專利名稱：用于加強固體物質(zhì)燃燒的方法、裝置和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及一種或多種固體物質(zhì)或顆粒的燃燒。本發(fā)明尤其 涉及在燃燒過程中用于加強固體物質(zhì)燃燒的方法、裝置以及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在例如工業(yè)發(fā)電裝置和/或廢物焚燒裝置等等處理固體物質(zhì)或顆 粒的燃燒時各方面都屬于高優(yōu)先級的。這些方面包括快速有效的發(fā)電、 廢物處理、以及希望不犧牲效率的情況下使污染盡可能最小。在廢物 處理和/或發(fā)電的工業(yè)范圍內(nèi)，對綠色規(guī)劃也存在增加的政策和公眾需 求。
實現(xiàn)有效燃燒處理的一個主要抑制因素是灰渣或類似物的存在， 在某些情況下它們在固體物質(zhì)或顆粒的燃燒過程中典型地會存在于外 部表面。
此外，在待燃燒固體表面的能量和質(zhì)量(mass)交換極大地取決 于圍繞該固體的燃燒氣體的流動的特征，更具體地說是取決于所謂的 層流亞層的特征或存在。由于層流的性質(zhì)，跨過層流亞層的熱量傳輸 典型地為經(jīng)由傳導(dǎo)或輻射，而跨過層流亞層的質(zhì)量傳輸?shù)湫偷貫閱为?經(jīng)由擴散。
已經(jīng)有多種旨在改善燃燒工藝的方法和系統(tǒng)存在。 專利說明書US4592292涉及用于燃燒大固體燃料的方法和裝置。 高質(zhì)點速度聲音由共鳴器產(chǎn)生并用于使燃燒空氣和燃燒氣體往復(fù)移動 經(jīng)過爐篦(grate)上的固體顆粒。聲音共鳴器與爐篦一起設(shè)在一室內(nèi) 并產(chǎn)生跨過固體燃料床的最大頻率60Hz、優(yōu)選30Hz、最優(yōu)選小于20Hz 的聲音駐波。
專利說明書SE7701764-8披露了一種燃燒霧化固體、液體或氣體 燃料的方法。僅針對的是霧化燃料和不太大的固體物質(zhì)或顆粒。通過
6各種類型的(用于固體燃料)的碎解機或(用于液體燃料的)霧化器 來將燃料霧化成很小的顆粒。
該說明書中提出的問題是，由于燃料的細(xì)霧化，雖然顆?？焖佾@ 得燃燒空氣/氣體的速度、也即由于小質(zhì)量的霧化顆粒，顆粒和周圍空 氣之間的速度沒有差別，但難以獲得霧化顆粒的氧化。在燃燒期間， 每個霧化燃料顆粒會被阻止氧氣與燃料顆粒接觸的大量燃燒氣體(像 碳氧化物等)包圍，從而延長燃燒時間并促使燃燒火焰的物理擴展。
提出的用于克服這些缺點的方案是，將聲能從聲音發(fā)射器提供給 燃燒火焰，使得由于燃料顆粒和空氣顆粒的不同質(zhì)量，燃料顆粒的速 度變得不同于空氣顆粒的速度。
記載了聲能可利用例如汽笛被提供給火焰。還記載了，可使用各 種聲音頻率。出于聲音環(huán)境的考慮，也可采用非聽得見的聲音(也即， 次聲或超聲)，也即減少噪音。另外記載了，超聲可用于瞬間加熱燃料 或燃料/空氣混合物。記載了聲能可將灰渣從霧化顆粒中松開，但還記 載了這需要增加添加劑或一些使灰渣多孔或松散的其他手段。
專利說明書JP01095213披露了一種清潔廢氣的焚化爐，其中該 焚化爐包括第一和第二焚化爐室。含有未燃燒部分的燃燒氣體被引入 第二焚化爐室。次級空氣通過旋轉(zhuǎn)的氣孔提供，旋轉(zhuǎn)空氣而進入第二 焚化爐室內(nèi)。
專利說明書US5996808涉及用于從煤炭燃燒裝置的飛塵中分離碳 的方法和工藝。施加聲場以便將未燃燒的煤炭與原始飛塵分開。
專利說明書US4919807披露了 一種用于從灰屑分離顆粒的超聲波 振動器盤。變換器安裝在該盤的下側(cè)，以在顆粒物質(zhì)的漿體中引起振 動。
專利說明書US5680824披露了 一種用設(shè)置有通風(fēng)系統(tǒng)的滑動的爐 條系統(tǒng)來燃燒固體以優(yōu)化燃燒過程的工藝。
專利說明書US5419877披露了一種用于工業(yè)發(fā)電裝置的隔音墻分 離器。聲波用于除去氣體中的小顆粒例如飛塵。
專利說明書US5785012披露了利用聲能對燃燒室例如鍋爐中的燃燒的改進，其中用于產(chǎn)生聲能的裝置以提供能量給所述室的方式設(shè)在 所述室內(nèi)，由此顆粒和氣體被供給能量從而改善燃燒過程。所披露的 用于產(chǎn)生聲能的裝置是設(shè)在燃燒室內(nèi)部上方的一個或多個射聲器?？?替換地，所述裝置可以是與揚聲器和擴音器相結(jié)合的電發(fā)聲器。
其披露了射聲器優(yōu)選以選自100-500Hz的頻率也即非超聲波進行 操作。
專利說明書EP0144919披露了 一種利用低頻發(fā)聲器燃燒固體的方法。
專利說明書DE1061021披露了一種利用超聲波減小固體、原煤尺 寸的裝置。所述裝置將固體煤炭從管道引向燃燒室，在燃燒室中利用 發(fā)射表面和超聲波發(fā)生器減小煤炭尺寸。
專利說明書DE876439披露了在鍋爐中聲波的放大，其中被放大 的聲波經(jīng)煙囪提供給射聲器。
