用于工业应用的回热式气体燃烧器及其操作方法

摘要

本发明题为“用于工业应用的回热式气体燃烧器及其操作方法”。本发明公开了一种用于工业应用的回热式气体燃烧器，该回热式气体燃烧器可包括燃烧室和提供燃烧室的出口开口的燃烧器尖端。该气体燃烧器包括用于燃烧气体的气体供应源，该气体供应源具有第一气体供应管道和第二气体供应管道。燃烧气体可通过第一气体供应管道提供给燃烧室。燃烧气体也可通过第二气体供应管道提供给燃烧器尖端。该气体燃烧器可包括用于燃烧空气的空气供应源和用于废气的废气流动通道，其中废气流动通道和空气供应源被构造成使得燃烧空气可被废气加热。

说明书

技术领域

实施方案涉及用于工业应用的回热式气体燃烧器，并且涉及用于操作此类气体燃烧器的方法。

背景技术

EP 0 685 683 B1公开了一种用于工业应用的回热式气体燃烧器。EP 0 685 683B1中公开的回热式气体燃烧器包括燃烧室和提供燃烧室的出口开口的燃烧器尖端。该回热式气体燃烧器还包括气体供应源，该气体供应源具有第一气体供应管道和第二气体供应管道。

燃烧气体可通过第一气体供应管道提供给燃烧室。燃烧气体也可通过第二气体供应管道提供给燃烧室尖端。该回热式气体燃烧器还包括空气供应源，燃烧空气可通过该空气供应源提供给燃烧室。该回热式气体燃烧器还包括废气流动通道，废气可通过该废气流动通道提供给废气出口。废气流动通道和空气供应源被构造成使得流过废气流动通道的废气加热燃烧空气。

回热式气体燃烧器诸如上述回热式气体燃烧器的挑战之一是减少NOx排放，同时增大回热式气体燃烧器的效率。

因此，需要具有减少的NOx排放的高效回热式气体燃烧器。

发明内容

以下的发明内容是为了便于理解本发明所公开的实施方案的一些特征而提供的，并非旨在作为完整的描述。通过将说明书、权利要求书、附图和说明书摘要作为一个整体，能够获得对本文公开的实施方案的各个方面的全面理解。

因此，本发明所公开的实施方案的一个方面是提供用于工业应用的回热式气体燃烧器以及操作此类回热式气体燃烧器的方法。

现在可如本文所述实现上述方面以及其他目标。在一个实施方案中，回热式气体燃烧器可包括具有内部空气供应室和外部空气供应室的空气供应源，内部空气供应室具有用于燃烧空气的第一入口，外部空气供应室具有用于燃烧空气的第二单独入口。空气供应源的内部空气供应室可被构造成向燃烧室提供燃烧空气。空气供应源的外部空气供应室可被构造成向燃烧器尖端提供燃烧空气。

空气供应源的外部空气供应室可定位在废气流动通道与空气供应源的内部空气供应室之间。流过废气通道的废气加热流过外部空气供应室的燃烧空气，但不加热或仅略微加热流过内部空气供应室的燃烧空气。此类回热式气体燃烧器可以高效率操作，并且在不同操作模式下具有减少的NOx排放。

空气供应源的外部空气供应室优选周向地或同心地围绕空气供应源的内部空气供应室定位。废气流动通道优选周向地或同心地围绕空气供应源的外部空气供应室定位。外部供应室和内部空气供应室同心地布置。此外，废气流动通道相对于空气供应室同心地布置。内部空气供应室不与废气流动通道接触。可定位在废气流动通道与内部空气供应室之间的外部空气供应室与废气流动通道接触。此类回热式气体燃烧器可以高效率和减少的NOx排放来操作。

外部空气供应室具有至少一个出口开口，该至少一个出口开口周向地或同心地围绕燃烧室在燃烧器尖端区域中的出口开口定位。该至少一个出口开口的尺寸可被设计成提供在高于温度阈值、优选地高于燃烧气体的自燃温度的完全或最大燃烧器负载下所需的燃烧空气的介于70％和90％之间的限定部分。这允许进一步提高效率并进一步减少NOx排放。

