SE449032B - Forfarande och apparat for forbrenning av kolhaltigt brensle - Google Patents

Description

449 032 2 bränsle och Oxídationsmedel, så att (1) förbränningstempe- raturen hålles inom ett sådant område, att flytande slagg i huvudsak kontinuerligt avsättes på en inneryta i för- bränningskammaren och kan avlägsnas från denna åtskíld från de gasformiga förbränningsprodukterna, (2) större delen av kolinnehållet i bränslepartiklarna omvandlas till oxider av kol, innan partiklarna träffar innerväggarna av förbränningskammaren, och (3) en bränslerik förbränninge- blandning upprätthålles i åtminstone en väsentlig del av förbränningszonen i förbränningskammaren för att härigenom begränsa bildningen av oxider av kväve och/eller svavel.

En utföringsform av anordningen enligt uppfinningen är särskilt lämpad för användning med magnetohydrodynamiska elektrogeneratorer. Anordningen enligt uppfinningen är även lämpad för ombyggnad av värmeenergianläggningar som ursprung- ligen är utformade och konstruerade för förbränning av natur- gas eller olja samt kan även användas för genomförande av metallurgiska processer eller andra kemiska processer, exem- pelvis spaltning, krackning, kolpyrolys eller framställning av generatorgas eller syntesgas.

Anordningen enligt uppfinningen är försedd med en kammare med väggar som definierar en reaktionszon. Anordningen är försedd med ett bränsleinlopp i kammaren, genom vilket partiklar av fast eller flytande bränsle tillföres. För de flesta använd- ningsändamål har partiklarna av bränsle en storlek understi- gande ca 750 um i diameter. Lämpliga bränslen är kolpulver, finfördelat oljehaltigt skiffer, petroleumrester och liknande.

Kammaren är försedd med inlopp för oxidationsmedel som är utformat för införing i förbränningszonen av en roterande oxidationsmedelsgas, exempelvis luft eller ren syrgas. Ett utlopp nedströms i förhållande till inloppet möjliggör utmat- ning från kammaren av gasformiga reaktionsprodukter och even- tuella fina partiklar av slagg som icke uppsamlats på inner- väggarna av kammaren.

Ett kännetecknande särdrag för uppfinningen är att partiklarna :fli 449 032 av bränsle bringas att reagera väsentligen fullständigt innan de träffar innerväggen av kammaren. Detta åstadkommes genom reglering av det aeroballistiska området i reaktionszonen så att förbränningstiden för partiklarna generellt är kortare än flygtiden för partiklarna till kammarväggen. Ett primärt kännetecken för förbränningen i ett aeroballistiskt område är förmågan att optimera blandningen och modifiera förbrännings- processen för varierbara förbränningsbetingelser, exempelvis kolinfångningen av slaggen, nedvridningsförhâllandet (turndown ratio), bränsletypen eller bränslets sammansättning, det pro- centuella avlägsnandet av slagg, verkningsgraden av kolut- bränningen, samt tillsatsmedel till förbränningszonen. P.g.a. dessa egenskaper är anordningen enligt uppfinningen väsentligt mindre än brännare med samma avgivna värmeeffekt. Eftersomxnan enligt uppfinningen reglerar partikelns flykt under förbrän- ningen är anordningen enligt uppfinningen särskilt lämpad för framställning av generatorgas, syntesgas eller för genomförande av metallurgiska processer, såsom anges i det följande.

Enligt en föredragen utföringsform införes oxidationsmedel i gasen i en cylindrisk kammare såsom ett flertal separata strömmar. En gasström injiceras i reaktionszonen i en riktning som är väsentligen parallell med reaktionskammarens längdaxel, och en andra ström införes tangentiellt i förhållande till kammarens vägg. Genom reglering av massflödet och hastigheten av de tvâ gasströmmarna samt det bränsle som införes i kammaren är det möjligt att åstadkomma och upprätthålla förbränning av bränslepartiklarna under flykt. I synnerhet erhålles enligt uppfinningen en strömning av hjultyp av blandningen av oxida- tionsmedel och bränsle i reaktionszonen. Med strömning av hjultyp avses antingen en väsentligen ren hjul~strömning eller en kombinerad hjul-virvelströmning. I det följande diskuteras båda dessa typer i detalj, men båda typerna ger ett aerobal- listiskt tillstånd vid vilket de brinnande partiklarna upp- visar väsentligt längre uppehâllstid i reaktionszonen än som skulle kunna uppnås med den strömning av virveltyp (vortical- type), som användes i vissa konventionella brännare. 449 032 Anordningen och dess funktionssätt är sådana att en större del av slagginnehållet i bränslet kan avlägsnas från de gasformiga reaktionsprodukterna innan dessa produkter bortgår från reak- tionskamaren. Enligt en föredragen utföringsform är reak- tionskammaren försedd med en slaggbaffel vid förbränninge- zonens utloppsände. Vid strömming av hjultyp transporteras slaggpartiklarna radiellt mot reaktionskammarens vägg nära nedströmsänden av reaktionskammaren, och reaktionstemperatu- rerna i reaktionszonen hållas vid sådan nivå att slaggför- ângningéh minimeras. Upp till ca 95 % av slaggen avsättes på väggarna och avlägsnas från reaktionszonen såsom smälta.

Separering av slaggen i smält tillstånd från de gasformiga reaktionsprodukterna regleras, åtminstone delvis, genom regle- ring av de per tidsenhet tillförda mängderna av bränsle och luft varigenom man reglerar temperaturen i reaktionszonen.

Till följd härav har droppar av smält slagg som avsättas på innerytan en benägenhet att kvarstanna i smält tillstånd och kan avrinna till den nedre delen av reaktionskammaren och avlägsnas genom en slaggfälla eller andra lämpliga organ för avlägsnande och bortskaffande av slaggen. Dessutom'gynnar användningen av en vattenkyld reaktionskamnare av metall_ bildningen av ett skikt av slagg som stelnar på innerytan av reaktionskammaren. Eftersom skiktet av stelnad slagg på innerväggarna har förhållandevis låg värmeledningsförmâga fungerar detta skikt såsom en infodring som skyddar den inre kammarväggen och minskar värmeförlusterna. Mekanismerna för reglering av den per tidsenhet tillförda mängden bränsle och oxidationsmedel bildar tillsammans med slaggbaffeln och den vattenkylda reaktionskammaren medel för att minska koncentra- tionen av förångad slagg i avgasströmmen och avlägsna huvud- delen av slaggen i smält tillstånd.

Enligt föredragna utföringsformer tillföres bränslet till den första reaktionszonen i form av finfördelat kolhaltigt mate- rial som är blandat med och bäres av en bärargas. Bränsle- insprutningssubsystem innefattar företrädesvis en tappventil- anordning med vilken den per tidsenhet tillförda bränsle- 449 032 'I. mängden kan regleras, och, såsom beskrives utförligare i det följande bränslet fördelas i reaktionszonen. För olika drifts- sätt är det önskvärt att använda olika bränslefördelnings- mönster i reaktionszonen. Detta åstadkommas genom anordnande av tappventiler på olika ställen eller genom variering av den sprutvinkel i vilken bränslet injiceras i förhållande till reaktionskammarens längdaxel. Enligt en föredragen utförings- form innefattar tappventilanordningen en koaxiellt anordnad, i längdriktningen justerbar tapp med förstorade änddelar. En i huvudsak konisk yta hos den förstorade änddelen fungerar såsom deflektor för att rikta det inströmmande bränslet i radiell riktning utåt från tappventilanordningen i ett i huvudsak konformat fördelningsmönster. Justeringen av bräns- leflödesförhållandet åstadkommes genom en kombinering av två mekanismer. Med den första mekanismen varieras mängdförhål- landet mellan bränsle och bärargas genom ökning eller minsk- ning av bärargasflödet. Mängdförhållanden mellan fast mate- rial och gas av upp till lO0:l och ned till väsentligen enbart bärargas möjliggör strypreglering (throttling control) inom ett vidsträckt intervall utan rörliga delar i tappventilen.

Det andra sättet att reglera bränsleinflödet är att justera tappventilen i längdriktningen.

En utföringsform av uppfinningen är speciellt utformad och avpassad för generering av elektrisk energi på magne- tohydrodynamisk väg. Denna anordning innefattar en andra reaktionskammare anordnad omedelbart nedströms i förhållande till avslaggningsbaffeln i den första reaktionskammaren.

Denna utföringsform innefattar orgauför införing av ytterli- gare mängd oxidationsmedelgas och blandning av denna med de gasformiga reaktionsprodukter, som bortströmmar från den första reaktionszonen. Med detta arrangemang kan den första reaktionszonen arbeta i bränslerikt tillstånd så att avgasen innehåller väsentliga mängder ofullständigt förbrända produk- ter, såsom kolmonoxid och väte. I den andra kammaren bringas dessa produkter att reagera vidare till bildning av ytterli- gare mängd värmeenergi. Eftersom ca 90 % eller mer av slaggen 449 032 avlägsnats i den första reaktionszonen kan man tillåta tempe- raturen i den andra reaktionskammaren uppnå nivåer som är väsentligt högre än slaggšörångningstemperaturen för att häri- genom förbättra den termodynamiska verkningsgraden vid efter- följande omvandling av värmeenergi till elektrisk energi.

Denna utföringsform av anordningen enligt uppfinningen inne- fattar nära inloppsänden av den andra reaktionskammaren en inmatningsanordning för reaktionskomponenter med vilken valda ytterligare reaktionskomponenter kan tillsättas till den hög- temperaturgasström som inströmmar i den andra reaktionskamma- ren. Dessutom kan den andra reaktionskammaren vara försedd med arrangemang för att minska eller eliminera den höga vinkelhastigheten hos de gasformiga reaktionsprodukterna.

Enligt en föredragen utföringsform åstadkommes modifiering av vinkelhastigheten genom injicering av vtterligare mängd luft (kompletterande luft) i en riktning och med en hastighet som avpassas så att rctationsmomentet hos denna ytterligare mängd oxidationsmedelgas väsentligen uppväger och upphäver rota- tionsmomentet hos de reaktionsprodukter som utmatas från den första reaktionszonen. Denna införing av ytterligare mängd oxidationsmedelgas i den andra reaktionskammaren utgör ett medel för upphävande av avrotationsmomentet hos de gasformiga reaktionsprodukterna genom utbyte av rörelsemängd.

Det har visat sig att förfarandet och anordningen enligt upp- finningen med gott resultat kan användas för smältning av vissa metallmalmer, exempelvis oxider och sulfider av koppar, zink, järn, bly, nickel och silver. Vid metallurgiska pro- cesser justeras eller förutbestämmes först den per tidsenhet tillförda bränslemängden så att man arbetar vid en nivå som är tillräcklig för att bibehålla det önskade temperaturområdet i förbränningszonen. Med bränsletillförselnivån fastlagd på detta sätt justeras lufttillförseln för bränslerik eller bränslefattig drift av blandningen i reaktionszonen efter behov. Vid många metallurgiska processer hålles reaktions- zonen företrädesvis på den bränslerika sidan av den stökiomet- 449 032 riska sammansättningen och härigenom åstadkommas en reduceran- de atmosfär i vilken malmkoncentraten kan injiceras. Metall- malmerna införas lämpligen i reaktionszonen såsom finfördélat pulver, antingen blandat med pulverformigt fast bränsle eller, alternativt, blandat med en bärargas och injicerat i reak- tionszonen genom en separat tappventil eller andra lämpliga organ för injicering av reaktionskomponenter. Malmkoncentrat som injiceras på detta sätt i den bränslerika strömmenav gas- formiga reaktionsprodukter reduceras av de bränslerika gaser med vilkä de blandas, och smälta droppar av metall bildas i - nedströmsdelen av den roterande kroppen av gasformiga reak- tionsprodukter. Om systemet är justerat på lämpligt sätt ut- övas pâ dessa smälta metalldroppar centrifugalkrafter när de fortskrida mot utloppsänden av reaktionszonen varigenom de accelereras mot de radiella ytterdelarna av reaktionskammaren.

