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Die Erfindung betrifft eine Zweistoffdüse mit einer Zuleitung für eine Flüssigkeit und mit einer Zuführung für ein gasförmiges Medium in eine Mischkammer der Zweistoffdüse, in welcher Mischkammer die Flüssigkeit mit dem gasförmigen Medium gemischt wird, und einem Düsenkopf am Austrittende der Zweistoffdüse, in welchem Düsenkopf das Flüssigkeit-/Gasgemisch zerstäubt wird.
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Eine solche Düse wird unter anderem benutzt, um ein Reduktionsmittel mit Luft zur Schadstoffreduzierung in die Verbrennungsgase eines Kessels einzudüsen. Beispielsweise bei der Verwendung der Düse zur Rauchgasentstickung wird dem Rauchgas ein Reduktionsmittel, beispielsweise eine wässerige Harnstofflösung, zusammen mit Luft eingedüst. Im Zuge der immer strenger werdenden Abgasvorschriften werden immer genauere Eindüsungen des Reduktionsmittels erforderlich, so dass an einem Kessel mehrere solcher Düsen vorhanden sein können.
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Die Düse ist dabei als Zweistoffdüse ausgebildet, in der das flüssige Reduktionsmittel mit dem gasförmigen Medium vermischt wird. In dem in Strömungsrichtung endständigen Düsenkopf wird das Gemisch zerstäubt und in den Brennraum des Kessels eingedüst. Die Zweistoffdüse ist dafür an einer Lanze angeordnet, die in einem Mantelrohr gehalten wird. Das Mantelrohr durchdringt die Kesselwandung, so dass der Düsenkopf an der gewünschten Stelle und auch am gewünschten Querschnitt des Kessels senkrecht oder in einem anderen Winkel zur Rauchgasströmung gehalten werden kann.
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Die Kesselwandung kann eine Vielzahl von parallel zueinander verlaufende Wärmeaustauscherrohren umfassen, die über Abstandsbleche oder Flossenbleche in einem Abstand zueinander angeordnet sind und somit die geschlossene Kesselwand bilden. Die Rohre weisen dabei einen relativ geringen Abstand zueinander auf, beispielsweise von 15 mm bis 25 mm.
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Die Rauchgasentstickungsanlage, beispielsweise eine Anlage zur selektiven nicht-katalytischen Reduktion (SNCR-Anlage) wird häufig nachträglich an einem Kessel installiert. Der Außendurchmesser des Mantelrohrs, das die Zweistoffdüse umgibt, ist in der Regel größer als der Abstand zwischen zwei Wärmeaustauscherrohren, so dass die Zweistoffdüse beziehungsweise der Düsenkopf nicht ohne weiteres weit genug in den Brennraum eingeführt werden kann. Auch ist der äußere Durchmesser der Zweistoffdüse zumindest im Abschnitt der Anschlussstellen für die Zuleitung und die Zuführung relativ groß.
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Für die Installation einer Düse werden daher ein oder auch zwei benachbarte Wärmeaustauscherrohr im Bereich der Eindüsstelle aufgebogen. Es ist hierfür erforderlich, das betreffende Rohr aufzuschneiden und einen Bogen einzusetzen. Damit wird ein größerer Bereich zwischen zwei Wärmeaustauscherrohren frei, so dass die Düse beziehungsweise das Mantelrohr ein- beziehungsweise durchgeführt werden kann. Die Installation einer derartigen Zweistoffdüse ist daher mit einem erhöhten Aufwand verbunden ist. Insbesondere bei nachträglich zu installierenden Düsen müssen die betroffenen Wärmeaustauschereinbauten anschließend auf Dichtheit geprüft werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zweistoffdüse der eingangs geschilderten Art so auszubilden, dass sie einfacher an einem vorhandenen Kessel montierbar ist.
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Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass die Mischkammer in Strömungsrichtung hinter der Zuführung und der Zuleitung ein Mischrohr aufweist, dessen Länge in Strömungsrichtung mindestens der Länge in Strömungsrichtung der Mischkammer entspricht und an dessen freien Ende der Düsenkopf angeordnet ist. Durch dieses Mischrohr in Strömungsrichtung am Ende der Mischkammer wird die Zweistoffdüse verlängert. Das Mischrohr kann im Querschnitt kleiner sein als der Abschnitt der Mischkammer oder der Zweistoffdüse, an dem die Zuleitung für das flüssige Medium und die Zuführung für das gasförmige Medium angeschlossen sind. Insbesondere ist vorgesehen, dass der Außendurchmesser des Mischrohrs kleiner ist als der Abstand der Wärmeaustauscherrohre der Kesselwandung.
