CN108351099B - 减少具有密封的强制通风燃烧室的燃气锅炉的有害气体排放物的方法和相应的锅炉 - Google Patents

Abstract

一种用于减少来自燃气锅炉(1)的有害气体排放物的方法，该燃气锅炉包括密封的强制通风的燃烧室(2)，所述燃烧室中设置有燃烧器(3)，用于吸入燃烧空气(A)的第一导管(5)通向燃烧器，并且用于排出燃烧烟气(F)的第二导管(6)从燃烧器引出。设置成使得从来自第二导管(6)的烟气或排气中抽吸一部分烟气或排气并将这部分烟气或排气注入到燃烧空气(A)中以降低燃烧空气(A)中存在的大气氧的百分比并因此减少燃烧烟气(F)中的有害气体的产生。还要求保护一种根据上述方法操作的锅炉。

Description

减少具有密封的强制通风燃烧室的燃气锅炉的有害气体排放 物的方法和相应的锅炉

技术领域

根据相应的独立权利要求，本发明涉及用于减少具有密封的强制通风的燃烧室的燃气锅炉的有害气体排放物的方法、以及根据所述方法操作的锅炉。

背景技术

本发明涉及具有密封的强制通风的燃烧室的锅炉，其中，所述锅炉可以具有常压式燃烧器(burner of atmospheric type)，其中，空气-燃气混合物中的燃烧空气主要为二次空气或者是已经处于燃烧室中但在进入燃烧室中之前并没有形成混合物的一部分的空气；所述空气从锅炉的外部经由管道输送至设置有燃烧器的燃烧区域。本发明还涉及使用适当研制的用于减少NOx排放物的燃烧器(特别是已知的低NOx燃烧器)的锅炉的情况，与“常压”式燃烧器相比，这种燃烧器主要涉及一次空气和改进的混合。

如已知的，对通常在家用建筑物中使用的上述类型的锅炉所应当符合与有害气体排放物(主要是NOx或氮氧化物)和性能有关的日益严格的参数的要求日渐提高。近来的欧洲法规正趋向这个方向。

针对减少有害气体排放物的问题，在市场上可获得的只有配备预混燃烧的解决方案或者包括具有常压燃烧器的解决方案和具有预混燃烧的解决方案的被定义为“低NOx”的基于改进的混合技术(相比于常压燃烧器)的中间解决方案、以及诸如冷却燃烧器火焰之类的其他技术。尽管达到了目的，但这些中间解决方案的成本较高，相对于预混应用的优势，这限制了这些中间解决方案的广泛使用，需要通过在燃烧器中循环的水来冷却燃烧器(从而使结构成本更高)也是原因之一。考虑到通过使用中的技术不可能将NOx水平降低到规定限度以下，与有害排放物有关的最新法规限制不再允许使用具有常压燃烧器的设备。

还已知的是，即使在非常高的温度(其促进氮氧化物的形成)处，在氧浓度低于常压(约21％)的环境中进行的燃烧仍限制这些氮氧化物(NOx)的生成或产生。

还已知的是下述应用，在所述应用中，燃烧器-燃烧室组件被设计成用于通过改变几何结构而使燃烧产物的某(不受控制的)部分自行在燃烧室内循环，从而稀释混合物，减少NOx的形成。

然而，除了过程和结果的可能变化之外，这些应用对于使用者来说成本较高(出于结构性质的原因)。而且，这种基于燃烧室中的燃烧产物的再循环的原理从技术的角度难以(或不可能)在低成本应用、比如具有常压式燃烧器的壁挂式燃气锅炉中实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于减少上述类型的锅炉中的有害排放物的产生的方法，并且提供一种根据该方法操作的锅炉，所述方法使用上述知识使得锅炉能够以限制所述有害排放物的产生的方式起作用。

特别地，本发明的目的在于提供下述方法，通过所述方法可以以受控的方式实现前述的有害排放物(主要是NOx)的减少，其可以在制造设备的阶段期间、设备的安装期间或在设备的使用期间手动地、半自动地或自动地调节。

