产生极低排放的气体混合物的方法及使用的催化燃烧设备与流程

本发明涉及用于在催化燃烧设备中高效地产生极低排放的气体混合物的方法。

本发明还涉及用于利用催化燃烧方法高效地产生极低排放的气体混合物的催化燃烧设备。

本发明进一步涉及通过使用模块制造燃烧设备的方法。

背景技术：

全世界都在约束氮氧化物(nox)、一氧化碳(co)、二氧化碳(co2)和碳氢化合物排放(voc)，以用于改善空气质量以及用于抑制温室效应。为了追求这个目标，在欧洲已经对供暖锅炉、工艺设备、壁炉等制定了几项指令。在这些指令中已经通过效率直接或间接地限定了用于燃烧排放物的排放限制。在美国，环境保护局(epa)以及尤其是加州空气资源委员会(carb)制定了对于氮氧化物和碳氢化合物的严格的标准，以及对于具体化合物的一些标准。中国正在经历类似的发展。在北京，例如对于锅炉的nox的限制值已经设置为30mg/m³，并且对于co的限制值已经设置为80mg/m³。在中国的其他工业领域应该也持续相同的强烈紧缩趋势。由于排放法规变得越来越严格，当前基于热燃烧的系统将会遭遇限制。另外，具有最低排放的燃烧器的效率应该下降，因为最低排放是用提高的残余氧气或烟道气再循环来实现的，而这两者都会损害能量产生的效率。

实际上，现有技术中已知有几种用于能量的产生以及达到当局施加的能量产生排放限值的设施：

-代替后烟道气处理，超低nox燃烧器和无nox燃烧器(zeronoxburner)的制造商在其燃烧器中利用了烟道气再循环、气体和空气分级、用高过量空气预混合燃烧等技术。用超低nox热燃烧不能获得零nox排放。在o2处于3％的水平时，所报道的最低值是5ppm(约10mg/m³)。

-另一个选项是烟道气的净化(纯化)。通常用选择性或非选择性的催化转换器(scr、nscr)来实现氮氧化物的移除。最佳地，由此在约300℃的温度获得98％的净化度。然而，scr催化转换器要求单独的还原剂(尿素或氨)和用于该还原剂的分配器，这导致燃料成本约4％的额外花费。由此获得的nox排放水平为约5ppm至20ppm。另外，co排放限值经常要求单独的氧化催化转换器。

-作为一种新的产品，市场已经存在了一种将位于锅炉中的3效催化转换器。该催化转换器不需要还原剂，但是燃烧器的空气/燃料比的调整要经受3效催化转换器的严格要求。这种技术使得能够达到对于nox和co的所有现有的、甚至相当严格的限制值，但是为一种较为昂贵的方案。

作为对上文的总结可以说明，氮氧化物的排放不能通过热燃烧和与其相关联的烟道气脱除方法被有效地减少至低于约10mg/m³的水平而设备效率没有显著退化或者投资和运行成本没有剧烈增加。

作为该问题的解决方案，一些专利申请已经提出了一种划分成两个或更多个阶段的催化燃烧，其将使反应温度能够维持的足够低，以便几乎不产生任何氮氧化物。例如在下面的专利申请中公开了这种方案：gb2295008、us4299192、jph06288510和b2077135。可以推测，构成上述发明的基础的燃烧设施还不具有用于启动生产的技术或商业条件，因为所有的上述申请都相当旧，与它们的描述一致的产品显然在市场上还未曾获得。在这些申请中的任一个均不存在关于由此已经达到的或可以达到的何种排放的详细描述。

这些现有技术中已知的采用包括以两个或更多个阶段进行的催化燃烧的催化转换器技术的燃烧设备，首先具有以下问题：用于存在于催化转换器中的涂覆技术不是足够耐热的，并且它也不能使产品的开发在其价格方面具有竞争性。

