專利名稱：脈動燃燒聲團(tuán)聚的設(shè)備和方法
本申請為1991年7月15日向美國專利和商標(biāo)局提交的序號為07/730,245的申請的部分繼續(xù)申請。
本發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種脈動燃燒的設(shè)備和方法用來使燃料燃燒產(chǎn)生的微粒聲團(tuán)聚，從而可使這些微粒從燃燒發(fā)出的氣流中除去。
本發(fā)明的背景利用某些燃料(如煤)直接燃燒傳統(tǒng)的動力發(fā)生系統(tǒng)時，燃料燃燒所產(chǎn)生的微粒是一個重大問題。這些微粒逗留在燃燒氣流中。因為使這些系統(tǒng)運行的氣流能有害地影響渦輪及類似物的壽命，氣流應(yīng)該基本上不帶微粒物質(zhì)。雖然可用傳統(tǒng)裝置如旋風(fēng)除塵器來從燃燒氣流中去除一些較大的固體微粒物質(zhì)，但這些裝置一般不能從氣流中除去較小的微粒。類似的問題在許多燃?xì)饬髦型瑯哟嬖冢渲杏行┪镔|(zhì)不是被燒掉而是形成懸浮的微粒。
從燃?xì)饬髦腥コ腆w微粒對燒煤的高級動力發(fā)生系統(tǒng)來說是極其重要的。特別是將燃?xì)廨啓C與高級煤燃燒器串聯(lián)耦合而成的直接燒煤的燃?xì)廨啓C，具有潛力可以達(dá)到很高的熱力循環(huán)效率。但煤基燃料的性質(zhì)卻阻止這些直接燒煤的燃?xì)廨啓C系統(tǒng)有效地運行并取得效率。傳統(tǒng)的燃?xì)廨啓C系統(tǒng)通常在燃燒系統(tǒng)中采用的是潔凈的高級石油餾份。而煤基燃料卻產(chǎn)生灰分和化學(xué)物如硫和燃料結(jié)合氮，這些在石油基燃料中都是不會有顯著數(shù)量的。這種在煤基燃料中的礦物質(zhì)會潛在地?fù)p害燃?xì)廨啓C的效率、降低可靠性、增加維修費用并有害地影響環(huán)境。由于燃?xì)饬髦械奈⒘：推渌镔|(zhì)帶來的腐蝕、沉積和磨蝕也常會使燒煤燃?xì)廨啓C的葉型效率降低。
燃?xì)廨啓C在直接燒煤時需有能夠減少或消除渦輪葉片磨蝕的設(shè)施，這種磨蝕是由于燒煤時所產(chǎn)生的燃?xì)饬髦写嬖谥w灰和其他微粒而造成的。如果這種磨蝕不減少，那么渦輪葉片的壽命就會很短，約為100小時的數(shù)量級，這樣就會抵銷直接燒煤燃?xì)廨啓C的經(jīng)濟(jì)適用性。
直接燒煤除了產(chǎn)生微粒燃燒產(chǎn)物外，還能釋放堿蒸汽和硫化合物，這種污染排放物能使渦輪葉片迅速腐蝕。燃料結(jié)合氮也可在燃?xì)饬髦行纬裳趸?NOx)排放物。雖然氧化氮本身對渦輪葉片并無影響，但它們卻是大氣中不希望有的污染物。因此需要有這樣的方法和工藝來從煙道出來的氣流中減少氧化氮的產(chǎn)生，或破壞或去除這種污染物，以便滿足凈化空氣法規(guī)的要求。但迄今為止還沒有找到經(jīng)濟(jì)適用的方法可在渦輪廢氣排放到大氣中之前將其中的污染物去除。
曾經(jīng)做過各種嘗試企圖克服上述和其他一些困難問題而提出一種經(jīng)濟(jì)可行和有效的方法，以便用于直接燃用固體燃料的燃?xì)廨啓C。也曾嘗試提出一種從燃?xì)饬髦腥コ?xì)小微粒的方法。例如煤燃料可在燃燒之前進(jìn)行超凈化，借以減小煤基污染物。這樣當(dāng)然會導(dǎo)致相當(dāng)大的財務(wù)負(fù)擔(dān)以及用煤時間的延遲。在一種這樣的方法中，煤被大范圍地凈化，企圖在燃燒之前把燃料中的灰分和硫去除。再將微粉深凈化的煤制成冷水煤漿，然后用作燃料。這個方法當(dāng)然是費錢的，但確能從煤制出基本上似油的漿狀燃料，不需多大調(diào)整便可用于燃?xì)廨啓C。雖然這樣，但煤的凈化和漿的制備所必需的費用卻是相當(dāng)高的，以致這個方法基本上已被放棄。
有一種制造潔凈燃?xì)饬鞯姆椒ㄊ菍⒅械葷崈舻娜紵a(chǎn)物連接到一個位在燃?xì)廨啓C上游的熱燃?xì)鈨艋到y(tǒng)上，進(jìn)行多級凈化，為了使載有微粒的燃?xì)饬鞒浞謨艋?，大多?shù)微粒控制裝置被用在第二級或第三級上。一般地說，這種方法的思路是用結(jié)渣燃燒器來去除彌漫的灰粒。燃?xì)廨啓C的煤燃燒器在足夠高的溫度下工作，其時燃燒空氣的量被化學(xué)計量控制到接近化學(xué)計算所需的量，并在一個絕熱的燃燒室內(nèi)燃燒，這樣灰分便可熔化并以渣滓的形式從煙道氣中除去。但這種方法仍在燃?xì)饬髦斜Ａ糁@著數(shù)量的殘余微細(xì)灰粒(平均粒度為4微米)，這些灰粒已足夠危害渦輪葉片。
結(jié)渣燃燒器系統(tǒng)還常利用位在燃?xì)廨啓C燃燒器下游和燃?xì)廨啓C本身上游的高溫陶瓷過濾器來捕捉殘余的微細(xì)灰粒，使它們不能進(jìn)入燃?xì)廨啓C內(nèi)磨蝕或損害渦輪葉片。但陶瓷過濾器只允許氣體以一很低的表面速度越過，并且在越過過濾器時會造成一個大到不能接受的壓力降。這樣就會使這種陶瓷過濾器的尺寸變得過大，因此也就很貴。另外，陶瓷過濾器是不可信賴的，因為它們很脆并易感受熱震動而產(chǎn)生熱應(yīng)力。而且，這種過濾器容易堵塞，因而需要有能使過濾器保持潔凈的設(shè)施，以免越過過濾器時由于它“裝滿”細(xì)小微粒而總是有一個不變的壓力降。
結(jié)渣燃燒器工作時所必須達(dá)到的高溫還能使燃燒過程中產(chǎn)生的氧化氮的數(shù)量增加。這樣，便又需要在煤燃燒器的下游設(shè)置另外的設(shè)施，以便減少氧化氮在發(fā)出的燃?xì)饬髦械臐舛取?br>
結(jié)渣燃燒器內(nèi)的高燃燒溫度對用干的硫吸附劑如石灰石或白云石來捕捉硫并不合適。因此在燃燒載硫的煤燃料時產(chǎn)生的氧化硫必須在燃燒器下游的某處從燃?xì)饬髦谐?。結(jié)渣燃燒器內(nèi)的高溫所造成的另一個副產(chǎn)品是釋放在燃?xì)饬髦械膲A蒸汽，這也是為了減少渦輪葉片的腐蝕必須除去的。
其他不結(jié)渣的設(shè)計利用的是設(shè)在燃?xì)廨啓C上游的干灰排除。在這些設(shè)計中，硫分是在一個三級燃燒器中用干的吸附劑捕捉的。這個方法的燃燒設(shè)備的多級積木化設(shè)計利用了一臺為灰分排除和硫分捕捉而改良的改良型三級燃燒器。有一臺氣動微粒分離器可使灰份排除物分離。但這種系統(tǒng)曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)會在燃燒器急冷區(qū)帶的表面上產(chǎn)生硬而黑的沉積物。這樣在急冷區(qū)帶上生成的意外的結(jié)渣，其硬化塊破裂后會流向下游而不重新沉積在燃燒器的其他表面上，因此能損壞整個系統(tǒng)。另外在燃燒器的下游還必須對燃?xì)膺M(jìn)行凈化并對氧化氮進(jìn)行控制。
還有些其他系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)的鍋爐操作中應(yīng)用織物過濾器技術(shù)來控制廢氣排放。但織物過濾器并不能應(yīng)用于燃?xì)廨啓C熱燃?xì)獾膬艋到y(tǒng)。
