专利名称：爆震清洁设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及工业设备。更特别而言，本发明涉及工业设备的爆震清洁。
背景技术：
表面污垢是工业设备中的主要问题。这种设备包括炉(煤炉、油炉、废物炉，等等)、锅炉、气化器、反应器、热交换器，等等。通常，这种设备包括包含内部传热表面的容器，内部传热表面由于累积了粒子例如烟灰、灰烬、矿物和其它燃烧产物和副产品，更为一体集结的如炉渣和/或污垢等，而易于形成污垢。这种粒子集结可能会逐渐妨碍设备运行、降低效率和生产量以及可能引起损害。因此非常需要对设备进行清洁并且设备的清洁工作需要考虑到许多相关因素。通常，难以直接接近带有污垢的表面。此外，为了保持收入，需要将工业设备停工期和与清洁工作相关的成本减至最低。已经提出了多种技术。举例来说，在美国专利5,494,004和6,438,191以及美国专利申请出版物2002/0112638中提出了多种技术。另外的技术公开于文献Huque，Z.Experimental Investigation of Slag Removal UsingPulse Detonation Wave Technique，DOE/HBCU/OMI AnnualSymposium，Miami FL.，March 16-18，1999中。详细的冲击波技术由 和 在其以下出版物中进行了描述 ，K.and ，I.，Further Experience Using Detonation Wavesfor Cleaning Boiler Heating Surfaces，International Journalof Energy Research Vol.17，583-595(1993)和 ，K.and ，I.，Detonation-Wave Technique for On-load DepoistRemoval from Surfaces Exposed to FoulingParts I and II，Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，Transactions of the ASME，Vol.1，116 223-236，January 1994。此类系统还在南斯拉夫专利出版物P 1756/88和P 1728/88中进行了讨论。按照这种技术的示例性应用，此类系统常常被称作“吹灰器”。
然而，在这个领域中仍存在许多需要进一步改进的可能。
发明内容
本发明的一个方面涉及用于清洁容器内的表面的设备。容器壁将容器外部与容器内部隔开并且具有壁孔。长管道具有上游第一端和下游第二端并且安置成用于将冲击波从第二端引导到容器内部。燃料和氧化剂源连接到管道上以便将燃料和氧化剂输送到管道。引爆器定位成引发燃料和氧化剂的反应以在管道内产生爆震波，从而产生冲击波。吹扫气体源连接到管道上以将吹扫气体引导至该管道，从而向下游驱动燃料和氧化剂的反应产物。
在各种实现方式中，管道可具有第一部分和位于第一部分下游的第二部分。第一部分可具有第一特征横截面积并且第二部分可具有也大于第一特征横截面积的第二特征横截面积。引爆器定位成引发第一部分中的燃料和氧化剂的爆燃，使得从这种爆燃开始的爆燃到爆震的过渡产生了所述爆震波。燃料和氧化剂源可包括第一燃料和第一燃料的氧化剂源以及氧化剂，第二燃料和第二燃料的氧化剂源以及氧化剂。第二燃料和氧化剂源可连接到第一燃料和氧化剂源所连接处的下游的管道上。
