铁燃料燃烧装置的制作方法

本公开总体上涉及铁燃料燃烧器技术。更具体地，本公开涉及包括燃烧室和燃烧器装置的铁燃料燃烧装置。

背景技术：

1、能量是不可或缺的。在过去几十年中，全世界消耗的能量的量已经大幅增加。尽管源自可再生能源(例如，风能和太阳能)的能量的量在过去几十年中并且尤其是在过去几年中已经增加，但是大部分能量仍然源自化石燃料。

2、随着化石燃料的使用，还会产生高度不期望的二氧化碳co2排放。并且为了实现气候目标，应显著减少总co2排放。为了这个目的，碳中性燃料和甚至更无碳的燃料是满足全球能量要求但仍然满足气候目标的优选能源和有前景的资源。碳中性燃料被认为是向大气中释放的碳不超过其去除的碳的燃料，而无碳燃料根本不产生净温室气体排放或碳足迹。通常，在碳中性燃料的情况下，co2或其它温室气体用作原料。

3、热密集型工业负责总co2排放的很大一部分。但是对于许多工业，目前存在很少或没有一方面是可扩展的并且另一方面能够以高度的确定性和一致性提供足够的能量但完全没有co2排放的可用的化石燃料替代方案。

4、太阳能和风能可以部分地满足这种需要。然而，由于它们是间歇性的，它们通常不适合或不充分适合于更换化石燃料并且始终满足这些工业对能量的需求。

5、近年来，因此已经对完全无co2排放的可行替代方案执行了大量研究。铁燃料具有满足该需要并且成为选择的候选物的潜力。

6、铁燃料是一种非常有前景的燃料，其中在需要的时候和地方将能量存储在铁粉中。在适当的条件下，铁粉是高度易燃的，并且具有当铁粉燃烧时以热的形式释放大量能量的性质。然后可以将该热量转化成热水、蒸汽或电，以用于任何类型的应用或工业中。铁粉的另一个重要性质是在燃烧期间仅有铁锈残留，而在铁粉燃烧期间没有co2释放。作为废物产品的铁锈可以容易地收集并且以可持续的方式转化回铁粉，这使其成为完全循环的过程。

7、铁燃料是圆形的并且运输容易且安全的事实使其成为化石燃料的理想的清洁和可持续的替代方案，以满足各种工业以及各种各样的其它应用中的能量需求。

8、尽管铁燃料的使用可能已经是化石燃料的经证明的清洁且可持续的替代方案，但也存在几个挑战。最重要的挑战中的一个是铁燃料在燃烧时在燃烧器或燃烧装置中具有污染的趋势。因此，燃烧的正常运行时间受到限制，因为燃烧装置的部件需要不时地清洁。这并不有助于作为化石燃料燃烧的替代方案的潜力。因此，需要减少燃烧的效应。

技术实现思路

1、本公开的目的是提供一种改进的铁燃料燃烧装置。更特定来说，目的是提供一种具有更长的正常运行时间并且不易受污染的改进的铁燃料燃烧装置。

2、在第一方面，提供了一种铁燃料燃烧装置，包括燃烧室和燃烧器装置，所述燃烧室被布置成用于使包括铁燃料和氧气的铁燃料悬浮介质在可燃条件下燃烧，所述燃烧器装置具有朝向所述燃烧室加宽的形状，并且其中，所述燃烧器装置包括：

3、-燃料进给器，所述燃料进给器被布置成用于向所述燃烧室中供应铁燃料，其中，所述铁燃料是在运输介质中被提供的。

4、-空气入口装置，所述空气入口装置被布置成用于向所述铁燃料供应包括所述氧气的空气，所述空气入口装置包括第一入口级和第二入口级，所述第一入口级被布置成用于使所述铁燃料悬浮介质朝向所述燃烧室涡旋，并且所述第二入口级被布置成在所述铁燃料悬浮介质与所述燃烧器装置和所述燃烧室的壁之间提供边界层，以用于防止在所述壁处的铁燃料沉积，并且其特征在于，所述第二入口级进一步被布置成使所述铁燃料悬浮介质越过所述燃烧室中的燃烧界面进入可燃状态。

