DE19836397A1 - Düsenanordnung zur Gaseinleitung in einen Behälter, der wenigstens teilweise mit feinkörnigem Material befüllt ist - Google Patents
Düsenanordnung zur Gaseinleitung in einen Behälter, der wenigstens teilweise mit feinkörnigem Material befüllt istInfo
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Abstract
Beschrieben wird eine Düsenanordnung, die zur Gaseinleitung in einen Behälter, der wenigstens teilweise mit feinkörnigem Material befüllt ist, ausgebildet ist und die an einer unteren Wandung des Behälters im Behälterinneren vorgesehen ist, mit wenigstens einem Strömungskanal, der durch die untere Wandung in das Behälterinnere in Form eines, in das Behälterinnere hineinragenden Rohrstückes einmündet, nach oben hin abgeschlossen ist und im oberen Bereich Durchtrittsöffnungen zum seitlichen Gasaustritt aus dem Strömungskanal vorsieht, einem, das Rohrstück zumindest im oberen Bereich des Rohrstückes umgebenden Düsenkopf, der zusammen mit dem Rohrstück einen Strömungszwischenraum einschließt, an dem wenigstens ein Gasaustrittskanal angrenzt, durch den das Gas die Düsenanordnung in das Behälterinnere verläßt. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß der Gasaustrittskanal gegenüber der Horizontalen nach oben geneigt ist und der Durchmesser des Gasaustrittskanals variabel einstellbar ist, wodurch ein Druckabfall, der den Druckabfall durch die gesamte Düsenanordnung im wesentlichen bestimmt, einstellbar ist.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Düsenanordnung, die zur Gaseinleitung in einen
Behälter, der wenigstens teilweise mit feinkörnigem Material befüllt ist, ausgebildet ist
und die an einer unteren Wandung des Behälters im Behälterinneren vorgesehen ist,
mit wenigstens einem Strömungskanal, der durch die untere Wandung in das
Behälterinnere in Form eines, in das Behälterinnere hineinragenden Rohrstückes
einmündet, nach oben hin abgeschlossen ist und im oberen Bereich
Durchtrittsöffnungen zum seitlichen Gasaustritt aus dem Strömungskanal vorsieht,
einem, das Rohrstück zumindest im oberen Bereich des Rohrstückes umgebenden
Düsenkopf, der zusammen mit dem Rohrstück einen Strömungszwischenraum
einschließt, an dem wenigstens ein Gasaustrittskanal angrenzt, durch den das Gas
die Düsenanordnung in das Behälterinnere verläßt.
Düsenanordnungen der vorstehend beschriebenen Gattung finden großtechnisch
Verwendung in Anlagen zum Beispiel zur Gas-Feststoff-Wärmeübertragung, zur
Wirbelschichttrocknung, in chemischen Reaktoren oder im Kraftwerksbereich zur
Wirbelschichtfeuerung fester feinkörniger Brennstoffe. Dabei wird stets eine
Gasströmung durch eine Düsenanordnung von unten in einen teilweise mit
feinkörnigem Feststoff angefüllten Raum eingeführt. Durch die Anordnung und
Gestaltung der Düsen wird eine intensive Vermischung von Gas- und Feststoff
angestrebt, um auf diese Weise vorteilhafte Wärme- und Gasaustauschbedingungen
zu bewirken.
