EP0029933A2 - Vorrichtung und Verfahren zum periodischen Abreinigen von Wärmeaustauscherrohren von Feststoffablagerungen und Verwendung dieser Vorrichtung - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum periodischen Abreinigen von Wärmeaustauscherrohren von Feststoffablagerungen und Verwendung dieser Vorrichtung Download PDF

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EP0029933A2
EP0029933A2 EP80106863A EP80106863A EP0029933A2 EP 0029933 A2 EP0029933 A2 EP 0029933A2 EP 80106863 A EP80106863 A EP 80106863A EP 80106863 A EP80106863 A EP 80106863A EP 0029933 A2 EP0029933 A2 EP 0029933A2
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EP
European Patent Office
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gas
tubes
cleaning
heat exchanger
line
Prior art date
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EP80106863A
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English (en)
French (fr)
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EP0029933A3 (en
EP0029933B1 (de
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Hans Dieter Dr. Korte
Gustav Mück
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Evonik Operations GmbH
Original Assignee
Degussa GmbH
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Publication of EP0029933A3 publication Critical patent/EP0029933A3/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28G—CLEANING OF INTERNAL OR EXTERNAL SURFACES OF HEAT-EXCHANGE OR HEAT-TRANSFER CONDUITS, e.g. WATER TUBES OR BOILERS
    • F28G1/00—Non-rotary, e.g. reciprocated, appliances
    • F28G1/16—Non-rotary, e.g. reciprocated, appliances using jets of fluid for removing debris
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28G—CLEANING OF INTERNAL OR EXTERNAL SURFACES OF HEAT-EXCHANGE OR HEAT-TRANSFER CONDUITS, e.g. WATER TUBES OR BOILERS
    • F28G9/00—Cleaning by flushing or washing, e.g. with chemical solvents

Definitions

  • the invention relates to an apparatus and a method for periodically cleaning the pipes through which a process gas flows or a single pipe of a heat exchanger used for heat dissipation from a hot, finely dispersed solid process gas stream from deposits of the solid.
  • the task is to add the heat carried by the transport gas withdraw to separate the solids in bag filters or other devices: and to be able to return the heat dissipated to the production process.
  • the heat is usually extracted via heat exchangers, the exchange organs of which consist of tube bundles or individual tubes, through which the Transport or process gas is passed.
  • the device is characterized by centric jet nozzles which are adjusted or adjustable above the gas inlet openings of the pipes and are connected to at least one line provided with shut-off elements for the periodic supply of a cleaning gas which is pressurized with respect to the process gas.
  • the jet nozzles are arranged above the gas inlet mouths of the heat exchanger tubes at a distance such that the gas jet, which is intended to clean off the solid deposits in the process of being prepared, attains its full cross section at the gas inlet mouth of each tube. Since the jet nozzles emit a fan-shaped gas jet, their outlet cross-section also has a distance-determining effect.
  • the cross section of the nozzle ends is substantially less than the uskirerrohre inlet cross section of A and can, for example, in tubular heat exchangers used in Furnacerußanlagen a ratio of 1: 9.4. With such a design is D mm üsenabshadow have been proven low between 90 and 150.
  • the A b shut-off devices which are switched on in the purge gas supply lines serve to deliberately restrict the supply of purge gas to certain purge gas supply lines. This enables serial or consecutive cleaning of the heat exchanger tubes. As a result, the cleaning periods do not interfere with the continuous process in which the heat exchanger works.
  • the supply lines for the cleaning gas provided with the jet nozzles are each arranged above a tube series lying on a straight or curved line, at least in each case two of these supply lines lie one above the other and the lower, shorter line supplies external nozzles and the upper line internal nozzles, and the length of the jet nozzles is dimensioned such that their outlet openings open in the same plane.
  • the feed lines for the cleaning gas through the process gas inflow pipe on the heat exchanger can be rigid with the inflow pipe, e.g. B. by welding, and the uppermost supply line can be divided into two closed at the end, a small distance opposite line sections. Each section of the uppermost line thus spans half of the relevant inflow tube cross section and carries a shut-off device at its outer end. It is also advantageous if the closed ends of these two line sections are received in a sliding guide, because this avoids thermal stresses and the line arrangement becomes insensitive to vibration.
  • the supply line for the cleaning gas can be formed as a round tube provided with fins, which is mounted on the process gas inflow tube against rotation. This ensures that the axis of a jet nozzle is always aligned with the axis of a controlled heat exchanger tube.
  • An advantageous variant of the invention which can be applied to all the embodiments of the device described so far, is that the individual feed lines for the cleaning gas are combined to form a main line and a pressure pulse generator is installed in the main line for registering the cleaning periods, the latter in the area an orifice installed in the main line or a Venturi tube installed in the main line is connected.