气体供应源具有第一管和第二管。第一管周向地或同心地围绕第二管定位，使得由第二管提供的内部气体流动通道提供第二气体供应管道。在第二管与第一管之间提供的外部气体流动通道提供第一气体供应管道。空气供应源的内部空气供应室周向地或同心地围绕气体供应源的第一管定位。由第二管提供的内部气体流动通道在燃烧器尖端处具有至少一个出口开口，燃烧器尖端定位在燃烧室的出口开口内。在第二管与第一管之间提供的外部气体流动通道具有用于燃烧室中的第一气体供应源的至少一个出口开口。空气供应源的内部空气供应室在燃烧室中具有至少一个出口开口，燃烧室围绕第一气体供应管道的至少一个出口开口定位。第一气体供应管道的至少一个出口开口和内部空气供应室的至少一个出口开口两者提供燃烧室的入口。此类回热式气体燃烧器可以高效率和减少的NOx排放来操作。

在一个实施方案中，用于操作回热式气体燃烧器的方法可涉及当待由气体燃烧器加热的处理室内的处理温度低于温度阈值、优选地低于燃烧气体的自燃温度时，以第一操作模式操作。当处理室内的处理温度高于温度阈值、优选地高于燃烧气体的自燃温度时，回热式气体燃烧器可以第二操作模式操作。在两种操作模式下，回热式气体燃烧器可以高效率和减少的NOx排放来操作。

附图说明

附图还示出了本发明，并且与本发明的具体实施方式一起用于解释本发明的原理，其中类似的附图标号在整个单独的视图中是指相同的或功能上类似的元件，并且并入说明书中并形成说明书的一部分。

图1示出了根据一个实施方案的回热式气体燃烧器的示意性横截面；

图2示出了根据一个实施方案的以第一操作模式操作的根据图1的回热式气体燃烧器；

图3示出了根据一个实施方案的以第二操作模式的第一另选方案操作的根据图1的回热式气体燃烧器；

图4示出了根据一个实施方案的以第二操作模式的第二另选方案操作的根据图1的回热式气体燃烧器；

图5示出了显示根据一个实施方案的回热式气体燃烧器的第一操作模式的细节的图示；

图6示出了显示根据一个实施方案的回热式气体燃烧器的第二操作模式的第二另选方案的细节的图示；并且

图7示出了显示根据一个实施方案的回热式气体燃烧器的第二操作模式的第二另选方案的细节的另一个图示。

具体实施方式

这些非限制性示例中讨论的具体值和构造可变化，并且被引用为仅例示一个或多个实施方案，并且不旨在限制其范围。

现在将在下文参考附图更充分地描述主题，这些附图构成主题的一部分并且以例示的方式示出具体示例性实施方案。然而，主题能够体现为多种不同形式，因此所涵盖或要求保护的主题旨在被解释为不限于本文列出的任何示例性实施方案；提供示例性实施方案仅仅是为了说明。同样，旨在要求保护或所涵盖的主题拥有适当宽泛的范围。除了别的问题以外，主题可具体体现为方法、设备、部件或系统。因此，实施方案可例如采用硬件、软件、固件或它们的组合的形式。因此，以下具体实施方式并非旨在被解释为具有限制意义。

在整个说明书和权利要求书中，除了明确说明的含义之外，术语可具有上下文中提出或暗示的有细微差别的含义。同样，如本文所用的短语诸如“在一个实施方案中”或“在示例性实施方案中”及其变型可能不一定是指同一实施方案，并且如本文所用的短语“在另一个实施方案中”或“在另一个示例性实施方案中”及其变型可能或可能不一定是指不同的实施方案。例如，要求保护的主题旨在全部或部分地包括示例性实施方案的组合。

