CN117642578A - 用于烧制陶瓷制品的燃烧器、设备和方法 - Google Patents

用于烧制陶瓷制品的燃烧器、设备和方法 Download PDF

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Abstract

一种能安装在包括烧制室(3)的工业窑(2)中的用于烧制陶瓷制品(T)的燃烧器(1)；该燃烧器(1)包括混合体(5)；火花装置(8)；火焰检测装置(9)；被构造为被流出混合体(5)的流体(F)流过并且具有第一端部(12)和与第一端部(12)相对的第二端部(14)的第一管状排放元件(11)；其中混合体(5)包括被构造为将燃料分成多个第一部分的燃料分配系统(FL)和被构造为将氧化剂(OX)分成多个第二部分的氧化剂分配系统(OX)，该多个第二部分被传送成在至少两个不同的阶段与第一部分混合。

Description

用于烧制陶瓷制品的燃烧器、设备和方法
相关申请的交叉引用
本专利申请与2021年5月25日提交的意大利专利申请第102021000013535号相关，其全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及用于烧制陶瓷制品的燃烧器和设备。特别地，本发明有利地但不排他地适合用于烧制陶瓷制品以获得瓷砖，下面的描述将明确提及瓷砖，但不失一般性。
背景技术
烧制陶瓷制品以获得瓷砖通常在隧道窑中进行，隧道窑由两个相对的壁和顶部界定。这些窑通常由两组燃烧器加热，每组燃烧器布置在隧道的一侧。
通常，使用天然气(例如甲烷)操作的燃烧器位于隧道的侧壁的不同高度上并面向相对的壁。
陶瓷制品的烧制循环经过高精度研究，包括：从窑入口开始加热陶瓷制品，使陶瓷制品留在预定温度下的烧制室内，并在到达窑出口之前进行受控的冷却。
通常，陶瓷制品在由一系列陶瓷辊组成的大型传送机上传送。因此，重要的是确保烧制室内的温度沿着窑的整个宽度是均匀的。
为此，已经开发了不同类型的工业燃烧器以及这些燃烧器在复杂设备内的不同布置，以便在烧制室内获得越来越恒定的温度。特别地，尤其是在非常宽的隧道窑中，各个纵向截面上通常会出现温度分布不均匀，局部温度峰值是基于燃烧器的位置确定的。
为了克服上述问题，人们生产了不同类型的“高速”燃烧器，其将燃烧燃料气体(和火焰)在深度上引入烧制室内部，以便改善烧制室内的热交换。
然而，如前所述，已知类型的陶瓷燃烧器基本上由化石燃料(甲烷、LPG)供应，这样的燃料决定了不可再生资源的反生态使用。因此，正在研究各种“环境可持续的”方案，例如使用非化石燃料，氢气就是其中之一。
然而，目前氢气的使用受到各种因素的阻碍。首先，这种燃料是高温峰值的原因，高温峰值也会导致相对于化石燃料来说NOx产生的增加。此外，氢气通常会产生非常不稳定的火焰，这决定了相对于甲烷(或LPG)来说更大的闪回，从而产生大幅回缩的焰锋(靠近燃料供给导管)，这导致燃烧器过热和造成失控爆炸的风险，从而可能损坏所述燃烧器和烧制设备。
除其他要素外，所有这些要素都决定了窑内温度均匀性的缺乏，这不可避免地导致陶瓷制品的烧制缺陷。特别地，缺陷可能与尺寸和形状有关，例如缺乏平面性。因此，这导致废品增加。
本发明的目的是提供一种设备、一种燃烧器和一种方法，其允许至少部分地克服现有技术的缺点并且还可以容易且经济地实施。
发明内容
根据本发明，提供了在所附的独立权利要求中要求保护的并且优选地在直接或间接从属于独立权利要求的任何一项权利要求中要求保护的用于烧制陶瓷的燃烧器、设备和方法。
权利要求描述了形成本说明书的组成部分的本发明的优选实施方式。
附图说明
现在将参照附图描述本发明，附图示出了本发明的实施方式的一些非限制性示例，其中：
-图1是根据本发明的设备的第一实施方式的剖面正视图；
-图2是根据本发明的设备的第二实施方式的一部分的示意性平面图；
-图3是包括根据本发明的燃烧器的图1的设备的一部分的示意性立体图；
-图4是图3的部分的剖面正视图；
-图5是图4的燃烧器的一部分的示意性立体图；
-图6是图5的部分的燃烧器的纵剖面详图；
-图7是图5的燃烧器的燃烧头的剖面正视图；
-图8和图9是图7的燃烧头的一部分的两个剖面正视图；
-图10是根据本发明的燃烧器的一部分的示意性立体图；以及
-图11是图10的排放主体的一部分的剖面侧视图。
具体实施方式
在图1中，附图标记1表示根据本发明的第一方面的用于烧制陶瓷制品T的燃烧器整体。
优选地但不是必须地，燃烧器1能安装在包括烧制室3的工业窑2中，特别是隧道窑中。
特别地，如图1和图2所示，通过输送系统4使陶瓷制品T沿着传送路径P移动。
更确切地说，陶瓷制品T是需要在窑中进行至少一次烧制的任何类型的陶瓷制品。
在图1和图2的非限制性实施方式中，输送系统4包括传送带，待烧制的未加工的陶瓷制品T优选以有序的方式布置在该传送带上。
根据未被示出的一些非限制性实施方式，输送系统4包括多个陶瓷辊(如果需要，还以不同的速度移动以区分制品的烧制)。
如图1至图5所示，燃烧器1包括混合体5，混合体5又包括用于供给具有一定百分比的氢气(特别是超过50％、更确切地说超过70％)的燃料FL的导管6、用于供给氧化剂的导管7、用于启动燃烧的火花装置8以及火焰检测装置9。换言之，混合体5是产生空气和气体的混合物所需的燃烧器的部分，该空气和气体的混合物(在打火花以获得火焰之后)将对窑2内的陶瓷制品T进行烧制。特别地，通过燃料供给导管6引入的燃料主要是氢气(可选地与诸如甲烷或LPG的天然气混合)，而通过氧化剂供给导管7引入的氧化剂基本上是环境空气(例如，具有约21％的氧气)。