專利說明書EP1162506披露了根據(jù)氣體壓力以不同溫度去除灰塵 的聲學(xué)吹灰器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在燃燒過程中加強固體物質(zhì)或顆粒例如 燃料、廢物等燃燒的系統(tǒng)(和相應(yīng)的方法及裝置)，其中所述系統(tǒng)(除 了別的以外)解決了上述的現(xiàn)有技術(shù)的缺點。
本發(fā)明的另 一 目的是能夠有效燃燒一種或多種固體物質(zhì)或顆粒從 而減少廢物以及增加能效。
本發(fā)明的再一個目的是能夠使屬于燃燒過程一部分的固體物質(zhì)或 顆粒上的灰渣有效去除或最小化。
這些目的(除了別的以外)通過一種在燃燒過程中加強固體物質(zhì) 燃燒的系統(tǒng)至少得以實現(xiàn)至一定程度，所述系統(tǒng)包括一個或多個用于 燃燒固體物質(zhì)的焚化裝置，至少一個聲波裝置，其中所述至少一個聲 波裝置為高強度超聲裝置，其適于在使用期間將高強度超聲施加至所 述的固體物質(zhì)上，由此從所述固體物質(zhì)中除去灰渣和增加固體物質(zhì)周 圍的紊流，從而增加所述固體物質(zhì)的燃燒速度，這里所述高強度超聲的聲壓水平至少為約140dB。
聲波裝置經(jīng)常也指的是聲波發(fā)生器或類似物。在下文中，采用術(shù) 語聲波裝置。高強度超聲通常也指的是高強度超聲波。下文采用高強 度超聲。
氣體中的高強度聲音/超聲產(chǎn)生非常高的速度并使氣體分子位移。 例如，在22000Hz時160dB的聲壓水平對應(yīng)于4.5m/s的質(zhì)點速度以 及33pm的位移。換句話說，高強度聲音或超聲的應(yīng)用顯著增加了分 子的動能。
這樣，由于高強度聲音或超聲，施加于燃燒過程中的氣體分子的 大位移和高動能將使得固體物質(zhì)周圍的空氣以大量動能進行振蕩。當(dāng) 振蕩的空氣遇到正燃燒的固體或顆粒時，存在于待焚化的固體物質(zhì)或 顆粒表面上的任何灰渣或類似物(并由此阻礙燃燒過程)會被高能聲 音"抖落"，從而釋放未燃燒物質(zhì)的新表面，并由此加速多相的燃燒過 程。在不使用添加劑或一些其它使灰渣多孔或松散的手段的情況下而 能夠?qū)崿F(xiàn)。
本發(fā)明非常適用于在廢物焚燒裝置或其他類型的燃燒裝置中燒盡 灰渣和熔渣，因為灰渣的溫度，和任何存在的熔渣的溫度會升高，這 使得熔渣中存在的重金屬更穩(wěn)定，而這又使得熔渣可再循環(huán)。例如， 如果所述過程是廢物燃燒過程，那么熔渣是存在的。
此外，由于層流亞層的破裂(disruption),超聲或高強度聲音的 應(yīng)用將會很有效率地增強在待焚化物質(zhì)表面處的能量和質(zhì)量交換。
在一個實施例中，固體物質(zhì)在燃燒期間位于爐蓖(例如，割草式 爐篦(a mowing grate ))或其它分離器上，至少一個所述焚化裝置位 于所述爐篦或所述其他分離器的下面，所述至少一個聲波裝置的至少 一個位于所述爐篦或其他分離器的下面，并通過所述爐蓖或所述其他 分離器將高強度超聲朝向所述固體物質(zhì)施加。
在一個實施例中，燃燒過程在包括初級空氣分配室的一裝置中進 行，該初級空氣分配室將空氣分配至所述至少一個焚化裝置中，其中 所述聲波裝置的至少一個位于所述裝置的初級空氣分配室中。
9在一個實施例中，至少一個聲波裝置在燃燒過程期間交替接通和 切斷，由此減少能耗。由于灰渣在顆粒或固體上積累要花費一些時間， 在保持燃燒過程的高效率的同時，間歇地或爆發(fā)式地、也即僅部分時 間地使用聲波裝置，減少了能量(相比于整個過程一直使用聲波裝置 而言)。"接通"時段可以和"切斷"時段相同或不同。
在一個實施例中，燃燒過程在包括空氣噴射器的一裝置中進行， 該空氣噴射器將次級空氣引入燃燒過程，其中至少 一個所述聲波裝置 設(shè)在空氣噴射器中。在幾乎所有的燃燒裝置中，次級(稀薄而冷)空 氣(典型以高速)被噴射，以便與粘性熱空氣混合。在該過程中的氧 分子和其它反應(yīng)物的擴散常常限制了燃燒率。通過利用或帶有的一個 或多個聲波裝置來引入次級空氣，次級(冷)空氣分子的擴散速度增 加，從而增加了燃燒率和減少了燃盡一氧化碳等所需的時間。聲波裝 置優(yōu)選基本在整個過程中操作，這極大加強了燃燒過程的效率?？商?換地，聲波裝置可爆發(fā)式地、間歇地或間隔地操作，這減少整個能耗。
在一個實施例中，所述至少一個聲波裝置的至少一個包括限定 通道的外部部件和內(nèi)部部件、開口、和設(shè)置在內(nèi)部部件中的腔，其中 所述聲波裝置適于接收壓縮氣體并將該壓縮氣體傳送至所述開口 ，該 壓縮氣體被從該開口以噴流朝向所述腔排》文。
在一個實施例中，所述至少一個聲波裝置的至少一個至少部分地 被氣流驅(qū)動，也即氣流用作壓縮氣體的至少一部分，以驅(qū)動超聲裝置。
除了氣流被用作推進物之外，燃燒固體或顆粒時發(fā)生的氣化過程 的反應(yīng)速度也大大增加，因為水分子在氣化過程中是重要的反應(yīng)物， 這將導(dǎo)致更均勻和更高的燃燒溫度以及更高品質(zhì)的熔渣。
在一個實施例中，所述高強度超聲的聲壓水平選自約140dB-約 160dB的區(qū)間，或超過約160dB。
