DE69327256T2

DE69327256T2 - Verfahren und vorrichtung zum heizen von flüssigen medien mittels pulsierender verbrennung

Info

Publication number: DE69327256T2
Application number: DE69327256T
Authority: DE
Inventors: Momtaz N. Mansour
Original assignee: Manufacturing and Technology Conversion International Inc
Current assignee: Manufacturing and Technology Conversion International Inc
Priority date: 1993-05-17
Filing date: 1993-05-17
Publication date: 2000-03-30
Anticipated expiration: 2013-05-18
Also published as: GR3032607T3; AU4522193A; DE69327256D1; ATE187541T1; EP0698198A1; WO1994027087A1; DK0698198T3; ES2139015T3; EP0698198B1

Description

Gebiet der Erfindun

Diese Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zum Behandeln von Fluiden, wie Gasen, Wasser und anderen Flüssigkeiten, mit Wärme unter Verwendung eines Pulsbrenners.

Allgemeiner Stand der Technik

Auf der Basis von Untersuchungen, die ein großes Potential für bedeutend erhöhte Kohlefeuerung im kommerziellen Sektor angaben, wird gegenwärtig die Entwicklung von fortschrittlichen Kohleverbrennungssystemen verfolgt.
Fluidheizsysteme, die in der Technik bekannt sind, schließen herkömmliche Verbrennungssysteme in Verbindung mit Kesselanordnungen ein. Bei diesen herkömmlichen Verbrennungssystemen wird in erster Linie Öl oder Gas verwendet, um durch Kesselsysteme hindurchgehendem Wasser Wärme zu liefern. Das erhitzte Wasser oder der Dampf wird dann zu seiner gewünschten Anwendung, wie Raumheizung, Turbinenbetrieb oder sonstigem, befördert.
Herkömmliche Öl- und Gassysteme leiden unter einem Hauptnachteil - der Verfügbarkeit und der Preisstabilität, die beide den turbulenten Bedingungen im Mittleren Osten unterworfen sind. Andererseits sind feste einheimische Brennstoffe gegenwärtig im allgemeinen reichlich vorhanden und stehen nicht den gleichen Bedenken gegenüber.
Bei der Verwendung fester Brennstoffe, wie Kohle, insbesondere die billigeren, minderwertigen, schwefelhaltigen Kohlen, zur Zuführung von Wärme zu herkömmlichen Fluidheizeinrichtungen, wie einen Heizrohrkessel, ist eine Hauptsorge jedoch die Menge an durch die Verbrennung erzeugten Teilchen und weiteren Verunreinigungen, die im Verbrennungsgasstrom mitgerissen werden. Ein mit Teilchen/Verunreinigungen beladener Gasstrom, der solche Systeme betreibt, kann sich auf die Atmosphäre nachteilig auswirken, wenn solche Teilchen in sie abgegeben werden. Obwohl herkömmliche Einrichtungen, wie Zyklone, verwendet werden können, um größere Feststoffteilchen aus Verbrennungsgasströmen zu entfernen, schaffen es diese Einrichtungen im allgemeinen nicht, kleinere Feststoffteilchen, wie Flugasche, aus den Strömen zu entfernen. Ähnliche Probleme bestehen auch bei anderen Gasströmen, bei welchen suspendierte Feststoffteilchen einen anderen Ursprung haben als eine Verbrennung.
An den Brennstoff gebundener Stickstoff bewirkt auch, daß sich im Gasstrom Emissionen von Stickstoffoxid (NOx) bilden. Verfahren und Prozesse, um entweder die Erzeugung von Stickstoffoxiden zu verringern oder solche Verunreinigungen zu zerstören oder aus dem Abgasstrom zu entfernen, sind notwendig, um die Anforderungen Clean Air Act zu erfüllen. Ökonomisch durchführbare Mittel zum Entfernen dieser Verunreinigungen aus dem Abgasstrom, bevor ein solches Abgas in die Atmosphäre abgegeben wird, waren bisher nicht verfügbar.
Es wurden verschiedene Versuche unternommen, die obigen und weitere Probleme zu überwinden und ein ökonomisch durchführbares und effizientes Verfahren zur Behandlung von Fluiden, das einen festen Brennstoff verwendet, bereitzustellen. Ein solcher Versuch konzentrierte sich auf die extreme Reinigung der Kohle vor der Verbrennung, um auf Kohle basierende Verunreinigungen zu verringern. Die Kohle muß in dem Versuch, Asche und Schwefel vor der Feuerung aus dem Brennstoff zu entfernen, ausgiebig gereinigt werden. Im allgemeinen wird aus der mikronisierten, stark gereinigten Kohle mit kaltem Wasser ein Schlamm hergestellt und dann als Brennstoff verwendet. Dieser Zugang ist sehr teuer und erlegt Zeitverzögerungen auf, bevor die Kohle verwendet werden kann. Er erzeugt jedoch einen aus Kohle hergestellten, im wesentlichen ölartigen Schlammbrennstoff.
Zusammengefaßt bleibt die wirksame Verringerung von suspendierten Teilchen und weiteren Verunreinigungen in einem durch Verbrennung erzeugten Gasstrom aufgrund des Fehlens eines kosteneffektiven, effizienten Systems für die Entfernung von Teilchen und Verunreinigungen ein Hauptproblem. Verfügbare Systeme zum Auffangen/Entfernen von Teilchen sind durch die Betriebsbedingungen des Kombustors eingeschränkt. Jedes neue System sollte eine Anzahl von Merkmalen, wie hoher Verbrennungswirkungsgrad, hohes Schwefeleinfangvermögen, hohe Entfernung von festen Brennstoffteilchen, niedrige Stickstoffoxidemissionen und hohe Entfernen von durch die Verbrennung des Brennstoffs erzeugten Alkalidämpfen, besitzen. Neue Systeme, die diese Merkmale bereitstellen, sollten relativ kostengünstig sein und sollten keine wesentliche Vorbereitung oder Vorreinigung des für die Verbrennung verwendeten Brennstoffs erfordern.
Die akustische Agglomeration ist ein Verfahren, bei dem Schall mit hoher Intensität verwendet wird, um Teilchen mit Submikron- und Mikrongröße in Aerosolen zu agglomerisieren. Dieses Konzept ist ein Vorbehandlungsverfahren, um die mittlere Größe mitgerissener Teilchen zu erhöhen, um bei Verwendung von Zyklonen oder anderen herkömmlichen Abscheidern hohe Sammel/Abscheideleistungen zu gestatten. Schallwellen bewirken eine Relativbewegung zwischen den festen Teilchen und erhöhen somit ihre Stoßhäufigkeit. Wenn die Teilchen zusammenstoßen, ist es wahrscheinlich, daß sie zusammenhalten. Als Gesamtergebnis einer Schallbehandlung verschiebt sich die Teilchengrößenverteilung im Aerosol relativ schnell merklich von kleineren zu größeren Größen. Größere Teilchen können aus dem tragenden Gasstrom durch herkömmliche Abscheideeinrichtungen für Teilchen, wie Zyklone, effektiv herausgefiltert werden. Die Kombination einer Kammer für die akustische Agglomeration mit einem oder mehreren Zyklonen in Reihe stellt ein vielversprechendes Hochleistungssystem bereit, um mit Teilchen beladene Gase, wie heiße Abgase aus unter Druck stehenden Kombustoren, zu reinigen.
Die akustische Agglomeration kleiner Teilchen in heißen Verbrennungsgasen und anderen Quellen von feinen Staub tragenden Abflußströmen wurden mit Unterbrechungen mehrere Jahre lang untersucht. Obwohl sie bei der Erzeugung von größeren Teilchen (5 bis 20 Mikron) für eine effektivere Entfernung durch herkömmliche Einrichtungen wirksam sind, werden die Verfahren der akustischen Agglomeration aus dem Stand der Technik aufgrund ihres hohen Leistungsbedarfs im allgemeinen nicht als mögliche Reinigungseinrichtungen betrachtet. Es wurden beispielsweise feine Flugascheteilchen (mit einer Größe von weniger als 5 Mikron) unter Verwendung von Schallfeldern mit hoher Intensität bei hohen Frequenzen im Bereich von 1.000-4.000 Hz agglomeriert. Diese höheren Frequenzen waren für das Entreißen der feinen Teilchen notwendig, um Stöße zwischen ihnen somit eine Agglomeration der feinen Teilchen zu bewirken.
