DE102006011655A1 - Statischer Fluidmischer mit Wandeindüsung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft die Einmischung eines zweiten Fluids in ein erstes Fluid. Diese Einmischung wird einerseits durch feststehende Mischflügel erreicht, "statische Mischer" genannt, andererseits durch Düsen, über die das zweite Fluid in das erste Fluid eingesprüht wird.

Description

  • Stand der Technik
  • In vielen verfahrenstechnischen Anlagen wird einem ersten Fluid ein zweites Fluid beigemischt. Dabei können die Fluide gasförmig sein. Häufig stellt sich jedoch auch die Aufgabe, als zweites Fluid eine Flüssigkeit in ein gasförmiges erstes Fluid einzumischen und die Flüssigkeit im zweiten Fluid zu verdampfen.
  • So wird beispielsweise Ammoniakwasser in heißes Rauchgas eingesprüht, damit in einer nachfolgenden Entstickungsanlage nach dem Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion die Stickoxide zerlegt werden können. Wenn hierbei hohe Abscheidegrade von z. B. 90 % erreicht werden sollen, muss die Verteilung des Ammoniaks über dem Kanalquerschnitt in Zuordnung zur Verteilung der Stickoxide sehr gleichmäßig sein. Insbesondere sollte der Ammoniakgehalt an keiner Stelle in die Nähe des Stöchiometrieverhältnisses 1 bezüglich des Stickoxidgehalts kommen oder diesen sogar überschreiten, weil es sonst zu einem Durchbruch nicht abreagierten Ammoniaks durch den Katalysator kommt, dem sogenannten Ammoniakschlupf. Zwar würde der Ammoniakschlupf durch Reaktion mit dem Schwefeltrioxidgehalt des Rauchgases als Ammoniumsulfat bzw. Ammoniumhydrogensulfat weitgehend auf der Flugasche anfallen und mit dieser im Elektrofilter abgeschieden werden; aber bei der Verwendung der Flugasche als Zementzusatz würde es bei Anmischung mit Wasser zum Ausgasen ätzender Ammoniakdämpfe kommen.
  • Obwohl auch viele andere Anwendungsfälle angeführt werden könnten, soll der Stand der Technik wie auch die vorliegende Erfindung am Beispiel der Rauchgasentstickung nach dem Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion beschrieben werden, wobei wir davon ausgehen wollen, dass nicht etwa gasförmiges Ammoniak eingedüst wird, sondern Ammoniakwasser. Erst im Zuge der Verdampfung des Wassers wird das Ammoniak als Gas freigesetzt.
  • Der Kostendruck und die beengte räumliche Situation an vielen Standorten zwingt dazu, die Strecke für die Verdampfung und Einmischung des zweiten Fluides, hier des Ammoniakwassers, möglichst kurz zu halten. Durch eine geeignete Konfiguration der Düsen für die Einbringung des zweiten Fluides und zusätzlicher statischer Mischelemente sollen kurze Einmischstrecken verwirklicht werden.
  • Im deutschen Patent DE 195 39 923 C1 werden statische Mischer beschrieben. Ferner wird in einer deutschen Patentanmeldung aus dem Jahre 2006 ( AZ 10 2006 001 318.2 ) eine Düsenanordnung beschrieben, die sich dadurch auszeichnet, dass die Düsen in die Wand eingebettet sind und dass der Bereich um die Düsen beheizt ausgeführt ist, um Wandbeläge durch Taupunktsunterschreitungen zu vermeiden. Bei dieser Konfiguration wird das zweite Fluid im Wesentlichen quer zum ersten Fluid eingeblasen. Alleine hiermit wird die Einmischung bereits wesentlich verbessert, wie in der deutschen Patentanmeldung AZ 10 2006 001 318.2 näher beschrieben ist. In dieser letztgenannten Patentanmeldung wird auch beschrieben, dass große Eindringtiefen des zweiten Fluides in das erste Fluid durch Umhüllung des zweiten Fluidstrahles mit einem Hüllluftstrahl erreicht werden können. An dieser Einsicht hat sich auch nichts geändert. Allerdings ist festzustellen, dass die Eindringtiefe bei ausschließlicher Anwendung eines Hüllluftstrahles unter Umständen nicht ausreichend ist, oder dass ein sehr starker Hüllluftstrahl eingesetzt werden müsste, was mit einem entsprechend hohen Energieverbrauch verbunden wäre.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine vorteilhafte Kombination eines statischen Mischers, der in einem das erste Fluid führenden Kanal eingebaut ist, mit einer Düse ohne oder mit Hüllluft. Besonderer Wert wird hierbei auf eine Konfiguration mit der wandgebundenen Eindüsung gelegt, d. h. auf eine Eindüsungskonfiguration für das zweite Fluid, die ohne eine in das Primärfluid nennenswert hineinragende Düsenlanze auskommt.