本發(fā)明還涉及一種加強固體物質(zhì)在燃燒過程中燃燒的方法，該方 法包括通過一個或多個焚化裝置燃燒固體物質(zhì)，其中所述方法還包括 在使用期間將高強度超聲從至少 一個聲波裝置施加于所述固體物質(zhì)， 由此從所述固體物質(zhì)中去除灰渣并增加固體物質(zhì)周圍的紊流，從而增加所述固體物質(zhì)的燃燒速度，這里所述高強度超聲的聲壓水平至少為
約140dB。
本發(fā)明還涉及一種為哈特曼型噴氣式聲波發(fā)生器的聲波裝置，它 包括限定通道的外部部件和內(nèi)部部件、開口、和設(shè)置在內(nèi)部部件中的 腔，其中所述聲波裝置適于接收壓縮氣體并將該壓縮氣體傳送至所述 開口，該壓縮氣體從所述開口以噴流朝向所述腔排放，由此產(chǎn)生高強 度超聲，其中所述聲波裝置適于在使用期間將高強度超聲施加于固體 物質(zhì)，從而從所述固體物質(zhì)除去灰渣并增加該固體物質(zhì)周圍的紊流， 從而增加所述固體物質(zhì)的燃燒速度，這里所述高強度超聲的聲壓水平 至少為約140dB.
所述方法和裝置及其實施例對應(yīng)于所述系統(tǒng)及其實施例，并且出 于相同的原因具有相同的優(yōu)點。本發(fā)明的方法和裝置的有利實施例被 限定在從屬權(quán)利要求中并且下面將詳細(xì)描述。


根據(jù)附圖所示的例示性實施例以及對實施例的描述，本發(fā)明的這 些和其他方面將會顯而易見，其中
圖1示意性地示出了本發(fā)明的系統(tǒng)/方法的一個實施例的概括框
圖2a示意性地示出了當(dāng)沒有應(yīng)用高強度超聲時在物質(zhì)的表面上 方的流動(紊流)；
圖2b示意性地示出了本發(fā)明的物質(zhì)表面上方的流動，其中說明了 應(yīng)用高強度超聲于圍繞或接觸物質(zhì)表面的空氣/氣體中的效果；
圖3a-3c示意性地示出了本發(fā)明的系統(tǒng)/方法的各種實施例的框
圖4a示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的 一個實施例的廢物焚化裝置； 圖4b示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的廢物焚化裝置； 圖5a示意性地示出了用于產(chǎn)生高強度超聲的裝置的優(yōu)選實施例； 圖5b示出了圓盤形式的哈特曼發(fā)生器的超聲裝置的實施例； 圖5c是沿著圖5b的超聲裝置301的直徑的剖視圖，其更清晰地
ii示出了開口 302、氣體通道303和腔304的形狀；
圖5d示出了另一類型的成形為細(xì)長主體的哈特曼聲波發(fā)生器的 可替換實施例；
圖5e示出了與圖5d相同類型但形狀為閉合曲線的超聲裝置； 圖5f示出了與圖5d相同類型但形狀為開放曲線的超聲裝置。
具體實施例方式
圖1示意性地示出了本發(fā)明的系統(tǒng)/方法的一個實施例的概括框 圖。所示的是一種或多種待燃燒的固體物質(zhì)101，例如煤炭，廢料， 木頭碎片，木屑，其他類型的木頭，稻草，燃料，廢物，干化泥渣等 等。固體物質(zhì)101被傳送至一個或多個焚化裝置102并被燃燒，同時 在此過程中釋生熱量和能量。固體物質(zhì)101由此過程而得以減少或減 小，而廢物的量減少是有益的。此外，根據(jù)本發(fā)明，具有用于產(chǎn)生高 強度聲音/超聲的一個或多個聲波裝置301以用于加強燃燒過程。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，結(jié)合圖3a和4a將更詳細(xì)地描述超聲 通過適當(dāng)?shù)穆暡òl(fā)生器或裝置301被應(yīng)用于固體物質(zhì)101上。以此方 式，固體物質(zhì)的燃燒效率由于應(yīng)用來自例如由壓縮空氣、氣流或其他 壓縮氣體驅(qū)動的一個或多個聲波裝置，即噴氣式聲波發(fā)生器(發(fā)射器) 的超聲而得到改善。
當(dāng)振蕩的空氣遇到燃燒的固體或顆粒時，待焚化的固體物質(zhì)或顆 粒表面存在的任何灰渣等(并由此阻礙燃燒過程)將被高強度聲音"抖 落"，從而釋放未燃燒物質(zhì)的新表面并由此加速多相燃燒過程。
本發(fā)明非常適合于在廢物焚化裝置或其他類型的燃燒裝置中燒盡 灰渣和熔渣，因為灰渣的溫度，和任何存在的熔渣的溫度會升高，這 使得熔渣中存在的重金屬更穩(wěn)定，而這又使得熔渣可再循環(huán)。例如如 果該過程是廢物燃燒過程的話，那么熔渣是存在的。
而且，除了從固體表面去除灰渣和/或其他副產(chǎn)物之外，氣體中產(chǎn) 生的高強度超聲導(dǎo)致氣體分子具有非常高的速度和位移，從而以非常 有效的方式加強燃燒過程，如下文所解釋。
固體的燃燒時間，也即固體物質(zhì)被暴露于焚化裝置焚化火焰中的時間將取決于單次燃燒時固體的量(和類型)。對于量大的固體， 一般 燃燒時間為例如半小時至一小時。對于量較小的固體，燃燒時間可以 更短些。
燃燒過程的典型的局限性一般是在被氣體包圍的固體物質(zhì)周圍存 在的層流亞層所引起的。對于幾乎所有實際存在的氣流，流態(tài)通常在 整個流動中是紊流，除了其中流態(tài)為層狀的覆蓋所有表面的層以外(例
