PL178116B1

PL178116B1 - Sposób i urządzenie do usuwania cząstek stałych ze strumienia gazów

Info

Publication number: PL178116B1
Application number: PL94314236A
Authority: PL
Inventors: Momtaz N. Mansour; Ravi Chandran
Original assignee: Mfg & Tech Conversion Int Inc
Priority date: 1993-03-29
Filing date: 1994-03-28
Publication date: 2000-02-29
Also published as: HU9502823D0; CN1048913C; CN1120319A; UA37228C2; HU222464B1; EP0691881B1; DE69410257T2; RU2135267C1; ATE165999T1; CZ285793B6; HUT76199A; WO1994022559A1; DE69410257D1; US5353721A; CZ251595A3; ES2117269T3; AU695049B2; AU6416994A; DK0691881T3; PL314236A1

Abstract

1. Sposób aglomeracji i usuwania czastek stalych ze strumienia gazów obejmujacy etap aglo- meracji czastek stalych umieszczonych w gazie oraz etap usuwania powstalych zaglomerowanych czastek, dla otrzymania strumienia czystego gazu, znamienny tym, ze sposób ten polega na polacze- niu etapów poddawania strumienia gazu zawie- rajacego czastki stale dzialaniu fali cisnienia akustycznego powstajacej pod czas spalania pul- sacyjnego o czestotliwosci od 20 -1500 Hz i jedno- czesnego poddawania strumienia gazu zawie- rajacego czastki stale nawilzaniu w stopniu umozli- wiajacym akustycznie wzmozona aglomeracje czastek i usuniecie czastek stalych ze strumienia gazu, który jako czysty, wolny od czastek strumien gazu jest kierowany do urzadzenia do jego napedu. FIG.1 PL PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do usuwania cząstek stałych ze strumienia gazów.

Znane jest z europejskiego zgłoszenia patentowego nr 529,988 pulsacyjne urządzenia do spalania ujawniono urządzenie chłodzone wodą lub cieczą, posiadające liczne rury wylotowe. Rury te sąpołączone z komorą spalania zawierającą pulsacyjny palnik spalinowy. Pulsacyjny palnik spalinowy może być zastosowanyjako przyrząd do wytwarzania szeregu fal uderzeniowych, dla aglomeracji drobnych cząstek lotnych. Alternatywnie, taka komora spalania może być zastosowana jako palnik kotła, lub urządzenie do ogrzewania przestrzennego. Urządzenie do spalania zawiera komorę do spalania do której jest zasysana palna mieszanka przez jeden z szeregu zaworów zwrotnych. Komora spalania jest połączona z wieloma rurami wylotowymi o jednakowym przekroju poprzecznym podobnymi do rur w palniku. W czasie pracy paliwo ulega zapłonowi w komorze spalania zgodnie z typowym wzorem dla spalania pulsacyjnego. Palnik do spalania pulsacyjnego można stosować jako przyrząd do utworzenia szeregu zaworów nadmiarowych, które można użyć przy aglomeracji drobnych cząstek pyłu.

Sposób aglomeracji i usuwania cząstek stałych ze strumienia gazów obejmujący etap aglomeracji cząstek stałych umieszczonych w gazie oraz etap usuwania powstałych zaglomerowanych cząstek, dla otrzymania strumienia czystego gazu, według wynalazku polega na tym, że łączy się etapy poddawania strumienia gazu zawierającego cząstki stałe działaniu fali ciśnienia akustycznego powstającej podczas spalania pulsacyjnego o częstotliwości od 20-1500 H_z i jednoczesnego poddawania strumienia gazu zawierającego cząstki stałe nawilżaniu w stopniu umożliwiającym akustycznie wzmożoną aglomerację cząstek i usunięcie cząstek stałych ze strumienia gazu, który jako czysty, wolny od cząstek strumień gazu jest kierowany do urządzenia do jego napędu.

Przy poddawaniu strumienia gazu zawierającego cząstki stałe nawilżaniu wprowadza się w ten strumień wraz z wilgocią sorbenty wychwytujące siarkę albo wprowadza się środek zbierający alkalia taki jak ziemia okrzemkowa, ematolit, krzemionka, boksyt, wernikulit, hektoryt lub kaolin.

W sposobie stosuje się falę ciśnienia akustycznego o częstotliwości w zakresie od około 50 do około 250 Hz.

Aglomerację prowadzi się w temperaturze niższej niż temperatura, w której cząstki stałe w strumieniu gazu zaczynają tworzyć bryłki.

Fala ciśnienia akustycznego powstająca podczas spalania pulsacyjnego towarzyszy strumieniowi gorących spalin, który zawiera pierwsze cząstki stałe poddawane aglomeracji i łączy się z drugim strumieniem gazu, który zawiera drugą substancję w postaci cząstek stałych.

1718116

Sposób aglomeracji i usuwania cząstek stałych ze strumienia gazu obejmujący etap aglomeracji cząstek stałych umieszczonych w gazie oraz etap usuwania powstałych zaglomerowanych cząstek, dla otrzymania strumienia czystego gazu, według wynalazku polega na połączeniu etapów poddania strumienia gazu zawierającego cząstki stałe działaniu fali ciśnienia akustycznego o częstotliwości w zakresie od 20 do 150 H_z i jednoczesnym wprowadzeniu drugiego materiału w postaci cząstek stałych o innym rozkładzie ziarna niż cząstki stałe już znajdujące się w strumieniu gazu umożliwiając akustycznie wzmożoną aglomerację cząstek i usunięcie cząstek stałych ze strumienia gazu, który jako czysty, wolny od cząstek strumień gazu jest kierowany do urządzenia do jego napędu.

Jako drugi materiał w postaci cząstek stałych stosuje się sorbent wychwytujący siarkę.

Urządzenie do aglomeracji i usuwania cząstek stałych ze strumienia gazów, zawierające zespół odbierający strumień gazów unoszący cząstki stałe, oraz zespół do wprowadzania wilgoci do strumienia gazu według wynalazku charakteryzuje się tym, że z zespołem odbierającym strumień gazów unoszący cząstki stałe jest połączony zespół spalania pulsacyjnego, który umieszczony jest tak, że strumień gorących produktów spalania i fala ciśnienia akustycznego emitowana przez ten zespół spalania pulsacyjnego stykają się ze strumienia gazów umieszczonym w zespole odbierającym strumień gazu jednocześnie z nawilżaniem dostarczanym przez zespół do wprowadzania wilgoci w celu aglomeracji i usunięcia cząstek stałych strumienia gazu, przy czym wilgotność w połączeniu ze strumieniem gorących produktów spalania i fala ciśnienia akustycznego wzmaga aglomerację cząstek.

W alternatywnym rozwiązaniu z zespołem do wprowadzania wilgoci jestpołączony zespół do wtrysku sorbentów w gorący strumień spalin.

Urządzenie do aglomeracji i usuwania cząstek stałych ze strumienia gazów, zawierające zespół odbierający strumień gazów unoszący cząstki stałe, według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiera zespół do wprowadzania cząstek stałych w strumień gazu, gdzie wprowadzony materiał w postaci cząstek stałych ma inny rozkład ziaren niż cząstki stałe zawarte w strumieniu gazu, oraz zespół spalania pulsacyjnego umieszczony wewnątrz zespołu odbierającego strumień gazów, przy czym zespół spalania pulsacyjnego jest umieszczony tak, że pulsacyjny strumień gorących produktów spalania i fala ciśnienia akustycznego emitowana przez zespół spalania pulsacyjnego stykają się ze strumieniem gazów umieszczonym w zespole odbierającym strumień gazu w połączeniu z materiałem zawierającym cząstki stałe pochodzącym z zespołu do wprowadzania cząstek stałych dla wzmożenia aglomeracji i usuwania cząstek.

Zespół do wprowadzania materiału w postaci cząstek stałych zawiera elementy do wtryskiwania sorbentów w strumień gorących spalin.

Dzięki rozwiązaniu według wynalazku, uzyskano urządzenie do usuwania cząstek stałych ze strumienia gazu. Uzyskany zespół spalania pracujący na paliwach o wysokiej zawartości siarki, takichjak węgle, z równoczesnym usuwaniem cząstek stałych powstających podczas spalania takich paliw i eliminacją emisji niepożądanych gazów. Uzyskano pulsacyjny zespół spalania o wysokiej sprawności do akustycznie intensyfikowanej aglomeracji cząstek stałych i prowadzenie usprawnionego procesu usuwania cząstek stałych ze strumienia gazu. Ponadto usuwa się pary związków alkalicznych wytwarzanych podczas procesu spalania paliwa. Wychwytuje się zanieczyszczenia i aglomeruje cząstki stałych produktów powstających podczas spalania paliw w trakcie jednego przepływu strumienia gazu.