燃烧器1还包括管状排放元件11，该管状排放元件被设计(构造)为被流出混合体5的流体F(由燃料和氧化剂的混合物和/或其燃烧形成)流过，并且具有端部12和与端部12相对的端部14，端部12具有开口13，混合体5的至少一部分插在该开口13中，端部14具有开口15。
根据一些非限制性实施方式，混合体5通过紧固元件联接至管状排放元件11。有利地，但不是必须地，如图4和图5所示的实施方式中那样，紧固元件是螺栓16。
在图3和图4所示的非限制性实施方式中，混合体5部分插入到排放元件11中并且部分布置在窑2的外侧。特别地，在图4的实施方式中，排放元件11插入到隧道窑2的侧壁56中。更确切地说，排放元件11完全延伸到侧壁56中。相反，在其他非限制性实施方式中，排放元件11延伸侧壁56的整个长度，也部分进入窑2的烧制室3。
有利地，并且如图4的非限制性实施方式所示，混合体5包括用于燃料FL的燃料分配系统FPS和用于氧化剂OX的氧化剂分配系统OPS，燃料分配系统FPS被构造为将燃料FL分成多个部分FL’、FL”、FL”’，氧化剂分配系统OPS被构造为将氧化剂OX分成多个部分OX’、OX”、OX”’(例如参见图5)。燃烧器1被构造为使得多个部分FL’、FL”、FL”’和多个部分OX’、OX”、OX”’被传送为在至少两个(特别是三个或更多个)阶段混合在一起(形成相应的混合物M’、M”、M”’)。
有利地但不是必须地，氧化剂分配系统OPS包括燃烧头10，该燃烧头10(至少部分)布置在第一管状排放元件11内部(通过开口13)并且包括一个或多个燃烧室22、33，每个燃烧室被构造为包含火焰的不同燃烧阶段(或混合物Ml、M2)。
有利地但不是必须地，用于燃料FL的燃料分配系统FPS包括喷射元件21，该喷射元件21被构造为将燃料FL的至少最大部分FL”’朝向端部14(即，朝向烧制室3)喷射到燃烧头下游。这样，火焰的最大部分远离燃烧器1的端部12形成，同时允许焰锋朝向烧制室移动以及减少混合体和排放元件11的过热。
特别地，管状排放元件11被构造为包括火焰的初级燃烧阶段F’。
根据图4至图9所示的优选但非限制性的实施方式，喷射元件包括管状导管23，特别是轴向的管状导管(即，平行于燃烧器的纵向轴线AA布置)，该管状导管23从一侧到另一侧穿过一个或多个燃烧室22、33，以便将燃料的最大部分FL”’(超过50％，优选从70％至80％)传送到燃烧头10的下游，从而使火焰的最大部分朝向烧制室3前进。
在图4至图9的非限制性实施方式中，管状导管23具有基本上恒定的、优选为圆形的截面。特别地，管状导管具有第一横截面，该第一横截面的内径范围为2mm到12mm，特别是从4mm到10mm。这样，可以确保有利于减少/控制通常在氢气的情况下造成问题的闪回的高速度，还有助于燃烧器的其余部分达到将烟道气体F在深度上引入烧制室3内部所需的速度。
在一些非限制性情况下，管状导管23被构造为(长)使得端部26’保持在管状排放元件11内部。特别地，管状导管23被构造为(长)保留在管状排放元件11的距离烧制室3(即，端部14)最远的一半中。更特别地，管状导管23在两个端部26和26’之间的长度的范围为从40mm到150mm，优选地为从60m至110mm。
有利地但不是必须地，如在图6、图8和图9的非限制性实施方式所示，管状导管23在每个燃烧室22、33的区域中具有一个或多个燃料分配开口24，以便将部分FL’、FL”中的至少一个部分喷射到其中每个燃烧室中。特别地，一个或多个分配开口24是将管状导管23的内部区域连接到燃烧室22、33的通孔25。
有利地但不是必须地，通孔25是径向孔，该径向孔优选是环形的，例如其从轴线AA径向延伸。优选地，孔25的直径小于5mm，特别是在1mm到3mm的范围内。
在一些非限制性情况下，例如图4至图9所示的情况，管状导管23包括连接到用于燃料FL的燃料供给导管6的端部26和朝向端部14伸入管状排放元件11中的端部26’。特别地，管状导管23沿着燃烧器1的纵向对称轴线AA延伸。
有利地但不是必须地，用于燃料FL的燃料供给导管6包括至少一个窄部17，该窄部的内径小于10mm，特别是在从4mm到8mm的范围。特别地，窄部17的截面小于管状导管23的截面。这样，进一步防止了闪回。
在一些非限制性情况下(未被示出)，窄部17被构造为产生文丘里峰，将一部分氧化剂吸回燃料供给导管中，以便为火焰的燃烧增加阶段。
有利地但不是必须地，燃烧器1(混合体5)包括在烧制室3的相对侧封闭燃烧器1的尾部54(特别是由铝或铸铁制成并且具有燃料供给导管6和氧化剂供给导管7的最后部分)。特别地，窄部17作为一个单件在混合体5的尾部54上获得。特别地，在窄部17的上游和下游，用于燃料FL的燃料供给导管6有埋头孔。
在一些非限制性情况下，优选地在燃料FL中存在高百分比的氢气的情况下，混合体5的尾部54没有被构造为在氧化剂分配系统的上游预混合氧化剂OX和燃料FL的开口。换言之，尾部54包括没有开口的侧壁48。这样，窄部17具有另外的防止闪回的作用。
在未被示出的其他非限制性情况下，优选地在燃料FL中存在小百分比的氢气的情况下，尾部54具有偏心孔，由于该偏心孔，窄部17被构造为产生文丘里峰，将一部分氧化剂吸回燃料供给导管中，以便为火焰的燃烧增加阶段。
特别地，与甲烷(或LPG)相比，氢气决定了大得多的闪回，而且令人惊讶地注意到，通过利用窄部17来增加燃料FL的供给速度，可以充分地防止闪回，从而允许对其进行适当的控制，同时将流体F更深入地喷射到烧制室3中。
