PL169798B1

PL169798B1 - Urzadzenie reaktorowe z pulsujacym zlozem fluidalnym do spalania paliwa stalego orazsposób spalania paliwa stalego PL PL

Info

Publication number: PL169798B1
Application number: PL92301123A
Authority: PL
Inventors: Momtaz N Mansour
Original assignee: Manufacturing Technology Conve
Priority date: 1991-04-22
Filing date: 1992-04-22
Publication date: 1996-08-30
Also published as: MX9201854A; CZ284843B6; JP3149135B2; WO1992018809A1; BG60725B1; EP0581869B1; ATE128539T1; KR100234782B1; RU2105241C1; HUT66064A; RO115380B1; AU661692B2; CZ222493A3; DE69205161T2; DK0581869T3; US5133297A; HU217336B; EP0581869A1; CA2108893C; JPH06510113A

Abstract

1. Urzadzenie reaktorowe z pulsujacym zlo- zem fluidalnym do spalania paliwa stalego zawieraja- ce zbiornik reakcyjny, urzadzenie do wprowadzania ulegajacego fluidyzacji stalego materialu do wymie- nionego zbiornika w posrednim punkcie jego wysoko- sci, urzadzenie do doprow adzania czynnika fluidyzacyjnego dla wymienionego stalego materialu do wymienionego zbiornika ponizej wejscia stalego materialu do zbiornika dla utworzenia zloza fluidalne- go, elementy umozliwiajace wymiane ciepla usytuo- wane w wymienionym zbiorniku i przewód odlotowy gazów spalinowych polaczony z wymienionym zbior- nikiem, znamienne tym, ze zawiera zespól pulsacyj- nego spalania (30,130) wchodzacy do wymienionego zbiornika, przy czym zespól pulsacyjnego spalania (30, 130) obejmuje komore spalania (34), elementy zaworowe (32) polaczone z komora spalania (34), komore rezonansowa (36) polaczona z komora spala- nia (34) i wystajaca z niej na zewnatrz w kierunku wymienionego zloza fluidalnego i zewnetrzny otwarty koniec komory rezonansowej (36) jest usytuowany przed zlozem flui- dalnym. FIG. 1 PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie reaktorowe z pulsującym złożem fluidalnym do spalania paliwa stałego oraz sposób spalania paliwa stałego.

Opracowano i/lub zaproponowano wiele technologii wykorzystania silnie zasiarczonych paliw, w szczególności węgli. Biorąc pod uwagę wydajność, emisję i opłacalność ekonomiczną technologia spalania w złożu fluidalnym wysunęła się na czoło rozwiązań do wykorzystania silnie zasiarczonych paliw. Dostępnych jest wiele rozwiązań spalania w złożu fluidalnym, na różnym stopniu zastosowania w przemyśle. Układy takie można sklasyfikować pod względem

169 798 ciśnienia roboczego (działające pod ciśnieniem atmosferycznym lub zwiększonym) lub sposobu fluidyzacji (bąblowanie lub cyrkulacja). Wszystkie rozwiązania ze złożem fluidalnym wykazują takie cechy jak wychwytywanie siarki in situ, nie występowanie zażużlania lub zarastania powierzchni przenoszenia ciepła, wysokie szybkości przenoszenia ciepła, prawie równomierna temperatura w strefie spalania oraz elastyczność z uwagi na stosowane paliwo. Te cechy spowodowały, że technologia spalania w złożu fluidalnym konkuruje z powodzeniem na rynku wielkich kotłów przemysłowych 6,3 - 37,8 kg/s pary wodnej. Przykładowe projekty instalacji w dużej skali (70-150 MWe) są poważnie zaawansowane, tak aby ułatwić ich wdrożenie praktyczne. Jak dotychczas nie rozwinięto jednak potencjału technologii spalania w złożu fluidalnym, a w szczególności spalania w złożu fluidalnym pod ciśnieniem atmosferycznym w małej skali < 6,3 kg/s pary wodnej.

Wydaje się, że technologia spalania w złożu fluidalnym pod ciśnieniem atmosferycznym umożliwi w znacznym stopniu zastępowanie oleju i gazu w instalacjach w małej skali odpowiadających wytwarzaniu poniżej 6,3 kg/s pary wodnej. Takie mniejsze jednostki mogą spełnić zapotrzebowanie na ciepło technologiczne, gorącą wodę, parę wodną i ogrzewanie przestrzenne w sektorze komunalnym, handlowym i przemysłowym. Obecnie w zastosowaniach takich wykorzystuje się prawie wyłącznie urządzenia opalane olejem i gazem ziemnym. Z uwagi na znaczne różnice w cenie między tymi paliwami i węglem technologia spalania w złożu fluidalnym pod ciśnieniem atmosferycznym zaprojektowana do zastosowań w małej skali perspektywicznie stanie się bardzo konkurencyjną w warunkach ekonomicznych gdy różnica w cenie przewyższy początkowe nakłady inwestycyjne na układ oparty na węglu. Korzystne układy opalane węglem mogą być nie tylko bardziej opłacalne, ale również zmniejszą zależność państw od importowanej ropy i stworzą nowe rynki dla krajowych węgli i instalacji ze złożem fluidalnym opalanych węglem.

Analiza rynku wskazuje, że stosując układ oparty na węglu wymagający porównywalnych poziomów nakładów inwestycyjnych oraz kosztów eksploatacyjnych i konserwacji, a także osiągów i niezawodności przy wytwarzaniu pary wodnej w ilości 0,126 - 1,26 kg/s można zastąpić nawet 2,64 EJ gazu i oleju w sektorze mieszkaniowym, handlowym i oświetleniowym. W sektorze przemysłowym stosując układ o wydajności pary wodnej 1,26 - 6,3 kg/s można zastąpić kolejne 1,16 EJ energii rocznie.

Jak to zaznaczono wcześniej, układy do spalania w złożu fluidalnym pod ciśnieniem atmosferycznym można sklasyfikować jako układy ze złożem bąblującym i ze złożem cyrkulującym. W układzie ze złożem bąblującym opalanym węglem szczególne znaczenie ma regulacja zawartości drobnych składników (cząstek podsitowych) we wprowadzanym węglu i sorbencie tak, aby ograniczyć unoszenie cząstek i ich niekorzystny wpływ na spalanie i skuteczność wychwytywania siarki, emisje oraz wielkość urządzenia do zbierania składników stałych. Na dodatek przy wyższych stosunkach wyjściowych Ca/S wymaganych w instalacjach do spalania w bąblującym złożu fluidalnym występują tendencje do wzrostu kosztów sorbentu i kosztów usuwania odpadów, a pojemność obiegowa instalacji jest raczej ograniczona. Układ spalania z cyrkulującym złożem fluidalnym wykazuje większą wydajność spalania i stopień wykorzystania sorbentu, mniejsze emisje NOx z uwagi na wielokrotne stopniowe doprowadzanie powietrza oraz większą elastyczność w odniesieniu do paliwa i pojemność obiegową w porównaniu z układem typu bąblującego. Jednakże układ typu cyrkulacyjnego wymaga wysokiego urządzenia spalającego, aby uzyskać odpowiednią powierzchnię wymiany ciepła. Powoduje to, że zmniejszanie skali urządzeń do spalania z cyrkulacyjnym złożem fluidalnym do wielkości znacznie poniżej 12,6 kg/s pary wodnej jest niepraktyczne i kosztowne.

Układy ze złożem fluidalnym wykazują zazwyczaj znaczną bezwładność cieplną. Rozruch dużych instalacji ze złożem fluidalnym wymaga znacznego czasu, a także pomocniczych podukładów do podgrzewania złoża w kontrolowany sposób. Obydwa te czynniki zwiększają ogólne koszty i złożoność układu. Koncepcje zapewniające prostą i zwartą konstrukcję umożliwiającą szybki rozruch i wykazującą prostą charakterystykę działania stanowią niezbędny wymóg dla instalacji w małej skali. Bezwładność cieplna układów ze złożem fluidalnym wpływa również w pewnym stopniu na zmiany obciążenia, co jest również poważną wadą przy zmniejszaniu skali w celu dopasowania się do niewielkich ostatecznych zastosowań. Konstrukcja

169 798 układu musi zapewnić szybką reakcję na zmiany obciążenia, zwłaszcza poprzez pomocnicze podukłady zasilania paleniska oraz sposoby ogrzewania złoża. Takie konstrukcje nie powinny wymagać dodatkowego oprzyrządowania i układów regulacji jeśli nakłady inwestycyjne mają być utrzymane na niskim poziomie, tak aby mogły one z powodzeniem konkurować z istniejącymi urządzeniami na olej i gaz. Na dodatek nowe konstrukcje umożliwiające zwiększenie wydajności dla danej wielkości urządzenia do spalania przyczynią się do zmniejszenia nakładów inwestycyjnych w przeliczeniu na kJ/godz. spalanego paliwa. Musi to jednak być osiągane bez pogorszenia skuteczności regulacji zanieczyszczenia powodowanego przez instalację, tak aby spełnić bardzo ostre wymagania w pewnych ostatecznych zastosowaniach..

