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，Transactiohs 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
相应地，本发明的一个方面涉及用于清洁容器内的表面的设备。长燃烧管道从上游端延伸到与容器壁中的孔相关联的下游端并且安置成用于将冲击波引向所述表面。弹性构件弹性地限制燃烧管道以防反冲力的作用。
在本发明的各种实现方式中，弹性构件可以将燃烧管道连接到壁上。弹性构件可以包括金属螺旋弹簧。弹性构件可以包括张力弹簧。该设备可以包括多个可动的支承件，沿着燃烧管道的长度在多个位置处支承着燃烧管道。这些支承件可以适应燃烧管道的纵向膨胀和/或收缩。这些支承件可以包括多个台车，这些台车各自的轮与支承表面上的轨道相接合。管道可以包括多个可分离的部段。这些部段中的每个可以支承在这些台车中相关联的一个的顶部上。这些支承件可以包括多个吊架。
本发明的另一个方面涉及一种用于清洁一台工业设备的容器内的表面的方法。将燃料和氧化剂引导至管道。引起燃料和氧化剂的反应，以便引起冲击波对表面进行冲击。管道上的反冲力由弹性构件基本上吸收。
在本发明的各种实现方式中，当管道从初始位置位移到反冲位置时，该弹性构件可以存储反冲能量，然后使管道返回到初始位置。所述位移可以是至少0.01m(例如0.03-0.1m)。使用者可以沿着支承机构使管道作为整体移动，以便将管道的下游端与容器脱离接合。
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。
图6为图1的系统的管道部段支承台车的视图。
图7为替代型燃烧管道的侧视图。
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。替代性的弹性反冲吸收装置可包括非金属或非螺旋弹簧或橡胶或其它在张力、压缩和/或剪切作用下有利地至少部分弹性变形的弹性体元件，气压反冲吸收器，等等。
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的长度上的上游半部段中。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。增加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。示例性的增加装置名义上为Chin螺旋，但是也可以使用其它增加装置，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。这种增加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。
图6示出了示例性台车72和轨道系统74的更多细节。示例性轨道系统包括一对平行的顶朝上的直角通道元件140(例如由钢制成)，其通过例如焊接于安装板142上而得以固定。安装板又例如通过位于螺栓孔144中的螺栓(未示出)而固定于底板76上。示例性的台车包括具有一对左右纵向构件152的结构框架150和前后横向构件154。在每个横向构件的左右两侧处，轮156安装于下垂的托架158上。轮周具有凹面(例如直角V形槽160)，容放着直角通道构件140的顶。示例性的台车具有用于支承相关管道部段的装置和用于将部段固定就位的装置。示例性支承装置包括一对前后管夹170，它们各自通过螺母172定位和支承于相关左右螺纹轴174上，而螺纹轴174在其下端处固定于框架上。夹170具有与相关管道部段的外体表互补的凹形表面176，以便从下方支承着部段。固定装置包括类似的顶托架180，其也通过螺母182安装于轴174上并且向下保持就位与部段形成压紧接合。
台车的使用可有许多选择。各个部段可预装配于其相关台车上并且沿着轨道系统滚动就位，这时各部段可通过其端法兰而彼此固定在一起。拆卸过程可为这个过程的反向过程。台车还可容许燃烧管道作为一个整体运动(例如，如果需要管道的下游部分并不一直插入炉内的话)。另外，如上所述，台车可适应于在排放周期内作为一个整体进行的与纵向热膨胀和/或与反冲作用相关联的运动，同时保持管道部段的对齐。
图7示出了替代型系统200，其中燃烧管道202悬挂于托架204上(例如，作为独立式支承结构的部分或者固定于设备的顶部或顶壁206上)。这种系统可特别适用于管道的位置远高于设备底板之上的情况。示例性系统200绕着炉外的周围障碍物操纵着管道202。示例性的障碍物包括管道穿过其中的上、下管束210和212。在示例性实施例中，管道迂回穿行以便容许将其出口214定位于与两个管束之一对齐的炉壁上的位置上。在这种情况下，直管道将会受到管束的妨碍。因此，管道带有一个或多个弯曲部段216以便与管束相适应。
