DE2835169C2

DE2835169C2 - Injektionssonde für Schwefeltrioxidgas

Info

Publication number: DE2835169C2
Application number: DE2835169A
Authority: DE
Inventors: Wayne R. Laguna Hills Calif. Kozacka
Original assignee: Wahlco Inc
Current assignee: Wahlco Inc
Priority date: 1978-07-07
Filing date: 1978-08-11
Publication date: 1985-11-28
Also published as: IT1099065B; FR2430267B1; DE2835169A1; GB2024666B; IT7827696A0; FR2430267A1; GB2024666A; US4179071A

Description

a) der Außendurchmesser der Gaszuführungsleitung (12) kleiner ist als der Innendurchmesser der Umhüllung (16), und

b) ein Körper (18) aus hif.ebeständigem Werkstoff zwischen den einander zugekehrten Umfangsflächen der Leitung (12) und der Umhüllung (16) vorgesehen ist, wobei

c) der Außendurchmesser dieses Körpers (18) aus hitzebeständigem Werkstoff über den größten Teil der Gesamtlänge desselben gleich ist, und

d) die Mehrzahl von Injektionsdüsen (14) für das Schwefeltrioxidgas das Innere der Leitung (12) mit dem Äußeren der Umhüllung (16) verbindet

2. Injektionssonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung (16) und der davon umgebene Abschnitt der Leitung (12) koaxial zueinander liegen.

3. Injektionssonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Umhüllungsabschnitte (20), koaxial zueinander und im Axialabstand voneinander liegend, vorgesehen sind.

4. Injektionssonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einander benachbarten Umhüllungsabschnitten (20) ein Längsexpansions-Ausgleichsteil (22) vorgesehen ist.

5. Injektionssonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungsleitung (12) zumindest mit einem Teil koaxial von den beiden benachbarten Umhüllungsabschnitten (20) und von dem Längsexpansions-Ausgleichsteil (22) umschlossen wird.

6. Injektionssonde nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der den Körper (18) bildende hitzebeständige Werkstoff zwischen die einander zugekehrten Umfangsflächen der Gaszuführungsleitung (12) und der Umhüllung (16) eingegossen und erhärten gelassen ist.

Die Erfindung betrifft eine Injektionssonde für Schwefeltrioxidgas in eine Gasströmung.

Bekannte Injektionssonden dieser Art bestehen aus einer äußeren Metallumhüllung und einer langgestreckten Gaszuführungsleitung für das Schwefeltrioxidgas, von der zumindest ein Hauptteil der Länge von der Umhüllung aufgenommen wird.

In vielen chemischen Prozessen, beispielsweise in Feuergas-Konditionierungs-Systemen, wie sie z. B. in der USA-Patentschrift 39 93 429 beschrieben sind, wird Schwefel verbrannt und auf katalytischem Wege umgewandelt, um SO₃-GaS als Reaktans zu erzeugen. Bei dem genannten Beispiel, wie auch in anderen Anwcndungsfällen, ist das SO₃-GaS auf einer Temperatur oberhalb seines Taupunkts zu halten, der etwa bei 260⁰C liegt, und zwar von der Stelle der Umwandlung bis zu der Stelle der Einführung ais chemisches Reakians. Wenn sich die SO3-Gasströmung nennenswert unter 260⁰C abkühlt, bevor die nachfolgende Reaktion abläuft, so erfolgt eine Kondensation und die Bildung von Schwefelsäure (H₂SO₄). In letztgenanntem Falle kann eine beträchtliche Menge von H2SO4 aus den Injektionsdüsen austreten, die eine Vielzahl von sehr nachteiligen Wirkungen haben kann, beispielsweise Korrosion, unerwünschte chemische Reaktionen, Zusammenbruch des gesamten Prozesses und ähnliches.

Dieses Problem wird weiter verstärkt bei industriellen Anwendungen von SO₃-Gas-Injektionssonden, bei welchen das SO3-Gas aus dem katalytischer! Umwandler mit etwa 315°C austritt und dann durch eine verhältnismäßig lange Sonde von beispielsweise 1,8—9 m bis zu der End-Auslaßdüse am freien Ende der Sonde fließen muß.