總之，由于缺少一種去除微粒、特別是極小微粒的價格可行而又有效的系統(tǒng)，有效地減少燃燒所產(chǎn)生的燃?xì)饬髦袘腋〉奈⒘Ｈ匀皇且粋€頭等重要的問題?，F(xiàn)有的微粒收集/去除系統(tǒng)已不能滿足發(fā)電裝置運行條件的需要。需要有革新的方法來提供一種系統(tǒng)使產(chǎn)生微粒的燃料能被用來運轉(zhuǎn)需要高凈燃?xì)獾陌l(fā)電裝置。任何這種系統(tǒng)應(yīng)該具有下列這些屬性如高的燃燒效率，高的捕捉硫的能力，高的固體燃料微粒的去除，低的氧化氮的排放，以及高的燃料燃燒產(chǎn)生的堿蒸汽的去除。另外，能夠提供上列屬性的新的系統(tǒng)還應(yīng)具有相對地說不貴的價格，并且還應(yīng)不需對燃燒用的燃料進(jìn)行重大的制備和預(yù)先的凈化。
聲團(tuán)聚(acoustic agglomeration)是利用高強聲能來團(tuán)聚氣懸體中亞微米和微米級微粒的一種工藝方法。所謂團(tuán)聚實質(zhì)上是一種用來增大被挾帶的或懸浮的微粒粒度分布的預(yù)處理工藝，以便能夠以高的收集/去除效率來應(yīng)用旋風(fēng)除塵器或其他傳統(tǒng)的分離器。聲波可以增強固體微粒間的相對運動，從而可以增加碰撞頻率。一旦發(fā)生微粒碰撞，它們便容易粘結(jié)在一起。聲能作用的綜合效果是，在氣懸體中微粒的粒度分布能顯著而又較快地由小粒度向大粒度轉(zhuǎn)移。較大的微?？捎脗鹘y(tǒng)的微粒去除裝置如旋風(fēng)除塵器較有效地從挾帶它們的燃?xì)饬髦袨V出。用一個聲團(tuán)聚室與一個或多個旋風(fēng)除塵器串聯(lián)結(jié)合可成為一種有希望的高效系統(tǒng)，可以用來凈化載有微粒的燃?xì)馊缤瑥募訅喝紵页鰜淼臒釤煹罋狻?br>
對熱燃?xì)夂推渌麃碓窗l(fā)出的載塵氣流中細(xì)小微粒的聲團(tuán)聚曾進(jìn)行了多年的斷續(xù)研究。雖然能夠制出較大粒度的微粒(5至20微米)以便較有效地被傳統(tǒng)裝置去除，但現(xiàn)有技術(shù)的聲團(tuán)聚方法由于要求大的功率，一般并不被看作是具有潛力的凈化裝置。例如，細(xì)小的飛灰微粒(粒度小于5微米)曾用具有在1000-4000Hz(赫茲)范圍內(nèi)的高頻率的高強聲場來團(tuán)聚。這樣的高頻率對于細(xì)小微粒的解脫以便實現(xiàn)它們之間的碰撞是必需的，因此也是細(xì)小微粒的聲團(tuán)聚所必需的。
在這些現(xiàn)有技術(shù)的聲團(tuán)聚裝置中，聲場是由多孔發(fā)聲器(氣笛)、空氣揚聲器(氣喇叭)、電磁揚聲器等產(chǎn)生的。進(jìn)行聲團(tuán)聚所需的最終聲波生成功率估計應(yīng)當(dāng)在5至2hp/1000cfm的范圍。因此存在著嚴(yán)重的附加功率損失，這在后面還要提到，即使所用的揚聲器、多孔發(fā)聲器等很有效也是如此，這些發(fā)聲器件的效率通常為8至10％。、多孔發(fā)聲器、空氣揚聲器等需要輔助的壓縮機，以便將空氣加壓到能起作用的程度。所需的壓力通常大大高于燃?xì)廨啓C壓縮機出口處可供的壓力，因此如果使用燃?xì)廨啓C，必須有一設(shè)施能提供該項所需壓力，或者利用輔助壓縮機。至于電磁揚聲器則需要有特殊的設(shè)計和預(yù)防措施，以便使所需的設(shè)備具有可靠性、可用性和足夠的使用壽命。而且，某些揚聲器為了發(fā)出160分貝(dB)或以上的聲壓，還需要有強力的放大器來驅(qū)動。因此至少從經(jīng)濟(jì)觀點來看，所有上述聲系統(tǒng)都是不經(jīng)濟(jì)的。
按照本發(fā)明的設(shè)備和方法，由于采用脈動燃燒器裝置而可用聲能促進(jìn)燃?xì)饬髦械奈⒘F(tuán)聚，因此可以克服現(xiàn)有技術(shù)的上述這些困難問題，并可具有上面列出的所需要的屬性。
本發(fā)明的綜述本發(fā)明的一個目的是要提供一種從燃?xì)饬髦腥コ⒘５母倪M(jìn)設(shè)備。
本發(fā)明的另一個目的是要提供一種改進(jìn)的燃燒器，該燃燒器能夠燒高硫分的燃料如煤，同時能將燃燒這種燃料所產(chǎn)生的微粒去除并能防止有害氣體的排放。
本發(fā)明再一個目的是要提供一種高效率的脈動燃燒器系統(tǒng)，以便用聲能促進(jìn)微粒的團(tuán)聚。
本發(fā)明的另一個目的是要提供一種從燃?xì)饬髦腥コ⒘５母倪M(jìn)方法。
本發(fā)明還有一個目的是要提供一種將燃料燃燒過程中產(chǎn)生的堿蒸汽去除的裝置。
本發(fā)明另一個目的是要在燃?xì)饬饕淮瓮ㄟ^時捕捉燃燒產(chǎn)物中污染物質(zhì)并使微粒團(tuán)聚。
本發(fā)明另一個目的是要提供一種設(shè)備，用來產(chǎn)生低頻聲場，以便促使燃燒時所產(chǎn)生的微粒團(tuán)聚。
本發(fā)明還有一個目的是要提供一種脈動燃燒而能去除污染物的子系統(tǒng)，以便添加在現(xiàn)有燃燒器的排氣系統(tǒng)上。
本發(fā)明另一個目的是要提供一種脈動燃燒設(shè)備，以便去除燃?xì)饬髦械奈⒘２⒔档脱趸欧盼铩?br>
本發(fā)明另一個目的是要提供一種裝置，以便從燃?xì)饬髦腥コ虻难苌铩?br>
本發(fā)明還有一個目的是要提供一種改進(jìn)的方法，以便從燃?xì)饬髦腥コ⒘！?br>
本發(fā)明另一個目的是要提供一種改進(jìn)的方法，以便從燃?xì)饬髦形瘴廴疚锊⒃谝淮瓮ㄟ^該系統(tǒng)時使微粒團(tuán)聚。
本發(fā)明另外還有一個目的是要提供一種方法，使燃?xì)饬鬟_(dá)到高度的潔凈。
一般地說，按照本發(fā)明的設(shè)備包括有一個接受燃?xì)饬魇馆d有懸浮微粒的燃?xì)饬髂軓钠渲型ㄟ^的裝置，一個與接受燃?xì)饬鞯难b置連通的脈動燃燒器裝置，所說脈動燃燒器裝置能夠產(chǎn)生熱燃燒產(chǎn)物的脈動氣流并能產(chǎn)生頻率大約在20至1500Hz范圍內(nèi)的聲波，該聲波作用在燃?xì)饬魃?，可用聲能促進(jìn)微粒的團(tuán)聚，以便在以后促進(jìn)微粒的去除。
更具體地說，在某些結(jié)構(gòu)中，在脈動燃燒器裝置的燃燒產(chǎn)物氣流中引入第二種或另一種微粒，并且最好是在燃燒室和諧振管的連接處或附近引入。第二種微?？梢允菤饬髦形廴疚锶缌虻难苌锏奈談芪瘴廴疚锊⑹箲腋〉奈⒘Ｎ镔|(zhì)進(jìn)行雙態(tài)團(tuán)聚。在這樣一種結(jié)構(gòu)中，在燃燒室和諧振管的連接處或附近引入吸收劑可以得到多孔的吸收劑，便于更好地吸收污染物。
在其他實施例中，有按單一的微粒粒度分布來進(jìn)行團(tuán)聚的。換句話說，當(dāng)單態(tài)團(tuán)聚是較好的選擇時，第二種微粒的引入裝置可從設(shè)備中省掉，充分的團(tuán)聚可用單態(tài)的微粒粒度分布來實現(xiàn)。
在另一個實施例中，可在團(tuán)聚設(shè)備上增添加濕源。特別是當(dāng)將團(tuán)聚器加入作為凈化系統(tǒng)的一部分時有小的水滴存在是比較好的，但不是絕對必需的。硫分吸收劑和小水滴的相互作用可促進(jìn)硫的被吸收，因此可增加團(tuán)聚設(shè)備內(nèi)的管道內(nèi)脫硫度。
一般地說，按照本發(fā)明的方法包括下列步驟使燃燒脈動燃燒，以便產(chǎn)生熱的燃燒產(chǎn)物氣流和頻率范圍約從20到1500Hz的聲壓力波，該聲波作用在載有懸浮微粒的燃?xì)饬魃希寐暷艽龠M(jìn)微粒的團(tuán)聚，使微粒得以更好地被去除。
更具體地說，在本方法的微粒粒度分布中可引入一種粒度比懸浮微粒大的微粒。這種引入的微粒也可以是一種吸收劑，用來去除燃?xì)饬髦械奈廴疚锶缌蚧衔?。在這種結(jié)構(gòu)中，另一種微粒特別是吸收劑是在燃燒室和諧振管的連接處附近引入到脈動燃燒器裝置內(nèi)的。