如參見圖2a中的313)。該層常常被稱為層流亞層。該層的厚度是流 動的雷諾數(shù)(Reynolds number)的遞減函數(shù)，也即在高流速時層流 亞層會減少。
由于層流的性質(zhì)，跨過層流亞層的熱量傳輸將會是傳導(dǎo)或輻射。 而且，跨過層流亞層的質(zhì)量(mass)傳輸將只會是擴散。減少層流層 的厚度將典型地顯著加強熱量和質(zhì)量傳輸。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，優(yōu)選具有超聲波頻率(也即高強度超 聲)的高強度聲音被應(yīng)用于固體物質(zhì)的表面，以減少層流亞層的厚度 或去除層流亞層。
高強度超聲增加在氣體分子和所述表面之間的相互作用(除了去 除灰渣等等之外)并因此增加在所述表面處通過被動或主動對流所進 行的熱量傳遞。如結(jié)合附圖2a和2b所詳細(xì)描述的，由于層流亞層的 減少和增加的擴散速度，所引起的層流亞層的減少/最小化使得熱傳遞 和質(zhì)量傳輸效率增加，由此加速了燃燒過程。
在一個實施例中，在燃燒過程期間至少一個聲波裝置是交替接通 和切斷的，由此減少能量消耗。由于灰渣積累在顆?；蚬腆w上需要花 費時間，在保持高效率的燃燒過程的同時，間歇地或爆發(fā)式地、也即 僅部分時間地使用聲波裝置，減少了能量(相比于整個過程中一直使 用聲波裝置而言)。"接通"時段可以與"切斷"時段相同或不同。
很通常的燃燒或廢物處理裝置還會包括(典型以高速)噴射(次 級)空氣的次級空氣入口，以便在次級燃燒室中加入更多的氧至燃燒 過程和/或降低燃燒溫度。典型地采用高速是為了將次級空氣(優(yōu)選稀 薄而冷)有效混合入由于燃燒室或燃燒間中進行的燃燒過程所產(chǎn)生的粘性熱空氣內(nèi)。氧分子和其他反應(yīng)物的擴散正常情況下限制了燃燒率。
在另一個實施例中，如結(jié)合附圖3b和4b更詳細(xì)地描述的，與引 入(次級)空氣相結(jié)合地應(yīng)用高強度超聲。 一種方式是通過超聲波裝 置例如以噴氣式超聲發(fā)生器的形式將次級空氣直接引入燃燒間或燃燒 室內(nèi)。低溫空氣分子的擴散速度由此增加，這使得燃燒率增加以及燒 盡一氧化碳等所需的時間減少。
與引入(次級)空氣相結(jié)合使用的聲波裝置優(yōu)選基本在整個過程 中操作，這大大加強了燃燒過程的效率。可替換地，聲波裝置可以爆 發(fā)式地、間歇地或間隔地操作，這減少了整個能耗。
許多類型的超聲發(fā)生器適于這些應(yīng)用，結(jié)合圖5a-5f解釋一種優(yōu) 選的公知超聲發(fā)生器。同樣可見圖3a-3c所示的聲波裝置根據(jù)各種實 施例在工業(yè)發(fā)電裝置和/或廢物焚燒裝置中的各種示例性設(shè)置。為了致
動超聲波裝置，對于一些應(yīng)用來說，可使用壓縮氣體，如帶有約2.5-4,5 大氣壓的壓力的空氣或氣流。
圖2a示意性地示出了現(xiàn)有技術(shù)中在固體物質(zhì)表面上的(紊流)流 動，也即在沒有用超聲去除灰渣和在固體物質(zhì)周圍產(chǎn)生紊流時的流動。 示出了待燃燒物質(zhì)的表面314圍繞有燃燒氣體500或者燃燒氣體500 與該表面接觸。正如所提到的，熱能可經(jīng)由傳導(dǎo)通過氣體而被傳輸， 還可通過氣體從一個區(qū)域移動到另 一個區(qū)域而被傳輸。這種與氣體移 動有關(guān)的熱傳遞過程稱為對流。當(dāng)氣體運動僅由溫差產(chǎn)生的浮力造成 時，該過程通常指的是自然或自由對流；但如果氣體運動由一些其他 機構(gòu)例如受力空氣等造成的，則稱為強制對流。強制對流的條件典型 是在表面314附近具有層流邊界層311。該層的厚度是流動雷諾數(shù)的 遞減函數(shù)，使得在高流速時，層流邊界層311的厚度將減小。當(dāng)流動 變成紊流時，該層被分成紊流邊界層312和層流亞層313。對于幾乎 所有實際發(fā)生的氣流，在整個氣流容量體積中流態(tài)是紊流，除了覆蓋 表面314的層流亞層313之外，其中的流態(tài)為層狀?？紤]到層流亞層 313中的氣體分子或顆粒315,速度316基本平行于表面314并且等于 層流亞層313的速度。由于層流的性質(zhì)，跨過層流亞層的熱量傳輸將
14會是經(jīng)由傳導(dǎo)或輻射。層流亞層313的存在不會提供最優(yōu)的或有效的 熱傳遞或增加質(zhì)量傳輸。任何跨過層流亞層的質(zhì)量傳輸不得不經(jīng)由擴 散，因此擴散過程是整個質(zhì)量傳輸中的最終限制因素。這限制了燃燒 過程中氧的可用性。而且，灰渣的層或顆?；蛘呋以w粒401典型地 存在于固體物質(zhì)的表面上，由此阻礙了固體的未燃燒部分被有效暴露 燃燒。
圖2b示意性地示出了本發(fā)明的待燃燒固體物質(zhì)表面上方的流動， 其中示出了將高強度超聲應(yīng)用至包圍或接觸固體物質(zhì)的表面的空氣/ 氣體500的效果。更具體地說，圖2b示出了待燃燒的固體物質(zhì)的表面 314被施加有高強度超聲時的狀態(tài)。再次考慮到層流中的氣體分子/顆 粒315，速度316將會基本平行于表面314并等于在施加超聲前的層 流的速度。沿著圖2b中的聲場被發(fā)射向表面314的方向，分子315 的振蕩速度已經(jīng)如箭頭317所示地顯著增加了。