Industriell genutzte SO₃-Gas-Injektionssonden müssen zusätzlich korrosionsfest sein und Mittel aufweisen, um thermische Ausdehnung aufzunehmen, und zwar infolge der hohen Korrosion und der hohen Temperaturen beim Einsatz dieser Sonden. Bisher wurden solche Sonden hergestellt, indem zunächst ein Rohr aus rostfreiem Stahl mit seitlichen Düsenverläiigerungen hergestellt und dieses Rohr anschließend mit einer gewickelten Rohr-Wärmeisolierung versehen wurde. Diese Rohr-Wärmeisolierung hat in der Praxis keine gleichmäßigen Abmessungen; diese können vielmehr beträchtlich (d.h. ± etwa 12,5mm im Enddurchmesser) schwanken. Die Rohrisolierung wurde nun anschließend mit einer äußeren Metallumhüllung mit Gleitverbindungen versehen, um die Wärmedehnung zu ermöglichen. Infolge der Schwankungen des Durchmessers der Rohrisolierung war es erforderlich, die Umhüllung in ihre Form zu bringen und sie dann mit Längsnähicn zu vcrschweißen. Diese Herstellungsweise ist nicht nur zeitaufwendig, sondern kann auch eine Vielzahl von anderen Problemen mit sich bringen, beispielsweise ungleichmäßige Isoliereigenschaften, potentielle Schäden an den Längs-Schweißnähten und größere Möglichkeiten eines Bindens an den Gleitverbindungen bei thermischer Dehnung oder Schrumpfung.

Bekannt ist ein mehrteiliges Führungsrohr für Kernreaktoren, also nicht für die Verwendung in Verbindung mit chemischen Prozessen bzw. chemischen Apparaten und Systemen, bei denen die Injektionssonden, wie geschildert, hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Diese bekannten mehrteiligen Führungsrohre sind daher für den hier behandelten Anwendungszweck weder als Vorbild zu betrachten noch überhaupt benutzbar. Sie weisen lediglich eine Puderschicht auf, die mit einem Kühlmittel in Verbindung steht, aber keine hitzebeständige Isolierung. Wenn man bei dieser bekannten Konstruktion querverlaufende Injektionsdüsen verwenden würde, wie dies bei einer Injektionssonde erforderlich ist, dann wurden diese querverlaufenden Injekiionsdüsen die Puderschicht zusammendrücken, was auch durch die bei dieser bekannten Konstruktion vorgesehenen Zentrier-Speichensterne nicht verhindert werden könnte. Es wäre dann also die erforderliche Wärmc-Isolierung zwischen der äußeren Metallumhüllung und der Gas-Zuführungsleitung nicht gewährleistet.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Injektionssonde der geschilderten Art, die einfach hcr/.ii.sicl-

len ist, einen gegenüber den bisher bekannten Injektionssonden wärmetechnisch verbesserten Aufbau und insbesondere bessere Isoliereigenschaften aufweist

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß

a) der Außendurchmesser der Gas-Zuiührungsleitung kleiner ist als der Innendurchmesser der Umhüllung, und

b) ein Körper aus hitzebeständigem Werkstoff zwischen dm einander zugekehrten Umfangsflächen der Leitung und der Umhüllung vorgesehen ist, wobei

c) der Außendurchmasser dieses Körpers aus hitzebeständigem Werkstoff über den größten Teil der Gesamtlänge desselben gleich ist und

d) die Mehrzahl von Injektionsdüsen für das Schwefeltrioxid-Gas das Innere der Leitung mit dem Äußeren der Umhüllung verbindet