一般来讲，术语可至少部分地从上下文中的用法来理解。例如，如本文所用的术语诸如“和”、“或”或“和/或”可包括可至少部分地取决于使用此类术语的上下文的多种含义。一般来讲，“或”如果用于关联列表，诸如A、B或C，则旨在表示此处以包含性意义使用的A、B和C，以及此处以排他性意义使用的A、B或C。此外，如本文所用的术语“一个或多个”至少部分地取决于上下文，可用于以单数意义描述任何特征、结构或特性，或者可用于以复数意义描述特征、结构或特性的组合。类似地，术语诸如“一个”、“一种”或“该”同样至少部分地取决于上下文，可被理解为传达单数用法或表达复数用法。此外，术语“基于”可被理解为不一定旨在传达一组排他性因素，而是可至少部分地取决于上下文，允许存在不一定再次明确描述的附加因素。

图1示出了根据本公开的回热式气体燃烧器10的示意性横截面。回热式气体燃烧器10包括燃烧室11。回热式气体燃烧器10还包括提供燃烧室11的出口开口13的燃烧器尖端12。回热式气体燃烧器10还包括具有第一气体供应管道14a和第二气体供应管道14b的另外的气体供应源14。燃烧气体可通过第一气体供应管道14a提供给燃烧室11。燃烧气体可通过第二气体供应管道14b提供给燃烧器尖端12。

气体供应源14具有第一管15和第二管16。第一管15周向地或同心地围绕第二管16定位。内部气体流动通道可由第二管16提供，该第二管可提供第二气体供应管道14b。可在第二管16与第一管15之间提供外部流动通道，该外部流动通道提供第一气体供应管道14a。

第一气体供应管道14a和第二气体供应管道14b各自具有自己的单独气体入口，即，气体供应管道14a具有第一气体入口17并且第二气体供应管道14b具有第二气体入口18。

由第二管16并由此由第二气体供应管道14b提供的内部气体流动通道在燃烧器尖端12处具有至少一个出口开口19，优选地一个出口开口19，燃烧器尖端定位在燃烧室11的出口开口13内。流过第二气体供应管道14b的气体不被提供到燃烧室11中，而是被提供到燃烧室11的下游。在气体的轴向流动方向FD上看，燃烧室11的出口开口13和第二气体供应管道14b的出口开口19处于燃烧器尖端12的相同轴向位置。或者，它们之间可存在轻微的轴向偏移。

在第二管16与第一管15之间提供的外部气体流动通道以及因此第一气体供应管道14a具有至少一个出口开口20，优选地多个开口20，从而将气体提供到燃烧室11中。在气体的轴向流动方向FD上看，第一气体供应管道14a的出口开口20定位在第二气体供应管道14b的出口开口19的上游。

回热式气体燃烧器10还包括另外的空气供应源21和废气流动通道22。空气供应源21具有内部空气供应室21a，该内部空气供应室具有用于燃烧空气的第一空气入口23。空气供应源21还具有外部空气供应室21b，该外部空气供应室具有用于燃烧空气的第二单独空气入口24。

内部空气供应室21a可被构造成将燃烧空气提供到燃烧室11中。空气供应源21的内部空气供应室21a具有至少一个出口开口25，优选周向或同心地围绕第一气体供应管道14a的出口开口20定位的多个出口开口25。在气体的轴向流动方向FD上看，将燃烧空气提供到燃烧室11中的内部空气供应室21a的出口开口25被定位成略微轴向偏移，即，在将气体提供到燃烧室11中的第一气体供应管道14a的出口开口20的上游。然而，出口开口25和出口开口20可处于相同的轴向位置。

外部空气供应室21b可被构造成向燃烧器尖端12提供燃烧空气。空气供应源21的外部空气供应源21b具有至少一个出口开口26，优选周向地或同心地围绕燃烧室11的出口开口13定位的多个出口开口26。

在气体的轴向流动方向FD上看，向燃烧器尖端12提供燃烧空气的外部空气供应室21b的出口开口26被定位成略微轴向偏移，即，在燃烧室11的出口开口13的上游。然而，出口开口26和出口开口13可处于相同的轴向位置。

外部空气供应室21b被定位在废气流动通道22与内部空气供应室21a之间。空气供应源21的外部空气供应室21b周向地或同心地围绕空气供应源21的内部空气供应室21a定位。

废气流动通道22可周向地或同心地围绕空气供应源21的外部空气供应室21b定位。内部空气供应室21a不与废气流动通道22接触。可定位在废气流动通道22与内部空气供应室21a之间的外部空气供应室21b与废气流动通道22接触。