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Es hat sich gezeigt, dass das in der Mischkammer gebildete Gas-/Flüssigkeitsgemisch auch über einen längeren Strömungsweg bis zu dem Düsenkopf stabil bleibt. Dies nutzt die Erfindung aus, indem zwischen Mischkammer und Düsenkopf das Mischrohr vorgesehen wird, dessen Länge mindestens dem äußeren Durchmesser der Wärmeaustauscherrohre entspricht. Die Länge des Mischrohrs kann beispielsweise 100 mmm bis 200 mm und insbesondere 120 mm bis 160 mm betragen.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass der Außendurchmesser des Düsenkopfs im wesentlichen dem Außendurchmesser des Mischrohrs entspricht oder kleiner ist. Dadurch erhält die Zweistoffdüse eine verlängerte Mischkammer, die sich somit von dem Abschnitt mit den Anschlussstellen für die Zuleitung des flüssigen Mediums und/oder der Zuführung für das gasförmige Medium über die Länge des Mischrohrs bis zum Düsenkopf erstreckt. Der Durchmesser des Mischrohrs und des Düsenkopfes kann relativ klein bleiben und beispielsweise 15 mm bis 20 mm betragen. Gleichwohl gelangt das Gemisch in einer ausreichenden Verteilung von gasförmigem Medium und flüssigem Medium zum Düsenkopf und kann dort in der gewünschten Weise zerstäubt werden.
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Die Zweistoffdüse baut somit an ihrem in den Brennraum hineinragenden Ende bei relativ geringem Außendurchmesser relativ lang. Es ist daher möglich, den Düsenkopf zwischen den Wärmeaustauscherrohren hindurchzuführen, da der Außendurchmesser geringer ist als der Abstand der Wärmeaustauscherrohre. Dies hat den Vorteil, dass zur Installation der Düse am Kessel dessen Wärmeaustauscherrohre nicht mehr auseinandergebogen werden müssen. Es reicht eine entsprechende Durchbrechung in den Abstandsblechen, um den Düsenkopf und das Mischrohr hindurchzuführen. Die Montage ist somit wesentlich einfacher und schneller ausführbar. Auch muss nach der Installation keine Dichtheitsprüfung der Wärmeaustauschereinbauten mehr erfolgen.
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Der Düsenkopf kann mit dem Mischrohr fest verbunden oder als Bestandteil einstückig mit diesem ausgebildet sein. Weiterhin kann das Mischrohr lösbar mit der Mischkammer verbunden sein oder nachträglich mit dieser fest verbunden, beispielsweise verschweißt sein. Dadurch wird die Herstellung der Zweistoffdüse vereinfacht. Die bereits vorhandene oder bekannte Mischkammer wird in einfacher Weise mit dem Mischrohr verbunden, dessen Länge und Außendurchmesser an die jeweilige Kesselgeometrie angepasst sind.
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Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung einer Düse an einem Kessel, der eine Vielzahl von parallel entlang der Kesselwand verlaufenden Rohren aufweist, die über Abstandsbleche unter Bildung der Kesselwand miteinander in einem Abstand zueinander verbunden sind. Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Düse als Zweistoffdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist, dass ein Mantelrohr im Bereich der Eindüsstelle von außen an der Kesselwandung angebracht ist derart, dass sich die der Kesselwandung zugekehrte Stirnseite des Mantelrohrs über den Zwischenraum zwischen zwei Rohren erstreckt, und dessen Innendurchmesser größer ist als der größte Außendurchmesser der Zweistoffdüse, und dass im Bereich der Eindüsstelle in dem Abstandsblech eine Durchgangsöffnung im wesentlichen konzentrisch zum Mantelrohr vorhanden ist, dessen lichtes Maß dem Außendurchmesser des Mischrohrs oder des Düsenkopfs der Zweistoffdüse entspricht oder geringfügig größer ist. Hier wird der Vorteil der um das Mischrohr verlängerten Mischkammer besonders deutlich. Das Mantelrohr und somit die Halterung für die Zweistoffdüse an der Kesselwand wird nur von außen an der Kesselwand oder deren Wärmeaustauscherrohren befestigt. Es braucht nur eine Bohrung in den Abstandsblechen vorgesehen zu werden, durch die das Mischrohr beziehungsweise der Düsenkopf hindurch geführt wird. Die Halterung der Zweistoffdüse an dem der Kesselwand abgekehrten Ende des Mantelrohrs kann in an sich bekannter Weise, beispielsweise mit einer sogenannten Camlock-Kupplung oder mit einem Flansch, erfolgen.
