操作可调节的燃烧器的方法与流程

操作可调节的燃烧器的方法
1.本发明涉及用于操作可调节的表面稳定的气体预混合燃烧器的方法的技术领域，更具体地，本发明涉及其中可燃气体包含按体积计的至少20％的氢气的燃烧器。
2.调节气体燃烧器越来越普遍，这意味着在相当宽的范围内改变燃烧器负荷，例如，其中最大燃烧器负荷与最小燃烧器负荷之比高于4或甚至更高。
3.使用天然气的气体燃烧器已经很成熟。这种燃烧器的使用因排放二氧化碳而受到批评。对于使用100％的氢气或天然气与氢气的混合物的气体燃烧器的使用似乎是减少二氧化碳排放的一个有趣的解决方案。然而，氢气—或是含有大量氢气的气体燃料—与天然气或其他烃类气体诸如丙烷相比，具有不同的燃烧特性。不同的燃烧特性会导致许多问题，例如，燃烧器容易回燃。
4.可燃气体与空气的混合物可以供应到表面稳定的预混合气体燃烧器。空气与可燃气体之比决定了燃烧器的性能。为了完全燃烧(例如为减少一氧化碳的排放)，需要供应足够的空气。为了在使用表面稳定的气体燃烧器的热电池中实现高效传热，空气量不应过高。因此，已知通过气动气体阀或通过使用例如测量燃烧器火焰的电离电流的控制机构，以预定的空气与可燃气体的恒定比例来操作天然气燃烧器。
5.例如，de3937290a1公开了控制供应到燃烧器加热设备的空气和/或燃料，以保持最佳比例。火焰电离探针用于测量火焰传导率，并且所测量的传导率与参考值之间的任何差异被用于调节例如气阀和/或风扇速度。
6.us2008/318172a提出了一种在考虑温度和/或燃烧器负荷的情况下调节燃烧装置，特别是气体燃烧器的方法。该方法包括利用显示对应于期望温度的数值范围的特性来调节由燃烧装置产生的温度，该期望温度取决于与燃烧器负荷相对应的第一参数，其中当表示该特性时，第二参数，优选为空气比(λ)，是恒定的，该空气比被定义为实际供应的空气量与理论上最佳化学计量燃烧所需的空气量之比。
7.wo2014/060991a1公开了一种用于调节和控制燃气燃烧器中的燃烧的装置，该装置能够保持空气与气体之比的最佳值，以便于获得二氧化碳、一氧化碳和氮氧化物的最佳排放，而不管所使用气体的种类和由燃烧器驱动的供电器。该装置包括以下相互集成的部件：设置有文丘里混合器的助燃气体/燃料气体混合管，燃料气体供应管与混合管相对应地打开；用于调节燃料气体流速的装置；至少部分地容纳在混合管中的风扇；设置在风扇下游的燃烧器；基于检测燃烧器中存在的火焰的安全系统；和属于该装置的设备的电子控制单元。该装置还包括设置在燃烧器内表面上的温度探头；用于调节管道中燃料气体流速的阀；该阀属于控制装置并由致动器机械地控制；和电子卡，电子卡电连接至探针、风扇和致动器。
8.根据本发明，提供了一种用于操作表面稳定的完全预混合气体的预混合燃烧器的方法，
9.其中，燃烧器适用于在最小负荷和满负荷之间进行调节，并且其中满负荷与最小负荷之比至少为4，
10.该方法包括以下步骤：
11.‑
以空气与可燃气体之比向燃烧器供应可燃气体和空气的预混合物，
12.其中，供应至燃烧器的可燃气体包含按体积计的至少20％的氢气，
13.其特征在于：
14.‑
燃烧器在最小负荷下运行时供应给燃烧器的预混合物中的空气与可燃气体之比由机构设置为，相对而言比当燃烧器在满负荷下运行时供应给燃烧器的预混合物中的空气与可燃气体之比至少高20％。
15.燃烧器例如是燃烧器系统的一部分，该燃烧器系统包括用于操作和控制燃烧器的其他部件。可选地，与燃烧器相同的，所述机构是燃烧器系统的一部分。
16.燃烧器设置成(特别地适用于)在最小负荷和满负荷之间进行调节。满负荷与最小负荷之比至少为4，例如大于4；优选地大于5，更优选地大于7，甚至更优选地大于10。
17.根据本发明，在燃烧器的最小负荷下，供应给燃烧器的预混合物中的空气与可燃气体之比设置为相对于在燃烧器的满负荷下供应给燃烧器的空气与可燃气体之比至少高20％。提出一种机构以能够正确设置空气与可燃气体之比。
18.例如，当在燃烧器的满负荷下的空气与可燃气体之比为1.3时；这意味着最小负荷下的空气与可燃气体之比至少为1.20*1.3，也就是说至少为1.56。
[0019]“空气与可燃气体之比”是指空气和可燃气体的预混合物中的空气量与可燃气体完全燃烧所需的理论化学计量空气量之比。
[0020]“燃烧器负荷”(单位为千瓦)是指单位时间内提供给燃烧器的能量的数量；能量的数量等于质量流量乘单位质量可燃气体的热值。
[0021]
本发明的一个优点是，在正常操作条件下，能防止火焰回火，同时对使用表面稳定的气体预混合的燃烧器的热交换器的整体效率所产生的影响非常低。已经观察到，被供应可燃气体中的氢气的表面稳定的完全预混合气体燃烧器在低燃烧器负荷下容易发生火焰回火。这被认为是由氢的高燃烧速度造成的，氢的燃烧速度比天然气的燃烧速度高得多。本发明的方法通过升高较低负荷水平下的空气与可燃气体之比，大大降低了火焰回火的可能性，甚至解决了火焰回火问题。以这种方式，在较低的负荷水平下，从燃烧器板流出的预混合气体的出口速度增加，火焰速度降低，并且燃烧器板被冷却。这些效应协同作用，以降低火焰回火的可能性。由于空气与气体之比仅在较低的负荷水平下升高，因此在较高的负荷水平下，所连接的热交换器的效率保持在较高水平，该热交换器将热量从燃烧器产生的烟气传递到另一介质，例如水。只有在较低的负荷下，效率才稍低，这是因为预混合物的供应中过量的空气量较高。然而，当效率被一定时间内的燃烧器所转化的可燃气体的总体积或总质量所平均时，较低燃烧器负荷下的较低效率的影响非常小。
