DE3723618C1 - Apparatus for mixing two gases - Google Patents

Apparatus for mixing two gases

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Klaus Limper
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Alfons Kather
Roland Berger
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Hitachi Zosen Inova Steinmueller GmbH
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Abstract

The introduction and mixing of a small gas stream into a large gas stream are carried out via nozzles situated in rows on nozzle lances arranged in parallel, in combination with a flow element which has the shape of a baffle and is arranged in such a way that a further flow channel (13) is formed in each case on the side of the flow baffle (7) facing away from the assigned nozzle (5). <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Vermischen zweier Gase, insbesondere zum Einbringen eines Reduktionsmittels in ein Stickoxide enthaltendes Rauchgas, von denen das erste Gas in einen Gaskanal strömt, mit mindestens einer Reihe von Düsen zur Zuführung des zweiten Gases, die sich quer zur Richtung der Strömung des ersten Gases erstreckt, wobei die Achsen der Düsen zur Strömungsrichtung des ersten Gases einen Winkel bilden und wobei das aus den Düsen austretende zweite Gas eine Strömungskomponente in Richtung der Strömungsrichtung des ersten Gases hat.The invention relates to a device for mixing two gases, especially for introducing one Reducing agent in a containing nitrogen oxides Flue gas, the first gas in a gas channel flows with at least one row of nozzles for feeding of the second gas, which is transverse to the direction of flow of the first gas, the axes of the nozzles extending to Flow direction of the first gas form an angle and the second gas emerging from the nozzles being a Flow component in the direction of flow of the first gas.

Eine Vorrichtung zum Vermischen eines Gases mit einem in einen Gaskanal strömenden Gas bei hohen Temperaturen ist aus der GB-PS 10 89 770 bekannt, die aus einem zum Gaskanal koaxialen Verteilerrohr, von diesem radial und axial abgehenden Verbindungsrohren und daran angeschlossen, kreissegmentartigen und quer zur Richtung der Gaskanalströmung erstreckenden Düsenrohren besteht. In diesen Düsenrohren sind mindestens eine Reihe von Düsen angeordnet, deren Achsen zur Richtung der Gaskanalströmung einen Winkel bilden und wobei das an den Düsen austretende Gas eine Strömungskomponente in Richtung der Gaskanalströmung hat. Eine nahezu vollständige Durchmischung der beiden Gase wird erst nach einem längeren Strömungsweg erzielt. A device for mixing a gas with an in is a gas channel flowing gas at high temperatures from GB-PS 10 89 770 known from a to Gas duct coaxial, of this radial and radial axially outgoing connecting pipes and on it connected, segment-like and transverse to the direction of the gas duct flow extending nozzle tubes. In these nozzle tubes are at least one row of nozzles arranged whose axes to the direction of the gas channel flow form an angle and the exiting from the nozzles Gas a flow component in the direction of Has gas channel flow. An almost complete one The two gases are only mixed after one longer flow path achieved.  

