EP0956897A2 - Apparatus for mixing a gas flowing through a conduit - Google Patents
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- EP0956897A2 EP0956897A2 EP99108479A EP99108479A EP0956897A2 EP 0956897 A2 EP0956897 A2 EP 0956897A2 EP 99108479 A EP99108479 A EP 99108479A EP 99108479 A EP99108479 A EP 99108479A EP 0956897 A2 EP0956897 A2 EP 0956897A2
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Classifications
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- B01F25/43151—Straight mixing tubes with baffles or obstructions that do not cause substantial pressure drop; Baffles therefor the baffles being deformed flat pieces of material composed of consecutive sections of deformed flat pieces of material
Definitions
- the invention relates to a device for thorough mixing of a gas stream flowing through a channel with the features the preamble of claim 1 and a method using the device.
- Devices for mixing a gas stream are in the Aftertreatment of flue gases required at the Burning coal, garbage, sewage sludge or others Fuels are created. These fumes contain some undesirable, but unavoidable, pollutants contained in a the flue gas cleaning system downstream of the combustion be removed. These pollutants include nitrogen oxides, by adding a reducing agent to the flue gas be reduced.
- a well known static Gas mixer has a mixing element, which by a The main axis of the flue gas path is twisted and therefore curved Surface is formed.
- the sequence of several Mixing elements of this type lead to good mixing.
- This mixer is on the one hand in its complex, spatially curved structure. To the others, a single mixing element extends across the entire flue gas path.
- a Mixing element used that the wake flow from at the Used mixer plates attached to the duct wall.
- This Mixing elements consist of approximately trapezoidal Patches attached to the trapezoidal base on the wall are. Three edges of the surface element are free from the flue gas washed around. The elements are inclined in the main flow direction. Retaining bars are located between the throat for attachment the mixing element and the wall, i.e. in the detachment area of the Flow. These mixing elements produce two in opposite directions oriented vortex with speed components across Main flow direction. This pair of vertebrae intensifies Mixing processes in the gas phase.
- the use of several Mixing elements are intended to ensure good mixing.
- a disadvantage is the relatively long length of the channel wall Edge of the mixing element.
- a generic device the mixing of several Gas flows or the interference of a liquid cooling medium in serves a gas flow are from the documents DE-C-2 911 873, DE-U-8 219 268, EP-B-0 637 726.
- At this Device become flat built-in elements in the form symmetrical surfaces used. The edges of this Installation elements are free on all sides of those to be mixed Fluids washed around. These built-in elements are under at an acute angle to the direction of flow Flue gas flow introduced that at its front edge Detachment vortex arises, which in the publications mentioned as Leading edge vertebrae is designated. This leading edge vortex also has velocity components across Main flow direction, causing the mixing operations be intensified.
- the built-in elements of the known Device are circular, elliptical, oval, parabolic, diamond-shaped or triangular basic shape executed. They can be profiled in cross-section or with provided with an angled edge or angled in a V-shape be.
- a disadvantage of static mixers of this known design is the type of introduction into the flue gas path. Through the is all around free washing around the edges of the built-in element a separate supporting structure is required (DE-U-8 219 268). Form the built-in elements causes by the flue gas flow Forces are induced that are transient and in the Make the component noticeable as vibration. The structures for Attachment of these built-in elements are for inclusion mechanical stresses resulting from the flow induced Vibration result, to interpret. This results in less favorable Regularly move to heavy structures with large ones Moments of resistance. The high weight of the structures represents a serious disadvantage, since the process-related Installation position of these installation elements in reactors Reduction of nitrogen oxides is usually at high altitude, what again the static structure of the overall reactor and the Assembly adversely affected.
- the invention is based, the installation elements to design the generic device such that you Weight and the weight of the supporting structures reduced can be.
- the built-in elements according to the invention produce a Vortex wake with flow components across Main flow direction, which is the mixing of the gas flow intensify.
- the edge of the installation element along straight lines forming the omega or w shape increases the mechanical stability of the built-in element, so that this can be made thinner and thus weight-saving.
- the omega or W shape allows the installation of spans or gusset plates to further reduce weight and / or to increase the mechanical stability of the Installation element too. Since these stiffeners on the side facing away from the flow can act they do not interfere with the course of the gas flow.
- the structure for attaching the Installation element in the channel within the central concave Curvature on the inflow side of the installation element be accommodated. The structure is different from that of State of the art outside the vortex fields, so that this not be adversely affected. The structure can therefore run easier.
- the inventive device for mixing a Gasstromes uses sheet-like built-in elements 1, the Mode of operation and arrangement within a channel 2 later to be discribed.
- FIGS. 1 and 2 For the geometric shape of the installation element 1 discussed: This form is derived from an imaginary, flat surface element in the shape of a trapezoid from, which is symmetrical in the case shown, but also can be asymmetrical.
- the installation element 1 is created by single or multiple folding of the flat, imaginary Surface element.
- the trapezoid has the sides a, b, c, d and the height h up.
- the sides a and c are parallel to each other, the longer one Side a represents the trapezoidal base.
