импульсное устройство для сжигания топлива (варианты), и способ акустического спекания микрочастиц (варианты)

Формула изобретения

1. Усовершенствованное устройство для удаления частиц, захваченных газовым потоком, отличающееся тем, что содержит средство для приема газового потока, несущего твердые частицы, и пропускания этого газового потока, импульсное средство сжигания, сообщающееся со средством для приема газового потока и предназначенное для образования пульсирующего потока горячих газообразных продуктов сгорания и акустической волны с частотой от приблизительно 20 до приблизительно 1500 Гц, воздействующей на газовый поток так, что происходит усиленное акустическим воздействием спекание твердых частиц, захваченных газовым потоком, что способствует улучшению удаления спеченных частиц материалов.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что импульсное средство сжигания расположено внутри средства приема газового потока.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что импульсное средство сжигания содержит камеру сгорания, топливный клапан, сообщающийся с камерой сгорания, и резонансную трубу, сообщающуюся с камерой сгорания и имеющую выход внутри средства приема газового потока, при этом выходное отверстие резонансной трубы расположено приблизительно в центре средства приема газового потока.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит средство удаления спеченных частиц из газового потока.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в качестве средства удаления спеченных частиц использован циклон.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что циклон нагревается.

7. Устройство по п.3, отличающееся тем, что средство приема газового потока содержит две отдельные секции, пpичeм по меньшей мере одна из секций содержит кольцевое пространство вокруг резонансной трубы.

8. Устройство по п.3, отличающееся тем, что содержит средство для вдувания топлива в топливный клапан.

9. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что содержит водяную рубашку вокруг камеры сгорания, обеспечивающую циркуляцию охлаждающей жидкости вокруг камеры сгорания.

10. Устройство по п.7, отличающееся тем, что резонансная труба составляет приблизительно половину длины кольцевого канала.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что содержит второй кольцевой канал.

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что содержит отражатель звука, расположенный поперек второго кольцевого канала так, что импульсное средство сжигания настроено на получение в кольцевом канале и втором кольцевом канале стоячей волны для уменьшения акустических потерь.

13. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит средство внесения в устройство влаги для удаления частиц.

14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что средство внесения влаги содержит патрубок для распыления воды, расположенный относительно импульсного средства сжигания так, чтобы осуществлять непосредственное воздействие влаги на пульсирующий поток горячих продуктов сгорания.

15. Усовершенствованный способ удаления твердых частиц из газового потока, отличающийся тем, что воздействуют на газовый поток с захваченными им частицами посредством импульсной акустической волны от сгорания с частотой от приблизительно 20 до приблизительно 1500 Гц для улучшения акустического воздействия на спекание частиц.

16. Способ по п.15, отличающийся тем, что прикладывают к потоку горячих продуктов сгорания, включающему предназначенный для спекания твердый материал и другой газовый поток, несущий другие частицы, импульсное акустическое давление.

17. Способ по п.15, отличающийся тем, что осуществляют введение влаги в газовый поток, несущий твердые частицы.

18. Способ по п.15, отличающийся тем, что удаляют спекшиеся частицы материала для улучшения очистки газового потока.

19. Способ по п.16, отличающийся тем, что удаляют спекшиеся частицы материала для улучшения очистки газового потока.

20. Способ по п.15, отличающийся тем, что импульсному снижению подвергают топливовоздушную смесь с измельченным топливом.

21. Способ по п.15, отличающийся тем, что указанные частицы в газовом потоке представляют собой зольную пыль, образующуюся при сгорании угля.

22. Способ по п.15, отличающийся тем, что используют волну акустического давления с частотой от приблизительно 50 до приблизительно 250 Гц.

23. Способ по п.15, отличающийся тем, что используют тепло, выделяющееся при импульсном сгорании, которое создает температуру ниже той, при которой частицы в потоках начинают шлакование.

24. Способ по п.15, отличающийся тем, что направляют очищенный газовый поток к устройству, которое приводится в действие этим газовым потоком.

25. Способ по п.24, отличающийся тем, что устройство, которое приводится в действие газовым потоком, является турбиной.

26. Способ по п.15, отличающийся тем, что поддерживают тепловую мощность в диапазоне от 110⁶ ВТЕ/ч до 610⁶ ВТЕ/ч (0,29-1,74)10³ кВт/ч.

27. Способ по п.15, отличающийся тем, что газовый поток, несущий твердые частицы, представляет поток горячих продуктов импульсного сгорания, сопровождаемый волной давления.

28. Усовершенствованный способ удаления твердых частиц из газового потока, отличающийся тем, что сжигают топливо в импульсном режиме для получения горячего потока продуктов сгорания и волны акустического давления с частотой от приблизительно 20 до приблизительно 1500 Гц, объединяют поток продуктов сгорания и волну давления с независимым газовым потоком, содержащим захваченные твердые частицы для акустического усиленного спекания частиц и удаления спекшихся частиц из объединенных потоков, используют объединенный газовый поток для приведения в действие расположенного по ходу потока оборудования.

29. Усовершенствованное устройство для удаления частиц, захваченных газовым потоком, отличающееся тем, что содержит средство для приема газового потока, несущего твердые частицы, и пропускания этого газового потока, импульсное средство сжигания, содержащее камеру сгорания, топливный клапан, сообщающийся с камерой сгорания, и резонансную трубу, сообщающуюся с камерой сгорания и имеющую выход внутри средства приема газового потока, при этом импульсное средство сжигания сообщается со средством для приема газового потока для получения пульсирующего потока горячих продуктов сгорания и акустической волны, воздействующей на газовый поток так, что происходит усиленное акустическим воздействием спекание твердых материалов, захваченных газовым потоком, для улучшения удаления спекшихся твердых материалов, средство для введения улавливающих серу сорбентов в поток горячих продуктов сгорания, средство для введения влаги для воздействия на горячие продукты сгорания для улучшения улавливания серы и удаления твердых частиц.

30. Усовершенствованный способ удаления твердых частиц из газового потока, отличающийся тем, что сжигают топливо в импульсном режиме для получения горячего потока продуктов сгорания и волны акустического давления, воздействуют потоком горячих продуктов сгорания, несущих твердые частицы, на газовый поток, осуществляют внесение влаги в поток горячих продуктов сгорания для улучшения удаления твердых частиц.

31. Способ по п.30, отличающийся тем, что вводят в поток горячих продуктов сгорания сорбенты улавливания загрязнений, причем сорбент выбирают из группы, состоящей из известняка, доломита, извести и гашеной извести.

32. Способ по п.31, отличающийся тем, что загрязнения, улавливаемые сорбентом, включают производные серы.

33. Способ по п.30, отличающийся тем, что в поток горячих продуктов сгорания добавляют улавливающий щелочи реагент, причем улавливающий щелочи реагент выбирают из группы, состоящей из инфузорной земли, эмалита, кремнезема, боксита, вермикулита, гекторита и каолина.

34. Способ по п. 30, отличающийся тем, что газовый поток поддерживают нагретым во время удаления из него твердых частиц.

35. Способ по п.31, отличающийся тем, что поток горячих продуктов сгорания сопровождает волна акустического давления.

36. Способ по п.30, отличающийся тем, что осуществляют введение сорбента в поток горячих продуктов сгорания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к импульсному устройству для сжигания топлива и способу акустического спекания микрочастиц, образующихся при сгорании топлива, так чтобы эти частицы можно было удалить из потока продуктов сгорания.

Основной проблемой при использовании некоторых видов топлива, которые используются в обычных системах выработки энергии, являются микрочастицы, образующиеся при сгорании топлива. Эти частицы остаются в потоке газообразных продуктов сгорания. Поскольку газовый поток, приводящий в действие такие системы, оказывает отрицательное воздействие на срок службы турбин, газовый поток должен быть по существу освобожден от твердых частиц. Хотя для удаления некоторых более крупных частиц из потока газообразных продуктов сгорания могут быть применены обычные устройства, такие как циклоны, эти устройства обычно не позволяют удалить из потока более мелкие частицы. Аналогичные проблемы возникают и со многими газовыми потоками, в которых имеются взвешенные частицы, не являющиеся продуктами сгорания.

