[发明专利]用于没有催化剂或高温氧化剂的无火焰燃烧的系统、设备和方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2006年1月5日递交的美国专利申请No.11/325,979的优先 权。

联邦赞助研究/开发声明

不可申请。

联合研究协议人员名字

不可申请

次序列表参考

不可申请

背景技术

本发明一般涉及一种自燃系统、设备和方法。更具体地，本发明披露一 种系统、设备和方法，从而在无催化剂或高温氧化剂的情况下在任何形状的 燃烧室中可促成和维持无火焰燃烧。本发明可用于各种应用，包括但不限于 加热建筑物、住宅锅炉、商用锅炉、工业锅炉、用于分馏或催化反应的供热 和任何需要加热过程的情况。

常规的炉子和工业加热器在足够高的火焰温度下运行，大约3800°F，这 造成产生大量的氧化氮，有时被称为NOx。现有技术的热燃烧系统通常通过 燃料和空气接触、产生边界层、用能点燃该混合物以使得其持续燃烧的点火 源来操作。空气富含氧和氮分子，而燃料富含氢和碳分子。在边界层处，这 些分子全部随机地运动。一旦边界层中的温度达到自燃温度或存在点火源的 辅助，则发生燃烧。在燃烧过程中，氢分子结合氧分子以形成水并释放能量。 此外，碳分子与氧分子结合以形成二氧化碳并释放能量。一旦燃烧发生，则 边界层中的火焰温度高达约3800°F，因为这些分子在该空间中紧密地堆积， 且每体积气体都释放很高的能量。在温度升高处由于碳裂化(crack)而产生 可见的火焰。对于传统燃烧该3800°F高的火焰温度是固有的，并造成NOx 形成物的增加。在高于约2200°F的温度的燃烧过程中产生NOx排放。不幸 的是，现有技术的热燃烧系统形成大量的NOx排放，通常在50至60ppm的 范围内。由此，工业上存在燃烧过程中减少NOx形成物的需要，这是本发 明的一个目的。

在现有技术中工业加热器已经广为人知且已存在。本领域技术人员也知 晓并参与了无火焰燃烧的科学实践。为了在燃烧过程中减少NOx的形成物 可以使用无火焰燃烧，因为在低于2200°F的温度下发生燃烧。在关于无火 焰燃烧的现有技术中，2004年9月28日颁发给Gibson等的美国专利No. 6,796,789教导了在大致卵形加热器中结合无火焰燃烧，以有助于在加热器的 辐射部分中增加高温烟道气、燃料气体和空气的循环速率，从而实现和维持 无火焰燃烧。

因为该发明取决于经由离心原理来控制气流和燃料流的混合，因而该现 有技术受限于需要大致卵形的燃烧室，且还受限于烟道气必须在卵形壳罩内 才可能实现的高循环速率下循环。现有技术教导了空气、燃料气体和烟道气 位于沿燃烧室壁的非常狭窄的边界，其中烟道气位于燃料气体的顶部上，燃 料气体位于气流的顶部上。烟道气与燃料气体混合，形成惰性燃料气体，该 惰性燃料气体随后根据离心原理与空气混合。因为这些气体每一种都位于彼 此的上方，所以在大致卵形燃烧室中靠近燃烧室的弯曲区域产生热点(hot spot)。这些热点可以将该区域中的温度提升至2200°F，由此增加所形成的 NOx排放量。

但是，在本发明之前，所缺乏的以及工业上长久寻求的是能沿任何表面 形状促成和维持无火焰燃烧的燃烧室，无论该表面是凸起的、凹入的、平直 的或这些表面形状的任何组合。此外，工业上还寻求烟道气源的灵活性，无 论它是外部的或内部的。最后，工业上还想让无火焰燃烧室能以最小的NOx 排放量来执行燃烧，这可以以更好、更均匀的气体混合来实现。通过首先让 空气和燃料气体惰性化并随后允许彼此并排放置的这两种气体扩散到彼此 而用本发明来实现这种均匀的混合，由此消除热点的产生以及在燃烧室中降 低NOx形成物。

本发明能使用无火焰燃烧室，该燃烧室具有的内表面形状为凸起的、凹 入的、平直的或这些表面形状的任何组合，因为它使用由附壁效应(Coanda Effect)所教导的原理。由附壁效应教导的原理还允许本发明利用一种更有 效的混合气体的方法，以使得沿燃烧室的内壁表面不形成热点。