- the surface element is with an arrow from the trapezoidal base a.
- the The sweep is due to an angled saving of the Area element originated from the trapezoidal base a going out.
- the arrows of the installation element 1 leads to one further weight saving, on the other hand it serves in Installation condition of the installation element of the optimization of the Distance between the rear edges of the installation element and the associated duct wall.
- the sweep serves Reduction of unsteady movements in the flue gas flow.
- the associated arrow height is denoted by + p in FIG. 1.
- the trapezoidal base a is therefore only an imaginary line.
- the arrow height can also take negative values and be formed by a protrusion starting from the trapezoidal base. In this case, the shape of the swept trapezoid changes into the mathematical form of a kite, but with the tip cut. Such a negative arrow height is shown in FIG. 4.
- the arrow height to be selected depends on the height h of the imaginary trapezoid.
- the absolute amount of the ratio between the height h of the imaginary trapezoid and the arrow p is within the limits between 0.1 and 0.75, so the relationship is: 0.1 ⁇
- the installation element 1 is in one of a gas stream flowed through channel 2 that the short side c in the Installation position of the main flow direction points.
- the the short side of the imaginary trapezoid thus becomes the head edge.
- the sides of the imaginary trapezoid form the side edges of the Installation element 1, and the resulting from the arrow, in Edge pointing in the direction of flow becomes the trailing edge.
- the axis of gravity of the built-in element 1 is opposite Main flow direction of the gas stream at an angle employed.
- the gravity axis in relation to the main flow direction by one Angle must be twisted, which is the case with symmetrical installation elements 1 to an asymmetrical flow against the built-in element leads the gas flow.
- the installation element 1 As shown in Fig. 3, starting from a flat Slab the installation element 1 along the lines 3 so that that in the cross section of the installation element 1, the shape of the Greek letter ⁇ or the Latin letter W arises.
- the folded installation element 1 is in the Gas flow used that towards the inflow in the middle Area a concave curvature 4 and concave on both sides Curvature 4 two convex curvatures 5 are formed.
- An inner surface and the convex curvatures 5 form an outer surface outer surfaces widen in the direction of flow and are wider at least at its widest than the inner ones Surfaces.
- the two outer surfaces close an angle of about 120 °, while that formed by the inner surfaces Angle is about 90 °. That of the two outer surfaces included angle can be between 90 ° and 180 °, and that of angle included between the two inner surfaces vary between 0 ° and 120 °.
- Installation element 1 in one of the flue gas from one Combustion process flow channel 2 is installed.
- the direction of flow is indicated by arrow 6.
- the one pointing in the direction of flow 5 is parallel to one of the walls of the Channel 2 aligned.
- the rear edge can also be under one be inclined at a small angle against the wall of channel 2.
- the built-in element 1 is fastened to a support 7 which is attached to two opposite walls of the channel 2 is supported.
- This carrier 7 is on the flow of the flue gas Bottom of the mounting element 1 within the concave Curvature 4 arranged. Exercises when arranging at this point the carrier 7 has no adverse effect on the Flow field of the flue gases flowing at the edge.
- the top edge and the side edges of the in the flue gas stream lying installation element 1 are on all sides of the flue gas washed around. This creates on the head edge and on the Side edges release vortex, they are downstream Spread out a circular cone and form a swirl field that due to its rotation a flow component transverse to Main flow direction generated. This cross flow component leads through the exchange of impulses connected to it Direction of flow for thorough mixing of the Flue gas flow.
- the favorable effect of the built-in element 1 on the Mixing the flue gas stream can be advantageous Way of adding a reducing agent to the Flue gas for the purpose of reducing that in the flue gas Use existing nitrogen oxides.
- a reducing agent Ammonia-water mixture used with the help of air in atomized form is blown into the flue gas.
- the Blowing takes place via a with an outlet head 9 provided lance 10.
- This lance 10 is thus in channel 2 used that the outlet head 9 in the by the Installation element 1 generated slipstream.
- the gases within the slipstream mix with the flue gas from the Mainstream. This will make it a very even one Mixing of the reducing agent in the flue gas reached. In this way, local sub or Excess concentrations of the reducing agent in the flue gas as well local temperature differences can be avoided.
- openings 11 or holes arranged. Flue gas passes through these openings 11 to a small extent Circumference from the inflow side to the outflow side of the Installation element 1.
- These openings 11 can by simple cutting out of the built-in element 1 Sheets are made. More advantageous in the sense of Generating additional turbulence is the creation of Openings 11 by making slots in the sheet of the installation element 1 and by bending the Opening 11 corresponding surface element from the Sheet level. When two slots are made, one Include angles and cut at one point, can a triangle bend out of the sheet. This triangle works for the one passing through the opening 11 Flue gas partial flow as a detaching edge. This partial flow will thereby stimulating a turbulent mixture.
