DE19836397C2

DE19836397C2 - Düsenanordnung zur Gaseinleitung in einen Behälter, der wenigstens teilweise mit feinkörnigem Material befüllt ist

Info

Publication number: DE19836397C2
Application number: DE19836397A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Balke; Markus Ising
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1998-08-12
Filing date: 1998-08-12
Publication date: 2001-04-19
Anticipated expiration: 2018-08-13
Also published as: DE19836397A1

Description

Technisches Gebiet

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.

Stand der Technik

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 DE 36 21 593 C1 ist ein Wirbelschichtreaktor zu entnehmen, mit einer Düsenplatte, die eine Vielzahl von Einzeldüsen aufweist, doch ist dieser Druckschrift keine detaillierte Beschreibung über den Aufbau der Einzeldüsen zu entnehmen.

Die US 4 195 780 beschreibt eine Düse, durch die ein komprimierbares Medium, vorzugsweise Gas, geleitet wird, das nach dem Düsenauslaß in eine gerichtete Vorwärtsrichtung mit hoher Geschwindigkeit den Düsenkopf verläßt. Weder ist der Druckschrift zu entnehmen, daß eine derartige Anordnung für den Einsatz in Wirbelschichtreaktoren vorgesehen ist, noch würde sich eine derartige Düsenanordnung für einen derartigen Einsatz eignen. Dies Düse ist vielmehr nach Maßgabe einer sehr gerichteten und überaus verstärkten Düsenauslaßcharakteristik optimiert.

Auch in der DE 39 06 579 A1 ist eine Hochdruck-Spritzdüse beschrieben zum Reinigen und/oder Entgraten von Werkstücken mittels eines Flüssigkeits-Spritzstrahls mit hohem Strahldruck. Auch diese bekannte Düse läßt sich im gattungsgemäßen Sinne nicht einsetzen.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Düsenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, daß durch eine geeignete Strömungsführung des die Düsenanordnung verlassenden Gasstroms dessen materialverschleißende Wirkung an der Behälterinnenwand und/oder an den jeweils benachbarten Düsenanordnungen vermieden bzw. wenigstens stark reduziert werden soll.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist Gegenstand des Anspruchs 1. 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 und 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.

Mit den konstruktiven und funktionellen Merkmalen der erfindungsgemäßen Düsenanordnung ist folgender Vorteil verbunden:

Durch den gegenüber der Horizontalen unter einem Winkel geneigten Gasaustrittskanal der erfindungsgemäßen Düsenanordnung, der vorzugsweise so bemessen ist, daß der austretende Gasstrahl benachbart angeordnete Düsenanordnungen nicht tangiert, sondern lediglich darüber hinweg gerichtet ist, wird der Materialverschleiß an den benachbarten Düsenanordnungen in Gas- Festsoffapparaten erheblich verringert. Auch vermag ein derartig schräg zur Horizontalen gerichteter Gasstrahl beim Aufprall auf die Behälterinnenwand diese in einem erheblich geringeren Maße zu verschleißen. 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.

Durch die vorteilhafte Weiterbildung nach Anspruch 2, wonach der Düsenkopf einen Gasaustrittskanal mit einstellbarer Kanalbreite aufweist, 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.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

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 erfindunggemäßen Düsenvorrichtung,

Fig. 2 Prinzipdarstellung eines verfahrenstechnischen Gas-Feststoff apparates und

Fig. 3 Ausführungsbeispiele bekannter Düsenanordnungen.

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und gewerblicher Anwendbarkeit

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 5-fache der Breite (11) des Gasaustrittskanals (9).

Die erfindungsgemäße Düsenanordnung ist vorzugsweise aus hochlegiertem hitzebeständigem Stahl oder Stahlguß oder aus temperaturbeständiger Kermaik gefertigt.

Bezugszeichenliste

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

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 hineinragenden 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 Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenkopf (5) einen Gasaustrittskanal (9) mit einstellbarer Kanalbreite aufweist.

3. Düsenanordnung nach Anpruch 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 5, 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 dort fest mit dem Düsenkopf (5) 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-Wärmeüberträger.