a taper 3, with which it is connected to a feed element 5 for a treatment medium.
  • This feeding element 5 thus forms the holding device for the displacement body 1.
  • the feed element 5 is held in the boundary wall 4 of a pressure chamber 6.1 by means of a holder 12, which is a flow through a Carrier medium 11 from the pressure chamber 6.1 to the nozzle gap 14 allows.
  • a rear boundary wall 7 of the pressure chamber 6.1 serves to hold the feed element 5.
  • the pressure chamber 6.1 is bounded by a tubular wall 6 at its periphery, which has an inlet opening 10 for a carrier medium 11.
  • a mixing chamber 18 Between the holder 12 in the boundary wall 4 and the taper 3 is a mixing chamber 18, in the one hand in the axial direction, a carrier medium 11 and on the other hand, a treatment medium 9 flows, which is supplied by means of the feed element 5, at its end facing the taper 3 Outlet openings 13, from which the treatment medium 9 emerges transversely to the flow direction of the support medium 11 and begins a mixing process with the support medium. This process continues in the nozzle gap 14.
  • the length of the displacement body 1 is greater than the immersion depth L1 in the sheath element 2, there is the possibility of clogging or destruction of the front end of this nozzle, this front end of the displacer in a simple manner by means of a cutting disc, whereby the operation of the nozzle can be resumed in no time.
  • the operation of the nozzle is the following:
  • the carrier medium 11 occurs at the supply opening 10 in the pressure chamber 6.1 and passes through the permeable holder 12 in the mixing chamber 18 and from there into the nozzle gap 14.
  • the treatment medium 9 enters the feed element 5 and leaves it via the opening 13, whereby it enters the mixing space 18 transversely, preferably even vertically, to the flow direction of the carrier medium. Via the taper 3, the mixture undergoes an acceleration, whereby the mixing process in the nozzle gap 14 is continued.
  • the diameter ratio of inner diameter D1 of the nozzle tube 2 and the outer diameter D2 of the displacer 1, as well as the ratio of static pressure p2 of the carrier medium 11 and the total pressure p1 of the treatment medium at the outlet openings 13 determines the flow rate of the treatment medium and the carrier medium and the momentum in the core region 16 and in the vicinity 17 of the nozzle.
  • the length of the mixing section, starting from the mixing space 18 via the nozzle gap 14, also has an influence on the amount of penetration and the momentum, so that these parameters can be used to control the operation of the nozzle.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Düse zum Einbringen und Dosieren eines Behandlungsmediums in den Abgasstrom bei Verbrennungsprozessen, bei der ein Behandlungsmedium und ein Trägermedium miteinander mischbar und gemeinsam ausdüsbar sind. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Düse.
  • Aus der DE 3935401 C1 ist eine Einstoffdüse bekannt, bei der das Behandlungsmedium und das Trägermedium in eine Mischkammer einführbar und mittels eines eine Düsenbohrung aufweisenden Düsenkopfes zerstäubbar sind. Nachteilig bei dieser Düse ist die Tatsache, dass der Düsenkopf im Feuerraum einer starken Hitzeeinwirkung und einer Korrosionseinwirkung ausgesetzt ist.
  • Die US 3,680,781 A beschreibt eine gattungsgemäße Düse, bei der der Düsenspalt durch Verschieben des Hüllelementes variabel ist.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Düse dieser Art zu schaffen, die den Belastungen im Feuerraum besser standhält und bei Verschleiß in einfacher Weise wieder betriebsfähig gemacht werden kann.
  • Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Düse der eingangs erläuterten Art erfindungsgemäß mit einer Düse mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Da das Hüllelement von innen durch das Gemisch aus Trägermedium und Behandlungsmedium gekühlt ist, ist es in der Lage, den starken Hitzeeinwirkungen länger standzuhalten. Der innere Verdrängerkörper kann leicht auswechselbar angeordnet sein. Bei starker Beschädigung am vorderen Ende des Hüllelementes und des Verdrängerkörpers können diese beiden Teile, sofern sie ursprünglich lang genug ausgeführt waren, in einfacher Weise gekürzt werden, wodurch die Düse wieder betriebsfähig ist. Gegenüber einer bekannten Düse mit Düsenkopf und Düsenbohrung bringt dies erhebliche Vereinfachungen im Betrieb einer solchen Düse mit sich, da eine Einstoffdüse mit speziell abgestimmter Düsenaustrittsöffnung leichter verstopft und nicht in einfacher Weise an ihrem vorderen Ende abgeschnitten werden kann, wie dies bei der erfindungsgemäßen Düse möglich ist.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass äußere Hüllelement und das Zuführelement runde Rohrelemente sind.
  • Eine besonders gute Durchmischung wird dadurch erzielt, dass das Behandlungsmedium quer, vorzugsweise senkrecht, zur Strömungsrichtung des Trägermediums in den Mischraum eintritt.
