用于进行无火焰的分级燃烧的方法和装置与流程

本发明涉及一种用于进行无火焰的分级燃烧的方法和一种用于此的装置。

背景技术：

由ep0698764a2已知一种燃烧器，该燃烧器用于使燃烧气体/空气-混合物进行无火焰的燃烧，以用于对水进行加热。为了维持燃烧腔室中的无火焰的氧化，在水套与燃烧腔室内部设置有绝热件，以用于能够在燃烧腔室中达到为了进行无火焰的氧化所必需的高温。

由wo01/11215a1已知一种用于燃气涡轮机的燃烧腔室，其中所述燃烧腔室用分级的氧化来工作。在所述燃烧腔室中维持大范围的循环流，燃烧空气有节制地在不同的位置处被添加到所述循环流中。由此，应该获得极其稳定的火焰。

由us7062917b2已知一种为燃气涡轮机设置的燃烧腔室，该燃烧腔室同样用大范围的循环流来工作，但是为稳定的无火焰的运行而设置。

us5154599公开了一种用于借助于无火焰的氧化对燃烧腔室进行加热的燃烧器。在所述燃烧器中构造有燃烧腔室，在所述燃烧腔室中能够点燃火焰。这用于对炉室进行预热和加热，也就是说用于启动燃烧器。在稳态的运行中，所述燃烧腔室不起作用并且燃料的氧化仅仅在炉室中进行。

由ep1995515b1已知借助于无火焰的氧化以低于通常对无火焰的氧化来说必需的850℃的温度对燃烧腔室进行加热。为了产生并且维持无火焰的氧化，燃烧器具有如下燃烧腔室，在所述燃烧腔室中火焰稳定地燃烧。由燃烧腔室排出的热废气与空气和燃料一起被导入到炉室中，而后在所述炉室中进行燃料的无火焰的氧化。

us3309866说明了一种具有无火焰地氧化的燃烧腔室的燃气涡轮机，所述燃烧腔室用于使燃气/空气-混合物氧化。为此，设置有环面状的燃烧腔室。向这个燃料室输送来自汽化器的燃气/空气-混合物。

此外，由us5727378已知一种燃气涡轮机，其燃烧腔室得到来自雾化装置的富含燃料的混合物并且通过多个空气输送口来额外地获得空气，从而在所述燃烧腔室中构成无火焰的初级的混合区以及布置在后面的燃烧区。燃料的氧化在燃烧区中进行。而所述混合区则用于使燃料雾化。火焰前沿被从混合区移开。

在us6234092b1中说明了一种用于对不可燃烧的液体进行热处理的装置，该装置用无火焰的氧化来工作。朝用无火焰的氧化来加热的炉室中喷入有待热处理的不可燃烧的液体。

对于用无火焰的氧化来工作的从现有技术中已知的燃烧方法来说，要抑制火焰形成，由此也避免热学上的nox形成。同时，相应地构造的燃烧器比如在利用废气能量的情况下能够将空气预热到高的温度，而由此不会记录到热学上的nox形成。但是，用于在加热室中确保无火焰的氧化的前提是加热室温度的遵守，所述加热室温度高于所使用的燃料的自燃温度加上安全附加值。下面，名称“自燃温度”总是指真正的自燃温度加上安全附加值，所述安全附加值比如对于天然气来说大约为150开尔文温标。这对于常见的燃料、像比如甲烷（天然气）来说意味着，所述加热室温度必须超过850℃。

在许多应用情况中如此高的加热室温度不是所期望的，比如因为加热室用于对敏感的物品进行加热并且不得超过特定的温度极限。这样的应用情况比如是物品的干燥、金属物件的回火、铝的硬钎焊或者金属、尤其是低熔点的金属的其他方面的热处理或者是蒸汽产生。针对这样的过程的热量产生典型地基于具有火焰维持（flammenhaltung）的燃烧器，对于具有火焰维持的燃烧器来说热学上的nox形成是不可避免的。

