CN101389905B - 用于没有催化剂或高温氧化剂的无火焰燃烧的系统、设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种系统、设备和方法，由此在燃烧室中促成和维持无火焰燃烧，该燃烧室具有凸起的、凹入的、平直的或它们的任何组合的表面，而不需要催化剂或高温氧化剂。所述设备允许燃烧室在常规燃烧模式和无火焰燃烧模式下运行。所述方法用于在热空气和燃料气体混合之前将二者惰性化，只要它们的混合温度在10000F至14000F的范围内即可。惰性热空气和惰性燃料气体沿燃烧室的内表面并排流动，以使得两种气体更均匀地混合，由此允许在较低温度下进行无火焰燃烧，以产生低的NOx排放。

Description

用于没有催化剂或高温氧化剂的无火焰燃烧的系统、设备和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2006年1月5日递交的美国专利申请No.11/325,979的优先权。
联邦赞助研究/开发声明
不可申请。
联合研究协议人员名字
不可申请
次序列表参考
不可申请
背景技术
本发明一般涉及一种自燃系统、设备和方法。更具体地，本发明披露一种系统、设备和方法，从而在无催化剂或高温氧化剂的情况下在任何形状的燃烧室中可促成和维持无火焰燃烧。本发明可用于各种应用，包括但不限于加热建筑物、住宅锅炉、商用锅炉、工业锅炉、用于分馏或催化反应的供热和任何需要加热过程的情况。
常规的炉子和工业加热器在足够高的火焰温度下运行，大约3800°F，这造成产生大量的氧化氮，有时被称为NOx。现有技术的热燃烧系统通常通过燃料和空气接触、产生边界层、用能点燃该混合物以使得其持续燃烧的点火源来操作。空气富含氧和氮分子，而燃料富含氢和碳分子。在边界层处，这些分子全部随机地运动。一旦边界层中的温度达到自燃温度或存在点火源的辅助，则发生燃烧。在燃烧过程中，氢分子结合氧分子以形成水并释放能量。此外，碳分子与氧分子结合以形成二氧化碳并释放能量。一旦燃烧发生，则边界层中的火焰温度高达约3800°F，因为这些分子在该空间中紧密地堆积，且每体积气体都释放很高的能量。在温度升高处由于碳裂化(crack)而产生可见的火焰。对于传统燃烧该3800°F高的火焰温度是固有的，并造成NOx形成物的增加。在高于约2200°F的温度的燃烧过程中产生NOx排放。不幸的是，现有技术的热燃烧系统形成大量的NOx排放，通常在50至60ppm的范围内。由此，工业上存在燃烧过程中减少NOx形成物的需要，这是本发明的一个目的。
在现有技术中工业加热器已经广为人知且已存在。本领域技术人员也知晓并参与了无火焰燃烧的科学实践。为了在燃烧过程中减少NOx的形成物可以使用无火焰燃烧，因为在低于2200°F的温度下发生燃烧。在关于无火焰燃烧的现有技术中，2004年9月28日颁发给Gibson等的美国专利No.6,796,789教导了在大致卵形加热器中结合无火焰燃烧，以有助于在加热器的辐射部分中增加高温烟道气、燃料气体和空气的循环速率，从而实现和维持无火焰燃烧。
因为该发明取决于经由离心原理来控制气流和燃料流的混合，因而该现有技术受限于需要大致卵形的燃烧室，且还受限于烟道气必须在卵形壳罩内才可能实现的高循环速率下循环。现有技术教导了空气、燃料气体和烟道气位于沿燃烧室壁的非常狭窄的边界，其中烟道气位于燃料气体的顶部上，燃料气体位于气流的顶部上。烟道气与燃料气体混合，形成惰性燃料气体，该惰性燃料气体随后根据离心原理与空气混合。因为这些气体每一种都位于彼此的上方，所以在大致卵形燃烧室中靠近燃烧室的弯曲区域产生热点(hotspot)。这些热点可以将该区域中的温度提升至2200°F，由此增加所形成的NOx排放量。
但是，在本发明之前，所缺乏的以及工业上长久寻求的是能沿任何表面形状促成和维持无火焰燃烧的燃烧室，无论该表面是凸起的、凹入的、平直的或这些表面形状的任何组合。此外，工业上还寻求烟道气源的灵活性，无论它是外部的或内部的。最后，工业上还想让无火焰燃烧室能以最小的NOx排放量来执行燃烧，这可以以更好、更均匀的气体混合来实现。通过首先让空气和燃料气体惰性化并随后允许彼此并排放置的这两种气体扩散到彼此而用本发明来实现这种均匀的混合，由此消除热点的产生以及在燃烧室中降低NOx形成物。
本发明能使用无火焰燃烧室，该燃烧室具有的内表面形状为凸起的、凹入的、平直的或这些表面形状的任何组合，因为它使用由附壁效应(CoandaEffect)所教导的原理。由附壁效应教导的原理还允许本发明利用一种更有效的混合气体的方法，以使得沿燃烧室的内壁表面不形成热点。
附壁效应已经在1930年由罗马尼亚空气动力学家Henri-marie Coanda发现。附壁效应或壁附着效应是运动流体(液体或气体)将其自身贴附于一表面并沿该表面流动的趋势。由于流体流过表面，在流体和该表面之间发生一定量的摩擦(称为“表面摩擦”)，从而倾向于使运动流体变慢。这种对流体流动的阻力将流体朝向表面拉动，使得其粘在表面上。由此，如果表面的弯曲或表面的角度与流体流接触的地方不是很尖锐，则从喷嘴喷出的流体趋于遵循附近的弯曲表面，甚至遵循角部附近的弯曲点。例如，当使勺子背面接触从水龙头自由流出的水流时可以看到起作用的附壁效应。在该例子中，水流将从垂直面偏斜以流过勺子的背面。由此，附壁效应允许气体、惰性燃料和惰性空气贴附到燃烧室的内表面壁上，以比现有技术更均匀地混合或扩散，因为气体会彼此并排地混合，而不是从彼此的顶部上混合。因此，当并排混合时，不会有离心力作用在混合物上而导致沿燃烧室内表面壁形成热点。
因此，本发明的目的是披露和要求保护一种在不使用催化剂或高温氧化剂的情况下的无火焰燃烧系统、设备和方法。
本发明的又一目的是披露和要求保护一种系统、设备和方法，以用空气或其他类似的惰性氧化剂在约1000°F至约1400°F之间的混合温度下实现无火焰燃烧，优选的温度大约为1250°F。