Proste zmniejszenie skali istniejących dużych układów spalania w złożu fluidalnym pod ciśnieniem atmosferycznym do zakresu wielkości odpowiedniego dla drobnych ostatecznych użytkowników powoduje, że układy takie staną się skomplikowane i drogie, tak że nie będą konkurencyjne w stosunku do obecnie dostępnych instalacji opalanych olejem i gazem. Niezbędne są nowe i twórcze podejścia w celu zmniejszenia kosztów i zwiększenia osiągów instalacji.

Taki nowy układ powinien w związku z tym charakteryzować się szeregiem cech takich jak wysoka wydajność spalania; wysoka zdolność do wychwytywania siarki; niskie emisje NOx; możliwość szybkiego rozruchu i reagowania na zmiany obciążenia. Ponadto układy takie, podobnie jak większość układów, powinny mieć prostą konstrukcję ze stosunkowo tanim i łatwym w obsłudze układem regulacji, tak aby zapewnić niezawodną i bezpieczną pracę. Nie mniej ważne jest to, aby system był co najmniej technologicznie i ekonomicznie równoważny zespolonym układom opalanym olejem i gazem.

Znane jest z opisu patentowego ZSRR nr SU-879-146 (29 lutego 1980) urządzenie z komorą ze złożem fluidalnym umieszczoną powyżej urządzenia do spalania pulsacyjnego.

W czasie pracy, w urządzeniu do spalania pulsacyjnego następuje zapłon, skąd produkty spalania przepływają w kierunku perforowanej rury umieszczonej poza złożem fluidalnym. Następnie produkty te wypływają z rury i płyną do góry przez dyszę wylotową oddziałując na złoże fluidalne. Ten układ do spalania pulsacyjnego posiada urządzenie do spalania pulsacyjnego umieszczone w skrzyni dmuchowej umożliwiając oscylacyjny przepływ spalin płynących do góry do komory ze złożem fluidalnym. Ciśnienie akustyczne wytwarzane przez urządzenie do spalania pulsacyjnego ulega obniżeniu o pewną wartość w komorze dmuchowej zanim dotrze do cząsteczek w komorze ze złożem fluidalnym i spowoduje ich fluidyzację.

Celem wynalazku jest urządzenie reaktorowe z pulsującym złożem fluidalnym do spalania paliw stałych.

Celem wynalazku jest sposób spalania paliw stałych.

Urządzenie reaktorowe z pulsującym złożem fluidalnym zawierające zbiornik reakcyjny, urządzenie do wprowadzania ulegającego fluidyzacji stałego materiału do wymienionego zbiornika w pośrednim punkcie jego wysokości, urządzenie do doprowadzania czynnika fluizyzacyjnego dla wymienionego stałego materiału do wymienionego zbiornika poniżej wejścia stałego materiału do zbiornika dla utworzenia złoża fluidalnego, elementy umożliwiające wymianę ciepła usytuowane w wymienionym zbiorniku i przewód odlotowy gazów spalinowych połączony z wymienionym zbiornikiem według wynalazku, charakteryzuje się tym, że zawiera zespół pulsacyjnego spalania wchodzący do wymienionego zbiornika, przy czym zespół pulsacyjnego spalania obejmuje komorę spalania, elementy zaworowe połączone z komorą spalania, komorę rezonansową połączoną z komorą spalania i wystającą z niej na zewnątrz w kierunku wymienionego złoża fluidalnego i zewnętrzny otwarty koniec komory rezonansowej jest usytuowany przed złożem fluidalnym.

Korzystnie urządzenie zawiera element rozpraszający, usytuowany na wolnym końcu komory rezonansowej.

Korzystnie element rozpraszający jest umieszczony wewnątrz zbiornika, w którym utrzymuje się złoże fluidalne.

Korzystnie element rozpraszający jest umieszczony wewnątrz zbiornika i powyżej złoża fluidalnego.

Korzystnie element rozpraszający biegnie w zbiorniku reakcyjnym, stykając się bezpośrednio ze złożem fluidalnym.

169 798

Korzystnie płaszcz wodny otacza co najmniej część zespołu pulsacyjnego spalania.

Korzystnie komorę rezonansową zespołu pulsacyjnego spalania stanowi co najmniej jedna wydłużona rura.

Korzystnie najmniej jedna wydłużona rura otoczona jest płaszczem wodnym na co najmniej części jej długości.

Korzystnie komora rezonansowa biegnie w zbiorniku reakcyjnym, stykając się bezpośrednio ze złożem fluidalnym materiału.

Korzystnie zespół pulsacyjnego spalania zawiera ponadto element do zwiększania ciągu produktów gazowych wytworzonych przez zespół pulsacyjnego spalania.

Korzystnie element odlotowy połączony jest również z urządzeniem do wytwarzania pary wodnej.

Korzystnie urządzenie do wytwarzania pary wodnej zawiera element doprowadzający wodę do walczaka parowego, a walczak parowy jest połączony z błotnikiem.

Korzystnie element odprowadzający ciepło doprowadza ciepło do układu podgrzewania powietrza.

Korzystnie element odprowadzający ciepło doprowadza ciepło do układu suszenia materiałów.

Korzystnie element odprowadzający ciepło jest połączony z urządzeniem do wytwarzania pary wodnej.

Urządzenie reaktorowe z pulsującym złożem fluidalnym zawierające zbiornik reakcyjny, urządzenie do wprowadzania materiałów odpadowych do wymienionego zbiornika, urządzenie do fluidyzacji wymienionych materiałów odpadowych, które to urządzenie do fluidyzacji zawiera element rozprowadzający, usytuowany w zbiorniku, przewód odlotowy gazów spalinowych połączony ze zbiornikiem, wymieniony przewód odlotowy gazów spalinowych zawiera urządzenie do wydzielania składników stałych z gazów w wymienionych produktach spalania i zawracania wymienionych składników stałych do zbiornika w celu dalszego ich przereagowania, według wynalazku, charakteryzuje się tym, że zawiera zespół pulsacyjnego spalania biegnący w zbiorniku, przy czym zespół pulsacyjnego spalania obejmuje komorę spalania oraz co najmniej jeden otwór połączony z komorą spalania umożliwiający doprowadzanie co najmniej jednej mieszanki paliwowo-powietrznej do komory spalania, a ponadto zespól pulsacyjnego spalania zawiera komorę rezonansową połączoną z komorą spalania i rozciągającą się w kierunku miejsca, w którym materiały odpadowe znajdują się w zbiorniku, a komora rezonansowa zawiera element rozpraszający umieszczony na końcu komory rezonansowej, skierowany w kierunku materiałów odpadowych w zbiorniku, przy czym komora rezonansowa i element rozpraszający są umieszczone przed wymienionymi materiałami odpadowymi.

Sposób spalania stałego paliwa, w który fluidalne złoże stałego paliwa jest ustalane i utrzymywane w zbiorniku oraz w sąsiedztwie elementów przenoszących ciepło i w którym medium zapewniające wymianę ciepła krąży przez elementy przenoszące ciepło, aby pobrać z nich ciepło dla dokonania ustalonej obróbki wymienionego medium oraz produkty spalania są odprowadzane ze zbiornika po wydzieleniu z nich porwanych składników stałych, według wynalazku polega na tym, że spala się pulsacyjnie mieszankę paliwowo-powietrzną, aby wytworzyć pulsujący strumień produktów spalania i powstanie fali ciśnienia akustycznego oraz kieruje się pulsujący strumień produktów spalania oraz falę ciśnienia z prądem, w kierunku fluidalnego złoża paliwa, aby działał on bezpośrednio na fluidalne złoże stałego paliwa, w celu spalenia tego stałego paliwa.

Korzystnie fala ciśnienia akustycznego jest .w zakresie od 100 do 185 dB.

Korzystnie w urządzeniu do spalania pulsacyjnego wydziela się ciepło w ilości od 10,3 do 103 MW/m³ temperatura wytworzonych gazów wynosi od 760 do 1927°C, a prędkość gazu wynosi od 45,7 do 488 m/s.

Korzystnie prędkość gazu stosowanego do fluidyzacji złoża stałego paliwa wynosi od 1,2 do 4 m/s.

Korzystnie produkty spalania odprowadzane ze zbiornika doprowadza się do generatora pary wodnej w celu wytworzenia pary wodnej.

169 798

Ko.-zystnie sposób obejmuje ponadto etap cyrkulacji medium zapewniającego wymianę ciepła przez element umożliwiający wymianę ciepła zanurzony w złożu fluidalnym, tak aby odprowadzić ciepło ze złoża fluidalnego.

Korzystnie medium zapewniające wymianę ciepła doprowadza się do urządzenia do wytwarzania pary wodnej i wytwarza się w ten sposób parę wodną.

Korzystnie doprowadza się ciepło wytworzone w wyniku spalania do układu suszenia materiałów.

