PL121680B1 - Method of combustion of coal fuel and apparatus thereforzhiganija ugol'nogo topliva - Google Patents

Description

Opis patentowy opublikowano: 31.05.1984 121680 Int. Cl.1 C10J 3/46 Twórcy wynalazku: Harland L. Burge, John Albert Hardgrove; Walter Frederick Krieve Uprawniony z patentu: TRW Inc., Redondo Beach (Stany Zjeduoczone Ameryki) Sposób spalania paliwa weglowego oraz urzadzenie do spalania paliwa weglowgo Sposób spalania paliwa weglowego oraz urzadzenie do spalania paliwa weglowego.W znanych piecach zuzlotwórczych do wytwarzania pary Wodnej i produktów podobnych, paliwo zawierajace wegiel, takiejak sproszkowany wegiel kamienny jest wpro¬ wadzane do strefy reakcyjnej. Temperatura spalania jest utrzymywana na ogól powyzej temperatury topnienia popiolu w celu przeksztalcenia znacznej czesci niepal¬ nych popiolów zawartych W paliwie w plynny zuzel. Piece takie sa przeznaczone do pracy pod cisnieniem atmosfe¬ rycznym lub bliskim cisnieniu atmosferycznemu i w re¬ zultacie sa na ogól bardzo duze i wymagaja zastosowania wykladzin ceramicznych aby zapobiec erozji komory spa¬ lania, pod dzialaniem produktów spalania o wysokiej temperaturze. Piece takie wyzwalaja duze ilosci zanie¬ czyszczen do atmosfery i maja powaznie ograniczone zastosowanie. Stosunkowo duze rozmiary pieców sa przy¬ czyna duzych strat ciepla, nizszej calkowitej sprawnosci termicznej i niepozadanie niskiej gestosci mocy, to znaczy ilosci wyjsciowej energii termicznej na jednostke objetos¬ ci (Heca.Zgodnie ze sposobem wedlug wynalazku do strefy spa¬ lania wprowadza sie dodatkowy strumien gazu utlenia¬ jacego, W kierunku stycznym do przekroju poprzecznego strefy spalania, formujac w strefie spalania przeplyw wi¬ rowy o duzej predkosci, dobiera sie proporcje masowych wydatków przeplywu paliwa oraz gazu utleniajacego w za¬ kresie od 1:1 do 100:1 utrzymujac przeplyw obrotowy o wysokiej predkosci w strefie spalania oraz prowadzi sie konwersje oalej zawartosci wegla w czasteczkach paliwa 10 20 25 w stan gazowy w czasie do 100 milisekund, odklada sie odsrodkowo zuzel, formowany w czasie procesu spalania, na wewnetrznej sciance komory reakcyjnej, ograniczaja¬ cej strefe spalania, doprowadza sie zuzel do równowagi fazowej pomiedzy faza stala i ciekla, usuwa sie plynny zuzel ze strefy spalania oraz odprowadza sie gazowe pro¬ dukty spalania o Wysokiej temperaturze.Korzystnie paliwo weglowe wprowadza sie do strefy spalania w postaci rozdrobnionego strumienia, w ksztal¬ cie dzwonu, wspólosiowo z osia strefy spalania, przy czym glówna czesc gazu utleniajacego Wprowadza sie stycznie do strefy spalania, reguluje sie predkosc wlotowa gazu utleniajacego tak, ze wszystkie krople zuzlu o srednicy Wiekszej niz 10 mikronów sa odkladane w postaci cieklej na obrzezu strefy spalania, oddzielajac sie od gazowych produktów spalania przed ich odprowadzeniem ze strefy spalania.Korzystnie jako gaz utleniajacy stosuje sie czysty tlen.Zgodnie z rozwiazaniem Wedlug wynalazku urzadzenie do spalania paliwa weglowego zawiera wtryskiwacz pa¬ liwa, przeznaczony do wtryskiwania do komory reakcyj¬ nej rozproszonego promieniowo strumienia przeplywu sproszkowanego wegla, obejmujacy zespól doprowadza¬ jacy paliwo polaczony z zaworem czopowym, osadzonym przy jednym koncu komory reakcyjnej, lezacym równo¬ legle do jej osi, kanal wtryskowy gazu utleniajacego, usy¬ tuowany stycznie sa^ komory reakcyjnej, oraz pierscie¬ niowa przegrode, majaca otwór centralny, osadzona na jednym koncu komory reakcyjnej dla zwiekszenia pred¬ kosci katowej gazowych produktów spalania i oddziela- 121 680121 680 3 nia odsrodkowego kropelek zuzlu i czasteczek stalych od produktów gazowych.Wtryskiwacz paliwa zawiera wtryskiwacz fluidyzacyj¬ ny, rozpraszajacy strumien przeplywu sproszkowanego paliwa weglowego przenoszonego przez gaz nosny, w sto¬ sunku masowych wydatków przeplywu paliwa do gazu nosnego od 1:1 do 10(?:1.Korzystnie otwór centralny pierscieniowej przegrody jest usytuowany koncentrycznie z osia komory reakcyj¬ nej, zas przegroda jest osadzona prostopadle do osi komory reakcyjnej.Zgotmitf t rozwazaniem alternatywnym urzadzenie do spalania paliwa weglowego zawiera wtryskiwacz paliwa, 1 ^przeznaczony do wtryskiwania do komory reakcyjnej rozproszonego promieniowo strumienia przeplywu sprósz- : kowanego wegla, obejmujacy zespól doprowadzajacy pa- ) .iijj^a, polaczony z zaworem czopowym, osadzonym przy l^jjednym koncu komory reakcyjnej, lezacym równolegle "iSoleTóst, kanal-wiryskowy gazu utleniajacego, usytuowany stycznie do komory reakcyjnej* oraz pierseieniowa prze¬ grode, majaca otwór centralny, osadzona na jednym kon¬ cu komory reakcyjnej dla zwiekszenia predkosci katowej gazowych produktów spalania i oddzielania odsrodkowe¬ go kropelek zuzlu i czasteczek stalych od produktów ga¬ zowych.Ponadto urzadzenie to zawiera druga komore reakcyj¬ na, ograniczajaca druga strefe spalania, usytuowana za pierwsza komora reakcyjna, przeznaczona do dalszej obróbki gazowych produktów reakcji doprowadzanych z pierwszej komory reakcyjnej, przy Czym druga kbnidfa reakcyjna zawiera styczny przewód doprowadzajacy gaz, sterowany niezaleznie od kanalu wtryskowego gazu utle¬ niajacego.Korzystnie urzadzenie zawiera zespól wtryskowy przez¬ naczony do wprowadzania reagentów do przeplywu ga¬ zowych produktów spalania.Zgodnie z korzystnym przykladem wykonania wynalaz¬ ku zespól doprowadzajacy paliwo, polaczony z zaworem czopowym, przeznaczony do doprowadzania mieszaniny wegla i gazu nosnego, do zaworu czopowego, zawiera po¬ jemnik samowyladowczy z weglem w stanie sproszkowa¬ nym, fluidyzacyjny wtryskiwacz o odcinku stozkowym, zespól wtryskowy gazu nosnego; oraz pionowy kanal od¬ prowadzajacy mieszanine z wtryskiwaeza.Ponadto urzadzenie zawiera zespól strumieniowy, do którego jest doprowadzany strumien sproszkowanego Wegla* majacy dysze gazu nosnego usytuowana w osi przewodu zasilajacego, prostopadla do kierunku strumie¬ nia doprowadzanego do zespolu strumieniowego, zespól kierujacy gaz nosny o duzej predkosci do zespolu stru¬ mieniowego przez dysze oraz zespól sterujacy masowymi wydatkami przeplywu mieszaniny paliwa i gazu nosnego.Sposób i urzadzenie wedlug wynalazku do spalania paliw zawierajacych wegiel, w stanie stalym lub cieklym, umozliwia optymalny odzysk energii z paliwa, i zapewnia podwyzszona feestosc mocy.Pólelyszoha sprawnosc termiczna i objetosciowa uzys¬ kuje s$ Drzez wprowadzani* mieszaniny paliwa z gazem utfenia&cym do &ubbwe£ó wfru w io!u frrze£lywu ty#u kolowej, to umozliwia óttdzfefenfe Równej czesci po¬ piolu i zuzlu z gazowych produktów spalania pod dzia¬ laniem siijjr óflsrbAuwe}, bez srrat nadmiernej ifósci nie- spaiónego paliwa w iuira. ftttSsthfen zajmowana przefc Wrza'&enie do scalania jest 4 niewielka w porównaniu ze znanymi urzadzeniami o ekwi¬ walentnej termicznej mocy Wyjsciowej.Urzadzenie wedlug wynalazku znajduje szczególne zastosowanie do elektrycznych generatorów magneto* • hyó^Ódyóaintcznyci. Urzadzenie nadaje sie równiez do modyfikacji tfrzadzen napedzajacych energie cieplna, przeinaczonych i skonstruowanych pierwotnie do zasi¬ lania gazem ziemnym lub rofca naftowa, i moze byc zasto¬ sowane do prowadzenia pfocesów metalurgicznych lub ii innych procesów chemicznych takich jak krakmg, piro¬ liza wegla lub wytwarzania gazu generatorowego lub syn¬ tezowego.Odpowiednimi paliwami sa: sproszkowany wegiel, rozdrobniony lupek ropo-nósny, odpady ropy naftowej is i tym podobne, Czasteczki paliwa ulegaja calkowitej reakcji przed Ude¬ rzeniem o wewnetrzna sciarike komory. Uzyskuje sie to przez sterowanie rezimem aerobalistyczhym w strefie reakcyjnej tak, z? czas spaknia czasteczki jest na ogóla 20 krótszy niz esas przeplywa czasteczki no scianki komory.Podstawowa cecha spalania przy rezimie aerobalistycz- nym jest mozliwosc zoptymalizowanego* mieszania i mo¬ dyfikacji procesu spalania dla zmiennych warunków spa¬ lania takicli, jak wychwytywanie wegla przez zuzel, ro- 25 dzaj i sklad paliwa, pfocent odprowadzanego zuzlu, spraw¬ nosc spalania wegla, oraz dodatki doprowadzane do strefy spalania. Dzieki tym cechom, urzadzenie wedlug wyna¬ lazku jest znacznie mniejsze niz palniki o ekwiwalentnej wyjsciowej mocy termicznej. 30 Poniewaz sfefruje sie przelotem czasteczek w trakcie ich spalania, urzadzenie jest szczególnie korzystne do wy¬ twarzania gazu generatorowego, gazu syntezowego lub prowadzenia procesów metalurgicznych opisanych w dalszej czesci. 35 W korzystnym przykladzie wykonania wynalazku, gaz utleniajacy jest wprowadzany do cylindrycznej korndry w postaci wielu oddzielnych strumieni. Jeden strumien gazu jest wtryskiwany do strefy reakcyjnej w kierunku zasadniczo równoleglym do bsi wzdluznej komory reair- 40 cyjnej, a drugi strumien jest doprowadzany stycznie do sciankikombry.Przez sterowanie masowych Wydatków przeplywu oraz predkosci dwóch strumieni gazii i paliwa wprowadzanego do komory, mozliwe jest ustalenie i utrzymanie spalania 43 czasteczek paliwa W locie. Szczególnie, uzyskuje sie ko¬ lowy przeplyw niieszaniny paliwa z utleniaczem. Prze¬ plyw typu kolowego oznacza badz czysty przeplyw ko¬ lowy lub przeplyw koiowó-wirowy. Oba typy przeplywu zapewniaja rezim aerobalistyczny, w którym spalana 50 czasteczka ma znacznie dluzszy czas przebywania w stre¬ fie reakcyjnej niz jest to mozliwe W przeplywie typu wi¬ rowego, stosowanym w znanych palnikach.Urzadzenie przeznaczone do generatorów magnito^ hydrodynamicznych zawiera dru£a komore reakcyjna usy- 55 tuowana za rrzegrod^ zuzlu pierwszej komory reakcyj* nej. Urzadzenie to obejmuje srodki do wprowadzania dodatkowego gazu utleniajacego i mieszania go z gatfor- wymi produktami reakcji Opuszczajacymi pierwszo strelfe reakcyjna. 