專利名稱：用于烘干和加熱的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種用于烘干和加熱各種物料的設(shè)備和方法。特別是，本發(fā)明涉及到一種用于烘干泥漿的脈動(dòng)燃燒裝置及方法和一種用于提供熱量給過程加熱器的脈動(dòng)燃燒裝置及方法。
脈動(dòng)燃燒器在各種各樣的應(yīng)用中是有效的，脈動(dòng)燃燒器是一種通常具有適于接受燃料和空氣的燃燒室的裝置，燃料和空氣在燃燒室中混合并周期性地自然而產(chǎn)生燃燒產(chǎn)物的高能脈動(dòng)流和聲壓波。一般，脈動(dòng)燃燒器還包括一個(gè)或多個(gè)與燃燒室聯(lián)結(jié)、用于使熱氣周期性地從燃燒室中釋放出來的細(xì)長(zhǎng)諧振管，所產(chǎn)生的燃燒產(chǎn)物脈動(dòng)流可用于各種用途。
例如，本發(fā)明受讓人已改進(jìn)了包括脈動(dòng)燃燒器的各種系統(tǒng)和方法，這些方法和系統(tǒng)的一些在題目為“間接加熱式熱化學(xué)反應(yīng)裝置和方法”的美國(guó)專利第5,059,404號(hào)、題目為“使用脈動(dòng)加熱器加熱流體的方法和設(shè)備”美國(guó)專利第5,211,704號(hào)、題目為“脈動(dòng)式常壓流化床燃燒裝置”的美國(guó)專利第5,255,634號(hào)，和題目為“脈動(dòng)燃燒式聲聚裝置和方法”的美國(guó)專利第5,353,721號(hào)中有所披露，所有這些全部在此具體引用作為參考。
本發(fā)明的基本目的在于一種包括可用做烘干系統(tǒng)部件或加熱系統(tǒng)部件的脈動(dòng)燃燒裝置的設(shè)備，在烘干設(shè)備中，物料流直接與從脈動(dòng)燃燒器排出的燃燒產(chǎn)物流接觸。燃燒產(chǎn)物使水份和任何其他揮發(fā)性液體蒸發(fā)而回收物料流中所含的固體物，另一方面，當(dāng)用做加熱系統(tǒng)時(shí)，從脈動(dòng)燃燒器中產(chǎn)生的燃燒產(chǎn)物被供給熱交換器，它那里發(fā)生熱交換。
過去，其他人曾試圖使用脈動(dòng)燃燒器來烘干各種進(jìn)料流。例如，屬于Ozer等人的美國(guó)專利第5,252,061號(hào)揭示了一種脈動(dòng)燃燒烘干系統(tǒng)，此系統(tǒng)包括一脈動(dòng)燃燒器和一連帶的燃燒室，由此生成熾熱氣體的脈動(dòng)流，一尾管與燃燒室出口連接，一物料輸入室連接在尾管的出口處，而烘干室連接在物料輸入室的出口處。此系統(tǒng)還包括用于控制從尾管出口噴出的熾熱氣體溫度的冷卻裝置。
在屬于Kubotani的美國(guó)專利第5,092,766號(hào)中，揭示了一種脈動(dòng)燃燒方法和脈動(dòng)燃燒器，此脈動(dòng)燃燒器包括燃燒室，一端敞開的進(jìn)氣管，排氣管，燃料入口和點(diǎn)火裝置。此脈動(dòng)燃燒器還包括一壓縮氣體供給裝置，設(shè)置在進(jìn)氣管開口端對(duì)面的位置，以致從壓縮氣體供給裝置噴出的壓縮氣流經(jīng)由進(jìn)氣管開口端吹入燃燒室。一隔熱蓋將脈動(dòng)燃燒器封圍以便在它們之間形成一環(huán)形空間，在其中接收一部分從壓縮氣體供給裝置噴出的壓縮氣體。
在屬于Lockwood，Jr.的美國(guó)專利第4,992,043號(hào)中揭示了一種脈動(dòng)燃燒能量系統(tǒng)。此系統(tǒng)的作用是回收懸浮或溶解在液體中的固態(tài)物質(zhì)。在一實(shí)施例中，脈動(dòng)燃燒器與處理管相連，而此處理管又與一對(duì)旋風(fēng)集塵器相連，需處理的物質(zhì)送到工業(yè)過程管的入口端，所得到的經(jīng)過處理的物質(zhì)通過旋風(fēng)集塵器從燃燒物流中取出。
有關(guān)采用脈動(dòng)燃燒器的烘干系統(tǒng)的其它先前技術(shù)參考文獻(xiàn)包括kubotani的美國(guó)專利第5,136,793號(hào)、Gray等人的美國(guó)專利第4,701,126號(hào)、Gray的美國(guó)專利第4,695,248號(hào)和Gray等人的美國(guó)專利第4,637,794號(hào)。
盡管先前技術(shù)揭示了裝有脈動(dòng)燃燒器的各種系統(tǒng)和方法，但仍就不具有本發(fā)明的各種特性和方面。特別是，本發(fā)明在脈動(dòng)燃燒加熱和烘干系統(tǒng)中做了進(jìn)一步的提高和改進(jìn)。
本發(fā)明認(rèn)識(shí)到并指出先前技術(shù)中結(jié)構(gòu)和方法的局限性。
因此，本發(fā)明的目的是提供裝有脈動(dòng)燃燒裝置的烘干系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一目的是提供一種脈動(dòng)燃燒裝置，用于烘干漿液中所含的固體物質(zhì)。
本發(fā)明的另一目的是提供一種利用燃燒產(chǎn)物的脈動(dòng)流烘干液流中所含的固體物質(zhì)的方法。
本發(fā)明的另一目的是提供一脈動(dòng)燃燒裝置為熱交換器供熱。
本發(fā)明的另一目的是提供一種為采用脈動(dòng)燃燒器的過程加熱器供熱的方法。