Удаление твердых частиц из газового потока наиболее важно для усовершенствованных систем выработки энергии, в которых в качестве топлива используется уголь. В частности, возможностью достижения высокого термодинамического кпд обладает газовая турбина с прямым сжиганием угля, которая последовательно соединена с усовершенствованными камерами сгорания угля. Однако топливо на основе угля препятствует эффективному использованию и эффективности таких систем турбин с прямым сжиганием угля. В обычных системах газовых турбин в системе сгорания обычно применяют чистые, высшего качества нефтяные дистилляты. В отличие от этого топлива на основе угля дает золу и химические вещества, например, серу и связанный с топливом азот, которые отсутствуют в заметных количествах в топливах на основе нефти. Такие минеральные составляющие в топливе на основе угля могут привести к ухудшению эффективности газовой турбины, понижению надежности, увеличению расходов на технологическое обслуживание и оказывают отрицательное воздействие на окружающую среду. Имеет место также ухудшение аэродинамического профиля газовой турбины с прямым сжиганием угля из-за коррозии, осаждения наслоений и эрозии, вызванных частицами и другими материалами, которые несет газовый поток.

Прямое сжигание угля в газовых турбинах требует устройств для снижения или устранения эрозии лопаток турбины, вызванной присутствием зольной пыли и других частиц в газовом потоке. Если такую эрозию не уменьшить, срок службы лопаток турбины становится очень коротким, порядка 100 часов, погашая таким образом экономические преимущества газовых турбин с прямым сжиганием угля.

Прямое сжигание угля может также привести к выделению, кроме твердых продуктов сгорания, щелочных паров и соединений серы. Такие выбросы могут привести к быстрой коррозии лопаток турбины. Содержащийся в топливе азот вызывает в газовом потоке образование также выбросов оксидов азота (ПО_X). Хотя оксиды азота сами по себе не оказывают отрицательного воздействия на лопатки турбины, они представляют собой загрязнения, попадание которых в атмосферу нежелательно. Для соблюдения требований Акта о чистом воздухе необходимы способы или процессы, позволяющие или уменьшить образование оксидов азота, или разлагать, или удалять такие загрязнители из потока топочных газов. До сих пор не было предложено приемлемых с экономической точки зрения способов удаления загрязнений из выхлопов турбин перед выбросом этих выхлопов в атмосферу.

Делалось много попыток решить перечисленные и другие проблемы с целью предложить приемлемый с экономической точки зрения и эффективный процесс прямого сжигания твердого топлива в газовых турбинах. Делались также попытки предложить способ удаления из газового потока мелких частиц. Так, например, перед сжиганием угольное топливо подвергали сверхтщательной очистке, чтобы уменьшить содержание в нем примесей. Это, конечно, связано со значительными финансовыми затратами, а также ведет к замедлению использования топлива. В одном случае уголь тщательно очищают, пытаясь удалить из топлива перед сжиганием золу и серу. Из тонкоизмельченного, подвергнутого глубокой очистке угля приготовляют пульпу с холодной водой, которую используют затем в качестве топлива. Такой подход, конечно, требует затрат, но позволяет получить по существу нефтеподобное топливо в виде пульпы, приготовленное из угля, что требует незначительной модификации газотурбинного двигателя. Стоимость необходимой очистки угля и приготовления пульпы, однако, оказалась достаточно высока для того, чтобы от такого подхода было решено практически полностью отказаться.

Другие попытки получения чистых потоков газообразных продуктов сгорания предусматривают использование умеренно чистых видов топлива в сочетании с системой очистки горячих газов, расположенной перед газовой турбиной. Большая часть устройств регулирования содержания твердых частиц являются устройствами вторичной и третичной очистки, поскольку для удовлетворительной очистки заполненного твердыми частицами газового потока требуется многоступенчатая очистка. В целом такой подход используется для удаления основной массы зольной пыли концепцию камеры сгорания с ошлаковыванием. Угольные камеры сгорания газовой турбины работают при достаточно высокой температуре за счет поддержания количества воздуха для горения на уровне, близком к стехиометрическому, в адиабатической камере сгорания, так что зола расплавляется и удаляется из топочного газа в виде шлака. Такой подход, однако, сохраняет значительное количество остаточных мелких частиц (средний размер 4 мкм) в газовом потоке, которых достаточно для повреждения лопаток турбины.

В системах камер сгорания с ошлаковыванием также часто используют высокотемпературные керамические фильтры, расположенные за камерой сгорания турбины и перед самой турбиной, предназначенные для задерживания частиц зольной пыли до того, как они попадут в турбину или иным образом повредят лопатки турбины. Керамические фильтры, однако, допускают только очень низкую поверхностную скорость газа, вызывая таким образом неприемлемый перепад давления в фильтре. Это ведет к тому, что размеры таких керамических фильтров становятся недопустимо большими и очень повышаются затраты. Кроме того, керамические фильтры ненадежны, поскольку они чрезвычайно хрупки и чувствительны к термическим ударам и связанным с ними термическим напряжением. Кроме того, такие фильтры имеют тенденцию к засорению, что требует средств для поддержания чистоты фильтров без образования устойчивого перепада давлений в фильтре по мере его "заполнения" мелкими частицами.

Высокие температуры, при которых должны работать камеры сгорания с ошлаковыванием, способствуют повышению количества оксидов азота, образующихся в процессе сгорания. Это, в свою очередь, требует размещения за угольной камерой сгорания другого устройства, позволяющего уменьшить концентрацию оксидов азота в потоке отходящих газов.

Высокие температуры горения в камерах сгорания с ошлаковыванием неприемлемы для улавливания серы с использованием сухих сорбентов, таких как известняк или доломит. Оксиды серы, образовавшиеся при сжигании содержащих серу углей, должны быть удалены из потока топочных газов где-то за камерой сгорания. Еще одним побочным продуктом, образующимся за счет высокой температуры в камере сгорания с ошлаковыванием, являются щелочные пары в потоке газа, которые также следует удалить для уменьшения коррозии лопаток турбины.

Другие конструкции, не связанные с ошлаковыванием, предусматривают использование сухого отделения золы перед турбиной. В таких конструкциях серу улавливают с помощью сухих сорбентов в трехступенчатой камере сгорания. Многоступенчатая модульная конструкция устройства сгорания при таком подходе предусматривает использование модифицированной трехступенчатой камеры сгорания, приспособленной для отделения золы и улавливания серы. Аэродинамический сепаратор частиц отделяет зольные отходы. Обнаружено, что эта система образует твердый осадок на поверхности золы гашения камеры сгорания. Таким образом, в зоне гашения происходит непреднамеренное ошлаковывание, причем затвердевшие частицы откалываются и перемещаются далее, не осаждаясь на других поверхностях камеры сгорания, что может вызвать повреждение системы. За камерой сгорания требуется осуществлять дополнительную газоочистку и контроль содержания оксидов азота.

Для контроля выбросов в стандартном котельном хозяйстве применяются другие системы с использованием тканевых фильтров. Тканевые фильтры, однако, не применимы в системах очистки горячих газов в газовых турбинах.

В общем эффективное уменьшение содержания взвешенных твердых частиц в газовой потоке, образовавшихся при сгорании, остается серьезной проблемой, связанной с отсутствием экономически эффективной системы удаления частиц, в особенности очень мелких частиц. Возможности использования существующих систем сбора и удаления частиц ограничиваются условиями эксплуатации генератора. Таким образом, нужны новые подходы, позволяющие предложить систему, при которой в генераторах, требующих использования тщательно очищенных газов, можно было бы применять топливо, при сгорании которого образуются твердые частицы. Любая такая новая система должна обладать рядом признаков, таких как высокая эффективность сгорания, высокая способность к улавливанию серы, высокая степень удаления твердых частиц топлива, небольшие выбросы оксидов азота и высокая степень улавливания щелочных паров, образующихся при сгорании топлива. Кроме того, новая система, обладающая перечисленными признаками, должна быть относительно недорогой и не должна требовать трудоемкой подготовки и предварительной очистки топлива, используемого для сжигания.