Uzyskano urządzenie do wytwarzania pola akustycznego o niskiej częstotliwości do aglomeracji cząstek stałych powstających podczas spalania. Urządzenie to może być montowane jako dodatkowy zespół do instalacji wylotowej z istniejących komór spalania.

Ponadto uzyskano urządzenie do spalania pulsacyjnego, przeznaczone do usuwania ze strumienia gazów cząstek stałych, wytwarzającego zmniejszone ilości tlenków azotu, do wychwytywania i usuwania pochodnych siarki ze strumienia gazów spalinowych.

Uzyskano sposób wchłaniania zanieczyszczeń ze strumienia gazów i aglomerację cząstek stałych podczas jednorazowego ich przepływu w instalacji oraz sposób bardziej intensywnego oczyszczania strumienia gazów.

Urządzenie według wynalazku zawiera podzespoły odbiorcze strumienia gazów, dzięki czemu może przez nie przepływać strumień gazu z zawieszonymi w nim cząstkami stałymi, pulsacyjny zespół do spalania połączony przepływowo z zespołem, do którego wpływa gaz, przy czym wspomniany pulsacyjny zespół do spalania może wytwarzać pulsujący strumień gorących produktów spalania i falę akustyczną o częstotliwości w przedziale od około 20 do około 1500 Hz, która działa na strumień gazów w taki sposób, że następuje akustycznie zintensyfikowana aglomeracja cząstek stałych do następnego sprawniejszego ich usuwania.

W urządzeniu według wynalazku w pewnych rozwiązaniach konstrukcyjnych, do strumienia produktów spalania znajdujących się wewnątrz pulsacyjnego zespołu do spalania, w bardziej korzystnie w miejscu lub w pobliżu miejsca połączenia zespołu spalania z rurą lub rurami rezonansowymi, doprowadza się drugie lub dodatkowe cząstki stałe. Te dodatkowe cząstki stałe mogąbyć cząstkami sorbentu zanieczyszczeń znajdujących się wjednym ze strumieni gazów, na przykład pochodnych siarki, co umożliwia wchłanianie zanieczyszczeń i aglomerację zawieszonych cząstek stałych na dwa różne sposoby. W rozwiązaniu tego typu wprowadzenie sorbenta w miejscu lub w pobliżu miejsca połączenia zespołu spalania z rurą rezonansową intensyfikuje wchłanianie zanieczyszczeń przez silnie porowaty sorbent.

W innych przykładach wykonania można aglomerować cząstki stałe o pojedynczym rozkładzie wielkości. Innymi słowy, tam gdzie korzystna jest aglomeracja jednym sposobem, można zrezygnować z wyposażania urządzenia w zespół do wprowadzania dodatkowych cząstek stałych, a aglomerować je wystarczająco za pomocą jednego sposobu.

W kolejnym przykładzie wykonania, urządzenie do aglomeracji można wyposażyć w zespół do nawilżania. W szczególnym przypadku, w sytuacji kiedy zespół do aglomeracji dodaje się jako podzespół do instalacji do oczyszczania, zaleca się, ale nie jest to bezwzględnie konieczne, wkraplanie wody. Wzajemne oddziaływanie na siebie sorbenta siarki i kropelek wody intensyfikuje wchłanianie siarki, co zwiększa odsiarczanie wewnętrzne w urządzeniu do aglomeracji.

Sposób według wynalazku składa się z etapów pulsacyjnego spalania paliwa, w wyniku czego powstaje strumień gorących gazów i fala ciśnienia akustycznego o częstotliwości z przedziału od około 20 do około 1500 Hz, która działa na strumień gazów z zawieszonymi w nim cząstkami stałymi, w wyniku czego występuje akustycznie intensyfikowana aglomeracja cząstek stałych umożliwiająca ich lepsze usuwanie.

W sposobie według wynalazku można wprowadzać cząstki stałe o wymiarach większych od wymiarów cząstek stałych zawieszonych w gazie. Wprowadzane cząstki stałe mogą być cząstkami gazów, takich jak związki siarki. Ponadto w rozwiązaniu tego typu, cząstki stałe, zwłaszcza gdy jest to sorbent, wprowadza się do pulsacyjnego zespołu spalania w pobliżu miejsca jego połączenia komory spalania z rurą rezonansową.

Ponadto, w sposobie według wynalazku można przeprowadzić aglomerację jednym sposobem, wykorzystując do tego cząstki zawieszone w strumieniu gorących gazów spalinowych wylatujących z pulsacyjnego zespołu spalania. Stosowanie cząstek stałych o jednorodnym rozkładzie wymiarów do akustycznej aglomeracji i zbierania cząstek zaleca się zwłaszcza tam, gdzie istnieje silnie zróżnicowany rozkład wielkości cząstek paliwa i/lub sorbentu. Jak już wspomniano wcześniej, proces można zidentyfikować dodając do niego źródło nawilżania.

Przedmiot zgłoszenia jest pokazany w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat urządzenia do usuwania cząstek stałych unoszonych przez strumień gazów, według wynalazku; fig. 2 - schemat następnego przykładu realizacji urządzenia według wynalazku do usuwania cząstek stałych unoszonych przez strumień gazów, fig. 3 - schemat urządzenia według wynalazku do usuwania cząstek stałych unoszonych przez strumień gazów, pokazanego jako instalacja oczyszczająca stanowiąca podzespół instalacji wylotowej spalin z istniejącego zespołu spalania; fig. 4 - schemat urządzenia do usuwania cząstek stałych unoszonych przez strumień gazów, pokazanego jako dodatkowy podzespół istniejący turbiny zasilanej z zespołu spalania; fig. 5 - zalecany pulsacyjny zespół spalania; fig. 6 - schemat innego urządzenia według wynalazku do usuwania cząstek stałych unoszonych przez strumień gazu; fig. 7 - schemat innego urządzenia według wynalazku do usuwania cząstek stałych unoszonych przez strumień gazu; fig. 8 - schemat jeszcze innego urządzenia według wynalazku do usuwania cząstek stałych unoszonych przez strumień gazu; fig. 9 - schemat innego urządzenia według wynalazku do usuwania cząstek stałych unoszonych przez strumień gazu, pokazanego jako instalacja oczyszczająca stanowiąca podzespół dodawany do instalacji wylotowej spalin z istniejącego zespołu spalania; fig. 10 - schemat urządzenia według wynalazku do usuwania cząstek stałych unoszonych przez strumień gazu, pokazanego jako instalacja oczyszczająca stanowiąca podzespół dodawany do instalacji wylotowej spalin z istniejącego zespołu spalania; fig. 11 - schemat urządzenia według wynalazku do usuwania cząstek stałych unoszonych przez strumień gazu, pokazanego jako instalacja oczyszczająca stanowiąca podzespół dodawany do instalacji wylotowej spalin z istniejącego zespołu spalania.

Na figurze 1 przedstawiono jedno z zalecanych według wynalazku urządzeń do usuwania cząstek stałych unoszonych w strumieniu gazów, zawierające pulsacyjny zespół spalania z zespołem do zbierania/ usuwania cząstek stałych, przed doprowadzeniem gazów spalinowych do turbogeneratora. Na fig. 1 pulsacyjny zespół spalania 10, jest połączony przepływowo z zespołem 20 do zbierania/ usuwania cząstek stałych, w taki sposób, że zespół 20 do zbierania/ usuwania cząstek stałych usuwana ze strumienia gazów bryłki powstające w nim podczas przepływu w instalacji. Po oddzieleniu z niego cząstek stałych w urządzeniu 20 do zbierania/ usuwania, strumień gazów płynie dalej, w tym konkretnym przykładzie wykonania, napędzając turbinę gazową 40. Turbina 40 obraca się z pewnąprędkością obrotową napędzając mechanicznie generator 50 i sprężarkę powietrza 60. Ponieważ do strumienia gazów napędzających turbinę 40 zastosowano aglomerację akustyczną i usunięto z niego cząstki stałe sposobem według wynalazku, jest on na tyle czysty, że może napędzać turbinę 40 bez specjalnie niekorzystnego oddziaływania na nią.