In Fig. 2 ist zur Verdeutlichung dieser Anordnungen eine gattungsgemäße, bekannte
Gas-Feststoffanlage zum Zusammenführen und Vermischen von Gasen und
Feststoffen schematisch dargestellt. Der Behälter (1) ist teilweise mit feinkörnigem
Feststoff, der in der Fig. 2 nicht im einzelnen dargestellt ist, gefüllt. Die untere
Wandung (2) des Behälters (1) stellt den Gasverteilerboden (2) dar, auf dem mehrere
Düsenanordnungen (14), die jeweils ein Innenrohr (4) und einen Düsenkopf (5)
aufweisen, befestigt sind. Den Düsenanordnungen (14) wird über einen
Strömungskanal (3) außerhalb des Behälters ein Gasstrom (15) zugeführt, der den
Behälter (1) nach Durchströmen der feinkörnigen Feststoffe im oberen Bereich wieder
verläßt. Innerhalb der Düsenanordnungen (14) erfährt der Gasstrom jeweils einen
deutlichen Druckverlust, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit erhöht wird und die
Gasströmung mit großer Geschwindigkeit an der Düsenanordnung in das Innere des
Behälters austritt. Für eine effiziente und bezogen auf alle im Gasverteilerboden (2)
angeordneten Düsen (14) gleichmäßige Vermischung ist die Höhe des an den
Gasaustrittsöffnungen (9) erzeugten Druckabfalls entscheidend. Der im Behälter (1)
befindliche Feststoffanteil wird durch Einleiten einer Gasströmung in Bewegung
versetzt, was einen seiner Füllhöhe im Behälter entsprechenden Druckverlust
bewirkt. Da die Bewegung meist mehr oder weniger stark pulsierend ist, entstehen
Druckschwankungen, die rückwärts auch an die einzelnen Düsenanordnungen
weitergegeben werden. Derart lokale Druckschwankungen können zu einer über die
Gesamtquerschnittsfläche des Behälters (1) betrachteten ungleichmäßigen
Vermischung von Gas und Feststoff führen und sind deshalb zu minimieren. Zu
diesem Zweck muß der Vordruck der Gasströmung entsprechend hoch sein, so daß
der beim Austritt aus der Düsenanordnung erzeugte Druckabfall groß genug
gegenüber dem Druckabfall über den reinen Feststoffanteil und den innerhalb
desselben auftretenden Schwankungen ist. Für die anzustrebende
Verschleißunanfälligkeit ist es darüberhinaus wichtig, daß der Druckverlust der
Düsenanordnung im wesentlichen an der Stelle des Gasaustritts (9) entsteht, so daß
aufgrund der dort herrschenden hohen Strömungsgeschwindigkeiten sämtlicher
Feststoffanteil vom Inneren der Düsenanordnung (14) ferngehalten wird. Neben einer
gezielten Einstellung des Austrittsdruckverlustes spielt auch die Anordnung aller
Düsenauslässe auf dem Gasverteilerboden (2) ein große Rolle.
Bekannte Gas-Feststoffanlagen können sowohl kontinuierlich als auch
diskontinuierlich betrieben werden. Durch die konstruktive Gestaltung des
Düsenkopfes (5) ist insbesondere darauf zu achten, daß der feinkörnige Feststoff
durch den Schwerkrafteinfluß nicht in die Düsenanordnung (14) und/oder den
Strömungskanal (3) eindringen kann. Das Eindringen der feinkörnigen Feststoffe in
die in Fig. 2 schematisch dargestellten Düsenanordnungen (14) wird hierbei durch
becherförmige Düsenköpfe (5) verhindert, in die das Innenrohr (4) der jeweiligen
Düsenanordnung hineinreicht.
Die Fig. 3a bis 3d zeigen verschiedene Bauformen bekannter
Düsenanordnungen. Diese weisen jeweils ein Innenrohr (4) auf, das mit seinem
unteren Ende am Gasverteilerboden (2) befestigt ist und durch das die Gasströmung
in den Düsenkopf (5) geleitet wird. Das Gas tritt durch seitliche Durchtrittsöffnungen
(8) aus dem Innenrohr (4) und gelangt unter den, auf das Innenrohr (4) aufgesetzten
Düsenkopf (5). Die Gasströmung wird durch den zwischen Innenrohr (4) und
Düsenkopf (5) gebildeten Strömungszwischenraum (7) nach unten geführt, tritt durch
seitliche Gasaustrittskanäle (9), die relativ zu den Durchtrittsöffnungen (8) tiefer
angeordnet sind, aus der Düsenanordnung aus und strömt in den mit feinkörnigem
Feststoff angereicherten Behälter.
Die zur technischen Anwendung kommenden Düsenanordnungen sind in der Regel
aus Stahlwerkstoffen gefertigt, die den Anforderungen an Strahlverschleißfestigkeit
und Temperaturbeständigkeit genügen sollen.
Die Nachteile der bekannten Düsenanordnungen sind vor allem ein hoher
Materialverschleiß sowie eine unbefriedigende Durchmischung von Gas und Feststoff
bedingt durch unvorteilhafte konstruktive Gestaltung der Düsenanordnungen in
Verbindung mit stark werkstoffbeanspruchenden Betriebsbedingungen. Für eine
gleichmäßige und effektive Durchmischung von Gas und Feststoff ist der Druckverlust
und damit die Strömungsgeschwindigkeit des Gases von entscheidender Bedeutung.
