用于减少NOx-排放的燃烧器和用于运行燃烧器的方法与流程

本发明涉及一种在减少nox-排放的情况下用于加热加热空间的燃烧器，该燃烧器包括混合和燃烧腔室和燃烧腔室开口，该燃烧腔室开口使混合和燃烧腔室向待加热的加热空间打开。在混合和燃烧腔室中产生火焰，利用该火焰的热量来加热该加热空间。本发明还涉及一种用于运行这种燃烧器的方法

背景技术：

具体地，这种燃烧器是用于加热工业热处理设备中的炉空间，其中它例如可以是指用于热处理的腔式炉、用于加热和锻造的活底炉、辊底炉或回转炉。然而，这些实例应被理解为仅是示例性的，因为这种工业燃烧器的应用是多种多样的。

燃烧器利用气态的或液态的燃料与空气或氧气一起运行。在此，越来越多地使用脉冲式燃烧器或高功率燃烧器，其中，燃料和空气在燃烧腔室中混合并且点火。所产生的热的燃烧气体以高的速度通过燃烧腔室开口流入到待加热的加热空间中。加热空间可以是指炉空间本身或射束管，它们气密地穿过炉壁伸入到炉空间中。

在此，力求在燃烧时引起尽可能小的nox-值，然而这取决于彼此相互作用的不同参数。例如，已经证明以两种运行模式来运行工业燃烧器是有利的措施，其中第二运行模式包括实现低nox-值的无火焰氧化。

例如，ep0685683b1公开了一种工业燃烧器，该工业燃烧器能够在混合和燃烧腔室之内的具有火焰的起动运行和在混合和燃烧腔室之外的具有无火焰氧化的加热运行之间切换。为此，设置有两个不同的燃料喷嘴装置，利用其使得燃料可以选择性地被引入到混合和燃烧腔室(起动运行)中以及燃烧腔室出口附近(加热运行)。在加热空间中达到预先确定的温度之后，实现在起动运行和加热运行之间的切换，其中，这个温度高于燃料/空气混合物的点火温度，因此混合物为了无火焰氧化可以无附加的点火地在燃烧腔室出口的区域中燃烧。

然而，这种工业炉需要两种不同的燃料输送部和高温运行下的切换。此外，由于无火焰氧化，它不能在没有达到或还没有达到所提及的点火温度的、加热空间的区域内实现其低nox-值。此外，工业炉需要昂贵的监测，因为混合和燃烧腔室中的火焰在切换到加热运行后熄灭，并且因此不再能根据该火焰的存在来监测所述炉。

技术实现要素：

因此，本发明的任务在于，提供一种燃烧器和一种用于运行该燃烧器的方法，通过该方法，尤其在避免上述缺点的情况下，可以实现低nox-值。

根据本发明，该任务通过根据独立权利要求1所述的燃烧器来实现。燃烧器的有利的改进方案由从属权利要求2-13得出。本发明还通过根据权利要求14所述的用于运行这种燃烧器的方法和根据权利要求15至19所述的方法的有利的改进方案来实现。

应当指出的是，在权利要求中单独列出的特征可以以任意的技术上有意义的方式彼此组合，并且揭示本发明的进一步的设计方案。说明书特别是结合附图来附加地表征和详细说明本发明。

利用根据本发明的燃烧器可以加热加热空间，其中，加热空间例如是指炉空间或射束管，其伸入到待加热的炉空间中。因此，燃烧器可以用一个开放式燃烧装置或一个射束管来运行。射束管可以使用不同类型的射束管。例如，它是指一种ser型射束管(单端辐射管)。然而，例如也可以使用p型或dp型的射束管。优选地，炉空间配备有多个燃烧器。它涉及一种工业燃烧器，该工业燃烧器特别是用于在工业的热处理设备中直接加热炉空间。通过根据本发明的燃烧器的结构和运行方式，可减少nox-排放，其中燃烧器还带来了其它优点。

为此，根据本发明的燃烧器具有如下混合和燃烧腔室，在该混合和燃烧腔室内布置有混合和点火装置。燃料输送部与混合和点火装置相连并构造用于向混合和点火装置输送燃料。此外，设置有如下空气输送部，该空气输送部构造用于将第一空气部分流输送给混合和燃烧腔室。燃烧器利用空气和液态的或优选气态的燃料运行。例如使用天然气。混合和燃烧腔室通过燃烧腔室开口向待加热的加热空间敞开。