Акустическое спекание является процессом, в котором для спекания частиц субмикронных и микронных размеров в аэрозоли применяется звук высокой интенсивности. По сути своей спекание является процессом предварительной подготовки, направленным на повышение гранулометрического состава захваченных или взвешенных частиц с целью достижения высокой степени улавливания и очистки при использовании циклона или иных обычных уловителей. Акустические волны вызывают усиление относительного движения твердых частиц и, следовательно, увеличивают частоту столкновений. Если частицы сталкиваются, они могут слипаться вместе. В результате акустического воздействия гранулометрический состав частиц в аэрозоле быстро и в значительной степени смещается от мелкого к более крупному. Более крупные частицы могут быть более эффективно отфильтрованы из потока газа с помощью обычных устройств удаления твердых частиц, таких как циклоны. Сочетание камеры акустического спекания микрочастиц с последовательно расположенными одним или несколькими циклонами позволяет получить высокоэффективную систему очистки содержащих твердые частицы газов, таких как горячие топочные газы из камер сгорания высокого давления.

Акустическое спекание мелких частиц в горячих газообразных продуктах сгорания и других источниках, несущих тонкую пыль отходящих потоков, изучают с перерывами в течение многих лет. Существующие способы акустического спекания, будучи эффективными для получения частиц более крупных размеров (от 5 до 20 мкм) для более эффективного удаления с помощью обычных устройств, все же не рассматриваются в качестве потенциальных очистных устройств из-за большого потребления энергии. Так, например, тонкие частицы зольной пыли (размером менее 5 мкм) спекали с использованием высокоинтенсивных акустических полей высокой частоты, достигающих диапазона 1000 - 4000 Гц. Эти высокие частоты необходимы, чтобы не допустить унос мелких частиц и осуществлять столкновения между ними и, следовательно, спекание мелких частиц.

В существующих устройствах акустического спекания акустические поля создаются сиренами, пневматическими рупорами, электромагнитными громкоговорителями и т.п. Генерирование получаемой акустической волны для звукового спекания требует затрат энергии, которые оцениваются в пределах от 0,5 до 2 л. с/1000 куб. фут/мин (1,3-5,3 кВт/1000 куб. м/мин). При этом наблюдаются значительные потери мощности, как будет отмечено ниже, даже в случае эффективных рупоров, сирен и т.п., кпд которых обычно составляет от 8 до 10%.

Сирены, пневматические рупоры и т.п. требуют вспомогательных компрессоров для сжатия воздуха, необходимого для их работы. Требующееся давление обычно значительно превышает давление, имеющееся на выходе компрессора газовой турбины, что создает необходимость в устройствах, создающих это давление, если намечено использовать турбину или использовать вспомогательный компрессор. Электромагнитные акустические устройства требуют специальных конструкций и предосторожностей для того, чтобы обеспечить надежность, эксплуатационную готовность и долговечность оборудования.

Аналогично требуются усилители мощности для привода некоторых громкоговорителей, чтобы получить давление звука в 160 децибел (дБ) или более. Все указанные акустические системы оказываются, таким образом, неэффективными по меньшей мере с точки зрения стоимости.

Устройство и способ, являющиеся предметом настоящего изобретения, позволяют преодолеть перечисленные выше недостатки и обладают нужными признаками, перечисленными выше в отношении использования схемы импульсной камеры сгорания для усовершенствованного акустического спекания в газовом потоке.

Сущность изобретения.

Целью настоящего изобретения является создание усовершенствованного устройства для удаления твердых частиц из газового потока. Другой целью настоящего изобретения является создание усовершенствованной камеры сгорания, работающей на топливе с высоким содержанием серы, таком как угли, с одновременной очисткой от частиц, возникающих при сжигании такого топлива и избеганием нежелательных газообразных выбросов.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание высокоэффективной импульсной системы сжигания для улучшения акустического спекания частиц.

Еще одной целью согласно настоящему изобретению является создание усовершенствованного способа удаления частиц из потока газа.

И еще одной целью настоящего изобретения является создание средства удаления щелочных паров, образующихся в процессе сжигания топлива.

Другой целью настоящего изобретения является улавливание загрязнений и спекание частиц продуктов, образующихся при сгорании за один пропуск потока газа.

Другой целью, согласно настоящему изобретению, является разработка устройства для создания низкочастотного акустического поля для улучшения спекания частиц, образующихся в процессе горения.

Еще одной целью изобретения является создание подсистемы для удаления загрязнений после импульсного горения, предназначенной для включения в систему отвода газов из камеры сгорания.

Другой целью изобретения является создание устройства, предназначенного для удаления частиц из газового потока и позволяющих уменьшить выбросы оксидов азота.

Другой целью изобретения является создание средства улавливания и удаления из потока газообразных продуктов сгорания производных серы.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание усовершенствованного способа удаления твердых частиц из потока газа.

Другой целью настоящего изобретения является создание усовершенствованного способа сорбции загрязнений из потока газа и спекания частиц за один проход через систему.

И еще одной целью настоящего изобретения является создание способа улучшенной очистки потока газа.

В целом устройство, согласно изобретению, содержит средство для приема потока газа, так что поток газа со взвешенными в нем твердыми частицами может проходить через него, импульсное средство сжигания, сообщающееся со средством для приема потока газа, причем импульсное средство сжигания может создавать пульсирующий поток горячих продуктов сгорания и акустическую волну с частотой в пределах от приблизительно 20 до приблизительно 1500 Гц, которая воздействует на поток газа таким образом, что происходит акустически улучшенное спекание частиц для последующего улучшения удаления частиц.

Более конкретно, в некоторых случаях в поток продуктов сгорания вводят дополнительные частицы, наиболее предпочтительно в месте сочленения камеры сгорания с резонансной трубой(ами) или рядом с ним. Дополнительные частицы могут служить сорбентом для загрязнений в одном из потоков, таких как производные серы, обеспечивая сорбцию загрязнений и бимодальное спекание взвешенного твердого материала. При таком решении внесение сорбента в сочленении камеры сгорания с резонансной трубой или рядом с ней позволяет получить высокопористый сорбент для лучшей сорбции загрязнений. В других вариантах реализации спекания может иметь место при сингулярном распределении размеров частиц. Иными словами, в случае если предпочтительно мономодальное спекание, средство внесения дополнительных частиц может быть исключено из устройства и спекание осуществляется с использованием мономодального распределения частиц по размерам.

В другом варианте реализации в устройство спекания могут быть включены источники увлажнения. В частности, когда устройство спекания используется как часть систем очистки, предпочтительным, но не абсолютно необходимым является присутствие капель воды. Взаимодействие сорбента серы и капель воды способствует улавливанию серы и, соответственно, увеличивает десульфурацию в канале, в устройстве спекания.

В целом способ, согласно изобретению, включает операции импульсного сжигания топлива для получения потока горячих продуктов сгорания и волны акустического давления с частотой в диапазоне от приблизительно 20 до приблизительно 1500 Гц для воздействия на поток газа со взвешенными в нем частицами, так что происходит улучшенное акустическое спекание частиц, позволяющее улучшить их удаление.

Более конкретно в настоящем способе могут быть использованы более крупные частицы по гранулометрическому составу по сравнению с гранулометрическим составом взвешенных частиц. Эти внесенные частицы могут также служить сорбентом для загрязнений в потоке газа, таких, как соединения серы. Кроме того, при таком решении в импульсное средство сжигания возле сочленения камеры сгорания и резонансной трубы вносят частицы, являющиеся сорбентом.

