CN116057318A - 燃烧器和用于操作燃烧器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃烧器(100)，包括内流体供应单元(110)和外流体供应单元(120)，其中该内流体供应单元(110)包括第一内流体喷射元件(111)、环绕该第一内流体喷射元件(111)的第二内流体喷射元件(112)和环绕该第二内流体喷射元件(112)的第三内流体喷射元件(113)，并且其中该内流体供应单元被配置用于喷射第一氧化剂、第二氧化剂和燃料。该外流体供应单元(120)包括至少两个外流体喷射元件(121)，该至少两个外流体喷射元件布置在距该内流体供应单元(110)的特定径向距离处，其中每个单独外流体喷射元件(121)被配置用于借助于中心流体喷射元件(122)和环绕该中心流体喷射元件(122)的环绕流体喷射元件(123)喷射该第一氧化剂和该第二氧化剂。

Description

燃烧器和用于操作燃烧器的方法

本发明涉及用于燃烧流体的燃烧器以及用于操作燃烧器的方法。

现有技术

存在宽范围的燃烧器技术，其可用于高温加热和熔化过程，诸如铝熔化或重熔炉、钢再热炉和玻璃熔化炉。通过这些燃烧器，执行流体的燃烧，具体地是燃料如天然气、甲烷、丙烷等和氧化剂的燃烧。例如，空气可在所谓的空气-燃料燃烧器中用作氧化剂。此外，纯氧气可在所谓的氧气-燃料燃烧器中用作氧化剂。还可以在所谓的空气-氧气-燃料燃烧器中使用空气和氧气的组合作为氧化剂。

氧气-燃料燃烧器可执行燃料与高纯度氧气的无焰或半无焰燃烧。在所谓的低温氧气-燃料燃烧器(LTOF)中，燃烧可通过将炉气体混合到燃烧区中而在稀释的氧气浓度下发生。所谓的低排放空气-氧气-燃料燃烧器(LEAF)可用于与空气、富氧气的空气和纯氧气的燃烧。

将纯氧气添加到燃烧过程(即在空气-氧气-燃料燃烧器或氧气-燃料燃烧器中)可提供由燃烧产物体积和废热的减小以及火焰温度和热传递的增加和随之发生的生产率和过程效率的增加所产生的优点。然而，在NOx排放的控制中，将纯氧气添加到燃烧过程也带来一些挑战。减小NOx排放对于大多数燃烧器用户而言是重要问题。

发明内容

本发明涉及一种具有独立权利要求的特征的用于燃烧流体的燃烧器以及用于操作燃烧器的方法。根据本发明的方法和炉的优选实施方案和优点是从属权利要求和以下描述的主题。

燃烧器包括内或中心流体供应单元和外或外围流体供应单元。这些内流体供应单元和外流体供应单元为待燃烧的不同流体提供特定供应系统。具体地，燃烧器被设置用于燃料(具体地是天然气或甲烷)和至少一种氧化剂(具体地是空气和/或氧气)的燃烧。

内流体供应单元包括第一内流体喷射元件，具体地是第一管道，具体地用于喷射第一流体；第二内流体喷射元件，具体地是第二管道，具体地用于喷射第二流体；和第三内流体喷射元件，具体地是第三管道，具体地用于喷射第三流体。第二内流体喷射元件环绕(即周向地环绕)第一内流体喷射元件的至少轴向部分。具体地，第一内流体喷射元件和第二内流体喷射元件同轴地布置并且进一步具体地同心地布置。第三内流体喷射元件环绕(即周向地环绕)第二内流体喷射元件的至少轴向部分。具体地，第二内流体喷射元件和第三内流体喷射元件同轴地并且进一步具体地同心地布置。具体地，第一内流体喷射元件、第二内流体喷射元件和第三内流体喷射元件同轴地并且同心地布置。

外流体供应单元包括被配置用于喷射第一氧化剂和第二氧化剂的至少两个外流体喷射元件。至少两个外流体喷射元件布置在距内流体供应单元、具体地距内流体供应单元的中心、具体地距第一内流体喷射元件的中心的特定径向距离处。术语“距内流体供应单元的径向距离”应具体地被理解为内流体供应单元的中心(具体地是第一内流体喷射元件的中心)与对应外流体喷射元件的中心之间(具体地在对应外流体喷射元件的轴向端部处和/或在内流体供应单元的轴向端部处)的径向距离。例如，特定径向距离可多至内流体供应单元的最外内流体喷射元件的半径的两倍。

在优选实施方案中，特定径向距离大于最外内流体喷射元件与外流体喷射元件的环绕流体喷射元件的半径的总和，使得在内流体供应单元与外流体供应单元之间存在空间距离。内流体供应单元和外流体供应单元不直接彼此邻接。特定径向距离可以是最外内流体喷射元件的半径的1.1至1.9倍或1.2至1.8倍或1.3至1.7倍或1.4至1.6倍。

