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

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

Реферат

 

Использование: в системах выработки энергии. Сущность изобретения: предлагаются усовершенствованные устройство и способ для удаления частиц, захваченных газовым потоком. Способ удаления предусматривает использование импульсного устройства сжигания для создания волны акустического давления для акустического усиления спекания твердых частиц, которые могут быть собраны и удалены с помощью обычного разделительного устройства. Устройство может быть использовано в виде системы с прямым сжиганием для улучшения работы приводимого в действие газом оборудования, такого, как газовая турбина, или альтернативно может быть использовано как дополнительная подсистема для очистки отходящих газообразных продуктов сгорания. Кроме того, добавляемые частицы могут включать сорбент для поглощения других загрязнений типа серы. В систему могут быть внесены и различные другие твердые частицы, предназначенные для удаления загрязнений, например реагенты, улавливающие щелочи. 5 с. и 31 з.п.ф-лы, 11 ил.

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 самоподдержив