[0022]
优选地，供应到表面稳定的完全预混合气体的预混合燃烧器的可燃气体包含按体积计的至少40％的氢气；更优选地按体积计的至少60％的氢气；更优选地按体积计的至少80％的氢气。可选地，供应至表面稳定的完全预混合气体的预混合燃烧器的可燃气体包含按体积计的至少95％的氢气，或者按体积计的至少98％的氢气，或者按体积计的95％和98％之间的氢气。更优选地，可燃气体是100％氢气，除了杂质和/或可选的气味剂和/或着色剂。
[0023]
可选地，在根据本发明的方法中所使用的燃烧器包括燃烧器板，当燃烧器运行时，该燃烧器板上的燃烧是稳定的。例如，燃烧器板是穿孔金属板或者包括穿孔金属板，例如燃
烧器板是圆柱形穿孔金属板或者包括圆柱形穿孔金属板。空气和可燃气体的预混合物从圆柱形穿孔金属板的内部通过圆柱形穿孔金属板的穿孔流到其外部，燃烧在其外部进行。可选地，圆柱形穿孔金属板的一端由金属端盖封闭。
[0024]
可选地，燃烧器包括穿孔板(即具有孔的板)，例如穿孔金属板，该穿孔金属板上完全地或部分地覆盖有纤维金属材料，例如纺织或编织的纤维金属材料。例如，可以使用本领域中称为“nit”的纤维材料。例如，纤维金属材料完全地或部分地覆盖穿孔板的包括孔的区域。
[0025]
可选地，燃烧器包括穿孔板，例如穿孔金属板，该穿孔板仅在该穿孔板的表面的一部分中包括孔，例如仅在形成燃烧器的轴向端部或燃烧器的燃烧器板的轴向端部的板的区域中。可选地，纤维金属材料，例如纺织或编织的纤维金属材料，例如本领域中称为“nit”的纤维材料，覆盖穿孔板的包括孔的表面部分。
[0026]
可选地，燃烧器包括燃烧器板，该燃烧器板包括纱布。可选地，纱布覆盖有纤维金属材料，例如纺织或编织的纤维金属材料。例如，可以使用本领域中被称为“nit”的纤维材料。
[0027]
可选地，燃烧器的燃烧器板是纺织或编织的板或包括纺织或编织的板，特别是纺织或编织的纤维金属材料的板。
[0028]
可选地，燃烧器板是具有孔的陶瓷板或者包括具有孔的陶瓷板。
[0029]
可选地，在根据本发明的方法中，在燃烧器的最小负荷下，供应至燃烧器的预混合物中的空气与可燃气体之比相对而言设置为比在燃烧器的满负荷下供应至燃烧器的空气与可燃气体之比至少高25％，更优选地相对而言至少高35％。例如，在燃烧器的最小负荷下，供应至燃烧器的预混合物中的空气与可燃气体之比设置为相对而言比在燃烧器的满负荷下供应至燃烧器的空气与可燃气体之比至少高40％，可选地，甚至相对而言至少高60％。
[0030]
可选地，根据本发明的方法使用燃烧器或燃烧器系统来实施，该燃烧器或燃烧器系统包括用于向燃烧器供应空气或用于向燃烧器供应可燃的空气与气体的预混合物的风扇。风扇例如形成燃烧器负荷控制器的一部分。
[0031]
可选地，根据本发明的方法使用根据本发明的燃烧器系统或燃烧器来实施。
[0032]
在根据本发明的方法的一个实施例中，平均负荷下的空气与可燃气体之比相对而言比满负荷下的空气与可燃气体之比高不到10％。平均负荷被定义为最小负荷与最大负荷之间的平均值。可选地，平均负荷下的空气与可燃气体之比相对而言比满负荷时的空气与可燃气体之比高不到5％。
[0033]
在根据本发明的方法的一个实施例中，平均负荷下的空气与可燃气体之比相对而言比最小负荷与满负荷下的空气与可燃气体之比的平均值低5％以上，优选地相对而言低10％以上。平均负荷被定义为最小负荷和最大负荷之间的平均值。
[0034]
在根据本发明的方法的实施例中，在满负荷下供应给燃烧器的预混合气体中的空气与可燃气体之比小于1.3，优选地小于1.25。
[0035]
在根据本发明的方法的一个实施例中，供应给燃烧器的预混合气体中的空气与可燃气体之比由所述机构设置为燃烧器负荷的预定函数。
[0036]
例如，这可以在该机构使用气动气体阀来设置向燃烧器供应可燃气体的速率时实现，以便于将供应给燃烧器的预混合物中的空气与可燃气体之比设置为燃烧器负荷的预定
函数。
[0037]
可选地，使用包括弹簧的气动气体阀，并且弹簧的一个或多个特性至少部分地确定预定函数。
[0038]
在根据本发明的方法的实施例中，空气，或者可燃的空气与气体的预混合物，通过风扇(例如燃烧器负荷控制器的风扇)供应到至燃烧器或燃烧器系统，并且供应至燃烧器的空气量由传感器测量。替代地或附加地，风扇速度被用作供应至燃烧器或燃烧器系统的空气量的指示，或者压降被记录为供应至燃烧器或燃烧器系统的空气量的度量。在该实施例中，供应至燃烧器的可燃气体量根据与供应给至燃烧器的空气量的预定关系来设置。例如，电控阀可用于设置供应至燃烧器的可燃气体量。
[0039]
在根据本发明的方法的实施例中，空气，或者可燃的空气和气体的预混合物通过风扇(例如燃烧器负荷控制器的风扇)供应至燃烧器或燃烧器系统，并且供应至燃烧器的可燃气体量由传感器测量。在该实施例中，供应至燃烧器的空气量根据与供应至燃烧器的可燃气体量的预定关系来设置。例如，控制风扇速度可用于设置供应至燃烧器的空气量。
[0040]
在根据本发明的方法的实施例中，空气，或者可燃的空气和气体的预混合物通过风扇(例如燃烧器负荷控制器的风扇)供应至燃烧器，并且提供燃烧、烟气和/或供应至燃烧器的空气与气体混合物信息的数值由至少一个传感器测量。在该实施例中，这个数值与表示燃烧器负荷、风扇速度和/或供应至燃烧器的空气流速的数值结合使用，以设置空气与可燃气体之比。
[0041]
可选地，在该实施例中，至少一个传感器是温度传感器或者包括温度传感器，并且提供燃烧信息的数值代表烟气温度或燃烧器的火焰的温度。