流过废气通道22的废气加热流过外部空气供应室21b的燃烧空气，但不加热或仅略微加热流过内部空气供应室21a的燃烧空气。此类回热式气体燃烧器可以高效率操作，并且在不同操作模式下具有减少的NOx排放。

流过废气通道22的废气通过同一个废气开口27从废气通道22排出。

外部空气供应室21的出口开口26的尺寸可被设计成提供在高于温度阈值、优选地高于燃烧气体的自燃温度的完全或最大燃烧器负载下所需的燃烧空气的介于70％和90％之间的限定部分。这在下文将更详细描述的气体燃烧器的特定操作模式下是有利的。

上述回热式气体燃烧器10可以第一操作模式和第二操作模式操作。当待由回热式气体燃烧器10加热的处理室(未示出)内的处理温度低于温度阈值，优选地低于燃烧气体的自燃温度时，回热式气体燃烧器10可以第一操作模式操作。

当待由回热式气体燃烧器10加热的处理室内的处理温度高于温度阈值，优选地高于燃烧气体的自燃温度时，回热式气体燃烧器10可以第二操作模式操作。

当回热式气体燃烧器10以第一操作模式操作时(参见图2)，燃烧气体仅通过第一气体供应管道14a提供给燃烧室11。在第一操作模式下，第二气体供应管道14b的气体入口18关闭，并且第一气体供应管道14a的气体入口17打开。气体G只能通过第一气体供应管道14a的出口开口20提供给燃烧室11。

在第一操作模式下，燃烧空气A的第一部分A1通过内部空气供应室21a提供给燃烧室11，并且燃烧空气A的第二部分A2通过外部空气供应室21b提供给燃烧器尖端12。燃烧空气A的第一部分A1通过内部空气供应室21a的出口开口25进入燃烧室11中。燃烧空气A的第二部分A2通过外部空气供应室21b在燃烧器尖端12的区域中的出口开口26从外部空气供应室21b排出。

在也可被称为火焰模式或可见火焰模式的第一操作模式下，气体的一次燃烧使用燃烧空气A的第一部分A1在燃烧室11内发生，并且气体的二次燃烧使用燃烧空气A的第二部分A2在燃烧室11的下游发生。

火焰点火杆(未示出)与燃烧室11定位在一起以点燃燃烧室11内的气体/空气混合物。

流过内部空气供应室21a的燃烧空气的第一部分A1保持相对较冷。该相对较冷的燃烧空气A1与燃烧室11内的气体G混合。火焰点火杆点燃混合物。流过外部空气供应室21b的燃烧空气的第二部分A2变为被废气E加热。燃烧空气的第二部分A2相对较热，并且与燃烧室11内未燃烧的气体G以及与燃烧产物如CO混合。

对于低于温度阈值、优选低于燃烧气体的自燃温度的处理温度，第一操作模式允许减少NOx排放，同时提供高效率。

图5示出了第一操作模式的图示，其中第一曲线示出了NOx排放28，第二曲线示出了效率29，并且第三曲线示出了燃烧空气供应源21的空气压力30，所有这些都是燃烧空气的第二部分A2的函数。如在图5中可见，燃烧空气的相对低的第二部分A2将减少NOx排放28，但将降低效率29。燃烧空气的相对高的第二部分A2将增加NOx排放28，但将增大效率29。为了在第一操作模式下提供低NOx排放28和高效率29两者，用于第一操作模式的整个燃烧空气A＝A1+A2中燃烧空气的第二部分A2的份额在介于30％和70％之间的范围内，优选地在介于40％和70％之间的范围内，最优选地在介于40％和60％之间的范围内。

当回热式气体燃烧器10以第二操作模式操作时(例如参见图3和图4)，燃烧气体G仅通过第二气体供应管道14b提供给燃烧器尖端12。

在第二操作模式下，第二气体供应管道14b的气体入口18打开，并且第一气体供应管道14a的气体入口17关闭。气体G只能通过第二气体供应管道14b的出口开口19提供给燃烧器尖端12。

