EP2522903A2

EP2522903A2 - Luftdüse zum Einbringen eines ein Oxidationsmittel umfassenden Gasstroms in einen Feuerraum

Info

Publication number: EP2522903A2
Application number: EP12166250A
Authority: EP
Inventors: Guido Pütz; Manfred Walter
Original assignee: RWE Power AG
Current assignee: RWE Power AG
Priority date: 2011-05-10
Filing date: 2012-05-01
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2032-05-01
Also published as: EP2522903B1; PL2522903T3; EP2522903A3; DE102011101092A1

Abstract

Luftdüse (1) zum Einbringen eines ein Oxidationsmittel umfassenden Gasstroms in einen Feuerraum, umfassend: - einen Düsenfinger (2) mit mindestens einer Gasstromzuführung (3) und mindestens einer Gasstromausführung (4); - eine Düsenhaube (7) zum Überdecken des Düsenfingers (2) zumindest im Bereich der mindestens einen Gasstromausführung (4) mit mindestens einem Loch (14) in der Außenhülle zum Ausleiten des Gasstroms; wobei Düsenfinger (2) und Düsenhaube (7) durch eine gewindefreie Klemmverbindung lösbar miteinander verbindbar sind, wobei das mindestens eine Loch (14) mit der mindestens einen Gasstromausführung (4) in strömungstechnischer Verbindung steht, wenn Düsenfinger (2) und Düsenhaube (7) miteinander verbunden sind. Die erfindungsgemäße Luftdüse (1) erlaubt es in vorteilhafter Weise, bei guten strömungstechnischen Eigenschaften und einem geringen Verschleiß, Luft als einen ein Oxidationsmittel umfassenden Gasstrom in einen Feuerraum insbesondere einer Wirbelschichtfeuerung einzubringen. Gleichzeitig lässt sich die Düsenhaube (7) einfach reversibel vom Düsenfinger (2) trennen, die Luftdüsen (1) können so einfach inspiziert, gewartet und ausgetauscht werden.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Luftdüse zum Einbringen eines ein Oxidationsmittel umfassenden Gasstroms, insbesondere von Luft, in einen Feuerraum, die insbesondere zum Einbringen eines sauerstoffhaltigen Gasstroms in eine Wirbelschichtfeuerung eingesetzt werden kann.
Beim Betrieb einer Wirbelschichtfeuerung ist es notwendig, einen Gasstrom als Fluidisierungsmedium in den Feuerraum einzubringen, der gemeinsam mit einem Trägermedium wie beispielsweise Sand und einem granularen Brennstoff, beispielsweise Braunkohle, zur Ausbildung einer Wirbelschicht benutzt wird. Gleichzeitig wird beim Einbringen von Luft der darin enthaltene Sauerstoff als Oxidationsmittel in der Feuerung eingesetzt. Die Luft dient dabei als Fluidisierungsmedium, durch welches der zu verbrennende Brennstoff und das Trägermaterial wie beispielsweise Sand in der Schwebe gehalten und damit fluidisiert werden. Je nach Größe des Brennraums kann eine sehr große Zahl von Luftdüsen zum Einsatz kommen, beispielsweise mehr als 1.500 Luftdüsen pro Brennraum. Aufgrund der hohen vorliegenden Temperaturen in der Brennkammer und aufgrund möglicher abrasiver Effekte aufgrund des Bettmaterials und/oder des Brennstoffs beim Kontakt mit den Luftdüsen sind diese einem großen Verschließ und der Gefahr von Verformungen ausgesetzt. Folglich müssen diese Luftdüsen regelmäßig ausgetauscht werden.
Die Luftdüsen ragen dabei in den Brennraum hinein und sind mit jeweils einem Anströmrohr verbunden, durch welches das Fluidisierungsmedium zugeführt wird. Die Anströmrohre werden dabei üblicherweise durch eine feuerfeste Schicht wie beispielsweise eine entsprechend ausgebildete Beton- oder Schamottwand hindurchgeführt. Um einen einfachen Austausch der Luftdüsen zu ermöglichen, ist es aus dem Stand der Technik wie beispielsweise aus der DE 40 38 341 C1 bekannt, eine zweiteilige Düse auszubilden, wobei die beiden Teile der Düse über ein Gewinde miteinander verbunden werden. Somit ist zumindest theoretisch ein Austausch der Luftdüsen möglich. Jedoch hat es sich gezeigt, dass durch den dauerhaften Betrieb bei hohen Temperaturen die einzelnen Düsenteile miteinander verbacken. Hierdurch sind die beiden Teile nur schwer voneinander lösbar, oft kommt es beim Lösungsversuch zur Beschädigung des Anströmrohrs. Dies führt zu einem stark erhöhten Aufwand beim Wechsel der Luftdüsen, im äußersten Fall ist es nötig, die die Anströmrohre umgebende feuerfeste Schicht zumindest teilweise zu entfernen, um die Anströmrohre auszutauschen oder auszubessern.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere eine Luftdüse anzugeben, die auch nach beispielsweise mehrjährigem Gebrauch einfach auszutauschen ist, ohne dass es zu Beschädigungen der Anströmrohre kommt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Luftdüse mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs. Die abhängigen Ansprüche sind auf vorteilhafte Weiterbildungen gerichtet.
Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
Die erfindungsgemäße Luftdüse zum Einbringen eines ein Oxidationsmittel umfassenden Gasstroms in einen Feuerraum umfasst:

einen Düsenfinger mit mindestens einer Gasstromzuführung und mindestens einer Gasstromausführung;
eine Düsenhaube zum Überdecken des Düsenfingers zumindest im Bereich der mindestens einen Gasstromausführung mit mindestens einem Loch in der Außenhülle zum Ausleiten des Gasstroms,