Bei diesen Einrichtungen für die akustische Agglomeration aus dem Stand der Technik wurden die Schallfelder durch Sirenen, Lufthörner (air horns) oder elektromagnetische Lautsprecher erzeugt. Die resultierende Schallerzeugung für die Schallagglomeration erfordert eine Leistung, die schätzungsweise im Bereich von 790 bis 3.162 W/m³s&supmin;¹ (0,5 bis 2 hp/1.000 cfm) liegen. Dies ist natürlich ein bedeutender parasitärer Leistungsverlust, sogar für effiziente Hörner und Sirenen, die normalerweise Wirkungsgrade im Bereich von 8 bis 10% aufweisen.
Ferner erfordern die Sirene und Lufthörner Hilfskompressoren, um Luft unter Druck zu setzen. Elektromagnetische Ein richtungen erfordern spezielle Gestaltungen und Vorsichtsmaßnahmen, um die gewünschte Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit und Lebensdauer der Ausrüstung bereitzustellen. Außerdem sind starke Verstärker erforderlich, um solche Lautsprecher dazu zu bringen 160 Dezibel (dE) oder mehr Schalldruck zu liefern.
Zusätzlich zu dem vorhergehenden schließen die gewünschten Systemleistungsziele die duale Brennstofftauglichkeit (d. h. Kohle als primärer Brennstoff und Superbenzin als sekundärer Brennstoff), einen Verbrennungswirkungsgrad, der 99% übersteigt, einen Wärmewirkungsgrad von mehr als 80%, ein Herunterstellen von wenigstens 3 : 1, eine staubfreie und halbautomatische Trockenascheentfernung, ein vollautomatisches Anlaufen mit Systemspül- und -zündkontrolle, eine Emissionsleistung, die die neuen Quellenleistungsstandards übersteigt und sich jenen annähert, die von mit Brennöl befeuerten Einheiten in kommerzieller Größenordnung geliefert werden, und Zuverlässigkeit, Sicherheit, Funktionsfähigkeit, Wartungsfreundlichkeit und eine Betriebslebensdauer ein, die mit dem gegenwärtig zum Erhitzen von Fluiden eingesetzten, mit Öl befeuerten Einheiten vergleichbar sind.
Die Vorrichtung und das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung überwinden die meisten, wenn nicht alle, der oben genannten Probleme aus dem Stand der Technik und besitzen im allgemeinen die oben dargelegten gewünschten Merkmale, indem ein Puls-Kombustor verwendet wird, um eine Wärmequelle zum Verstärken der Erzeugung von Fluidwärme, wie Erzeugung von Dampf, herzustellen. Die vorliegende Erfindung kann so gestaltet sein, daß sie sowohl in einem Schlacke bildenden und einem keine Schlacke bildenden Modus arbeiten kann.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Fluidheizvorrichtung und ein -verfahren bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Kombustor bereitzustellen, die mit schwefelreichen Brennstoffen, wie Kohlen, arbeitet, während sie für eine verbesserte Wärmequellenproduktion und gleichzeitig eine effiziente Reinigung von durch das Verbrennen solcher Brennstoffe erzeugten Teilchen sorgt.
Noch eine weitere Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfindung ist es, ein Puls-Verbrennungssystem mit hohem Wirkungsgrad bereitzustellen, um ein Fluid zu erhitzen.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung zum Entfernen unerwünschter Verunreinigungen aus dem heißen gasförmigen Strom bereitzustellen, der von dem Puls-Kombustor mit hohem Wirkungsgrad erzeugt wird.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, für das Einfangen von Verunreinigungen und die Entfernung von teilchenförmigen Verbrennungsprodukten zu sorgen, die in einem Gasstrom mitgerissen werden.
Eine weitere Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfindung ist es, einen Puls-Kombustor zum Herstellen einer Wärmequelle für eine erhöhte Dampferzeugung bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfindung ist es, ein Schlacke bildendes Puls-Verbrennungssystem zum verbesserten Erhitzen von Fluiden bereitzustellen.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein keine Schlacke bildendes Puls-Verbrennungssystem für ein verbessertes Erhitzen von Fluiden bereitzustellen.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Fluidheizvorrichtung bereitzustellen, die die Teilchenentfernung aus einem zum Erhitzen von Fluiden verwendeten Gasstrom verbessert.
Aus einem Aspekt und ausgehend von der EP-A-0 370 504 stellt die Erfindung eine Vorrichtung zum Erhitzen eines Fluids unter Verwendung eines Fluidheizgefäßes, wie eines Heizrohrkessels, bereit, bei der das Gefäß darin eine Einrichtung zur Aufnahme eines zu erhitzenden Fluids und eine damit in Verbindung stehende Fluideinlaß- und -auslaßeinrichtung aufweist, wobei das Gefäß darin eine Einrichtung aufweist, die ein Heizrohr zum Wärmeaustausch zwischen heißen Gasen, die durch die Wärmeaustauscheinrichtung hindurchgehen, und dem Fluid einschließt, wobei eine Auslaßeinrichtung aus der Wärmeaustauscheinrichtung vorgesehen ist; und wobei die Vorrichtung weiterhin eine Puls-Verbrennungseinrichtung, z. B. quadratisch oder abstimmbar, in Verbindung mit der Wärmeaustauscheinrichtung des Fluidheizgefäßes aufweist, wobei die Puls-Verbrennungseinrichtung zur Verbrennung eines Brennstoff/Luft-Gemischs fähig ist, um einen pulsierenden Strom von heißen Verbrennungsprodukten und eine Schallwelle bei einer Frequenz im Bereich von 20- 1.500 Hz zu erzeugen, wobei die Puls-Verbrennungseinrichtung auch eine Ventileinrichtung zur Aufnahme eines Brennstoff/Luft-Gemischs bei Bedarf, eine Verbrennungskammer in Verbindung mit der Ventileinrichtung und wenigstens ein Resonanzrohr in Verbindung mit der Verbrennungskammer und der Wärmeaustauscheinrichtung des Fluidheizgefäßes beinhaltet, um der Wärmeaustauscheinrichtung heiße Gase zuzuführen, wobei die Vorrichtung weiterhin eine Einrichtung, wie einen Zyklon, zur Entfernung von teilchenförmigem Material aus dem Gas beinhaltet, wobei die Puls-Verbrennungseinrichtung mit der Wärmeaustauscheinrichtung so zusammen wirkt, daß der pulsierende Strom von heißen Verbrennungsprodukten und die Schallwelle Wärme und akustische Schwingungen direkt der Wärmeaustauscheinrichtung zuführen und wobei ein Abschnitt des wenigstens einen Resonanzrohres sich zur Wärmeübertragung davon auf das Fluid in dem Abschnitt des Fluidheizgefäßes im Heizrohr des Gefäßes befindet.
Aus einem anderen Aspekt stellt die Erfindung auch ein Verfahren zum Erhitzen eines Fluids bereit, das die Schritte umfaßt:
a) Führen eines zu erhitzenden Fluids durch ein Gefäß;
b) Puls-Verbrennung eines Brennstoffs in einem Puls-Kombustor, der mit dem Gefäß in Verbindung steht, wobei der Puls-Kombustor wenigstens ein Resonanzrohr aufweist, wobei sich ein Abschnitt des wenigstens einen Resonanzrohres in einem Heizrohr des Gefäßes befindet, wobei das wenigstens eine Rohr so betrieben werden kann, daß ein pulsierender Strom von Verbrennungsprodukten und eine Schalldruckwelle bei einer Frequenz von etwa 20 bis etwa 1.500 Hz erzeugt wird, und wobei der Strom von Verbrennungsprodukten und die Schalldruckwelle direkt in das Gefäß geführt werden, um dadurch eine Wärmeübertragung auf das Fluid für ein vorbestimmtes Erhitzen des Fluids zu bewirken;
c) Entfernen teilchenförmiger Materialien aus dem Strom von Verbrennungsprodukten; und
d) Befördern des erhitzten Fluids, um seine beabsichtigte Funktion der Wirkung als Wärmequelle für verschiedene Heizeinrichtungen zu erfüllen.