  • a particularly preferred embodiment of the device according to the invention provides that the jet nozzles are designed as Laval nozzles with which gas inflow velocities above the speed of sound can be achieved.
  • pipes or even a single pipe can be charged with a hot, finely dispersed solid containing process gas stream of a tube bundle or single tube heat exchanger unexpectedly easily and sustainably effective cleaning of the inevitable deposits of the solid by periodically flushing the tubes during the continuous process operation with a gas jet of high speed, directed suddenly into the gas inlet mouths of the tubes, released suddenly and maintained for a short time.
  • the purge gas jet should suddenly, d. H. Unleash its full strength in less than 3 seconds.
  • the duration of the rinsing period is of course influenced by the type of solid to be cleaned, its tendency to adhere and aggregate.
  • the cleaning effect increases with the speed of the purging gas jet, which is why a variant of the method according to the invention provides that the gas jet has supersonic speed. This can be achieved with Laval nozzles.
  • a preferred process variant provides for the tubes of the heat exchanger to be flushed in series and / or in succession during a cleaning cycle by means of the shut-off elements associated with the individual lines for the cleaning gas or by means of jet nozzles passed over the tube mouths, in order to have the effects on the parallel heat exchange and the repercussions on the overall process to keep it as low as possible.
  • the duration of the breaks between the cleaning periods is also of particular importance. It has proven to be expedient to choose an empirically determined time interval for the cleaning period in which none of the heat exchanger tubes or, in the case of single-tube exchangers, the individual tube can grow over with solid matter.
  • tube bundle heat exchangers In the case of tube bundle heat exchangers, one can proceed in such a way that the jacket temperature of the outer tubes, which have been found to be most at risk of clogging, is monitored and the purging process is triggered when the empirically or arithmetically determined threshold value is undershot. As an alternative to this, the temperature of the process gas flowing out of the external heat exchanger tubes can also be monitored and the purging process can be triggered if a predetermined value is exceeded.
  • purge gas is generally directed to the A rt of the process gas, which transports the solid particles. It is important, however, that the gas is dry so that the separated solid does not stick or clump together.
  • the use of superheated steam at a temperature above the gas outlet temperature of the heat exchanger to be cleaned has proven itself.
  • the purge gas can also be supplied to the jet nozzles in a pulsating manner.
  • the intermittent gas jet pulses transmitted into the exchanger tubes amplify the detachment or degradation of the solid layers due to a kind of cavitation effect.
  • an object of the invention is the use of the cleaning device using the cleaning process in the removal of heat from the process exhaust gas of the production of carbon blacks or pyrogenic inorganic oxides, such as silicon dioxide, titanium dioxide, aluminum oxide, Al-Si mixed oxides or oxide mixtures.
  • the cleaning device is installed in the process exhaust gas inflow pipe 6 of a tube bundle heat exchanger which is switched on in the furnace black process in front of the filter system for soot separation.
  • the inflow pipe 6 is connected to the jacket of the heat exchanger via flanges 12; however, it could also be part of the heat exchanger.
  • jet nozzles 5 Centrally above the gas inlet openings 1 and at a small distance from them (approx. 100 mm), jet nozzles 5 with a nozzle diameter of 14 mm open out.
  • the nozzles 5 for the inner tubes are located on the upper feed lines 4 for the cleaning gas, the nozzles 5 'for the outer tubes on the lower purge gas feed lines 4'.
  • the lines 4 ′ are firmly connected on their upper side to the underside of the lines 4 by welding.
  • Opposing lines 4 span approximately half the cross section of the inflow tube 6 and are accommodated at their closed end in a sliding sleeve 7, one end of each line being firmly connected to the sleeve and the corresponding end of the line being slidably inserted into the sleeve.
  • a powdery carbon black is produced in a plant for the production of furnace black with the following test data:
  • This soot is produced by generating a stream of hot combustion gases by converting air with fuel (e.g. fuel gas) and spraying a highly aromatic soot raw material into the hot combustion exhaust gases. After the soot is formed, water is sprayed in and the soot-containing exhaust gas stream is first passed through a system of heat exchangers and then through filters that separate the soot from the exhaust gas.
  • fuel e.g. fuel gas
  • an exhaust gas volume flow of 6,250 N m 3 / h was sent into the first heat exchanger at a temperature of 780 ° C.
  • This water vapor-containing exhaust gas stream contained approximately 1,050 kg / h of the soot defined above.
  • the exhaust gas freed from water vapor has the following composition: In the first heat exchanger, the soot-exhaust gas mixture is cooled to 570 ° C. by cooling with 3,300 Nm 3 / h process air.
  • the temperature had to be reduced to at least 280 ° C.
  • the exhaust gas was sent through a second heat exchanger, which had the following construction data:
  • This heat exchanger was charged with 1 2 0 00 N m 3 / h air at 70 ° C on the cooling air side.