60 Pierwsza strefa reakcyjna pracuje przy bogatym pali* wie a gazy wydechowe zawieraja znaczne ilesfcl mezujfcl- nfe sfmlohych produktów^ takich Jak tlenHc we#a 1 wóilÓr.W drugfcj komorze produkty scalania feafcuj* tfaWsj, w^ tw*rzaj4e dodatkowa eher$$ eiefclna. Okoto 99^ Wfc 65 wiecej zuzla ióstaje tkniete w pierwszej strefie r*alró^m 630 5 nej, wiec temperatura w drugiej komorze reakcyjnej mo¬ ze osiagnac wartosci znacznie wyzsze niz temperatura odparowania zuzlu, co polepsza sprawnosc termodyna¬ miczna, przetwarzajac moc termiczna na moc elektryczna.W poblizu konca wlotowego drugiej komory reakcyj¬ nej znajduje sie zsspól wlotowy reagentu, przez który mozna doprowadzic reagenty, do strumienia gazu o wy¬ sokiej temperaturze, wprowadzanego do drugiej komory reakcyjnej. Ponadto, druga komora reakcyjna zawiera uklad do zmniejszania lub eliminowania wysokiej pred¬ kosci katowej gazowych produktów reakcji.Korzystnie modyfikacje predkosci katowej uzyskuje sie przez wtryskiwanie dodatkowego powietrza o takim kie¬ runku i z taka predkoscia, ze ped dodatkowego strumienia gazu utleniajacego równowazy i znosi katowy ped pro¬ duktów reakcji opuszczajacych pierwsza strefe reakcji.Wprowadzanie dodatkowego gazu utleniajacego do dru¬ giej komory reakcyjnej zapewnia skasowanie Wirowosci gazowych produktów reakcji, na drodze wymiany pedów.Sposób i urzadzenie Wedlug wynalazku stosuje sie ko¬ rzystnie do wytopu rud metali, takich jak tlenki i siarcza¬ ny miedzi, cynku, zelaza, olowiu, niklu i srebra.W procesach metalurgicznych nastawia sie wydatek doplywu paliwa na ustalona wartosc, zapewniajac prace urzadzenia przy odpowiedniej temperaturze w strefie spalania. Przy ustalonej ilosci wlotowej paliwa nasta¬ wia sie ilosc wlotowego powietrza na prace przy bogatym paliwie lub ubogim paliwie.W wielu procesach metalurgicznych, strefe reakcyjna utrzymuje sie korzystnie przy skladzie stechiometrycznym odpowiadajacym bogatemu paliwu, co zapewnia powsta¬ nie atmosfery redukcyjnej, do której jest wtryskiwana wzbogacona ruda. Rudy metali sa korzystnie wprowadza¬ ne do strefy reakcyjnej w postaci rozdrobnionego prosz¬ ku zmieszanego ze sproszkowanym paliwem stalym lub alternatywnie z gazem nosnym a nastepnie wtryskiwane do strefy reakcyjnej przez oddzielny zawór czopowy.Wzbogacona ruda wtryskiwana do strumienia przeply¬ wu, bogatego w paliwo, gazowych produktów reakcji, ulega redukcji pod dzialaniem mieszaniny gazów boga¬ tych W paliwo, a stopione kropelki metalu powstaja W „dolnej" czesci obracajacego sie strumienia gazowych produktów reakcji. Na stopione kropelki metalu dzialaja sily odsrodkowe W miare ich przesuwania w kierunku wy¬ lotowego konca strefy reakcyjnej tak, ze sa one przyspie¬ szane promieniowo w kierunku obrzeza komory reak¬ cyjnej.Podobnie dziala przeplyw typu kolowego w strefie spa¬ lania, oddzielajac stopiony metal od gazowych produktów spalania i odkladajac stopiony metal na sciankach komory reakcyjnej, z której jest odprowadzany wraz z zuzlem.Wiekszosc procesów metalurgicznych wymaga boga¬ tego paliwa i utrzymania atmosfery redukcyjnej w stre¬ fie spalania. W szczególnosci mozna wytwarzac miedz metaliczna z siarczynów miedzi, takich jak chalkopiryt i chalkozyn, gdy strefa spalania jest zrównowazona ste- chiometrycznie lub lekko wzbogacona W utleniacz.Do strefy reakcyjnej dodaje sie inne reagenty, Wraz z Wzbogacona ruda. Przykladowo, dodatki stosuje sie -w celu zwiekszenia zdolnosci zuzlu do oddzielania meta¬ lu lub w celu zwiekszenia wychwytywania zanieczyszczen powietrza powstajacych w procesie spalania. Przez do¬ danie reagentów, przy sterowaniu temperatura, tlenki siarki (SOz) usuwa sie z gazowych produktów reakcji bez uzycia konwencjonalnych pluczek wiezowych gazów. 6 Aby kontrolowac emisje SOx, stosuje sie dodatki, takie jak Weglany, Wprowadzane do paliwa wlotowego lub od¬ dzielnie do komory reakcyjnej. Tworzenie zanieczyszczeri w postaci tlenku azotu (NOx) jest sterowane przez za- 5 chowanie warunków spalania przy bogatym paliwie, co zmniejsza temperature do poziomu dostatecznie niskiego, aby zapobiec gwaltownemu tworzeniu NOx.Korzystna cecha rozwiazania Wedlug wynalazku jest mozliwosc wytwarzania gazu generatorowego lub gazu io syntezowego.Pozadanym jest, aby gaz generatorowy zawieral maksy¬ malna mozliwa ilosc tlenku wegla. Zwieksza to jego War¬ tosc cieplna i Wartosc ekonomiczna. Chociaz pewna ilosc wody przedostaje sie do strefy reakcyjnej w*ax z weglem 15 i powietrzem, moze byc niepozadanym dodawanie Wody lub pary wodnej do strefy reakcyjnej poniewaz zmniejsza to ilosc wytwarzanego tlenku Wegla. Ponadto pozadane jest wtryskiwanie odpowiednich zwiazków chemicznych do strefy reakcyjnej W celu usuwania SOx. W okresach 20 gdy brakuje ropy naftowej i gazu urzadzenie moze byc wykorzystane do wytwarzania czystego paliwa, zastepu¬ jacego rope naftowa i gaz ziemny.Gaz syntezowy wytwarza sie przy uzyciu czystego tlenu w miejsce powietrza, w czasie procesu spalania, wtryskujac 25 pare wodna zapewniajac powstanie odpowiednich pro¬ porcji tlenku Wegla i wodoru w gazie syntezowym. Po¬ wodem uzycia tlenu W miejsce powietrza jest koniecznosc wyeliminowania azotu. Z uwagi na fakt, ze wegiel spala sie w urzadzeniu w sposób czysty a SOx i zuzel zostaja usu- 30 niete z gazów wylotowych, urzadzenie wytwarza gaz syn¬ tezowy przy zmniejszonych kosztach w porównaniu ze znanymi technikami.Urzadzenie wedlug Wynalazku wykorzystuje sie do wytwarzania gazów wydechowych o wysokich tempera- 35 turach, które mozna uzyc do przeróbki materialów weglo¬ wych takich jak Wegiel, lupek lub ropa naftowa. Uklad do obróbki materialów weglowych zawiera pierwszy stopien, obejmujacy urzadzenie do spalania paliwa Weglowego i je¬ den lub wiecej stopni polaczonych z tym urzadzeniem. 40 Materialy Weglowe sa podawane do co najmniej jednego stopnia ukladu a gazy wylotowe przeplywaja z pierwszego stopnia lub drugiego stopnia do odpowiedniego stopnia dostarczajac ciepla do obróbki materialów weglowych.Materialy stale sa oddzielane od skladników gazowych 45 opuszczajacych krancowe stopnie ukladu, a lotne Weglo¬ wodory zostaja odzyskiwane. Przy obróbce wegla, gorace gazy powoduja odparowanie wody i weglowodorów w weglu. Po odzyskiwaniu weglowodorów pozostala smola, o mniejszym ciezarze, jest transportowana w bardziej 50 ekonomiczny sposób niz nieprzerobowy wegiel. Przykla¬ dowo wegiel zawiera okolo 20% wody. Koszt transportu wegla zawierajacego tak duze ilosci wody jest wiekszy niz obróbka wegla przy uzyciu urzadzenia Wedlug wyna¬ lazku. 55 Przy prazeniu lupków, kerogen w lupkach rozklada sie na rope naftowa a ropa naftowa odparowuje, oddziela¬ jac sie od mineralu w stanie stalym. Rope naftowa prze¬ rabia sie w procesie krakowania plomieniowego, w którym strumien ropy naftowej jest wtryskiwany do dalszych 60 stopni ukladu i ulega gwaltownemu podgrzewaniu. Ropa naftowa rozklada sie na lzejsze weglowodory, które sa nastepnie oddzielane od gazów szlachetnych zawartych w produktach spalania.Przedmiot wynalazku zostal uwidoczniony w przykla- 65 dzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia121 680 8 schematycznie urzadzenie wedlug wynalazku, fig. 2— 2d — wykresy przeplywu typu kolowego i kolowo-wiro- wego, fig. 3—6 — wykres przeplywu oraz ruchu czaste¬ czek w polach przeplywu, fig. 7 — urzadzenie, w widoku perspektywicznym, fig. 8 — urzadzenie, W widoku z bo¬ ku, fig. 9—12 — urzadzenie w przekroju wzdluz linii 9—9, 10—10, 11—11, 12—12, wedlug fig. 8, fig. 13 — schemat urzadzenia do transportu reagentów w fazie gestej, fig. 14 — fragment urzadzenia wedlug fig. 13 w przekroju poosiowym, fig. 15—16 — fragmenty urzadze¬ nia wedlug fig. 7, w przekroju poosiowym, fig. 17 — fra¬ gment urzadzenia W przekroju poosiowym, fig. 18 — urza¬ dzenie W przekroju Wzdluz plaszczyzny 18—18, z fig. 17, fig. 19 — fragment urzadzenia wedlug fig. 17, w przekroju poprzecznym, fig. 20 — schemat instalacji do wytwarzania gazu generatorowego lub gazu syntezowego, fig. 21 — schemat instalacji do pirolizy wegla, prazenia lupków lub plomieniowego krakowania ropy naftowej.Urzadzenie 10 (fig. 1) zawiera komore reakcyjna 21 w postaci metalowego cylindra symetrycznego wzgledem osi wzdluznej Z, ograniczajacego cylindryczna strefe reakcyjna 22. Przez koniec wlotowy 23 do strefy reak¬ cyjnej 22 wchodzi pierwotny strumien powietrza lub stru¬ mien wzdluzny, wzdluz linii równoleglych do osi. Kanal wtryskowy 24 przesuniety w kierunku „z pradem", wzgle¬ dem konca wlotowego 23, jest przeznaczony do wprowa¬ dzania Wtórnego strumienia powietrza stycznie do stre¬ fy reakcyjnej 22. Zawór czopowy 25, dla Wtrysku paliwa, osadzony Wspólosiowo z komora 21 przy koncu wlotowym 23, zawiera czop 27, przystosowany do przestawiania w kierunku Wzdluznym w rurze Wlotowej paliwa 29, przez który paliwo doplywa do komory reakcyjnej.Czop 27 ma stozkowa koncówke 31 przeznaczona do odchylania paliwa, w kierunku promieniowym na zew¬ natrz wzgledem osi wzdluznej, w postaci strugi 41 w ksztalcie dzwonu. Gdy czop 27 jest przesuniety w lewo, jak to pokazano na fig. 1, stozkowa powierzchnia kon¬ cówki 31 przesuwa sie w kierunku gniazda 33 zaworu przy koncu rury 29, zmniejszajac znacznie