5、由于存储能量的能力，铁燃料具有解决例如风能和太阳能的更典型可再生能源的主要缺点中的一些的潜力。因此，从例如风能和太阳能的可再生能源获得的能量可以存储在所述铁燃料中，通过所述铁燃料解决了这些可再生能源的间歇特性。

6、铁燃料的燃烧具有满足当前能量需求的潜力。

7、铁燃料的燃烧导致铁锈，或至少大部分是铁锈，而不是co2。包括铁粉的铁燃料可以存储能量并且用作可持续能源。在根据本公开的铁燃料燃烧装置的情况下，可以燃烧所述铁粉，使得存储在粉末中的能量被释放。为了这个目的，所述燃烧装置可以包括几个部件或另外的装置，其中至少有燃烧室和燃烧器装置。

8、所述燃烧室被布置成用于在可燃条件下燃烧所述铁粉。为了这个目的，将所述铁粉与空气混合，这意味着至少包括一定量的氧气。

9、所述燃烧器装置具有朝向所述燃烧室加宽的形状，并且包括几个部件，其中至少有燃料进给器和空气入口装置。所述燃料进给器提供所述铁粉。所述铁粉在用作载体的介质、气体或空气中提供，并且因此其主要目的是将所述铁粉悬浮在空气或类似空气的介质中。优选地，所述介质还含有附加的组分，例如氧气，并且更优选地还含有氮气和/或其它物质或化合物。

10、所述空气入口装置被布置成将所述空气供应到所述燃烧器装置中。空气含有氧气，并且具有与所述铁粉混合的目的，以产生铁粉和氧气的具有所期望的比例并且在所期望的条件下的介质或混合物，其中铁燃料可以燃烧，并且更精确地在限定的条件下燃烧。

11、如本公开中所定义的铁粉和氧气的混合物被认为是包括铁粉和氧气的介质，这意味着它还可以含有其它物质、化合物或混合物，其中有氮气、矿物质、有机化合物或污染物，尽管主要组分将被认为是所述铁粉和氧气。

12、铁粉和氧气的所述介质的所述燃烧的重要条件是温度，因为发明人的见解是温度必须保持低于烧结温度，即，根据如astme228-17定义的烧结温度的定义。

13、当铁粉达到所述烧结温度时，其变得处于烧结条件，所述烧结条件可能导致所述装置的堵塞和铁粉的损失，而这是应该防止的。

14、发明人的进一步见解是，为了使所述介质达到在其中防止烧结条件使得防止堵塞或其它污染的所期望的工艺条件下燃烧的最佳条件，所述空气入口装置应该具有至少两个级，其中所述第一级被布置或被构造成产生所述介质并且因此为铁粉和氧气的所期望混合物提供氧气，而所述第二级的主要目的是在所述介质与所述装置的所述壁之间提供边界层，以防止在所述装置的所述壁处的铁燃料沉积，即在所述燃烧器装置、所述燃烧室中的任一个的所述壁处，但优选地在两者的所述壁处。

15、发明人发现，所述壁上的所述铁燃料沉积对所述装置的耐久性和稳健性以及燃烧过程的质量和稳定性具有影响，并且因此减少了正常运行时间，因为所述装置必须不时地清除这种沉积物。所述沉积物甚至可能如此之重，以至于所述燃烧器或甚至所述装置的其它部件不能再被清洁，而是应该被更换。

16、通过添加额外的空气入口级，所述空气入口级被构造成使得其在所述介质与所述燃烧器装置和所述燃烧室的壁之间提供边界层，防止了在那些壁处的所述铁燃料沉积。这样，不仅防止了所述铁粉沉积在所述壁处，所述第二空气入口级还防止了所述燃烧室上游以及因此所述燃烧器装置中的所述铁粉烧结。