  • Für den Betrieb der Düse ist es vorteilhaft, wenn der Verdrängerkörper über das Hüllelement hinausragt, da hierdurch eine günstige Impulswirkung auf den unmittelbaren Kernbereich vor der Düse ausgeübt werden kann. In weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Verdrängerkörper mit seiner Verjüngung an dem in Strömungsrichtung vorderen Ende des Zuführungselementes für das Behandlungsmedium auswechselbar angeordnet ist, das in Achsrichtung des Verdrängerkörpers durch den Mischraum verläuft und am Umfang in der Nähe der Verjüngung Austrittsöffnungen für das Behandlungsmedium aufweist. Hierdurch ist eine einfache Anordnung des Verdrängerkörpers innerhalb des Düsenrohres geschaffen, wobei es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung besonders vorteilhaft ist, wenn der Verdrängerkörper ausschließlich durch das Zuführungsrohr gehalten ist. Hierdurch können sich zwar Abweichungen in der Zentrierung des Verdrängerkörpers innerhalb des Hüllelementes ergeben, die jedoch keinen Einfluss auf die Durchsatzmenge und den Impuls vor der Düse haben, da der freie Querschnitt, der für das Ausströmen des Gemisches zur Verfügung steht, durch eine schräge Anordnung des Verdrängerkörpers nicht beeinflusst wird.
  • Eine einfache Ausgestaltung konstruktiver Art ergibt sich, wenn das Zuführelement für das Behandlungsmedium zentral durch den Druckraum verläuft und beide axialen Begrenzungswände miteinander verbindet und die dem Mischraum zugeordnete Begrenzungswand eine für das Trägermedium durchlässige Halterung für das Zuführelement aufweist.
  • Wenn das Hüllelement aus einem hitzebeständigen Material besteht, so wird hierdurch die Lebensdauer verlängert.
  • Vorteilhaft ist es, wenn das Hüllelement über eine lösbare Verbindung mit der Begrenzungswand verbunden ist.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Düse und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Durchsatzmenge des Gemisches aus Trägermedium und Behandlungsmedium und der Impuls dieses Gemisches im Kernbereich und Nahbereich der Düsenmündung durch Veränderung der Länge der Mischstrecke beider Medien regelbar sind.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert. In der Zeichnung zeigen:
    • Fig. 1
    einen Längsschnitt durch eine Düse und
    Fig. 2
    einen vergrößerten Ausschnitt des vorderen Bereiches der Düse nach Fig. 1.
  • Wie aus der Zeichnung ersichtlich weist die Düse ein äußeres Hüllelement 2 und einen inneren im Querschnitt runden Verdrängerkörper 1 auf, der eine Länge L2 aufweist und über eine Länge L1 in dem Hüllelement 2 steckt. Hierdurch ist ein Düsenspalt 14 begrenzt. Das Hüllrohr 4 ist mittels einer lösbaren Verbindung 4.1, wie z.B. einer Mutter, mit einer Begrenzungswand 4 verbunden.
  • Der Verdrängerkörper 1 weist an seinem hinteren Ende eine Verjüngung 3 auf, mit der er mit einem Zuführelement 5 für ein Behandlungsmedium verbunden ist. Dieses Zuführelement 5 bildet somit die Halteeinrichtung für den Verdrängerkörper 1.
  • Das Zuführelement 5 ist in der Begrenzungswand 4 eines Druckraumes 6.1 mittels einer Halterung 12 gehalten, die ein Durchströmen eines Trägermediums 11 aus dem Druckraum 6.1 zum Düsenspalt 14 ermöglicht. Eine hintere Begrenzungswand 7 des Druckraumes 6.1 dient der Halterung des Zuführelementes 5. Der Druckraum 6.1 ist durch eine rohrförmige Wand 6 an seinem Umfang begrenzt, die eine Einlassöffnung 10 für ein Trägermedium 11 aufweist.
  • Zwischen der Halterung 12 in der Begrenzungswand 4 und der Verjüngung 3 befindet sich ein Mischraum 18, in den einerseits in axialer Richtung ein Trägermedium 11 und andererseits ein Behandlungsmedium 9 einströmt, welches mittels des Zuführelementes 5 zugeführt wird, das an seinem der Verjüngung 3 zugewandten Ende Austrittsöffnungen 13 aufweist, aus denen das Behandlungsmedium 9 quer zur Strömungsrichtung des Trägermediums 11 austritt und einen Mischvorgang mit dem Trägermedium beginnt. Dieser Vorgang setzt sich in dem Düsenspalt 14 fort.
  • Wenn L2, die Länge des Verdrängerkörpers 1, größer als die Eintauchtiefe L1 in dem Hüllelement 2 ist, besteht die Möglichkeit bei Verstopfung oder Zerstörung des vorderen Endes dieser Düse dieses vordere Ende des Verdrängerkörpers in einfacher Weise mittels einer Trennscheibe abzutrennen, wodurch der Betrieb der Düse in kürzester Zeit wieder aufgenommen werden kann.