另外，在本方法中可用脈動燃燒器發(fā)出的熱燃?xì)饬髦械膽腋∥⒘＿M(jìn)行單態(tài)團(tuán)聚。特別是當(dāng)燃料及/或吸收劑具有廣闊的粒度分布時，可采用單態(tài)微粒粒度分布來進(jìn)行聲團(tuán)聚和微粒收集。如上所術(shù)，增添增濕源也可使本方法的效率提高。
附圖的簡要說明為實現(xiàn)本發(fā)明而設(shè)計的結(jié)構(gòu)將結(jié)合其他特點在后面予以說明。在閱讀下面關(guān)于本發(fā)明實施例的說明并參照作為其一部分的附圖后當(dāng)可對本發(fā)明有更清楚的了解。在附圖中
圖1為按照本發(fā)明用來去除燃?xì)饬髦兴鶔稁⒘５脑O(shè)備的概略示意圖。
圖2為按照本發(fā)明用來去除燃?xì)饬髦兴鶔稁⒘５脑O(shè)備的另一實施例的概略示意圖。
圖3為按照本發(fā)明用來去除燃?xì)饬髦兴鶔稁⒘５脑O(shè)備作為一個在現(xiàn)有燃燒器的排氣系統(tǒng)上添加的凈化系統(tǒng)時的概略示意圖。
圖4為用來去除燃?xì)饬髦兴鶔稁⒘５脑O(shè)備作為在現(xiàn)有的燃燒器和被驅(qū)動的燃?xì)廨啓C中加入的系統(tǒng)時的概略示意圖。
圖5為一個較優(yōu)的脈動燃燒器設(shè)計的示意圖。
圖6為按照本發(fā)明用來去除燃?xì)饬髦兴鶔稁⒘５牧硪粋€設(shè)備的概略示意圖。
圖7為按照本發(fā)明用來去除燃?xì)饬髦兴鶔稁⒘５牧硪粋€設(shè)備的概略示意圖。
圖8為按照本發(fā)明用來去除燃?xì)饬髦兴鶔稁⒘５牧硪粋€設(shè)備的概略示意圖。
圖9為按照本發(fā)明用來去除燃?xì)饬髦兴鶔稁⒘５牧硪粋€設(shè)備；作為一個在現(xiàn)有燃燒器的排氣系統(tǒng)上添加的凈化系統(tǒng)時的概略示意圖。
圖10為按照本發(fā)明用來去除燃?xì)饬髦兴鶔稁⒘５牧硪粋€設(shè)備作為一個在現(xiàn)有燃燒器的排氣系統(tǒng)上添加的凈化系統(tǒng)時的概略示意圖。
圖11為按照本發(fā)明用來去除燃?xì)饬髦兴鶔稁⒘５牧硪粋€設(shè)備作為一個在現(xiàn)有燃燒器的排氣系統(tǒng)上添加的凈化系統(tǒng)時的概略示意圖。
優(yōu)選實施例的說明按照本發(fā)明用來去除燃?xì)饬髦兴鶔稁⒘５囊粋€較優(yōu)的設(shè)備是將一個脈動燃燒器裝置與一個微粒收集/去除裝置結(jié)合在一起，放在燃?xì)庖氲綔u輪發(fā)電機之前，如圖1所示。在圖1中，總體用10標(biāo)出的脈動燃燒器裝置用管道與總體用20標(biāo)出的微粒收集/去除裝置連通，因此在燃?xì)饬髦行纬傻膱F(tuán)聚物能夠通過管道被微粒收集/去除裝置20從燃?xì)饬髦腥コ?。在微粒收?去除裝置將微粒從燃?xì)饬髦蟹珠_后，在這個具體的實施例中，燃?xì)饬骼^續(xù)前進(jìn)，這樣就驅(qū)動用燃?xì)夤ぷ鞯臏u輪40。渦輪40產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)機械能供應(yīng)到發(fā)電機50和空氣壓縮機60上。因為供應(yīng)到渦輪40的燃?xì)饬靼凑毡景l(fā)明曾經(jīng)接受過聲團(tuán)聚并被去除掉微粒，因此燃?xì)饬魇浅浞譂崈舻?，足可用來?qū)動渦輪40而不會對渦輪40產(chǎn)生顯著有害的影響。
脈動燃燒器裝置10包括一個最好是氣動閥(射流二極管，flu-idic diode)的燃料閥裝置12，雖然機械閥或類似物也是可以用的。燃燒室14與閥裝置12連通并按需要從后者接受燃料和空氣的混合物。有一諧振管或尾管16與燃燒室14連通。本發(fā)明的設(shè)備還包括將第二微粒引入到團(tuán)聚器內(nèi)的裝置15。這種添加的微粒最好如圖所示引入到脈動燃燒器裝置10內(nèi)，以便與熱燃燒產(chǎn)物內(nèi)的微粒結(jié)合形成團(tuán)聚物，這在后面還要說明。另外，脈動燃燒室10可包括一個空氣增壓室18和一個推力增強器(未示出)。諧振管16可以是一根單管式尾管，如圖所示，或者為多根管，并且在一較優(yōu)的方案中是從燃燒室14連續(xù)向外張開的。具有張開外形的諧振管16，其作用如同一個擴散器，可使燃?xì)鈴娜紵?4排出的速度放慢，并可提供燃燒產(chǎn)物的再循環(huán)及增加微粒在脈動燃燒器裝置10內(nèi)的諧振時間。
在圖1所示的實施例中，壓縮空氣從壓縮機60出來被送到增壓室18內(nèi)，以便加強送到脈動燃燒器裝置109內(nèi)的燃料混合物的推力，但這樣做并不是非要不可的。安排諧振室16時須使其外面的自由端能讓燃燒室內(nèi)產(chǎn)生的燃燒產(chǎn)物進(jìn)入到接受燃?xì)饬鞯难b置例如部分19內(nèi)，雖然如同后面提到的可有多種不多的布置，但都屬于本發(fā)明的范圍內(nèi)。燃?xì)饬鹘?jīng)接受裝置19并在其內(nèi)進(jìn)行所述的微粒的團(tuán)聚。
在圖1所示的具體實施例中，脈動燃燒器設(shè)備為一自成一套的直接燃燒的系統(tǒng)，這與圖3所示的添加的排放控制的子系統(tǒng)不同。因此，燃?xì)饬鳛閺娜紵页鰜淼娜紵a(chǎn)物，其中含有不需要的微粒，需要按照本發(fā)明加以凈化后再供給渦輪40。
與脈動燃燒器裝置10連通的微粒收集/去除裝置20可采用旋風(fēng)除塵器72袋濾室、滌氣器或其他傳統(tǒng)的固體分離器裝置。如圖1所示，在旋風(fēng)除塵器72上設(shè)有一個通道斗74，其上有一開口76，以便排除固體廢棄物。收集/去除裝置還與燃?xì)廨啓C40連通，以便凈化后的燃?xì)饬髂苡眠m當(dāng)?shù)牟僮鞣绞街苯幼饔迷跍u輪上。整個設(shè)備可用耐火材料襯砌或者可用水冷，這要看系統(tǒng)的熱要求而定。
在圖1所示的實施例中，空氣增壓室18與旁路空氣導(dǎo)管17連通，通過這些導(dǎo)管可使額外的空氣進(jìn)入到燃?xì)饬鹘邮苎b置內(nèi)，以便進(jìn)一步增加微粒的團(tuán)聚作用。
在本發(fā)明中優(yōu)選采用的脈動燃燒器通常包括至少一個氣動閥或射流二極管、一個燃燒室和至少一個諧振管。一種適當(dāng)?shù)娜剂虾涂諝獾幕旌衔锿ㄟ^閥門來到燃燒室內(nèi)并被爆燃。在起動時并有輔助點燃裝置可以應(yīng)用。燃料混合物的爆燃引起燃燒產(chǎn)物體積的突然增加和發(fā)展，使燃燒室增壓。當(dāng)熱燃?xì)馀蛎洉r，優(yōu)先在諧振管方向進(jìn)行的氣流具有相當(dāng)大的動量。由于在諧振管內(nèi)的氣體的慣性，于是在燃燒室內(nèi)造成真空。只有一小部分排氣被許可返回到燃燒室內(nèi)，其余的燃?xì)舛紡闹C振管排出。因為這時燃燒室的壓力低于大氣壓力，另一份空氣和燃料的混合物就被抽吸到燃燒室內(nèi)并自動點燃。其后閥門裝置再一次限制往回流動并重新開始循環(huán)。一旦第一循環(huán)起動，此后的運行就能自己維持下去。在許多脈動燃燒系統(tǒng)中應(yīng)用的燃料閥為“活瓣閥”裝置。活瓣閥實際上是一種允許流向燃燒室但卻用閥座的機械結(jié)構(gòu)限制返回流動的止回閥。雖然這種機械閥能夠用在本系統(tǒng)上，但最好采用沒有運動部件的氣動閥。采用氣動閥，在排氣行程期內(nèi)可在閥上形成一個界面層并產(chǎn)生紊動性渦流，將大部分返回流動止住。另外，排氣具有比進(jìn)氣高得多的溫度。因此，氣體的粘度也高得多，且進(jìn)口直徑對返回流動的阻力又要比對通過同一孔眼向前流動的阻力高得多。這種現(xiàn)象與排氣在諧振管內(nèi)巨大的慣性結(jié)合，便產(chǎn)生出從進(jìn)口到排出的優(yōu)先的和平均的流動。這樣，較優(yōu)的脈動燃燒器便是一臺自吸氣式發(fā)動機，它能將它所需的空氣和燃料吸入到燃燒室內(nèi)，然后自動點燃。