另一目的是提供一种上述类型的锅炉，该锅炉不会对终端用户造成过高的成本。

另一目的是提供一种上述类型的锅炉，其中，随着时间的过去，安全地且可靠地实现有害气体排放物的减少。

该目的以及对于本领域技术人员而言将明显的其他目的将通过根据相应的所附独立权利要求的方法和装置来实现。

附图说明

为了更好地理解本发明，仅通过非限制性示例的方式提供以下附图，在附图中：

图1示意性地示出了根据本发明构造的常压燃烧器类型的锅炉的第一实施方式；

图2示出了图1中的锅炉的第二实施方式；

图3示意性地示出了图1中的锅炉的第三实施方式；

图4示意性地示出了图1中的锅炉的第四实施方式；

图5示意性地示出了图1中的锅炉的第五实施方式；

图6示意性地示出了图1中的锅炉的第六实施方式；

图7示意性地示出了利用上游混合并主要利用一次空气的锅炉的第一实施方式；

图8示意性地示出了图7中的锅炉的第二实施方式；以及

图9示意性地示出了根据本发明的锅炉的另一实施方式。

具体实施方式

参照所述图1至图6，根据本发明的燃气锅炉1包括密封的强制通风的燃烧室2，该燃烧室2中设置有燃烧器3。燃烧空气A通过第一(供给)导管5到达该室2，并且用于将烟气或燃烧产物F从该室带走的第二(排出)导管6从该室2引出。导管5和6朝向安装有锅炉1的外部环境敞开，该环境为室内环境。在图1、图4、图5和图6中，导管5和6是同轴的，在图2和图3中，第一导管5与第二导管6分开。在这些图2、图3中，第一导管5与第二导管6在燃气锅炉1的外部分开，但是第一导管5与第二导管6还可以在锅炉自身内部分开，在这种情况下，锅炉的外壳中将具有用于供给导管和引出导管的两个连接孔，而无需外部分离件的辅助。根据本发明还设想这种解决方案。

沿着第二导管或排放导管6设置有常规的风扇7，并且在风扇7与燃烧室2之间可以定位有常规类型的后冷凝器10(用以提高效率)。

燃烧器3连接至燃气供给导管11，在该燃气供给导管11上定位有(例如)由机构13控制的阀12，该机构13可以是机械式的并且可以被手动地(例如通过把手)操作或电力地操作(利用继电器闭合阀(relay closing valve)12)或者通过控制设备130的自动电子装置操作。

在排放导管6中通常具有正压力，而在供给导管或第一导管5中通常具有负压力；在任一情况下，导管6与导管5之间的压力差总是正的。这种情况(压力差)被本发明利用，本发明提供了第一导管5与第二导管6之间的连接，以允许排气F中的一部分排气在被朝向燃烧室2引导的燃烧空气到达燃烧室2之前送入该燃烧空气中。这部分烟气减少了燃烧空气中的氧气含量，结果导致燃烧期间产生的氮氧化物减少。

更具体地，第一导管5与第二导管6之间的连接可以借助于开口15来实现，开口15靠近风扇7(图9)或距风扇7较大距离(图1)：由于所述导管之间的上述压力差，一部分烟气从排放导管6传到供给导管5。在这种情况下，烟气F的从一个导管传到另一导管的流量或量由开口15的横截面决定(除压力差本身以外)。

作为替代方案，两个导管5和6通过连接导管17连接在一起，其中，在连接导管17上配装有阀构件18。该解决方案主要用于上述两个导管分开的情况(图2和图3)，但也可以用于同轴导管的情况(图4)。

阀构件18可以是可手动调节式的(图2和图4)或者是如图3所示的固定调节式的。在两种情况下，设置构件18以允许预定量的烟气从排放导管6传到供给导管5。该量在设计阶段初始地界定，随后在锅炉的生产阶段进行设定，并且在需要的情况下在安装锅炉时或在进行维护工作时根据锅炉的特性或在离开燃烧室的烟气中所发现的物质(氮氧化物)进行调节。