技术实现要素：

本发明的任务在于，说明一种用于针对低温过程进行nox贫乏的热量产生的方案。

该任务用根据权利要求1所述的方法来解决并且用根据权利要求9所述的装置来实现。

根据本发明的方法和根据本发明的装置允许用也比所使用的燃料的自燃温度（加上安全附加值）低的温度对加热腔室进行加热，其中所使用的热能的至少大部分在无火焰的氧化过程中被释放。为此而设置至少两级的氧化过程，在该氧化过程中在第一步骤中将燃料和空气以非化学计量比输送给燃烧腔室并且在那里使其在无火焰的氧化中进行反应。所述燃烧腔室基本上被设置成绝热的，也就是说，除了不可避免的热损失之外没有从其上面抽走热能、尤其没有耦出有效热。热排出基本上仅仅与离开燃烧腔室的气流一起进行，但不是以其他的方式来进行。所述气流在未经冷却的情况下离开燃烧腔室。在此实现无火焰的氧化，方法是：在所述燃烧腔室中维持大范围的再循环流，其中避免如可能在维持火焰的结构上可能产生的一样的小范围的涡流。燃烧腔室没有火焰维持器或者其他维持火焰的结构。作为维持火焰的结构，是指所有以下结构，所述结构能够使气流如此减慢并且能够产生小范围的稳态的涡流，从而能够在所述结构上维持火焰。

温度在燃烧腔室中被调整为高于所使用的燃料的自燃温度。但是，所述温度被保持在以下温度之下，对于所述温度来说可以更多地记录到氮氧化物的形成。对于这样的比的调整优选通过所述燃烧腔室中的燃料/空气比（简称：空气比λ）来进行。

从燃烧腔室中释放的反应气流被输送给加热腔室并且在那里按需求在添加空气和/或燃料的情况下完全氧化。氧化在此主要在反应气流的有反应能力的区段中进行，所述区段的温度超过所使用的燃料的自燃温度。在所述加热腔室中维持循环流，对于所述循环流来说热的反应气体流与较凉的在加热腔室中所包含的气体容积相混合。由此，能够对敏感的物品进行加热或者对蒸汽发生器的加热旋管（heizschlange）进行加热，而有待加热的物品或者蒸汽发生器没有遭到损坏。同时注意到热学上的nox产生尽可能地被阻止。尤其地，氧化过程不仅在燃烧腔室中而且在加热腔室中都如此受到控制，从而在任何位置处都不超过温度极限、像比如1400℃，自所述温度极限起会更多地记录到氮氧化物形成。

优选地，所述燃烧腔室中的氧化以大大低于化学计量比的方式或者以大大超过化学计量比的方式来执行，由此温度虽然能够被保持在所使用的燃料的自燃温度之上、但是在此被保持在远离更高的对氮氧化物的形成来说所必需的温度的程度上。比如，所述燃烧腔室中的温度能够通过空气比被调节到处于比如1000℃到1300℃的温度范围之内的温度。所述加热腔室中的、通过额外的空气导入（对于低于化学计量比的燃烧腔室来说）或者通过燃料导入（对于超过化学计量比的燃烧腔室来说）引起的再氧化在此同样优选如此受到控制，使得在再氧化区中所出现的温度不超过所提到的1300到1440℃的温度极限值。为此，对再氧化来说所必需的空气和/或所必需的燃料在尽可能大范围分布的情况下被导入到由来自燃烧腔室的反应气体构成的射流中。空气或燃料的朝这个射流中的大范围的分布能够得到实现，方法是：为此设置有多个燃料和/或空气喷嘴并且/或者使其在反应气流的流速和脉冲方面并且对再氧化来说必需的燃料流或空气流来说如此彼此协调，从而在能够进行局部的完全氧化之前实现空气或燃料在反应气体射流中的分布。

优选地，在所述燃烧腔室中绝热的过程用所使用的燃料的无火焰的部分燃烧来控制。在燃烧腔室中所产生的热仅仅由来自燃烧腔室的燃烧气流输送出来并且输送给加热腔室。虽然没有从燃烧腔室吸取有效热，但是布置在后面的加热腔室用于耦出有效热。

在运行热量产生装置时，优选通过所输送的燃料流与所输送的空气流之间的比的合适的规定和调整来对所述燃烧腔室进行温度调节。这能够在质量流的基础上或者也在容积流的基础上来进行。

