CN102597625B - 辐射燃烧器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃烧器，所述燃烧器具体地是辐射燃烧器，其用于燃烧由燃料气体和携氧气体组成的气体混合物，所述燃烧器具有：燃烧器板(1)，所述燃烧器板具有用于供气体混合物从混合室侧到燃烧侧通过的贯穿通道(2)，其中，在燃烧侧，具有与贯穿通道(2)相比扩大的横截面的燃烧通道(3)连接到贯穿通道(2)，其中用于与燃烧火焰接触的阻流件(4)布置在燃烧通道(3)内，所述阻流件由比燃烧器板的材料具有更高的导热率的材料制成。

Description

辐射燃烧器
技术领域
本发明涉及用于燃烧由燃料气体和携氧气体组成的气体混合物的燃烧器，特别是辐射燃烧器。燃烧器具有燃烧器板，所述燃烧器板具有用于供气体混合物从混合室侧到燃烧侧流动通过的通过通道。在燃烧侧，具有与通过通道相比扩大的横截面的燃烧通道连接到通过通道。
背景技术
根据前序部分所述的类型的辐射燃烧器或表面燃烧器具有混合室，在混合室中产生燃料气体和携氧气体的气体混合物。具有通过通道的燃烧器板连接到混合室，气体混合物通过所述通过通道而流出混合室并且燃烧。
燃烧器板内的用于供气体混合物从混合室侧到燃烧侧流动通过的通过通道十分得窄，使得在出口侧形成的各个单独的火焰不能回火(flash back)到混合室内。如果通过通道的至少多段的直径小于燃烧的所谓的熄灭距离(或也称为淬熄距离)，则防止了火焰通过所述通过通道回火到混合室内。淬熄距离是这样的距燃料气体出口的距离，在该距离内不发生反应且火焰不能扩展，因为所释放的燃烧焓被周围的燃烧器材料吸收并且传导带走，而反应链被中断。然而，淬熄距离不是一个绝对的值，而是一般地取决于燃料气体的成分、燃料气体温度和壁的温度。
对于辐射燃烧器，由燃烧产生的热输出应均匀地分布在大的区域上。为此，燃烧器或燃烧器板的材料被气体燃烧的火焰加热，直至它灼热发光，并且将有效热辐射输送到所要被加热的材料。如果火焰作为各个单独的火焰在燃烧器板上燃烧，则材料仅微弱地且低效地被加热。为实现对于燃烧器材料的有效加热，火焰应尽可能靠近材料且与材料紧密接触地燃烧。为此，火焰优选地被移动到燃烧器板内，这通过将燃烧器板设计为多孔的并且在多孔材料内产生火焰覆盖区域(blanket)或通过允许燃烧在燃烧器板内的通道(燃烧通道)内进行来实现。
例如，从DE 100 28 670中已知了用于表面燃烧器的燃烧器板，其中在燃烧侧上的出口侧上，具有与通过通道相比扩大的横截面的、其中发生燃烧的通道连接到用于燃料气体的通过通道，所述通过通道的直径小于燃烧的淬熄距离。对于此设计，DE 100 28 670中的发明的目的是生产出可以实现比热输出显著降低的燃烧器板，以使用该燃烧器在大的表面积上将例如塑料材料间接地加热到100℃至300℃的低温。为此，需要使燃烧器板的平均表面温度降低到远低于900℃，而不使得燃烧不完全或使火焰熄灭。
在高燃料气体通过量以产生高热流密度的情况下，各个单独的火焰在燃烧器板的出口侧表面上燃烧。当热流密度降低时，所述各个单独火焰逐渐退却并且进入到燃烧通道内，因为燃料通道的直径大于燃烧的淬熄距离。在非常低的热流密度的情况下，火焰维持在通过通道和扩大的横截面之间的过渡区处，因为通过通道的直径小于燃烧的淬熄距离。因此，根据DE 100 28 670的燃烧器的比热输出可以被非常显著地降低。
所述的设计的缺点在于，即如果希望高的燃料气体通过量以用于获得高的辐射功率和燃烧器温度，则火焰在燃烧器板的表面处从燃烧通道露出，由此辐射功率下降且火焰未被保护防止受流动和扰动的影响，这可能导致火焰熄灭。
发明内容
本发明的目的是提供一种辐射燃烧器和用于辐射燃烧器的燃烧器板，利用它们来克服现有技术的已知的缺点且实现高能量效率、高辐射功率和高火焰稳定性。
根据本发明，此目的通过一种燃烧器实现，该燃烧器具体地是辐射燃烧器，其用于由燃料气体和携氧气体组成的气体混合物的燃烧，所述燃烧器具有燃烧器板，所述燃烧器板具有用于供气体混合物从混合室侧到燃烧侧流动通过的通过通道，其中在燃烧侧，具有与通过通道相比扩大的横截面的燃烧通道连接到通过通道，且阻流件布置在燃烧通道内以与燃烧火焰接触，其中阻流件由导热率比燃烧器板的材料更高的材料制成。
