Спосіб проведення ендотермічних реакцій і пристрій для їх здійснення

УКРАЇНА (19) UА о,, 26901 • 03) C1 Ч (51)6 С 10 J 3/56 ДЕРЖАВНЕ ПАТЕНТНЕ ВІДОМСТВО ОПИС ДО ПАТЕНТУ НА ВИНАХІД (54) СПОСЇБ ПРОВЕДЕННЯ ЕНДОТЕРМІЧНИХ РЕАКЦІЙ І ПРИСТРІЙ ДЛЯ ЇХ ЗДІЙСНЕННЯ (20) 93003238, 13.09.93 (21) 4743181 * t (22) 13.02.90 (24) 29.12.99 (31) 310202 (32) 14.02.89 • ' -/* (33) US (46) 29.12.99. Бюл. № 8 (56) Патент США № 4483692, кл. С 10 J 3/06, 1987. (72) Мансур Момтаз Носші (US), ДурайСвамі Канда-Свамі (US), Уоррен Девід Волтер (US) (73) Мануфакчурінг енд текнолоджі конвершн інтернєшнл, ІНК (US) (57) 1. Способ проведения эндотермических реакций, включающий подачу твердых частиц топлива в реакционную зону, поддержание твердых частиц в псевдоожиженном состоянии путем подачи газа или пара через слой твердых частиц, проведение термохимической реакции взаимодействия реагентов с твердыми частицами топлива, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что дополнительно вводят топливо и кислородсодержащий газ в зону пульсирующего горения, сжигают по крайней мере часть топлива, введенного в зону пульсирующего горения в условиях пульсирующего горения с образованием потока горячих газов, содержащих несгоревшую часть топлива, и акустических волн сжатия, подают поток горячих газов из зоны пульсирующего горения на вход резонансной зоны, ограниченной стенкой трубопровода, расположенного в реакционной зоне со слоем твердых частиц, и имеющей вход на одном конце, а выход на другом конце трубопровода, сжигают по крайней мере долю несгоревший части топлива в потоке горячих газов в резонансной зоне с образованием потока про дуктов сгорания, распространяют акустическую волну сжатия в реакционной зоне, нагревают слой твердых частиц в реакционной зоне путем передачи тепла от потока продуктов сгорания в резонансной зоне через стенку трубопровода. 2. Способ по п.1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что пульсирующее горение осуществляют с расчетом образования скорости пульсации в диапазоне частоты 20-1500 Гц, предпочтительно 3 0 150 Гц. 3. Способ по пп.1 и 2, о т л и ч а ющ и й с я тем, что пульсирующее горение осуществляют с расчетом образования уровня акустического давления в реакционной зоне примерно 110-190дБ, предпочтительно 140-150 дБ. 4. Способ по пп.1-3, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что общий коэффициент теплопередачи находится в диапазоне 11,4-22,7-10 7 Вт/мгК. 5. Способ по пп.1-4, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что общий коэффициент теплопередачи составляет по крайней ме7 2 ре около 22,7- 10 Вт/м К. 6. Способ по пп.1-5, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что топливом является углеродсодержащий материал, выбранный из группы, состоящей из каменного угля, биомассы, горючего сланца, нефтеносных или битуминозных песков, суббитуминозного угля, древесины, черного щелока и мазута. 7. Устройство для проведения эндотермических реакций, включающее реактор, содержащий слой твердых частиц топлива, средства для ввода топлива и реагентов в реактор, средство для отвода газообразных продуктов реакции из реактора, средство для поддержания твердых частиц в псевдоожиженном состоянии, со С > о. NO о 26901 держащее патрубок для подачи псевдоожижающего агента и газораспределительную решетку, средство для отделения газообразных продуктов реакции от твердых частиц, имеющее патрубок, соединенный со средством для отвода газообразных продуктов реакции из реактора, и патрубки для отвода отсепарированных твердых частиц и газообразных продуктов, средство для рециркуляции отсепарированных твердых частиц, вход которого соединен с патрубком для отвода отсепарированных твердых частиц, а выход - с реактором, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что оно содержит средства пульсирующего горения для сжигания дополнительного топлива с образованием пульсирующего потока горячих газов и давления акустической волны сжатия, резонансные трубы, расположенные в реакторе, имеющие вход, сообщающийся со средством пульсирующего горения. 8. Устройство по п.7, о т л и ч а ю щееся тем, что оно содержит одну резонансную трубу, имеющую, например-, форму U-образного колена, при этом вход и выход резонансной зоны находится вблизи друг друга, или содержит несколько параллельных резонансных труб, имеющих входы, сообщающиеся по отдельности с зоной пульсирующего горения, а выходы, сообщающиеся с общим каналом. 9. Устройство по пп.7-8, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что на входе резонансной зоны расположен теплозащитный экран, причем температура наружной поверхности экрана ниже, чем температура наружной поверхности резонансной зоны около экрана. 10. Устройство по пп.7-9, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что оно дополнительно содержит средство для разделения конденсирующихся компонентов от неконденсирующихся компонентов в газообразных продуктах, имеющее входящий патрубок, соединенный с патрубком для отвода газообразных продуктов из средства для отделения газообразных продуктов от твердых частиц, и выходные патрубки для сконденсированных жидкостей и отсепарированных неконденсирующихся газообразных продуктов, средство для рециркулирования неконденсирующихся газообразных продуктов, в реактор, вход которого соединен с выходным патрубком неконденсирующихся газообразных продуктов, а выход - с патрубком для подачи псевдоожижающего агента. 11. Устройство по пп.7-10, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что средство пульсирующего горения имеет предел тепловой мощности 37,2-7,4-10 а кДж/м 3 и содержит клапан, работающий с расчетом саморегулирования количества топлива к количеству кислорода для обеспечения данной тепловой мощности, температуры газообразных продуктов сгорания 962 - 1927°С, преимущественно 9621538°С, скорости газа в резонансной трубе 91,5-488 м/с, преимущественно 91,5274 м/с. Изобретение относится к термохиВ случае реакторов с непосредственмическим реакторам с косвенным нагным нагревом экзотермические реакции, ревом и к способам проведения термоосуществляемые на месте, обеспечивают химических реакций, включающим такие теплом реакции требуемые эндотермическак газификация и паровой рифорадинг 5 кие процессы. Примерами таких систем с тяжелых масел и токсичных органичеснепосредственным нагревом являются гаких веществ, регенерация черного щелозогенераторы неполного окисления и авка и использование энергии, и конвертотермальные газогенераторы. Эти систесия возобновляемых ресурсов, таких как мы могут быть использованы для газифибиомасса и энергонесущие отработан- 10 кации, например, углеродсодержащего маные потоки. териала (включая биомассу), но полученСпособы проведения термохимических ный генераторный газ имеет низкое качество из-за наличия в нем разбавителей, реакций охватывают широкий спектр реакт.е. продуктов экзотермических реакций. ций, в которых исходные материалы подвергают непосредственному или косвен- 15 Продукты более высокого качества моному нагреву для осуществления требуегут быть получены путем использования мых эндотермических реакций. реакторов с косвенным нагревом. Напри 26901 мер, уже было использовано несколько способов газификации биомассы с косвенным нагревом, В одном способе используют традиционную топку с дымогарными трубами, входящими в реактор с кипящим (псевдоожиженным) слоем (Флэниген и др. Материалы 15-го совещания подрядчиков по термохимической конверсии биомассы. - Атланта, Джорджия. - 1983. - С.14-30). Во втором способе используют работающую на растительном угле вспомогательную топку с кипящим слоем, которая нагревает песок в отдельном слое. Горячий песок затем используют в качестве отдающей тепло среды в первичном (основном) газификационном реакторе с кипящим слоем (Фельдман и др. Материапы 15-го совещания подрядчиков по термохимической конверсии биомассы. - Атланта, Джорджия. - 1983. - С.31-90). Что касается первого способа, то большого размера топка и теплообменная подсистема приводят к высокой стоимости по сравнению с реакторами с нелосредственным нагревом. Основным недостатком традиционных дымогарных реакторов с косвенным нагревом всегда была высокая стоимость, обусловленная размером теплообменников и использованием стойких к высоким температурам материалов, требуемых для изготовления таких теплообменников. Кроме того, большое количество труб, необходимых для теплообмена, может мешать псевдоожижению слоя в реакторе. Поэтому низкое тепловое напряжение топочного объема и низкая интенсивность теплопередачи в дымогарных трубах ограничивают эксплуатационные качества и экономичность реактора. 