Кроме того, в настоящем процессе может осуществляться мономодальное спекание с использованием частиц, взвешенных в горячем потоке газообразных продуктов сгорания, отходящих от импульсной камеры сгорания. Мономодальное распределение размеров частиц приемлемо для акустического спекания и улавливания частиц в особенности в случае широкого гранулометрического состава частиц топлива и/или сорбента. Как указано выше, добавление источников увлажнения также может способствовать улучшению процесса.

Краткое описание чертежей.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретным вариантом его воплощения со ссылками, но сопровождающими чертежи, на которых:

фиг. 1 изображает схематически устройство для удаления частиц, захваченных газовым потоком, согласно изобретению;

фиг. 2 изображает другой вариант реализации устройства для удаления частиц, захваченных газовым потоком, согласно настоящему изобретению;

фиг. 3 изображает схематически устройство для удаления частиц, захваченных газовым потоком, в виде очистной системы, добавленной к отводящей системе существующей камеры сгорания, согласно изобретению;

фиг. 4 изображает схематически устройство для удаления частиц, захваченных газовым потоком в виде приставки к существующей турбине с приводом от камеры сгорания, согласно изобретению;

фиг. 5 изображает предпочтительную конструкцию импульсной камеры сгорания, согласно изобретению;

фиг. 6 изображает схематически другой вариант устройства для удаления частиц, захваченных потоком газа, согласно изобретению;

фиг. 7 схематически изображает еще один вариант устройства для удаления частиц, захваченных газовым потоком, согласно изобретению;

фиг. 8 схематически изображает еще один вариант устройства для удаления частиц, захваченных газовым потоком, согласно изобретению;

фиг. 9 схематически изображает другой вариант устройства для удаления частиц, захваченных газовым потоком, в виде очистной системы, добавленной к отводящей системе существующей камеры сгорания, согласно изобретению;

фиг. 10 схематически изображает еще один вариант устройства для удаления частиц, захваченных газовым потоком, в виде очистной системы, добавленной к отводящей системе существующей камеры сгорания, согласно изобретению;

фиг. 11 схематически изображает вариант устройства для удаления частиц, захваченных газовым потоком, в виде очистной системы, добавленной к отводящей системе существующей камеры сгорания, согласно изобретению.

Предпочтительный вариант выполнения устройства для удаления захваченных потоком газа частиц перед подачей газа в турбогенератор включает импульсное средство сжигания со средствами улавливания и удаления частиц, как показано на фиг. 1. На фиг. 1 импульсное средство 10 сжигания последовательно соединено со средством 20 улавливания и удаления частиц, так чтобы спеченный материал, образованный в газовом потоке, проходящем через него, мог быть удален из газового потока средством 20 улавливания и удаления частиц. После того, как средство 20 улавливания и удаления частиц отделяет частицы от потока газообразных продуктов сгорания, газовый поток, в этом конкретном варианте реализации, приводит в действие газотурбинный генератор 40. Турбина 40 передает вращение на генератор 50 и воздушный компрессор 60. Поскольку газовый поток, подающийся на турбину, подвергают акустическому спеканию и удалению механического материала, согласно изобретению, поток газа оказывается достаточно чистым для того, чтобы приводить в действие турбину 40 без заметного отрицательного воздействия на нее.

Импульсное средство 10 сжигания включает топливное клапанное средство 12, которое предпочтительно является аэродинамическим клапаном (струйным диодом), хотя возможно также применение аэродинамического клапана и т.п. Камера сгорания 14 сообщается с клапанным средством 12 и в зависимости от потребности получает через него топливовоздушную смесь. С камерой сгорания 14 сообщается резонансная труба или хвостовая труба 16. Устройство, являющееся предметом настоящего изобретения, включает также средство 15 для внесения в агломератор дополнительных частиц. Эти дополнительные частицы предпочтительно вносятся в импульсное средство 10 сжигания и будут объединяться с частицами в потоке горячих продуктов сгорания, образуя спеченный материал, как описано далее. Кроме того, импульсное средство 10 сжигания может включать воздушную камеру 18 и форсажную камеру (не показано). Резонансная труба 16 может быть представлена одной трубой или хвостовой трубой, как показано на чертеже, или множеством труб и, в предпочтительном варианте реализации, плавно расширяется в направлении от камеры сгорания 14. Резонансная труба 16 с раструбом служит диффузором, позволяющим уменьшить скорость газа на выходе из камеры 14 сгорания и обеспечивает рециркуляцию продуктов сгорания и увеличение резонансного времени частиц в пределах импульсного средства 10 сжигания.

В варианте реализации, показанном на фиг. 1, сжатый воздух из компрессора 60 подают в воздушную камеру 18 для увеличения тяги топливной смеси, поступающей в импульсное средство 10 сжигания, хотя это и необязательно. Резонансная камера 16 размещается таким образом, что ее внешний открытый конец позволяет продуктам сгорания, образованным в камере сгорания 14, поступать в средство приема газового потока, представленное секцией 19, хотя, как упоминалось выше, в рамки настоящего изобретения входит много различных вариантов технических решений. Газ проходит через приемное средство 19, в котором, как описано ранее, происходит спекание частиц.

В указанном варианте импульсное устройство сгорания является автономной системой с непосредственным горением в отличие от дополнительной подсистемы контроля выбросов, как показано на фиг. 3. Поэтому газовый поток является потоком продуктов сгорания из камеры сгорания 14 и включает нежелательные частицы, от которых его необходимо очистить и направить в турбину 40.

Средство 20 улавливания и удаления частиц, сообщающееся с импульсным средством 10 сжигания, может включать циклон 72, тканевый фильтр, скруббер или любое другое обычное устройство для удаления твердых частиц. Циклон 72 снабжен воронкой 74 с отверстием 76 для удаления из нее твердых отходов. Средство 20 улавливания и удаления сообщается также с газовой турбиной 40, так что поток очищенного газа может непосредственно воздействовать на нее в нужном режиме. Все устройство может быть футеровано огнеупорами и может быть водоохлаждаемым, в зависимости от потребностей системы в тепловой энергии.

В указанном варианте воздушная камера 18 сообщается с обходными воздушными каналами 17, через которые в средство приема газового потока 19 может поступать дополнительный воздух, чтобы дополнительно усилить спекание частиц.

Импульсное средство сжигания, в предпочтительном варианте, содержит по меньшей мере один аэродинамический клапан или струйный диод, камеру сгорания и по меньшей мере одну резонансную трубу. Подходящую топливовоздушную смесь пропускают через клапан в камеру сгорания и взрывают. При запуске предусмотрено использование вспомогательного устройства зажигания. Взрыв топливной смеси вызывает резкое увеличение объема и выделение продуктов сгорания, которые сжимаются в камере сгорания. При расширении горячего газа возникает потенциальное течение в направлении резонансной трубы со значительным импульсом. После этого в камере сгорания из-за инерции газов в резонансной трубе возникает вакуум. Только небольшой части отходящих газов удается вернуться в камеру сгорания, в то время как остальной газ покидает резонансную трубу. Из-за того, что давление в камере сгорания оказывается ниже атмосферного, в камеру сгорания всасывается дополнительная топливовоздушная смесь и осуществляется автоматическое зажигание. И вновь клапанное средство ограничивает течение в обратном направлении, а цикл возобновляется. После инициирования первого цикла процесс становится самоподдерживающимся. Топливный клапан, применяемый во многих системах импульсного сгорания, является механическим клапаном типа "захлопывающегося пана". Захлопывающийся клапан в действительности является запорным клапаном, допускающим течение в направлении камеры сгорания и ограничивающим течение в обратном направлении за счет расположения механического седла. Хотя в настоящей системе и может использоваться такой механический клапан, предпочтительным является механический клапан без движущихся частей. При использовании аэродинамических клапанов во время расширения в клапане возникает связывающий слой и турбулентные завихрения в значительной степени гасят течение в обратном направлении. Кроме того, выхлопные газы имеют гораздо более высокую температуру, чем газы на входе. Поэтому вязкость газа значительно выше, и обратное сопротивление на входе, в свою очередь, значительно выше, чем для текущего вперед потока через то же самое отверстие. Такое явление, наряду с большой инерцией выхлопных газов в резонансной трубе, способствует в сочетании возникновению предпочтительного и среднего течения от входа к выходу. Таким образом, предпочтительное импульсное устройство сжигания представляет собой самовсасывающийся двигатель, самостоятельно всасывающий воздух и топливо в камеру сгорания, что сопровождается автоматическим зажиганием.