[0042]
可选地，在该实施例中，在根据本发明的方法中使用的燃烧器包括燃烧器板，当燃烧器运行时，该燃烧器板上的燃烧是稳定的，并且至少一个传感器是温度传感器(例如热电偶)或者包括温度传感器(例如热电偶)，并且提供燃烧信息的数值代表燃烧器的燃烧器板的温度。
[0043]
可选地，在该实施例中，替代地或附加地，提供至少一个传感器来测量代表由燃烧器产生的烟气中的氧含量或者代表供应至预混合燃烧器的空气和可燃气体预混合物中的氧含量的数值。
[0044]
在根据本发明的方法的实施例中，所使用的燃烧器包括穿孔金属板，该金属板上的火焰是稳定的。
[0045]
根据本发明的方法可以例如使用根据本发明的表面稳定的完全预混合气体的预混合燃烧器系统来实施。
[0046]
本发明还涉及一种表面稳定的完全预混合气体的预混合燃烧器系统，
[0047]
该燃烧器系统包括：
[0048]
‑
包括燃烧器板的燃烧器，该燃烧器板包括多个孔，
[0049]
‑
空气入口、可燃气体入口以及与空气入口和可燃气体入口相连通的混合器，该混合器适用于将空气和可燃气体以空气与可燃气体之比混合成为可燃气体和空气的预混合物，其中可燃气体入口适用于接收包含按体积计的至少20％氢气的可燃气体，
[0050]
‑
燃烧器入口，该燃烧器入口适用于接收可燃气体和空气的预混合物并将该预混合物供应给燃烧器，
[0051]
‑
燃烧器负荷控制器，该燃烧器负荷控制器适用于在最小负荷和满负荷之间改变燃烧器负荷，并且其中，满负荷与最小负荷之比至少为4，从而允许燃烧器在最小负荷和满负荷之间进行调节，以及
[0052]
‑
机构，该机构适用于设置由混合器产生的可燃气体和空气的预混合物中的空气与可燃气体之比，可燃气体和空气的预混合物中的空气与可燃气体之比的设置至少部分取决于燃烧器负荷，并且其中，燃烧器在最小负荷下运行时供应至燃烧器的预混合物中的空气与可燃气体之比由该机构设置为，相对而言比燃烧器在满负荷下运行时供应至燃烧器的预混合物中的空气与可燃气体之比至少高20％。
[0053]
在根据本发明的燃烧器系统的燃烧器中，优选地，孔的总表面积能够达到燃烧器板表面积的5％。这允许燃烧器系统使用包含按体积计的至少20％氢气的可燃气体。含有至少20％氢气的可燃气体，其性能与气体燃烧器中所使用的普通天然气大不相同。特别地，具有高体积百分比的氢的可燃气体(例如至少40％、至少50％、至少80％、至少95％、至少98％、在95％和98％之间；以及含有不可避免的杂质的100％)受益于达到燃烧器板表面积的5％的孔的总表面积。
[0054]
孔的总表面积大于燃烧器板表面积的0％。
[0055]
可选地，孔的总表面积在燃烧器板表面积的0.5％和5％之间，例如在燃烧器板表面积的1％和5％之间。
[0056]
可选地，可燃气体入口适用于接收可燃气体，该可燃气体包含按体积计的至少20％的氢气，并且孔的总表面积达到燃烧器板表面积的10％。
[0057]
可选地，可燃气体入口适用于接收可燃气体，该可燃气体包含按体积计的至少50％的氢气，并且孔的总表面积达到燃烧器板表面积的9.5％。
[0058]
可选地，可燃气体入口适用于接收可燃气体，该可燃气体包含按体积计的至少95％的氢气，并且孔的总表面积达到燃烧器板表面积的5％。
[0059]
可选地，可燃气体入口适于接收可燃气体，该可燃气体包含按体积计的至少98％的氢气，并且孔的总表面积达到燃烧器板表面积的5％。
[0060]
可选地，可燃气体入口适用于接收可燃气体，该可燃气体包含按体积计的95％至98％的氢气，并且孔的总表面积达到燃烧器板表面积的5％。
[0061]
可选地，可燃气体入口适用于接收可燃气体，该可燃气体除了不可避免的杂质之外，包含按体积计的100％的氢气，并且孔的总表面积达到燃烧器板表面积的5％。
[0062]
在表面稳定的气体燃烧器中，火焰的位置至少基本上由燃烧器的燃烧器板决定。燃烧器板是燃烧器的一部分，燃烧器板中存在孔，可燃的气体和空气的预混合物通过这些孔离开燃烧器进行燃烧。特别地，燃烧器板不包括任何不具有这种孔的盲区，例如邻近于圆柱形燃烧器的一个或两个轴向端部的盲区。在存在任何盲区的情况下，燃烧器板和盲区之间的边界可以被限定为，位于燃烧器板上的从燃烧器板的一个或多个最外面的孔的中心开始的孔间距的一半距离处。该间距是燃烧器板上两个相邻孔的中心到中心的距离。
[0063]
根据本发明的燃烧器系统包括燃烧器，该燃烧器包括燃烧器板。燃烧器板包括多个孔。在使用燃烧器系统的过程中，可燃的气体和空气的预混合物通过这些孔离开燃烧器进行燃烧。因此，通过多个孔对火焰进行供给。在运行中，燃烧器板上的火焰是稳定的。
[0064]
可选地，燃烧器板是穿孔金属板或者包括穿孔金属板。例如，燃烧器板是圆柱形穿
孔金属板；其中空气和可燃气体的预混合物从圆柱形穿孔金属板的内部通过圆柱形穿孔金属板的穿孔流到其外部，并在其外部燃烧。可选地，圆柱形穿孔金属板的一端由金属端盖封闭。
[0065]
可选地，燃烧器包括气体分配器，该气体分配器适用于以预定的方式在燃烧器板上分配气体。
[0066]
根据本发明的燃烧器系统还包括空气入口、可燃气体入口和与空气入口和可燃气体入口相连通的混合器。混合器适用于将空气和可燃气体以空气与可燃气体之比混合成可燃气体和空气的预混合物。可选地，混合器是文丘里管或者包括文丘里管。
[0067]
可燃气体入口适用于接收包含按体积计的至少20％氢气的可燃气体。这例如通过以下方式实现：可燃气体入口满足任何用于保留这种可燃气体的监管要求，可燃气体入口由合适的材料制成和/或可燃气体入口可直接或间接地连接至含有按体积计的至少20％的氢气的可燃气体源。