有利地但不是必须地，并且如图1至图4的非限制性实施方式所示，燃烧器1包括管状排放元件18(例如，在图4中用虚线示出)，该管状排放元件18从元件11的端部14在相对于端部12的相反方向上(即，朝向烧制室3(更确切地说，朝向烧制室3的内部))延伸。换言之，排放元件18布置在排放元件11的相对于混合体5的相对侧。
在一些非限制性情况下，燃烧器1包括抽吸元件19，该抽吸元件19被设计(构造)为将存在于燃烧器1外部、特别是排放元件11和/或排放元件18外部(更确切地说，在烧制室3内部)的气体G的至少一部分引导到管状排放元件18中，并且设有布置在管状排放元件11和管状排放元件18之间的多个开口20。
有利地但不是必须地，管状排放元件14(完全)位于烧制室3内，并且例如与管状排放元件11同轴。换言之，管状排放元件18的纵向对称轴线AA与管状排放元件11的纵向对称轴线AA重合。
有利地，并且以与陶瓷市场中使用的标准完全不同的方式，燃烧头10是多级燃烧头，即，被设计(构造)为将火焰的形成分为多个阶段。这样，就可以使用“空气分级”技术。
有利地，并且以与陶瓷市场中使用的标准非常不同的方式，导管23与开口24一起帮助燃烧头10将火焰分成不同的阶段，特别是划分燃料FL。这样，可以使用“燃料分级”技术。
通过上述技术的组合，可以使用具有相当大百分比的氢气的燃料FL，同时可以将火焰速度增加到超过160m/s，特别是超过180m/s，更确切地增加到约200m/s。事实上，术语“高速”特别是在燃烧器领域中是指等于或大于150m/s的火焰速度。
有利地但不是必须地，燃烧头10(其内部具有管状导管23)以沿着燃烧器1的纵向对称轴线AA与管状排放元件11同轴的方式至少部分地安装在管状排放元件11内部。
如图4至图9的非限制性实施方式所示，有利地，多级燃烧头10(至少)包括燃烧室22以及(至少)燃烧室33，燃烧室22被设计(构造)为产生由部分FL’和OX’的组合给出的火焰的第一燃烧阶段(特别是产生火焰的“根部”)，燃烧室33与燃烧室22连通并且被设计(构造)为产生从燃烧室22流出的火焰(由部分FL”和OX”的组合给出)的第二燃烧阶段。特别地，燃烧室22和33被构造为将火焰的次级部分F”(或次级状态)朝向端部14传送到管状排放元件11中，并且特别是通过抽吸元件19朝向管状排放元件18传送。
在详细示出了多级燃烧头10的两个剖面的图8和图9的非限制性实施方式中，燃烧室22包括至少一个入口开口27和一个出口开口28(更确切地布置在燃烧室22的相对两侧上)。
在一些非限制性优选情况下，燃烧器1包括用于供给燃料FL(特别是部分FL’)的另外的开口60，该另外的开口将用于燃料FL的燃料供给导管6连接到燃烧室22。特别地，用于供给燃料FL的另外的开口60包括轴向通孔61，这些轴向通孔优选地围绕燃烧器1的纵向对称轴线AA布置成冠状(沿着相互平行的方向)。更特别地，另外的开口60形成在入口开口27上，该入口开口27被设计(构造)为与用于燃料FL的燃料供给导管6连通，并且接收所述燃料FL的体积流量，该体积流量更确切地说是可变的。优选地，孔25的直径小于5mm，特别是在1mm到3mm的范围内。
出口开口28面向管状排放元件18(即，面向烧制室3)。
有利地但不是必须地，在窄部17的下游但在燃烧室22的上游，混合体包括第一分配室59，该第一分配室59被构造为将进入其中的燃料FL的一部分通过另外的开口60喷射，并将剩余部分通过端部26喷射到管状导管23中。
在一些非限制性情况下，燃烧室22和燃烧室33彼此同轴并且沿着燃烧器1的纵向轴线AA布置。
有利地但不是必须地，燃烧室22包括具有基本上圆形横截面的侧壁29。特别地，侧壁29的横截面随着其接近出口开口28而径向地会聚。
有利地但不是必须地，燃烧室22设有用于供给氧化剂OX的一个或多个通道30，该通道被构造为将氧化剂OX的一部分OX’传送到燃烧室22中，该部分OX’与燃料FL的部分FL’一起产生氧化剂-燃料混合物M’。
特别地，用于供给氧化剂OX的通道30形成为将氧化剂OX的部分OX’以至少部分地相对于燃料的主方向横向的速度引入到燃烧室22中，燃料的主方向基本上对应于燃烧器的纵向轴线AA。
根据图8或图9的非限制性实施方式，燃烧室22的侧壁29基本上为截锥形，包括较大底部31和较小底部32，其中较大底部31布置在入口开口27的区域中，而较小底部32布置在出口开口28的区域中。
有利地但不是必须地，用于供给氧化剂OX的通道30形成为将氧化剂OX的部分OX’以具有基本上平行于第二燃烧室的侧壁29的方向的速度引入到燃烧室22中。
在图4至图9的非限制性实施方式中，燃烧器1包括布置在燃烧室22下游的燃烧室33，燃烧室33具有彼此相对的入口开口34和出口开口。入口开口34被构造为与出口开口28连通并接收氧化剂-燃料混合物M’。特别地，出口开口35面向管状排放元件1(即，面向烧制室3)。更确切地说，燃烧室33包括侧壁36，该侧壁具有基本上圆形的横截面，特别是圆柱形(即，平行于燃烧器1的纵向轴线AA是恒定的)，并且具有用于供给氧化剂OX的一个或多个通道37，该通道被构造为允许将氧化剂OX的一部分OX”引入到燃烧室33中，该部分OX”与氧化剂-燃料混合物M’一起产生氧化剂-燃料混合物M”，该氧化剂-燃料混合物M”在燃烧室33内产生并且被朝向管状排放元件18(即，朝向烧制室3)传送。
在图4至图9的非限制性实施方式中，特别是如图7所示，用于供给氧化剂的通道30具有彼此相差例如基本上等于30°或20°的角度的倾斜度。在这种情况下，燃烧室22的侧壁29和用于供给氧化剂OX的通道30基本平行。显然，上述也可以适用于用于供给氧化剂OX的通道37。