本发明的再一目的是披露和要求保护一种系统、设备和方法，以在不需要催化剂或火焰保持剂的情况下实现无火焰燃烧。
本发明的再一目的是披露和要求保护一种整合的加热器/燃烧器(burner)设备。如本文使用的，术语“加热器”定义为“一种耐高温衬里壳罩，包括传热冷却线圈”，且术语“燃烧器”定义为“用于燃料气体、空气和烟道气的测定装置”。
本发明的再一目的是披露和要求保护一种系统、设备和方法，用于在惰性空气和惰性燃料气体混合之前使空气和燃料气体惰性化，以形成燃烧。
本发明的再一目的是披露和要求保护一种具有燃烧室的设备，该燃烧室能具有为凸起的、凹入的、平直的或它们的任何组合的内表面壁形状，并且通过控制惰性空气和惰性燃料气体之间扩散的速度来实现无火焰燃烧。
本发明的再一目的是消除与现有技术的燃烧室相关的冷点和热点。
本发明的再一目的是介绍一种系统、扩散和方法，由此可以促成非常均匀且较冷的燃烧，由此产生测量为约3至5ppm的低NOx排放。
本发明的再一目的是提供在非常均匀且被控温度下的完全燃烧，消除CO排放。
本发明的再一目的是增加辐射效率，以减少燃料消耗，由此这减少CO2排放和温室气体排放。
本发明的再一目的是在气体排气管道上使用贵金属筛网，以进一步减少NOx排放。
本领域技术人员应理解，要求保护的主题作为一个整体，包括设备的结构、设备元件的相互协作、组合，以产生本发明的不可预料的优点和效果。对本领域技术人员来说，本发明的优点和目的以及这种无火焰燃烧系统、设备和方法的特点在结合所附说明、附图和所附权利要求阅读时将更加明显。
发明内容
一种方法，用于在整合的加热器/燃烧器设备的燃烧室中促成和维持无火焰燃烧，包括步骤：(a)提供具有内侧表面形状的燃烧室，该燃烧室与至少一个热空气喷射喷嘴连通，该至少一个热空气喷射喷嘴进一步与在燃烧室外部的热空气源连通；(b)提供至少一个燃料气体端，该至少一个燃料气体端引入燃料气体，该燃料气体与燃料气体源和燃烧室连通；(c)经由至少一个热空气喷射喷嘴将热空气引入到燃烧室中；(d)在燃烧室中提供烟道气；(e)将燃料气体引入燃烧室；(f)用烟道气惰性化燃料气体；(g)用烟道气惰性化热空气；和(h)将惰性化的燃料气体与惰性化的热空气一起扩散到分子混合物中，其中该分子混合物具有一混合温度，该混合温度在1000°F至1400°F的范围内。
一种方法，用于在整合的加热器/燃烧器设备的燃烧室中将常规燃烧转换成无火焰燃烧，包括步骤：(a)提供具有内侧表面形状的燃烧室，其与至少一个热空气喷射喷嘴连通，该至少一个热空气喷射喷嘴进一步与在燃烧室外部的热空气源连通；(b)提供至少一个位于燃烧室的内侧表面形状上的燃烧器，包括(i)用于在常规燃烧模式下将环境空气供应到燃烧室中的环境空气喷射喷嘴，该环境空气喷射喷嘴与内侧表面形状连通，该环境空气喷射喷嘴进一步与在燃烧室外部的环境空气供应阀连通；(ii)与内侧表面形状连通的排气管道，通过该排气管道燃烧室的内部压力可被均衡；(iii)与排气管道连通的并进一步与环境空气喷射喷嘴连通的文氏管(venturi)，其中该文氏管行进穿过环境空气喷射喷嘴的内部；(iv)在排气管道内的燃料气体端，该燃料气体端与燃料气体源和文氏管的入口连通；(v)与导引(pilot)气体源和环境空气喷射喷嘴的出口连通的导引气体端；(c)经由环境空气喷射喷嘴将环境空气引入到燃烧室；(d)在燃烧室内提供烟道气；(e)计量燃料气体并经由燃料气体端输送燃料气体到燃烧室；(f)使燃料气体惰性化；(g)在至少一个燃烧器上点燃火焰以启动常规燃烧；(h)拧小环境空气供应阀，以减小通过至少一个环境空气喷射喷嘴的环境空气流量，同时将热空气引入到至少一个热空气喷射喷嘴，其中环境空气流量的减少大致等于热空气流量的增加；(i)用烟道气惰性化热空气；(j)进一步拧小环境空气供应阀直到环境空气供应阀完全关闭，导致燃烧室在100％无火焰燃烧模式下运行；和(k)继续计量惰性燃料气体、惰性热空气和烟道气，以使得惰性热空气和惰性燃料气体扩散到分子混合物中，并达到或超过该分子混合物的自燃温度，其中惰性热空气和惰性燃料气体具有混合温度，其中该混合温度在1000°F至1400°F的范围。该混合温度范围维持无火焰燃烧。
一种用于促成和维持无火焰燃烧的整合工业加热器/燃烧器，包括(a)具有顶侧、底侧和内侧表面形状的燃烧室；(b)至少一个位于燃烧室的内侧表面形状上的燃烧器，包括(i)环境空气喷射喷嘴，用于在常规燃烧模式下将环境空气供应到燃烧室，该环境空气喷射喷嘴与内侧表面形状连通；(ii)与内侧表面形状连通的排气管道；(iii)与排气管道连通并进一步与环境空气喷射喷嘴连通的文氏管；(iv)在排气管道中的燃料气体端；(v)位于燃烧室的内侧表面形状上的导引气体端，和(c)至少一个热空气喷射喷嘴，用于在无火焰燃烧模式下将热空气供应到燃烧室中，该至少一个热空气喷射喷嘴与内侧表面形状连通，该至少一个热空气喷射喷嘴进一步与在燃烧室外部的空气预热器连通。
一种系统，用于在整合的加热器/燃烧器设备的燃烧室中促成和维持无火焰燃烧，包括(a)燃烧室，用于促成和维持常规燃烧或无火焰燃烧，其中环境空气、热空气和燃料气体进入燃烧室，且具有一定量的NOx排放的烟道气排出燃烧室；(b)位于燃烧室下游的对流部分，用于使用来自燃烧室的出口的高温烟道气对流地加热至少一个传热冷却线圈；(c)具有烟道调节风门(stack damper)的烟道(stack)，位于对流部分的下游，用于在烟道调节风门打开时自然通风(draft)操作以及在烟道调节风门关闭时空气预加热操作；(d)位于燃烧室上游的空气预热器，用于将环境空气转换为热空气以供燃烧室使用；(e)具有强制通风风扇调节风门的强制通风风扇，其位于空气预热器的上游，用于将热空气经由空气预热器供应到燃烧室；和(f)具有引风机调节风门的引风机，其位于空气预热器的上游和在烟道气侧的烟道的上游，用于通过空气预热器来引导热烟道气并将较冷的烟道气输送到烟道。
