Transcript
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FeststotÍkonzentration u nd -geschwl nln wandnahen Bereichen
Von K.-E. Wirth,* M. Seiter** und O. Molerus* transport mit hoher Feststoffkonzentration und -geschwindigkeit vor. In zirkulierenden Wirbelschichtfeuerungen sind die Wandflãchen meist als Wârmetauscher ausgebildet. Für den \ü/ãrmeüber-
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gang zwischen der Gas-/Feststoffsuspension und dem 'Wasser-Dampfsystem sowie für den Verschlei8 der Wãrmetauscherflâ-
Erlangen.
chen sind beide GroBen Feststoffkonzentration und Feststoffgeschwindigkeit in Wandnãhe - von entscheidender Bedeutung. Zur Ermittlung dieser beiden GroBen wurden zweiMeBverfahren entwickelt, die einfach zu handhaben sind und ohne komplizierte Eichung auskommen.
Siemens ÁG, UB Energieerzeugung (KWU ), Erlangen.
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'* Dr.-lng. habil. K.-E. W i rt h und,
Prolessor Dr.-lng. O. M o I e r u s, Leh rstu hl f ü r Mechanísche Verfahrenstech n i k, U n iversitiit E rl angen- N ü rn be rg,
*- Dr.-lng. M. Seiter,
Zirkulierende V/irbelschictrten werden mit I eeri-ohrgasgeschwindigkeiten betrieben, .rie ein Mehrfaches dçr Einzelkornsinkge-
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s---hrvindigkeit betragen. Das hat zur Folge, dn -l e in Feststoffaustrag am Kopf der Anlage ruftritt. Die zirkuiierende V/irbelschicht
Absorptionsgesetz
I - Isexpt-p,(1-.) qdl
.lãB: sich nur dann stationãr betreiben, wenn
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der ausgetragene Feststoffmassenstrom von der üasstromung getrennt und über eine
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Die Feststoffkonzentrationsmessung beruht auf dem Prinzip der Schwãchung von ?Strahlung durch Materie. Dieses MeBprinzrp wird hâufig auch als radiometrische Dichtemessung bezeichnet. Die Abschwâ-úúg der r7-Strahlung erfol-et nach dem
Ëinleitung I I
iales FeststoÍÍkonzentrationsprofi
(1)
wobei Is die Intensitât der ungeschwãchten Strahlung, d.h., es befinden sich keine Feststoffpartikeln im Strahlengang, und I die Intensitât der durch die Anwesenheit von Feststoffpartikeln geschwâchten r7-Strahlung ist. Wie aus Gl. (l) zu entnehmen ist, hângt die Schwãchung der r7-Strahlung von der Feststoffdichte p r, der Feststoffkonzentration (1 - e), dem Massenabsorptions-
Rück:ührleitung únrnittelbar oberhalb des Anstrtìinbodens dem Aufstrómteil der Aniage erneut '2ugeführt wird. Neben dieser externeri Feststoffzirkulation liegt im Aufstlomteii der zirkulierenden Wirbelschicht eine interne Feststoffzirkuiation vor. Wie in Giasapparaturen visuell leicht festzustellen, liegt in unmittelbarer Nâhe der Wand ein vertikai-abwârts gerichteter Feststoff-
koeffizienten r; und der Durchstrahlungs-
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lânge d ab. Der Massenabsorptionskoeffizient ist für die in zirkulierenden Wirbelschichten zum Einsatz komrnenden Feststoffpartikeln nicht sehr rnaterialabhãngig. Er kann leicht aus Festbettmessungen bestimmt werden [2]. Aus (l) kann dann bei bekannter Feststoffdichte und Geometrie, d.h. bekannter Durchstrahlungslânge, die lângs des Strahlenganges gemittelte Feststoffkonzentration berechnet werden:
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ler und ein Szintillationsdetektor auf
einem Verschiebetisch, der sich parallel bzw. senkrecht zu den Seitenwãnden der zirkulierenden V/irbelschicht bewegen lãBt
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1d I ). Bleikollimatoren mit I mm breiten, senkrechten Schlitzen blenden einen
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entsprechend breiten ry-Strahl aus. N{it dieser Anordnung kann ein radiaies Feststoff-
konzentrationsprofìl mit einer Aufïôsung von I mm aufgenommen werden.
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Die Messung der radialen lionzentrationsver:teilung des Feststoffes wurde an einer I 1 m hohen, kalt betriebenen zirkulierenden Wirbelschicht mit quadratischem Querschnitt - Kantenlânge 0,168 m - durchgeführt. Hierzu sitzen ein Cs- I 3'/ -^/ -Strah-
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Die Messung eines radialen Festslcfflkonzentrationsprofils in einer zirkulierenden ïVirbelschicht erfolgt zweckmâBigerweise in einer Anlage mit quadratischenr Querschnitt. Im Vergleich zu einem kreisfôrmi-
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gen Querschnitt geht dann die Durchstrahlungslãnge an der Wand nicht gegen null.