Korzystnie doprowadza się ciepło wytworzone w wyniku spalania do układu ogrzewania powietrza.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat ilustrujący reaktor z pulsującym złożem fluidalnym działający pod ciśnieniem atmosferycznym, według niniejszego wynalazku; fig. 2 przedstawia schemat ilustrujący reaktor z pulsującym złożem fluidalnym działający pod ciśnieniem atmosferycznym, pokazany na fig. 1, w instalacji do spalania paliwa węglowego; fig. 3 przedstawia schemat ilustrujący reaktor z pulsującym złożem fluidalnym działający pod ciśnieniem atmosferycznym, według niniejszego wynalazku, przeznaczony do wytwarzania pary wodnej; fig. 4 przedstawia schemat ilustrujący reaktor z pulsującym złożem fluidalnym działający pod ciśnieniem atmosferycznym, pokazany na fig. 3, w instalacji do wytwarzania pary wodnej; fig. 5 przedstawia schemat ilustrujący reaktor z pulsującym złożem fluidalnym działający pod ciśnieniem atmosferycznym, według niniejszego wynalazku, przeznaczony do ogrzewania powietrza lub materiałów schnących; fig. 6 przedstawia schemat ilustrujący reaktor z pulsującym złożem fluidalnym działający pod ciśnieniem atmosferycznym, pokazany na fig. 5, w instalacji do suszenia materiałów lub ogrzewania powietrza; fig. 7 przedstawia schemat ilustrujący reaktor z pulsującym złożem fluidalnym działający pod ciśnieniem atmosferycznym, według niniejszego wynalazku, przeznaczony do spalania odpadków; fig. 8 przedstawia schemat ilustrujący reaktor z pulsującym złożem fluidalnym działający pod ciśnieniem atmosferycznym, pokazany na fig. 7, w instalacji do spalania odpadków; fig. 9 przedstawia schemat ilustrujący reaktor z pulsującym złożem fluidalnym działający pod ciśnieniem atmosferycznym. Według niniejszego wynalazku, przeznaczony do prowadzenia reakcji endotermicznych takich jak zgazowanie i kalcynacja.

Korzystny układ według niniejszego wynalazku zawiera pulsacyjne urządzenie do spalania zintegrowane z urządzeniem do spalania ze złożem fluidalnym typu belkotkowego, działającym pod ciśnieniem atmosferycznym i przedstawiony jest na fig. 1. W takim układzie modułowym urządzenie pulsacyjne spala drobne cząstki paliwa o wielkości przechodzącej przez sito 30 do 600 μ, a w złożu fluidalnym następuje spalanie większych cząstek stałego paliwa.

Jak to pokazano na fig. 1, urządzenie z pulsującym złożem fluidalnym działające pod ciśnieniem atmosferycznym, według wynalazku obejmuje wyłożony materiałem ogniotrwałym reaktor w którym wytwarza się złoże fluidalne. Urządzenie 30 do spalania pulsacyjnego jest połączone ze zbiornikiem 10.

Zbiornik 10 zawiera część dolną 12, część środkową 14 i część górną 16. W części dolnej 12 zbiornika 10 znajduje się urządzenie 13 do rozprowadzania czynnika fuidyzującego, przez które wprowadzać można w sposób odpowiedni czynnik z prędkością zapewniająca fluidyzację składników stałych znajdujących się w dolnej części 12. Ogólnie stwierdzono, że w celu zapewnienia fluidyzacji odpowiednie prędkości czynnika wynoszą od około 1,22 do około 3,9 m/s. W dolnej części 12, w której powstaje gęste złoże fluidalne, znajduje się szereg rur 60, przez które przepuszczać można medium zapewniające wymianę ciepła w celu odprowadzenia ciepła ze złoża fluidalnego. Zazwyczaj przez rury 60 wymiennika ciepła cyrkuluje powietrze lub woda, dzięki czemu uzyskuje się ogrzane powietrze, gorącą wodę lub parę wodną, choć można także przepuszczać inne materiały.

Środkowa część 14 rozszerza się na zewnątrz i łączy część dolną 12 z częścią górną 16, przy czym część środkowa 14 i część górna 16 tworzą razem wolną przestrzeń układu ze złożem fluidalnym, w której prędkość gazu zmniejsza się, wzrasta czas przebywania gazu i spada elutriacja. Natomiast gęste złoże fluidalne w dolnej części 12 działa w układzie bąblującym, burzliwym.

169 798

Urządzenie 30 do spalania pulsacyjnego posiada zawór 32, który może stanowić zawód aerodynamiczny lub dioda strumieniowa, zawór mechaniczny itp. komorę spalania 34 i przewód wylotowy 36. Dodatkowo urządzenie 30 do spalania pulsacyjnego zawiera komorę sprężonego powietrza 38 oraz zwiększacz ciągu 39. Przewód wylotowy 36 może stanowić pojedyncza rura, jak to pokazano, albo szereg rur, przy czym w korzystnym wykonaniu na końcu przewodu 36 znajduje się dyfuzor 40. W korzystnym wykonaniu przewód wylotowy 36 wyposażony jest w płaszcz wodny 41 otaczający go co najmniej na części jego długości.

Dyfuzor 40 na końcu przewodu wylotowego 36 tworzy rozszerzającą się część, w której następuje spadek prędkości gazu opuszczającego przewód wylotowy 36, aby zapobiec tworzeniu się kanałów w złożu fluidalnym. Gdy gaz spalinowy z urządzenia 30 do spalania pulsacyjnego opuści przewód wylotowy 36, to przechodzi on do sekcji dyfuzora 40, co zapewnia recyrkulację drobnych cząstek i zwiększa czas przebywania cząstek w złożu. Sekcja dyfuzora i/lub otwarty koniec przewodu odlotowego mogą dochodzić do złoża reagentów, albo mogą być usytuowane powyżej złoża reagentów (jak to pokazano na fig. 7 i fig. 8). Zbiornik 10 zawiera również układ zasilania dla grubszego paliwa i sorbentu 70, usytuowany nad złożem, korzystnie przenośnik ślimakowy oraz sortownik paliwa 71 rozdzielający doprowadzane paliwo na frakcję grubszą i składniki drobne.

Składniki drobne kierowane są z sortownika 71 przewodem 72 do urządzenia do spalania pulsacyjnego 30, podczas gdy składnik stanowiący grubsze paliwo kierowany jest z sortownika 71 do układu zasilania 70. Sorbent taki jak pokruszony wapień wprowadza się z leja zasypowego 76 do układu zasilania 70 w celu wprowadzenia go do zbiornika 10. Jakkolwiek stosunek paliwa do sorbentu w mieszaninie może zmieniać się, to zawartość sorbentu utrzymuje się korzystnie na poziomie 2-3 razy większym od zawartości siarki w paliwie stałym, np. w węglu.

Zbiornik 10 zawiera również przewód wylotowy gazu 80 z separatorem do oddzielania składników stałych od gazu 82, korzystnie separatorem inercjalnym na jego wejściu w celu wydzielania zawieszonych składników drobnych ze strumienia gazu wylotowego i zawrócenia ich do części górnej 16. Skałę płonną, popiół itp. usuwa się ze zbiornika 10 przez otwór 17 usytuowany w jego dolnym końcu. W zbiorniku 10 znajduje się również palnik 19, korzystnie opalany gazem ziemnym stosowanym ze względów bezpieczeństwa i przy uruchamianiu układu.

Urządzenie 30 do spalania pulsacyjnego zawiera zazwyczaj diodę strumieniową 32, komorę spalania 34 i przewód wylotowy 36. Do komory spalania 34 wprowadza się paliwo i powietrze. Źródło zapłonu detonuje mieszankę wybuchową w komorze spalania 34 podczas rozruchu. Gwałtowne zwiększenie objętości spowodowane przez szybki wzrost temperatury i wydzielanie się produktów spalania powoduje wzrost ciśnienia w komorze 34. Przy ekspansji gorących gazów zawór, korzystnie dioda strumieniowa 32, umożliwia wybiórczy przepływ w kierunku przewodu wylotowego 36. Gazy opuszczające komorę spalania 34 i przewód wylotowy 36 charakteryzują się znacznym pędem. W komorze spalania 34 powstaje podciśnienie na skutek bezwładności gazów w przewodzie wylotowym 36. Bezwładność gazów w przewodzie wylotowym 36 pozwala na zawróceniejedynie niewielkiej ilości gazów odlotowych do komory spalania 34, a reszta gazów opuszcza przewód wylotowy 36. W związku z tym, że ciśnienie w komorze spalania 34 jest niższe od atmosferycznego, powietrze i paliwo zasysane są do komory 34, w której następuje samozapłon. Ponownie zawór, który stanowi dioda strumieniowa 32 powstrzymuje przepływ wsteczny i cykl zaczyna się od nowa. Po zainicjowaniu pierwszego cyklu urządzenie 30 do spalania pulsacyjnego działa w sposób samopodtrzymujący.

