用于在冷壁式燃烧室中稳定稀释燃烧的装置

摘要

一种用于在冷壁式燃烧室（245）中稳定稀释燃烧的装置，燃烧室中设置有包括至少一个助燃剂注入口（205）和至少一个燃料注入口（210）的燃烧器，助燃剂注入口和燃料注入口分别开设在燃烧室上，且助燃剂注入口和燃料注入口之间具有一定距离，以形成被燃烧产物朝向燃烧器区的内部再循环（220）高度稀释的燃烧（240），其中，该装置包括用于在稳定的操作条件下加热燃烧产物的加热元件（215），以维持自燃条件，该加热元件设置在稀释区中且环绕助燃剂喷嘴和燃料喷嘴（295）。

权利要求

1.一种用于在冷壁式燃烧室(245)中稳定稀释燃烧的装置，燃烧室中设置有包括至少一个助燃剂注入口(105，205)和至少一个燃料注入口(110，210)的燃烧器，助燃剂注入口和燃料注入口分别开设在燃烧室上，且助燃剂注入口和燃料注入口之间具有一定距离，以形成被燃烧产物朝向燃烧器区的内部再循环(140，220)高度稀释的燃烧(130，240)，其特征在于，包括用于在稳定的操作条件下加热燃烧产物的加热元件(145，215)，以维持自燃条件，该加热元件设置在具有再循环燃烧产物的燃料和具有再循环燃烧产物的助燃剂的稀释区(120)中，且在助燃剂和燃料接触区前环绕助燃剂喷嘴和燃料喷嘴(295)。

2.根据权利要求1所述的用于在冷壁式燃烧室(245)中稳定稀释燃烧的装置，其特征在于，加热元件(145，215)沿着所述喷嘴中的注入轴(250)延伸到至少超过助燃剂喷嘴和燃料喷嘴的接触区(235)。

3.根据权利要求1至2中任一所述的用于在冷壁式燃烧室(245)中稳定稀释燃烧的装置，其特征在于，加热元件(145，215)环绕火焰区域(240)。

4.根据权利要求1所述的用于在冷壁式燃烧室(245)中稳定稀释燃烧的装置，其特征在于，加热元件(145，215)包括电阻。

5.根据权利要求1至2中任一所述的用于在冷壁式燃烧室(245)中稳定稀释燃烧的装置，其特征在于，加热元件(145，215)包括加热管，该加热管通过辅助燃烧、燃烧产物或中间流体提供加热产物。

6.根据权利要求1至2中任一所述的用于在冷壁式燃烧室(245)中稳定稀释燃烧的装置，其特征在于，加热元件(145，215)包括提供燃烧产物的多孔管。

7.根据权利要求1至2中任一所述的用于在冷壁式燃烧室(245)中稳定稀释燃烧的装置，其特征在于，加热元件(145，215)设置在燃烧器的底部。

8.根据权利要求1至2中任一所述的用于在冷壁式燃烧室(245)中稳定稀释燃烧的装置，其特征在于，加热元件(145，215)维持加热后的再循环燃烧产物的温度，低于使热力型氮氧化物产生率呈指数式增长的极限温度。

9.根据权利要求1至2中任一所述的用于在冷壁式燃烧室(245)中稳定稀释燃烧的装置，其特征在于，包括回收加热元件(215)发出的辐射流的空气预加热装置(280)。

10.根据权利要求1至2中任一所述的用于在冷壁式燃烧室(245)中稳定稀释燃烧的装置，其特征在于，空气预加热装置(280)为设置在燃烧室内部的热交换器(150)，热交换器(150)与加热元件(145，215)相对设置，用于回收加热元件以辐射流形式传递到燃烧室(245)冷壁上的部分热量，并将至少一部分回收的热量传递给助燃剂和/或燃料。