- Installation element 1 is only one in channel 2 Installation element 1 shown. But it can be advantageous in a channel 2 several of these installation elements 1 to be arranged approximately in one plane (FIG. 7). Are there different arrangements possible. So the built-in elements 1 approximately in a plane that is perpendicular is oriented to the direction of flow. The installation elements 1 can also be done by lining up several elements in one Be arranged plane that is oriented in the direction of flow is. Furthermore, the built-in elements 1 can also be in one or be lined up in several levels, which are inclined to the Flow direction runs or run. This creates a staggered, formed arrangement of built-in elements 1. This arrangement in particular can help the Flow resistance or the smoke loss on the flue gas side Overcoming the flow resistance of the overall arrangement further decrease.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchmischung
eines einen Kanal durchströmenden Gasstromes mit den Merkmalen
des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren
unter Verwendung der Vorrichtung.The invention relates to a device for thorough mixing
of a gas stream flowing through a channel with the features
the preamble of
Vorrichtungen zur Durchmischung eines Gasstromes sind bei der Nachbehandlung von Rauchgasen erforderlich, die bei der Verbrennung von Kohle, Müll, Klärschlamm oder anderen Brennstoffen entstehen. Diese Rauchgase enthalten einige unerwünschte, aber nicht vermeidbare Schadstoffe, die in einer der Verbrennung nachgeschalteten Rauchgasreinigungsanlage entfernt werden. Zu diesen Schadstoffen gehören Stickoxide, die durch die Zugabe eines Reduktionsmittels zu dem Rauchgas reduziert werden.Devices for mixing a gas stream are in the Aftertreatment of flue gases required at the Burning coal, garbage, sewage sludge or others Fuels are created. These fumes contain some undesirable, but unavoidable, pollutants contained in a the flue gas cleaning system downstream of the combustion be removed. These pollutants include nitrogen oxides, by adding a reducing agent to the flue gas be reduced.
In einigen bekannten Verfahrensvarianten besteht das Reduktionsmittel aus einem Ammoniak-Wasser-Gemisch, das mittels pneumatischer Düsen in Form von feinen Tropfen dem Rauchgas zugegeben wird. Aufgrund der hohen Temperatur verdampfen diese Tropfen rasch. Dabei geht das Reduktionsmittel von der flüssigen Phase in die Gasphase über. Das auf diese Art mit dem Reduktionsmittel angereicherte Rauchgas wird einem Katalysator zugeführt, in dem der Abbau der Stickoxide stattfindet. Zur erfolgreichen Durchführung des Verfahrens ist es erforderlich, die Konzentrationen beider Reaktionspartner im Rauchgas aufeinander abzustimmen. Bei zu geringer örtlicher Dosierung des Reduktionsmittels wird nur ein unvollständiger Abbau der Stickoxide erreicht, was dann unerwünscht sein kann, wenn im zeitlichen Mittel geringe Stickoxid-Emissionen erreicht werden sollen. Andererseits würde eine örtliche Überdosierung des Reduktionsmittels in der Regel zu einem Verbleib des Reduktionsmittels im Rauchgas und damit zu einer unerlaubten Emission dieses Stoffes führen. Zur Durchführung des Verfahrens ist damit eine intensive, gleichförmige Vermischung des Rauchgases mit dem Reduktionsmittel eine erfolgsbestimmende Voraussetzung. Ferner ist der Abbau örtlicher Temperaturunterschiede ratsam, die aus einer ungleichförmigen Beaufschlagung des Wärmetauschers oder aus dem Betrieb des im Rauchgaskanal integrierten Brenners herrühren können. Ungleichförmige örtliche Profile der zeitlich gemittelten Temperatur des Rauchgases begrenzen wegen der Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit den erreichbaren Abscheidegrad des Reaktors zur Reduktion der Stickoxide. Zeitliche Schwankungen der Temperatur hingegen werden in gewissem Umfang durch die thermisch träge Masse des Katalysatormaterials ausgeglichen.This exists in some known process variants Reducing agent from an ammonia-water mixture, the using pneumatic nozzles in the form of fine drops Flue gas is added. Because of the high temperature these drops evaporate quickly. It works Reducing agent from the liquid phase to the gas phase. That enriched with the reducing agent in this way Flue gas is fed to a catalyst in which the breakdown the nitrogen oxides takes place. For the successful implementation of the The procedure requires the concentrations of both Coordinate the reactants in the flue gas. In to low local dosage of the reducing agent is only an incomplete breakdown of nitrogen oxides is achieved, which then can be undesirable if on average small Nitrogen oxide emissions are to be achieved. On the other hand would local overdosing of the reducing agent in the Rule for the remaining of the reducing agent in the flue gas and thus lead to an unauthorized emission of this substance. For Carrying out the process is therefore an intensive, uniform mixing of the flue gas with the Reducing agents are a prerequisite for success. Further It is advisable to reduce local temperature differences that result from a non-uniform loading of the heat exchanger or from the operation of the burner integrated in the flue gas duct can originate. Non-uniform local profiles of the limit the temperature of the flue gas over time the temperature dependence of the reaction rate achievable degree of separation of the reactor to reduce the Nitrogen oxides. Time fluctuations in temperature, however are to a certain extent due to the thermally inert mass of the Balanced catalyst material.