Dadurch wird unter anderem erreicht, daß die Isolierung einen gleichmäßigen Durchmesser aufweist und daß die Neigung zum Entstehen von unregelmäßigen Isoliereigenschaften beträchtlich herabgesetzt wird. Die äußere Umhüllung kann nicht nur durch Wickeln in die richtige Form gebracht werden, sondern sie kann auch in Form eines aus rostfreiem Stahl bestehenden Rohrs hergestellt werden, oder zumindest in Form eines mit Schweißnaht versehenen Rohrs, das aber mit gleichmäßigem Außendurchmesser und unter besser steuerbaren Bedingungen aufgebracht wird als beim Wickeln. Weil der Außendurchmesser der Umhüllung gleichbleibend ist, wird der Hang zum Anhaften an den Gleitverbindungen /wischen dieser Umhüllung und anderen Teilen beträchtlich herabgesetzt Es werden also sowohl die Eigenschaften der Injektionssonde selbst verbessert als auch das Herstellungsverfahren für eine solche Injektionssonde erleichtert.

Die Umhüllung und der davon umgebene Abschnitt der Leitung sollten zweckmäßig koaxial zueinander liegen.

Die Herstellung der Injektionssonde kann dadurch weiter erleichtert werden, daß mehrere Umhüllungsabschnitte, koaxial zueinander und im Axial-Abstand voneinander liegend, vorgesehen sind. Zwischen einander benachbarten Umhüllungsabschnitten sollte ein Längscxpansions-Ausgleichteil vorgesehen sein. Die Zuführungsleitung sollte zumindest mit einem Teil koaxial von den beiden benachbarten Umhüllungsabschnitten und von dem Expansions-Ausgleichsteil umschlossen sein.

Der hitzebeständige Werkstoff wird zweckmäßig /wischen die einander zugekehrten Umfangsflächen der Gas-Zuführungsleitung und der Umhüllung eingegossen und dann erhärten gelassen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Injektionssonde nach der Erfindung dargestellt.

F i g. 1 ist eine Längs-Seitenansicht, teilweise geschnitten, einer SOj-Gas-Injektionssonde.

I i g. 2 ist eine ebenfalls teilweise geschnittene Ansicht der Injektionssonde nach Fig. 1. dieser Darstellung gegenüber um 90° um die Längsachse verdreht gezeichnet.

In den F i g. 1 und 2 der Zeichnung ist eine Schwefeltrioxid (SOjj-Gas-lnjektionssonde 10 nach der Erfindung dargestellt, welche folgende Teile umfaßt: Eine langgestreckte Gaszuführungsleitung 12, eine Mehrzahl von Gruppen von Gas-Injektionsdüsen 14, die von der Leitung 12 getragen werden und in Längsrichtung der Längsmittellinie der Leitung M zueinander versetzt sind und quer hierzu nach außen verlaufen, eine Umhüllung 16 koaxial zur Leitung 12 verlaufend, deren Innenfläche radial gegenüber dem Außenumfang der Leitung 12 einen Abstand aufweist, und einen Hitzeschutz in Form eines Körpers 18 aus hitzebeständigem Werkstoff, der zwischen den einander gegenüberliegenden Zylinderflächen der Leitung 12 und der Umhüllung 16 liegt.