本发明的另一方面涉及一种用于清洁容器内的表面的方法。容器具有壁，壁中带有孔。将燃料和氧化剂引导至管道。引发燃料和氧化剂的反应以便使冲击波冲击到表面上。然后将加压的吹扫气体引导至管道。
在各种实现方式中，该方法能以重复连续的方式执行。该反应可包括爆燃到爆震的过渡。吹扫气体可在主要部分中包括空气。吹扫气体可通过吹扫气体口引入管道内的流路长度的最上游20％部分中。引入燃料和氧化剂的步骤可包括将第一燃料和氧化剂引入，它们形成第一燃料/氧化剂混合物；以及将第二燃料和氧化剂引入，它们形成第二燃料/氧化剂混合物，第二混合物的可爆性低于第一混合物。第二氧化剂的富氧程度低于第一氧化剂。第二燃料/氧化剂混合物被作为一种混合物引入。第二燃料/氧化剂混合物可提供的反应化学性质慢于第一燃料/氧化剂混合物的反应化学性质。可在提供第二燃料/氧化剂混合物的主要部分之前或之后提供第一燃料/氧化剂混合物的主要部分。
本发明的一个或更多实施例的详细情况在附图和以下详细描述中进行阐明。通过阅读以下描述和附图以及权利要求，将可以清楚了解本发明的其它特征、目的和优点。
图1为工业炉的视图，其与若干安置成用于清洁炉的层面的吹灰器相关联。
图2为图1的吹灰器之一的侧视图。
图3为图2的吹灰器的上游端的部分剖开的侧视图。
图4为图2的吹灰器的主燃烧器部段的纵向剖视图。
图5为图4的部段的端视图。
在各图中，相同的参考数字和标号指示相同的元件。
具体实施例方式
图1示出了具有示例性的三个相关吹灰器22的炉20。在所示实施例中，炉身形成为正平行六面体的形式，并且吹灰器全部与炉体的单个共用壁24相关联并沿着壁安置于相同的高度上。也可以采用其它构型(例如单个吹灰器、多个层面中每个层面上具有一个或多个吹灰器，等等)。
每个吹灰器22包括从远离炉壁24的上游远端28向紧靠壁24的下游近端30延伸的长燃烧管道26。然而，任选地，端30可适当地位于炉内。在运行每个吹灰器时，位于管道26内的燃料/氧化剂混合物的燃烧在接近上游端(例如在管道长度最上游的10％内)开始以便产生爆震波，该爆震波与相关燃烧气体一起作为冲击波从下游端射出以便对炉的内部体积内的表面进行清洁。每个吹灰器可与燃料/氧化剂源32相关联。这种源或者其一个或多个部件可由各个吹灰器所共享。一个示例性源包括位于相应容器结构38和40中的液化或压缩气体燃料缸34和氧气缸36。在示例性实施例中，氧化剂为第一氧化剂例如基本纯净的氧。第二氧化剂可为从中央空气源42输送的车间气源的形式。在示例性实施例中，空气储存于空气储蓄器44中。由缸34中的燃料膨胀而得的燃料一般存储于燃料储蓄器46中。每个示例性源32通过位于下方的适当波导管联接于相关管道26上。类似地，每个吹灰器包括火花箱50，其用于点燃燃料氧化剂混合物，并且其与源32一起由控制和监控系统(未示出)来控制。图1中还示出，壁24包括多个用于进行检查和/或测量的口。示例性的口包括与每个吹灰器22相关联的光学监控口54和温度监控口56，用于分别容放红外线和/或可见光摄相机和热电偶探头，以便观察待清洁的表面和监控内部温度。也可使用其它探头/监控/采样装置，包括压力监控、成分采样装置、等等。