11.根据权利要求1至2中任一所述的用于在冷壁式燃烧室(245)中稳定稀释燃烧的装置，其特征在于，空气预加热装置(280)为设置在燃烧室内部的热交换器(150)，热交换器(150)与加热元件(145，215)相对设置，用于回收加热元件以辐射流形式传递到燃烧室(245)冷壁上的部分热量，并将至少一部分回收的热量传递给需要加热的流体负载。

12.根据权利要求1至2中任一所述的用于在冷壁式燃烧室(245)中稳定稀释燃烧的装置，其特征在于，空气预加热装置为设置在燃烧室(245)内部的辐射墙，辐射墙位于加热元件(145，215)和燃烧室冷壁之间。

13.根据权利要求1至2中任一所述的用于在冷壁式燃烧室(245)中稳定稀释燃烧的装置，其特征在于，助燃剂注入口和燃料注入口具有合适直径的注入孔，以使助燃剂和燃料的速度利于高度稀释燃烧。

14.一种冷壁式燃烧室(245)，其特征在于，包括根据权利要求1或2中所述的用于在冷壁式燃烧室(245)中稳定稀释燃烧的装置。

15.一种炉子，其特征在于，包括权利要求1或2中任一所述的用于在冷壁式燃烧室(245)中稳定稀释燃烧的装置。

说明书

用于在冷壁式燃烧室中稳定稀释燃烧的装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于在燃烧室中稳定稀释燃烧的装置，尤其适用于具有高环保性能、节能燃烧技术的燃烧室，该燃烧室也被称为“冷壁式”燃烧室，例如冶炼炉或工业炉，其中，该燃烧室的包含负载的壁的表面温度大约等于或少于1000K。

背景技术

[0002] 多数燃烧方法存在燃烧后的烟气中含有不必要排放的氮氧化物（NOx）的问题。氮氧化物会对人类和环境带来不利的影响。例如，会形成酸雨以及在大气臭氧的形成中起到重要的作用。

[0003] 欧洲法规的制定趋势是大量减少氮氧化物的排放。由此，燃烧设备制造商，特别是燃烧器制造商，一直在努力以尽可能地限制氮氧化物的排放。在2011年，根据欧洲LCP法令（no.2001-80-EC）的规定，大型燃烧工厂的氮氧化物排放限值（“ELV”）应为：现有的工业炉为200mg/Nm3气体燃料（O2含量3％），新建炉为100mg/Nm3气体燃料（O2含量3％）。可以预见的是，这些限值在未来几年还会减小。

[0004] 氮氧化物的形成有很多化学途径。对于天然气燃烧炉来说，两个主要的方面是热力型氮氧化物（泽尔多维奇机理Zeldovich mechanism）和快速型氮氧化物（费尼莫尔机理Fenimore mechanism）。热力型氮氧化物的产生非常依赖于温度，当反应区的温度超过1500K时，产生量会显著增加。除了取决于温度，热力型氮氧化物的产生还取决于在热力区停留的时间。

[0005] 通常，对于两种类型的氮氧化物的形成给出的相对意见是：首先减少热力型氮氧化物，然后快速型氮氧化物的改变效果就会显现出来。

[0006] 氮氧化物的减少可以通过两种方式实现，也被称为“主要方法”和“次要方法”。“主要方法”为阻止氮氧化物的形成，而“次要方法”为破坏形成的氮氧化物。其中，“次要方法”具有很多缺点：实施成本高、氨排放量高、降低设备的稳固性能。

[0007] 因此，“主要方法”看起来更可取。大多数炉体燃烧器的低氮氧化物排放量是基于空气和/或燃料的非预先混合（如专利6 485 289中描述的）。在这种结构中，设置有两个反应区：第一富集区，提供使第二稀薄区保持稳定燃烧的燃料，第二稀薄区处的燃料因为燃烧产物的内循环而被稀释。进一步提升炉体燃烧器的低氮氧化物排放性能的技术包括使用燃烧产品的外部循环器。燃烧的空气通过烟气进行预稀释（几乎为烟道中流动烟气的30%）。如此便可减少助燃流中的氧含量，从而降低温度峰值以及减少热力型氮氧化物的产生。可以参引美国专利US6 869 277。然而，这样的系统是复杂且昂贵的以及需要经常维护，由此并不被经常使用。