wydatek przeplywu paliwa doprowadzanego do strefy reakcyjnej 22. Dzieki temu rozwiazaniu zawór czopowy 25 steruje Wydatkiem przeplywu doprowadzanej masy paliwa. W prawym koncu komory reakcyjnej 21 znajduje sie przegroda 35 wypo¬ sazona w centralny otwór 21, przez który odplywaja z ko¬ mory gazowe produkty reakcji powstale w strefie reakcyj¬ nej 22. Przegroda 35 oddziela czasteczki paliwa oraz kro¬ pelki zuzlu od gazowych produktów reakcji tak, ze stru¬ mien odprowadzany przez otwór 37 jest pozbawiony cieklego zuzlu i czasteczek stalych.Zgodnie z fig. 2a—2c, pierwotny strumien powietrza wchodzacy do strefy reakcyjnej 22 w postaci pierscienia otaczajacego zawór czopowy 25 natrafia na wtórny stru¬ mien powietrza Wprowadzany do strefy reakcyjnej przez kanal 24. Paliwo zawierajace wegiel, przykladowo sprosz¬ kowany wegiel, jest podawane do komory reakcyjnej 21 W postaci gestej mieszaniny fazowej z gazem nosnym, ta¬ kim jak azot (N2), sprezone powietrze lub paliwo gazowe.Wtórny strumien powietrza 47, wtryskiwany stycznie, dokladnie miesza sie z paliwem i pierwotnym strumie¬ niem powietrza oraz przyspiesza stale czasteczki paliwa, zgodnie z prawami przeplywu. Mieszanina palacych sie czasteczek paliwa oraz gazowych produktów reakcji o wy¬ sokiej temperaturze przemieszcza sie wzdluz toru srubo¬ wego 49 (fig. 2d) w kierunku „z pradem" strefy reakcyj¬ nej 22, gdzie gazowe produkty reakcji sa kierowane do wewnatrz przez przegrode 35 oraz opuszczaja komore 21 przez centralny otwór 37! W miare jak produkty reakcji sa kierowane do wew¬ natrz przez przegrode 35, predkosc katowa gwaltownie 5 wzrasta w strefie w poblizu przegrody tak, ze kropelki zuzlu zostaja oddzielone sila odsrodkowa ze strumienia gazu i odkladaja sie, w znacznej czesci, na sciankach ko¬ mory i wewnetrznej powierzchni przegrody 35.Czasteczki przenoszone przez struge 41 w ksztalcie io dzWonu przemieszczaja sie wzdluznie przez komore ze srednia predkoscia okreslona przez polaczony wydatek przeplywu masy powietrza i paliwa. Niewielkie czastecz¬ ki sa wylapywane i przenoszone przez strumien miesza¬ niny, zas wieksze czasteczki podazaja czesciowo po to- 15 rach wyznaczonych przez ich wlasne Wektory predkosci.Chociaz wieksze czasteczki sa przyspieszane przez gwal¬ townie wirujace gazy, sa one przyspieszane w niniejszym stopniu niz mniejsze czasteczki.Na fig. 1 linia 41 reprezentuje zewnetrzna granice to- 20 rów srubowych duzych czasteczek paliwa, przykladowo czasteczek o srednicy okolo 1000 mikrometrów. Tak du¬ ze czasteczki nie podazaja wzdluz linii 43 lecz przemiesz¬ czaja sie srubowo wokól osi wzdluznej w obrebie strugi 41, której zewnetrzna obwiednie stanowi linia 43. Podob- 25 nie, male czasteczki, przykladowo czasteczki wegla o sred¬ nicy okolo 10 mikrometrów, przemieszczaja sie Wzdluz torów srubowych w obrebie strugi 41, której wewnetrzna obwiednie stanowi linia 45. Tak wiec zasadniczo Wszystkie czasteczki o rozmiarach w zakresie od srednicy okolo 30 10 mikrometrów do okolo 100 mikrometrów przemiesz¬ czaja sie po torach srubowych w obrebie strugi 41 po¬ miedzy liniami 43 i 45. Mieszaniu sie paliwa z dwoma strumieniami powietrza towarzyszy wymiana pedów oraz tworzenie sie strumienia mieszaniny w postaci cylindrycz- 35 nej spirali usytuowanej wzdluz komory. Pozadanym jest utrzymanie przeplywu pola kolowego lub polaczonego pola przeplywu kolowo-wirowego w cbiebie glównej czesci strefy reakcyjnej 22.Struga 41 w ksztalcie dzwonu (fig. 1), powstaje przy- 40 kladowo przy zalozeniu predkosci wtórnego strumienia przeplywu powietrza rzedu 50 m/s predkosci wzdluznego pierwotnego strumienia przeplywu okolo 15 m/s oraz predkosci wtryskowej mieszaniny gazu nosnego z paliwem od okolo 3 do 15 m/s. Przez wybór optymalnych zalez- 45 nosci pomiedzy predkoscia Wtórnego strumienia powiet¬ rza, predkoscia pierwotnego strumienia powietrza, pred¬ koscia wlotowa paliwa oraz kierunkiem paliwa, mozna dobrac ksztalt strugi 41 w szerokim zakresie. Wybór taki bedzie uzalezniony od uzycia okreslonego paliwa i innych 50 charakterystyk okreslonych procesów.W niektórych przypadkach, pozadanym jest prowadze¬ nie procesu w otoczeniu o bogatym paliwie, to znaczy w at¬ mosferze redukcyjnej. Przykladowo bogate paliwo jest pozadane W celu zmniejszenia temperatur reakcji oraz 55 zmniejszenia parowania zuzla.Aby uzyskac reaktor o stosunkowo zwartej budowie, koniecznym jest aby czasteczki paliwa byly stosunkowo niewielkie. Czasteczki paliwa powinny miec srednice mniejsza niz 750 mikrometrów, a korzystnie mniejsza niz so 75 mikrometrów. Tak male czasteczki spalaja sie W ciagu kilku milisekund. Reaktor jest tak zaprojektowany, ze wirujace gazy wywoluja dostatecznie duza sile odsrodkowa, aby czasteczki przemieszczaly sie do wewnetrznej scianki komory i jednoczesnie ulegaly wszystkie calkowitemu u spaleniu przed uderzeniem o scianke komory. Przyklado-121 680 9 wo czasteczka majaca srednice 75 mikrometrów spala sie w ciagu 60 milisekund.Srodowisko aerobalistyczne, do którego zostaje wtrys- nicta czasteczka jest korzystnie regulowana, tak, ze sily dzialajace na czasteczke nie przesuna jej do scianki przed jej calkowitym spaleniem.Ogólnie uwaza sie, ze na male czasteczki dzialaja sily oporu aerodynamicznego w wiekszym stopniu niz na du¬ ze czasteczki. Przykladowo gdy mala czasteczka dosta¬ nie sie w wirujace gazy W strefie reakcyjnej, gaz utlenia¬ jacy przeplywajacy wokól czasteczki wywoluje sile oporu, która prawie natychmiast zmienia predkosc i kierunek malej czasteczki tak, ze pokrywa sie ona z predkoscia i kierunkiem wirujacych gazów. Dla odmiany, bezwlad¬ nosc bardzo duzych czasteczek stara sie utrzymac ruch czasteczek z predkoscia i W kierunku, z którymi dosta¬ la sie do wirujacego gazu. W przypadku malych czaste¬ czek prawie wszystkie czasteczki uzyskuja predkosc wi¬ rujacych gazów w ciagu kilku milisekund po wejsciu do strefy reakcyjnej., Gdy czasteczki te wiruja w gazach, powstaje sila od¬ srodkowa, wprost proporcjonalna do masy czasteczki i predkosci katowej czasteczki. Na wieksze czasteczki dzialaja wieksze sily odsrodkowe niz na male czasteczki, a dzialanie sil oporu jest mniejsze. W rezultacie duze czasteczki staraja sie przemieszczac szybciej w kierunku scianki zewnetrznej niz czasteczki mniejsze. Przez ste¬ rowanie predkoscia styczna wirujacych gazów, steruje sie silami oporu i silami odsrodkowymi dzialajacymi na cza¬ steczki. Umozliwia to dobranie odpowiedniej predkosci stycznej wirujacych gazów tak, ze wieksze czasteczki sa spalane zanim uderza o scianke komory reakcyjnej.Wzajemne oddzialywanie gazów wlotowych stanowi srodek umozliwiajacy zmiane sil odsrodkowych i sil opo¬ ru dzialajacych na czasteczki. Przez sterowanie wydat¬ kami przeplywu mas strumieni gazu o kierunku stycz¬ nym i wzdluznym, uzyskuje sie prawie calkowite spale¬ nie czasteczek przed uderzeniem o scianke komory. Po¬ nadto im bardziej przeplyw gazów w strefie reakcyjnej jest podobny do przeplywu kolowego, tym dluzszy jest czas przeplywu czasteczek przez komore.Przy projektowaniu komory reakcyjnej pozadane jest maksymalne zwiekszenie ilosci zuzlu wychwytywanego w komorze. Poniewaz male czasteczki nie przesuwaja sie w kierunku scianek tak szybko jak duze czasteczki, cza¬ steczki bardzo male przedostana sie przez otwór central¬ ny ^komory. Ponadto zawsze wystepuja straty bardzo drobnych kropelek zuzlu. Jednakze dlugosc komory i wielkosc otworu sa tak dobrane, ze co najmniej od 90% do 95% zuzlu jest Wychwytywane w komorze.Czasteczki paliwa nie powinny byc wtryskiwane z pred¬ koscia tak duza, aby ich ped doprowadzil je do scianki komory przed spaleniem. Innymi slowami predkosc cza¬ steczek paliwa musi byc znacznie nizsza od predkosci wirujacych gazów tak, aby gazy te dzialaly na wlatujace .czasteczki i wychwytywaly je do wiru na czas dostatecz¬ nie dlugi aby zapewnic calkowite spalenie.Pelna ocena charakterystyk przeplywu kolowego wy¬ korzystanego w wynalazku wymaga szczególowego roz¬ patrzenia przeplywu gazu oraz sil wytwarzanych przez gazy dzialajace na czasteczki.Istnieja dwa typy przeplywu w wirujacych gazach w stre¬ fie reakcyjnej: przeplyw wirowy i przeplyw kolowy. W teoretycznie czystym przeplywie wirowym predkosc stycz¬ na maleje w funkcjach polozenia promieniowego. Innymi 10 slowy, maksymalna predkosc styczna wystepuje w po¬ blizu srodka pola wirujacego przeplywu. Przeplyw wi¬ rowy okresla matematycznie wyrazenie: gdzie: Vt = predkosc styczna Ro — promien komory R = polozenie punktu odniesienia na promieniu 10 Vo = predkosc styczna na promieniu zewnetrznym Teoretycznie czysty przeplyw wirowy jest przedsta¬ wiony graficznie na fig. 3, na której krzywa 51 stanowi wykres predkosci stycznej w funkcji odleglosci promie¬ niowej od osi obrotu pola przeplywu wirowego. Jak to pokazuje krzywa 51, predkosc styczna zwieksza sie wy¬ kladniczo w miare zmniejszania sie polozenia promienio¬ wego i gdyby czysty przeplyw wirowy mial byc utrzy¬ many, predkosc ta bylaby bardzo duza w poblizu osi.W przeplywie kolowym cala masa plynu wiruje jak 20 cialo stale. Przeplyw taki nazywamy „czystym przeply¬ wem kolowym". Czysty przeplyw kolowy okresla mate¬ matycznie wyrazenie: vrR.o gdzie: 25 Vt- predkosc styczna — R = polozenie punktu odniesienia w kierunku promie¬ niowym a = predkosc katowa w punkcie R Tak wiec w przeplywie kolowym predkosc styczna 30 gazu dla dowolnego polozenia promieniowego R jest wprost proporcjonalna do polozenia promieniowego wzgle¬ dem osi obrotu. Jest to oczywiscie cecha odrózniajaca sie od ruchu obrotowego ciala stalego, którego skladniki maja stale polozenie wzgledem siebie. Predkosc katowa a jest 35 taka sama dla wszystkich polozen promieniowych. Tak wiec w czystym przeplywie kolowym cojest stala dla wszyst¬ kich punktów (polozen) w tym samym przekroju poprzecz¬ nym, przy maksymalnej predkosci stycznej wystepujacej na promieniu zewnetrznym, przeciwnie niz w czystym 40 przeplywie wirowym, gdzie maksymalna predkosc stycz¬ na wystepuje w poblizu osi. Czysty przeplyw kolowy ilustruje fig. 4, na której linia 53 reprezentuje predkosc styczna w funkcji odleglosci promieniowej od osi obro¬ tu Z. 45 Przy mieszaniu strumienia poosiowego ze strumieniem stycznym, przeplyw gazu w strefie reakcyjnej 22 moze byc sterowany tak, ze odpowiada on w przyblizeniu roz¬ kladowi predkosci przedstawionemu w postaci krzywej 55 na fig. 5. 