在第二操作模式下，燃烧空气A的大部分A3或整个燃烧空气A通过外部空气供应室21b提供给燃烧器尖端12。在图3中，整个燃烧空气(燃烧空气的100％)通过外部空气供应室21b提供给燃烧器尖端12。在图4中，燃烧空气的小于100％但大于第一操作模式下的第二部分A2的大部分A3通过外部空气供应室21b提供给燃烧器尖端12。

在第二操作模式下，燃烧空气A的小部分A4或没有燃烧空气通过内部空气供应室21a提供给燃烧室11。在图3中，没有燃烧空气(燃烧空气的0％)通过内部空气供应室21a提供给燃烧室11。在图4中，燃烧空气的大于0％但小于第一操作模式下的第一部分A1的小部分A4通过内部空气供应室21a提供给燃烧室11。

在第二操作模式(也可称为无火焰模式或不可见火焰模式)下，气体的整个燃烧发生在燃烧室11的下游。流过外部空气供应室21b的燃烧空气变为被废气E加热。

图6示出了根据图4的第二操作模式的图示，其中第一曲线示出了NOx排放28，第二曲线示出了效率29，并且第三曲线示出了空气压力30，所有这些都是燃烧空气的大部分A3的函数。如在图6中可见，燃烧空气的相对较低的大部分A3降低了空气压力30，但将导致减小的效率29和增加的NOx排放28。如果不存在对空气压力30的限制，燃烧空气的相对高的大部分A3将导致高效率29和减少的NOx排放28。然而，空气压力30是有限制的。

图7示出了根据图4的第二操作模式的图示，其中第一曲线示出了空气压力30，并且第二曲线示出了大部分A3，所有这些都是燃烧器负载BL的函数。图7对于具有外部空气供应室21b的出口开口26的气体燃烧器10是有效的，该出口开口的尺寸被设计成提供在高于温度阈值、优选地高于燃烧气体的自燃温度的完全或最大燃烧器负载下所需的燃烧空气的80％。在全部或最大燃烧器负载(100％燃烧器负载)下，燃烧空气的大部分A3为80％，并且小部分A4为20％。

当在第二操作模式下以介于80％和100％之间的部分燃烧器负载操作气体燃烧器10时，燃烧的大部分A3保持恒定，并且小部分A4被调整，例如在80％燃烧器负载下，仅外部空气流动通道21b提供燃烧空气。

在燃烧器负载低于80％时，流过外部空气流动通道21b的大部分A3的量通过降低气压30而减少，这导致流过开口26的空气的速度降低。在介于80％和100％燃烧器负载之间，流过开口26的空气的速度保持恒定。这有利于保持NOx排放较低。

对于高于温度阈值、优选高于燃烧气体的自燃温度的处理温度，第二操作模式允许减少NOx排放，同时提供高效率。

如上所述，当待由回热式气体燃烧器10加热的处理室内的处理温度低于温度阈值、优选地低于燃烧气体的自燃温度时，回热式气体燃烧器10以第一操作模式操作，并且当待由回热式气体燃烧器10加热的处理室内的处理温度高于温度阈值、优选地高于燃烧气体的自燃温度时，回热式气体燃烧器10以第二操作模式操作。

当回热式气体燃烧器10以第一操作模式操作并且待由回热式气体燃烧器10加热的处理室内的温度变为高于温度阈值、优选地高于燃烧气体的自燃温度时，回热式气体燃烧器10自动地从第一操作模式切换到第二操作模式。在这种情况下，在第一操作模式下打开的气体入口17变为关闭，并且在第一操作模式下关闭的气体入口18变为打开。进一步地，在这种情况下，第一空气入口23可以变为关闭(参见图3)，或者通过内部空气室21a提供的空气量可以变得减少。定位在燃烧室11内的火焰点火杆(未示出)可随后被停用。

当回热式气体燃烧器10以第二操作模式操作并且待由回热式气体燃烧器10加热的处理室内的温度变为低于温度阈值、优选地低于燃烧气体的自燃温度时，回热式气体燃烧器10自动地从第二操作模式切换到第一操作模式。在这种情况下，在第二操作模式下打开的气体入口18变为关闭，并且在第二操作模式下关闭的气体入口17变为打开。进一步地，在这种情况下，第一空气入口23可以变为打开，或者通过内部空气室21a提供的空气量可以变得增加。定位在燃烧室11内的火焰点火杆(未示出)可随后被激活。