[0008] 无焰燃烧，也被称为“稀释燃烧”，是一种能够限制温度峰值以显著降低氮氧化物排放的燃烧方式。这种燃烧方式是基于通过燃烧产物的内部再循环而强烈稀释助燃剂和喷射燃料，燃烧产物是通过燃料和助燃剂的喷嘴产生的，燃料和助燃剂分别高速注入其中。这种稀释可使强烈的局部燃烧转换为更温和的燃烧。作为稀释剂的产品的较高温度保证了这种燃烧模式的稳定性。与传统的燃烧方式相比，这种燃烧方式的特点是：大型的散热区域、火焰前缘的温度均匀、更低的温度峰值和更小的温度波动，由此减少了氮氧化物的排放以及减弱了声波与散热之间的联系。

[0009] 美国专利US5 154 599描述了一种无焰燃烧器。其提出了一种蓄热式燃烧器结构，即，烟气被燃烧器吸收，烟气的能量储存在蓄热器中，然后被传递给助燃空气，以加热助燃空气到1200K。在燃烧之前，通过使空气注入点与燃料注入点之间具有足够大的距离（至少是中央喷嘴直径的两倍）以及使再循环的烟气具有较高流量（再循环比至少大于天然气的两倍），以保证反应物的稀释。

[0010] 这种技术在工业上的实施被称为“热式法”，即，炉体内的平均温度远远高于燃料的自燃温度。无焰氧化是通过助燃剂、燃料、燃烧后的气体的三元混合物的自燃而维持的。要发生自燃，必须使混合区的温度高于自燃温度。有两种可能的方法实现这个条件。第一种方法，通过烟气中回收的能量或外部能量源对至少一个反应物（典型的是助燃剂）进行预加热。第二种方法，通过热的燃烧产物的内部再循环使反应物混合区的温度超过燃料的自燃温度。这两种比较稳定的方法普遍应用在高温设备中（燃烧室温度高于自燃温度）。实际上，在这种情况下烟气具有足够的热量以使燃料和/或助燃剂被预加热到较高的温度，从而使混合区的温度超过自燃温度。

[0011] 稀释燃烧的稳定性以及可持续性在“冷壁式”方法中难以实现。随着燃烧产物与壁接触后的冷却，助燃剂、燃料、燃烧产物的再循环混合区的温度很难再超过自燃温度。由此，在高温设备中使用的无焰氧化在冷壁式燃烧室中无法推广普及。

[0012] 然而，对于炉式设备，为了消除这一障碍，一些技术已经被开发出来，只是尚未在工业规模上应用。一种稳定的方法可通过下述方式实现：

[0013] -引燃火焰，

[0014] -用于降低自燃温度的催化成分，或者

[0015] -预加热助燃空气到较高温度。

[0016] 这些技术在成本、性能、复杂度和/或可靠性等方面都普遍存在缺点。

[0017] 在工业环境中火焰稳定的问题并不特定于稀释燃烧。对于炉式燃烧室，“低氮氧化物”燃烧器的火焰稳定通常是基于燃烧强烈、燃料富集的主燃烧区，主燃烧区辅助稀薄燃烧区稳定燃烧，其特征（在通过燃烧产物对空气进行稀释的方面）接近无焰燃烧的特征。美国专利US5 407 347可以作为现代低氮氧化物燃烧器技术的一个实例。欧洲专利EP1 850 067可以作为设想通过引燃器稳定高度稀释燃烧的稀释燃烧设备的一个实例。然而，这些稳定类型中存在形成热区不便的特点，导致潜在的高氮氧化物排放的风险。