以上已经广泛地概述本发明的较重要的特征，以更好地理解后文的详细描述，以及更好地理解本发明对本领域作出的贡献。本领域技术人员应理解，本公开内容所基于的构思可以用作设计其他用于实现本发明目的的结构、方法、和系统的基础。因此，权利要求在等效结构不脱离本发明的精神和范围内的程度上包括这些等效结构。此外，与本公开内容相关的摘要不用于限定由权利要求限定的本发明，也不用于以任何方式限定本发明的范围。
这些目的与本发明的其他目的一起以及构成本发明新颖性的各种功能特征在所附权利要求中被特别地指出，并形成本公开内容的一部分。为了更好地理解本发明、其操作优点和通过使用本发明获得的具体目的，应参考所附附图和描述性的内容，其中显示了本发明的优选实施例。
应理解，本发明的任何一个特征可以分开使用或与其他特征相结合。应理解，没有被本文提到的特征可用于与本文提到的一个或多个特征相结合。本发明的其他系统、方法、特征和优点在阅读附图和详细描述后对本领域技术人员来说将更加明显。意图是让所有这种另外的系统、方法、特征和优点都被所附权利要求保护。
本发明的这些以及其他目的、特征和优点在结合以下的本发明优选实施例的详细描述时更加明显，所作描述与以下所附附图相结合。
附图说明
前述发明内容和以下本发明的优选实施例的详细描述在结合所附附图阅读时将更加容易理解。但是，应理解本发明并不限于本文所示的具体结构和装置。在附图中的部件必不按比例，重点是放在清楚地显示本发明的原理方面。而且，在附图中，相似附图标记指代多个视图中相对应的部件。
本发明可在某些部分和该部分的结构上采用实体形式。为了更完全地理解本发明及其优点，现在下文的描述以结合的形式参考所附附图，其中：
图1示出了现有技术的无火焰燃烧室；
图2a示出了根据本发明的一个实施例在常规燃烧过程中燃烧室的侧视图；
图2b示出了根据本发明的一个实施例在无火焰燃烧过程中燃烧室的侧视图；
图3示出了根据本发明的一个实施例的燃烧室的俯视图，示出了排气管道、燃料气体端、文氏管和环境空气喷射喷嘴的关闭状态；
图4示出了根据本发明的一个实施例的无火焰燃烧系统的示意图，显示了各种部件的布置；
图5示出了根据本发明的一个实施例的热空气喷射喷嘴的正视图，显示了可选的混合叶片；和
图6示出了根据本发明的一个实施例的燃烧室的侧视图。
具体实施方式
提出以下的说明以使本领域技术人员能够实现和使用本发明。在不脱离如所附权利要求限定的本发明的范围内，本文所述的基本原理可应用于除了下面详细描述的实施例之外的其他实施例和应用。本发明并不打算限制于所示的实施例，而是覆盖与本文所披露的原理和特征一致的最宽的范围。
为了实现前述和相关目的，本发明包括后文中在权利要求中完全描述和特别指出的特征。以下的说明以及所附附图用于详细描述本发明的示意性实施例。这些实施例仅示出了可采用本发明原理的一些方法。本发明的其它目的、优点和新颖的特征将在结合所附附图时从本发明的以下详细描述中变得显而易见。
已经概述但非宽泛地阐述了本发明的更重要的特征，以便随后的详细描述可以被更好地理解，以便本发明对本领域的贡献能够被更好地理解。本发明的附加特征将在后文描述，且形成所附权利要求的主题。
在这一方面；在详细解释本发明的至少一个实施例之前，应理解本发明并不限于在以下描述或附图所示的具体结构和部件的布置形式。本发明能采用其他实施例并以各种方式来实践和执行。还有，应理解本文所采用的措辞和用语是为了描述目的且不应被视为是一种限制。
如此，本领域技术人员应理解基于该披露内容的构思可被容易地用作设计用于执行本发明的多个目的的其他结构、方法和系统。因此，重要的是，权利要求应被视作是包括不脱离本发明精神和范围的这些等效构造。
现有技术的图1示出了一种无火焰燃烧室，该无火焰燃烧室带有星放射状传热管结构和燃烧空气装置、燃料气体引入装置以及烟道气排出装置的单一定位。现有技术的设备通常用23表示。大致卵形燃烧室22的现有技术的发明显示为与空气入口28连通，该空气入口28进一步与在卵形燃烧室22外部的空气源41连通。空气源41通常被实施为本领域技术人员熟知的吹送装置或自然通风(draft)装置，使得所述吹送装置或自然通风装置以大致在与加热器内侧壁成0°至40°之间的角度范围将被加热的空气或未被加热的空气引入到卵形燃烧室22。尽管可以通过实施现有技术的发明可以使用更大的角度，但是应注意，以0°至40°之间的角度引入空气对于以足够的立方英尺每分钟(CFM)的量来引入而言非常有效，以促使惯性力将惰性燃料气体42、烟道气44和易燃空气45的最初和分开的条带维持在由线30表示的狭窄限定的边界中，其中所述边界30邻接设备23的内部卵形表面32。燃料气体源26进一步被设置在卵形燃烧室22中并引入燃料气体42，使用所述燃料气体源26，并且当关联于现有技术加热器来使用时本领域技术人员可以得知和实施燃料气体42的引入。
如在现有技术中实施的那样，如图1所示，内部卵形燃烧室22首先被位于空气入口28中的启动燃烧器27加热，以将内部卵形燃烧室22预热到大概在1400°F至2100°F范围之间的运行温度。卵形燃烧室22中的烟道气44由于该加热的结果而循环流动，同时易燃空气45以大致在0°至40°之间的角度引入到卵形燃烧室22中。烟道气42被输送到卵形燃烧室22，且以形成两股分离条带即易燃空气45和惰性燃料气体的方式与循环的烟道气44混合。易燃空气45连续地被引入到卵形燃烧室22的内部，并持续促使易燃空气45、燃料气体42和烟道气44分子的进一步循环流动和扩散，直到与燃料气体42的被测定量的持续监视相结合，在易燃空气45和惰性燃料气体的界面处的分子组成达到或超过自燃温度。一旦达到自燃温度，则现有技术设备的无火焰燃烧通过软件控制装置或本领域技术人员熟知的手动温度控制装置而得到维持，其方式是在卵形燃烧室22中在大约1400°F至2100°F之间的运行温度下维持所述无火焰燃烧。