Dioda przepływowa stosowana w wielu innych rozwiązaniach ze spalaniem pulsacyjnym jest mechanicznym zaworem klapowym. Zawór klapowy jest w zasadzie zaworem zwrotnym umożliwiającym przepływ z wlotu do komory i utrudniającym przepływ w odwrotnym kierunku dzięki mechanicznemu układowi osadzającemu. Urządzenie takie jest wystarczające do przewidzianego zastosowania. Jakkolwiek taki zawór mechaniczny można stosować w układzie, według wynalazku, to korzystnie stosuje się zawór aerodynamiczny bez części ruchomych. W czasie suwu wydechu, w przypadku zaworu aerodynamicznego, warstwa graniczna narasta w zaworze i wiry przy przepływie burzliwym utrudniają w znacznym stopniu przepływ powrotny. Ponadto temperatura gazów wylotowych jest znacznie wyższa od temperatury gazów wlotowych z tego względu lepkość gazu jest znacznie większa, tak że z kolei opór powrotny przekroju

169 798 wlotowego jest znacznie większy niż przy przepływie do przodu przez ten sam otwór. Zjawiska te wraz z dużą bezwładnością gazów wylotowych w rurze rezonansowej zapewniają preferencyjny i przeważający przepływ od wlotu do wylotu. W związku z tym korzystne urządzenie pulsacyjne stanowi samozasysający silnik, zasysający powietrze i paliwo do komory spalania oraz automatycznie wyrzucający produkty spalania.

Szybkie oscylacje ciśnienia w komorze spalania powodują intensywne oscylacje pola przepływu. W przypadku spalania węgla fluktuacje pola przepływu powodują wymiatanie produktów spalania z reagujących składników stałych, co zapewnia dopływ tlenu przy minimalnych ograniczeniach dyfuzyjnych lub bez takich ograniczeń. Ponadto w urządzeniach do spalania pulsacyjnego występują bardzo duże szybkości przenoszenia masy i przenoszenia ciepła w strefie spalania. Mimo, iż w tego typu urządzeniach do spalania występuje tendencja do bardzo dużych szybkości wyzwalania ciepła (zazwyczaj 10 razy większych niż w urządzeniach konwencjonalnych), intensywne przenoszenie masy i wysokie szybkości przenoszenia ciepła w obszarze spalania zapewniają bardziej równomierną temperaturę. W związku z tym osiągnięte temperatury szczytowe są znacznie niższe niż w układach konwencjonalnych. Powoduje to z kolei znaczne zmniejszenie ilości powstających tlenków azotu (NO_X). Wysokie szybkości uwalniania ciepła umożliwiają również zmniejszenie rozmiarów urządzenia do spalania dla danej szybkości spalania, a także skrócenie wymaganego czasu przebywania.

Na sprawność urządzeń do spalania ze złożem fluidalnym działającym pod ciśnieniem atmosferycznym wpływa szybkość spalania węgla, na którą z kolei wpływają właściwości węgla (odparowanie, spęcznianie, rozpad i zwęglanie), zakres wielkości doprowadzanych cząstek, mechaniczne ścieranie się w układzie zasilającym intensyfikowane w wyniku spalania, szybkości przenoszenia ciepła i masy oraz warunki pracy instalacji. Ponadto w przypadku takich układów przenoszenie węgla do pierwszego separatora cząstek jest zazwyczaj wysokie z uwagi na ograniczony czas przebywania drobnych cząstek paliwa w urządzeniu do spalania. W celu uzyskania wysokiego stopnia wykorzystania węgla często praktykowane jest zawracanie drobnych cząstek do złoża. Takie systemy obiegowe zwiększają złożoność i koszt instalacji, a czasami są podatne na zatykanie się. Według niniejszego wynalazku większą sprawność spalania uzyskać można dzięki temu, że drobne cząstki paliwa spalają się w urządzeniu do spalania pulsacyjnego i tylko grubszy węgiel, który został odsiany, spala się w złożu fluidalnym.

Trzy podstawowe parametry spalania, to znaczy 1) temperatura, 2) burzliwość oraz 3) czas przebywania w przypadku urządzenia do spalania pulsacyjnego oraz w wolnej przestrzeni nad bąblującym złożem fluidalnym są całkiem różne, jak to pokazano poniżej.

Tabela 1

Dane charakterystyczne	Urządzenie do spalania pulsacyjnego	Strefa wolnej przestrzeni nad złozem fluidalnym pod ciśnieniem atmosferycznym
Temperatura	>1092°C (wysoka)	843°C (niska)
Burzliwość	bardzo duża (oscylacyjna)	umiarkowana (przepływ tłokowy z mieszaniem wstecznym)
Czas przebywania	10 - 100 ms	2-3 s

W związku z tym, że według niniejszego wynalazku wykorzystuje się zarówno urządzenie do spalania pulsacyjnego jak i urządzenie do spalania ze złożem fluidalnym działające pod ciśnieniem atmosferycznym, można w nim spalać zarówno grube paliwo jak i drobne cząstki o pełnym zakresie wymiarów. Oscylacyjne pole przepływu w urządzeniu do spalania pulsacyjnego zapewnia wysokie szybkości międzyfazowego i międzycząstkowego przenoszenia masy. Z tego względu spalanie drobnych cząstek paliwa jest zasadniczo kontrolowane kinetycznie.

169 798

Z uwagi na względnie wysokie temperatury (> 1O93°C, ale poniżej temperatury topnienia popiołu, aby zapobiec powstawaniu żużla) spalanie drobnych cząstek paliwa jest na wylocie z urządzenia do spalania pulsacyjnego zasadniczo kompletne. Dodatkowy czas przebywania w wolnej przestrzeni urządzenia ze złożem fluidalnym wynoszący 1-2 s zapewnia wysoką konwersję węgla i w związku z tym wysoką wydajność spalania.

Uwalnianie się składników lotnych i spalanie drobnych cząstek paliwa w urządzeniu do spalania pulsacyjnego umożliwia również uwolnienie zasadniczej części siarki do czasu opuszczenia przez drobne cząstki paliwa przewodu wylotowego. Istnieje duże prawdopodobieństwo wychwycenia tej siarki w gęstym złożu fluidalnym z uwago na to, że gazy z urządzenia do spalania pulsacyjnego wypływają do złoża fluidalnego. Pole akustyczne rozchodzące się w złożu fluidalnym zwiększa szybkość przenoszenia masy, co z kolei zwiększa szybkość reakcji między sorbentem i SO2· Akustyczne intensyfikowanie przenoszenia masy w złożu fluidalnym oraz recyrkulacja drobnych cząstek spowodowana kształtem rury wywołującym ssanie umożliwiają uzyskanie wysokiej wydajności wychwytywania siarki przy niskim wyjściowym stosunku molowym Ca/S, co obniża koszty związane z zużyciem wapienia i usuwaniem odpadów.

Urządzenia do spalania pulsacyjnego są z zasady urządzeniami wytwarzającymi małe ilości NO_X. Szybkość przenoszenia ciepła przy pulsacyjnym przepływie jest wyższa niż przy konwencjonalnym przepływie ustalonym, co ułatwia utrzymywanie niższych ogólnych temperatur w komorze spalania. Ponadto duże szybkości mieszania gorących produktów spalania z zimnymi resztkami produktów z poprzedniego cyklu oraz z dopływającymi zimnymi reagentami powodują, że czas przebywania w wysokiej temperaturze jest bardzo krótki, co hamuje powstawanie NOx. Takie uzupełniające mechanizmy stwarzają środowisko zbliżone do występującego w zbiorniku z intensywnym mieszaniem, w którym panuje względnie niska temperatura, co powoduje powstawanie niewielkich ilości NOx. Również w gęstym złożu fluidalnym w dolnej części 12 zbiornika 10 powstaje niewielka ilość NOx z uwagi na panujące tam niskie temperatury i znajdujące się grubsze cząstki paliwa. W efekcie uważa się, że emisje NOx z instalacji, według wynalazku, będą niższe niż z konwencjonalnych urządzeń do spalania ze złożem fluidalnym.

Ogólny współczynnik przenoszenia ciepła w przewodzie odlotowym z urządzenia do spalania pulsacyjnego, wyposażonym w płaszcz wodny są tego samego rzędu jak w przypadku rur zanurzonych w gęstym złożu fluidalnym. Zastąpienie mało wydajnego wymiennika ciepła w wolnej przestrzeni w konwencjonalnym urządzeniu do spalania ze złożem fluidalnym przez przewód odlotowy z płaszczem wodnym z urządzenia do spalania pulsacyjnego znacznie zmniejsza niezbędną powierzchnię wymiany ciepła oraz obniża koszty.

W celu ustalenia parametrów technicznych technologii według niniejszego wynalazku zaprojektowano, skonstruowano i zbadano instalację w skali laboratoryjnej o szybkości spalania węgla 1,58 gJ/godz. Schemat instalacji przedstawiono na fig. 2. Podstawowym celem tej pracy było zbadanie integracji urządzenia do spalania pulsacyjnego z częścią pieca ze złożem fluidalnym. Nie zainstalowano sekcji konwekcji, gdy dodatkowe koszty z tym związane uznano za nieuzasadnione. Z tego względu wydajność pary oraz wydajność cieplna badanej instalacji były nieco niższe od oczekiwanych w przypadku zwykłej pracy.