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Ais Beispiel ist in B i I d 2 der Quotient aus den mit der lvïeBapparatur nach Bild i ge-
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mator ZWS-Mitte
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Bild 1 . Anordnung zum Vermessen eines radiaien Fesfstoffkanzentrationsproli /s
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Bild 2. Verhiiltnis der mit dem Schlitzkoltimator gemessenen Sfrahlungsinfensiláf bei an- und abgesc halteter Gassfro mung in Abháng ig keit vom W and abstand "
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B Kraftwerkstech
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(1 991
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BleiKollirnator
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messenen Strahlungsintensitâten
bei
an-
geschaltetem und abgeschaltetem Gasstrom
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der zirkulierenden Wirbelschicht, d.h. mit und ohne Feststoffpartikeln im Strahlengang, über dem Wandabstand des Kollimatorschlitzes zwischen der Wand und der Mitte der Wirbelschicht aufgetragen*Die Leerrohrgasgeschwindigkeit betrug bei dieser in 4 m Hohe über dem Anstromboden durchgeführten Messung 2 mls, und als Versuchsgut wurde ein Schüttgu_t-pus ZnS eingesetzt.
--Die
aus einer Di$eíánzdruckmessung berechnete qu.grrelínittsgemittelte Feststoff-
klei-
konzentration },z1betrâgt 0,87 Vo. ner ìler Quotient I/Is ist, desto groBer ist die Je
Abschwâchung des 7 -Strahls und desto mehr Feststoffpartikeln befinden sich im Strahlengang. Mit Gleichung (2) erhâlt man aus Bild 2 das in Bild 3 dargestellte Konzentrationsprofil. Die über der Lânge des Strahlenganges gem{telte Feststoffkonzentration ist in Oef Nane der Wànd am grÕBten und ngpmt mit zunehmendem Wandabstand zunâchst sehr stark ab und lâuft schlieBlich auf einen konstanten Wert ein. Aus diesem Diagramm kõnnen zwet k teri s ti s c h e F e s t s to ff,k o nzentr ati o n e n entnommen werden: die Konzentration der
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querschnittsgemittelte Feststoffkonzentration. Die Randzonenkon-
zentration ergibt sich auSãergro&ten;direkt an der V/and gemessenen Konzentration. Die querschnittsgemittelte Feststoff-
der Kernzone
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Bild 3. Aus den in Bild 2 dargestellten Me?werten be re c
Bild 4. Anordnung zur Vercnessung der Fesfsfoff konzentration
(Draufsicht). :- '.i ''' ' ' {
zws-Durchmesser
.
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durchstrahlte Zws-Strecke d - ausgeblendete Zws-Strecke
Zur Messung der Feststoffkonzentration in der Kernzone der zirkulierenden Wirbelschicht ist eine Modifìzierung der in Bild 1 dargestellten MeBapparatur erforderlich. Hierbei wird der Verschiebetisch mit dem ry -Strahler und dem Detektor in der Wandmitte der zirkulierenden Wirbelschicht fest verankert ( B i I d 4 ). Die Kollirnaroren mit
punkte in Bild 5 folgt somit, da8 die Fesi stoff,konzentration im Kernbereich der zi, kulierenden Wirbelschicht konstant ist. Dii, ses Ergebnis steht in lJbereinstimmung nri der mit dem Schlitzkollimator (Bild 1) gt messenen konstanten Feststoffkonzentrir tion bei Wandabstãnden grôBer als erwr 2 cm (Bild 3).