Um eine möglichst hohe Geschwindigkeit der Gasströmung nach Verlassen der
Düsenanordnung zu erzeugen, soll der Druckverlust vorzugsweise an den
Gasaustrittsöffnungen des Düsenkopfes und nicht an den Gasaustrittsbohrungen am
inneren Strömungsrohr entstehen. Bei den bekannten Düsenanordnungen ist dies
jedoch nicht gewährleistet. Insbesondere bei der Ausbildung der
Gasaustrittsöffnungen als Bohrungen ist nach Fertigstellung der Apparatur eine
nachträgliche Einstellung bzw. Korrektur des Druckverlustes kaum möglich. Durch die
Vermischung von Gas und Feststoff kommt es zudem im Bereich der
Gasaustrittsöffnungen der Düsenanordnung zu radial gerichteten stark
feststoffbeladenen Gasströmungen mit hohen Geschwindigkeiten. Bei den bekannten
Düsenanordnungen führt dies zu einem starken Strahlverschleiß an den jeweils
benachbarten Düsenanordnungen. Im Extremfall bewirkt dies einen derart massiven
Materialverschleiß, daß die Düsenköpfe ganz oder teilweise verloren gehen. Bei
kontinuierlichen Verfahrensprozessen können dadurch verursachte Betriebsstörungen
bis zum unplanmäßigen Anlagenstillstand kommen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Düsenanordnung gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, daß der in den
Gasaustrittsöffnungen der Düsenanordnung entstehende Druckverlust einfach und
präzise einstellbar ist, um eine gleichmäßige und effektive Durchmischung an allen
benachbarten Düsenanordnungen zu erreichen. Ferner soll durch eine geeignete
Strömungsführung des die Düsenanordnung verlassenden Gasstroms dessen
materialverschließende Wirkung an den jeweils benachbarten Düsenanordnungen
vermieden bzw. wenigstens stark reduziert werden.
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist Gegenstand der
Ansprüche 1 und 2. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der
Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist eine Düsenanordnung, die zur Gaseinleitung in einen Behälter,
der wenigstens teilweise mit feinkörnigem Material befüllt ist, ausgebildet ist und die
an einer unteren Wandung des Behälters im Behälterinneren vorgesehen ist, mit
wenigstens einem Strömungskanal, der durch die untere Wandung in das
Behälterinnere in Form eines, in das Behälterinnere hineinragenden Rohrstückes
einmündet, nach oben hin abgeschlossen ist und im oberen Bereich
Durchtrittsöffnungen zum seitlichen Gasaustritt aus dem Strömungskanal vorsieht,
einem, das Rohrstück zumindest im oberen Bereich des Rohrstückes umgebenden
Düsenkopf, der zusammen mit dem Rohrstück einen Strömungszwischenraum
einschließt, an dem wenigstens ein Gasaustrittskanal angrenzt, durch den das Gas
die Düsenanordnung in das Behälterinnere verläßt, derart ausgebildet, daß der
Gasaustrittskanal gegenüber der Horizontalen nach oben geneigt ist. Ferner sieht die
erfindungsgemäße Düsenanordnung vor, daß der Düsenkopf einen Gasaustrittskanal
mit einstellbarem Durchmesser aufweist.
Mit den konstruktiven und funktionellen Merkmalen der erfindungsgemäßen
Düsenanordnung sind folgende Vorteile verbunden:
- 1. Durch den gegenüber der Horizontalen unter einem Winkel geneigten Gasaustrittskanal der erfindungsgemäßen Düsenanordnung, der so bemessen ist, daß der austretende Gasstrahl die benachbarten Düsenanordnungen nicht tangiert, sondern lediglich darüber hinweg gerichtet ist, wird der Materialverschleiß an den benachbarten Düsenanordnungen in Gas-Feststoffapparaten erheblich verringert. Durch den Wegfall des bislang bestehenden Verschleißes, der unvermeidlich mit Instandsetzungsmaßnahmen verbunden war, können die Betriebskosten erheblich reduziert, die Betriebsdauer derartiger Anlagen verlängert und die Betriebssicherheit erhöht werden.
- 2. Durch den einstellbaren Durchmesser des Gasausströmkanals oder der Gasausströmöffnungen der Düsenanordnung kann der in der Gasströmung in der Düsenanordnung auftretende Druckverlust einfach und präzise eingestellt werden und bestimmt im wesentlichen den gesamten in der Düsenanordnung auftretenden Druckverlust, so daß die Energieumsetzung in kinetische Energie innerhalb des Gasstroms kurz vor Austritt aus der Düsenanordnung stattfindet, also entlang der Öffnung des Gasausströmkanals. Auf diese Weise wird die Effizienz der Vermischung von Gas und dem feinkörnigem Feststoff verbessert und als Folge die Gesamteffektivität von Gas-Feststoffapparaten gesteigert.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen
Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Düsenvorrichtung,
Fig. 2 Prinzipdarstellung eines verfahrenstechnischen Gas-Feststoff
apparates
und
Fig. 3 Ausführungsbeispiele bekannter Düsenanordnungen.