En strömming av hjultyp i förbränningszonen bidrar därför till att separera smält metall från gasformiga förbränningsproduk- ter som bildas och åstadkommer avsättning av den smälta metal- len på reaktionskammarensväggar från vilka metallen kan bort- föras tillsammans med slaggen.

Vid de flesta metallurgiska processer arbetar man i bränsle- rikt tillstånd och upprätthåller reducerande atmosfär i för- bränningszonen, men uppfinningen är icke begränsad till detta.

Det har sålunda visat sig att metallisk koppar kan framställas från kopparsulfider, exempelvis kopparkis och kopparglans, under det att förbränningszonen arbetar vid balancerad stökio- metri eller svagt oxidationsmedelrikt tillstånd.

Enligt en annan utföringsform av uppfinningen kan andra reaktionskomponenter tillsättas till reaktionszonen, antingen tillsammans med malmkoncentratet eller separat för sådana kemiska reaktioner som kan erfordras med hänsyn till de kemiska reaktionsbetingelserna för den speciella typ av reaktion som genomföras i reaktionszonen. Sålunda kan till- satser användas för att göra slaggen mer tillgänglig för efterföljande separation av metalliska produkter eller för att ..-..-_-. .l..-._-.-.v_z_-. .--__ . . 449 052 förbättra infångning av potentiella luftföroreningar som annars skulle uppkomma vid förbränningsprocessen. Genom till- sats av valda reaktionskomponenter tillsammans med temperatur- reglering kan svaveloxider (SOX) i avgaserna avlägsnas från de gasformiga förbränningsprodukterna utan användning av konven- tionella tvättapparater för avgasen. För reglering av emis- sionen av SOX kan behandlingskemikalier, exempelvis karbona- ter, tillsättas till det tillförda bränslet eller införas separat i reaktionskammaren. Bildningen av kväveoxid (NOX) såsom förorening regleras genom att man upprätthåller bränsle- rika förbränningsbetingelser och härigenom begränsar tempera- turen till den nivå som är tillräckligt låg för att förhindra hastig bildning av NOX.

Ett annat särdrag hos uppfinningen är att det är möjligt att framställa generatorgas eller syntesgas. Anordningen enligt uppfinningen kan användas för förbränning av kolhaltiga bränslen för framställning av en typ av generatorgas som tillföres till konventionella olje- eller gaseldade brännare.

Det är önskvärt att en sådan generatorgas innehåller maximal- mängd kolmonoxid som kan erhållas. Härigenom ökas värmeinne- hållet och ökas därför det ekonomiska värdet.. Även om viss mängd vatten medföres in i reaktionszonen med bränslet och luften kan det vara olämpligt att tillsätta vatten eller vattenånga till reaktionszonen eftersom detta skulle minska mängden bildad kolmonoxid. Injicering av lämpliga kemiska ämnen i reaktionszonen för avlägsnande av SOX är emellertid önskvärt. Under perioder med brist på olja och gas kan anord- ningen enligt uppfinningen sålunda användas för framställning av ett bränsle som förbrännas rent och som är lämpat såsom ersättning för olja och naturgas.

Man kan framställa en syntesgas med användning av ren syrgas i stället för luft under förbränningsprocessen och injicering av en mängd vattenånga som ger det önskade förhållandet mellan kolmonoxid och vätgas i syntesgasen. Orsaken till att syre användes i stället för lufl:är att man eliminerar kväve som , 4_,__¿_u_=_,,,_,, , , _.. _00., ...~ - 449 052 utgör ett utspädande ämne och i många fall är en skadlig kom- ponent i syntesgas. Eftersom kol kan brännas rent i anord- ningen enligt uppfinningen så att SOX och slagg avlägsnas'frân avgasen ger anordningen enligt uppfinningen syntesgas till reducerat pris jämfört med konventionella metoder.

Enligt ett annat särdrag för uppfinningen kan anordningen användas för generering av avgas med hög temperatur som ut- nyttjas för behandling av kolhaltiga material, exempelvis kol, skiffer~eller olja. Ett lämpligt system för behandling av sådana kolhaltiga material innefattar ett första steg innefat- tande anordningen enligt uppfinningen och ett eller fler steg kopplade till anordningen enligt uppfinningen. De kolhaltiga materialen inmatas i ett eller flera av dessa nedströms arran- gerade steg, och avgaserna som bortströmmar från det första steget eller det andra steget till efterföljande steg ger värme för behandling av de kolhaltiga materialen. Fasta mate- rial separeras från de gasformiga komponenter som bortgår från slutstegen i systemet och flyktiga kolväten tillvaratages.

Vid behandling av kol förångar de heta gaserna vatten och kol- väten i kolet. De värdefulla kolvätena kan tillvaratagas, och kvarstående förkolat material, som har lägre vikt, kan trans- porteras på ett mer ekonomiskt sätt än icke behandlat kol.

Sålunda innehåller kol exempelvis så mycket som 20 viktprocent vatten. Kostnader för transport av kol innehållande så höga mängder vatten mer än uppväger kostnaderna för behandling av kolet med anordningen enligt uppfinningen. När skiffer retortbehandlas genom upphettning sönderdelas kerogen i skiffern till olja, och oljan förflyktigas därefter och av- skiljes från de fasta skiffermineralen. Oljan behandlas genom snabbspaltning (flash cracking) varvid en utgångsström av olja' injiceras i nedströmsstegen i systemet och hastigt upphettas.

Oljan sönderdelas till kolväten med lägre vikt som därefter separeras från de inerta gasformiga förbränningsprodukterna.

Uppfinningen liksom ytterligare fördelar med denna framgår tydligare för fackmannen av följande detaljerade beskrivning 449 032 av utföringsexemplen pâ uppfinningen under hänvisning till bifogade ritning.

Figur l är ett schematiskt diagram över en anordning enligt uppfinningen.

Figur 2a till 2d är perspektivvyer av skruvlinjeformad hjul- formad strömning som âstadkommes i anordningen enligt figur 1.

Figurerna 3 till 6 är diagram som visar karakteristika för ett flertal olika typer av fluidströmning med hög hastighet och rörelsen av partiklarna i en roterande fluidmiljö.

Figur 7 är en perspektiv vy, delvis i sektion, av en anordning enligt uppfinningen.

Figur 8 är en sidovy, delvis i sektion, av anordningen enligt figur 7.

Figur 9 till 12 är tvärsektioner utefter planen 9-9, 10-10, ll-ll resp. 12-l2 på figur 8.

Figur 13 är ett schematiskt diagram över en transportanordning enligt uppfinningen för en såsom reaktionskomponent verkande tät fas.

Figur 14 är en sidovy, delvis i sektion, genom en del av anordningen enligt figur 13.

Figur 15 och 16 är sidovyer, delvis i sektion, genom en alter- nativ utföringsform av en del av anordningen enligt figurerna 7 och 8.

Figur 17 är en längdsektion genom reaktionskammare för arbete vid högt tryck.

Figur 18 är en tvärsektion utefter planet 18-18 på figur 17. 449 032 11 '=- -'“"' Figur 19 är en delsektion som visar detaljer av anordningen enligt figur 17.

Figur 20 är ett flödesschema som åskådliggör hur anordningen enligt uppfinningen användes för framställning av generatorgas eller syntesgas.

Figur 2l är ett flödesschema som visar hur anordningen enligt uppfinningen användes för pyrolys av kol, retortbehandling av skiffer eller för flamspaltning av olja. _ I det följande anges en detaljerad beskrivning av uppfinningen.

Allmänt arrangemang.

För ett förstående av de grundläggande särdragen hos uppfin- ningen är det lämpligt att först betrakta en förenklad skiss- artad avbildning av en anordning 10 enligt uppfinningen på figur 1. Anordningen 10 innefattar en reaktionskammare 2l, som utgöres av en metallcylinder vilken är symmetriskt runt en längdaxel Z och definierar en cylindrisk reaktionszon 22.

Vid en inloppsände 23 införes primärluft eller en längsriktad luftström i reaktionszonen 22 längs strömningslinjer paral- lella med axeln. Nedströms från änden 23 finnes en injek- tionsöppning 24 för införing av sekundär luft tangentiellt i reaktionszonen 22. En tappventil 25 för insprutning av bränsle, som är anordnad koaxiellt i kammaren 21 vid inlopps- änden 23, är försedd med en tapp 27 anordnad för inställning i längdriktningen i ett bränsleinloppsrör 29, genom vilket bränsle strömmar in i reaktionskammaren. Tappen 27 är försedd med en koniskt utvidgad änddel 31 för avböjning av bränslet radiellt utåt från längdaxeln till ett klockformat disper- sionshölje 41. När tappen förskjutes till vänster, såsom visas på figur l, kommer den avsmalnande ytan av ändelen 31 att förskjutas mot ett ventilsäte 33 vid änden av röret 29 och gradvis minskar den mängd per tidsenhet i vilken bränslet strömmar i reaktionszonen 22. Med detta arrangemang kan tappventilen 25 varierbart reglera massinflödet. vid den 449 032 _ i 12 f- - ”i högre änden är reaktionskammaren 21 försedd med en baffel 35 med en centralöppning 37, genom vilken gasformiga reaktions- produkter, som bildas i reaktionszonen 22, bortströmmar från kammaren. Baffeln 35 avskiljer partikelformigt material och slaggdroppar från de gasformiga reaktionsprodukterna så att den ström som passerar ut genom öppningen 37 är förhållandevis fri från flytande slagg och fasta partiklar.

Såsom visas på figurerna 2a - 2c kommer primär luft, som inströmmar i reaktionszonen 22 ringformigt runt tappveñtilen° , att fångas av sekundärluften som inströmmar i reaktions- zonen från inloppet 24. Kolhaltigt bränsle, exempelvis kol- pulver, inmatas i reaktionskammaren 21 i form av en tätfas- blandning med en bärargas, exempelvis kväve (N2), komprimerad luft eller gasformigt bränsle. Den tangentiellt inlästa sekundärluftströmmen 47 blandas effektivt med bränslet och primärluften samt accelererar de fasta bränslepartiklarna enligt de fluidströmningsprinciper som diskuteras utförligare i det följande. Såsom framgår av figur 2d vandrar blandningen av brinnande bränslepartiklar och heta gasformiga reaktions- prsdukter längs en skruvlinjeformad bana 49 till nedströms- änden av reaktionszonen 22 där de gasformiga reaktionsproduk- terna tvingas inåt av baffeln 35 och utströmmar från kammaren 21 genom den centrala öppningen 37. När reaktionsprodukterna tvingas inåt av baffeln 35 ökar vinkelhastigheten hastigt i området nära baffeln så att slaggdroppar av centrifugalkraften tvingas ut ur gasströmmen och avsättas, till största delen, på väggarna i kammaren och på innerytan av baffeln 35.