50 Krzywa 55 reprezentuje typowy przeplyw w strefie reakcyjnej 22. Zakrzywiona czesc 56 przedstawia strefe, w której predkosc wzrasta w funkcji liniowej odleglosci promieniowej od osi obrotu i odpowiada czystemu prze¬ plywowi kolowemu. Czesc pola przeplywu zblizona do 55 czystego przeplywu wirowego jest oznaczona zakrzywiona czescia 57. W polaczonym przeplywie kolowo-wirowym predkosc styczna w poblizu osi zwieksza sie liniowo z odleg¬ loscia od osi do predkosci maksymalnej, wystepujacej w odleglosci w przyblizeniu równej promieniowi otworu 60 37 przegrody. Poza tym punktem, predkosc zmienia sie w przyblizeniu odwrotnie do odleglosci od osi (fig. 3).Tak wiec pole przeplywu wedlug wynalazku jest podobne do czystego przeplywu kolowego W strefie rdzeniowej 65 komory spalania i ma punkt przejscia oznaczony jako a121 680 ii (fig. 3 i 4) oraz jest w przyblizeniu podobne do przeplywu wirowego w zewnetrznej powloce pola przeplywu.Czas przeplywu przez komore wiekszych czasteczek mozna istotnie zwiekszyc przez zmniejszenie predkosci stycznej gazów napotkanych na poczatku przeplywu przez komore. Tak wiec pozadanym jest aby strefa rdzeniowa od R=0 do R=a miala najwieksza srednice jak jest to praktycznie mozliwe. Srednica strefy rdzeniowej prze¬ plywu kolowego zmienia sie na dlugosci komory, a w po¬ blizu przegrody jest w przyblizeniu równa srednicy otwo¬ ru 37 przegrody. W poblizu wlotu do strefy spalania pro¬ mien a strefy rdzeniowej przeplywu kolowego moze ulec zwiekszeniu przez sterowanie predkosciami, wydatkami przeplywu mas, oraz sposobem wtryskiwania paliwa tak, aby strefa rdzeniowa byla mozliwie jak najwieksza dla wychwytywania zuzlu.Zgodnie, z wynalazkiem przez sterowanie predkosciami i wydatkami przeplywu mas paliwa oraz obu strumieni wlotowych powietrza, reguluje sie przekazywaniem pe¬ dów pomiedzy poosiowym i stypznym strumieniem po¬ wietrza tak, ze pole przeplywu w strefie reakcyjnej 2 jest podobne do przeplywu kolowo-wirowego (fig. 5), co zapewnia dlugi czas przeplywu czasteczek. W rezultacie w komorze o srednicy wynoszacej tylko 46 cm uzyskuje sie czas przeplywu duzych czasteczek od 30 do 70 milise¬ kund.Sterowanie aerobalistyczne reakcji chemicznej, poprzez sterowanie przeplywem swobodnym, zmniejsza straty niespalonego paliwa w zuzlu oraz zmniejsza ilosc zuzlu wydalanego z komory reakcyjnej przez otwór 37. Mozna to równiez uzyskac przez wtryskiwanie paliwa z predkos¬ cia mniejsza niz predkosc wlotowego, stycznego strumie¬ nia gazu utleniajacego, co wywoluje stykanie sie paliwa z tymi czesciami strumieniagazu utleniajacego, które zmie¬ rzaja do wyzszych predkosci katowych.Róznica pomiedzy dwoma przeplywami polega na czasie przebywania czasteczek w strefie reakcyjnej 22.Dla podobnych czasteczek wtryskiwanych na tych samych promieniach w dwóch typach przeplywów, czas prze¬ bywania czasteczek jest znacznie dluzszy w przeplywie kolowym niz w przeplywie wirowym. Tak wiec aby uzys¬ kac dluzszy czas przemieszczania czasteczek, nalezy utrzymac przeplyw typu kolowego w komorze reakcyjnej 22. JJmozliwia to uzyskanie zwiekszonych gestosci mocy.Przykladowo znany generator gazu Lurgi, pracujacy przy cisnieniu 20xl0.15Pa, ma gestosc mocy rzedu 168 kg wegla na godzine na metr szescienny komory reakcyjnej.Urzadzenie wedlug wynalazku pracujace przy tym sa¬ mym cisnieniu osiagnie gestosc mocy rzedu 12700 kg wegla na godzine na metr szescienny komory reakcyjnej.Zalete utrzymania przeplywu typu kolowego jako do¬ minujacego w urzadzeniu wedlug wynalazku mozna naj¬ lepiej ocenic przez rozpatrzenie aerodynamiki czastecz¬ ki przenoszonej przez wirujace gazy.Istota wynalazku polega na zawieszaniu duzych czaste¬ czek przez dostatecznie dlugi czas aby zapewnic ich cal¬ kowite przereagowanie i zredukowanie do postaci kropli zuzlu, przed uderzeniem o scianki komory reakcyjnej.Urzadzenie jest zaprojektowane tak, aby zmniejszyc przy¬ spieszenie promieniowe niespalónych lub czesciowo spa¬ lonych czasteczek jednoczesnie zapewniajac osiagniecie przez wiekszosc kropelek zuzlu scianek komory.Rozpatrujac czasteczke wchodzaca d*o strefy reakcyj¬ nej nalezy stwierdzic, ze poczatkowo dzialaja ha czastecz¬ ke tylko Siiy óporii. frzyjmujackulistyIcsztalt czasteczki, 12 sila oporu (Fd) wynosi: ^ Cd-/yDg(Vg-Vp)2 gdzie: cd P% Dp Vg vP 8 — wspólczynnikiem oporu — gestoscia gazu — srednica czasteczki — predkoscia gazu — predkoscia czasteczki — przyspieszeniem ziemskim Male czasteczki, z uwagi na to, ze jej niewielki ciezar, czyli mala mase, sa bardziej narazone na dzialanie sily oporu wywieraja na nie przez wirujace gazy, niz czastecz¬ ki wieksze, ciezsze. Poniewaz wszystkie czasteczki w spo¬ sobie wedlug wynalazku sa male, prawie wszystkie czastecz¬ ki, dzieki silom oporu dzialajacym na nie, uzyskuja prawie natychmiast te sama predkosc co wirujace gazy.Przy obracajacych sie czasteczkach, dziala na nie sila odsrodkowa (Fc): Fc = M R co2 gdzie: M — masa czasteczki R — polozeniem czasteczki na promieniu 25 co — predkoscia katowa czasteczki Z powyzszego równania wynika, ze czym wieksza jest masa czasteczki tym wieksza jest sila odsrodkowa popy¬ chajaca czasteczke w kierunku wewnetrznej scianki ko¬ mory. Sterowanie predkoscia katowa powoduje, ze sila 30 odsrodkowa nie jest tak duza, aby predkosc nadawana czasteczce doprowadzila ja do scianki komory przed cal¬ kowitym spaleniem. W przeplywie typu wirowego, przy duzych predkosciach w poblizu srodka komory, czastecz¬ ki paliwa wtryskiwane do wirujacego strumienia sa pod- 35 dawane poczatkowo duzej sile odsrodkowej co powoduje ich gwaltowne przyspieszenie w kierunku promieniowym.Z drugiej strony, w przeplywie kolowym, przy identycz¬ nych warunkach wtrysku, na te same czasteczki dziala stosunkowo niewielka sila odsrodkowa, nadajaca im nie- 40 wielkie poczatkowe przyspieszenie w kierunku promie¬ niowym. Poniewaz sila oporu steruje w sposób pierwotny ruchem bardzo malych czasteczek, czasteczki te pozosta¬ ja w tym samym polozeniu w gazach, po uchwyceniu w wir i tylko przemieszczaja sie powoli w kierunku scian- 45 ki komory..Mozna wykazac, ze przyspieszenie styczne czasteczki /dve\. t .I—-—I jest opisane równaniem: dt Pp*D2 dt Przyspieszenie czasteczki jest odwrotnie proporcjo¬ nalne do kwadratu jej srednicy. Tak wiec male czasteczki uzyskuja te sama predkosc co wirujace gazy znacznie szybciej niz czasteczki wieksze i nie przemieszczaja sie wzgledem otaczajacych je gazów w takim stopniu jak duze czasteczki, które przemieszczaja sie do róznych warstw gazu w miare przesuwania sie, podlegajac ciaglemu prze¬ mywaniu przez swieze gazy utleniajace. Zapobieganie to tworzeniu sie warstwy produktów reakcji wokól du¬ zych czasteczek, przyspieszajac w znaczny sposób ich spa¬ lanie. Stopien w jakim jest to realizowane w praktyce jest uzalezniony czesciowo od stopnia, w którym pole 65 przeplywu jest zblizone do czystego przeplywu kolowego*li Na fig. 6 przedstawiono zachowanie sie czasteczki o okreslonej wielkosci w trzech róznych polach przeply¬ wu. Polozenie promieniowe czasteczki o srednicy 75 mi¬ krometrów, w komorze o srednicy nominalnej 0,45 m okreslono dla trzech róznych warunków.Zgodnie z krzywa A w czystym przeplywie wirowym czasteczki osiagna scianke komory w ciagu okolo 10 mili¬ sekund.Zgodnie z krzywa B w polu przeplywu kolowo-wiro- wego czasteczki osiagna scianke w ciagu okolo 30 mili¬ sekund.Zgodnie z krzywa C w polu czystego przeplywu kolo¬ wego czasteczki osiagna scianke w czasie dluzszym niz 70 milisekund. Poniewaz czas spalania czasteczki jest dluzszy niz 10 milisekund, czysty przeplyw wirowy nie zapewnia calkowitego spalania przed osiagnieciem scianki komory. Gdy pole przeplywu jest bardziej zblizone do czystego przeplywu kolowego, wieksze czasteczki moga ulec spalaniu w komorze o tych rozmiarach.Rozmiary komory mozna zwiekszyc w celu uzyskania spalania czasteczek w locie w przeplywie wirowym, lecz nie jest to korzystne ekonomicznie i wplywa ujemnie na gestosc mocy i sprawnosc urzadzenia.Spalanie w locie zapewnia bardzo wysoka sprawnosc termiczna poniewaz zapobiega spalaniu na sciance, stra¬ tom wegla w zuzlu, oraz nadmiernym stratom ciepla na sciankach. Ponadto spalanie na sciance wymaga doprowa¬ dzenia do scianki utleniacza i uzycia nadmiaru powie¬ trza, W znaczny sposób utrudniajac utrzymanie atmos¬ fery redukcyjnej w zewnetrznych czesciach strefy reak¬ cyjnej 22. Przez uzyskanie dluzszego czasu przebywania czasteczki w strumieniu gazu dla okreslonej srednicy komory, oraz przyspieszonego „przemywania" wiekszych czasteczek w locie, mozna uzyskac bardzo