此外，燃烧器提供了如下控制机构，该控制机构被构造用于通过燃料输送部来控制燃料流b，并且用于通过空气输送部来控制至少一股空气部分流。燃烧器和所述控制机构构造用于以稳定的火焰来运行燃烧器，该火焰从混合和点火装置穿过燃烧腔室开口延伸到加热空间中。这种伸长的火焰具有带不同特征的火焰区域。这至少涉及混合和燃烧腔室内部的第一火焰区域，其例如可通过电离电极来探测。在燃烧腔室开口的外部构造有第二火焰区域，其特征在于排出流的高速度。

根据本发明，燃烧腔室开口的与燃烧器功率相关的横截面处于1.5mm²/kw到10mm²/kw之间的范围内。在本发明的一种实施方式中，燃烧腔室开口的与燃烧器功率相关的横截面处于1.5mm²/kw至8mm²/kw之间的范围内，优选在1.5mm²/kw至6mm²/kw之间的范围内，特别优选在1.5mm²/kw至5mm²/kw之间的范围内。

利用这些值，在燃烧腔室开口的区域中可实现非常高的排出速度，通过该排出速度，废气又以更大的程度从加热空间被吸入到该区域内的火焰中。在此，选择的燃烧腔室开口的横截面明显小于在已知的燃烧器中的情况。例如，在已知的空气/燃料燃烧器中，通常导致燃烧腔室开口的与燃烧器功率相关的横截面大于10mm²/kw。由于经验表明火焰不再能够稳定且可靠地运行，因此避免了该值的显著降低。然而，本发明基于以下认识，即，在燃烧器的合适的构造和运行的情况下，也可实现明显低于10mm²/kw的值。尤其地，这与在点火和混合装置的区域内产生稳定的火焰一起进行。因此，控制机构和混合和点火装置被构造用于在混合和燃烧腔室中产生稳定的火焰。

通过本发明在燃烧腔室开口处产生了更高的排出速度，这又导致增强废气从加热空间的吸入，由此可以减少nox-排放。在干燥废气中，可以获得关于3％的o2的5-100mg/nm³范围内的nox-值，或者使用关于3％的o2的50-150mg/nm³的ser-射束管。此外，特别是在长的ser-射束管的情况下，通过提高的排出速度，可以改善加热空间中的温度曲线。

本发明还具有这样的优点，即在混合和点火装置的区域中的稳定的火焰能够持续地被探测并且因此能够被监测。因此，在本发明的一种实施方式中，火焰监测机构设置在混合和燃烧腔室中，所述火焰监测机构构造用于探测混合和点火装置的区域中的火焰。火焰监测机构例如是指一种伸到火焰的区域中的电离棒。火焰监测机构用于监测混合和燃烧腔室中的火焰的存在，这相对于采用高温切换的解决方案来说比较简单且可靠地执行。

因此，可以基于燃烧腔室中的火焰的存在而容易地监测燃烧器的功能。因此，本发明提供了这样的可行方案，即，为了在干燥的废气中达到基于3％的o2的在5至100mg/nm³或50至150mg/nm³范围内的低的nox-值，尤其不必使用无火焰氧化，因为其不存在可监测的火焰，因此对于无火焰氧化的监测是高耗费的并且比较不可靠的。

此外，利用根据本发明的燃烧器，从约300至500℃的加热空间温度开始就已经可以减少nox-，而这在使用无火焰氧化的情况下仅在约800℃的温度下才可能。因此，根据本发明的燃烧器可有利地用于需要高功率的热处理设备的区域中，但待加热区域中的温度不在或尚未达到800℃以上。例如，在连续式炉的功率强的第一区域中，根据本发明的燃烧器可以完全地起作用。

优选地，还设置有一种换热器，其至少部分地包围燃烧器的空气输送部。然而，本发明也可以用于没有换热器的燃烧器结构形式。这种类型的换热器可以以多种方式构造，并且基本上具有用于从加热空间将热废气吸收到换热器中的机构。此外，它们具有用于将燃烧用空气输送至换热器以及用于借助通过换热器引导的热废气来加热燃烧空气的机构。换热器相应地构造用于实现在热废气与所输送的燃烧空气之间的合适的热传递。因此，通过换热器可将第二空气流l2输送给混合和燃烧腔室或混合和燃烧腔室外部的加热空间。该第二空气流l2是从换热器输送给混合和燃烧腔室或是直接输送给有待加热的加热空间，这取决于燃烧器的结构形式。第一空气部分流l1可以可选地同样通过换热器来预加热。