[0018] 对于内燃机设备，汽油发动机中的“HCCi”（均质压燃的缩写）的燃烧特性，稀释燃烧的混合方面的特性，是由火花塞实现的。而就工业燃烧器的持久运行特性来说，不能应用火花点燃技术。

发明内容

[0019] 本发明旨在克服上述全部或部分缺点。

[0020] 为了上述目的，第一方面，本发明提出了一种冷壁式燃烧室中用于稳定稀释燃烧的装置，燃烧室中设置有包括至少一个助燃剂注入口和至少一个燃料注入口的燃烧器，助燃剂注入口和燃料注入口分别开设在燃烧室上，且助燃剂注入口和燃料注入口之间具有一定距离，以形成被燃烧产物朝向燃烧器区的内部再循环高度稀释的燃烧。该装置包括用于在稳定的操作条件下加热燃烧产物的加热元件，以维持自燃条件，该加热元件设置在稀释区中且环绕助燃剂喷嘴和燃料喷嘴。

[0021] 基于这些限定，稳定的稀释燃烧能够实现。本发明的装置具有很多工业设备的有用特性，例如非常低的氮氧化物和一氧化碳的排放，传递到负载的高均匀性和温度峰值强度的降低，反应区均匀分散在空间中，产热更均匀，火焰对热声振荡的敏感度更低。在炉中插入加热元件，通过加热再循环燃烧产物而维持在混合区局部的稳定高稀释燃烧所需的自燃条件。

[0022] 根据特定的特性，加热元件包括电阻。

[0023] 根据特定的特性，加热元件包括通过辅助燃烧、燃烧产物或中间流体提供加热产物的加热管。

[0024] 根据特定的特性，加热元件包括提供燃烧产物的多孔管。

[0025] 根据特定的特性，加热元件设置在燃烧器的底部。

[0026] 在燃烧产物到达燃烧器区之前，加热元件加热燃烧产物，燃烧产物在燃烧器区首先与助燃剂混合，然后再与燃料混合。助燃剂和燃料是分别注入的。由于烟气被加热元件加热，因此燃料/助燃剂混合区的温度超过了混合物的自燃温度。在燃烧产物与反应物混合之前加热燃烧产物的加热元件形成了一个热区（温度高于自燃温度），该热区形成在喷射的助燃剂和燃料的相遇点。

[0027] 根据特定的特性，加热元件维持加热后的再循环燃烧产物的温度低于使热力型氮氧化物产生率呈指数式增长的极限温度。

[0028] 根据特定的特性，该装置还包括回收加热元件发出的辐射流的空气预加热装置。

[0029] 根据特定的特性，空气预加热装置为设置在燃烧室内部的热交换器，热交换器与加热元件相对设置，用于回收加热元件以辐射流形式传递到燃烧室冷壁上的部分热量，并将至少一部分回收的热量传递给助燃剂和/或燃料。

[0030] 根据特定的特性，空气预加热装置为设置在燃烧室内部的热交换器，热交换器与加热元件相对设置，用于回收加热元件以辐射流形式传递到燃烧室冷壁上的部分热量，并将至少一部分回收的热量传递给需要加热的流体负载。

[0031] 通过这种助燃剂或燃料的预加热，使得无焰燃烧的稳定性进一步提高，性能也得到了改善。最后，加热元件产生的热量通过两种方式被回收：第一，通过交换器被助燃剂获得；第二，通过传导热交换被再循环烟气获得。此外，热交换器可减小与加热元件相对设置的冷壁的热应力。由此，整个燃烧室冷壁具有较好的传热均匀性。

[0032] 根据特定的特性，空气预加热装置为设置在燃烧室内部的辐射墙，辐射墙位于加热元件和燃烧室冷壁之间。

[0033] 辐射墙或辐射屏能够限制热量进入加热单元内部。如此，从加热元件到相对设置的冷壁的辐射能量受到了限制。辐射墙的长度必须等于加热元件的高度。两个重要的要素是辐射墙的制造材料和辐射墙的直径。