Импульсные системы сжигания регулируют собственную стехиометрию в определенных пределах горения без сложных устройств для регулирования соотношения массового расхода топлива и воздуха. При повышении расхода топлива возрастает интенсивность пульсаций давления в камере сгорания, что, в свою очередь, ведет к увеличению количества воздуха, всасываемого аэродинамическим клапаном, что позволяет устройству сжигания автоматически поддерживать по существу постоянную стехиометрию в заданном диапазоне. Заданную стехиометрию можно изменить путем изменения струйной двусторонней пропускной способности аэродинамического клапана.

Предпочтительное устройство импульсного сжигания, используемое для сжигания угля, основано на модели Гельмгольца с аэродинамическим клапаном. Колебания давления, вызванные сгоранием в имеющей форму резонатора камере сгорания Гельмгольца, наряду со струйной двусторонней пропускной способностью аэродинамического клапана вызывают течение по диагонали от входа в камеру сгорания к выходу в резонансной трубе. Это ведет к самовсасыванию камерой сгорания воздуха для горения и к возрастанию среднего давления в камере сгорания, вызывающего выбрасывание продуктов горения через резонансную трубу с высокой средней скоростью потока (более 1000 фут/с (305 м/с).

Неотъемлемой особенностью импульсного сгорания является получение модной акустической волны. Мощность звука на участках, прилегающих к стенке камеры импульсного сгорания, составляет порядка 110-190 дБ и может быть изменена в зависимости от нужной частоты акустического поля, чтобы добиться выполнения конкретных задач, для которых предназначено импульсное устройство сжигания.

Быстрые колебания давления в камере сгорания вызывают интенсивные колебания поля потока. В случае сгорания угля пульсирующее поле потока вызывает унос продуктов сгорания от вступившего в реакцию твердого угля, обеспечивая таким образом доступ к кислороду при незначительном ограничении диффузии или полном его отсутствии. Во-вторых, для импульсных устройств сжигания характерна очень большая интенсивность массопереноса и теплопереноса в зоне горения. В то время как эти камеры сгорания имеют тенденцию к очень высокой интенсивности выделения тепла (обычно в десять раз больше по сравнению с обычными горелками), интенсивный массоперенос и теплоперенос в зоне горения способствуют достижению более равномерной температуры. Таким образом, пиковые значения температуры значительно ниже, чем в случае обычных систем, что ведет к значительному уменьшению образования оксидов азота (NO_x). Высокая интенсивность выделения теплоты ведет к уменьшению требующихся размеров камеры сгорания при заданном расходе топлива и уменьшению требующегося времени резонанса.

Настоящее изобретение особенно полезно в случаях, когда в импульсном устройстве сжигают дешевое, обладающее высоким содержанием серы и высокой зольностью измельченное угольное топливо. Спекание частиц и их эффективное удаление с помощью настоящего изобретения позволяет использовать в настоящем устройстве сжигания стандартный измельченный уголь. Этот уголь, в частности, позволяет получить более крупные частицы золы по сравнению с теми, которые образуются при сгорании топлива, измельченного до микронных размеров, что способствует возникновению центров спекания мелких частиц зольной пыли в потоке газообразных продуктов сгорания при более низких частотах, как описано здесь. Экономические преимущества такого варианта очевидны, поскольку стандартное измельченное топливо дешевле измельченного до микронных размеров. Лучше также использовать угли, не прошедшие глубокого обогащения с дорогостоящим уменьшением содержания золы. Возрастание частиц золы от средних до больших размеров, которые должны получаться в результате сгорания умеренно обогащенного топлива, способствует повышению эффективности бимодального динамического фильтра при спекании частиц согласно настоящему изобретению. Конечно, использование стандартного измельченного топлива ведет к повышению содержания загрязнений, таких как производные серы и в особенности двуокись серы, и выделению паров щелочей, таких как хлорид натрия, хлорид калия и сульфат натрия. Однако эти дополнительные загрязнения могут быть эффективно удалены из потока газа в соответствии с настоящим изобретением, а продукты сгорания, образующиеся из стандартного измельченного угля, могут быть подвергнуты эффективному спеканию и удалению.

Пульсирующее поле потока, создаваемое импульсным устройством сжигания, обеспечивает высокую интенсивность межфазного массопереноса. Благодаря достаточно высокой температуре сгорания топливной пыли на выходе резонансной трубы импульсного устройства сжигание оказывается по существу полным. Кроме того, температура может поддерживаться на уровне ниже необходимого для плавления золы, если процесс идет без ошлаковывания. Однако температура может быть повышена до температуры плавления золы, если требуется процесс ошлаковывания. Кроме того, дополнительное время нахождения потока в резонансной трубе обеспечивает высокую степень превращения углерода и высокую эффективность сгорания.

Выход летучих и сгорание топливной мелочи в импульсном устройстве сжигания способствуют также выделению значительной части серы, находящейся в топливе, до того как топливная мелочь покинет хвостовую трубу или резонансную камеру. Согласно изобретению, более конкретно описанному ниже, внесенные частицы могут быть, и предпочтительно являются, сорбентом для серы, который обеспечивает высокую вероятность поглощения серы частицами сорбента. Рециркуляция мелочи, как последствие конструкции резонансной трубы, также способствует достижению высокой эффективности улавливания серы при низких молярных соотношениях подачи Ca/S, что ведет к снижению затрат на сорбент и удаление отходов. Импульсные устройства сжигания по сути своей являются устройствами с низким образованием NO_x. Интенсивность теплопереноса в пульсирующем течении выше, чем в обычных системах с устойчивым потоком, что ведет к понижению температуры в камере сгорания. Кроме того, высокая интенсивность перемешивания горячих продуктов сгорания и более холодных остаточных продуктов предыдущего цикла сгорания и поступающих холодных реагентов ведет к сокращению времени резонанса при высокой температуре, что препятствует образованию NO_x. В результате выбросы NO_x из систем, являющихся предметом настоящего изобретения, ниже, чем из обычных камер сгорания.

Показанная на фиг. 1 импульсная система удаления частиц с прямым сжиганием работает следующим образом.

Топливо-воздушная смесь поступает в воздушную камеру 18 и затем через одно или несколько клапанных средств 12 в камеру 14 сгорания. Исходную смесь, поступающую в камеру 14 сгорания, воспламеняют любым образом: либо искрой, газовой горелкой и т.п. 14". Образовавшиеся продукты сгорания затем резонируют через резонансную трубу 16. Как указано выше, после начала исходного цикла сгорания импульсное горение становится самоподдерживающимся.

Средство 10 импульсного сжигания создает мощную акустическую волну за счет наведенных сгоранием колебаний давления при сжигании топлива. Полученное в результате горения звуковое поле резонирует в резонансной трубе 16 и воздействует непосредственно на газовый поток, несущий частицы. Не требуется сжатого воздуха, который приводит в действие сирену или пневматический рупор, не требуется электроэнергии, применяемой для привода электромагнитного громкоговорителя. Однако, как показано выше, в воздушную камеру 18 может быть подан дополнительный сжатый воздух, который может рециркулировать для повышения тяги. Импульсное устройство сжигания снимает, таким образом, потребность в паразитной мощности для создания акустического поля.