此外，在所讨论的专利文件中描述的催化剂都过大并且包含太多贵金属。在所讨论的专利文件中描述的用于燃烧设施中的直通道催化剂的单体(单元，cell)不能长久承受高温，尤其是在不均匀温度分布的情况下。

在上文讨论的催化燃烧设施中的另外一个核心问题可能是将空气/燃料混合物供给到催化剂中的不一致性，这可能引起局部过热事件以及催化剂的毁坏。这是设备中最高的运行风险，因为运行相继地在接近催化剂的最大运行温度处发生，并且因为催化剂在其截面面积方面可能是大的。因此，流可能容易变得通道化。

作为上文的总结，可以推断出用现有技术中已知的催化燃烧设施均没有可能经济地产生几乎无排放(nox、voc和co)的热能。

在另一方面，具体是在能量产生中生成的排出气体的co2可以被利用于几种服务中，一种是在温室的二氧化碳施肥中使用二氧化碳，通过首先液化或者从用于能量产生的燃烧设备直接递送到使用的位置。二氧化碳施肥是蔬菜成长中最有益的。芬兰在蔬菜农场具有990个温室，并且其中约330个采用液态或气体二氧化碳用于施肥，共计约5百万千克/年。

在需要二氧化碳的服务中使用二氧化碳将同时大幅促进有害温室效应的减轻。

为了使在能量产生中生成的排出气体的二氧化碳能够被用于温室中以用于co2施肥，要求排出气体中的nox、voc和co的水平非常低。植物对于氮氧化物(nox)、硫氧化物(sox)、硫化氢(h2s)、乙烯(c2h4)和co(参见下表)要比人敏感约100倍。

技术实现要素：

以上文现有技术作为出发点，首先本发明的一个目的是提供一种方法和在该方法中使用的燃烧装备(设备，apparatus)，其中，能量可以以高的效率和极低排放产生，而不需要使用热燃烧已知的相对复杂的燃烧装置(arrangement)，或者不必用单独的催化剂清洗烟道气。

其次，本发明的目的是提供一种方法和在该方法中使用的燃烧装备，其中，能量可以以如此低的排放产生，使得排出气体的co2可以被用于需要它的服务中，尤其是用于温室中的二氧化碳施肥。

本发明的又一目的是提供一种催化燃烧方法以及在其中可用的燃烧设备，其中，采用了一种划分成两个或更多个阶段的催化燃烧，然而没有那些上述现有已知技术中存在的且与催化剂的耐热性相关联的以及阻止这种燃烧技术的商业化的严重的缺点。本发明引入了特别是针对在上述现有技术中出现的主要缺点的方案。

本发明使得能够达到上述目的。相应地，根据本发明的催化燃烧装备使之可能实际地产生无排放(nox、voc和co)的热能。存在以如此低排放水平产生热能的能力，以使得排出气体满足紧缩的未来排放标准。因此，生成的排出气体co2可以被利用于需要它的服务中，诸如在工业中作为保护气体或在用于增加作物产量的温室的施肥中。

然而对于这些的先决条件是要使用清洁燃料，这要求该燃料不可以包含硫、氮、卤素、硅、重金属等杂质。可采用的燃料包括气态或液态清洁燃料，诸如天然气和液化气、低硫轻油、醇类、生物气和生物液体等。本文中，清洁燃料的含义是该燃料不包含包括重金属、硅、卤素、硫和氮的有机或无机化合物。换言之，如果燃料不包含氮化合物，就不存在氮的氧化物的生成，等等。

因此，本发明涉及用于在催化燃烧设备中产生极低排放的气体混合物的方法。

更具体地，该方法涉及产生极低排放的气体混合物，并且涉及在催化燃烧设备(cab)中热的回收，该催化燃烧设备包括在空气(air)的流动方向上相继(依次)定位的多个催化转换器，并且每个催化转换器均设置有在催化燃烧中生成的热的回收。该方法包括：