In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Düsenanordnung
dargestellt. Die Düsenanordnung besteht aus einem Innenrohrstück (4), das an
seinem einen Ende mit der unteren Innenwandung des Behälters, dem
Gasverteilerboden (2) beispielsweise durch eine Schweißverbindung fest verbunden
ist. Ebenso ist dessen anderes Ende gasdicht verschlossen und fest mit dem
Düsenkopf (5) über einen Zentrierzapfen (16) verbunden. In das Innenrohr (4) wird
von ausserhalb des Behälters Gas eingeströmt, welches durch weitestmöglich oben
am Innenrohrstück (4) angeordnete seitliche Durchtrittsöffnungen (8) in einen
zwischen Innenrohr (4) und Innenwandung des Düsenkopfes (5) eingeschlossenen
Strömungszwischenraum (7) mit ringförmigen Querschnitt nach unten einströmt.
Am Rohrstück (4), unterhalb des Düsenkopfes (5) ist zusätzlich ein das Rohrstück (4)
umgebender Düsenring (6) vorgesehen, der zusammen mit dem Düsenkopf (5) einen
Gasaustrittskanal (9) in Form eines Ringspaltes einschließt. Der Gasaustrittskanal (9)
ist derart ausgebildet, daß die Gasströmung die Düsenanordnung unter einem
Austrittswinkel (12) gegenüber der Horizontalen verläßt, der so groß gewählt ist, daß
der austretende Gasstrahl die benachbarten Düsenanordnungen weder berührt noch
tangiert, sondern vielmehr darüberhinweg gerichtet ist. Vorzugsweise beträgt der
Winkel 35°-60°. Auf diese Weise wird eine wesentlich geringere
Strahlverschleißbeanspruchung aller Düsenanordnungen erreicht.
Der Düsenring (6) ist mit einem Innengewinde versehen, das auf ein, an dem
Innenrohr angebrachtes Außengewinde (13) geschraubt ist, wodurch die Spaltbreite
(11) des Gasaustrittskanals (9) variierbar ist. Durch geeignete Wahl der Spaltbreite
kann ein gewünschter Druckabfall entlang des Gasaustrittskanals eingestellt werden,
der den Druckabfall in der gesamten Düsenanordnung wesentlich bestimmt. Nach
Einstellung einer optimalen Gasaustrittskanalbreite (11) kann der Düsenring (6) bspw.
schweißtechnisch durch einige Schweißverbindungsstellen am Innenrohr (4) fixiert
werden.
Der senkrechte Abstand zwischen der untersten Durchtrittsöffnungen (8) am
Innenrohr (4) und der untersten Kante des Düsenkopfes (5) ist vorzugsweise derart
bemessen, daß weder im Betrieb noch während des Stillstandes der Vorrichtung von
außen feinkörniger Feststoff in das Innenrohr (4) eindringen kann. Der während des
Stillstandes in den Gasaustrittskanal (9) eindringende feinkörnige Feststoff wird bei
Durchströmung der Düsenanordnung sofort ausgeblasen.
Die erfindungsgemäße Düsenanordnung weist vorzugsweise folgende Dimensionen
auf: Außendurchmesser des Düsenkopfes (5) 50-150 mm, Gesamthöhe der
Düsenanordnung gemessen vom Gasverteilerboden (2) 50-250 mm. Die Länge des
Gasaustrittskanals (9) wird durch dessen Breite (11) vorgegeben und beträgt
vorzugsweise das 1- bis 5fache der Breite (11) des Gasaustrittskanals (9).
Die erfindungsgemäße Düsenanordnung ist vorzugsweise aus hochlegiertem
hitzebeständigem Stahl oder Stahlguß oder aus temperaturbeständiger Keramik
gefertigt.