Der Abbau örtlicher Konzentrationsunterschiede und örtlicher Temperaturunterschiede wird nach dem Stand der Technik durch die Verwendung statischer Mischer erreicht. Bekannt sind in den Rauchgaswegen installierte, sich kreuzende Rohrregister zur Einbringung des Reduktionsmittels. Diese Zuteiler-Rohrregister verfügen über eine große Anzahl von Austrittspunkten für das Reduktionsmittel. Eine Vermischung des Rauchgases mit dem Reduktionsmittel wird erreicht durch im Strömungsnachlauf der Einzelrohre entstehende Wirbel. Die erreichbare Güte der Vermischung ist technisch durch die Anzahl der verwendeten Rohre begrenzt. Zudem weist ein aus gekreuzten Rohren gebildetes Eindüsungsgitter einen erheblichen, unerwünschten Druckverlust auf.The reduction of local differences in concentration and local Differences in temperature are determined by the state of the art achieved the use of static mixers. Are known in crossing pipe registers installed in the flue gas paths for introducing the reducing agent. This Allotment pipe registers have a large number of Exit points for the reducing agent. A mix of the flue gas with the reducing agent is achieved by im Vortices arising from the flow of the individual tubes. The achievable quality of mixing is technically through the Limited number of pipes used. One also shows crossed pipes formed an injection grille considerable, undesirable pressure loss.
Gute Mischergebnisse werden auch dann erreicht, wenn einzelne Teilbereiche eines Rauchgasstromes in eine Drallbewegung versetzt werden, wobei die Achse der Drehbewegung in Richtung der Hauptströmungsrichtung weist. Ein bekannter statischer Gasmischer weist ein Mischelement auf, das durch eine um die Hauptachse des Rauchgasweges verwundene und damit gekrümmte Fläche gebildet ist. Die Aneinanderreihung mehrerer Mischelemente dieser Art führt zu einer guten Vermischung. Der Nachteil dieses Mischers ist zum einen in seiner komplizierten, räumlich gekrümmten Struktur zu sehen. Zum anderen erstreckt sich ein einzelnes Mischelement quer über den gesamten Rauchgasweg.Good mixing results are also achieved when individual Partial areas of a flue gas flow in a swirl movement be offset, with the axis of rotation in the direction the main flow direction. A well known static Gas mixer has a mixing element, which by a The main axis of the flue gas path is twisted and therefore curved Surface is formed. The sequence of several Mixing elements of this type lead to good mixing. Of the The disadvantage of this mixer is on the one hand in its complex, spatially curved structure. To the others, a single mixing element extends across the entire flue gas path.
Bei einem anderen Gasmischer der genannten Art wird ein Mischelement verwendet, das die Nachlaufströmung von an der Kanalwand angebrachten Mischerplatten ausgenutzt. Diese Mischelemente bestehen aus näherungsweise trapezförmigen Flächenstücken, die an der Trapezbasis an der Wand befestigt sind. Drei Kanten des Flächenelementes sind vom Rauchgas frei umspült. Die Elemente sind in Hauptströmungsrichtung geneigt. Haltestege befinden sich zur Befestigung in der Kehle zwischen dem Mischelement und der Wand, also im Ablösegebiet der Strömung. Diese Mischelemente erzeugen zwei gegensinnig orientierte Wirbel mit Geschwindigkeitskomponenten quer zur Hauptströmungsrichtung. Dieses Wirbelpaar intensiviert Mischungsvorgänge in der Gasphase. Die Verwendung mehrerer Mischelemente soll eine gute Vermischung sicherstellen. Nachteilig ist die relativ lange, an der Kanalwand anliegende Kante des Mischelementes.In another gas mixer of the type mentioned, a Mixing element used that the wake flow from at the Used mixer plates attached to the duct wall. This Mixing elements consist of approximately trapezoidal Patches attached to the trapezoidal base on the wall are. Three edges of the surface element are free from the flue gas washed around. The elements are inclined in the main flow direction. Retaining bars are located between the throat for attachment the mixing element and the wall, i.e. in the detachment area of the Flow. These mixing elements produce two in opposite directions oriented vortex with speed components across Main flow direction. This pair of vertebrae intensifies Mixing processes in the gas phase. The use of several Mixing elements are intended to ensure good mixing. A disadvantage is the relatively long length of the channel wall Edge of the mixing element.
Andere bekannte statischer Mischer (DE-A-4 123 161) enthalten eine Gruppierung dreieckförmiger Flächenelemente. In diesem Fall wird ein Kanalquerschnitt durch einen Rahmen in eine Anzahl rechteckiger Felder unterteilt. In jedem Feld ist ein dreieckförmiges oder trapezförmiges Leitblech angebracht, das gegenüber der Gasströmungsrichtung geneigt ist.Other known static mixers (DE-A-4 123 161) included a grouping of triangular surface elements. In this Case is a channel cross section through a frame into one Number of rectangular fields divided. There is a in each field triangular or trapezoidal baffle attached is inclined with respect to the gas flow direction.