通过以下来制备气体混合物(exc)，该气体混合物的平均nox、co和voc含量在燃烧设备正在运行期间不高于1ppm：

-将用于燃烧具体燃料量(fu)所需的总空气量(air)的第一、一次空气(量)(air1)供给到在空气流动方向上燃烧设备(cab)的第一催化转换器(ca1)，以使得一次空气(air1)从第一催化转换器(ca1)作为二次空气(air2)前进到至少一个其他催化转换器(ca2、ca3、ca4)，一次空气量是所述总空气量(air)的至少90％，

-将在催化燃烧方法中所需的燃料(fu)以至少两批次(fu；fu1、fu2、fu3、fu4)供给到在空气流动方向上相继的两个催化转换器(ca；ca1、ca2、ca3、ca4)中，

-在至少两个催化转换器(ca；ca1、ca2、ca3、ca4)中燃烧燃料批次(fu1、fu2、fu3、fu4)，该至少两个催化转换器在空气流动方向上相继并且为混合催化转换器，其中，由于空气/燃料混合物的流速增加，空气/燃料混合物的湍动(turbulency)通过所述一次空气(air1)在催化转换器内被增强，

-在至少一个热交换器(ht；ht1、ht2、ht3)中降低在空气流动方向上相继的至少两个催化转换器(ca；ca1、ca2、ca3、ca4)中生成的气体(exg)的温度，所述热交换器(ht；ht1、ht2、ht3)定位于在空气流动方向上的下一个催化转换器(ca；ca1、ca2、ca3、ca4)的上游，以及

-用于空气/燃料混合物的静态混合器(mix)和/或蜂窝状结构预混合器将待供给到在空气流动方向上的相继催化转换器(ca；ca1、ca2、ca3、ca4)中的一次空气或二次空气以及燃料批次(fu；fu1、fu2、fu3、fu4)引导到所述相继的催化转换器中；

在不高于1100℃的温度下，最优选地在850℃至1000℃的范围内使燃烧方法中的燃料(fu)燃烧，在所述燃烧设备中总体燃料燃烧速率为0.005s至0.05s；从而

用催化转换器获得的气体混合物(exg)的组成在燃烧设备正在运行期间在空气流动方向上的最终一个催化转换器/多个催化转换器(ca4)的下游维持不变。

优选地，该方法包括以下步骤：从燃烧设备的烟道中回收气体混合物(exg)，并且将该气体混合物本身引导至使用位置以用于加热所述使用位置和/或用于在所述使用位置中诸如在温室中利用二氧化碳。相应地，根据本发明的燃烧装备因此设置有用于回收包含二氧化碳(co2)的排出气体(exc)的装置，或者用于将该排出气体直接引导至诸如温室的使用位置的装置。

本发明还涉及在该方法中使用的燃烧设备。该燃烧设备包括用于以两个或更多个批次将燃料供给到燃烧设备中的燃料供给装置，用于以一个或多个批次将燃烧所需的空气供给到所述燃烧设备中的空气供给装置，相继地存在于空气(air)的流动方向上的多个催化转换器，每个催化转换器均设置有用于在催化燃烧中生成的热的回收单元，以及设置有用于将排出气体(exc)从每个催化转换器中移除的装置。为了在燃烧设备中生成其nox、co和voc含量均不高于1ppm、且燃烧在0.005s至0.05s的时间范围内进行的排出气体混合物(exc)，因此位于一次空气流动方向上至少一个催化转换器的上游还存在用于空气/燃料混合物的至少一个静态混合器和/或蜂窝状结构预混合器，使得一次空气或二次空气以及燃料批次可以在它们到达所述至少一个催化转换器之前先经过所述混合器和/或预混合器；

-热回收单元包括至少两个热交换器(ht1、ht2、ht3)，该两个热交换器与空气流动方向上的下一个催化转换器的上游的每个催化转换器关联地定位，所述热交换器被设计成使得提供降低在空气流动方向上相继的至少两个催化转换器中生成的排出气体(exg)的温度的能力；