[0034] 根据特定的特性，助燃剂注入口和燃料注入口具有合适直径的注入孔，以使助燃剂和燃料的速度利于高度稀释燃烧。

[0035] 第二方面，本发明提出了一种冷壁式燃烧室，该燃烧室包括本发明中限定的用于稳定稀释燃烧的装置。

[0036] 第三方面，本发明提出了一种炉子，该炉子包括本发明中限定的用于稳定稀释燃烧的装置。

附图说明

[0037] 通过下述参考附图的详细描述，本发明的其他的优点、目标和特征将会变得更明显，但其仅为一个实例而并非限制方式。其中：

[0038] 图1为本发明中的装置的第一实施例的功能图，是为了利用冷壁式燃烧室中的无焰燃烧，其中，助燃剂或燃料没有经过预加热；

[0039] 图2为本发明中的装置的第二实施例的功能图，是为了利用冷壁式燃烧室中的无焰燃烧，燃烧室中设置有用于回收加热元件释放的辐射流的系统，以达到预加热助燃剂的目的；

[0040] 图3为燃烧室的纵向视图，燃烧室中设置有用于稳定无焰燃烧的加热元件；以及[0041] 图4为图3中所示的装置的变形，其包括通过回收加热元件释放的辐射流的预加热空气的装置。

具体实施方式

[0042] 图1和图2示出了冷壁式燃烧室245类型的组装样式，例如装配有燃烧器和烟道的工业燃气炉。通常，燃烧器为平面对称。以火管炉为例，燃烧室具有对称轴。

[0043] 图1和图2仅示出了装置的上半部分。此处的燃烧器仅为一简单的框架。进风口105设置在中部，两个燃料注入口110设置在边缘位置。在其他实施例中，燃料注入口的数量也可多于两个，或者燃料注入口设置在中部，助燃剂注入口设置在边缘位置。燃烧器两个重要的特征参数是：注入口之间的距离和燃料与助燃剂的喷射速度。燃料注入口与助燃剂注入口之间的距离必须能够使喷出的燃料和助燃剂相遇之前与再循环的燃烧产物进行混合，燃烧产物与壁接触后会冷却。燃烧产物的强烈再循环是由助燃剂喷嘴的输出高速度提供的。例如，对于天然气的无焰燃烧来说，再循环率大于或等于4，再循环率定义为再循环流量与注入流量总数的比值。

[0044] 图1示出了空气以300K的温度进入（在图1和图2中，流体的温度以斜体数字表示，旁边的箭头表示移动方向）。空气在125中与燃料混合之前，先与燃烧产物在115中混合，燃烧产物的温度至少为1100K。燃料以300K的温度进入，也是先与燃烧产物在120中混合。在125中获得的混合物的温度为850K。燃烧发生在130中，且燃烧产物以1700K的温度离开。燃烧产物与负荷之间的热交换发生在135中。燃烧产物中的一部分在140中进行再循环，并进而与燃料和注入的空气进行混合。

[0045] 在冷壁式燃烧室中，燃烧器底部的烟气的温度低于700K。这种情况下，混合物（由烟气稀释的燃料/助燃剂）的平均温度小于常见燃料的自燃温度。因此，通过混合物的自燃维持的稀释燃烧无法形成。

[0046] 在附图中示出的本发明的装置的实施例中，加热元件145加热用于稀释反应物的部分再循环烟气。在燃料/助燃剂混合区中，加热元件145的加热目的在于：首先，使温度高于燃料的自燃温度；其次，在助燃剂喷嘴处的氧含量达到5%。由此，通过混合反应物的自燃来维持的稳定的稀释燃烧形成在130中。

[0047] 由此获得的反应区的最高温度大约为1700K。相比传统的燃烧，这个适度的温度显著地减少了氮氧化物的排放。燃烧发生在一个较大的区域，而不再是集中的火焰。被加热的负荷可以是水（火管炉或水管炉）或其他液体产品（例如，炼油厂常压蒸馏炉）。再循环烟气传递了很大部分的热量到负荷。因此，再循环烟气要达到混合区的水平就需要通过加热元件从850K加热到至少1100K。