图1所示的再循环烟道气排出装置49提供了排出装置，通过该排出装置卵形燃烧室22的内部压力可由于有目的地引入燃料气体42和易燃气体45而被均衡。
图2a示出了根据本发明的一个实施例的燃烧室100的侧视图，示出了在常规燃烧过程期间的排气管道120、燃料气体端122、文氏管124、环境空气喷射喷嘴126和热空气喷射喷嘴128。图3为燃烧室100的俯视图，示出了如图2所示的排气管道120、燃料气体端122、文氏管124和环境空气喷射喷嘴126的关闭状态。
如图2a所示，下文披露的本发明描述了一种执行常规燃烧的燃烧室100，其中存在可见的火焰134，并如有需要能够将100％的无火焰燃烧转换成常规燃烧。执行燃烧过程的目的是加热通过传热冷却线圈183(图4)的流体。本发明的燃烧室100具有顶侧110、底侧112，并可具有内部侧表面形状114，该形状为凸起的、凹入的、平直的或这些表面形状的任意组合。
参见图2a和图3，燃烧室100与环境空气喷射喷嘴126连通，其中环境空气喷射喷嘴126进一步与环境空气供应阀150连通，该阀位于燃烧室100的外部，用于将环境空气127供应到环境空气喷射喷嘴126。环境空气喷射喷嘴126还经由与文氏管124连通而与排气管道120连通，该文氏管从排气管道120的侧表面行进并经过环境空气喷射喷嘴126的内部，以使得文氏管124的出口基本垂直地与环境空气喷射喷嘴126的出口对准。与燃烧室1 00外部的燃料气体源121连通的燃料气体端122被承装在排气管道120中。燃料气体端122允许燃料气体138被吹过文氏管124并进入燃烧室100。与燃烧室100外部的导引气体源136连通的导引气体端137定位在环境空气喷射喷嘴126的下游。导引气体端137在常规燃烧火焰点火过程中使用，如图2a所示，其中存在可见的火焰134和较高的NOx排放。排气管道120与燃烧室100连通，以有助于从燃烧室100的内部收回悬浮在排气管道120上方或附近的停滞的或几乎停滞的烟道气135。在优选实施例中，排气管道通常为18至24英寸长。本领域技术人员应理解，排气管道120的长度可以在不脱离本发明的范围和精神内变得更长或更短。尽管进入排气管道120中的一些烟道气135排出了燃烧室100，但是一部分烟道气135与进入的燃料气体138混合，以形成惰性燃料气体130，该惰性燃料随后排出文氏管124并再次进入燃烧室100。文氏管124在燃料气体138和烟道气135之间产生紊流，由此允许这两种气体均匀地彼此混合，并形成惰性燃料气体130。
以上描述的单元共同地被称为燃烧器119。上述烟道气135可以在常规燃烧模式下的运行过程中在燃烧室100中产生，或者可以从涡轮排放装置(未示出)被供应或从能输送合适的惰性化和温度需求的任何其他的外部源被供应，以形成惰性燃料气体流130。但是，本领域技术人员应理解，尽管优选实施例仅示出了每个系列的两个燃烧器119且它们位于相对端，但是这些燃烧器119并不在数量上和位置上受到限制，而是可以在不脱离本发明的精神和范围内在数量上增加或减少以及重新定位它们的位置。
如图2a所示，多个排气管道120直列地定位在两个燃烧器119之间，一个位于燃烧室100的顶侧110的附近，而另一个位于燃烧室100的底侧112附近。这些多个排气管道120允许烟道气135经由负压排出燃烧室100，以允许新的气体进入燃烧室100。此外，两个热空气喷射喷嘴128位于两个燃烧器119的下游，并位于燃烧室100的顶侧110和燃烧室100的底侧112的中心。热空气喷射喷嘴128不在常规燃烧中使用，如图2a所示。但是，本领域技术人员应理解，尽管优选实施例示出了每系列四个附加的排气管道120，但是这些附加的排气管道120在数量上或位置上并不受限，而且在不脱离本发明的精神和范围内可以在数量上增加或减少以及重新定位它们的位置。本领域技术人员应理解，尽管优选实施例示出了每系列两个热空气喷射喷嘴129，但是这些热空气喷射喷嘴128在数量上或位置上并不受限，而是可以在不脱离本发明的精神和范围内在数量上增加或减少以及重新定位它们的位置。每个热空气喷射喷嘴128可沿燃烧室100的顶侧110以及燃烧室100的底侧112定位，两个燃烧器119位于燃烧室100的顶侧110和燃烧室100的底侧112的中心，只要在不脱离本发明的精神和范围内能使来自热空气喷射喷嘴128的惰性热空气140与惰性燃料气体130混合即可。此外，尽管已经描述了仅一个系列的燃烧器119、排气管道120和热空气喷射喷嘴128，但是图2a示出了遍布本发明的燃烧室100的内侧表面形状114可以存在多个具有燃烧器119n、排气管道120n和热空气喷射喷嘴128n的系列，且它们大约间隔25英尺。该距离是大约的且可根据完成燃烧过程所需的距离来改变，且根据燃烧和传热应用的具体情况来改变，而无论通过常规燃烧执行还是通过无火焰燃烧执行。
图2b示出了图2a所示的燃烧室100的侧视图，并示出了相同的排气管道120、燃料气体端122、文氏管124、环境空气喷射喷嘴126和热空气喷射喷嘴128，但是处于根据本发明一个实施例的无火焰燃烧期间。