在全负荷运行中，优选以低于化学计量比的方式来运行所述燃烧腔室，其中通过空气比λ的降低来阻止温度的提高。在部分负荷运行中，也能够以超过化学计量比的方式来运行所述燃烧腔室，其中而后优选通过空气比λ的提高来应对温度的提高。

比如为了与负荷变换相匹配而从低于化学计量比的运行转变为超过化学计量比的运行的过程优选在避开用于空气比λ的、处于λ=1的附近的范围的情况下完成。比如，能够围绕着λ=1来规定比如λ=0.8到λ=1.6的范围，在该范围内控制装置不允许持久的运行。这个范围在这里仅仅示范性地列举出来并且能够根据燃料而不同地加以规定。

通过避开这样的运行范围而能够有效地避免燃烧腔室的过热并且由此也有效地避免不受欢迎的nox产生。

对于根据本发明的方法和根据本发明的装置来说，有待产生的热功率优选主要在绝热运行的燃烧腔室中产生，在所述燃烧腔室中在无火焰的情况下使燃料氧化。这优选以低于化学计量比的方式来进行，因为由此相对于超过化学计量比的运行产生较小的气体容积流。所输送的燃料/空气混合物的绝热的反应温度优选被保持在比如1400℃的极限值之下。如果所述燃料是天然气，则空气比λ比如在0.5的附近。所述燃烧腔室中的中等的气体温度而后明显地低于所提到的极限值。

在布置在后面的加热腔室中，如此输送来自燃烧腔室的且由空气或燃料构成的热的反应气体，从而在加热腔室中构成大范围的再循环流，在所述再循环流中优选进行无火焰的燃烧。尽管吸热的介质或者有待加热的物品的温度以及平均的加热室温度低于所使用的燃料的自燃温度，来自燃烧腔室的反应气体的高温也确保加热腔室中的燃烧。在所述加热室中，紧接在反应气体从燃烧腔室逸出之后维持温度得到提高的区，该区超过燃料的自燃温度并且该区被温度更低的区所包围，所述温度更低的区的温度低于自燃温度。

根据本发明的方法也适合于燃烧所谓的贫煤气，所述贫煤气尤其在成分变换时在火焰稳定方面造成困难。

附图说明

在附图中阐释根据本发明的装置的实施例。其中：

图1以示意图示出了根据本发明的装置；

图2以示意图示出了经过改动的根据本发明的装置；

图3以示意性的纵剖面图示示出了根据本发明的装置的燃烧腔室和加热腔室；

图4示出了用于对根据图1到3的装置的负荷调节进行阐释的图表。

具体实施方式

为了阐释根据本发明的方法而要参照根据图1的装置10，该装置包括防止热损失而热隔绝的燃烧腔室11以及加热腔室12，在所述加热腔室处能够吸取有效热。来自加热腔室12的热耦出能够通过比如经由加热旋管13——在所述加热旋管中对载热流体进行加热或者使其蒸发——进行的热量吸取或者其他技术措施来进行。比如，所述加热腔室12能够用于对产品进行干燥、用于对产品进行加热、比如用于进行钎焊或者用于其他目的，所述目的要求将流体或者物件加热到适度的温度，所述温度能够低于所使用的燃料的自燃温度、比如850℃。

通过燃料管路14和空气管路15来将燃料和空气输送给所述燃烧腔室11。在此如此规定燃料和空气的比，使得空气比λ≠1。优选地，λ明显小于1，也就是说用燃料盈余来工作。为了在燃烧腔室11中开始氧化，该燃烧腔室优选设有未进一步阐释的点火装置、比如火花点火装置或者先导燃烧器。所述先导燃烧器能够在持久运行中运转或者也能够在燃烧腔室11中建立无火焰的氧化之后被切断。

优选地，所述燃烧腔室11的壁体具有高的热阻。比如，所述燃烧腔室11能够用陶瓷来加衬或者由陶瓷构成。通过这种方式，在点燃燃烧腔室11中的燃料之后，能够对燃烧腔室进行快速的加热并且能够快速实现具有无火焰的氧化的运行方式。