[0048] 加热元件的表面温度必须使再循环的燃烧产物得到充分的加热，但不超过热力型氮氧化物产生的限制温度。发明人已经确认1200K在这两个相互矛盾的条件中是一个比较合适的数值。

[0049] 低温也会因含有负载（水或液态）的墙体而得到。此外，加热元件的温度优选为至少1100K。因此，相对于加热元件/墙体的温度差（提高了四次方），由加热元件吸收的在含有被加热的负载的壁上的净入射辐射流是较高的。这个额外的辐射流会降低传递到负载的均匀性。

[0050] 参见图2中描述的另一种方式，燃烧室中安装有换热器150。助燃剂在换热器中循环。以这种方式获得的预加热更进一步提高了无焰燃烧的稳定性，并再均质化到负载的传输，以达到同等水平。据推算，通过一个换热器，空气能获得大约700K的预加热。随着燃烧的高度稀释，预加热助燃空气对于氮氧化物的排放水平来说只有轻微的影响。

[0051] 图3为燃烧室的纵向视图，燃烧室中设置有用于稳定高度稀释的无焰燃烧的加热元件，无焰燃烧来自冷壁式燃烧室中的具有单独的液体燃料喷嘴或气体燃料喷嘴的燃烧器。

[0052] 例如在火管炉中，供给有燃料1和空气2的燃烧室245是一个具有对称轴250的封闭区域。燃烧器是一种具有单独的注入口以及注入口之间的距离较大的燃烧器类型。空气注入口205设置在中部，燃料通过两个注入口210输送至外周。如图3所示，中部空气注入口205与两个气体注入口210之间的距离为助燃剂注入口205的直径的1.5至3倍，以便于天然气的燃烧。

[0053] 因此，燃料和助燃剂在235处接触之前，分别被再循环的燃烧产物230稀释，再循环的燃烧产物230用于稀释助燃剂，再循环的燃烧产物225用于稀释燃料。这些再循环的燃烧产物通过加热元件215进行预加热，此处是以环绕燃料喷嘴和助燃剂喷嘴295的盘管形式表示。

[0054] 加热元件215可以是多种类型的。例如，可包括电阻、从辅助燃烧提供热产品的中空的加热元件，或两者的组合，这取决于现场的可用资源。

[0055] 加热元件215的尺寸和位置可使换热表面最大化，且不会对关于内部再循环的混合区产生任何限制。如图3所示，产品在盘管之间的流动具有适度的负荷损失。该螺距能够充分限制负荷的损失，并满足稀释需要。相反，该节距足够小，以及盘管的直径足够大，即可使换热面积最大化。加热元件215设置为尽可能地靠近燃烧器的底部，以及燃料和助燃剂出现的壁。加热元件215沿轴250的长度使得加热元件超过燃料和助燃剂喷嘴合并点的位置。在这种情况下，加热元件215的直径设置为使加热元件215没有被侧向喷嘴挤压。优选设置有几厘米的安全距离，以便限制加热元件215的热应力，及增加使用寿命。不考虑能量供应（辅助燃烧产品或电能），加热元件215的材料应使对流传热最大化以及发出的辐射流最小化。大约1毫米的粗糙度是优选的，以增加对流传热系数。相比之下，大约为0.1的低辐射系数是优选的，以便减少辐射传热的损失。

[0056] 喷嘴速度（主要是助燃剂喷嘴）是强烈的平流运动220的来源。已经证明再循环比至少为4时才能保证天然气燃烧时在235处的充分稀释。至于燃烧器上的注入口的尺寸，其对应于喷嘴喷出的助燃剂速度，优选的是至少30m/s。