这两个或更多个外流体喷射元件因此具体地围绕内流体供应单元布置在特定径向位置处，进一步具体地围绕内或中心流体供应单元周向地布置。

在本发明的一个实施方案中，外流体喷射元件特别地布置成邻近内流体供应单元，即邻近内流体喷射元件。具体地，外流体喷射元件布置在第二内流体喷射元件的壁的背离第一内流体喷射元件的壁或与该第一内流体喷射元件的壁相对的侧面或部分处。

具体地，至少一个外流体喷射元件的纵向轴线平行于或至少基本上平行于第一内流体喷射元件、第二内流体喷射元件和/或第三内流体喷射元件的纵向轴线。各种流体喷射元件优选地彼此平行。还可能的是，至少一个外流体喷射元件的纵向轴线以及第一内流体喷射元件、第二内流体喷射元件和第三内流体喷射元件的纵向轴线相对于彼此以特定角或倾斜角布置。例如，该角度可在0°和25°之间的范围内，特别地是在0°和10°之间的范围内，进一步具体地是在0°和5°之间的范围内。

每个流体喷射元件具体地被设置用于喷射特定流体。具体地，每个流体喷射元件被配置为与例如包括流体存储容器和泵的流体供应器连接，使得对应流体从所述流体供应器输送通过对应流体喷射元件并且贯穿对应流体喷射元件的轴向端部喷射。每个流体喷射元件可与单独流体供应器连接。单独流体喷射元件也可与相同流体供应器连接。流体可由内喷射元件和外喷射元件在彼此平行或至少基本上彼此平行的方向上喷射。

具体地，第二内流体喷射元件环绕第一内流体喷射元件的至少一部分，优选地环绕从第一内流体喷射元件的轴向端部延伸的部分，对应流体可在该轴向端部处从第一内流体喷射元件喷射。然而，也可能的是，第二内流体喷射元件围绕整个第一流体喷射元件。

这同样适用于第二内流体喷射元件和第三内流体喷射元件。第三内流体喷射元件环绕第二内流体喷射元件的至少一部分，优选地环绕从第二内流体喷射元件的轴向端部延伸的部分，对应流体可在该轴向端部处从第二内流体喷射元件喷射。也可能的是，第三内流体喷射元件围绕整个第二流体喷射元件。

第一内流体喷射元件和第二内流体喷射元件被具体地布置成使得围绕第一内流体喷射元件设置或形成环形通道。为此，在第一内流体喷射元件的外壁与第二内流体喷射元件的内壁之间具体地存在特定距离。对应流体可被引导通过该环形通道。

第二内流体喷射元件和第三内流体喷射元件被具体地布置成使得围绕第二内流体喷射元件设置或形成环形通道。为此，在第二内流体喷射元件的外壁与第三内流体喷射元件的内壁之间具体地存在特定距离。对应流体可被引导通过该环形通道。

借助于第一内流体喷射元件，可产生第一流体的第一射流或流。借助于第二流体喷射元件，可产生第二流体的环形射流或流，其周向地环绕或围绕第一射流。借助于第三流体喷射元件，可产生第三流体的环形射流或流，其周向地环绕或围绕第二射流。具体地，这些流可相互作用或混合以使得可产生第一流体、第二流体和/或第三流体的混合物的中心射流或流。

借助于外流体喷射元件，可产生附加的外流体射流，每个外流体射流在围绕中心射流的外围位置处。外流体喷射元件被布置成与内流体供应单元相距的特定距离可被特别确定为使得可实现内射流与外射流之间的特定相互作用。

因此，本发明提供了一种燃烧器，其中可以不同的方式灵活地提供不同流体(具体地是燃料和不同氧化剂)。为此，不同流体喷射元件可灵活地与单独流体供应器连接，使得每个流体喷射元件可单独地提供特定流体。可灵活地互换由哪个流体喷射元件提供哪个流体，并且单独流体喷射元件也可被去激活以使得它们不喷射流体。具体地，本发明的燃烧器提供空气-燃料、氧气-燃料以及空气-氧气-燃料燃烧器的组合。取决于燃烧器应执行的功能，特定流体可由不同流体喷射元件提供。上述操作模式的期望组合可在生产周期期间连续改变。

本发明的燃烧器的宽范围的过程组合为客户或用户提供了最大化的灵活性。本发明的燃烧器可将传统的空气-燃料燃烧与低NOx氧气-燃料技术组合，从而为整个过程提供最大化的熔化能力、改善的温度分布和最小化的能量消耗。当在工业应用如炉中使用燃烧器时，通常不容易改变燃烧器和炉的配置。例如，在将炉从使用空气作为氧化剂转换为使用氧气时，其意味着硬件在燃烧器和供应系统替换的方面的相当大的改变。这是成本密集且精细的过程。然而，本发明的燃烧器允许在不同的燃烧器和炉操作之间容易地切换。取决于将在炉中执行的具体过程，可单独地操作燃烧器以便实现优化的结果。