    •
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand der 1 – 4 beschrieben.
  • 1: zeigt in Seitenansicht eine Basisvariante nach der Erfindung angeordnet in einem horizontalen Kanal.
  • 2: zeigt eine Basiskonfiguration nach der Erfindung bei Blickrichtung entgegen der Strömungsrichtung des ersten Fluides.
  • 3: zeigt eine Ausgestaltung gemäß der Erfindung mit zusätzlichen am Kanalboden auf Stelzen befestigten Mischflügeln.
  • 4: zeigt die Ausgestaltung gemäß 3 bei Blickrichtung entgegen der Strömungsrichtung des ersten Fluides.
  • 5: zeigt einen herkömmlichen SCR – Reaktor mit Leitschaufeln in der Eintrittshaube.
  • 6: zeigt reinen SCR – Reaktor mit neuartiger Eintrittshaube, die als Mischer gestaltet ist.
  • 1 zeigt die Basisvariante gemäß der Erfindung. Dargestellt ist ein von links nach rechts vom ersten Fluid 1 durchströmter Kanal 2 an dessen Decke 3 die in dieser Darstellung hinter einander liegenden Düsen 4 angeordnet sind. Dargestellt sind zwei Fluidstrahlen 6.1 und 6.2 des zweiten Fluides 6, die von oben unterschiedlich weit in den Rauchgaskanal eindringen. Der Einbaustelle 5 der Düsen für das Einsprühen des zweiten Fluides 6, hier eines tropfenbeladenen Gasstromes, ist im Rauchgaskanal ein statischer Mischer 7 vorgeschaltet. Dabei ist es nicht neu, einer Düse einen statischen Mischer bzw. einen Mischflügel vorzuschalten. Neu ist vielmehr, auf Düsenlanzen zu verzichten und das zweite Fluid über Düsen einzubringen, die in die Kanalwand 3 versenkt sind, wie es in der Patentanmeldung AZ 10 2006 001 318.2 ohne Beschreibung einer Verknüpfung mit einem statischen Mischer dargestellt ist. In dieser 1 ist auch dargestellt, dass stromab der Einbauposition der Düsen 4 ein weiterer statischer Mischer 8 eingebaut sein kann.
  • 2 zeigt stärker verkleinert einen Schnitt durch besagten Rauchgaskanal 2 bei Blickrichtung entgegen der Strömung des ersten Fluides. Dargestellt sind 16 Düsen 4.1–4.16 für die Einbringung des zweiten Fluides sowie zwei Mischflügel 7. Ferner ist dargestellt, dass das zweite Fluid 6.2 in der Nachlaufströmung der Mischflügel weiter zum 27 hin vordringen kann, sodass die Strahlachse 9.2 eine Eindringtiefe von d9.2 erreicht, vergleiche auch 1, während der Strahl 6.1 in jenen Bereichen, die nicht von einem Mischflügel abgeschirmt sind, nur eine geringe Eindringtiefe von d9.1 erreicht.
