CN101040147B - 带有多孔体的燃烧器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃烧器装置，其包括至少部分地填充有多孔体(28)的燃烧室(26)、位于燃烧室(26)上游用于蒸发经由燃料入口管线(16)供入的液体燃料的蒸发区(12)、用于点燃由蒸发的液体燃料和经由燃烧空气入口管线(18)供入蒸发区(12)的燃烧空气组成的燃烧混合物的点火器(30)，以及位于燃烧室(26)下游的排气口(38)。本发明的特征在于在蒸发区(14)和燃烧室(26)之间设置有混合区(20)，在混合区(20)内经由可燃气体入口管线(22，24)引入的可燃气体与燃烧空气和/或燃烧混合物混合。本发明还涉及一种该燃烧器装置作为燃料电池堆内的后燃器的使用方法，以及一种相应的燃料电池堆。

Description

带有多孔体的燃烧器装置
技术领域
本发明涉及一种燃烧器装置，其包括至少部分填充有多孔体的燃烧室、位于燃烧室上游用于蒸发经由燃料入口管线供入的液体燃料的蒸发区、用于点燃蒸发液体燃料和经由燃烧空气入口管线供入蒸发区的燃烧空气组成的燃烧混合物的点火器以及位于燃烧室下游的排气口。
背景技术
德国专利DE 101 60 837 A1公开了这样一种也称为多孔燃烧器的燃烧器装置。多孔燃烧器的特点是它的多孔体，即至少部分地填充在燃烧器室内的多孔材料体。用于这种多孔体的多孔材料通常是非氧化性材料，例如SiC、SiN，或者是高温氧化物，例如Al2O3或ZrO2。多孔体经常用于提高燃烧器装置的排放质量。因为限定在大表面积上的燃烧发生在多孔体内，所以利用多孔体能获得稳定的完全燃烧以致燃烧器可以在较低温度下工作，这反过来减少了排气中的NOx浓度。此外，多孔体的某些部分，例如在上述专利中公开的，被用作防焰器以防止向入口管线或蒸发区的回火。这可以实现，因为在多孔体面向入口管线或蒸发区的部分有非常小的孔尺寸以致在那里没有火焰形成。紧邻着小孔区，在多孔体内设有较大孔用于促进稳定火焰的形成，这样就达到了上面所提的形成稳定火焰和作为防焰器的目的。然而，多孔体的小孔区会产生相当大的压力损失。这就是尽管有防焰器仍然会发生回火的原因，尤其会在燃烧器的非静止工作点发生回火，从而导致更多的废气排放乃至会损坏燃烧器或是它的一部分。
用于燃烧气体燃料或可燃气体的多孔燃烧器也是已知的。实际上，大多数多孔燃烧器都设计成气体燃烧器。这种气体多孔燃烧器的一个例子公开在德国专利DE 199 60 093 A1中。该气体多孔燃烧器包括罐式多孔体，该罐的内部作为混合区，可燃气体经由可燃气体入口管线引入该混合区与同样也引入罐内部的燃烧空气混合。罐内部的外面部分还作为反应区，即燃烧区，该区的厚度可以由进气的流量和压力控制。反应区内所形成火焰的稳定发生在多孔体内。这种装置非常容易发生回火，因此燃烧器的可燃气体入口管线必须包括相应的保护装置。
液体燃料的多孔燃烧器与可燃气体的多孔燃烧器相比有完全不同的结构特征，如上述专利中典型描述的。
发明内容
本发明的目的是改进普通的多孔体，以便可选择地燃烧液体燃料和可燃气体或它们的组合。
该目的通过权利要求1中描述的特征来实现。
有利的方面和更多的实施方式在从属权利要求中体现。
根据本发明的燃烧器装置基于普通的现有技术，即在蒸发区和燃烧室之间设置有混合区，经由可燃气体入口管线引入的可燃气体在该混合区内与燃烧空气和/或燃烧混合物混合。该配置的要点是在第一区，即蒸发区内产生优选由液体燃料和燃烧空气组成的可燃燃烧混合物，且根据需要和可燃气体富集在相邻的混合区中。这样富集的燃烧混合物就被点燃，在多孔体内形成边界确定且稳定的火焰。应注意，本说明书范围中的术语“燃烧空气”应在宽范围内理解，不仅仅是大气混合物，而是可以与蒸发液体燃料或可燃气体混合形成可燃混合物的任何其他含氧气体。
优选的是，蒸发区至少部分地填充有多孔蒸发器元件。
本文中尤其考虑的优点是使用金属泡沫作为多孔蒸发器元件，尽管为了这个目的应尽可能地使用陶瓷泡沫或多孔质固体。多孔蒸发器元件的大表面积促进液体燃料的蒸发。蒸发可以进一步通过预热蒸发器元件或其催化涂层来维持。尽管也可以将蒸发区构造成雾化室，但是优选的是使用蒸发器元件，因为它在技术上更容易实现。然而，应尽可能经由喷嘴，即没有填充泡沫的喷嘴供入液体燃料。