此外，普通空气-氧气-燃料燃烧器通常被专门设计成提供空气和氧气的特定组合作为氧化剂。这些类型的普通空气-氧气-燃料燃烧器通常不能以纯空气-燃料或纯氧气-燃料模式操作。然而，本发明的燃烧器允许在这些不同操作模式之间灵活地切换。

此外，取决于哪个特定流体由哪个特定流体喷射元件提供，可灵活地修改和控制燃烧的动力学和特性。例如，与例如借助于第一流体喷射元件提供氧化剂和借助于第二流体喷射元件提供燃料相比，借助于第一流体喷射元件提供燃料作为高速燃料射流并且借助于第二流体喷射元件提供氧化剂(例如，空气)作为围绕燃料射流的环形射流可实现单独且不同的火焰和燃烧特性。这同样适用于借助于第三流体喷射元件喷射的类型的流体。

此外，通过借助于外流体喷射元件提供附加氧化剂射流，例如可实现内射流的平衡以及例如燃烧产物与内射流的高度渗透、再循环和混合。具体地，燃烧器可利用从空气到纯氧气的氧化剂以及利用任何比例的空气和氧气来操作以获得期望的燃烧特性如动量、渗透和混合以及低排放。

此外，根据本发明的燃烧器具体地允许减小和最小化NOx排放。在燃烧过程中，NOx可通过多种机制形成，例如通过快速热过程(所谓的热NOx)或通过化学结合的氮气与燃料分子(所谓的燃料NOx)。对于典型清洁燃料如甲烷的燃烧，通常没有燃料NOx，并且大多数的NOx通常通过热NOx过程在升高温度下形成。因此，NOx排放通常取决于用于燃烧的特定氧化剂以及供应特定氧化剂的方式。由于热NOx在升高温度下通过游离氧气和氮气的可用性来驱动，因此减小温度并且减小氧气和氮气在升高温度下的相互作用可减小所形成的NOx的量。

通常，在普通燃烧器中，可执行分级燃烧，使得燃料在富燃料环境中与氧气部分反应并且随后通过补充氧化剂供应来烧尽。以这种方式，反应的大部分可在富燃料(即低氧气O₂)环境中发生。火焰因此通过延迟的反应延长并且热量在最终氧化之前从火焰辐射，即峰值火焰温度被抑制。然而，在将纯氧气添加到燃烧过程时，增强热NOx的形成的趋势增加，因为已知氧气的添加会增加火焰温度。这种增加持续直至达到相当高的氧气浓度，在该点氮的可利用性充分减少并且减小所形成的NOx的量。因此，普通空气-氧气-燃料燃烧器有可能产生超过空气-燃料燃烧器和氧气-燃料燃烧器的可接受水平的增加水平的NOx。

然而，根据本发明的燃烧器允许提供氧化剂和燃料以使得热NOx可被减小或最小化。具体地，内流体供应单元允许以高速引入燃料和氧化剂流的一部分以产生高速富燃料中心流。外流体供应单元允许以高速引入氧化剂的剩余部分以用于富燃料中心流的最终燃烧。中心的内富燃料流和外围的外氧化剂射流的高速度用于引起高度渗透(例如到炉气氛中)以及热燃烧产物到燃料和氧化剂射流中的高度再循环和混合。这种混合用于通过热燃烧产物稀释内部中心流和外部外围流，从而引起更扩散的燃烧反应。这种扩散反应有利地减小局部峰值温度并且减小NOx。

根据特别优选的实施方案，燃烧器被配置用于借助于内流体供应单元和外流体供应单元的单独流体喷射元件喷射第一氧化剂、第二氧化剂和燃料，以及控制所喷射的第一氧化剂和/或所喷射的第二氧化剂和/或所喷射的燃料的量之间的至少一个比率以使得至少一个过程参数被优化。因此，对应比率可在燃烧器操作的不同序列中被具体地和单独地控制和改变以便执行燃烧并且以优化的过程参数以及因此以高效率操作燃烧器。燃烧器可在燃烧器操作的不同序列(如启动、加热、完全熔化、过热、保持等)中被单独地操作。具体地，控制至少一个比率以使得热释放模式和/或NOx排放性能和/或操作安全和/或过程经济性被优化，具体地是在生产循环和商业循环的每个部分中。

第一内流体喷射元件、第二内流体喷射元件和第三内流体喷射元件优选用于供应燃料、氧气和空气。通常，每个流体喷射元件可用于供应燃料、氧气或空气中的每一者。在一个具体实施方案中，借助于第一流体喷射元件供应燃料，借助于第二流体喷射元件供应氧气，并且借助于第三流体喷射元件供应空气。根据本发明的另一个实施方案，借助于第一流体喷射元件供应氧气，借助于第二流体喷射元件供应燃料，并且借助于第三流体喷射元件供应空气。

有利地，燃烧器被配置用于控制借助于内流体供应单元和外流体供应单元两者喷射的第一氧化剂的量与第二氧化剂的量之间的第一比率。因此，第一比率是指通过所有流体喷射元件喷射的第一氧化剂的总量与第二氧化剂的总量之间的比率。