[0068]“空气与可燃气体之比”是指空气和可燃气体预混合物中的空气量与可燃气体完全燃烧所需的理论化学计量空气量之比。
[0069]
根据本发明的燃烧器系统还包括燃烧器入口，其适用于接收可燃气体和空气的预混合物并将该预混合物供应给燃烧器。按照可燃气体和空气流经燃烧器系统的方向来看，燃烧器入口设置在混合器的上游和燃烧器的下游。
[0070]
根据本发明的燃烧器系统还包括燃烧器负荷控制器，其适用于在最小负荷和满负荷之间改变燃烧器负荷。满负荷与最小负荷之比至少为4，例如大于4，从而允许燃烧器在最小负荷和满负荷之间进行调节。
[0071]“燃烧器负荷”(单位为千瓦)是指单位时间内提供给燃烧器的能量的数量；能量的数量等于质量流量乘单位质量可燃气体的热值。
[0072]
燃烧器设置成(特别地适用于)在最小负荷和满负荷之间进行调节。满负荷与最小负荷之比至少为4，例如大于4；优选地大于5，更优选地大于7，甚至更优选地大于10。
[0073]
根据本发明的燃烧器系统还包括机构，该机构适用于设置由混合器产生的可燃气体和空气的预混合物中的空气与可燃气体之比，可燃气体和空气的预混合物中的空气与可燃气体之比的设置至少部分取决于燃烧器负荷。燃烧器在最小负荷下运行时供应至燃烧器的预混合物中的空气与可燃气体之比由该机构设置为，比燃烧器在满负荷下运行时供应至燃烧器的预混合物中的空气与可燃气体之比相对而言至少高20％。
[0074]
例如，当在燃烧器的满负荷下的空气与可燃气体之比为1.3时；这意味着最小负荷下的空气与可燃气体之比至少为1.20*1.3，也就是说至少为1.56。
[0075]
优选地，所述机构适用于将燃烧器最小负荷时供应至燃烧器的预混合物中的空气与可燃气体之比设置为比燃烧器满负荷时供应至燃烧器的空气与可燃气体之比相对而言至少高25％，更优选相对而言至少高35％。更优选地，该机构适用于将燃烧器最小负荷时供应至燃烧器的预混合物中的空气与可燃气体之比设置为比燃烧器满负荷时供应至燃烧器的空气与可燃气体之比相对而言至少高40％，更优选相对而言至少高60％。
[0076]
在根据本发明的燃烧器系统的实施例中，燃烧器系统还包括控制器。控制器被编程以控制所述机构，使得当燃烧器在最小负荷下运行时供应至燃烧器的预混合物中的空气与可燃气体之比由该机构设置为相对而言比燃烧器满负荷运行时供应至燃烧器的预混合
物中的空气与可燃气体之比至少高20％。
[0077]
控制器例如是微处理器、plc系统和/或气动系统，或者包括微处理器、plc系统和/或气动系统。
[0078]
在一个实施例中，控制器包括数据输入端口，该数据输入端口可连接至传感器或传感器系统以接收包含由传感器或传感器系统产生的测量数据的信号。控制器适用于基于包含从传感器或传感器系统处接收的测量数据的信号而产生控制信号。控制信号被传送到可连接至所述机构的数据输出端口，以确定该机构的设置，从而控制空气与可燃气体之间的比例。传感器或传感器系统与控制器的数据输入端口之间的连接可以是直接或间接的，也可以是有线的或无线的。控制器的数据输出端口和所述机构之间的连接可以是直接的或间接的，也可以是有线的或无线的。
[0079]
在根据本发明的燃烧器系统的一个实施例中，所述机构适用于将供应至燃烧器的预混合气体中的空气与可燃气体之比设置为燃烧器负荷的预定函数。
[0080]
在根据本发明的燃烧器系统的实施例中，所述机构包括气动气体阀，该气动气体阀适用于设置向燃烧器供应可燃气体的速率，以便于将供应至燃烧器的预混合物中的空气与可燃气体之比设置为燃烧器负荷的预定函数。
[0081]
可选地，气动气体阀包括弹簧，并且其中弹簧的特性至少部分地确定预定函数。
[0082]
在根据本发明的燃烧器系统的一个实施例中，燃烧器系统还包括风扇，该风扇设置成向混合器供应空气或者向燃烧器供应可燃的空气和气体的预混合物。可选地，风扇形成燃烧器负荷控制器的一部分和/或由燃烧器负荷控制器或其元件控制。
[0083]
在根据本发明的燃烧器系统的一个实施例中，燃烧器系统还包括风扇，该风扇设置成向混合器供应空气或者向燃烧器供应可燃的空气和气体的预混合物，并且燃烧器系统还包括：
[0084]
‑
传感器，该传感器适用于测量供应至燃烧器的空气量，
[0085]
‑
可燃气体供应控制器，该可燃气体供应控制器适用于控制供应至混合器和/或燃烧器的可燃气体量，
[0086]
所述可燃气体供应控制器适用于根据与传感器所测量的供应至燃烧器的空气量之间的预定关系来设置供应至燃烧器的可燃气体量。
[0087]
可选地，风扇形成燃烧器负荷控制器的一部分和/或由燃烧器负荷控制器或其元件控制。
[0088]
在根据本发明的燃烧器系统的一个实施例中，燃烧器系统还包括风扇，该风扇设置成向混合器供应空气或者向燃烧器供应可燃的空气和气体的预混合物，并且该风扇具有可变的风扇速度。在该实施例中，燃烧器系统还包括：
[0089]
可燃气体供应控制器，其适用于控制供应至混合器和/或燃烧器的可燃气体量，
[0090]
该可燃气体供应控制器适用于根据与供应至燃烧器的空气量的预定关系来设置供应至燃烧器的可燃气体量，风扇的风扇速度是该空气量的度量。
[0091]
可选地，风扇形成燃烧器负荷控制器的一部分和/或由燃烧器负荷控制器或其元件控制。
[0092]
在根据本发明的燃烧器系统的一个实施例中，燃烧器系统还包括风扇，该风扇设置成向混合器供应空气或者向燃烧器供应可燃的空气和气体的预混合物，并且燃烧器系统