因为通过换热器预加热的燃烧空气可以以不同的方式输送给燃烧，所以燃烧腔室开口的可达到的横截面也明显取决于具有换热器的燃烧器的结构形式。在本发明的一种实施方式中，空气输送部例如由空气输送管构成，在该空气输送管内如此布置有混合和点火装置，从而构成混合和燃烧腔室。空气输送管在此构成燃烧腔室开口。在这种结构形式中，可实现燃烧腔室开口的非常小的直径，其中，燃烧腔室开口的与燃烧器功率相关的横截面例如处于1.5mm²/kw到5mm²/kw之间的范围内，特别优选处于2.5mm²/kw到3.5mm²/kw之间的范围内。

在具有换热器的结构形式中，第二空气部分流l2例如从换热器导入到加热空间中。于是就不将预加热的第二空气流l2直接输送到混合和燃烧腔室中，而是将该第二空气部分流l2输送给混合和燃烧腔室外部的火焰区域。

在具有换热器的燃烧器的另一种结构形式中，空气输送部同样通过空气输送管形成，在空气输送管内如此布置混合和点火装置，从而构成混合和燃烧腔室。然而，在该实施方式中，将预加热的第二部分空气流l2由换热器优选地同样引导到混合和燃烧腔室中的同时，换热器构成燃烧腔室开口。由此，进入混合和燃烧腔室中的总空气流高于前述实施方式，但仍然可以实现燃烧腔室开口的非常小的直径，其中燃烧腔室开口的与燃烧器功率相关的横截面处于3mm²/kw到10mm²/kw之间的范围内，特别优选在3mm²/kw到6mm²/kw之间的范围内。

在本发明的一种实施方式中，控制机构还被构造用于在达到预先确定的参数值后改变、特别是增加燃料流b与空气流的比例。在具有换热器以及因此多股空气部分流的结构形式中，燃料流b与预加热的第一和第二空气流的总和的比例改变、特别地是增加。在本发明的一种实施方式中，控制机构优选地构造用于在达到预先确定的参数值后，在空气流(特别是预加热的第一和第二空气流的总和)几乎保持不变的情况下增加燃料流b。预先确定的参数值是温度值，其中，该温度值尤其是指在待加热的空间中或在待加热的空间内部的特定的区域中的参考温度(区域温度)。然而，该空间不必是指根据本发明的加热空间，而是确定用于能够根据燃烧器的安装情况而变化的温度的合适的参考点。参考温度优选地选择成或根据实验确定，使得例如当天然气用作燃料时，自该温度起，燃料流b与空气流的比例可以从1：20改变到1：10。该温度例如在200℃到500℃之间。对于其它气态燃料而言，可得到其它合适的混合比例，从而天然气的混合比例的所说明的变化仅仅示例性地用于阐述本发明。

通过这种类型的控制机构，尤其可以在冷态下以1：20的燃料流b与空气流(尤其是与预加热的第一和第二空气部分流的总和)的比例流向燃烧器。这使得能够形成稳定的火焰，该火焰通过燃烧腔室开口延伸到加热空间中。然而，随着燃烧器的运行进行，如果燃烧器和炉加热，比例可在不使火焰去稳定的情况下转到1：10。燃烧器优选地在全空气量下首先以一半功率运行，并且然后当达到同样实现火焰的充分稳定的特定的温度条件时能够以全功率继续运行。因此，尽管在燃烧腔室开口的区域中的排出速度较高，但是在燃烧器的各个加热阶段中仍然可以产生稳定的火焰。

可选地，燃烧器具有用于将燃烧器切换到无火焰氧化运行的机构。为此，例如设置有用于使燃料流和/或第一空气部分流的流动偏转的机构，在激活所述机构时通过控制机构使火焰去稳定并且熄灭。燃烧器还构造用于使得以高速从燃烧腔室开口排出的、燃料和空气的无火焰氧化发生在燃烧腔室开口的外部。其前提是，该区域中的温度达到高于混合物的点火温度的值，也就是说大约为800℃。为此设置有与控制机构连接的、相应的温度监测机构。即使在这种无火焰氧化的情况下，燃料和空气在燃烧腔室开口处的增加的排出速度也会导致更多量的废气的有利的吸入，这又会降低nox-值。