Schlitz werden durch Kollimatoren mit
Die in den Bildern 2 und 5 dargestellter MeBergebnisse sind reprãsentativ für clir
Bohrüngen von 6 mm Durchmesser ausgetauscht. In den Strahlengang wird ein Glas-
rohrchen
mit einem
Durchmesser von
12 mm gebracht, das entlang des Strahlenganges in den Aufstromteil der zirktrlieren-
den Wirbelschicht hineinbewegt werden kan n. D as
Rohrcheriist*üirbelschichtseitig
verschlossen und der kollimierte r7 -Strahl verlãuft vollstândig in seinem Inneren. Auf
diese Weise blendet das Rohrchen beim Hineinfahren in die zirkulierende Wirbel'íôhicht immer mehr von der Gas-/Feststoffstromung aus, so daB die Absorption immer mehr abnimmt. Bei den gleichen Bedingungen wie in Bild 2 sind in Bild 5 die mit dieser MeBanordnung ermittelten Quotienten aus den Strahlungsintensitâten bei an- und abgeschalteter Gasstromung in Abhângigkeit von der Position der Stirnflâche des Glasrôhrchens dargestellt. Das RÕÌrrõhõilschlieBt auf der
bisher mit beiden MeBanordnungen -. Bir der 1 und 4 durchgefúhrten Messungerì Die gemessenen Feststoffkonzentrationr profile sind alle âhnlich, was folgendes br deutet: Alle Wandzonen- und Kernzonerr konzentrationen sind je-weils um den gie chen Faktor von der querschnittsgemitte ten Feststoff,konzentration verschieden, ur abhãngig von der Art der Feststoffparti
këlqter Leerrohrgasgeschwindigkeit,
dr
MeBhôhe über dem Anstromboden und dr querschnittsge mittelten Feststoffkonze ntrz
tion. Das wird deutlich, wenn man
dr
Wandzonenkonzentration und die Kerr' zonenkonzentration jeweils über der quer schnittsgemittelten Feststoffkonzentratio auftrãgt. Aus der Auftragung der'Wandzt nenkonzentration in B i ld 6 ergibt sici daB diese immer um den Faktor 2,3 gro$t ist, als die querschnittsgemittelte Feststof
konzentration. Die Kernzonenkonzentrr, tion ist hingegen, wie man aus B i I d entnehmen kann, um den Faktor 0,8 kle
konzentration erhãlt man aus der Integration der lokalen Konzentrationen über den
Position 16,8 cm bündig mit der Innenwand der zirkulierenden V/irbelschicht ab und wird bis zur Position 0 cm in die zirkulierende Wirbelschicht hineinbewegt, wo es an der gegenüberliegenden V/and den
Querschnitt.
Aufstromteil vollstândig durchmi8t und die
Nachteilig an der in Bild I skizzterten MeBapparatur ist, da8 zumindest in dem Be.V/andabstandes, in dem die MeBreich des
Gas-/Feststoffstromung vollstândig aus
konzentration. Die Wandzonenkonzentnr tionist demnach etwa um den Faktor 3 gr( Ber als die Kernzonenkonzentration.
dem r7-Strahl ausgeblendet ist.
Die groBere Streuung der MeBpunkte i
Wie aus Bild 5 ersichtlich, ist prakrisch keine Wandzone erkennbar, da diese bei dieser MeBanordnung nur einen geringen EinfluB auf das MeBergebnis hat. Die Fesrstoffkonzentration der Kernzone kann entsprechend Gl. ( 1) bei den hier vorliegenden Quotienten der Strahlungsintensitâten mit ausreichender Genauigkeit aus der Steigung der Me8punkte ermittelt werden. Aus dem praktisch linearen Verlauf der MeB-
Bild 6 im Vergleich zu Bild 7 ist dadurch z erklâren, daB die Wandzonenkonzentrt tion aus einem ein zígen Me8punkt ermi, telt wird; die Kernzonenkonzentration el hâlt rnan hingegen durch Mittelung übe ein Ensemble von MeBpunkten.
punkte auf einer Parallelen zur Abszisse liegen, neben der in der Kern zone der Wir-
belschicht vorhandenen Feststoffkonzentration bei den Messungen auch die vordere und hintere Wandzone mit zur Absoqption beitragen. Infolgedessen kann aus Bild 3
nicht die Feststoffkonzentration in
der
Kernzone der zirkulierenden V/irbelschicht entnommen werden. 926
@rsõhnittsgemitrelte
Fesrsrofl
Zur Überprtifung der radiometrischen Dict temessung wurden bei der Messung dt radialen Konzentrationsprofile gleichzeiti die in den Me8ebenen vorliegenden Drucl
VGB Kraftwerkstechnik 71 (1991), Heft
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tionen dargestellt. über einen breiten Bereich der Feststoffkonzentration, der sowohl die Feststoflkonzentration in blasenbildenden wirbelschichten ars auch oi. u* einer zirkulierenden v/irbelschicht umfaBt, ist eine gure Übereinstimmung der nach beiden Methoden bestimmte.lr querschnittsgemittelten Feststoffkonzentràtionen gegeben. Bemerkenswert ist ebenfalls, da8 sich der MeBbereich der radiometrischen Dichtemessung über nahezu drei zehnerpotenzen erstreckt. An dieser stelle sei ausdrücklich darauf hingewiesen, daB der vergleich
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Me8tisch vertikat-abwiirts Feststoffgeschwindigkeit sich bewegender Wandstrãhnen in Abhânqigkeit van Leerrohrg"ãgevv
schwindigkeit und Melhohe.