作为替代方案，在风扇7直接定位在排放烟气F的导管6上(如图5所示)的情况下，烟气F可以从风扇7的本体被直接抽出。在这种情况下，所述风扇的本体中具有孔20，孔20将风扇的内部(在压力比安装有风扇的导管6的压力大并且供排放烟气通过的区域中)连接至供给导管5(或进气室)，以允许这些烟气F中的一部分烟气进入供给导管5并与正被吸入或注入燃烧室中的燃烧空气结合。

可以在第一导管或供给导管5之间通过的烟气F的量由孔20的横截面限定(除压力差以外)。

图6示出了另一变型。在该图中，在用相同的附图标记表示与前面的图中的部件相对应的部件时，导管5与导管6之间再次通过上面配装有阀构件18的导管17来连接。然而，与前述解决方案不同，该阀构件是马达驱动式的(或者该阀构件包括电致动器，例如马达18A)，使得从第二导管6到第一导管的烟气流可以以可控的方式调节。

更具体地，所论述的图中的解决方案包括电子控制单元23，该电子控制单元23能够通过传感器24和25以及火焰信号检测器27(该火焰信号检测器27本身是已知的)对室2中进行的燃烧进行监测，传感器24和25分别检测通过供给导管5和排放导管6的流体流的压力，火焰信号检测器27使得这种单元能够检测燃烧器2的操作特性。作为替代方案或另外地，可以通过一个或更多个燃烧传感器24、25来实施控制，燃烧传感器24、25是测量标识烟气的组成的数据的传感器，例如氧气传感器、一氧化碳传感器等。电子单元23以电子单元23连接至调节器——在这种情况下为用于位于燃气导管11上的阀12的电调节器/电子调节器130——的方式连接至电致动器18A(例如马达)并控制该电致动器18A。

以此方式，单元23基于由上述检测器27获得的数据(和/或由压力传感器或流量传感器或燃烧传感器24和25获得的数据)通过对电致动器18A施加作用来控制阀18的开启和关闭，以允许存在于第二导管6中的烟气的压力的一部分受控地且“经校准地(calibrated)”通入第一(供给)导管5中；其目的在于：考虑实际向燃烧器供给的燃气和燃烧器的操作特性(通过检测器27获得)，持续地且实时地控制来自锅炉1的有害气体的排放。

因此，所论述的解决方案不需要对阀18进行任何手动调节，并且基于存储在单元23的存储器中的与所监测的参数(通过传感器24、25监测的流体流的压力、通过调节阀12控制的燃气流、通过检测器27监控的燃烧质量)与烟气F的实际组成之间的相关性相关的数据通过调节上述阀的开启(或关闭)来控制存在于排放烟气F中的NOx的水平。所有这些都是实时进行的。这通过将从每个传感器获得的数据与在设计阶段期间根据应用的特征界定的数据进行比较来进行。

在与已经描述的部件用相同的附图标记表示的图7和图8中示出了本发明的应用于主要具有一次空气燃烧的锅炉的解决方案。在这种情况下，第一供给导管5将燃烧空气运送至混合构件30，燃气导管11通向混合构件30，并且导管31从混合构件30引出以(通过在混合物的流路中位于燃烧器3上游的风扇33)将所产生的空气-燃气混合物运送至燃烧器3。

图7中的解决方案使得定位有阀或阀构件18的导管17位于导管5与导管6之间并与锅炉的出口分开，而在图8中的解决方案的情况下，导管17将排放导管6直接连接至混合构件30，以将烟气中的被抽吸处的部分直接输送至混合构件30。在此，该部分烟气与燃烧空气和燃气混合。在这种情况下，阀构件或阀18同样用于调节能够送入混合器33中的烟气的量(混合器33相对于排放导管6产生负压，在排放导管6处，压力替代地为正)。

图7和图8中的解决方案也可以具有类似于图6中的解决方案的变型，其中，连接至传感器构件和检测器的控制单元对阀18施加作用，从而在锅炉的各个操作阶段期间(持续监测)根据保持有害气体(主要是NOx)处于较低水平的需要来调节阀18的开启。

在具有市场上已知的且在上文中被定义为“低NOx”的燃烧器的设备中，无需预混合而主要使用一次空气，本发明克服了限制所述燃烧器的使用的主要问题中的一个问题。本发明的使用为这种类型的应用提供的优点在于：在燃烧器上游注入一部分燃烧产物有助于冷却燃烧器的表面，使得可以通过一系列足以在无需设置用以向燃烧器内运送冷却水的管道的情况下使用燃烧器的调节来使用燃烧器；这简化了结构并降低了产品的最终成本。

