專利名稱：爆震清潔設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工業(yè)設(shè)備。更特別而言，本發(fā)明涉及工業(yè)設(shè)備的爆震清潔。
背景技術(shù)：
表面污垢是工業(yè)設(shè)備中的主要問題。這種設(shè)備包括爐(煤爐、油爐、廢物爐，等等)、鍋爐、氣化器、反應(yīng)器、熱交換器，等等。通常，這種設(shè)備包括包含內(nèi)部傳熱表面的容器，內(nèi)部傳熱表面由于累積了粒子例如煙灰、灰燼、礦物和其它燃燒產(chǎn)物和副產(chǎn)品，更為一體集結(jié)的如爐渣和/或污垢等，而易于形成污垢。這種粒子集結(jié)可能會逐漸妨礙設(shè)備運行、降低效率和生產(chǎn)量以及可能引起損害。因此非常需要對設(shè)備進行清潔并且設(shè)備的清潔工作需要考慮到許多相關(guān)因素。通常，難以直接接近帶有污垢的表面。此外，為了保持收入，需要將工業(yè)設(shè)備停工期和與清潔工作相關(guān)的成本減至最低。已經(jīng)提出了多種技術(shù)。舉例來說，在美國專利5,494,004和6,438,191以及美國專利申請出版物2002/0112638中提出了多種技術(shù)。另外的技術(shù)公開于文獻Huque，Z.Experimental Investigation of Slag Removal UsingPulse Detonation Wave Technique，DOE/HBCU/OMI AnnualSymposium，Miami FL.，March 16-18，1999中。詳細的沖擊波技術(shù)由 和 在其以下出版物中進行了描述 ，K.and ，I.，F(xiàn)urther 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。此類系統(tǒng)還在南斯拉夫?qū)＠霭嫖颬 1756/88和P 1728/88中進行了討論。按照這種技術(shù)的示例性應(yīng)用，此類系統(tǒng)常常被稱作“吹灰器”。
然而，在這個領(lǐng)域中仍存在許多需要進一步改進的可能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個方面涉及用于清潔容器內(nèi)的表面的設(shè)備。容器壁將容器外部與容器內(nèi)部隔開并且具有壁孔。長管道具有上游第一端和下游第二端并且安置成用于將沖擊波從第二端引導(dǎo)到容器內(nèi)部。燃料和氧化劑源連接到管道上以便將燃料和氧化劑輸送到管道。引爆器定位成引發(fā)燃料和氧化劑的反應(yīng)以在管道內(nèi)產(chǎn)生爆震波，從而產(chǎn)生沖擊波。吹掃氣體源連接到管道上以將吹掃氣體引導(dǎo)至該管道，從而向下游驅(qū)動燃料和氧化劑的反應(yīng)產(chǎn)物。
在各種實現(xiàn)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橫截面積并且第二部分可具有也大于第一特征橫截面積的第二特征橫截面積。引爆器定位成引發(fā)第一部分中的燃料和氧化劑的爆燃，使得從這種爆燃開始的爆燃到爆震的過渡產(chǎn)生了所述爆震波。燃料和氧化劑源可包括第一燃料和第一燃料的氧化劑源以及氧化劑，第二燃料和第二燃料的氧化劑源以及氧化劑。第二燃料和氧化劑源可連接到第一燃料和氧化劑源所連接處的下游的管道上。
本發(fā)明的另一方面涉及一種用于清潔容器內(nèi)的表面的方法。容器具有壁，壁中帶有孔。將燃料和氧化劑引導(dǎo)至管道。引發(fā)燃料和氧化劑的反應(yīng)以便使沖擊波沖擊到表面上。然后將加壓的吹掃氣體引導(dǎo)至管道。
在各種實現(xiàn)方式中，該方法能以重復(fù)連續(xù)的方式執(zhí)行。該反應(yīng)可包括爆燃到爆震的過渡。吹掃氣體可在主要部分中包括空氣。吹掃氣體可通過吹掃氣體口引入管道內(nèi)的流路長度的最上游20％部分中。引入燃料和氧化劑的步驟可包括將第一燃料和氧化劑引入，它們形成第一燃料/氧化劑混合物；以及將第二燃料和氧化劑引入，它們形成第二燃料/氧化劑混合物，第二混合物的可爆性低于第一混合物。第二氧化劑的富氧程度低于第一氧化劑。第二燃料/氧化劑混合物被作為一種混合物引入。第二燃料/氧化劑混合物可提供的反應(yīng)化學性質(zhì)慢于第一燃料/氧化劑混合物的反應(yīng)化學性質(zhì)?？稍谔峁┑诙剂?氧化劑混合物的主要部分之前或之后提供第一燃料/氧化劑混合物的主要部分。