在燃烧腔室11中产生的反应气体通过反应气体逸出口16被导入到加热腔室12中。此外，通过管路17将空气和/或燃料导入到加热腔室12中，以用于在那里与热的反应气体相混合并且引起所使用的燃料的完全的氧化。所述加热腔室12优选比燃烧腔室11显著更大，其中在所述加热腔室12中出现中等的温度，所述中等的温度比在燃烧腔室11中低得多并且所述中等的温度优选也能够低于所使用的燃料的自燃温度。所产生的废气通过管路18被从加热腔室12中导出。

优选在以下温度范围内运行所述燃烧腔室11，所述温度范围至少如此之高，从而超过所使用的燃料的自燃温度，但是其中所述温度范围同时如此之低，从而几乎完全抑制氮氧化物产生。比如能够如此规定所述燃烧腔室11的能利用的温度范围，使得温度下限处于800℃到1100℃之间、优选处于850℃到1100℃之间，而温度上限则比如处于1100℃到1400℃之间、优选处于1100℃到1300℃之间并且比如为1200℃。所期望的温度范围优选通过对于空气比λ的相应的规定或调控来调整。所述燃烧腔室11在此比如（并且优选）用空气不足（luftuntershuss）来工作。由此，可以实现燃烧腔室11的相当小的结构形式。此外，有待通过管路17来输送的、对完全的氧化来说必需的二次空气的脉冲供在布置在后面的加热腔室12中建立大范围的并且足够快的再循环流所用。

所述燃烧腔室11中的温度在绝热运行中仅仅取决于燃料/空气比，也就是说取决于空气比并且由此取决于燃烧腔室11的空气入口喷嘴及加热腔室12的二次空气喷嘴的横截面比。对于比如与大约50%的空气不足相对应的1:1的比来说，在将天然气用作燃料时在几乎绝热的燃烧腔室11中出现大约1100℃的温度。除此以外，能够建立一种温度调节，所述温度调节影响化学计量比、也就是燃烧腔室11中的空气比，以用于将燃烧腔室11中的温度保持在所期望的范围之内。这一点尤其在将具有变换的热值的贫煤气用作燃料时是适宜的。而后能够通过所述空气比λ来调节燃烧腔室11的温度。

通过对于化学计量比（空气比λ）的合适的规定来调节燃烧腔室11的温度，这也可以用于冷起动，从而能够使所述燃烧腔室1快速达到比如1000℃的所期望的运行温度。为了进行冷起动，所述燃烧腔室11比如能够以化学计量的运行方式（λ=1）来运行，直至达到了所期望的温度，此后以低于化学计量比的方式来继续所述运行。为了能够在燃烧腔室11中实现所期望的无火焰的运行，所述燃烧腔室11针对大范围的再循环涡流的构成而设置。而维持火焰的结构是不存在的。在所述燃烧腔室11中能够布置适合于此的导流装置，所述导流装置促进再循环流的构成。

无火焰的运行也能够按需求在布置在后面的加热腔室12中实现，尽管所述加热腔室的温度在耦出热的结构、比如加热旋管13的区域中低于所使用的燃料的自燃温度。为此要参照图3，在图3中阐释了燃烧腔室11的和加热腔室12的示意性的纵剖面。在所述燃烧腔室11中，借助于比如呈空心圆筒的式样的引导装置来建立再循环涡流19，在所述再循环涡流中以低于化学计量比的方式使燃料氧化。通过管路17被吹入到加热腔室12中的空气20将其脉冲传递到气体射流21上，该气体射流由被从燃烧腔室11中导出的反应气体所构成。在这个区中，能够在所构成的气体射流21中进行还在气体射流21中存在的燃料的无火焰的氧化，由此进行进一步的热量释放。但是，所述气体射流21在其在加热腔室12中的再循环的范围内与在那里存在的较凉的剩余气体相混合并且由此形成较凉的区，使得所述加热腔室12中的平均温度尽管气体射流21中的额外的能量释放也能够低于所使用的燃料的自燃温度、比如低于850℃。

装置10以及借助于该装置来解释的方法相对于常规的尤其基于用火焰进行的运行的加热装置和加热方法具有大量的优点。通过燃烧腔室11的在无火焰的氧化中的运行以及也优选加热腔室12的具有无火焰的氧化的运行，能够几乎完全抑制热学上的nox形成并且由此达到低于10mg/m³的数值。这一点在不取决于加热腔室12的用于耦出热的区的温度的情况下适用，所述温度也能够低于所使用的燃料的自燃温度、比如低于850℃。