如图2b所示并另外参考图3，本发明的设备部件与图2a所示的相同，但其运行不同。图2b示出了燃烧室100，具有顶侧110和底侧112，并在100％的无火焰燃烧模式下运行。在该模式下，环境空气供应阀150完全关闭，以使得环境空气127不会流过环境空气喷射喷嘴126并进入燃烧室100。导引气体139在无火焰燃烧模式下可流过导引气体端137或可以完全关闭。但是，燃料气体源121持续供应燃料气体138，该燃料气体与离开排气管道120的一些烟道气135混合。文氏管124在燃料气体138和烟道气135之间产生紊流，由此允许这两种气体均匀地彼此混合并形成惰性燃料气体130，该惰性燃料气体130随后排出文氏管124并进入燃烧室100。由此，惰性燃料气体130是排出燃烧器119的唯一气体。惰性燃料气体130排出文氏管124并由于附壁效应贴附燃烧室100的内侧表面形状114。由于环境空气供应阀150完全关闭，热空气142(图4)通过热空气喷射喷嘴128供应。热空气142(图4)用从燃烧室100内部而来的烟道气135惰性化，由此在热空气喷射喷嘴128的出口形成惰性热空气140。在无火焰燃烧模式下使用的烟道气135可在常规燃烧模式下在燃烧室100中形成，或可从涡轮排放装置(未示出)供应，或从能输送合适的惰性化和温度需求的任何外部源供应，以形成惰性燃料气体流130。
惰性热空气140从热空气喷射喷嘴128出口流出，且还由于附壁效应贴附燃烧室100的内侧表面形状114。惰性燃料气体130和惰性热空气140对燃烧室100内侧表面形状114的这种贴附可用附壁效应原理解释，且允许燃烧室100的内侧表面形状114具有凹面形状、凸面形状、平直形状、或其任何组合。混合的温度为惰性燃料气体130的温度和惰性热空气140的温度的平均值，该混合温度必须落在大约1000°F和1400°F之间，优选的是1250°F，由此促成在无火焰燃烧边界区域144中的无火焰燃烧，在该边界区域发生惰性燃料气体130和惰性热空气140的扩散。惰性燃料气体130和惰性热空气140并排流动，直到它们混合并促成无火焰燃烧。这种并排流动允许惰性热空气140和惰性燃料气体130足够缓慢地扩散到彼此之中，以使得在燃烧过程中不会变得太热，但又足够快且处于用于分子运动的足够高的能量水平，以使得形成无火焰燃烧。这两种气体的混合比气体在彼此的上方的情况下能更均匀地发生，由此消除热点。尽管仅描述了一个系列的燃烧器119、排气管道120和热空气喷射喷嘴128，但是图2示出了遍布本发明的燃烧室100的内侧表面形状，可以存在多个这种包括燃烧器119n、排气管道120n和热空气喷射喷嘴128n的系列，且大约间隔25英尺。该距离是大约的且可以变化，只要该距离足够长而能完成燃烧过程即可，且取决于燃烧和传热应用的具体情况。
图5示出了根据本发明的一个实施例的热空气喷射喷嘴128的正视图，示出了安装在热空气喷射喷嘴上的可选混合器叶片160。根据图5并另外参考图2，这些固定的或可旋转的混合器叶片160有助于烟道气135与热空气142(图4)均匀地混合，以在热空气喷射喷嘴128的出口处形成惰性热空气140。这些混合器叶片160有助于混合，因为它们在热空气142(图4)和烟道气135之间产生紊流。通过热空气喷射喷嘴128的空气侧压力下降大致在1”H2O和5”H2O之间。本发明能具有高的热空气侧压力下降和显著的混合能量来使热空气142与烟道气135惰性化，因为热空气喷射喷嘴128是唯一的且与环境空气喷射喷嘴126分开。现有技术不具有这些能力，因为现有技术让易燃空气45(图1)、周围自然通风空气和热空气通过同一空气入口28进入。但是，本领域技术人员可以理解，尽管优选实施例示出了具有八个(8)叶片的混合器叶片160，但是这些混合器叶片160在数量上并不受限，而是在不脱离本发明的精神和范围内可在数量上增加或减少。此外，本领域技术人员应理解，这些混合器叶片160可以各种角度倾斜而不脱离本发明的精神和范围。
图6示出了根据本发明一个实施例的燃烧室100的侧视图，该燃烧室具有顶壁110、底壁112和内侧表面形状114，示出了处于被托臂170分开的分层结构中的排气管道120、燃料气体端122、文氏管124、环境空气喷射喷嘴126和热空气喷射喷嘴128。当燃烧室100的载荷增加时，由此进一步成系列地增加燃烧器119n、排气管道120n和热空气喷射喷嘴128n是不可能的，这种增加可通过在原来的层上方和/或下方并通过托臂127分开这些层而增加另一层燃烧器119、排气管道120和热空气喷嘴128。这些增加是可能的，因为在本发明中存在对称性。如本实施例所示，每个层大约十(10)英尺宽，并且每个燃烧器119n系列大致以约25英尺相等地间隔开。这种分层的结构还可在非膨胀燃烧室100中实现，其中燃烧室100限制于一定的特殊要求或形状要求。已经在图6中示出的箭头指示每个层的燃烧方向和气体的流动。箭头还示出了层的顶部的烟道气135循环流动至另一层底部的烟道气135，反之亦然。图6中示出的燃烧器119与图2b中示出的燃烧器119相同，由此燃烧器119包括排气管道120、燃料气体端122、导引气体端137、文氏管124和环境空气喷射喷嘴126。但是，本领域技术人员应理解，尽管优选实施例示出了被两个(2)托臂170分开的三个(3)层，但是这些层的数目并不受到限制，而是可以在不脱离本发明的精神和范围内在数量上增加或减少。但是本领域技术人员应理解，尽管优选实施例示出了具有十(1)英尺宽度的层和分开约25英尺的燃烧器119n系列，但是在不脱离本发明的精神和范围内这些距离可以增加或减小。应理解，因为附壁效应，图6示出的视图也可以是竖直(通常是墙壁)或水平的(通常是屋顶或底板)且可以是凸起的、凹入的、平直的或其任何组合。
如在优选实施例中的实践以及如图2a、图2b、图3和图4中所示，燃烧室100首先通过常规燃烧开始燃烧，如图2a所示，且随后使用如图4所示的系统可转换至无火焰燃烧，如图2b所示。