本發(fā)明的這些及另外一些目的通過提供一用于烘干物料和供給過程熱量的脈動(dòng)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。此設(shè)備包括一脈動(dòng)燃燒裝置，用于燃燒燃料以產(chǎn)生一燃燒產(chǎn)物的脈動(dòng)流和一聲壓波。此脈動(dòng)燃燒裝置包括一燃燒室和至少一個(gè)諧振管。此諧振管有一與脈動(dòng)燃燒室連通的入口。
諧振室至少包圍了此諧振管的一部分，并以在此諧振室中產(chǎn)生駐波的方式與之相耦聯(lián)，此諧振室有一第一封閉端和布置了至少一個(gè)噴嘴的一第二開口端，此噴嘴與諧振管的出口流體連通并在下游與之隔開，此噴嘴使流經(jīng)此處的脈動(dòng)燃燒產(chǎn)物加速并形成適用于加熱和烘干物料的脈動(dòng)速度流場(chǎng)。
當(dāng)烘干物料時(shí)，此設(shè)備可包括一與噴嘴連通的烘干室，此烘干室包括一靠近噴嘴的用于引導(dǎo)物流進(jìn)入烘干室的物料引入口。引入口如此設(shè)置以便于物流接觸從噴嘴排出的燃燒產(chǎn)物脈動(dòng)流并與燃燒產(chǎn)物混合以便在其間進(jìn)行熱交換。
在一實(shí)施例中，烘干室的形狀可加工成與由噴嘴噴出的燃燒產(chǎn)物的射流外廓相一致。此設(shè)備還可包括一顆粒分離裝置，如集料室，用于從最終氣流中清除和回收烘干的產(chǎn)物。
在此設(shè)備中采用的脈動(dòng)燃燒裝置能產(chǎn)生聲壓級(jí)在大約161dB到大約194dB范圍內(nèi)和頻率在大約50Hz到大約500Hz范圍內(nèi)的聲壓波。噴嘴可與脈動(dòng)燃燒裝置構(gòu)造成以至少大約每秒100英尺的最小速度排出燃燒產(chǎn)物脈動(dòng)流。
當(dāng)此脈動(dòng)設(shè)備用于加熱時(shí)，此設(shè)備可包括一具有第一和第二端部的再循環(huán)管道，此管道的第一端部可適于與熱交換裝置的出口流體連通?？膳鋫湟慌欧叛b置，它具有一與噴嘴和再循環(huán)管道第二端部連通的入口。排放裝置將從脈動(dòng)燃燒裝置排出的燃燒產(chǎn)物脈動(dòng)流與從熱交換裝置排出的燃燒產(chǎn)物再循環(huán)流混合起來。最終得到的混合物或流出物可引入熱交換裝置而為之提供熱量。
在一實(shí)施例中，此排放裝置是一縮喉管，再循環(huán)管道可包括一與諧振室同軸線的再循環(huán)室。限定在諧振室和再循環(huán)室之間的通道可接收從熱交換裝置排出的燃燒產(chǎn)物再循環(huán)流，以便進(jìn)入排放裝置。
當(dāng)用作加熱器時(shí)，燃燒產(chǎn)物脈動(dòng)流的溫度在排出諧振室時(shí)可從大約1000°F到大約3000°F。脈動(dòng)燃燒裝置可產(chǎn)生聲壓級(jí)在大約161dB到大約190dB范圍內(nèi)和頻率在大約50Hz到大約500Hz范圍內(nèi)的聲壓波。
本發(fā)明的目的還在于一種烘干含有固體頻粒的物流的方法，此方法包括產(chǎn)生燃燒產(chǎn)物脈動(dòng)流和聲壓波的步驟。此燃燒產(chǎn)物脈動(dòng)流被加速以形成一高速脈動(dòng)流場(chǎng)，此高速流場(chǎng)與含固體顆粒的液體接觸，使液體霧化并與燃燒產(chǎn)物混合。因此燃燒產(chǎn)物將熱量轉(zhuǎn)移給霧化的液體，用于烘干其中所含的固體顆粒。
在接觸此液體之前，燃燒產(chǎn)物的溫度可在大約800°F到大約2200°F范圍內(nèi)。當(dāng)被加速時(shí)，燃燒產(chǎn)物可具有大約每秒200到300英尺的平均速度，至少大約每秒100英尺到大約每秒150英尺的最低速度。所產(chǎn)生的聲壓波具有從大約161dB到大約194dB范圍內(nèi)的聲壓級(jí)和從大約50Hz到大約500Hz范圍內(nèi)的頻率。
本發(fā)明的目的還在于一種提供熱量給熱交換裝置的方法。此方法包括產(chǎn)生燃燒產(chǎn)物脈動(dòng)流和聲壓波的步驟，此燃燒產(chǎn)物脈動(dòng)波被加速形成一脈動(dòng)速度流場(chǎng)，此加速的燃燒產(chǎn)物流被提供給熱交換裝置以向其傳輸熱量。
至少一部分從熱交換裝置排出的燃燒產(chǎn)物被再循環(huán)以產(chǎn)生一再循環(huán)流。此再循環(huán)流與燃燒產(chǎn)物脈動(dòng)流混合以形成一送到熱交換裝置的氣流。在混合之前一壓力差可保持在燃燒產(chǎn)物脈動(dòng)流和再循環(huán)流之間，此壓力差產(chǎn)生吸力以自動(dòng)虹吸從熱交換裝置排出的再循環(huán)流而與燃燒產(chǎn)物脈動(dòng)流接觸。
與再循環(huán)流混合前燃燒產(chǎn)物的溫度可在大約1000°F和大約3000°F之間。聲壓波可在聲壓級(jí)大約161dB到大約194dB范圍內(nèi)和在頻率大約50Hz到大約500Hz范圍內(nèi)。
本發(fā)明的其他目的、特性和型式在下面更詳細(xì)地予以論述。
針對(duì)在本技術(shù)領(lǐng)域中具有一般熟練程度的人員，本發(fā)明包括其最佳模式將在此說明的其余部分中，包括參考附圖，更為具體地作出全面和其余部分的闡述，附圖中