Kurze Beschreibung der Figuren

Nachfolgend wird der Aufbau, der die Erfindung durchführen soll, zusammen mit seinen weiteren Merkmalen beschrieben.
Die Erfindung wird aus dem Lesen der folgenden Beschreibung und unter Bezugnahme auf die einen Teil davon bildenden, beigefügten Zeichnungen leichter verstanden, in denen ein Beispiel der Erfindung gezeigt ist und in denen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Kesselrohrvorrichtung mit Puls-Verbrennung zum Erhitzen von Fluiden gemäß der vorliegenden Erfindung ist,
Fig. 2 eine ausführlichere schematische Ansicht der Puls- Kombustoreinrichtung der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung ist,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Ventileinrichtung für einen Puls-Kombustor zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung ist,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines kompakten Puls- Kombustors ist, der in der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann,
Fig. 5 eine Darstellung einer bevorzugten Puls-Verbrennungskammer zur Verwendung in einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist,
Fig. 6A und 6B Darstellungen des Diodeneffekts für eine auf einem Diffusor basierende aerodynamische Ventileinrichtung für einen Puls-Kombustor zur Verwendung in einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung sind,
Fig. 7A und 7B Darstellungen eines als Tandem gestalteten Satzes von Puls-Kombustoren sind, die eine Brennstoffeinspritzeinrichtung für jeden Puls-Kombustor zeigen,
Fig. 8 eine weitere Ausführungsform einer Fluidheizvorrichtung mit Puls-Verbrennung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
Fig. 9 eine schematische Darstellung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eines Puls-Kombustors zur Verwendung in einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Die bevorzugte Vorrichtung zum Erhitzen eines Fluids gemäß der vorliegenden Erfindung integriert eine Puls-Kombustoreinrichtung mit einem Fluidbehandlungsgefäß, das eine Einrichtung zur Aufnahme eines zu erhitzenden Fluids aufweist und den Eintritt und den Austritt des Fluids daraus gestattet. Das Fluidbehandlungsgefäß weist weiterhin eine solche Einrichtung auf, daß das Hindurchgehen von heißen Gasen gestattet wird, die von einer Puls-Verbrennungseinrichtung erzeugt wurden, wobei sich die Gase mit dem zu erhitzenden Fluid in Wärmeaustauschbeziehung befinden. Die Vorrichtung umfaßt weiterhin eine Einrichtung zum Entfernen von Teilchen, die im vom Puls-Kombustor erzeugten Verbrennungsproduktstrom mitgerissen werden, und kann zusätzlich eine fortschrittliche Gestaltung der Puls-Verbrennungskammer und Ventileinrichtung verwenden. Das Puls-Kombustorsystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist für das Verbrennen eines festen Brennstoffs, wie minderwertiger Kohle, besonders nützlich.
Fortschrittliche mit Kohle befeuerte Kombustoren verwenden im allgemeinen Kohle, die zu einer der folgenden Formen aufbereitet wurde: trockene pulverisierte Kohle, trockene ultrafeine Kohle, Kohle/Wasser-Gemisch. Trockene pulverisierte Kohle ist herkömmliche gemahlene Kohle, die typischerweise eine Produktfeinheit von 70% durch ein Sieb mit 74 um (200 mesh) und weniger als 3% Oberflächenfeuchtigkeit aufweist. Dies ist die billigste der drei Formen. Trockene ultrafeine Kohle ist ein Produkt eines integrierten Verfahrens, das Mahlen, Trocknen und Aufbereitung umfaßt. Somit ist ultrafeine Kohle ein feines Pulver mit niedrigem Asche- und Schwefelgehalt und ist teurer als trockene pulverisierte Kohle. Kohle/Wasser-Gemisch bezieht sich auf ein Gemisch von pulverisierter Kohle und Wasser mit bestimmten Chemikalien, die hinzugefügt werden, um die Stabilität und Strömungscharakteristiken zu verbessern. Ein Brennstoff in Form eines Kohle/Wasser-Gemischs ist billiger und sicherer zu transportieren und zu lagern als trockene pulverisierte Kohle und trockene ultrafeine Kohle. Die Verfügbarkeit von Brennstoffen in Form eines Kohle/Wassex-Gemischs ist jedoch ziemlich begrenzt.
Puls-Kombustoren können jede Art von Kohle effizient (mehr als 99% Kohlenstoffumwandlung) und ohne Gasträger verbrennen. Trockene pulverisierte Kohle ist jedoch ökonomischer zu verbrennen und rühmt sich im Vergleich zu trockener ultrafeiner Kohle einer ausgereifteren Technologie und Infrastruktur. Die hohe Verbrennungsintensität und die bei der Puls-Verbrennung erreichte Schallwelle gestatten eher die Verwendung von pulverisierter als ultrafeiner Kohle ohne irgendeinen Leistungsnachteil. Weiterhin sind gemäß der vorliegenden Erfindung Schwefel und Teilchen aus dem Verbrennungsproduktstrom zu entfernen, weshalb die billigere, nicht aufbereitete Kohle vorteilhaft verwendet werden kann.
Wenn nicht aufbereitete Kohlen verwendet werden, um das Puls-Verbrennungssystem in der vorliegenden Erfindung zu befeuern, muß enthaltener Schwefel entfernt werden, um die Emissionsanforderungen zu erfüllen. Zu diesem Zweck können Sorptionsmittel für erzeugte Schwefelderivate in das System eingespritzt werden. Beispielhafte Sorptionsmittel für Schwefelderivate schließen Kalkstein, Kalk, gelöschten Kalk und Dolomit ein. Ein besonders bevorzugtes Sorptionsmittel für die vorliegende Erfindung ist Gen-Star-Kalkstein mit einem Calciumcarbonatgehalt von etwa 89 Gew.-%.
Die vorliegende Erfindung ist besonders zum Erhitzen von Wasser nützlich, um Dampf zu erzeugen. Die Fähigkeit von Dampf, Wärme abzugeben, seine eigene Zirkulation zu fördern und eine Leichtigkeit der Verteilung und Steuerung in einem Heizsystem zu gestatten, sind gleichermaßen vorteilhaft. Überdies ist bereits eine bedeutende Anzahl von Dampf-Heizanlagen in der ganzen Welt vorhanden, die einen großen günstigen Markt darstellen, obwohl viele solcher Systeme mit auf Erdöl basierenden Brennstoffen befeuert werden, die bedeutender Preisinstabilität und Verfügbarkeit unterworfen sind, wie oben erläutert. Es sollte jedoch gewürdigt werden, daß andere Fluide, wie Gase oder andere Flüssigkeiten, von der hier offenbarten Vorrichtung erhitzt werden können.
Eine Vorrichtung der vorliegenden Erfindung mit Verbrennungs-, Wärmerückgewinnungs- und Emissionskontrollsystemen ist in Fig. 1 gezeigt. Diese Ausführungsform integriert einen Puls-Kombustor mit einem Wärmerückgewinnungssystem über ein Hauptheizrohr mit einem herkömmlichen Zylinderkessel 20. Diese besondere Ausführungsform ist als in einem keine Schlacke bildenden Modus arbeitend gezeigt. Ein keine Schlacke bildender Modus wird erreicht, indem die Temperatur des Systems unterhalb des Punktes gehalten wird, an dem die während der Verbrennung gebildeten Teilchen und die dem Verbrennungsproduktstrom hinzugefügten Sorptionsmittel, falls vorhanden, beginnen zu verschlacken (geschmolzen zu werden). Natürlich müssen bei einer keine Schlacke bildenden Anordnung feste Teilchen aus dem heißen Gasstrom entfernt werden.