Die Injektionssonde 10 nach der Erfindung ist von

ίο derjenigen Art die in industriellen Anwendungsfällen benutzt werden kann, beispielsweise zum Einsetzen in einen Fuchskanal oder in ein Kesselflammrohr, über welches das Feuergas einem elektrostatischen Abscheider zum Ausscheiden der Flugasche zugeführt wird. In einem solchen Anwendungsfall, bei dem die Länge der Injektionssonde 10 sich im Bereich von 1,8—9 m bewegen kann, wird gasförmiges SO3 von einer strömungsaufwärts liegenden Quelle in die Injektionssonde 10 eingeleitet und tritt aus dieser durch die Düsen 14 aus, um eine Behandlung der Feuergasströmung in einer solchen Weise hervorzurufen, daß der spezifische elektrische Widerstand der in dieser Feuergasströmung enthaltenen Flugasche vereinbar wird mit den diesbezüglichen Anforderungen des nachfolgenden elektrostatischen Abscheiders. Ein solcher Anwendungsfall für eine SC>3-Injektionssonde, wie also derjenigen nach der Erfindung, ist a'isführlieh in der bereits genannten USA-Patentschrift 39 93 429 beschrieben.
Die Atmosphäre, innerhalb welcher die Injektionssonde 10 benutzt wird, wie aber auch das von dieser Sonde zugeführte SO3 können recht korrodierend sein. Dementsprechend sind bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sämtliche Werkstoffe der Injektionssonde 10 korrosionsbeständig; beispielsweise bestehen die metallischen Teile der Sonde 10 aus rostfreiem Stahl, und der den Körper (18) bildende hitzebeständige Werkstoff ist nach seiner Aushärtung verhältnismäßig chemisch inert. Außerdem muß die Injektionssonde 10 die Eigenschaft aufweisen, daß sie das darin fließende gasförmige SO3 insoweit wärmeisoliert, daß während des Durchgangs des SO3 durch die Sonde die Temperatur dieses Gases nicht unter dessen Taupunkt fällt. Beispielsweise wird bei einem System, wie es in der bereits genannten USA-Patentschrift 39 93 429 geschildert ist, angenommen, daß das gasförmige SOi in die Injektionssonde 10 mit einer Temperatur von 315°C eintritt. Wenn nun von einer Kesselabgastemperatur von ca. 150° C ausgegangen wird, so müssen die Zusammensetzung und die konstruktiven Maße des hitzebeständigen Werkstoffes so sein, daß das durch die Injektionssonde fließende SO₃ bis zu seinem Auslaß aus der Sonde auf einer Temperatur oberhalb von 260° C bleibt. Wie dargestellt, setzt sich die Umhüllung 16 aus einer Mehrzahl von axial miteinander fluchtenden und im Abstand voneinander liegenden rohrförmigen Abschnitten

20 zusammen. Das hinterste Ende des Abschnitts 20 (in den F i g. 1 und 2 am rechten Ende) weist einen daran befestigten Befestigungsflansch 21 auf. Dieser Flansch

21 wird beim Einsatz der Sonde an einem Tragteil befestigt, beispielsweise an der Wandfläche eines (nicht dargestellten) Fuchskanals oder Kesselflammrohrs, und der Rest der Injektionssonde 10 wird durch eine geeignete Öffnung dieses Tragteils hineingeschoben. Der Flansch 21 weist eine koaxiale Bohrung 23 auf, durch welche hindurch das hintere Ende der Leitung 12 über den Flansch vorsteht, um diese Leitung mit der Lieferquelle für gasförmiges SO3 verbinden zu können.
Zwischen den einander benachbarten und in axialem

Abstand voneinander liegenden Umhüllungsabschnitten 20 der Umhüllung 16 ist ein Expansions-Ausgleichsteil 22 vorgesehen, das im folgenden einfach mit »Expansionsteil« bezeichnet wird. Dieses Expansionsteil 22 kann jegliche geeignete Formgebung aufweisen; bei 5 dem dargestellten Ausführungsbeispiel besteht es aus einer Hülse, deren Innendurchmesser so groß ist, daß er die axialen Endteile der Umhüllungsabschnitte 20 verschiebbar aufnehmen kann. In zusammengesetztem Zustand nimmt das eine Axialende des Expansionsteils 22 ein Axialende eines Abschnitts 20 auf und ist mit dessen Außenumfang fest verbunden, beispielsweise durch Verschweißen, Verlöten oder dergl. Das andere Axialende des Expansionsteils 22 nimmt verschiebbar das Axialende des benachbarten Abschnitts 20 auf, wodurch die Gesamtheit der Umhüllung 16 dazu in der Lage ist, die durch thermische Expansion wie aber auch Kontraktion zu kompensieren. Ein zusätzliches Expansionsteil 22 ist in Nähe des vorderen, also des freien Endes der Umhüllung 16 vorgesehen. An dem vordersten Ende dieses vornliegenden Expansionsteils 22 ist eine Endkappe 24 befestigt, um die Geschlossenheit der Injektionssonde 10 herzustellen.