-空气供给装置由此使得第一、一次空气(量)(air1)能够被供给到空气流动方向上燃烧设备(cab)的第一催化转换器(ca1)中，以使得一次空气(air1)从第一催化转换器(ca1)作为二次空气(air2)前进到至少一个其他催化转换器，该第一、一次空气(量)为燃烧具体燃料量(fu)所需的总空气量(air)的一部分，并且为所述总空气量(air)的至少90％，

-燃料供给装置，由此在催化燃烧方法中所需的燃料(fu)可以以至少两个批次被供给都在空气流动方向上相继的两个催化转换器中，

-每个催化转换器均为混合催化转换器，其中，因为空气/燃料混合物的流动速率增加，其在催化转换器内的湍动增强，从而可能的是，在空气流动方向上相继的至少两个催化转换器中，燃料批次通过所述一次空气燃烧，

-用于将排出气体从催化转换器中移除的装置包括烟道气排出通道，该烟道气排出通道设置成与每个催化转换器连接，并且优选地连接至热回收单元。

该空气供给装置在本文中是指用于加压空气旨在燃料燃烧的、并且用于将空气引导至催化转换器的传统设备和装置本身。这样的装置包括例如风机(airfan)和从风机延伸至催化转换器的空气导管，以及用于各种空气导管的空气分配装置。

烟道气排出通道是指烟道气排出导管，该烟道气排出导管与热交换器集成并且开放到一次空气流动方向上的下一个催化转换器上。然而在一次空气流动方向的最终催化转换器的下游，排出通道是指与热交换器接合的烟道气排出导管，或者指烟囱等，通过该排出通道在燃烧设备中生成的排出气体从燃烧设备的最终段移除。

用于燃料诸如天然气的供给装置，在本文中包括本身在燃烧器技术中已知的设备，该设备用于建立用于燃料的供给压力和用于通过通向所讨论的催化转换器的燃料通道(尤其是管道系统)将燃料以理想比分配至催化转换器。燃料供给压力通过泵或风扇便利地建立。

燃烧设备的正在运行是指除了燃烧的开始和结束的燃烧设备运行。

目前构思的本发明首先是基于将催化燃烧划分成两个或更多个阶段(级，stage)，但是所应用的燃烧技术和方法是基于新型的方案，该方案使得能够避免现有技术中出现的涉及催化转换器耐温和过热的问题。

其次，本发明是基于首次提供使用催化燃烧以产生烟道气的能力，该烟道气可以本身被例如用于加热或二氧化碳施肥。在从催化燃烧离开的排出气体eg中氮氧化物(nox)的含量少于1ppm。根据本发明的一个目的，通过烟道等从催化燃烧离开的排出气体exg中一氧化碳(co)的含量少于1ppm。根据本发明的一个目的，在从催化燃烧离开的排出气体exg中的挥发性烃类(voc)的含量少于1ppm。

在用于本发明的燃烧设备的燃烧技术中，中心作用由具有静态内部结构的混合催化转换器占据，用于提供具有极低排放水平的有吸引力的成本(烟道)气体混合物。

在本公开内容中，混合催化转换器是指如下的催化转换器：其具有静态混合器结构，并且以增加空气/燃料混合物的流动速率导致增强的湍动这样一种方式在整个混合催化转换器中的每个地方都保持平均湍动空气流。这已经优选地通过用非常热稳定和催化活性的涂层涂覆静态混合器来执行(通过在催化转换器中设置混合催化剂单体(单元，cell))。

在本发明的一个优选实施方案中，混合催化转换器为配备混合催化剂的金属单体(单元)，其主体为由钢箔片(foilsheet)制成的静态混合器，并且涂覆有催化活性涂层。

在本发明的另一优选实施方案中，催化转换器设置有新型的涂层，该涂层是高度热稳定的和催化活性的。在这种情况下，催化剂或催化区涂覆有由基础金属(basemetal)的混合氧化物和由贵金属诸如pd和pt)制备的涂层。贵金属可以构成基体金属的混合氧化物(在结构方面可以为钙钛矿)的一部分。