  • the exhaust gas-carrying pipes (mostly 2 pipes at a time) were flushed for 3 seconds with 0.83 kg of steam at 310 ° C, the steam exiting at 960 m / sec. exhibited.
  • the rinse cycle was completed after 90 seconds, followed by a dead time of 7 minutes.
  • the heat exchanger cooled the soot-containing exhaust gas from 570 ° to 280 ° C.
  • the pressure loss in the heat exchanger was 65 mbar. A water injection behind the heat exchanger to lower the temperature to the permissible temperature of the subsequent bag filter was not necessary.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum periodischen Abreinigen der Rohre von Wärmeaustauschern von Ablagerungen feinteiliger Feststoffe, insbesondere Rußen oder pyrogen hergestellten anorganischen Oxiden. Die Vorrichtung besteht aus Strahldüsen, welche im Abstand über den Gaseintrittsöffnungen derRohre angeordnet sind und über mit Absperrorganen versehene Leitungen mit einem gegenüber dem Prozeßgas Überdruck aufweisenden Reinigungsgas gespeist werden. Die Strahldüsen können stationär oder über eine Reihe der Wärmeaustauscherrohre hinweg verschiebbar angeordnet sein. Das Verfahren sieht vor, die abzureinigenden Rohre, vorzugsweise nacheinander während des Betriebs des Wärmeaustauschers periodisch mit einem schlagartig freigesetzten und kurzzeitig aufrechterhaltenen Gasstrahl hoher Geschwindigkeit zu spülen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum periodischen Abreinigen der mit einem Prozeßgas durchströmten Rohre oder eines Einzelrohrs eines zur Wärmeabfuhr aus einem heißen, feindispersen Feststoff enthaltenden Prozeßgasstrom verwendeten Wärmeaustauschers von Ablagerungen des Feststoffs.
  • Bei der Abtrennung von feindispersen Feststoffen, die in einem thermischen Prozeß, wie der Rußerzeugung oder der Gewinnung pyrogener Kieselsäuren gebildet werden und von einem Gasstrom - in den genannten Fällen vom eigenen Prozeßgasstrom - transportiert werden, stellt sich die Aufgabe, die vom Transportgas mitgeführte Wärme zu entziehen, um den Feststoff in Schlauchfiltern oder anderen Einrichtungen abscheiden zu:können und die abgeführte Wärme dem Produktionsprozeß wieder zuführen zu können. Die Wärme wird dabei meist über Wärmeaustauscher entzogen, deren Austauschorgane aus Rohrbündeln oder Einzelrohren bestehen, durch die das Transport- bzw. Prozeßgas geleitet wird. Je nach Art des im Gasstrom enthaltenen festen Schwebestoffs kommt es im Laufe der Betriebsdauer zu Ablagerungen desselben an den Innenwänden der Rohre, wodurch einerseits der Gasdurchfluß und andererseits der Wärmeübergang vermindert wird. Dieser Vorgang kann zum vollständigen Zuwachsen einzelner Rohre führen, was eine Beschädigung des Wärmeaustauscherszur Folge haben kann. Wenn nämlich, wie üblich, die Rohrenden von Rohrbündel-Wärmetauschern an bzw. in den einander gegenüberliegenden Stirnplatten des Austauschers befestigt sind, bewirkt das infolge zunehmender Wärmeisolation zustandekommene Kälterwerden verstopfender Rohre.in der Nachbarschaft heißerer Rohre das Auftreten von Materialspannungen. Das zugesetzte, verkürzte Rohr kann dabei durch die es überdehnenden Nachbarrohre abgerissen werden.
  • Es bestand daher bei Prozessen, bei denen ein heißes Prozeßgas bzw. -abgas ein feinteiliges Festprodukt mit sich führt, welches aus dem vorher abgekühlten Gasstrom abgeschieden werden muß, seit langem ein dringendes Bedürfnis, das Ansatzproblem in mit Rohren arbeitenden Wärmeaustauschern zu lösen, ohne den Betrieb des Wärmetauschers unterbrechen zu müssen oder Zuflucht zu aufwendigen und reparaturanfälligen mechanischen Reinigungsapparaturen zu nehmen. Besondere Probleme bereitete das Zusetzen von Wärmetauschern bei der Herstellung von Rußen und pyrogenen Kieselsäuren, welche wegen ihrer hohen Oberflächenaktivität besonders stark zum Ansetzen und Aufwachsen neigen.
  • Es wurde nun gefunden, daß man die geschilderten Probleme überraschend einfach und nachhaltig mit einer Vorrichtung lösen kann, welche lediglich in das Prozeßgasanströmrohr eingebaut zu werden braucht.
