Definierte Strömungsverhältnisse

Bernhard Hug, Marcel Kramer

Der Einsatz von statischen Mischern erhöht die Produktivität und Effizienz von Gasprozessen. Sie sorgen für eine optimale Mischgüte und klar definierte Strömungsverhältnisse. Trotz hoher Re-Zahlen ziehen sich häufig Additiv- oder Temperatursträhnen unvermischt über lange Leerrohrstrecken, Rohrbögen und Aufweitungen. Mit geeigneten statischen Mischern lassen sich die geforderten Mischaufgaben auf kurzen Kanalstrecken realisieren. Dies geschieht besonders effizient, wenn die übrige Rohrleitungsführung mitberücksichtigt wird.

Um den für den jeweiligen Anwendungsfall am besten geeigneten statischen Mischer auszuwählen, müssen zunächst die Strömungsverhältnisse in der Anlage untersucht werden. Das Ausmessen von realen, physischen Strömungsmodellen hat dabei gegenüber der PC-basierten CFD-Strömungssimulation keineswegs an Bedeutung verloren. CFD-Resultate stehen und fallen noch immer mit der Eingabe der Randbedingungen und der Feinheit der Netze. Zudem werden hohe Rechnerleistungen benötigt. Arbeitet zum Beispiel eine bereits bestehende Anlage unbefriedigend, so können reale Modelle, mit geeigneten Einbauten wie Leitblechen oder statischen Mischern, auch nachträglich mithelfen, die Anlage strömungstechnisch zu optimieren. Mit Strömungsmodellen lassen sich auch Staubversuche durchführen. Die Untersuchung der Strömungsverhältnisse führt Fluitec an maßstäblichen Modellen von Anlagen und Anlagenbereichen durch. Je nach Größe der Anlage wird ein Maßstab von 1:5 bis 1:12 verwendet (Abb. 1). Diese Gebilde werden in den Strömungslabors kurzzeitig aufgebaut und deren Verhalten ausgemessen. Dabei werden alle strömungsrelevanten Einbauten ebenfalls modelliert. Solche Stahlblech-Modelle ermöglichen eine optimale Flexibilität für Änderungen. Zudem sind sie keiner statischen Aufladung unterworfen. Größere Druckverluste durch Komponenten wie Katalysator oder Wärmetauscher werden durch den Einbau von Lochblechen simuliert. Um die herrschende Strömungssituation sichtbar zu machen, wird starker Rauch eindosiert. Digitalisierte Videoaufnahmen zeigen dann Wirbelablösungen und deren Verlauf. Mit einzelnen Fasern wird ersichtlich, ob eine Optimierung erfolgreich war. Diese weisen die Richtungen der Vektoren an jedem beliebigen Ort.

Grundsätzlich ist die Skalierbarkeit bis zu einem Maßstab von 1:12 gegeben. Da die Luft bei Modellversuchen der Raumtemperatur entspricht, ergeben sich andere Re-Zahlen als in Großanlagen. Aufgrund entsprechenden Erfahrungen wird dies in Bezug auf Homogenität und Druckverlust berücksichtigt. Die Impulse an den Leitblechen sind somit äquivalent.

Das wichtigste Kriterium bei allen Strömungsoptimierungen ist die Kenntnis der herrschenden Geschwindigkeitsverteilungen. Vor einer Ammoniak-Eindüsung oder einem Katalysator sind Abweichungen von 10% üblich. Dies zu erreichen, erfordert wiederum eine optimale Strömungsführung mit geeigneten Leitblechen davor und danach.