Eine andere Vorrichtung ist von der Anmelderin in der deutschen Anmeldung P 36 42 612.1 vom 12. 12. 1986 beschrieben. Diese Vorrichtung ist in einem Abgaskanal, der eine mit fossilen Brennstoffen befeuerte Dampferzeugeranlage und einen Reaktor zur Entfernung von Stickoxiden aus einem Abgas mittels selektiver katalytischer Reduktion verbindet, unmittelbar vor dem Reaktor zum Einbringen von insbesondere Ammoniak angeordnet, wobei als Reduktionsmittel auch ammoniakalische Lösungen oder Ammoniakvorstufen eingesetzt werden können. Sie besteht mindestens aus in einer Querschnittsfläche des Abgaskanales im wesentlichen über die ganze Kanalbreite und zueinander parallel angeordneten Düsenlanzen und zu diesen im wesentlichen parallel angeordneten Strömungselementen, wobei sich vorzugsweise jeweils zwischen zwei Düsenlanzen je ein Strömungselement befindet. Dieses Strömungselement ist ein Staukörper von symmetrischem Profil, aus dem sich eine in Strömungsrichtung diffusorartige Erweiterung für das zwischen zwei Strömungselementen hindurchströmende Abgas ergibt. Die Form der Querschnittserweiterung ist dabei querschnittsmäßig trichter- oder trompetenförmig gestaltet, wodurch die Abgasströmung hinsichtlich ihrer Richtung und/oder ihrer Geschwindigkeit beeinflußt und die Durchmischung des in das Abgas eingedüsten Reduktionsmittels begünstigt wird. Die Düsenlanze ist innerhalb der diffusorartigen Querschnittserweiterung angeordnet und besitzt zwei Reihen von Düsen, deren Achsen gegen die Richtung der Abgasströmung geneigt sind.Another device is from the applicant in the German application P 36 42 612.1 dated December 12, 1986 described. This device is in an exhaust duct, one fired with fossil fuels Steam generator plant and a reactor for removing Nitrogen oxides from an exhaust gas using selective catalytic reduction connects just before the Reactor for the introduction of ammonia in particular arranged, also as a reducing agent ammoniacal solutions or ammonia precursors are used can be. It consists of at least one Cross-sectional area of the exhaust duct essentially over the entire channel width and arranged parallel to each other Nozzle lances and essentially parallel to them arranged flow elements, preferably One flow element each between two nozzle lances located. This flow element is a bluff from symmetrical profile, from which an in Flow direction diffuser-like extension for the Exhaust gas flowing between two flow elements results. The form of the cross-sectional expansion is included funnel-shaped or trumpet-shaped in cross-section designed, whereby the exhaust gas flow in terms of their Direction and / or their speed affected and the Mixing the injected into the exhaust gas Reducing agent is favored. The nozzle lance is within the diffuser-like cross-sectional expansion arranged and has two rows of nozzles whose axes are inclined against the direction of the exhaust gas flow.

Der Einsatz von statischen Strömungselementen in Form von Staukörpern mit einem symmetrischen Profil ist aufgrund der meist besonderen Fertigung der Strömungselemente wirtschaftlich relativ aufwendig.The use of static flow elements in the form of Bluff bodies with a symmetrical profile is due the mostly special production of the flow elements economically relatively complex.

Strömungselemente in Form von plattenförmigen Bauelementen sind aus der DE-PS 30 43 239 bekannt. Die Bauelemente haben eine kreisförmige, ovale, parabelförmige oder rautenförmige, vorzugsweise eine deltaförmige Form von jeweils dreieckigem oder trapezförmigem Querschnitt. Ein oder mehrere dieser Bauelemente sind im Bereich zweier sich vereinigender fluider Teilströme verschiedener Medien oder desselben Medium vorgesehen, wobei sich an deren frei angeströmter Vorderkante kegelförmig in Strömungsrichtung Wirbel ausbilden, die eine intensive, nahezu vollständige Durchmischung der beiden Teilströme innerhalb eines kurzen Strömungsweges herbeiführen.Flow elements in the form of plate-shaped components are known from DE-PS 30 43 239. The components  have a circular, oval, parabolic or diamond-shaped, preferably a delta-shaped form of each triangular or trapezoidal cross-section. A or more of these components are in the range of two unifying fluid sub-flows of different media or the same medium is provided, being free at their The leading edge is conical in the direction of flow Form vertebrae that are intense, almost complete Mixing of the two partial flows within a short Bring flow path.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß durch den Einsatz einfacher Bau- und Konstruktionselemente nicht nur eine kostengünstigere Fertigung, sondern auch eine Verbesserung in der Durchmischung eines kleinen Gasmengenstromes, dem Reduktionsmittelstrom, mit einem großen Gasmengenstrom, dem Abgasstrom gegeben ist.The present invention is based on the object To improve the device of the type mentioned at the beginning that through the use of simple construction and Construction elements not only a cheaper one Manufacturing, but also an improvement in the Mixing a small gas flow, the Reducing agent flow, with a large gas flow, the exhaust gas flow is given.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Reihe der Düsen sich im wesentlichen über die gesamte Breite des Strömungskanals erstreckt, daß die Achsen der Düsen im wesentlichen parallel sind und daß jeder Reihe von Düsen ein flächiges Strömungsblech zugeordnet ist, daß sich in dem Gaskanal im wesentlichen über dessen ganze Breite und parallel zur Reihe der Düsen erstreckt, daß das Strömungsblech zur Strömungsrichtung des Gases einen Winkel bildet, wobei im Betrieb das erste Gas das Strömungsblech unter Aufteilung in zwei Teilströme an seinen beiden Längskanten umströmt und sich Strömungswirbel ausbilden und wobei in diese Strömungswirbel hinein der zweite Gasstrom gelangt. This object is achieved in that the row of nozzles spread over the entire width of the Flow channel extends that the axes of the nozzles in are essentially parallel and that each row of nozzles a flat flow plate is assigned that in the gas channel essentially over its entire width and extends parallel to the row of nozzles that the Flow plate for the direction of flow of the gas forms an angle, the first gas in operation Flow plate divided into two partial flows flows around its two longitudinal edges and flow vortices form and in which Flow vortex enters the second gas stream.  