Pulsacyjny zespół spalania 10 jest wyposażony w zawór paliwa 12, korzystnie w zawór aerodynamiczny (dioda strumieniowa), co nie wyklucza jednak stosowania zaworu mechanicznego lub dowolnie innego. Komora spalania 14 jest połączona przepływowo z zaworem 12, przez który dopływa do niej odpowiednio, w zależności od zapotrzebowania, ilość mieszanki paliwowo-powietrznej. Z komorą spalania 14 jest również połączona przepływowo rura rezonansowa

16. W skład urządzenia według wynalazku wchodzi również zespół 15 do wprowadzania do zespołu aglomerującego dodatkowych cząstek stałych. Korzystnie, dodatkowe cząstki stałe wprowadza się do pulsacyjnego zespołu spalania 10 w sposób pokazany na rysunku. Cząstki te łączą się w opisany dalej sposób z cząstkami stałymi unoszonymi przez gorący strumień gazów i tworzą z nimi bryłki. Ponadto, w pulsacyjnym zespole 10 może znaj dować się komora sprężonego powietrza 18 i urządzenie zwiększające ciąg (nie pokazane). Rura rezonansowa 16 może być pojedynczą rurą lub rurą wylotowa, jak na rysunku, albo też może być kilka rur i, w jednym z zalecanych przykładów wykonania, może kielichowo rozszerzać się na zewnątrz od komory spalania 14. Kielichowa rura rezonansowa 16 działa jak dyfuzor, zmniejszając prędkość gazów na wylocie z komory spalania 14 oraz zapewnia recyrkulację produktów spalania i zwiększenie czasu rezonansu cząstek stałych w zespole spalania 10.

W przykładzie wykonania pokazanym na fig. 1, sprężone powietrze ze sprężarki 60 doprowadza się do komory ciśnieniowej 18 w celu zwiększenia ciągu mieszanki paliwowej doprowadzanej do pulsacyjnego zespołu spalania 10, co jednak nie jest niezbędne. Rura rezonansowa 16 jest skonstruowana w taki sposób, że jej zewnętrzny swobodny koniec umożliwia produktom spalania, powstającym w komorze spalania 14, wypłynięcie do zespołu odbiorczego strumienia gazów, 19, ale jak wynika z dalszego opisu, można tu zastosować wiele innych rozwiązań konstrukcyjnych. Strumień gazu płynie przez zespół odbiorczy 19, a równocześnie przebiega w nim proces aglomeracji cząstek stałych, jak opisano dalej.

W konkretnym przykładzie wykonania pokazanym na fig. 1, pulsacyjny zespół spalania jest spalinowym zespołem napędowym w odróżnieniu od dodatkowego podzespołu do regulacji emisji gazów, przedstawionego na fig. 3. Stąd strumień gazów jest strumieniem produktów spalania z komory spalania 14 i zawiera niepożądane cząstki stałe, z których trzeba go oczyścić według wynalazku, a następnie doprowadzić do turbiny 40.

W zespole 20 do zbierania/ usuwania cząstek stałych, połączonym przepływowo z pulsacyjnym zespołem spalania 10, można zastosować cyklon 72, stację filtrów workowych, płuczkę lub

1718116 inne konwencjonalne urządzenie do oddzielania cząstek stałych. Jak widać na fig. 1, w cyklonie 72 znajduje się komora przepływowa 74 z otworem 76, przez który usuwa się z niej cząstki stałe. Zespół 20 do zbierania/ usuwania cząstek stałych również łączy się przepływowo z turbiną gazową40 w sposób umożliwiający bezpośrednie, w normalnym trybie pracy turbiny 40, działanie oczyszczonego strumienia gazu na turbinę 40. Całe urządzenie można wyłożyć materiałem ogniotrwałym albo chłodzić je wodą, w zależności od warunków obciążenia cieplnego instalacji.

W pokazanym na fig. 12 przykładzie wykonania, komora ciśnieniowa 18 jest połączona powietrznym przewodem bocznikowym 17, którym można doprowadzać dodatkowe powietrze do zespołu 19 odbierającego strumień gazów, w celu dalszego zwiększenia intensywności aglomeracji cząstek stałych.

Korzystnie, w pulsacyjnym zespole spalania według wynalazku zazwyczaj znajduje się co najmniej jeden zawór aerodynamiczny lub dioda strumieniowa, komora spalania i co najmniej jedna rura rezonansowa. Przez zawór wpływa do komory spalania odpowiednia mieszanka paliwa z powietrzem i wybucha. Podczas rozruchu potrzebne jest pomocnicze urządzenie zapłonowe. Skutkiem wybuchu mieszanki paliwowej jest gwałtowny wzrost objętości i rozszerzanie się produktów spalania, co zwiększa ciśnienie w komorze spalania. W miarę rozszerzania się, gorące gazy wylatują z wysoką prędkością w kierunku ku rurze rezonansowej.

Następnie w komorze spalania powstaje podciśnienie, co wynika z bezwładności gazów w rurze rezonansowej. Następnie tylko niewielka cześć gazów spalinowych może wrócić do komory spalania, równoważąc gazy wylatujące z rury rezonansowej. Ponieważ w tym momencie ciśnienie w komorze spalania jest mniejsze od atmosferycznego, wpływa do niej następna porcja mieszanki paliwowo-powietrznej i następuje samoczynny zapłon. Ponownie, zawór uniemożliwia powrotny przepływ mieszanki i cały cykl powtarza się od początku. Po zapoczątkowaniu pierwszego cyklu praca komory ma charakter samoczynny. W wielu pulsacyjnych komorach tego typu stosuje się zawory paliwowe w postaci mechanicznych zaworów skrzydełkowych. Zawór skrzydełkowyjest w istocie rzeczy zaworem zwrotnym umożliwiającym przepływ do komory spalania, natomiast blokuje przepływ w kierunku odwrotnym dzięki odpowiedniej konstrukcji mechanicznej. Dopuszcza się możliwość stosowania w niniejszym wynalazku zaworów mechanicznych tego typu, ale zaleca się używanie zaworów aerodynamicznych, w których nie ma ruchomych części. W zaworach aerodynamicznych, podczas następnego cyklu wydechowego, narasta warstwa graniczna, a turbulentne wiry blokują większość strumienia powrotnego. Ponadto gazy wylotowe maja znacznie wyższą temperaturę od gazów wlotowych. W związku z tym, lepkość gazów jest znacznie wyższa, a z kolei opór aerodynamiczny na wlocie w przypadku przepływu powrotnegojest znacznie wyższy od oporu aerodynamicznego w przypadku przepływu gazu przez ten sam otwór w kierunku normalnym.Zjawisko to, łącznie z dużąbezwładnościągazów spalinowych w rurze rezonansowej, łącznie wytwarzająuprzywilejowany kierunek przepływu i średnie natężenie przepływu gazów od wlotu do wylotu. Zatem zalecany pulsacyjny zespół spalania jest silnikiem samossącym, wciągającym samoczynnie powietrze i paliwo do komory spalania, gdzie następuje samozapłon.

W pulsacyjnych instalacjach do spalania, skład stechiometryczny reguluje się samoczynnie w odpowiednich przedziałach wartości bez konieczności szerokiej regulacji stosunku paliwa doprowadzonego do spalania do masowego natężenia przepływu powietrza. W miarę zwiększania natężenia przepływu doprowadzanego paliwa rośnie siła pulsacji ciśnienia w komorze spalania, co z kolei powoduje zwiększenie ilości powietrza doprowadzanego przez zawór aerodynamiczny, co umożliwia komorze automatyczne utrzymywanie w zasadzie stałego składu stechiometrycznego w szerokim zakresie parametrów konstrukcyjnych. Skład stechiometryczny można zmieniać modyfikując parametry diody strumieniowej w zaworze aerodynamicznym.

Zalecany tu pulsacyjny zespół spalania przeznaczony do spalania węgla bazuje konstrukcyjnie na układzie Helmholtza z zaworem aerodynamicznym. Wahania ciśnienia, wywoływane procesem spalania w przypominającym kształtem rezonator Helmholtza zespole spalania, w połączeniu z parametrami diody strumieniowej w zaworze aerodynamicznym, wymuszają przepływ powietrza i produktów spalania ze strefy wlotowej zespołu spalania do wylotu rury re8

178 116 zonansowej. W rezultacie komora spalania samoczynnie zasysa powietrze do spalania i podnosi przeciętne ciśnienie, w wyniku czego produkty spalania wylatują z wysoką prędkością średnią [ponad 304,8 m/s (1000 stóp/sekundę)] z rury rezonansowej.

Wrodzoną cechą charakterystyczną spalania pulsacyjnego jest powstawanie fal akustycznych o wysokim natężeniu. Natężenie dźwięku w pobliżu ścianek pulsacyjnej komory spalania dochodzi często do 110-190 dB i można je zmieniać w zależności od pożądanej częstotliwości pola akustycznego pod kątem specjalnych zastosowań, do jakich ma służyć pulsacyjny zespół spalania.

Szybkie oscylacje ciśnienia w komorze spalania wytwarzają silne oscylacje pola przepływu. W przypadku spalania węgla oscylujące pole przepływu powoduje wyrzucanie produktów spalania spomiędzy reagujących z tlenem cząstek stałych węgla, co otwiera dostęp do nich cząsteczkom tlenu z małymi ograniczeniami albo bez nich. Po drugie, w pulsacyjnych zespołach spalania występuje bardzo intensywna wymiana masy i ciepła w strefie spalania. W tego typu zespołach spalania występuje bardzo duże wydzielanie ciepła (zazwyczaj) dziesięciokrotnie większe niż w palnikach konwencjonalnych), a jednocześnie bardzo intensywna wymiana masy i ciepła w strefie spalania, co prowadzi do bardziej równomiernego rozkładu temperatur. Zatem uzyskiwane temperatury szczytowe są znacznie mniejsze niż w instalacjach konwencjonalnych, co znacznie zmniejsza intensywność powstawania tlenków azotu (No_x). Skutkiem wysokich współczynników wydzielania ciepła są również mniejsze wymiary komory spalania dla danego wskaźnika zasilania oraz zmniejszenie niezbędnego czasu rezonansowego.