0,002 0,004 0,006 0,00g 0,0.10 (ï=T)orro. €
0,012
Bitd 73. FesÍs toffgeschwindigkeit sich vertikal-abwárts bewegender Wandstrâhnen in Abhângigkeit von der Feststoffkonzentration.
dings bei gro8eren Leerrohrgasgêschwindigkeiten auf einen konstanten Wert einlâuft. Wie aus den mit der Standardabwei-
derwirbelschichtwandherabfanendeFest- feuerung hat dies zur Folge, da8 sich die
stoffmassenstrom berechnet werden [2]. Bei dieser Abschiitzung wird dieser intem rückgeführte Feststoffmassenstrom nach oben abgeschâtzt, da in der gesamten
chung gebildeten Balken ersichtlich, schwan-
ken die Feststoffgeschwindigkeiten mit 20 bis 25 Vo um den Mittelwert und weisen somit ein breites Geschwindigkeitsspektrum auf. Die vertikal-abwãrts gerichtete Feststoffgeschwindigkeit in der Wandzone ist etwa um den Faktor 8 grÕBer als die Ein zelkornsinkgeschwindigkeit" Bei allen Messungen konnte keine sich vertikal-aufwãrts bewegende Strãhne beobachtet werden. In BiI
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sind die in Bild
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WandzonedieFeststoffkonzentrationund Tiansportreaktor. ebenso die Feststoffgeschwindig-
keit nicht konstant sind. Sie nehmen mit zunehmendem Wand, Symbolverzeichnis abstand ab. Diese recht grobschlãchtige Abschâtzung
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dag das Verhâltnis des intern kuüerenden zum exrern über
wiederge-
zentr ation aufge tragen.
lntern zirkulierender
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Vstrãr,n"
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Maximalwerte dar. Aus diesen Zahlenwerten wird jedoch deuttich, daB in der oberen Beharrungsstrecke [1], die in etwa 8 m
FeststoÍÍmassenstrom Die Messungen der radialen Feststoffkonzentrationsverteilung und der Geschwindigkeit der an der V/irbelschichtwand herabfallenden Feststoffstrãhnen erlaubt eine Abschâtzung des intern zirkulierenden Feststoffmassenstromes. Aus den Messungen zur Bestimmung der radialen Feststoffkonzentrationsverteilung mit Hilfe des radial zu verschiebenden 1- Strahls (Bild 3) kann man nâherungsweise die Dicke der Wandzone entnehmen. Zusammen mit der gemessenen Wandzonenkonzentration und der gemessenen Feststoffgeschwindigkeit kann der in Richtung der Erdschwere an
Hôhevorliegt,o".int"*"lrtuìià-
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strãhnengeschwindigkeìtin
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unmittelbarer Wandnâhe Porositât
y1T:nabsorptionskoeffizient
Feststoffdíchte
rende Feststoffmassenstrom im Vergleich zum extern umlaufenden Fest-
Literatur
stoffmassenstrom von untergeordneter Bedeutung ist.
t1l Wính K-E:
In der Ubergangszone
10
Durchstrahlungslãnge m Partikeldurchmesser m zirkulierenden firiil:Hilt"ïi* m Zaiii^te bei angeschatteter Gasstrómung sZàhlrate bei abgeschalteter Gasstrómung s-1
Fest- t stoffmassenstrom in 8 m Hõhe etwa0,5,in4mHõheetwa3undin l" 1 m Hõhe etwa 4 bis 7 betrãgt. , ^ Aufgrund der oben â; b?ffi"::i,:ihrerements "nsÀr,iËn Gründe stellen diese verhâltnisse Vsas Leerrohrgasgeschwindigkeit RüskfiihÍleitung geführten
gebenen Feststoffgeschwindigkeiten über der aus Druckverlustmessungen bestimmten querschnittsgemittelten Feststoffkon-
VGB Kraftwerkstechnik 71 (1991), Heft
Gas-/Feststoffstrtimung irrioberen Bereich der Brennkammer eheials Transportreaktor denn als Rührkessel verhâlt und im unteren Bereich eher als Rührkessel denn als
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kg m-3
Zirkulierende V/irbelschichten
- Stromungsmechanische Grundlagen, Anwendung in der Feuerungstechnik. Springer-
zwischen unterer und oberer Beharrungsstrecke [ 1] ist hingegen ein merklicher intern zirkulierender
Í2) Seiter, M.: Radiale Feststoffkonzentration
Feststoffmassenstrom vorhanden. Für die wârme-, stoff- und reaktionstechnische Beschreibung zirkulierender V/irbelschicht-
und axiale Feststoffgeschwindigkeit in wand_ nahen Bereichen zirkulierender'Wirbelsc hichten. Dissertation, Universitât Erlangen-Ntirnberg ( 1990).
Verlag, Berlin (1990).
929
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