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Es kann vorgesehen werden, dass die Länge des Mantelrohrs mindestens der Länge der äußeren Wärmeisolierungsschicht des Kessels entspricht. Damit liegen alle Anschlussstellen außerhalb der Kesselwand und sind gut zugänglich.
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Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Zweistoffdüse hin- und her verschiebbar im Mantelrohr angeordnet und gehalten ist. Damit ist es möglich, den radialen Eindüsungsort zu verstellen und an die Gegebenheiten anzupassen. Der Verstellweg wird dabei vor allem durch die Länge des Mischrohrs vorgegeben und begrenzt.
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Häufig mündet das Mantelrohr und somit die Zweistoffdüse senkrecht zur Kesselwand und somit senkrecht zur Strömungsrichtung des Rauchgases in den Brennraum. Es ist bei dieser Anordnung aber auch möglich, dass das Mantelrohr in einer Ebene parallel zur Strömungsrichtung des Rauchgases in einem Winkel zwischen 60° und 120° und insbesondere zwischen 85° und 95° zur Kesselwandung verläuft. Damit können auch andere Eindüswinkel für das Reduktionsmittel vorgesehen werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 den Längsschnitt einer Zweistoffdüse gemäß der Erfindung in der Einbaulage und
- 2 die Seitenansicht der Einbaulage der Zweistoffdüse.
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Die in der Zeichnung dargestellte Zweistoffdüse 10 umfasst eine in Strömungsrichtung 11 hinten liegende Mischkammer 12 und einen in Strömungsrichtung 11 vorne angeordneten Düsenkopf 13. Die Mischkammer 12 ist auf ihrer dem Düsenkopf 13 abgekehrten Seite mit einer Anschlussstelle 14 für die Zuleitung für ein flüssiges Medium versehen. Weiterhin ist eine Anschlussstelle in Form einer Überwurfmutter 15 für ein Zuführrohr 16 als Zuführung für ein gasförmiges Medium vorhanden, welches Zuführrohr 16 die Mischkammer 12 von außen umgibt.
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Durch das Zuführrohr 16 wird das gasförmige Medium durch radiale Durchtrittsöffnungen 17 in die Mischkammer 12 geleitet. In der Mischkammer 12 wird das gasförmige Medium mit dem flüssigen Medium vermischt und zu dem Düsenkopf 13 geleitet. Der Düsenkopf 13 weist eine Austrittsdüse 18 auf, durch die das Gas-Flüssigkeitsgemisch zerstäubt wird und in den Brennraum 19 eines Kessels gelangt. Insbesondere wird eine solche an sich bekannte Zweistoffdüse für das Eindüsen eines Reduktionsmittels in das Rauchgas eines Kessels zur Rauchgasentstickung eingesetzt.
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Der Abschnitt der Mischkammer 12 mit den Anschlussstellen für das Zuführrohr und der Zuleitung weist einen relativ großen Außendurchmesser auf, so dass eine herkömmliche Zweistoffdüse, bei der sich der Düsenkopf 13 unmittelbar an die Mischkammer 12 anschließt, nicht zwischen zwei benachbarten Wärmeaustauscherrohren 20 in den Brennraum 19 des Kessels eingeführt werden kann.
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Bei der in der Zeichnung dargestellten Zweistoffdüse 10 ist ein Mischrohr 21 vorgesehen, das sich von der Mischkammer 12 bis zum Düsenkopf 13 erstreckt. Das Mischrohr 21 ist in Strömungsrichtung 11 mindestens so lang wie die Mischkammer 12 in Strömungsrichtung 11. Weiterhin entspricht der Außendurchmesser 22 des Mischrohrs 21 zumindest näherungsweise dem Außendurchmesser des Düsenkopfs 13. Insbesondere ist der Außendurchmesser 22 des Düsenkopfs 13 und des Mischrohrs 21 kleiner als der Abstand zwischen zwei benachbarten Wärmeaustauscherrohren 20.