  • Die Flügel derartiger Mischer 7 bzw. 13, 3, weisen eine dem ersten Fluid zugewandte Druckseite 25 und eine Saugseite 26 auf. Grundsätzlich besteht das Risiko, dass die Tropfen im zweiten Fluid im Rückströmgebiet des Mischflügels teilweise auf der Saugseite des Flügels abgeschieden werden und dort zusammen mit der im Rauchgas, dem ersten Fluid enthaltenen Flugasche oder auch durch Reaktion des Ammoniaks mit dem Schwefeltrioxidgehalt des Rauchgases zu Belägen führen. Um dies zu vermeiden, ist der Mischflügel mit Öffnungen 10 versehen, durch die ein Teil des ersten Fluides von der Druckseite des Mischflügels zur Saugseite geleitet wird. Auf diese Weise wird die Rückströmung verhindert und ein Rücktransport von Tropfen auf den Mischflügel kann vermieden werden. Allerdings müssen besagte Öffnungen 10 derart dimensioniert sein, dass zwar eine Rückströmung weitgehend vermieden wird, dass jedoch die Strömungsgeschwindigkeit im Nachlaufgebiet so weit reduziert ist, dass das zweite Fluid möglichst ungestört weit in das erste Fluid bzw. in die Tiefe des Kanals eindringen kann. Dabei müssen die Öffnungen 10 in den Mischflügeln 7 bzw. 13 durchaus keinem regelmäßigen lochblechartigen Verteilungsmuster folgen, wie dies in den 2 und 4 gezeigt ist. Vielmehr kann durch eine geeignete Verteilung der Öffnungen eine bestimmte Geschwindigkeitsverteilung stromab des Mischflügels erzeugt werden.
  • Grundsätzlich kommen hier unterschiedlichste Mischer nach dem Stand der Technik in Frage, insbesondere auch Mischflügel, wie sie im deutschen Patent DE 195 39 923 C1 beschrieben sind. Entscheidend ist hier die vorteilhafte Kombination mit Düsen, die in die Kanalwände eingebettet sind.
  • Ein grundsätzliches Problem stellt sich häufig dadurch, dass die Strömungsgeschwindigkeit des ersten Fluides mit dem Betriebszustand der Anlage variabel ist. Je größer die Strömungsgeschwindigkeit bzw. der dynamische Druck der Strömung des ersten Fluides ist, umso geringer ist üblicherweise die Eindringtiefe des zweiten Fluides. Nun könnte man der Auffassung sein, dass man den Durchsatz der zweiten Düse entsprechend reduzieren könnte; bei einem Einsatz von Zweistoffdüsen könnte man beispielweise den Vordruck der Zerstäubungsluft reduzieren. Dies ist jedoch mit dem Nachteil verbunden, dass dann die einzusprühende Flüssigkeit nicht mehr in feinstmögliche Tropfen zerlegt wird. Hiermit würde sich die für die Tropfenverdunstung erforderliche Zeit wesentlich erhöhen. Vorteilhaft ist es dagegen, die Einstellbarkeit der Eindringtiefe des zweiten Fluides in den Kanal von der Qualität der Tropfenverdüsung abzukoppeln. Zu diesem Zweck wird der Kernstrahl der Düse 11, wie dies bereits in der deutschen Patentanmeldung AZ 10 2006 001 318.2 beschrieben wurde, von einem Hüllluftstrahl 12 umgeben. Dessen regelungstechnische Anpassung an die Strömungsgeschwindigkeit im ersten Fluid erlaubt eine Variation der Eindringtiefe des zweiten Fluides, ohne dass dies mit einer Beeinträchtigung der Tropfengröße verbunden wäre. Während dieses Merkmal für sich alleine somit nicht neu ist, wird durch die Kombination einer Variation des Hüllluftvolumenstromes mit den Eigenschaftes des statischen Mischers ein neuartiges, sehr variables System geschaffen, welches bei geringem Energieaufwand eine gute Vermischungsgüte bietet.