Unter dem ein Oxidationsmittel umfassenden Gasstrom wird insbesondere Luft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft oder Sauerstoff verstanden. Der Düsenfinger ist so ausgestaltet, dass die Gasstromzuführung mit dem Anströmrohr verbunden werden kann. Die mindestens eine Gasstromausführung ist bevorzugt im rechten Winkel zur Gasstromzuführung ausgebildet und ist insbesondere in einer Mantelfläche des Düsenfingers ausgebildet. Bevorzugt weist die Düsenhaube mehrere in einer Mantelfläche der Düsenhaube ausgebildete Löcher zum Ausleiten des Gasstroms in den Brennraum auf.
Bevorzugt weist der Düsenfinger eine im Wesentlichen zylindrische Geometrie auf, wobei eine Gasstromzuführung in einer Stirnfläche des Zylinders ausgebildet ist, während eine oder bevorzugt mehrere Gasstromausführungen in der Mantelfläche des Zylinders ausgebildet sind. Bevorzugt ist grundsätzlich eine Ausgestaltung, bei der die Gasstromausführungen über den Radius der Mantelfläche verteilt sind und insbesondere radial gleichmäßig über die Mantelfläche verteilt sind. Auch die Düsenhaube hat bevorzugt im Wesentlichen eine zylindrische Geometrie, wobei der Zylinder an einem Ende geschlossen ist und das andere Ende so ausgebildet ist, dass der Düsenfinger durch diesen in die Düsenhaube eingeführt und dann mit dem Düsenfinger verbunden werden kann. Die Löcher zum Ausleiten des Gasstroms sind bevorzugt in der Mantelfläche dieses Zylinders ausgebildet.
Unter einer gewindefreien Klemmverbindung wird insbesondere verstanden, dass keine Schraub- oder Gewindeverbindung zwischen Düsenhaube und Düsenfinger ausgebildet wird, also keine Verbindung, bei der auf einer Schrauben- oder Helixlinie, die einen Raumwinkel von mehr als 360° umfasst, ein Kraftschluss zwischen zwei Elementen hergestellt wird. Vielmehr handelt es sich bevorzugt um eine Verbindung, bei der durch ein Verdrehen der Düsenhaube gegenüber dem Düsenfinger um einen Winkel von deutlich weniger als 360°, insbesondere weniger als 180°, besonders bevorzugt weniger als 90° Klemmelemente an Düsenfinger und Düsenhaube in Kraftschluss miteinander kommen. Eine bevorzugte Ausgestaltung ist ein Bajonettverschluss.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Luftdüse wird die Klemmverbindung durch Verdrehen zweier Elemente, insbesondere zweier zumindest teilweise ringförmiger Elemente, an Düsenfinger und Düsenhaube gegeneinander ausgebildet.
Die Elemente werden auch als erste Verbindungsmittel im Falle des Düsenfingers und als zweite Verbindungsmittel im Falle der Düsenhaube bezeichnet. Die Herstellung der Klemmverbindung durch einfaches Verdrehen vorzugsweise um einen vorgegebenen Winkelbereich wie beispielsweise 90° oder weniger erlaubt ein einfaches Lösen von Düsenhaube und Düsenfinger und gegebenenfalls auch einen Austausch alleine der Düsenhaube bei einer Beibehaltung des Düsenfingers. Diese einfache Demontierbarkeit und Montierbarkeit ist auch unter erschwerten Bedingungen beispielsweise unter Nutzung von Arbeitshandschuhen und ähnlichem möglich. Auch nach längerem Betrieb solcher Luftdüsen kommt es nicht zu einem Verbacken, das heißt zur Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen Düsenhaube und Düsenfinger, was auch nach längerem Gebrauch ein einfaches Lösen von Düsenhaube und Düsenfinger ohne Beschädigung des Anströmrohres ermöglicht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Luftdüse sind Düsenfinger und Düsenhaube so gestaltet, dass die Düsenhaube den Düsenfinger im verbundenen Zustand von einer Sockelplatte an in einer Längsrichtung außenseitig umgibt.
Das bedeutet insbesondere, dass der Düsenfinger eine Sockelplatte aufweist, an der die Düsenhaube anliegt oder in deren Nähe die Düsenhaube endet. Grundsätzlich ist unter der Sockelplatte eine Ebene zu verstehen, von der an in Längsrichtung die Düsenhaube den Düsenfinger im verbundenen Zustand außenseitig umgibt. Die Sockelplatte kann dabei zur Ausbildung einer Verbindung mit einem Anströmrohr oder mit einer Ringscheibe dienen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Luftdüse weist der Düsenfinger ein erstes Verbindungsmittel zur Herstellung der gewindefreien Klemmverbindung auf, welches sich von der Sockelplatte in Längsrichtung erstreckt während die Düsenhaube ein korrespondierendes zweites Verbindungsmittel aufweist, welches zur Aufnahme des ersten Verbindungsmittels geeignet und bestimmt ist.
Diese Ausgestaltung ermöglicht es, einen verbesserten Schutz vor eindringendem granularen Material wie beispielsweise dem Trägermedium zu realisieren. Die Ausbildung der Klemmverbindung kann dadurch in eine Ebene verlegt werden, die in Längsrichtung von der Sockelplatte beabstandet ist, so dass die Verbindung zwischen Düsenhaube und Düsenfinger dichter gestaltbar ist als bei einer Ausbildung der Klemmverbindung in der Ebene der Sockelplatte oder in ihrer unmittelbaren Nähe. Je nach Verfahrensparametern bei der Wirbelschichtsteuerung kann dies vorteilhaft sein, insbesondere bei Einsatz eines sehr kleinkörnigen Trägermediums.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Luftdüse ist diese aus einem Stahlguss ausgebildet, bevorzugt aus einem austenitischen Stahlguss.
Die Ausbildung einer gewindefreien Verbindung zwischen Düsenfinger und Düsenhaube erlaubt es erstmals, auf eine spanende Herstellung von Düsenhaube und Düsenfinger zu verzichten. Dies ermöglicht insbesondere die Herstellung von Löchern und/oder Gasstromausführungen, deren Querschnitt sich ändert. Durch die Verwendung von Stahlguss und bevorzugt einem austenitischen Stahlguss kann so eine Luftdüse hergestellt werden, die hochtemperaturbeständig ist und sich auch nach längerem Gebrauch wieder in ihre Einzelteile zerlegen lässt, ohne dass die Gefahr die Beschädigung insbesondere des Anströmrohrs besteht.
Gemäß einer weitern vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Luftdüse ist diese aus einem Material umfassend die folgenden Stoffe ausgebildet:

53,43 bis 63,7 Gew.-% [Gewichts-%] Eisen (Fe);
0,3 bis 0,5 Gew.-% Kohlenstoff (C);
bis zu 2,0 Gew.-% Mangan (Mn);
bis zu 0,04 Gew.-% Phosphor (P);
bis zu 0,03 Gew.-% Schwefel (S);
24 bis 2 7 Gew.-% Chrom (Cr);
bis zu 0,5 Gew.-% Molybdän (Mo); und
11 bis 14 Gew.-% Nickel (Ni).

Insbesondere kann ein Material zum Einsatz kommen, welches unter der Werkstoffnummer 1.4828 oder 1.4837 nach Stahlschlüssel vertrieben wird.
Alternativ kann die erfindungsgemäße Luftdüse aus einem Material umfassend die folgenden Stoffe ausgebildet sein:

Weniger als 0,2 Gew.-% Eisen (Fe);
1,5 bis 2,5 Gew.-% Silicium (Si);
Weniger als 2,0 Gew.-% Mangan (Mn);
Weniger als 0,045 Gew.-% Phosphor (P);
Weniger als 0,015 Gew.-% Schwefel (S);
19,0 bis 21,0 Gew.-% Chrom (Cr);
11,0 bis 13,0 Gew.-% Nickel (Ni);
Weniger als 0,11 Gew.-% Stickstoff; und
Rest Eisen (Fe).

Ein solches Material hat sich als besonders hitzbeständig auch bei hohen Temperaturen herausgestellt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Luftdüse ist diese hergestellt aus einem Werkstoff, der mindestens eine der folgenden Eigenschaften aufweist:

eine Zugfestigkeit (Rm) von mindestens 450 N/mm² [Newton pro Quadratmillimeter] bei einer Temperatur von 20°C [Grad Celsius]
eine 0,2%-Dehngrenze (Rp0,2) von mindestens 220 N/mm² bei einer Temperatur von 20°C;
eine Bruchdehnung (A10) von mindestens 6 % bei einer Temperatur von 20°C;
eine Brucheinschnürung (Z) von mindestens 10 % bei einer Temperatur von 20°C;
eine Brinellhärte von höchstens 250 HB bei einer Temperatur von 20°C;
eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 10 W/(m K) [Watt pro Meter und Kelvin) bei einer Temperatur von 20°C;
eine spezifische Wärmekapazität von mindestens 480 J/(kg K) [Joule pro Kilogramm und Kelvin] bei einer Temperatur von 20°C; und
einen Längenausdehnungskoeffizienten von mindestens 15 10^-6 K^-1 [10-6 pro Kelvin] bei einer Temperatur von 400°C.

Insbesondere werden die Zugfestigkeit, die 0,2% Dehngrenze, die Bruchdehnung, die Wärmeleitfähigkeit, die spezifische Wärmekapazität und der Längenausdehnungskoffizient gemäß der Norm EN10295 bestimmt.
Bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei der Düsenfinger und/oder Düsenhaube aus dem Material 1.4837 oder 1.4828 nach dem Stahlschlüssel hergestellt sind. Alternativ können Düsenfinger und/oder Düsenhaube auch aus mindestens einem der folgenden Werkstoffe ausgebildet werden: 1.4841 nach dem Stahlschlüssel und/oder 2.4816 nach dem Stahlschlüssel.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Luftdüse weist mindestens eines der folgenden Elemente:

a) mindestens eine Gasstromausführung; und
b) mindestens ein Loch zum Ausleiten des Gasstroms