Na fig. 2 przedstawiono urządzenie pokazane na fig. 1, przy czym podobne elementy oznaczono takimi samymi liczbami, gdyż urządzenia te były zbliżone. Po rozsianiu stałego paliwa, np. węgla na cząstki drobne i grubsze (nie pokazanego) cząstki grubsze przechowuje się w zasobniku węgla 73, z którego cząstki te wprowadza się za pomocą przenośnika 75 do zasobnika sorbentu 76, w którym sorbent miesza się z doprowadzanym paliwem, jak to opisano uprzednio. Mieszaninę węgla z sorbentem wprowadza się za pomocą przenośnika dozującego 70 do zbiornika 10, w którym opada ona do gęstego złoża znajdującego się w dolnej części 12 zbiornika 10, utrzymywanego w bąblującym stanie fluidalnym dzięki nośnikowi wprowadzanemu od spodu przez element 13 rozprowadzający nośnik. Alternatywnie mieszanina węgla z sorbentem może być wprowadzana bezpośrednio do złoża fluidalnego, a nie opadać na wierzch złoża (konstrukcję taką z dwoma miejscami doprowadzania 214 i 215 pokazano na fig. 7).

169 798

Drobne cząstki oddzielone od węgla przechowuje się w zasobniku 74, z którego kieruje się je do pompy strumieniowej 77, skąd transportuje się je przewodem 72 do urządzenia 30 do spalania pulsacyjnego. Przy założeniu, że urządzenie 30 do spalania pulsacyjnego działa, zawór aerodynamiczny 32 przepuszcza na żądanie mieszankę powietrza z paliwem. Jak to pokazano na fig. 2, do zaworu 32 urządzenia 30 do spalania pulsacyjnego doprowadzać można również gaz ziemny także służący jako paliwo. Produkty spalania z urządzenia 30 do spalania pulsacyjnego przemieszczają się następnie z oscylującym ciśnieniem akustycznym przez przewód wylotowy 36 i przez dyfuzor 40 do złoża fluidalnego. Ogólnie szybkość wyzwalania ciepła w urządzeniu 30 do spalania pulsacyjnego wynosi od około 74,51 do ok. 223,5 kJ/godz./m³, przy temperaturze uzyskanych gazów od około 760°C do około 1927°C. Prędkość gazu w przewodzie wylotowym 36 wynosi od około 45,7 do 488 m/s przy szybkości oscylacji w zakresie od około 20 do około 150 Hz.

W zbiorniku osiągane są poziomy fali ciśnienia akustycznego w zakresie od około 100 do około 185 dB. Przy założeniu, że w urządzeniu do spalania pulsacyjnego wydziela się ciepło, od około 3.725.000 do ok. 7.450.000 kJ/godz./m3, w zbiorniku 10 uzyskuje się temperatury około 1093°C. Temperatury w wolnej przestrzeni zbiornika 10 mogą następnie przekroczyć 1093°C, co umożliwia rozkład materiałów organicznych. W złożu fluidalnym pożądane są temperatury w zakresie od około 815°C do około 926°C, aby zmniejszyć do minimum powstawanie tlenków azotu.

Fala akustyczna opuszczająca dyfuzor 40 zderza się ze złożem fluidalnym intensyfikując mieszanie i przenoszenie ciepła. Stałe paliwo spala się w stanie fluidalnym, przy czym temperatury w złożu można regulować przepuszczając medium zapewniające wymianę ciepła przez rury 60 zanurzone w złożu fluidalnym. Oczywiście przenoszenie ciepła od złoża do medium wykorzystać można do regulacji ogólnej temperatury złoża fluidalnego i/lub _do wywarcia pożądanego wpływu na medium, np. do ogrzania wody lub powietrza, do wytworzenia pary wodnej itp.

Produkty spalania unoszą się następnie nad złoże fluidalne do strefy wolnej przestrzeni, w której zachodzić może dalej przenoszenie ciepła lub reakcja. Z wolnej przestrzeni produkty przechodzą przez separator 82 do oddzielania porwanych części stałych do przewodu gazów spalinowych 80 do cyklonu 90. W związku z tym, że paliwo zostało przesiane, do wolnej przestrzeni przedostaje się niewiele drobnych cząstek, co również ułatwia uwalnianie siarki.

Jak to również przedstawiono na ogólnym schemacie, czynnik fluidyzujący, np. powietrze lub parę wodną podgrzewać można w podgrzewaczu 92. Czynnik fluidyzujący doprowadza się do podgrzewacza 92 za pomocą dmuchawy powietrza pierwotnego 94 i/lub zawracając nadmiar powietrza lub innego płynu z urządzenia do spalania pulsacyjnego 30. Jak to pokazano, można również parę wodną wytworzoną w rurach 60 kierować do zbiornika pary 96, po czym doprowadzać ją ze zbiornika 96 w razie potrzeby.

W procesie spalania silnie zasiarczonego węgla wapień i gruby, odsiany węgiel wprowadza się do złoża fluidalnego w zbiorniku 10, natomiast drobne cząstki kieruje się, jak to zaznaczono powyżej, jako źródło paliwa do urządzenia 30 do spalania pulsacyjnego. Siarka zawarta w drobnych cząstkach zostaje zasadniczo usunięta w urządzeniu do spalania pulsacyjnego i zostaje wychwycona przez wapień w złożu fluidalnym. Również siarka zawarta w grubszym węglu zostaje wychwycona przez wapień w złożu w sposób o wiele skuteczniejszy niż w znanych instalacjach. W celu uzyskania takiego efektu w złożu fluidalnym temperatury utrzymuje się korzystnie w zakresie od około 760°C do około 954°C. W takich temperaturach powstają również mniejsze ilości tlenków azotu stanowiących produkty uboczne.

W instalacji pokazanej na fig. 2 przeprowadzono łącznie 28 prób, w tym próby z awaryjnym wyłączaniem i próby, w których wyznaczano charakterystykę instalacji. Instalację zbadano zarówno przy stosowaniu jak i bez urządzenia do spalania pulsacyjnego, a parametry prób podano w tabeli 2. Instalacja pracowała przez ponad 200 godzin i spalono w niej prawie 9 ton węgla. Pomiary emisji NO_X wykonywano we współpracy z dr L.J. Muzio i dr G. Shiomoto z Fossil Energy Research Corporation, Laguna Hills, Califomia.

169 798

Tabela 2

Parametry prób
Rodzaj węgla	Pittsburg No. 8, Ksntucky No. 9 i 11
Rozrzut wielkości cząstek wapienia	9,5 mm (3/8 cala) - 0, 15-40% wag. części drobnych
Wapień	Shasta
Rozrzut wielkości cząstek wapienia	3,2 mm (1/8 cala) - 0
Powierzchnia prędkości gazu	1,52-2,13 m/s (5-7 stóp/s)
Temperatura zloza	815-871°C(1500-1600°F)
Stosunek Ca/S	2,5-2,7
Wymiary złoża	0,61x0,61 m (2x2 stopy)
Wysokość pieca	3,05 m (10 stóp)
Paliwo w urządzeniu do spalania pulsacyjnego	węgiel, gaz

Zestawienie porównujące działanie i dane emisyjne z instalacji 0,61 x 0,61 m według wynalazku, konwencjonalnego urządzenia do spalania z bąblującym złożem fluidalnym (wyższa wolna przestrzeń i układ z zawracaniem) oraz instalacji ze spalaniem w cyrkulującym złożu fluidalnym podano w tabeli 3. Porównanie odnosi się do typowych węgli bitumicznych o dużej zawartości składników lotnych oraz sorbentów o przeciętnej reaktywności. Dane odnoszące się do znanych urządzeń do spalania w złożu fluidalnym oparto na publikowanych informacjach. Można stwierdzić, że instalacja według niniejszego wynalazku wykazuje lepsze osiągi niż instalacje znane. Większa wydajność spalania oznacza mniejsze zużycie węgla oraz niższe koszty eksploatacyjne instalacji; zwiększenie wychwytywania siarki oznacza mniejsze zużycie sorbentu i mniejsze ilości odpadów, w tym samym również niższe koszty eksploatacyjne; niższe emisje NO_X i CO oznaczają łatwiejszą lokalizację; a większe szybkości wytwarzania pary wodnej oznaczają zmniejszenie powierzchni wymiany ciepła, a tym samym obniżkę nakładów inwestycyjnych. Ponadto wydaje się, że emisje N2 O z takiej instalacji z pulsującym złożem fluidalnym nie są nieznaczące, ale są porównywalne z opublikowanymi danymi odnośnie emisji N2 O, co oznacza, że charakter pracy instalacji nie wpływa na emisję N2O. W podsumowaniu można stwierdzić, że instalacja według niniejszego wynalazku zasadniczo (a) przewyższa układy konwencjonalne, (b) jest porównywalna z urządzeniem do spalania w cyrkulującym złożu fluidalnym pod względem spalania i emisji N2 O oraz (c) jest lepsza od urządzeń do spalania z cyrkulującym złożem fluidalnym pod względem wychwytywania siarki oraz emisji CO i NO_X.