本发明的另一有利方面在于，可燃气体入口管线构造成在混合区内为一根管子，该管子的管壁上设有径向穿孔，并优选在管子端部关闭。这一管子被由蒸发区流入混合区的燃烧混合物流包围，从而实现可燃气体和燃烧混合物之间的良好混合并在其中富集。
作为选择，可燃气体入口管线也可以配置成在混合区内为多孔陶瓷体，因为与具有多孔管壁的管子相比这种陶瓷体有更大的表面积，所以可燃气体和燃烧混合物会形成更好的混合。
用于点燃可能富集的燃烧混合物的点火器优选设置在燃烧室内，并且尤其优选的是伸入多孔体内。这就确保了点火首先发生在已经进入多孔体的(富集的)燃烧混合物中，所以火焰首先在多孔体内形成，这样就在没有专门的防焰器的情况下避免了回火。
当根据如上所述的发明的燃烧器用于联合操作时，该火焰可以将液体燃料的燃烧作为可燃气体的引燃火焰，以使在直流气体燃烧器中不可燃的燃料气体也可以燃烧。然而，应尽可能使用根据本发明的燃烧器，且和气体或液体燃烧器一样在直流模式下也采用高品质可燃气体或液体燃料。
优选的是设置有用于控制可燃气体、液体燃料和燃烧空气的控制器，其中可燃气体、液体燃料和燃烧空气中的每一个都被调节以互相混合。即使供应和质量条件不同，这一控制器也能确保实现长期的最佳燃烧。
因为很难事先检测参与燃烧的各个组分的化学特性并相应地设定控制参数，所以本发明的一个有利方面是闭环控制调节。也就是，根据排气口区域和/或燃烧室内的感应器感应到的参数的特征函数来控制调节。为了达到这一目的，可以在排气口区域设置所谓的λ传感器和/或在同一区域或燃烧室区域设置温度传感器。这就为监控燃烧本身提供了可能，并且当感应到的参数偏离预先设定的值时，单个燃烧组分的混合就会被调节以实现最佳燃烧。
在预料到单个燃烧组分的有效流量和/或质量会严重波动时，这种着重结果的闭环控制系统尤其有利，例如-在本发明尤其优选的实施例中-在根据本发明的燃烧器被用作燃料电池堆的后燃器(afterburner)的情况下，其中阳极排气流被作为可燃气体送入燃烧器装置的燃料电池堆。
燃料电池是一种用于获得电能的已知装置，其中基本上氢化的阳极气体和氧化的阴极气体由燃料电池模块中电能的催化产物转化为水。这种燃料电池配置通常包括多个互相连接的燃料电池模块。该配置称为燃料电池堆。这种燃料电池堆的一个问题是氢化阳极气体的不完全转化。这就是(不完全的)阳极排气流经常在后燃器内燃烧的原因，燃烧所产生的热量随后被热交换器吸收或被利用。然而，燃料电池中催化转化的程度取决于它的实际工作点，由于供入后燃器的可燃气体的“质量”经常波动，从而导致了燃烧器故障或者至少低于最佳燃烧质量。这一问题现在可以通过将根据本发明的燃烧器装置作为燃料电池堆的后燃器来解决。
为了有效地利用燃烧产生的热量，优选的是燃烧室与热交换器元件热接触。
附图说明
现在将以参考附图进行举例的方式来描述本发明的一个优选实施例，其中：
图1是根据本发明的燃料电池堆的一个实施例的示意性剖视图，其包括根据本发明的燃烧器装置。
具体实施方式
现在参见图1，描述了燃料电池堆的示意性剖视图，该燃料电池堆包括指定根据本发明的燃烧器装置10作为后燃器的燃料电池模块42。液体燃料和燃烧空气分别经由燃料入口管线16和燃烧空气入口管线18供入燃烧器装置10，燃烧器装置10优选构造成金属蒸发器元件14，尤其是金属泡沫。供入的液体燃料在可能涂覆有催化剂的蒸发器元件14的整个表面积上蒸发并与燃烧空气混合。
产生的燃烧混合物从蒸发区流入混合区20，可燃气体则经由可燃气体入口管线22进入该混合区，在该例子中可燃气体入口管线22是燃料电池模块42的阳极排气装置。在混合区20内，可燃气体入口管线22优选为多孔管或多孔体的形式，尤其是多孔陶瓷体。可燃气体入口管线22的端部在下文中称为可燃气体分配器24。可燃气体分配24被来自蒸发区的燃烧混合物流包围，从而实现可燃气体和燃烧混合物的均匀混合，也就是燃烧混合物的富集。接着(富集的)燃烧混合物流入如实施例中所示被多孔体28完全充满的燃烧室26。例如，可以配置成电发热针的点火器30伸入多孔体28中。点火器30点燃已进入多孔体28的(富集的)燃烧混合物，从而形成稳定火焰并达到燃烧混合物的几乎完全燃烧。在该燃烧室的后部设置有热交换器32，热交换器32例如包括与热流体入口管线34和热流体出口管线36连接的螺旋管。在该例子中使用的热流体可以是任何已知的流体，例如水、乙二醇、热油等，由此如果必要，也可以将气态物质，例如空气作为传热介质。