圖1是根據(jù)本發(fā)明制造的烘干系統(tǒng)一實(shí)施例的橫剖面圖。
圖2是圖1中所述的實(shí)施例的橫剖面圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明制造的烘干系統(tǒng)另一實(shí)施例的橫剖面圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明制造的加熱系統(tǒng)一實(shí)施例的橫剖面圖。
本說明及附圖中參考字符的反復(fù)應(yīng)用旨在表示本發(fā)明的相同或類似的細(xì)節(jié)或要素。
本技術(shù)領(lǐng)域中具有一般熟練程度的人員應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)前的論述只是一些示范實(shí)施例的說明，并不意圖限制本發(fā)明的較為廣泛的各個(gè)方面，這些方面體現(xiàn)在示范性的結(jié)構(gòu)之中。
通常，本發(fā)明的目的在于烘干固體顆粒和提供過程熱量的設(shè)備和流程，將脈動(dòng)燃燒裝置引進(jìn)此設(shè)備來提高設(shè)備增大的熱量和物質(zhì)傳輸速率。與普通的燃燒器不同，脈動(dòng)燃燒裝置產(chǎn)生用于烘干的、比較清潔的廢氣，而當(dāng)用做加熱器時(shí)，燃料需求也比較低。
當(dāng)引進(jìn)烘干系統(tǒng)時(shí)，脈動(dòng)燃燒裝置產(chǎn)生直接與漿液接觸的燃燒產(chǎn)物脈動(dòng)流，漿液在此處定義為一種含有固體顆粒的流體。通過本發(fā)明的具體裝置，漿液被燃燒產(chǎn)物霧化而不用一般的高抗剪噴嘴霧化器，漿液被霧化后，水和/或其他揮發(fā)性液體就從固體顆粒蒸發(fā)，產(chǎn)生的產(chǎn)物流此時(shí)被送到回收固體顆粒的固體收集裝置。
當(dāng)本發(fā)明的設(shè)備被引進(jìn)加熱系統(tǒng)時(shí)，脈動(dòng)燃燒裝置產(chǎn)生燃燒產(chǎn)物脈動(dòng)流供給過程加熱器。在過程加熱器中，熱交換發(fā)生在燃燒產(chǎn)物與需要加熱的任何物質(zhì)、輸入物流或液體之間。根據(jù)本發(fā)明，至少一部分從過程加熱器排出的燃燒產(chǎn)物再循環(huán)而返回此設(shè)備。特別是，此設(shè)備可以包括一用于將燃燒產(chǎn)物脈動(dòng)流與從過程加熱器排出的再循環(huán)流混合起來的排放器。
參照?qǐng)D1和圖2，根據(jù)本發(fā)明的烘干系統(tǒng)10的一實(shí)施例示于圖中。烘干系統(tǒng)10包括與諧振室14連通的脈動(dòng)燃燒裝置12，而諧振室14與烘干室16連接。
特別如圖2所示，脈動(dòng)燃燒裝置12包括與諧振管或尾管20連通的燃燒室18。燃燒室18可與如圖所示的單一一個(gè)諧振管連接或與具有分別與脈動(dòng)燃燒室連通的入口的許多平行管相連。燃料和空氣通過燃料輸送管線22和空氣增壓裝置(air plenum)24輸送到燃燒室18，脈動(dòng)燃燒裝置12可燃燒氣體、液體或固體燃料。當(dāng)用于烘干漿液時(shí)，可使用氣體或液體燃料，以使從燃燒室排出的燃燒產(chǎn)物不含有顆粒狀物質(zhì)。例如，可用天然氣供給脈動(dòng)燃燒裝置12作為燃料。
為了調(diào)節(jié)供給燃燒室18的燃料和空氣的數(shù)量，脈動(dòng)燃燒裝置12可包括至少一個(gè)閥26。閥26最好是氣動(dòng)閥，盡管也可以采用機(jī)械閥等。
在脈動(dòng)燃燒裝置12工作過程中，適當(dāng)?shù)娜剂虾涂諝獾幕旌衔锝?jīng)過閥26進(jìn)入燃燒室18并發(fā)生爆燃。在起動(dòng)過程中，提供了象火花塞或輔助燃燒嘴這樣的輔助點(diǎn)火裝置。燃料混合物的爆燃引起對(duì)燃燒室施加壓力的體積的突然增大和燃燒產(chǎn)物的形成。隨著熱氣的膨脹，會(huì)實(shí)現(xiàn)沿諧振管方向的優(yōu)先流動(dòng)而帶有很大的動(dòng)量。此時(shí)，由于諧振管20中的氣體的慣性，在燃燒室18中產(chǎn)生真空。由于從諧振管排出的氣體的平衡作用，此時(shí)僅僅一小部分廢氣被允許返回到燃燒室。因?yàn)榇藭r(shí)燃燒室18的壓力低于大氣壓，更多的空氣燃料混合物被吸入燃燒室18并發(fā)生自動(dòng)點(diǎn)燃。而且，閥26此后會(huì)抑制反向流動(dòng)，并重新開始循環(huán)。一但第一次循環(huán)開始，運(yùn)行此后就自動(dòng)維持。
如上所述，雖然機(jī)械閥可以與本系統(tǒng)一起使用，但最好還是用沒有運(yùn)動(dòng)部件的氣動(dòng)閥。用氣動(dòng)閥，在排氣行程中，邊界層在閥中形成而擾動(dòng)渦流阻止了大部分返向流。此外，廢氣的溫度比進(jìn)氣的溫度高得多。因此，氣體的粘度高得多，進(jìn)口直徑的反向阻力同樣也比通過同一孔口的前進(jìn)物流的反向阻力高得多。連同諧振管20中廢氣的高慣性，這些現(xiàn)象結(jié)合起來會(huì)產(chǎn)生從進(jìn)口到出口優(yōu)先和平均流量。因此，優(yōu)選的脈動(dòng)燃燒器是一種自吸入式引擎，將其本身的空氣和燃料吸入燃燒室，隨后自動(dòng)點(diǎn)火。