催化活性涂层由基础金属(诸如镧、锆、钨和钡)的混合氧化物制成，其中，诸如钯和铂的贵金属可以作为部分包括在内或者可以单独地附加。混合氧化物在其结构方面可以为钙钛矿。

这种方式获得的优点是能够阻止贵金属在高温下的移动，并且避免了贵金属分散度或活性贵金属表面积的减少，即，防止催化转换器的活性的降低。这种设置有催化活性涂层的催化转换器具有多于10年的预期使用寿命。

根据本发明的一个目的，在每个催化燃烧阶段中的温度均维持在少于1100℃，最优选的在850℃至1000℃。在催化氧化中，反应速率在两个阶段中加速。在具有约350℃的温度的第一阶段处，动力学控制的反应在质量传递方面变得受限制。在具有约850℃的温度的第二阶段处，反应开始在催化转换器的表面上发生。在这个温度之上，混合催化转换器的重要性实质上保持增加。在反应物和催化转换器的表面之间的接触甚至可以存在几十倍的增加。

一个优选的具有静态结构的混合催化转换器呈现出诸如在例如美国专利申请2008113209中描述的构造。其中，催化转换器由斜波纹钢箔片构造，该斜波纹钢箔片以十字形图案的波纹堆叠或重叠在彼此的顶部。箔片可以在接头处紧固至彼此，例如通过电阻焊或钎焊。通过彼此交叉的单体的每个层创建的流通道以较高的流动速率在流中生成搅动和湍动。

在直通道化的单体中，流是层流。于是，在流动速率为3m/s至4m/s的情况下，代表质量传递的无量纲的努赛尔(nu)数为2-3。当流动速率增加时，直通道的nu数极缓慢地增加。只要流动速率保持低，混合蜂窝状或单体结构还没有提供任何帮助，但是当流动速率增加时，nu数以指数方式增长，其方式为：在10m/s的流动速率下，nu数为8-12，并且在20m/s的速率下，nu数为50-100，这取决于交叉角度。这使得能够大大减小催化转换器的尺寸和贵金属的量，降低成本并且增强燃烧以及效率。

催化转换器的孔密度可以为20-80孔隙/cm²(优选地为30-60)，并且催化转换器的长度可以为25mm至153mm(优选地为50mm至120mm)。随着催化转换器的孔隙数增加，单体的长度可以减少。在催化转换器中使用的箔片可以为铁素体1.4767或具有等同耐温(长期1200℃)的材料。催化转换器的交叉通道之间的角度可以为25度至50度。催化转换器的结构类似于专利申请us2008113209中的结构。在公开了关于这种蜂窝状或单体结构的研究sae2002-01-0357中，还发现在其机械耐久性方面相对于其他自动单体(automotivecell)更加优异。

关于催化燃烧设施的燃烧技术的第二重要的改善是在本发明中使用的并且位于在一次空气流的进入方向上的至少一个催化转换器的上游的至少一个静态混合器。

关于催化燃烧设施的燃烧技术的第三个重要的改善是在本发明中使用的并且位于在一次空气流的进入方向上的至少一个催化转换器的上游的用于空气/燃料混合物的至少一个预混合器。预混合器通常被定位在一次空气流动方向上的混合器的上游。一次空气(air1)和燃料(pa)在用于燃料-空气混合物并且位于空气流动方向的第一催化转换器(ca；ca1)的上游的蜂窝状结构预混合器(5)中彼此混合，空气和燃料的流动速率在其中增加。

该静态混合器用于确定空气/燃料混合物在催化转换器中是待燃烧的均质(混合物)，并且同时有助于燃烧装备的小尺寸，因为燃烧速率相对于热燃烧是几十倍，不再有提供具有燃料混合区域的燃烧装备的需要。