对于在上述两种操作模式之间切换回热式气体燃烧器10，可能存在滞后。本发明所公开的实施方案还可包括具有两个同心空气供应室21a、21b的回热式气体燃烧器10，内部空气供应室21a不与废气通道22接触，并且外部空气供应室21b与废气通道22接触。

回热式气体燃烧器10可以两种操作模式操作，第一模式优选地在第一模式下低于自燃温度，并且第二模式优选地在第二模式下高于自燃温度。

在第一模式下，最低NOx排放可通过接近稳定性极限的空气分级来实现。在第一模式下，最优选地约40％至60％的燃烧空气(燃烧空气的第一空气部分A1)穿过内部空气供应室21a并且保持较冷，从而导致NOx大幅减少。剩余空气(燃烧空气的第二空气部分A2)可在穿过外部空气供应室21b的同时被加热。在平衡由内部空气供应室21a提供给燃烧室11的冷空气和由外部空气供应室21b提供给燃烧器尖端12的加热空气的比率时，NOx排放可在第一模式下最小化。

高于自燃温度时，可将回热式气体燃烧器10切换到第二模式。在第二模式下，气体可流过第二气体供应管道14b到达燃烧器尖端12，同时流过外部空气供应室21b的空气将增多。通过内部空气室21a提供的燃烧空气可减少至0％，并且通过外部空气室21b提供的燃烧空气可增加至100％。由于燃烧空气的高速，燃烧空气可与燃烧器尖端12下游的废气混合并被其稀释，并且在第二模式下与最少的NOx在燃烧的下游进一步反应。

根据本公开的回热式气体燃烧器允许在第二操作模式下几乎自由地选择大部分A3与小空气部分之间的比率，并且在第一操作模式下几乎自由地选择第一部分A1与第二空气部分A2之间的比率，以满足顾客对NOx排放、空气压力和效率的需求。

因此，基于前文所述，能够理解可以实现用于工业应用的回热式气体燃烧器。气体燃烧器包括燃烧室11并且可包括提供燃烧室11的出口开口13的燃烧器尖端12。气体燃烧器可包括用于燃烧气体的气体供应源14，该气体供应源具有第一气体供应管道14a和第二气体供应管道14b。燃烧气体可通过第一气体供应管道14a提供给燃烧室11，并且其中燃烧气体可通过第二气体供应管道14b提供给燃烧器尖端12。

气体燃烧器可包括用于燃烧空气的空气供应源21和用于废气的废气流动通道22，其中废气流动通道22和空气供应源21可被构造成使得燃烧空气可被废气加热。空气供应源21还包括内部空气供应室21a，该内部空气供应室具有用于燃烧空气的第一入口23。内部空气供应室21a可被构造成将燃烧空气提供给燃烧室11。空气供应源21可包括外部空气供应室21b，该外部空气供应室具有用于燃烧空气的第二单独入口24。外部空气供应室21b可被构造成向燃烧器尖端12提供燃烧空气，并且外部空气供应室21b可定位在废气流动通道22与内部空气供应室21a之间。

应当理解，上文所公开的变型以及其他特征和功能或它们的另选形式可有利地组合到许多其他不同的系统或应用中。还应当理解，本领域的技术人员可随后作出各种目前未预见或未预料到的另选方案、修改、变型或改进，这些另选方案、修改、变型或改进也旨在由以下权利要求书涵盖。

10 气体燃烧器

11 燃烧室

12 燃烧器尖端

13 出口开口

14 气体供应源

14a 第一气体供应管道

14b 第二气体供应管道

15 第一管

16 第二管

17 气体入口

18 气体入口

19 气体出口开口

20 气体出口开口

21 空气供应源

21a 内部空气供应室

21b 外部空气供应室

22 废气流动通道

23 空气入口

24 空气入口

25 出口开口

26 出口开口

27 废气开口

28 NOx排放

29 效率

30 空气压力