在使用具有变换的热值的贫煤气时，可以通过燃烧腔室11的具有无火焰的氧化的运行来避免通常存在的火焰稳定问题。已经表明，能够以简单的方式结构相同地并且成本低廉地使所述燃烧腔室11与从10kw到数mw的不同的功率范围相匹配。

在无热耦出的情况下运行的燃烧腔室11中，也能够在部分负荷下将温度差不多保持恒定，从而在没有特殊的开销的情况下产生大的调节比。

如果所述燃烧腔室11设有阻止热传导的衬垫、比如陶瓷衬垫或者甚至由陶瓷或者其他具有高的导热阻的材料构成，那么所述燃烧腔室11就已经能够在冷起动时无火焰地进行工作。用无火焰的氧化的技术来避免火焰中的局部的温度峰值，这不仅对燃烧腔室11而且对加热腔室12都产生保护材料的效果。

在图2中阐释了一种基于根据图1和3的装置的设备22，关于该设备的描述在已经引用的附图标记的基础上要参照前面的描述。

对于所述设备22来说，在废气管路18上连接有换热器23，该换热器用于进行空气预热并且在排出口24处排出经过冷却的废气。所述换热器23对通过新鲜空气入口25来输送的新鲜空气进行加热并且将其在加热之后输出给管路15和/或17。在所述管路15、17中的至少一条管路中能够设置比如呈滑阀、阀、通风机或类似的影响流速的器件的构型的流量调控装置26、27。所述流量调控装置26、27被连接到控制部28上。所述控制部此外与流量调控装置29相连接，该流量调控装置布置在管路14中，以用于调控朝燃烧腔室11的燃料流入量。所述流量调控装置29又能够是滑阀、阀、泵、通风机等等。

所述燃烧腔室11能够设有温度传感器30，该温度传感器与控制部28相连接。所述温度传感器30的任务是对燃烧腔室11的运行进行监控，传统的火焰传感器由于在无火焰地氧化时缺少火焰而不能用于对燃烧腔室的运行进行监控。优选地，所述温度传感器是“快速的”传感器，也就是说，它具有特别小的热惯性。

对于根据图2的设备来说，被输送给燃烧腔室11和/或加热腔室12的空气由所述换热器23来预热。不过，所述换热器23是可选的，以下实施方式也是可能的，所述实施方式在没有这种换热器的情况下并且由此在没有用于加热腔室12的空气预热的情况下并且尤其也在没有用于燃烧腔室11的空气预热的情况下可以应对。所述燃烧腔室11中的对无火焰的氧化来说必要的温度而后从有效热耦出的缺少中、也就是从燃烧腔室11的热隔绝中产生。

在图2中说明的设备22比如能够如下工作。

首先对全负荷运行进行阐释。为此，所述控制部28借助于流量调控装置29根据所期望的功率来调整燃料流并且而后借助于流量调控装置26来如此调控空气流、也就是空气比，使得所述燃烧腔室11中的温度处于所期望的工作范围内、比如处于850℃到1300℃之间、比如大约为1100℃。在此，在所述燃烧腔室11中出现无火焰的氧化。借助于所述温度传感器30，所述控制部28检测温度并且在所述温度上升超过所期望的尺度时降低空气管路15中的空气流并且在所述温度下降太多时扩大所述空气流。这种温度调节由此通过空气比λ的变化在低于化学计量比的范围内进行。这一点可以在图4中在横坐标的右边部分上看出来。此外，所述控制部28在此被设置用于在这个调节范围内不超过λ1的极限值，以用于由此避免过度的温度升高并且由此避免氮氧化物的产生。同时，所述控制部28用流量调控装置27来如此程度地释放管路17中的空气流，从而在加热腔室12中用空气20使在气体射流21中存在的剩余燃料完全氧化。所述氧化优选无火焰地在气体射流21的内部进行。所述气体射流将加热腔室12加热到比所使用的燃料的自燃温度低的温度，尽管所述气体射流本身具有比燃料的自燃温度高的温度。由此，在所述加热腔室12中也不会记录到热学上的nox形成。