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Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Mischrohr 21 einstückig mit dem Düsenkopf 13 ausgebildet. Sie weisen daher den gleichen Außendurchmesser auf. An seinem anderen Ende weist das Mischrohr 21 einen Flansch auf, der im Bereich der Austrittstelle des Gas-/Flüssigkeitsgemisch aus der Mischkammer 12 mit dieser verbunden, beispielsweise verschweißt oder verschraubt ist.
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Das Mischrohr 21 mit der daran gehaltenen Mischkammer 12 wird über die Überwurfmutter 15 mit der Zuführung 16 für das gasförmige Medium, die als Lanze ausgebildet sein kann, verbunden.
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Es ist daher möglich, das Mischrohr 21 und somit den Düsenkopf 13 einer derartigen Zweistoffdüse 10 zwischen den Wärmeaustauscherrohren 20 hindurch von der Außenseite in den Brennraum 19 des Kessels einzuführen. Der im Außendurchmesser größere Abschnitt der Zweistoffdüse 10 und insbesondere die von dem Zuführrohr 16 umgebene Mischkammer bleiben dabei auf der Außenseite des Kessels.
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Für die Installation und Montage einer derartigen Zweistoffdüse ist es daher lediglich erforderlich, eine Durchbrechung 23 in dem Abstandblech 24 zwischen zwei benachbarten Wärmeaustauscherrohren 20 vorzusehen. Im Einzelnen kann die Anordnung so getroffen sein, dass im Bereich der Eindüsstelle die Durchgangsbohrung 23 für das Mischrohr 21 mit dem Düsenkopf 13 hergestellt wird. Es ist ein Mantelrohr 25 vorgesehen, das auf der Außenseite des Kessels konzentrisch zu der Durchgangsbohrung 23 senkrecht oder in einem anderen Winkel zur Kesselwand verläuft. Vorzugsweise ist das Mantelrohr 25 mindestens so lang wie die Außenisolierung des Kessels dick ist. An dem der Kesselwand abgekehrten Ende des Mantelrohrs 25 kann ein Flansch 26 zur Befestigung der nicht gezeigten Lanze vorhanden sein, die an ihrem vorderen und in das Mantelrohr eintauchende Ende die Zweistoffdüse 10 trägt.
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Das Mantelrohr 25 wird an den Wärmeaustaucherrohren 20 und/oder an dem Abstandsblech 24 mit der Kesselwand verbunden, beispielsweise verschweißt. Es kann eine Stützstrebe 27 vorgesehen werden, die das Mantelrohr 25 in der gewünschten Ausrichtung zur Kesselwand hält. In der Zeichnung ist eine senkrechte Ausrichtung des Mantelrohrs zur Kesselwandung gezeigt.
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Das Mantelrohr 25 kann mit einer planen Stirnseite 28 versehen sein, die somit in der montierten Lage in einem Abstand zum Abstandsblech verläuft. Die Stirnseite 28 kann aber auch Ausklinkungen in Form der Wärmeaustauscherrohre aufweisen derart, dass der vordere Bereich des Mantelrohrs 25 an dem Abstandsblech anliegt. Dann kann das Mantelrohr 25 mit seiner Stirnseite 28 dicht an der Kesselwand anliegen und beispielsweise dichtend mit dieser verschweißt sein.
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Zur Fertigstellung der Installation wird die Lanze mit der vorne liegenden Zweistoffdüse in das Mantelrohr 25 eingeführt. Das Mischrohr 21 mit dem Düsenkopf 13 passt durch die Durchbrechung 23 des betroffenen Abstandsblech 24 und somit zwischen die Wärmeaustauscherrohre 20. Der Düsenkopf 13 kann somit weit genug in den Brennraum 19 hineinreichen. Das Mischrohr 21 ist dabei mindestens so lang wie der Durchmesser der Wärmeaustauscherrohre 21 groß ist. Dann kann der Düsenkopf 13 in axialer Richtung verschiebbar mindestens so weit in den Brennraum hineinragen, dass die Austrittsdüse beispielsweise in einer Flucht mit den am weitesten innenliegenden Außenflächen der Wärmeaustauscherrohre liegt oder bündig mit dem Abstandsblech abschließt.
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Die dem Düsenkopf 13 abgekehrten Anschlussstellen der Zuleitungen und Zuführungen für die Mischkammer 12 werden in an sich bekannte Weise angeschlossen. Die Montage und Installation einer Zweistoffdüse an einem Kessel ist dadurch wesentlich einfacher, schneller und kostengünstiger durchführbar.