图2示出了示例性吹灰器22的更多细节。示例性爆震管道26带有由一系列从上游到下游排列的带双法兰的管道部段或部分60和具有下游部分64的下游喷嘴管道部段或部分62形成的主体部分，下游部分64延伸穿过位于壁中的孔并且终止于露在炉内部68中的下游端或出口30处。术语喷嘴在此用的是概括的意思，因而不要求存在任何空气动力学上的收缩、膨胀或其组合。示例性管道部段材料为金属(例如不锈钢)。如果提供有适当的支承和冷却装置的话，出口30可位于炉内更往里的位置。图2还示出了炉内管束70，它们的外表面常存在污垢。在示例性实施例中，每个管道部段60被支承于相关的台车72上，台车72的轮与沿着设备底板76的轨道系统74相接合。示例性的轨道系统包括一对与台车轮的凹形外周表面相接合的平行导轨。示例性的各部段60具有相似的长度L1，并且通过位于其相应法兰的螺栓孔中的相关螺栓阵列而端对端地栓接起来。类似地，各部段60中的最下游部段的下游法兰栓接于喷嘴62的上游法兰上。在示例性实施例中，与一个或多个金属螺旋反作用弹簧82串联连接的反作用带80(例如棉花或热学/结构上坚固的合成材料)联接于该最末相配的法兰对上，并且将燃烧管道连接于环境结构如炉壁上，以便弹性地吸收与吹灰器的排放操作相关的反作用力并且保证燃烧管道正确放置以随后点燃。任选地，可以提供另外的阻尼(图中未示出)。反作用带/弹簧组合可形成为单个长度或者环。在示例性实施例中，这个组合的下游部段具有总长度L2。
预起爆剂管道部段84从上游端28向下游延伸，其也可带双法兰并且具有长度L3。预起爆剂管道部段84的特征内部横截面积(垂直于管道的轴线/中心线500)小于燃烧管道的下游部分(60、62)的特征内部横截面积(例如平均、中值、众数、等等)。在涉及圆形横截面管道部段的示例性实施例中，预起爆剂横截面积的特征在于直径介于8cm至12cm之间，而下游部分的特征在于直径介于20cm至40cm之间。相应地，下游部分与预起爆剂部段的示例性横截面积比值介于1∶1至10∶1之间，更窄的话，介于2∶1至10∶1之间。端28与30之间的总长度L可为1-15m，更窄的话，为5-15m。在示例性实施例中，过渡管道部段86在预起爆剂部段84与最上游部段60之间延伸。部段86具有尺寸适于与部段84和60的相应法兰相配合的上游和下游法兰，并且具有在部段84和60的内部横截面之间提供了平滑过渡的内表面。示例性部段86具有长度L4。部段86的内表面的发散的示例性半角≤12°，更窄的话，为5-10°。
燃料/氧化剂进料可以按照各种方式引入爆震管道内部。可有一种或多种不同的燃料/氧化剂混合物。这种混合物可在爆震管道外部进行预混合，或者可在引入管道处或在引入管道后进行混合。图3示出了部段84和86构制成用于分别引入两种不同的燃料/氧化剂组合预起爆剂组合；和主组合。在示例性实施例中，在部段84的上游部分中，一对预起爆剂燃料喷射管道90联接于限定了燃料喷射口的部段壁中的口92上。类似地，一对预起爆剂氧化剂管道94联接于氧化剂入口96上。在示例性实施例中，这些口位于部段84的长度上的上游半段中。在示例性实施例中，燃料喷射口92中每个都在相同的轴向位置处成一定角度(所示为示例性的90°，但是也可以为包括180°在内的其它角度)与相关的氧化剂口96配对，以便为燃料和氧化剂提供相对的射流混合。在下文中将会进一步进行讨论，吹扫气体管道98在更上游处类似地连接于吹扫气体口100上。栓接于部段84的上游法兰上的端板102密封着燃烧管道的上游端并且穿过具有位于部段84内部的运行端108的点火器/引爆器106(例如火花塞)。
在示例性实施例中，主燃料和氧化剂被引入部段86中。在所示实施例中，主燃料由多个主燃料管道112运送而主氧化剂由多个主氧化剂管道110运送，其中每个主氧化剂管道110具有同心地环绕着相关燃料管道112的端口，以便在相关入口114处混合主燃料和氧化剂。在示例性实施例中，燃料为烃。在特别的示例性实施例中，两种燃料相同，它们从单个燃料源引出但是与不同的氧化剂混合与基本上纯净的氧混合以便得到预起爆剂混合物；与空气混合以便得到主混合物。在这种情况中可用的示例性燃料有丙烷、MAPP气体、或其混合物。也可以使用其它燃料，包括乙烯和液体燃料(例如柴油、煤油和射流航空燃料)。氧化剂可包括混合物，例如适当比例的空气/氧混合物，以便得到所需的主和/或预起爆剂进料化学性质。此外，具有分子组合的燃料和氧化剂组分的单元推进剂燃料也可作为选择。