  • Unter bestimmten Voraussetzungen kann es jedoch auch vorteilhaft sein, nur einen Teil der Düsen für die Einbringung des zweiten Fluides in die Wände des das erste Fluid führenden Kanals einzubetten und z. B. jede zweite Düse in bekannter Weise mit Hilfe einer Düsenlanze weiter in den Kanal einzuführen, hier nicht dargestellt.
  • 3 und 4 zeigen in einer Ausgestaltung der Erfindung eine Konfiguration, bei der die Mischflügel nicht nur von der näherungsweise horizontalen Kanaldecke 3 ausgehen. Vielmehr sind hier auch Mischflügel 13 über Stelzen 14 in einem gewissen Abstand vom näherungsweise horizontalen Kanalboden 27 angeordnet. Diese Mischflügel 13 können demnach unterströmt werden. Ihre Position ist derart gewählt, dass sie in die Zwischenräume 16 zwischen den von der Kanaldecke abgehängten Mischflügeln 7 hineinragen, 4. In horizontalen und schwach geneigten Kanälen ist das Aufstelzen von Mischflügeln am Kanalboden von großer Bedeutung, da es hier insbesondere bei Teillast durch Sedimentation zu erheblichen Staubablagerungen auf dem Kanalboden 27 kommen kann. Da eine derartige Anordnung von Mischflügeln selbstverständlich auch einen gewissen Druckverlust verursacht, treten im unversperrten Fenster zwischen Kanalboden und Flügelunterkante wandnahe Strömungen 15 mit erhöhter Geschwindigkeit auf, wodurch eine Bildung von Staubablagerungen weitgehend verhindert werden kann.
  • Bei Anlagen mit einer äußerst kurzen Verdampfungs- und Einmischstrecke z. B. für Ammoniakwasser, kann es erforderlich werden, die Eintrittshaube 18 des SCR – Reaktors 17 für die Vermischung zu nutzen. Um die Geschwindigkeitsverteilung in der Zuströmung zur ersten Katalysatorlage 23 zu vergleichmäßigen, sind derartige Eintrittshauben üblicherweise mit Leitblechen 19 ausgestattet, 5. Ein gravierender Nachteil dieser Leitbleche liegt darin, dass sie den Vermischungsprozess weitgehend zum Abschluss bringen. Eine Vermischung durch die Leitbleche hindurch ist ja nicht möglich.
  • Nach früheren Untersuchungen der Erfinder können die Leitbleche durch ein System zylindrischer Rohre 21 ersetzt werden, 6. Das System zylindrischer Rohre erzeugt ein Strömungswiderstandsfeld, welches die Strömung ebenfalls zur Umlenkung zum Katalysator hin zwingt. Ein Vorteil dieser Rohre liegt darin, dass sie zumindest eine mittelskalige Vermischung noch zulassen und eine feinskalige Vermischung sogar anregen.
  • Ferner wird bei Verwendung derartiger Rohre eine linienweise Aufkonzentration grober Flugaschepartikel vermieden. Dagegen kommt es auf der Druckseite herkömmlicher Leitschaufeln zu einer trägheitsbedingten Zunahme des Grobstaubpartikelanteils. Diese mit vielen Grobpartikeln beladenen ebenen Fluidsträhnen 20 treffen dann in gewissem Sinne als Erosionsmesser auf dem Katalysator auf und können dort streifenweise zu Erosionsschäden führen.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, auf die Rohre 21 kleine Mischflügel 22 zu setzen, die sowohl eine Mischwirkung als auch eine Umlenkwirkung auf die Strömung ausüben können.
  • Bei einer Nutzung der Eintrittshaube als Mischvolumen kann die Zuströmung zur ersten Katalysatorlage stark turbulent sein und auch räumlich erhebliche Geschwindigkeitsunterschiede aufweisen. Daher kann in diesem Fall der Einbau eines Strömungsgleichrichters 24 vor der ersten Katalysatorlage vorteilhaft sein. Auch ein derartiger Strömungsgleichrichter kann noch als kleinräumiger Mischer gestaltet sein, der aufgrund eines wenn auch geringen Druckverlustes zusätzlich eine vergleichmäßigende Wirkung auf die Gasströmung ausübt.