Durch die Variation des Querschnitts über die Länge der Gasstromausführung, das heißt über die Dicke des Materials aus dem der Düsenfinger und/oder die Düsenhaube ausgebildet ist, kann erreicht werden, dass der Gasstrom beim Durchtreten durch die Gasstromausführung und/oder das Loch zum Ausleiten bestimmte strömungstechnische Eigenschaften annimmt. So kann die Strömungsrichtung, die Strömungsverteilung, die Strömungsgeschwindigkeit und auch die Art der Strömung beispielweise im Hinblick auf eine mögliche Turbulenz in der Strömung gesteuert werden. Es ist so möglich, Düsenfinger und Düsenhaube so auszulegen, dass bestimmte Gasströmungen im Feuerraum hergestellt werden. So ist es möglich, über einen Feuerraum verteilt verschieden ausgebildete Luftdüsen einzusetzen, um so eine optimale Fluidisierung im Feuerraum zu erreichen. Weiterhin ist es möglich, die Gasstromausführungen und/oder die Löcher zum Ausleiten so zu gestalten, dass möglichst wenig Verschleiß in der Düse auftritt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Luftdüse verjüngt sich mindestens eines der folgenden Elemente:

a) mindestens eine Gasstromausführung und
b) mindestens ein Loch zum Ausleiten des Gasstroms

So kommt es zu Beschleunigung der Gasströmung beim Durchtreten durch die Gasstromausführung im Düsenfinger und/oder das Loch zum Ausleiten des Gasstroms in der Düsenhaube. So können verbesserte Fluidisierungseigenschaften der Gasströmung erreicht werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Luftdüse weist mindestens eines der folgenden Elemente:

So ist es möglich, die Gasstromausführung und/oder das Loch zum Ausleiten des Gasstroms innenseitig aufzuweiten und diese Aufweitung durch einen Radius zu beschreiben. So kommt es zu verbesserten Strömungseigenschaften, die sich auf einfache Art hydrodynamisch berechnen und herstellen lassen Weiterhin weist eine solchermaßen hergestellte Luftdüse eine deutlich höhere Verschleißfestigkeit auf.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Luftdüse umfasst diese eine Ringscheibe zur Verbindung mit einem Anströmrohr und der Gasstromzuführung des Düsenfingers, wobei der Innendurchmesser der Ringscheibe im Wesentlichen des Außendurchmesser des Anströmrohrs entspricht und der Außendurchmesser der Ringscheibe größer ist als ein Außendurchmesser der Gasstromzuführung.
Der Einsatz einer Ringscheibe bietet gegenüber den aus dem Stand der Technik gekannten Lösungen signifikante Vorteile. Bei aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen wird ein Düsenfinger direkt von außen auf das Anströmrohr aufgeschweißt, dieses erstreckt sich also in die Gasstromzuführung des Düsenfingers hinein. Bei mehrmaligem Tausch des entsprechenden Düsenfingers kommt es dadurch regelmäßig zu einer Materialverdickung im Inneren des Anströmrohrs, die den durchströmbaren Querschnitt des Anströmrohrs reduziert und sich auf die Strömungseigenschaften, insbesondere auf die Reynolds-Zahl der Strömung im Anströmrohr negativ auswirkt. Der Einsatz einer entsprechenden Ringscheibe nach der Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist deshalb vorteilhaft, da die entsprechende Ringscheibe von außen an das Anströmrohr - beispielsweise punktuell - angeschweißt werden kann, ohne dass es zu einer Verringerung des durchströmbaren Querschnitts des Anströmrohrs kommt. Weiterhin erlaubt der Einsatz einer Ringscheibe die leichtere Demontage des Düsenfingers, ohne dass es zu einer Beschädigung des Anströmrohrs kommt. Die Ringscheibe selber lässt sich auf einfache Art und Weise mit der Gasstromzuführung verbinden, bevorzugt stoffschlüssig, beispielweise durch punktuelle oder linienförmige Schweißung.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Montage einer Luftdüse gemäß der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, bei dem

a. eine Ringscheibe stoffschlüssig mit einem Anströmrohr verbunden wird;
b. ein Düsenfinger stoffschlüssig mit der Ringscheibe verbunden wird; und
c. eine Düsenhaube kraftschlüssig über eine Klemmverbindung mit dem Düsenfinger verbunden wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt auf einfache Art und Weise den Austausch von Verschlüssen an Luftdüsen insbesondere in Feuerräumen bei einer Wirbelschichtfeuerung. Die Luftdüsen können bevorzugt zur Ausbildung einer fluidisierten Schicht genutzt werden, in dem ein ein Oxidationsmittel umfassender Gasstrom wie beispielweise Luft durch die Luftdüse in den Feuerraum eingebracht wird und dort zur Fluidisierung also als Fluidisierungsmedium genutzt wird.
Die für die erfindungsgemäße Luftdüse offenbarten Details und Vorteile lassen sich auf das erfindungsgemäße Verfahren übertragen und anwenden und umgekehrt. Die Erfindung sowie das technische Umfeld der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele, auf die die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren exemplarisch und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:

Fig. 1:: eine seitliche geschnittene Ansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Luftdüse;
Fig. 2:: eine erfindungsgemäße Luftdüse im Querschnitt;
Fig. 3:: einen Düsenfinger einer erfindungsgemäßen Luftdüse im Längsschnitt;
Fig. 4:: einen Düsenfinger einer erfindungsgemäßen Luftdüse im Querschnitt;
Fig. 5:: eine Düsenhaube einer erfindungsgemäßen Luftdüse im Längsschnitt,
Fig. 6:: eine Düsenhaube einer erfindungsgemäßen Luftdüse im Querschnitt;
Fig. 7:: eine perspektivische Ansicht eines Düsenfingers einer erfindungsgemäßen Luftdüse;
Fig.8:: eine perspektivische Ansicht einer Düsenhaube einer erfindungsgemäßen Luftdüse;
Fig. 9:: eine Ansicht des Verbindungsbereichs einer Düsenhaube einer erfindungsgemäßen Luftdüse im Querschnitt;
Fig. 10:: eine Ansicht des Verbindungsbereichs eines Düsenfingers einer erfindungsgemäßen Luftdüse;
Fig. 11:: eine Ansicht einer Ringscheibe einer Fortbildung der erfindungsgemäßen Luftdüse im Querschnitt im montierten Zustand;
Fig. 12:: eine Schnittansicht eines Düsenfingers einer erfindungsgemäßen Luftdüse im montierten Zustand;
Fig. 13:: eine schematische Ansicht eines Details eines Düsenfingers oder einer Düsenhaube;
Fig. 14:: eine perspektivische Ansicht eines Düsenfingers einer zweiten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Luftdüse
Fig. 15:: den Düsenfinger der zweiten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Luftdüse in einem Längsschnitt;
Fig. 16:: den Düsenfinger der zweiten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Luftdüse in einem Querschnitt;
Fig. 17:: eine Düsenhaube der zweiten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Luftdüse in einem Längsschnitt; und
Fig. 18:: die Düsenhaube der zweiten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Luftdüse in einem Querschnitt.