有利地，燃烧器被配置用于控制借助于内流体供应单元喷射的第一氧化剂和/或第二氧化剂的量与借助于外流体供应单元喷射的第一氧化剂和/或第二氧化剂的量之间的第二比率。该第二比率特别地对应于通过内流体供应单元的流体喷射元件喷射的氧化剂的总量与通过外流体供应单元的流体喷射元件喷射的氧化剂的总量之间的比率。

有利地，燃烧器被配置用于控制第一比率和第二比率以使得至少一个过程参数被优化。因此，根据特别优选的实施方案，第一氧化剂和第二氧化剂之间的第一比率以及内部总氧化剂和外部总氧化剂之间的第二比率被连续地控制和改变，以便对于接收燃烧过程获得在生产循环和商业循环的每个部分中最佳的热释放模式、NOx排放特性、操作安全和过程经济性。

例如，如果过程最初是冷的，则燃烧器可以安全半无焰、中等NOx模式进行操作，例如在内流体供应单元中以较高相对流量，例如关于中等氧气和空气使用。在较高温度下，燃烧器可例如以超有效、高氧气使用、低空气使用、高功率、高热传递和低废气比容积模式进行操作，例如在生产循环的完全熔化部分期间。在具有低功率要求和有限热传递可能性的过程的最后部分期间，燃烧器可例如通过低氧气/高空气进行操作，例如以高废气比容积以避免空气进入炉中。

内流体供应单元还包括第三内流体喷射元件，具体地是第三管道，其环绕(即周向地围绕)第二内流体喷射元件的至少一部分。有利地，第三内流体喷射元件至少环绕从第二内流体喷射元件的轴向端部延伸的轴向部分，可在该轴向部分处喷射对应流体。因此，内流体供应单元有利地包括三个内流体喷射元件，优选地是三个管道。具体地，这三个内流体喷射元件同轴地并且进一步具体地同心地布置。第三流体喷射元件具体地被设置用于喷射第三流体。可以有利地借助于三个内流体喷射元件提供燃料以及两种不同氧化剂。

有利地，第二内流体喷射元件和第三内流体喷射元件被布置成使得围绕第二内流体喷射元件设置或形成第二环形通道，对应流体可被引导通过该第二环形通道。因此，可产生第二环形射流或流，其周向地环绕或围绕第二流体喷射元件的环形流。具体地，第一流体、第二流体和第三流体的射流或流可相互作用或混合并且产生包括三种流体的混合物的中心射流。还可以提供另外的内流体喷射元件，每个内流体喷射元件至少环绕前一个元件的轴向部分，从而提供另外的环形通道和另外的环形射流。

单独外流体喷射元件各自包括中心流体喷射元件(具体地是中心管道)和环绕(即周向地围绕)中心流体喷射元件的至少轴向部分的环绕流体喷射元件(具体地是环绕管道)。类似于第一内流体喷射元件、第二内流体喷射元件和第三内流体喷射元件，也可借助于这些中心流体喷射元件和环绕流体喷射元件来提供不同流体，并且可产生围绕中心流体射流的环形流体流。具体地，两种不同氧化剂可由中心流体喷射元件和环绕流体喷射元件提供。

有利地，外流体供应单元包括围绕内流体供应单元周向布置的至少两个外流体喷射元件。优选地，至少两个外流体喷射元件具有距内流体供应单元、具体地距内流体供应单元的中心、具体地距第一内流体喷射元件的中心的相同径向距离。有利地，外流体喷射元件围绕内流体供应单元对称地布置。具体地，提供偶数数量的外流体喷射元件，具体地是四个外流体喷射元件。具体地，这些径向距离可各自多达最外内流体喷射元件(具体地是第二或第三内流体喷射元件)的半径的两倍。具体地，径向距离可各自比最外内流体喷射元件的半径大至多50％，更特别地大至多25％。

有利地，至少一个外流体喷射元件的直径小于第一内流体喷射元件的直径。外流体喷射元件可特别地被设置为具有小直径的喷枪以产生相当窄的射流。具体地，中心流体喷射元件和环绕流体喷射元件的直径各自小于第一内流体喷射元件的直径。

根据优选实施方案，内流体供应单元包括用于减小流体速度的至少一个减压元件。优选地，至少一个减压元件附接到内流体供应单元的流体喷射元件中的至少一者的内壁和/或外壁。这些减压元件可优选地被设置为至少一个穿孔板。这些减压元件可例如放置在对应流体喷射元件的入口处以便对于燃烧器的不同配置是可替换的。借助于这些减压元件，可具体地局部减小对应流体的速度以便相对于外流体供应器中的流体量限制内流体供应器中的流体量并且产生稳定火焰。

