CN118435005A - 换热式燃烧器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于换热式燃烧器(1)的换热器(3)，该换热器具有：热侧和冷侧；沿周向方向闭合的壳体(31)，该壳体环绕能沿纵向方向穿流的废气通道(32)；以及大量布置在废气通道中的热交换器管，其中，在废气通道(32)的冷侧处设置有第一联接室(301)和第二联接室(302)，该第一联接室具有用于燃烧空气的第一供应接头(37)，该第二联接室具有用于燃料气体的第二供应接头(38)，其中，废气通道(32)至少如此划分成与第一联接室(301)在流体方面连接的第一分段(321)以及与第二联接室(302)在流体方面连接的第二分段(322)，热交换器管(33)的一部分分别布置在该第一分段和第二分段中，并且该第一分段和第二分段能够并行地被废气穿流，使得冷侧的热容量流与热侧的热容量流的比例处在0.9与1.1之间。本发明此外涉及一种换热式燃烧器(1)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于换热式燃烧器(Rekuperatorbrenner)的换热器(Rekuperator)以及一种换热式燃烧器。
背景技术
在换热式燃烧器中，借助于所排出的废气来预热所供应的燃烧空气。换热式燃烧器例如由EP 1 995 516 A1已知。该换热式燃烧器主要用于产生工艺用热，例如对工业炉直接或间接加热。在直接加热时，在炉室中进行燃烧。在间接加热时，在相对于炉室封闭的空间中、例如在伸入到炉室中的然而相对于该炉室封闭的辐射管内进行燃烧，其中，空间或钢管通过燃烧被加温并且释放热辐射。
对于具有超过约5kWh/m3的热值的化石燃料气体、如天然气或丙烷而言，现代的换热式燃烧器实现了关于废气入口温度的超过80％的相对的空气预热。因此，燃烧技术上的效率提升直至超过85％。
未来为了产生工艺用热而越来越多地通过贫煤气来代替化石燃料气体。贫煤气是指具有较低的热值的气体和气体混合物、例如其中用不可燃的组分、如例如氮气、CO2或水蒸气来掺杂富含能量的烷烃的气体混合物。化工和钢工业中的残余气体、燃料单池的残余气体、木材气化器的气体、压力变化系统的冲扫气体以及填埋废气属于贫煤气。同样与天然气或丙烷相比具有明显更低的热值的氢气和氨气在本申请的上下文中同样被称为贫煤气。
在具有较低的热值的燃料气体中，流出的废气的热容量流明显大于所供应的燃烧空气的热容量流，从而尽管存在较高的空气预热仍然较少地冷却废气。
发明内容
本发明的目的是，实现一种用于换热式燃烧器的换热器以及一种换热式燃烧器，该换热器和换热式燃烧器即使在使用贫煤气的情况下通过将废气温度降低到300℃或更低也能够实现至少80％的燃烧技术上的效率。
该目的通过具有权利要求1的特征的换热器以及具有权利要求12的特征的换热式燃烧器来实现。
按照第一方面实现了一种用于换热式燃烧器的换热器，该换热器具有：沿周向方向闭合的壳体，该壳体环绕能沿纵向方向穿流的废气通道；大量布置在废气通道中的热交换器管，其中，在废气通道的冷侧处设置有第一联接室和第二联接室，该第一联接室具有用于燃烧空气的第一供应接头，该第二联接室具有用于燃料气体的第二供应接头，其中，废气通道至少如此划分成与第一联接室在流体方面连接的第一分段以及与第二联接室在流体方面连接的第二分段，热交换器管的一部分分别布置在该第一分段和第二分段中，并且该第一分段和第二分段能够并行地被废气穿流，使得冷侧的热容量流与热侧的热容量流的比例处在0.9与1.1之间。
在本申请的上下文中，词语“一”、“一个”、“一种”等仅用作不定冠词并且不应该解释为数词。术语“第一”和“第二”仅用于区分元件并且并不表明元件的顺序。
废气均匀地流动穿过两个或更多个分段。由此借助于废气在换热器的分段中不仅加温燃烧空气而且也加温燃料气体。通过在冷侧处供应燃烧空气和燃料气体来提高冷侧的热容量流，从而使冷侧的热容量流几乎等于热侧的热容量流。由质量流和热容量构成的乘积被称为热容量流。由于至少近似相同的热容量流，废气能够近似以如加温燃烧空气和燃料气体那样的程度来冷却。如果例如在1000℃的废气入口温度的情况下将燃烧空气和燃料气体预热到800℃，则废气得以以相同的程度冷却、也就是说冷却到250℃以下。