参将图2a、图3和图4，操作本发明的第一步骤是在常规燃烧模式下启动燃烧室100，该燃烧室具有顶侧110和底侧112。所述系统必须首先通常地通过使用气体测试器(未示出)来确保在燃烧室100中不存在燃烧。环境空气127已经准备好通过环境空气供应阀150进入燃烧室100，因为空气被自然地通风，由此使得燃烧室100处于富含空气的环境。一旦易燃物被证实并不存在，则所述系统允许导引气体139——通常是自然气体——流入燃烧室100，并随后点燃导引气体端137。一旦确实存在导引，则所述系统准备好点燃可见火焰134，该火焰在本发明中远离环境空气喷嘴126。所述系统随后打开燃料气体供应阀(未示出)，由此允许燃料气体138进入燃烧室100并导致可见火焰134点燃。在此点处所述系统通常会关闭导引；但是，一些系统会选择以保持导引打开。在本发明中，每个系列示出了两个燃烧器119，并且存在多个系列。可见火焰的点燃过程持续进行，并且所有其他燃烧器119都在燃烧室100内。此时，燃烧过程以常规燃烧方式发生且具有可见火焰134，该火焰由于碳裂化而产生。可见火焰134中的温度可达到约3800°F，导致大量的NOx排放，通常约50至60ppm。在燃烧过程中一旦温度达到2200°F以上则开始形成NOx排放。
参见图4，一旦燃烧室100在常规燃烧模式下运行，则烟道气135排出排气管道120且经过贵金属筛网180。该贵金属筛网180由任何贵金属制造，例如金、银、铂、钯、钽、铑、钌、铼、锇或铱。贵金属合金还是用于构造贵金属筛网180的合适材料。贵金属筛网180用于降低NOx排放。含有NOx排放的烟道气135随后行进至对流部182，在该处来自烟道气135的热量被对流地传递至传热冷却线圈183。当系统处于减低(turn down)模式时旁路调节风门184用于控制离开空气预热器190的热空气142的温度(且由此用于无火焰燃烧所需的混合温度)。烟道气135随后前进至烟道186。当常规燃烧100％发生时烟道调节风门188100％打开。由此，烟道气135不会流入空气预热器190中，并且环境空气127也不会进入空气预热器190中。
在本发明中，燃烧过程可被转换为无火焰燃烧(图2b)，使得NOx排放被显著降低，通常在约5-8ppm。一旦系统被指示从常规燃烧转换成无火焰燃烧，如图2b所示，则系统需要经历一系列经由计算机程序控制的自动步骤。参见图4，在本实施例中，从常规燃烧转换成无火焰燃烧并转换回常规燃烧的过程通过计算机程序控制环境空气供应阀150、烟道调节风门188、强制通风风扇调节风门192和引风机调节风门196而自动地发生。当自动系统可在手动模式下操作时，与本发明相关的一种显著的改进是完全的自动控制和监测。
从常规燃烧到无火焰燃烧的转换过程必须逐渐的执行，以使得可以保持合适的温度用于促进和持续无火焰燃烧。在经由热空气喷射喷嘴128将热空气142引入燃烧室100之前，热空气142必须首先被加热到一温度，以使得惰性热空气140(图2b)和惰性燃料气体130(图2b)的混合温度在约1000°F到1400°F的范围内。在优选实施例中，热空气142大约为850°F或更高，烟道气135大约为1650°F且燃料气体138大约在60°F至120°F之间。在本发明中，各种气体的温度并不是至关重要的；但是，惰性燃料气体130(图2b)和惰性热空气140(图2b)的混合温度是最关键的。
起初，环境空气供应阀150和烟道调节风门188被100％打开，而强制通风风扇调节风门192和引风机调节风门196被100％关闭，但强制通风风扇194和引风机198仍在运转。第一步骤是环境空气供应阀150和烟道调节风门188关闭10％，并且强制通风风扇调节风门192和引风机调节风门196打开10％。这一步骤将允许以90％持续常规燃烧且以10％促成无火焰燃烧。环境空气127以90％质量流经过环境空气供应阀150，并经由环境空气喷射喷嘴126(图2a)进入燃烧室100。同时，环境空气127以10％质量流流过强制通风风扇调节风门192，并通过强制通风风扇194泵抽经过空气预热器190。空气预热器产生850°F或更高的热空气142，该热空气随后通过热空气喷射喷嘴128进入燃烧室100。烟道气135通过排气管道120排出燃烧室100。烟道气135随后经过贵金属筛网180并经过对流部182。烟道气135随后进入烟道186，其中90％上升到烟道186并排出系统，且10％经由引风机198循环通过空气预热器190和引风机调节风门196。引风机198将该气体泵回到烟道186并排出系统。空气预热器190使用该气体来加热环境空气127，以形成热空气142。
一旦计算机程序监测到温度被稳定，则计算机程序进一步将环境空气供应阀150和烟道调节风门188关掉(pinch)又一10％，并将强制通风风扇调节风门192和引风机调节风门196打开又一10％，由此导致环境空气供应阀150和烟道调节风门188打开80％，且强制通风风扇调节风门192和引风机调节风门196打开20％。这个过程持续进行，直到环境空气供应阀150和烟道调节风门188被100％关闭，且强制通风风扇调节风门192和引风机调节风门196被打开，以被适当设置从而保持通风和O2的水平。此时，燃烧室在100％无火焰燃烧下运行，如图2b所示，这产生约5-8ppm的NOx排放，其随后经过贵金属筛网180，由此将NOx排放减少至约3-5ppm。但是，本领域技术人员应理解，尽管优选实施例示出了以10％的增量进行逐渐地转变，但是在不脱离本发明的精神和范围内百分比增量可以增加或减少。
当燃烧室的运行需要从无火焰燃烧转换回常规燃烧时，回转(switchback)过程非常快速且不需要阀门打开和关闭的逐渐变化的百分比增量。一种原因是回转会需要热空气142停止流入热空气喷射喷嘴128，这可由于电力损失、风扇关闭等造成。这种回转过程很快，因为本发明需要空气从燃烧器119移动至热空气喷射喷嘴128以用于转换至无火焰燃烧，并且回到燃烧器119以用于转换至常规燃烧。在本发明中，空气运动，而燃料气体138不运动，这允许更安全且确定的回转，而不会造成燃烧损失或重新启动加热器的需要。一旦环境空气127重新进入环境空气喷射喷嘴126，则常规燃烧立即开始。由此，环境空气供应阀150和烟道调节风门188被设置为不打开。