In vielen Anlagen werden noch heute statische Mischer eingesetzt, die den ganzen Querschnitt eines Rauchgaskanals ausfüllen. Größere Bereiche der Oberflächen bringen für den Mischeffekt allerdings nichts und erzeugen nur unnötigen Druckverlust. Leistungsstärkere Gebläse werden dabei in Kauf genommen. Durch umfangreiche Untersuchungen konnten CSE-Mischkonzepte standardisiert werden, die nur einen Bruchteil des offenen Kanalquerschnittes benötigen. Bei Berücksichtigung der vorhandenen Strömungseigenschaften können die Kanalarchitektur sowie bestehende Einbauten für die Mischung nutzbar gemacht werden. Nach einer ersten Mischstufe und einem Leerrohrabschnitt folgt eine zweite, die von der Vorverteilung profitiert. Das Verhältnis der Druckverluste vom Modell zur realen Anlage ist abhängig von den Dichteverhältnissen. Fluitec-CSE-Mischkonzepte streben das Limit des benötigten Druckverlustes mit Widerständen von kleiner 1 mbar an (Abb. 2).

Die optimale Art der Eindüsung an Dosierstellen ist von der Mischaufgabe und der einzusetzenden Kanalarchitektur abhängig. Erfahrungswerte erlauben die Angabe der Anzahl der Eindüspunkte bezüglich der Leerrohrlänge und der verwendeten Mischergeometrie (Abb. 3). Zur Homogenitätserfassung setzt Fluitec Tracergase ein. Dabei ist wichtig, dass diese nicht in der Umgebungsluft vorhanden sind. Das Tracergas wird über die simulierten Eindüsepunkte in kleinen Konzentrierungen eindosiert. Ein Netz an Proben wird abgesogen und analysiert. Die jeweiligen Konzentrationen ergeben den Vermischungsgrad. Kleinste Abweichungen im Geschwindigkeitsprofil vor Eindüsungen führen zu Schieflagen oder Löchern in der Homogenität. Optimierte Mischgeometrien erzeugen Variationskoeffizienten von kleiner 0,025. Dies bedeutet, dass 95,5% aller Messwerte innerhalb einer maximal zulässigen Abweichung von 5% vom Mittelwert liegen (Abb. 4).

Bisher wurde eine Vielzahl von Rauchgasreinigungen nach dem SCR-Verfahren mit Fluitec-Modellversuchen und -Mischern realisiert. Es sind Systeme mit und ohne Mischer im Einsatz mit Rauchgasmengen von 20 000 bis 1 800 000 Nm3/h. Die statischen CSE-Mischer werden unter anderem in Entstickungsanlagen von Kraftwerken und Müllverbrennungsanlagen eingesetzt. Bei allen thermischen Verbrennungen entstehen Gase, die staub- und gasförmige Schadstoffe wie Stickoxide enthalten. Zur Entfernung der Stickoxide steht die selektive, katalytische Reduktion als ausgereiftes Verfahren zur Verfügung. Dabei wird dem Rauchgas-Strom Ammoniak zugemischt. Auf der Katalysator-Oberfläche wandeln sich die im Rauchgas enthaltenen Stickoxide in Stickstoff und Wasser um. Die gleichmäßige Durchströmung der Katalysatoren bezüglich Geschwindigkeiten, Temperaturen und NOx-Beladung muss dabei gewährleistet sein, um Katalysatorvolumen einzusparen. Für kleinere Anlagen mit runden Kanälen (bis DN 2500) stehen standardisierte Systeme zur Verfügung:

• NH3/Verdünnungsluft Mischer oder Vorverdampfer

• Eindüselanzen oder 2-Stoff-Düsen

• Fluitec CSE-B Mischer (benötigt nur halben Rohrquerschnitt)

• Fluitec CSE-B Mischer (benötigt je nach Druckverlustanforderung nur 70% des Querschnitts)

E cav 204

• optimale Beaufschlagung eines Katalysators (Säure-, Formaldehyd, Vinylchloridherstellung, etc.)

• katalytische Entstickung (SCR-Denox-Verfahren)

• Trockenabscheidung von Schadgasen

• homogene Probeentnahme

• heizen oder kühlen von Gasen, Homogenisierung von Temperatursträhnen

• Gemischeinstellung vor Brenneranlagen