优选地，至少一个减压元件被设置用于内流体供应单元的单独流体喷射元件，其中将借助于此单独流体喷射元件喷射的流体进一步借助于外流体供应单元的至少一个外流体喷射元件来喷射。具体地，当流过内供应单元的流体也流过外供应单元时，具体地当内供应单元和外供应单元的对应流体喷射元件连接到相同流体供应器时，减压元件用于流过内供应单元的流体。具体地，当对于对应的单独流体注入元件和对应的外流体喷射元件两者使用相同供应压力时，内流体供应单元的对应的单独流体注入元件被设置有减压元件，以便减小流到内流体供应单元的流体量并同时实现与外流体供应单元相比更低的注入速度。具体地，可减小其中放置有减压元件的管道的出口处的流体的速度。因此，引入了压降并且可减小在系统的该部分中流动的气体量。在给定上游压力下减小气体量将减小出口速度。这使得特别有可能供应流体以在一些喷射元件中具有音速或超音速的速度并且在另一个喷射元件中具有低得多的速度。

本发明的燃烧器包括内流体供应单元，其具有用于第一氧化剂、第二氧化剂和燃料的第一喷射元件、第二喷射元件和第三喷射元件。此外，燃烧器包括用于第一氧化剂和第二氧化剂的至少两组外流体喷射元件。在优选实施方案中，第一氧化剂包括大于80体积％、大于90体积％或大于95体积％的氧气，并且第二氧化剂是空气。根据本发明，第一氧化剂流(即氧气体流)邻近另一个气体流流动、由另一个气流围绕或围绕另一个气体流。该另一气体流是燃料流或空气体流。因此，喷射第一氧化剂流/氧气流的第一流体喷射元件总是由另一个介质流冷却。特别地在外流体喷射元件中，通过环绕流体喷射元件的流体流冷却中心流体喷射元件，并且反之亦然，通过中心流体喷射元件的流体流冷却环绕流体喷射元件。

根据本发明，燃烧器外壳(在下文中也称为燃烧器瓦、燃烧器块或石)仅包括用于不同流体供应单元的最少管道。每个流体供应单元包括用于第一氧化剂和第二氧化剂的流体喷射元件。因此，在一个实施方案中，仅需要通过燃烧器外壳或燃烧器块的三个导管：一个导管用于内流体供应单元并且两个导管用于两个外流体喷射元件。将通过燃烧器块制造的管道的数量被减小到最小值。因此，气体供应歧管的复杂性减小并且燃烧器块不易开裂。

本发明的燃烧器具有以下益处：

-空气供应或第二氧化剂的供应可以任何比率单独地引导到中心内流体供应单元、外围外流体供应元件或所有流体喷射元件。

-氧气供应或第一氧化剂的供应可以任何比率单独地引导到中心内流体供应单元、外围外流体供应元件或所有流体喷射元件。

-总氧气与总空气的比率可被调节为0至1。

-(氧气+0.208*空气)/燃料的总比率可根据需要来调整为非常接近化学计量(当使用纯的或几乎纯的O2并且没有空气或仅有少量空气时)或调整为更高的氧化状况(当几乎仅使用空气并且没有或仅有少量氧气时)。

-当以高氧气含量进行操作时，燃烧器能够生成高热通量。

-在空转和低火情况下，燃烧器可以空气-燃料模式进行操作，由此产生大量热气体以便维持足够的炉压力

-所有模式中的低NOx排放。

-特别良好地适合于分批炉操作(在相同室中从冷加热到热的固定批次)

-氧化剂喷嘴总是由至少一个介质流冷却。

-氧化剂喷嘴可被设计成维持相等注入动量而不管氧气/空气的比例如何。

本发明还涉及一种用于控制对应燃烧器的方法。根据本发明的该方法和燃烧器的优点和实施方案以类似方式根据描述产生。

本方法包括以下步骤：借助于内流体供应单元和外流体供应单元的单独流体喷射元件喷射第一氧化剂、第二氧化剂和燃料，以及控制所喷射的第一氧化剂和/或所喷射的第二氧化剂和/或所喷射的燃料的量之间的至少一个比率以使得至少一个过程参数被优化。

根据特别有利的实施方案，操作包括第一内流体喷射元件、第二内流体喷射元件和第三内流体喷射元件的燃烧器，包括以下步骤：借助于第一内流体喷射元件喷射第一氧化剂，具体地是氧气；借助于第二内流体喷射元件喷射燃料，具体地是甲烷或天然气；以及借助于第三内流体喷射元件喷射第二氧化剂，具体地是空气。因此，可产生中心高速氧气射流、围绕氧气射流的环形高速气态燃料射流和围绕气态燃料射流的第二环形高速空气射流。例如，可控制内流体供应单元以使得氧气速度在全氧气操作时大于燃料速度并且燃料速度在全空气操作时大于空气速度。