Eine gattungsgemäße Vorrichtung, die der Vermischung mehrerer Gasströme oder der Einmischung eines flüssigen Kühlmediums in einen Gasstrom dient, sind aus den Druckschriften DE-C-2 911 873, DE-U-8 219 268, EP-B-0 637 726 bekannt. Bei dieser Vorrichtung werden ebene Einbauelemente in der Form symmetrischer Flächen verwendet. Die Kanten dieser Einbauelemente sind allseitig frei von den zu mischenden Fluiden umspült. Diese Einbauelemente werden derart unter einem spitzen Winkel zur Strömungsrichtung geneigt in die Rauchgasströmung eingebracht, daß an deren Vorderkante ein Ablösewirbel entsteht, der in den genannten Druckschriften als Vorderkantenwirbel bezeichnet ist. Dieser Vorderkantenwirbel weist ebenfalls Geschwindigkeitskomponenten quer zur Hauptströmungsrichtung auf, wodurch die Mischvorgänge intensiviert werden. Die Einbauelemente der bekannten Vorrichtung sind mit kreisförmiger, elliptischer, ovaler, parabelförmiger, rautenförmiger oder dreieckförmiger Grundform ausgeführt. Sie können im Querschnitt profiliert oder mit einem abgewinkeltem Rand versehen oder V-förmig gewinkelt sein.A generic device, the mixing of several Gas flows or the interference of a liquid cooling medium in serves a gas flow are from the documents DE-C-2 911 873, DE-U-8 219 268, EP-B-0 637 726. At this Device become flat built-in elements in the form symmetrical surfaces used. The edges of this Installation elements are free on all sides of those to be mixed Fluids washed around. These built-in elements are under at an acute angle to the direction of flow Flue gas flow introduced that at its front edge Detachment vortex arises, which in the publications mentioned as Leading edge vertebrae is designated. This leading edge vortex also has velocity components across Main flow direction, causing the mixing operations be intensified. The built-in elements of the known Device are circular, elliptical, oval, parabolic, diamond-shaped or triangular basic shape executed. They can be profiled in cross-section or with provided with an angled edge or angled in a V-shape be.
Nachteilig an statischen Mischern dieser bekannten Bauform ist die Art der Einbringung in den Rauchgasweg. Durch die allseitige freie Umspülung der Kanten des Einbauelements ist ein separates Tragwerk erforderlich (DE-U-8 219 268). Die Form der Einbauelemente bewirkt, daß durch die Rauchgasströmung Kräfte induziert werden, die instationär sind und sich in dem Bauteil als Schwingung bemerkbar machen. Die Tragwerke zur Befestigung dieser Einbauelemente sind zur Aufnahme mechanischer Spannungen, die aus der strömungsinduzierten Schwingung resultieren, auszulegen. Dies führt in ungünstiger Weise regelmäßig zu schweren Tragwerke mit großen Widerstandsmomenten. Das hohe Gewicht der Tragwerke stellt einen gravierenden Nachteil dar, da verfahrensbedingt sich die Einbauposition dieser Einbauelemente in Reaktoren zur Reduktion von Stickoxiden meist in großer Höhe befindet, was wiederum den statischen Aufbau des Gesamtreaktors und die Montage ungünstig beeinträchtigt.A disadvantage of static mixers of this known design is the type of introduction into the flue gas path. Through the is all around free washing around the edges of the built-in element a separate supporting structure is required (DE-U-8 219 268). Form the built-in elements causes by the flue gas flow Forces are induced that are transient and in the Make the component noticeable as vibration. The structures for Attachment of these built-in elements are for inclusion mechanical stresses resulting from the flow induced Vibration result, to interpret. This results in less favorable Regularly move to heavy structures with large ones Moments of resistance. The high weight of the structures represents a serious disadvantage, since the process-related Installation position of these installation elements in reactors Reduction of nitrogen oxides is usually at high altitude, what again the static structure of the overall reactor and the Assembly adversely affected.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Einbauelemente der gattungsgemäßen Vorrichtung derart zu gestalten, daß ihr Gewicht und das Gewicht der sie tragenden Tragwerke verringert werden kann.The invention is based, the installation elements to design the generic device such that you Weight and the weight of the supporting structures reduced can be.