5 10 15 20 25 30 35 40 6 углеводородов с задачей получения богатого водородом газа автотермальны и работают при высоких температурах. Это, однако, ставит под угрозу качество полученного газа из-эа выделения разбавителей (продукты сгорания в полученном газе), в частности, если систему продувают воздухом. Это привело к разработке двух стоящих упоминания паровых риформинг-аппаратов с косвенным нагревом: один для проведения процесса полного риформинга углеводородов (Томита. Симпозиум по высокотемпературной обработке, организованный ф. "КТИ компани". - Сайта Барбара, СА, 1979; Томита и др. Европейское совещание по химической технологии, 18-й химический съезд и выставка. - Франкфурт, ФРГ, 1976), а другой - для проведения каталитического процесса парового риформинга с кипящим слоем (называемого далее "французским процессом") (Бюллетень Societedeae Grande Parasse, 1973). В процессе полного риформинга получают водород посредством реакции пара с тяжелым жидким углеводородом в трубчатом реакторе с неподвижным слоем. Этот процесс является каталитическим и, как сказано, позволяет использовать для исходных сырьевых материалов, включающих лигроин и сырую нефть, без какойлибо предварительной обработки исходного материала В этом процессе используют катализатор, работающий в присутствии серы Первичным катализатором, называемым Т-12, является безсиликатный катализатор на основе алюмината кальция. Поскольку активность этого катализатора в паровом риформинге ниже, чем активность традиционных никелевых катализаторов, требуемая температура реакции должна быть выше. Поэтому для тяжелого исходного сырья, такого, как иранская тяжелая нефть, температура на входе составляет порядка 1652°F (89843), а температура на выходе около 1832°F (1000°С), что вызывает серьезные проблемы с теплопередачей и с материалом для труб. Следует также отметить, что необходимо было разрабатывать сложную новую систему подачи для регулирования испарения тяжелого топлива и интенсивного перемешивания с паром с задачей избежать крекинга и образования сажи на входе в трубы риформинг-аппарата. Что касается второго способа, то сжигание растительного угля для выделения теплоты сгорания угля трудно обеспечивать без длительного времени пребывания 45 и избыточного воздуха, что требует еще большей (чем газогенератор) топки, а также снижает КПД системы. Кроме того, серьезными недостатками являются размеры и сложность оборудования для ре- 50 циркуляции горячего песка и затраты на дополнительную топку с кипящим слоем. В качестве другого примера известные способы парового риформинга тяжелых жидких углеводородов включают ряд 55 способов с неподвижным слоем и с кипящим слоем, при выполнении которых возникают серьезные проблемы. Поскольку безникелевый катализатор Т-12 недостаточно активен для превращеБольшинство паровых риформинг-апния всех углеводородов в синтез-газ, то паратов для обработки тяжелых жидких 26901 выходящий газ неизбежно содержит высокий уровень содержания метана, в частности, при использовании тяжелых исходных сырьевых материалов. Чтобы решить эту проблему прорыва углеводородов используют никельсодержащий катализатор (Т-48) в конце неподвижного слоя алюмината кальция Т-12, Никелевый катализатор Т-48, расположенный рядом и выше по потоку от катализатора Т-12, стоек к сере в этом процессе, потому что он работает при высоких температурах (обычно 1650°F) и в присутствии значительных количеств Н2. Для парового риформинга сырой нефти процесс полного риформиига углеводородов более дорог, чем для традиционного парового риформинга бензинолигроиновых фракций. Для специалистов в области парового риформинга очевидно, что переработка тяжелых углеводородов связана с необычными проблемами, обусловленными наличием в тяжелых углеводородах ароматических составляющих, особенно склонных к образованию углеродистых отложений (сажи) на носителях катализаторов. В упомянутом процессе полного риформинга углеводородов первичный катализатор расположен в трубчатом реакторе с неподвижным слоем. Образование углеродистых отложений в таких трубчатых реакторах с неподвижным слоем приводит к окклюзии (закупорке) объемов пустот катализатора. В конструкции с неподвижным слоем процесс образования отложений и окклюзии является прогрессирующим и приводит к чрезмерному перепаду " давления в трубчатом реакторе и обязательному прекращению работы. Поэтому, поскольку образование отложений в реакторах с неподвижным слоем допускать нельзя, то необходимо обеспечивать режим процесса, позволяющим избежать образования отложений или свести его к минимуму. Это обычно требует использования высоких значений отношения пара к углероду, что увеличивает скорость газификации углерода по отношению к скорости образования углеродистых отложений. Однако, высокие значения отношения пара к углероду оказывают вредное влияние на термический КПД процесса. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 В случае французского процесса, разработанного в Societe de la Grande Parasse, был использован реактор с кипящим 55 слоем. Реактор был разработан для переработки тяжелых серосодержащих исходных сырьевых материалов, например мазута, в водород без сероочистки и с минимальным образованием нагара. В этом S процессе воду и углеводород подают в псевдоожиженный слой никельсодержащего катализатора, который поддерживают изотермически при 1472-1690°F. Псевдоожижение слоя катализатора позволяет работать при низких значениях отношения пара к углероду. Однако более тяжелые сырьевые материалы вызывают некоторый прорыв углеводородов. Кроме того, наличие никельсодержащего катализатора в процессе с кипящим слоем нежелательно по двум причинам. Первой причиной является то.^ что истирание в слое приводит к потере дорогого никельсодержащего катализатора. Второй причиной является чрезмерное образование сажи и отравление серой никеля в катализаторе, что происходит при переработке тяжелых жидкостей, склонных к сажеобразованию и содержащих большое количество серы (мазуты номер 4 и 6). Кроме того, некоторые реагирующие вещества предъявляют необычные требования к реактору, процессу и расчету системы. Черный щелок, побочный продукт процессов варки целлюлозы, обычно содержит полученные из биомассы лигнины и неорганический натрий и в некоторых случаях (например, в случае сульфатного щелока), сернистые технологические химикаты. Экономика процесса диктует необходимость в регенерации технологических химикатов и использовании (утилизации) энергии, содержащейся в черной щелочи. Например, процесс регенерации сульфатного черного щелока должен предусматривать средство для сохранения и/или регенерации серы в виде сульфида натрия. В настоящее время это осуществляют путем использования содорегенерационного агрегата Томлинсона, в котором черный щелок сжигают и неорганические сульфатные химикаты восстанавливают путем проведения реакции с углеродом в слое жидкого расплава на дне агрегата (печи). Хотя агрегат Томлинсона имел широкое распространение в бумажной промышленности по производству крафт-бумаги в течение нескольких десятилетий, он имел существенные недостатки, включающие угрозу безопасности, т.