В заявленном устройстве прямого сжигания угля и способе импульсное средство сжигания создает пульсирующий поток газообразных продуктов сгорания с захваченными им первыми частицами. Эти первые частицы являются обычно мелкой зольной пылью, образующейся при сгорании топливовоздушной смеси и имеющей размеры около 4 мкм. Акустическая волна, созданная импульсным средством 10 сжигания, воздействует на газовый поток для акустически усиленного бимодального спекания частиц в газовом потоке, когда в нем присутствуют дополнительные или другие частицы иного гранулометрического состава. Бимодальное образование спеченных частиц способствует увеличению общих размеров частиц и улучшению удаления спеченных частиц обычными способами. Эффективность процесса спекания улучшается за счет увеличения суммарной удельной массы частиц, рассеянных в газовом потоке. При данном гранулометрическом составе более высокая удельная масса способствует появлению большего количества частиц на единицу объема, что, в свою очередь, увеличивает вероятность столкновений между частицами, ведущих к спеканию. Поэтому добавление второго вида, обозначенное здесь как внесение в поток горячих газообразных продуктов сгорания, или другой поток дополнительных частиц, ведет к увеличению суммарной массы. Реализованная благодаря этому бимодальная процедура способствует повышению эффективности процесса спекания.

В дополнение к этому феномену дальнейшее увеличение числа столкновений частиц и связанное с ним усиление спекания достигается за счет интенсификации ортокинетических взаимодействий между двумя видами. Происходят также гидродинамические взаимодействия. Предпочтительно, чтобы другие частицы, внесенные в поток горячих продуктов сгорания, имели более крупный гранулометрический состав по сравнению с частицами, уже захваченными газовым потоком, в результате чего усиливается относительное движение частиц, способствуя улучшению спекания.

Материал дополнительных частиц также предпочтительно вносят на или возле поверхности раздела между резонансной трубой 16 и камерой сгорания 14, которая является зоной сильного выделения тепла и активного теплопереноса, особенно в тех случаях, когда дополнительные частицы являются сорбентом серы и тому подобного. Сильный нагрев таким образом способствует быстрому обжигу, создавая пористость обожженного сорбента, что, в свою очередь, способствует достижению большого значения отношения поверхности к массе без необходимости тонкого измельчения сорбента. Наряду с влиянием, которое оказывает пульсация поля потока на массоперенос газа, внесение частиц в точке, рядом с которой на частицы может воздействовать акустическая волна, способствует улучшению использования сорбента при относительно низких молярных отношениях кальция к сере.

Импульсные устройства сжигания, являющиеся предметом настоящего изобретения, создают низкочастотные акустические поля с частотами в диапазоне от приблизительно 20 до приблизительно 1500 Гц. Более высокие частоты способствуют усилению колебаний материала частиц в расчете на единицу времени в газовом потоке, на который воздействует акустическое поле. Однако повышение частоты ведет к пропорциональному уменьшению амплитуды относительного движения частиц за цикл.

Как было показано выше, более высокие частоты часто вызывают значительное выделение тонких частиц в газовом потоке. Однако поскольку размеры дополнительных частиц, вносимых в поток горячих продуктов сгорания, подбираются предпочтительно таким образом, чтобы было больше частиц, уже находящихся в потоке, частота, необходимая для выделения уменьшается. Так, например, для частиц размерами 100 мкм в газовом потоке при температуре 1600^oF (871^oC) и давлении 10 атм коэффициент уноса должен составить 0,1 при частоте всего 100 Гц. Таким образом, амплитуда колебательного смещения частиц составляет всего одну десятую часть от этого показателя для газового потока со значительным (около 90% от амплитуды смещения газа) относительным смещением газового потока и частиц. Зольная пыль будет почти полностью захвачена пульсирующим полем потока с коэффициентом уноса при частоте около 100 Гц, превышающим 0,99. Это, в свою очередь, ведет к столкновению между частицами зольной пыли и более крупными частицами сорбента, становящимися центрами спекания, вызывая спекание частиц зольной пыли с дополнительными частицами. Поскольку амплитуда относительного движения частиц зольной пыли, захваченных газовым потоком, и дополнительных частиц должна быть порядка 80 - 90% от амплитуды колебательного смещения газа, а такие смещения выше при низких частотах, количество столкновений за один цикл колебаний увеличивается. Таким образом, этот бимодальный подход к спеканию частиц, который по сути своей означает, что происходит спекание между собой частиц различного гранулометрического состава, образует вид динамического фильтра для сбора частиц зольной пыли на других, более крупных частицах, внесенных в газовый поток.

Предпочтительно, чтобы импульсное устройство сжигания генерировало акустические поля с частотами от приблизительно 50 до приблизительно 250 Гц. Высокоинтенсивные акустические поля обладают уровнями давления звука, обычно превышающими 160 дБ, обеспечивая значительно более высокие характеристики массопереноса. Эти характеристики способствуют повышению утилизации сорбента, увеличивая интенсивность переноса производных серы к поверхности частиц сорбента и повышая проникновение в пористую структуру обожженных частиц сорбента. Обладающее высокой интенсивностью акустическое поле улучшает спекание, изменяя гранулометрический состав частиц таким образом, что мелкие микронные и субмикронные частицы спекаются, становясь более крупными частицами, которые могут быть более эффективно удалены обычными устройствами для удаления твердых частиц.

Согласно изобретению, улавливание загрязнений, таких как производные серы, происходит одновременно со спеканием частиц в газовом потоке. Дополнительные частицы, которые вносятся в газовый поток, в особенности при сжигании угля, предпочтительно представлены сорбентами серы, такими как известняк, доломит, гидратная известь и т.п., и подбираются таким образом, чтобы размер дополнительных частиц превышал размер частиц, предназначенных для спекания. Гранулометрический состав дополнительных частиц предпочтительно составляет от приблизительно 100 до приблизительно 150 мкм. Более крупные дополнительные частицы уменьшают величину частоты, требующейся для достижения значительного выделения частиц из газового потока. Это ведет к столкновениям между микрочастицами и более крупными частицами сорбента, вызывая таким образом спекание частиц с сорбентом. Размеры частиц и их распределение по размерам, применяемые в данном случае, будут относиться к размерам частиц в рамках схемы распределения. Поэтому более крупные размеры или гранулометрический состав частиц относятся к шкале распределения размеров, в которую входят более крупные частицы. Частицы пористого оксида кальция, используемого в качестве сорбента, под воздействием интенсивного акустического поля легко вступают в реакцию с производными серы, содержащимися в горячих газообразных продуктах сгорания, такими как SO₄, образуя твердый сульфат кальция (CaSO₄) внутри и возле пор, а также на поверхности сорбента. Сульфатированные частицы и зольная пыль от процесса сгорания спекаются и могут быть легко удалены из газового потока.

Эффективное улучшение спекания частиц в наибольшей степени выражено в увеличении размеров частиц сорбента. Это связано с тем, что акустически усиленный поток будет способствовать повышению диффузионных ограничений, с которым приходится сталкиваться в отношении более крупных частиц. Улучшение десульфурации и эффективное спекание частиц с удалением могут быть достигнуты одновременно без необходимости использовать дорогостоящие поглощающие материалы. Одновременное улавливание загрязнений и спекание, применяемые в данном случае, выполняются в одно время и за один проход.

После формирования крупных частиц материала содержащий его газовый поток проходит через средство улавливания и отделения 20, где материал отделяют от газового потока и удаляют. После этого очищенный газовый поток можно использовать для привода газовой турбины 40, которая, в свою очередь, может являться приводом компрессора 60 и/или генератора 50. Если для турбины 40 или какого-либо другого устройства, в котором используется газ, требуется нагретый газ, средство улавливания и удаления может нагреваться для поддерживания температуры газового потока на нужном повышенном уровне. Поток очищенного газа, включающий в основном газообразные продукты без значительного количества загрязнений, таких как производные серы и оксиды азота, может выбрасываться в атмосферу, не загрязняя ее.

Еще один вариант выполнения устройства, являющегося предметом настоящего изобретения, показан на фиг. 2 и содержит элементы, аналогичные изображенным на фиг. 1. Для дополнительной подачи топлива в канале между камерой 14 сгорания после клапанного средства 12 предусмотрено инжекционное отверстие 23. Кроме того, вместо плавно расширяющейся резонансной камеры 16, показанной на фиг. 1, на фиг. 2 показана относительно прямая резонансная камера 16 с диффузором 21 на внешнем конце. Диффузор 21 обеспечивает рециркуляцию мелких частиц для уменьшения выброса NO_x.