Dieser Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung
erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des
Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein Verfahren
unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in dem
Anspruch 17 angegeben.This object is achieved with a generic device
according to the invention by the characterizing features of
Die erfindungsgemäß geformten Einbauelemente erzeugen eine Wirbelschleppe mit Strömungskomponenten quer zur Hauptströmungsrichtung, die die Durchmischung des Gasstromes intensivieren. Die Abkantung des Einbauelementes entlang gerader Linien unter Bildung der Omega- oder W-Form erhöht die mechanische Stabilität des Einbauelementes, so daß dieses dünner und damit gewichtssparend ausgeführt werden kann. Zusätzlich läßt die Omega- oder W-Form den Einbau von Spannten oder Knotenblechen zur weiteren Verringerung des Gewichtes und/oder zur Erhöhung der mechanischen Stabilität des Einbauelementes zu. Da diese Versteifungselemente auf der strömungsabgewandten Seite angebracht werden können, wirken sie sich nicht störend auf den Verlauf der Gasströmung aus. Weiterhin kann das Tragwerk zur Befestigung des Einbauelementes in dem Kanal innerhalb der mittigen konkaven Wölbung auf der angeströmten Seite des Einbauelementes untergebracht werden. Das Tragwerk liegt damit anders als beim Stand der Technik außerhalb der Wirbelfelder, so daß diese nicht ungünstig beeinflußt werden. Das Tragwerk kann daher leichter ausgeführt werden.The built-in elements according to the invention produce a Vortex wake with flow components across Main flow direction, which is the mixing of the gas flow intensify. The edge of the installation element along straight lines forming the omega or w shape increases the mechanical stability of the built-in element, so that this can be made thinner and thus weight-saving. In addition, the omega or W shape allows the installation of spans or gusset plates to further reduce weight and / or to increase the mechanical stability of the Installation element too. Since these stiffeners on the side facing away from the flow can act they do not interfere with the course of the gas flow. Furthermore, the structure for attaching the Installation element in the channel within the central concave Curvature on the inflow side of the installation element be accommodated. The structure is different from that of State of the art outside the vortex fields, so that this not be adversely affected. The structure can therefore run easier.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der
Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert.
Es zeigen:
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Durchmischen eines
Gasstromes verwendet flächenförmige Einbauelemente 1, deren
Wirkungsweise und Anordnung innerhalb eines Kanals 2 später
beschrieben werden.The inventive device for mixing a
Gasstromes uses sheet-like built-in
Zunächst sei an Hand der Fig. 1 und 2 die geometrische Form
des Einbauelementes 1 erörtert: Diese Form leitet sich von
einem gedachten, ebenen Flächenelement in Form eines Trapezes
ab, das im dargestellten Fall symmetrisch ist, aber auch
unsymmetrisch sein kann. Das Einbauelement 1 entsteht durch
einfaches oder mehrfaches Abkanten des ebenen, gedachten
Flächenelementes. Das Trapez weist die Seiten a, b, c, d und
die Höhe h auf.First of all, refer to FIGS. 1 and 2 for the geometric shape
of the
Die Seiten a und c sind parallel zueinander, wobei die längere Seite a die Trapezbasis darstellt. Das Flächenelement ist mit einer von der Trapezbasis a ausgehenden Pfeilung versehen. Die Pfeilung ist durch eine gewinkelte Einsparung des Flächenelementes entstanden, die von der Trapezbasis a ausgeht.The sides a and c are parallel to each other, the longer one Side a represents the trapezoidal base. The surface element is with an arrow from the trapezoidal base a. The The sweep is due to an angled saving of the Area element originated from the trapezoidal base a going out.
Das Pfeilen des Einbauelementes 1 führt zum einen zu einer
weiteren Gewichtsersparnis, zum anderen dient es im
Einbauzustand des Einbauelementes der Optimierung des
Abstandes zwischen den Hinterkanten des Einbauelementes und
der zugehörigen Kanalwand. Außerdem dient die Pfeilung der
Minderung instationärer Bewegungsanteile der Rauchgasströmung.The arrows of the
Die zugehörige Pfeilungshöhe ist in der Fig. 1 mit +p
bezeichnet. Die Trapezbasis a ist daher nur eine gedachte
Linie. Die Pfeilungshöhe kann auch negative Werte annehmen und
durch einen von der Trapezbasis ausgehenden Vorsprung gebildet
sein. In diesem Fall geht die Form des gepfeilten Trapezes in
die mathematische Form eines Drachens allerdings mit gekappter
Spitze über. Eine solche negative Pfeilungshöhe ist in Fig. 4
gezeigt. Die zu wählende Pfeilungshöhe hängt von der Höhe h
des gedachten Trapezes ab. Der absolute Betrag des
Verhältnisses zwischen der Höhe h des gedachten Trapezes und
der Pfeilung p liegt innerhalb der Grenzen zwischen 0,1 und
0,75, so die Beziehung besteht:
Das Einbauelement 1 wird so in einen von einem Gasstrom
durchströmten Kanal 2 eingebaut, daß die kurze Seite c in der
Einbauposition der Hauptströmungsrichtung entgegen weist. Die
kurze Seite des gedachten Trapezes wird damit zur Kopfkante.
Die Seiten des gedachten Trapezes bilden die Seitenkanten des
Einbauelementes 1, und die durch die Pfeilung entstandene, in
Strömungsrichtung weisende Kante wird zur Hinterkante.The
Die Schwereachse des Einbauelementes 1 ist gegenüber der
Hauptströmungsrichtung des Gasstromes in einem Winkel
angestellt. Infolge der Anstellung entsteht eine der
Hauptströmung zugewandte Seite (Unterseite) und eine von der
Hauptströmung abgewandte Seite (Oberseite). Zusätzlich kann
die Schwereachse gegenüber der Hauptströmungsrichtung um einen
Winkel verdreht sein, was bei symmetrischen Einbauelementen 1
zu einer asymmetrischen Anströmung des Einbauelementes durch
den Gasstrom führt. The axis of gravity of the built-in
Zur mechanischen Stabilisierung ist das oben beschriebene
Einbaubauelement entlang von drei geraden Linien 3 abgekantet.