本發(fā)明的一個或更多實施例的詳細情況在附圖和以下詳細描述中進行闡明。通過閱讀以下描述和附圖以及權(quán)利要求，將可以清楚了解本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點。


圖1為工業(yè)爐的視圖，其與若干安置成用于清潔爐的層面的吹灰器相關(guān)聯(lián)。
圖2為圖1的吹灰器之一的側(cè)視圖。
圖3為圖2的吹灰器的上游端的部分剖開的側(cè)視圖。
圖4為圖2的吹灰器的主燃燒器部段的縱向剖視圖。
圖5為圖4的部段的端視圖。
在各圖中，相同的參考數(shù)字和標號指示相同的元件。
具體實施例方式
圖1示出了具有示例性的三個相關(guān)吹灰器22的爐20。在所示實施例中，爐身形成為正平行六面體的形式，并且吹灰器全部與爐體的單個共用壁24相關(guān)聯(lián)并沿著壁安置于相同的高度上。也可以采用其它構(gòu)型(例如單個吹灰器、多個層面中每個層面上具有一個或多個吹灰器，等等)。
每個吹灰器22包括從遠離爐壁24的上游遠端28向緊靠壁24的下游近端30延伸的長燃燒管道26。然而，任選地，端30可適當?shù)匚挥跔t內(nèi)。在運行每個吹灰器時，位于管道26內(nèi)的燃料/氧化劑混合物的燃燒在接近上游端(例如在管道長度最上游的10％內(nèi))開始以便產(chǎn)生爆震波，該爆震波與相關(guān)燃燒氣體一起作為沖擊波從下游端射出以便對爐的內(nèi)部體積內(nèi)的表面進行清潔。每個吹灰器可與燃料/氧化劑源32相關(guān)聯(lián)。這種源或者其一個或多個部件可由各個吹灰器所共享。一個示例性源包括位于相應(yīng)容器結(jié)構(gòu)38和40中的液化或壓縮氣體燃料缸34和氧氣缸36。在示例性實施例中，氧化劑為第一氧化劑例如基本純凈的氧。第二氧化劑可為從中央空氣源42輸送的車間氣源的形式。在示例性實施例中，空氣儲存于空氣儲蓄器44中。由缸34中的燃料膨脹而得的燃料一般存儲于燃料儲蓄器46中。每個示例性源32通過位于下方的適當波導(dǎo)管聯(lián)接于相關(guān)管道26上。類似地，每個吹灰器包括火花箱50，其用于點燃燃料氧化劑混合物，并且其與源32一起由控制和監(jiān)控系統(tǒng)(未示出)來控制。圖1中還示出，壁24包括多個用于進行檢查和/或測量的口。示例性的口包括與每個吹灰器22相關(guān)聯(lián)的光學監(jiān)控口54和溫度監(jiān)控口56，用于分別容放紅外線和/或可見光攝相機和熱電偶探頭，以便觀察待清潔的表面和監(jiān)控內(nèi)部溫度。也可使用其它探頭/監(jiān)控/采樣裝置，包括壓力監(jiān)控、成分采樣裝置、等等。
圖2示出了示例性吹灰器22的更多細節(jié)。示例性爆震管道26帶有由一系列從上游到下游排列的帶雙法蘭的管道部段或部分60和具有下游部分64的下游噴嘴管道部段或部分62形成的主體部分，下游部分64延伸穿過位于壁中的孔并且終止于露在爐內(nèi)部68中的下游端或出口30處。術(shù)語噴嘴在此用的是概括的意思，因而不要求存在任何空氣動力學上的收縮、膨脹或其組合。示例性管道部段材料為金屬(例如不銹鋼)。如果提供有適當?shù)闹С泻屠鋮s裝置的話，出口30可位于爐內(nèi)更往里的位置。圖2還示出了爐內(nèi)管束70，它們的外表面常存在污垢。在示例性實施例中，每個管道部段60被支承于相關(guān)的臺車72上，臺車72的輪與沿著設(shè)備底板76的軌道系統(tǒng)74相接合。示例性的軌道系統(tǒng)包括一對與臺車輪的凹形外周表面相接合的平行導(dǎo)軌。示例性的各部段60具有相似的長度L1，并且通過位于其相應(yīng)法蘭的螺栓孔中的相關(guān)螺栓陣列而端對端地栓接起來。類似地，各部段60中的最下游部段的下游法蘭栓接于噴嘴62的上游法蘭上。在示例性實施例中，與一個或多個金屬螺旋反作用彈簧82串聯(lián)連接的反作用帶80(例如棉花或熱學/結(jié)構(gòu)上堅固的合成材料)聯(lián)接于該最末相配的法蘭對上，并且將燃燒管道連接于環(huán)境結(jié)構(gòu)如爐壁上，以便彈性地吸收與吹灰器的排放操作相關(guān)的反作用力并且保證燃燒管道正確放置以隨后點燃。任選地，可以提供另外的阻尼(圖中未示出)。反作用帶/彈簧組合可形成為單個長度或者環(huán)。在示例性實施例中，這個組合的下游部段具有總長度L2。