从上游到下游，示例性的支承系统包括由螺旋扣装置224和226联接于相关管道部段上的上游和中间弹簧吊架220和222。示例性的弹簧吊架可从LISEGA，Inc.，Newport，Tennessee公司得到。在示例性实施例中，由于在该位置上具有更高的静负载，因此弹簧吊架222可具有显著更高的能力。鉴于管道的质量参数(例如重心、质量分布、等等)、管道的强度参数(例如，各种模量)以及任何附加支承件的位置情况，吊架尺寸的具体组合情况可受到沿着管道的吊架的相对位置的影响。示例性的弹簧吊架用作基本上恒定的负载的吊架，而支承张力在工作范围内基本上恒定。由悬架提供的垂直顺应性的一个功能在于可适应出口214的垂直位置相对于顶部表面206或其它燃烧管道支承结构的与热相关的变化。例如，炉壁的热膨胀可能引起出口垂直位置在热与冷(例如运行和停止)炉况之间发生变化。在图2的实施例中，这种膨胀问题通过非刚性地垂直联接管道和壁，使得管道在超过尺寸的壁孔中具有足够的垂直余隙而得以解决。然而，对于刚性安装情况，如果炉的加热过程升高了管道出口的高度，则在没有恒定力悬架的情况下，更大部分的管道质量将会由炉壁承载，而更小部分由上游支承件承载。这将会引起剪切/弯曲力/矩和相关变形。然而，弹簧悬架易于收缩，从而抬高其所连接的部段，因此由炉壁支承的质量不会显著增加，因而至少部分地并且有利地在主要部分中减轻/消除了否则将会由于出口高度增加而引起的应力。因此，悬架可以使管道保持基本上恒定的位向(例如，将其上游主要部分保持于基本上水平的位向上)。
在示例性实施例中，位于燃烧管道外部的支承结构240进一步加强了相关的装配好的部段。这种加强作用有利地处理了与弯曲部段内发生的冲击波反射相关的结构应力。在所示实施例中，结构将管道的下游部分更加牢固地连结于炉壁上。在示例性实施例中，螺旋扣226通过其下螺杆连接于夹具242上，而夹具242固定于支承结构的上游端上并且具有缓冲器244以便适应和阻尼可能由燃烧过程产生的管道的左右运动。在示例性实施例中，支承构件与炉壁的刚性连接吸收了反冲力，从而基本上防止了反冲。就管道的纵向热膨胀仍成问题的情况来说，这种膨胀可通过容许悬架绕枢轴转动(例如，相对于上方的连接至托架204上的连接位置246和下方的与相关管道接合夹具的连接点248)而得到处理。替代实施例可去除管道与壁的刚性联接并且容许采用弹性或阻尼的联接。
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。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
1.一种用于清洁容器内的表面的设备，这种设备包括长燃烧管道，从上游端延伸到与容器壁中的孔相关联的下游端并且安置成用于将冲击波引向所述表面；以及弹性构件，弹性地限制燃烧管道以防反冲力的作用。
2.根据权利要求1所述的设备，其中弹性构件将燃烧管道连接到壁上。
3.根据权利要求1所述的设备，其中弹性构件包括金属螺旋弹簧。
4.根据权利要求1所述的设备，其中弹性构件包括张力弹簧。
5.根据权利要求1所述的设备，其还包括多个可动的支承件，沿着燃烧管道的长度在多个位置处支承着燃烧管道的重量。
6.根据权利要求5所述的设备，其中这多个支承件适应燃烧管道的纵向膨胀和/或收缩。
7.根据权利要求5所述的设备，其中这多个支承件包括多个台车，这些台车各自的轮与支承表面上的轨道相接合。
8.根据权利要求7所述的设备，其中燃烧管道包括多个可分离的部段；以及这些部段中的每个支承在多个台车中相关联的一个的顶部上。
9.根据权利要求5所述的设备，其中这多个支承件包括多个吊架。
10.一种用于清洁一台工业设备的容器内的表面的方法，该容器具有壁，壁中具有孔，这种方法包括将燃料和氧化剂引导至管道；以及引起燃料和氧化剂的反应，以便引起冲击波对表面进行冲击，管道上的反冲力由弹性构件来弹性地吸收。
11.根据权利要求10所述的方法，其中当管道从初始位置位移到反冲位置时，该弹性构件存储反冲能量，然后使管道返回到初始位置。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述位移是至少0.01m。
13.根据权利要求10所述的方法，其还包括沿着支承机构使管道作为整体移动，以便将管道的下游端与容器脱离接合。
全文摘要
提供了用于清洁容器内的表面的设备和方法。长燃烧管道从上游端延伸到与容器壁中的孔相关联的下游端并且安置成用于将冲击波引向所述表面。弹性构件弹性地限制燃烧管道以防反冲力的作用。
文档编号B08B9/08GK1626290SQ20041010064
公开日2005年6月15日 申请日期2004年12月10日 优先权日2003年12月11日
发明者S·A·弗拉特内斯, J·R·小霍赫施泰因, R·E·麦唐纳, B·C·彻内维尔特, R·N·亨德尔森 申请人:联合工艺公司