  • Die Vorrichtung ist gekennzeichnet durch zentrische über den Gaseintrittsmündungen der Rohre justierte bzw. justierbare und mit mindestens einer mit Absperrorganen versehenen Leitung für die periodische Zufuhr eines gegegenüber dem Prozeßgas Überdruck aufweisenden Reinigungsgases in Verbindung stehende Strahldüsen.
  • Die Strahldüsen sind über den Gaseintrittsmündungen der Wärmeaustauscherrohre in einem Abstand angeordnet, daß der Gasstrahl, der die im Ansetzen begriffenen Feststoffbeläge abreinigen soll, an der Gaseintrittsmündung jedes Rohrs dessen vollen Querschnitt erlangt. Da die Strahldüsen einen fächerförmigen Gasstrahl aussenden, wirkt auch deren Austrittsquerschnitt abstandbestimmend. Im allgemeinen ist der Querschnitt der Düsenmündungen wesentlich geringer als der Eintrittsquerschnitt der Austauscherrohre und kann z.B. bei in Furnacerußanlagen verwendeten Rohrbündelwärmeaustauschern ein Verhältnis von 1 : 9,4 aufweisen. Bei einer solchen Auslegung haben sich Düsenabstände zwischen 90 und 150 mm als günstig erwiesen.
  • Die in den Spülgaszufuhrleitungen eingeschalteten Ab-sperrorgane dienen dazu, die Zufuhr von Spülgas gezielt auf bestimmte Spülgaszufuhrleitungen zu beschränken. Es wird dadurch ein serienweises oder nacheinander erfolgendes Abreinigen der Wärmeaustauscherrohre ermöglicht. Dadurch beeinflussen die Abreinigungsperioden den kontinuierlichen Prozeß, in dem der Wärmeaustauscher arbeitet, nicht störend.
  • Als baulich hierzu besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu bezeichnen, gemäß welcher bei Wärmeaustauschern, die mehrere Rohre aufweisen, die mit den Strahldüsen versehenen Zufuhrleitungen für das Reinigungsgas jeweils über einer auf einer geraden oder gekrümmten Linie liegenden Rohrserie angeordnet sind, wobei mindestens jeweils zwei dieser Zufuhrleitungen übereinander liegen und die untere, kürzere Leitung außenliegende und die obere Leitung innenliegende Düsen versorgt und wobei die Länge der Strahldüsen so bemessen ist, daß ihre Austrittsöffnungen in derselben Ebene münden.
  • Bei dieser Ausführungsform können die durch das Prozeßgasanströmrohr am Wärmeaustauscher geführten Zufuhrleitungen für das Reinigungsgas mit dem Anströmrohr starr, z. B. durch Einschweißen, verbunden und die zuoberste Zufuhrleitung in zwei am Ende geschlossene, in kleinem Abstand einander gegenüberliegende Leitungsabschnitte geteilt sein. Jeder Abschnitt der obersten Leitung überspannt hierbei also die Hälfte des betreffenden Anströmrohrquerschnitts und trägt an seinem äußeren Ende ein Absperrorgan. Von Vorteil ist ferner, wenn die geschlossenen Enden dieser beiden Leitungsabschnitte in einer Gleitführung aufgenommen sind, weil damit Wärmespannungen vermieden werden und die Leitungsanordnung schwingungsunempfindlich wird.
  • Neben der stationären Anordnung der Strahldüsen, entsprechend den besprochenen konstruktiven Ausführungen hat sich im praktischen Betrieb auch eine über die Mündungen von Wärmeaustauscherrohren hinweg verschiebliche Anordnung einer oder mehrerer Strahldüsen bewährt. Dabei ist eine mindestens eine Strahldüse tragende Zufuhrleitung für das Reinigungsgas über eine Rohrreihe hinweg verschiebbar angeordnet, wobei die zentrische Justierung der Strahldüse(n) über den Gaseintrittsmündungen der Wärmeaustauscherrohre durch manuell oder automatisch betriebene mechanische, hydraulische, pneumatische oder elektrische Schaltorgane erfolgt. Am besten wird dabei die Zufuhrleitung für das Reinigungsgas als Profilrohr ausgebildet, welches durch das Prozeßgasanströmrohr verdrehsicher hindurchgeführt ist. So kann z. B. die Zufuhrleitung für das Reinigungsgas als mit Führungsflossen versehenes Rundrohr ausgebildet sein, welches am Prozeßgasanströmrohr verdrehsicher gleitgelagert ist. Damit wird sichergestellt, daß die Achse einer Strahldüse mit der Achse eines angesteuerten Wärmeaustauscherrohrs stets fluchtet.