Partiklar som bäras i det klockformade dispersionshöljet 41 rör sig i längdriktningen genom kammaren med en medelhastighet som bestämmes av de kombinerade massflödeshastigheterna av luft och bränsle. Små partiklar har en tendens att uppfângas och bäras med blandningsströmmen under det att större partik- lar har en benägenhet att följa rörelsebanor som delvis bestämmas av partiklarnas ursprungliga hastighetsvektorer. Även om större partiklar accelereras av de hastigt roterande 449 032 13 -- » --' gaserna, acceleras de i lägre grad än de små partiklarna.

Såsom visas på figur l kommer sålunda en linje 43 att repre- sentera yttergränsen för de skruvlinjeformade rörelsebanorna för förhållandevis stora bränslepartiklar, exempelvis partik- lar med en diameter av ca 100/nn. Så stora partiklar följer i realiteten icke linjen 43 utan rör sig snarare skruvlinje- format runt längdaxeln i höljet 41, vars yttre gräns anges med linjen 4d. På samma sätt kommer förhållandevis små partiklar, exempelvis kolpartiklar med en storlek av ca 10 pm diameter, att vandra i skruvlinjeformade banor i höljet 41, vars inre ' gräns anges av linjen 45. Sålunda kommer huvudsakligen alla partiklar inom storleksområdet från ca l0 till ca l00 pm diameter att följa skruvlinjeformade strömningsbanor i höljet 4l mellan linjerna 43 och 45. Blandning av bränsle med de tyå luftströmmarna åtföljes av rörelsemängdutbyte och bild- ning av en blandningsström som sträcker sig såsom en i huvud- sak cylindrisk spiral längs kammarens längdaxel. Av skäl som framgår tydligare av det följande är det önskvärt att upprätt- hålla ett hjulströmningsfält eller ett kombinerat hjul- virvelströmningsfält i en huvuddel av reaktionszonen 22.

Det klockformade dispersionshöljet 41, såsom visas på figur l, är baserat på antagna strömningshastigheter av 48 m/sekund för sekundärluften, ca 15 m/sekund för den i längdriktningen strömmande primärluften, och ca 3 - 15 m/sekund för den in- blåsta bärargasen och bränsleblandningen. Det är uppenbart att föreliggande uppfinning icke är begränsad till de angivna speciella hastighetsvärdena eller ens till de förhållanden som anges av dessa värden. Genom val av optimala förhållandeäbland sekun- därlufthastighet, primärlufthastighet, bränsleinströmnings- hastighet, och bränsleriktning, kan formen av höljet 41 justeras inom vidsträckt intervall. Detta val beror på det speciella bränsle som användes och på andra karakteristika eller egenskaper som önskas vid processen ifråga.

I vissa fall är det önskvärt att arbeta i en bränslerik miljö, d.v.s. reducerande atmosfär. Sålunda är exempelvis arbete i 449 052 14 1 _ ._.' bränslerikt tillstånd önskvärt för att sänka reaktionstempe- raturen och begränsa slaggförångningen, såsom diskuteras i det följande. ' För att man skall erhålla en förhållandevis kompakt reaktor är det nödvändigt att bränslepartiklarna är förhållandevis små.

I allmänhet bör bränslepartiklarna vara mindre än ca 750 pm i diameter och företrädesvis mindre än 75 pm i diameter. Så små partiklar förbrinner inom ett fåtal millisekunder. Reaktorn enligt uppfinningen är konstruerad så att de roterande gaserna genererar tillräckligt centrifugalkraft så att partiklarna rör till innerväggen i kammaren men blir väsentligen fullständigt förbrända innan de träffar kammarväggen. Sålunda brinner exen~ pelvis en partikel med en diameter av 75 pm inom ca 60 milli- sekunder. Den aeroballistiska miljö i vilken denna partikel inblåses regleras företrädesvis så att de krafter som verkar på partikeln icke rör denna till väggen före fullständig förbränning.

Det är uppenbart att små partiklar pâverkas av aerodynamiska friktionskrafter i större utsträckning än större partiklar.

Om exempelvis en liten partikel inträder i de roterande gaser- na i reaktionszonen kommer oxidationsmedelgas som strömmar förbi partikeln att orsaka en aerodynamisk kraft som i det närmaste ögonblickligen förändrar hastigheten och riktningen hos den lilla partikeln så att dessa kommer att överensstämma med hastighet och riktning hos den roterande gasen. Däremot har rörelsemängden hos en mycket stor partikel benägenhet att hålla denna partikel i rörelse med den hastighet och riktning med vilken partikeln inträder i den roterande gasen. Med de små partiklar som användas enligt uppfinningen kommer i det närmaste samtliga partiklar att uppnå hastigheten hos den roterande gasen inom ett fåtal millisekunder efter inträde i reaktionszonen.

När dessa partiklar roterar i gaserna genereras en Centrifu- galkraft som är direkt proportionell mot massan hos partik~ 449 032 - - --Ä larna och partiklarnas vinkelhastighet. Större partiklar ut- sättes för inverkan av större centrifugalkrafter än mindre partiklar och inverkan av gasströmningskraften är mindre.' Till följd därav kommer större partiklar att ha benägenhet att röra sig hastigare till ytterväggen än små partiklar. Genom reglering av tangentialhastigheten hos de roterande gaserna kan man reglera centrifugalkraften och gasströmningskraften som inverkar på partiklarna. Detta gör det möjligt att välja lämplig: tangentiell hastighet hos de roterande gaserna så att de stora'partiklarna förbrännas innan de träffar väggen hos ' reaktionskammaren. Denna inverkan av de inströmmande gaserna ger det medel genom vilket man kan variera de centrifugal- krafter och gasströmningskrafter som inverkar på partiklarna.

Genom reglering av förhållandet mellan massflödet av de tan- gentiellt riktade och i längdriktningen riktade gasströmmarna är det möjligt att säkerställa att väsentligen samtliga par- tiklar förbrinner innan de träffar kammarväggen. Vidare gäller att ju mer hjullik gasströmmen i reaktionszonen är, desto längre blir flygtiden för partiklarna i kammaren.

Vid konstruktion av reaktionskammaren är det önskvärt att maximera den mängd slagg som uppfângas i kammaren. Eftersom små partiklar icke rör sig till väggen lika hastigt som stora partiklar kommer mycket små partiklar att utströmma genom öppningen i kammaren, och det uppkommer alltid en viss för- lust av mycket små slaggdroppar. Emellertid kan kammarlängden och öppningen väljas så att åtminstone ca 90 - 95 % av slaggen uppfångas i kammaren.

Man bör tillse att man icke injicerar bränslepartiklarna med en hastighet som är så stor, att partiklarnas rörelsemängd för dem till kammarväggen före förbränningen. Hastigheten hos bränslepartikeln bör sålunda vara tillräckligt låg i förhål- lande till hastigheten hos de roterande gaserna så att gaserna inverkar på de inkommande partiklarna och uppfångar dessa i den virvlande rörelsen under en tillräcklig tidrymd för att säkerställa fullständig förbränning. 449 032 16 *'- I det följande anges partiklarnas uppträdande i reaktionszonen.

En fullständig förståelse av betydelsen och förloppet av den hjulliknande strömning som användes enligt uppfinningen kräver en detaljerad beskrivning av gasflödet och de krafter som genereras av gaserna som inverkar på partiklarna.

Två typer av gasströmningar i den virvlande gasen i reak- tionszonen föreligger: virvelströmning och hjulströmning.

I en teoretiskt ren virvelström minskar tangentialhastigheten såsom en funktion av det radiella läget. Den maximala tan- gentialhastigheten förekommer sålunda nära centrum av det roterande strömningsfältet. Virvelströmning kännetecknas matematiskt av uttrycket: I Ro V0 Vt” R i vilket Vt = tangentialhastigheten, RO = kammarens radie R = läget av en referenspunkt på radien, och V0 = tangentialhastigheten vid en yttre radium.

Teoretiskt ren virvelströmning åskådliggöres grafiskt på figur 3 på vilken kurvan 51 anger tangentialhastigheten såsom funktion av det radiella avståndet från rotationsaxeln i ett virvelströmningsfält. Såsom framgår av kurvan 5l ökar tangentialhastigheten exponentiellt med.avtagande radiellt avstånd, och om ren virvelströmning upprätthålls skulle hastigheten vara extremt hög nära axeln.

Vid hjulströmning roterar hela fluidkroppen tillsammans såsom en fast kropp. Denna typ av strömming betecknas i det följande "ren hjulströmning". Ren hjulströmning kännetecknas matematiskt av uttrycket: Vt/VRCU 449 032 17 t' tangentialhastigheten, referenspunktens läge i radiell riktning, och vinkelhastigheten vid R. i vilket Vt R UJ Vid hjulströmning är sålunda tangentialhastigheten hos gasen i ett visst radiellt läge R direkt proportionell mot det radiel- la avståndet från rotationsaxeln. Det är givetvis ett känne- tecken för en roterande fast kropp vars komponenter är fixe- rade i förhållande till varandra. Vinkelhastigheteneu är den- samma för alla radiella lägen. Vid ren hjulströmning är så- lunda.w konstant för alla punkter (lägen) i samma tvärsektion och maximal tangentialhastighet uppträder vid ytterradien, till skillnad mot ren virvelströmning där maximal tangential- hastighet förekommer nära axeln. Ren hjulströmning åskådlig- göres på figur 4 där linjen 53 anger tangentialhastigheten angiven såsom en funktion av det radiella avståndet från rotationsaxeln Z.

Vid blandning av axiell luft med tangenterade luft kan gas- strömningen i reaktionszonen 22 regleras så att denna väsent- ligen motsvarar den hastighetsprofil som visas med kurvan 55 på figur 5. Denna kurva är typisk för strömningstillståndet i reaktionszonen 22. Kurvdelen 56 visar det område där hastig- heten ökar väsentligen såsom en linjär funktion med det radiella avståndet från rotationsaxeln och motsvarar ren hjul- strömning. Den del av strömningsfältet som närmare motsvarar ren virvelströmning anges med kurvdelen 57. I denna kombine- rade hjul-virvelströmning ökar tangentialhastigheten nära axeln väsentligen linjärt med avståndet från axeln till en maximihastighet på ett avstånd som är ungefär lika med radien av baffelöppningen 37. Utanför denna punkt förändras hastig- heten approximativt omvänt mot avståndet från axeln, och mot- svarar närmare virvelströmning, såsom diskuterats i det före- gående och åskådliggöres på figur 3. Det använda strömnings- fältet närmar sig sålunda ren hjulströmning i en kärndel av förbränningszonen samt uppvisar en övergångsdel betecknad a på figurerna 3 och 4 samt är väsentligen likartad med virvel- 449 032 18 strömning i ett ytterskal av strömningsfältet.

Flygtiden för stora partiklar kan ökas väsentligt genom mini- mering av tangentialhastigheten hos gaser som uppträder tidigt i flykten genom kammaren. Det är sålunda önskvärt att kärnom- rådet från R = 0 till R = a har så stor diameter som är prak- tiskt möjligt. Den verkliga diametern hos hjulströmningskärn- området varierar längs kammarens längdutsträckning, och nära nedströmsänden har detta område en tendens att bli approxima- tivt lika med radien av baffelöppningen 37. I uppströmsdelen av förbränningszonen kan radien "a" hos kärnområdet med hjul- strömning maximeras genom reglering av hastigheter, mass- flödesmängder och bränsleinsprutningssätt så att man härigenom gör kärnområdet så stort som möjligt och som kan kombineras med uppfångning av slagg.