有利地但不是必须地，燃烧室33在侧壁36上包括多个孔51，这些孔布置成一个或多个径向排，这些径向排优选地彼此之间的径向距离相同。
在图6的非限制性实施方式中，燃烧头33包括冠部52，该冠部52被构造为调节不通过燃烧室22和33的氧化剂OX向管状排放元件11的引入。特别地，冠部52从出口开口35的边缘朝向(直至)管状排放元件11的内壁延伸。
有利地但不是必须地，并且如图6的非限制性实施方式所示，冠部52包括狭槽53(或任何其他类型的开口)，该狭槽53被构造为将氧化剂的一部分OX”’传送到位于燃烧室22和33的下游的管状排放元件11中。这样，与氧化剂-燃料混合物M”以及燃料的主要部分FL”’一起产生混合物M”’，该混合物M”’通过抽吸元件19从管状排放元件11流向管状排放元件18。特别地，产生燃烧器1的初级火焰F’。
有利地但不是必须地，并且如图1至图4的非限制性实施方式所示，抽吸元件19被设计(构造)为至少部分(在一些情况下完全地)布置在烧制室3内部。
在图4、图10和图11的非限制性实施方式中，管状排放元件11、管状排放元件18和抽吸元件19一起形成在图10中作为整体示意性示出的燃烧块38。特别地，燃烧块38的侧表面39(至少)部分是无缝的。更具体地，燃烧块38的侧表面39在未被开口20中断的部分中是无缝的。
有利地但不是必须地，燃烧块38被制成一个单件，特别是由碳化硅制成。更确切地说，燃烧块38的纵向对称轴线是燃烧器1、管状排放元件11和18和多级燃烧头10的纵向对称轴线AA。
有利地但不是必须地，燃烧块38通过增材制造、特别是3D打印来生产。
根据另外的非限制性实施方式，燃烧块38通过在模具中铸造的技术形成。
在附图所示的非限制性实施方式中，燃烧块38是中空的并且被设计(构造)为允许由混合体5(即，由燃烧头10)产生的混合物(特别是混合物M”’)通过。特别地，一旦引发燃烧，所述混合物M’、M”、M”’就变成火焰。根据一些非限制性实施方式，抽吸元件19包括文丘里管，特别地是文丘里管。
在图10和图11的非限制性实施方式中(其中图11示出了图11的实施方式的抽吸元件19的细节)，抽吸元件19具有布置在端部14的区域中的缩窄部40。此外，抽吸元件19具有由较大底部42和较小底部43界定的至少一个截锥形部分41。最后，管状排放元件1具有面向抽吸元件19的开口端部44和面向烧制室3的中心的开口端部45。
有利地但不是必须地，开口20具有细长形状，即是狭槽，并且从一侧到另一侧(横向地)穿过抽吸元件19的截锥形部分41。特别地，开口20相对于管状排放元件11和管状排放元件18纵向地获得。
更具体地，所述截锥形部分41的较小底部43与缩窄部40重合，而所述截锥形部分41的较大底部42与开口端部44重合。
有利地但不是必须地，开口20形成在抽吸元件19的截锥形部分41上。特别地，它们从一侧到另一侧(横向地)穿过抽吸元件19的截锥形部分41。
有利地但不是必须地，并且如图4、图10和图11所示，抽吸元件19包括加强肋46。由于这些肋46，可以根据需要延伸排放元件18，从而存在燃烧块38在具有较小截面的部分的区域中(即，在抽吸元件19的区域中)破裂的风险。
有利地但不是必须地，抽吸元件19具有圆形横截面。
有利地但不是必须地，抽吸元件19具有圆形横截面，该圆形横截面具有基本上可变的直径。
特别地，缩窄部40的横截面TT(图11)的直径小于排放元件18的直径和排放元件11的直径的三分之二。更具体地，缩窄部40的横截面TT(图11)的直径小于排放元件18的直径和排放元件11的直径的一半。缩窄部40的直径相对于排放元件11的直径减小得越多，在使用中在排放元件11内循环的混合物M”’的速度变化就越大。
有利地但不是必须地，缩窄部40的横截面TT(图11)的直径小于排放元件18的直径和排放元件11的直径的三分之一。特别地，缩窄部40的横截面TT(图12)的直径大于排放元件18的直径和排放元件11的直径的六分之一。
有利地但不是必须地，缩窄部40的直径小于30mm，特别是等于或小于25mm。详细地，缩窄部40的直径的范围为从5mm(特别是从10mm；更特别是从20mm)到60mm(特别是到40mm；更特别是到30mm)。该特征还可以防止闪回，从而更好地管理富含氢气的燃料FL的混合物的燃烧。
有利地但不是必须地，排放元件11的直径和排放元件18的直径的范围为从20mm(特别是从40mm；更特别是从50mm)到200mm(特别是到120mm；更特别是到100mm)。
根据图4至图7所示的优选但非限制性的实施方式，火花装置8包括火花电极(特别是平行于尾部54的侧壁48)并且火焰检测装置9包括UV检测探针50。特别地，UV探针50沿着燃烧器的纵向轴线AA布置在尾部54上，即在混合体5上。
有利地但不是必须地，火焰检测装置9(更确切地说，UV检测探头50)被构造为接收来自穿过管状放电元件11的火焰的UV光束(紫外线辐射)。在使用中，UV检测探头50提供与燃烧器产生的火焰的状态相关的数据，通过该数据可以适当地调节燃料FL和/或氧化剂OX的流量。此外，在无焰燃烧的情况下，在满负荷操作时，UV探测器50被禁用，因为它不再能够检测到任何火焰，因为焰锋在窑的烧制室内被稀释。
根据本发明的第二方面，提供了一种特别是根据前面的描述的用于烧制陶瓷制品的工业设备55。
特别是参照图1和图2，根据本发明的工业设备整体用附图标记55表示。