  • Eine vorteilhafte Variante der Erfindung, die sich auf alle bisher beschriebenen Ausführungsformen der Vorrichtung anwenden läßt, besteht darin, daß die einzelnen Zuführleitungen für das Reinigungsgas zu einer Hauptleitung zusammengefaßt sind und in der Hauptleitung ein Druckimpulsgeber zur Registrierung der Abreinigungsperioden eingebaut ist, wobei letzterer im Bereich einer in der Hauptleitung eingebauten Blende oder eines in der Hauptleitung eingebauten Venturirohrs angeschlossen ist.
  • Da die Abreinigungswirkung umso intensiver ist, je höher die Geschwindigkeit des Gasstrahls ist, sieht schließlich eine besonders bevorzugte Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vor, daß die Strahldüsen als Lavaldüsen ausgebildet sind, mit denen sich Gasanströmgeschwindigkeiten oberhalb der Schallgeschwindigkeit erreichen lassen.
  • Mit der beschriebenen Vorrichtung lassen sich mit einem heißen, feindispersen Feststoff enthaltenden Prozeßgasstrom beaufschlagte Rohre oder auch ein Einzelrohr eines Rohrbündel- bzw. Einzelrohr-Wärmeaustauschers unerwartet leicht und nachhaltig wirksam von den unvermeidlichen Ablagerungen des Feststoffs abreinigen, indem man die Rohre während des kontinuierlichen Prozeßbetriebs periodisch mit einem zentrisch in die Gaseintrittsmündungen der Rohre gerichteten, schlagartig freigesetzten und kurzzeitig aufrechterhaltenen Gasstrahl hoher Geschwindigkeit spült. Diese Verfahrenskriterien und ihre nachfolgend vorgestellten Abwandlungen sind ebenfalls wesentlicher Bestandteil der Erfindung, weil beim Betrieb der beschriebenen Vorrichtung einzuhalten, um eine sichere Funktion und Wirkung zu gewährleisten.
  • Der Spülgasstrahl soll schlagartig, d. h. in einer Zeitspanne von weniger als 3 sec. seine volle Stärke entfalten.
  • Die Dauer der Spülperiode wird natürlich von der Art des abzureinigenden Feststoffs, seiner Adhäsions- und Aggregationsneigung beeinflußt. Der Abreinigungseffekt wächst mit der Geschwindigkeit des spülenden Gasstrahls, weshalb eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens vorsieht, daß der Gasstrahl Überschallgeschwindigkeit aufweist. Diese läßt sich mit Lavaldüsen erzielen.
  • Eine bevorzugte Verfahrensvariante sieht vor, die Rohre des Wärmeaustauschers während eines Abreinigungszyklus mittels der einzelnen Leitungen für das Reinigungsgas zugeordneten Absperrorgane oder mittels über die Rohrmündungen gefahrener Strahldüsen serienweise und/oder nacheinander zu spülen, um die Auswirkungen auf den parallellaufenden Wärmeaustausch und die Rückwirkungen auf den Gesamtprozeß so gering wie möglich zu halten. Besondere Bedeutung kommt auch der Dauer der Pausen zwischen den Abreinigungsperioden zu. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, für die Abreinigungsperiode ein empirisch ermitteltes Zeitintervall zu wählen, in dem keines der Wärmeaustauscherrohre bzw. bei Einrohraustauschern das Einzelrohr, mit Feststoff zuwachsen kann.
  • Bei Rohrbündelwärmeaustauschern kann man so vorgehen, daß man die Manteltemperatur der - so wurde gefunden - am meisten verstopfungsgefährdeten Außenrohre überwacht und bei Unterschreiten eines empirisch oder rechnerisch ermittelten Schwellenwertes den Spülvorgang auslöst. Alternativ hierzu kann man auch die Temperatur des aus den außenliegenden Wärmeaustauscherrohren abströmenden Prozeßgases überwachen und bei Überschreiten eines vorgegebenen Wertes den Spülvorgang auslösen.
  • Die Wahl des Spülgases richtet sich im allgemeinen nach der Art des Prozeßgases, welcher die Feststoffteilchen transportiert. Wichtig ist aber, daß das Gas trocken ist, damit der abgeschiedene Feststoff nicht verklebt oder verklumpt. Beim Furnacerußverfahren hat sich die Anwendung von Heißdampf mit einer Temperatur, die über der Gasaustrittstemperatur des zu reinigenden Wärmeaustauschers liegt, bewährt.
  • Wo es das den sogenannten Prozeßgasstrom liefernde Verfahren erlaubt, kann das Spülgas den Strahldüsen auch pulsierend zugeführt werden. Die dabei in die Austauscherrohre hinein übertragenen intermittierenden Gasstrahlimpulse verstärken durch eine Art Kavitationseffekt die Ablösung bzw. den Abbau von Ansatzschichten des Feststoffs.