Enligt uppfinningen kan man genom reglering av hastigheter och massflöde av bränsle och de båda införda luftströmmarna regle- ra rörelsemängdöverföringen mellan den axiella och den tangen- tiella luftströmmen samt bränslet så att strömningsfältet i reaktionszonen 22 blir likartat med den hjul-virvelströmning som åskådliggöres på figur 5 varför lång flygtid för partik- larna uppnås. Såsom ett resultat av detta kan man i en kammare med så ringa diameter som 45 cm uppnå en flygtid för stora partiklar av storleksordningen 30 - 70 millisekunder.

Denna aeroballistiska reglering av kemiska reaktioner under fri flykt utnyttjas för minimering av förlusten av oförbränt bränsle i slaggen och för begränsning av mängden slagg som utmatas från reaktionskammaren genom öppningen 37. Detta kan även förbättras genom injicering av bränsle med en hastighet som är lägre än hastigheten hos den inkommande tangentiella strömmen av oxidatíonsmedelgas vilket bringar bränslet att skära de delar av oxidationsmedelgasströmmen, som har tendens att uppvisa högre vinkelhastighet.

Den väsentliga skillnaden mellan de två strömningarna är uppe- hâllstiden för partiklarna i reaktionszonen 22. För likadana 449 032 19 "- partiklar som injiceras på samma radiella avstånd i de två typerna av strömningar blir uppehâllstiden mycket längre i hjulströmningen än i virvelströmningen. För åstadkommande av lägre flygtid föredrar man sålunda att arbeta under betingel- ser som gynnar upprätthållandet av strömning av hjultyp i reaktionszonen 22. -Detta är ett mycket betydelsefullt särdrag för uppfinningen och gör det möjligt att uppnå ökade effekt- tätheter. Sålunda har exempelvis konventionell Lurgi- förgasare som arbetar vid trycket 20 atmosfärer en effekttät- het av 4:53 kg kol/timme och 28 liter reaktionskammare. ' Anordningen enligt uppfinningen kan vid arbete vid samma tryck ge en effekttäthet av 345 kg kol/timme och 28 liter reaktions- kammare.

Fördelarna med att upprätthålla strömning övervägande av hjul- typ i anordningen enligt uppfinningen framgår tydligast om man betraktar de aerodynamiska betingelserna hos partiklar som bäras i de roterande gaserna. Huvudändamâlet med uppfinningen är sålunda att suspendera stora partiklar med en flygtid som är tillräckligt lång för att de skall undergå i huvudsak fullständigt reaktion och övergå till slaggdroppar innan de träffar väggarna hos reaktionskammaren. Anordningen och dess arbetssätt avpassas för minimering av den radiella accelera- tionen hos oförbrända och partiellt förbrända partiklar sam- tidigt som man säkerställer att större delen av slaggdropparna når väggarna. Hur detta åstadkommes framgår bäst genom beak- tande av betingelserna för partiklarna i reaktionszonen.

Betrakta en partikel som inträder i reaktionszonen. Endast gasströmningskrafter inverkar från början på denna partikel.

Om partikeln antages vara sfärisk blir gasströmningskraften (Få) 2 2 C V-V dPQDDÜI p) Fa: zg varvid Cd är friktionskoefficienten Pg är gastätheten Dp är partikeldiametern 449 (132 'Ö ' 20 -~ - a-' Vg är gashastigheten Vä är partikelhastigheten g är tflmfikraftsaccelerationen.

Små partiklar kommer emellertid p.g.a. att de har lägre vikt, d.v.s. lägre massa, att påverkas mer av de strömningsmotstånds- krafter som utövas på den av de roterande gaserna än de större, tyngre partiklarna. Eftersom samtliga partiklar som användas enligt uppfinningen är förhållandevis små kommer i det närmaste alla dessa partiklar p.g.a. strömningskraf-' terna som inverkar på dem att uppnå samma hastighet som de roterande gaserna i det närmaste ögonblickligen.

När partiklarna roterar utövas en centrifugalkraft (Fc) på partiklarna. Härvid gäller _ _2 Fc - AR u; varvid M är partikelmassan, R är det radiella läget hos partikeln, och asär vinkelhastigheten hos partikeln.

Av denna ekvation framgår att ju tyngre en partikel är, desto större blir centrifugalkraften som tvingar partikeln mot innerväggen av kammaren. Enligt uppfinningen regleras vinkel- hastigheten på sådant sätt att centrifugalkraften icke är så stor att den hastighet som påtvingas partiklarna för dessa till kammarväggen innan de har förbränts fullständigt. I en strömning av virveltyp med hög hastighet nära kammarens cent- rum kommer alla bränslepartiklar som insprutas i den roterande strömmen att från början utsättas för mycket stor centrifugal- kraft och härigenom accelereras hastigt i radiell riktning.

I strömning av hjultyp kommer däremot under identiska in- sprutningsbetingelser samma partikel att utsättas för förhål- landevis låg centrifugalkraft och uppvisar därför låg ur- sprunglig acceleration i radiell riktning, Eftersom ström- ningskraften från början reglerar rörelsen hos mycket små ; _ . 21 partiklar har dessa partiklar benägenhet att kvarstanna i samma läge i gaserna när de väl erhållit sin rotationshastig~ het och föras endast långsamt mot kammarväggen. ' dV6 ) Man kan påvisa att en partikels tangentialacceleration ( dt bestämmes av uttrycket É3§_ = EÉE; 2 d §ÉÉ_:_XE) at p? D ac Observera att partikelaccelerationen är omvänt proportionell mot kvadraten på partikeldiametern. Små partiklar kommer därför att uppnå samma hastighet som den roterande gasen hastigare än stora partiklar och tenderar inte att röra sig relativt till de omgivande gaserna i samma grad som stora partiklar som har en tendens att röra sig in i olika gasom- givningar när de följer sin bana och kommer därför kontinuer- ligt att "tvättas" med färsk oxidationsmedelgas. Detta för- hindrar utveckling av ett hölje av reaktionsprodukter runt stora partiklar vilket väsentligt förbättrar förbränningen av stora partiklar. Den utsträckning i vilken dessa fördelar uppnås i praktiken beror delvis på den grad i vilken ström- ningsfältet närmar sig ren hjulströmning.

Pâ figur 6 visas uppträdande hos partikel av viss given stor- lek i tre olika strömningsfält. Det radiella läget av en partikel med diametern 75 pm i en kammare med en nominell dia- meter av 45 cm studeras under tre olika betingelser. Kurvan A visar att i en ren virvelströmning skulle partiklarna nå kammarväggen inom ca 10 millisekunder. Kurvan B visar att i ett kombinerat hjul-virvelströmningsfält når denna partikel väggen inom ca 30 millisekunder. Kurvan C visar att i ett rent hjulströmningsfält når partikeln väggen efter mer än 70 millisekunder. Eftersom förbränningstiden för denna partikel är större än 10 millisekunder ger ren virvelströmning icke det resultat som önskas. Eftersom strämningsfältet är mer likt ren hjulströmning kan stora partiklar förbrinna i en kammare 449 032 -- 22 1-1- av denna storlek. Kammarens storlek kan ökas för uppnâende av förbränning under flykten av partiklarna i virvelströmning, men detta skulle medföra en ekonomisk olägenhet och försämra effekttätheten och effektiviteten.

Volymförbränning eller förbränning i flykten, som uppnås på det sätt som anges i det föregående, ger förhållandevis mycket hög termisk verkningsgrad genom att man undviker förbränning på väggen, därmed förenad förlust av kol i slaggen, samt onödigt stora värmeförluster till väggarna. Dessutom skulle förbränning pâ väggarna kräva att oxidationsmedel tillföres till väggen och skulle därför nödvändiggöra användning av överskottsluft och härigenom väsentligt förhindra upprätthål- lande av reducerande atmosfär i ytteromrâden avreaktionszonen ”“ ...l-- 449 032 dun- _- _ 23 Vidare kan man enligt uppfinningen genom åstadkommande av längre uppehållstid för en viss kammardiameter och förbättrad "tvättning" i flykten av stora partiklar uppnå en förhållande- vis mycket hög effekttäthet. Eftersom anordningen enligt upp- finningen maximerar den relativa hastigheten mellan de rote- rande gaserna och stora partiklar förbättras förbränningen av stora partiklar så att reaktionszonen 22 kan drivas bränsle- rik utan alltför kraftig avsättning av oförbrända partiklar på väggarna. möjligheten att arbeta bränslerikt gör det möj- ligt att hälla reaktionszonens arbetstemperatur vid en tempe- ratur som förhindrar alltför kraftig förångning av slagg. I anordningen enligt uppfinningen kan sålunda 90% eller mer av slagghalten i det tillförda bränslet avlägsnas i flytande tillstånd innan de gasformiga reaktionsprodukterna lämnar kammaren.

På figurerna 7 och 8 visas en utföringsform av uppfinningen som är lämpad för förbränning av kolpulver för generering av en högtemperatur-plasmaström för drivning av magnetohydrody- namiska elektrogeneratorer. Förutom de komponenter som beskri- ves i det föregående i samband med fig. l innefattar apparaten en huvudledning 61 för oxidationsmedel genom vilken luft från en källa 65 strömmar genom sekundär luftkanalen 24 till in- loppsöppningen 59 och tangentiellt in i reaktionszonen 22.

Såsom tydligast framgår av fig. 8 tillföres till en tappven- til 25 bränsle från en bränslekälla 63, varvid bränslet ström- mar genom ett inloppsrör 29 och avböjes i radiell riktning ut från tappänddelen 31. Inställning i längdriktningen av tappen åstadkommes med en utvändig gängad tapphylsa 28, som bäres på tappen och är anbringad roterbar i ett invändigt gängat hål.

Bränslekällan 63 utgöres företrädesvis av en separat bränsle- blandnings- och tvättfastransportapparat, som visas på fig. l3 och 14 och beskrives utförligare i det följande. Den vä- sentliga funktionen hos källan 63 är att tillhandahålla kol- pulver som föres i en ström av bärarfluid, varvid massförhål- 449 'G32 24 - - --' landet kolzfluid är reglerbart inom ett omrâde från 0:1 till lOD:l. Det medförda flödet.av kolpulver blandat med bärarfluid uppvisar strömningsegenskaper som är likartade med egenskaper- na hos en viskös fluid, och när den bemängda strömmen förde- las genom tapperventilen 25 kommer de finfördelade kolpartik- larna att sprutas ut från denna såsom visas med det klockfor- made dispersionshöljet 41 på fig. l.