Fig. 1 zeigt schematisch eine geschnittene Ansicht einer erfindungsgemäßen Luftdüse 1. Die Luftdüse 1 dient insbesondere zum Einbringen eines Luftstroms in einen Feuerraum mit einer Wirbelschichtfeuerung. Die Luftdüse 1 umfasst einen Düsenfinger 2. Dieser weist eine Gasstromzuführung 3 und mehrere Gasstromausführungen 4 auf. Der Düsenfinger 2 weist eine im Wesentlichen zylinderförmige Geometrie mit einer Mantelfläche 5 auf. Die Gasstromausführungen 4 sind als Löcher durch die Mantelfläche 5 des Düsenfingers 2 gestaltet. Die Gasstromzuführung 3 ist durch ein Loch in einer der Stirnflächen 6 des Düsenfingers 2 gestaltet.
Der Düsenfinger 2 wird durch eine Düsenhaube 7 überdeckt. Düsenfinger 2 und Düsenhaube 7 sind durch eine gewindefreie Klemmverbindung lösbar miteinander verbunden, die mit Bezug auf Fig. 2 näher erläutert werden soll. Fig. 2 zeigt schematisch einen Schnitt durch die entsprechend in Fig. 1 bezeichnete Stelle. Der Düsenfinger 2 weist dabei erste Verbindungsmittel 8 auf, die in Kraftschluss mit zweiten Verbindungsmitteln 9 der Düsenhaube 7 gebracht sind. Hierzu wird die Düsenhaube 7 über den Düsenfinger 2 gestülpt. Durch Verdrehen gegeneinander werden die zweiten Verbindungsmittel 9 über oder unter die ersten Verbindungsmittel 8 geschoben, bis ein Kraftschluss erreicht wird. Hierbei bilden erste Verbindungsmittel 8 und zweite Verbindungsmittel 9 kein Gewinde aus, die Verbindung ist also eine gewindefreie Klemmverbindung. Erste Verbindungsmittel 8 und zweite Verbindungsmittel 9 stellen bevorzugt im Wesentlichen ebene Elemente dar, von denen mindestens eines leicht angeschrägt ist, so dass es bei Verdrehen gegeneinander zur Ausbildung des Kraftschlusses kommt. Bevorzugt sind erste Verbindungsmittel 8 und zweite Verbindungsmittel 9 so ausgestaltet, dass sie in Längsrichtung 10 (siehe hierzu Fig. 1) eine Dicke von mindestens 1 mm, bevorzugt von mindestens 2 oder sogar mindestens 4 mm aufweisen. So kann eine stabile, lösbare Verbindung ausgebildet werden, die
Fig. 3 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch einen Düsenfinger 2. Senkrecht zur Längsrichtung 10 weist der Düsenfinger 2 Gasstromausführungen 4 auf. Diese sind in der Mantelfläche 5 des Düsenfingers 2 ausgebildet. Neben den ersten Verbindungsmitteln 8 sind Dichtmittel 11 ausgebildet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich dabei um einen entsprechenden Vorsprung, der im mit der Düsenhaube 7 verbundenen Zustand (vgl. Fig. 1) zu einer Abdichtung des Raums zwischen Düsenhaube 7 und Düsenfinger 2 bewirkt. So kann insbesondere das Eindringen von Fluidisierungsmedium wirksam reduziert werden.
Insbesondere dann, wenn als Fluidisierungsmedium Sand eingesetzt wird, erhöht das die Verschleißfestigkeit von Düsenfinger 2 und Düsenhaube 7 signifikant. Ferner zeigt Fig. 3 eine kreisringförmige Sockelplatte 12, mittels derer der Düsenfinger 2 mit einem entsprechenden Kreisring verbindbar ist. Dies weiter unten insbesondere unter Bezugnahme auf Fig. 11 und 12 näher erläutert. Der Abstand in Längsrichtung 10 zwischen ersten Verbindungsmitteln 8 und den Gasstromausführungen 4 kann in Abhängigkeit von den Eigenschaften der Wirbelschicht variiert werden, um das Eindringen von Sand über die Düsenhaube 7 und die Gasstromausführungen 10 in die Gasstromzuführung 3 zu vermeiden. Die Gasstromausführungen 4 sind in diesem Ausführungsbeispiel in mehreren Reihen in Längsrichtung 10 übereinander ausgebildet.
Fig. 4 zeigt schematisch den in Fig. 3 mit IV bezeichneten Querschnitt des Düsenfingers 2. Zu erkennen ist unter anderem, dass die Gasstromausführungen 4 (die der Übersichtlichkeit halber hier wie auch in den anderen Figuren nur zum Teil mit Bezugszeichen versehen sind) innen aufgeweitet sind. Zu näheren Details wird auf Fig. 13 unten verwiesen. Zu erkennen sind auch die ersten Verbindungsmittel 8, die Dichtmittel 11 und die Sockelplatte 12.
Fig. 5 zeigt schematisch einen Längsschnitt einer Düsenhaube 7, Fig. 6 schematisch den in Fig. 5 mit VI markierten Querschnitt durch die Düsenhaube 7. Diese weist eine Außenhülle 13 mit mehreren Löchern 14 zum Ausleiten des Gasstroms in den Feuerraum auf. Auch die Löcher 14 zum Ausleiten des Gasstroms, die im mit dem Düsenfinger 2 verbundenen Zustand mit der mindestens einen Gasstromausführung 4 in strömungstechnischer Verbindung stehen, verjüngen sich von innen nach außen, sind also im Innenraum aufgeweitet. Die Düsenhaube 7 weist weiterhin eine Öffnung 15 auf, die im Gegensatz zu den Löchern 14 nicht in der Mantelfläche 13 sondern in einer Stirnfläche der Düsenhaube 7 ausgebildet ist. Die Öffnung 15 dient zum Einführen des Düsenfingers 2 beim Zusammenbau von Düsenhaube 7 und Düsenfinger 2.
Weiterhin sind die zweiten Verbindungsmittel 9 zur Verbindung mit den entsprechenden ersten Verbindungsmitteln 8 des Düsenfingers 2 vorhanden.
Fig. 7 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht eines Düsenfingers 2. In der Mantelfläche 5 sind die Gasstromausführungen 4 über den Umfang des im Wesentlichen zylinderförmigen Düsenfingers 2 gleichverteilt in zwei übereinaderliegenden Reihen ausgebildet. An einer Stirnfläche des Düsenfingers 2 ist die Gasstromzuführung 3 begrenzende Sockelplatte 12 ausgebildet. Zwischen den Gasstromausführungen 4 und der Sockeplatte 12 sind die Dichtmittel 11 und die ersten Verbindungsmittel 8 ausgebildet. Im Betrieb strömt der ein Oxidationsmittel umfassende Gasstrom durch die Gasstromzuführung 3 in den Düsenfinger 2 und strömt durch die Gasstromausführungen 4 aus dem Düsenfinger 2 heraus in den Raum zwischen dem Düsenfinger 2 und der Düsenhaube 7.