在一种设计方案中，废气通道划分成三个分段，其中，布置在分段中的热交换器管能够并行地被三种气流、尤其主级空气、次级空气和燃料气体穿流。燃烧空气划分成主级空气和次级空气用于阶段燃烧，通过该阶段燃烧能够降低热的氮氧化物形成。在此一种有利的设计方案，为三个分段分别设置了具有自身的供应接头的独立的联接室。
在一种设计方案中，三个分段分别具有相同的流动横截面。然而也能够设想到其他划分方式。根据应用场合能够由本领域技术人员来适当地进行划分成分段。
在一种设计方案中，仅通过将热交换器管与联接室关联来进行划分成分段，其中，废气自由地在分段之间流动。
在其他设计方案中，在分段之间设置有填充元件，以便降低设计为扁管的热交换器管之间的流动横截面、尤其间隙宽度。在一种设计方案中，填充元件设计为由耐热材料、尤其由钢构成的孔板。在其他设计方案中，将波纹板置入件设置为填充元件。
在一种设计方案中，热交换器管在冷侧处和/或热侧处接纳在与壳体间隔开地布置的联接板中，其中，在联接板与壳体之间形成有用于废气通道的排出开口或进入开口。在此，废气能够从所有侧流入到废气通道中。在有利的设计方案中，在冷侧处设置有包围热交换器管的端部的收集室，该收集室具有用于废气的废气套管。
在一种设计方案中，在第二分段的热交换器管中布置有催化剂、尤其用于氨分解的催化剂。由于较低的火焰速度而通常无法直接点燃氨气。在热交换器管中对用作燃料气体的氨气预热时，氨气部分地分解，从而形成氢气，该氢气促进点燃。在一种设计方案中，通过下述方式来提高这种效果，即：在第二分段的一部分热交换器管或所有热交换器管中、也就是说在其中燃料气体被加温所在的热交换器管中引入催化剂、例如由镍线材构成的织物。
作为替代方案或附加方案，在一种设计方案中，在废气通道中、废气套管中和/或联接废气套管在后方地布置有催化剂、尤其用于氧化氨气的催化剂。在氨气作为燃料气体的情况下，根据加热室中的温度以及滞留时间而可能在废气中残留氨气残余。在一种设计方案中，针对这种情况在废气套管后方联接有催化剂，利用该催化剂来氧化氨气的残余部分。
在一种设计方案中，在壳体中布置有用于启动加热的中央管，其中，废气通道环绕中央管。热交换器管在此围绕中央管布置。启动加热用于尤其在使用其热值非常低、尤其小于1kWh/m3的贫煤气的情况下启动换热式燃烧器。在一种设计方案中，启动加热包括气枪，以用于供应具有更高的热值的气体和/或用于电加热。
在有利的设计方案中，壳体具有圆形的或多边形的横截面，其中，废气通道划分成同轴布置的、环形的分段。所述划分允许均匀地穿流所有分段。在此在设计方案中，在冷侧处设置有相对于分段的同轴布置的、环形的联接室。
热交换器管优选设计为扁管，该扁管尤其以同心圆布置。下述热交换器管被称为扁管，该热交换器管在用于热传递的区段中具有扁平的间隙横截面。在此在设计方案中，扁管的用于尤其与联接板连接的端部是圆形的或多边形的。具有扁管的换热器也被称为扁管热交换器。在此在一种设计方案中，在扁管之间布置有波纹板置入件，以用于增大热交换器面并且降低扁管之间的间隙宽度。
按照第二方面实现了一种具有换热器的换热式燃烧器，其中，换热器包括：沿周向方向闭合的壳体，该壳体环绕能沿纵向方向穿流的废气通道；以及大量布置在废气通道中的热交换器管，其中，废气通道划分成至少两个分段，以用于加温燃烧空气和燃料气体。
在一种设计方案中，第一分段和第二分段的热交换器管在热侧处通入被燃烧室壳体环绕的燃烧室中。燃烧室也被称为燃烧腔室，并且燃烧室壳体对应地被称为燃烧腔室壳体。
在一种设计方案中，在燃烧室的输入端处设置有温度传感器，其中，此外在第一供应接头处和/或第二供应接头处设置有调整装置，其中，一个调整装置设立(或多个调整装置设立)用于，根据燃烧室的输入端处的借助于温度传感器所检测到的温度，与通过第二供应接头所供应的燃料气体的量成比例地设定通过第一供应接头所供应的燃烧空气的量。换热式燃烧器在此尤其如此运行，使得随着供应给燃烧室的气流的温度上升，相对于供应给燃烧室的燃料气体量来降低供应给燃烧室的燃烧空气量。由此能够避免燃烧室中的过于剧烈的温度上升。