如上所述的脈動(dòng)燃燒系統(tǒng)在其燃燒范圍內(nèi)調(diào)節(jié)其本身的理想配比，不需要很多的控制裝置來調(diào)節(jié)燃料供給量對(duì)于燃燒空氣質(zhì)量流量的比率。隨著燃料供給率的增加。燃燒室中壓力脈動(dòng)的強(qiáng)度增大，進(jìn)而增加了氣動(dòng)閥吸入的空氣量，從而允許燃燒器在其設(shè)計(jì)的全部燃燒范圍之內(nèi)自動(dòng)保持基本恒定的理想配比。通過改進(jìn)氣動(dòng)閥射流速度(fluidic diodicify)能改變導(dǎo)致的理想配比。
脈動(dòng)燃燒裝置12產(chǎn)生一燃燒產(chǎn)物的脈動(dòng)流和一聲壓波。在一實(shí)施例中，用于烘干系統(tǒng)10中的本發(fā)明的脈動(dòng)燃燒裝置產(chǎn)生從大約1Psi到大約40Psi范圍內(nèi)的特別是在大約1Psi和25Psi全振幅之間的壓力脈動(dòng)或波動(dòng)。這些波動(dòng)實(shí)際上是正弦波。這些壓力波動(dòng)等級(jí)相當(dāng)于從大約161dB到大約194dB的聲壓范圍，特別在大約161dB和190dB之間。聲場(chǎng)頻率范圍主要取決于燃燒器的設(shè)計(jì)并僅僅受到燃料燃燒特性的限制。通常，用于烘干系統(tǒng)10的脈動(dòng)燃燒裝置12會(huì)有一從大約50到大約500Hz的聲壓波頻率，特別是在100Hz和300Hz之間。
在一實(shí)施例中，脈動(dòng)燃燒裝置12通過混合空氣罩從外部冷卻或通過水套的冷卻水冷卻。如圖1所示，烘干系統(tǒng)10包括一強(qiáng)制式通風(fēng)機(jī)28，通過管道30將燃燒空氣提供給燃燒室18并通過管通32將冷卻空氣提供給脈動(dòng)燃燒裝置，在另一實(shí)施例中，脈動(dòng)燃燒裝置12可以用耐火材料襯里而不用冷卻液。通常，從諧振管20排出的燃燒產(chǎn)物的溫度將在大約1600°F到2500°F的范圍內(nèi)。
脈動(dòng)燃燒裝置12與諧振室14聯(lián)接。諧振室14在脈動(dòng)燃燒裝置12的相鄰端關(guān)閉而在相反的一端敞開，在此端處至少設(shè)置了一個(gè)噴嘴34。諧振室14可制成如圖1和圖2所示的彎曲狀或可以制成直線狀。在此圖示的實(shí)施例中，諧振室14制成彎曲狀以便于節(jié)省空間。曲度最好是180°或90°比較合適。
諧振室14與接收從燃燒室18排出的燃燒產(chǎn)物脈流的諧振管20聯(lián)接，諧振室14設(shè)計(jì)得使聲音損失降低到最小而使噴嘴34入口處燃燒產(chǎn)物的壓力波動(dòng)達(dá)到最大值。諧振室14與脈動(dòng)燃燒裝置12的組合也有助于調(diào)節(jié)廢氣流。
諧振室14的形狀和體積取決于過程狀況，為使聲音損失降低到最小，諧振室14應(yīng)當(dāng)與諧振管20以這樣一種方式相聯(lián)接，以致在諧振室中形成駐波。同樣，為使噴嘴34入口處的壓力波動(dòng)達(dá)到最大值，諧振室14應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)得在噴嘴34的入口處形成壓力波腹。例如，諧振室14可完全包圍諧振管20或可制成僅僅包罩諧振管20一部分。一般來說，在操作過程中，諧振管20四周的溫度越高，諧振室14包圍諧振管的程度就應(yīng)越大，這取決于溫度對(duì)于聲波傳送的影響。諧振室14的兩端起壓力波腹的作用，而對(duì)應(yīng)于諧振管出口的部分起到速度波腹/壓力波節(jié)的作用，以產(chǎn)生使聲音衰減降到最小的匹配邊界條件。
位于諧振室14出口端的噴嘴34被設(shè)計(jì)成可將燃燒產(chǎn)物脈動(dòng)流的靜壓頭轉(zhuǎn)換為速度頭。噴嘴34使燃燒物流加速并形成速度波動(dòng)。此脈動(dòng)速度流場(chǎng)不僅提供高傳質(zhì)和傳熱率，而且可用于霧化被烘干的液流。在此處應(yīng)用時(shí)，霧化指的是將液體轉(zhuǎn)變成液滴的過程。
從諧振室14排出的燃燒產(chǎn)物的溫度可隨系統(tǒng)中烘干的物質(zhì)的熱敏度、漿液特性和可能的其他條件而變化。脈動(dòng)燃燒裝置的工作溫度可通過調(diào)節(jié)燃料和燃燒空氣流率來控制。在大多數(shù)應(yīng)用中，從噴嘴孔34排出的燃燒產(chǎn)物的溫度最好是在從大約800°F到大約2200°F的范圍內(nèi)，而特別是從大約1200°F到大約1800°F。
包括在下游處間隔開來并緊靠著噴嘴34的一個(gè)或幾個(gè)液流引入口36的烘干室16與噴嘴34保持流體連通。根據(jù)本發(fā)明，物料流或漿液流可通過孔口36引入烘干室16并與從噴嘴34排出的燃燒產(chǎn)物的脈動(dòng)流接觸。具有波動(dòng)速度分布(profile)的燃燒產(chǎn)物與輸入物料混合并使其霧化。因此，在本發(fā)明中不需要普通的霧化裝置和噴頭來引入漿液到此系統(tǒng)，所需要的只是一靠近噴嘴34而引入輸入物料的輸入管道。