Tabela 3

Charakterystyka pracy urządzeń do spalania ze złożem fluidalnym
	Atmosferyczne z bąblowaniem	Pulsacyjne atmosferyczne	Z bąblowaniem*	Cyrkulacyjny*
1	2	3	4	5
Wydajność spalania, %	89-93	92-97	90-97	93-99
Wydajność wychwytywania SO2 (%)	70-85	90-98	70-85	75-95
Emisje NOx (ppmv)+	155-620	110-265	400-500	100-300

169 798

Tabela 3 (ciąg dalszy)

1	2	3	4	5
Emisje N2O (ppmv)+	70-100	70-100	400-500	100-300
Emisje CO (ppmv)+	400-1600	180-800	10-220	10-220
Szybkość wytwarzania pary wodnej, kg/s	227-317	363-372	400-1200	500-1250
Parametry prób: Temperatura złoża: 815-871°C
Stosunek Ca/S:	2,5-2,7
Węgiel:	bitumiczny (duża zawartość części lotnych)
w oparciu o dane literaturowe
+ przy 3% O2; (ppmv - części na milion, objętościowo)

Parametry te wskazują, że niniejszy wynalazek stanowi atrakcyjne rozwiązanie w dowolnej skali. Zmniejszenie skali do uzyskania wydajności pary wodnej w zakresie od 0,126 do 6,3 kg/s urządzenia do spalania w cyrkulującym złożu fluidalnymjest niepraktyczne i kosztowne, jak to zaznaczono powyżej.

Urządzenie opisane dotychczas przeznaczone było przede wszystkim do stosowania w instalacji do spalania silnie zasiarczonego węgla. Urządzenie takie, zwłaszcza opisane w wersji przedstawionej na fig. 1 można wykorzystać do ulepszonego spalania innych produktów takich jak np. biomasa, produkty odpadowe taicie jak odpady medyczne, odpady przemysłowe, materiały organiczne itp., a także w reakcjach endotermicznych, do suszenia, kalcynowania itp.

Jedno z urządzeń według niniejszego wynalazku przeznaczone do wytwarzania pary wodnej przedstawiono na fig. 3. W generatorze pary wodnej wykorzystuje się elementy podobne do stosowanych w urządzeniu opisanym powyżej. Urządzenie 130 do spalania pulsacyjnego jest zintegrowane z wyłożonym materiałem ogniotrwałym zbiornikiem reakcyjnym 110. Zbiornik 110 zawiera część dolną 112, część środkową 114 oraz część górną 116, przy czym część środkowa 114 i część górna 116 tworzą opisaną uprzednio wolną przestrzeń.

Element fluidyzujący 113, przez który wprowadzać można w sposób właściwy nośnik fluidyzacyjny z prędkością zapewniającą fluidyzację złoża i regulację temperatury złoża usytuowany jest w dolnej części 112. W jednym z rozwiązań generatora pary wodnej element fluidyzujący 113 stanowi płyta rozprowadzająca chłodzona wodą. Szereg przewodów 160, przez które przepuszczać można wodę lub inne medium zapewniające wymianę ciepła, usytuowano w dolnej części 112, w którym ma być utworzone gęste złoże fluidalne palnych materiałów.

Przewody te umożliwiają przenoszenie lub odprowadzanie ciepła ze złoża fluidalnego. Jak to zostanie wyjaśnione poniżej, przewody 160 mogą tworzyć konfigurację obwodu wodno-parowego typu D.

Jak to opisano uprzednio, część środkowa zbiornika 114 rozszerza się na zewnątrz i łączy część dolną 112 z częścią górną 116. Natomiast gęste złoże fluidalne w dolnej części 112 działa w układzie bąblującym, burzliwym.

W skład urządzenia 130 do spalania pulsacyjnego może wchodzić opisany uprzednio element zaworowy zawierający co najmniej jeden otwór, przez który do komory spalania 133 wprowadzać można mieszankę paliwa z powietrzem, komorę sprężonego powietrza 138 oraz zwiększacz ciągu 139. Przewód wylotowy 136 może stanowić pojedyncza rura, jak to pokazano, albo szereg rur, przy czym w korzystnym wykonaniu na końcu rury znajduje się dyfuzor 140. Dyfuzor 140 zapewnia recyrkulację drobnych cząstek oraz zwiększa czas przebywania cząstek w złożu fluidalnym, co zapewnia pełniejsze spalanie i wychwytywanie siarki.

Podobnie jak w przypadku wszystkich opisanych rozwiązań, część komory spalania może być połączona ze zbiornikiem 110, tak że część urządzenia 130 do spalania pulsacyjnego (np. dyfuzor 140 na fig. 3) może sięgać do złoża fluidalnego. W innych rozwiązaniach, całe

169 798 urządzenie do spalania pulsacyjnego, włącznie z komorą spalania, co najmniej jednym przewodem wylotowym oraz dyfuzorem może być usytuowana na zewnątrz tej części zbiornika 110, w której zachodzi reakcja. W takich układach urządzenie do spalania pulsacyjnego może dostarczyć ciepło do przeprowadzenia reakcji endotermicznej reagentów w zbiorniku.

W korzystnym wykonaniu, przewód wylotowy 136 wyposażony jest w płaszcz wodny 141 otaczający go co najmniej na części jego długości. Również dyfuzor 140 może być wyposażony w płaszcz wodny otaczający go na części długości, tak że w płaszczu tym powstaje para wodna odprowadzająca ciepło, a ilość niezbędnych przewodów 160 w złożu można zmniejszyć do minimum, a nawet można ich nie stosować.

Zbiornik 110 zawiera również umieszczony nad złożem układ 170 dozowania grubszego paliwa i sorbentu, który korzystnie stanowi przenośnik ślimakowy. W skład układu zasilania 170 wchodzi sortownik paliwa 171 do oddzielania drobnych cząsteczek, które wprowadza się do urządzenia 130 do spalania pulsacyjnego przewodem paliwowym 190, od grubszego paliwa wprowadzanego do podajnika grubszego paliwa 191, w którym następuje jego wymieszanie z sorbentem wprowadzanym z podajnika sorbentu 192, po czym mieszanka wprowadzana jest przez układ dozujący 170 tworząc złoże fluidalne w zbiorniku 110. Sorbent stanowi materiał taki jak pokruszony wapień, który absorbuje zawierającą siarkę powstałe przy spalaniu.

Zbiornik 110 zawiera wylot 180 produktów spalania lub gazu spalinowego, na którym znajduje się separator do wydzielania składników stałych z gazu podgrzewacz powietrza 182. W wylocie gazu może znajdować się co najmniej jedna przegroda utrudniająca boczny przepływ gazu. Jako część takiego układu separacji zastosować można cyklon 183 dokładniej wychwytujący składniki stałe i regulujący temperaturę gazu i składników stałych.

Wielostopniowy obieg powietrza między separatorem składników stałych pdgrzewaczem powietrza 182 i zbiornikiem 110, zaznaczonych liniami 195 i 196, wykorzystać można w celu dalszego ograniczenia emisji.

Skałę płonną, materiały, popiół itp. usuwa się ze zbiornika 110 przez otwór 117 usytuowany w dolnym końcu części 112. Ponadto w zbiorniku 110 zainstalować można układ zapłonu (nie pokazany) w celu zapalenia układu przy rozruchu oraz ze względów bezpieczeństwa.

Dwuwalczakowy układ generatora pary wodnej 101 obejmujący: walczak pary oraz błotnik stosuje się w celu uniknięcia pracochłonnej obróbki wody. Przewody 160, jak to pokazano na fig. 4 i opisanej poniżej, połączone są z układem dwuwalczakowym 101, tak że w przedstawionym rozwiązaniu wytwarza się parę wodną. Układ fluidyzacyjny do wytwarzania pary wodnej opisanej powyżej działa zasadniczo w taki sam sposób jak urządzenie opisane uprzednio.

Na fig. 4 przedstawiono generator pary wodnej opisany w nawiązaniu do fig. 3, przy czym podobne elementy oznaczono takimi samymi liczbami, gdyż urządzenia te były zbliżone. Po rozsianiu stałego paliwa na cząstki drobne i grubsze cząstki w sortowniku 171 grubsze cząstki transportuje się do zasobnika grubszego paliwa 191, a drobne cząstki transportuje się przewodem 195 do urządzenia 130 do spalania pulsacyjnego. Sorbent dodaje się do grubszego paliwa za pomocą układu dozowania sorbentu 192, po czym mieszankę paliwową wprowadza się do zbiornika 110 za pomocą urządzenia dozującego 170 takiego jak przenośnik ślimakowy pokazany na fig. 4. Mieszanka paliwa z sorbentem opada na gęste złoże znajdujące się w zbiorniku 110, uurzymane w bąblujjącym stanie fuidalnym przez czynnik fluidyzujący doprowadzony od spodu przez element rozprowadzania czynnika 113. Element rozprowadzania czynnika 113 może być pochylony, jak to pokazano na fig. 4, co zapobiega powstawaniu martwych przestrzeni stałego produktu. Pochylenie to w połączeniu z układem odprowadzenia 117 ze złoża ułatwia usuwanie skały i aglomeratu.