脈動燃燒器系統(tǒng)可在它們的燃燒范圍內(nèi)調(diào)節(jié)它們內(nèi)部的化學(xué)計量關(guān)系，而可不需過多的控制去調(diào)節(jié)燃料送入速率和燃燒空氣質(zhì)量流率之間的比率。當(dāng)燃料送入速率增加時，在燃燒室內(nèi)壓力脈動的強度也增加，而這一點又可使氣動閥吸入的空氣量增加，這樣就可使燃燒器在其所被設(shè)計的燃燒范圍內(nèi)自動保持在一個基本上恒定的化學(xué)計量關(guān)系上。引起的化學(xué)計量關(guān)系可通過氣動閥射流二極管特性(fluidic diodicity)的修改來加以改變。
這里所用的燒煤的較優(yōu)脈動燃燒器是以帶有一氣動閥的亥姆霍茲(Helmholtz)構(gòu)成為依據(jù)的。在具有亥姆霍茲構(gòu)形諧振器的燃燒器內(nèi)，由于燃燒引起的壓力波動與氣動閥的射流二極管特性的偶合，可在從燃燒器的進(jìn)口到諧振管出口的空氣和燃燒產(chǎn)物中造成一個偏壓流。結(jié)果燃燒空氣就被燃燒器自動吸入并在燃燒室內(nèi)形成一個平均的壓力猛增，驅(qū)使燃燒產(chǎn)物以很高的平均流速(超過1000呎/秒)通過諧振管。
產(chǎn)生強烈的聲波是脈動燃燒固有的特征。在燃燒器壁鄰近的聲強通常在110-190dB的范圍內(nèi)，并可根據(jù)所需聲場頻率加以改變，以便適應(yīng)脈動燃燒器所承擔(dān)的具體用途。
通過燃燒室的迅猛的壓力振蕩產(chǎn)生一個強烈的振蕩流場。在燃煤的情況下，該振蕩流場可使燃燒產(chǎn)物從起反應(yīng)的固體煤上驅(qū)走，這樣便可使固體煤與氧接近而很少或不受擴散的限制。其次，脈動燃燒器在燃燒區(qū)帶內(nèi)經(jīng)歷著很高的質(zhì)量轉(zhuǎn)移率和熱量轉(zhuǎn)移率。一方面這種燃燒器往往有著很高的熱釋放率(通常為傳統(tǒng)燃燒器的十倍)，但另一方面在燃燒區(qū)域內(nèi)的活躍的質(zhì)量轉(zhuǎn)移和強烈的熱量轉(zhuǎn)移卻能造成一個更為均勻的溫度。因此，所達(dá)到的高峰溫度要比傳統(tǒng)的系統(tǒng)小得多，結(jié)果氧化氮(NOx)的形成可顯著減少。很高的熱釋放率還有這樣的好處就給定的燃燒率而言，只要較小的燃燒器尺寸，并且所需的諧振時間也可減少。
當(dāng)脈動燃燒器單元燃燒廉價的高硫高灰分標(biāo)準(zhǔn)磨碎(粉碎)煤燃料時，本發(fā)明是特別有用的。本發(fā)明的微粒團(tuán)聚及其有效的去除，使本燃燒裝置得以使用標(biāo)準(zhǔn)的磨碎煤。這種煤，雖然所產(chǎn)生的灰粒粒度比燃燒微粒化燃料所產(chǎn)生的來得大，同時不象后者那樣能夠給燃?xì)饬髦械募?xì)小飛灰微粒提供較多的核心，以便如同本文所說過的那樣在低頻的聲能下團(tuán)聚。但顯然可以獲得經(jīng)濟(jì)上的利益，因為標(biāo)準(zhǔn)磨碎煤要比微?；罕阋说牡枚?。同樣有利的是采用那些并不經(jīng)過深度處理也就是并不要求大范圍減少灰分的煤。燃燒經(jīng)過中等處理的燃料所產(chǎn)生的中到大的灰粒雖然增加了質(zhì)量載荷，卻也顯示了按照本發(fā)明的雙態(tài)動力過濾器在團(tuán)聚微粒上的效果。當(dāng)然，采用標(biāo)準(zhǔn)磨碎煤也會生成高含量的污染物，如硫的衍生物特別是二氧化硫，還會釋放堿蒸汽，如氯化鈉、氯化鉀和硫酸鈉。但按照本發(fā)明，這些另外的污染物都是可以從燃?xì)饬髦杏行У厝コ?，并且從?biāo)準(zhǔn)磨碎煤中生成的燃燒產(chǎn)物也可以有效地團(tuán)聚并去除。
由脈動燃燒器產(chǎn)生的振蕩流場可在物相間和微粒間提供高的物質(zhì)轉(zhuǎn)移率。由于合理高的溫度，細(xì)燃料的燃燒基本上可在脈動燃燒器的諧振管的出口完成。并且當(dāng)優(yōu)先采用不結(jié)渣方法時，可將溫度維持在灰分熔化所需溫度之下。但如果希望用結(jié)渣方法，那么溫度也可提高到灰份融化溫度。另外，在向外張開的諧振管內(nèi)增加停留的時間，可保證高碳分的轉(zhuǎn)化，從而，還可保證高的燃燒效率。
粉煤在脈動燃燒器內(nèi)的脫揮發(fā)分和燃燒也能使燃料內(nèi)相當(dāng)一部份的硫在粉煤離開尾管或諧振室時釋出。按照本發(fā)明在后面還要更具體地限定的那樣，引入的另一種微粒能夠是而且最好是一種硫的吸收劑，該吸收劑的微粒具有很高的捕捉硫的能力。由于諧振管的設(shè)計使粉煤可再循環(huán)這一點也有助于以低的Ca/S克分子送入比來達(dá)到高的硫分捕捉效率，從而可在吸收劑和廢渣處理上使費用降低。脈動燃燒器本來就是低NOx的裝置。在脈動流中的熱轉(zhuǎn)移率比傳統(tǒng)的穩(wěn)定流系統(tǒng)來得高，結(jié)果在燃燒室內(nèi)就造成一個較低的總體溫度。并且在熱的燃燒產(chǎn)物及上一燃燒循環(huán)殘留的較冷產(chǎn)物和新來的冷的作用劑之間的高混合率，可在高溫下使諧振時間縮短，這樣就可使NOx急冷。這些互補的機制創(chuàng)造出一個生成低NOx的環(huán)境。因此，從本發(fā)明的系統(tǒng)中排放出來的NOx肯定比傳統(tǒng)的燃燒器來得低。
圖1所示的直接點燃脈動燃燒微粒去除系統(tǒng)是以下列方式運行的。燃料和空氣的混合物被許可進(jìn)入到增壓室18內(nèi)，然后通過一個或多個閥門裝置12來到燃燒室14。進(jìn)入燃燒室14的最初混合物用一點燃裝置如火花塞、氣體燃燒器或類似物14′點燃。生成的燃燒產(chǎn)物然后通過諧振管16諧振。如上所述，一旦最初的燃燒循環(huán)啟動，脈動燃燒便可自己保持下去。
脈動燃燒器裝置10在燃燒合適的燃料時由于燃燒引起的壓力振蕩因而產(chǎn)生強烈的聲波。燃燒所產(chǎn)生的聲場通過諧振管16諧振后直接作用在挾帶微粒的燃?xì)饬魃?。這時還不需要壓縮空氣(如用來驅(qū)動多孔發(fā)聲器或空氣揚聲器)或電(用來驅(qū)動電磁揚聲器)參與。但正如上面說明過的，增加的壓縮空氣(可再循環(huán))可供應(yīng)到空氣增壓室18，以便使推力進(jìn)一步增強。這樣脈動燃燒器就可不需另行增加產(chǎn)生聲場所需的功率。