尽管已经参考特定优选实施例显示和描述了本发明，但是明显的是，在阅读和理解的本说明书以及所附附图后本领域技术人员可以作出等效替换和修改。特别是关于通过上述部件(组件、装置、电路等)所执行的功能，用于描述这些部件的术语(包括对“装置”作出的引用)用于对应(除非相反地指出)任何能执行所述部件特定功能(即功能上等效)的部件，即使不在结构上与所披露的在本文所示的示例性本发明实施例中执行功能的结构等效。此外，尽管已经相关于数个实施例中的一个披露了本发明的特定特征，但是该特征可与所需的其他实施例的一个或多个特征相组合。
尽管已经参考具体实施例对本发明进行了描述，但是这些描述并不意味着构成了一种限制。在参考本发明的描述时，本领域技术人员可以作出所披露实施例的各种修改以及本发明的替换实施例。本领域技术人员应理解，所披露的构思和具体实施例可被容易地用作改变或设计其他用于实现与本发明的目的相同目的的结构的基础，本领域技术人员应意识到，这种等效结构并不脱离所附权利要求所阐述的本发明的精神和范围。因此，期望的是权利要求覆盖落入本发明真实范围内的任何这类修改或实施例。

Claims (48)

1.一种在由内表面限定的燃烧室中促成和维持无火焰燃烧的方法，所述方法包括步骤：
将空气经由第一空气喷射喷嘴以绕第一空气路径的大致圆锥形的分布样式引入到所述燃烧室中，所述第一空气路径大致平行于所述燃烧室的内表面；
在所述燃烧室中提供烟道气；
将燃料气体经由第一燃料气体端以绕第一燃料气体路径的大致圆锥形的分布样式引入到所述燃烧室中，所述第一燃料气体路径大致平行于所述燃烧室的内表面；
用所述烟道气使所述燃料气体惰性化；
用所述烟道气使所述空气惰性化；
其中在惰性化的燃料气体与惰性化的空气混合之前，燃料气体和空气被烟道气分别地惰性化；和
连续地分别引入所述空气和燃料气体，以使得大致圆锥形分布的所述惰性化的空气和惰性化的燃料气体相对于燃烧室的内表面并排地混合到无火焰燃烧边界区域中的分子混合物中，并达到或超过所述分子混合物的自燃温度。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述分子混合物具有混合温度，其中所述混合温度在1000°F至1400°F的范围内。
3.如权利要求2所述的方法，还包括步骤：将所述分子混合物的混合温度维持在约1000°F至1400°F之间，同时提供排放装置，由于向所述燃烧室引入所述燃料气体和空气，因而所述燃烧室的内压通过所述排放装置可被均衡。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述排放装置为排气管道。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述内表面是凸起的、凹入的、平直的或其组合。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述空气被预热至从850°F到更高范围的温度。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述燃料气体从以下燃料气体中选择：H2、CO、CH4、C2H6、C2H4、C3H8、C3H6、C4H10、C4H8、C5H12和C6H14。
8.如权利要求3所述的方法，其中，通过将所述混合温度维持在1000°F至1400°F之间来维持无火焰燃烧的步骤还包括根据软件控制的温度传感装置来控制燃料气体的引入。
9.如权利要求3所述的方法，其中，通过将所述混合温度维持在1000°F至1400°F之间来维持无火焰燃烧的步骤还包括根据软件控制的温度传感装置来控制空气的引入。
10.如权利要求3所述的方法，其中，通过将所述混合温度维持在1000°F至1400°F之间来维持无火焰燃烧的步骤产生范围在5至8ppm的NOx排放量。
11.如权利要求10所述的方法，其中，还包括在所述排放装置的下游设置贵金属筛网，用于进一步将NOx排放量减小到约3ppm。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述贵金属筛网由贵金属制造，所述贵金属从以下材料形成的组中选择：金、银、铂、钯、钽、铑、钌、铼、锇和铱。
13.如权利要求11所述的方法，其中，所述贵金属筛网由贵金属合金制造。
14.如权利要求1所述的方法，其中，所述大致圆锥形分布的惰性空气和惰性燃料气体在大致平行的第一空气路径和第一燃料气体路径之间扩散到彼此之中。
15.如权利要求1所述的方法，其中，通过将混合器叶片安装在所述第一空气喷射喷嘴上便于用所述烟道气使空气惰性化。
16.如权利要求1所述的方法，其中，在所述燃烧室内提供烟道气的步骤通过将外部产生的烟道气引入到所述燃烧室中来执行。
17.如权利要求1所述的方法，其中，在所述燃烧室内提供烟道气的步骤通过在所述燃烧室内形成烟道气来执行。
18.如权利要求1所述的方法，还包括设置第二空气喷射喷嘴，所述第二空气喷射喷嘴设置为以绕第二空气路径的大致圆锥形的分布样式来引入空气，所述第二空气路径大致平行于所述燃烧室的内表面。
19.如权利要求1所述的方法，还包括在所述第一空气喷射喷嘴的下游设置第二空气喷射喷嘴，并且所述第二空气喷射喷嘴设置为以绕第二空气路径的大致圆锥形的分布样式引入空气，所述第二空气路径大致平行于所述燃烧室的内表面。
20.如权利要求1所述的方法，还包括设置第二燃料气体端，所述第二燃料气体端设置为以绕第二燃料气体路径的大致圆锥形的分布样式引入燃料气体，所述第二燃料气体路径大致平行于所述燃烧室的内表面。
21.如权利要求1所述的方法，还包括在所述第一燃料气体端的下游设置第二燃料气体端，并且所述第二燃料气体端设置为以绕第二燃料气体路径的大致圆锥形的分布样式引入燃料气体，所述第二燃料气体路径大致平行于所述燃烧室的内表面。
22.如权利要求1所述的方法，还包括使所述第一空气喷射喷嘴在下游与所述第一燃料气体端分隔开。