[0057] 在再循环过程中，燃烧产物通过对流和辐射损失了大部分的热量，以利于加热负载。这些负载可以设置在管体中（水管炉或精炼炉）或容纳在燃烧室245的空间中（火管炉）。

[0058] 加热元件215可用来部分补偿由于加热再循环的燃烧产物而产生的热量损失，再循环的燃烧产物用于稀释反应物。这些燃烧产物被加热，使得235处的温度超过了燃料的自燃温度，因此稀释燃烧得以稳定进行。稀释燃烧在区域240中进行并产生少量的氮氧化物。最终，烟气通过烟道260从燃烧室中排出。加热元件215的供应在255中展示。

[0059] 为了确保充分的传热，除了换热表面外还有两个参数需要考虑：加热元件215的表面和与它接触的烟气之间的温差，以及加热元件215的壁的对流传热系数。对于一个工业火管炉来说，烟气的温度大约是850K。因此可以估算到，优选的是，加热元件215的表面温度至少应为1200K，以充分的加热烟气并确保235处的温度高于常用燃料的自燃温度。第二个影响加热元件215和烟气之间对流传热系数值的参数是对流传热系数h。这个系数主要取决于流体的速度、黏度和壁的粗糙度。这些参数中，最主要的是壁的粗糙度。为了使通过加热元件215转移到流体的能量最大化，传递系数和温差也需要最大化。

[0060] 然而，随着加热元件215的壁具有非常高的温度，通过加热元件215消散的很大的一部分能量可以由燃烧室245的壁以入射热辐射流的形式回收，燃烧室245与加热元件215相对设置。在图4中，由加热元件215发出的辐射流主要取决于加热元件215制造材料的辐射系数，以及加热元件的壁与包含需要加热的负载的壁之间的温差（提高了四次方）。因此，加热元件215优选使用具有低辐射系数的材料。

[0061] 但是，就现有材料来说，由于温差是比较大的，很难将包含负载的壁上的入射辐射流减少到较小的数量。因此，通过无焰燃烧的方式获得的传热均匀性的损失是明显的。

[0062] 如图3所示装置的变形可包括用于回收加热元件215发出的辐射流的空气预热装置280。空气预热装置280与加热元件215相连，以便回收加热元件215发出的辐射流。可设置限制热量进入加热单元内部的辐射屏（图中未示），或设置如图4所示的，用于回收来自加热元件215的入射辐射流以在助燃空气进入燃烧室245之前预加热助燃空气的热交换器280。热交换器280与加热元件215相对设置，优选的是，热交换器280均围绕熔炉的壁而设。燃料在通过注入口205注入燃烧室之前，冷的燃料从290处进入交换器，并从285处出来。一般来说，助燃空气的加热温度可达到700K。热交换器280进一步提高了燃烧的稳定性，维持了到负载的均匀传热，以及低的氮氧化物的排放和其他同等水平的性能。该变形如图4所示。

[0063] 通过这种助燃剂的预加热，使得无焰燃烧的稳定性进一步提高，性能也得到了改善。最后，加热元件产生的热量通过两种方式被回收：第一，通过交换器被助燃剂获得；第二，通过传导热交换被再循环烟气获得。

[0064] 在一种变形中，循环的是被加热的中间流体，而不是助燃空气，由此除了用于预加热助燃剂或燃料外，回收的热量还可有其他用处。

[0065] 在一种情况下，交换器280被位于加热元件和燃烧室壁之间的辐射墙替代，辐射墙的长度优选等于或大于加热元件的长度。

[0066] 通过模拟显示，在20KW的试验炉中无焰燃烧能够保持稳定。燃烧室壁的温度大约为350K。喷射的燃料和助燃剂没有经过预加热。燃烧器是具有中部空气喷嘴和两侧甲烷喷嘴的独立式喷嘴的燃烧器形式。两侧甲烷喷嘴间的距离是空气喷嘴直径的两倍。具体参数在下面的表格中会给出。