Niniejszy wynalazek nadaje się zwłaszcza do spalania w pulsacyjnej komorze spalania tanich, o wysokiej zawartości siarki, o wysokiej zawartości popiołów, standardowych paliw węglowych w postaci silnie rozdrobnionej (miał). Dzięki aglomeracji cząstek stałych i skutecznemu ich usuwaniu komora spalania według niniejszego wynalazku umożliwia spalanie standardowego miału węglowego. Po spalaniu węgla, zwłaszcza tego typu, uzyskuje się popiół o większych wymiarach cząstek stałych w porównaniu z popiołem powstającym 'podczas spalania paliw o mikrometrowych wymiarach cząstek, co zapewnia lepsza aglomeracja drobnych cząstek popiołu w strumieniu gazów spalinowych przy niższych częstotliwościach, jak opisano dalej. Zalety ekonomiczne sąwyraźne, ponieważ standardowy miał węglowyj est znacznie tańszy od pyłu węglowego. Lepiej jest również używać węgla, którego nie trzeba specjalnie wzbogacać w celu znacznego zmniejszenia zawartości popiołu. Skutkiem zwiększonego obciążenia masowego cząstkami popiołu o średnich i dużych wielkościach, powstającego podczas spalania średnio wzbogaconych paliw, jest zwiększenie sprawności działających w dwóch trybach aglomeracji dynamicznych efektów filtrowania zaglomerowanych cząstek stałych według niniejszego wynalazku.

Oczywiście, skutkiem zastosowania standardowych paliw mielonych jest również wyższa zawartość zanieczyszczeń, takich jak pochodne siarki, a zwłaszcza dwutlenek siarki, oraz wydzielanie par związków alkalicznych, takich jak chlorek sodu, chlorek potasu i siarczan sodu. Zanieczyszczenia te można jednak skutecznie usuwać ze strumienia gazów sposobem według wynalazku, a produkty spalania powstające ze standardowego miału węglowego można skutecznie aglomerować i usuwać.

Rezultatem oscylacyjnego pola przepływu wytwarzanego w pulsacyjnym zespole spalania jest intensywna międzyfazowa i międzycząsteczkowa wymiana masy. Dzięki odpowiednio wysokiej temperaturze całe spalanie drobin paliwa odbywa się w zasadzie na wylocie z rury rezonansowej zespołu spalania. W razie konieczności temperaturę można również utrzymywać poniżej wartości niezbędnej do topienia popiołu, dzięki czemu proces jest bezżużlowy, Jednakże w razie konieczności temperaturę można podnieść do temperatury topnienia popiołu, uzyskując proces z żużlowaniem. Ponadto dodatkowy czas przebywania w kielichowej rurze rezonansowej zapewnia wysoką przetwarzalność węgla, a to z kolei wysoką sparwność spalania.

Wytrącenie drobnych cząstek stałych ze strumienia gazu i ich spalenie w pulsacyjnym.zespole spalania umożliwia również uwolnienie znacznej części siarki znajdującej się w paliwie podczas wylatywania drobin paliwa z rury wylotowej lub komory rezonansowej. Według wynalazku, jak opisano dokładniej dalej, wprowadzanymi do strumienia cząstkami stałymi mogą być, i korzystnie są, cząstki sorbenta siarki, co zwiększa prawdopodobieństwo wychwycenia siarki przez cząstki sorbentu. Recyrkulacja drobin paliwa wywołana konstrukcją rury rezonansowej przyczynia się również do osiągnięcia wysokiej sprawności wychwytywania siarki przy niskich stosunkach molowych Ca/S, co obniża koszty sorbentu i usuwania odpadów. Pulsacyjne zespoły spalania są z natury rzeczy urządzeniami emitującymi mało No_x. Intensywność wymiany ciepła w przepływie pulsacyjnym jest wyższa niż w konwencjonalnych instalacjach o przepływie ciągłym, co obniża temperaturę całkowitą w komorze spalania. Skutkiem intensywnego mieszania gorących produktów spalania z zimniejszymi produktami odpadowymi z poprzedniego cyklu spalania i napływającymi zimnymi reagentami są krótkie czasy rezonansowe w wysokich temperaturach, co zmniejsza wytwarzanie Nox. Te uzupełniające się zjawiska wytwarzająatmosferę, w której wytwarzanie Nox jest mniejsze. W rezultacie uważa się, że emisja Nox z instalacji według niniejszego wynalazku jest mniejsza niż w konwencjonalnych zespołach spalania.

Poniżej opisano sposób działania pokazanej na fig. 1 instalacji do usuwania cząstek stałych ze spalin z pulsacyjnego procesu spalania. Mieszankę paliwa z powietrzem doprowadza się do komory ciśnieniowej 18, a następnie przez jeden lub kilka zaworów 12 do komory spalania 14. Pierwszą porcję mieszanki wpływającej do komory spalania 14 zapala się za pomocą instalacji zapłonowej, na przykład iskrowej, palnika gazowego lub podobnego urządzenia 14'. Następnie powstające produkty spalania rezonująw rurze rezonansowej 16. jak już wspomniano, po rozpoczęciu cyklu spalania, dalsze spalanie ma charakter samopodtrzymujący.

W pulsacyjnym zespole spalania 10 powstaje fala akustyczna o wysokim natężeniu wytwarzana przez wywołane spalaniem oscylacje ciśnienia powstające w wyniku spalania paliwa. Wytwarzane podczas spalania pole akustyczne rezonuje w rurze rezonansowej 16 i działa bezpośrednio na strumień gazu wraz ze znajdującymi się w nim cząstkami stałymi. Nie jest potrzebne ani sprężone powietrze (jak w instalacjach do zasilania syren lub rożków powietrznych) ani energia elektryczna (jak w głośnikach elektromagnetycznych). Natomiast, jak już wspomniano wcześniej, można doprowadzać dodatkowe sprężone powietrze (które można odzyskiwać) do komory ciśnieniowej 18 w celu zwiększenia ciągu. Zatem w pulsacyjnym zespole spalania nie trzeba tracić energii na wytwarzanie pola akustycznego.

W urządzeniu i sposobie według wynalazku do bezpośredniego spalania węgla, w pulsacyjnym zespole spalania wytwarza się pulsacyjny strumień gorących produktów spalania z unoszonymi przez niego pierwszymi cząstkami stałymi. Te pierwsze cząstki stałe są to na ogół drobiny lotnego popiołu o wymiarach około 4 mikrometrów, powstające w wyniku spalania mieszanki paliwa z powietrzem. Fala akustyczna wytwarzana w pulsacyjnym zespole spalania 10 działa na strumień gazu powodując - w przypadku wprowadzania do strumienia dodatkowych lub pomocniczych cząstek stałych o różnych wielkościach - intensyfikowaną akustycznie, odbywającą się w dwóch trybach, aglomerację cząstek stałych znajdujących się w strumieniu gazu. Przebiegające w dwóch trybach wytwarzanie bryłek cząstek stałych zwiększa całkowite wymiary cząstek, umożliwiając tym samym usprawnienie usuwania bryłek za pomocąurządzeń konwencjonalnych. Sprawność procesu aglomeracji powiększa się zwiększając całkowitąmasącząstek stałych rozproszonych w strumieniu gazów. Dla danego rozkładu wielkości cząstek, większa masa zwiększa liczbę cząstek na jednostkę objętości i w rezultacie zwiększa prawdopodobieństwo zderzania się cząstek ze sobą, co prowadzi do aglomeracji. W związku z tym, uzupełnienie procesu o drugi tryb aglomeracji, polegający w tym przypadku na wprowadzaniu dodatkowych cząstek stałych do strumienia gorących produktów spalania lub do innego strumienia, zwiększa masę całkowitą. Dzięki temu aglomeracja przebiegająca w dwóch trybach zwiększa jego sprawność.

Oprócz wspomnianego powyżej zjawiska zależnego od masy, uzyskuje się kolejne zwiększenie liczby zderzeń cząstek, a tym samym intensyfikację aglomeracji, dzięki intensyfikacji oddziaływań ortokinetycznych pomiędzy obu tymi sposobami. Pojawiają się również oddziaływania hydrodynamiczne. Korzystnie, drugie cząstki stałe, wprowadzone do strumienia gorących produktów spalania, są większe od cząstek unoszonych już przez gaz, w wyniku czego ruchy względne cząstek są intensywniejsze, co wzmaga aglomeracje.