方法还包括借助于至少一个外流体喷射元件喷射第一氧化剂(具体地是氧气)和/或第二氧化剂(具体地是空气)的步骤。因此，根据该具体实施方案，内流体供应单元有利地以中速引入气态燃料和氧化剂流的一部分以产生高速富燃料中心流，并且外流体供应单元有利地以高速引入氧化剂的剩余部分以用于富燃料中心流的最终燃烧。有利地，总空气和总氧气的一部分可被递送到内供应单元，例如20％，其中剩余部分被递送到外供应单元。为此，外流体喷射元件可例如被设置为单独氧气注入器和单独空气注入器或者被设置为氧气-空气组合注入器。

具体地，当流过内供应单元的气体也流过外供应单元时，具体地当内供应单元和外供应单元的对应流体喷射元件连接到相同流体供应器时，减压元件用于流过内供应单元的气体。例如，当借助于第一内流体喷射元件供应氧气时，当借助于第三内流体喷射元件供应空气时，以及当借助于外流体喷射元件进一步供应空气和氧气时，则减压元件具体地附接到第一内流体喷射元件的内壁和第三内流体喷射元件的内壁。

外流体喷射元件包括中心流体喷射元件和环绕流体喷射元件。在这种情况下，方法优选地包括以下步骤：借助于中心流体喷射元件喷射第一氧化剂，具体地是氧气；以及借助于环绕流体喷射元件喷射第二氧化剂，具体地是空气。这些外流体喷射元件具体地产生由高速环形空气流围绕的高速、特别地是音速或超音速氧气射流。外喷射元件的空气速度可有利地与第三内流体喷射元件的空气速度相同或至少基本上相同。为此，外流体喷射元件和第三内流体喷射元件可例如从相同的供应鼓风机和控制阀馈送。

根据特别有利的实施方案，通过借助于第一内流体喷射元件喷射燃料(具体地是甲烷或天然气)来操作燃烧器。此外，借助于第二内流体喷射元件喷射第一氧化剂，具体地是空气。可借助于第三流体喷射元件和/或通过至少一个外流体喷射元件喷射第二氧化剂，具体地是氧气。在该具体实施方案中，当第三流体喷射元件和外流体供应单元被去激活并且仅使用第一内流体供应元件和第二内流体供应元件时，燃烧器可例如用作普通空气-燃料燃烧器。当第二内流体喷射元件被去激活时，外流体供应单元具体地可用作氧气喷枪，并且燃烧器可作为普通氧气-燃料燃烧器、具体地作为低温氧气-燃料燃烧器(LTOF)操作，具体地用于无焰燃烧。例如，在LTOF操作的点火期间可使用空气-燃料操作。空气-燃料操作也可例如与LTOF操作组合以促进某些过程步骤。当激活内流体供应单元和外流体供应单元时，燃烧器因此也可作为空气-氧气-燃料燃烧器操作。

应当指出的是，在不脱离本发明的范围的情况下，上文提及的特征以及将在下文进一步描述的特征不仅可用于分别指示的组合，而且可进一步组合或单独使用。

现在将参考附图，以举例的方式进一步描述本发明，在附图中：

图1以前视图并以截面侧视图示意性地示出了根据本发明的燃烧器的优选实施方案。

具体实施方式

图1意性地示出了根据本发明的燃烧器的优选实施方案。图1a以示意性前视图示出了燃烧器100。图1b以沿着图1a的线A-A截取的截面侧视图示出了燃烧器100。

燃烧器100包括布置在公共外壳101中的内流体供应单元110和外流体供应单元120。

内流体供应单元110包括第一内流体喷射元件111(具体地是第一管道)、第二内流体喷射元件112(具体地是第二管道)和第三内流体喷射元件113(具体地是第三管道)。第一内流体喷射元件111、第二内流体喷射元件112和第三内流体喷射元件113同轴地且同心地布置。

第二内流体喷射元件112环绕(即周向地围绕)第一内流体喷射元件111的轴向部分，并且第三内流体喷射元件113环绕(即周向地围绕)第二内流体喷射元件112的轴向部分。因此，借助于第二内流体喷射元件112，围绕第一内流体喷射元件111提供第一环形通道。因此，借助于第三内流体喷射元件113，围绕第二内流体喷射元件112提供第二环形通道。

第一内流体喷射元件111的端口111a可与例如包括流体存储容器和泵的第一流体供应器131连接，使得第一流体可从第一流体供应器131引导通过第一流体喷射元件111并且可贯穿第一流体喷射元件111的轴向端部111b喷射。

因此，第二内流体喷射元件112的端口112a可与第二流体供应器132连接，使得第二流体可贯穿第二流体喷射元件112的轴向端部112b喷射。

此外，第三内流体喷射元件113的端口113a可与第三流体供应器133连接，使得第三流体可贯穿第三流体喷射元件113的轴向端部113b喷射。

第一内流体喷射元件111包括布置在第一内流体喷射元件111的内壁处的以穿孔板的形式的第一减压元件102。借助于该第一减压元件102，可减小流过第一内流体喷射元件111的第一流体的速度。以穿孔板的形式的第二减压元件103布置在第三内流体喷射元件113的内壁处以用于减小流过第三内流体喷射元件113的第三流体的速度。