Przy założeniu, że urządzenie do spalania pulsacyjnego 130 działa, zawór aerodynamiczny 132 przepuszcza na żądanie mieszankę powietrza z paliwem. Produkty spalania z urządzenia 130 do spalania pulsacyjnego przemieszczają się z następnie z oscylującym ciśnieniem akustycznym przez przewód wylotowy 136 i przez dyfuzor 140 do złoża fluidalnego. Fala akustyczna opuszczająca sekcję dyfuzora 140 zderza się ze złożem fluidalnym intensyfikując mieszanie i przenoszenie ciepła. Stałe paliwo spala się w stanie fluidalnym, przy czym temperatury w złożu

169 798 można regulować przepuszczając medium zapewniające wymianę ciepła przez rury 160 zanurzone w złożu fluidalnym.

Medium zapewniające wymianę ciepła przepuszcza się przez przewody 160 zanurzone w złożu fluidalnym i połączone z dwuwalczakowym generatorem pary wodnej 101 za pomocą większej ilości przewodów tworzących konfigurację D. Dwuwalczakowy układ 101 obejmuje walczak pary wodnej 111, dolny koniec 112 oraz co najmniej jeden zespół rur 113’. Medium umożliwiające wymianę ciepła po odpowiednim podgrzaniu w zbiorniku 110 przepływa do dwuwalczakowego generatora pary wodnej 101, w którym medium to opływa walczak parowy 111, dolny koni&c 1112 i zespół rur U13’’ Do walczaka parowego 111 pompuje się wodę, która zmienia się w parę wodną i jest odpowiednio wykorzystywana.

Produkty spalania unoszą się następnie nad złoże fluidalne do strefy wolnej przestrzeni, w której zachodzić może dalej przenoszenie ciepła lub reakcja. Z wolnej przestrzeni ponad dolną częścią zbiornika 110 ogrzane gazy przechodzą przez separator do oddzielenia porwanych części stałych/podgrzewacz powietrza 182 do przewodu gazów spalinowych 180, którym kierowane są do dwuwalczakowego generatora pary wodnej 101. Ciepło zawarte w gazach spalinowych służy do dodatkowego podgrzewania wody zawartej w walczaku parowym 111 i zamiany jej w parę wodną.

Podobnie jak w rozwiązaniu opisanym poprzednio, czynnik fluidyzacyjny może być podgrzewany w separatorze części stałych/podgrzewaczu powietrza 182. Ponadto dodatkowe paliwo takie jak gaz ziemny (nie pokazany) zastosować można przy rozruchu instalacji, jak to opisano w nawiązaniu do poprzedniego rozwiązania. Można także w opisanym układzie do wytwarzania pary wodnej wyeliminować przewody 160 zanurzone w złożu, tak że wymiana ciepła może dotyczyć wyłącznie ciepła dostarczanego wylotem gazów spalinowych 180, przez przewód wylotowy z płaszczem wodnym 136 i/lub przez dyfuzor 140.

Urządzenie według wynalazku można również wykorzystać do suszenia materiałów lub ogrzewania powietrza. Tak np. układ wykorzystać można jako źródło ciepła zamiast opalanego węglem zespołu rusztów przy termicznym suszeniu węgla. Przy takim zastosowaniu możliwe są różne warianty układu, takie jak złoże fluidalne z płaszczem wodnym, chłodzone powietrzem rury zanurzone w złożu fluidalnym oraz adiabatyczne złoże fluidalne. Te trzy warianty różnią się głównie sposobem chłodzenia złoża fluidalnego.

W wariancie urządzenia według niniejszego wynalazku stosowanego do suszenia materiałów lub ogrzewania powietrza przedstawionym na fig. 5. Podobne liczby odnoszą się do podobnych elementów przedstawionych na fig. 3. W przedstawionym wariancie w urządzeniu według wynalazku stosuje się duży nadmiar powietrza, tak że złoże fluidalne działa prawie w układzie adiabatycznym. W tym układzie wykorzystuje się zasady działania urządzenia do wytwarzania pary wodnej, przedstawionego na fig. 3 z wyjątkiem stosowania dwuwalczakowego generatora pary 101 pokazanego na fig. 3 i 4. Urządzenie do suszenia/ogrzewania powietrza może również działać bez przewodów 160 zanurzonych w złożu, pokazanych na fig. 3.

Zbiornik 110 wyłożony materiałem ogniotrwałym zmniejsza straty ciepła, a rozszerzająca się wolna przestrzeń powoduje zmniejszenie prędkości gazu, zwiększenie czasu przebywania gazu oraz zmniejszenie ilości porwanych drobnych cząstek. Przewód wylotowy 136 otoczony jest płaszczem wodnym 141, co eliminuje konieczność stosowania w takim rozwiązaniu drogich stopów metali. Ponadto w wariancie tym korzystnie stosuje się chłodzony wodą dystrybutor 113 w celu zmniejszenia naprężeń cieplnych w złożu oraz wylot złoża 117 ułatwiający usuwanie skały i utrzymanie wysokości złoża.

Schemat procesu, w którym stosuje się wyżej opisane urządzenie do ogrzewania powietrza lub materiału przedstawionego na fig. 6. Układ jest zasadniczo identyczny z układem do wytwarzania pary wodnej pokazanym na fig. 4, z tym wyjątkiem, że nie zawiera on dwuwalczakowego generatora pary wodnej 101 pokazanego na fig. 4. Ponadto pokazano zanurzone w złożu przewody 160 pokazane na fig. 4.

Urządzenie według niniejszego wynalazku można także wykorzystać jako urządzenie do spalania odpadów, pokazane na fig. 7. W takim urządzeniu wykorzystuje się element 220 doprowadzający odpady, w skład którego wchodzić może urządzenie 214 doprowadzające odpady na szczyt złoża fluidalnego i/lub urządzenie 215 doprowadzające odpady bezpośrednio

169 798 do złoża fluidalnego, zależnie od charakteru tych odpadów. Komora rezonansowa 236 komory do spalania pulsacyjnego 230 nie jest w pełni zintegrowana ze zbiornikiem 210, ale raczej usytuowanajest powyżej zbiornika 210, dyfuzora 240jest usytuowana ponad strefą rozbryzgową złoża fluidalnego, jak to pokazano na fig. 7. Przewód 260 może uzupełniać obwód między zwiększaczem ciągu 239 i częścią przewodu wylotowego 236 usytuowanego ponad zbiornikiem 210, tak aby zwiększyć ciśnienie w zwiększaczu ciągu 239. Zapewnia to lepsze mieszanie w wolnej przestrzeni zbiornika reakcyjnego.

Podobnie jak w rozwiązaniach opisanych uprzednio, w urządzeniu według tego wariantu stosuje się element rozprowadzający 213 utrzymujący złoże fluidalne w stanie burzliwym, układ spustowy złoża 217 do usuwania popiołu i skały, separator części stałych/podgrzewacz powietrza 282, urządzenie do oddzielania składników stałych od produktów spalania i zawracania produktów do zbiornika, obejmujące przewód wylotowy gazów spalinowych 280 i chłodzony wodą cyklon 238 wychwytujący składniki stałe i obniżający temperaturę gazu i składników stałych, tak aby wychwycić pary metali.

Schemat układu do spalania odpadów, w którym wykorzystuje się urządzenie pokazane na fig. 7, przedstawiono na fig. 8. Z uwagi na możliwość erozji i problemy korozyjne związane z oddziaływaniem materiałów odpadowych na przewód wylotowy i dyfuzor, to znajdują się one ponad złożem fluidalnym. Ponadto z uwagi na pewne problemy erozyjne i korozyjne w rozwiązaniu takim nie stosuje się zespołów rur zanurzonych w złożu. Podobnie jak w przypadku rozwiązań pokazanych na fig. 4 i 6 element rozprowadzający 113 jest nachylony, co zapobiega tworzeniu się martwych przestrzeni składników stałych oraz ułatwia usuwanie skały i popiołu z wylotu złoża.

Urządzenie według wynalazku wykorzystać można także w reakcjach endotermicznych takich jak gazowanie, kalcynacja, piroliza i reakcje częściowego utleniania. Urządzenie stosowane w takich procesach pokazano na fig. 9. Urządzenie stosowane w takim rozwiązaniu jest zasadniczo identyczne jak urządzenie stosowane do ogrzewania powietrza lub suszenia materiałów, pokazane na fig. 5, przy czym podobne elementy oznaczone są takimi samymi liczbami. Wyeliminować można jednak zwiększacz ciągu 139 pokazany na fig. 5 lub płaszcz wodny otaczający przewód wylotowy 136 na fig. 5. Dodatkowo, podobnie jak w przypadku urządzenia do spalania odpadów pokazano na fig. 7, urządzenie do prowadzenia reakcji endotermicznych może zawierać element 314 doprowadzający do złoża fluidalnego materiał albo nad złożem, bądź też element 315 doprowadzający materiał bezpośrednio do złoża.