從噴嘴34排出的燃燒產(chǎn)物的脈動(dòng)速度應(yīng)足以霧化送入烘干室16的輸入物流，此速度分布取決于輸入物料、烘干的固體顆粒和其他過程狀況。對(duì)于大多數(shù)的應(yīng)用，從噴嘴34排出的燃燒產(chǎn)物的平均速度應(yīng)在大約200英尺/秒和大約1200英尺/秒之間。在脈動(dòng)過程中，燃燒產(chǎn)物的最小速度至少是大約30英尺/秒到大約600英尺/秒。
一經(jīng)霧化，輸入物料就流過烘干室16。在烘干室16中，供料中所含的固體顆粒通過蒸發(fā)供料中的水份和其他揮發(fā)性液體而被烘干。烘干室16應(yīng)有一定長(zhǎng)度，以提供足夠的保持時(shí)間來烘干固體顆粒到所需水平。通常，烘干室16應(yīng)在稍低于大氣壓下工作，以防止物料泄漏到外面的可能性。
在本發(fā)明的一實(shí)施例中，如圖1和圖2所示，烘干室16可包括兩部分第一圓錐部分38和第二部分40。圓錐部分38旨在適應(yīng)從噴嘴34排出的物燒產(chǎn)物的射流形狀。尤其是，部分38的形狀應(yīng)稍大于從噴嘴排出的射流的最大范圍，在這種配置中，避免了霧化的輸入物流與烘干室16的壁部接觸，而將烘干室16的尺寸降低到最小。也使烘干物料的再循環(huán)降低到最少。理想的是，烘干室的壁部與被烘干物料之間有盡可能少的接觸。這避免了輸入物流中的顆粒粘附到壁部上并使輸入物流與脈動(dòng)燃燒裝置產(chǎn)生的燃燒產(chǎn)物之間的接觸和混合達(dá)到最大。
從烘干室16排出的物流，包括蒸發(fā)的液體、烘干的顆粒和來自脈動(dòng)燃燒裝置的燃燒產(chǎn)物，此時(shí)可送入用于收集烘干的固體物料的顆粒分離裝置42。進(jìn)入顆粒分離裝置的燃燒產(chǎn)物和顆粒的溫度通常在150°F到300°F范圍內(nèi)并將超過露點(diǎn)溫度。顆粒分離裝置42可包括旋風(fēng)分離器、集塵室、其他高效過濾器或一系列不同的收集裝置。在一實(shí)施例中，如圖1所示，使用了集塵室42，其中固體顆粒收入到集料倉(cāng)64中。吸風(fēng)機(jī)44用于維持集塵室42的負(fù)壓以防止物料從系統(tǒng)泄漏。
一旦固體顆粒從自烘干室16排出的物流中被脫除出來，剩余的氣流可再循環(huán)、用于另一過程或排入大氣。在一實(shí)施例中，從顆粒分離裝置排出后，氣流可被送到用于回收氣流中所含的溶劑或液體的冷凝器。收集的液體隨后可使用和再循環(huán)。
現(xiàn)在詳述一下使用烘干系統(tǒng)10來烘干輸入物流的過程。如上所述，經(jīng)過燃料的燃燒，脈動(dòng)燃燒裝置12產(chǎn)生一燃燒產(chǎn)物的脈動(dòng)流和一聲壓波。燃燒產(chǎn)物從諧振管20排出而進(jìn)入諧振室14，諧振室設(shè)計(jì)用來使聲音損失降低到最小并在噴嘴34的入口處形成壓力波腹。噴嘴34促使燃燒產(chǎn)物轉(zhuǎn)變脈動(dòng)壓力頭成為脈動(dòng)速度頭。
輸入物流，如漿液，被引入烘干室16并與從噴嘴34排出的燃燒產(chǎn)物接觸，使得輸入物流霧化。一旦發(fā)生霧化，燃燒產(chǎn)物和輸入物流之間發(fā)生熱交換，由脈動(dòng)燃燒裝置產(chǎn)生的聲波使此熱交換增強(qiáng)。輸入物流中所含的固體顆粒通過蒸發(fā)任何與顆粒接觸的液體而被烘干。烘干的顆粒此時(shí)可從氣流中分離和回收。通常，由于烘干的均勻性，烘干的物質(zhì)是自由流動(dòng)的和具有優(yōu)良特性。
通常，當(dāng)本發(fā)明的設(shè)備用于烘干輸入物流時(shí)，首先利用由噴嘴34引起的速度波動(dòng)霧化輸入物流，然后利用由脈動(dòng)燃燒裝置產(chǎn)生的聲波來有效的烘干輸入物流中所含的固體顆粒，特別是，由脈動(dòng)燃燒裝置產(chǎn)生的聲學(xué)效應(yīng)增強(qiáng)了傳熱和傳質(zhì)，從而有助于更快和更均勻地烘干，結(jié)果形成優(yōu)良的產(chǎn)品質(zhì)量。同樣，對(duì)烘干效率的改進(jìn)減少了空氣和燃料的需要量和系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。
如圖1和圖2所示的烘干系統(tǒng)10可用于各種用途。通常此系統(tǒng)不但能用于烘干和回收固體顆粒，而且能用于減少處理之前各種廢物的體積和數(shù)量。根據(jù)本發(fā)明能予以處理的具體物質(zhì)列舉如下，然而，下表僅是示范性的并不完全。
化工品催化劑、化肥、洗滌劑、樹脂、除草劑、殺蟲劑、殺菌劑、顏料等等。
礦物礦石、硅膠、碳化物、氧化物、鐵素體等等。
塑料聚合物、聚氯乙烯等等。
糧食制品蛋白質(zhì)、谷類糖漿、面筋、調(diào)味品、淀粉、雞蛋、發(fā)酵粉、葡萄糖、果汁、茶、咖啡、牛奶、乳清等等。
藥品纖維素、抗生素、血液、維生素等等。
工業(yè)廢料廢液、溶劑、淤渣、廢水等等。
參照?qǐng)D3，圖示說明根據(jù)本發(fā)明烘干系統(tǒng)的另一實(shí)施例50。為簡(jiǎn)便起見，圖1、2和3中出現(xiàn)的相同的編號(hào)數(shù)字表示相同的部件。與圖1和圖2所述的實(shí)施例不同，烘干系統(tǒng)50不僅用于烘干固體顆粒而且用于結(jié)塊至少一部分固體顆粒。為滿足加工要求或促進(jìn)和增加顆粒從生成物氣流中分離的效率，可將顆粒結(jié)塊。