在根据本发明的燃烧器的一个实施例中，用于气体混合物流动通过的通过通道在其整个长度上的至少一个点处具有最大直径，所述最大直径小于燃烧的淬熄距离。
在本发明的意义中，术语“最大直径”指的是通过通道内的、与其纵向轴线或纵向延伸相横交的最长可能的连接线。在具有圆形横截面的通过通道的情况中，直径总是等于圆的直径。另一方面，在正方形或矩形横截面的情况中，“最大直径”是正方形或矩形的两个相对的角之间的对角连接线，而具有正方形横截面的通过通道的最小直径是两个相对边之间的距离。在矩形横截面的情况中，通过通道的最小直径是矩形的相对的两个长边之间的距离。
用于气体混合物流动通过的通过通道优选地在其整个长度上具有均匀的最大直径，所述最大直径小于燃烧的淬熄距离。通过通道特别优选地具有椭圆形或圆形的横截面。换言之，在此实施例的情况中，最大直径在通道的整个长度上保持相同，而且不改变。通过通道也优选地在其整个长度上具有相同的横截面，例如圆形、椭圆形、正方形、矩形等横截面。
由于上述的使通过通道的至少多段的最大直径小于燃烧的淬熄距离的措施，阻止了火焰穿过通过通道到混合室内的回火。因为相同的气体混合物成分和已知的材料一般地用于特定的燃烧器应用，且所要实现的燃烧温度和壁的温度是已知的，所以本领域一般技术人员可容易地确定最小的淬熄距离且相应地计算出通过通道的直径。
在根据本发明的燃烧器的另外的实施例中，燃烧通道的至少多段在其整个长度上具有大于燃烧的淬熄距离的最大直径。
燃烧通道优选地在其整个长度上具有均匀的直径，所述均匀的直径大于燃烧的淬熄距离。燃烧通道特别优选地具有椭圆形或圆形的横截面。
因为燃烧通道的至少多段的直径大于燃烧的淬熄距离，所以火焰可通到燃烧通道内且燃烧可在燃烧通道内发生。
因此，实现了火焰与燃烧器材料的更紧密的接触和对燃烧器材料的有效加热。通过燃烧产生的热输出均匀地分布在燃烧器板的表面上，且燃烧器或燃烧器板的材料将有效的热辐射输送到所要被加热的材料。由于火焰在燃烧通道内燃烧，火焰受到保护，防止受流动和扰动的影响并防止熄灭。因此，实现了高的能量效率、高的辐射功率和高的火焰稳定性。
在根据本发明的燃烧器的另外的实施例中，在通过通道和燃烧通道之间的过渡区处的横截面以锥形方式、阶梯形方式或以上述两种方式的组合扩宽。
在通过通道和燃烧通道之间的过渡区处以阶梯形方式扩宽的横截面在本发明的一个实施例中通过使燃烧器板由至少两个单独的板构成实现，所述至少两个单独的板一个布置在另一个上方，且所述至少两个单独的板在一些点处具有一个处于另一个上方的通道孔，根据本发明，所述通道孔在具有通过通道的单独的板内的直径或横截面小于在具有燃烧通道的单独的板内的直径或横截面。
根据本发明，用于与燃烧火焰接触的阻流件布置在燃烧通道内，其中阻流件由比燃烧器板的材料具有更高的热传导性的材料制成。阻流件布置为使得燃烧火焰触及阻流件。阻流件保证火焰被稳定，特别地是在高燃烧气体通过量以产生高热流密度的情况下。另外，阻流件保证火焰尽可能小地从燃烧通道离开，因此提高了热输出。火焰在通道内受到保护，防止可能导致火焰熄灭的流动和气体的影响。火焰高度较低，从而所要加热的材料可定位得更靠近辐射燃烧器或更靠近辐射燃烧器通过。如果燃烧器输出小，则火焰可加热燃烧通道内的阻流件，而所述阻流件因此可用作点火源。
与不具有阻流件的情况相比，在燃烧器点燃时，在根据本发明的燃烧器的燃烧器板内的阻流件显著地有助于燃烧器火焰的快得多稳定以及燃烧器火焰更快地通入到燃烧通道内。这还保证了燃烧器板的材料与不具有阻流件的情况相比被更快地加热。
根据本发明的类型的辐射燃烧器具有非常低的输出下限。同时，在多孔介质或带有通道的介质内的增大的燃烧速度导致了高的最大输出，其结果是能利用此燃烧器实现更宽的输出范围。增大的燃烧速度的另一个结果是，使用此燃烧器，对于天然气/空气混合物可实现高达4MW/m2的表面负荷。因此，与具有可比的输出的其他燃烧器相比，这些燃烧器可被设计得更紧凑。另外，与其中热的大部分在排气内残留的开放火焰的情况相比，显著更高比例的热通过辐射而从燃烧区输出。对于烧尽距离(burn out distance)，这些燃烧器与具有开放火焰的燃烧器相比具有优点，因为燃烧在整个输出范围内都是主要或完全在燃烧器基体(matrix)内发生。在集成多个换热器的情况下，这也是有利的。作为这样的燃烧器的高表面负荷与短的烧尽距离的组合的结果，大体上更紧凑的加热装置可被设计用作大容量燃烧室，且可省却大的对流表面。