W procesach takich złoże zawiera stałe paliwa, a urządzenie do spalania pulsacyjnego dostarcza bezpośrednio ciepło do przeprowadzenia reakcji endotermicznej przy wytwarzaniu takich produktów jak syntetyczny gaz opałowy, produkty kalcynacji itp. Podobnie, jak w przypadku każdego z opisanych rozwiązań, końcówka urządzenia do spalania pulsacyjnego, wolny koniec przewodu wylotowego lub dyfuzor, może sięgać do złoża materiału, albo może być usytuowana ponad złożem.

Jakiekolwiek korzystne rozwiązania według wynalazku zostały opisane przy wykorzystaniu konkretnych określeń, urządzeń, stężeń i sposobów, opis ten należy traktowaćjako ilustrację. Ponadto dla specjalistów zrozumiałejest, że składniki każdego z odrębnych opisanych rozwiązań można wzajemnie wymieniać, w zależności od szczegółów konkretnych spełnianych funkcji. Użyte określenia mają znaczenie opisujące, a nie ograniczające. Zrozumiałe jest, że wprowadzać można różne zmiany i warianty bez wychodzenia poza zakres i istotę wynikającą z zastrzeżeń.

169 798

FIG. 4

169 798

fig. 6 \A'“ &

I


n_Γ

I «

I

169 798

FIG. 8

169 798

FIG. 9

169 798

FIG. 1

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 4,00 zł

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Urządzenie reaktorowe z pulsującym złożem fluidalnym do spalania paliwa stałego zawierające zbiornik reakcyjny, urządzenie do wprowadzania ulegającego fluidyzacji stałego materiału do wymienionego zbiornika w pośrednim punkcie jego wysokości, urządzenie do doprowadzania czynnika fluidyzacyjnego dla wymienionego stałego materiału do wymienionego zbiornika poniżej wejścia stałego materiału do zbiornika dla utworzenia złoża fluidalnego, elementy umożliwiające wymianę ciepła usytuowane w wymienionym zbiorniku i przewód odlotowy gazów spalinowych połączony z wymienionym zbiornikiem, znamienne tym, że zawiera zespół pulsacyjnego spalania (30,130) wchodzący do wymienionego zbiornika, przy czym zespół pulsacyjnego spalania (30,130) obejmuje komorę spalania (34), elementy zaworowe (32) połączone z komorą spalania (34), komorę rezonansową (36) połączoną z komorą spalania (34) i wystającą z niej na zewnątrz w kierunku wymienionego złoża fluidalnego i zewnętrzny otwarty koniec komory rezonansowej (36) jest usytuowany przed złożem fluidalnym.
2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że zawiera element rozpraszający (40), usytuowany na wolnym końcu komory rezonansowej (36).
3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że element rozpraszający (40) jest umieszczony wewnątrz zbiornika (10), w którym utrzymuje się złoże fluidalne.
4. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym. że element rozpraszający (40) jest umieszczony wewnątrz zbiornika (10) i powyżej złoża fluidalnego.
5. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że element rozpraszający (40) biegnie w zbiorniku reakcyjnym (10), stykając się bezpośrednio ze złożem fluidalnym.
6. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że płaszcz wodny (4) otacza co najmniej część zespołu pulsacyjnego spalania (30).
7. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, ze komorę rezonansową (36) zespołu pulsacyjnego spalania (30) stanowi co najmniej jedna wzdłużna rura.
8. Urządzenie według zastrz. 7, znamienne tym, że co najmniej jedna wzdłużna rura (36) otoczona jest płaszczem wodnym (41) na co najmniej części jej długości.
9. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że komora rezonansowa (36) biegnie w zbiorniku reakcyjnym (10), stykając się bezpośrednio ze złożem fluidalnym materiału.
10. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że zespół pulsacyjnego spalania (30) zawiera ponadto element (39) do zwiększania ciągu produktów gazowych wytworzonych przez zespól pulsacyjnego spalania.
11. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że element odlotowy (180) połączony jest również z urządzeniem (101) do wytwarzania pary wodnej.
12. Urządzenie według zastrz. 11, znamienne tym, że urządzenie (101) do wytwarzania pary wodnej zawiera element doprowadzający wodę do walczaka parowego (111), a walczak parowy (111) jest połączony z błotnikiem (112).
13. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że element (160) odprowadzający ciepło doprowadza ciepło do układu podgrzewania powietrza.
14. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że element (160) odprowadzający ciepło doprowadza ciepło do układu suszenia materiałów.
15. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że element (160) odprowadzający ciepło jest połączony z urządzeniem (101) do wytwarzania pary wodnej.
16. Urządzenie reaktorowe z pulsacyjnym złożem fluidalnym zawierające zbiornik reakcyjny, urządzenie do wprowadzania materiałów odpadowych do wymienionego zbiornika, urządzenie do fluidyzacji wymienionych materiałów odpadowych, które to urządzenie do

169 798 fluidyzacji zawiera element rozprowadzający usytuowany w zbiorniku, przewód odlotowy gazów spalinowych połączony ze zbiornikiem, wymieniony przewód odlotowy gazów spalinowych zawiera urządzenie do wydzielania składników stałych z gazów w wymienionych produktach spalania i zawracania wymienionych składników stałych do zbiornika w celu dalszego ich przereagowania, znamienne tym, że zawiera zespół pulsacyjnego spalania (230) biegnący w zbiorniku (210), przy czym zespół pulsacyjnego spalania obejmuje komorę spalania oraz co najmniej jeden otwór połączony z komorą spalania umożliwiający doprowadzanie co najmniej jednej mieszanki paliwowo-powietrznej do komory spalania, a ponadto zespół pulsacyjnego spalania zawiera komorę rezonansową (236) połączoną z komorą spalania (230) i rozciągającą się w kierunku miejsca, w którym materiały odpadowe znajdują się w zbiorniku (210), a komora rezonansowa zawiera element rozpraszający (240) umieszczony na końcu komory rezonansowej (236), skierowany w kierunku materiałów odpadowych w zbiorniku, przy czym komora rezonansowa i element rozpraszający (240) są umieszczone przed wymienionymi materiałami odpadowymi.
17. Sposób spalania paliwa stałego, w którym fluidalne złoże stałego paliwa jest ustalane i utrzymywane w zbiorniku oraz w sąsiedztwie elementów przenoszących ciepło i w którym medium zapewniające wymianę ciepła krąży przez elementy przenoszące ciepło, aby pobrać z nich ciepło dla dokonania ustalonej obróbki wymienionego medium oraz produkty spalania są odprowadzane ze zbiornika po wydzieleniu z nich porwanych składników stałych, znamienny tym, że spala się pulsacyjnie mieszankę paliwowo-powietrzną, aby wytworzyć pulsujący strumień produktów spalania i powstanie fali ciśnienia akustycznego oraz kieruje się pulsacyjny strumień produktów spalania oraz falę ciśnienia z prądem, w kierunku fluidalnego złoża paliwa, aby działał on bezpośrednio na fluidalne złoże stałego paliwa, w celu spalenia tego stałego paliwa.
18. Sposób według zastrz. 17, znamienny tym, że fala ciśnienia akustycznego jest w zakresie od 100 do 185 dB.
19. Sposób według zastrz. 17, znamienny tym, że w urządzeniu do spalania pulsacyjnego wydziela się ciepło w ilości od 10,3 do 103 MW/m³, temperatura wytworzonych gazów wynosi od 760 do 1927°C, a prędkość gazu wynosi od 45,7 do 488 m/s.
20. Sposób według zastrz. 17, znamienny tym, że prędkość gazu stosowanego do fluidyzacji złoża stałego paliwa wynosi od 1,2 do 4 m/s.
21. Sposób według zastrz. 17, znamienny tym, że produkty spalania odprowadzane ze zbiornika doprowadza się do generatora pary wodnej w celu wytworzenia pary wodnej.
22. Sposób według zastrz. 17, znamienny tym, że obejmuje ponadto etap cyrkulacji medium zapewniającego wymianę ciepła przez element umożliwiający wymianę ciepła zanurzony w złożu fluidalnym, tak aby odprowadzić ciepło ze złoża fluidalnego.
23. Sposób według zastrz. 22, znamienny tym, że medium zapewniające wymianę ciepła doprowadza się do urządzenia do wytwarzania pary wodnej i wytwarza się w ten sposób parę wodną.
24. Sposób według zastrz. 17, znamienny tym, że doprowadza się ciepło wytworzone w wyniku spalania do układu suszenia materiałów.
25. Sposób według zastrz. 17, znamienny tym, że doprowadza się ciepło wytworzone w wyniku spalania do układu ogrzewania powietrza.