这种用于切换到无火焰氧化的流动偏转例如可以通过延长的燃料喷枪实现，该燃料喷枪一直伸到燃烧腔室开口的区域中，如ep0685683b1中所提出的那样。还可以操控燃料从点火和混合装置中的改进的排出。

本发明还包括一种运行根据本发明的一种实施方式的燃烧器的方法，其中，控制机构操控燃料流和至少一股空气部分流，使得构成稳定的火焰，该火焰从混合和点火装置穿过燃烧腔室开口延伸到加热空间中。

该方法尤其针对开始加热阶段包括可选的措施，即在达到预先确定的参数值之后，控制机构增加燃料流与空气流的比例。尤其地，这通过使得控制机构如上所述在空气流几乎保持不变的情况下增加燃料流来实现。例如，控制机构将燃料流与空气流的比例从1：20改变到1：10。在具有换热器的结构形式中，上述空气流由第一和第二空气部分流组成。因此，该方法还规定，预先确定的参数值是指在待加热的空间中的温度，并且该温度在200℃到500℃之间。这种方法过程具有前述优点。

为了可选地切换到无火焰氧化运行，在一种实施方式中，该方法规定，获取加热空间的温度th，并且当达到高于燃料/空气混合物的点火温度的预先确定的温度th时，燃料流和/或第一空气部分流的流动被偏转成使得火焰去稳定和熄灭，并且然后在燃烧腔室开口外面使得从燃烧腔室开口排出的燃料和空气发生无火焰氧化。这种方法过程具有前述优点。

附图说明

本发明的其它优点、特点和符合目的的改进方案由从属权利要求和以下借助附图对优选实施例的描述得出。

附图示出：

图1示出了根据本发明的燃烧器的第一实施方式的示意性截面图；

图2以流程图示出了用于控制燃烧器的控制机构的一种实施方式的图示；

图3示出了根据本发明的燃烧器的第二实施方式的示意性截面图；并且

图4示出了根据本发明的燃烧器的第三实施方式的示意性截面图。

具体实施方式

图1示意性地示出了根据本发明的燃烧器10的第一实施方式，将基于其来解释本发明的主要特征。然而，燃烧器的结构不应被理解为限制性的，并且图1尤其仅示出了部件和构件尺寸的示意图。这同样适用于图3和图4，图3和图4示出了其他的实施方式。同样地，也包括没有换热器的结构形式。

燃烧器10安装到炉壁20中并且产生火焰56，利用该火焰可以加热加热空间55。在该实施方式中，涉及到敞开的火焰，其直接加热该加热空间55。然而，其他的采用辐射管的间接加热的实施方式也是可行的。图4示出了这种实施方式。

燃烧器10具有如下混合和燃烧腔室54，该混合和燃烧腔室通过呈空气输送管形式的空气输送部30构成。将燃烧空气引入到该空气输送部30中(未示出)并且作为第一空气部分流l1流入到混合和燃烧腔室54中。在该空气输送管30内安置有与燃料输送部50连接的点火和混合装置51，燃料通过该燃料输送部输送给点火和混合装置51。燃料例如为天然气。

点火和混合装置51以合适的方式如此构造，使得燃料从其中排出，使得通过点火由燃料流b和第一空气部分流l1组成的混合物可以产生稳定的火焰56。在图1的示意图中，为此多股燃料流在侧面以一定角度从点火和混合装置51排出，但是这不应理解为限制性的。同样可以使用任何其它适合的点火和混合装置51。

在该实施方式中，燃烧器还具有包围空气输送管30的换热器40。热废气a1从加热空间55被吸入到换热器40中，并且第二空气部分流l2以逆流加热。可选地，也能够在换热器40中预加热第一空气部分流l1。预加热的第二空气部分流l2输送给加热空间55。这在伸长的火焰56的区域中实现，其中，火焰56具有不同的火焰区域。第一火焰区域56a位于混合和燃烧腔室54内部，其中空气输送管30形成燃烧腔室开口53，火焰56从点火和混合装置51延伸穿过该燃烧腔室开口。第二火焰区域56b在燃烧腔室开口53之前在加热空间55中形成。将来自换热器40的预加热的第二空气部分流l2输送给火焰区域56b。同时，热废气a2从加热空间55被吸入到火焰区域56b中。