178 116

Korzystnie, drugi materiał cząsteczkowy wprowadza się w strefie przejściowej pomiędzy rurą rezonansową 16 a komorą spalania 14, albo w jej pobliżu, będącej strefąo najbardziej intensywnym wytwarzaniu i wymianie ciepła, zwłaszcza gdy drugie cząstki stałe są cząstkami sorbentu siarki lub podobnych substancji. Duża ilość ciepła zapewnia szybkie kalcynowanie sorbentu, a tym samymjego silnąporowatość po wyprażeniu, dzięki której z kolei sorbent ma wysokie wskaźniki powierzchni do masy bez konieczności rozpylania go na bardzo drobne cząstki. Zatem wprowadzanie cząstek stałych w punkcie, w którym fala akustyczna może działać na cząstki stałe, łącznie z wpływem oscylacyjnego pola przepływu na wymianę masy, intensyfikuje wykorzystanie sorbentu przy stosunkowo niskich stosunkach molowych wapnia do siarki.

W pulsacyjnych zespołach spalania według niniejszego wynalazku powstają pola akustyczne niskiej częstotliwości o częstotliwościach w zakresie od około 20 do około 1500 Hz. Wyższe częstotliwości powodują zwiększenie liczby cykli materiału cząsteczkowego na jednostkę czasu w strumieniu gazu, na który działa pole akustyczne. Jednakże skutkiem działania większych częstotliwości są proporcjonalnie mniejsze amplitudy względnych ruchów cząsteczek na cykl.

Jak już wspomniano, skutkiem wyższych częstotliwości jest często znaczne wytrącenie drobnych cząstek ze strumienia gazów. Jednakże, jak już wyjaśniono wcześniej, ponieważ wielkości cząstek w drugim materiale wprowadzanym do strumienia gorących produktów spalania dobiera się w taki sposób, żeby były większe od cząstek już znajdujących się w strumieniu gazu, maleje częstotliwość potrzebna do ich wytrącenia. Przykładowo, w strumieniu gazów o temperaturze 871,1°C (1600°F) i ciśnieniu 9,81· 10⁵Pa (10 atmosfer), zawierającym cząstki o wielkości 100 mikrometrów, wskaźnik wytrącania przy częstotliwości tylko 100 Hz wynosi około 0,1. Zatem amplituda przemieszczeń oscylacyjnych cząstek stałych wynosi tylko j edną dziesiątą amplitudy w strumieniu gazów o znacznym (około 90% amplitudy przemieszczeń gazu) przemieszczaniu gazu względem cząstek stałych.

Natomiast bardzo drobne cząstki popiołu byłyby prawie całkowicie unoszone przez pole przepływu oscylującego gazu ze wskaźnikami unoszenia ponad 0,99 przy częstotliwościach około 100 Hz. To z kolei wywołuje zderzenia pomiędzy cząsteczkami popiołu i większymi bryłkami sorbentu, powodując aglomerację drobnych cząstek popiołu z cząstkami drugiego materiału cząstkowego. Ponieważ amplituda ruchu bardzo drobnych cząstek popiołu, unoszonych w strumieniu gazu, względem drugich cząstek, jest rzędu 80%o-90% amplitudy oscylacyjnych przemieszczeń gazu, a przemieszczenia te są większe przy mniejszych częstotliwościach, więc rośnie liczba zderzeń na cykl oscylacji. Zatem tego typu przebiegająca w dwóch trybach aglomeracja cząstek stałych, co oznacza w istocie rzeczy aglomerację cząstek stałych o różnych wielkościach, stanowi formę dynamicznego filtra do zbierania drobnych cząstek popiołu na drugich, większych cząstkach stałych wprowadzanych do strumienia gazów.

Korzystnie, pulsacyjny zespół spalania będzie wytwarzał pola akustyczne o częstotliwościach od około 50 do około 250 Hz. Korzystnie, w polach akustycznych o dużym natężeniu istnieją ciśnienia akustyczne na ogół większe niż 160 dB wywołujące znacznie intensywniejszą wymianę masy. Dzięki takiemu charakterowi zjawiska rośnie wykorzystanie sorbentu, co wynika ze zwiększania ilości pochodnych siarki transportowanych na powierzchnię cząstek sorbentu oraz intensyfikacji ich wnikania w pory wyprażonych cząstek sorbentu. Ponadto pole akustyczne o dużym natężeniu dodatkowo intensyfikuje aglomerację akustyczną zmieniając rozkład wielkości cząstek stałych w taki sposób, że w wyniku aglomeracji cząstek o wielkościach mikronowych i submikronowych powstają większe cząstki stałe, które następnie można znacznie sprawniej usuwać za pomocą konwencjonalnych instalacji do usuwania cząstek stałych.

Według wynalazku, wychwytywanie zanieczyszczeń takichjak pochodne siarki występuje równocześnie z aglomeracją cząstek stałych w strumieniu gazu. Drugie cząstki stałe, wprowadzane do strumienia gazów, zwłaszcza w procesie spalania węgla, są korzystnie, cząstkami sorbentu siarki, na przykład kamienia wapiennego, dolomitu, wapna hydratyzowanego, lub podobnych sytuacji, i wybiera się je, korzystnie, w taki sposób, że są większe od cząstek stałych, które mają być aglomerowane. Wielkość drugich cząstek stałych wynosi, korzystnie, od około 100 mikrometrów do około 150 mikrometrów'. Większe drugie cząstki stałe zmniejszają częstotliwość potrzebną do znaczniejszego wytrącenia ich ze strumienia gazów. W rezultacie następują zderzenia cząstek stałych z większymi cząstkami sorbentu i ich aglomeracje. Wielkości cząstek i rozkłady ich wielkości, w stosowanym tu znaczeniu, odnoszą się do wielkości cząstek w schemacie rozkładu. Stąd, większy wymiar lub rozkład wielkości cząstek stałych odnosi się do skali rozkładu wielkości, w którym znajdują się większe cząstki.

Porowate cząstki takiego sorbentu jak tlenek wapnia łatwo reagujaze znajdującymi się w gorących gazach spalinowych pochodnymi siarki, takimi jak SO₂, pod działaniem pola akustycznego o dużym natężeniu, w wyniku czego w porach i wokół nich, a także na powierzchni sorbentu powstaje siarczan wapnia (CaSO₄) w postaci stałej. Zawierające siarkę cząstki i cząstki popiołu z procesu spalania aglomerują i można je łatwo usuwać ze strumienia gazów.

W miarę wzrostu wielkości cząstek sorbenta rośnie sprawność akustycznego wspomagania aglomeracji cząstek stałych. Wynika to z tego, że zintensyfikowany akustycznie przepływ wewnątrzcząsteczkowy zmniejsza rozwijające się ograniczenia dyfuzyjne występujące w przypadku większych wymiarów cząstek. Intensywniejsze odsiarczanie oraz sprawniejszą aglomerację i usuwanie cząstek stałych można osiągnąć równocześnie bez konieczności stosowania drogich materiałów sorpcyjnych. Równoczesne wychwytywanie zanieczyszczeń i aglomeracja, w stosowanym tu znaczeniu, odnosząsię ogólnie do zjawisk występujących w tym samym czasie i w tym samym przebiegu.

Po uformowaniu się bryłek, zawierający je gaz płynie przez zespół 20 do zbierania/ usuwania materiałów, gdzie bryłki wytrąca się ze strumienia gazu, a następnie usuwa z obiegu. Oczyszczony strumień gazu można następnie wykorzystać do napędu turbiny gazowej 40, napędzającej z kolei sprężarkę 60 i/lub generator 50. Jeżeli do napędu turbiny 40 lub innych urządzeń potrzebny jest gaz gorący, to można podgrzewać zespół zbierania/ usuwania w taki sposób, żeby utrzymać temperaturę strumienia gazów na odpowiednim poziomie. Oczyszczony strumień gazów, zawierający w zasadzie produkty gazowe bez znacznych ilości zanieczyszczeń, takich jak pochodne siarki i tlenki azotu, można odprowadzać do atmosfery bez poważniejszego jej zanieczyszczenia.

Kolejny przykład wykonania urządzenia według wynalazku pokazano na fig. 2, przy czym podobne elementy na obu rysunkach oznaczono tymi samymi liczbami. W jego skład wchodzi okno wtryskowe 23 połączone przepływowo z komorą spalania 14 pulsacyjnego zespołu spalania 10 poza zaworem 12 służącym do dodatkowego doprowadzania paliwa. Zamiast płynnie rozszerzającej się komory rezonansowej 16, pokazanej na fig. 1, na fig. 2 widać stosunkowo prostą komorę rezonansową 16 z dyfuzorem 21 na końcu wylotowym. Zadaniem dyfuzora 21 jest wywołanie recyrkulacji drobnych cząstek w celu zmniejszenia emisji No_x.