还包括：
[0093]
‑
传感器，该传感器适用于测量供应至燃烧器的可燃气体量，
[0094]
‑
空气供应控制器，其适用于控制供应至混合器和/或燃烧器的空气量，
[0095]
该空气供应控制器适用于根据与由传感器所测量的供应至燃烧器的可燃气体量的预定关系来设置供应至燃烧器的空气量。
[0096]
可选地，风扇形成燃烧器负荷控制器的一部分和/或由燃烧器负荷控制器或其元件控制。
[0097]
在根据本发明的燃烧器系统的另一实施例中，燃烧器系统还包括控制器。控制器被编程以控制所述机构，从而使得燃烧器在最小负荷下运行时供应至燃烧器的预混合物中的空气与可燃气体之比由该机构设置为，比燃烧器满负荷运行时供应至燃烧器的预混合物中的空气与可燃气体之比相对而言至少高20％。在该实施例中，燃烧器系统还包括：
[0098]
‑
风扇，该风扇设置成向混合器供应空气或将可燃的空气和气体的预混合物供应至燃烧器，
[0099]
‑
传感器，该传感器适用于测量提供燃烧、烟气和/或供应至燃烧器的空气与气体混合物的信息的数值，从而产生与所述数值相关的测量数据，
[0100]
其中，该控制器适用于从传感器接收与所述数值相关的测量数据，并结合表示燃烧器负荷、风扇速度和/或供应至燃烧器的空气流速的数值来使用所述测量数据，以控制该机构来设置预混合物中的空气与可燃气体之比。
[0101]
可选地，风扇形成燃烧器负荷控制器的一部分和/或由燃烧器负荷控制器或其元件控制。
[0102]
可选地，至少一个传感器是温度传感器或者包括温度传感器，并且其中，提供燃烧信息的数值代表烟气温度和/或燃烧器的火焰的温度。
[0103]
可选地，至少一个传感器是温度传感器或者包括温度传感器，并且提供燃烧信息的数值代表燃烧器的燃烧器板的温度。
[0104]
可选地，所述至少一个传感器适用于测量代表燃烧器产生的烟气的氧含量或代表供应至燃烧器的空气和可燃气体的预混合物的氧含量的数值。
[0105]
本发明还涉及一种操作表面稳定的完全预混合气体的预混合燃烧器的方法；
[0106]
其中，可燃气体和空气的预混合物被供应至燃烧器；
[0107]
其中，供应至燃烧器的可燃气体包含按体积计的至少20％的氢气；
[0108]
其中，燃烧器设置成在最小负荷和满负荷之间进行调节；
[0109]
其中，满负荷与最小负荷之比大于4；
[0110]
其特征在于，燃烧器包括机构，该机构使得燃烧器在最小负荷下运行时供应至燃烧器的预混合物中的空气与可燃气体之比由该机构设置为，相对而言比燃烧器满负荷运行时供应至燃烧器的预混合物中的空气与可燃气体之比至少高20％。
[0111]
在该进一步的方法中，可燃气体和空气的预混合物被供应至燃烧器。供应至燃烧器的可燃气体包含按体积计的至少20％的氢气。燃烧器设置成在最小负荷和满负荷之间进行调节。满负荷与最小负荷之比大于4；优选地大于5，更优选地大于7，甚至更优选地大于10。可选地，满负荷与最小负荷之比至少为4。燃烧器包括机构，从而使得燃烧器在最小负荷下运行时供应至燃烧器的预混合物中的空气与可燃气体之比由该机构设置为，相对而言比
燃烧器满负荷运行时供应至燃烧器的预混合物中的空气与可燃气体之比至少高20％。
[0112]
例如，当燃烧器满负荷时的空气与可燃气体之比为1.3时；这意味着最小负荷时空气与可燃气体之比至少为1.20*1.3，也就是说至少为1.56。
[0113]“空气与可燃气体之比”是指空气和可燃气体预混合物中的空气量与可燃气体完全燃烧所需的理论化学计量空气量之比。
[0114]“燃烧器负荷”(单位为千瓦)是指单位时间内提供至燃烧器的能量的数量；能量的数量等于质量流量乘单位质量可燃气体的热值。
[0115]
本发明的一个优点是，能防止火焰回火，同时对使用表面稳定的气体预混合的燃烧器的热交换器的整体效率所产生的影响非常低。已经观察到，被供应可燃气体中的氢气的表面稳定的完全预混合气体燃烧器在低燃烧器负荷下容易发生火焰回火。这被认为是由氢的高燃烧速度造成的，氢的燃烧速度比天然气的燃烧速度高得多。本发明的方法通过升高较低负荷水平下的空气与可燃气体之比，大大降低了火焰回火的可能性，甚至解决了火焰回火问题。以这种方式，在较低的负荷水平下，从燃烧器板流出的预混合气体的出口速度增加，火焰速度降低，并且燃烧器板被冷却。这些效应协同作用，以降低火焰回火的可能性。由于空气与气体之比仅在较低的负荷水平下升高，因此在较高的负荷水平下，所连接的热交换器的效率保持在较高水平，该热交换器将热量从燃烧器产生的烟气传递到另一介质，例如水。只有在较低的负荷下，效率才稍低，这是因为预混合物的供应中过量的空气量较高。然而，当效率被一定时间内的燃烧器所转化的可燃气体的总体积或总质量所平均时，较低燃烧器负荷下的较低效率的影响非常小。
[0116]
优选地，供应至表面稳定的完全预混合气体的预混合燃烧器的可燃气体包含按体积计的至少40％的氢气；更优选地，按体积计的至少60％的氢气；更优选地，按体积计的至少80％的氢气。更优选地，除杂质之外，可燃气体是100％的氢气。
[0117]
在优选的方法中，燃烧器或燃烧器系统包括用于向燃烧器供应空气或向燃烧器供应可燃的空气和气体的预混合物的风扇。可选地，风扇形成燃烧器负荷控制器的一部分和/或者由燃烧器负荷控制器或其元件控制。
[0118]