例如，超聲頻率f-22kHz，聲壓水平-160dB時將會獲得v-4.5米 /秒的最大速度和+Z-33iLim的位移。圖2b中相應(yīng)的(垂直)位移基本 為0，因為所述分子沿著所述表面跟隨層狀空氣流。結(jié)果，超聲會建 立從所述表面至周圍氣體/空氣500的強制熱流，這里通過使層流亞層 最小化來增加傳導(dǎo)。
在一個實施例中，聲壓水平大約140dB或更大。優(yōu)選，聲壓水平 選自約140-160dB的范圍。聲壓水平可以高于160dB。
圖3a示意性地示出了本發(fā)明的系統(tǒng)/方法的一個實施例的框圖。 所示的任何類型的燃燒系統(tǒng)100包括一種或多種待燃燒固體物質(zhì)101, 一個或多個焚化裝置102，以及一個或多個聲波裝置301。
在這個特定的實施例中，在燃燒期間固體物質(zhì)101設(shè)在爐蓖 (grate)或其他分離器103 (以后僅表示爐蒐)上，這里焚化裝置102 設(shè)在爐篦的下面，使得固體物質(zhì)位于爐蓖上的同時能夠燃燒。而且， 聲波裝置301也設(shè)在爐篦103的下面并通過所述爐篦103將高強度超 聲朝向固體物質(zhì)101施加。焚化裝置102和/或聲波裝置301可同等地 設(shè)在爐篦103上方或附近。重要的是它們設(shè)置成使得它們可實施其功能，也即分別對要燃燒的固體物質(zhì)101進行燃燒和施加超聲。焚化和
聲波裝置的物理形式不重要，可以設(shè)想多種形式，例如包括有焚化和
聲波裝置出口的箱形或半箱形。此外，爐篦103等的存在不是所需的。 在優(yōu)選的實施例中，在燃燒過程的期間，聲波裝置交替接通和切 斷，由此減少能耗。由于灰渣積累在顆?；蚬腆w表面需要花費一些時 間，保持高效率燃燒過程的同時，間歇地或爆發(fā)式地、也即僅部分時 間地使用聲波裝置，減少了能量(相比于在整個過程中一直使用聲波 裝置而言)。"接通"時段可以與"切斷"時段相同或不同。 如已經(jīng)描述的，應(yīng)用高強度超聲加強了燃燒過程。 圖3b示意性地示出了本發(fā)明的系統(tǒng)/方法的一個實施例的框圖。 示出了任何類型的燃燒系統(tǒng)100包括設(shè)置在爐蓖103或類似物上的一 種或多種待燃燒固體物質(zhì)101， 一個或多個焚化裝置102，和一個或多 個聲波裝置301。
還示出了次級空氣例如經(jīng)由空氣噴射器、空氣噴射裝置或類似物 被引入燃燒過程，其中至少一個聲波裝置301設(shè)在空氣噴射器中。(典 型地以高速)噴射次級(稀薄而冷)空氣，以便與粘性熱空氣混合。 燃燒過程中氧分子和其它反應(yīng)物的擴散通常限制了燃燒率。通過利用 或帶有的一個或多個聲波裝置來引入次級空氣，增加次級(冷)空氣分 子的擴散速度，由此增加燃燒率并減少燒盡一 氧化碳等所需的時間。 聲波裝置優(yōu)選基本在整個過程期間操作，這大大增強了燃燒過程的效 率?？商鎿Q地，聲波裝置可爆發(fā)式地，間歇地或間隔地操作，這減少 了全部的能耗。
聲波裝置301可同等地設(shè)在不同于空氣噴射器的另一位置。重要 的是它們被設(shè)置成使得它們可實施其功能，也即將超聲應(yīng)用于次級空 氣中。此外，爐篦103或類似物的存在不是所需的。
圖3c示意性地示出了本發(fā)明的系統(tǒng)/方法的一個實施例的框圖。 這個實施例結(jié)合了圖3a和3b的實施例。
示出了在任何類型的燃燒系統(tǒng)100中， 一種或多種待燃燒的固體 物質(zhì)101設(shè)在爐乾103或類似物上， 一個或多個焚化裝置102。也示出了設(shè)有至少一個其作用與結(jié)合圖3a所描述相同的聲波裝置301、以 及設(shè)有至少一個其作用與結(jié)合圖3b所描述相同的聲波裝置301。
圖4a示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的廢物焚化裝置 100。示出了圖3a的實施例作為一個實例被應(yīng)用在燃燒系統(tǒng)、廢物焚 化系統(tǒng)、回收裝置、生熱系統(tǒng)或類似物中。
待燃燒固體物質(zhì)IOI像煤炭、廢料、木頭碎片、木片、其他類型 的木頭、稻草、燃料、廢物、干化泥渣等如箭頭A所示被引入系統(tǒng)中， 固體物質(zhì)101經(jīng)過一個或多個焚化裝置102然后被燃燒，同時釋放可 在任意地方使用的熱量和能量。在這個特定實例中，固體物質(zhì)101穿 過3個焚化裝置102，固體物質(zhì)在燃燒的同時逐漸減少。在經(jīng)過最后 一個焚化裝置102后，固體物質(zhì)的剩余部分一般作為灰渣和/或熔渣形 式的廢物被收集。廢物也在每個焚化裝置102中被收集。
根據(jù)本發(fā)明， 一個或多個聲波裝置301與每個焚化裝置102相結(jié) 合地設(shè)置。 一般地， 一個或多個聲波裝置301可設(shè)置在一個或多個焚 化裝置102中，例如多個聲波裝置301設(shè)置于單個的焚化裝置102中。