[0067] 相同的建模方法在对热室中的无焰燃烧的早期研究中也可使用。冷室模拟使示出的选择的几何结构-具有下面给出的参数的盘绕式加热元件-也可以相同的操作模式应用在单独的燃烧器中（相同的混合和空气动力学领域）。

[0068] 因此，无焰燃烧的稀释条件因加热元件215的存在而被重视。此外，在加热元件215的表面温度大约为1200K，且具有1mm的粗糙度，0.1的低辐射系数的条件下，由加热元件215在燃烧器区域加热再循环的烟气，能够发现在空气/甲烷混合区的稳定燃烧的热力条件。

[0069]

[0070]

[0071] 本发明可扩展应用到设置有燃烧器的冷壁式燃烧室中的燃烧装置，燃烧器包括助燃剂注入口和燃料注入口（天然气、工业废气、焦炉煤气、合成煤气等）。助燃剂注入口和煤气注入口分别开设在炉体上，且具有一定的距离，以形成通过燃烧产物朝向燃烧器区域的内部再循环而高度稀释的燃烧（喷嘴间的距离为助燃剂喷嘴直径的1.5至3倍，燃烧的天然气/空气的注入速度为20-100m/s）。

[0072] 冷壁式燃烧器（温度低于1000K）中无焰燃烧的稳定是通过使用固体加热元件实现的，固体加热元件（电阻，或通过燃烧或辅助系统而提供产品加热的加热管）设置在燃烧器的底部，且环绕助燃剂/燃料喷嘴。在燃烧产物到达燃烧器区之前，该螺旋状的加热元件加热燃烧产物，燃烧产物在燃烧器区首先与助燃剂混合，然后与燃料混合。助燃剂和燃料是分别注入的。由于烟气被加热元件加热，因此燃料/助燃剂混合区的温度超过了混合物的自燃温度。

[0073] 为了使燃烧产物朝向燃烧器形成强烈的再循环，喷射速度一般会比较高。比如，对于空气/天然气的燃烧，空气进入燃烧室的速度应大于30m/s。这种类型的燃烧器结构，基于稀释的燃料/稀释的空气的混合区的温度高于混合物的自燃温度，燃烧能够自我维持。

[0074] 在燃烧产物与反应物混合之前加热燃烧产物的加热元件形成了一个被稀释的热区（温度高于自燃温度），该热区形成在喷射的助燃剂和燃料的相遇点，其中，氧含量大约为5-8%，并取代了20%的非稀释空气。接着以这种方式发生高度稀释的燃烧，并根据无焰燃烧原理通过自燃来自我维持。

[0075] 为了确保足够的稀释，例如对于使用天然气的无焰燃烧来说，再循环率（定义为再循环流量与注入流量总和的比值）应大于4。这个条件可通过喷嘴喷出反应物的高速度来保证。

[0076] 除了纯粹的技术限制（易于安装，易于维护，成本），加热元件的两个约束条件是：首先，到达混合区的流量不被限制，以便使再循环的产物充分稀释反应物，同时还应充分靠近混合区；其次，最大化加热元件和参与稀释的再循环烟气之间的对流传热，同时避免形成热点（温度低于使热力型氮氧化物产生率上升的极限温度）。

[0077] 应注意的是，多种形式的加热元件可被使用：盘管、栅格、具有多个穿孔的喷烧管、辐射式燃烧器等等。对于每一种情况，尺寸都是确定的，以便使加热元件的换热都能够达到最大化的换热面积和最小化的负荷损失。对于盘管式加热元件来说，重要的尺寸是加热元件的直径、长度、与燃烧器底部的距离、盘管的直径和螺距。加热元件能够克服在再循环产物/助燃剂/燃料的混合区中高温和高稀释的冲突。由于装置不改变燃烧器的空气动力特性，高度稀释燃烧的主要特性为：减小氮氧化物的排放，反应区分散在空间中，产热更均匀，火焰对热声振荡的敏感度低，以及温度峰值的不剧烈。