  • Ein Gegenstand der Erfindung ist schließlich die Verwendung der Abreinigungsvorrichtung unter Anwendung des Abreinigungsverfahrens bei der Wärmeabfuhr aus dem Prozeßabgas der Gewinnung von Rußen oder pyrogenen anorganischen Oxiden, wie Siliciumdioxid, Titandioxid, Aluminiumoxid, Al-Si-Mischoxiden oder -Oxidmischungen.
  • Aufbau und Verfahrensfunktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnung und eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigen
    • Fig. 1 eine Seitenansicht der im Anströmrohr eines Rohrbündelwärmeaüstauschers angeordneten Abreinigungsvorrichtung mit fixen Strahldüsen im Schnitt A - A von Fig. 2.;
    • Fig. 2 eine Draufsicht auf die Vorrichtung von Fig. l;
    • Fig. 3 eine Seitenansicht der im Anströmrohr eines Rohrbündelwärmeaustauschers angeordneten Abreinigungsvorrichtung mit verschieblichen Strahldüsen im Schnitt B - B von Fig. 4 und
    • Fig. 4 eine Draufsicht auf die Vorrichvon Fig. 3.
  • Nach Fig. 1 und 2 ist die Abreinigungsvorrichtung in das Prozeßabgasanströmrohr 6 eines im Furnacerußprozeß vor der Filteranlage zur Rußabscheidung eingeschalteten Rohrbündelwärmeaustauschers eingebaut.
  • Das Anströmrohr 6 ist über Flanschen 12 mit dem Mantel des Wärmeaustauschers verbunden; es könnte indessen auch Teil des Wärmeaustauschers sein. Dessen Austauschrohre 2 mit 43,1 mm lichter Weite münden mit ihren Eintrittsöffnungen für das Rußteilchen-haltige Prozeßabgas in den Bohrungen einer Halte- und Verteilerplatte 13 ünd sind mit dieser durch Verschweißen verbunden. Zentrisch über den Gaseintrittsöffnungen 1 und in kleinem Abstand zu diesen (ca. 100 mm) münden Strahldüsen 5 mit einem Düsendurchmesser von 14 mm. Die Düsen 5 für die inneren Rohre sitzen an den oberen Zufuhrleitungen 4 für das Reinigungsgas, die Düsen 5' für die äußeren Rohre an den unteren Spülgaszufuhrleitungen 4'. Die jeweils mit ihren rückwärtigen Abschnitten durch das Anströmrohr 6 geführten und mit diesem starr verbundenen Leitungen 4' sind auf ihrer Oberseite mit der Unterseite der Leitungen 4 durch Anschweißen fest verbunden. Gegenüberliegende Leitungen 4 überspannen in etwa den halben Querschnitt des Anströmrohrs 6 und sind an ihrem verschlossenen Ende in einer Gleithülse 7 aufgenommen, wobei je ein Leitungsende mit der Hülse fest verbunden ist und das korrespondierende Leitungsende in die Hülse verschieblich eingesteckt ist.
  • In jede der Spülgaszufuhrleitungen ist außerhalb des Anströmrohrs ein Absperrorgan 3 für die Steuerung des Spülgasflusses vorgesehen. Die einzelnen Zufuhrleitungen für das Reinigungsgas sind zu einer Hauptleitung 9 zusammengefaßt, in welcher im Bereich eines Venturirohrs 11 ein Druckimpulsgeber 10 angeschlossen ist. Die in Fig. 2 gezeigte um das Anströmrohr gekrümmte Führung von Sammel- und Hauptleitung verringert nicht bloß den Platzbedarf, sondern vereinfacht vor allem Wärmeschutzmaßnahmen gegen Kondensatbildung innerhalb des Rohrsystems.
  • Bei der Durchführung des Abreinigungsverfahrens in der Vorrichtung nach Fig. 1 und 2 läßt man innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls oder anhand eines an den Mänteln oder Gasaustrittsmündungen äußerer Rohre abgenommenen Temperatursignals durch schlagartiges Öffnen von Absperrorganen 3 Spülstrahlen aus den Düsen 5,5' austreten. Sie erzeugen in den Rohren 2 eine starke Gasbeschleunigung, wodurch die an den Rohrwandungen anhaftenden feinen Rußteilchen abgelöst und ausgetragen werden. Obwohl grundsätzlich möglich, werden nicht gleichzeitig alle Düsen in Betrieb gesetzt, sondern serienweise oder nacheinander. Damit wird erreicht, daß ein Spülvorgang den Betrieb des Wärmetauschers praktisch nicht stört und die Spülgaszufuhrleitungen wirtschaftlich dimensioniert werden können.