Подобно устройству, показанному на фиг. 1, на фиг. 2 показано средство 15 внесения дополнительных частиц для добавления дополнительных частиц в поток горячих продуктов сгорания. Отверстие 15 для внесения дополнительных частиц может быть расположено рядом с резонансной камерой 16, как показано на фиг. 1 и 2, или же может быть расположено в любом месте, где на частицы осуществляется воздействие акустической волны, которую генерирует импульсное устройство сжигания. Например, дополнительные частицы могут вноситься в устройство в точке, расположенной позади резонансной трубы 16. В таком устройстве средство внесения дополнительных частиц должно быть расположено таким образом, чтобы акустическая волна воздействовала на газовый поток для улучшения спекания частиц. Как было показано выше, дополнительные частицы предпочтительно являются сорбентом, предназначенным для поглощения различных загрязнений, таких как производные серы. Кроме того, поскольку изобретение относится к бимодальным устройству и способу, гранулометрический состав дополнительных частиц, внесенных в газообразный поток, должен отличаться от гранулометрического состава частиц, первоначально содержащихся в газовом потоке. В наиболее предпочтительном варианте реализации изобретения дополнительные частицы должны иметь более крупные размеры.

Устройство, изображенное на фиг. 2, включает также дополнительное впускное средство 27 для внесения в газовый поток третьего материала. В процессе сгорания твердых топлив часто образуются пары щелочей, таких как хлорид натрия, хлорид калия и сульфат натрия. Эти пары щелочей могут вступать в реакцию с заполненными серой частицами сорбента, образуя на поверхности сорбента сульфады щелочей и препятствуя эффективному поглощению. Для улавливания таких паров щелочей через третье впускное средство 27 могут вводиться материалы, поглощающие щелочи, такие как инфузорная земля, эматлит, кремнезем, боксит, вермикулит, гекторит и каолин. Введение поглощающих щелочи материалов дополнительно повышает эффективность динамического фильтра в процессе бимодального спекания благодаря дальнейшему увеличению удельной массы твердого материала и образованию в топочном газе более крупных центров спекания, удаляющих мелкие частицы из газового потока. Кроме того, возможно вдувание дополнительного воздуха через входное отверстие 33 для дальнейшего увеличения интенсивности столкновений между частицами в процессе спекания.

Импульсное средство 10 сжигания сообщается со средством 20 улавливания и удаления частиц.

Средство 20 улавливания и удаления содержит циклон 72, воронку 74 и, кроме того, может включать бункер 76 для твердого материала для дальнейшего размещения частиц, удаленных из газового потока. Циклон 72 имеет выпускное отверстие 73, через которое поток очищенного газа может пропускаться к турбине (не показано) или другому устройству. Циклон 72 может нагреваться так, как описано выше, может работать при температуре окружающей среды или же иметь систему водяного охлаждения в зависимости от того, что окажется предпочтительным.

Эта же концепция устройства может быть применена к любой системе, для которой требуется или которая обогащается потоком чистого газа, или к очистке газового потока перед выбросом его в атмосферу. Поэтому между импульсной системой сгорания и системой удаления твердых частиц могут быть расположены другие устройства, такие как котлы, нагреватели или тому подобное.

На фиг. 3 показан в качестве примера вариант реализации заявленного устройства, применяемого в качестве подсистемы для контроля выбросов, включенного в существующий газовый канал, например, отходящий от любой камеры сгорания. Приведенная в качестве примера камера сгорания (не показана) выбрасывает газовый поток через канал 100. Импульсная система сжигания, обозначенная в целом позицией 10, расположена в канале 100 или иным образом сообщается с ним при условии, что акустическое поле воздействует на газовый поток, находящийся в канале 100. Несущий с собой твердые частицы газовый поток, протекающий от системы сгорания (не показана) по каналу 100, образует комбинированный, содержащий твердые частицы поток вместе с горячими продуктами горения, отходящими из импульсного средства 10 сжигания. Импульсное средство 10 сжигания может включать описанные ранее элементы, но по меньшей мере должно включать основные клапаны, камеру сгорания и резонансную трубу.

Как было описано выше, в поток горячих продуктов сгорания, отходящих от импульсного средства 10 сжигания через средство 15 вносят дополнительные частицы. Частицы предпочтительно вносят возле сочленения камеры 14 сгорания и резонансной трубы 16, что обеспечивает воздействие на дополнительные частицы высокой температуры. Когда между частицами в канале 100 и частицами в потоке продуктов сгорания от импульсного устройства 10 сжигания существует достаточная разница в гранулометрическом составе, добавление дополнительных частиц может оказаться необязательным.

Комбинированный поток газа с твердыми частицами, который образован отходящими продуктами в канале 100 и продуктами сгорания от импульсного устройства 10 сжигания,ведет к формированию в канале 100 частиц крупного размера.

Акустическое поле, создаваемое импульсным устройством 10 сжигания, способствует этому спеканию, так что получившийся материал может быть затем направлен к обычному средству улавливания и удаления (не показано). После удаления твердых частиц топочный газ может приводить в действие турбину или иное устройство или же выбрасываться в атмосферу.

В канале 100, обычно в том месте, где отходящие продукты камеры сгорания и продукты сгорания от импульсного устройства сжигания сливаются в единый поток, расположен эдуктор 110. Эдуктор 110 может быть обычным устройством для смешивания газов и должен быть расположен на участке сильного ускорения газового потока с последующим замедлением для дальнейшего выделения частиц и массопереноса. Эдуктор способствует также спеканию частиц из-за различий в степени выделения более крупных частиц по сравнению с более мелкими частицами - обычно легко уносимыми твердыми зольными частицами. Включение в систему эдуктора 110 облегчает также регулирование подачи воздуха для совершенствования контроля выбросов NO_x, способствует улучшению акустической связи между резонансной камерой 16 и участком канала 100, на котором происходит акустическое спекание, обеспечивая хорошее перемешивание в потоке твердой и газовой фаз.

На фиг. 4 схематически изображено устройство для удаления твердых частиц с импульсным сжиганием, применяемое в качестве дополнительной подсистемы. Устройство удаления частиц, являющееся предметом настоящего изобретения и обозначенное общей позицией 200, включено между существующей системой 210 сгорания и устройством 240, приводимым в действие газом, и включает импульсное средство сжигания 220 и средство улавливания и удаления твердых частиц 230. Система может быть скомпонована так, как показано на фиг. 3, или иным образом. Аналогично очистка может следовать котлом для очистки отходящих газов.

В другом конкретном варианте реализации настоящего изобретения из конструкции может быть исключено средство внесения дополнительных частиц. В частности, если вдуваемое в систему топливо и/или сорбент имеют широкий разброс по гранулометрическому составу, для акустического спекания с последующим улавливанием и удалением твердых частиц приемлемым оказывается мономодальный гранулометрический состав. Одна из таких конструкций, иллюстрирующая устройство мономодального спекания, показана на фиг. 6. Поток горячих продуктов сгорания, образующихся в процессе импульсного сгорания вдуваемого топлива, оказывается достаточным с точки зрения гранулометрического состава частиц, чтобы осуществлять эффективное спекание частиц. Подобно устройству, показанному на фиг. 1, частицы удаляют из системы, а очищенный газ поступает к турбине 40.

На фиг. 7 проиллюстрирован еще один вариант устройства спекания. В частности, импульсное средство 14 сжигания сообщается со средством для приема газового потока, представленным секцией 19, которая сообщается далее с циклоном 72, снабженным средством сбора, например, воронкой 74. Устройство идентично показанному на фиг. 1, за исключением того, что отсутствует средство внесения дополнительных частиц 15, и добавлены другие элементы. В частности, предусмотрено средство 320 вдувания для подачи в импульсную камеру 14 сгорания топлива, такого как уголь, нефть, газ, мусор и т.п. Различные сорбенты для удаления газов, содержащих сероводород, или улавливания щелочей могут вводиться через отверстие 23. Однако отверстие 23 не является обязательным для практического осуществления процесса спекания.