In Fig. 1 steht der Kessel 20 mit einer Puls-Verbrennungseinrichtung, allgemein 10, in Verbindung. Der Kessel 20 um faßt ein Hauptheizrohr 40 (Morrison-Rohr) und eine Anzahl von Kesselrohrleitungen 41 zur Zirkulation der heißen Gase zum Heizen. Obwohl ein Heizrohrkessel mit vier Durchgängen dargestellt ist, könnte auch ein Wasserrohrkessel mit offensichtlichen Modifikationen verwendet werden. Ein zu erhitzendes Fluid tritt durch eine Fluideinlaßeinrichtung 30 in den Kessel 20 ein, wobei Dampf durch die Fluidauslaßeinrichtung 35 austritt. Die Fluideinlaß- und -auslaßeinrichtungen 30 und 35 können jede Art herkömmlicher Verbindungen sein, die gestatten, daß Fluide in einen unter Druck stehenden Behälter eintreten oder in ihn verlassen. Bei der hier beschriebenen Anordnung gestattet die Fluideinlaßeinrichtung 30, daß Wasser in das Fluidbehandlungsgefäß eintritt, und gestattet die Fluidauslaßeinrichtung 35, daß Dampf austritt. Zusätzlich kann, wie gezeigt, Wasser aus dem Gefäß 20 austreten, das über die Leitung 31 einen Wassermantel 17 um einen Abschnitt der Puls-Verbrennungseinrichtung 10 speist, wobei Dampf aus dem Mantel 17 austritt und über Leitung 36 zum Kessel 20 geleitet wird.
Die Puls-Verbrennungseinrichtung 10 umfaßt eine Ventileinrichtung 12, die ein aerodynamisches Ventil (Fluiddiode), ein mechanisches Ventil oder dergleichen sein kann, eine Verbrennungskammer 14 und eines oder mehrere Abgasrohre oder Resonanzrohre 16. Zusätzlich kann die Puls-Verbrennungseinrichtung 10 eine Luftkammer 18 und eine Axialdruckverstärkungseinrichtung (nicht gezeigt) umfassen.
Die Puls-Verbrennungseinrichtung 10 von Fig. 1 ist in Fig. 2 leichter zu sehen, in der gleiche Ziffern gleiche Elemente repräsentieren. In Fig. 2 erstreckt sich eine Vielzahl von Resonanzrohren 16 in das Hauptheizrohr (oder das Morrison-Rohr) 40. In der Ummantelung des Hauptheizrohres 40 kann in herkömmlicher Weise Wasser enthalten sein. Die in Fig. 2 gezeigte Puls-Verbrennungseinheit kann außerdem Flansche 62 und Ausgleichrohrverbindungen 67 verwenden, wenn sie für die Verbindung mit dem Kessel 20 notwendig sind.
Die Resonanzrohre 16 können eine Anzahl verschiedener Gestaltungen verwenden. Beispielsweise kann sich das Rohr kontinuierlich nach außen aufweiten (in der Ausführungsform von Fig. 8 gezeigt), was gestattet, daß das gesamte Resonanzrohr 16 als Diffusor wirkt. Eine solche Diffusion verringert die Gasaustrittsgeschwindigkeit aus der Verbrennungskammer 14 und sorgt für eine Rückführung von Verbrennungsprodukten und eine erhöhte Aufenthaltszeit der Teilchen in der Puls-Verbrennungseinrichtung 10. Eine kompakte Puls-Kombustorgestaltung, die ein spiralförmiges Resonanzrohr 16 verwendet, ist in Fig. 4 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist das Resonanzrohr 16 von einem Wassermantel 90 umgeben, so daß durch die Wärme im Resonanzrohr 16 erzeugter Dampf aus dem System entfernt und zu einem Dampfkessel oder einer anderen Einrichtung für erhitztes Fluid geleitet werden kann. Bei einer weiteren Gestaltung kann das Resonanzrohr 16 wie in Fig. 1 im wesentlichen gerade sein, aber an seinem äußeren Ende einen Diffusorabschnitt aufweisen, der aus einem sich nach außen aufweitenden Abgasrohrabschnitt besteht. Alternativ kann das Resonanzrohr 16 an dem der Verbrennungskammer 14 nächstgelegenen Ende einen Diffusorabschnitt integrieren, wobei sich ein im wesentlichen gerades Rohr davon weg erstreckt (in Fig. 9 gezeigt).
Wenn die Puls-Kombustoreinrichtung 10 wie nachfolgend beschrieben betrieben wird, erzeugt sie einen pulsierenden Strom heißer Verbrennungsprodukte mit einer Schallwelle mit einer Frequenz im Bereich von etwa 20 bis etwa 1.500 Hz. Wenn Brennstoff verbrannt wird, tritt ein pulsierender Strom heißer Verbrennungsprodukte aus der Verbrennungskammer 14 aus und geht in die Resonanzrohre 16 der Puls-Kombustoreinrichtung 10 hinein, und die Rohre 16 können einen Wassermantel aufweisen oder nicht, wie es das System vorschreibt. Wie in Fig. 1 gezeigt, wirkt das Ende des Morrison-Rohres 40 gegenüber der Puls-Kombustoreinrichtung 10 als ein Entkopplerabschnitt 50, wo der Strom heißer Verbrennungsprodukte die Resonanzrohre 16 verläßt und einen Durchlauf durch die Anordnung der Leitungen 21 des Dampfkessels 20 beginnt.
Es kann auch eine Ausfallrutsche 60 für Asche oder eine andere Einrichtung vorgesehen sein, um einen Anteil der Teilchen im gasförmigen Verbrennungsproduktstrom zu entfernen. Eine Anordnung der Rutsche im Entkopplerabschnitt 50 des Morrison-Rohrs 60 entfernt vor dem Durchgang des Gases durch den Rest des Dampfkessels 20 bedeutende Teilchen aus dem Gasstrom. Ein Stoß- oder Trägheitsabscheider für Feststoffe ist eine der alternativen Einrichtungen, die verwendet werden können, um eine teilweise Entfernung von Teilchen aus dem Gasstrom zu bewirken. Der heiße Verbrennungsproduktstrom verläßt das Resonanzrohr 16 am Entkopplerabschnitt 50 und tritt dann in die Leitung 41 ein, um seinen Durchgang durch den Dampfkessel 20 zu beginnen. Vor dem Eintreten in die Leitung 41 neigt ein Anteil der im Verbrennungsproduktstrom mitgerissenen größeren Teilchen dazu, sich vom gasförmigen Strom zu trennen. Diese Teilchen können dann aufgefangen und durch die Ausfallrutsche 60 für Asche entfernt werden, wenn der Gasstrom seine erste Kurve in der Durchgangseinrichtung für heißes Gas macht. Das restliche teilchenförmige Material im gasförmigen Strom bleibt im wesentlichen im Gasstrom mitgeführt, während er durch die Dampfkesselleitungen 41 hindurchgeht.
Wie vorher erläutert, kann die Puls-Verbrennungseinrichtung 10 bei einer Temperatur unterhalb des Verschlackungspunktes der im Gasstrom enthaltenen Teilchen arbeiten, so daß Feststoffe suspendiert bleiben. Wenn sie in einem keine Schlacke bildenden Trockenasche-Abführungsmodus betrieben wird, ist die Notwendigkeit für eine feuerfeste Auskleidung für die Verbrennungskammer 14 und die Resonanzrohre 16 beseitigt, aber es kann eine Anordnung mit Vielfach-Resonanzrohr, die vier (4) oder mehr Abgasrohre verwendet, notwendig werden.
Ein weiterer Vorteil des Betriebs in einem keine Schlacke bildenden Modus ist das Potential für verringerte Stickstoffoxidemissionen und verbesserten Schwefeleinfang. Niedrigere Temperaturen verbessern die Steuerung dieser beiden Verunreinigungen. Zusätzlich kann eine mehrfache Luftstufentrennung eingesetzt werden, um Stickstoffoxidemissionen weiter zu steuern. Die Aufnahme einer mehrfachen Luftstufentrennung mit nahezu stöchiometrischer oder unterstöchiometrischer Verbrennung in der Verbrennungskammer 14 und dem Abgasrohr 16 durch eine sekundäre Zugabe von Luft in den Entkopplerabschnitt 50 verringert ebenfalls die Stickstoffoxidemissionen.
Die Dampfkesselleitungen 41 können im Dampfkessel 20 in einem herkömmlichen, serpentinenförmigen Muster im zu erhitzenden Fluid angeordnet sein. Wenn der heiße Gasstrom durch den Dampfkessel 20 hindurchgeht, wird Wärme auf die das Fluid umgebenden Leitungen 41 übertragen. Wie vorher erwähnt, kann jedoch auch ein Wasserrohrkessel verwendet werden, bei dem das zu erhitzende Fluid durch eine Leitung zirkuliert wird und bei dem die heißen Gase dieselbe umgeben. Das erhitzte Fluid kann anderen Anwendungen, wie der Raumheizung, zugeführt werden.
Nachdem die heißen Gase den Dampfkessel 20 verlassen haben, werden sie zur Entfernung eines wesentlichen Anteils des darin mitgeführten restlichen Teilchenmaterials einer weiteren Einrichtung zugeführt. Herkömmliche Einrichtungen zum Sammeln/Entfernen von Teilchen für diesen Zweck sind in Fig. 1 mit 70 bezeichnet. Solche herkömmlichen Systeme um fassen einen oder mehrere Zyklone oder andere Feststoffabscheider. Es wird gestattet, daß das Gas aus dem Zyklon 70 über einen Abgasauslaß in die Atmosphäre entweicht. Die gesammelte Flugasche und anderes Teilchenmaterial, einschließlich des Sorptionsmittels, das für eine Sorption von Verunreinigungen in das System eingespritzt worden sein kann, wird über den Abscheider 70 entfernt.