在燃烧器的这种构造中，燃烧腔室开口53的与燃烧器功率相关的横截面在1.5mm²/kw至5mm²/kw的范围内，特别优选在2.5mm²/kw至3.5mm²/kw之间的范围内。由此在燃烧腔室开口53处产生高的排出速度，其引起在火焰区域56b中的低的nox-值。在混合和燃烧腔室内火焰56的nox-形成的总和中，在敞开燃烧的情况下，在干燥废气中，可实现关于3％的o2的从5至100mg/nm³的范围内的总体低的nox-值。此外，火焰56可被良好地监测，其中，为此在混合和燃烧腔室54中设置有电离棒52，利用该电离棒可探测火焰56的存在。

为了将燃烧器置于图1的运行状态，优选地执行具有燃料流b和空气部分流l1、l2的特定的操控的开始加热阶段，以便即使在冷的燃烧器10的情况下也能够产生稳定的火焰56。为此设置有控制机构60，其结构示例性地可从图2中获知。燃烧器10配备有控制机构60，该控制机构能够为燃烧器10供给燃料和空气。以下将燃料简称为气体。为了气体的流动，从燃烧器10开始串联地设置有调整阀61、气体阀63、补偿器64和用于联接到空气供给部(未示出)上的球阀65。为了空气的流动，从燃烧器10开始串联地设置有调整阀66、空气阀67、补偿器68和用于联接到空气供给部(未示出)上的滑阀69。在调整阀61和气体阀63之间，在旁路中并联地设置有带有气体阀的恒压调节器62和另一气体阀62a。在调整阀66和空气阀67之间分岔出通向具有气体阀的恒压调节器62的脉冲管路70。

通过这些控制机构，燃烧器可以首先在冷状态下以大约1∶20的燃料与空气的比例起动，这使得能够构成稳定的火焰56。在此，在通过阀62a的燃料流首先被减少期间，全部的空气量已经被提供。取决于燃烧器10的结构和炉内的环境条件，燃料流可从预先确定的温度开始增加，因为火焰56现在稳定在甚至更高的燃料份额。从该温度开始，燃料流从阀62a变换到阀62，以这种方式增加燃料流，并且在此例如调整大约1∶10的燃料与空气的比例。

图3示出了根据本发明的燃烧器11的一种替代的实施方式，然而，其中换热器40形成燃烧腔室开口53’。因此，在换热器40’中预加热的第二空气部分流l2’与第一空气部分流l1一起通入混合和燃烧腔室54’中。但火焰56与两个火焰区域56a和56b类似地构成，并且其余的部件也相应于图1的实施方式。仅仅是燃烧腔室开口53’的与燃烧器功率相关的横截面在此处于3mm²/kw到10mm²/kw之间的范围内，特别优选地处于3mm²/kw到6mm²/kw之间的范围内。

图4示出了根据图3的实施方式的燃烧器12，其中，待加热的加热空间55’布置在火焰管42的内部。火焰管42被射束管41包围，该射束管为了间接加热而从炉壁20伸入到炉内部空间中。射束管41内的火焰管42允许热废气a3的流返回到燃烧器12，其中它作为废气a1输送给换热器或作为废气a2从火焰区域56b吸入。在使用例如ser射束管时，利用本发明可以在干燥废气中获得关于3％的o2的在50至150mg/nm³范围内的nox-值。

附图标记列表

10、11、12燃烧器

20炉壁

30、30’空气输送部、空气输送管

40、40’换热器

41射束管

42火焰管

50燃料输送部

51混合和点火装置

52火焰监测机构、电离棒

53燃烧腔室开口

54、54’混合与燃烧腔室

55、55’加热空间

56火焰

56a、56b火焰区域

60控制机构

61调整阀气体

62具有气体阀v2的恒压调节器

62a气体阀旁路

63气体阀v1

64补偿器

65球阀

66调整阀空气

67空气阀

68补偿器

69滑阀

70脉冲管路

l1空气部分流

l2空气部分流、预加热

b燃料流

a1在换热器中的废气流

a2火焰中的废气流

a3废气流再循环