外流体供应单元120包括多个外流体喷射元件121。这些外流体喷射元件121各自布置在距内流体供应单元110、具体地距内流体供应单元110的中心、具体地距第一内流体喷射元件111的中心的特定径向距离处。外流体喷射元件121的这些径向距离具体地被理解为在第一流体喷射元件111的轴向端部111b处的对应外流体喷射元件121的中心和第一内流体喷射元件111的中心之间的径向距离。例如，这些径向距离可各自在第三内流体喷射元件113的半径与第三内流体喷射元件113的半径的1.5倍之间的范围内。

具体地，四个外流体喷射元件121围绕内流体供应单元110周向地布置，特别地对称并且彼此相距等距周向距离地布置。具体地，每个外流体喷射元件121具有距第一内流体喷射元件111的中心的相同径向距离。

此外，每个外流体喷射元件121的纵向轴线至少基本上平行于第一内流体喷射元件111、第二内流体喷射元件112和第三内流体喷射元件113的纵向轴线。此外，外流体喷射元件121布置在第二内流体喷射元件112的壁和第三内流体喷射元件113的壁的背离第一内流体喷射元件111的壁的侧面处。

在该优选实施方案中，每个外流体喷射元件121包括中心流体喷射元件122(具体地是中心管道)和环绕中心流体喷射元件122的轴向部分的环绕流体喷射元件123(具体地是环绕管道)。然而，还可能的是，外流体喷射元件121中的一些或全部各自仅包括一个单独的流体喷射元件，具体地是一个单独的管道。

每个中心流体喷射元件122的端口122a可与第一流体供应器131、第二流体供应器132或第三流体供应器133连接，使得对应流体可贯穿中心流体喷射元件122的轴向端部122b喷射。在本示例中，端口122a连接到第一流体供应器131。

因此，每个环绕流体喷射元件123的端口123a可连接到第一流体供应器131、第二流体供应器132或第三流体供应器133以便贯穿环绕流体喷射元件123的轴向端部123b喷射对应流体。在本示例中，端口123a连接到第三流体供应器133。

根据特别有利的实施方案，第一流体供应器131是氧气供应器，第二流体供应器132是燃料供应器(例如，用于天然气)，并且第三流体供应器133是空气供应器。

因此，借助于第一内流体喷射元件111、第二内流体喷射元件112和第三内流体喷射元件113，可产生中心高速氧气射流、围绕氧气射流的环形高速气态燃料射流和围绕气态燃料射流的第二环形高速空气射流。例如，氧气速度可在全氧气操作时大于燃料速度，并且燃料速度可在全空气操作时大于空气速度。此外，通过每个外流体喷射元件121，产生由高速环形空气流围绕的高速、特别地是音速或超音速氧气射流。有利地，总空气和总氧气的一部分可被递送到内供应单元110，例如20％，其中剩余部分被递送到外供应单元120。

由于第一内流体喷射元件111和中心流体喷射元件122连接到相同的流体供应器131并且因此被提供用于喷射相同的流体(即氧气)，因此第一内流体喷射元件111被设置有减压元件102。因此，相同的供应压力用于第一内流体喷射元件111和中心流体喷射元件122。借助于减压元件102，可减小流到内流体供应单元110的氧气的量，同时实现与外流体供应单元120相比更低的注入速度。

因此，第三内流体喷射元件113被设置有减压元件103，因为第三内流体喷射元件113和环绕流体喷射元件123连接到相同的流体供应器133并且被设置用于喷射相同流体(例如，空气)。因此，相同的供应压力用于第三内流体喷射元件113和环绕流体喷射元件123。借助于减压元件103，可减小流到内流体供应单元110的空气的量，同时实现与外流体供应单元120相比更低的注入速度。

参考列表

100 燃烧器

101 外壳

102减压元件、穿孔板

103减压元件、穿孔板

110 内流体供应单元

111 第一内流体喷射元件

111a第一流体喷射元件的端口

111b第一流体喷射元件的轴向端部

112第二内流体喷射元件

112a第二流体喷射元件的端口

112b第二流体喷射元件的轴向端部

113第三内流体喷射元件

113a第三流体喷射元件的端口

113b第三流体喷射元件的轴向端部

120 外流体供应单元

121 外流体喷射元件

122 中心流体喷射元件

122a中心流体喷射元件的端口

122b中心流体喷射元件的轴向端部

123环绕流体喷射元件

123a环绕流体喷射元件的端口

123b环绕流体喷射元件的轴向端部

131第一流体供应器、氧气供应器

132第二流体供应器、燃料供应器

133第三流体供应器、空气供应器

Claims (14)