Der Einsatz eines Strömungsbleches, das bezogen auf sein Querschnittsprofil eben oder in beliebiger Form gekrümmt sein kann, wobei die ebene Form bevorzugt ist, senkt in einfacher Weise den wirtschaftlichen Aufwand und erlaubt aufgrund einer begrenzten Breite gegebenenfalls die Verwendung von handelsüblichen Halbfabrikaten. Durch die besondere Anordnung wird auch eine verbesserte Durchmischung erzielt. Dadurch, daß der Abgasstrom unter Aufteilung in zwei Teilströme nunmehr das Strömungsblech an seinen beiden Längskanten umströmt, bilden sich auf der stromabgewandten Seite alternierende Stromwirbel, eine Karman'sche Wirbelstraße aus. Durch die Neigung des Strömungselementes gegen die Richtung dieser großen Gasströmung bildet sich darüber hinaus auch ein großer, die gesamte Kanalbreite erfassender und die Karman'sche Wirbelstraße teilweise überlagernder Strömungswirbel aus. Diese Strömungswirbel bewirken, daß ein kleiner Gasmengenstrom, ein Reduktionsmittelstrom, der über die auf der Düsenlanze befindliche Düse eingebracht wird, aufgrund der zugeordneten Lage von Düsen und Strömungsblech in die Strömungswirbel gelangt und auf einer relativ kurzen Wegstrecke des Abgaskanals intensiv vermischt wird, so daß im Abgasstrom über dem Kanalquerschnitt eine gleichmäßige Konzentration des eingebrachten Reduktionsmittels vorliegt.The use of a flow sheet that is related to Cross-sectional profile flat or curved in any shape can, with the flat shape being preferred, lowers in simple and economical due to a limited width, the Use of commercially available semi-finished products. Through the special arrangement will also be improved Mixing achieved. The fact that the exhaust gas flow under The flow plate is now divided into two partial flows flowed around on its two longitudinal edges, formed on the alternating current eddy, a Karman's vortex street. Due to the inclination of the Flow element against the direction of this large Gas flow also forms a large one that entire channel width and the Karman Vortex street partially overlapping flow vortex. These flow vortices cause a small one Gas flow, a reducing agent stream that over the nozzle is placed on the nozzle lance, due to the assigned position of nozzles and Flow plate gets into the flow vortex and on a relatively short distance of the exhaust duct is mixed so that in the exhaust gas stream above the Channel cross-section a uniform concentration of the introduced reducing agent is present.

Um eine optimale Zuordnung zwischen den Düsen, und dem Strömungsblech zu erzielen, ist es zweckmäßig, wenn sich eine Linie, die sich durch Schnitt aus einer durch das Strömungsblech bestimmten Ebene mit einer durch die Achsen der Düsen gelegten Ebene bildet, sich in Richtung der Strömung des ersten Gases vor oder nach der Mündung der Düsen in einen Abstand bis zur maximal zweifachen Breite des Srömungsbleches befindet. To ensure an optimal allocation between the nozzles and the To achieve flow plate, it is useful if a line that is cut by one through the Flow plate determined plane with a through the axes the plane laid out in the direction of the flow of the first gas before or after the nozzle orifice at a distance up to a maximum of twice the width of the Flow plate is located.  