Fig. 8 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht einer Düsenhaube 7. Mit der Öffnung 15 wird die Düsenhaube 7 über den Düsenfinger 2 gestülpt, durch einen Kraftschluss zwischen den zweiten Verbindungsmitteln 9 der Düsenhaube 7 und den ersten Verbindungsmitteln 8 des Düsenfingers 2 erfolgt eine kraftschlüssige Verbindung von Düsenhaube 7 und Düsenfinger 2. Der ein Oxidationsmittel umfassende Gasstrom, bevorzugt Luft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft, strömt im Betrieb durch die Gasstromzuführung 3 in den Düsenfinger 2 und verlässt diesen durch die Gasstromausführungen 4. Der Gasstrom verlässt dann die Düsenhaube 7 durch die Löcher 14. Weiterhin weist die Düsenhaube 7 Werkzeugeingriffe 16 auf. An diesen kann ein Werkzeug, z. B. ein Schlüssel, angesetzt werden, mit dem die kraftschlüssige Verbindung zwischen Düsenhaube 7 und Düsenfinger 2 hergestellt und wieder gelöst werden kann. Dies kann auf einfache Art und Weise geschehen, insbesondere bei Luftdüsen 1, die bereits eine gewisse Zeit im Einsatz waren, ist bei aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ein hoher Personal- und Kraftaufwand zum Lösen der Gewindeverbindung nötig. Die erfindungsgemäße Luftdüse 1 stellt insoweit eine deutliche Verbesserung dar, die den Kosten- und Materialaufwand bei Wartung und Austausch der Luftdüsen 1 signifikant reduziert. Ferner zeigt Fig. 8 ein weiteres Dichtmittel 11, welches das Eindringen von Trägermedium in den Düsenfinger 2 verhindern soll.
Fig. 9 zeigt schematisch die Düsenhaube 7. Im Innenraum weist die Düsenhaube 7 die zweiten Verbindungsmittel 9 auf.
Fig. 10 zeigt den entsprechenden Querschnitt durch den Düsenfinger 2. Dieser weist von unten nach oben die Sockelplatte 12, die Dichtmittel 11 und die ersten Verbindungsmittel 8 auf. Zur Herstellung der lösbaren Verbindung zwischen Düsenhaube 7 und Düsenfinger 2 werden die ersten Verbindungsmittel 8 und die zweiten Verbindungsmittel 9 der Düsenhaube 7 übereingebracht und dann gegeneinander verdreht, so dass sich ein Kraftschluss zwischen den ersten Verbindungsmitteln 8 und zweiten Verbindungsmitteln 9 und damit zwischen Düsenfinger 2 und Düsenhaube 7 ausbildet.
Fig. 11 zeigt schematisch eine Ringscheibe 17. Diese Ringscheibe 17 weist einen Innendurchmesser 18 auf. Die Ringscheibe 17 ist um ein Anströmrohr 19 herum ausgebildet. Der Innendurchmesser 18 der Ringscheibe 17 entspricht dabei im Wesentlichen einem Außendurchmesser 20 des Anströmrohrs 19. Die Ringscheibe 17 ist insbesondere so gestaltet, dass sie sich leicht über entsprechende Anströmrohre 19 legen lässt, so dass das Anströmrohr 19 innerhalb der Ringscheibe 17 ausgebildet ist, jedoch ein minimaler Abstand zwischen Ringscheibe 17 und Anströmrohr 19 verbleibt. Dann kann die Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen Ringscheibe 17 und Anströmrohr 19 erfolgen, bevorzugt durch Schweißen. Weiterhin weist die Ringscheibe 17 einen Außendurchmesser 21 auf, der größer ist als ein entsprechender Außendurchmesser der Sockelplatte 12 des Düsenfingers 2, so dass auf einfache Art und Weise eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Düsenfinger 2 und Ringscheibe 17 ausgebildet werden kann.
Dies wird insbesondere auch Fig. 12 deutlich, die schematisch einen Düsenfinger 2 im eingebauten Zustand zeigt. Mit der Sockelplatte 12 ist der Düsenfinger 2 mit der Ringscheibe 17 stoffschlüssig verbunden. Diese ist am oberen Ende eines Anströmrohrs 19 ausgebildet, welches sich durch eine hitzebeständige Verkleidung 22 hindurch erstreckt. Die Sockelplatte 12 wird stoffschlüssig und insbesondere durch Schweißverfahren mit der Ringscheibe 17 verbunden. Eine weitere Möglichkeit einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung sieht vor, dass das Anströmrohr für einen gewissen Betrag aus der hitzebeständigen Verkleidung 22 hinausragt, das also ein Abstand zwischen der Unterkante der Ringscheibe 17 und der Oberfläche der hitzebeständigen Verkleidung 22 besteht.
Fig. 13 veranschaulicht schematisch eine Möglichkeit des Verlaufs der Gasstromausführung 4 und der Löcher 14. Diese verlaufen jeweils von einer Innenseite 23 zu einer Außenseite 24. Wie Fig. 13 zeigt, weist die Gasstromausführung 4 oder auch das Loch 14 innenseitig eine Aufweitung 25 auf. Die Gasstromausführung 4 und/oder das Loch 14 verjüngen sich also von innen nach außen. Die Aufweitung 25 ist dabei so gestaltet, dass sie durch einen Kreisbogen mit einem Radius 26 beschrieben werden kann.
Fig. 14 zeigt schematisch einen Düsenfinger 2 einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Luftdüse 1. Hier sollen nur die Unterschiede zwischen den beiden Ausführungsformen beschrieben werden, im Übrigen wird auf die Beschreibung der ersten Ausführungsform Bezug genommen. Im Unterschied zum Düsenfinger 2, in der ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Luftdüse 1 weist der Düsenfinger 2 in der zweiten Ausführungsform erste Verbindungsmittel 8 mit Klemmbereich 27 auf, die sich von der Sockelplatte 12 des Düsenfingers 2 in Längsrichtung 10 erstrecken. Die Längsrichtung 10 ist dabei so definiert, dass sie von der Sockelplatte 12 in die Richtung weist, die im verbundenen Zustand von der Düsenhaube 7 überdeckt wird. Dadurch wird die Ebene, in der die gewindefreie Klemmverbindung zwischen Düsenfinger 2 und Düsenhaube 7 ausgebildet wird, von der Ebene der Sockelplatte 12 weg verlegt. So kann eine erhöhte Dichtigkeit der Luftdüse 1 gegen das Eindringen von Staub erreicht werden.
Fig. 15 zeigt einen entsprechenden Längsschnitt des Düsenfingers 2. Wie in den Figuren 14 und 15 zu sehen, weisen beide gegenüberliegend ausgebildete erste Verbindungsmittel 8 einen Klemmbereich 27 auf, über den eine gewindefreie Klemmverbindung mit dem zweiten Verbindungsmittel 9 der entsprechenden Düsenhaube 7 ausgebildet werden kann. Fig. 15 und 16 zeigen schematisch einen Längsschnitt und einen Querschnitt durch den Düsenfinger 2.
Die Fig. 17 und 18 zeigen schematisch die entsprechende Düsenhaube 7 der zweiten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Luftdüse 1. Die Düsenhaube 7 weist zwei zweite Verbindungsmittel 9 auf, die jeweils als L-förmiger Schlitz ausgeführt sind. Hierbei ist das L in seiner Kontur an die Kontur der Düsenhaube 7 angepasst, wie Fig. 18 zeigt. Der schmale Schenkel des L-förmigen Schlitzes des zweiten Verbindungsmittels 9 ist als Klemmbereich 27 ausgebildet. Im Zusammenwirken mit dem Klemmbereich 27 der ersten Verbindungsmittel 8 des Düsenfingers 2 wird so eine gewindefreie Klemmverbindung zwischen Düsenfinger 2 und Düsenhaube 7 ausgebildet.
Die erfindungsgemäße Luftdüse 1 erlaubt es in vorteilhafter Weise, bei guten strömungstechnischen Eigenschaften und einem geringen Verschleiß, Luft als einen ein Oxidationsmittel umfassenden Gasstrom in einen Feuerraum insbesondere einer Wirbelschichtfeuerung einzubringen. Gleichzeitig lässt sich die Düsenhaube 7 einfach reversibel vom Düsenfinger 2 trennen, die Luftdüsen 1 können so einfach inspiziert, gewartet und ausgetauscht werden.