е. взрывы от попадания воды в расплав, коррозию и нежелательные выбросы в окружающую среду. Кроме того, агрегаты Томлинсона составляют существенную часть общих капиталовложений в современный завод. При предполагаемом расширении завода имеется мало возможности дальнейшего роста производственной мощности предп J 26901 риятия, потому что паровые котлы-регенераторы экономически выгодны только при больших объемах. По указанным причинам бумажная промышленность искала новые технологические альтернативы котлам-регенераторам Томлинсона. Газификация черного щелока может быть осуществлена автотермально, однако этот способа дает в результате газ с низкой теплотой сгорания и в большинстве случаев такие автотермальные газогенераторы создают жидкий расплав. Более важно то, что поскольку крафтхимикаты должны быть регенерированы в восстановленном состоянии, то непосредственное подвергание черной щелочи воздействию окислителей, например в процессах с неполным окислением и в автотермальных процессах, обычно нежелательно. Была также разработана автотермальная газификация черной щелочи в реакторе с расплавленной солью. Восстановление крафт-химикатов углеродом, содержащимся в расплавленной соли, осуществляли в автотермальном газогенераторе, тем не менее этот способ страдает такими же недостатками, как и при технологии с использованием агрегата Томлинсона, к которым относятся образование плава, проблемы с коррозией, опасность взрыва, высокие капитальные затраты и низкий КПД системы. 5 10 15 20 25 30 Поэтому существует потребность в процессе регенерации черного щелока, который бы (процесс) исключал необхо- 35 димость в обращении с жидким плавом, обеспечивал высокую надежность и безопасность, высокий термический КПД и низкие затраты, а также позволял создание модульных конструкций системы для 40 обеспечения возможности дальнейшего роста предприятия. Для самых разных применений имеется потребность и в новых реакторах для термохимических процессов с косвенным 45 нагревом и в различных эндотермических процессах с оптимизацией реакций и параметров процессов для максимального увеличения общего полезного результата. Потребность в новых термохимических 50 реакторах и процессах с косвенным нагревом существует в очень широком спектре областей практического применения, включая, например, неглубокую (в мягких условиях) газификацию каменного угля, 55 паровую газификацию каменного угля и торфа, термический крекинг химических продуктов, термохимическую переработку промышленных и бытовых отходов, газификацию энергонесущих отработанных по 10 токов с предприятий по обработке пищевых продуктов, извлечение полезных видов топлива из горючих (битуминозных) сланцев и нефтеносных и битуминозных песков, обезвреживание опасных отработанных материалов и регенерацию (использование) энергии таких отходов и осуществление эндотермических реакций в химических процессах для получения требуемых химических продуктов. Известен способ проведения эндотермических реакций, включающий подачу твердых частиц топлиэа в реакционную зону, поддержание твердых частиц в псевдоожиженном состоянии путем подачи газа или пара через слой твердых частиц, проведение термохимической реакции взаимодействия реагентов с твердыми частицами топлива (Патент США № 4483692, кл. С 10 J 3/06, 1987). Известно устройство для проведения эндотермических реакций, включающее реактор, содержащий слой твердых частиц топлива, средства для ввода топлива и реагентов в реактор, средство для отвода газообразных продуктов реакции из реактора, средство для поддержания твердых частиц в псевдоожиженном состоянии, содержащее патрубок для подачи псевдоожижающего агента и газораспределительную решетку, средство для отделения газообразных продуктов реакции от твердых частиц, имеющее патрубок, соединенный со средством для отвода газообразных продуктов реакции из реактора, и патрубки для отвода отсепарированных твердых частиц и газообразных продуктов, средство для рециркуляции отсепарированных твердых частиц, вход которого соединен с патрубком для отвода отсепарированных твердых частиц, а выход с реактором (Патент США № 4483692). Изобретение устраняет недостатки используемых в настоящее время реакторов с косвенным нагревом путем использования одной или (предпочтительно) нескольких резонансных труб пульсирующей топки, выходящих из одной и той же камеры сгорания в качестве теплообменников в слое, причем пульсация скорости и давления газообразных продуктов сгорания и интенсивное звуковое поле, излучаемое несколькими резонансными трубами о находящийся в реакторе слой увеличивает скорость тепловыделения (тепловое напряжение топочного объема), скорость тепло- и массопередачи и, следовательно, скорости реакции в слое. Задачей изобретения является создание термохимических реакторов, отличаю 11 26901 щихся высоким термическим КПД, высокими скоростями обработки, низкими капитальными затратами и эксплуатационными расходами высоким качеством продукта для практических применений, включающих газификацию черного щелока, газификацию биомассы, паровой риформинг (каталитическое разложение паром) тяжелых жидких углеводородов, косвенную сушку, неглубокую газификацию (пиролиз при умеренных температурах) каменного угля, паровую газификацию каменного угля и торфа, термохимическую переработку с косвенным нагревом промышленных и бытовых отходов, термический крекинг химических продуктов, газификацию энергонесущих отработанных потоков с предприятий по обработке пищевых продуктов, извлечение полезных видов топлива из горючих (нефтеносных) сланцев и нефтеносных и битуминозных песков, обезвреживание опасных отработанных материалов и регенерацию (использование) энергии таких отходов и осуществление эндотермических реакций в химических процессах для получения требуемых химических продуктов. Другой задачей изобретения является создание термохимического реакционного устройства с косвенным нагревом и способа увеличения скорости тепловыделения, скорости тепло- и массопередачи, скорости реакции и производительности для получения полезных продуктов и обезвреживания (детоксикации) материалов с низкими уровнями выбросов в окружающую среду. Еще одной задачей изобретения является создание усовершенствованных термохимических процессов для практических целей, включающих регенерацию черного щелока, каталитический паровой риформинГ* тяжелых жидких углеводородов, каталитическую паровую газификацию низкосортных каменных углей, неглубокую газификацию каменного угля и извлечение полезных видов топлива из нефтеносного сланца и нефтеносных и битуминозных песков. Очередной задачей изобретения является генерирование среднекалорийного газа, дающего примерно (при нормальных условиях) 13-20,5 МДж/м3, и жидких углеводородов из альтернативных источников энергии, таких как каменный уголь, горючий сланец, биомасса, бытовые твердые отходы, энергонесущие промышленные отходы и отработанные углеводороды, с образованием незначительных количеств нежелательных смол и тяжелых масел. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 12 Задачей изобретения является также создание устройства и способа для газификации черного щелока и регенерации его энергии и ценных химических веществ без образования жидкого плава. Еще одной задачей изобретения является создание модульной системы регенерации черной щелочи и процесса регенерации черной щелочи, пригодных для дальнейшего расширения производственных мощностей предприятий. В соответствии с изобретением для достижения указанных целей предлагается термохимическое реакционное устройство с косвенным нагревом, содержащее реактор с кипящим слоем и с косвенным нагревом посредством пульсирующей топки, снабженной камерой сгорания, аэродинамическим клапаном и одним или несколькими удлиненными трубами, ограничивающими резонансную зону, с входом на одном конце камеры сгорания и выходом на другом ее конце, называемыми далее "резонансными трубами". Реактор снабжен одним или несколькими отверстиями для ввода материала и может быть загружен твердыми частицами, содержащими подходящий материал для слоя, могущий быть инертным материалом или материалом каталитической природы, обеспечивающим каталитическое ускорение реакций в слое. Реактор с кипящим слоем снабжен также отверстием вблизи дна реактора для введения псевдоожиженной среды, которой могут быть водяной пар, газ, пар, иных чем вода, жидкостей или их комбинации. Поток псевдоожижающей среды в реакторе распределяют, по существу, равномерно по поперечному сечению слоя с помощью распределительного средства для равномерного распределения псевдоожижающей среды. На выходе каждой резонансной трубы имеется выходное пространство для сборки газов, выходящих из резонансных труб. Твердый материал, газы и пары, называемые далее "продуктами реактора", выходят из реактора через отдельные отверстия. Затем продукты реактора поступают в средство отделения зернистого материала, такое как циклон или камера с рукавным фильтром или другое подходящее средство для отделения твердых частиц от продуктов реактора. Работа устройства в соответствии с изобретением включает в себя введение топлива и кислородсодержащего газа в камеру сгорания и сжигание первой части топлива, введенного в камеру сгорания при условиях, обеспечивающих пульса 13 26001 ционное сгорание, в результате чего образуется поток горячих газов, содержащих оставшуюся часть топлива, введенного в камеру сгорания, причем пульсационным сгоранием управляют так, чтобы обеспечивать пульсацию скорости с частотой по крайней мере 20 Гц и уровнем динамического звукового давления по крайней мере около 165 дБ. Поток горячих газов из камеры сгорания подают затем на вход удлиненной резонансной зоны, окруженной стенкой с входом на одном ее конце и выходом на другом. Оставшуюся часть топлива в потоке горячих газов сжигают в резонансной зоне, обеспечивая тем самым дальнейшее образование тепла в потоке продуктов сгорания. От потока продуктов сгорания тепло передают через стенку, окружающую резонансную зону, в слой твердых частиц, находящихся в реакционной зоне. Псевдоожижающий пар жидкости или газ вводят в реакционную зону, пропуская его через нее, через отверстие со скоростью, регулируемой так, чтобы поддерживать твердые частицы в состоянии перемешивания. В реакционной зоне твердые частицы нагревают путем теплопередачи от потока продуктов сгорания в резонансной зоне без непосредственного контакта между потоком продуктов сгорания и частицами, причем общий коэффициент теплопередачи от потока поодуктов сгорания к частицам вдвое выше, чем тот, который мог бы быть достигнут при отсутствии пульсационного сгорания. 5 10 15 20 25 30 35 Реагирующий материал вводят в реакционную зону через одно или несколько отверстий, смешивают с нагретыми твердыми частицами и псевдоожижающей сре- 40 дой слоя и обрабатывают путем осуществления эндотермической реакции или физического изменения в слое до получения полезных продуктов. Интенсивное акустическое поле, излучаемое резонансными 45 трубами в слой твердых частиц в реакционной зоне, улучшает перемешивание в слое и реагирующих материалах, загруженных в него, и увеличивает скорость массопередачи частиц в газ и частиц в 50 пар и скорость реакций в слое, убирая тем самым ограничения на распространение реакции и повышая эффективность кинетики реакции, что дает в результате повышение скоростей пропускания мате- 55 риала. Пульсация потока газообразных продуктов сгорания, проходящего через резонансные трубы, обеспечивает интенсивную массопередачу в тонком граничном 14 слое на границе раздела между горячими газообразными продуктами сгорания и внутренней стенкой трубы, что исключает основную причину сопротивления теплопередаче. Коэффициенты теплопередачи между наружной стенкой резонансных труб и материалом в реакционной зоне (кипящем слое) обычно высоки. Система с косвенным нагревом в соответствии с изобретением имеет коэффициент теплопередачи, превышающий примерно в 2-10 раз коэффициенты теплопередачи в традиционных системах. Вследствие этого размер и число резонирующих теплопередающих труб в системе в соответствии с изобретением относительно малы по сравнению с размером и числом теплообменников в дымогарной трубе традиционных систем с косвенным нагревом. Топка также компактна благодаря эффективному сгоранию и высокой пространственной плотности теплового потока. Пульсирующая топка устройства в соответствии с изобретением имеет скорость тепловыделения примерно 150-223 ГДж/м3/ч или выше, тогда как скорость тепловыделения для традиционных топок составляет примерно 1,5-15 ГДж/м3/м. В предпочтительном варианте осуществления изобретения пульсирующая топка имеет аэродинамический клапан для саморегулирования отношения количества топлива к количеству воздуха в зоне горения в топке и производит тепла около 41,4-10 6 Вт/м3 в час при температуре газообразных продуктов сгорания около ЗОООТ (1€49°С), скорости газа в резонансной трубе по крайней мере 91 м/с с колебаниями по крайней мере 165 дБ и по крайней мере 20 Гц и излучает уровень акустического давления по крайней мере около 140-150 дБ (при измерении в реакционной зоне). Результатом наличия интенсивного акустического поля является то, что многие реакции происходят в реакторе в соответствии с изобретением при температурах в реакционной зоне на 100~200°F (37Г8-93°С) ниже, чем в традиционных системах. Целесообразно также использовать пульсирующую топку в соответствии с изобретением для полного сжигания трудносгораемых топлив, включающих, например, каменный уголь и угли от биомассы. Пульсирующее поле течения заставляет продукты сгорания уноситься прочь из горящего негазообразного топлива, обеспечивая тем самым доступ к кислороду. Ограничения по диффузии (распространению) в пульсирующей топке и резонанс 15 26901 ной трубе, по существу, исключаются, что уменьшает потребность в избыточном воздухе. В изобретении может быть использован широкий диапазон реакторов и материалов слоя. В предпочтительном вариантах осуществления изобретения используют реактор с кипящим (псевдоожиженным) слоем или реактор с уносимым слоем и лсевдоожижающий газ или газ-носитель. Реактор в соответствии с изобретением может быть использован для нагрева самых разнообразных неорганических или органических материалов, включающих, например, песок, каменноугольную золу, соли, органические растворители, отработанные масла, опасные отходы, каменный уголь, биомассу, битуминозные пески, горючий (нефтеносный) сланец, твердые отходы и суспензии, такие как отстой сточных вод и черный щелок, и различные твердые катализаторы. В соответствии с особо предпочтительным вариантом осуществления изобретения паровую газификацию черного щелока осуществляют без технологического воздуха или кислорода и поэтому в слое протекают строго эндотермические реакции. Процесс в соответствии с изобретением обеспечивает возможность регенерации черного щелока без образования жидкого плава. В этом предпочтительном варианте черный щелок (с содержанием твердых частиц 50-75%) распыляют водяным паром или разбрызгивают непосредственно на горячие твердые частицы слоя в реакционной зоне реактора. Черный щелок образует относительно тонкий покровный слой на поверхности твердых частиц и подвергается пиролизу с очень высокой скоростью. Это обеспечивает большую площадь поверхности и пористость для быстрого пиролиза покровного слоя черного щелока, достаточного для завершения газификации водяным паром, восстановления сульфатов натрия до сульфидов натрия а восстановительной среде в реакторе и освобождения серосодержащих углеводородов, находящихся в черном щелоке в виде сульфида водорода, причем, по существу, весь натрий в черном щелоке участвует в реакции, образуя карбонат натрия, без образования жидкого плава. Предпочтительным