Düsensysteme Bei Verbrennungsprozessen eingesetzte Düsensysteme

Für eine vollständigen Verbrennung muss die Düsengeometrie an den Prozess angepasst werden. Neben Mehrstoffdüsen stehen Zwei, Drei- und Vierstoffdüsen zur Verfügung.

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In der Industrie werden Heizöl und Flüssigkeitsrückstände zur Energie- bzw. Energierückgewinnung vollständig verbrannt. Durch eine unsaubere bzw. nicht vollständige Verbrennung des Mediums entsteht Ruß und gleichzeitig steigen die Emissionswerte in der Brennkammer an.

Bei flüssigen Brennstoffen findet die Verbrennung immer in der Gasphase statt: Der flüssige Brennstoff wird zuerst fein zerstäubt, dann verdampft, mit Luft vermischt und schließlich in der Gasphase verbrannt. Wie durch verschiedene, spezielle Düsen die Zerstäubung beeinflusst werden kann, zeigt dieser Beitrag.

Die Flüssigkeit wird in Tropfen umgewandelt, um die Oberfläche zu erhöhen und somit die Verdampfung und Vermischung des Brennstoffdampfes mit der Luft zu ermöglichen. In der Natur wird ein Minimum an Oberfläche angestrebt und deshalb stellt der Spray einen instabilen Zustand dar.

Entweder verdampft ein Spray, wodurch sich die Oberfläche vermindert, oder durch Tropfenkollision vereinigen sich viele kleine Tropfen zu wenigen großen, wobei sich die Oberfläche verkleinert.

Zerstäubung beim Verbrennungsprozess

Für einen vollständigen Verbrennungsprozess der zerstäubten Flüssigkeitsmenge muss das Düsensystem eine Vielzahl von Randbedingungen erfüllen. Erfahrungsgemäß darf der volumetrisch mittlere Tropfendurchmesser eine Partikelgröße von 40 Mikrometer nicht übersteigen. Die Flüssigkeitsmenge ist je nach Auslastung von 10% bis 100% Last bei gleich bleibender Zerstäubungsqualität einstellbar. Durch die unterschiedlichen stoffspezifischen Kenngrößen der Flüssigkeit (Dichte, Viskosität, Oberflächenspannung) muss die Düse die Zerstäubungsqualität individuell beeinflussen können.

Hitzebeständigkeit ist gefragt

Die Materialauswahl wird entsprechend der chemischen Beständigkeit und den herrschenden Temperaturen von 800 °C bis 1250 °C angepasst. Hierbei wird bei Schlick standardmäßig der hitzebeständige Edelstahl 1.4841 verwendet, falls chemische Korrosion die Lebensdauer der Brennerlanze verkürzt, kommen Sondermaterialen (z.B. Hastelloy oder Inconel) zum Einsatz.

Häufig werden auch hochgiftige Flüssigkeitsrückstände verbrannt. Die Brennerlanzen werden dann gemäß der Druckgeräterichtlinie 97/23/EG (Kategorie II bis IV) ausgeführt. Der erforderliche Dauerbetrieb der Düsen bedingt eine Verstopfungsunempfindlichkeit.

Betrachtet man die bei Verbrennungsprozessen eingesetzten Düsensysteme, Druckdüsen oder Zweistoffdüsen, stellt man fest, dass die genannten Forderungen nur bedingt eingehalten werden. an unterscheidet zwischen Druckdüsen, Außenmischenden und Innenmischenden Mehrstoffdüsen.

Bei den Druckzerstäubern werden Hohlkegeldüsen eingesetzt. Die zu erwartende Tropfengröße ist abhängig vom Querschnitt der Düse und vom anstehenden Flüssigkeitsdifferenzdruck.

Je kleiner der Düsenquerschnitt und umso höher der Flüssigkeitsdifferenzdruck, desto feiner wird das Tropfenspektrum. Aufgrund dieser Tatsache sind nur kleine Flüssigkeitsregelbereiche möglich

Mehrstoffdüsen

Eine oder mehr zugeführte Flüssigkeiten wird/werden durch ein oder mehr gasförmige Zerstäubungsmedien (Luft, Dampf...) in Tröpfchen zerrissen. Man unterscheidet nach dem Ort des Zusammentreffens der Flüssigkeit und des Gases generell zwischen Innen- und Außenmischung.

Im Regelfall setzt man bei Schlick wegen des besseren Regelverhaltens, der Vorteile im Bereich Verstopfungsanfälligkeit, Verschleiß, Tropfengrößenverteilung u.v.m. auf die Außenmischung, wobei momentan patentierte Schlick-Entwicklungen einer verbesserten Innenmischung, ohne diese Nachteile, in der Erprobung sind.

Zweistoffdüsen mit Außenmischung

Bei außenmischenden Systemen werden Flüssigkeit und Zerstäubungsmedium (meist Pressluft) kurz nach dem Verlassen der Stirnseite intensiv durchmischt. Der Austrittskegel der Zweistoffdüse beträgt rund 30° bis 40°. Bei einer volumetrisch mittleren Tropfengröße von 40 Mikrometer ist der Flüssigkeitsrückstand bzw. das Heizöl bereits nach einer Strecke von 1000 bis 2000 mm vollständig verbrannt.

Aufgrund der Rohr-in-Rohr-Konstruktion schützt die außen liegende Pressluft die innen liegende Flüssigkeit. Dadurch wird eine Vorverdampfung aufgrund der hohen Temperaturen verhindert und somit eine kontinuierliche Mengenzuführung gewährleistet.