在转变为部分负荷运行时，所述控制部28借助于流量调控装置29将燃料流入量降低到较低的数值。在此如此调整空气比λ，从而在所述燃烧腔室11中肯定地保持超过自燃温度。可能还必需的、用于加热腔室12中的还存在的剩余燃料的完全氧化的空气又被输送给管路17。

对于极端的弱负荷来说，如在图4中在横坐标的左边部分上在空气比极限值λ2的上方所阐释的那样，所述控制部能够从燃烧腔室11的直至现在所描述的低于化学计量比的运行转变为所述燃烧腔室11的超过化学当前比的运行。在用降低的空气比λ进行低于化学计量比的运行时获得了温度降低，而现在在用提高的空气比λ进行超过化学计量比的运行时获得温度降低。控制部28在这个范围内阻止太高的温度连同空气比的扩大以及燃烧腔室11的太低的温度连同空气比的降低。

一旦所述燃烧腔室11被加热，所述控制部28就至少避开两个极限值λ1与λ2之间的范围，方法是：所述控制部在从低于化学计量比的运行转切换为超过化学计量比的运行时在短的时间里运行通过这个范围或者在没有过渡的情况下从低于化学计量比的运行切换为超过化学计量比的运行（并且返之亦可）。由此，避免所述燃烧腔室11中的温度上升超过比如1300℃或者1400℃的临界的极限值以及随之出现的热学上的nox形成。

对于所介绍的实施方式来说，大量的改动方案是可能的。比如，借助于换热器23进行的空气预热能够被限制到通过管路15来输送给燃烧腔室11的空气上。作为替代方案，所述空气预热能够被限制到通过管路17输送给加热腔室12的空气上。也可能的是，通过管路15和/或管路17来输送由经过预热的和未经过预热的空气构成的混合物。此外，至少原则上也能够对通过管路14输送给燃烧腔室11的燃料进行预热。此外，尤其能够为燃烧腔室11的低于化学计量比的运行设置用于加热腔室12的额外的燃料输送，以用于引起加热腔室12中的热量产生的扩大的部分。但是，在所有所介绍的实施方式中，被视为有利的是，借助于无火焰的氧化来引起所述燃烧腔室11中的热量产生的主要部分。进一步的氧化能够在所述加热腔室12中在有火焰或者无火焰的情况下来执行，其中所述无火焰的氧化能够将氮氧化物产生降低到低于10mg/m³的数值。

在用于以比所使用的燃料的自燃温度低的温度对加热腔室12进行加热的根据本发明的方法中设置有如下燃烧腔室11，在该燃烧腔室中使燃料和空气在无火焰的氧化中以非化学计量的混合比彼此进行反应。所述空气比λ在此至少如此程度地远离化学计量比λ=1，从而在所述燃烧腔室11中不超过以下温度，自所述温度起开始热学上的氮氧化物产生。这个温度比如为1300℃到1400℃。另一方面，如此规定所述空气比λ，从而在燃烧腔室11中肯定地超过所使用的燃料的自燃温度。由此产生两个允许的空气比范围、也就是在燃烧腔室11的低于化学计量比的运行中处于λmin与λ1之间的第一范围以及在燃烧腔室11的超过化学计量比的运行中处于λ2与λmax之间的第二范围。从所述燃烧腔室11中释放的还有反应能力的气体在加热腔室12的区中与附加空气和/或额外的燃料进行反应，其中这优选用无火焰的氧化来进行。所提到的区尤其在气体射流21的内部来构成。通过无火焰的氧化，也在所述加热腔室12中避免热学上的氮氧化物产生。

附图标记列表

10装置

11燃烧腔室

12加热腔室

13加热旋管

14燃料管路

15空气管路

16反应气体逸出口

17管路

18废气管路

19-a导流装置

19再循环涡流

20空气

21气体射流

22设备

23换热器

24排出口

25新鲜空气入口

26、27流量调控装置

28控制部

λ空气比

λ1、λ2、λmin、λmax、λv用于空气比的极限值

29流量调控装置

30温度传感器。