Ein Saugzugventilator 80 kann entlang der Durchgangseinrichtung für heißes Gas angeordnet und so eingestellt sein, daß er im Entkopplerabschnitt 50 vorzugsweise einen statischen Manometerdruck von Null aufrechterhält. Zusätzlich kann ein Druckluftventilator 90 verwendet werden, um der Luftkammer 18 Primärluft zuzuführen. Die Luftkammer 18 arbeitet als Volumen (capacitor) und versucht der Puls-Verbrennungseinrichtung 10 Primärluft bei annähernd konstantem statischem Druck zu liefern. Die aufgrund der Puls-Verbrennung in der vorliegenden Vorrichtung entwickelte Druckverstärkung verringert auch die Größe, die Energieanforderungen und die Kosten für den Druckluftventilator 90 und den Saugzugventilator 80.
Wie vorher erwähnt, kann ein Sorptionsmittel, wie gelöschter Kalk, Kalk, Kalkstein oder Dolomit in die Puls-Kombustoreinrichtung 10 oder irgendwo entlang der Durchgangseinrichtung für heißes Gas eingespritzt werden, wenn sie in einem keine Schlacke bildenden Modus betrieben wird, um eine Sorption der in dem heißen gasförmigen Strom vorhandenen Verunreinigungen zu bewirken. Besonders die oben angegebenen Sorptionsmittel sind bei der Entfernung von Schwefelderivaten, wie Schwefeldioxid, aus dem Gasstrom nützlich.
Alternativ oder zusätzlich zur Einspritzeinrichtung für das Sorptionsmittel kann eine Einrichtung zum Einspritzen von Teilchen mit einer Größe, die von der Größe der im Verbren nungsproduktstrom mitgeführten Teilchen verschieden ist, vorgesehen sein.
Es tritt eine bimodale Agglomeration auf, wodurch Teilchen mit unterschiedlichen Größen mit akustischer Verstärkung agglomeriert werden, die durch die Puls-Kombustoreinrichtung 10 bereitgestellt wird. Die Puls-Kombustoreinrichtung 10 erzeugt eine intensive Schallwelle durch von der Vertrennung ausgelöste Druckoszillationen, wenn sie mit einem Brennstoff befeuert wird. Das durch Verbrennung erzeugte Schallfeld führt über die Resonanzrohre 16 Resonanzschwingungen aus, die direkt auf den die Teilchen tragenden, gasförmigen Strom wirken, um eine akustisch verstärkte, bimodale Agglomeration der Teilchen im gasförmigen Strom zu bewirken. Weil die Agglomerate größer sind, wird eine verbesserte Entfernung der agglomerierten Teilchen entweder an der ersten Krümmung der Durchgangseinrichtung für das heiße Gas durch die Ausfallrutsche 60 für Asche oder am stromabwärtigen Ort der Entfernungseinrichtung 70 gestattet.
Die zur Verstärkung der akustischen Agglomeration und/oder dem Einfangen von Verunreinigungen verwendeten Teilchen werden vorzugsweise nahe dem Verbindungsbereich der Puls- Verbrennungskammer 14 und der Resonanzrohre 16 in das System eingeführt. Der Berührungsbereich zwischen den Resonanzrohren 16 und der Verbrennungskammer 14 ist ein Bereich hoher Wärmeabgaben und hoher Wärmeübertragung. Die große Wärme sorgt für eine Rate der Sorptionsmittelkalzinierung, die ferner eine hohe Porosität im kalzinierten Sorptionsmittel liefert, die wiederum ohne die Notwendigkeit für eine Feinstzerkleinerung des Sorptionsmittel ein hohes Verhältnis Oberfläche zu Masse erzeugt. Dies verstärkt zusammen mit den Wirkung des oszillierenden Strömungsfeldes die Sorptionsmittelausnutzung bei relativ niedrigen Molverhältnissen von Calcium zu Schwefel in der Größenordnung von etwa 2,5.
Die Gestaltung der vorliegenden Vorrichtung kann für die Erzeugung von gesättigtem Dampf bei niedrigen Drücken [weniger als 2,1 bar (30 psig) und vorzugsweise etwa 1,0 bar (15 psig)] arbeiten. Die bei der vorliegenden Erfindung verwendete Dampfkesselummantelung kann eine sein, die ursprünglich für mit Öl und Gas befeuerte Systeme vorgesehen war. Weiterhin hat die hier offenbarte Vorrichtung einen Platzbedarf ähnlich denjenigen für mit Öl und Gas befeuerte Dampfkessel.
Weitere Versuche, einen sauberen Verbrennungsgasstrom zu erzeugen, haben ein Schlacke erzeugendes Kombustorkonzept für die Entfernung des Hauptteils der Ascheteilchen verwendet. Kohlekombustoren arbeiten bei einer ausreichend hohen Temperatur, indem die Stöchiometrie der Verbrennungsluft in einer Kammer für eine adiabatische Verbrennung auf nahezu stöchiometrisch geregelt wird, so daß Asche geschmolzen wird und in Form von Schlacke aus dem Abgas entfernt wird.
Die hohen Temperaturen, bei welchen die Schlacke bildenden Kombustoren arbeiten müssen, neigen dazu, die Menge an beim Verbrennungsvorgang erzeugten Stickstoffoxiden zu erhöhen. Dies wiederum erfordert im allgemeinen weitere Einrichtungen stromabwärts des Kohlekombustors, um die Konzentration von Stickstoffoxiden im ausströmenden Gasstrom zu verringern. Die hohen Verbrennungstemperaturen in den Schlacke bildenden Kombustoren sind auch für eine Einführung eines Sorptionsmittels für Schwefel am Puls-Kombustor 10 ungeeignet, weil die Sorptionsmittel, wenn sie hinzugefügt werden, auch verschlacken, wodurch ihre Fähigkeit, eine Sorption von Verunreinigungen zu bewirken, zerstört wird.
Die Puls-Kombustoreinrichtung 10 kann für eine Zwei-Brennstoff-Kapazität vorgesehen sein. Der primäre Brennstoff kann Kohle und der sekundäre Brennstoff Erdgas sein. Der sekundäre Brennstoff ermöglicht nicht nur einen schnellen Anlauf der Einheit sondern stellt auch einen Unterstützung im Falle einer Unterbrechung der Zufuhr des primären Brennstoffs bereit.
Ein Puls-Kombustor, wie der bei der vorliegenden Erfindung verwendete, arbeitet typischerweise in der folgenden Weise. Brennstoff und Luft treten in die Verbrennungskammer 14 ein und eine Emissionsquelle bringt die explosive Mischung während des Anlaufens zur Detonation. Die plötzliche Zunahme an Volumen, die durch die schnelle Erhöhung der Temperatur und die Entwicklung von Verbrennungsprodukten eingeleitet wird, setzt die Kammer 14 unter Druck. Wenn sich das heiße Gas ausdehnt, gestattet die Ventileinrichtung 12, vorzugsweise eine Fluiddiode, eine bevorzugte Strömung in Richtung des Resonanzrohres 16. Der gasförmige Verbrennungsproduktstrom, der aus der Verbrennungskammer 14 und dem Resonanzrohr 16 austritt, besitzt ein bedeutendes Moment. Aufgrund der Trägheit der Gase im Resonanzrohr 16 wird in der Verbrennungskammer 14 ein Unterdruck erzeugt. Die Trägheit der Gase im Resonanzohr 16 gestatten nur einem kleinen Bruchteil der Abgase, in die Verbrennungskammer 14 zurückzukehren, wobei der Rest des Gases über das Resonanzrohr 16 austritt. Weil der Kammerdruck unterhalb des atmosphärischen Drucks liegt, werden Luft- und Brennstoffgemische in die Kammer 14 gesaugt, wo eine Selbstzündung stattfindet. Die Ventileinrichtung 12 begrenzt wieder eine Rückströmung, und der Zyklus beginnt von neuem. Wenn der erste Zyklus in Gang gebracht ist, unterhält der Maschinenbetrieb sich danach selbst.
Die bei vielen Puls-Verbrennungssystemen verwendete Ventileinrichtung ist ein mechanisches "Klappenventil". Das Klappenventil ist eigentlich ein Rückschlagventil, das eine Strömung vom Einlaß zur Verbrennungskammer gestattet und eine Rückwärtsströmung durch eine mechanische Sitzflächen anordnung begrenzt. Obwohl ein solches mechanisches Ventil in Verbindung mit dem vorliegenden System verwendet werden kann, ist ein aerodynamisches Ventil ohne bewegliche Teile bevorzugt. Bei einem aerodynamischen Ventil bildet sich während des Abgashubs im Ventil eine Grenzschicht, und turbulente Wirbeln drosseln viel der Rückwärtsströmung. Darüber hinaus haben die Auspuffgase eine viel höhere Temperatur als die Zufuhrgase. Folglich ist die Viskosität des Gases viel höher und ist der Rückwärtswiderstand des Einlaßdurchmessers wiederum viel höher als der für eine Vorwärtsströmung durch dieselbe Öffnung. Dieses Phänomen kombiniert sich mit der hohen Trägheit der ausströmenden Gase im Resonanzrohr 16, um eine bevorzugte und mittlere Strömung vom Einlaß zum Auslaß zu ergeben. Somit schafft eine Puls-Verbrennung eine selbstansaugende Maschine, die ihre eigene Luft und Brennstoff in die Verbrennungskammer 14 saugt und Verbrennungsprodukte selbst zündet.