1
Behälter
2
Untere Wandung des Behälters/Gasverteilerboden
3
Strömungskanal
4
Innenrohr
5
Düsenkopf
6
Düsenring
7
Strömungszwischenraum
8
Durchtrittsöffnungen
9
Gasaustrittskanal
10
Ringspalt
11
Kanalbreite
12
Winkel gegenüber der Horizontalen
13
Gewinde
14
Düsenanordnung
15
Gasströmung
16
Zentrierzapfen
Claims (13)
1. Düsenanordnung, die zur Gaseinleitung in einen Behälter (1), der wenigstens
teilweise mit feinkörnigem Material befüllt ist, ausgebildet ist und die an einer unteren
Wandung (2) des Behälters (1) im Behälterinneren vorgesehen ist, mit wenigstens
einem Strömungskanal (3), der durch die untere Wandung (2) in das Behälterinnere in
Form eines, in das Behälterinnere hinein ragenden Rohrstückes (4) einmündet, nach
oben hin abgeschlossen ist und im oberen Bereich Durchtrittsöffnungen (8) zum
seitlichen Gasaustritt aus dem Strömungskanal (3) vorsieht, einem, das Rohrstück (4)
zumindest im oberen Bereich des Rohrstückes (4) umgebenden Düsenkopf (5), der
zusammen mit dem Rohrstück (4) einen Strömungszwischenraum (7) einschließt, an
dem wenigstens ein Gasaustrittskanal (9) angrenzt, durch den das Gas die
Düsenanordnung in das Behälterinnere verläßt,
dadurch gekennzeichnet, daß der Gasaustrittskanal (9) gegenüber der Horizontalen
nach oben geneigt ist.
2. Düsenanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenkopf (5) einen Gasaustrittskanal (9) mit
einstellbarer Kanalbreite aufweist.
3. Düsenanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß ein das Rohrstück (4) umgebender Düsenring (6)
vorgesehen ist, der zusammen mit dem Düsenkopf (5) einen Gasaustrittskanal (9)
einschließt und daß Düsenring (6) und Düsenkopf (5) zueinander derart relativ
bewegbar sind, daß der Abstand zwischen Düsenring (4) und Düsenkopf (5) und
damit die Gasaustrittskanalbreite variierbar ist, wodurch ein Druckabfall, der den
Druckabfall durch die gesamte Düsenanordnung im wesentlichen bestimmt,
einstellbar ist.
4. Düsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der Gasaustrittskanal (9) als den Strömungskanal (3)
angulär umlaufender Ringspalt (10) ausgebildet ist.
5. Düsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Düsenanordnungen (14) nebeneinander auf
der unteren Wandung (2) des Behälters (1) angebracht sind, und daß der
Gasaustrittskanal (9) gegenüber der Horizontalen einen Winkel (12) einschließt, der
derart gewählt ist, daß der radial austretende Gasstrahl die benachbart stehenden
Düsenanordnungen nicht trifft.
6. Düsenanordnung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (12) des Gasaustrittsanals (9) gegenüber
der Horizontalen vorzugsweise 35°-60° beträgt.
7. Düsenanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Gasaustrittskanals vorzugsweise das
ein- bis fünffache der Gasaustrittskanalbreite beträgt.
8. Düsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenanordnung (14), bestehend aus dem
Rohrstück (4), dem Düsenkopf (5) sowie dem Düsenring (6), aus hochlegiertem
hitzebeständigen Stahl oder Stahlguß oder aus temperaturbeständiger Keramik
gefertigt ist.
9. Düsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß der senkrechte Abstand zwischen einem untersten
Bereich innerhalb des Gasaustrittskanals (9) und den Durchtrittsöffnungen (8) im
oberen Bereich des Rohrstückes (4) derart bemessen ist, daß das feinkörnige Material
nicht in den Strömungskanal (3) eindringen kann.
10. Düsenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenring (6) ein Innengewinde vorsieht, mit dem
der Düsenring (6) mit einem an der Außenwand des Rohrstückes (4) eingearbeiteten
Gewindeabschnitt in Eingriff steht und entlang der Rohrstückachse verstellbar ist, und
daß der Düsenkopf (5) fest mit dem Rohrstück (4) verbunden ist.
11. Düsenanordnung nach Anspruch 2 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenring (6) fest mit dem Rohrstück (4)
verbunden ist und der Düsenkopf (5) zur Variation der Breite des Gasaustrittskanals
relativ zum Rohrstück (4) feststellbar beweglich ist.
12. Düsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenkopf (5) eine konkav ausgebildete Form
aufweist, in die das Endstück des Rohrstückes (4) konkavseitig hineinreicht und die
fest mit dem Rohrstück (4) verbunden ist.
13. Verwendung der Düsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 als
Wirbelschichtdüse für den Einsatz in Gas-Feststoff-Apparaten vorzugsweise, einem
Gas-Feststoff-Wärmeübertrager.
Priority Applications (1)
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DE19836397A DE19836397C2 (de) | 1998-08-12 | 1998-08-12 | Düsenanordnung zur Gaseinleitung in einen Behälter, der wenigstens teilweise mit feinkörnigem Material befüllt ist |
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DE19836397C2 (de) | 2001-04-19 |
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