материалом слоя в данном варианте, который (материал) первоначально загружают в реакционную зону, является карбонат натрия (кальцинированная среда). В данном варианте предпочтительная температура для реак 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 16 ционной зоны составляет 1100~1250°F (593-673°С) при поддержании максимальной температуры поверхности нагревательного элемента в слое ниже примерно 130O-1350°F (704-732°C). Это важно для предотвращения размягчения или расплавления карбоната натрия, находящегося в слое, что могло бы привести к агломерации слоя и образованию нежелательного жидкого плава. Для улавливания серы, выходящей из реакционной зоны с полученным газом, регенерированные соединения натрия, находящиеся в виде карбоната натрия с небольшим количеством растительного угля, растворяют в воде для получения щелочного раствора карбоната натрия, который используют для промывки полученного газа, обеспечивая тем самым улавливание серы и образование зеленого щелока. Зеленый щелок подвергают дальнейшей обработке обычным образом для получения гидроксида и сульфида натрия (белый щелок) для процесса сульфатной варки целлюлозы. Следу сульфида водорода, которые могут присутствовать в полученном газе после промывки его раствором карбоната натрия, могут быть при необходимости тоже удалены путем неоднократной промывки газа гидроксидом натрия. В соответствии с другим особо предпочтительным вариантом реакционная зона содержит слой песка или карбоната кальция, псевдоожиженный посредством водяного пара. В нижнюю часть кипящего слоя вводят биомассу. Пульсирующую топку отапливают топливом, вспрыскиваемым в камеру сгорания под слоем. Резонансные трубы проносят газообразные продукты сгорания через слой, создавая ин- • тенсивное акустическое поле и тепло для эндотермических реакций газификации, происходящих в кипящем слое. Устройство и способ для газификации биомассы дают в результате генераторный газ высокого качества с теплотой сгорания приблизительно 19,5 МДж/ма. Количество дегтя и растительного угля, получаемых из газогенератора, снабженного пульсирующей топкой, значительно ниже их количества, получаемого в других системах, что показывает на более высокую степень превращения углерода в генераторный газ и более высокую эффективность процесса при умеренных температурах з реакторе (приблизительно 1200°F). Оборудование для газификации биомассы обеспечивает коэффициенты теплопередачи, превышающие по крайней мере в четыре раза коэффициенты 17 26901 теплопередачи в самых лучших традиционных системах газификации г, косвенным нагревом Кроме того, интенсивное акустическое поле увеличивает скорость массопередачи частиц (биомассы вблизи поля) и общую скорость реакций в слое. Снижение температуры в реакторе с сохранением качества полученного газа снижает требования, касающиеся материала реактора и его стоимости, особенно при использовании умеренных давлений для получения выгоды от более высоких скоростей реакций при дальнейшем повышении производительности. В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения тяжелое жидкое углеводородное топливо, включающее, например, мазут N 2 - топливо для дизельных и реактивных двигателей военных транспортных средств, мазут N 4 и остаточные мазуты, такие как N 6 и бункерное топливо С {самый вязкий сорт флотского мазута и котельного топлива), и водяной пар вспрыскивают в реакционную зону, содержащую слой катзлизатора на носителе из твердого алюмината кальция или какого-либо другого катализатора, стойкого к отравлению серой, активирующего водяной пар и промотирующего газификацию углерода Предпочтительная температура в слое для реактора, служащего для парового риформинга (каталитического разложения водяным паром) углеводородов, находится в диапазоне 1600-1800°F (871-982°С). Тяжелое жидкое углеводородное топливо распыляют непосредственно на горячие частицы слоя катализатора, который псездоожижают посредством водяного пара, впрыскиваемого у низа слоя. Углеводородное топливо покрывает поверхность горячих частиц в слое и очень быстро испаряется, что предельно уменьшает или даже предотвращает возможность крекинга и образования сажи. Катализатор, присутствующий в слое, активирует водяной пар, который реагирует с парами углеводородов при повышенной температуре в слое и быстро разлагает топливо, в результате чего образуется богатый водеродом газ, содержащий метан, монооксид углерода, диоксид углерода и небольшое количество высших углеводородов. Полученный газ содержит также, по-существу, всю серу, находившуюся в топливе, в виде H2S. Полученный газ, содержащий легкие продукты, затем промывают для удаления сульфида водорода и дополнительно перерабатывают в традиционном паровом риформинг-аппарате второй стадии с 5 10 15 20 25 30 35 40 45 18 неподвижным слоем для парового риформинга, метана и следов высших углеводородов с задачей обеспечения максимального выхода водорода. В соответствии с другим вариантом полученный газ может быть очищен от сульфида водорода и использован в качестве высококачественного, богатого водородом газа для отогиірния газовых турбин с комбинированным циклом и газовых турбин внутреннего о орания. В этом варианте для подачи как в реакционную зону, так и в зону горения могуг быть использованы низкосортные топлива, что обеспечивает возможность использования более дешевых топлив для приведения в действие газовых турбин внутреннего сгорания и газотурбинных систем с комбинированным циклом. В этом варианте осуществления изобретения меньше серьезных, связанных с затратами и эксплуатацией проблем, возникающих при использовании риформинг-эппаратов для полного риформинга (каталитического разложения) углеводородов. В этом варианте топливо распыляют непосредственно на горячий материал псевдоожиженного слоя с интенсивным перемешиванием в слое и высокими скоростями испарения топлива и немедленно следующих реакций с активированным водяным паром, псевдоожижающим слой катализатора. Следовательно, не требуется никакого специального оборудования для подачи и надлежащего перемешивания и испарения тяжелых сырьевых материалов как в случае с реактором с неподвижным слоем для полного риформинга углеводородов. Кроме того, очень высока интенсивность теплопередачи между нагрепателем в слое и кипящим слоем в соответствии с изобретением и внутри самого кипящего слоя В результате этого уменьшаются размеры оборудования и затраты на материалы для оборудования уменьшаются в 2,5-3 раза. Значительно повышается также надежность системы в соответствии с изобретением по сравнению с системой для пол50 ного риформинга углеводородов. В случае риформинг-аппарата с неподвижным слоем для полного риформинга углеводородов при ухудшении испарения исходного сырья и надлежащего перемешивания 55 вследствие эксплуатационных проблем на входе в трубу риформинг-аппарата, в частности при использовании тяжелого исходного сырьевого материала, будет образовываться сажа, которая будет отлагаться на катализаторе в неподвижном слое. Это, 19 26901 в свою очередь, приведет к увеличению времени пребывания топлива в реакционной зоне (поскольку из-за отложения сажи отсутствует активная поверхность катализатора вблизи входа трубы} при 5 высокой температуре, что приведет к крекингу топлива водяным паром с образованием дополнительного количества сажи. Это нарушение нормальной работы влечет за собой постепенно растущее об- 10 разование сажи за входом в трубу и в конце концов закупоривание труб с неподвижным слоем. В этом варианте осуществления изобретения небольшие количества сажи, ко- 15 торые могут быть образованы, не приводят к нарушению нормального хода процесса. Благодаря перемешиванию в кипящем слое материал слоя постепенно перемещается и в конце концов покрытые, 20 сажей частицы катализатора достигают распределительного средства, которое заставляет локальную стехиометрию пара к углероду быть очень высокой. Входящий водяной пар газифицирует сажу, в ре- 25 зультате чего получается синтез-газ и не возникает никаких эксплуатационных проблем. Даже в случае чрезмерного сажеобразования поток топлива может быть временно уменьшен с сохранением скорости 30 введения водяного пара и, следовательно, вся сажа в слое будет газифицирована водяным паром без прекращения производства газа системой или же кипящий слой может быть выпущен с одновремен- 35 ным пополнением свежим зарядом катализатора во время работы, что невозможно сделать в случае риформинг-аппарата с неподвижным слоем для .