已经描述了本发明的各种实施方式。然而其他实施方式也是可能的。例如，除了位于导管17中的阀构件或阀18之外或作为替代方案，可以设置位于第二导管或排放导管6中的减流器(flow reducer)38(例如固定开口隔膜或具有可调节开口的挡板)以改变(或增大)导管6中的压力值并辅助将烟气中的一部分烟气送入导管5中。该解决方案在图1和图3中示出。

根据图3所示的另一变型，作为替代方案或者除了如上所述的配装在导管6中的减流器38以外，可以在导管5中设置减流器(38A)以改变(在这种情况下，减小)导管本身的下游(燃烧室2或混合器30中)存在的负压，并因此引起通过开口15或导管17(其可以或可以不配备有阀18)的烟气的更大的“抽吸”。

可以手动地调节或者电动地(例如马达驱动式)操作位于排放导管5和/或供给导管6中的该流量调节器38、38A，以便以与先前描述的方式类似的方式借助于单元23并利用一个或更多个传感器(24、25、27)自动地调节排放烟气的再循环(除了由马达18A单独操作的阀构件18以外或作为替代方案)。

作为进一步的特征，提供用于控制单元23的自动系统可以不具有压力传感器或流量传感器或燃烧传感器(24、25)而仅使用测量火焰信号的传感器27(本身为已知的技术)；由该传感器检测到的信号被单元23用作用于检查燃烧过程(烟气组成)的要素以便在必要时对阀18的开启或关闭或部分开启以及/或者对风扇的速度进行后续的作用，以在燃烧方面获得预期结果，或者如果燃烧偏离最佳参数则简单地停止系统。这是通过将由火焰传感器27获得的数据与在设计阶段期间界定的数据或从应用的特性得出的数据进行比较来实现的。除了火焰传感器之外或者作为替代方案，使用燃烧传感器(O2、CO等)作为燃烧质量的测量方式(或者，燃烧质量具有落入由当前法规所规定的范围内的参数的事实)可以实现相同的结果。

最后，用于确定必须再循环的烟气的量的系统可以具有“机械-气动”类型的自动调节。再循环流量调节器可以构造成(例如通过改变导管中的压力或压力变化)使再循环的烟气的量相对于燃烧空气的流量而改变。以此方式，例如，在通过借助于电子控制来调节风扇的转速而有意地降低燃烧空气的流量、或者例如通过导管的(部分或全部)阻塞而不期望地降低燃烧空气的流量的情况下，可以自动地改变(减少)再循环的烟气的量。

本领域技术人员可以基于上面的描述提供本发明的其他变型和实施方式，因此这些变型和实施方式被认为落入所附权利要求的范围内。

Claims (9)

1.一种用于减少来自燃气锅炉(1)的有害气体排放物的方法，所述燃气锅炉(1)包括密封的强制通风的燃烧室(2)，所述燃烧室(2)中设置有燃烧器(3)，用于吸入燃烧空气(A)的第一导管(5)通向所述燃烧器(3)，并且用于排出燃烧烟气(F)的第二导管(6)从所述燃烧器(3)引出，所述方法包括从来自所述第二导管(6)的所述燃烧烟气中抽吸一部分燃烧烟气并将这部分燃烧烟气注入到所述燃烧空气(A)中，以降低所述燃烧空气(A)中存在的大气氧的百分比并因此减少所述燃烧烟气(F)中有害气体的产生，

所抽吸的所述部分燃烧烟气或者被注入到吸入燃烧空气(A)的所述第一导管(5)中，或者被送入所述锅炉(1)中的混合构件(30)中，燃烧空气(A)和燃气在被输送至所述燃烧室(2)之前在所述混合构件(30)中混合，

所述部分燃烧烟气通过连接导管(17)从所述第二导管(6)抽吸至所述第一导管(5)或所述混合构件中，所述连接导管(17)连接输送所述燃烧空气(A)的所述第一导管(5)和排出所述燃烧烟气(F)的所述第二导管(6)，或者连接所述第二导管与所述混合构件(30)，