Bezugszeichenliste

1: Luftdüse
2: Düsenfinger
3: Gasstromzuführung
4: Gasstromabführung
5: Mantelfläche
6: Stirnfläche
7: Düsenhaube
8: erste Verbindungsmittel
9: zweite Verbindungsmittel
10: Längsrichtung
11: Dichtmittel
12: Sockelplatte
13: Außenhülle
14: Loch zum Ausleiten des Gasstroms
15: Öffnung
16: Werkzeugeingriff
17: Ringscheibe
18: Innendurchmesser Ringscheibe
19: Anströmrohr
20: Außendurchmesser Anströmrohr
21: Außendurchmesser Ringscheibe
22: hitzebeständige Verkleidung
23: Innenseite
24: Außenseite
25: Aufweitung
26: Radius
27: Klemmbereich

Claims

Luftdüse (1) zum Einbringen eines ein Oxidationsmittel umfassenden Gasstroms in einen Feuerraum, umfassend:
- einen Düsenfinger (2) mit mindestens einer Gasstromzuführung (3) und mindestens einer Gasstromausführung (4);

- eine Düsenhaube (7) zum Überdecken des Düsenfingers (2) zumindest im Bereich der mindestens einen Gasstromausführung (4) mit mindestens einem Loch (14) in der Außenhülle zum Ausleiten des Gasstroms;
wobei Düsenfinger (2) und Düsenhaube (7) durch eine gewindefreie Klemmverbindung lösbar miteinander verbindbar sind, wobei das mindestens eine Loch (14) mit der mindestens einen Gasstromausführung (4) in strömungstechnischer Verbindung steht, wenn Düsenfinger (2) und Düsenhaube (7) miteinander verbunden sind.
Luftdüse (1) nach Anspruch 1, bei der die Klemmverbindung durch Verdrehen zweier Elemente (8, 9) an Düsenfinger (2) und Düsenhaube (7) gegeneinander ausgebildet wird.
Luftdüse (1) nach Anspruch 2, bei der Düsenfinger (2) und Düsenhaube (7) so gestaltet sind, dass die Düsenhaube (7) den Düsenfinger (2) im verbundenen Zustand von einer Sockelplatte (12) an in einer Längsrichtung (10) außenseitig umgibt.
Luftdüse (1) nach Anspruch 3, bei der der Düsenfinger (2) ein erstes Verbindungsmittel (8) zur Herstellung der gewindefreien Klemmverbindung aufweist, welches sich von der Sockelplatte (12) in Längsrichtung (10) erstreckt und die Düsenhaube (7) ein korrespondierendes zweites Verbindungsmittel (9) aufweist, welches zur Aufnahme des ersten Verbindungsmittels (8) geeignet und bestimmt ist.
Luftdüse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ausgebildet aus einem Stahlguss, bevorzugt aus einem austenitischen Stahlguss.
Luftdüse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mindestens eines der folgenden Elemente:
a) mindestens eine Gasstromausführung (4); und

b) mindestens ein Loch (14) zum Ausleiten des Gasstroms einen durchströmbaren Querschnitt aufweist, der sich über die Länge der Gasstromausführung ändert.
Luftdüse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der sich mindestens eines der folgenden Elemente:
a) mindestens eine Gasstromausführung (4) und

b) mindestens ein Loch (14) zum Ausleiten des Gasstroms von innen nach außen verjüngt.
Luftdüse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mindestens eines der folgenden Elemente:
a) mindestens eine Gasstromausführung (4) und

b) mindestens ein Loch (14) zum Ausleiten des Gasstroms innenseitig eine Aufweitung (25) aufweist, wobei die Aufweitung (25) zumindest teilweise durch einen Kreisbogen beschrieben werden kann.
Luftdüse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine Ringscheibe (17) zur Verbindung mit einem Anströmrohr (19) und der Gasstromzuführung (3) des Düsenfingers (2), wobei der Innendurchmesser (20) der Ringscheibe (17) im Wesentlichen dem Außendurchmesser (20) des Anströmrohres (19) entspricht und der Außendurchmesser (21) der Ringscheibe (117) größer ist als ein Außendurchmesser der Gasstromzuführung (3).
Verfahren zur Montage einer Luftdüse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem
a. eine Ringscheibe (17) stoffschlüssig mit einem Anströmrohr (19) verbunden wird;

b. ein Düsenfinger (2) stoffschlüssig mit der Ringscheibe (17) verbunden wird; und

c. eine Düsenhaube (7) kraftschlüssig über eine Klemmverbindung mit dem Düsenfinger verbunden wird.