полного риформинга углеводородов. 40 Таким образом, первая ступень с кипящим слоем в соответствии с этим вариантом осуществления изобретения является надежной, более работоспособной и эффективной ступенью переработки тя- 45 желого жидкого топлива в более легкие продукты, которые могут быть, если это необходимо, очищены от сульфида водорода и затем подвергнуты традиционным образом паровому риформингу во второй 50 ступени с неподвижным слоем, причем во второй ступени катализатор может содержать никель. Это обусловлено лишь тем, что в неподвижном слое второй ступени имеет место течение газа со структурным 55 ядром (в капилляре). В кипящем слое одноступенчатого французского процесса характерное перемешивание в кипящих слоях и прорыв углеводородов представляют угрозу работе реактора. В этом ва 20 рианте осуществления изобретения вторую ступень переработки проходят лишь более легкие углеводороды с небольшим количеством серы или совсем без нее при значительном парциальном давлении водорода (45-65% по объему), что позволяет использовать в катализаторе никель для эффективного парового риформинга более легких углеводородных продуктов, прорвавшихся через реактор с кипящим слоем, при умеренных температурах в реакторе второй сгупени. На фиг.1 изображено термохимическое реакционное устройство с косвенным нагревом в соответствии с изобретением; .на фиг.2 - температурный профиль по длине теплообменных резонансных труб в соответствии с изобретением в сравнении с температурным профилем традмцион-. ных дымогарных труб без пульсирующей топки; на фиг.З - предпочтительная Uобразная конфигурация резонансных труб пульсирующей топки, объединенной с термохимическим реактором с кипящим слоем в соответствии с изобретением; на фиг.4 - изображение элементов пульсирующей топки, используемой для косвенного нагрева реактора с кипящим слоем в соответствии с изобретением; на фиг.5 - изображение предпочтительного устройства для регенерации черного щелока в соответствии с изобретением. Далее приводится более подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения, которое (описание) вместе с последующими примерами служит для пояснения принципов изобретения. Как показано на фиг.1, термохимическое устройство содержит реактор 1 с кипящим слоем, нагреваемый косвенно посредством пульсирующей топки 2, имеющей камеру 3 сгорания, аэродинамический клапан 4 и одну или несколько удлиненных труб 5, ограничивающих резонансную зону и имеющих на одном конце вход, расположенный в камере сгорания, а на другом конце - выход. Реактор 1 снабжен одним или несколькими отверстиями 6 для введения материала и загружен твердыми частицами, содержащими подходящий материал 7 слоя, могущий быть инертным или имеющим каталитическую природу, обеспечивающую каталитическое ускорение реакций в слое. Реактор имеет также расположенное у его дна отверстие 8 для введения псевдоожижающей среды, которой может быть водяной пар, газ, пары, иных чем вода, жидкостей или их комбинации. ?f 26901 Поток псєвдоожижаюіцей среды в реакторе распределяют, по существу, равномерно по поперечному сечению слоя с помощью распределительного средства 9, которое показано на фиг.1 в виде распределительной пластины, но может представлять собой ряд сопел или трубок с дозирующими отверстиями для равномерного распределения псевдоожижающей среды. У выхода из каждой резонансной трубы предусмотрено выходное пространство 10 для сбора газов, выходящих из резонансных труб. Полученные в реакторе продукты выходят из него через отдельное отверстие 11. Продукты из реактора поступают затем в средство 12 для отделения зернистого материала, показанное на фиг.1 в виде циклона, но могущее представлять собой камеру с рукавным фильтром или другое подходящее средство для отделения твердых частиц от полученных в реакторе продуктов. Приведение в действие устройства, показанного на фиг.1, включает в себя введение топлива и кислородсодержащего газа в камеру 3 сгорания и сжигание первой части топлива, введенного в камеру 3 сгорания, при условиях, обеспечивающих пульсационное сгорание, в результате чего образуется поток горячих газов, содержащих оставшуюся часть топлива, введенного в камеру 3 сгорания, причем пульсационным сгоранием управляют так, чтобы обеспечить колебания (пульсацию) скорости с частотой по крайней мере около 20 Гц и уровнем динамического акустического давления по крайней мере около 165 дБ в камере сгорания. Поток горячих газов из камеры сгорания подают затем на вход удлиненной резонансной зоны, окруженной стенкой с входом на одном ее конце и выходом - на другом. Оставшуюся часть топлива в потоке горячих газов сжигают в резонансной зоне, обеспечивая тем самым дальнейшее образование тепла и потока продуктов сгорания. От потока продуктов сгорания тепло передают через материал трубы, окружающей резонансную зону, в слой твердых частиц 7, находящихся в реакционной зоче. Псевдоожижающий пар жидкости или газ вводят в реакционную зону, пропуская его через нее, через отверстие 8 со скоростью, регулируемой так, чтобы поддерживать твердые частицы а состоянии перемешивания. В реакционной зоне твердые частицы нагревают, таким образом, путем теплопередачи от потока продуктов сгорания в резонансной зоне, причем об 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 щий коэффициент тепламооедячи от потока продуктов сгорания к частицам пдвое выше, "ем тот, который мог бы быть достигнут при отсутствии пульсациончого сі орания. Реагирующий материал вводят в реакционную зону через одно или несколько отверстий 6, смешивают с нагретыми твердыми частицами и псевдоожижающей средой слоя и обрабатывают путем осуществления эндотермической реакции или физического изменения в слое до получения полезных продуктов. Интенсивное акустическое поле, излучаемое резонансными трубами 5 в слой твердых частиц 7 в реакционной зоне, улучшает перемешивание в слое и загруженных в него реагирующих материалах и увеличивает скорость массопередачи и скорость реакций в слое, что дает в результате повышение скоростей пропускания материала. Реактор а соответствии с изобретением предпочтительно изготавливают из углеродистой стали, футерованной огнеупорным материалом, но может быть также изготовлена из жаропрочного сплава, способного выдерживать температуры до примерно 1800°F (982°C) при давлении до примерно 12 атм. В случае работы под высоким давлением предпочтительной формой реактора является цилиндрическая форма. Как показано на фиг.5, диаметр или ширина 22 реактора могут колебаться в пределах от менее примерно 0,3 м до более 3 м, Высота 23 реактора может колебаться в пределах от мемое чем 1,5 м до более чом 15 м. Отношение высоты к диаметру или ширине реактора предпочтительно обеспечивают в диапазоне 1-Ю Реактор работает при давлениях в пределах от приблизительно атмосферного до примерно 12 атм., а рабочая температура находится в пределах примерно 950 1800/F (510 -982°С) в записимости от вида подаваемого материала и требуемых продуктов. Б изобретении может быть использован широкий диапазон реакторов и материалов слоя. Твердый материал слоя мо~ жет действовать и как теплоприемник, и как катализатор для требуемой реакции. Использование конкретного вида слоя в реакторе зависит от реагирующего материала, осуществляемого процесса и требуемых (целевых) продуктов. Материалом слоя может служить неорганический материал, включающий, например, песок, золу или соль металла, или углеродсодержащий материал, включающий, например, каменный уголь, растительный уголь, неф 23 26901 тяной кокс, биомассу, горючий (нефтеносный) сланец, исчерпанный сланец, смесь неорганического и углеродсодержащего материалов или смесь материала слоя и подаваемого материала для конверсии, такого, как биомасса, или суспензированного подаваемого материала, такого, как суспензия каменного угля в воде или черный щелок. Размер частиц материала слоя предпочтительно находится в пределах примерно 50-500 мк. Псевдоожижающий газ, например водяной пар, впрыскивают и пропускают через материал слоя с поверхностной скоростью примерно от 0,3 м в секунду до 3 м в секунду. При этом материал слоя псевдоожижается, т.