所述连接导管(17)具有阀构件(18)，

设置成使得：调节所述阀构件(18)从而使所需量的燃烧烟气(F)通过所述连接导管(17)，

其特征在于，所述阀构件(18)的所述调节以被限定且固定的方式进行或者通过自动干预以可重复的方式进行，

根据所述锅炉的操作条件来调节所述燃烧烟气(F)自所述第二导管(6)的抽吸，

其中，所述阀构件(18)的所述调节由电子控制单元(23)执行，

其中，基于以下参数中的至少一个来执行所述阀构件(18)的所述调节：由火焰信号限定的所监测的参数，和/或与分别通过所述第一导管(5)和所述第二导管(6)的流体的压力和/或流量有关的信号限定的所监测的参数，

执行所述调节以控制存在于所述燃烧烟气(F)中的NOx的水平。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于由燃烧传感器(24，25)产生的所监测的参数执行所述阀构件(18)的调节。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述阀构件(18)的调节期间，对实际向所述燃烧室(2)供给的燃气进行控制。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于存储在电子控制单元(23)的存储器中的关于所监测的参数与所述燃烧烟气(F)的实际组成之间的相关性的数据执行所述阀构件(18)的调节，以通过调节所述阀构件(18)的开启来控制存在于所述燃烧烟气(F)中的NOx的水平。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述阀构件(18)的调节是实时地进行的。

6.一种燃气锅炉，所述燃气锅炉具有包含燃气燃烧器(3)的密封的强制通风的燃烧室(2)，所述锅炉(1)包括用于燃烧空气(A)的第一导管或供给导管(5)以及连接至所述燃烧室(2)的能够将燃烧烟气(F)从所述燃烧室(2)运送出的第二导管或排放导管(6)，所述锅炉(1)包括传送装置(17)，使得燃烧烟气(F)的一部分能够在被朝向所述燃烧室(2)引导的所述燃烧空气(A)到达所述燃烧室(2)之前被送入所述燃烧空气(A)中，

所传送装置是连接所述第一导管(5)和所述第二导管(6)的连接导管(17)或者是连接所述第二导管(6)与混合构件(30)的连接导管(17)，燃气和燃烧空气(A)能够被输送至所述混合构件(30)，所述燃烧烟气(F)的一部分与所述燃气和所述燃烧空气(A)在所述混合构件(30)处混合，并且从所述混合构件离开的混合的流体被朝向所述燃烧器(3)引导，所述连接导管(17)设置有具有电致动器(18A)的截流阀构件(18)，

其特征在于，所述锅炉包括用于监测所述锅炉(1)的功能的电子控制单元(23)，所述电子控制单元(23)连接所述阀构件的所述电致动器(18A)并且控制所述电致动器(18A)以基于所述锅炉的操作条件调节输送到所述燃烧空气中的燃烧烟气(F)的量，

其中，所述电子控制单元(23)连接至检测通过所述第一导管(5)和所述第二导管(6)的流体流的压力的压力传感器，

其中，所述电子控制单元(23)连接至检测火焰信号的传感器(27)，所述检测火焰信号的传感器(27)检测所述燃气燃烧器的操作特性。

7.根据权利要求6所述的锅炉，其特征在于，所述电子控制单元连接至细分入口流(38A)和/或出口流(38)的电动操作构件。

8.根据权利要求6所述的锅炉，其特征在于，所述电子控制单元(23)连接至燃气阀(130)以允许控制燃料流量，以及/或者连接至位于所述第二导管(6)中的转速受到控制的风扇(7)，所述电子控制单元(23)调节通过上述连接输送到所述燃烧空气中的燃烧烟气(F)的量，或者作为替代方案，当发现燃烧未处于预定的参数的范围内时，所述电子控制单元(23)施加作用以减少燃料流量。

9.根据权利要求6所述的锅炉，其特征在于，替代性地，所述锅炉是包括具有或不具有水冷却的主要使用一次空气的“低NOx”燃烧器或常压燃烧器的类型。

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