預(yù)起爆劑管道部段84從上游端28向下游延伸，其也可帶雙法蘭并且具有長度L3。預(yù)起爆劑管道部段84的特征內(nèi)部橫截面積(垂直于管道的軸線/中心線500)小于燃燒管道的下游部分(60、62)的特征內(nèi)部橫截面積(例如平均、中值、眾數(shù)、等等)。在涉及圓形橫截面管道部段的示例性實施例中，預(yù)起爆劑橫截面積的特征在于直徑介于8cm至12cm之間，而下游部分的特征在于直徑介于20cm至40cm之間。相應(yīng)地，下游部分與預(yù)起爆劑部段的示例性橫截面積比值介于1∶1至10∶1之間，更窄的話，介于2∶1至10∶1之間。端28與30之間的總長度L可為1-15m，更窄的話，為5-15m。在示例性實施例中，過渡管道部段86在預(yù)起爆劑部段84與最上游部段60之間延伸。部段86具有尺寸適于與部段84和60的相應(yīng)法蘭相配合的上游和下游法蘭，并且具有在部段84和60的內(nèi)部橫截面之間提供了平滑過渡的內(nèi)表面。示例性部段86具有長度L4。部段86的內(nèi)表面的發(fā)散的示例性半角≤12°，更窄的話，為5-10°。
燃料/氧化劑進料可以按照各種方式引入爆震管道內(nèi)部?？捎幸环N或多種不同的燃料/氧化劑混合物。這種混合物可在爆震管道外部進行預(yù)混合，或者可在引入管道處或在引入管道后進行混合。圖3示出了部段84和86構(gòu)制成用于分別引入兩種不同的燃料/氧化劑組合預(yù)起爆劑組合；和主組合。在示例性實施例中，在部段84的上游部分中，一對預(yù)起爆劑燃料噴射管道90聯(lián)接于限定了燃料噴射口的部段壁中的口92上。類似地，一對預(yù)起爆劑氧化劑管道94聯(lián)接于氧化劑入口96上。在示例性實施例中，這些口位于部段84的長度上的上游半段中。在示例性實施例中，燃料噴射口92中每個都在相同的軸向位置處成一定角度(所示為示例性的90°，但是也可以為包括180°在內(nèi)的其它角度)與相關(guān)的氧化劑口96配對，以便為燃料和氧化劑提供相對的射流混合。在下文中將會進一步進行討論，吹掃氣體管道98在更上游處類似地連接于吹掃氣體口100上。栓接于部段84的上游法蘭上的端板102密封著燃燒管道的上游端并且穿過具有位于部段84內(nèi)部的運行端108的點火器/引爆器106(例如火花塞)。
在示例性實施例中，主燃料和氧化劑被引入部段86中。在所示實施例中，主燃料由多個主燃料管道112運送而主氧化劑由多個主氧化劑管道110運送，其中每個主氧化劑管道110具有同心地環(huán)繞著相關(guān)燃料管道112的端口，以便在相關(guān)入口114處混合主燃料和氧化劑。在示例性實施例中，燃料為烴。在特別的示例性實施例中，兩種燃料相同，它們從單個燃料源引出但是與不同的氧化劑混合與基本上純凈的氧混合以便得到預(yù)起爆劑混合物；與空氣混合以便得到主混合物。在這種情況中可用的示例性燃料有丙烷、MAPP氣體、或其混合物。也可以使用其它燃料，包括乙烯和液體燃料(例如柴油、煤油和射流航空燃料)。氧化劑可包括混合物，例如適當比例的空氣/氧混合物，以便得到所需的主和/或預(yù)起爆劑進料化學性質(zhì)。此外，具有分子組合的燃料和氧化劑組分的單元推進劑燃料也可作為選擇。
在運行時，在使用周期開始處，燃燒管道中除了存在空氣(或其它吹掃氣體)之外在開始時為空。預(yù)起爆劑燃料和氧化劑隨后通過相關(guān)口引入，充入部段84并且部分延伸入部段86(例如接近中點處)中，并且有利地剛剛超過主燃料/氧化劑口。然后切斷預(yù)起爆劑燃料和氧化劑流。充入的預(yù)起爆劑燃料和氧化劑的示例性體積占燃燒管道體積的1-40％，更窄的話，占1-20％。然后引入主燃料和氧化劑以便基本上充入一定部分(例如20-100％)的燃燒管道剩余體積。然后切斷主燃料和氧化劑流。此前經(jīng)過主燃料/氧化劑口引入預(yù)起爆劑燃料和氧化劑，就大大消除了在預(yù)起爆劑和主進料之間形成空氣或其它不燃塊的危險。這種塊可防止燃燒前沿在兩個進料之間遷移。