  • Bei der Vorrichtung nach Fig. 3 und 4 tragen in der Anströmrohrwand an gegenüberliegenden Stellen verschieblich und verdrehsicher gelagerte und außerhalb mit einem Zahnstangenantrieb 14 verbundene Profilrohre 4 Einzeldüsen 5, welche nacheinander über jeweils eine Rohrreihe hinweg verschoben und vor Beaufschlagung mit dem Spülgasstoß mittels des Schaltorgans 8 jeweils über den Öffnungen 1 von Wärmeaustauscherrohren 2 angehalten und zentriert justiert werden. Die Spülgaszufuhr zu den Rohren 4 erfolgt hier über flexible Leitungen 15.
    • Beispiel
  • In einer Anlage zur Herstellung von Furnaceruß wird ein pulverförmiger Ruß mit folgenden Prüfdaten hergestellt:
    Figure imgb0001
  • Die Herstellung dieses Rußes erfolgt durch Erzeugen eines Stromes heißer Verbrennungsgase durch Umsatz von Luft mit Brennstoff (z.B. Brenngas) und Einsprühen eines hocharomatischen Rußrohstoffes in die heißen Verbrennungsabgase. Nach der Rußbildung wird Wasser eingesprüht und der rußhaltige Abgasstrom zuerst durch ein System von Wärmeaustauschern und dann durch Filter, die den Ruß vom Abgas trennen, geschickt.
  • Im vorliegenden Fall wurde ein Abgasmengenstrom von 6.250 Nm3/h mit einer Temperatur von 780°C in den ersten Wärmeaustauscher geschickt. In diesem wasserdampfhaltigen Abgasstrom waren ca. 1.050 kg/h des oben definierten Rußes enthalten. Das von Wasserdampf befreite Abgas hat folgende Zusammensetzung:
    Figure imgb0002
    In dem ersten Wärmeaustauscher wird das Ruß-Abgasgemisch durch Kühlung mit 3.300 Nm3/h Prozeßluft auf 570°C abgekühlt.
  • Um nun das rußhaltige Abgas einem mit Glasfilterschläuchen ausgestatteten Filter zuführen zu können, mußte die Temperatur auf mindestens 280°C abgesenkt werden. Hierzu wurde das Abgas durch einen zweiten Wärmeaustauscher geschickt, der folgende Baudaten aufwies:
    Figure imgb0003
  • Dieser Wärmeaustauscher wurde auf der Kühlluftseite mit 12.000 Nm3/h Luft von 70°C beschickt. Gleichzeitig wurden die abgasführenden Rohre (meistens jeweils 2 Rohre zugleich) 3 Sekunden stoßweise mit 0,83 kg Dampf von 310°C gespült, wobei der Dampf eine Austrittsgeschwindigkeit von 960 m/sec. aufwies. Der Spülzyklus war nach 90 sec. abgeschlossen, worauf eine Totzeit von 7 Minuten folgte. Bei dieser Arbeitsweise brachte der Wärmeaustauscher eine Abkühlung des rußhaltigen Abgases von 570° auf 280°C. Der Druckverlust im Wärmeaustauscher betrug 65 mbar. Eine Wassereinspritzung hinter dem Wärmeaustauscher zur Absenkung der Temperatur auf die zulässige Temperatur des nachfolgenden Schlauchfilters war nicht erforderlich.
  • Zum Vergleich wurden die gleichen Bedingungen in der Rußerzeugungsanlage und in der Wärmeaustauscher/Abscheideanlage beibehalten, jedoch die Dampfspülung abgestellt. Bereits nach 60 Minuten kühlte der Wärmeaustauscher das rußhaltige Abgas nur noch von 570°C auf 350°C ab und der Druckverlust stieg auf 95 mbar an.
  • Dieses Experiment zeigt für die erfindungsgemäße Arbeitsweise folgende Vorteile auf:
    • 1. Durch die Dampfspülung bleiben die Wärmeaustauscherrohre frei und bedingen einen geringen Druckabfall.
    • 2. Durch den geringen Druckabfall können höhere Mengendurchsätze gefahren werden.
    • 3. Durch die Dampfspülung wird dem rußhaltigen Abgas mehr Wärme entzogen, so daß direkt in ein Schlauchfilter gefahren werden kann.
    • 4. Ohne die Dampfspülung müßte hinter dem Wärmeaustauscher noch einmal Wasser eingespritzt werden, was durch Knötchenbildung zu einer Verschlechterung der Rußqualität führt.