Der hier für eine Kohlefeuerung verwendete, bevorzugte Puls-Kombustor basiert auf einer Helmholtz-Konfiguration mit einem aerodynamischen Ventil. Die Druckschwankungen, die durch die Verbrennung in dem wie ein Helmholtz-Resonator geformten Kombustor hervorgerufen werden, bewirken verbunden mit der Fluiddiodizität (fluidic diodicity) des aerodynamischen Ventils einen Vorbelastungsstrom (bias flow) von Luft und Verbrennungsprodukten aus dem Einlaß des Kombustors zum Auslaß des Resonanzrohres 16. Dies führt dazu, daß die Verbrennungsluft vom Kombustor selbstangesaugt wird und sich eine durchschnittliche Druckerhöhung in der Verbrennungskammer entwickelt, um die Verbrennungsprodukte mit einer hohen durchschnittlichen Strömungsgeschwindigkeit (über 1.000 feet/Sekunde) über das Resonanzrohr 16 auszustoßen.
Die Erzeugung einer intensiven Schallwelle ist ein der Puls-Verbrennung eigenes Merkmal. Die Schallintensität nach der Wand der Puls-Verbrennungskammer 14 liegt oft im Bereich von 110 bis 190 dB, was abhängig von der gewünschten Schallfeldfrequenz geändert werden kann, um die vom Puls- Kombustor unternommene, spezifische Anwendung anzupassen.
Die schnelle Druckschwankung über die Verbrennungskammer 14 erzeugt das starke oszillierende Strömungsfeld. Im Falle einer Kohleverbrennung bewirkt das schwankende Strömungsfeld, daß die Verbrennungsprodukte von der reagierenden festen Kohle weggefegt werden, wodurch Zugang zu Sauerstoff mit geringer oder keiner Begrenzung der Diffusion bereitgestellt wird. Zweitens erfahren Puls-Kombustoren sehr hohe Massentransport- und Wärmetransportraten in der Verbrennungszone. Während diese Kombustoren dazu neigen, sehr hohe Wärmeabgaberaten aufzuweisen (typischerweise zehnmal soviel wie herkömmliche Brenner), führen der starke Massentransport und der hohe Wärmetransport in der Verbrennungszone zu einer gleichmäßigeren Temperatur. Somit sind die erreichten Spitzentemperaturen viel geringer als im Fall von herkömmlichen Systemen. Dies führt zu einer bedeutenden Verringerung der Bildung von Stickstoffoxiden (NOx), wie vorher bemerkt. Die hohen Wärmeabgaberaten führen auch zu einer geringeren erforderlichen Kombustorgröße für eine gegebene Befeuerungsrate und einer Verringerung der erforderlichen Resonanzzeit.
Bei einigen besonderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist eine Gestaltung der Puls-Verbrennungskammer des in Fig. 5 gezeigten Typs bevorzugt. Diese Gestaltung verwendet Generatoren mit quadratischer Form, um eine achsensymmetrische Geometrie zu definieren, die zur Anpassung einer Anzahl von Gestaltungs- und Kammerleistungsmerkmalen ähnlich sein würde. Die alphanumerischen Legenden am in Fig. 5 dargestellten Puls-Kombustor entsprechend den folgenden Dimensionen, die sich auf eine Gestaltung eines Schlacke bildenden Kombustors (wie nachfolgend beschrieben) mit einer Wärmeabgabe von 2.200 kW (7,5 MMBtu/h) beziehen und zur Bestimmung weiterer Gestaltungen von Puls-Kombustoren verwendet werden können. Die Einlaßöffnung 100 weist einen Durchmesser von 14,4 cm (5,69 inch) und die Ausgangsöffnung 101 einen Durchmesser von 12,8 cm (5,06 inch) auf. Die Längen der verschiedenen Abschnitt der Verbrennungskammer sind wie folgt: L&sub1; beträgt 41,1 cm (16,17 inch), L&sub2; beträgt 10,5 cm (4,15 inch), L&sub3; beträgt 10,9 cm (4,31 inch), 14 beträgt 8,6 cm (3,40 inch) mit einer kombinierten Länge der Verbrennungskammer von der Einlaßöffnung 100 bis zur Auslaßöffnung 101 von 71,2 cm (28,03 inch). Der Winkel α beträgt 40º, die Länge R1 beträgt 63,9 cm (25,15 inch), die Länge R2 beträgt 16,4 cm (6,46 inch), die Länge R3 beträgt 10,9 cm (4,31 inch), und die Länge R4 beträgt 8,6 cm (3,40 inch).
Die Puls-Kombustorsysteme der vorliegenden Erfindung regulieren ihre eigene Stöchiometrie in ihrem Feuerungsbereich ohne die Notwendigkeit für umfangreiche Steuerungen, um das Massendurchsatzverhältnis von Brennstoffzufuhr zu Verbrennungsluft zu regulieren. Wenn die Brennstoffzufuhrrate erhöht wird, erhöht sich die Stärke der Druckpulastionen in der Verbrennungskammer 14, die wiederum die Menge an durch das aerodynamische Ventil angesaugter Luft erhöht. Somit erhält der Kombustor automatisch über seinen bestimmten Feuerungsbereich eine im wesentlichen konstante Stöchiometrie aufrecht. Die hervorgerufene Stöchiometrie kann durch Modifizieren der Fluiddiodizität des aerodynamischen Ventils geändert werden.
Das Aeroventil, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, kann auch bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden, so daß die Schalldruckwelle des Puls-Kombustors einstellbar ist. Wie schematisch dargestellt, steht eine feste Hülse mit der Verbrennungskammer 14 in Verbindung, wobei das Aeroventil 12 darin für eine Hin- und Herbewegung dort entlang ange ordnet ist. Das Ventil 12 ist wiederum mit einer Steuereinrichtung, wie einem linearen Betätigungselement 48, verbunden, die dem Ventil 12 die gewünschte Bewegung verleiht. Beispielsweise modifiziert eine Bewegung des Ventils 12 die Brennstoffaufenthaltszeit in der Zuführung der Verbrennungskammer sowie die Stöchiometrie. Wenn das Ventil 12 näher bei der Kammer 14 ist, ist weniger Aufenthaltszeit verfügbar. Eine erhöhte Aufenthaltszeit gestattet eine bessere Treibstoff/Luftvermischung sowie eine stärkere Abnahme der flüchtigen Bestandteile des Treibstoffes. Desgleichen kann, während ein Treibstoff/Luft-Gemisch über eine sich durch die Kammer 18 erstreckende Einlaßleitung 45 eingeführt werden kann, eine Einspritzstelle 47 für das Sorptionsmittel dort entlang verwendet werden, wobei eine axiale Einstellung geboten wird, wie durch ein lineares Betätigungselement 49.
Eine weitere Darstellung des Diodeneffekts der Einlaß- und Auslaßdiffusoren der Kammer unter Verwendung der Merkmale der Gestaltung des aerodynamischen Ventils auf Diffusorbasis ist in Fig. 6A und 6B gezeigt. Bei dieser Gestaltung umfassen zwei einfache, entgegengesetzte konische Diffusorabschnitte das aerodynamische Ventil. Am Einlaß wird ein steiler Diffusorwinkel verwendet, der zwischen 40º und 60º (halber Kegelwinkel) betragen kann. Auf der Seite der Verbrennungskammer wird ein Diffusor mit reichlich flachem Winkel verwendet, um für eine effiziente Druckrückgewinnung zu sorgen (4º bis 7º). Die Länge der Diffusorabschnitte und der Mindestdurchmesser des aerodynamischen Ventils werden so ausgewählt, daß die Integrations- und Leistungsanforderungen an den Kombustor erfüllt werden. Durch diese Variablen können für eine gegebene mittlere Strömungsrate die gesamte Fluiddiodizität und der minimale Wiederbeschickungswiderstand geändert werden.
Die Charakteristiken des Lufteinlaßstromes sind in Fig. 6A gezeigt. Die Grenzschichtausbildung, die in Richtung der Strömung monoton ist, wird durch die divergierende Querschnittsfläche des flachen Diffusorabschnittes kompensiert. Der Einlaßstrom saugt auch aus einem großen Bereich nahe des Ventileinlasses, da es wegen der Strömungsbeschleunigung aus einem breiten zu einem schmalen Querschnitt keine Strömungstrennung beim Einlaß aus dem steilen Diffusor .gibt.