连接在燃烧室26后部的是排气口38，燃烧产生的废气经由它排到外面。
在所示的实施例中，在排气口的区域内设置有λ传感器40，通过它感应某些排气参数可以确定燃烧质量。λ传感器40所感应的参数会传送到调节燃烧组分，即液体燃料、燃烧空气和可燃气体的混合的控制器44，以优化燃烧室26内的燃烧。
当然应了解，上述详细描述和附图中所示的实施例仅仅是本发明的说明性实施例，本发明一点也不受它的限制。本领域的技术人员可以对其进行变化和修改。因此，例如除所示λ传感器40外可以使用额外的或其他的传感器，或者根本就不使用传感器。此外，燃烧器个别部分的特殊几何布置也没有必要和图1中所示的一样。为了冷却废气或预热可燃气体、液体燃料和/或燃烧空气，废气或它的组分可以返回，以包围相应的入口管线16、18、22，正如也可能将它们返回到热交换器以提高其效率。
应了解，上述说明书、附图以及权利要求书中所公开的本发明的特征是以单独和任何组合的形式实现本发明所必需的。

Claims (12)

1.一种燃烧器装置(10)，包括：位于燃烧室(26)上游用于蒸发经由燃料入口管线(16)供入的液体燃料的蒸发区(12)；用于点燃由已蒸发的液体燃料和经由燃烧空气入口管线(18)供入蒸发区(12)的燃烧空气组成的燃烧混合物的点火器(30)；以及位于燃烧室(26)下游的排气口(38)，其中，在蒸发区(12)和燃烧室(26)之间设置有混合区(20)，经由可燃气体入口管线(22，24)供给到混合区(20)的可燃气体与燃烧空气和燃烧混合物的至少之一混合，并且，燃烧室(26)至少部分地填充有多孔体(28)，其特征在于：所述燃烧器装置(10)被设计成在联合操作中将液体燃料的燃烧火焰作为可燃气体的引燃火焰，富集了可燃气体的燃烧混合物的液体燃料和可燃气体在燃烧室(26)中燃烧。
2.如权利要求1所述的燃烧器装置(10)，其特征在于：蒸发区(12)至少部分地填充有多孔蒸发器元件(14)。
3.如权利要求2所述的燃烧器装置(10)，其特征在于：多孔蒸发器元件(14)是金属泡沫。
4.如权利要求1或2所述的燃烧器装置(10)，其特征在于：可燃气体入口管线(22，24)构造成在混合区(20)内为在其管壁上设有径向穿孔的管子。
5.如权利要求1或2所述的燃烧器装置(10)，其特征在于：可燃气体入口管线(22，24)构造成在混合区(20)内为多孔陶瓷体(24)。
6.如权利要求1或2所述的燃烧器装置(10)，其特征在于：用于点燃燃烧混合物的点火器(30)伸入多孔体(28)中。
7.如权利要求6所述的燃烧器装置(10)，其特征在于：用于点燃燃烧混合物的点火器(30)设置在燃烧室(26)内。
8.如权利要求1或2所述的燃烧器装置(10)，其特征在于：设置有控制器(44)，用于控制可燃气体、液体燃料和燃烧空气的进入流，可燃气体、液体燃料和燃烧空气中的每一个都被调节以彼此混合。
9.如权利要求8所述的燃烧器装置(10)，其特征在于：控制器(44)适于根据排气口(38)区域和/或燃烧室(26)内的传感器感应到的参数的特征函数来控制被调节的混合。
10.如权利要求1或2所述的燃烧器装置(10)，其特征在于：燃烧室(26)与热交换器元件(32)热接触。
11.上述权利要求中任一项所述的燃烧器装置(10)作为燃料电池堆中的后燃器的使用方法，其中将阳极排气流作为可燃气体送入燃烧器装置(10)的燃料电池堆。
12.一种用于通过利用至少一个燃料电池模块(42)催化转化氢化阳极气体和氧化阴极气体来产生电能的燃料电池堆，其中阳极排气流可供入后燃器作进一步燃烧，其特征在于：将权利要求1-10中任一项所述的燃烧器装置(10)作为该后燃器。
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