在一种设计方案中，废气通道划分成三个分段，其中，布置在分段中的热交换器管能够并行地被三种气流、尤其主级空气、次级空气和燃料气体穿流，其中，第三分段的热交换器管在热侧处通入环绕燃烧室壳体的空气引导壳体中。在此在有利的设计方案中，第三分段环绕第一分段和第二分段。
所述设计方案允许阶段燃烧，其中，将经预热的主级空气和经预热的燃料气体供应给燃烧室以用于燃烧过程。利用第三分段中被预热的次级空气、优选以无火焰氧化来燃烧该燃烧过程的残余气体，以便阻止形成氮氧化物。
在换热式燃烧器的设计方案中，燃烧室壳体和空气引导壳体为此目的具有朝向炉室的排出喷嘴。
附图说明
本发明的另外的优点和方面由权利要求书以及由对本发明的实施例的说明得到，在下文中根据附图来阐释该实施例。在此示出了：
图1以纵向剖切示图示出了布置在炉壁处的换热式燃烧器，该换热式燃烧器具有换热器，
图2示出了按照图1的换热器的接头头部的剖视图II-II，
图3示出了按照图1的换热式燃烧器的仰视图，并且
图4示出了按照图1的换热器的剖视图。
具体实施方式
图1至图3示出了换热式燃烧器1的一种实施例，该换热式燃烧器包括用于对燃烧空气和燃料进行预热的热交换器3。图4示出了换热器3的剖视图。
所示出的换热式燃烧器1尤其能够用所谓的贫煤气来运行，其中，在使用废气能量的情况下，通过换热器3不仅预热所供应的燃烧空气而且也预热所供应的燃料气体。
所示出的换热式燃烧器1例如用于加热炉室2并且为此在炉隔绝部22中布置在炉壁的穿口处。
如在图4中能够最佳地看出的那样，所示出的换热器3是具有壳体31的扁管热交换器，该壳体具有圆形的横截面。壳体31环绕废气通道32，扁管33接纳在该废气通道中。扁管33沿着壳体31中的多个、在所示出的实施例中七个同心圆布置。
扁管33在两个端部处接纳在联接板35中。扁管33与联接板35密封连接、例如与该联接板钎焊。扁管33长于壳体31，并且联接板35分别与壳体31的端部错位地布置，从而在端部与联接板35之间形成有用于废气的进入开口4和排出开口5。在换热器3的冷侧处设置有法兰盘36，以用于将换热器3安装在炉壁处。
在所示出的实施例中，废气通道32划分成三个分段321、322、323，这三个分段能够并行地被废气穿流。每个分段321、322、333分配有扁管33的一部分。
换热器3具有在炉室2之外、布置在换热器3的冷侧处的接头头部30，该接头头部用于供应燃烧空气和燃料。接头头部30在图2中横向剖切地示出。如在图2中能够看出的那样，所示出的接头头部30具有三个分离的供应接头37、38、39，以用于将三种气流在物质上分离地供应至三个分段321、322、323的扁管33。在所示出的实施例中，第一供应接头37设置用于主级空气供应，第二供应接头38设置用于燃料供应，并且第三供应接头39设置用于次级空气供应。供应接头37、38、39分别通入联接室301、302、303中。在所示出的实施例中，第二供应接头38和第三供应接头39与布置在它们之间的第一供应接头37错位90°地布置。然而也能够设想到其他布置方式。联接室301、302、303分别具有圆环形的横截面并且与换热器3的中轴线同心地布置。在此，第一联接室301处在置于内部的第二联接室302与置于外部的第三联接室303之间。联接室301、302、303通过接片在物质上分离。
在所示出的实施方式中，分段321、322、323分别圆环形地且与换热器3的居中的轴线同心地布置。在此，分段321、322、323的尺寸和/或设计方案能够根据应用场合由本领域技术人员来适当地选择。在所示出的实施例中，如此选择居中地布置的第一分段321和置于内部的第二分段322，使得它们具有相同的数量的扁管33并且至少大致具有围绕扁管33的相同的流动横截面，从而在使用中扁管33中所引导的气流至少基本上相同地被围绕扁管33流动的废气加温。
在分段321、322、323之间设置有填充元件34，以便降低扁管之间的间隙宽度。优选如此选择填充元件34，使得该填充元件不会阻止分段321、322、323之间的流动。填充元件例如是由耐热钢构成的孔板，该孔板引起废气流的涡流。