優(yōu)選地，例如在提供空氣給燃燒過程的初級空氣系統(tǒng)403中，至 少一個聲波裝置301設(shè)置在焚化裝置102附近的爐蓖、分離器或類似 物附近。焚化裝置102和/或聲波裝置301可同等地設(shè)置在爐蓖上方或 附近。重要的是它們設(shè)置成使其分別可實施它們的功能，也即對要燃 燒的固體物質(zhì)101進行燃燒和施加超聲。此外，爐乾等的存在不是所 需的。
如上所述，本發(fā)明非常適于在廢物焚化裝置或其它類型的燃燒裝 置中燃盡灰渣和熔渣，因為灰渣的溫度，以及任何存在的熔渣的溫度 將會上升，這使得熔渣中存在的重金屬更穩(wěn)定，而這又使得熔渣可再 循環(huán)使用。
而且，如前面已經(jīng)描述的，由于層流亞層的破裂，高強度超聲的 應(yīng)用將非常有效地加強待焚化物質(zhì)表面的能量和質(zhì)量交換。
在一個實施例中，至少一個聲波發(fā)生器在燃燒過程中交替接通和 切斷，由此較少能耗。由于灰渣積累在顆?；蚬腆w表面要花費一些時間，在保持高效率燃燒過程的同時，間歇地或爆發(fā)式地、也即僅部分 時間地使用聲波發(fā)生器，減少了能量(相比于整個過程一直使用聲波 發(fā)生器而言)。"接通，，時段可以與"切斷"時段相同或不同。
燃燒系統(tǒng)典型地還包括一個或多個次級空氣系統(tǒng)402，用于將 (冷)空氣引入燃燒室并混合。
圖4b示意性地示出了本發(fā)明另 一個實施例的廢物焚化裝置100。 示出了圖3b的實施例作為一個實例被應(yīng)用于燃燒系統(tǒng)、廢物焚化系 統(tǒng)、回收裝置、生熱系統(tǒng)或類似物中。
這個實施例與圖4a的實施例相對應(yīng)的是， 一個或多個聲波裝置設(shè) 在次級空氣系統(tǒng)402中而不是設(shè)在焚化裝置102中。
通過利用 一個或多個聲波裝置或帶有的一個或多個聲波裝置來引 入次級空氣，次級(冷)空氣分子的擴散速度增加，由此增加燃燒率 并減少燒盡一氧化碳等所需的時間。聲波裝置優(yōu)選基本在整個過程期 間操作，這大大增強了燃燒過程的效率?？商鎿Q地，聲波裝置可爆發(fā) 式地、間歇性地或間隔地操作，以減少整個能耗。
聲波裝置301可同等地設(shè)置在除次級空氣系統(tǒng)402之外的另一位 置處。重要的是他們設(shè)置成使其可以實施它們的功能、也即將超聲應(yīng) 用于次級空氣中。
如結(jié)合圖3c所解釋的，圖4a和4b的實施例可組合用以獲得更大 的總效率。
圖5a示意性地示出了用于產(chǎn)生高強度超聲的裝置301的優(yōu)選實施 例。壓縮氣體從一管子或室309穿過外部部件305和內(nèi)部部件306所 限定的通道303到達開口 302，氣體從該開口 302以噴流向設(shè)置在內(nèi) 部部件306中的腔304排出。如果氣壓足夠高，那么在被供至腔304 的氣體中將會以腔304和開口 302的尺寸所限定的頻率產(chǎn)生振蕩。圖 5a所示類型的超聲發(fā)生器能夠產(chǎn)生聲壓水平達到160dB、氣壓約為 2.5-4.5大氣壓的超聲聲波。超聲裝置可以例如由黃銅、鋁或不銹鋼、 或任何其他足夠硬的材料制成，以便承受該裝置在使用過程中所經(jīng)受 的聲壓和溫度。請注意，壓縮氣體可不同于接觸或包圍物質(zhì)的氣體。
圖5b示出了圓盤噴射式哈特曼發(fā)生器形式的超聲裝置的實施例。 所示的是超聲裝置301的優(yōu)選實施例，也即所謂圓盤噴射式哈特曼發(fā) 生器。所述裝置301包括環(huán)形外部部件305和圓柱形內(nèi)部部件306， 其中環(huán)形腔304是凹進的。氣體經(jīng)過環(huán)形氣體通道303可擴散至環(huán)形 開口 302，從該環(huán)形開口 302可被傳送至腔304。例如通過在外部部件 305的底端提供螺紋或另一調(diào)節(jié)裝置(未示出)，外部部件305相對于 內(nèi)部部件306是可調(diào)節(jié)的，該外部部件305還可包括當(dāng)已獲得所需的 間隔時用于將外部部件305相對于內(nèi)部部件306鎖定的緊固構(gòu)件(未 示出)。這種超聲裝置可在4大氣壓的氣體壓力下產(chǎn)生約22kHz的頻 率。氣體的分子因此能夠在最大速度4.5m/s時以每秒約22,000次移動 達到53^im。這些值僅僅用于給出超聲裝置的尺寸和比例的概念，絕 不應(yīng)當(dāng)限定所示的實施例。
圖5c是沿著圖5b的超聲裝置301的直徑的剖視圖，其更清晰地 示出了開口 302、氣體通道303和腔304的形狀。更明顯的是開口 302 是環(huán)形的。氣體通道303和開口 302基本由布置在其中的環(huán)形外部部 件305和圓柱形內(nèi)部部件306限定。從開口 302排出的氣體噴流撞擊 在內(nèi)部部件306中形成的基本為圓周形的腔304，然后離開超聲裝置 301。如前面所提及的，外部部件305限定氣體通道303的外部并且還 沿著其形成超聲裝置的開口的內(nèi)圓周的外表面以約30。的角傾斜，由 此氣體噴流當(dāng)被擴散時會膨脹。在所述內(nèi)圓周的內(nèi)表面上結(jié)合約60° 的相應(yīng)斜面，上述斜面形成用于在外部限定開口 302的銳角圓周邊緣。 內(nèi)部部件306在其面向開口并在內(nèi)部限定開口 302的外圓周中具有約 45。的斜面。外部部件305可相對于內(nèi)部部件306^皮調(diào)節(jié)，由此可調(diào)節(jié) 撞擊腔304的氣體噴流的壓力。內(nèi)部部件306的頂部，其中腔304在 此凹進，也以約45。的角傾斜，以允許振蕩的氣體噴流在超聲裝置的 開口處膨脹。