在运行时，在使用周期开始处，燃烧管道中除了存在空气(或其它吹扫气体)之外在开始时为空。预起爆剂燃料和氧化剂随后通过相关口引入，充入部段84并且部分延伸入部段86(例如接近中点处)中，并且有利地刚刚超过主燃料/氧化剂口。然后切断预起爆剂燃料和氧化剂流。充入的预起爆剂燃料和氧化剂的示例性体积占燃烧管道体积的1-40％，更窄的话，占1-20％。然后引入主燃料和氧化剂以便基本上充入一定部分(例如20-100％)的燃烧管道剩余体积。然后切断主燃料和氧化剂流。此前经过主燃料/氧化剂口引入预起爆剂燃料和氧化剂，就大大消除了在预起爆剂和主进料之间形成空气或其它不燃块的危险。这种块可防止燃烧前沿在两个进料之间迁移。
在引入进料之后，就触发火花箱以便提供引爆器的火花放电，从而点燃预起爆剂进料。预起爆剂进料选择成具有非常迅速燃烧的化学性质，因此在部段84内，最初的爆燃快速地转变为爆震，并且产生爆震波。一旦产生了这种爆震波，就能有效地经过主进料，而主进料可能另外具有足够慢的化学性质以便不会自动地在管道内爆震。波沿纵向向下游通过并且从下游端30处作为炉内的冲击波的形式出现，从而轰击于待清洁的表面上并且产生热学和机械上的冲击，以便典型地至少使污物变松。波之后将跟着从爆震管道排出的加压燃烧产物，排过来的产物从下游端30处作为射流的形式出现并且进一步完成清洁过程(例如除去已经松掉的材料)。在排出燃烧产物之后，或者与排出燃烧产物同时进行，通过吹扫口100引入吹扫气体(例如，来自用于提供主氧化剂的同一源的空气和/或氮)以便将最终燃烧产物驱出并使爆震管道充满吹扫气体以便重复下一周期(立即进行，或者在随后按照有规律或者无规律的间隔进行(其可手动地确定或者通过控制和监控系统自动地确定)。任选地，在进料/排放周期之间可保持吹扫气体的基线流，以便于防止来自炉内的气体和粒子向上游渗透并且便于帮助对爆震管道进行冷却。
在各种实现方式中，内表面增加装置可将内表面积显著增加至超出由名义上为圆柱形和截头圆锥形的部段内表面提供的表面积之外。增强装置可有效地帮助实现爆燃至爆震过渡或者帮助保持爆震波。图4示出了应用于主部段60之一的内表面上的内表面增加装置。示例性的增强装置名义上为Chin螺旋，但是也可以使用其它增强装置，例如Shchelkin螺旋和Smirnov腔。螺旋由螺旋状构件120形成。示例性的构件120形成为具有圆形横截面的金属元件(例如不锈钢金属线)的形式，其截面直径大约为8-20mm。替代地，也可以使用其它截面。示例性的构件120通过多个纵向元件122与部段内表面保持相隔。示例性的纵向元件为截面和材料类似于构件120并且焊接于其上和相关部段60的内表面上的杆。这种增强装置也可用来提供预起爆，以代替涉及不同进料和不同燃烧器横截面的前述技术或者作为前述技术的补充。
这种设备具有广泛的应用。举例来说，就在典型的燃煤炉内，设备可以应用于悬架或者二级过热器、对流通道(初级过热器和省煤器束)；空气预热器；选择催化剂清除器(SCR)洗涤器；集尘室或静电除尘器；省煤器灰斗；不管是位于传热表面或其它地方的灰渣或其它热/积聚，等等。类似的可能性存在于其它应用中，包括燃油炉、黑液回收锅炉、生物燃料锅炉、废物回收利用炉(垃圾炉)，等等。