Podobnie jak w urządzeniu z fig. 1, na fig. 2 widać drugi zespół 15 do wprowadzania drugich cząstek stałych do strumienia gorących produktów spalania. Wlot 15 drugich cząstek stałych można umieścić w dowolnym miejscu wzdłuż długości komory rezonansowej 16, jak widać na fig. 11 2, lub, alternatywnie, w dowolnym miejscu wewnątrz zespołu do usuwania, w którym na cząstki stałe działa fala akustyczna wytwarzana przez pulsacyjny zespół spalania. Przykładowo, drugie cząstki stałe można wprowadzać do urządzenia w miejscu znajdującym się poza rurą rezonansowa 16. W urządzeniu tego typu, zespół do wprowadzania drugich cząstek stałych trzeba umieścić w taki sposób, fala akustyczna będzie działała na strumień gazów intensyfikując aglomerację cząstek. Jak już wyjaśniono wcześniej, korzystnie, drugimi cząstkami stałymi są cząstki sorbentu skutecznie wchłaniającego różnorodne zanieczyszczenia, takie jak pochodne siarki.

Ponadto, ponieważ wynalazek dotyczy pracującego w dwóch trybach aglomeracji urządzenia i procesu, rozkład wielkości drugich cząstek stałych, wprowadzanych do strumienia gazów, powinien być różny od rozkładu wielkości cząstek stałych znajdujących się początkowo w strumieniu gazów. W najbardziej zalecanym przykładzie wykonania, drugie cząstki stałe powinny być większe.

W urządzeniu z fig. 2 znajduje się ponadto dodatkowy wlot 27, którym wprowadza się w strumień gazów trzeci materiał. Podczas spalania paliw stałych często powstają pary związków alkalicznych takichjak chlorek sodu, chlorek potasu i siarczan sodu. Związki te mogą reagować z

17)8116 cząstkami sorbentu zawierającymi siarkę, tworzącymi na powierzchniach sorbentu siarczki chlorowców i uniemożliwiającymi przebieg dalszego wchłaniania. Pary takich związków wychwytuje się wytryskując przez trzeci wlot 27 materiały pochłaniające, takie jak ziemię okrzemkową ematlyt, krzemionka, boksyt, wermikulit, hektoryt, kaolin. Wtryskiwanie materiałów wchłaniających związki alkaliczne dodatkowo intensyfikuje sprawność filtrowania dynamicznego w przebiegającym w dwóch trybach procesie aglomeracji dzięki dalszemu zwiększaniu w gazach spalinowych masy większych bryłek, które usuwają drobne cząstki stałe ze strumienia gazów. Ponadto w przykładzie wykonania pokazanym na fig. 2, można dodatkowo wtłaczać wlotem 33 pewną ilość powietrza, co dodatkowo zwiększa liczbę zderzeń pomiędzy cząstkami podczas aglomeracji.

Na figurze 2 pokazano, że pulsacyjny zespół spalania 10 jest połączony przepływowo z zespołem 20 do zbierania/ usuwania cząstek stałych, którego główne podzespoły opisano w odniesieniu do fig. 1. W skład zespołu 20 do zbierania/ usuwania cząstek stałych wchodzi cyklon 72, komora przepływowa 74 oraz, dodatkowo i opcjonalnie, zbiornik 76 na cząstki stałe, w którym przetrzymuje się cząstki stałe usunięte ze strumienia gazów. Cyklon 72 ma okno wylotowe 73, którym oczyszczony strumień gazów może wylatywać i płynąć do turbiny (nie pokazanej) lub do innego urządzenia zasilanego gazem. Jak już wspomniano wcześniej, cyklon 72 można ogrzewać, może to być cyklon bez chłodzenia albo chłodzony wodą, w zależności od potrzeby.

Co prawda wynalazek przedstawiono w powiązaniu z instalacją współpracującą z urządzeniem napędzanym gazem, alejego koncepcję można z równym powodzeniem zastosować w każdej instalacji wymagającej, albo dla której jest wskazane, zasilanie czystym gazem, albo w instalacjach do oczyszczania strumienia gazów przedjego wypuszczeniem do atmosfery. W związku z tym, pomiędzy pulsacyjnym zespołem spalania a instalacją do usuwania cząstek stałych można umieścić inne urządzenia, takie jak kotły grzewcze, grzejniki lub podobne.

Na figurze 3 przedstawiono przykład wykonania urządzenia według wynalazku używanego w roli zespołu do regulacji emisji zanieczyszczeń, stanowiącego podzespół dodawany do pracujących przewodów gazowych takich jak wyloty z, na przykład, dowolnych urządzeń do spalania. Na fig. 1, 2 i 3 oznaczono podobnymi liczbami podobne urządzenia. Przykładowy zespół do spalania (nie pokazany) wydala strumień gazów przewodem 100. W przewodzie 100, lub w innym połączonym z nim przepływowo miejscu, zamontowano pulsacyjny zespół spalania 10 w taki sposób, że pole akustyczne działa na strumień gazu płynący przewodem 100. Zawierający cząstki stałe strumień gazu, płynący przewodem 100 z instalacji do spalania (nie pokazanej), tworzy ze strumieniem gorących produktów spalania, wytwarzanych w pulsacyjnym zespole spalania 100, jeden strumień kombinowany zawierający cząstki stałe. W skład pulsacyjnego zespołu spalania 10 mogą wchodzić te same podzespoły co poprzednio, -ale musi zawierać co najmniej zawór podstawowy, komorę spalania i rurę rezonansową.

Jakjuż wspomniano wcześniej, w strumień gorących produktów spalania, powstających w pulsacyjnym zespole spalania 10, wprowadza się wlotem 15 drugie cząstki stałe. Korzystnie, drugie cząstki stałe wprowadza się w miejscu połączenia komory spalania 14 z rurą rezonansową 16, dzięki czemu na wprowadzane cząstki działa wysoka temperatura. W tych sytuacjach, w których wymiary cząstek stałych płynących przewodem 100 odpowiednio różnią się od wymiarów cząstek stałych płynących z pulsacyjnego zespołu spalania 10, może okazać się, że wprowadzanie dodatkowych cząstek stałych nie jest konieczne.

Scalony strumień gazów z cząstkami stałymi utworzony z gazów wylotowych płynących przewodem 100 i produktów spalania z pulsacyjnego zespołu spalania 10 umożliwia aglomerację cząstek stałych w przewodzie 100. Pole akustyczne, powstające w pulsacyjnym zespole spalania 10, intensyfikuje to aglomerację w takim stopniu, że powstałe bryłki można następnie skierować do konwencjonalnych urządzeń do zbierania/ usuwania cząstek stałych (nie pokazanych). Po usunięciu cząstek stałych, gazy wylotowe można doprowadzić do zasilania turbiny lub innego urządzenia, albo też wypuścić do atmosfery.

W przewodzie 100, w przybliżeniu w miejscu, w którym gazy wylotowe z istniejącego zespołu spalania oraz produkty spalania z pulsacyjnego zespołu spalania mieszają się w jeden stru1771116 mień, znajduje się pompa strumieniowa 110. Może to być konwencjonalna pompa do mieszania gazów, którą trzeba umieścić w strefie występowania wysokich przyspieszeń i opóźnień strumienia z zadaniem dalszej intensyfikacji wytrącania cząstek stałych ze strumienia i wymiany masy. Następnie pompa ta pomaga w aglomeracji cząstek stałych dzięki różnicy w intensywności wytracania cząstek dużych i małych (zazwyczaj łatwo porywane przez gaz stałe cząstki popiołu). Pompa 110 ułatwia również spiętrzanie powietrza w celu regulacji emisji No_x, znakomitego sprzężenia akustycznego pomiędzy komorą rezonansową 16 a tą strefą przewodu 100, w której występuje aglomeracja akustyczna, i zapewnia dobre mieszanie cząstek stałych z gazem w strumieniu.

Na figurze 4 przedstawiono schematycznie urządzenie do pulsacyjnego usuwania cząstek stałych ze spalin używane w dodatkowych podzespołach, jak opisano w powiązaniu z fig. 3. Urządzenie 200 do usuwania cząstek stałych według wynalazku, pokazano zainstalowane szeregowo pomiędzy istniejącą instalacją do spalania 210 a napędzanym gazem urządzeniem 240. Urządzenie 200 składa się z pulsacyjnego zespołu spalania 220 i zespołu 230 do zbierania/ usuwania cząstek stałych. Układ instalacji może być taki jak na fig. 3, albo dowolny inny. Jak już wspomniano wcześniej, w pewnych procesach oczyszczania gazów może następować za urządzeniami roboczymi, takimi jak kotły, na zasadzie oczyszczania spalin.