Durch die Festlegung der Schnittlinie wird erreicht, daß das Strömungsblech stets im Wirkungsbereich der Düsen angeordnet ist, und daß der eingebrachte kleine Gasmengenstrom von dem nach dem Strömungsblech stromabwärts aufgebauten Strömungswirbel erfaßt wird. Die auf das Strömungsblech bezogene Ebene ist dabei durch die beiden von der großen Gasströmung unter Aufteilung in zwei Teilströme umströmten und die Breite des Strömungsbleches begrenzenden Längskanten bestimmt.By defining the cutting line it is achieved that the flow plate always in the area of action of the nozzles is arranged, and that the introduced small Gas flow from that to the flow plate downstream flow vortex is detected. The is related to the flow plate level by the both of the large gas flow divided into two Partial flows flowed around and the width of the flow plate defining longitudinal edges.

Zur Sicherstellung einer möglichst intensiven Durchmischung eines kleinen Gasmengenstromes mit einem großen Gasmengenstrom ist es zweckmäßig, wenn der Neigungswinkel α des Strömungsbleches bezogen auf die Richtung der Strömung des ersten Gases 45°-135°, vorzugsweise 50-80° beträgt.To ensure the most intensive possible mixing of a small gas flow with a large gas flow, it is expedient if the angle of inclination α of the flow plate is 45 ° -135 °, preferably 50-80 °, based on the direction of flow of the first gas.

Die Einstellung eines Neigungswinkels für das Strömungsblech über dem genannten Bereich in Verbindung mit dem Neigungswinkel der Achsen der Düsen ermöglicht es, im Abgaskanal für eine rasche Durchmischung besonders günstige Strömungsverhältnisse herbeizuführen, die sich in einfacher Weise auch gegebenenfalls auch während des Betriebes der Anlage den sich ändernden Betriebsbedingungen anpassen lassen.The setting of a tilt angle for the Flow plate in connection over the area mentioned with the angle of inclination of the axes of the nozzles it allows especially in the exhaust duct for rapid mixing bring about favorable flow conditions, which are in in a simple manner, if necessary, also during the Operation of the system the changing Have the operating conditions adjusted.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Schemazeichnungen näher erläutert. Es zeigtThe invention is described below with reference to two Embodiments in connection with the Schematic drawings explained in more detail. It shows

Fig. 1 einen Abgaskanal, in dem sich aus Gründen der vereinfachten Darstellung nur ein auf einer Düsenlanze befindlichen Reihe von Düsen und ein den Düsen zuzuordnendes Strömungsblech befindet und Fig. 1 is an exhaust duct, in which, for reasons of simplified representation, only one row of nozzles located on a nozzle lance and one flow plate to be assigned to the nozzles is located and

Fig. 2 einen Abgaskanal mit mehreren Düsenlanzen und Strömungsblechen. Fig. 2 shows an exhaust duct with several nozzle lances and flow plates.