Pâ fig. 7 och 6 visas hur komprimerad luft med hög temperatur från oxidationsmedelskällan 65 tillföres genom huvudledningèn 61 och ger en första, andra och tredje ström av luft till ap- paraten. Huvudledningen 61 innefattar en kanal 66 som sträc- ker sig från källan 65 väsentligen parallellt med längdaxeln hos förbränningskammaren 21, och en första grenledning 67, som sträcker sig vinkelrätt mot kammaren Zl och tillför pri- mär luft under högt tryck till en kammare (plenum) 69, från vilken luften föres genom en medelst flertal öppningar för- sedd strömningsinriktande anordning 70. Denna primärluft pas- serar in i reaktionszonen 22 i en riktning som är väsentli- gen parallell med längdaxeln av kammaren 21 samt genom det ringformiga utrymme som omger tapperventilen 25. I kammaren 69 bromsar volymexpansion luftens hastighet'och luften riktas av kammarväggarna så att luften strömmar genom strömningsin- riktningsanordningen 40. Såsom bäst visas på fig. 8 och 9 ut- göres anordningen 70 av ett fristående arrangemang av kisel- karbidblad, som är sammanfogade så att de bildar en enhet med ett flertal genomströmningsöppningar genom vilka primärluft- strömmen passerar. Alternativt kan bladen vara tillverkade av Inconel 800 eller någon annan korrosionsbeständig högtem- peraturlegering som är anpassbar till en generell konstruk- tionsutformning som utnyttjar en konstruktion av enbart me- tall. I sådana fall kan bladen vara vattenkylda med hjälp av konventionella kylningsmetoder.~ Sekundärlufttillförsel åstadkommes från källan 65 genom huvud- ledningen 66 och en grenledning 24 till den tangentiellt in- riktade luftinblåsningsöppningen 59 med en hastighet som är 449 Û32 v tillräcklig för att i reaktionszonen 22 åstadkomma en roteran- de blandning bestående av bränslepartiklar, primärluft och 'sekundärluft. För upprätthållande av strömning av hjultyp i reaktionszonen och för reglering av reaktionstemperaturen är det önskvärt att reglera de relativa flödena av primärluft och sekundärluft samt massflödet av luft i förhållande till den tillförda bränslemängden. För att åstadkomma reglering av dessa parametrar kan konventionella fluidventiler (icke visa- de) användas i luftledningarna 67 och 24 för förutbestämd el- ler kontinuerlig reglering av de resp. massflö.ena. Enligt en utföringsform användes keramiska (Zerconia) venturianord- ningar införda i kanalerna 27 och 67 för att begränsa mass- flödena så att både summan och förhållandet av massflödena är förutbestämda.

Reglering av slaggbildningen så att väsentligen hela mängden slagg i bränslet avsättes på förbränningskammens väggar är en väsentlig åtgärd. Optimerad separering av slagg från de gas- formiga reaktionsprodukterna åstadkommas genom att man först åstadkommer och reglerar strömningsfält av hjultyp i reak- nszonen 22 och för det andra genom reglering av reaktions- temperaturen så att förângningen av slagg minimeras. Tempera- turregleringen åstadkommes genom reglering av temperaturerna hos de införda luftströmmarna och selektiv modifiering av förhållandet luft:bränsle så att en bränslerik blandning upp- rätthålles i reaktionszonen. Bränslerik förbränning medför att en väsentlig andel av det kol som förefinnes i kolet som lämnar reaktionszonen 22 föreligger såsom kolmonoxid vilket begränsar värmeenergiutvecklingen i reaktionszonen, och här- igenom regleras arbetstemperaturen i reaktionskammaren 21.

Temperaturregleringen tillsammans med centrifugaldrivning av slaggpartiklarna mot väggarna i kammaren 2l möjliggör avlägs- nande av mer än 90% av slaggen från strömmen av gasformiga reaktionsprodukter innan dessa produkter bortgår från reak- tionszonen genom den centrala öppningen 37 i baffeln 35.

Om innerytan 7l av förbränningskammaren belagts med ett eld- fast keramiskt material skulle de erosiva effekterna av slag- 26 449 032 gen, höghastighetsströmningen och de brinnande bränslepartik- larna i reaktionszonen ha en tendens att bortföra.det eldfas- ta materialet från väggarna av kammaren 21, och sedan detta uppnåtts skulle ett angrepp'pâbörjas på innerytan 71 av metall hos kammaren. Denna svårighet undvikes ett skyddande och härigenom genom att man bildar skikt av stelnad slagg som avsättes på ytan 71 begränsa: fortsatt angrepp. För detta ändamål är kylkanaler av metall 73 utformade på innerytan 71 av kammaren 21. Kanalerna 73 bildar en vattenkyld infodring för reak- tionskammaren 21 som kvarhåller och bringar tillräcklig mängd slagg att stelna så att denna bildar_ett skyddande slaggskikt med förhållandevis låg värmeledningsförmâga. Konventionella arrangemang användas för tillföring av kylmedel till kanalerna 73, dvs. förgreningsrör 74 och 75.

Såsom bäst framgår av fig. 7, 8 och 10 utgöres baffeln 35 av en ringformig platta med en dubbelspiral av kylmedelskanaler 77 anordnade på ytan, varvid plattan är anordnad i huvudsak vinkelrätt mot längdaxeln vid nedströmsänden av kammaren 21.

En funktion hos baffeln 35 är att stoppa slaggdroppar som ännu och härigenom minska halten reaktíonsprodukter som bort- icke nått väggarna av kammaren 21 av slagg och aska i de gasformiga strömmar från kammaren. Dessutom tvingas den roterande ström- men av gasformiga reaktionsprodukter när den når nedströmsän- den av kammaren, av baffeln 35 att röra sig i radiell rikt- ning inåt mot öppningen 37. När den med hög hastighet rote- rande gasströmmen tvingas inåt ökas vinkelhastigheten med en faktor av 3 eller 4 eller mer. Denna kraftiga ökning av cent- rifugalkraften medför att väsentligen hela mängden slagg i bränslet centrifugeras ut från de gasformiga reaktionsproduk- terna och avsättes såsom flytande slaggskikt på innerytan 71 av förbränningskammaren samt på baffeln 35.

Den flytande slaggen strömmar genom inverkan av tyngdkraften mot bottnen av reaktionskammaren, genom slaggöppningen 78 och ut till en slaggfälla 79 vid bottnen av kammaren. Såsom bäst framgår av figurerna 8 och 10 kyles den korta sektion av cy- 449 052 lindrisk ledning som bildar slaggöppningen 78, av kylvatten som strömmar genom en konventionell vattenmantel med inlopp 80 och utlopp 81. Vid området för slaggöppningen 78 är kylmedel- kanalerna 73 formade så att de bildar en formad innerytedel 82 vilken definierar en avsevärd öppning mellan intill varandra belägna kanaler 73 vid slaggöppningen 78. Undersystemet för bortskaffande av slagg innefattar företrädesvis en under tryck stående slaggbehâllare (icke visad) avsedd att förhindra att gasformiga reaktionsprodukter bortgår genom slaggutloppet.

Vid användning för magnetohydrodynamiska ändamål innefattar - anordningen enligt uppfinningen dessutom en sekundär reak- tionskammarè 85, som är kopplad till nedströmsänden av kamma- ren 21 och bildar en andra reaktionszon 88. Den sekundära kam- maren 85 tillföres gasformiga reaktionsprodukter från kamma- ren 21 och modifierar de heta gasformiga reaktionsprodukterna så att vid utloppet 87 erhålles ett med hög hastighet ström- mande plasma som är lämpat för injektion i en plasmakanal i en magnetohydrodynamisk (MHD) i en generator för elektrisk energi. Sådana MED-system utgör icke en del av föreliggande uppfinning och är välkända samt beskrivas icke utförligare i det följande.

Gasformiga reaktionsprodukter som passerar ut från reaktions- zonen 22 genom öppningen 37 passerar vidare in i den andra reaktionszonen 88. Omedelbart medströms i förhållande till baffeln 35 finnes anordnade reaktionskomponentinjektionsorgan 90 för injicering i högtemperaturgasströmmen av valda kemiska reaktionskomponenter, exempelvis kaliumkarbonat. Injektions- anordningen 90 innefattar ett inloppsrör 91 för en reaktions- komponent som sträcker sig transaktiellt i kammaren 85 och stödes koaxiellt med en kylmedelskanal 92. På reaktionskompo- nentröret 91 finnes anordnad väsentligen vid axeln hos kamma- ren 85 en reaktionskomponentinjektor innefattande en hylsa 94 med en tapp 95 som uppbäres koaxiellt i hylsan. Denna reak- tionskomponentinjcktor med koaxiell tapp utgöres företrädes- vis av en miniatyrversion av den koaxiella tappventilen 25 _449 052 28 uu:- scm beskrivits i det föregående i samband med figurerna l och 8. För effektiv drift av magnetohydrodynamiska generatorer är det önskvärt att gaser som passerar genom den magnetohydrody- namiska kanalen uppvisar elektriska egenskaper som motsvarar egenskaperna hos en högkonduktiv fluid. Vid den magnetohydro- dynamiska tillämpningen av uppfinningen är det därför lämp- ligt att gasströmmen 87 som bortgår från reaktionskammaren 88 är i huvudsak fullständigt och likformigt ioniserad. Injek- ticn av kaliumkarbonat säkerställer fullständig och likformig icnisering av reaktionsprodukterna när dessa passerar genom- reaktionszonen 88. Vid en annan tillämpning av anordningen en- ligt uppfinningen kan injektionsanordningen 90 för reaktions- komponenten användas för injektion av i huvudsak godtyckliga tillsatsmedel eller kemiska reaktionskomponenter i den rote- -rande gasströmmen omedelbart efter det att denna passerat ge- nom öppningen 37 in i reaktionszonen 88.

Cmedelhart medströms i förhållande till reaktionskomponent- injektcïn 93 finnes anordnad en andra kammare 85 med ett ar- rangemang-för injektion av en volym av förvärmd luft, som er- fordras för fullständig stökiometrisk reaktion. Denna tertiär- luft inblåses med en tillräcklig tangentiell hastighetskompo- nent för att genom utbyte av rörelsemängd upphäva vinkelhas- tigheten hos de gasformiga reaktionsprodukter som tillföras från öppningen 37. Detta subsystem för upphävande av rotatio- nen i det andra steget innefattar i synnerhet en tangentiellt riktad luftledning 96 vilken tillföres högtemperaturluft från huvudledningen 6l och för denna in i en toroidal eller ring- formad luftfördelningskanal 97, som tydligast visas på fig. 8 och l2 och sträcker sig runt omkretsen av den andra kammaren 85 och vid den inre omkretsdelen innefattar tolv luftinjek- tionsöppningar 98 för införing av tangentiella luftströmmar med hög hastighet från fördelningskanalen 97 in i reaktions- zonen 80. Vid användning av anordningen enligt uppfinningen såsom plasmakälla för magnetohydrodynamiska energisystem är det önskvärt att den utmatade plasmaströmmen i huvudsak icke har någon vinkelhastighet. För detta ändamål kan reglering av 449 032 29 ä -a-í luftströmmen genom kanalen 96 och fördelningsorganet 97 använ- das för att minska rotationshastigheten hos gasströmmen i kam- maren 85 till 0. För andra tillämpningar vid vilka vinkelhas- tigheten är irrelevant kan volymreglering av den luft som tillföres genom kanalen 96 användas för att i förväg inställa eller kontinuerligt variera den stökiometriska sammansätt- ningen i reaktionszonen 88. I den mån så erfordras kan luft- huvudledningen 61 och de kanaler som sträcker sig från denna vara försedda med utvändiga vattenkylda mantlar. Konventio- nella huvudledningar eller fördelningsledningar användas för tillföring av kylmedel till vattenmantlarna.

I det följande beskrives tätfasbränsletransport.