17、发明人还发现，传统的已知燃烧装置通常依赖于预混合和喷嘴来提供所述可燃介质，或者换句话说，使所述悬浮介质进入其中其可以被点燃的这样的条件中。尽管所述预混合可以被配置成关于密度或燃料/氧气比、压力、速度等中的一个或更多个的一定所期望的可燃性质，但是这些性质受到所述喷嘴的显著影响并且在一定程度上不受控制。根据本公开的装置的设计与这样的典型设计的不同之处在于没有喷嘴。与这样的已知设计相反，在根据本公开的装置的情况下，所述介质在所述燃烧室内而不是在所述室的开始处进入可燃状态。传统设计通常在所述喷嘴附近具有点火装置以点燃所述介质，这导致非最佳的燃烧条件和不期望的和较少控制的工艺条件，这增加了可能导致部件的堵塞和/或磨损的烧结条件。根据本公开的装置具有第一空气入口级，所述第一空气入口级被布置成使所述铁燃料悬浮介质朝向所述燃烧室涡旋，并且根据本公开的装置还具有第二入口级，所述第二入口级在所述介质与所述壁之间提供所述边界层，但其特征进一步在于，其还使所述介质从不可燃条件或至少从不期望的和非最佳的燃烧条件进入可燃状态。在被称为所述燃烧界面的界面处和越过所述界面获得所述可燃条件。因此，借助于所述第二空气入口的配置，可以控制所述燃烧界面的位置，所述位置超过所述第二入口级的第一空气入口端口的起点。

18、在示例中，所述第二入口级进一步被布置成使所述铁燃料悬浮介质越过所述燃烧界面进入可燃状态，并且其中，所述第二入口级包括设置在所述燃烧器装置的周向壁中的至少两个空气入口，并且所述燃烧界面被构造为设置成超过所述第二入口级的所述两个空气入口中的至少一个。

19、在示例中，所述燃烧界面可以具有双曲线、抛物线形状或横截面或锥形形状的三维形状。优选地，所述界面朝向所述燃料进给器或上游集中。因此，可以使所述介质越过这样的界面形状进入可燃状态，使得所述界面的至少一个或更优选地一些并且甚至更优选地所有位置超过所述第二入口级的至少空气入口。

20、在示例中，所述铁燃料燃烧装置被构造成用于在所述铁燃料燃烧装置的运行阶段期间使所述铁燃料悬浮介质在所述燃烧界面处或越过所述燃烧界面进行自燃。

21、在示例中，所述铁燃料燃烧装置包括所述燃料进给器与所述燃烧室之间的开放连接。

22、传统的燃烧装置依赖于喷嘴，所述喷嘴被构造成使燃烧介质进入可燃状态。因此，根据本公开，所述铁燃料燃烧装置可以在所述燃料进给器与所述燃烧室之间设置有喷嘴，或者换句话说，在所述燃烧室的开始处或上游设置有喷嘴。然而，在示例中，根据本公开的铁燃料燃烧装置设置成没有喷嘴，并且因此被构造成在所述燃料进给器与燃烧室之间包括开放连接或开放通路或通道。这样，所述悬浮介质的任何涡流不会如在已知的燃烧装置中那样被所述喷嘴抵消或影响。因此，所述第二入口级可以被布置成使所述铁燃料悬浮介质不在所述燃烧室的开始处(上游)而是在所述燃烧室中的一定位置(所述一定位置被定义为燃烧界面)处进入可燃状态。因此，所述介质仅在该界面处或越过该界面才是可燃的。另外，所述第二入口级被布置成在所述铁燃料悬浮介质与所述燃烧器装置和所述燃烧室的壁之间提供边界层，以用于防止在这些壁中的一个或更多个处的铁燃料沉积。

23、在示例中，所述燃料进给器被布置成用于在所述燃烧室中轴向供应铁燃料，其中，所述铁燃料是在运输介质中被提供的。此外，优选地，所述第一入口级和/或第二入口级可以被构造用于空气的切向和/或轴向入口。更优选地，所述第一入口级可以被构造用于切向空气入口。

24、在示例中，所述第一入口级和所述第二入口级中的一个或更多个包括切向地设置在所述燃烧器装置的周向壁中的至少两个空气入口。

25、在示例中，所述第一入口级和所述第二入口级中的一个或更多个包括同轴地设置在所述燃烧器装置的所述周向壁中的至少一个空气入口。

26、在示例中，所述第一入口级和所述第二入口级中的一个或更多个包括与所述燃烧器装置的所述壁成一定角度设置的至少两个空气入口。

27、在示例中，所述第一入口级和所述第二入口级中的一个或更多个包括设置在所述燃烧器装置壁上的用于提供所述边界层的多个导向叶片。

28、在示例中，所述多个导向叶片是可调节的。

29、在示例中，所述第一入口级和所述第二入口级中的一个或更多个包括沿着所述燃烧器装置的纵向轴线分布的多组空气入口。

30、在示例中，所述第一入口级和所述第二入口级中的一个或更多个的壁或在所述第一入口级和所述第二入口级中的一个或更多个的空气入口之间的沿着纵向轴线的部段是发散的、会聚的或平行的。