优选地，燃烧器包括燃烧器板，当燃烧器运行时，该板上的燃烧是稳定的。更优选地，燃烧器板是穿孔金属板或者包括穿孔金属板。甚至更优选地，燃烧器板是圆柱形穿孔金属板；其中空气和可燃气体的预混合物从圆柱形穿孔金属板的内部通过圆柱形穿孔金属板的穿孔流到其外部，并在其外部燃烧。更优选地，圆柱形穿孔金属板的一端由金属端盖封闭。
[0119]
优选地，燃烧器或燃烧器系统包括机构，该机构使得在燃烧器的最小负荷下，供应至燃烧器的预混合物中的空气与可燃气体之比设置为相对而言比在燃烧器的满负荷下供应至燃烧器的空气与可燃气体之比至少高25％，更优选地相对而言至少高35％。更优选地，燃烧器包括机构，该机构使得在燃烧器的最小负荷下，供应至燃烧器的预混合物中的空气与可燃气体之比设置为相对而言比在燃烧器的满负荷下供应至燃烧器的空气与可燃气体之比至少高40％，更优选地，相对而言至少高60％。
[0120]
在一个优选的方法中，平均负荷下的空气与可燃气体之比相对而言比最小负荷与满负荷下的空气与可燃气体之比的平均值低5％以上，优选地相对而言低10％以上。平均负荷被定义为最小负荷和最大负荷之间的平均值。
[0121]
优选地，平均负荷下的空气与可燃气体之比相对而言比满负荷下的空气与可燃气体之比高小于10％。甚至更优选地，平均负荷下的空气与可燃气体之比相对而言比满负荷下的空气与可燃气体之比高小于5％。平均负荷被定义为最小负荷和最大负荷之间的平均值。
[0122]
优选地，在满负荷下供应至燃烧器的预混合气体中的空气与可燃气体之比小于1.3；优选地小于1.25。
[0123]
优选地，该机构包括将供应至燃烧器的预混合气体中的空气与可燃气体之比设置为燃烧器负荷的预定函数。
[0124]
在一个优选的方法中，该机构包括将供应至燃烧器的预混合气体中的空气与可燃气体之比设置为燃烧器负荷的预定函数，该机构使用气动气体阀来设置供应至燃烧器的可燃气体的速率，以便于将供应至燃烧器的预混合气体中的空气与可燃气体之比设置为燃烧器负荷的预定函数。更优选地，气动气体阀中弹簧的特性至少部分地实现预定函数。
[0125]
在一个优选的方法中，其中该机构包括将供应至燃烧器的预混合气体中的空气与可燃气体之比设置为燃烧器负荷的预定函数，燃烧器或燃烧器系统包括用于供应空气或将可燃的空气和气体的预混合物供应至燃烧器的风扇。传感器用于测量供应至燃烧器的空气量，或者风扇速度用来计量供应至燃烧器的空气量；或者压降被记录为供应至燃烧器的空气量的度量。供应至燃烧器的可燃气体量例如通过电子控制阀，根据与供应至燃烧器的空气量的预定关系来设置。
[0126]
在优选的方法中，燃烧器或燃烧器系统包括用于向燃烧器供应空气或向燃烧器供应可燃的空气和气体的预混合物的风扇。传感器用于测量供应至燃烧器的可燃气体量；并且供应至燃烧器的空气量例如通过控制风扇速度，根据与燃烧器负荷之间的预定关系来进行设置，该预定关系由供应至燃烧器的可燃气体量来确定。
[0127]
在优选的方法中，燃烧器或燃烧器系统包括用于向燃烧器供应空气或可燃的空气和气体的预混合物的风扇。至少一个传感器用于测量提供燃烧、烟气或供应至燃烧器的空气与气体混合物的信息的数值。该数值与表示燃烧器负荷、风扇速度或供应至燃烧器的空气流速的数值相结合使用，以设置空气与气体的比例。
[0128]
在优选的方法中，其中，使用至少一个传感器，该至少一个传感器包括温度传感器，并且提供燃烧信息的数值代表烟气温度或燃烧器的火焰的温度。
[0129]
在优选方法中，其中，使用至少一个传感器，该至少一个传感器包括温度传感器(例如热电偶)，并且提供燃烧信息的数值代表燃烧器的燃烧器板的温度。在这种方法中，燃烧器包括燃烧器板，当燃烧器运行时，该燃烧器板上的燃烧是稳定的。
[0130]
在优选的方法中，其中，使用至少一个传感器，该至少一个传感器设置为测量代表燃烧器产生的烟气中氧含量的数值或者代表供应至预混合的燃烧器的空气和可燃气体的预混合物中氧含量的数值。
[0131]
优选地，燃烧器包括穿孔金属板，该穿孔金属板上的火焰是稳定的。
[0132]
本发明还涉及一种表面稳定的完全预混合气体的预混合燃烧器，其包括用于实施如本发明第一方面的任何实施例中的方法的机构。
[0133]
优选地，表面稳定的完全预混合气体的预混合燃烧器包括控制器。该控制器被编程以根据本发明第一方面的任何实施例中的方法来操作燃烧器。
[0134]
优选地，燃烧器包括燃烧器板，当燃烧器运行时，该燃烧器板上的燃烧是稳定的。更优选地，燃烧器板是穿孔金属板。甚至更优选地，燃烧器板是圆柱形穿孔金属板；其中空气和可燃气体的预混合物从圆柱形穿孔金属板的内部通过圆柱形穿孔金属板的穿孔流到其外部，并在其外部燃烧。更优选地，圆柱形穿孔金属板的一端由金属端盖封闭。
[0135]
图1示意性地解释了一种控制表面稳定的完全预混合气体的预混合燃烧器的方法，该方法在从燃烧器的最小负荷到满负荷的燃烧器运行的整个范围内，使用恒定的空气与可燃气体之比。
[0136]
图2和3示意性地解释了根据本发明的方法。
[0137]
图4示出了根据本发明的方法的实施例。
[0138]
图5示出了用于设置供应至燃烧器的预混合气体中的空气与可燃气体之比的预定函数的示例。
[0139]
图6示意性示出了根据本发明的燃烧器系统的实施例。
[0140]
图7示意性地示出了图6所示实施例的变型。
[0141]
图8示意性地示出了图6所示实施例的另一变型。
具体实施方式
[0142]