W innych, konkretnych przykładach wykonania według wynalazku, z całej konstrukcji można usunąć zespół do wprowadzania drugich cząstek stałych. W szczególności, w tych przypadkach,· w których rozkład wielkości cząstek stałych w paliwie i/lub sorbencie wprowadzanym do. instalacji, jest duży, w procesie akustycznej aglomeracji, a następnie zbierania/ usuwania cząstek ' stałych dopuszcza się jeden sposób zróżnicowania rozkładu wielkości. Jednąz konstrukcji instalacji z działającym wjednym trybie urządzeniem aglomerującym przedstawiono na fig. 6, na której podobne elementy oznaczono podobnymi liczbami. Na fig. 6, strumień gorących produktów spalania, powstający w wyniku pulsacyjnego spalania rozpylanego paliwa, wystarcza, z punktu widzenia rozkładu wielkości cząstek, do sprawnej aglomeracji cząstek stałych. Podobnie jak w urządzeniu pokazanym na fig. 1, cząstki stale usuwa się z instalacji, a oczyszczony gaz doprowadza do turbiny 40.

Na figurze 7 pokazano jeszcze inny przykład wykonania urządzenia do pulsacyjnej aglomeracji produktów spalania według wynalazku. W szczególności, pulsacyjna komora spalania 14 jest połączona przepływowo z zespołem odbiorczym strumienia gazów, na przykład sekcją 19, połączonądalej przepływowo z zespołem cyklonowym 72 zaopatrzonym w zespół do zbierania cząstek stałych, na przykład komorę 74. Pokazane na fig. 7 urządzenie jest funkcjonalnie takie samo jak urządzenie z fig. 1, z tym wyjątkiem, że nie ma w nim zespołu 15 do wprowadzania drugich cząstek stałych, oraz dodatkowo zastosowano kilka innych usprawnień. W szczególności, w urządzeniu tym znajduje się zespół rozpylający 320 doprowadzający paliwo, na przykład węgiel, olej, gaz, śmieci, etc, do pulsacyjnego zespołu spalania 14. Oknem wlotowym 23 można doprowadzać do instalacji różne sorbenty do usuwania gazów kwaśnych lub wychwytywania substancji alkalicznych. Okno 23 nie jest jednak niezbędne do praktycznej realizacji procesu aglomeracji.

W pokazanym na fig. 7 przykładzie wykonania, pulsacyjna komora spalania 14 ma płaszcz wodny z wlotem 315 wody chłodzącej i wylotem 325 wody gorącej z parą. Ponadto w zespole odbiorczym 19 strumienia gazów, pełniącym rolę komory aglomerującej, znajduje się sekcja wewnętrzna 335 oraz pierścieniowa sekcja zewnętrzna 345, w której na odcinku wynoszącym w przybliżeniu połowę długości sekcji wewnętrznej 335, biegnie rura rezonująca 16. Poprzecznie do zespołu biegnie reflektor akustyczny 310 do strojenia pulsacyjnego zespołu spalania. Tego typu układ rury rezonansowej i komory aglomerującej zastosowano w celu uzyskania fali stojącej (półfali) w sekcji wewnętrznej 335 i pierścieniowej 345, co minimalizuje straty akustyczne. Komora aglomerująca działajako strzałki ciśnienia fali stojącej, natomiastjej środek odpowiada strzałce prędkości i węzłowi ciśnienia. W celu dopasowania do warunków granicznych i minimalizacji tłumienia dźwięku, umieszcza się rurę rezonansową 16 tworzy w pobliżu środka zespołu odbiorczego 19 strumienia gazów, gdzie tworzy strzałkę prędkości. Ponadto w instalacji znajduje się zespół zbierający 300 do usuwania wytrąconych bryłek z komory aglomerującej. Końcowe usuwanie cząstek stałych odbywa się w sposób opisany powyżej w odniesieniu do urządzenia pokazanego na fig. 1.

W następnym przykładzie wykonania, pokazanym na fig. 8, przedstawiono urządzenie realizujące aglomeracje w dwóch trybach. Urządzenie to jest identyczne z instalacją pokazana na fig. 7 oraz ogólnie podobne do instalacji pokazanych na fig. 1 i 2. Zastosowano w nim zespół 15 do wprowadzania drugich cząstek stałych o drugiej wielkości z przeznaczeniem do aglomeracji w dwóch trybach. Opcjonalnie, przez okno 15 można doprowadzać dodatkowe powietrze, paliwo, lub sorbent do regulacji zawartości tlenków azotu, usuwania gazów kwaśnych, wchłaniania substancji alkalicznych lub do innych celów. Na przykład, regulację zawartości tlenków azotu można przeprowadzić spiętrzając powietrze lub dopalając gaz. W celu wychwycenia siarki można doprowadzać dolomit, kamień wapienny lub wapno hydratyzowane, natomiast do wchłaniania substancji alkalicznych można zastosować ziemię okrzemkową, kaolinit lub hektoryt.

W urządzeniu do aglomeracji można wprowadzić również inne zespoły. Na przykład, można zastosować jednosekcyjną komorę aglomeracyjną w układzie litery U, co umożliwia uzyskanie całej fali w komorze z rurą rezonansową 16 usytuowaną w pobliżu ćwiarki fali. Urządzenia tego typu mieszczą się oczywiście w zakresie wynalazku, ale zastosowania wynalazku nie ograniczają się tylko do nich.

Na figurze 9 przedstawiono inne urządzenie do aglomeracji cząstek stałych. Jest ono identyczne z dodatkową instalacj ą do oczyszczania pokazaną na fig. 3, z tym wyjątkiem, że nie ma w nim zespołu 15 do wprowadzania drugich cząstek stałych. W tym przypadku występuje tylko aglomeracja w jednym trybie, bez konieczności wprowadzania cząstek o drugiej wielkości.

Na figurze 10 przedstawiono inne dodatkowe urządzenie do oczyszczania, podobne do pokazanych na fig. 3 i 9. Jednakże w tym przypadku urządzenie to wyposażono dodatkowo w wtryskiwacz 400 do zwilżania. W szczególności, środkiem zwilżającym może być woda. W obecności wody zwiększa się intensywność odsiarczania wewnątrz kanału ze względu na wzajemne oddziaływanie na siebie sorbenta siarki i kropelek wody, co intensyfikuje wychwytywanie siarki.

Na figurze 11 przedstawiono inną instalację do oczyszczania. Jednakże w tym przypadku do wtryskiwacza 400 do zwilżania dodano jeszcze inne wtryskiwacze 402 i 402. Wtryskiwaczami tymi można doprowadzać różne substancje, takie jak różne sorbenty, substancje redukujące lub materiały wchłaniające substancje alkaliczne. W razie zastosowania w tym konkretnym przypadku, wtryskiwacz 400 do zwilżania umieszcza się odpowiednio blisko wtryskiwacza 401, dzięki czemu jakikolwiek doprowadzany do instalacji sorbent siarki intensyfikuje wzajemne oddziaływanie pomiędzy sorbentem siarki a kropelkami wody. Wtryskiwacz 401 można umieścić przed wtryskiwaczem substancji zwilżających w celu minimalizacji prawdopodobieństwa jego spalenia i negatywnych skutków dla wykorzystania sorbentu. W ten sposób może wystąpić aglomeracja w dwóch trybach, odmiennie niż w procesie opisanym w powiązaniu z fig. 10.

We wszystkich urządzeniach pokazanych na fig. 6-11, przebieg aglomeracji cząstek stałych jest taki sam jak opisany powyżej, z tym wyjątkiem, że w pewnych przykładach wykonania występuje aglomeracja w jednym trybie bez wprowadzania cząstek stałych o drugiej wielkości.

W niektórych przykładach wykonania według wynalazku, zaleca się stosowanie pulsacyjnej komory spalania takiego typu, jak pokazano na fig. 5. W konstrukcji tej zastosowano generatory o zarysie parabolicznym i geometrii osiowosymetrycznej, na bazie których można opracować wiele konstrukcji komór spalania o różnych parametrach.

Oznaczenia alfanumeryczne na rysunku pulsacyjnego zespołu spalania pokazanego na fig. 5 odpowiadaj ;ą podanym dalej wymiarom i odnoszą się do żużlowego zespołu spalania (opisanego dalej) o wydajności cieplnej 524,99 kcal/sek (7,5 MLMBtułi) i można je wykorzystać do obliczenia innych pulsacyjnych zespołów spalania. Średnica okna wlotowego 100 wynosi 14,45 cm (5,69 cala) a okna wylotowego 101 12,8 cm (5,06 cala). Poszczególne długości różnych sekcji komory spalania są następujące: L, = 41,07 cm (16,17 cala); L2 = 10,5 cm (4,15 cala); L3 = 10,9 cm (4,31 cala); L4 = 8,64 cm (3,40 cala), a łączna długość komory spalania od okna wlotowego 100 do okna wylotowego 101 jest równa 71,19 cm (28,03 cala). Kąt a wynosi 40°, długość R1 =

1718116

63,88 cm (25,15 cala), długość R2 wynosi 16,41 cm (6,46 cala), długość R3 = 10,95 cm (4,31 cala) a długość R4 = 8,63 cm (3,40 cala).