Die Charakteristiken des Abgasstromes sind in Fig. 6B gezeigt. Die Grenzschichtausbildung über die Länge des Diffusors mit flachem Winkel in Richtung der Strömung bewirkt zusammen mit dem Diffusorwinkel, daß der effektive Mindestdurchmesser klein ist. Der Strom wird dann vom Diffusor mit steilem Winkel mit ungekehrtem Strom getrennt, was bewirkt, daß die Stromlinien in einer kleinen Querschnittsfläche für das Abgas bleiben.
Beide Strömungscharakteristiken und Differenzen in der Temperatur zwischen der Einlaßluft und den Rückstromgasen der Kammer rufen die Fluiddiodizität des aerodynamischen Ventils hervor. Mit dem schwankenden Druck in der Kammer bewirkt die Fluiddiodizität des aerodynamischen Ventils, daß der Nettostrom am aerodynamischen Ventil Verbrennungsluft mit einem selbstinduzierten Stöchiometrieniveau aufnimmt.
Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können zwei (2) Puls-Kombustoren in einer Tandemkonfiguration angeordnet werden, bei der die Verbrennungskammern und Abgasrohre ein gemeinsames Heizrohr (nicht gezeigt) bilden. Der Tandembetrieb verwendet eine Phasenverzögerung von 180º zwischen jeder Kombustoreinheit und führt zu einer Überlagerung von Schallwellen und Aufhebung der flüchtigen Schallemissionen. Eine Tandemkonfiguration sorgt auch für eine automatische Treibstoffsynchronisierung und Vorver dichtung. Jedoch ist bei einigen Tandemgestaltungen die Menge an während der Auslaßphase kräftig in den Puls-Kombustor eingespritztem Treibstoff verringert. Eine solche Einspritzung kann unerwünscht sein, da Treibstoffteilchen schnell und verfrüht aus der Puls-Verbrennungskammer hinausbefördert werden, was zu einem geringen Verbrennungswirkungsgrad führt.
Eine alternativen Ausführungsform, die Tandem-Kombustoren verwendet, die die Einspritzung von Treibstoffen während der Auslaßphase effektiver verringert und bevorzugt ist, ist in Fig. 7A und 7B gezeigt. Bei dieser Tandemkonfiguration wird entlang eines T-Stücks 150 der Haupttreibstoffleitung Treibstoff zugeführt, wobei ein Schenkel des T- Stücks mit jedem der Tandem-Kombustoren verbunden ist. Das T-Stück 150 für Treibstoff wirkt als eine Verbindung, die eine automatische Treibstoffvorbelastung zwischen den Puls- Kombustorkammern 160 und 170 gestattet. Eine effiziente Synchronisierung des Treibstoffs im T-Stück 150 für Treibstoff wird durch die Fähigkeit bewirkt, die Puls-Kombustorkammern 150 und 160 im Tandem um 180º außer Phase zu betreiben. Unter diesen Bedingungen erreicht eine Verbrennungskammer eine Niederdruckphase gerade, wenn die andere Kammer gleichzeitig eine Hochdruckphase erreicht. Aufgrund des Druckgradienten, der im Verbindungs-T-Stück 150 für Treibstoff vorhanden ist, werden Verbrennungsprodukte von der Kammer mit hohem Druck zur Kammer mit niedrigem Druck beschleunigt. Das Moment der beschleunigten Gase belastet einen Treibstoffstrom von der Haupttreibstoffquelle in das T-Stück 150 der Treibstoffleitung und schließlich in die Verbrennungskammer mit niedrigem Druck vor. Einen halben Zyklus später tritt ein ähnliches Phänomen in die entgegengesetzte Richtung auf. Dadurch kann Treibstoff ohne Verwendung mechanischer Klappenventile oder einer unabhängigen Synchronisierungskammer richtig synchronisiert werden. Die natürliche Instabilität der Tandemeinheiten, die eine ge meinsame Verbindungsleitung für den Treibstoff verwenden, ist ausreichend, um die beiden Verbrennungseinheiten automatisch um 180º außer Phase zu bringen, weil die Einheiten inhärent nach dem stabilsten und unempfindlichsten Betriebszustand suchen. Dieser Zustand führt zu einer effizienten Treibstoffsynchronisierung, d. h. einer Phasenverzögerung von 180º.
Es gibt verschiedene Einrichtungen zum Verbinden von Tandem-Verbrennungseinheiten 150 und 160, einschließlich einer Abgasrohrverbindung oder einer Verbindung mit aerodynamischem Ventil. Die Abgasrohrverbindung ist aufgrund der Vorverdichtungswirkung der Auslaßfluide mit hohem Moment, die gestatten, daß unverbrannte Teilchen innerhalb des Einflusses des starken, schwankenden Strömungsfeldes der Verbrennungsprodukte am Auslaßbereich für eine längere Zeitdauer zurückgehalten werden, eine wirksame Annäherung.
Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann auch dafür vorgesehen werden, in einem Schlacke bildenden Modus zu arbeiten, in dem die Temperatur des Systems wenigstens die ist, die erforderlich ist, um die Teilchen im Gasstrom zum verschlacken zu bringen. Eine Gestaltung für einen Schlacke bildenden Kombustor gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 8 gezeigt, in der gleiche Zahlen gleiche Elemente darstellen, die unter Bezugnahme auf Fig. 1 erörtert wurden. Ein Auslaufventil 310 für die Schlacke wird mit einem Hilfsbrenner heiß gehalten, so daß die Schlacke geschmolzen bleibt und in ein Schlackesammelgefäß fließt, ohne die Sammelöffnung zu verstopfen.
Das Resonanzrohr 16 und der wassergekühlte Entkopplungsabschnitt 300 sind in Fig. 8 in U-Form gestaltet, um sich den Anforderungen des begrenzten Raumes anzupassen. Für Schlacke bildende Vorgänge können eine Verbrennungskammer 14 und ein Resonanzrohr 16 mit feuerfester Auskleidung er forderlich sein. Am Boden des Entkopplers 300 ist ein Auslaufventil 310 für die Schlacke bereitgestellt und kann von jedem Auslaßtyp sein, der fähig ist, Schlacke aus dem System zu entfernen. Wie gezeigt, bildet sich Schlacke im allgemeinen an den Innenwänden des Resonanzrohres 16 und des Entkopplerabschnittes 300 und läuft zum Auslaufventil 310 für die Schlacke ab, wo sie für eine Entfernung in herkömmlicher Weise erhitzt bleibt.
Fig. 8 zeigt auch die vorher erwähnte Axialdruckverstärkungseinrichtung 19 in Verbindung mit der Ventileinrichtung 12 und in der Luftkammer 18 enthalten.
Wenn im Schlacke bildenden Modus gearbeitet wird, sollte eine Einrichtung zum Einführen eines Sorptionsmittels zum Einfangen von Verunreinigungen stromabwärts der Puls-Kombustoreinrichtung 10 vorgesehen sein. Die niedrigen Temperaturen stromabwärts gestatten dem Sorptionsmittel, in fester Form zu bleiben, wodurch gestattet wird, daß das Sorptionsmittel die Sorption der Verunreinigungen angemessen ausführt. Wie in Fig. 8 gezeigt, ist eine solche Einrichtung zum Einführen des Sorptionsmittels stromabwärts des Entkopplerabschnitts 300 am Einlaß 330 gezeigt. Die Einrichtung zum Einführen des Sorptionsmittels kann jede herkömmliche Öffnung umfassen, die eine Einführung von Teilchen in eine unter Druck stehende Kammer gestattet.
Zusätzlich zum Zyklon 70 ist eine Wäschereinheit 360 zum weiteren Reinigen der Teilchen aus dem Gasstrom, bevor das Gas in die Atmosphäre ausgestoßen wird, gezeigt.
Eine weitere Ausführungsform der Puls-Kombustoreinrichtung 10, die bei dieser Erfindung verwendet werden kann, die zusätzliche Merkmale davon zeigt, ist in Fig. 9 gezeigt. Insbesondere zeigt Fig. 9 das Resonanzrohr 16 wassergekühlt mit einem Wassermantel darum herum. Außerdem zeigt Fig. 9 die vorher beschriebene Konfiguration des Resonanzrohres 16, bei der das Resonanzrohr 16 sich unmittelbar von der Verbrennungskammer 14 aus nach außen aufweitet, aber dann dahinter gerade wird. Bei dieser Ausführungsform beträgt die Länge A 35,9 cm (14,15 inch), die Länge B 91,4 cm (36,00 inch) und die Länge C 194,7 cm (76,67 inch).