根据一些非限制性实施方式，陶瓷制品T一旦被烧制就是瓷砖。特别地，陶瓷制品T在设备55的入口处是未加工的，而在出口处是被烧制过的。
工业设备55包括窑2(如上所述)，特别是隧道窑，其具有至少一个侧壁56，该侧壁界定烧制室3并且具有位于烧制室3的内侧的内表面57和位于烧制室3的外侧的外表面58。
工业设备55还包括上述的输送系统4，特别是水平的输送系统4，该输送系统4被构造为沿着烧制室3内的传送路径P(从烧制室3的入口到出口)传送多个陶瓷制品T。
设备55包括燃烧器1，燃烧器1又包括管状排放元件11，并且优选地但不是必须地，包括管状排放元件18和气体G的抽吸元件19。
有利地但不是必须地，设备55包括根据前述描述的(氢气)燃烧器1。
有利地，设备55包括氢气供给系统，其被构造为将氢气或包含氢气的混合物喷射到用于燃料FL的供给导管6中。
有利地但不是必须地，抽吸元件19布置在排放元件11和排放元件18之间并且至少部分(在一些非限制性情况下也完全地)布置在烧制室3内部。
特别地，抽吸元件19被构造为将烧制室3中存在的气体G的至少一部分引导到排放元件18中。这样，可以利用烧制室3内的残余氧气，并完成那些通过在燃烧器1内第一次通过而未完全燃烧(即通过初级燃烧F’)的气体G的燃烧。此外，气体G(大概也考虑到它们具有相对较高的温度的事实)有助于提高燃烧效率。
“初级燃烧”是指由混合体5(特别是由燃烧头10)产生的燃烧，其火焰流过排放元件11。
有利地但不是必须地，并且如图4的非限制性实施方式所示，抽吸元件19布置在一个侧壁56的内表面57的区域中。
特别地，抽吸元件19被构造为在排放元件11和排放元件18之间产生凹陷，以便将存在于烧制室3中的气体G的至少一部分引导到排放元件18中。换言之，在附图所示的非限制性实施方式中，凹陷是由文丘里效应产生的。多级燃烧头10产生的高火焰速度决定了提高抽吸元件19的抽吸能力的令人惊奇的协同效应。
根据图2的非限制性实施方式，设备55包括沿着平行于传送路径P的方向DD串联布置的多个燃烧器1。特别地，燃烧器1布置在窑2的至少一个壁56内侧的多个水平上。
在图1至图4的非限制性实施方式中，燃烧器1通过紧固元件联接到窑2的壁56。特别地，排放元件11插入到壁56中。
在图1的非限制性实施方式中，燃烧器1在横向于(特别是垂直于)方向DD的方向DP上(并且因此横向于传送路径P)定向。
有利地但不是必须地，燃烧器1的管状元件11安装成至少部分地(特别是完全地且横向地)穿过窑2的一个侧壁56。这样，由燃烧器1产生的火焰将直接流向窑2的烧制室3的内部。
特别地，轴线AA垂直于传送路径P。更具体地，轴线AA还垂直于工业隧道窑2的侧壁56。
有利地但不是必须地，燃烧器1的管状排放元件1基本上完全布置在烧制室3内部。
根据一些未被示出的非限制性实施方式，燃烧器1的排放元件11被安装成部分地伸入烧制室3中。
有利地但不是必须地，开口20至少部分地(特别是完全地)布置在烧制室3内部。
有利地但不是必须地，设备55(或每个燃烧器1)包括至少一个电子控制单元62，该电子控制单元被构造为控制燃烧器1以将烧制室3从有焰烧制构造转变为无焰烧制构造。特别地，电子控制单元62被构造为在达到预定温度时从有焰模式转变为无焰模式。更确切地说，预定温度高于燃料混合物的自燃温度。通过对氧化剂OX和燃料FL向燃烧器1的供给的这种周期性(间歇)控制，对于在即使在低容量下无焰模式时间延长的情况下(其中火焰脉冲强度的降低导致适合形成焰锋的条件的出现)也往往会在燃烧器内部突然且不期望地重新形成焰锋的诸如氢气的燃料，也可以产生无焰燃烧。
特别地，电子控制单元62被构造为在无焰烧制构造期间周期性地减少(优选中断)燃料FL的供给以及可选地氧化剂OX的供给，选择性地抑制火焰控制(通过检测装置9)，并且恢复燃料FL的供给和可选地氧化剂OX的供给，从而允许燃烧器1以无焰模式烧制。采用无焰燃烧(即，利用窑内温度高于燃料自燃温度的燃烧)，实际上可以大大减少通常在富含氢气的混合物的燃烧中(通常通过具有高火焰峰值的燃烧)产生的NOx的排放，从而允许使用低排放的环境可持续的燃料。特别地，有焰模式和无焰模式的交替组合使得可以抵消氢气的高可燃性和传播(闪回)。
特别地，但非限制地，电子控制单元62被构造为控制设备55以便仅在无焰构造中烧制瓷砖T。
有利地，但不是必须地，如图1的非限制性实施方式所示，设备55包括至少两个温度控制装置63，特别是布置在窑2的至少两个不同的“重要”点处的至少两个具有双丝的热电偶64。这两个点能够确保烧制室的所有点处的温度充分高于燃料混合物的自燃温度。
有利地但不是必须地，在两个热电偶64检测到的温度降至低于自燃温度的情况下，火焰再次被引发并被点燃，即电子控制单元62立即恢复燃烧器1的有焰操作模式。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于烧制在隧道窑内传送的陶瓷制品的方法。
该方法至少包括向根据前述描述的燃烧器供应燃料的步骤，该燃料包含至少百分比超过20％、特别是超过50％、更特别是超过70％的氢气。这些燃料混合物可以通过上述的燃烧器的特定几何形状形成，特别是由于多级燃烧头10与喷射元件21相结合。此外，窄部17的尺寸、室22和33的几何形状(即，开口24和60的尺寸和数量)以及管状排放元件1和抽吸元件19协同地分别决定了减少环境影响、允许使用富含氢气的混合物作为燃料和减少NOx的重要的技术效果。
在一些非限制性情况下，燃料FL包括百分比超过90％的氢气。特别地，燃料是100％的氢气。