位于催化转换器上游的静态混合器优选地包括以十字形图案堆叠并且优选地设置有斜线(oblique)，例如正弦形状的波纹的钢片(steelsheet)的单体，其中，斜波纹片的峰朝向相反方向，以便制成交叉的流通道，从而引起气体中的搅动和湍动。

根据本发明的一个目的，每个催化转换器的上游定位有可能由几个部件构造的静态混合器。混合器可以由斜波纹钢带构造，其中波纹以与催化单体中相同的方式交叉地延伸至彼此。由单体的每层提供的流通道彼此交叉，从而引起在流中以较高的流动速率搅动和湍动。混合器的孔隙尺寸比催化转换器中的孔隙尺寸大几十倍。

静态混合器单体可以具有0.2-2个孔隙/cm²的孔密度，以及50mm至150mm(优选为70mm至100mm)的长度。在单体中使用的钢带可以为具有0.2mm至0.6mm厚度的铁素体例如1.4509或1.4512。混合器的交叉通道之间的角度可以为30度至60度。

在矩形形状的混合器中，优选地采用相继的两个单体，使得一个在水平方向混合和均质流，而另一个在垂直方向混合和均质流。

根据本发明的一个目的，最后一个催化转换器可以比其他的催化转换器大，以用于确保清洁燃烧。根据燃料和孔隙密度，最前面的催化转换器可以使其转化在80.0001/h至700.0001/h的范围内变化。在最后一个催化转换器中，范围可以是60.0001/h至350.0001/h。

与在催化转换器的上游存在的静态混合器以及催化转换器的静态混合器结构(设置有催化活性涂层的催化剂)联结，可能确保均质的空气/燃料混合物以及在其燃烧中产生的恒定运行温度，这阻止了催化转换器中任何地方的局部过热事件，并且因此保护了催化转换器长的使用寿命。

这种方式在以下意义上获得了重要的益处：通过本发明的催化燃烧装备，燃烧可以通过使用高温连续地执行，其与现有已知方案相反。另外，在本文开发的催化燃烧方法中，可以阻止催化转换器的局部过热。

另外，在本发明的燃烧设备中使用的混合催化转换器结构使催化转换器能够减少尺寸，并且因此使整个燃烧设备能够减少尺寸。

因为根据本发明的催化燃烧设备提供了产生高纯度烟道气混合物的能力，因此所述气体混合物(exc)具有不大于1ppm的nox、co和voc含量。这使催化燃烧装备能够在其热效率和整个效率方面升级。

因此，在本发明的一个优选实施方案中，催化燃烧的效率至少为99.9％，该效率被计算为在燃料中包含的能量到热能的转换。这通过借助与催化转换器连接存在的热交换器回收在催化转换器中生成的燃烧气体(烟道气)的能量以及通过用从燃烧设备待引导至使用位置的(烟道)气体混合物来加热使用位置而实施。相应的燃烧设备设置有用于将生物燃料供给到所述燃烧设备中的装置，并且设置有用于将烟道气直接引导至使用位置尤其是引导到温室中的装置，用于用热能加热使用位置，并且用于用烟道气的co2加热使用位置，由此所采用的生物燃料提供作为负的(negative)碳足迹。

在燃烧设备的整个效率已经上升到约98％的情况下，燃烧设备设置有用于通过在燃烧产生的烟道气(exc)中生成的水蒸气的冷凝移除水蒸气的装置，并且在该冷凝装置的下游设置有用于将烟道气供给到温室中以用于增加温室空气的co2含量的供给装置。

通过冷凝的水蒸气移除装置包括例如冷凝式热交换器。

将烟道气供给到温室中的供给装置包括适于气体的传输和递送的管道系统，以及用于增加流压力的可能的风扇。

通过将燃料的递送划分成两个至四个阶段，可以催化地氧化化学计量的燃料/空气混合物。该原理能够实现催化氧化装备的构建，该催化氧化装备根本不产生氮氧化物(nox)，并且一氧化碳(co)和碳氢化合物(ch)排放也都极低(<1ppm)。