圖5d示出了哈特曼型噴氣式超聲發(fā)生器的另一替換實施例，其成 形為細(xì)長體。示出了超聲裝置包括細(xì)長的基本為軌道形的主體301，
19該主體在功能上分別等效于圖5a和5b所示的實施例。在該實施例中， 外部部件包括兩個分隔的軌道形部分305a和305b，它們與軌道形內(nèi) 部部件306接合形成超聲裝置301。兩個氣體通道303a和303b設(shè)置 在外部部件305的兩部分305a和305b與內(nèi)部部件306之間。每個所 述氣體通道各自具有開口 302a、 302b，以將所噴射的氣體從氣體通道 303a和303b傳送至設(shè)置在內(nèi)部部件306中的兩個腔304a、 304b。該 實施例的一個優(yōu)點是軌道形主體能夠覆蓋的表面積要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于環(huán)形主 體。另一個優(yōu)點就是超聲裝置用擠壓工藝制造，降低了材料成本。
圖5e示出了與圖5d相同類型但形狀為閉合曲線的超聲裝置。圖 5d所示的氣體裝置的實施例不必是直線的。圖5e示出了成形為三個 環(huán)形獨立圏的軌道形主體301。外部圏限定最外部部件305a，中間圏 限定內(nèi)部部件306，內(nèi)部圏限定最內(nèi)部的外部部件305b。哈特曼型超 聲裝置的三個部分共同形成圖5d的實施例所示的橫剖面，其中兩個腔 304a和304b設(shè)置在所述內(nèi)部部件中，并且其中在最外部的外部部件 305a和內(nèi)部部件306之間的空間分別限定外部氣體通道303a和外部 開口 302a,在內(nèi)部部件306與最內(nèi)部的外部部件305b之間的空間分 別限定內(nèi)部氣體通道304b和內(nèi)部開口 302b。超聲裝置的這個實施例 能夠一次覆蓋非常大的面積并因此處理大物質(zhì)的表面。
圖5f示出了與圖5d相同類型但形狀為開放曲線的超聲裝置。如 所示，它也可以將哈特曼型超聲裝置形成為開放曲線。在這個實施例 中，對應(yīng)于圖5d所示那些的功能部分以及其他細(xì)節(jié)從這部分的說明中 可以體現(xiàn)，出于這個原因，可參考該處。同樣，也可以形成如圖5b 所示的僅具有一個開口的超聲裝置。形狀為開放曲線的超聲裝置是可 應(yīng)用于經(jīng)處理的物質(zhì)的表面具有不常見的形狀的場所。設(shè)想一種系統(tǒng)， 其中成形為不同開放曲線的多個超聲裝置被布置在本發(fā)明的一裝置 中。
在權(quán)利要求書中，任何放在圓括號之間的參考標(biāo)號不應(yīng)構(gòu)成對權(quán) 利要求的限定。措辭"包括"不排除與權(quán)利要求中所列出的不同的元 件或步驟的存在。元件之前的措辭"一"不排除多個這種元件的存在。
權(quán)利要求
1. 一種用于在燃燒過程中加強固體物質(zhì)的燃燒的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)(100)包括用于燃燒固體物質(zhì)(101)的一個或多個焚化裝置(102)；至少一個聲波裝置(301)，其特征在于所述至少一個聲波裝置(301)是高強度超聲裝置，其適于在使用期間將高強度超聲施加于所述固體物質(zhì)(101)上，由此從所述固體物質(zhì)(101)去除灰渣并增加固體物質(zhì)(101)周圍的紊流，從而增加所述固體物質(zhì)(101)的燃燒速度，其中所述高強度超聲的聲壓水平至少為約140dB。
2. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述固體物質(zhì)(101)在燃燒期間位于一爐篦或其他分離器(103 )上，所述焚化裝置(102 )中至少一個位于所述爐篦或所述其他分離器(103)下面，以及所述至少一個聲波裝置(301)的至少一個位于所述爐蒐或其他分離器(103)下面，并將高強度超聲通過所述爐蓖或所述其他分離器(103)朝向所述固體物質(zhì)(101)施加。
3. 如權(quán)利要求1-2所述的系統(tǒng)，其中，所述燃燒過程在包括初級空氣分配室的一裝置中進行，該初級空氣分配室將空氣分配至所述至少一個焚化裝置(102)，其中所述聲波裝置(301)中至少一個位于所述裝置的初級空氣分配室中。
4. 如權(quán)利要求l-3所述的系統(tǒng)，其中，所述聲波裝置(301)中至少一個在燃燒過程期間交替接通和切斷，由此減少能耗。
5. 如權(quán)利要求1-4所述的系統(tǒng)，其中，所述燃燒過程在包括空氣噴射構(gòu)件的一裝置中進行，該空氣噴射構(gòu)件用于將次級空氣引入至燃燒過程中，并且其中所述聲波裝置(301)中至少一個位于空氣噴射構(gòu)件中。