在按照本發(fā)明的直接燃燒煤的設(shè)備和方法中，脈動燃燒器裝置所產(chǎn)生的熱燃燒產(chǎn)物的脈動氣流中挾帶著微粒。這種第一種微粒通常為燃料和空氣混合物燃燒后生成的細(xì)小飛灰，其粒度約為4微米。當(dāng)另一種或第二種具有不同粒度分布的微粒存在時，脈動燃燒器裝置10所產(chǎn)生的聲波便作用在燃?xì)饬魃希蛊渲械奈⒘嵭杏寐暷茉鰪姷碾p態(tài)團(tuán)聚。微粒的雙態(tài)團(tuán)聚使微粒的綜合粒度增大，從而可使團(tuán)聚物更易用傳統(tǒng)裝置來去除。團(tuán)聚過程的效率可通過彌散在燃?xì)饬髦械奈⒘５目傎|(zhì)量載荷的增加來提高。對于一個給定的粒度分布，較高的質(zhì)量載荷能在每單位體積內(nèi)提供較多的微粒，因此也就提高了在微粒間相互碰撞導(dǎo)致團(tuán)聚的可能性。而將第二種物態(tài)加入，這里稱為在將第二種微粒引入到熱燃燒產(chǎn)物流或其他氣流中時，可增加總質(zhì)量。因此，雙態(tài)團(tuán)聚是較有效的團(tuán)聚方法。
除了這種與質(zhì)量有關(guān)的現(xiàn)象外，由于在兩個物態(tài)之間同向移動相互作用的加強還可使微粒相互碰撞增加，從而使團(tuán)聚增加。另外，流體動力的相互作用也有發(fā)生。最好，引入到熱燃燒產(chǎn)物氣流中的第二種微粒比原先挾帶在燃?xì)饬髦械奈⒘＞哂休^大的粒度分布，這樣更多的相對運動就會在微粒中發(fā)生，從而可促進(jìn)團(tuán)聚。
第二種微粒材料特別是當(dāng)?shù)诙N微粒為硫或其他的吸收劑時，最好在諧振管16和燃燒室14之間的界面或附近引入，因為這是一個具有高的熱釋放和高的熱轉(zhuǎn)移的區(qū)域。巨大的熱使吸收劑快速煅燒，在煅燒過的吸收劑上造成許多孔眼，這一點又產(chǎn)生高的表面對質(zhì)量的比率而可不需使吸收劑微?；?。連同振蕩流場在氣體質(zhì)量轉(zhuǎn)移上的作用，因此在聲波可以作用到的某一點引入微粒可使吸收劑以較低的鈣對硫的克分子比提高其利用率。
按照本發(fā)明的脈動燃燒器所產(chǎn)生的低頻聲場的頻率約在20至1500Hz的范圍內(nèi)。較高的頻率雖然可使在燃?xì)饬鲀?nèi)的微粒在每單位的時間內(nèi)有較多次循環(huán)被聲場所作用。但較高的頻率會使每次循環(huán)內(nèi)微粒間的相對運動產(chǎn)生較小的運動幅度。
前面曾說明過，較高的頻率通常可使在燃?xì)饬鲀?nèi)的細(xì)小微粒在相當(dāng)大的程度解除被挾帶。但是正象在本文中說明過的，由于引入到熱燃燒產(chǎn)物氣流中的第二種微粒的粒度是優(yōu)選地選擇為比燃?xì)饬髦幸呀?jīng)存在的微粒的粒度來得大，因此解除被挾帶所需的頻率就可減少。例如在1600°F和10大氣壓的燃?xì)饬鲀?nèi)的100微米的微粒在頻率僅為100Hz的條件下所具有的氣卷因數(shù)約為0.1。這就是說，微粒振蕩位移的幅度只是在燃?xì)饬骱臀⒘ｉg存在著巨大的(大約為燃?xì)獗旧砦灰品鹊?0％)相對位移的燃?xì)饬鞯恼穹氖种?。但?xì)小的灰粒在頻率約為100Hz的條件下將會基本上全部地被挾帶在振蕩燃?xì)饬鲌鰞?nèi)，其氣卷因數(shù)超過0.99。在有第二種微粒參與時的情況就不一樣，100Hz的頻率可在細(xì)小灰粒和較大的吸收劑團(tuán)聚核心之間導(dǎo)致碰撞，使細(xì)小灰粒團(tuán)聚到第二種微粒上。因為在燃?xì)饬魉鶔稁У募?xì)小灰粒和第二種微粒之間的相對運動的幅度可以達(dá)到振蕩燃?xì)馕灰品鹊?0-90％的程度，而這種位移對低頻率反而較高，因此每一振蕩循環(huán)中的碰撞次數(shù)就大為增加。基本涵義為將兩種具有不同粒度分布的微粒團(tuán)聚在一起的雙態(tài)微粒團(tuán)聚方法等于給我們提供一種動態(tài)的過濾器，它可把細(xì)小灰粒收集到引入燃?xì)饬鲀?nèi)的第二種較大的微粒上。
脈動燃燒器所產(chǎn)生的聲場的頻率最好約為從50到250Hz。高強的聲場最好還要有一般大于160dB的聲壓水平，以便具有顯著較高的質(zhì)量遷移性能。它可增加硫衍生物遷移到吸收劑微粒表面的速率，并可使穿入到煅燒過的吸收劑微粒多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)的硫衍生物增加，從而提高吸收劑的利用率。高強聲場還可促進(jìn)聲團(tuán)聚，改變微粒的粒度分布，使細(xì)小的微米和亞微米的微粒團(tuán)聚成為較大的微粒，這樣就能用傳統(tǒng)的微粒去除裝置更為有效地去除微粒。
按照本發(fā)明，捕捉污染物如硫衍生物是與燃?xì)饬鲀?nèi)微粒的團(tuán)聚同時進(jìn)行的。引入到燃?xì)饬鲀?nèi)的第二種微粒，特別是在燒煤的情況下，最好是一種硫的吸收劑，如石灰石、白云石、熟石灰或類似物，其微粒粒度最好選擇為比所要團(tuán)聚的微粒的粒度大。第二種微粒的粒度分布最好約為從100到150微米的范圍內(nèi)。較大的第二種微粒可使燃?xì)饬髦械奈⒘ｏ@著地解除被挾帶所需的頻率降低。這會導(dǎo)致微粒和較大的吸收劑微粒之間的碰撞從而使微粒團(tuán)聚到吸收劑上。本文所用微粒粒度和粒度分布是以一個分布方案圖內(nèi)的微粒粒度為依據(jù)的。因此，微粒的較大的粒度或粒度分布應(yīng)以存在著較大粒度的那條粒度分布標(biāo)尺為依據(jù)。
在強烈的聲場影響下，多孔的氧化鈣吸收劑微粒會立即與熱燃?xì)鈨?nèi)含有的硫衍生物如SO2作用在吸收劑的孔內(nèi)、孔周圍以及表面上，生成固體的硫酸鈣(CaSO4)。這種硫酸鈣的微粒和從燃燒過程來的灰粒團(tuán)聚在一起，從而可容易地從燃?xì)饬髦腥コ?br>
當(dāng)吸收劑的粒度增大時，微粒團(tuán)聚的聲促進(jìn)的有效作用將變得更為顯著。這是因為較大的微粒粒度所遇到的增大的對擴散的限制將由于聲促進(jìn)的微粒內(nèi)的流動而得到改善。強化的脫硫及有效的微粒團(tuán)聚和去除都可同時完成，而不必付出采用昂貴的吸收劑材料的代價。本文所稱的同時進(jìn)行的污染物的捕捉和微粒的團(tuán)聚，一般不僅是指在同一時間內(nèi)，而且還在同一通路內(nèi)。
一旦形成團(tuán)聚物，含有團(tuán)聚物的燃?xì)饬鞅懔鹘?jīng)收集/去除裝置20，在那里團(tuán)聚物從燃?xì)饬髦薪饷摮鰜聿⒈蝗コ?。凈化的燃?xì)饬饔谑潜憧捎脕眚?qū)動燃?xì)廨啓C40，而該機又可將動力供給壓縮機60及/或發(fā)電機50。如果燃?xì)廨啓C40或有些其他用燃?xì)怛?qū)動的裝置需要加熱的燃?xì)鈺r，那么收集/去除裝置可以被加熱，以便將燃?xì)饬鞅３衷谒璧妮^高溫度。凈化的燃?xì)饬骱谢旧蠟闅鈶B(tài)的燃燒產(chǎn)物，其中不含顯著的污染物如硫衍生物和氧化氮，因此可不帶顯著的污染物而排放到大氣中。
本發(fā)明的設(shè)備的另一個實施例在圖2中示出，并包括圖1所示的元件，具有相同標(biāo)號的元件表示相同的元件。在閥門裝置12之外，另有一個噴入口23與脈動燃燒器10的燃燒室14連通，以便另外添加燃料。而且，在本例中不用圖1所示那樣連續(xù)張開的諧振室16而是采用如圖2所示那樣比較直只是在端頭有一擴散器部分21的諧振室16。擴散器部分使粉煤進(jìn)行再循環(huán)，以便減少NOx的排放。