该方法还包括以下步骤：同时向燃烧器1供给氧化剂OX并引发火焰(点燃)(通过火花装置8)，该火焰至少部分地在燃烧器和窑2的烧制室3内部延伸。
一旦完成了火焰的点燃，该方法就通过检测装置9提供对火焰的反馈控制。
有利地但不是必须地，该方法包括以下另外的步骤：一旦窑2的烧制室3达到了预定温度(特别是超过燃料FL的自燃温度)，就通过减少(或中断)燃料FL的供给并且如果需要减少(或中断)氧化剂OX的供给来周期性地熄灭火焰；优选地，禁用上述火焰的反馈控制；恢复燃料FL的供给，特别是也恢复氧化剂的供给，在隧道窑2内部产生对陶瓷制品T进行烧制的无焰燃烧。在这样的非限制性情况下，无焰燃烧的这种交替步骤(燃烧器1被交替地和周期性地供给)表示以窑2的全部操作能力进行烧制。特别地，该方法规定在达到预定温度时从有火焰模式转变到无焰模式。更确切地说，预定温度超过燃料混合物的自燃温度。
有利地但不是必须地，该方法规定仅在达到无焰构造之后才烧制瓷砖T。换言之，燃烧器1在不引发火焰的情况下被“周期性地”供给氧化剂OX和燃料FL，同时对燃料电磁阀(特别是根据现行法规串联的两个电磁阀)和空气电磁阀进行通电和断电(断开和闭合)。特别地，对电磁阀通电和断电(即供给和中断氧化剂和燃料)的步骤优选地在电子控制单元62已经将燃烧器1中的火焰熄灭并抑制火花电极49和火焰的UV检测探针50(焰锋不再位于燃烧器1中，而是在窑的室3中被稀释)之后进行。更具体地，通过前述电磁阀，氧化剂OX和燃料FL的供给被数字地控制(开/关)，即从最大流量切换到零，反之亦然。这样，可以防止形成锚定在燃烧器1内部的稳定焰锋。详细地，这种效果是由于以下事实产生的：对火焰的供给给予非常高的脉冲，例如防止在燃烧器中形成焰锋，因此该焰锋在烧制室3中直接稀释。
在其他非限制性情况下，根据与上述相同的原理，该方法规定通过控制单元62来保持氧化剂OX的供应以及燃料FL的周期性供给并仅中断燃料FL的供应。这样，可以使窑2的室3内的压力状态保持恒定，而不会引起烟道通风的波动。此外，进一步防止了燃烧器1内的焰锋的可能的重新引发。
在无焰步骤中，其直接在窑的室中被室3中已经存在的燃烧产物稀释，且燃烧产物的氧含量低于燃烧空气的氧含量。换言之，以这种方式，从燃烧器1流向烧制室3的氧化剂/燃料混合物在室3内被氧化。
这样，相对于仅使用火焰的传统方案，可以防止出现温度峰值(这是NOx产生的主要原因之一)。这又导致燃烧器1的部件(例如燃烧头10、管状导管23、混合体5、燃烧块38、燃料和氧化剂管道等)上的热负荷减小。同时，由燃烧器引起的热损失显著减少，从而提高了窑2的效率。此外，没有火焰，燃烧器1会更安静，从而也减少了其产生的噪音污染。
最后，用于防止氢气造成的闪回增加的管状导管23与窄部17相结合达到的较大速度允许增加从燃烧器1流出的烟道气体在烧制室3中的渗透，这决定了制品T烧制的更大的均匀性。
在使用中，火花装置8(特别是火花电极)产生火花，该火花与从导管6流入的燃料FL以及从导管7流入的氧化剂OX一起决定了火焰的产生。特别地，氧化剂的部分OX’和燃料FL’在燃烧室22内产生混合物M’，该混合物M’限定了火焰的第一阶段并且继续朝向燃烧室33流动，在燃烧室33内，混合物M’、燃料的部分Fl”和氧化剂的部分OX”形成混合物M”，该混合物M”限定了火焰的第二阶段。混合物M”进入管状排放元件11内，在该管状排放元件11中它与氧化剂OX的部分OX”’以及从端部26’流出的燃料FL的部分FL”’混合，形成流体F(和初级火焰F’)。因此，混合体5产生至少部分燃烧的混合物，即火焰，其中的流体F穿过排放元件11，排放元件11将它们引入抽吸元件19，该抽吸元件19又将它们传送(与从烧制室3内部吸取的气体G一起)到排放元件18中。后者将火焰引入烧制室3中。
从燃烧器1排放的燃烧产物在其第一次通过排放元件11期间并未完全燃烧，但是由于气体G(存在于烧制室3内部)通过抽吸元件19连续再循环到排放元件18中，燃烧被增强(完成)。换言之，燃烧器1通过火花装置8对由导管6和7引入的气体(燃料和氧化剂)产生初级燃烧及其次级燃烧，该次级燃烧利用由抽吸元件19吸入的从烧制室3内部再循环的未完全燃烧的气体G(其中存在残余氧气)。特别地，初级燃烧发生在排放元件11内部，而次级燃烧发生在排放元件18内部。
在附图所示的非限制性实施方式中，抽吸元件19(由于混合体5产生的流体F的高速)决定了烧制室3内的湍流运动的增加。此外，由于排放元件18的加热，在所述排放元件18内部发生的次级燃烧特别是通过辐射产生热交换的进一步增加。这导致陶瓷制品T上的总热交换系数增加以及烧制室3内的温度更加均匀。
因此，显然，使用根据本发明的设备55或燃烧器1的组件，沿着窑2的烧制室3的宽度获得了更大的温度均匀性。特别地，由于抽吸元件19产生的湍流(由于多级燃烧头10允许的另外的速度)以及由于排放元件18在所述壁3附近提供的辐射的贡献，壁3附近的温度显著升高。此外，由于排放元件18的使用，窑的中心温度相对于传统方案有所增加，这允许燃烧块38到达窑2内的较大深度。因此，相对于传统方案，从所述排放元件14离开的火焰被发射得更深。
重要的是要注意，燃烧器1出口附近的温度峰值也(至少部分地)变平。
尽管上述的本发明特别涉及具体的实施方式示例，但不应认为其限于该实施方式示例，并且所附权利要求涵盖的所有变型、修改或简化，例如燃烧头10、喷射元件21、室22和33、燃烧块38以及特别是抽吸元件19的不同几何形状、在侧壁56的内表面57附近的气体G的不同抽吸方法、设备55内的燃烧器1的不同布置(两者都与位置和对准相关)、不同的输送系统4等，都落入其范围内。