如圖3所示，烘干系統(tǒng)50包括脈動(dòng)燃燒裝置12，其具有燃燒室18和至少一個(gè)諧振管20。脈動(dòng)燃燒裝置12與帶有至少一個(gè)位于其出口端的噴嘴34的諧振室14連通。噴嘴34伸入烘干室16，此烘干室包括一具有設(shè)計(jì)得與從噴嘴34噴出的射流的外形相匹配的形狀的擴(kuò)展部分38。
在此實(shí)施例中，為加速結(jié)塊，從噴嘴34噴出的燃燒產(chǎn)物的流速予以降低。經(jīng)孔口36送入烘干室16的輸入物流于是被噴嘴34霧化成較大的液滴。因此，此較大的液滴含有更大和更多的固體顆粒。然而較大的液滴需要更長(zhǎng)的停留時(shí)間來烘干。因此，烘干系統(tǒng)50包括一與烘干室16連接而用于烘干較大顆粒的流化床52。在此過程中產(chǎn)生的較小顆粒，由于重量較輕，將繞過流化床52并進(jìn)入用于最終收集的集塵室42，如有需要的話。
在此實(shí)施例中，送入流化床52的流化介質(zhì)是由鼓風(fēng)機(jī)28經(jīng)管道56供給的空氣與從脈動(dòng)燃燒裝置經(jīng)管道54排出的燃燒產(chǎn)物的混合物。具體地說，燃燒產(chǎn)物從諧振室14排出，與空氣混合并經(jīng)管道58送入流化床52。進(jìn)入流化床的氣體混合物的溫度通常在400°F到1000°F范圍內(nèi)。由于從諧振室14排出燃燒產(chǎn)物，不僅為流化床52供給熱量來烘干較大的顆粒，而且經(jīng)過噴嘴34的流體流速也降低了。
送入流化床52的氣體的體積流速要受到控制，以便于在流化床中充分烘干而不把進(jìn)入流化床的顆粒強(qiáng)制反回烘干室16。最終，進(jìn)入流化床52的顆粒被烘干并經(jīng)收集管60收集起來。
在烘干系統(tǒng)50中發(fā)生的烘干和結(jié)塊過程從產(chǎn)生燃燒產(chǎn)物脈動(dòng)流和聲壓波的脈動(dòng)燃燒裝置開始。燃燒產(chǎn)物進(jìn)入諧振室14，在此處，一部分進(jìn)入管道54，而其余的從噴嘴34噴出。
經(jīng)孔口36進(jìn)入烘干室16的輸入物流與噴嘴34噴出的燃燒產(chǎn)物接觸。此碰撞使輸入物流霧化成為不同大小的液滴，其中，較大的液滴含有相應(yīng)較多的固體顆粒，當(dāng)霧化的輸入物流流經(jīng)烘干室16時(shí)，液滴至少表面被烘干而內(nèi)部可能部分烘干。
在此過程中產(chǎn)生的較小顆粒繞過流化床52而進(jìn)入顆粒分離裝置42，在那里最終被收集進(jìn)料倉(cāng)46。從另一方面來說，較大的顆?；蚪Y(jié)塊進(jìn)入流化床52。在流化床中，結(jié)塊被含有空氣和排出諧振室4的燃燒產(chǎn)物的混合物進(jìn)一步烘干。一但被烘干，結(jié)塊或較大的顆粒經(jīng)收集管60收集起來。
本發(fā)明特定結(jié)構(gòu)不僅非常適用于烘干系統(tǒng)，而且也可用于供應(yīng)熱量給熱交換裝置或給任何適用的過程加熱器。例如，參考圖4，舉例說明了一根據(jù)本發(fā)明的加熱系統(tǒng)70的實(shí)施例。此系統(tǒng)能在大氣壓下或高壓下運(yùn)行。圖1到4中出現(xiàn)的相同的編號(hào)數(shù)字仍用來表示相同的部件。
與圖1和圖2舉例說明的烘干系統(tǒng)類似的加熱系統(tǒng)70包括具有燃燒室18和諧振管20的脈動(dòng)燃燒裝置12。通過燃料輸送管線22為燃燒室18供應(yīng)氣體、液體或固體燃料，而經(jīng)氣動(dòng)閥26通過空氣增強(qiáng)裝置24為燃燒室18供應(yīng)空氣。通過輸入空氣管道將空氣供給空氣增強(qiáng)裝置24。
在此實(shí)施例中，脈動(dòng)燃燒裝置12通過經(jīng)由管道32供給的冷空氣來冷卻。進(jìn)入管道32的空氣包繞燃燒室18和諧振管20。
燃燒裝置12的至少一部分包含在諧振室14中，諧振室被設(shè)計(jì)得可使聲波損失降低到最小，而使噴嘴34進(jìn)口處的壓力波動(dòng)達(dá)到最大。噴嘴34使由脈動(dòng)燃燒裝置12產(chǎn)生的靜壓頭轉(zhuǎn)變?yōu)樗俣阮^。
根據(jù)圖4舉例說明的實(shí)施例，諧振室14與排放裝置72連通，此裝置引導(dǎo)流經(jīng)設(shè)備的燃燒產(chǎn)物進(jìn)入過程加熱器或熱交換裝置74，在熱交換裝置74中，熱交換發(fā)生在燃燒產(chǎn)物流和被間接或直接加熱的物料之間。
為使能量和熱交換效率達(dá)到最大，加熱系統(tǒng)70至少使從熱交換裝置74排出的燃燒產(chǎn)物的一部分再循環(huán)。特別是，至少一部分從熱交換裝置74排出的燃燒產(chǎn)物進(jìn)入與循環(huán)室78連通的再循環(huán)管道76，在本實(shí)施例中，再循環(huán)室78包圍著諧振室14。再循環(huán)室78注入把燃燒產(chǎn)物的再循環(huán)流與從脈燃燒裝置12排出的燃燒產(chǎn)物混合起來的排放裝置72。
在加熱系統(tǒng)70的運(yùn)行過程中，脈動(dòng)燃燒裝置12產(chǎn)生燃燒產(chǎn)物的脈動(dòng)流和聲壓波并被輸送到諧振室14。燃燒產(chǎn)物進(jìn)入噴嘴34并被加速產(chǎn)生脈動(dòng)速度頭。