wysokie ges¬ tosci mocy.Zwiekszenie wzglednej predkosci pomiedzy wiruja¬ cymi gazami i wiekszymi czasteczkami, powoduje przys¬ pieszenie spalania duzych czasteczek, tak, ze strefa reak¬ cyjna 22 moze byc zasilana bogatym paliwem bez nad¬ miernego odkladania sie niespalonych czasteczek na scian¬ kach.Praca przy bogatym paliwie umozliwia utrzymanie temperatur strefy reakcyjnej na poziomie, który pozwala uniknac nadmiernego parowania zuzlu. Tak wiec w na¬ szym urzadzeniu 90% lub wiecej zawartosci zuzlu z do¬ prowadzanego paliwa mozna usunac w stanie cieklym, zanim gazowe produkty reakcji opuszcza komore.Fig. 7, 8 przedstawiaja przyklad wykonania urzadze¬ nia wedlug wynalazku przeznaczonego do spalania sprosz¬ kowanego wegla i generowania strumienia plazmy o wy¬ sokiej temperaturze do napedu generatorów elektrycznych magnetohydrodynamicznych. Urzadzenie zawiera rure rozgalezna utleniacza 61, przez która powietrze ze zródla 65 doplywa przez wtórny przewód powietrza 24 do krócca wtryskowego 59 oraz stycznie do strefy reakcyjnej 22.Zgodnie z fig. 8 zawór czopowy 25 otrzymuje paliwo ze zródla paliwa 63, przy czym paliwo przeplywa przez rure wlotowa 29 i jest odchylane promieniowo na zew¬ natrz od koncówki 31 czopa. Czop jest nastawny wzdluz¬ nie przy pomocy tulei 28 nagwintowanej zewnetrznie, przenoszonej przez czop i osadzonej obrotowo w otwo¬ rze nagwintowanym wewnetrznie.Zródlo paliwa 63 stanowi korzystnie oddzielne urza¬ dzenie mieszajace wegiel i przenoszace wegiel w postaci gestej fazy, przedstawione na tig, 13, 14. Podstawowa 1680 14 funkcja zródla paliwa 63 polega na doprowadzeniu sprosz¬ kowanego wegla w strumieniu cieczy nosnej, przy czym stosunek masy wegla do cieczy jest sterowany w zakresie od 0:1 do 100:1. Przeplyw sproszkowanego wegla zmie- 5 szanego z ciecza nosna ma charakterystyki przeplywu podobne do charakterystyk cieczy lepkiej i w miare jak przeplyw ulega rozproszeniu przez zawór czopowy 25, drobno sproszkowany wegiel jest rozpylany przez zawór jakato pokazuje struga 41 w ksztalcie dzwonu (na fig. 1). 10 Zgodnie z fig. 7 i 8 powietrze pod cisnieniem, ogrzane do wysokiej temperatury, pochodzace ze zródla utlenia¬ cza 65 jest podawane przez rure rozgalezna 61 tworzac pierwszy, drugi i trzeci strumien powietrza doprowadzany do urzadzenia. Rura rozgalezna 61 obejmuje przewód 15 glówny 66, siegajacy od zródla 65, równolegle do osi wzdluznej komory spalania 21, pierwszy przewód odga¬ leziony 67, skierowany prostopadle do komory 21, poda¬ jacy pierwszy strumien powietrza pod wysokim cisnie¬ niem do komory sprezonego powietrza 69, z której po- 20 wietrze wychodzi przez zespól 78 prostujacy przeplyw, o wielu otworach. Pierwszy strumien przeplywu powietrza wplywa do strefy reakcyjnej 22 w kierunku w przyblize¬ niu równoleglym do osi wzdluznej komory 21, przez pierscieniowa strefe otaczajaca zawór czopowy 25. 25 W komorze sprezonego powietrza 49 rozprezenie obje¬ tosciowe powoduje zmniejszenie predkosci powietrza, które jest kierowane przez scianki komory do zespolu 70 prostujacego przeplyw. Zgodnie z fig. 8 i 9, zespól 70 stanowi wolno stojacy zespól lopatek z weglika krzemu 30 osadzonych wspólnie i tworzacych zespól o wielu otwo¬ rach, przez które przechodzi pierwszy strumien powie¬ trza. W rozwiazaniu alternatywnym lopatki sa wykonane z Inconel 800 lub innego stopu odpornego na korozje i wysokie temperatury, zgodnie z ogólnymi zasadami 35 projektowania konstrukcji metalowych. W takich przy¬ padkach lopatki sa chlodzone woda przy pomocy znanych technik chlodzenia.Drugi strumien powietrza jest doprowadzany ze zród¬ la 65 przez przewód glówny 66 oraz przewód odgalezio- 40 ny 24 do usytuowanego stycznie krócca wtryskowego 59, z predkoscia zapewniajaca ustanowienie w strefie reak¬ cyjnej 22 wirujacej mieszaniny zawierajacej czasteczki paliwa, pierwszy stumien powietrza, oraz drugi strumien powietrza. Aby utrzymac w strefie reakcyjnej przeplyw 45 typu kolowego oraz w celu regulacji temperatur reakcji, pozadanym jest sterowanie proporcjami wydatków prze¬ plywu pierwszego i drugiego strumienia powietrza, oraz wydatkiem przeplywu masy powietrza w stosunku do ilosci doprowadzanego paliwa. 50 Aby uzyskac regulacje parametrów procesu stosuje sie zawory cieczowe (nie pokazane) osadzone na przewodach 67, 24 dla wstepnego doboru lub regulacji, w sposób ciagly, odpowiednich masowych wydatków przeplywu.W korzystnym przykladzie wykonania wynalazku sto- 55 suje sie ceramiczne zwezki Venturiego (Zerconia) osa¬ dzone w przewodach 24 i 67 w celu ograniczenia maso¬ wych wydatków przeplywu tak, ze zarówno suma jak i stosunek dwóch masowych wydatków przeplywu jest okreslona. 50 Sterowanie odzuzlaniem, tak aby zasadniczo cala za¬ wartosc zuzlu w paliwie odkladala sie na sciankach ko¬ mory spalania jest czynnikiem o duzym znaczeniu. Opty¬ malne oddzielanie zuzlu od gazowych produktów reakcji uzyskuje sie przede wszystkim przez ustanowienie i ste- 55 rowanie polem przeplywu kolowego w strefie reakcyjnej121680 15 22 oraz przez sterowanie temperatura reakcji tak, aby parowanie zuzlu zostalo sprowadzone do minimum.Sterowanie temperatura uzyskuje sie przez regulowa¬ nie temperatury doprowadzanych strumieni powietrza oraz selektywna regulacje proporcji powietrza do paliwa tak, aby utrzymac w strefie reakcyjnej mieszanke bogata w paliwo.Spalanie przy bogatym paliwie powoduje, ze znaczna c?esc wejjla zawartego w weglu opuszczajacym strefe reakcyjna 22 ma postac tlenku wegla, a generacja energii termicznej w strefie reakcyjnej zostaje ograniczona, co steruje temperatura robocza w komorze reakcyjnej 21.Sterowanie temperatura w polaczeniu z odrzuceniem od¬ srodkowym czasteczek zuzlu w kierunku scianek komory 21 umozliwia usuwanie ponad 90% zuzlu ze strumienia gazowych produktów reakcji, przed opuszczeniem przez te produkty strefy reakcyjnej przez otwór centralny 37 w przegrodzie 35.Gdyby wewnetrzna powierzchnia 71 komory spalania byla pokryta ogniotrwalym materialem ceramicznym, erozyjne dzialanie zuzlu, wysoka predkosc przeplywu oraz spalanie czasteczek paliwa w komorze reakcyjnej powodowaloby zdzieranie wykladziny ogniotrwalej ze scianek komory 21, a po zdarciu okladziny, spowodowalo¬ by zaatakowanie metalowej, wewnetrznej powierzchni 71 komory. W rozwiazaniu wedlug wynalazku zastoso¬ wano warstwe ochronna z utwardzonego zuzlu, odkla¬ danego na powierzchni 71, co zabezpiecza przed dalszym atakowaniem powierzchni. Na wewnetrznej powierzchni 71 komory 21 zastosowano metalowe przewody chlodzace 73. Przewody 73 tworza wykladzine, chlodzona woda, komory reakcyjnej 21, która zatrzymuje i utwardza dos¬ tateczna ilosc zuzlu, aby utworzyc ochronna warstwe zuz¬ lu o niskiej przewodnosci ciel Inej. Do doprowadzania cieczy chlodzacej do przewodów 73 stosuje sie rozwia¬ zania konwencjonalne, przykladowo rury rozgaleine 74 i 75.Zgodnie z fig. 7, 8 i 10 przegroda 35 stanowi pierscie¬ niowa plyte majaca przewód chlodzacy 77 w postaci po¬ dwójnego zwoju, usytuowanego na jej powierzchni w przyblizeniu prostopadle do osi wzdluznej przy koncu komory 21. Jedna z funkcji przegrody 35 jest zatrzymy¬ wanie kropelek zuzlu, które jeszcze nie osiagnely scianek komory 21, co istotnie zmniejsza zawartosc zuzlu i po¬ piolu w gazowych produktach reakcji opuszczajacych komore. Ponadto, wirujacy strumien gazowych produk¬ tów reakcji, w koncu komory, jest zmuszany przez prze¬ grode 35 do przesuwania sie promieniowo do wewnatrz, 4w kierunku otworu 37. Gdy strumien wirujacego gazu o wysokiej predkosci jest kierowany do wewnatrz, pred¬ kosc katowa wzrasta trzy lub czterokrotnie.Gwaltowny wzrost sil odsrodkowych powoduje, ze prawie cala zawartosc zuzlu z paliwa zostaje odrzucona z gazowych produktów reakcji i odklada sie w postaci plynnej warstwy zuzlu na wewnetrznej powierzchni 71 komory spalania i na przegrodzie 35.Ciekly zuzel splywa pod dzialaniem sil grawitacji na dno komory reakcyjnej przez przewód zuzlu 78 oraz do studzienki zuzlowej 79 usytuowanej na dnie komory.Zgodnie z fig. 8 i 10, krótki odcinek przewodu cylindrycz¬ nego, który wyznacza przewód zuzlu 78 jest chlodzony woda chlodzaca przeplywajaca przez sznana koszulke wod¬ na majaca wlot 80 i wylot 81.W strefie przewodu zuzlu 78, przewody chlodzace 73 tworza wewnetrzny odcinek 82 o powierzchni ksztaltÓ- 16 wej, tworzacy otwór pomiedzy sasiednimi przewodami 73 przy przewodzie zuzlu 78. Podzespól do zsypywania zuzlu korzystnie zawiera zbiornik (nie pokazany) zuzlu, bedacy pod cisnieniem, zapobiegajacy przedostawaniu sie gazo- 3 wych produktów reakcji przez przewód zuzlu.Urzadzenie stosowane do generatorów magnetohydro- dynamicznych zawiera dodatkowo druga komore reak¬ cyjna 85, polaczona z wylotowym koncem komory 21, wyznaczajaca druga strefe reakcyjna 88. Komora 85otrzy- 10 muje gazowe produkty reakcji z komory 21. i modyfikuje fazowe produkty reakcji o wysokiej temperaturze wytwa¬ rzajac na swoim wylocie 87 plazme o duzej predkosci, przeznaczona do wtryskiwania do kanalu plazmy magne- tohydrodynamicznego urzadzenia generujacego energie u elektryczna.Gazowe produkty reakcji wychodzace ze strefy reak¬ cyjnej 22 przez otwór 37 wchodza do drugiej strefy reak¬ cyjnej 88. Za przegroda 35 znajduje sie zespól wtryskowy 90, przeznaczony do wtryskiwania do strumienia gazu 20 o wysokiej temperaturze wybranych reagentów chemicz¬ nych, takich jak weglan potasu. Zespól wtryskowy 90 zawiera przewód wlotowy reagentu 91 usytuowany po¬ przecznie do osi