31、在示例中，所述第一入口级和所述第二入口级中的一个或更多个的所述空气入口中的一个或更多个包括在气箱壳体中。

32、在示例中，所述第一入口级和所述第二入口级中的一个或更多个的所述空气入口的一个或更多个空气入口端口连接到空气管道。

33、在示例中，所述第一入口级具有至少近似圆筒形的横截面。

34、在示例中，所述第二入口级具有圆形或多边形形状的横截面。

35、在示例中，所述燃烧室具有圆筒形或多边形三维形状，限定跨越纵向方向从圆形形状到多边形或更优选地矩形形状的过渡部的三维形状，或反之亦然。

36、在示例中，所述第二入口级包括挡板，所述挡板用于所述装置中的中心再循环，并且用于改进流动方向以防止在所述壁处的铁燃料沉积。

37、在示例中，所述燃烧室在所述燃烧室的第一部段中包括：

38、-点火器，所述点火器用于在所述燃烧室中在所述可燃条件下点燃所述铁燃料悬浮介质，并且其中，所述点火器优选地是电点火器或化学点火器。

39、在示例中，所述点火器延伸直到所述燃烧界面。

40、在示例中，所述点火器延伸直到所述燃烧界面，并且其中，所述第二入口级包括设置在所述燃烧器装置的所述周向壁中的至少两个空气入口，并且所述点火器设置成超过所述第二入口级的所述两个空气入口中的至少一个。

41、在示例中，所述点火器被构造成在启动阶段中在所述燃烧界面处或超过所述燃烧界面点燃所述可燃介质，并且其中，所述铁燃料燃烧装置被布置成用于在运行阶段期间进行的自燃。

42、在示例中，所述第二入口级包括：

43、-预加热元件，所述预加热元件用于预加热所述铁燃料悬浮介质以使所述铁燃料悬浮介质达到所述可燃条件，并且其中，所述预加热元件优选地是电加热元件或化学加热元件。

44、在示例中，所述燃烧室包括第一部段和第二部段，其中，所述第二部段设置在所述第一部段的下游，并且其中，所述第一部段和所述第二部段中的一个或更多个包括膜状空气入口装置，其中，所述膜状空气入口装置设置在所述燃烧室的壁中并且被布置成在所述铁燃料悬浮介质与所述燃烧室的壁之间提供边界层，以用于防止在所述燃烧室的所述壁处的铁燃料沉积。

45、在示例中，所述空气入口和燃料进给器中的任何一个或更多个连接到所述燃烧室的输出部，以用于将烟气再循环到所述燃烧室中，并且其中，所述铁燃料燃烧装置进一步优选地包括在所述燃烧室下游的过滤器，以用于从所述铁燃料悬浮介质过滤燃烧后的介质。

46、在示例中，所述铁燃料燃烧装置进一步包括：

47、-铁燃料罐，所述铁燃料罐与所述燃料进给器连接并且存储所述铁燃料。

48、-铁燃料进给系统，所述铁燃料进给系统与所述铁燃料罐和所述燃料进给器连接，以将所述铁燃料与所述运输介质混合。

49、在示例中，所述一个或更多个空气入口和所述燃料进给器中的任何一个或更多个包括用于控制所述相应入口的空气供应的控制阀。

50、在示例中，所述一个或更多个空气入口和所述燃料进给器中的任何一个或更多个被布置成用于在升高的温度下向所述相应入口供应空气，所述升高的温度优选地低于所述铁燃料悬浮介质的烧结温度。

51、现在将参考附图通过特定实施例更详细地描述本发明，其中相同或类似的部分和/或部件由相同的附图标记标示。本发明决不以任何方式限于本文中公开的实施例。