在此實(shí)施例中，脈動(dòng)燃燒裝置12能夠在各種不同的范圍和不同的條件下運(yùn)行。在一個(gè)實(shí)施例中，脈動(dòng)燃燒裝置12產(chǎn)生峰間值從大約1Psi到大約40Psi全振幅范圍內(nèi)的壓力波動(dòng)。壓力波動(dòng)相當(dāng)于大約161dB到大約194dB的聲壓級(jí)。聲場(chǎng)頻率范圍可在大約50到大約500Hz之間。從諧振管20排出的燃燒產(chǎn)物的溫度也可以隨加工需要而改變，例如，可以在從大約1000°F到大約3000°F的范圍內(nèi)。
燃燒產(chǎn)物從噴嘴34進(jìn)入排放裝置72，在此，它們與已從熱交換裝置74排出的燃燒產(chǎn)物的再循環(huán)流混合。噴嘴34提供引發(fā)運(yùn)動(dòng)的物流和動(dòng)量，與排放裝置72相結(jié)合以引發(fā)流動(dòng)。在此實(shí)施例中，縮喉管形狀的排放裝置72促進(jìn)兩種物流的混合和用于提高再循環(huán)流的壓力。此時(shí)，氣體產(chǎn)物的混合物被送入熱交換裝置74用于按需要進(jìn)行傳熱。
在加熱系統(tǒng)70運(yùn)行過程中，脈動(dòng)燃燒裝置-諧振室系統(tǒng)內(nèi)的壓力可能高于熱交換裝置74內(nèi)的壓力。噴嘴出口液流在排放裝置72處造成吸力而將從熱交換裝置74排出的燃燒產(chǎn)物吸入而進(jìn)入再循環(huán)管道76的。此吸力的大小可確定再循環(huán)并與從諧振室14排出的廢氣流混合的燃燒產(chǎn)物的數(shù)量。如圖所示，那部分不進(jìn)行再循環(huán)的氣流經(jīng)排放管路80釋放，此管路包括一將氣流調(diào)節(jié)到環(huán)境壓力的減壓閥82。
加熱系統(tǒng)70與先前技術(shù)的系統(tǒng)相比，具有許多優(yōu)點(diǎn)和好處。尤其是，熱交換達(dá)到最大而向系統(tǒng)輸入的熱量降低到最小。特別是，加熱系統(tǒng)70包括一使所需熱量降低到最小的再循環(huán)流。將再循環(huán)流送入此系統(tǒng)不用任何機(jī)械裝置。脈動(dòng)燃燒裝置12提供高能量燃燒產(chǎn)物流和聲波。此聲波加強(qiáng)了熱交換裝置74中的熱交換，減小所需的熱交換面積并提高了工藝流。
類似于上述烘干系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)70可用于各種用途。例如，加熱系統(tǒng)70能為礦石的煅燒、塑料和玻璃的熱處理、石油化工和煉制廠非機(jī)械式廢氣或廢蒸氣再循環(huán)和加熱以及鍋爐和高爐提供熱量，由加熱系統(tǒng)70產(chǎn)生的熱量也可用于烘烤、罐頭制造、紡織品加工等等，當(dāng)然，以上說明只是舉例而并不包括加熱系統(tǒng)70可應(yīng)用的所有用途。
本技術(shù)領(lǐng)域中具有一般熟練程度的人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行這樣和那樣的改進(jìn)和變動(dòng)，而不脫離更為具體地在所附多項(xiàng)權(quán)利要求中所提出的本發(fā)明的精神和范圍。此外，應(yīng)當(dāng)理解，各種實(shí)施例的諸多方面可以整體或部分地互換。而且，本技術(shù)領(lǐng)域中具有一般熟練程度的人員將會(huì)理解，上述的說明僅作為實(shí)例，而不企圖限制在所附各項(xiàng)權(quán)利要求中所進(jìn)一步說明的本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種用于烘干物料和提供加工熱量的脈動(dòng)設(shè)備，此設(shè)備包括一用于燃燒燃料以產(chǎn)生燃燒產(chǎn)物脈動(dòng)流和聲壓波的脈動(dòng)燃燒裝置，所述脈動(dòng)燃燒裝置包括一燃燒室和至少一個(gè)諧振管，所述至少一個(gè)諧振管有一與所述脈動(dòng)燃燒室連通的進(jìn)口和一出口；以及一諧振室，包圍至少所述至少一個(gè)諧振管的一部分，而且以這樣一種方式與之聯(lián)接使得在所述諧振室中產(chǎn)生一駐波，所述諧振室有第一封閉端和一第二敞開端，所述諧振室包括至少一個(gè)確定所述第二敞開端的噴嘴，所述噴嘴與所述諧振管的所述出口流體連通并于下游處與之間隔開，所述噴嘴用于加速流經(jīng)它的所述脈動(dòng)燃燒產(chǎn)物以產(chǎn)生適用于加熱和烘干物料的脈動(dòng)速度流場(chǎng)。
2.如權(quán)利要求1所述的脈動(dòng)設(shè)備，還包括與所述至少一個(gè)噴嘴連通的烘干室，所述烘干室包括一靠近所述至少一個(gè)噴嘴、用于引導(dǎo)物流進(jìn)入所述烘干室的物料引入孔口，所述引入孔口如此設(shè)置使得所述物流接觸從所述至少一個(gè)噴嘴排出的燃燒產(chǎn)物脈動(dòng)流并與所述燃燒產(chǎn)物混合以在其間實(shí)現(xiàn)熱交換。