如同圖1的設(shè)備那樣，圖2中也可看到有一個第二種微粒的引入裝置15，以便將第二種微粒添加到熱的燃燒產(chǎn)物氣流中。第二種微粒的引入口15可象圖1和2那樣沿著諧振室16設(shè)置，或者也可以設(shè)在微粒去除設(shè)備內(nèi)的任何地方，只要在那里微粒能被脈動燃燒器所產(chǎn)生的聲波作用到即可。例如，第二種微?？稍谥C振管16之外的某一點引入到設(shè)備內(nèi)。在這樣一個設(shè)備內(nèi)，第二種微粒引入裝置應(yīng)該位在聲波能夠作用到燃?xì)饬鞯牡胤?，以便促進(jìn)微粒之間的團(tuán)聚。如同上面說明過的，第二種微粒最好是一種能夠吸收各種污染物如硫衍生物的吸收劑。而且，因為本發(fā)明涉及一種雙物態(tài)的設(shè)備和方法，引入到燃?xì)饬鲀?nèi)的第二種微粒的粒度分布應(yīng)該不同于原先包含在燃?xì)饬鲀?nèi)的微粒的粒度分布。在最優(yōu)的實施例中，第二種顆粒應(yīng)該具有較大的粒度。
圖2的設(shè)備還采用另一個進(jìn)口裝置27，以便將第三種材料引入到燃?xì)饬鲀?nèi)。堿蒸汽如同氯化鈉、氯化鉀和硫酸鈉常會在燃燒固體燃料時生成。這些堿蒸汽可與載硫的吸收劑微粒作用，在吸收劑表面上生成堿的硫化物并阻止吸收劑進(jìn)一步繼續(xù)進(jìn)行有效的吸收。堿吸氣材料如硅藻土、酸性白土硅石、鋁礬土、蛭石、鋰蒙脫石和高嶺土可通過第三引入裝置27噴入，以便捕捉這些堿蒸汽。堿吸氣材料的噴入還可進(jìn)一步提高雙態(tài)團(tuán)聚法中動態(tài)過濾器的效率，這是因為從燃?xì)饬髦腥コ?xì)小微粒的較大團(tuán)聚核心的質(zhì)量載荷進(jìn)一步增加的原故。另外，在圖2所示的實施例中，補充空氣可通過進(jìn)口33噴入，以便在團(tuán)聚過程中進(jìn)一步增加微粒間碰撞的速率。
圖2示出的脈動燃燒器裝置10也象圖1所示的那樣與一微粒收集/去除裝置20連通。微粒收集/去除裝置20包括一個旋風(fēng)除塵器72，一個通道斗74，另外，還可包括一個固態(tài)物保持斗76，以便繼續(xù)保持從燃?xì)饬髦腥コ奈⒘?。旋風(fēng)除塵器72有一輸出口73，凈化的燃?xì)饬骺赏ㄟ^該口送到渦輪(未示出)或其他用燃?xì)怛?qū)動的裝置。旋風(fēng)除塵器72如前所述可以被加熱，它可在大氣環(huán)境下操作，也可水冷，哪一種方式都可以。
在上面本發(fā)明是就一個燃?xì)怛?qū)動裝置的操作系統(tǒng)來說明的，同樣的概念可應(yīng)用到任何需要或有利地應(yīng)用凈化燃?xì)饬?，或在燃?xì)饬饕龅酱髿庵皟艋南到y(tǒng)上。這時，可將其他設(shè)備如鍋爐、加熱器或類似物設(shè)在脈動燃燒器系統(tǒng)和微粒去除系統(tǒng)之間。
圖3示出本設(shè)備用作排放控制子系統(tǒng)的一個實施例，這個子系統(tǒng)被添加在現(xiàn)有的例如來自燃燒器的燃?xì)饬鞯耐ǖ郎稀Ｏ嗤臉?biāo)號表示圖1、2和3中相同的零件。例中的燃燒器(未示出)排放出的燃?xì)饬魍ㄟ^通道100。有一總體地用10標(biāo)出的脈動燃燒器設(shè)在通道100內(nèi)，或者其他與通道連通的地方，只要聲場能夠作用到通道100內(nèi)的燃?xì)饬骷纯?。從燃燒系統(tǒng)(未示出)出來沿著通道100流動的含有微粒的燃?xì)饬髋c脈動燃燒器10產(chǎn)生的熱燃燒產(chǎn)物氣流匯合成為一個組合的帶有微粒的燃?xì)饬鳌Ｃ}動燃燒器裝置10可包括以前說過的那些元件，但至少應(yīng)有基本的閥門裝置燃燒室和諧振管。
如前所述，通過第二種微粒引入裝置15將第二種微粒引入到從脈動燃燒器10發(fā)出的熱燃燒產(chǎn)物氣流內(nèi)。第二種微粒最好在燃燒室14和諧振管16的連接處附近引入，這樣可使高溫效應(yīng)作用在第二種微粒上。當(dāng)通道100內(nèi)原有的微粒與脈動燃燒器10所產(chǎn)氣流中的微粒之間已有適當(dāng)?shù)奈⒘Ａ６确植疾町悤r，可不需另外添加微粒。
由通道100內(nèi)的排放產(chǎn)物和脈動燃燒器單元10的燃燒產(chǎn)物匯合而成的組合的帶有微粒的燃?xì)饬鲗?dǎo)致通道100內(nèi)團(tuán)聚的形成。脈動燃燒器10所產(chǎn)生的聲場促進(jìn)這種團(tuán)聚，于是團(tuán)聚物可沿著規(guī)定路線流到一個傳統(tǒng)的收集/去除裝置(未示出)。在微粒去除后，凈煙氣可用來驅(qū)動渦輪或其他裝置，或被作為潔凈排出物釋放到大氣中。
通道100內(nèi)有一噴射器110，它一般設(shè)在現(xiàn)有燃燒器的排放產(chǎn)物與脈動燃燒器的燃燒產(chǎn)物匯合成為組合氣流的地方。噴射器110可用傳統(tǒng)的型式，它可使氣體混合，應(yīng)該設(shè)在一個區(qū)域內(nèi)，在該區(qū)域內(nèi)氣流首先加速接著又減速，以便進(jìn)一步促使微粒解除被挾帶并轉(zhuǎn)移質(zhì)量。這時由于較大微粒與較小微粒(通常容易被挾帶的固體灰粒)在解除被挾帶的程度上的差異，噴射器可促進(jìn)微粒的團(tuán)聚。采用噴射器110還可使空氣容易實施提高的NOx排放控制，使諧振室16與通道100內(nèi)發(fā)生聲團(tuán)聚的區(qū)域之間有優(yōu)良的聲連接，并可使氣流內(nèi)的固相與氣相之間進(jìn)行良好的混合。
圖4概略地示出結(jié)合圖3曾說明過的用作添加物的子系統(tǒng)的脈動燃燒微粒去除設(shè)備。用200總體標(biāo)出的本發(fā)明的微粒去除設(shè)備設(shè)在現(xiàn)有的燃燒系統(tǒng)210與燃?xì)怛?qū)動裝置240之間，包括一個脈動燃燒裝置220和一個微粒收集/去除裝置230。該系統(tǒng)可象圖3那樣布置或按其他方法布置。如同上面提到過的，對于某些操作，凈化可放在操作系統(tǒng)如鍋爐之后，主要理由是為了要使排放物凈化。
在本發(fā)明的其他一些布置中，第二種微粒引入裝置也有可從設(shè)計中省略的情況，特別是當(dāng)噴射進(jìn)系統(tǒng)的燃燒及/或吸收劑具有廣闊的粒度分布，單態(tài)的微粒粒度分布被接受用來進(jìn)行聲團(tuán)聚以便以后進(jìn)行微粒的收集/去除時。具有單態(tài)團(tuán)聚設(shè)備的這樣一個系統(tǒng)的設(shè)計在圖6中示出，其中相同的標(biāo)號代表相同的零件。在圖6中，噴入燃料脈動燃燒所產(chǎn)生的熱燃燒產(chǎn)物氣流從其微粒粒度分布情況看足可使它進(jìn)行有效的微粒團(tuán)聚。如同圖1所示的設(shè)備那樣，微粒被從系統(tǒng)中去降，潔凈燃?xì)獗凰屯鶞u輪40。
圖7示出本發(fā)明的脈動燃燒團(tuán)聚設(shè)備的另一種布置。具體地說，脈動燃燒裝置14與一接受燃?xì)饬鞯难b置例如部分19連通。再進(jìn)一步與旋風(fēng)除塵器裝置72和收集裝置如通道斗74連通。圖7所示的設(shè)備在功能上與圖1所示的設(shè)備等同，只是第二種微粒裝置15被省略掉了，另外加上一些其他增強裝置。具體地說，設(shè)有一個噴射裝置320，以便將燃料如煤、油、燃?xì)?、廢氣等供給脈動燃燒器14。用來去除酸性氣或捕捉堿的各種吸收劑可通過開口23加入。但開口23對于團(tuán)聚方法的實施并不是必需的。