在引入進料之后，就觸發(fā)火花箱以便提供引爆器的火花放電，從而點燃預(yù)起爆劑進料。預(yù)起爆劑進料選擇成具有非常迅速燃燒的化學性質(zhì)，因此在部段84內(nèi)，最初的爆燃快速地轉(zhuǎn)變?yōu)楸穑⑶耶a(chǎn)生爆震波。一旦產(chǎn)生了這種爆震波，就能有效地經(jīng)過主進料，而主進料可能另外具有足夠慢的化學性質(zhì)以便不會自動地在管道內(nèi)爆震。波沿縱向向下游通過并且從下游端30處作為爐內(nèi)的沖擊波的形式出現(xiàn)，從而轟擊于待清潔的表面上并且產(chǎn)生熱學和機械上的沖擊，以便典型地至少使污物變松。波之后將跟著從爆震管道排出的加壓燃燒產(chǎn)物，排過來的產(chǎn)物從下游端30處作為射流的形式出現(xiàn)并且進一步完成清潔過程(例如除去已經(jīng)松掉的材料)。在排出燃燒產(chǎn)物之后，或者與排出燃燒產(chǎn)物同時進行，通過吹掃口100引入吹掃氣體(例如，來自用于提供主氧化劑的同一源的空氣和/或氮)以便將最終燃燒產(chǎn)物驅(qū)出并使爆震管道充滿吹掃氣體以便重復(fù)下一周期(立即進行，或者在隨后按照有規(guī)律或者無規(guī)律的間隔進行(其可手動地確定或者通過控制和監(jiān)控系統(tǒng)自動地確定)。任選地，在進料/排放周期之間可保持吹掃氣體的基線流，以便于防止來自爐內(nèi)的氣體和粒子向上游滲透并且便于幫助對爆震管道進行冷卻。
在各種實現(xiàn)方式中，內(nèi)表面增加裝置可將內(nèi)表面積顯著增加至超出由名義上為圓柱形和截頭圓錐形的部段內(nèi)表面提供的表面積之外。增強裝置可有效地幫助實現(xiàn)爆燃至爆震過渡或者幫助保持爆震波。圖4示出了應(yīng)用于主部段60之一的內(nèi)表面上的內(nèi)表面增加裝置。示例性的增強裝置名義上為Chin螺旋，但是也可以使用其它增強裝置，例如Shchelkin螺旋和Smirnov腔。螺旋由螺旋狀構(gòu)件120形成。示例性的構(gòu)件120形成為具有圓形橫截面的金屬元件(例如不銹鋼金屬線)的形式，其截面直徑大約為8-20mm。替代地，也可以使用其它截面。示例性的構(gòu)件120通過多個縱向元件122與部段內(nèi)表面保持相隔。示例性的縱向元件為截面和材料類似于構(gòu)件120并且焊接于其上和相關(guān)部段60的內(nèi)表面上的桿。這種增強裝置也可用來提供預(yù)起爆，以代替涉及不同進料和不同燃燒器橫截面的前述技術(shù)或者作為前述技術(shù)的補充。
這種設(shè)備具有廣泛的應(yīng)用。舉例來說，就在典型的燃煤爐內(nèi)，設(shè)備可以應(yīng)用于懸架或者二級過熱器、對流通道(初級過熱器和省煤器束)；空氣預(yù)熱器；選擇催化劑清除器(SCR)洗滌器；集塵室或靜電除塵器；省煤器灰斗；不管是位于傳熱表面或其它地方的灰渣或其它熱/積聚，等等。類似的可能性存在于其它應(yīng)用中，包括燃油爐、黑液回收鍋爐、生物燃料鍋爐、廢物回收利用爐(垃圾爐)，等等。
以上對本發(fā)明的一個或多個實施例進行了描述。然而，應(yīng)當理解，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可做出各種改動。例如，可使得本發(fā)明適用于各種工業(yè)設(shè)備中以及各種吹灰器技術(shù)中。已有設(shè)備和技術(shù)的方面可能影響任何特定實現(xiàn)方式的方面。其他形狀的燃燒管道(例如，非直形部段，用于通過外部或內(nèi)部的障礙物)也是可行的。