所示出的换热式燃烧器1用于阶段燃烧。
对于阶段燃烧而言，换热式燃烧器1在热侧处具有被也称为燃烧腔室壳体10的燃烧室壳体10环绕的燃烧室11以及环绕燃烧室壳体10的空气引导壳体12，该燃烧室也被称为燃烧腔室、主级燃烧腔室或主级燃烧室。燃烧室壳体10和空气引导壳体12分别具有朝向炉室2的排出喷嘴13、14。
在所示出的实施例中，在燃烧室11的输入端处设置有示意性地所示出的温度传感器8。此外在第一供应接头37处和第二供应接头38处分别设置有调整装置370、380，借助于该调整装置能够设定通过第一供应接头37所供应的主级空气的量或通过第二供应接头38所供应的燃料气体的量。在其他设计方案中，仅在两个供应接头37、38之一处设置调整装置370、380。
图3示出了换热式燃烧器1的仰视图，该换热式燃烧器具有设置在燃烧室壳体10处的排出喷嘴13以及设置在空气引导壳体12处的排出喷嘴14。在所示出的实施例中，排出喷嘴13、14分别均匀分布地沿着与换热器的中轴线同心的圆布置。排出喷嘴13、14的布置方式和数量仅是示意性的。
给燃烧室11供应在第一分段321中被加温的主级空气以及在第二分段322中被加温的燃料，以进行氧化。从燃烧室11所释放的反应气流通过排出喷嘴13供应给炉室2并且在那里根据需求在添加了第三分段中被预热的次级空气的情况下得以完全氧化。
与换热器3的中轴线同心地设置有管6，该管通入燃烧室11中。在管6的布置在燃烧室中的端部处设置有挡板60。
在管6中设置有用于启动换热式燃烧器1的备用装置7，该备用装置例如呈居中的气枪的形式，以便给燃烧室11供应具有较高热值的燃料。例如通过备用装置7来供应具有较高热值的、用于加热炉室2的燃料，例如天然气。在燃烧室11中点燃火焰，该火焰的热废气通过排出喷嘴13达到炉室2中，以便加热该炉室。如果达到所期望的温度，则能够用贫煤气来运行换热式燃烧器1。
在启动之后，优选如此引导燃烧室11中和炉室2中的氧化过程，使得抑制火焰形成并且因此避免热的氮氧化物形成。
将燃烧时所产生的废气至少部分地供应给废气通道32，并且在分段321、322、333中不仅加温燃烧空气而且也加温所供应的燃料气体。通过加温燃烧空气和燃料气体来提高冷侧的热容量流，从而使冷侧的热容量流大致等于热侧的热容量流。
在所示出的实施例中，根据燃烧室11的输入端处的借助于温度传感器8所检测到的温度，借助于调整装置370、380能够与通过第二供应接头38所供应的燃料气体的量成比例地来设定通过第一供应接头37所供应的主级空气的量。换热式燃烧器在此能够如此运行，使得随着对供应给燃烧室11的气流的越来越多的预热，相对于所供应的燃料气体量来降低所供应的主级空气量。由此能够避免燃烧室11中的剧烈的温度上升。
通过对燃烧空气和燃料气体的同时加温，于是即使在贫煤气的情况下也能够将废气温度降低到300℃以下，从而能够实现超过80％的燃烧技术上的效率。同时，能够避免会导致热的氮氧化物形成的过高的空气预热。
由此能够实现换热式燃烧器1的效率提高，而不需要增大热交换器面，如在下文中根据50kW燃烧器的实施例在1000℃的废气入口温度的情况下实施的那样，其中，该燃烧器具有扁管热交换器，该扁管热交换器用于贫煤气、氢气或氨气，具有kxA＝50W/K(A＝换热器面积，k＝传热系数)的特征参量。
在一种设计方案中，扁管33的数量均匀地分布到三个分段321、322、323上。在其他设计方案中根据燃料气体来设置其他划分方式。
Claims (16)
1.用于换热式燃烧器(1)的换热器，该换热器具有：
热侧和冷侧；
沿周向方向闭合的壳体(31)，该壳体环绕能沿纵向方向穿流的废气通道(32)；以及
大量布置在所述废气通道中的热交换器管，其中，在所述废气通道(32)的冷侧处设置有第一联接室(301)和第二联接室(302)，该第一联接室具有用于燃烧空气的第一供应接头(37)，该第二联接室具有用于燃料气体的第二供应接头(38)，
其特征在于，