е. частицы материала слоя смешиваются и остаются в состоянии непрерывного перемешивания. Плотность псевдоожижеиного слоя зависит от скорости и вязкости псевдоожижающего газа или среды и от гранулометрического состава, плотности и формы частиц слоя, Псевдоожижающий газ может быть подан в реактор посредством воздуходувки, компрессора или насоса через газораспределительную пластину, сопла или распылительные трубки предпочтительно при давлении, немного большем, чем среднее давление в реакторе, чтобы компенсировать падение давления, вызываемое распределительным средством, материалом слоя и расположенными ниже по направлению потока линиями. Используемый в данном описании термин "состояние перемешивания" означает состояние твердых частиц, когда они находятся в движущемся, псевдоожиженном или уносимом слое и аэрированы посредством протекающего газа или находятся в слое суспензии. Термин "движение перемешивания", также используемый в данном описании, означает движение твердых частиц, когда они находятся в состоянии перемешивания. После того как слой твердых частиц в реакторе придет в однородное состояние псевдоожижения, подают воздух и топливо в пульсирующую топку. Топливом может служить жидкость, газ, твердое вещество или их смесь. Предпочтительно используют жидкое топливо, такое как тяжелый (вязкий) мазут, или газообразное топливо, такое как природный газ или синтез-газ, однако может быть использовано и твердое топливо, например каменный уголь, растительный уголь, биомасса или уголь из нее. При поступлении топлива в пульсирующую топку осуществ 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 24 ляют его зажигание посредством искры или газового запального устройства. Продукты реакции и часть псевдоожижающего газа выходят из реактора через трубопровод в верхней части реактора. Захваченные твердые частицы слоя и твердые продукты реакции, если они есть, могут быть уловлены в циклоне и отправлены обратно в реактор. Часть газообразного потока продуктов реакции и псевдоожижающего газа, освобожденного (потока) от захваченного зернистого материала, предпочтительно рециркулируют в реактор для целей псевдоожижения. Еели полученный газ содержит компонент, способный конденсироваться, то предпочтительно по крайней мере часть его охлаждать для конденсации легко конденсирующихся компонентов, которые затем посылают в зону регенерации продукта. Как показано на фиг.4, пульсирующая топка состоит, по существу, из трех составных частей: 1) впускные клапаны 59 для впуска воздуха, предпочтительно аэродинамические, а не механические (мигалки клапаны; 2) камера 60 сгорания, снабженная топливной форсункой 61; 3) одна или несколько выпускных (резонансных) труб 62. Топливо и воздух входят в камеру сгорания и устройство для зажигания воспламеняют смесь. Постоянный рост давления, вызываемый быстрым повышением температуры и образованием продуктов сгорания, приводит к повышению давления в камере. Когда горячий газ расширяется, аэродинамический клапан, действующий как диод для текучей среды, позволяет преимущественное течение в направлении к резонансной трубе. В устройстве и способе в соответствии с изобретением можно использовать несколько разных типов пульсирующих топок, включающих трубы Гельмгольца, Шмидта и Райка. Топки Гельмгольца являются предпочтительными из-за их превосходных характеристик сгорания и высокорезонансного характера конфигурации, которая дает наивысшую пульсацию давления на британскую тепловую единицу в час при сжигании топлива в данном объеме топки. Полученный в результате высокий уровень пульсации потока повышает эффективность сгорания и обеспечивает уровень повышения давления, подходящий для преодоления падения давления в зоне теплообмена и в расположенных ниже по потоку подсистемах для улавливания золы. 25 26901 Можно использовать по крайней мере два типа впускных клапанов для воздуха. Хотя механические клапаны дают несколько более высокие давления наддува, тем не менее надежность этих клапанов обычно низка, в частности при использовании твердых топлив. Сжигание твердых топлив увеличивает вероятность отложений золы, которые ухудшают посадку клапанов в механических системах. Эрозия, коррозия и усталость металла дополнительно ограничивают применение механических клапанов. Следовательно, аэродинамические клапаны, не имеющие подвижных частей, являются предпочтительными из-за высокой надежности и малой потребности в уходе. Собственная стехиометрия пульсирующей топки может быть задана при проектировании специалистами в данной области техники и будет оставаться относительно постоянной во всем широком диапазоне тепловой мощности топки. У нижнего предела этого диапазона вызванная горением пульсация давления более низка. Следовательно, количество воздуха, всасываемого через аэродинамический клапан в ответ на пульсацию динамического давления в камере сгорания, ниже. При увеличении скорости подачи топлива увеличивается амплитуда колебаний давления в камере сгорания вследствие увеличения тепловыделения, обуславливающего возбуждение вызванного горением динамического давления. Это, в свою очередь, вызывает всасывание через аэродинамический клапан большего количества воздуха. Следовательно рабочая стехиометрия топки автоматически удерживается в пределах тепловой мощности и не требуется активного контроля и согласования массового расхода воздуха для горения и топлива. 5 10 15 20 25 30 35 40 26 клапана действовать как диод, тем больше всасывается воздуха на британскую тепловую единицу в час (на 0,29 Вт/час) при сжигании топлива. Тспка, обычно работающая с большим избытком воздуха, при использовании клапана с высоким минимальным сопротивлением всасыва нию воздуха (меньший минимальный диаметр прохода) работала бы с более низкой стехиометрией по воздуху вследствие дросселирования всасываемого воздуха на входе. При фиксированной настройке демпфера на входе тепловая мощность может изменяться, в то время как индуцированная стехиометрия будет оставаться, по существу, постоянной в пределах изменения тепловой мощности. Можно также уменьшить минимальную тепловую мощность топки путем уменьшения минимального диаметра как аэродинамического клапана, так и резонансной трубы. Это, кроме того, повысит пусковые характеристики топки. При таком варианте конструкции отношение максимальной тепловой мощности к минимальной могло бы быть более 8:1. Но это может потребовать вентилятора на входе для воздуха, если этого потребует падение давления в системе ниже по потоку. Однако приток воздуха (массовый расход) остается зависимым от скорости сгорания, поскольку продолжают оказывать влияние на работу топки самовсасывание и давление наддува. Эта конструкция системы имеет тенденция увеличивать максимальную интенсивность сгорания, достижимую по двум причинам. Во-первых, при большем сопротивлении потоку на обоих концах камеры получают большую амплитуду динамического давления. Вовторых, наличие воздушного вентилятора обеспечивает возможность "наддува" топки до более высоких тепловых мощностей, чем