DE102010014580A1

DE102010014580A1 - Mehrstoffdüse mit Primärgaskernstrahl

Info

Publication number: DE102010014580A1
Application number: DE102010014580A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr.-Ing. Wurz Dieter; Stefan Hartig
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-04-09
Filing date: 2010-04-09
Publication date: 2011-10-13
Also published as: US20130068852A1; CN102834168A; DE202011110485U1; EP2555858A1; WO2011124686A1

Abstract

1. Diese Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zum Versprühen von Fluiden und zum Dispergieren von Feststoffen in Kanälen oder Behältern, die von einem Primärgas durchströmt sind. 2. Erfindungsgemäß wird wenigstens eine Düse zum Versprühen eines Fluides bzw. zum Dispergieren feinpartikulärer Feststoffe in besagten Kanälen oder Behältern eingesetzt. 3. Verwendung findet der Erfindungsgegenstand z. B. in Rauchgaskanälen oder in Rauchgasreinigungsanlagen in Kraftwerken oder in der Zementindustrie.

Description

In vielen verfahrenstechnischen Anlagen, die von einem primären Fluid durchströmt sind, stellt sich die Aufgabe, ein sekundäres, flüssiges oder gasförmiges Fluid oder auch feinpartikuläre Feststoffe möglichst homogen in das primäre Fluid einzumischen. Zu diesem Zweck werden Düsen eingesetzt. Wenn die Einmischung des sekundären Fluids, zu welchem wir auch die feinpartikulär in einem Trägerfluid suspendierten Feststoffe rechnen wollen, innerhalb einer sehr kurzen Laufstrecke erfolgen soll, ist eine Vielzahl von Düsen erforderlich, die über den Querschnitt der vom Primärfluid durchströmten verfahrenstechnischen Anlage verteilt sind. Dies ist mit hohen Kosten verbunden, insbesondere auch für die hierfür erforderlichen Sprühlanzen, über welche das sekundäre Fluid zu den Sprühdüsen transportiert wird.
In vielen Fällen wird das sekundäre Fluid mit Hilfe eines Zerstäubungshilfsmediums in das primäre Fluid eingebracht. Dieses Zerstäubungshilfsmedium kann z. B. aus Druckluft oder aus Dampfbestehen.
Im Falle eines sogenannten Verdampfungskühlers für heiße Rauchgase wird in der Regel Wasser als sekundäres Fluid in Gestalt feiner Tropfen in das primäre Fluid Rauchgas eingesprüht. In aller Regel besteht ein großes Interesse daran, dass die für die Verdunstung der Tropfen erforderliche Zeit möglichst kurz ist, da andernfalls die Abmessungen der verfahrenstechnischen Anlage sehr groß ausfallen, was mit hohen Anlagenkosten verbunden ist. Es geht jedoch nicht nur um die Tropfengrößenverteilung im Sprühstrahl des sekundären Fluides nahe am Austritt der Sprühdüsen, sondern um die Intensität der Einmischung des zu kühlenden Primärgases in den Sprühstrahl. Je intensiver diese Einmischung ist, umso kürzer ist die Verdunstungsstrecke. Bei herkömmlichen Düsen erfolgt die Einmischung des Primärgases in den Sprühstrahl über den Kegelmantel des Sprühstrahls hinweg. Das Primärgas strömt durch die Randzonen des Sprühstrahls zur Achse des Sprühstrahles hin und schleppt dabei infolge des Strömungswiderstandes auch Tropfen zur Strahlachse hin mit sich. Auf der Strahlachse existieren demnach besonders ungünstige Randbedingungen für die Verdunstung der Tropfen. Denn das Rauchgas hat sich auf dem Weg zur Achse des Sprühstrahls hin bereits abgekühlt und mit Wasserdampf angereichert. Ferner treten nahe der Strahlachse in aller Regel besonders hohe Tropfenstromdichten auf, was aus naheliegenden Gründen ebenfalls für eine schnelle Verdunstung sehr ungünstig ist.
Für das Dispergieren von Feststoffen in einer Primärgasströmung existiert ein analoges Problem. Auf der Achse des Sprühstrahles der eingebrachten Feststoffsuspension liegt eine hohe Partikeldichte vor, da das zur Achse des Sprühstrahls eingemischte Primärgas feine Feststoffpartikel vom Strahlrand zur Strahlachs hin mit sich führt.
Aufgabenstellung
Aus dem einleitend beschriebenen Sachverhalt leitet sich die Aufgabenstellung für die vorliegende Erfindung ab. Düsen und Verfahren sollen derart beschaffen sein, dass die Einmischung des Primärgases in den Strahl des Sekundärfluides möglichst intensiv ist.
Lösungen gemäß der vorliegenden Erfindung