本发明涉及一种用于操作表面稳定的完全预混合气体的预混合燃烧器的方法，其中供应至燃烧器的可燃气体包含按体积计的至少20％的氢气，并且具有防止火焰回火的优点。尽管火焰回火是一种复杂的现象，但是它和通过燃烧器板的预混合气体的出口速度(m/s)与可燃气体的燃烧速度(也以m/s为单位)之比有关。出口速度与预混合气体的体积流量除以燃烧器板(该燃烧器板上的燃烧是稳定的)的通孔的表面积的比值成比例。尽管燃烧速度取决于许多参数，例如气体预混合物的温度和/或气体预混合物中的空气与可燃气体之比，但是可以认为，当作为第一估值并且其他参数被认为相等时，燃烧速度从燃烧器的最小负荷到满负荷是恒定的。已经注意到的是，当通过燃烧器板的预混合气体的出口速度(m/s)与可燃气体的燃烧速度(单位也是m/s)之比变低时，火焰回火的风险变高。
[0143]
图1示意性地解释了一种用于控制表面稳定的完全预混合气体的预混合燃烧器的方法，该方法在从燃烧器的最小负荷到满负荷的整个燃烧器操作范围内使用恒定的空气与可燃气体之比。图1(a)示出了在燃烧器的最小负荷(m)至满负荷(m)之间，作为燃烧器负荷(x，单位为kw)的函数的空气与可燃气体之比(y)。在图1所示的方法中，空气与可燃气体之比保持不变。图1(b)示出了
‑
对于图1(a)中所示的控制方法
‑
作为燃烧器负荷(x)的函数的垂直轴上的通过燃烧器板的预混合气体的出口速度(m/s)与可燃气体的燃烧速度(也以m/s计)的比值(z)。该比值是一条直线，在燃烧器最小负荷下，该比值最小，因此火焰回火的风险最高。
[0144]
图2示意性地解释了根据本发明的用于控制表面稳定的完全预混合气体的预混合燃烧器的方法。图2(a)示出了从燃烧器的最小负荷(m)至满负荷(m)之间，作为燃烧器负荷(x，单位为kw)的函数的空气与可燃气体之比(y)。从燃烧器满负荷下降至燃烧器负荷a，使用空气与燃烧气体之比的第一数值；对于低于a的燃烧器负荷，设置空气与燃烧气体之比的较高数值(随着燃烧器负荷的降低而增加)；相对地，该数值在燃烧器最小负荷下比第一数值至少高20％。可以在图2(b)中注意到所产生的结果，图2(b)示出了这种用于控制燃烧器
的方法的相应的出口速度与燃烧速度的比值(z)。当燃烧器负荷水平为a时，曲线发生变化，其中，与图1(a)中的情况相比，通过燃烧器板的预混合气体的出口速度(m/s)与可燃气体的燃烧速度(也以m/s计)的比值(z)的最小值显著增加。因此，火焰回火的风险大大降低。此外，更大量的预混合气体(由于供应了更多的空气)将对燃烧器板产生强化冷却；进一步降低火焰回火的风险。较大量的预混合物会降低混合物的火焰速度，从而进一步降低火焰回火的风险。
[0145]
图3示意性地解释了根据本发明的用于控制表面稳定的完全预混合气体的预混合燃烧器的方法。图3(a)示出了从燃烧器的最小负荷(m)到满负荷(m)之间，作为燃烧器负荷(x，单位为kw)的函数的空气与可燃气体之比(y)。在最小负荷下，空气与可燃气体之比相对而言比燃烧器满负荷时至少高20％。在图3(b)中可以注意到空气与可燃气体之比在燃烧器负荷上的变化所产生的结果，图3(b)示出了这种用于控制燃烧器的方法的相应的出口速度与燃烧速度之间的比值(z)。在燃烧器负荷水平b处，曲线达到最小值。与图1(a)中的情况相比，出口速度与燃烧速度之比的最小值显著增加。因此，火焰回火的风险大大降低。此外，较大量的预混合气体(由于供应更多的空气)将对燃烧器板产生强化冷却；进一步降低火焰回火的风险。较大量的预混合物会降低混合物的火焰速度，从而进一步降低火焰回火的风险。
[0146]
在图1、2和3所示的实施例中，应用的是正常的操作条件。
[0147]
图4示出了根据本发明的方法的实施例。图4示出了表面稳定的完全预混合气体的预混合燃烧器400。该燃烧器具有作为燃烧器板的圆柱形穿孔板410。空气和可燃气体的预混合物被供应至圆柱形穿孔板内。供应至燃烧器的可燃气体包含按体积计的至少20％的氢气。预混合物流过圆柱形穿孔板中的通孔。气体在圆柱形穿孔板的外部燃烧。在圆柱形穿孔板的外部的燃烧是稳定的。风扇420设置为将预混合物供应至圆柱形穿孔板中。风扇吸入空气(通过供应管线430吸入)，并且可燃气体(通过供应管线440)被供应至气流。使用气动气体阀450，气动气体阀的操作特性是预先确定的，从而获得如图2(a)、3(a)或图5中所示的，作为燃烧器负荷的函数的空气与可燃气体之比。
[0148]
可选地，通过控制阀使用预定函数，可以将气体的量设置为风扇速度(这是通过燃烧器控制而得知的，或者是测量的)的函数，从而实现用于设置供应至燃烧器的预混合气体中的空气与可燃气体之比的预定函数；例如图2(a)、3(a)或图5所示的函数。
[0149]
图5示出了用于设置供应至燃烧器的预混合气体中的空气与可燃气体之比的预定函数的实际示例。圆柱形穿孔板燃烧器在最小负荷5kw和满负荷25kw之间运行。表面稳定的完全预混合圆柱形燃烧器的直径为63mm，长度为158.4mm。圆柱形燃烧器沿其长度方向具有未穿孔部分，该未穿孔部分在凸缘处的长度为32mm，以用于供应预混合物；并且端板处的未穿孔长度为14.6mm。穿孔是直径为0.8mm的圆形，并且均匀地分布在燃烧器的111.8mm的长度上。燃烧器板的孔隙率为1.5％。燃烧器以100％的氢气作为可燃气体来运行；并将图5所示的函数用于作为燃烧器负荷(x轴，单位为kw)的函数的空气与可燃气体之比(y轴)。实验表明完全没有火焰回火。
[0150]
图6示意性示出了根据本发明的燃烧器系统500的实施例。
[0151]
燃烧器系统500包括燃烧器501，燃烧器501包括燃烧器板502。燃烧器板502包括多个孔503。在燃烧器系统500的燃烧器501中，孔503的总表面积达到燃烧器板502表面积的5％。这允许燃烧器系统使用包含按体积计的至少20％氢气的可燃气体。盲区504中不具有