Im zusammengebauten Zustand stellen die Düsen 14 eine Verbindung her zwischen dem Innenraum der Leitung 12 und dem Äußeren des Expansionsteils 22, und zwar in der Weise, daß die radial ganz innenliegenden Teile der Düsen 14 aufgenommen und getragen werden von Querbohrungen durch die rohrförmige Umhüllung 20, während deren radial am weitesten außenliegenden Abschnitte sich durch radial dazu fluchtende Öffnungen hindurch erstrecken, die innerhalb der zugehörigen Expansionsteile 22 vorgesehen sind. Auf diese Weise kann das SC>3-Gas von der (nicht dargestellten) Gasquelle durch die Gaszuieitung 12 fließen und aus der Injektionssonde 10 über die Düsen 14 austreten.

Bei der Herstellung einer Gas-Injektionssonde 10 nach der Erfindung wird das folgende Verfahren angewandt:

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A) Die Umhüllung mit der darin befindlichen Gas-Zuführungsleitung i2 und die dazwischen verlaufenden Düsen wird in der in der Zeichnung dargestellten Form hergestellt, mit Ausnahme entweder der Endkappe 24 oder des Flansches 21; eines dieser Teile wird noch nicht angebracht

B) Die hergestellte Untereinheit wird vertikal gelagert, und ein geeignetes gießbares hitzebeständiges Material wird am offenen Ende eingeleitet, so daß es den Ringraum zwischen der Umhüllung 15 und der Leitung 12 völlig ausfüllt.

C) Das hitzebeständige Material 18 wird erhärten gelassen und die Endkappe 24 oder der Flansch 21, je nachdem welches dieser Teile bei der Untereinheit weggelassen wurde, wird angebracht, wodurch die Herstellung der Injektionssonde 10 beendet ist

Die Injektionssonde weist die der Aufgabenstellung entsprechenden gewünschten Vorteile gegenüber dem Stand der Technik auf dem Gebiet der industriell einsetzbaren SCb-Gas-Injektionssonden auf, und zwar bezüglich gleichmäßigerer Wärmeisoliereigenschaften, bezüglich der Gewährleistung der thermischen Dehnungs- und Kontraktionsmöglichkeiten, der gesamten Gleichmäßigkeit und der Dauerhaftigkeit

Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel ist das im Augenblick bevorzugte Ausführungsbeispiel einer industriell einsetzbaren SCh-Gas-Injektionssonde, die nach den Prinzipien der Erfindung ausgebildet ist. Es sind jedoch zahlreiche Abwandlungen des dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiels durch einen Durchschnittsfachmann möglich, ohne daß dabei der in den Patentansprüchen gekennzeichnete Erfindungsgedanke verlassen wird. Beispielsweise: Die rohrförmigen Umhüllungsabschnitte 20 können aus einem von Schweißnähten freien dünnen Rohr oder aber auch aus einem geschweißten Teil bestehen; die Injektionsdüsen 14 können zwischen der Leitung 12 und den rohrförmigen Umhüllungsabschnitten 20, statt zwischen der Leitung 12 und dem Expansionsteil 22, verlaufen; anders ausgebildete Expansionsanordnungen für die Umhüllung können gewählt werden; mehr als zwei rohrförmige Umhüllungsabschnitte 20 können benutzt werden; wenn die Bedingungen dies ermöglichen oder vorschreiben, kann auch nur ein einziger rohrförmiger Ümhüllungsabschnitt 20 benutzt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Injektionssonde für Schwefeltrioxidgas mit einer !anggestreckten, äußeren Metallumhüllung und einer langgestreckten Gaszuführungsleitung für das Schwefeltrioxidgas, von der zumindest ein Hauptteil der Länge von der Umhüllung aufgenommen wird, und mit einer Mehrzahl von in Längsrichtung im Abstand voneinander liegenden, quer verlaufenden Injektionsdüsen, weiche den Innenraum der Leitung und das Äußere der Umhüllung miteinander verbinden, dadurch gekennzeichnet, daß