Durch die getrennte Zuführung ist diese Düsentechnologie wesentlich verstopfungsunempfindlicher als Zweistoffdüsen mit Innenmischung. Die gewünschte Tropfengröße kann individuell über das Massenverhältnis Luft zu Flüssigkeit eingestellt werden.

Damit große Flüssigkeitsregelbereiche gefahren werden können, ist es notwendig, eine Vorzerstäubung auf der Flüssigkeitsseite zu integrieren, die strömungstechnisch ein Verstopfen verhindert. Es wurde ein Dreinutendrallkörper entwickelt, der einen geringeren Umlenkungswinkel im Vergleich zu anderen Flüssigkeitsdrallkörpern besitzt.

Bei Flüssigkeitsregelbereichen von 1:5 ist ein Druckregelbereich von 1:25 notwendig. In der Praxis wird dann der Minimaldurchsatz auf 0,3bar und der Maximaldurchsatz auf 7,5bar ausgelegt. Zurzeit gibt es fünf Modellvarianten, die Durchsatzbereiche von 1 l/h bis 1500 l/h abdecken.

Innenmisch-Zweistoffdüse

Grundlegendes Konzept der Entwicklung war die Änderung der Geometrie der Innenmischzone, insbesondere unter Vermeiden von verstopfungsanfälligen Einbauten und um eine intensivere Durchmischung von Zerstäubungsluft und Flüssigkeit zu erreichen.

Dadurch ist es möglich, den Luftbedarf der Düse bei gleichbleibender Tropfengröße zu reduzieren und damit die Durchschlagskraft des Sprühstrahles zu minimieren. Parallel sollte durch die Anordnung der Bohrungen der Sprühwinkel stark vergrößert werden.

Ein in der Mischkammer vorhandener Kegel bewirkt ein Zerteilen des zentral auf die Kegelspitze auftreffenden Flüssigkeitsstrahles zu einem Film, der von der Zerstäubungsluft in einzelne Tropfen zerrissen wird.

Die Flanken dieser Kegelkontur laufen in die Düsenbohrungen aus. Die Düsenbohrungen sind entsprechend der Steigung des Kegels geneigt, Flüssigkeitsreste werden somit definiert ausgeblasen, die beaufschlagte Oberfläche ist größer. Der gesamte vordere Düsenbereich ist abnehmbar und wird als Luftkappe bezeichnet.

Drei- und Vierstoffdüsen

Bei Verbrennungsprozessen, bei denen gleichzeitig Heizöl, Abwasser und Flüssigkeitsrückstände verbrannt werden, kommen Drei- und Vierstofflanzensysteme mit externer Mischung zum Einsatz.

Schlick-Mehrstoffaggregate bieten die Möglichkeit, mehrere Flüssigkeiten gleichzeitig mit einer Düse und nur einem Zerstäubungsmedium (Luft, Gas oder Dampf) sehr fein zu zerstäuben. Gleichzeitig findet eine intensive Vermischung der Medien beim Austritt aus der Düsenmündung statt.

Es besteht zudem die Möglichkeit, einen Kanal zusätzlich mit Luft, Gas oder Dampf zu beaufschlagen, und so eine größere Austauschfläche zwischen Zerstäubungsmedium und Flüssigkeit zu schaffen.

Reaktionen der unterschiedlichen Flüssigkeiten innerhalb der Düse sind ausgeschlossen, da auf Grund der Außenmischung die Medien erst am Düsenaustritt zusammentreffen. Mit den Mehrstoffdüsen wird ein Vollkegelsprühbild erzeugt.

Verdüsung in Brennkammer

Bei der Verbrennung von Abgasen und Rückstandsflüssigkeiten kommen die Düsen vorwiegend in zwei Bereichen zum Einsatz und zwar bei der Eindüsung der Rückstandsflüssigkeiten in die Verbrennung bzw. Brennkammer und der Zugabe von Reduktionsmittel bei der selektiven nicht katalytischen Reduktion (SNCR) in die Reaktionskammer, um Stickoxide zu ungefährlichen Stickstoff umzuwandeln.

In beiden Fällen ist eine möglichst gleichmäßige Flüssigkeitsverteilung über den zur Verfügung stehenden Kammerquerschnitt bei feinstmöglicher Dispersion der Flüssigkeiten für ein gutes Reaktionsergebnis von Nöten.

Die Verbrennung energiehaltiger Flüssigkeiten geschieht im hochturbulenten Drallbrenner, dem Combustor. Durch die Art der Luftführung und der Formgebung des Ausströmorganes entsteht eine der Axialbewegung überlagerte Drallströmung.

Die Folge ist eine intensive Durchmischung der Schadstoffe mit der Prozessabluft/Frischluft und dem Zusatzbrennstoff.

Die Drehströmung wird so erzeugt, dass sie zu einer extrem schnellen Vermischung der Reaktionspartner in hochturbulenten Zonen führt und damit eine vollständige Umsetzung der Schadstoffe und Brennstoffe auf kleinstem Raum ermöglicht -

den Verbrennungsvorgang strömungstechnisch stabilisiert und daher ein zuverlässiges Brennverhalten auch für extreme Bedingungen sicherstellt.

Die feine Dispersion der Flüssigrückstände in das Drallfeld sorgt ebenfalls für die rasche und rückstandsfreie Umsetzung der Schadstoffe. Der Energieinhalt der Flüssigkeiten kompensiert den Brennstoffverbrauch. Bei genügend großem Energieinhalt kann auf Zusatzbrennstoff verzichtet werden.

Der Autor ist Mitarbeiter bei Düsen-Schlick GmbH

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