Pulverformigt bränsle, exempelvis kol, transporteras från en kulkvarn eller lagringsutrymme till reaktionskammaren 21 i en tätfasblandning med bärargas genom rörledningar._Eftersom reaktionskammaren 21 arbetar vid tryck inom området från 2 till 8 at eller högre hålles bränsletransportsubsystemet lämpligen under tryck av i huvudsak samma nivå. På figurerna l3 och 14 âskâdliggöres en anordning med vilken tätfasbränsle- transport under tryck åstadkommes enligt en föredragen utfö- ringsform av uppfinningen. Såsom visas på fig. 13 är koltrat- ten l45 fylld med kolpulver som normalt är pulvriserat till en finhet av storleksordningen 200 mesh, från ett kolförråd (icke visad) genom en fylld lucka l46, som är utformad vid toppen av en domformad del l4?. Fyllning av den under tryck stående koltratten kan åstadkommas med hjälp av ett interme- diärt under tryck stående överföringskärl (icke visat), eller exempelvis med en konventionell skruvpump för hantering av kolpulver. Förutom den domformade delen 147 innefattar kol- tratten en mellanliggande cylindrisk del och en nedre konisk del 148 med en toppvinkel (included angle) av 300. Vid basen av den koniska delen 148 finnes anordnad en kolfluidiserings- injektor 149, från vilken det pulverformiga kolet strömmar genom en strypventil 150 till en eduktorenhet 156, som har till uppgift att accelerera kolpartiklarna till en hastighet 449 032 _- _ 30 av ca 6 m per sekund och transportera kolet i form av en tät- fasblandning med luft eller annan lämplig bärargas genom en koltillföringsledning 158 för kontinuerlig injektion i reak- ticnskammaren 21 (fig. 7 och 8). Det framgår att koltillfö- ringsledningen 158 sträcker sig från eduktoranordningen 156 och är ansluten till inloppsröret 29 till tappventilen 25.

Eärargas för att sätta koltratten 145 under tryck tillföres från en gaskälla 152 genom en ledning 153 och genom en regle- ringsventil 154 till en inloppsanslutning vid toppen av trat- ten. Bärargas tillföres även från källan 152 genom en ledning 155 och regleringsventil 157 till fluidiseringsinjektorn 149.

Kompromerad gas för drivning av eduktoranordningen 157 till- föres från en gaskälla 159 genom en regleringsventil 160 till eduktorns inlopp. Fluidiseringsinjektorn 149 och induktoran- ordningen 156 visas i detals på fig. 14 som är en tvärsektion utefter cylinderaxeln hos fluidiseringsinjektorn.

U) fll U] O m visas på fig. 14 innefattar fluidiseringsinjektorn 149 n i huvudsak cylindrisk metalldel 166 vid vars övre ände 'nnes anordnad en konisk del 167 och en planfläns 170. Flän- sen 176 är ansluten till och tätad mot bottenänden av den ko- niska delen 148 av koltratten. Delen 166 är försedd med ett centralt hål 172 med diametern 12,7 mm, som sträcker sig ver- ' 'alt uppåt och mynnar i en konisk öppning 174 som har en tcppvinkel av 450 mellan motstående väggar 175 och har en dia- meter av ca 15 cm vid den övre änden. Mellan ändarna av den koniska öppningen 174 och på periferin av delen 166 finnes en gasfördelningskanal 176, som sträcker sig runt omkretsen.

Gasfördelningskanalen 176 är bunden till ytan av delen 166 och täcker ett runt omkretsen förlöpande spår 178, i vilket gas införes från fördelningsledningen. Från spåret 178 sträc- ker sig ett flertal med lika vinkelavstànd fördelade hål 179, som är riktade radiellt inåt genom väggen av delen 166 till den koniska öppningen 174. Bärargas under tryck tillföres från källan 152 genom regleringsventilen 157 till fördelnings- ledningen 176, från vilken gasen fördelas och strömmar igenom 16 radiellt riktade hål 179 in i den koniska öppningen 174. 449 052 -P - 31 Denna injicering av bärargas fluidiserar det pulverformiga kolet i öppningen 174 och driver en blandning av bärargas och kolpulver nedåt genom det centrala hålet 174. Från basen av delen 166 passerar den flytande blandningen genom en stryp- ventil 150 och in i ett vertikalt riktat hål 181 i eduktor- anordningen 156. Bränslestrypventilen 150 kan utgöras av en konventionell kulventil vars regleringsaxel är ansluten för att roteras med en kuggväxelmotor 183. Konventionella kretsar användas för övervakning och reglering av kuggväxelmotorns axelläge och att härigenom reglera bränsleströmmen genom _ strypventilen 150 i överensstämmelse med det volymetriska för- hållandet eller massförhållandet mellan bränsle och bärargas som önskas. Éduktoranordningen 156 innefattar ett hus 185 med ett cylind- riskt hål 183 som sträcker sig horisontellt genom huset samt ett verifikalt riktat hål 181 som är anslutet till det hori- sontellt riktade hålet 186 och genom vi ket kolet under tryck trommar fr (fl Iistrypventilen 150. Ett konïernerande munstycke J» å 87 är anord k; nat i det horisontella hålet 186 med gängor 188 och användes för injicering av bärargas under högt tryck i hylset 185 där gasstrålen träffar den nedâtriktade strömmen av kolpulver och accelererar denna ut genom ett anslutnings- organ 189 och en kolinmatningsledning 158. Inre änden av an- slutningsorganet 189 är försedd med ett koniskt hål 190, ge- nom vilket blandningen av kolpulver och bärargas införes i inmatningsledningen 158. Det konvergerande munstycket 187 är kopplat till och matas med komprimerad bärargas från källan 159 (fig. 13) genom en regleringsventil 160.

Under drift innehåller fluidiseringsinjektorn 149 i den ko- niska öppningen 174 ett omrâde med hög turbulens i vilket kolpulver omröres mekaniskt och smörjes så att en jämn och tillförlitlig ström av kol och bärargas bringas att strömma neråt genom det centrala hålet 172. Inmatningen av bärargas uppväger även det överliggande trycket av den under tryck stående koltratten 145 så att tratt-trycket bibehålles även 449 032 f ~ 32 à-v om volymen av kol i tratten 145 gradvis minskar. Enligt en föredragen utföringsform av förfarandet ger fluidiserings- _ injektorn ett volymetriskt fluidiseringsflöde som är lika med det volymetriska flödet av kol plus eventuell bärargas som går förlorad under konstanta arbetsbetingelser.

Sedan ett stabilt flöde av kol har åstadkommits ned genom strypventilen 150 utspädes kolflödet och accelereras med den komprimerade bärargasen som injiceras genom det konvergerande munstycket l87 in i eduktoranordningen. Det konvergerande inre munstyckshålet 187 ger en fokuserad gasstråle så att när as- hastigheten och massflödet av kol är rätt injusterade erh les accelerering av kolpartiklarna till en hastighet av ca 6 m per sekund och ett kontinuerligt flöde med denna hastig- het genom inmatningsledningen 158 till reaktionskammaren 21. . a l_ Det fasta b°ënslet pulvriserat normalt till en finhet av stor- leksordningen 200 mesh, men storlekar inom ett'vidsträckt in- tervall kan användas. Det har visat sig att ett mängdförhål- lande f=st material gas av upp till 100 Vid fluidiseringstrvck (Nr) varierande från 0,7 till 5,6 at. l- l kan användas. har man uppnått ett förhållande av SG : 1 med bibehållande av relativt likformigt flöde (mängd per tidsenhet). Sedan kol- stoftet lösgjorts genom fluidiseringen genom fluidiserings- injektorn 149 under ett flertal minuters tid kan inflödet av bärargas till fluidiseringsinjektorn avstängas och tätfas- transporten av kol fortsättas enbart genom att man upprätthål- ler trycket i koltratten 145 och tillföringen av komprimerad gas till eduktoranordningen 156. Mängdförhållandet fast mate- rial : gas och transporthastigheten i inmatningsledningen 158 kan kontinuerligt regleras eller alternativt inställas på nå- got förutbestämt värde inom de i det föregående angivna inter- vallen genom reglering av kolstrypventilen 150 och gastillfö- ringsventilen 160. Konventionella kretsar innefattande flödes- mängdövervakare (flow rate transducers) användes för övervak- ning av dessa koperationsparametrar och för åstadkommande av återkopplingssignaler för igångsättning av regleringsmotorn 449 032 ß 33 183 och härigenom regleringsventilen 150, liksom för reglering av den tillförda luftens hastighet och tryckpunkt.

Nominellt användes torr kvävgas eller luft såsom fluidiserande bärargas, men det är givet att i huvudsak all slags vätska eller gas, däribland petroleumvätskor och kolvätegaser, kan användas.

I det följande beskrives en föredragen utföringsform.

Vid drift av anordningen enligt uppfinningen såsom effektkälla för drivning av magnetohydrodynamiska generatorer, införes finfördelat kol, som behandlats till en kornstorlek inom om- râdet 100-200 mesh, i ett flöde av luft nära rumstemperatur. ruj ör tillämpningar som kräver minimala entalpiförluster, exem- wq ielvis plasmarenegering, nålles massförhållandet mellan fasta D' ränslepartiklar och bärarluft av rumstemperatur~inom omrâdet - 100 : l. Denna tätfasbränsletransport begränsar mängden förhållandevis kall luft som införes i förbränningszcnen 22 och bidrar härigenom till att maximera det utgående plasmats temperaturnivå. Flödet av medförda kolpartiklar fördes genom tappventilen 25 och riktas radiellt utåt in i förbränningszo- nen 22 i det klockformade dispersionsmönstret 41 (fig. 1).

Det oxidationsmedel, som användes vid plasmarenegeringen, förvärmes i allmänhet till ca 1590-l60O0C. Denna förvärmda luft kan förses med kompletterande syre för införandet i för- bränningszonen om så erfordras med hänsyn till den speciella typ av kolbränsle som användes. En strömning av hjultyp av förvärmd luft åstadkommas i förbränningszonen 22, och flödet av medförda kolpartiklar i bärargasen införes i flödet av hjultyp. För att hålla förbränningstemperaturen under slagg- förångningstemperaturen drives förbränningszonen 22 förträdes- vis bränslerikt i området ca 0,4 - 0,9 av den stökiometriska mängden oxidationsmedel. Detta ger temperaturer i zonen 2 va- rierande från l650 till 2090°C beroende på sammansättningen av slaggen. De heta gasformiga förbränningsprodukterna utstöm- 449 032 34 mar från förbränningszonen 22 genom den centrala öppningen 37 i baffeln 35 med en temperatur av ca 187006. Dessa gaser från den bränslerika atmosfären i förbränningszonen 22 innehåller slaggdroppar som är mindre än ca 10 /4m i diameter liksom en ringa mängd förångad slagg.

Såsom anges i det föregående införes ytterligare mängd oxida- tionsmedel som erfordras för att bringa de gasformiga förbrän- ningsprodukterna till stökiometrisk sammansättning och full- ständig förbränning, i den andra kammaren 85 genom inlopps-' ledningen 96 och fördelningsorganet 97. Den fullständiga för- bränningen av CO och H2 i reaktionszonen 88 ökar temperatur- nivån i gasströmmen från ca l870 till 28l5°C vid utloppet 87.