Die als Hauptachse bezeichnete, mittlere dieser Linien 3 fällt
vor dem Abkanten mit der Schwereachse des Flächenelementes
zusammen. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, können die Linien 3
parallel zueinander verlaufen, wobei sie von der Kopfkante
ausgehen und in der Hinterkante enden. Gemäß Fig. 4 können die
beiden äußeren der Linien 3 auch einen in Richtung auf die
Hinterkante sich schließenden Winkel bilden, wobei die
Hauptachse die Winkelhalbierende bildet. Bei dieser
Ausführungsform enden die Abkantlinien ebenfalls an der
Hinterkante, gehen aber von den Seitenkanten des
Einbauelementes 1 aus.For mechanical stabilization is the one described above
Built-in component folded along three
Wie in der Fig. 3 gezeigt ist, wird ausgehend von einer ebenen
Platte das Einbauelement 1 entlang der Linien 3 so abgekantet,
daß im Querschnitt des Einbauelementes 1 die Form des
griechischen Buchstabens ω bzw. des lateinischen Buchstabens W
entsteht. Das abgekantete Einbauelement 1 wird so in den
Gasstrom eingesetzt, daß zur Anströmung hin im mittleren
Bereich eine konkave Wölbung 4 und beiderseits dieser konkaven
Wölbung 4 zwei konvexe Wölbungen 5 gebildet sind.As shown in Fig. 3, starting from a flat
Slab the
Durch das Abkanten sind vier Flächen entstanden, die winklig
an den Abkantlinien 3 aneinander stoßen. Dabei bilden die
beiden inneren Flächen die in bezug auf die Anströmung des
Gasstromes konkave Wölbung 4. Jeweils eine innere Fläche und
eine äußere Fläche bilden die konvexen Wölbungen 5. Die
äußeren Flächen verbreitern sich in Strömungsrichtung und sind
zumindest an ihrer breitesten Stelle breiter als die inneren
Flächen. Die beiden äußeren Flächen schließen einen Winkel von
etwa 120° ein, während der von den inneren Flächen gebildete
Winkel etwa 90° beträgt. Der von den beiden äußeren Flächen
eingeschlossene Winkel kann zwischen 90° und 180°, und der von
den beiden inneren Flächen eingeschlossene Winkel kann
zwischen 0° und 120° variieren. The four edges created by the folding, the angular
abut at the fold lines 3. Thereby form the
two inner surfaces which are in relation to the flow of the
Gas flow
In den Fig. 5 und 6 ist gezeigt, wie ein einzelnes
Einbauelement 1 in einen von dem Rauchgas aus einem
Verbrennungsprozeß durchströmten Kanal 2 eingebaut ist. Man
erkennt, daß die Hauptachse des Einbauelementes 1 in einem
Winkel zur Strömungsrichtung des Rauchgases ausgerichtet ist.
Die Strömungsrichtung ist durch den Pfeil 6 angezeigt. In
dieser Einbauposition weisen die Kopfkante und die
Seitenkanten des Einbauelementes 1 gegen die
Strömungsrichtung. Die in Strömungsrichtung weisende
Hinterkante ist gemäß Fig. 5 parallel zu einer der Wände des
Kanals 2 ausgerichtet. Die Hinterkante kann auch unter einem
geringen Winkel gegen die Wand des Kanal 2 geneigt sein.5 and 6 is shown as a
Das Einbauelement 1 ist auf einem Träger 7 befestigt, der an
zwei gegenüber liegenden Wänden des Kanals 2 abgestützt ist.
Dieser Träger 7 ist auf der von dem Rauchgas angeströmten
Unterseite des Einbauelementes 1 innerhalb der konkaven
Wölbung 4 angeordnet. Bei der Anordnung an dieser Stelle übt
der Träger 7 keine ungünstige Beeinträchtigung auf das
Strömungsfeld des am Rand strömenden Rauchgase aus.The built-in
Auf der Oberseite des Einbauelementes 1 sind innerhalb der
beiden äußeren, zur Anströmung hin konvexen Wölbungen 5
Spannten 8 oder Knotenbleche angeordnet. Diese Spannten 8
verbinden jeweils zwei Schenkel des Omega-förmigen
Einbauelementes 1 miteinander und erhöhen auf diese Weise die
mechanische Stabilität des Einbauelementes 1. Da die Spannten
8 auf der strömungsabgewandten Seite des Einbauelementes 1
angebracht sind, wirken sie sich nicht störend auf den Verlauf
der Gasströmung aus.On the top of the built-in
Die Kopfkante und die Seitenkanten des in dem Rauchgasstrom
liegenden Einbauelementes 1 sind von dem Rauchgas allseitig
umspült. Dadurch entstehen an der Kopfkante und an den
Seitenkanten Ablösewirbel, sie sich stromabwärts
kreiskegelförmig ausbreiten und ein Wirbelfeld bilden, das
durch seine Rotation eine Strömungskomponente quer zur
Hauptströmungsrichtung erzeugt. Diese Querströmungskomponente
führt durch den mit ihr verbundenen Impulsaustausch quer zur
Strömungsrichtung zu einer guten Durchmischung des
Rauchgasstromes.The top edge and the side edges of the in the flue gas stream
lying
Die günstige Einwirkung des Einbauelementes 1 auf die
Durchmischung des Rauchgasstromes läßt sich in vorteilhafter
Weise auf die Zumischung eines Reduktionsmittels zu dem
Rauchgas zum Zweckes der Reduktion der in dem Rauchgas
vorhandenen Stickoxide anwenden. Als Reduktionsmittel wird ein
Ammoniak-Wasser-Gemisch verwendet, das mit Hilfe von Luft in
zerstäubter Form in das Rauchgas eingeblasen wird. Das
Einblasen erfolgt über eine mit einem Austrittskopf 9
versehene Lanze 10. Diese Lanze 10 ist so in den Kanal 2
eingesetzt, daß sich der Austrittskopf 9 in dem durch das
Einbauelement 1 erzeugten Windschatten befindet. Die Gase
innerhalb des windschattens mischen sich mit dem Rauchgas der
Hauptströmung. Hierdurch wird eine sehr gleichmäßige
Einmischung des Reduktionsmittels in das Rauchgas erreicht.