在圖7所示的具體實施例中，脈動燃燒室14四周設(shè)有水套，其上有一冷水進(jìn)口315和一熱水/汽出口325。另外，功能猶如團(tuán)聚室的燃?xì)饬鹘邮懿?9有一內(nèi)環(huán)部335和一外環(huán)部345，其中諧振管16大約在內(nèi)環(huán)部135中延伸一半的距離。有一聲反射器310橫向設(shè)置，以便調(diào)整脈動燃燒器的頻率。這種諧振器和團(tuán)聚室的特殊布置被用來使內(nèi)環(huán)部335和外環(huán)部345內(nèi)有一駐波(半波)，這樣聲損失可降為最小。團(tuán)聚室的作用如同壓力波腹而其中心則相當(dāng)于速度波腹/壓力波節(jié)。諧振管16當(dāng)設(shè)在靠近燃?xì)饬鹘邮苎b置19的中心以便取得匹配的邊界條件并使聲衰減降為最小時，構(gòu)成一個速度波腹。另外，設(shè)有收集裝置300，以便從團(tuán)聚室中去除解脫的團(tuán)聚物。最后的微粒去除如同上面對圖1所示的設(shè)備說明過的那樣進(jìn)行。
圖8所示的另一個實施例是一個采用雙態(tài)團(tuán)聚法的設(shè)備。該設(shè)備與圖7所示的設(shè)備等同，并與圖1和2所示的設(shè)備基本等同。該設(shè)備設(shè)有第二種微粒引入裝置15，以便供應(yīng)雙態(tài)團(tuán)聚用的第二種微粒，有如上述。這個開口15可任意選擇用來添加補充空氣、燃料或控制氧化氮、酸性氣去除、堿蒸汽吸收用的吸收劑，或作其他用途。例如空氣去污或燃?xì)庵責(zé)奶砑游锟捎糜谘趸目刂啤０自剖?、石灰石或熟石灰可用于硫的捕捉，硅藻土、高嶺土或鋰蒙脫石可用于堿的吸氣。
其他布置也可用在團(tuán)聚設(shè)備中，例如在U形管的布置，可安排一個具有單一部分的團(tuán)聚室，使在室內(nèi)有一全波而將諧振管16設(shè)在靠近四分之一波長的地方。這種設(shè)備顯然仍在本發(fā)明的范圍內(nèi)，但本發(fā)明并不僅限于此。
圖9示出團(tuán)聚微粒的另一種設(shè)備。該設(shè)備與圖3所示的凈化添加系統(tǒng)等同，只是省略了第二種微粒的引入裝置。在這個具體的系統(tǒng)中，所發(fā)生的是單態(tài)團(tuán)聚，因此不需具有第二粒度的微粒。
圖10示出與圖3和9所示相似的另一個凈化系統(tǒng)。但設(shè)有一個噴射裝置400，以便將水分引入到系統(tǒng)內(nèi)。具體地說，可用水作為加濕劑噴灑到系統(tǒng)內(nèi)。導(dǎo)管內(nèi)的脫硫在有水的條件下可以增強，這是由于硫吸收劑和小水滴能相互作用，從而增強硫的捕捉。
圖11示出另一個凈化系統(tǒng)。但在這個具體的實施例中，加濕噴射裝置400的旁邊還并排設(shè)有其他噴射裝置401和402。通過這些噴射裝置可以引入各種藥劑，如各種吸收劑、還原劑或堿吸氣材料。當(dāng)用在這個具體的布置中時，加速噴射裝置400的位置應(yīng)有效地貼近噴射裝置401，以便使任何引入系統(tǒng)內(nèi)的硫吸收劑都能促進(jìn)硫吸收劑與小水滴的相互作用。噴射裝置401可正好位在加濕噴射裝置的上游，以便使燒結(jié)的可能性和應(yīng)用吸收劑時的有害作用降為極小。在這種方式下，與圖10所說的單態(tài)團(tuán)聚不同，雙態(tài)團(tuán)聚可以實現(xiàn)。
對于圖6-11所示的所有設(shè)備，微粒團(tuán)聚方法都與上面說明過的相同，只是在某些實施例中實現(xiàn)的是單態(tài)團(tuán)聚并不引入具有第二粒度的微粒。
在本發(fā)明的某些具體的實施例中，圖5所示型式的脈動燃燒室設(shè)計是比較好的。這個設(shè)計采用二次形式的母線來限定一個軸對稱的幾何形狀，該形狀可普遍適應(yīng)多個設(shè)計和燃燒室性能屬性。
圖5示出的脈動燃燒器上的字母加數(shù)字代號相當(dāng)于下面列出的尺寸，該尺寸屬于一個造渣燃燒器的設(shè)計(如同后面要說明的)，其熱輸出量為7.5MM Btu/hr，該設(shè)計并可用來確定其他脈動燃燒器的設(shè)計。進(jìn)入口100的直徑為5.69英寸，輸出口101的直徑為5.06英寸。燃燒室各段的長度如下L1為16.17英寸，L2為4.15英寸，L3為4.31英寸，L4為3.40英寸，燃燒室從進(jìn)入口100到輸出口101的總長度為28.03英寸。角α為40°，長度R1為25.15英寸，長度R2為6.46英寸，長度R3為4.31英寸，長度R4為3.40英寸。
曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)某些范圍對本申請專利的脈動燃燒微粒去除設(shè)備的操作是比較好的。伴隨脈動燃燒器單元所產(chǎn)生的壓力波出現(xiàn)的聲壓水平雖然有時可能低些，但最好至少達(dá)到在一個大氣壓時為160dB，在10個大氣壓時為180dB，在20大氣壓時為200dB。如前所述，脈動燃燒器所產(chǎn)生的聲波振蕩，其合適的頻率應(yīng)該大約在從20到1500Hz的范圍內(nèi)，最好大約在從50到250Hz的范圍內(nèi)。在燃?xì)饬魉鶔稁У囊コ奈⒘：偷诙N引入微粒之間的粒度分布差，應(yīng)該最好使引入的第二種微粒的粒度大于燃?xì)饬髟葤稁У奈⒘５牧６?。較小的微粒所擁有的重量最好不要超過總微粒重量的50％。最好，固體物的質(zhì)量載荷應(yīng)不小于10g/km3。微粒在諧振管16內(nèi)的停留時間最好大約為從2到5秒。系統(tǒng)的氣體燃燒溫度最好應(yīng)該維持在一個比團(tuán)聚微粒開始結(jié)渣的溫度還要低的溫度。這個較低的溫度可以防止熔化材料(渣)的生成，這樣就可確保連續(xù)地將團(tuán)聚前后的微粒挾帶在燃?xì)饬鲀?nèi)。最好系統(tǒng)的燃?xì)鉁囟葢?yīng)該維持在一個比固體微粒的軟化或初始變形的溫度還要至少低200°F的溫度。另外，脈動燃燒器釋放熱的范圍最好應(yīng)該大約為從1到6MM Btu/hr。
雖然本發(fā)明的較優(yōu)實施例已經(jīng)用特定的名稱、裝置、濃度和方法加以說明，但這種說明只是為了闡明的目的。所用的詞語是描述性的而不是限制性的。應(yīng)該理解在不離開下面權(quán)利要求的精神或范圍的前提下，本發(fā)明是可以作出各種改變和變化的。
權(quán)利要求
1.用來去除燃?xì)饬魉鶔稁У奈⒘５母倪M(jìn)的設(shè)備，它包括用來接受帶有微粒的燃?xì)饬鞑⑹顾f燃?xì)饬髟谄渲型ㄟ^的裝置；與所說接受燃?xì)饬鞯难b置連通的脈動燃燒器裝置，它用來產(chǎn)生一個熱燃燒產(chǎn)物的脈動氣流和一個頻率大約為從20以1500Hz的聲波，該聲波作用在所說燃?xì)饬魃?，使燃?xì)饬魉鶔稁У奈⒘２牧习l(fā)生聲促進(jìn)的團(tuán)聚，從而使所說團(tuán)聚起來的微粒材料得以容易去除。
2.如權(quán)利要求1所限定的設(shè)備，其中，所說脈動燃燒器裝置設(shè)在所說接受燃?xì)饬鞯难b置之內(nèi)。
3.如權(quán)利要求2所限定的設(shè)備，其中，所說脈動燃燒器裝置具有一個燃燒室，與所說燃燒室連通的燃料閥門裝置，和一個與所說燃燒室連通的諧振管，并在所說接受燃?xì)饬鞯难b置內(nèi)設(shè)有一個出口，而所說諧振管的出口則位在所說接受燃?xì)饬餮b置的大約中心部位。
4.如權(quán)利要求1所限定的設(shè)備，其中，該設(shè)備還具有從所說燃?xì)饬髦腥コf團(tuán)聚物的裝置。
5.如權(quán)利要求4所限定的設(shè)備，其中，所說去除裝置為一旋風(fēng)除塵器。
6.如權(quán)利要求5所限定的設(shè)備，其中，所說旋風(fēng)除塵器是加熱的。