由于燃烧器材料内的热传递增大，可因此设定均匀的温度场，其结果是NOx排放和CO排放都非常低。此外，在根据本发明的类型的燃烧器且在多孔燃烧器中，与可比的开放火焰式的燃烧器相比，可出现燃烧反应的烧尽或熄灭的极限值低得多。
使用根据本发明建议的燃烧器设计，可实现与那些已知的多孔燃烧器可比的燃烧器特性。
在根据本发明的燃烧器的另一个实施例中，阻流件由金属或陶瓷材料制成。由金属制成的阻流件具有非常好的导热率，且因此特别地促进了通过阻流件的火焰稳定性。根据本发明，用于生产阻流件的合适的材料例如是材料标号为1.4841、1.4765、1.4767、2.4869和2.4867(材料标号依据EN10027-2)的钢材。根据本发明，用于生产阻流件的合适的陶瓷材料例如是SiC或SiSiC。
在根据本发明的燃烧器的另一个实施例中，阻流件形成为具有圆形或多边形的横截面的棒，或形成为金属带，或形成为穿孔板。
形成为棒的阻流件优选地横向地延伸通过燃烧通道。
在本发明的特别有利于生产的实施例中，阻流件形成为横向地延伸通过燃烧通道的棒或线，其中在每种情况中，棒或线延伸通过在燃烧器板的宽度上相邻地布置成行的燃烧通道或横向地延伸通过燃烧器板。
如上文已陈述，在根据本发明的燃烧器的一个实施例的情况中，燃烧器板由一个布置在另一个上的至少两个单独的板构造成，其中在运行期间朝向混合室侧布置的第一单独的板具有通过通道，而在运行期间朝向燃烧侧布置的第二单独的板具有燃烧通道。以此设计，在运行期间朝向混合室侧布置的第一单独的板优选地比在运行期间朝向燃烧侧布置的第二单独的板具有更低的热容量和/或更低的导热率。
在根据本发明的燃烧器的另一个实施例中，燃烧器板由具有低导热率的耐高温陶瓷纤维制成。
用来制成燃烧器板的陶瓷纤维材料优选地包括40重量％至90重量％的Al2O3和10重量％至60重量％的SiO2，或60重量％至85重量％的SiO2和15重量％至25重量％的(CaO+MgO)。
合适的纤维材料可从德国默费尔登-瓦尔多福市(Moerfelden-Walldorf)的山特维克材料技术德国(Sandvik MaterialsTechnology Deutschland)公司购得，其名称为FIBROTHAL(F-17/LS,F-19,F-14)。
在本发明的一个实施例中，阻流件设计为具有布置在燃烧器板上方的盖板的形式，其中盖板在燃烧通道的出口上方具有孔，所述孔的横截面小于燃烧通道的出口的横截面但大于燃烧的淬熄距离。因为盖板的孔比燃烧器板的燃烧通道的出口侧的端部窄，所以提高了火焰防护的作用。
根据本发明的燃烧的燃烧器板内的通过通道优选地具有大致为0.6mm至1.2mm的直径，且其长度对应于其直径的大致4倍至15倍。
扩大的横截面优选地是直径为大致1.5mm至6mm的孔，其中孔的长度对应于其直径的大致1倍至3倍。
如果燃烧器板由陶瓷材料制成，则孔可在燃烧器板生产期间被压入成形(press in)。孔优选地垂直于燃烧器板的出口侧表面延伸。
燃烧器板内的通过通道和燃烧通道优选地在燃烧器板上以规则图案分布。相互距离被选择为保证燃烧在燃烧器板的表面上具有一定的点火传递作用(ignition transfer)。相邻的通过通道之间的距离优选地对应于其直径的大致1.5倍至6倍。在燃烧器板的纵向方向上的距离可比在横向方向上的距离更短或更长。也可提供具有不同火焰密度的区域的燃烧器板，这通过使燃烧器板内的通过通道和燃烧通道在燃烧器板上按照希望的火焰密度分布来实现。
附图说明
本发明的另外的优点、特征和形式在下文中参考优选实施例示例并结合附图进行解释。
图1示出了通过根据本发明的具有燃烧器板的燃烧器的横截面。
图2示出了根据本发明的根据图1的燃烧器的顶视图。
图3示出了根据本发明的根据图1的燃烧器从上方以一定角度观察的透视图。
具体实施方式
图1示出了通过根据发明的具有燃烧器板1的燃烧器的横截面，所述燃烧器板通过固定板9安装在安装基板8上。燃烧器板1具有通过通道2和与通过通道2连接的燃烧通道3，其中燃烧通道3具有与通过通道2相比扩大的横截面。在燃烧器板1下方是混合室6，优选地为天然气-空气混合物的燃料气体通过气体供给管线5而被引入到混合室6内。用于燃烧气体的更好混合和分布的穿孔板7被设置在混合室6内。当燃烧器运行时，燃料气体从下端穿过通过通道2流出混合室6，并且继续通过燃烧通道3。燃烧器板1内的通过通道2形成为圆柱形孔，其直径小于燃烧的淬熄距离，其结果是火焰不能从燃烧通道3回火到通过通道2内。另一方面，具有扩大的横截面的燃烧通道3的直径大于燃烧的淬熄距离，使得燃烧可在燃烧通道3内进行。