6. 如權(quán)利要求1-5所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個聲波裝置(301)的至少一個是哈特曼型噴氣式聲波發(fā)生器，該發(fā)生器包括用于限定通道(303)的外部部件(305)和內(nèi)部部件(306),開口 (302)，和設(shè)置在內(nèi)部部件(306)中的腔(304)，其中，所述聲波裝置(301)適于接收壓縮氣體并將該壓縮氣體傳送至所述開口 (302)，該壓縮氣體從所述開口以噴流朝向腔(304)排放。
7. 如權(quán)利要求1-6所述的系統(tǒng)，所述至少一個聲波裝置(301)的至少一個至少部分地由氣流驅(qū)動。
8. 如權(quán)利要求l-7所述的系統(tǒng)，其中，所述高強度超聲的聲壓水平是選自約140dB至約160dB之間的區(qū)間，或超出約160dB。
9. 一種用于在燃燒過程中加強固體物質(zhì)的燃燒的方法，該方法包括通過一個或多個焚化裝置(102 )燃燒固體物質(zhì)(101 )，其特征在于，所述方法還包括在使用期間將高強度超聲從至少 一個聲波裝置(301)施加于所述固體物質(zhì)(101)，由此從所述固體物質(zhì)(101)去除灰渣并增加固體物質(zhì)(101)周圍的紊流，從而增加所述固體物質(zhì)(101)的燃燒速度，其中所述高強度超聲的聲壓水平至少為約140dB。
10. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述方法還包括，將高強度超聲通過一爐篦或其他分離器(103)施加向所述固體物質(zhì)(101),其中所述固體物質(zhì)(101)在燃燒期間位于所述爐蓖或其他分離器(103)上，并且其中所述焚化裝置(102)的至少一個以及所述至少一個聲波裝置(301)的至少一個位于所述爐蓖或所述其他分離器(103)的下面。
11. 如權(quán)利要求9-10所述的方法，其中，所述燃燒過程在包括初級空氣分配室的一裝置中進行，該初級空氣分配室將空氣分配給所述至少一個焚化裝置(102)，其中所述聲波裝置(301)中至少一個位于所述裝置的初級空氣分配室中。
12. 如權(quán)利要求9-11所述的方法，其中，所述方法包括在燃燒過程期間交替接通和切斷所述聲波裝置(301)中的至少一個，由此減少能耗。
13. 如權(quán)利要求9-12所述的方法，其中，所述燃燒過程在包括空氣噴射構(gòu)件的一裝置中進行，該空氣噴射構(gòu)件用于將次級空氣引入至燃燒過程中，其中所述聲波裝置(301)中的至少一個位于該空氣噴射構(gòu)件中。
14. 如權(quán)利要求9-13所述的方法，其中，所述至少一個聲波裝置(301)的至少一個是哈特曼型噴氣式聲波發(fā)生器，該發(fā)生器包括用于限定通道(303)的外部部件(305)和內(nèi)部部件(306)，開口 (302 )，和設(shè)置在內(nèi)部部件(306)中的腔(304)，其中，所述聲波裝置(301)接收壓縮氣體并將該壓縮氣體傳送至所述開口 (302)，該壓縮氣體從該開口以噴流朝向腔(304)排放。
15. 如權(quán)利要求9-14所述的方法，其中，所述方法包括至少部分地由氣流驅(qū)動所述至少一個聲波裝置(301)的至少一個。
16. 如權(quán)利要求9-15所述的方法，其中，所述高強度超聲的聲壓水平是選自約140dB-約160dB之間的區(qū)間，或超出約160dB。
17. —種為哈特曼型噴氣式聲波發(fā)生器的聲波裝置(301)，包括用于限定通道(303)的外部部件(305)和內(nèi)部部件(306)，開口 (302),和設(shè)置在內(nèi)部部件(306)中的腔(304)，其中，所述聲波裝置(301)適于接收壓縮氣體并將該壓縮氣體傳送至所述開口 (302)，該壓縮氣體從該開口以噴流朝向腔(304)排方文，由此產(chǎn)生高強度超聲，其特征在于，所述聲波裝置(301)在使用期間適于將高強度超聲施加于固體物質(zhì)(101 )，由此從所述固體物質(zhì)(101)去除灰渣并增加該固體物質(zhì)(101)周圍的紊流，從而增加所述固體物質(zhì)(101)的燃燒速度，其中所述高強度超聲的聲壓水平至少為約140dB。
全文摘要
用于在燃燒過程中加強固體物質(zhì)的燃燒的系統(tǒng)、裝置和方法，設(shè)置有用于燃燒固體物質(zhì)(101)的一個或多個焚化裝置(102)和至少一個聲波裝置(301)，其中所述至少一個聲波裝置(301)是高強度超聲的發(fā)送器，適于在使用期間將高強度超聲施加于所述固體物質(zhì)(101)上，由此從所述固體物質(zhì)(101)去除灰渣并增加所述固體物質(zhì)(101)的燃燒速度。
文檔編號F23B90/00GK101479531SQ200780023936
公開日2009年7月8日 申請日期2007年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月10日
發(fā)明者J·克拉默, N·H·派德爾森, N·克雷布斯 申請人:力技術(shù)公司