1 zeigt eine Basiskonfiguration gemäß der Erfindung. Hier wird das primäre Fluid nicht ausschließlich über den Kegelmantel des Sprühstrahls in das sekundäre Fluid eingemischt. Vielmehr wird die Sprühdüse für das sekundäre Fluid derart gestaltet, dass sie als ringförmige Treibstrahldüse auf das primäre Fluid wirkt. Somit wird das primäre Fluid zusätzlich über eine zentrale Düse, die dem Einlauf eines Turbinenluftstrahltriebwerks ähnelt, angesaugt und dem Zentralbereich des Sprühstrahls zugeführt. Auf diese Weise wird erreicht, dass auch nahe der Achse des Sprühstrahls gute Verdunstungsbedingungen für Tropfen existieren bzw. vorteilhafte Randbedingungen für die Einmischung des sekundären Fluides in das primäre Fluid. Bei einer derartigen Konfiguration ist es möglich, einen wesentlich größeren Massenstrom des sekundären Fluides mit einer einzigen Düse in das primäre Fluid einzumischen, weil das eingesprühte sekundäre Fluid nicht nur vom Kegelmantel her, sondern auch von der Strahlachse her in das Primärfluid eingemischt wird.
2 zeigt eine Ausgestaltung gemäß der Erfindung. Es handelt sich hier um eine Zweistoffdüse, bei welcher eine Flüssigkeit als sekundäres Fluid mit einem gasförmigen Hilfsmittel zerstäubt und in das primäre Fluid, hier in abzukühlendes Rauchgas, zum Zweck der Verdunstungskühlung des primären Fluides eingesprüht wird. Das heiße Primärgas wird durch die Treibstrahlpumpenwirkung der Düse axial angesaugt und schafft somit auch auf der Strahlachse von Anfang an gute Randbedingungen für die Verdunstung der Tropfen. Diese Düse ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass das sekundäre Fluid, die Kühlflüssigkeit, über einen schmalen Ringspalt austritt, der koaxial zur Hauptachse der Sprühdüse verläuft. Ferner schließen sich an diesen Ringspalt für die Flüssigkeit nach innen und nach außen weitere Ringspalte an, über welche das Zerstäubungshilfsmittel ausgeblasen wird. Die Ringspalte für die Kühlflüssigkeit und für das Zerstäubungshifsmittel werden über Zuleitungen von außerhalb mit den entsprechenden Fluiden versorgt.
Anstelle einer einzigen großen Ringspaltdüse, die eine Zentraldüse für die Ansaugung des primären Fluides umschließt, könnten natürlich auch viele kleine Einzeldüsen derart ringförmig angeordnet werden, dass sie gemeinsam einen ringförmigen Treibstrahleffekt auf das Primärfluid ausüben und dieses somit axial ansaugen.
Es ist davon auszugehen, dass der Einlauf der Zentraldüse für die Ansaugung des primären Fluides nicht durch Staubbeläge verlegt wird, da durch die Saugwirkung der Treibstrahldüsenkonfiguration hier höhere Strömungsgeschwindigkeiten induziert werden. Bei einer Beladung des Primärgases mit abrasiv wirkenden Stäuben ist am Einlauf der Treibstrahldüse sogar eher mit Erosionsschäden zu rechnen, sodass eine entsprechende Materialwahl getroffen werden muss. Wenn in Sonderfällen dennoch Probleme mit Belagsbildung im Einlauf der Zentraldüse auftreten sollten, könnte eine kleine Reinigungsdüse der Zentraldüse derart vorgeschaltet werden, dass sie den Einlauf von Staubbelägen frei hält. Eine derartige Reinigungsdüse ist ebenfalls in 2 gezeigt. Diese Reinigungsdüse könnte beispielsweise an die Zuleitung des gasförmigen Zerstäubungshilfsmittels angeschlossen werden.
Ein wesentlicher Vorteil einer derartigen Ringspaltdüse liegt darin, dass die Verteilung des sekundären Fluides und des Zerstäubungshilfsmittels auf die Sprühdüse wesentlich einfacher gestaltet werden kann als bei einer Bündelkopfdüse (Clusterdüse), die aus einer Vielzahl von Einzeldüsen besteht.
Dies gilt insbesondere für Notbedüsungen, die nur in seltenen Ausnahmefällen angefahren werden müssen. Diese Bündeldüsen können mit Fluiden von sehr unterschiedlicher Temperatur beaufschlagt werden, z. B. von Wasser mit 20°C und von Dampf mit 300°C, welcher als Zerstäubungshilfsmittel dient. Die Verteilung des Wassers und des Dampfes auf die Einzeldüsen der Bündeldüsen ist hier mit einem hohen Aufwand verbunden sowie mit dem Risiko erheblicher Wärmespannungen.
Beschreibung der Figuren
1 zeigt die Basiskonfiguration gemäß der Erfindung in einem Längsschnitt durch die Düsenhauptachse.
2 zeigt den Längsschnitt einer Ausgestaltung gemäß der Erfindung.