  • Die gezielte Nutzung der Eintrittshaube des Reaktors als Mischervolumen kann natürlich auch dann vorteilhaft sein, wenn eine konventionelle Eindüsung vorgesehen ist.
    • 1
    erstes Fluid
    2
    Kanal
    3
    Kanaldecke
    4
    Düse für die Einleitung des zweiten Fluides
    5
    Einbauposition der Düsen 4
    6
    Düsenstrahl des zweiten Fluides
    6.1
    Düsenstrahl des zweiten Fluides zwischen den Mischflügeln
    6.2
    Düsenstrahl des zweiten Fluides im Strömungsnachlauf der Mischflügel
    7
    Mischflügel an der Kanaldecke
    8
    nachgeschalteter statischer Mischer
    9
    Achsen der Strahlen des zweiten Fluides: 9.1 und 9.2
    10
    Öffnungen im Mischflügel 7
    11
    Strahlkern des zweiten Fluides
    12
    Hüllluft des zweiten Fluides
    13
    Mischflügel in der Nähe des Kanalbodens 27
    14
    Stelzen zur Fixierung der Mischflügel 13
    15
    Unterströmung der Mischflügel 13
    16
    Zwischenräume zwischen Mischflügeln 7 an der Decke 3
    17
    SCR – Entstickungsreaktor
    18
    Eintrittshaube zum Entstickungsreaktor
    19
    Leitbleche in der Eintrittshaube des Entstickungsreaktors
    20
    Grobstaubsträhnen in der Abströmung von den Leitblechen
    21
    System aus Drosselrohren in der Eintrittshaube
    22
    Mischflügel befestigt an den Drosselrohren 21
    23
    Erste Katalysatorlage
    24
    Strömungsgleichrichter
    25
    Druckseite eines Mischflügels
    26
    Saugseite eines Mischflügels
    27
    Kanalboden

Claims (8)

  1. System zur Einmischung eines zweiten Fluids in ein erstes Fluid, bestehend aus statischen Mischern und Düsen zur Einbringung des zweiten Fluides, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Düsen in die Wände des das erste Fluid führenden Kanals eingebettet ist.
  2. System zur Einmischung eines zweiten Fluids in ein erstes Fluid nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der aus den Düsen austretende Strahl des zweiten Fluides von einem Hüllluftstrahl umgeben ist.
  3. System zur Einmischung eines zweiten Fluids in ein erstes Fluid nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrom des Hüllluftstrahles zur Anpassung der Eindringtiefe des zweiten Fluides in das erste Fluid geregelt wird.
  4. System zur Einmischung eines zweiten Fluids in ein erstes Fluid nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem ersten Fluid um Rauchgas aus einer Verbrennungsanlage handelt, dass das zweite Fluid ein Gemisch aus Ammoniakwasser und Zerstäubungsluft darstellt und dass die Düsen für die Einbringung des zweiten Fluides ausschließlich an der Decke eines im Wesentlichen horizontalen Kanals angeordnet sind.
  5. System zur Einmischung eines zweiten Fluids in ein erstes Fluid nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischflügel Öffnungen aufweisen, über welche das erste Fluid z. T. von der Druckseite zur Saugseite hin durchtritt.
  6. System zur Einmischung eines zweiten Fluids in ein erstes Fluid nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittshaube des nachgeschalteten Reaktors selbst als Mischer gestaltet ist.
  7. System zur Einmischung eines zweiten Fluids in ein erstes Fluid nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenk- und Mischerfunktion in der Eintrittshaube durch ein System von Rohren bewirkt wird.
  8. System zur Einmischung eines zweiten Fluids in ein erstes Fluid nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischerwirkung der Rohre durch aufgesetzte Mischflügel verstärkt wird.
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