Utloppet 87 kan vara direkt anslutet till en magnetohydrodyna- misk generator eller ett annat system för utnyttjande av ter- misk och/eller gaskinetisk energi. Slaggdroppar, aska och hränslepartiklar som icke förbränts eller uppfångats på väg- garna i kammaren 28 utgör en förhållandevis ringa mängd. Ben större delen förångas sålunda vid inverkan av den höga tasse- raturen-i reaktionszonen 88.

I-I det följande beskrivas alternativa utföringsformer. vid den i det föregående beskrivna föredragna utföringsformen av anordningen enligt uppfinningen är tappventilen 25 anord- nad i linje med och anordnad väsentligen på längdaxeln av för- bränningskammaren 21. Även om koaxiell symmetri har vissa för- delar är uppfinningen icke begränsad i detta avseende. Vid alternativa utföringsformer av uppfinningen kan tappventilen vara anordnad på avstånd från längdaxeln och/eller anord- nad med inloppsröret 29 i väsentligen godtycklig vinkel i för- hållande till längdaxeln hos kammaren 21.

Vid olika tillämpningar av uppfinningen, innefattande i syn- nerhet de tillämpningar varvid det är önskvärt att specialut- forma det roterande flödet i reaktionszonen 22 mot ren hjul- strömning, kan det vara önskvärt att modifiera det klockfor- 449 032 made bränslefördelningshöljet 41 (fig. l) genom injicering av pulvriserat bränsle inom endast ett begränsat vinkelsegment av mönstret. Figurerna 15 och 16 visar en modifierad tappventil som användes för åstadkommande av ett bränslefördelningsmöns- ter motsvarande ett vinkelsegment av det klockformade höljet 41. Denna modifierade tappventil 225 innefattar ett bränsle- inloppsrör 229, som är väsentligen identiskt med inloppsröret 29 hos den på fig. 8 visade ventilen. Vid en inloppsände 230 strömmar kolhaltigt bränsle blandat med bärargas in i tappven- tilen 225 genom mellanrummet mellan röret 229 och den centralt i linje anordnade tappen 227. Vid den högra änden är, såsom visas på fig. 15, tappen försedd med en förstorad cirkulär änddel 231 med en avsmalnande yta 232, som tätar mot ett ven- tilsäte 233 när tappen 227 föres i längdriktningen mot vänster.

Enligt denna utföringsform skiljer sig tappventilen 225 från andra utföringsformer genom att den cirkulära änddelen 231 innefattar ett tunnväggigt cylindriskt skört 232-som är utfor- mat sammanhängande med änddelen 231 och sträcker sig mot in- anden av röret 229 tätt invid innerväggen av inloppsrö- ret. Sasom anges vid 235 har skörtet 234 en del bortskuren tätt invid änddelen 231 till bildning av en öppning 236, som sträcker sig runt omkretsen av skörtet 234 inom en vinkel, som motsvarar vinkelutsträckningen av det solfjäderformade bränslefördelningsmönster som önskas. Sålunda kan öppningen 236 sträcka sig över en vinkel av ca 600. Enligt denna utfö- ringsform kan tappaxeln 227 vara anordnad för skjutbar i längdriktningen av inloppsröret 229 utan rotation. När tapp- axeln 227 förskjutes till det slutna läget (såsom visas på fig. 15) täta: den avsmalnande delen 232 mot ventilsätet 233 runt hela omkretsen och minskar härigenom strömningen av bränsle och bärargas till i huvudsak O. När tappen förskjutes till det helt öppna läget som visas på fig. 16 bibehåller skörtet 234 slidtätning mot innerväggen av inloppsröret 229 och förhindrar härigenom utströmning av bränsle och bärargas med undantag inom området av öppningen 236. Såsom visas på fig. 16 strömmar sålunda den under tryck stående strömmen av bränsle och bärargas genom inloppsröret 229 och passerar ut 449 032 36 genom öppningen 236 och sprutas in i förbränningszonen inom ett mönster av ett segment med begränsad vinkel motsvarande en vinkelandel av det klockformade höljet 41 på fig. l. när tappen 227 förskjutes från det öppna läget på fig. 16 mot det slutna läget på fig. 15, tillslutes öppningen 236 gradvis av ventilsätet 233 så att en gradvis minskning av gasflödet av bränsle och bärargas som injiceras i reaktionskammaren uppnås.

Den segmentuppdelade tappventilen har beskrivits med en utfö- ringsform som innefattar en vid periferin utformad 236, men det är uppenbart att andra ekvivalenta utföringsformer, exem- pelvis ett flertal i vinkel fördelade cylindriska hål, kan användas.

En alternativ reaktionskammarkonstruktion visas på fig. 17, 18 och 19, vilken är lämpad för användning vid högre tryck.

Såsom visas på fig. 17 utgöres kammaren 240 av en dubbelvägg- konst uktion med en yttervägg 242 och en innervägg 243. In- 'CJ r erväggen 243 är försedd med kylmedelkanaler 244 som på ke- misk väg utformats eller utfrätts på en ytteryta, såsom vi pa fig. 19. Kylmedelkanalerna tillslutas genom sëmsvetsning av en yttervägg 242 till ribbdelar 246 mellan passagerna 244.

Det värmeväxlande subsystemet tillföras kylmedel vid inloppet 248 ett fördelningsrör 249 för vatten och detta kylmedel för- delas gencm kanalerna 244 samt bortgår genom ett utloppssam- lingsrör 250. Påföringen av ett skikt av slagg på metallinner- ytan 243 i kammaren minskar värmeöverföringen till kylmedlet och minimerar härigenom entalpiförlusterna från strömmen av gasformiga förbränningsprodukter.

För en given förbränningstemperatur, som bestämmas genom reg- lering av de relativa tillförda mängderna av bränsle och oxi- dationmedel, uppsamlas den under förbränningen bildade slag- gen såsom en beläggning av stelnad slagg över innerytan 243 av metall hos kammaren 240 tills tjockleken av det isolerande skiktet av stelnad slagg är så stor att slagg som därefter av- sättas isoleras väsentligt från den kylande effekten av vatt- net i värmevëxlingskanalerna 244. Vid detta stadium uppnås 449 D32 jämvikt mellan slaggens fasta fas och smälta, och det flytande skiktet av smält slagg täcker det isolerade skiktet av stel- nad slagg. Detta skikt av smält slagg flyter genom inverkan av tyngdkraften mot en lägre del av förbränningskammaren där slag- 'gen avlägsnas genom ett utlopp eller fälla 252 för flytande slagg. Pâ fig. 17 visas en öppning 254 som utgör inblâsnings- öppningen för oxidationsmedlet i tangentiell riktning motsva- rande inloppsöppningen 59 på fig. 7 och 8.

I det följande beskrives ett sätt att framställa generatorgas eller syntesgas.

Anordningen lO enligt uppfinningen kan utföras för framställ- ning av generatorgas i luft under betingelser som gynnar bildning av kolmonoxid. Generatorgasen från anordningen 10 kan tillföras till en konventionell gas- eller oljeeldad brännare och användas såsom bränsle i denna brännare. Anord- ningen enligt uppfinningen utgör sålunda ett medel för för- bränning av kol till bildning av ett gasformigt bränsle som kan användas såsom ersättning för naturgas eller olja.

Det på fig. 21 visade systemet åskådliggör schematiskt det sätt på vilket anordningen enligt uppfinningen användeslför ramställning av generatorgas. Kolförbränningsanordningen 10 är av den typ som beskrivits i det föregående och i vilken Hu partiklarna av bränsle förbrännas innan de träffar innerväg- gen av anordningen. Komprimerad luft, som företrädesvis är förvärmd, införes genom en ventilförsedd ledning 300 till reaktionskammarcn hos anordningen 10 på det virvlande sätt som beskrivits i det föregående. Kolpulver injiceras genom tapperventilen (icke visad). För avlägsnande av SOX från reaktionsprodukterna kan karbonatet tillsättas till reaktions- zonen. Genom reglering av massflödet av kol och luft kan mängden kolmonoxid maximeras. De brännbara produkterna kan föras i form av avgas genom ett varmglasfilter om så önskas, till en gas- eller oljeeldad brännare. Eventuella slaggpar- tiklar som bortströmmar med avgaserna uppfångas i filtret och 449 032 38 avlägsnas såsom avfall. Slagg utmatas från anordningen 10 och bortskaffas på ett lämpligt deponeringsställe. _ Om man önskar framställa en syntesgas användes syre i stället för luft, och vattenånga injiceras i reaktionszonen i anord- ningen lO. Till följd härav finnes ringa eller icke någon mängd kväve i den avgas som bortgår från anordningen lO. I detta fall hålles ventilen 310 i ledningen 300 sluten och ventilen 320, som reglerar flödet av syre från en syrekälla 322 hâlles öppen. Massflödena av kol, syre och vattenånga regleras så att den önskade mängden kolmonoxid och väte fram- ställes i anordningen lO. Syntesgasen föres därefter igenom varmgasfiltret till en kemisk anläggning i vilken syntesgasen användes för framställning av önskade kemikalier. Vid fram- ställning av syntesgas är det även önskvärt att tillsätta karbonat för avlägsnande av SO¶ från avgasen.

Användning för kolpyrolys, destillering av skiffer samt flam- spaltning.

Anordningen 10 enligt uppfinningen kan även användas ö be- arbetning av kol, skiffer eller olja. Såsom framgår av fi H! F".

H3 innefattar ett föredraget system åtminstone tre stege Det första steget i systemet utgöres av anordningen lO. Det andra steget utgöres av en efterbrännare som fullbordar förbrän- ningen av reaktionsprodukterna som utmatas från anordningen lO. Antingen förvärmd luft eller syre kan injiceras i det andra steget för maximering av temperaturen hos avgasen som bortgår från det andra steget. Det tredje steget utgöres av en reaktionskammare i vilken skiffern, kolet eller oljan injiceras. De varma gaserna från anordningen 10 bringas i kontakt med skiffern, kolet eller oljan, som injiceras i det tredje steget. I fråga om kol avlägsnas vatten för debydrati- sering av kolet samt förflyktigas kolväten, och den återståen- de förkolade produkten är mer lämpad för transport. I fråga om skiffer sönderdelas det kolhaltiga materialet i skiffern till bildning av olja som därefter kan förflyktigas och av- .<_-.... ......-.... . :vu-- 449 032 lägsnas från det tredje steget. Om olja injiceras i det tredje steget undergår denna snabbspaltning till lättare kolväten.

Såsom angivits i det föregående kan det kolpulver som inspru- tats i förbränningsanordningen 10 blandas med karbonat för att minska bildningen æøsox. Slagg kan avlägsnas och bortskaf- fas. Avgaserna från det tredje steget kan kylas genom snabb- kylning, och eventuella flyktiga material som lämnar det tredje steget med dessa avgaser kan tillvaratas och användas såsom kemiska utgângsmaterial. '

Claims (22)

449 032 40 PATENTKRAV

1. Förfarande för förbränning av pulverformigt fast kolhaltigt bränsle, k ä n n e t e c k n a t därav, att man: (a) inför bränslet i en förbränningskammare nära mitten av en ände av denna: (b) riktar minst en ström av oxidationsmedel in i förbrän- ningskammaren på sådant sätt, att en med hög hastighet roterande strömning i kammaren erhålles; och (c) reglerar hastigheterna och de relativa massflödena av bränsle och oxidationsmedel, så att (l) förbränningstempe- raturen hålles inom ett sådant område, att flytande slagg i huvudsak kontinuerligt avsättes på en inneryta i för- bränningskammaren och kan avlägsnas från denna åtskild från de gasformiga förbränningsprodukterna, (2) större delen av kolinnehållet i bränslepartiklarna omvandlas till oxider av kol, innan partiklarna träffar innerväggarna av förbränningskammaren, och (3) en bränslerik förbrännings- blandning upprätthâlles i åtminstone en väsentlig del av förbränningszonen i förbränningskammaren för att härigenom begränsa bildningen av oxider av kväve och/eller svavel.