Auf diese Weise können örtliche Unter- oder
Überkonzentrationen des Reduktionsmittels im Rauchgas sowie
örtliche Temperaturunterschiede vermieden werden.The favorable effect of the built-in
Zur Unterstützung des Vermischungseffektes sind in dem
Einbauelement 1 Durchbrechungen 11 oder Löcher angeordnet.
Durch diese Durchbrechungen 11 gelangt Rauchgas in geringem
Umfang von der angeströmten Seite zur Abströmseite des
Einbauelementes 1. Diese Durchbrechungen 11 können durch
einfaches Ausschneiden des das Einbauelement 1 bildenden
Bleches hergestellt werden. Vorteilhafter im Sinne der
Erzeugung zusätzlicher Turbulenzen ist die Anfertigung von
Durchbrechungen 11 durch Anbringen von Schlitzen in das Blech
des Einbauelementes 1 und durch Ausbiegen des der
Durchbrechung 11 entsprechenden Flächenelementes aus der
Blechebene. Bei Anbringung von zwei Schlitzen, die einen
Winkel einschließen und sich in einem Punkt schneiden, läßt
sich aus dem Blech ein Dreieck ausbiegen. Dieses Dreieck wirkt
für den durch die Durchbrechung 11 durchtretende
Rauchgasteilstrom als Ablösekante. Dieser Teilstrom wird
dadurch zur turbulenten Mischung angeregt. Rauchgas und
Reduktionsmittel, die im Windschatten des Gebietes vorhanden
sind, erfahren eine turbulente Durchmischung mit dem durch die
Durchbrechung 11 hindurchtretenden Rauchgasteilstrom. Die
Größe der hierdurch entstehenden Wirbel entspricht
näherungsweise dem Durchmesser der Durchbrechung 11 im
Einbauelement 1. Diese Wirbel sind demnach stets kleiner in
den Abmessungen als die größten Wirbelelemente, die durch das
Einbauelement 1 selbst entstehen. Der Vorteil der Anordnung
besteht nun darin, daß zunächst eine Mischung des
Reduktionsmittels in Wirbelstrukturen mittlerer Abmessungen
vollzogen wird. Erst anschließend werden diese mittelgroßen
Wirbelstrukturen turbulent durch Wirbelstrukturen der größten
Abmessungen vermischt. Hierdurch werden insgesamt kürzere
Mischlängen erreicht. Es sei darauf hingewiesen, daß in der
Fig. 6 verschiedene Formen der Durchbrechungen 11 gezeigt
sind. In der Praxis wird man jeweils nur eine dieser Formen
verwenden.To support the mixing effect are in the
In den Fig. 5 und 6 ist in dem Kanal 2 nur ein einziges
Einbauelement 1 eingezeichnet. Es kann aber vorteilhaft sein,
in einem Kanal 2 mehrere dieser Einbauelemente 1
näherungsweise in einer Ebene anzuordnen (Fig. 7). Dabei sind
verschiedene Anordnungen möglich. So können die Einbauelemente
1 näherungsweise in einer Ebene angeordnet sein, die senkrecht
zur Strömungsrichtung orientiert ist. Die Einbauelemente 1
können auch durch Aneinanderreihung mehrerer Elemente in einer
Ebene angeordnet sein, die in Strömungsrichtung orientiert
ist. Weiterhin können die Einbauelemente 1 auch in einer oder
in mehreren Ebenen aneinander gereiht sein, die schräg zur
Strömungsrichtung verläuft bzw. verlaufen. Hierdurch entsteht
eine gestaffelte, formierte Anordnung von Einbauelementen 1.
Speziell diese Anordnung kann dazu beitragen, den
Strömungswiderstand bzw. den rauchgasseitigen Druckverlust zur
Überwindung der Strömungswiderstände der Gesamtanordnung
weiter zu verringern.5 and 6 is only one in
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