相應(yīng)地，其它實施例也在以下權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于清潔具有將容器外部與容器內(nèi)部隔開并具有壁孔的容器壁的容器內(nèi)的表面的設(shè)備，這種設(shè)備包括長管道，具有上游第一端和下游第二端并且安置成用于將沖擊波從第二端引導(dǎo)到容器內(nèi)部；燃料和氧化劑源，連接到管道上以便將燃料和氧化劑輸送到管道；引爆器，定位成引發(fā)燃料和氧化劑的反應(yīng)以在管道內(nèi)產(chǎn)生爆震波，從而產(chǎn)生沖擊波；以及吹掃氣體源，連接到管道上以將吹掃氣體引導(dǎo)至該管道，從而向下游驅(qū)動燃料和氧化劑的反應(yīng)產(chǎn)物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，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橫截面積并且第二部分具有大于第一特征橫截面積的第二特征橫截面積；以及引爆器定位成引發(fā)第一部分中的燃料和氧化劑的爆燃，從所述爆燃開始的爆燃到爆震的過渡產(chǎn)生了所述爆震波。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中燃料和氧化劑源包括第一燃料的第一燃料源；第一氧化劑的第一氧化劑源；第二燃料的第二燃料源；以及第二氧化劑的第二氧化劑源。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中第二燃料和氧化劑源連接到第一燃料和氧化劑源所連接處的下游的管道上。
5.一種用于清潔容器內(nèi)的表面的方法，容器具有壁，壁中帶有孔，這種方法包括將燃料和氧化劑引導(dǎo)至管道；引發(fā)燃料和氧化劑的反應(yīng)以便使沖擊波沖擊到表面上；以及將加壓的吹掃氣體引導(dǎo)至管道。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中該方法以重復(fù)連續(xù)的方式執(zhí)行。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中該反應(yīng)包括爆燃到爆震的過渡。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中吹掃氣體在主要部分中包括空氣。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中吹掃氣體通過吹掃氣體口引入管道內(nèi)的流路長度的最上游20％部分中。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中引入燃料和氧化劑的步驟包括將第一燃料和第一氧化劑引入，它們形成第一燃料/氧化劑混合物；以及將第二燃料和第二氧化劑引入，它們形成第二燃料/氧化劑混合物，第二混合物的可爆性低于第一混合物。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中第二氧化劑的富氧程度低于第一氧化劑；以及第二燃料/氧化劑混合物被作為一種混合物引入。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中第二燃料/氧化劑混合物提供的反應(yīng)化學性質(zhì)慢于第一燃料/氧化劑混合物的反應(yīng)化學性質(zhì)。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中在提供所述第二燃料/氧化劑混合物的主要部分之前提供所述第一燃料/氧化劑混合物的主要部分。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中在提供所述第二燃料/氧化劑混合物的主要部分之后提供所述第一燃料/氧化劑混合物的主要部分。
全文摘要
提供了一種設(shè)備和方法來清潔容器內(nèi)的表面。容器壁將容器外部與容器內(nèi)部隔開并具有壁孔。長管道具有上游第一端和下游第二端并且安置成用于將沖擊波從第二端引導(dǎo)到容器內(nèi)部。燃料和氧化劑源連接到管道上以便將燃料和氧化劑輸送到管道。引爆器定位成引發(fā)燃料和氧化劑的反應(yīng)以在管道內(nèi)產(chǎn)生爆震波，從而產(chǎn)生沖擊波。吹掃氣體源定位成將吹掃氣體引導(dǎo)至該管道，從而向下游驅(qū)動燃料和氧化劑的反應(yīng)產(chǎn)物。
文檔編號B08B7/00GK1618535SQ20041009520
公開日2005年5月25日 申請日期2004年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月20日
發(fā)明者T·R·A·巴辛 申請人:聯(lián)合工藝公司