1 zeigt eine Basiskonfiguration gemäß der Erfindung. In einem das Primärgas 1 führenden Rauchgaskanal 2 ist eine ringförmige Düse 3 mit der Düsenhauptachse 16 angeordnet. Aus dieser Düse 3 tritt am abströmseitigen Ende 4 das sekundäre Fluid 5 in Gestalt eines ringförmigen Sprühstrahles 12 aus. Dabei kann der insgesamt ringförmige Sprühstrahl durch eine Vielzahl von Einzelstrahlen gebildet sein, die auf einem Ring angeordnet sind, oder auch durch einen einzigen Ringspaltstrahl. Die ringförmige Düse 3 umschließt eine zentrale Düse 6 mit dem konvergenten Eintrittsbereich 7, einer Engstelle 8 und einem divergenten Austrittsteil 9. Das sekundäre Fluid wird über die Rohrleitung 10 dem ringförmigen Hohlraum 11 der Ringdüse 3 zugeführt. Durch die Treibstrahlwirkung des Fluidstrahles 12, der aus dem eingesprühten sekundären Fluid 5 besteht und aus der Ringdüse 3 bei 4 austritt, wird primäres Fluid 1 über den Eintrittsbereich 7 angesaugt und dem Zentralbereich 13 des Fluidstrahles 12 zugemischt. Ferner wird primäres Fluid 1 in bekannter Weise über den Mantel 14 des Sprühstrahles 12 in diesen eingemischt.
2 zeigt einen Längsschnitt durch eine Ausgestaltung der Düse gemäß der Erfindung. Hier wird das sekundäre Fluid 5 mittels eines Zerstäubungshilfsmediums 15 in das primäre Fluid 1 eingesprüht. Das sekundäre Fluid 5 tritt aus einem zur Hauptachse 16 der Düse konzentrisch verlaufenden Ringspalt 17 bei 4 aus. Dieser ringförmige Sekundärfluidstrahl wird auf beiden Seiten von Ringstrahlen 15.1 und 15.2 tangiert, die aus Zerstäubungshilfsmedium bestehen und die zu einer schnellen Desintegration des Sekundärfluidstrahles führen. Das Zerstäubungshilfsmittel tritt demnach aus den ebenfalls zur Hauptachse 16 konzentrischen Ringspalten 18.1 und 18.2 aus. Die Wirkung des Strahles aus sekundärem Fluid 5 sowie aus Zerstäubungshilfsmedium 15, aufgeteilt in 15.1 und 15.2, auf das primäre Fluid ist weitgehend identisch mit der zu 1 gegebenen Beschreibung. Demnach wird auch hier primäres Fluid 1 über die zentrale Düse 6 angesaugt und von der Düsenachse 16 her in den Strahl aus sekundärem Fluid 14 eingemischt. Die Zufuhr des sekundären Fluids 5 erfolgt über wenigstens eine Rohrleitung 10, jene des Zerstäubungshilfsmittels 15 über wenigstens eine Rohrleitung 19. Das sekundäre Fluid wird durch den zur Achse 16 symmetrischen Rotationshohlkörper 20 dem Ringspalt 17 zugeführt, das Zerstäubungshilfsmittel 15 über den Rotationshohlkörper 21 den Ringspalten 18.1 und 18.2.
Um hier falschen Vorstellungen vorzubeugen, sei auf Folgendes hingewiesen: In 1 ist die Düse im Vergleich zum Durchmesser des Rauchgaskanals bzw. eines das Rauchgas durchsetzenden Behälters viel zu groß dargestellt, da eine maßstäbliche Zeichnung nicht aussagekräftig gewesen wäre. In Wirklichkeit wird der Durchmesser D derartiger Ringdüsen gemäß der Erfindung in der Größenordnung von 30–150 mm liegen, während die Durchmesser der Rauchgaskanäle bzw. Behälter in der Größenordnung von ca. 2 000 mm–ca. 15 000 mm rangieren.
Die Größenordnung des mit einer derartigen Düse in kleine Tropfen zu zerstäubenden Wasserstroms liegt für einen Ringdurchmesser von 100 mm bei 100 l/min, sofern der Vordruck des Zerstäubungshilfsmittels Luft bei ca. 6 bar liegt. Die Breite der Ringspalte für das sekundäre Fluid 17 bzw. für Zerstäubungshilfsmittel 18.1 und 18.2 liegt in der Größenordnung von 0,1–1,5 mm.
Wenn Dampf als Zerstäubungshilfsmittel eingesetzt wird, kann es vorteilhaft sein, die wasserführenden Komponenten der Düse gegen die dampfführenden Komponenten thermisch zu isolieren.

Claims

Sprühsystem bestehend aus wenigstens einer Düse zum Einsprühen eines flüssigen oder gasförmigen sekundären Fluids in ein primäres Fluid oder zum Dispergieren feinpartikulärer Feststoffe in besagtem primären Fluid, dadurch gekennzeichnet, dass das Sprühsystem in Gestalt einer Treibstrahlpumpe ausgeführt wird, welche primäres Fluid ansaugt und dem Zentralbereich des Sprühstrahls zuführt.
Sprühsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sprühsystem aus vielen Einzeldüsen aufgebaut ist, die eine Zentraldüse ringförmig umschließen, über welche primäres Fluid angesaugt wird.
Sprühsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sprühsystem aus einer einzigen Ringspaltdüse besteht, über welche das sekundäre Fluid mit oder ohne Zerstäubungshilfsmittel eingesprüht wird und dass diese Düse eine Zentraldüse ringförmig umschließt, über welche primäres Fluid angesaugt wird.
Sprühsystem nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zentraldüse ein Drallerzeuger angeordnet ist.