  • Die Funktionsweise der Düse ist folgende:
  • Das Trägermedium 11 tritt bei der Zufuhröffnung 10 in den Druckraum 6.1 und gelangt über die durchlässige Halterung 12 in den Mischraum 18 und von dort in den Düsenspalt 14. Das Behandlungsmedium 9 tritt in das Zuführelement 5 ein und verlässt dieses über die Öffnung 13, wodurch es quer, vorzugsweise sogar senkrecht, zur Strömungsrichtung des Trägermediums in den Mischraum 18 eintritt. Über die Verjüngung 3 erfährt das Gemisch eine Beschleunigung, wodurch der Mischvorgang in dem Düsenspalt 14 fortgesetzt wird.
  • Das Durchmesserverhältnis von Innendurchmesser D1 des Düsenrohres 2 und des Außendurchmessers D2 des Verdrängerkörpers 1 bestimmt ebenso wie das Verhältnis aus statischem Druck p2 des Trägermediums 11 und dem Gesamtdruck p1 des Behandlungsmediums an den Austrittsöffnungen 13 die Durchsatzmenge des Behandlungsmedium und des Trägermediums und den Impuls im Kernbereich 16 und im Nahbereich 17 der Düse. Auf die Durchsetzmenge und den Impuls hat auch die Länge der Mischstrecke, ausgehend von dem Mischraum 18 über den Düsenspalt 14 einen Einfluss, so dass diese Parameter zur Regelung des Betriebs der Düse herangezogen werden können.

Claims (11)

  1. Düse zum Einbringen und Dosieren eines Behandlungsmediums (9) in den Abgasstrom bei Verbrennungsprozessen, bei der ein Behandlungsmedium (9) und ein Trägermedium (10) miteinander mischbar und gemeinsam ausdüsbar sind, wobei die Düse ein äußeres Hüllelement (2) und einen inneren Verdrängerkörper (1) zur Bildung eines Düsenspaltes (14) aufweist, wobei
    der Verdrängerkörper (1) innerhalb des Hüllelements (2) einen Mischraum (18) und in dem Übergangsbereich zwischen Mischraum (18) und Düsenspalt (14) an seinem hinteren Ende eine Verjüngung (3) aufweist und der Mischraum (18) mit einem Druckraum für das Trägermedium (10) in Verbindung steht, aus dem das Trägermedium (10) achsparallel zum Düsenspalt (14) strömt,
    wobei ein mit der Verjüngung (3) verbundenes Zuführelement (5) für das Behandlungsmedium (9) vorgesehen ist, aus dem das Behandlungsmedium (9) in den Mischraum (18) austritt, wobei beide Medien nach Beschleunigung an der Verjüngung (3) in den als weitere Mischstrecke dienenden Düsenspalt (14) eintreten und
    der Verdrängerkörper (1) in Richtung eines Düsenaustrittes mindestens die Länge des Hüllelements (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängerkörper (1)
    im Querschnitt rund ist, eine Länge (L2), die zylinderförmig ist, und einen Außendurchmesser (D2) aufweist und über eine Länge (L1) in dem runden, zylinderförmigen, einen Innendurchmesser (D1) aufweisenden Hüllelement (2) steckt.
  2. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das das Zuführelement (5) ein rundes Rohrelement ist.
  3. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Behandlungsmedium (9) quer, vorzugsweise senkrecht, zur Strömungsrichtung des Trägermediums (11) in den Mischraum (18) eintritt.
  4. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängerkörper (1) über das Hüllelement (2) hinausragt.
  5. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängerkörper (1) mit der Verjüngung (3) an dem in Strömungsrichtung vorderen Ende des Zuführelementes (5) für das Behandlungsmedium (9) auswechselbar angeordnet ist, das in Achsrichtung des Verdrängerkörpers (1) durch den Mischraum (18) verläuft und am Umfang in der Nähe der Verjüngung (3) Austrittsöffnungen (13) für das Behandlungsmedium aufweist.
  6. Düse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängerkörper (1) ausschließlich durch das Zuführelement (5) gehalten ist.
  7. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zuführelement (5) für das Behandlungsmedium (9) zentral durch den Druckraum (6.1) verläuft und beide axialen Begrenzungswände (4, 7) miteinander verbindet und dass die dem Mischraum (18) zugeordnete Begrenzungswand (4) eine für das Trägermedium durchlässige Halterung (12) für das Zuführelement (5) aufweist.
  8. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllelement (2) aus einem hitzebeständigen Material besteht.
  9. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllelement (2) über eine lösbare Verbindung (4.1) mit einer Begrenzungswand (4) verbunden ist.
  10. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllelement und der Verdrängerkörper so lang ausgeführt sind, dass diese beiden Teile bei starker Beschädigung am vorderen Ende des Hüllelementes und des Verdrängerkörpers gekürzt werden können, wodurch die Düse wieder betriebsfähig ist.
  11. Verfahren zum Betrieb einer Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchsatzmenge des Gemisches aus Trägermedium (10) und Behandlungsmedium (9) und der Impuls dieses Gemisches im Kernbereich (16) und Nahbereich (17) der Düsenmündung durch Veränderung der Länge der Mischstrecke beider Medien geregelt werden.
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