Claims

1. Vorrichtung zum Erhitzen eines Fluids unter Verwendung eines Fluidheizgefäßes (20), wie eines Heizrohrkessels, bei der das Gefäß darin eine Einrichtung zur Aufnahme eines zu erhitzenden Fluids und eine damit in Verbindung stehende Fluideinlaß- und -auslaßeinrichtung (30, 35) aufweist, wobei das Gefäß (20) darin eine Einrichtung (40, 41) aufweist, die ein Heizrohr (40) zum Wärmeaustausch zwischen heißen Gasen, die durch die Wärmeaustauscheinrichtung (40, 41) hindurchgehen, und dem Fluid einschließt, wobei eine Auslaßeinrichtung aus der Wärmeaustauscheinrichtung (40, 41) vorgesehen ist; und wobei die Vorrichtung weiterhin eine Puls-Verbrennungseinrichtung (10), z. B. quadratisch oder abstimmbar, in Verbindung mit der Wärmeaustauscheinrichtung (40, 41) des Fluidheizgefäßes (20) aufweist, wobei die Puls-Verbrennungseinrichtung (10) zur Verbrennung eines Brennstoff/Luft-Gemischs fähig ist, um einen pulsierenden Strom von heißen Verbrennungsprodukten und eine Schallwelle bei einer Frequenz im Bereich von 20-1.500 Hz zu erzeugen, wobei die Puls-Verbrennungseinrichtung (10) auch eine Ventileinrichtung (12) zur Aufnahme eines Brennstoff/Luft-Gemischs bei Bedarf, eine Verbrennungskammer (14) in Verbindung mit der Ventileinrichtung (12) und wenigstens ein Resonanzrohr (16) in Verbindung mit der Verbrennungskammer (14) und der Wärmeaustauscheinrichtung (40, 41) des Fluidheizgefäßes beinhaltet, um der Wärmeaustauscheinrichtung (40, 41) heiße Gase zuzuführen, wobei die Vorrichtung weiterhin eine Einrichtung, wie einen Zyklon (70), zur Entfernung von teilchenförmigem Material aus dem Gas beinhaltet, wobei die Puls-Verbrennungseinrichtung (10) mit der Wärmeaustauscheinrichtung (40, 41) so zusammen wirkt, daß der pulsierende Strom von heißen Ver brennungsprodukten und die Schallwelle Wärme und akustische Schwingungen direkt der Wärmeaustauscheinrichtung (40, 41) zuführen und wobei ein Abschnitt des wenigstens einen Resonanzrohres (16) sich zur Wärmeübertragung davon auf das Fluid in dem Abschnitt des Fluidheizgefäßes (20) im Heizrohr (40) des Gefäßes (20) befindet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Vorrichtung bei einem Druck von 1 bis weniger als 2,1 bar betrieben werden kann.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der ein Abschnitt der Puls-Verbrennungseinrichtung (10) und das wenigstens eine Resonanzrohr (16) der Puls-Verbrennungseinrichtung (10) zur Wasserkühlung ummantelt (17, 90) sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der sich die Einrichtung zum Entfernen teilchenförmigen Materials stromabwärts des Fluidheizgefäßes (20) befindet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, die weiterhin eine Einrichtung (60) umfaßt, die entlang eines Anfangsabschnitts der Wärmeaustauscheinrichtung (40, 41) zur teilweisen Entfernung von Teilchen aus dem hindurchgehenden Gas angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Wärmeaustauscheinrichtung (40, 41) wenigstens ein Rohr (41) umfaßt, das sich durch das Gefäß (20) entlang eines Serpentinenweges erstreckt, der eine Vielzahl von Durchgängen hin und her durch das Gefäß bildet, und bei der sich die Einrichtung (60) zur teilweisen Teilchenentfernung stromaufwärts einer Stelle befindet, bei der das Rohr seinen Weg im Gefäß umkehrt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Treibstoffventileinrichtung (12) der Puls-Verbrennungseinrichtung (10) hinsichtlich der Verbrennungskammer (14) hin und her eingestellt werden kann.

8. Verfahren zum Erhitzen eines Fluids, das die Schritte umfaßt:

a) Führen eines zu erhitzenden Fluids durch ein Gefäß (20);

b) Puls-Verbrennung eines Brennstoffs in einem Puls- Kombustor (10), der mit dem Gefäß (20) in Verbindung steht, wobei der Puls-Kombustor (10) wenigstens ein Resonanzrohr (16) aufweist, wobei sich ein Abschnitt des wenigstens einen Resonanzrohres (16) in einem Heizrohr (40) des Gefäßes (20) befindet, wobei das wenigstens eine Rohr (16) so betrieben werden kann, daß ein pulsierender Strom von Verbrennungsprodukten und eine Schalldruckwelle bei einer Frequenz von etwa 20 bis etwa 1.500 Hz erzeugt wird, und wobei der Strom von Verbrennungsprodukten und die Schalldruckwelle direkt in das Gefäß (20) geführt werden, um dadurch eine Wärmeübertragung auf das Fluid im Gefäß (20) für ein vorbestimmtes Erhitzen des Fluids zu bewirken;

c) Entfernen teilchenförmiger Materialien aus dem Strom von Verbrennungsprodukten; und

d) Befördern des erhitzten Fluids, um seine beabsichtigte Funktion der Wirkung als Wärmequelle für verschiedene Heizeinrichtungen zu erfüllen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Puls-Verbrennungseinrichtung (10) bei einer Temperatur unterhalb des Verschlackungspunktes der Verbrennungsprodukte des darin verbrannten Brennstoffs betrieben wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Druck im Gefäß, in dem das Fluid erhitzt wird, bei einem Niveau unterhalb 2,1 bar gehalten wird.

11. Verfahren nach Anspruch 8, das weiterhin den Schritt des Einführens eines teilchenförmigen Materials mit einer Größenverteilung, die sich von dem aus der Puls- Verbrennung resultierenden, teilchenförmigen Material unterscheidet, in den Strom von Verbrennungsprodukten umfaßt, um eine bimodale Agglomeration des teilchenförmigen Materials zu bewirken, wobei wahlweise das eingeführte teilchenförmige Material ein Sorptionsmittel für Verunreinigungen im Verbrennungsproduktstrom ist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Verunreinigung ein Schwefelprodukt und das teilchenförmige Material ein Sorptionsmittel dafür ist.

13. Verfahren nach Anspruch 8, das einen Schritt des teilweisen Entfernens von agglomeriertem, teilchenförmigem Material aus dem Strom von Verbrennungsprodukten beinhaltet, bevor der Strom das Gefäß (20) verläßt.