2. Förfarande enligt patentkrav l, k ä n n e t e c k - n a t därav, att det pulverformiga kolhaltiga bränslet infö- res i kammaren i ett divergerande och generellt koniskt för- delningsmönster, varvid skillnaden ifråga om vinkelhastighet mellan bränslepartiklarna och oxidationsmedlet är tillräcklig för att ge hastig och stabil förbränning av väsentligen hela kolinnehållet i partiklarna, när partiklarna svävar i förbrän- ningskammaren.

3. Förfarande enligt patentkrav l eller 2, k ä n n e - t e c k n a t därav, att de relativa massflödeshastigheterna för bränslet och oxidationsmedlet regleras för upprätthållande av den genomsnittliga stökiometrin i utrymmet i förbrännings- kammaren mellan ca 0,4 och ca 1,0. 41 449 052

4. Förfarande enligt något av patentkraven l-3, k ä n - n e t e c k n a t därav, att man dessutom inför valda kemiska reaktionskomponenter i förbränningskammaren.

5. S. Förfarande enligt något av patentkraven 1-4, k ä n - n e t e c k n a t därav, att man i kammaren dessutom inför en ström av ett bärarmedium innehållande finfördelad fast kemisk reaktionskomponent.

6. Förfarande enligt patentkrav l, k ä n n e t e c k -- n a t därav, att det kolhaltiga bränslet injiceras i ett divergerande och väsentligen koniskt fördelningsmönster, som är orienterat i huvudsak koaxiellt med förbränningszonen, varvid åtminstone en större del av oxidationsmedelsgasen inji- ceras väsentligen tangentiellt i zonen och varvid inloppshas- tigheten hos oxidationsmedelsgasen regleras så att väsentligen alla slaggdroppar med diametrar större än ca 10 um aeroballis- tiskt avsättes i smält form vid omkretsen av förbränningszonen och härigenom avskiljes från de gasformiga förbränningsproduk- terna, innan dessa produkter utmatas från förbränningszonen.

7. Förfarande enligt något av patentkraven l-6, k ä n - n e t e c k n a t därav, att förbränningszonen är utformad i en väsentligen cylindrisk förbränningskammare med sådana dimensioner i radiell riktning och längdriktningen, att i huvudsak alla slaggdroppar aeroballistiskt centrifugeras mot väggarna av reaktionskammaren och avsättes på denna såsom en smälta.

8. Förfarande enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t därav, att det kolhaltiga bränslet i huvudsak utgöres av pulvriserat stenkol, varvid i huvudsak hela kolinnehållet i kolpartiklarna omvandlas till koloxider, under det att bränslet svävar i förbränningskammaren.

9. Förfarande enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t därav, att ett karbonatmaterial inji- ceras i och blandas med det roterande flödet i förbrännings- . ...w-___ «-fi_.._._--~ - 42 449 032 sna- kammaren och att en väsentlig andel av svavelföreningarna, som förefinnes i kolet, bringas att reagera med karbonatmaterialet och bilda ett slaggliknande material, som genom centrifugering avsättes på kammarens väggar och härigenom avlägsnas från de förbränningsprodukter som bortgår från kammaren.

10. Förfarande enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t därav, att steget med införing av bränsle innefattar pulvrisering av stenkol, införing av det pulvriserade stenkolet i förbränningskammaren med en vinkel-_ hastighet, som är väsentligt mindre än vinkelhastigheten hos oxidationsmedlet, så att kolpartiklarna fördelas över ett i huvudsak koniskt fördelningsmönster i kammaren och skillnaden ifråga om vinkelhastighet mellan kolpartiklarna och oxida- tionsmedlet åstadkommer hastig förbränning av kolhalten i kol- partiklarna, under det att kolpartiklarna befinner sig svä- vande och med flygtider av några få hundradels millisekunder eller mindre.

11. ll. Förfarande enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t därav, att bränslepartiklarna med- föres i en bärarfluid i ett massförhållande bränsle till bärarfluid inom området från 1:1 till l00:l för åstadkommande av reglering av förhållandet bränsle-till-oxidationsmedel utan användning av rörliga delar i högtemperaturdelarna av förbrän- ningskammaren.

12. l2. Förfarande enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t därav, att det med hög hastighet roterande flödet avpassas så att större delen av bränslepar- tiklarna suspenderas i den roterande gasen för förbrännings- tider i svävníng, som är tillräckliga för väsentligen full- ständig omvandling av kolinnehållet i partiklarna till oxider av kol, innan partiklarna träffar innerytan av kammaren eller bortgår från kammaren.

13. Apparat för förbränning av partikelformigt kolhal- tigt bränsle i en förbränningszon och separation av slagginne~ “3 449 052 up.. hållet i bränslet från de gasformiga förbränningsprodukterna, k ä n n e t e c k n a d därav, att den innefattar: en av metall utförd fluidumkyld förbränningskammare, vars väggar hålles vid sådan temperatur, att ett skikt av slagg bibehålles på innerytan av väggarna: organ för injicering av oxidationsmedelsgas i förbrän- ningskammaren på sådant sätt, att ett med hög hastighet roterande flöde av en blandning av oxidationsmedelsgas, bränslepartiklar och förbränningsprodukter åstadkommas inom en ringformig del av förbränningszonen intill inner- ytorna; - organ för införing av partikelformigt kolhaltigt bränsle i kammaren med en förhållandevis låg hastighet jämfört med hastigheten hos oxidationsmedelsgasen och på ett sådant sätt och i sådan riktning, att en förhållandevis bränsle- rik stökiometri upprätthålles inom en i längdriktningen förlöpande central del av förbränningszonen; organ för reglering av bränsletillföringshastigheten i för- hållande till tillföringshastigheten av oxidationsmedel för åstadkommande av höga rotationsströmningshastigheter, stökiometriska betingelser och förutbestämda förbrän- ningstemperaturer inom sådana intervall, att större delen av kolet som förefinnes i bränslet oxideras innan bränslepartiklarna når innerväggsytorna och större delen av de icke brännbara beståndsdelar som förefinnes i bränslet smältes och avsättes såsom smält slagg, som härigenom avskiljes från de gasformiga förbränningspro- dukterna.

14. Apbarat enligt patentkrav 13, k ä n n e t e c k - n a d därav, att organen för åstadkommande av ett roterande flöde med hög hastighet och förutbestämda förbränningstempera- turer innefattar organ för tätfasbränsleinmatning, som regle- rar bränsletillföringshastigheten i förhållande till oxida- tionsmedelstillföringshastigheten.

15. Apparat enligt patentkrav 14, k ä n n e t e c k - n a d därav, att organen för tätfasbränsleinmatning innefat- 449 932 M tar organ för transport av pulverformigt kolhaltigt bränsle, som medföres i ett flöde av bärarfluid, varvid i huvudsak hela mängden av bränslepartiklarna är mindre än ca 750 pm (70 % passerande en sikt med maskvidd 200 mesh) i diameter.

16. Apparat enligt patentkrav 15, k ä n n e t e c k - n a d därav, att organen för tätfasbränsleinföring är anord- nade att âstadkomma ett flöde av partikelformigt stenkol, som medföres i en bärarfluid med ett medförings-massförhâllande av kolpartiklar till bärarfluid, som regleras inom området från ca 3:1 till ca l0:l.

17. l7. Apparat enligt patentkrav 13, k ä n n e t e c k - n a d därav, att regleringsorganen är anordnade att bibehålla införingshastigheterna av bränsle och oxidationsmedelsgas inom sådana gränser, att större delen av bränslepartíklarna passe- rar förbränningszonen med en uppehâllstid av storleksordningen nâgra få hundradels millisekunder.

18. Apparat enligt patentkrav 13, k ä n n e t e c k - n a d därav, att regleringsorganen är anordnade att bibehålla tillföringshastigheterna för bränsle och oxidationsmedelsgas inom sådana områden, att större delen av kolhalten i bränsle- partiklarna omvandlas till koloxider inom förbränningszonen, innan de bildade slaggdropparna når väggarna och innan de bil- dade gasformiga förbränningsprodukterna utmatas från förbrän- ningskammaren.

19. Apparat enligt patentkrav 13, k ä n n e t e c k - n a d därav, att regleringsorganen är anordnade att bibehålla tillföringshastigheterna för bränsle och oxidationsmedel inom sådana gränser, att väsentligen hela mängden icke-brännbara beståndsdelar som förefinnes i bränslet (a) avskiljes från de gasformiga förbränningsprodukterna, innan dessa utmatas från apparaten, och (b) avsättes i smält tillstånd på innervägg- ytorna.

20. Apparat enligt patentkrav 19, k ä n n e t e c k - 45 449 032 n a d därav, att den innefattar slaggavtappningsorgan för avlägsnande av smälta icke brännbara beståndsdelar från för- bränningskammaren åtskilt från de gasformiga förbränningspro- dukterna.

21. Apparat enligt patentkrav 19, k ä n n e t e c k - n a d därav, att organen för införing av partikelformigt bränsle innefattar minst en koaxiell tappventil, som är riktad väsentligen parallellt med förbränningskammarens längdaxel.

22. Apparat enligt patentkrav 21, k ä n n e t e c k - n a d därav, att den dessutom innefattar: medföringsorgan för medförande av bränsle kopplade till tapp- ventilen för medförande av kolpulver i en ström av bärarfluid och tillföring av en blandning av kol och bärarfluid till tappventilen, varvid medföringsorganen innefattar: (a) en tillföringskälla för pulverformigt kol för åstadkom- mande av ett flöde av partikelformigt kol, (b) en fluidiseringsanordning som är ansluten att mottaga kol från denna källa och bildar en invändig kammare med formen av en inverterad konisk sektion, (c) en utströmningskanal för fluidiserat kol, som sträcker sig från kammaren till ytterytan av fluidiseringsanordningen, (d) en eduktor som är kopplad till fluidiseringsanordningen för att mottaga en ström av pulverformigt kol, som ström- mar från fluidiseringsanordningen, varvid eduktorn inne- fattar ett bärargasmunstycke och ett utloppsrör som är anordnat i linje i huvudsak koaxiellt med munstycket och i en avsevärd vinkel i förhållande till riktningen av kol- flödet i eduktorn, (e) organ för att rikta en bärargasström med hög hastighet in i eduktorn genom munstycket för accelerering av partik- larna av det pulverformiga kolet och blandning av dessa med bärargasen för att härigenom åstadkomma ett flöde av en bränsle-och-bärargasblandning genom utloppsröret, (f) en kanal som sträcker sig från utloppsröret och är anslu- ten till den koaxiella tappventilen för att leda flödet från eduktorn till tappventilen och 46 449 032 (g) regleringsorgan för reglering av flödet av pulverformígt kol och bärargas till eduktorn och härigenom reglera kol- -till-fluíd-massförhållandet hos blandningen inom området från 20:l till lO:l.