Gemäß Fig. 1 befindet sich in einem Abgaskanal (1) am Eintritt in eine zur Entstickung des Abgases vorgesehenen Reaktionsstrecke im wesentlichen über die ganze Kanalbreite (2), die senkrecht auf die Darstellungsebene gerichtet ist, und quer zur Richtung der Abgasströmung (3) eine Düsenlanze (4), auf der sich eine Reihe von Düsen (5) befinden, deren Achsen (6) gleichgerichtet und gegen die Richtung der Abgasströmung (3) geneigt sind. In etwa in der Mitte des Abgaskanales (1) befindet sich ein zu den Düsen (5) im wesentlichen paralleles und in deren Wirkungsbereich angeordnetes Strömungsblech (7), das gegenüber der Richtung der Abgasströmung (3) geneigt ist und so angeordnet ist, daß eine Linie (8), die sich durch Schnitt aus einer durch das Strömungsblech bestimmten Ebene (9) mit einer durch die Achsen (6) der Düsen (5) gelegten Ebene (10) bildet, sich in Richtung der Abgasströmung (3) vor der Mündung der Düsen (5) befindet. Diese Schnittlinie (8) befindet sich vor der Mündung der Düsen (5) zweckmäßigerweise in einem Abstand bis zur maximal zweifachen Breite (11) des Strömungsbleches (7) bezogen auf die Richtung der Abgasströmung (3) 45°-135°, vorzugsweise 50-80°. Es besteht auch die Möglichkeit, daß die Schnittlinie (8) bezogen auf die Richtung der Abgasströmung (3) nach der Mündung der Düsen (5) angeordnet ist. Auf der den Düsen (5) zu- und abgewandten Seite des Strömungsbleches (7) ist jeweils eine Strömungsgasse (12, 13) ausgebildet, durch die ein ankommender Abgasstrom unter Aufteilung in zwei Teilströme das Strömungsblech (7) an seinen beiden Längskanten umströmt. Auf der stromabwärts gelegenen Seite des Strömungsbleches (7) bilden sich dabei Stromwirbel aus, meist eine Karman'sche Wirbelstraße und ein diese teilweise überlagernder großer Strömungswirbel, die bewirken, daß ein kleiner Gasmengenstrom, das Reduktionsmittel, der über die Düsen (5) eingebracht wird, mit dem Abgasstrom (3) rasch und intensiv vermischt wird. According to Fig. 1 is located in an exhaust passage (1) at the entry into a pre-designated for the denitrification of exhaust gas reaction section substantially over the whole channel width (2), which is directed perpendicular to the illustration plane and transverse to the direction of exhaust gas flow (3) Nozzle lance ( 4 ) on which there are a number of nozzles ( 5 ), the axes ( 6 ) of which are aligned and inclined against the direction of the exhaust gas flow ( 3 ). Approximately in the middle of the exhaust gas duct ( 1 ) is a flow plate ( 7 ) which is essentially parallel to the nozzles ( 5 ) and is arranged in the area of their action, which is inclined with respect to the direction of the exhaust gas flow ( 3 ) and is arranged such that a Line ( 8 ), which is formed by intersection from a plane ( 9 ) determined by the flow plate with a plane ( 10 ) through the axes ( 6 ) of the nozzles ( 5 ), in the direction of the exhaust gas flow ( 3 ) in front of the mouth the nozzle ( 5 ) is located. This intersection line ( 8 ) is advantageously located in front of the mouth of the nozzles ( 5 ) at a distance up to a maximum of twice the width ( 11 ) of the flow plate ( 7 ) in relation to the direction of the exhaust gas flow ( 3 ) 45 ° -135 °, preferably 50- 80 °. There is also the possibility that the cutting line ( 8 ) is arranged in relation to the direction of the exhaust gas flow ( 3 ) after the mouth of the nozzles ( 5 ). A flow lane ( 12, 13 ) is formed on the side of the flow plate ( 7 ) facing and facing away from the nozzles ( 5 ), through which an incoming exhaust gas stream flows around the flow plate ( 7 ) at its two longitudinal edges, divided into two partial flows. Current vortices are formed on the downstream side of the flow plate ( 7 ), usually a Karman vortex street and a large flow vortices partially superimposed on it, which cause a small gas flow, the reducing agent, which is introduced via the nozzles ( 5 ) , is mixed quickly and intensively with the exhaust gas stream ( 3 ).

Bei einem Abgaskanal mit einem sehr großen Strömungsquerschnitt sind entsprechend Fig. 2 querschnittsfüllend nebeneinander mehrere Düsenlanzen (4) mit jeweils zwei Reihen von Düsen (5), sowie mehrere den Düsen (5) zugeordnete Strömungsbleche (7) entsprechend den in Fig. 1 dargelegten Merkmalen angeordnet.In the case of an exhaust duct with a very large flow cross-section, as shown in FIG. 2, several nozzle lances ( 4 ), each with two rows of nozzles ( 5 ), and several flow plates ( 7 ) assigned to the nozzles ( 5 ) corresponding to the features shown in FIG arranged.