以上对本发明的一个或多个实施例进行了描述。然而，应当理解，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可做出各种改动。例如，可使得本发明适用于各种工业设备中以及各种吹灰器技术中。已有设备和技术的方面可能影响任何特定实现方式的方面。其他形状的燃烧管道(例如，非直形部段，用于通过外部或内部的障碍物)也是可行的。相应地，其它实施例也在以下权利要求的范围之内。
权利要求
1.一种用于清洁具有将容器外部与容器内部隔开并具有壁孔的容器壁的容器内的表面的设备，这种设备包括长管道，具有上游第一端和下游第二端并且安置成用于将冲击波从第二端引导到容器内部；燃料和氧化剂源，连接到管道上以便将燃料和氧化剂输送到管道；引爆器，定位成引发燃料和氧化剂的反应以在管道内产生爆震波，从而产生冲击波；以及吹扫气体源，连接到管道上以将吹扫气体引导至该管道，从而向下游驱动燃料和氧化剂的反应产物。
2.根据权利要求1所述的设备，其中管道包括第一部分和位于第一部分下游的第二部分；第一部分具有第一特征横截面积并且第二部分具有大于第一特征横截面积的第二特征横截面积；以及引爆器定位成引发第一部分中的燃料和氧化剂的爆燃，从所述爆燃开始的爆燃到爆震的过渡产生了所述爆震波。
3.根据权利要求1所述的设备，其中燃料和氧化剂源包括第一燃料的第一燃料源；第一氧化剂的第一氧化剂源；第二燃料的第二燃料源；以及第二氧化剂的第二氧化剂源。
4.根据权利要求3所述的设备，其中第二燃料和氧化剂源连接到第一燃料和氧化剂源所连接处的下游的管道上。
5.一种用于清洁容器内的表面的方法，容器具有壁，壁中带有孔，这种方法包括将燃料和氧化剂引导至管道；引发燃料和氧化剂的反应以便使冲击波冲击到表面上；以及将加压的吹扫气体引导至管道。
6.根据权利要求5所述的方法，其中该方法以重复连续的方式执行。
7.根据权利要求5所述的方法，其中该反应包括爆燃到爆震的过渡。
8.根据权利要求5所述的方法，其中吹扫气体在主要部分中包括空气。
9.根据权利要求5所述的方法，其中吹扫气体通过吹扫气体口引入管道内的流路长度的最上游20％部分中。
10.根据权利要求5所述的方法，其中引入燃料和氧化剂的步骤包括将第一燃料和第一氧化剂引入，它们形成第一燃料/氧化剂混合物；以及将第二燃料和第二氧化剂引入，它们形成第二燃料/氧化剂混合物，第二混合物的可爆性低于第一混合物。
11.根据权利要求10所述的方法，其中第二氧化剂的富氧程度低于第一氧化剂；以及第二燃料/氧化剂混合物被作为一种混合物引入。
12.根据权利要求10所述的方法，其中第二燃料/氧化剂混合物提供的反应化学性质慢于第一燃料/氧化剂混合物的反应化学性质。
13.根据权利要求10所述的方法，其中在提供所述第二燃料/氧化剂混合物的主要部分之前提供所述第一燃料/氧化剂混合物的主要部分。
14.根据权利要求10所述的方法，其中在提供所述第二燃料/氧化剂混合物的主要部分之后提供所述第一燃料/氧化剂混合物的主要部分。
全文摘要
提供了一种设备和方法来清洁容器内的表面。容器壁将容器外部与容器内部隔开并具有壁孔。长管道具有上游第一端和下游第二端并且安置成用于将冲击波从第二端引导到容器内部。燃料和氧化剂源连接到管道上以便将燃料和氧化剂输送到管道。引爆器定位成引发燃料和氧化剂的反应以在管道内产生爆震波，从而产生冲击波。吹扫气体源定位成将吹扫气体引导至该管道，从而向下游驱动燃料和氧化剂的反应产物。
文档编号B08B7/00GK1618535SQ20041009520
公开日2005年5月25日 申请日期2004年11月22日 优先权日2003年11月20日
发明者T·R·A·巴辛 申请人:联合工艺公司