形成为棒(圆形杆)的阻流件4横向地延伸通过相邻地布置成行的燃烧通道3。当燃料气体在燃烧通道3内燃烧时，火焰与阻流件4产生接触且因此被稳定。在此处所示的实施例中，燃烧器板1由具有低导热率的陶瓷材料构成，而阻流件4由金属制成且具有比燃烧器板1更高的导热率。
图2示出了根据本发明的根据图1的燃烧器的顶视图，且图3示出了根据本发明的根据图1的燃烧器的从上方以一定角度观察的透视图，其中相同的部分在所有三个附图中被赋予相同的附图标记。
附图标记列表
1  燃烧器板
2  通过通道
3  燃烧通道
4  阻流件
5  气体供给管线
6  混合室
7  穿孔板
8  安装基板
9  固定板

Claims (12)

1.一种燃烧器，所述燃烧器具体地是辐射燃烧器，其用于由燃料气体和携氧气体组成的气体混合物的燃料，所述燃烧器具有：
燃烧器板(1)，所述燃烧器板具有用于气体混合物从混合室侧到燃烧侧流动通过的通过通道(2)，
其中，在燃烧侧，具有与所述通过通道(2)相比扩大的横截面的燃烧通道(3)连接到所述通过通道(2)，其中
用于与燃烧火焰接触的阻流件(4)布置在所述燃烧通道(3)内，其中所述阻流件由比所述燃烧器板的材料具有更高的导热率的材料制成，
其特征在于，所述阻流件(4)形成为棒或线，所述棒或线横向地延伸通过所述燃烧通道(3)，其中在每种情况中，所述棒或线延伸通过沿着所述燃烧器板的宽度相邻地布置成行的所述燃烧通道(3)或横向地延伸通过所述燃烧器板。
2.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，用于气体混合物流动通过的所述通过通道(2)在其整个长度上的至少一点处具有最大直径，所述最大直径小于燃烧的淬熄距离。
3.根据权利要求2所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧通道(3)的至少多段在其整个长度上具有最大直径，所述最大直径大于燃烧的淬熄距离。
4.根据前述权利要求中一项所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器板(1)内的所述通过通道(2)和/或所述燃烧通道(3)具有椭圆形或圆形的横截面。
5.根据权利要求1至3中一项所述的燃烧器，其特征在于，在所述通过通道(2)和所述燃烧通道(3)之间的过渡区处的横截面以锥形方式、阶梯形方式或以上述两种方式的组合扩宽。
6.根据权利要求1至3中一项所述的燃烧器，其特征在于，所述阻流件(4)由金属或陶瓷制成。
7.根据权利要求1至3中一项所述的燃烧器，其特征在于，所述阻流件(4)形成为具有圆形或多边形的横截面的棒，或形成为金属带。
8.根据权利要求1至3中一项所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器板(1)由一个布置在另一个上方的至少两个板(1a和1b)构造成，其中在运行期间朝向混合室侧布置的第一板具有所述通过通道(2)，而在运行期间朝向燃烧侧布置的第二板具有所述燃烧通道(3)。
9.根据权利要求8所述的燃烧器，其特征在于，在运行期间朝向混合室侧布置的所述第一板比在运行期间朝向燃烧侧布置的所述第二板具有更低的热容量和/或更低的导热率。
10.根据权利要求8所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器板(1)由具有低导热率的耐高温陶瓷纤维材料制成。
11.根据权利要求9所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器板(1)由具有低导热率的耐高温陶瓷纤维材料制成。
12.根据权利要求10所述的燃烧器，其特征在于，用来制成所述燃烧器板(1)的陶瓷纤维材料包括：
40重量％至90重量％的Al2O3，和10重量％至60重量％的SiO2。
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