上述的设备和燃烧器具有许多优点。
首先，燃烧器1的生产和组装相对于包括更多部件的现有技术方案被简化。此外，给定几何形状和在烧制室3中的渗透度，燃烧器1可以容易地安装以替代(作为改进)标准架构。
此外，排放元件18存在于室3内部以及抽吸元件19存在于壁56的内表面57附近且不在壁56内部使得可以与燃料分级一起避免与以下情况相关的问题：该壁56(通常由砖制成)的过热，这会引起燃烧块38过热(可能破裂)，和/或混合体5(通常由金属制成)的过热，这又会产生操作员会被烧伤并造成相当大的能量损失的风险。
本发明的另外的优点在于损失减少、燃烧增加(获得燃烧器的至少50％的燃烧产物的再循环，允许使用通过减少氧化剂的调节，从而利用存在于再循环气体G中的残余氧气)和烧制室3内的温度的均匀性增加，通过根据本发明的设备55和燃烧器1确定相对于现有技术方案需要将较少量的气体(在诸如氢气的管理起来有困难的燃料的情况下特别有用)引入燃烧器1中来保持特定的温度。
此外，多级燃烧头10与喷射元件21相结合的使用允许降低火焰的温度峰值，温度峰值是产生氮氧化物的主要原因。因此，本发明确定减少了氮氧化物(NOx)，特别是减少到低于利用天然气的50ppm。
另外，多级燃烧头10、喷射元件21和燃烧块38之间的协同作用允许使用小得多的出口，使得能够达到约200m/s的火焰速度。
本发明被构造为由不同类型的气体(例如甲烷或LPG)供应，并且被设计为使用环境可持续的燃料(例如，富含氢气的甲烷、纯氢等)来操作。特别地，氧化剂的供给通道的结构取决于所使用的燃料。
与传统的燃烧器相比，根据本发明的燃烧器的火焰更加均匀并且旋涡更少。该特征允许火焰保持伸展并在更大程度上传播，而不会在周围环境(即，在烧制室3中)中散布太远。这种效果确保了烧制过程中通过的陶瓷制品不会受到火焰直接相互作用的太大影响，从而避免了通常由与火焰的直接相互作用决定的温度峰值造成的任何技术缺陷(颜色渐晕、不同口径等)。
此外，由包括如上所述的燃烧块的燃烧器1的非常高的火焰速度产生的强再循环稀释了火焰温度(即，降低了增加中值的峰值)并且增大了与陶瓷制品T的对流交换系数。因此，与传统的结构相比，在相同的功率下，本发明允许材料被更大程度地加热，而不会在火焰区域中以温度峰值“攻击”材料，并以更均匀的方式氧化陶瓷制品T所含的有机物质，从而防止在分段制品的内部出现较深的颜色。这样，陶瓷制品T在窑2的预热区中爆炸的风险(例如当烧制含水量过高的制品时)也被部分抑制。
最后，由于喷射元件的特殊结构，大部分火焰在燃烧头的下游产生，从而减少了与氢气闪回相关的问题并推进了焰锋。

Claims (18)

1.一种用于烧制陶瓷制品(T)的燃烧器(1)，所述燃烧器(1)能安装在包括烧制室(3)的工业窑(2)中；
所述燃烧器(1)包括：混合体(5)，所述混合体又包括至少一个用于供给具有一定百分比的氢气的燃料(FL)的导管(6)和至少一个用于供给氧化剂(OX)的导管(7)；用于启动燃烧的火花装置(8)；火焰检测装置(9)；第一管状排放元件(11)，所述第一管状排放元件被构造为被流出所述混合体(5)的流体(F)流过，并且具有第一端部(12)和与所述第一端部(12)相对的第二端部(14)，所述混合体(5)的至少一部分插在所述第一端部(12)中；
所述燃烧器(1)的特征在于，所述混合体(5)包括用于所述燃料(FL)的燃料分配系统(FPS)以及用于所述氧化剂(OX)的氧化剂分配系统(OPS)，所述燃料分配系统被构造为将所述燃料(FL)分成多个第一部分(FL’、FL”、FL’”)，所述氧化剂分配系统被构造为将所述氧化剂(OX)分成多个第二部分(OX’、OX”、OX”’)，所述多个第二部分被传送为在至少两个不同的阶段与所述第一部分混合。
2.根据权利要求1所述的燃烧器(1)，其特征在于，用于所述氧化剂(OX)的所述氧化剂分配系统(OPS)包括燃烧头(10)，所述燃烧头至少部分布置在所述第一管状排放元件(11)内部，并且包括一个或多个燃烧室(22、33)，每个燃烧室被构造为包含火焰的不同燃烧阶段(M’、M”)；并且其中用于所述燃料(FL)的所述燃料分配系统(FPS)包括喷射元件(21)，所述喷射元件被构造为将所述燃料(FL)的至少最大部分(FL”’)朝向所述第二端部(14)喷射到所述燃烧头(10)的下游；特别地，所述第一管状排放元件(11)被构造为包含所述火焰的初级燃烧阶段(F’)。
3.根据权利要求2所述的燃烧器(1)，其特征在于，所述喷射元件(21)包括从一侧到另一侧穿过所述一个或多个燃烧室(22、33)的管状导管(23)，特别是轴向的管状导管；特别地，燃料供给导管(6)包括至少一个窄部(17)，所述窄部(17)的横截面小于所述管状导管(23)的横截面。
4.根据权利要求3所述的燃烧器，其特征在于，所述管状导管(23)具有基本上恒定的横截面，特别是圆形横截面。
5.根据权利要求4所述的燃烧器，其特征在于，所述管状导管(23)具有第一横截面，所述第一横截面的直径范围为2mm到12mm，特别是4mm到10mm。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的燃烧器，其特征在于，所述管状导管(23)在每个燃烧室(22、33)的区域中具有一个或多个燃料分配开口(24)，以便将所述第二部分(FL’、FL”)中的至少一个部分喷射到所述燃烧室中中的每个中。
7.根据权利要求6所述的燃烧器，其特征在于，所述一个或多个开口(24)是将所述管状导管(23)的内部区域连接到所述燃烧室(22、33)的通孔(25)。