1.一种用于燃烧流体的燃烧器(100)，包括具有流体喷射元件的内流体供应单元(110)和外流体供应单元(120)，

●其中所述内流体供应单元(110)包括

○第一内流体喷射元件(111)，具体地是第一管道，和

○第二内流体喷射元件(112)，具体地是第二管道，所述第二内流体喷射元件至少环绕所述第一内流体喷射元件(111)的轴向部分，和

○第三内流体喷射元件(112)，具体地是第三管道，所述第三内流体喷射元件至少环绕所述第二内流体喷射元件(112)的轴向部分，并且

●其中所述内流体供应单元被配置用于借助于所述内流体供应单元(110)的所述流体喷射元件喷射第一氧化剂、第二氧化剂和燃料

●其中所述外流体供应单元(120)包括至少两个外流体喷射元件(121)，所述至少两个外流体喷射元件布置在距所述内流体供应单元(110)、具体地距所述内流体供应单元(110)的中心、具体地距所述第一内流体喷射元件(111)的中心的特定径向距离处，

●其中每个单独外流体喷射元件(121)被配置用于借助于具体地是中心管道的中心流体喷射元件(122)和环绕所述中心流体喷射元件(122)的至少轴向部分的具体地是环绕管道的环绕流体喷射元件(123)喷射所述第一氧化剂和所述第二氧化剂。

2.根据权利要求1所述的燃烧器，被配置用于控制所喷射的第一氧化剂和/或所喷射的第二氧化剂和/或所喷射的燃料的量之间的至少一个比率以使得至少一个过程参数被优化。

3.根据权利要求2所述的燃烧器，被配置用于

控制借助于所述内流体供应单元(110)和所述外流体供应单元(120)两者喷射的所述第一氧化剂的量与所述第二氧化剂的量之间的第一比率；

控制借助于所述内流体供应单元(110)喷射的所述第一氧化剂和/或所述第二氧化剂的量与借助于所述外流体供应单元(120)喷射的所述第一氧化剂和/或所述第二氧化剂的量之间的第二比率；以及

控制所述第一比率和所述第二比率以使得所述至少一个过程参数被优化。

4.根据前述权利要求中任一项所述的燃烧器，其中所述外流体供应单元(120)包括围绕所述内流体供应单元(110)周向布置的至少两个外流体喷射元件(121)，具体地使得所述至少两个外流体喷射元件(121)具有距所述内流体供应单元(110)、具体地距所述内流体供应单元(110)的所述中心的所述相同径向距离。

5.根据前述权利要求中任一项所述的燃烧器，其中至少一个减压元件(102,103)附接到所述内流体供应单元(110)的所述流体喷射元件中的至少一者的内壁和/或外壁。

6.根据权利要求5所述的燃烧器，其中至少一个减压元件(102,103)被设置用于所述内流体供应单元(120)的单独流体喷射元件(111,113)，其中将借助于此单独流体喷射元件(111,113)喷射的流体进一步借助于所述外流体供应单元(110)的至少一个外流体喷射元件(121,122)来喷射。

7.一种用于操作根据前述权利要求中任一项所述的燃烧器(100)的方法，包括以下步骤：

借助于所述内流体供应单元(110)和所述外流体供应单元(120)的单独流体喷射元件喷射第一氧化剂、第二氧化剂和燃料；以及

控制所喷射的第一氧化剂和/或所喷射的第二氧化剂和/或所喷射的燃料的量之间的至少一个比率以使得至少一个过程参数被优化。

8.根据权利要求7所述的方法，包括以下步骤：

控制借助于所述内流体供应单元(110)和所述外流体供应单元(120)两者喷射的所述第一氧化剂和所述第二氧化剂的量之间的第一比率；

控制借助于所述内流体供应单元(110)喷射的所述第一氧化剂和/或所述第二氧化剂的量与借助于所述外流体供应单元(120)喷射的所述第一氧化剂和/或所述第二氧化剂的量之间的第二比率；以及

控制所述第一比率和所述第二比率以使得所述至少一个过程参数被优化。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其中所述第一氧化剂包括大于80体积％、大于90体积％或大于95体积％的氧气，并且其中所述第二氧化剂是空气。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，包括以下步骤：

借助于所述第一内流体喷射元件(111)喷射所述第一氧化剂，具体地是氧气；

借助于所述第二内流体喷射元件(112)喷射所述燃料，具体地是甲烷或天然气；以及

借助于所述第三内流体喷射元件(113)喷射所述第二氧化剂，具体地是空气。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：

借助于所述至少一个外流体喷射元件(121)喷射所述第一氧化剂和/或所述第二氧化剂。

12.根据权利要求7至11中任一项所述的方法，还包括以下步骤：

借助于所述外流体喷射元件(121)中的所述至少一者的所述中心流体喷射元件(122)喷射所述第一氧化剂，具体地是氧气，以及借助于所述外流体喷射元件(121)中的所述至少一者的所述环绕流体喷射元件(123)喷射所述第二氧化剂，具体地是空气。

13.根据权利要求7至12中任一项所述的方法，其中所述第一氧化剂被单独地供应到所述内流体供应单元和所述外流体供应单元。

14.根据权利要求7至12中任一项所述的方法，其中所述第二氧化剂被单独地供应到所述内流体供应单元和所述外流体供应单元。

Images