komory 85 i podtrzymywany wspólosio¬ wo przez przewód chlodzacy 92. Na przewodzie reagentu 25 91, w osi komory 85 jest zamocowany wtryskiwacz rea¬ gentu zawierajacy tuleje 94, majaca czop 95 usytuowany najej osi.Wtryskiwacz reagentu z czopem osiowym jest korzystnie zminiaturyzowana wersja osiowego zaworu czopowego ^ 25 z fig 1 i 8.Dla wydajnej pracy generatorów magnetohydrodyna- micznych, pozadanym jest, aby gazy przechodzace przez kanal magnetohydrodynamiczny mialy charakterystyki elektryczne odpowiadajace charakterystykom cieczy o du- 35 zej przewodnosci. Tak wiec korzystnym jest, aby stru¬ mien gazu 87 opuszczajacy komore reakcyjna 85 byl cal¬ kowicie i jednorodnie zjonizowany. Wtryskiwanie wegla¬ nu potasu zapewnia calkowite i jednorodne zjonizowanie produktów reakcji gdy przechodza one przez strefe reak- 40 cyjna88.W innych zastosowaniach urzadzenia wedlug wynalaz¬ ku zespól wtryskowy 90 reagenta mozna wykorzystac do wtryskiwania dowolnego dodatku lub chemicznego reagenta do wirujacego strumienia gazu, tuz po wpro- 45 wadzeniu go przez otwór 37 do strefy reakcyjnej 88.Za wtryskiwaczem reagenta 93, druga komora 85 za¬ wiera zespól do wtryskiwania objetosci wstepnie podgrza¬ nego powietrza potrzebnego do uzupelnienia stechio- metrycznego skladu reakcji. Trzeci strumien powietrza 50 jest wtryskiwany ze skladowa styczna predkosci o takiej wielkosci, aby zrównowazyc, przez wymiane pedów, predkosc katowa gazowych produktów reakcji podawa¬ nych z otworu 37. W szczególnosci podzespól likwidu¬ jacy wirowanie strumienia zawiera styczny przewód 96, 55 do którego doplywa powietrze o wysokiej temperaturze z rury rozgaleznej 61, który to przewód transportuje po¬ wietrze do toroidalnego rozdzielacza 97 (fig. 8 i 12) roz¬ ciagajacego sie obwodowo wokól drugiej komory 85. Roz¬ dzielacz 97 mana obrzezu wewnetrznym, dwanascie ot- 60 worów wtryskiwaczy 98 do doprowadzania stycznych strumieni powietrza o wysokiej predkosci z rozdzielacza 97 do strefy reakcyjnej 88.Pozadanym jest aby strumien wylotowy plazmy nie mial predkosci katowej. W tym celu wykorzystuje sie ste- $5 rowanie przeplywem strumienia powietrza przez prze-121 680 17 wód 96 i rozdzielacz 97, sprowadzajac do zera katowa predkosc strumienia gazu w komorze 85.Dla innych zastosowan, w których predkosc katowa nie ma znaczenia, objetosciowe sterowanie powietrzem dostarczanym przez przewód 96 mozna wykorzystac do dobrania lub ciaglego regulowania proporcjami stechio- metrycznymi w strefie reakcyjnej 88. W miare potrzeby rure rozgalezna 61 wraz z przewodami odgalezionymi mozna zaopatrzyc w zewnetrzne koszulki chlodzone wo¬ da. Do doprowadzania wody do koszulek wodnych sto¬ suje sie konwencjonalne rury rozgalezne.Sproszkowane paliwo, przykladowo wegiel, jest tran¬ sportowany z mlyna kulowego lub pojemnika do komory reakcyjnej 21 w postaci gestej mieszaniny fazowej z ga¬ zem nosnym przez przewód rurowy. Poniewaz komora reakcyjna 21 pracuje przy cisnieniach w zakresie od 2x x 10*^-8 xl05Pa lub wiecej, podzespól transportu pa¬ liwa otrzymuje w przyblizeniu to samo cisnienie. Fig. 13 i 14 ilustruja urzadzenie, w którym jest realizowany tran¬ sport paliwa w gestej fazie zgodnie z korzystnym przy¬ kladem wykonania wynalazku.Jak to pokazano na fig. 13 pojemnik samowyladowczy 145 jest wypelniony sproszkowanym weglem, rozdrob¬ nionym do rozmiarów odpowiadajacych numerowi si¬ ta 200, doprowadzonym ze zbiornika (nie pokazanego) przez otwór zasypowy 146 usytuowany w górnej czesci 147 o ksztalcie kopuly.Napelnienie pojemnika weglem pod cisnieniem mozna uzyskac za posrednictwem posredniego naczynia cisnie¬ niowego (nie pokazanego), lub, przykladowo, przy po¬ mocy znanej pompy srubowej do podawania sproszko¬ wanego wegla. Poza górna czescia 147 o ksztalcie kopuly, pojemnik wegla zawiera cylindryczna czesc posrednia, oraz dolna czesc stozkowa 148 o kacie rozwarcia 30°.Przy podstawie czesci stozkowej 148 znajduje sie fluidy¬ zacyjny wtryskiwacz 149, z którego sproszkowany wegiel przeplywa przez zawór dlawiacy 150 do zespolu strumie¬ niowego 156, który przyspiesza czasteczki wegla do pred¬ kosci rzedu 6 m na sekunde i przenosi wegiel w postaci gestej mieszaniny fazowej z powietrzem, lub innym od¬ powiednim gazem nosnym przez przewód zasilania 158, w celu ciaglego wtryskiwania wegla do komory reakcyj¬ nej 21 (fig. 7 i 8). Zrozumialym jest, ze przewód zasi¬ lania 158 rozciaga sie od zespolu strumieniowego 156 i jest polaczony z rura wlotowa 29 zaworu czopowego 25. Gaz nosny pod cisnieniem jest doprowadzany do po¬ jemnika wegla 145, przez zawór sterujacy 154 do zlaczki wlotowej przy wierzcholku pojemnika. Gaz nosny jest równiez doprowadzany ze zródla 152, przewodem 153, przez zawór sterujacy 157 do wtryskiwacza fluidyzacyj¬ nego 149. Gaz pod cisnieniem napedzajacy zespól stru¬ mieniowy 156 jest doprowadzany ze zródla gazu 159, przez zawór sterujacy 160, na wlot zespolu. Wtryskiwacz fluidyzacyjny 149 oraz zespól strumieniowy przedstawio¬ no szczególowo na fig. 14.Zgodnie z fig. 14, wtryskiwacz fluidyzacyjny 149 za¬ wiera cylindryczny, metalowy element 166, majacy w górnej czesci stozkowy odcinek 167 oraz plaski kolnierz 170. Kolnierz 170 jest polaczony szczelnie z dnem czesci stozkowej 148 pojemnika wegla. Element 166 ma kanal centralny 172 o srednicy 1,3 cm usytuowany pionowo, polaczony ze stozkowym otworem 174, o kacie 45° za¬ wartym pomiedzy przeciwleglymi sciankami 175, oraz srednicy okolo 15 cm przy górnym koncu. Pomiedzy koncami cylindrycznego otworu 174, na obrzezu elementu 18 166, znajduje sie obwodowy przewód rozgalezny 176 ga¬ zu. Przewód rozgalezny 176 jest polaczony z powierzchnia elementu 166, zakrywajac obwodowy rowek 178, do którego jest doprowadzany gaz z przewodu rozgalezne- 5 go. Z rowka 178 jest doprowadzonych promieniowo, przez scianke elementu 166, do stozkowego otworu 174, wiele otworów 179 równomiernie rozmieszczonych ka¬ towo.Gaz nosny pod cisnieniem jest doprowadzany ze zród¬ lo la 152 przez zawór sterujacy 157 do przewodu rozgalez- nego 176, z którego jest rozdzielony przez szesnascie pro¬ mieniowych otworów 179 i doprowadzony do stozkowe¬ go otworu 174. Wtryskiwanie gazu nosnego wywoluje fluidyzacje sproszkowanego wegla zawartego w otworze 15 174 i napedza mieszanine gazu nosnego i sproszkowanego paliwa w dól przez kanal centralny 172.Przy podstawie elementu 166 przeplywajaca miesza¬ nina przechodzi przez zawór dlawiacy 150 do pionowe¬ go kanalu 181 zespolu strumieniowego 156. Zawór dla- 20 wiacy 150 paliwo jest korzystnie znanym zaworem kul¬ kowym, którego wal sterujacy jest polaczony obrotowo z silnikiem 183. Przy uzyciu znanego obwodu przekazu¬ je sie i steruje polozeniem walu silnika 183, regulujac w ten sposób przeplywem paliwa przez zawór dlawiacy 25 150, zgodnie z pozadanym stosunkiem objetosciowym lub masowym paliwa do gazu nosnego.Zespól strumieniowy 156 zawiera obudowe 185 majaca cylindryczny kanal 186, przechodzacy poziomo przez obudowe, oraz pionowy kanal 181, polaczony z pozio- 30 mym kanalem 166, przez który to kanal przeplywa wegiel pod cisnieniem z zaworu dlawiacego 150. W kanale po¬ ziomym 186 jest zamocowana przy pomocy gwintu 188 dysza zbiezna 187, wtryskujaca gaz nosny pod wysokim cisnieniem do obudowy 185, przy czym strumien gazu 35 uderza o skierowany do dolu strumien sproszkowanego wegla i przyspiesza go na zewnatrz przez zlaczke 189' i przewód zasilania wegla 158.Wewnetrzny koniec zlaczki 189 zawiera stozkowy ka¬ nal 190 kierujacy mieszanina sproszkowanego paliwa 40 z gazem nosnym do przewodu zasilajacego 158. Zbiezna dysza 187 jest zasilana sprezonym gazem nosnym ze zródla 159 (fig. 13) za pomoca zaworu sterujacego 160.Wtryskiwacz fluidyzacyjny formuje w stozkowym ot¬ worze 174 strefe o duzej burzliwosci przeplywu, w której 45 sproszkowany wegiel jest mieszany mechanicznie i sma¬ rowany tak, ze gladki i jednorodny strumien przeplywu wegla i gazu nosnego przemieszcza sie do dolu, przez kanal centralny 172. Gaz nosny równowazy równiez cis¬ nienie w pojemniku 143 wegla pod cisnieniem tak; ze 50 cisnienie w pojemniku zostaje utrzymane, nawet jezeli objetosc wegla w pojemniku 145 stopniowo zmniejszy Sie.W korzystnym sposobie dzialania, wtryskiwacz flui¬ dyzacyjny zapewnia objetosciowy wydatek przeplywu fluidyzacyjnego równy objetosciowemu wydatkowi prze- 55 plywu wegla oraz gazu nosnego utraconego w warunkach stanu ustalonego.Gdy powstanie stan ustalony przeplywu wegla ponizej zaworu dlawiacego 150, przeplywajacy wegiel zostanie rozcienczony i przyspieszony przez sprezony gaz nosny $o wtryskiwany przez zbiezna dysze 187 w zespole strumie¬ niowym. Zbiezny kanal wewnetrzny dyszy 187 zapewnia powstanie zogniskowanego strumienia gazu, przy czym przy odpowiednio nastawionej predkosci gazu i przy nastawionym wydatku przeplywu masowego wegla, czas- 65 teczki wegla zostaja przyspieszone do predkosci okolo121680 19 6 m/s i przeplywaja w sposób ciagly z ta predkoscia przez przewód zasilania 158 do komory reakcyjnej 21.Paliwo w stanie stalym ulega zwykle rozdrobnieniu do wielkosci czastek odpowiadajacej numerowi sita 200, chociaz mozliwe jest uzycie czasteczek o rozmiarach miesz¬ czacych sie w pewnym zakresie.Zgodnie z wynalazkiem stosuje sie proporcje czesci sta¬ lych do gazu az do 100:1. Przy cisnieniach fluidyzacji (N2) w zakresie od 0,67x98 do 5,35 x 98 kPa uzyskuje sie proporcje rzedu 50:1 przy utrzymaniu jednorodnych wydatków przeplywu.Po rozluznieniu pylu weglowego na