孔503，因此不是燃烧器板502的一部分。
[0152]
在图6所示的实施例中，燃烧器板502由圆柱形穿孔金属板形成。空气和可燃气体的预混合物从圆柱形穿孔金属板的内部通过圆柱形穿孔金属板的穿孔(即孔503)流到其外部，并在其外部燃烧。可选地，圆柱形穿孔金属板的一端由金属端盖封闭。
[0153]
可选地，燃烧器501包括气体分配器，该气体分配器适用于以预定方式在燃烧器板上分配气体。
[0154]
燃烧器系统500还包括空气入口510、可燃气体入口520和混合器530，混合器530与空气入口510和可燃气体入口520相连通。混合器530适用于将空气和可燃气体以空气与可燃气体之间的比例混合成可燃气体和空气的预混合物。可选地，混合器530是文丘里管或者包括文丘里管。
[0155]
可燃气体入口520适用于接收包含按体积计的至少20％氢气的可燃气体。这例如通过以下方式实现：可燃气体入口520满足任何用于保留这种可燃气体的监管要求，可燃气体入口由合适的材料制成和/或可燃气体入口可直接或间接地连接至含有按体积计的至少20％的氢气的可燃气体源。
[0156]
燃烧器系统500还包括燃烧器入口540，燃烧器入口适用于从混合器530接收可燃气体和空气的预混合物，并将该预混合物供应至燃烧器501。从可燃气体和空气流经燃烧器系统的方向来看，燃烧器入口540设置在混合器530的上游和燃烧器501的下游。
[0157]
燃烧器系统500还包括燃烧器负荷控制器561，燃烧器负荷控制器561适用于在最小负荷和满负荷之间改变燃烧器负荷。满负荷与最小负荷之比至少为4，可选地大于4，从而允许燃烧器在最小负荷和满负荷之间进行调节。燃烧器负荷控制器例如通过阀或风扇563控制燃烧器负荷。
[0158]
在图6所示的实施例中，燃烧器负荷控制器形成整个燃烧器控制系统560的一部分。
[0159]
燃烧器501适用于在最小负荷和满负荷之间进行调节。满负荷与最小负荷之比至少为4，可选地大于4；并且优选地大于5，更优选地大于7，甚至更优选地大于10。
[0160]
燃烧器系统500还包括机构570，机构570适用于设置由混合器530产生的可燃气体和空气的预混合物中的空气与可燃气体之比。可燃气体和空气的预混合物中的空气与可燃气体之比的设置至少部分地取决于燃烧器501的负荷。当燃烧器501在最小负荷下运行时，供应至燃烧器501的预混合物中的空气与可燃气体之比由机构570设置为相对而言比燃烧器501在满负荷下运行时供应至燃烧器501的预混合物中的空气与可燃气体之比至少高20％。
[0161]
机构570例如包括气动气体阀，该气动气体阀适用于设置向燃烧器供应可燃气体的速率，以便于将供应至燃烧器的预混合物中的空气与可燃气体之比设置为燃烧器负荷的预定函数。气动气体阀例如包括弹簧，并且其中，弹簧的特性至少部分地确定预定函数。
[0162]
在图6所示的燃烧器系统500中，还包括控制器562。控制器562被编程以控制机构570，从而使得当燃烧器在最小负荷下运行时供应至燃烧器501的预混合物中的空气与可燃气体之比由机构570设置为相对而言比燃烧器501在满负荷下运行时供应至燃烧器501的预混合物中的空气与可燃气体之比至少高20％。
[0163]
在图6所示的实施例中，控制器562形成整个燃烧器控制系统560的一部分。
[0164]
在图6所示的实施例中，燃烧器负荷控制器561的风扇563设置成向燃烧器501供应可燃空气和气体的预混合物。
[0165]
图7示意性地示出了图6所示实施例的变型。
[0166]
在图7所示的实施例中，燃烧器系统500还包括传感器590。传感器590适用于测量供应至燃烧器501的空气量。在该实施例中，传感器590设置在燃烧器入口540中，但是可选地，传感器590可以设置在例如空气入口510中。
[0167]
在图7所示的实施例中，燃烧器系统500还包括可燃气体供应控制器591，其适用于控制供应至混合器530的可燃气体量，并且由此控制供应至燃烧器501的可燃气体量。
[0168]
可燃气体供应控制器591适用于根据与传感器590所测量的供应至燃烧器501的空气量之间的预定关系来设置供应至燃烧器501的可燃气体量。
[0169]
可燃气体供应控制器591可选地包括风扇。该风扇可选地形成燃烧器负荷控制器的一部分和/或由燃烧器负荷控制器或其元件控制。在可燃气体供应控制器591中使用这种风扇的情况下，图6所示实施例中的风扇563可以被省去。
[0170]
图8示意性地示出了图6所示实施例的变型。
[0171]
在图8所示的实施例中，燃烧器系统500还包括传感器592。传感器592适用于测量供应至燃烧器501的可燃气体量。在该实施例中，传感器592设置在燃烧器入口540中，但是可选地，传感器592可以设置在例如可燃气体入口520中。
[0172]
在图8所示的实施例中，燃烧器系统500还包括空气供应控制器593，空气供应控制器593适用于控制供应至混合器的空气量，并且由此控制供应至燃烧器501的空气量。空气供应控制器593适用于根据与传感器592所测量的供应至燃烧器501的可燃气体量之间的预定关系来设置供应至燃烧器501的空气量。
[0173]
空气供应控制器593可选地包括风扇。该风扇可选地形成燃烧器负荷控制器的一部分和/或由燃烧器负荷控制器或其元件控制。在空气供应控制器593中使用这种风扇的情况下，图6所示实施例中的风扇563可以被省去。