В конкретном варианте реализации импульсная камера 14 сгорания имеет водяную рубашку, снабженную впускным патрубком 315 для охлаждающей воды и отводящим патрубком 325 для горячей воды и пара. Кроме того, секция 19 для приема газового потока, которая служит камерой спекания, состоит из внутренней секции 335 и наружной кольцевой секции 345, причем резонансная труба 16 проходит приблизительно на половину длины внутренней секции 335. В поперечном направлении установлен отражатель 310 звука, предназначенный для настройки импульсного устройства сжигания. Эта конкретная конструкция резонансной трубы и камеры спекания применена для получения во внутренней секции 335 и кольцевом пространстве 345 стоящей волны (половинной волны), чтобы свести к минимуму акустические потери. Камера спекания служит пучностями давления и центром, соответствующим пучности скорости и узлу давления. Резонансная труба 16 образует пучность скорости при расположении вблизи от центра средства приема газового потока 19 для подходящих граничных условий и минимизации затухания звука. Кроме того, предусмотрено средство 300 улавливания для удаления из камеры спекания образовавшихся крупных частиц. Окончательное удаление твердых частиц выполняется так, как описано выше для устройства, изображенного на фиг. 1.

Еще в одном варианте реализации, показанном на фиг. 8, изображено устройство с применением бимодального процесса. Устройство идентично показанному на фиг. 7 и в основе своей аналогично тем, которые изображены на фиг. 1 и 2. Предусмотрено устройство 15, предназначенное для внесения частиц иных размеров для осуществления бимодального спекания, описанного выше. По желанию это отверстие 15 может использоваться для подачи дополнительного воздуха, топлива или сорбента, для контроля образования оксидов азота, удаления газов, содержащих сероводород, улавливания щелочей или иных целей. Так, например, ступенчатое изменение подачи воздуха или добавки для дожигания газа могут быть использованы для контроля образования оксида азота. Доломит, известняк или пушеная известь могут быть добавлены для улавливания серы, а инфузорная земля, каолинит или гекторит могут использоваться для улавливания щелочей.

В устройстве спекания могут быть использованы другие конструкционные решения. Так, например, односекционная камера спекания может иметь форму U-образной трубы для получения полной волны в камере с резонансной трубой 16, соответствующей приблизительно четверти длины волны. Такое устройство соответствует настоящему изобретению, однако не ограничивается им.

На фиг. 9 представлено другое устройство для спекания твердых частиц. Устройство идентично дополнительной системе очистки, показанной на фиг. 3, за исключением того, что исключено средство 15 для внесения дополнительных частиц. В данной системе имеет место мономодальное спекание без необходимости внесения частиц иных размеров.

На фиг. 10 показана другая система очистки, подобная изображенной на фиг. 3 и 9. Однако в нее включено средство 400 вдувания, предназначенное для внесения влаги в систему. В частности, в систему в качестве увлажняющего агента может впрыскиваться вода. В присутствии воды происходит улучшение процесса десульфурации, происходящего в канале, что связано с взаимодействием сорбента серы и капель воды, улучшающим улавливание серы.

На фиг. 11 представлена еще одна система очистки. Однако в этом конкретном варианте реализации предназначенное для увлажнения средство 400 вдувания применено вместе с различными другими средствами 401 и 402 вдувания. Через эти средства вдувания могут быть внесены различные реагенты, такие как разнообразные сорбенты, восстановители или материалы, улавливающие щелочи. При использовании в данном устройстве предназначенное для увлажнения средство вдувания 400 размещается в достаточной близости к средству вдувания 401, так что любой сорбент серы, внесенный в систему, улучшает взаимодействие сорбента серы и капель воды. Средство 401 может быть расположено непосредственно перед предназначенным для увлажнения средством вдувания для сведения к минимуму вероятности обжига и отрицательного воздействия на сорбент. Таким образом, возможно осуществление бимодального спекания в отличие от мономодального спекания, имеющего место в процессе, показанном на фиг. 10.

Для всех устройств, показанных на фиг. 6 - 11, процесс спекания твердых частиц идентичен описанному выше, за исключением того, что в некоторых вариантах имеет место мономодальное спекание без внесения дополнительных частиц иных размеров.

В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения предпочтительней конструкция импульсной камеры сгорания, показанная на фиг. 5. В этой конструкции использованы генераторы квадратной формы для осесимметричной геометрической формы, что позволяет включить ряд конструктивных и эксплуатационных признаков камеры.

Буквенно-цифровые обозначения импульсной камеры сгорания, показанные на фиг. 5, соответствуют следующим размерам, которые относятся к варианту камеры сгорания с ошлаковыванием (описанному ниже), которая имеет тепловую мощность 7,5 млн. БТЕ/ час (2,2 тыс. кВт/час) и может быть использована для определения других конструкций импульсной камеры сгорания. Входное отверстие 100 имеет диаметр 5,69 дюйма (144,5 мм), а выходное отверстие 101 - диаметр 5,06 дюйма (105,4 мм). Длина различных секций камеры сгорания имеет следующие значения: L₁ - 16,7 дюйма (410,7мм); L₂ - 4,15 дюйма (105,4 мм); L₃ - 4,31 дюйма (109,5 мм); L₄ - 3,40 дюйма (86,4 мм) при общей длине камеры сгорания от входного отверстия 100 до выходного отверстия 101, равной 28,03 дюйма (712 мм). Угол равен 40, отрезок P1 равен 25,15 дюйма (639 мм), отрезок R2 равен 6,46 дюйма (164 мм), отрезок R3 равен 4,31 дюйма (109,5 мм), отрезок R4 равен 3,40 дюйма (86,4 мм).

Обнаружено, что при использовании заявленного устройства удаления твердых частиц с импульсным сжиганием некоторые диапазоны значений являются предпочтительными. Желательно, чтобы уровень давления звука, сопровождающего волну давления, генерируемую в импульсном устройстве сжигания, хотя и может иногда быть ниже, но предпочтительно равен по меньшей мере 160 дБ при атмосферном давлении, 180 дБ при давлении 10 атм и 200 дБ при давлении 20 атм. Как было описано выше, предпочтительный диапазон частот для пульсаций акустической волны, генерируемой в импульсном устройстве сжигания, должен составлять от приблизительно 20 до 1500 Гц, наиболее желательно от приблизительно 50 до приблизительно 250 Гц. Предпочтительная разница в гранулометрическом составе между частицами, захваченными газовым потоком, которые должны быть удалены, и дополнительными внесенными частицами, должна быть такова, чтобы размеры внесенных дополнительных части превышали размеры частиц, первоначально захваченных газовым потоком.

Желательно, чтобы доля частиц меньшего размера не превышала 50 процентов от суммарного веса твердого материала. Предпочтительно, чтобы удельное содержание твердого материала составляло не менее 10 г/куб.м. Предпочтительная средняя длительность времени нахождения твердой частицы в резонансной трубе 16 составляет от приблизительно 2 до приблизительно 5 секунд. Предпочтительная температура горения газа в системе должна поддерживаться на уровне, более низком, чем температура, при которой предназначенные для спекания частицы начинают плавиться. Такая более низкая температура предупреждает появление расплавленных материалов (шлака) и таким образом гарантирует унос частиц газовым потоком до и после их спекания. Предпочтительно, чтобы температура газа в системе поддерживалась на уровне, по меньшей мере на 200^oF (прибл. 110^oC) ниже температуры размягчения или начальной деформации твердых частиц. Кроме того, тепловая мощность импульсной камеры сгорания долина предпочтительно составлять от приблизительно 1 до приблизительно б млн. БТЕ/час (0,29-1,74 тыс. кВт/час).