23.一种用于在燃烧室内使常规燃烧转换到无火焰燃烧的方法，包括步骤：
提供具有内表面的燃烧室和设置在所述内表面上以将热空气喷射到所述燃烧室中的热空气喷射喷嘴；
提供设置在所述燃烧室的内表面上的燃烧器，所述燃烧器包括：
在排气管道中的燃料气体端，所述排气管道设置在所述燃烧室的内表面上；
环境空气喷射喷嘴，所述环境空气喷射喷嘴设置在所述内表面上，以将环境空气喷射到所述燃烧室中；
文氏管，所述文氏管设置为用于接收来自排气管道的烟道气和来自所述燃料气体端的燃料气体，所述文氏管将所述烟道气和燃料气体通过所述环境空气喷射喷嘴提供到所述燃烧室中；和
导引气体端，所述导引气体端设置在所述内表面上处于所述文氏管的下游；
经由所述环境空气喷射喷嘴将环境空气引入到所述燃烧室；
在所述燃烧室中提供烟道气；
经由所述燃料气体端引入燃料气体；
用所述烟道气使所述燃料气体惰性化；
将所述导引气体端点燃，以启动常规燃烧；
减少环境空气流过所述环境空气喷射喷嘴，同时将热空气经由所述热空气喷射喷嘴引入到所述燃烧室，其中所述环境空气流量的减少大致等于所述热空气流量的增加；
用所述烟道气使所述热空气惰性化；
消除所述环境空气流；和
持续引入燃料气体和热空气，以使得所述惰性化的热空气和惰性化的燃料气体扩散到分子混合物中，并达到或超过所述分子混合物的自燃温度，以促成无火焰燃烧。
24.如权利要求23所述的方法，其中，所述分子混合物具有范围从1000°F至1400°F的混合温度。
25.一种用于促成和维持无火焰燃烧的设备，包括：
具有内表面的燃烧室；
所述内表面中的第一排气管道；
设置在所述燃烧室的内表面上的第一燃烧器，包括：
设置为将环境空气喷射到所述燃烧室中的第一环境空气喷射喷嘴；
设置为接收来自燃料气体端的燃料气体的文氏管；
第一导引气体端，所述第一导引气体端设置在所述文氏管的下游，以选择性地点燃所述文氏管下游的环境空气与燃料气体的混合物；和
设置在所述内表面上的第一热空气喷射喷嘴，该第一热空气喷射喷嘴被设置为喷射热空气到燃烧室中，该热空气的温度高于所述环境空气。
26.如权利要求25所述的设备，其中，所述第一热空气喷射喷嘴在所述第一燃料气体端的下游。
27.如权利要求25所述的设备，还包括设置在所述内表面上的第二排气管道。
28.如权利要求25所述的设备，其中，第一文氏管设置在所述第一排气管道中并与第一环境空气喷嘴连通。
29.如权利要求25所述的设备，其中，所述第一导引气体端在所述第一环境空气喷射喷嘴的下游。
30.如权利要求25所述的设备，还包括设置在所述内表面上的第二燃烧器。
31.如权利要求25所述的设备，还包括设置在所述内表面上的第二热空气喷射喷嘴。
32.如权利要求31所述的设备，其中，所述第一热空气喷射喷嘴和所述第二热空气喷射喷嘴位于所述第一燃料气体端的下游。
33.如权利要求25所述的设备，其中，所述内表面是凸起的、凹入的、平直的或其组合。
34.如权利要求25所述的设备，还包括在所述第一空气喷射喷嘴上的混合器叶片。
35.如权利要求25所述的设备，还包括位于所述第一排气管道下游的贵金属筛网。
36.如权利要求35所述的设备，其中，所述贵金属筛网由贵金属制造，所述贵金属从以下材料形成的组中选择：金、银、铂、钯、钽、铑、钌、铼、锇和铱。
37.如权利要求35所述的设备，其中，所述贵金属筛网由贵金属合金制造。
38.如权利要求25所述的设备，其中，所述燃烧室还包括第一传热冷却线圈。
39.如权利要求25所述的设备，其中，所述燃烧室的内表面被托臂分成第一层和第二层。
40.如权利要求39所述的设备，其中，所述第一层包括至少一个燃烧器和至少一个热空气喷射喷嘴，且所述第二层包括至少一个燃烧器和至少一个热空气喷射喷嘴。
41.如权利要求39所述的设备，其中，空气、燃料气体和烟道气在所述第一层中沿第一方向行进，并且空气、燃料气体和烟道气在所述第二层中沿相对的第二方向行进。
42.一种在整合的加热器/燃烧器设备的燃烧室中促成和维持无火焰燃烧的系统，包括：
燃烧室，其中环境空气、热空气和燃料气体进入所述燃烧室，且烟道气排出所述燃烧室；
对流部分，所述对流部分位于所述燃烧室的下游，用于使用从所述燃烧室排出的烟道气加热传热冷却线圈；
具有烟道调节风门的烟道，所述烟道位于所述对流部分下游，并能够在所述烟道调节风门打开时执行自然通风操作并且在所述烟道调节风门关闭时执行空气预热操作；
空气预热器，所述空气预热器位于所述燃烧室的上游，用于将环境空气转换为热空气；
具有强制通风风扇调节风门的强制通风风扇，所述强制通风风扇位于所述空气预热器的上游，用于将热空气经由所述空气预热器供应到所述燃烧室；和
具有引风机调节风门的引风机，所述引风机位于所述空气预热器的下游和烟道气侧上的烟道的上游，用于引导烟道气通过所述空气预热器并将烟道气输送到所述烟道。
43.如权利要求42所述的系统，其中，排出所述燃烧室的烟道气具有范围在5至8ppm的NOx排放量。
44.如权利要求42所述的系统，还包括贵金属筛网，所述贵金属筛网位于所述燃烧室的下游和所述对流部分的上游，用于进一步将NOx排放量减小到约3ppm。
45.如权利要求44所述的系统，其中，所述贵金属筛网由贵金属制造，所述贵金属从以下材料形成的组中选择：金、银、铂、钯、钽、铑、钌、铼、锇和铱。
46.如权利要求44所述的系统，其中，所述贵金属筛网由贵金属合金制造。
47.如权利要求44所述的系统，其中，环境空气供应、所述烟道调节风门、所述强制通风风扇调节风门和所述引风机调节风门经由计算机程序被自动地控制。
48.如权利要求44所述的系统，其中，环境空气供应、所述烟道调节风门、所述强制通风风扇调节风门和所述引风机调节风门被手动地控制。
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