те, которые могут быть достигнуты при условиях всасывания при атмосферном давлении. Основная функция аэродинамическо- 45 го клапана состоит в том, чтобы он действовал как диод для текучей среды, исКолебания давления обычно находятпользующий колебания давления в камеся в пределах 0,14-0,35 кг/см 2 (максире сгорания для того, чтобы вызвать всамальный размах колебания). Эти колебасывание воздуха для горения. Два пара- 50 ния, по существу, синусоидальные и с метра являются основными для конструкчастотной характеристикой топки Гельмции клапана, а именно минимальное сопгольца с четвертьволновой основной моротивление всасыванию воздуха и сподой колебаний. Уровни этих колебаний собность действовать как диод для текудавления составляют примерно 165-190 чей среды. Последний параметр преде- 55 дБ по уровню звукового давления. Сила тавляет собой безразмерное соотноше(интенсивность) звука при измерении вбние между сопротивлением потоку из кализи стенки резонансной трубы составмеры и сопротивлением потоку в камеру ляет 140-150 дБ. Диапазон частот акус(всасыванию). В общем, чем выше укатического поля зависит, главным образанная способность аэродинамического зом, от конструкции топки и ограничи 26901 27 вается только характеристиками воспламеняемости топлива. В общем, на частоту создаваемого акустического поля влияют геометрия резонансной трубы (диаметр, длина, одна или много труб и т.д.) и от- 5 ношения объема резонансной трубы к объему камеры сгорания. Частоту колебаний определяют по формуле Ч_Ю.5 f ~ 6,28 v. где С - скорость звука; Vc - объем камеры сгорания; Ц - длина выпускной трубы; V, - объем выпускной трубы. В общем, для более высоких частот требуются более короткие пульсирующие топки. Геометрия камеры сгорания может быть выбрана так, чтобы обеспечить сжигание части топлива для того, чтобы вызвать колебания давления, и сжигание части топлива ниже по потоку от области максимального динамического давления под влиянием режима потока с вызванными колебаниями. Скорость горения в камере сгорания в основном определяется вихрями, вызываемыми переходом в площади поперечного сечения камеры. Но в резонансной трубе скорость горения в основном определяется осевой составляющей пульсирующей скорости потока, которая (составляющая) монотонно увеличивается в направлении от входа резонансной трубы к ее выходу. Процесс сгорания в резонансной трубе обычно обеспечивает догорание обугленного вещества, полученного от горения более крупных частиц, которые улетучиваются и частично сгорают выше по потоку, в камере сгорания. Увеличение пульсирующей скорости вдоль по резонансной трубе обеспечивает высокую скорость горения обугленных частиц, поскольку они становятся более склонными к захвату и поскольку уменьшается парциальное давление О2. В системах сжигания со стационарным потоком относительное движение между газами и твердыми частицами зависит от завихрения, турбулентности и т.д. и эти поля потока имеют тенденцию затухать за (по направлению потока) пламенем, т.е. там, где они больше всего нужны. В случае традиционной топки и традиционных дымогарных труб, по существу, все топливо сгорает в традиционной топке и тепло от сгорания отдается дымовым газам. Следовательно, тепло от сго 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 28 рания уносится горячими дымовыми газами в виде физической теплоты. Затем происходит теплопередача от горячих дымовых газов через стенку дымогарных труб к материалу в реакторе по длине дымогарной трубы, в результате чего температура дымовых газов монотонно уменьшается, как показано на фиг.2 для случая использования традиционной топки и традиционных дымогарных труб. Вблизи входа в дымогарную трубу, где температура дымовых газов в достаточной степени выше, чем температура стенки дымогарной трубы и температура в реакторе, происходит преимущественно радиационная теплопередача. Дальше, т.е. ниже по потоку, теплопередача в дымогарной трубе становится все более и более конвекционной, как показано на фиг.2, потому что температура дымовых газов становится ниже. Скорость измерения температуры дымовых газов для случая использований традиционной дымогарной трубы пропорциональна местному потоку передаваемого тепла на данном расстоянии по длине дымогарной трубы. Как показано на фиг.2, эта скорость изменения монотонно уменьшается, поскольку уменьшается перепад между температурой дымовых газов и температурой в реакторе. Далее, поскольку температура дымовых газов вблизи выхода из дымогарной трубы низка и скорость газов становится ниже, то здесь коэффициент конвекционной теплопередачи между дымовыми газами и внутренней стенкой дымогарной трубы становится ниже и, следовательно, поток тепла, который является функцией как температурного перепада между температурой дымовых газов и температурой слоя, так и коэффициента теплопередачи, становится еще меньшим. В случае использования пульсирующей топки, где дымогарными трубами являются резонансные трубы пульсирующей топки, только часть топлива сгорает в камере сгорания, особенно при использовании низкосортных твердых топлив, поэтому температура продуктов сгорания на входе в резонансную трубу обычно, как показано на фиг.2, ниже. Это позволяет использовать менее дорогие материалы для резонансной трубы по сравнению с материалом, пригодным для более высоких температур дымовых газов на входе в дымогарную трубу традиционного типа. Скорость падения температуры дымовых газов вдоль по резонансной трубе, как показано на фиг.2, также ниже, чем для случая использования традиционной 29 26901 дымогарной трубы. Это обусловлено продолжением горения и, следовательно, тепловыделения на участке трубы вблизи входа. Это не мешает максимальной конверсии топлива в пульсирующей топке, благодаря интенсивному перемешиванию, которому способствует вызываемая сжигание топлива пульсация потока, находящегося в резонансных трубах топки, где и заканчивается сгорание топлива. Медленное понижение температуры дымовых газов в этой зоне, показанное на фиг.2 как участок продолжения тепловыделения, обеспечивает высокий уровень теплового потока и теплопередачи в зоне с чистой выгодой по сравнению с системами с традиционными дымогарными трубами, благодаря обычно большей среднелогарифмической разности температур между температурой дымовых газов и температурой в реакторе в этой зпне и большей составляющей преимущественно радиационной теплопередачи в этой зоне. За зоной продолжения горения температура дымовых газов в резонансной трубе монотонно уменьшается. Тем не менее в случае резонансной трубы пульсирующей топки преимущественно конвекционная теплопередача на остальной части длины трубы выше, чем в традиционной дымогарной трубе. Поток дымовых газов в резонансной трубе имеет две составляющие скорости. Одна представляет собой среднюю скорость потока, а другая - пульсационную составляющую, которая монотонно увеличивается по амплитуде в направлении от входа резонансной трубы к ее выходу. Средняя скорость дымовых газов в резонансной трубе пульсирующих поток, используемая в изобретении, обычно выше, чем в традиционной дымогарной трубе. Это в основном обусловлено вызываемым сгоранием топлива повышением давления, происходящим в камере сгорания этих пульсирующих топок. Это повышение давления (приращение среднего давления) происходит в результате наличия пульсирующего давления в камере сгорания пульсирующей топки и способности аэродинамического клапана действовать как диод для текучей среды. Повышение давления в камере может обеспечить скорости дымовых газов порядка по крайней мере 305 м/с без необходимости использования дутьевого вентилятора для нагнетания воздуха для горения или вытяжного вентилятора. Более высокая средняя скорость потока в резонансной трубе, в свою очередь, обеспечивает более высокие пле 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ЗО ночные скорости и, следовательно. іїп:^