所述废气通道(32)至少如此划分成与所述第一联接室(301)在流体方面连接的第一分段(321)以及与所述第二联接室(302)在流体方面连接的第二分段(322)，所述热交换器管(33)的一部分分别布置在该第一分段和第二分段中，并且该第一分段和第二分段能够并行地被废气穿流，使得所述冷侧的热容量流与所述热侧的热容量流的比例处在0.9与1.1之间。
2.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述废气通道(32)划分成三个分段(321、322、323)，其中，布置在所述分段(321、322、323)中的所述热交换器管能够并行地被三种气流、尤其主级空气、次级空气和燃料气体穿流。
3.根据权利要求2所述的换热器，其特征在于，所述三个分段(321、322、323)具有相同的流动横截面。
4.根据权利要求1、2或3所述的换热器，其特征在于，在所述分段(321、322、323)之间设置有填充元件(34)，以便减小流动横截面，其中，所述填充元件(34)尤其设计为孔板。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的换热器，其特征在于，所述热交换器管在所述冷侧处和/或所述热侧处接纳在与所述壳体(31)间隔开地布置的联接板(35)中，其中，在所述联接板(35)与所述壳体(31)之间形成有用于所述废气通道(32)的排出开口或进入开口。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的换热器，其特征在于，在所述第二分段(322)的热交换器管中布置有催化剂、尤其用于氨分解的催化剂。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的换热器，其特征在于，在所述废气通道(32)中、废气套管(5)中和/或联接在所述废气套管(5)后方地布置有催化剂、尤其一种催化剂。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的换热器，其特征在于，在所述壳体(31)中布置有用于启动加热的中央管(6)，其中，所述废气通道(32)环绕所述中央管(6)。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的换热器，其特征在于，所述壳体(31)具有圆形的或多边形的横截面，其中，所述废气通道(32)划分成同轴布置的、环形的分段(321、322、323)。
10.根据权利要求9所述的换热器，其特征在于，同轴布置的、环形的联接室(301、302、303)相对于所述分段(321、322、323)设置。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的换热器，其特征在于，所述热交换器管设计为扁管(33)，该扁管尤其以同心圆布置。
12.换热式燃烧器，其具有根据权利要求1至11中任一项所述的换热器。
13.根据权利要求12所述的换热式燃烧器，其特征在于，所述第一分段(321)和所述第二分段(322)的热交换器管在所述热侧处通入被燃烧室壳体(10)环绕的燃烧室(11)中。
14.根据权利要求13所述的换热式燃烧器，其特征在于，在所述燃烧室(11)的输入端处设置有温度传感器(8)，并且在所述第一供应接头(37)处和/或在所述第二供应接头(38)处设置有调整装置(370、380)，其中，所述调整装置(370、380)设立用于，根据所述燃烧室(11)的输入端处的借助于所述温度传感器(8)所检测到的温度，与通过所述第二供应接头(38)所供应的燃料气体的量成比例地来设定通过所述第一供应接头(37)所供应的燃烧空气的量。
15.根据权利要求13或14所述的换热式燃烧器，其特征在于，所述废气通道划分成三个分段，其中，第三分段(323)的热交换器管在所述热侧处通入环绕所述燃烧室壳体(10)的空气引导壳体(12)中。
16.根据权利要求15所述的换热式燃烧器，其特征在于，所述燃烧室壳体(10)和所述空气引导壳体(12)具有排出喷嘴(13、14)。
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