3.如權(quán)利要求2所述的脈動(dòng)設(shè)備，其中，所述烘干室包括一鄰近所述至少一個(gè)噴嘴的擴(kuò)展圓錐形部分，所述圓錐形部分的形狀構(gòu)造得與從所述至少一個(gè)噴嘴排出的所述燃燒產(chǎn)物的脈動(dòng)流的射流形狀相適應(yīng)。
4.如權(quán)利要求1所述的脈動(dòng)設(shè)備，還包括一適合與一熱交換裝置的出口連通的再循環(huán)管道，及一具有一與所述至少一個(gè)噴嘴和所述再循環(huán)管道連通的進(jìn)口的排放裝置，其中，所述排放裝置將從所述脈動(dòng)燃燒裝置排出所述燃燒產(chǎn)物脈動(dòng)流與從所述熱交換裝置排出的燃燒產(chǎn)物再循環(huán)流進(jìn)行混合以形成一氣流，所述氣流被送到熱交換裝置以向其提供熱量。
5.如權(quán)利要求4所述的脈動(dòng)設(shè)備，其中，所述再循環(huán)管道包括一與所述排放裝置連通的再循環(huán)室，所述再循環(huán)室包圍著所述諧振室并在其間形成一空間作為從所述熱交換裝置排出的所述燃燒產(chǎn)物再循環(huán)流的通道。
6.如權(quán)利要求1所述的脈動(dòng)設(shè)備，其中，所述至少一個(gè)噴嘴構(gòu)造得以每秒最小大約30英尺的速度排出所述燃燒產(chǎn)物脈動(dòng)流。
7.如權(quán)利要求4所述的脈動(dòng)設(shè)備，其中，所述排放裝置是一縮喉管。
8.一種用于烘干包含固體顆粒的物料流的方法，所述方法包括下列步驟產(chǎn)生燃燒產(chǎn)物脈動(dòng)流和聲壓波；促使此燃燒產(chǎn)物脈動(dòng)流形成高速脈動(dòng)流場(chǎng)；使所述燃燒產(chǎn)物的所述高速脈動(dòng)流場(chǎng)與含固體顆粒的液體接觸，所述高速脈動(dòng)流場(chǎng)使所述液體霧化并與所述燃燒產(chǎn)物混合，所述燃燒產(chǎn)物將熱量傳遞給所述霧化的液體以烘干其中包含的所述固體顆粒。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，還包括將所述烘干的固體顆粒與所述液體和所述燃燒產(chǎn)物分離開的步驟。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述高速脈動(dòng)流場(chǎng)具有一每秒至少大約30英尺的最小速度。
11.一種用于提供熱量給一熱交換裝置的方法，所述方法包括下列步驟產(chǎn)生燃燒產(chǎn)物脈動(dòng)流和聲壓波；促使所述燃燒產(chǎn)物脈動(dòng)流形成脈動(dòng)速度流場(chǎng)；將所述加速的燃燒產(chǎn)物流和所述聲壓波供給熱交換裝置以向其傳輸熱量；再循環(huán)從所述熱交換裝置排出的所述燃燒產(chǎn)物的至少一部分以產(chǎn)生一再循環(huán)流，并使所述燃燒產(chǎn)物脈動(dòng)流與所述再循環(huán)流混合以形成一氣流，所述氣流被送到所述熱交換裝置；以及在混合之前在所述燃燒產(chǎn)物脈動(dòng)流與所述再循環(huán)流之間保持一壓力差，所述壓力差產(chǎn)生一吸力，用于自動(dòng)地虹吸從所述熱交換裝置排出的所述再循環(huán)產(chǎn)物而與所述燃燒產(chǎn)物脈動(dòng)流接觸。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述燃燒產(chǎn)物脈動(dòng)流和所述聲壓波由一脈動(dòng)燃燒設(shè)備產(chǎn)生，所述脈動(dòng)燃燒設(shè)備包括一燃燒室、至少一個(gè)具有一與所述脈動(dòng)燃燒室連通的進(jìn)口的諧振管，以及一包圍所述至少一個(gè)諧振管的至少一部分的諧振室，所述諧振室與所述至少一個(gè)諧振管相聯(lián)接以致在所述諧振室中產(chǎn)生一駐波，所述諧振室包括位于所述諧振室敞開端、與所述至少一個(gè)諧振管流體連通的至少一個(gè)噴嘴。
全文摘要
本發(fā)明是以烘干加熱過程及裝有能用于烘干系統(tǒng)或加熱系統(tǒng)中的脈動(dòng)燃燒裝置的設(shè)備為目的。通常,此設(shè)備包括一脈動(dòng)燃燒裝置(12),用于燃燒燃料以產(chǎn)生燃料產(chǎn)物脈動(dòng)流以及聲壓波。此脈動(dòng)燃燒裝置(12)有一與至少一個(gè)諧振管(20)相連的燃燒室(18)。諧振室(14)至少包圍著脈動(dòng)燃燒裝置的一部分并包括一居于諧振室下游噴嘴(34)。此噴嘴(34)使流經(jīng)此處的燃燒產(chǎn)物加速并產(chǎn)生脈動(dòng)速度頭。在烘干系統(tǒng)(10)中,噴嘴進(jìn)入烘干室(16),在此處燃燒產(chǎn)物與進(jìn)料流接觸。另一方面,當(dāng)用于加熱系統(tǒng)(70)時(shí),噴嘴進(jìn)入將燃燒產(chǎn)物與燃燒產(chǎn)物再循環(huán)混合起來的排放裝置(72),以便形成供給熱交換裝置(74)的流出物。
文檔編號(hào)F26B23/02GK1207805SQ96199620
公開日1999年2月10日 申請(qǐng)日期1996年11月12日 優(yōu)先權(quán)日1995年11月13日
發(fā)明者莫姆塔茲·N·曼索, 拉維·錢德蘭 申請(qǐng)人:制造及技術(shù)轉(zhuǎn)化國(guó)際公司