Claims (3)

1. Vorrichtung zum Vermischen zweier Gase, insbesondere zum Einbringen eines Reduktionsmittels in ein Stickoxide enthaltendes Rauchgas, von denen das erste Gas in einen Gaskanal strömt, mit mindestens einer Reihe von Düsen zur Zuführung des zweiten Gases, die sich quer zur Richtung der Strömung des ersten Gases erstreckt, wobei die Achsen der Düsen zur Strömungsrichtung des ersten Gases einen Winkel bilden und wobei das aus den Düsen austretende zweite Gas eine Strömungskomponente in Richtung der Strömungsrichtung des ersten Gases hat, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Reihe der Düsen (5) sich im wesentlichen über die gesamte Breite des Strömungskanals (1) erstreckt, daß die Achsen (6) der Düsen (5) im wesentlichen parallel sind und daß jeder Reihe von Düsen (5) ein flächiges Strömungsblech (7) zugeordnet ist, das sich in dem Gaskanal (1) im wesentlichen über dessen ganze Breite und parallel zur Reihe der Düsen (5) erstreckt, daß das Strömungsblech (7) zur Strömungsrichtung des ersten Gases (3) einen Winkel (α) bildet, wobei im Betrieb das erste Gas (3) das Strömungsblech (7) unter Aufteilung in zwei Teilströme an seinen beiden Längskanten umströmt und sich Strömungswirbel ausbilden und wobei in diese Strömungswirbel hinein der zweite Gasstrom gelangt.1. Device for mixing two gases, in particular for introducing a reducing agent into a flue gas containing nitrogen oxides, of which the first gas flows into a gas channel, with at least one row of nozzles for supplying the second gas, which is transverse to the direction of flow of the first Gas extends, wherein the axes of the nozzles form an angle to the flow direction of the first gas and wherein the second gas emerging from the nozzles has a flow component in the direction of the flow direction of the first gas, characterized in that the row of nozzles ( 5 ) are in the extends essentially over the entire width of the flow channel ( 1 ), that the axes ( 6 ) of the nozzles ( 5 ) are essentially parallel and that each row of nozzles ( 5 ) is assigned a flat flow plate ( 7 ) which is located in the gas channel ( 1 ) extends essentially over its entire width and parallel to the row of nozzles ( 5 ) that the flow plate ( 7 ) forms an angle ( α ) to the direction of flow of the first gas ( 3 ), the first gas ( 3 ) flowing around the flow plate ( 7 ) when divided into two partial streams on its two longitudinal edges and flow vortices being formed, and in this Flow vortex enters the second gas stream. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Linie (8), die sich durch Schnitt aus einer durch das Strömungsblech (7) bestimmten Ebene (9) mit einer durch die Achsen (6) der Düsen (5) gelegten Ebene (10) bildet, sich in Richtung der Strömung des ersten Gases (3) vor oder nach der Mündung der Düsen (5) in einem Abstand bis zur Maximal zweifachen Breite (11) des Strömungsbleches (7) befindet.2. Device according to claim 1, characterized in that a line ( 8 ), which is cut by a section through the flow plate ( 7 ) determined plane ( 9 ) with a through the axes ( 6 ) of the nozzles ( 5 ) plane ( 10 ) forms, in the direction of the flow of the first gas ( 3 ) before or after the mouth of the nozzles ( 5 ) at a distance up to a maximum of twice the width ( 11 ) of the flow plate ( 7 ). 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel (α) des Strömungsbleches (7) bezogen auf die Richtung der Strömung des ersten Gases (3) 45°-135°, vorzugsweise 50-80° beträgt.3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the angle of inclination ( α ) of the flow plate ( 7 ) based on the direction of flow of the first gas ( 3 ) is 45 ° -135 °, preferably 50-80 °.
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