8.根据权利要求7所述的燃烧器，其特征在于，所述通孔(25)是径向孔，所述径向孔特别是布置成环形。
9.根据权利要求3至6中任一项所述的燃烧器，其特征在于，所述管状导管(23)包括第一端部(26)和第二端部(26’)，所述管状导管(23)的第一端部(26)连接到用于所述燃料(FL)的所述燃料供给导管(6)，所述管状导管(23)的第二端部(26’)朝向所述第二端部(14)伸入所述第一管状排放元件(11)中；特别地，所述管状导管(23)沿着所述燃烧器(1)的纵向对称轴线(AA)延伸。
10.根据前述任一项权利要求所述的燃烧器(1)，其特征在于，所述燃料供给导管(6)包括至少一个窄部(17)，所述窄部(17)的横截面的直径小于10mm，特别是在4mm到8mm的范围内。
11.根据权利要求10所述的燃烧器(1)，其特征在于，所述窄部(17)作为单件在所述混合体(5)的尾部(54)上获得；特别地，所述混合体(5)的所述尾部(54)没有被构造为在所述氧化剂分配系统(OPS)的上游预混合氧化剂(OX)和燃料(FL)的任何开口。
12.根据前述任一项权利要求所述的燃烧器(1)，其特征在于，所述燃烧头(10)至少包括第一燃烧室(22)和第二燃烧室(33)，所述第一燃烧室被构造为产生第一火焰燃烧阶段(M’)，所述第二燃烧室(33)与所述第一燃烧室(22)连通并被构造为刚好在所述第二燃烧室(33)外产生第二火焰燃烧阶段(M”)；所述第一燃烧室和所述第二燃烧室(33)被构造为将部分火焰朝所述第二端部(14)传送到所述第一管状排放元件(11)中；特别地，所述燃烧器(1)包括将用于所述燃料(FL)的所述燃料供给导管(6)连接到所述第一燃烧室(22)的另外的燃料分配开口(60)；特别地，所述另外的燃料分配开口(60)包括轴向孔，所述轴向孔优选地围绕所述燃烧器(1)的纵向对称轴线布置成冠状。
13.根据前述任一项权利要求所述的燃烧器(1)，其特征在于，所述火焰检测装置(9)包括UV探针(50)，所述UV探针(50)特别是沿着所述燃烧器的纵向轴线(AA)布置在所述混合体(5)的尾部(54)上。
14.根据前述任一项权利要求所述的燃烧器(1)，其还包括：至少一个第二管状排放元件(18)，所述第二管状排放元件(18)从所述第二端部(14)朝向相对于所述第一端部(12)的相对侧延伸；以及抽吸元件(19)，所述抽吸元件被构造为将存在于所述燃烧器(1)外部的气体(G)的至少一部分引导到所述第二管状排放元件(18)中，并且设有布置在所述第一管状排放元件(11)和所述第二管状排放元件(18)之间的一个或多个开口(20)。
15.一种用于烧制陶瓷制品(T)的工业设备(55)，其包括：隧道窑(2)，所述隧道窑具有至少一个侧壁(56)，所述侧壁至少部分地界定烧制室(3)并具有位于所述烧制室(3)的内侧的内表面(57)和位于所述烧制室(3)的外侧的外表面(58)；输送系统(4)，所述输送系统被构造为沿着所述烧制室(3)内的传送路径(P)传送多个陶瓷制品(T)；
所述设备(55)的特征在于，所述设备包括至少一个根据权利要求1至14中任一项所述的燃烧器(1)；所述工业设备(55)包括至少一个氢气供给系统，所述氢气供给系统被构造为将氢气或包含氢气的混合物喷射到所述燃料供给导管中。
16.根据权利要求15所述的设备(55)，其特征在于，抽吸元件布置在第一管状排放元件(11)和第二管状排放元件(18)之间，并且至少部分布置在所述烧制室(3)内部；所述抽吸元件(19)被构造为将所述烧制室(3)中存在的气体(G)的至少一部分引导到所述第二排放元件(18)中；特别地，所述抽吸元件(19)布置在所述侧壁(56)的内表面(57)的区域中；所述抽吸元件(19)被构造为在所述第一排放元件(11)和所述第二排放元件(18)之间产生凹陷，以便将存在于所述烧制室(3)中的气体(G、G’)的至少一部分引导到所述第二排放元件(18)中；特别地，所述设备(55)包括沿着平行于所述传送路径(P)的方向(DD)串联布置的多个燃烧器(1)；特别地，所述燃烧器(1)具有纵向轴线(AA)，所述纵向轴线横向于(特别是垂直于)所述传送路径(P)，例如垂直于所述工业窑(2)的所述壁(56)。
17.根据权利要求15或16所述的设备(55)，其包括至少一个电子控制单元，所述电子控制单元被构造为控制所述燃烧器(1)以从有焰烧制构造周期性地转变为无焰烧制构造；特别地，所述电子控制单元被构造为通过减少燃料的供给并且如果需要的话减少氧化剂的供给来周期性地熄灭所述火焰，恢复燃料的供给并且如果需要的话恢复氧化剂的供给，从而允许所述燃烧器以无焰模式烧制，并且重新引发火焰以返回到所述有焰烧制构造。
18.一种用于烧制在隧道窑内传送的陶瓷制品(T)的方法，所述方法包括以下步骤：
-向特别是根据权利要求1至15中任一项所述的燃烧器供给包含至少百分比超过20％、特别是超过50％、更特别是超过70％的氢气的燃料；
-同时向所述燃烧器供给氧化剂并在所述燃烧器和所述隧道窑的烧制室内部至少部分地引发火焰；
-用反馈控制来控制所述火焰；
特别地，一旦所述窑的所述烧制室达到了给定温度，所述方法周期性地包括以下另外的步骤：
-通过减少燃料的供给并且特别是减少氧化剂的供给来熄灭所述火焰；以及
-恢复燃料的供给并且特别是恢复氧化剂的供给，从而在所述隧道窑内部产生对所述陶瓷制品进行烧制的无焰燃烧。
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