drodze fluidyzacji przez wtryskiwacz fluidyzacyjny 149 w ciagu kilku mi¬ nut, doplyw gazu nosnego do wtryskiwacza fluidyzacyj¬ nego mozna zamknac a przenoszenie wegla w gestej fa¬ zie trwa dzieki utrzymaniu cisnienia w pojemniku wegla 145 oraz doprowadzeniu gazu pod cisnieniem do zespolu strumieniowego 156. Proporcje czesci stalych do gazu oraz predkosc przenoszenia wegla w przewodzie 158 ste¬ ruje sie w sposób ciagly lub, w rozwiazaniu alternatyw¬ nym, ustala na wstepnie dobranej wielkosci w wyzej po¬ danych zakresach, przez sterowanie zaworem dlawiacym 150 wegla oraz zaworem zasilajacym 160 gazu.Po przekazywania parametrów roboczych i wytwarza¬ nia sygnalów sprzezenia zwrotnego, pobudzajacych sil¬ nik sterujacy 183 oraz zawór sterujacy 150, jak równiez do sterowania predkoscia i cisnieniem wlotowym powietrza, stosuje sie konwencjonalne obwody zawierajace prze¬ tworniki wydatku przeplywu.Chociaz stosuje sie suchy azot lub powietrze jako gaz nosny fluidyzacyjny mozliwe jest uzycie dowolnej cieczy lub gazu, obejmujacej ciecze naftowe lub gazy zawiera¬ jace weglowodory.Przy zastosowaniu urzadzenia wedlug wynalazku do napeau generatorów magnetohydrodynamicznych, roz¬ drobniony wegiel, skruszony do rozmiaru odpowiadaja¬ cego numerowi sita 100—200 jest wprowadzany do stru¬ mienia przeplywu powietrza o temperaturze bliskiej tem¬ peraturze otoczenia. W zastosowaniach wymagajacych minimalnych strat entalpii, co ma miejsce przy wytwarza¬ niu plazmy, stosunek mas czasteczek stalych paliwa do powietrza nosnego miesci sie w zakresie od 30 do 100:1.Przenoszenie paliwa w gestej fazie ogranicza ilosc zim¬ nego powietrza wprowadzanego do strefy spalania 22 oraz wspomaga osiagniecie maksymalnych poziomów temperatury wyjsciowej plazmy. Strumien przeplywu czasteczek wegla jest wprowadzany przez zawór czopo¬ wy 25 i kierowany promieniowo, na zewnatrz, do strefy spalania 22, w postaci rozproszonej strugi 41 (fig. 1) o ksztalcie dzwonu.Utleniaczem uzywanym do wytwarzania plazmy jest zwykle powietrze podgrzane do temperatury okolo 1590CC.Wstepnie podgrzane powietrze zawiera korzystnie tlen dodany przed wprowadzeniem do strefy spalania, jezeli wymaga tego rodzaj uzywanego paliwa weglowego.W strefie spalania 22 powstaje srubowy przeplyw pod¬ grzanego powietrza typu kolowego przy czym strumien przeplywu wegla w gazie nosnym jest wprowadzany do przeplywu typu kolowego. Aby utrzymac temperature spalania ponizej temperatury parowania zuzlu, strefe spalania 22 utrzymuje sie w stanie bogatej zawartosci pa¬ liwa w zakresie okolo 0,4—0,9 stechiometrycznej ilosci utleniacza. Powoduje to powstanie temperatur w strefie 22 od 1650°C do 2100 °C w zaleznosci od skladu zuzlu.Gazowe produkty spalania o wysokiej temperaturze wy- 20 dostaja sie ze strefy spalania 22 przez otwór centralny 37 w przegrodzie 35 majac temperature okolo 1880°C.Gazy pochodzace z bogatej w paliwo strefy spalania 22 zawieraja kropelki zuzlu o srednicy mniejszej niz 10 5 mikrometrów, jak równiez niewielkie ilosci odprowadza¬ nego zuzlu.Dodatkowy utleniacz jest doprowadzany do drugiej komory 85 przez rure wlotowa 96 oraz rozdzielacz 97 wyrównujac stechiometryczne proporcje gazowych pro- 10 duktów spalaniai zapewniajac ich calkowite spalanie. Cal¬ kowite spalanie CO i H2 w strefie reakcyjnej 88 zwieksza temperature strumienia gazu od okolo 1880°C do okolo 2820 °C na wylocie 87. Wylot 87 jest polaczony bezpo¬ srednio z generatorem magnetohydrodynamicznym lub 15 innym ukladem do wykorzystania termicznej i/lub kine¬ tycznej energii gazu. Kropelki zuzlu, popiól i czasteczki paliwa, które nie ulegly spaleniu lub wychwyceniu na sciankach komory 21 wystepuja w niewielkich ilosciach.Na ogól przechodza one w stan gazowy wystawione na 20 dzialanie wyzszej temperatury w strefie reakcyjnej 88.W korzystnym przykladzie wykonania urzadzenia, za¬ wór czopowy 25 jest ustawiony w osi wzdluznej komory spalania 21. Chociaz ustawienie osiowe wykazuje szereg zalet, powinno byc zrozumialym, ze wynalazek nie jest 25 ograniczony do takiego rozwiazania. W rozwiazaniach alternatywnych zawór czopowy 25 moze byc oddalony od osi wzdluznej i/lub usytuowany wraz z rura wlotowa 29pod dowolnymkatemwzgledemosi wzdluznejkomory 21.O ile pozadanym jest utrzymanie przeplywu obroto- 30 wego w strefie reakcyjnej 22, zblizonego do czystego prze¬ plywu kolowego, moze byc pozadanym zmodyfikowanie strugi 41 rozkladu paliwa w ksztalcie dzwonu (fig. 1) przez wtryskiwanie sproszkowanego paliwa przez segment ograniczony katowo. 35 Fig. 15 i 16 przedstawiaja zmodyfikowany zawór czo¬ powy, wykorzystany do wytwarzania rozproszonej strugi paliwa, odpowiadajacej ksztaltem segmentowi katowemu strugi 41 w ksztalcie dzwonu.Zawór czopowy 225 zawiera rure wlotowa paliwa 229 40 identyczna z rura wlotowa 29 zaworu pokazanego na fig. 8. Przy koncu wlotowym 230, strumien paliwa weglowe¬ go zmieszanego z gazem nosnym doplywa do zaworu czopowego 225 przez przestrzen pomiedzy rura 229 a czopem 227 osadzonym centralnie. Przy prawym koncu 45 (fig. 15) czop zawiera koncówke 231 o powiekszonym obwodzie, majaca stozkowa powierzchnie 232, szczelnie dopasowana do gniazda zaworu 233, gdy czop 227 jest przesuniety w lewo. W rozwiazaniu tym kolowa kon¬ cówka 231 zawiera cylindryczna tuleje 234 cienkoscienna, 50 wykonana integralnie z koncówka 231, rozciagajaca sie w kierunku wlotowego konca rury 229 w poblizu wew¬ netrznej scianki rury wlotowej.Tuleja 234 ma czesc 235 odcieta w poblizu koncówki 231, tworzaca otwór 236, rozciagajacy sie na obrzezu 55 tulei 234, na kacie odpowiadajacym rozmiarom katowym strugi paliwa rozproszonego w ksztalcie lopatki.Przykladowo otwór 236 moze rozciagac sie na kacie okolo 60°. Trzpien 227 czopa jest podtrzymywany sliz¬ gowo z mozliwoscia ruchu w kierunku wzdluznym wzgle- 60 dem rury wlotowej 229 bez mozliwosci ruchu obrotowe¬ go. Gdy trzpien 227 czopa przesuwa sie do polozenia zamknietego (fig. 15) stozkowa czesc 232 opiera sie o gniazdo 233 zaworu, na calym jego obrzezu i zmniejsza w ten sposób przeplyw paliwa i gazu nosnego praktycznie 45 do zera. Gdy czop przesuwa sie do polozenia calkowicie121 686 Olwafltego, pokazanego na fig. 16, tuteja 234 utrzymuje sfizgowo uszczetoieme wewnetrznej' scianki rury wloto¬ wej 229, zapobiegajac wplywowi paliwa i gazu nosnego poza strefe otworu 23$, Strumien paliwa i gazu nosnego (fig. 16), przeplywa¬ jacy pod cisnieniem przez rure wlotowa 229 przechodzi przez otwór 236 i jest rozpylony do ,strefy spalania na jej ograniczonej katowo czesci* odpowiadajacej katowej czesci strugi 41 z fig. 1 w ksztalcie dzwonu. W miare jak czop 227 przesuwa sie z polozenia otwartego przedstawionego na fig. 16 w kierunku polozenia zamknietego pokazanego na fig. 15, otwór 23Ójest stopniowo zamykany przez gniaz¬ da 233 zaworu, zmniejszajac masowy wydatek przeplywu paliwa i gazu nosnego, wtryskiwanego do komory reak¬ cyjnej. Zawór czopowy zawiera otwór 236 rozciagajacy sie na obrzezu chociaz mozliwe sa mac rozwiazania ekwi¬ walentne, takie jak wykorzystanie wielu otworów cylin¬ drycznych,rozmieszczonych katowo.Konstrukcje komory reakcyjnej stosowanej pr2y wyz¬ szych cisnieniach przedstawiaja fig. 17, 18, 19. Zgodnie z fig. 17, komora 240 ma podwójne scianki: zewnetrzna seiahkf 242 I wewnetrzna scianke 243. Wewnetrzna scian¬ ka 243 ma kanaly chlodzace 244, wykonane chemicznie na jej zewnetrznej powierzchni (fig. 19). Kanaly chlo¬ dzace sa zamkniete przy pomocy zgrzewania liniowego zewnetrznej scianki 242 2 wystepami 246 pomiedzy ka¬ nalami 244. Podzespól wymiennika ciepla dostaje ciecz chlodzaca przy wlocie 248 z przewodu rozgaleznego 249, rozprowadza ciecz chlodzaca przez kanaly 244 i odprowa¬ dza ciecz chlodzaca przez wylotowy przewód rozgalezny 250. Odkladanie warstwy zuzlu na metalowej, wewnetrznej powierzchni 243 komory zmniejsza wymiane ciepla z ciecza chlodzaca, zmniejszajaca do minimum straty en- talapii strumienia gazowych produktów spalania.Przy temperaturze spalania, okreslonej na drodze re¬ gulacji wzglednych wydatków doprowadzonego paliwa i utleniacza, zuzel powstaly podczas spalania odklada sie jako powloka utwardzonego zuzlu na metalowej, wew¬ netrznej powierzchni 243 komory 240, az grubosc warstwy izolacyjnej utwardzonego zuzlu osiagnie taka wartosc, ze dalej odkladajacy sie zuzel odizolowany jest od dzialania chlodzacego wody w kanalach 244 wymien¬ nika ciepla. W tym momencie uzyskuje sie równowage pomiedzy faza stala i ciekla zuzlu, a przeplywajaca war¬ stwa plynnego zuzlu pokrywa warstwe izolacyjna zuzlu w stanie stalym. Warstwa cieklego zuzlu splywa pod dzia¬ laniem sil ciezkosci w strone nizszych czesci komory spa¬ lania gdzie jest usuwana ze studzienki 252. Na fig. 17 otwór 254 stanowi styczny otwór wtryskiwacza utlenia¬ cza, odpowiadajacy otworowi 39 na fig. 7 i 8.Urzadzenie 10 wedlug wynalazku moze byc przysto¬ sowane do wytwarzania gazu generatorowego w powiet¬ rzu, w warunkach sprzyjajacych powstawaniu tlenku wegla. Gaz generatorowy z urzadzenia 10 jest kierowany do znanego palnika gazowego lub palnika na rope naf¬ towa gdzie sluzy jako paliwo. W ten sposób urzadzenie sluzy do wytwarzania paliwa gazowego, które mozna uzyc jako substytut gazu ziemnego lub ropy naftowej.Uklad przedstawiony na fig. 21 przedstawia wykorzys¬ tanie urzadzenia wedlug wynalazku do wytwarzania gazu generatorowego. Urzadzenie 10 zapewnia spalanie czas¬ teczek paliwa zanim uderza o wewnetrzna scianke urza¬ dzenia. Powietrze pod