Stwierdzono, że pewne przedziały wartości mają korzystny wpływ na działanie zastrzeżonego urządzenia do pulsacyjnego usuwania cząstek stałych ze spalin. Korzystnie, wartości ciśnień akustycznych na zboczach fali ciśnieniowej wytwarzanej w pulsacyjnym zespole spalania, chociaż czasami mniejsze, wynoszą, korzystnie, co najmniej 160dB przy ciśnieniu atmosferycznym; 180dB przy ciśnieniu 9,81· 10⁵Pa (10 atmosfer) i 200dB przy ciśnieniu 196,2· 10⁵Pa(20 atmosfer). Jak już wspomniano wcześniej, zalecany zakres częstotliwości dla oscylacji fali akustycznej wytwarzanej w pulsacyjnej komorze spalania powinien wynosić od około 20 do 1500 Hz, przy czym zalecanym przedziałem wartości jest od około 50 do około 250 Hz. Korzystnie, zalecana różnica rozkładu wielkości cząstek pomiędzy unoszonymi przez strumień gazu cząstkami stałymi, które maja być usunięte, a drugimi, wprowadzanymi do strumienia cząstkami, powinna być taka, żeby drugie cząstki wprowadzane do strumienia gazów były większe od cząstek stałych znajdujących się w strumieniu gazów od początku. Korzystnie, mniejsze cząstki stałe nie powinny stanowić więcej niż 50 procent masy wszystkich cząstek. Korzystnie, masa wszystkich cząstek stałych nie powinna być mniejsza niż 10 g/m³. Zalecany średni czas przebywania cząstek stałych w rurze rezonansowej 16 powinien wynosić około 2 do około 5 sekund. Zalecana temperatura gazów spalinowych w instalacji powinna być utrzymywana na poziomie poniżej temperatury, przy której aglomeraty stałe zaczynają tworzyć płynny żużel. Taka niższa temperatura zapobiega powstawaniu materiałów stopionych (żużla), a tym samym zapewnia stałe unoszenie się cząstek stałych w strumieniu powietrza przed i po ich aglomeracji.

Korzystnie, temperaturę gazów w instalacji trzeba utrzymywać na poziomie co najmniej o 93,3°C (200°F) niższym od temperatury zmięknienia lub początku odkształcania danych substancji stałych. Ponadto, korzystnie, pulsacyjny zespół spalania powinien wytwarzać ilość ciepła w zakresie od około 69,98 do 419,98 kcal/sek (1 do około 6 MMBtu/h).

Przedstawiony opis zalecanych przykładów wykonania według wynalazku, w którym wymieniano specjalne terminy, urządzenia, stężenia i sposoby, służy wyłącznie do celów ilustracyjnych. Zastosowane słowa mają intencjonalnie wyłącznie charakter opisowy, a nie ograniczający. Rozumie się samo przez się, że istnieje możliwość wprowadzenia w przedstawionym urządzeniu zmian i modyfikacji bez odchodzenia od istoty lub zakresu wynalazku przedstawionych w załączonych zastrzeżeniach patentowych.

i

FIG.8

FIG. 7

HG,6

178 116

FIG. 5

15

FIG. 3

178 116

FIG.2

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz.

Cena 4,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób aglomeracji i usuwania cząstek stałych ze strumienia gazów obejmujący etap aglomeracji cząstek stałych umieszczonych w gazie oraz etap usuwania powstałych zaglomerowanych cząstek, dla otrzymania strumienia czystego gazu, znamienny tym, że sposób ten polega na połączeniu etapów poddawania strumienia gazu zawierającego cząstki stałe działaniu fali ciśnienia akustycznego powstającej podczas spalania pulsacyjnego o częstotliwości od 20 -1500 H_zi jednoczesnego poddawania strumienia gazu zawierającego cząstki stałe nawilżaniu w stopniu umożliwiającym akustycznie wzmożoną aglomerację cząstek i usunięcie cząstek stałych ze strumienia gazu, który jako czysty, wolny od cząstek strumień gazu jest kierowany do urządzenia do jego napędu.
2. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że przy poddawaniu strumienia gazu zawierającego cząstki stałe nawilżaniu wprowadza się w ten strumień wraz z wilgocią sorbenty wychwytujące siarkę.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przy poddawaniu strumienia gazu zawierającego cząstki stałe nawilżaniu wprowadza się w ten strumień wraz z wilgocią środek zbierający alkalia taki jak ziemia okrzemkowa, ematolit, krzemionka, boksyt, wernikulit, hektoryt lub kaolin.
4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się falę ciśnienia akustycznego o częstotliwości w zakresie od około 50 do około 250 Hz.
5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że aglomerację prowadzi się w temperaturze niższej niż temperatura, w której cząstki stałe w strumieniu gazu zaczynają tworzyć bryłki.
6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że fala ciśnienia akustycznego powstająca podczas spalania pulsacyjnego towarzyszy strumieniowi gorących spalin, który zawiera pierwsze cząstki stałe poddawane aglomeracji i łączy się z drugim strumieniem gazu, który zawiera druga substancję w postaci cząstek stałych.
7. Sposób aglomeracji i usuwania cząstek stałych ze strumienia gazu obejmujący etap aglomeracji cząstek stałych umieszczonych w gazie oraz etap usuwania powstałych zaglomerowanych cząstek, dla otrzymania strumienia czystego gazu, znamienny tym, że sposób polega na połączeniu etapów poddania strumienia gazu zawierającego cząstki stałe działaniu fali ciśnienia akustycznego o częstotliwości w zakresie od 20 do 150 H_z i jednoczesnym wprowadzaniu drugiego materiału w postaci cząstek stałych o innym rozkładzie ziarna niż cząstki stałe już znajdujące się w strumieniu gazu umożliwiając akustycznie wzmożoną aglomeracje cząstek i usunięcie cząstek stałych ze strumienia gazu, który jako czysty, wolny od cząstek strumień gazu jest kierowany do urządzenia do jego napędu.
8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że jako drugi materiał w postaci cząstek stałych stosuje się sorbent wychwytujący siarkę.
9. Urządzenie do aglomeracji i usuwania cząstek stałych ze strumienia gazów, zawierające zespół odbierający strumień gazów unoszący cząstki stałe, oraz zespół do wprowadzania wilgoci do strumienia gazu znamienne tym, że z zespołem (19) odbierającym strumień gazów unoszący cząstki stałe jest połączony zespół (10) spalania pulsacyjnego, który umieszczony jest tak, że strumień gorących produktów spalania i fala ciśnienia akustycznego emitowana przez ten zespół (10) spalania pulsacyjnego stykają się ze strumieniem gazów umieszczonym w zespole (19) odbierającym strumień gazu jednocześnie z nawilżaniem dostarczanym przez zespół do wprowadzania wilgoci w celu aglomeracji i usunięcia cząstek stałych strumienia gazu, przy czym wilgotność w połączeniu ze strumieniem gorących produktów spalania i falą ciśnienia akustycznego wzmaga aglomerację cząstek.
10. Urządzenie według zastrz. 9, znamienne tym, że z zespołem do wprowadzania wilgoci jest połączony zespół do wtrysku sorbentów w gorący strumień spalin.
11. Urządzenie do aglomeracji i usuwania cząstek stałych ze strumienia gazów, zawierające zespół odbierający strumień gazów unoszący cząstki stałe, znamienne tym, że zawiera zespół (15) do wprowadzania cząstek stałych w strumień gazu, gdzie wprowadzony materiał w postaci cząstek stałych ma inny rozkład ziaren niż cząstki stałe zawarte w strumieniu gazu, oraz zespół (10) spalania pulsacyjnego umieszczony wewnątrz zespołu (19) odbierającego strumień gazów, przy czym zespół (10) spalania pulsacyjnego jest umieszczony tak, że pulsacyjny strumień gorących produktów spalania i fala ciśnienia akustycznego emitowana przez zespół (10) spalania pulsacyjnego stykająsię ze strumieniem gazów umieszczonym w zespole odbierającym strumień gazu w połączeniu z materiałem zawierającym cząstki stałe pochodzącym z zespołu (15) do wprowadzania cząstek stałych dla wzmożenia aglomeracji i usuwania cząstek.
12. Urządzenie według zastrz. 10, znamienne tym, że zespół (15) do wprowadzania materiału w postaci cząstek stałych zawiera elementy do wtryskiwania sorbentów w strumień gorących spalin.