7.如權(quán)利要求3所限定的設(shè)備，其中，所說接受燃?xì)饬鞯难b置具有兩個不同的部分，所說部分中至少有一個部分成為環(huán)狀環(huán)繞著所說諧振管。
8.從燃?xì)饬髦腥コ⒘５母倪M(jìn)的方法，它包括下列步驟，使挾帶微粒的燃?xì)饬鹘邮苊}動燃燒產(chǎn)生的、頻率范圍約從20到1500Hz的聲壓力波的影響，以實行聲促進(jìn)的微粒團(tuán)聚。
9.如權(quán)利要求8所限定的方法，其中，所說脈動燃燒產(chǎn)生的聲壓力波伴隨著一股含有要團(tuán)聚的微粒物質(zhì)的熱燃燒產(chǎn)物氣流，該燃?xì)饬髋c另一股挾帶其他微粒的燃?xì)饬鲄R合。
10.如權(quán)利要求8所限定的方法，它還包括去除所說團(tuán)聚物以便增強凈化所說燃?xì)饬鞯牟襟E。
11.如權(quán)利要求9所限定的方法，它還包括去除所說團(tuán)聚物以便增強凈化所說燃?xì)饬鞯牟襟E。
12.如權(quán)利要求8所限定的方法，其中，一種微粒燃料和空氣的混合物被脈動燃燒。
13.如權(quán)利要求8所限定的方法，其中，在所說燃?xì)饬髦械乃f微粒是燃燒煤所產(chǎn)生的飛灰。
14.如權(quán)利要求8所限定的方法，其中，所說聲壓力波的頻率約在從50到250的范圍內(nèi)。
15.如權(quán)利要求8所限定的方法，其中，所說脈動燃燒產(chǎn)生的熱所具有的溫度小于所說燃?xì)饬髦形⒘ｉ_始結(jié)渣的溫度。
16.如權(quán)利要求8所限定的方法，其中，已被凈化的所說燃?xì)饬鞅还?yīng)到應(yīng)用燃?xì)饬鱽眚?qū)動的裝置上。
17.如權(quán)利要求16所限定的方法，其中，所說應(yīng)用燃?xì)饬鱽眚?qū)動的裝置為氣輪機。
18.如權(quán)利要求8所限定的方法，其特征為所說方法產(chǎn)生的熱被保持在約從1到6MM Btu/hr的范圍內(nèi)。
19.如權(quán)利要求8所限定的方法，其中，含有微粒的燃?xì)饬魇且还捎伤f壓力波伴隨著的熱脈動燃燒產(chǎn)物氣流。
20.用來從燃?xì)饬髦腥コ⒘５母倪M(jìn)的方法，它包括下列步驟使燃料脈動燃燒，以便產(chǎn)生一股熱燃燒產(chǎn)物氣流和頻率范圍約為從20到1500Hz的聲壓力波；使所說產(chǎn)物氣流和壓力波與一股挾帶有微粒的獨立的燃?xì)饬鲄R合，這樣說會發(fā)生聲促進(jìn)的微粒團(tuán)聚，從所說匯合的燃?xì)饬髦腥コf的微粒團(tuán)聚物；然后送出所說匯合的燃?xì)饬?，以便?qū)動在下游的設(shè)備。
21.如權(quán)利要求3所限定的設(shè)備，它還包括用于將燃料噴射到所說燃料閥門裝置內(nèi)的裝置。
22.如權(quán)利要求3所限定的設(shè)備，它還包括一個環(huán)繞在所說燃燒室上的水套，它可使冷卻液環(huán)繞所說燃燒室進(jìn)行循環(huán)。
23.如權(quán)利要求7所限定的設(shè)備，其中，所說諧振管約為所說環(huán)部的一半長度。
24.如權(quán)利要求23所限定的設(shè)備，它還包括一個環(huán)繞著所說環(huán)部的第二個環(huán)部。
25.如權(quán)利要求24所限定的設(shè)備，它還包括一個聲反射器，安排在相對于所說第二環(huán)部的橫向上，以便調(diào)整頻率，使所說脈動燃燒器裝置在所說環(huán)部和所說第二環(huán)部內(nèi)有一個駐波，從而可以減少所說脈動燃燒器的聲損失。
26.如權(quán)利要求1所限定的設(shè)備，它還包括一個用于將水分引入到所說微粒去除設(shè)備內(nèi)的裝置。
27.如權(quán)利要求26所限定的設(shè)備，其中，所說引入水分的裝置具有一個水滴噴灑口，位在所說脈動燃燒器裝置旁，以便使所說濕度直接作用在所說熱燃燒產(chǎn)物的脈動氣流上。
28.用來去除燃?xì)饬髦袙稁У奈⒘５母倪M(jìn)的設(shè)備，它包括a)用來接受含有微粒的燃?xì)饬鞑⑹顾f燃?xì)饬鲝钠渲型ㄟ^的裝置；b)脈動燃燒器裝置，它包括一個燃燒室，與所說燃燒室連通的燃料閥門裝置，和一個與所說燃燒室連通并在所說接受燃?xì)饬鞯难b置內(nèi)有一出口的諧振管，并且所說脈動燃燒器裝置與所說接受燃?xì)饬鞯难b置連通，用來產(chǎn)生熱燃燒產(chǎn)物的脈動氣流和聲波，該聲波作用在所說燃?xì)饬魃?，使被挾帶在所說燃?xì)饬髦械奈⒘２牧习l(fā)生聲促進(jìn)的團(tuán)聚，從而可使所說團(tuán)聚起來的微粒材料容易被去除；c)用來將捕捉硫的吸收劑噴射到所說熱燃燒產(chǎn)物氣流內(nèi)的裝置；以及d)用來將水分引入到所說設(shè)備內(nèi)，使它作用在所說熱燃燒產(chǎn)物上，以便增強硫的捕捉和所說微粒的去除的裝置。
29.如權(quán)利要求8所限定的方法，它還包括將水分引入到所說帶微粒的燃?xì)饬鲀?nèi)的步驟。
30.用來從燃?xì)饬髦腥コ⒘５母倪M(jìn)的方法，它包括下列步驟a)使燃料脈動燃燒，以便產(chǎn)生熱燃燒產(chǎn)物氣流和聲壓力波；b)使所說熱燃燒產(chǎn)物氣流作用在所說帶微粒的燃?xì)饬魃?；c)將水分引入到所說熱燃燒產(chǎn)物氣流內(nèi)，以便促進(jìn)所說微粒的去除。
31.如權(quán)利要求30所限定的方法，其中，將吸收劑加入到所說熱燃燒產(chǎn)物氣流內(nèi)，以便捕捉污染物，所說吸收劑是從石灰石、白云石、生石灰和熟石灰中選取的。
32.如權(quán)利要求31所限定的方法，其中，被所說吸收劑捕捉的所說污染物包括硫衍生物。
33.如權(quán)利要求31所限定的方法，其中，將水分加入到所說熱燃燒產(chǎn)物氣流內(nèi)。
34.如權(quán)利要求30所限定的方法，其中，將堿吸氣劑加入到所說熱燃燒產(chǎn)物氣流內(nèi)，所說堿吸氣劑是從硅藻土、酸性白土、硅石、鋁礬土、蛭石、鋰蒙脫石和高嶺土中選取的。
35.如權(quán)利要求30所限定的方法，其中，所說燃?xì)饬髟趶钠渲腥コf微粒時仍保留熱的狀態(tài)。
36.如權(quán)利要求31所限定的方法，其中，所說聲壓力波伴隨著所說熱燃燒產(chǎn)物氣流。
37.如權(quán)利要求30所限定的方法，它還包括將吸收劑引入到所說熱燃燒產(chǎn)物氣流中的步驟。
全文摘要
為去除燃?xì)饬髦兴鶔稁У奈⒘Ｌ峁┝艘环N改進(jìn)的設(shè)備和方法。該去除方法采用一個脈動燃燒器來產(chǎn)生聲壓力波，以便用聲能來促進(jìn)微粒的團(tuán)聚，團(tuán)聚后的微粒可用傳統(tǒng)的分離設(shè)備收集并去除。該設(shè)備可用作直接燃燒的系統(tǒng)，以便改進(jìn)燃?xì)怛?qū)動設(shè)備，如燃?xì)廨啓C的運行；或者也可用作為添加的子系統(tǒng)，以便凈化燃燒后的廢氣。另外，可以加入吸收劑微粒，以便吸收其他污染物如硫。去除污染物用的各種其他微粒也可引入到該系統(tǒng)內(nèi)，如堿吸氣劑。
文檔編號F23J15/00GK1120319SQ94191648
公開日1996年4月10日 申請日期1994年3月28日 優(yōu)先權(quán)日1993年3月29日
發(fā)明者曼特澤·N·莽瑟, 雷威·查德瑞 申請人:制造和技術(shù)轉(zhuǎn)化國際公司