cisnieniem, korzystnie ogrzane wstepnie, jest doprowadzane przez przewód 300 z zawo¬ rem do komory reakcyjnej urzadzenia 10 w postaci prze- 22 pfywa wirowego. Sjproszkowany wegfef jest wtryskiwany przez czop (nic pokazany). Aby usunac SO^ z prafuktó* reakcji do strefy reakcyjnej dodaje sie weglany. Przez sterowanie masowymi wydatkami przeplywu wegla i po- 5 wietrza zwieksza sie do maksimum ilosc tlenku wegla.Produkty palne przenosi sie w gazach wylotowych, ewen¬ tualnie przez filtr goracego gazu do pamika na gaz lubrope naftowa. Czasteczki zuzlu wydostajacej sie z gazami wy¬ dechowymi zostaja wychwycone w filtrze i usuniete jako 10 odpady. Zuzel jest usuwany z urzadzenia 10 i haldowany na odpowiednim wysypisku.Przy wytwarzaniu gazu syntezowego, w miejsce po¬ wietrza stosuje sie tlen, a strumien jest wtryskiwany do strefy reakcyjnej urzadzenia lfc W rezultacie w gazach 15 wylotowych opuszczajacych urzadzenie 10 pozostaja bar¬ dzo niewielkie ilosci azotu. Zawór 310 na przewodzie 300 zostaje zamkniety, a zawór 320, sterujacy doplywem tle¬ nu ze zródla tlenu 322 zostaje otwarty. Masowe wydatki przeplywu wegla, tlenu i pary wodnej sa regulowane tak, 20 aby w urzadzeniu 10 powstaly pozadane ilosci tlenku wegla i wodoru. Gaz syntezowy jest podawany przez filtr goracego gazu do instalacji chemicznej uzywajacej gazu do wytwarzania pozadanych zwiazków chemicznych.Przy wytwarzaniu gazu syntezowego pozadane jest rów- 25 niez dodawanie weglanów w celu usuniecia SO* z gazów wylotowych.Urzadzenie 10 wedlug wynalazku mozna uzyc do o- bróbki wegla, lupków lub ropy naftowej. Jak to pokazano na fig. 20 korzystnie stosowany uklad obejmuje co naj- 30 mniej trzy stopnie. Pierwszy stopien ukladu stenowi urzadzenie 10. Drugi stopien ukladu stanowi dopalacz, który konczy spalanie produktów reakcji odprowadzanych z urzadzenia 10. Do drugiego stopnia wprowadza sie badz ogrzane powietrze badz tlen w celu zwiekszenia do 35 maksimum temperatury gazów wylotowych opuszczaja¬ cych drugi stopien procesu. Trzeci stopien stanowi ko¬ mora reakcyjna, do której wtryskuje sie lupki, wegiel lub rope naftowa. Gorace gazy z urzadzenia 10 stykaja sie z lupkami, weglem lub ropa naftowa wtryskiwane do trze- 40 ciego stopnia procesu. W przypadku wegla woda zostaje usunieta odwadniajac wegiel, zas weglowodory zostaja odparowane, aby pozostala sadza byla latwiejsza do tran¬ sportu.W przypadku lupków, material weglowy lupków ule- 45 ga rozlozeniu tworzac rope naftowa, która po odparowaniu zostaje usunieta z trzeciego stopnia procesu. Jezeli ao trzeciego stopnia procesu wtryskuje sie rope naftowa, jest ona krakowana plomieniowo na lzejsze weglowodory.Sproszkowany wegiel wtryskiwany do urzadzenia 10 50 do spalania jest korzystnie mieszany z weglanami w celu zmniejszenia tworzenia sie SOx. Zuzel jest usuwany.Gazy wylotowe z trzeciego stopnia procesu sa chlodzone na drodze gaszenia, a materialy lotne opuszczajace trzeci stopien procesu wraz z gazami wylotowymi zostaja od- 55 zyskane i uzyte jako surowce chemiczne. PL PL PL PL PL

Claims (9)

1. Zastrzezenia patentowe 1. Sposób spalania paliwa weglowego, w którym przy¬ gotowuje sie mieszanine rozdrobnionego paliwa weglo- 50 wego i gazu utleniajacego, a nastepnie wprowadza sie mieszanine do strefy spalania, znamienny tym, ze do strefy spalania wprowadza sie dodatkowy strumien gazu utleniajacego, wkierunku stycznym do przekroju poprzecz¬ nego strefy spalania, formujac w strefie spalania pizepljw ^5 wirowy o duzej predkosci, dobiera sie proporcje maso-121 680 23 wych wydatków przeplywu paliwa oraz gazu utleniajace¬ go w zakresie od 1:1 do 100:1 utrzymujac przeplyw obro¬ towy o wysokiej predkosci w strefie spalania oraz prowa¬ dzi sie konwersje calej zawartosci wegla w czasteczkach paliwa w stan gazowy w czasie do 100 milisekund., odkla¬ da sie odsrodkowo zuzel, formowany w czasie procesu spalania, na wewnetrznej sciance komory reakcyjnej, ograniczajacej strefe spalania, doprowadza sie zuzel do równowagi fazowej pomiedzy faza stala i ciekla, usuwa sie plynny zuzel ze strefy spalania oraz odprowadza sie ga¬ zowe produkty spalania o wysokiej temperaturze.

2. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze pa¬ liwo weglowe wprowadza sie do strefy spalania w postaci rozbieznego strumienia, w ksztalcie dzwonu, wspólosio¬ wego z osia strefy spalania, przy czym glówna czesc ga¬ zu utleniajacego wprowadza sie do strefy spalania, regu¬ luje sie predkosc wlotowa gazu utleniajacego tak, ze wszyst¬ kie krople zuzlu o srednicy wiekszej niz 10 mikronów sa odkladane w postaci cieklej na obrzezu strefy spalania, oddzielajac sie od gazowych produktów spalania przed ich odprowadzeniem ze strefy spalania.

3. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze jako gaz utleniajacy stosuje sie czysty tlen.

4. Urzadzenie do spalania paliwa weglowego zawiera¬ jace komore reakcyjna, której scianki wyznaczaja strefe spalania, znamienne tym, ze zawiera wtryskiwacz pa¬ liwa, przeznaczony do wtryskiwania do komory reakcyj¬ nej (21) rozproszonego promieniowo strumienia prze¬ plywu sproszkowanego wegla, obejmujacy zespól dopro¬ wadzajacy paliwo polaczony z zaworem czopowym (25), osadzonym przy jednym koncu komory reakcyjnej (21), lezacym równolegle do jej osi, kanal wtryskowy (24) ga¬ zu utleniajacego, usytuowany stycznie do komory reak¬ cyjnej (21), oraz pierscieniowa przegrode (35), majaca otwór centralny (37), osadzona na jednym koncu ko¬ mory reakcyjnej (21), dla zwiekszenia predkosci katowej gazowych produktów spalania i oddzielania odsrodkowego kropelek zuzlu i czasteczek stalych od produktów gazo¬ wych.

5. Urzadzenie wedlug zastrz. 4, znamienne tym, ze wtrys- kiwacz paliwa zawiera wtryskiwacz fluidyzacyjny (149) rozpraszajacy strumien przeplywu sproszkowanego pa¬ liwa weglowego przenoszonego przez gaz nosny w sto¬ sunku masowych wydatków przeplywu paliwa do gazu nosnego od 1:1 do 100:1.

6. Urzadzenie wedlug zastrz. 4, znamienne tym, ze otwór centralny (37) pierscieniowej przegrody (35), 24 jest usytuowany koncentrycznie z osia komory reakcyj¬ nej (21), zas przegroda (35) jest osadzona prostopadle do osi komory reakcyjnej (21).

7. Urzadzenie do spalania paliwa weglowego zawie- 5 rajace komore reakcyjna, której scianki wyznaczaja stre¬ fe spalania, znamienne tym, ze zawiera wtryskiwacz paliwa, przeznaczony do wtryskiwania do komory reak¬ cyjnej (21) rozproszonego promieniowo strumienia prze¬ plywu sproszkowanego wegla, obejmujacy zespól dopro- 10 wadzajacy paliwo, polaczony z zaworem czopowym (25), osadzonym przy jednym koncu komory reakcyjnej (21), lezacym równolegle do jej osi, kanal wtryskowy (24) gazu utleniajacego, usytuowany stycznie do komory reakcyj¬ nej (21), oraz pierscieniowa przegrode (35), majaca otwór 15 centralny (37), osadzona na jednym koncu komory reak¬ cyjnej (21), dla zwiekszenia predkosci katowej gazowych produktów spalania i oddzielenia odsrodkowego krope¬ lek zuzlu i czasteczek stalych od produktów gazowych, a ponadto urzadzenie zawiera druga komore reakcyjna 20 (85), ograniczajaca druga strefe spalania (88), usytuowa¬ na za pierwsza komora reakcyjna (21), przeznaczona do dalszej obróbki gazowych produktów reakcji doprowadza¬ nych z pierwszej komory reakcyjnej (21), przy czym druga komora reakcyjna (85) zawiera styczny przewód 25 (96) doprowadzajacy gaz, sterowany niezaleznie od ka¬ nalu wtryskowego (24) gazu utleniajacego.

8. Urzadzenie wedlug zastrz. 7, znamienne tym, ze zawiera zespól wtryskowy (90) do wprowadzania rea¬ gentów do przeplywu gazowych produktów spalania.

9. Urzadzenie wedlug zastrz. 7, znamienne tym, ze Zespól doprowadzajacy paliwo, polaczony z zaworem czo¬ powym (25), przeznaczony do doprowadzania miesza¬ niny wegla i gazu nosnego do zaworu czopowego (25), 35 zawiera pojemnik samowyladowczy (145) z weglem w stanie sproszkowanym, fluidyzacyjny wtryskiwacz (149) o odcinku stozkowym (167), zespól wtryskowy gazu nos¬ nego, pionowy kanal (181) odprowadzajacy mieszanine z wtryskiwana (149), zespól strumieniowy (156), do 40 którego jest doprowadzony strumien sproszkowanego wegla, majacy dysze (187) gazu nosnego usytuowana w osi przewodu zasilajacego (158), prostopadla do kie¬ runku strumienia doprowadzanego do zespolu strumie¬ niowego (156), zespól kierujacy gaz nosny o duzej pred- 45 kosci do zespolu strumieniowego przez dysze (187), oraz zespól sterujacy masowymi wydatkami przeplywu mie¬ szaniny paliwa i gazu nosnego.121 680 kanat wtnpkony Jf 43 J S / / r '45 35 Przegroda ltf*^ "* 4| strucaf* kóztatae dzwonu) ^ z ^ 3Z Centralny 33A\^ ocwV ^ X^§^vr^ft^-^-o__ 4* Unia Ml fig 7 1 2^4 S08 76°7lo 12,5 15,0 175 200 22,50ml i* 40 30 20 10 0 ( D 1 2 N r 12 9 6 3 4 5 6 7 8 9 fCQi _ „ Promien L Fig 3 53 yS PrzepLun kolonu }r M0 V / Ro R /V& 508 76 ID 125 ISO 175 2010 22,5 ) 1 2 3 4 5 6 7 9 9[Cfrij Fig 4 Pr^ m Fig. 2a Fig 2b Fig 2c Fig 26 O I 23456789 Promien [cmj [calj Fig. 5 [cal] fcm] Scianka komory *7| * Fig. 7 -± , i 20 30 40 50 60 70 2e czas (milisekundy/ Fig. 6121680 Fig 9 Fig 11 2» ^225 'SZMtS/SSATSSSSSSSSS *» IX T l^^s^^,. t* ¦zzzzzzzL ?ZZZZ2 Fig. 15 Fig. W Ftg. 18 Fig. 12 Fig 19 rr\ •O* CJf- Fig. 13 ISpretarkA \pOfHetrza w negtany todpzel Izródtol I * H UArzactz. \druqC | trzeci , I \5aszeme zuzlu \Gaszenic 1 smola ' n ^Transport doCnslaLacfi przeróbczej Transport Zbiornik -» Odpronadzenie zuztu Fig 20 Odprowadzane odpadórt ^Odprowadzenie zuzLu Fig 21 LDD Z-d 2, z. 712A400/83, n. 80+20 e&. Cena 100 zl PL PL PL PL PL