Claims (19)

1. Vorrichtung zum periodischen Abreinigen der mit einem Prozeßgas durchströmten Rohre oder eines Rohrs eines zur Wärmeabfuhr aus einem heißen, feindispersen Feststoff enthaltenden Prozeßgasstrom verwendeten Wärmeaustauchers von Ablagerungen des Feststoffs, gekennzeichnet durch zentrisch über den Gaseintrittsmündungen (1) der Rohre (2) justierte bzw. justierbare und mit mindestens einer mit Absperrorganen (3) versehenen Leitung (4) für die periodische Zufuhr eines gegenüber dem Prozeßgas Überdruck aufweisenden Reinigungsgases in Verbindung stehende Strahldüsen (5).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Wärmetauschern, welche mehrere Rohre aufweisen, die mit den Strahldüsen versehenen Zufuhrleitungen (4) für das Reinigungsgas jeweils über einer auf einer Linie liegenden Rohrserie angeordnet sind, wobei mindestens jeweils zwei dieser Zufuhrleitungen übereinander liegen und die untere, kürzere Leitung (4') außenliegende und die obere Leitung innenliegende Düsen versorgt und wobei die Länge der Strahldüsen so bemessen ist, daß ihre Austrittsöffnungen in derselben Ebene münden.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch qekennzeichnet, daß die durch das Prozeßgasanströmrohr (6) am Wärmeaustauscher geführten Zufuhrleitungen (4,4') für das Reinigungsgas mit dem Anströmrohr starr verbunden sind und die zuoberste Zufuhrleitung in zwei am Ende geschlossene, in kleinem Abstand einander gegenüberliegende Leitungsabschnitte geteilt ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der beiden Leitungsabschnitte in einer Gleitführung (7) aufgenommen sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine mindestens eine Strahldüse (5) tragende Zufuhrleitung (4) für das Reinigungsgas über eine Rohrreihe hinweg verschiebbar angeordnet ist, wobei die zentrische Justierung durch manuell oder automatisch betriebene mechanische, hydraulische, pneumatische oder elektrische Schaltorgane (8) erfolgt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhrleitung (4) für das Reinigungsgas als Profilrohr ausgebildet ist, welches durch das Pro- zeßgasanströmrohr (6) verdrehsicher hindurchgeführt ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhrleitung für das Reinigungsgas (4) als mit Führungsflossen versehenes Rundrohr ausgebildet: ist, welches am Prozeßgasanströmrohr (6) verdrehsicher gleitgelagert ist.
8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Zufuhrleitungen für das Reinigungsgas zu einer Hauptleitung (9) zusammengefaßt sind und in letzterer ein Druckimpulsge- ber (10) zur Registrierung der Abreinigungsperioden eingebaut ist.
9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckimpulsgeber (10) im Be-reich einer in der Hauptleitung eingebauten Blende oder eines in der Hauptleitung eingebauten Venturirohrs (11) angeschlossen ist.
10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahldüsen (5) als Lavaldüsen ausgebildet sind.
11. Verfahren zum Abreinigen der mit einem heißen, feindispersen Feststoff enthaltenden Prozeßgasstrom beaufschlagten Rohre oder eines Rohrs eines Wärmeaustauschers von Ablagerungen des Feststoffs mittels der Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, daß man die Rohre während des kontinuierlichen Prozeßbetriebs periodisch mit einem zentrisch in die Gaseintrittsmündungen der Rohre gerichteten, schlagartig freigesetzten und kurzzeitig aufrechterhaltenen Gasstrahl hoher Geschwindigkeit spült.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch qekennzeichnet, daß der Gasstrahl Überschallgeschwindigkeit hat.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß man die Rohre während eines Abreinigungszyklus mittels der einzelnen Leitungen für das Reinigungsgas zugeordneten Absperrorgane oder mittels über die Rohrmündungen gefahrener Strahldüsen serienweise und/oder nacheinander spült.
14. Verfahren nach den Ansprüchen 11 - 13, dadurch gekennzeichnet, daß man für die Abreinigungsperiode ein empirisch ermitteltes Zeitintervall wählt, in dem keines der Wärmeaustauscherrohre mit Feststoff zuwachsen kann.
15. Verfahren nach den Ansprüchen 11 - 13, dadurch gekennzeichnet, daß man die Manteltemperatur der Aussenrohre überwacht und bei Unterschreiten eines empirisch oder rechnerisch ermittelten Schwellenwertes den Spülvorgang auslöst.
16. Verfahren nach den Ansprüchen 11 - 13, dadurch gekennzeichnet, daß man die Temperatur des aus den außenliegenden Wärmeaustauscherrohren abströmenden Prozeßgases überwacht und bei Überschreiten eines vorgegebenen Wertes den Spülvorgang auslöst.
17. Verfahren nach den Ansprüchen 11 - 16, dadurch gekennzeichnet, daß man mit Heißdampf oder Trockengasen spült.
18. Verfahren nach den Ansprüchen 11 - 17, dadurch gekennzeichnet, daß man mit einem pulsierenden Gasstrahl spült.
19. Verwendung der Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 - 10 zur Wärmeabfuhr aus dem Prozeßabgas der Gewinnung von Rußen oder pyrogenen anorganischen Oxiden, insbesondere Siliciumdioxid.
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