本发明还基于以下事实：当燃烧被分阶段催化地进行时，其可以通过使用用于增强的燃烧的新型的混合催化转换器被一直维持在爆炸下限(lel)之下。

上述催化燃烧方法的另一个重大的益处在于因此使催化燃烧设备的物理尺寸可以大大小于具有热燃烧的可比较的对应的低排放设备的物理尺寸，起因于在燃烧设备的催化转换器中的总燃烧速率，所述燃烧速率比热燃烧高约20-50倍并且在0.005s至0.05s的范围内。

在另一方面，本发明的一个优选实施方案是基于以下列方式用多个相继的催化转换器进行燃料的氧化，使得在氧化中所需的几乎所有或者所有的空气前进通过所有催化转换器，但是待氧化的燃料通过一个混合器/多个混合器单独地被注入到每个催化转换器中，在每个催化转换器中，不再有温度长期上升到多于1000℃。在本发明的优选实施方案中，在催化转换器之间插入的优选为热交换器，在该热交换器中气体通过液态或气态媒介冷却至150℃至350℃。在每个催化转换器之前递送待氧化的燃料，在每个催化转化器中燃料氧化以再次增加温度不高于约1000℃(也可以参见操作图1至5)。

在本发明的优选实施方案中，由催化燃烧设备产生的能量用逐步进行的燃料供给微调。主要性能的更改是通过改变供给空气的量进行的，例如通过调整风扇的旋转速度。燃料的供给根据在催化转换器之后测量的温度控制。

在本发明的一个优选实施方案中，热交换器为回热式热交换器。回热式热交换器可以用于加热各种气态和液态试剂。在这种情况下，设备是例如可用于供暖建筑物或工业工艺中的热水、蒸汽、热空气等的锅炉。

在本发明的一个优选实施方案中，催化转换器之后是温度传感器，在这种情况下控制燃料供给的风险可以用在催化转换器下游的这种温度传感器被最小化。

在另一方面，本身可以被利用例如用于加热或者二氧化碳施肥的所述烟道气的产生带来了还未实现的多种益处。可以用本发明的催化燃烧装备以及用清洁燃料产生根据本发明的极低排放烟道气；只要烟道气不包含氮的化合物，就没有生成氮的氧化物。因此，仅有的有害排放(co2)可以例如在植物的施肥中、作为保护气体、作为工业原材料等被充分利用。

因为催化燃烧设备的燃烧气体可以以非纯净形式用于温室的co2施肥，实现了在流出的燃烧气体中包含的热能也将被利用的益处，从而燃烧设备的锅炉的热效率上升至几乎100％。

通过本发明的燃烧装备获得的高纯度的烟道气使之可能既满足了温室的能量需求又满足了co2施肥，这可以将蔬菜的生长增强约40％，并且减少温室的加热中对于额外能量的需求。对于生产靠近利用点的蔬菜增加的需求和增加的蔬菜利用使温室生产的增长成必然。

在本发明的优选实施方案中，催化燃烧装备可以用各种燃料供给其催化转换器。所供给的燃料fu可以是气态和/或液态的。根据本发明的一个目的，所供给的燃料fu选自由天然气、生物气、液化气、轻燃料油、醇类和一氧化碳组成的组。其还可以包括其他可燃的气体和液体。

根据本发明的一个目的，燃料在至少三个相继的阶段中被供给到催化燃烧设备cab中，并且该分阶段供给的燃料通过递送到催化燃烧设备cab的初始段(section)cas中的一次空气在至少三个相继的催化燃烧阶段中燃烧。相应地，在一次空气流动方向上相继的至少两个催化转换器中以及在相应的催化燃烧阶段中在催化转换器中发生所得气体exg的温度在至少两个热交换器中降低，所述热交换器位于下一个相继的催化转换器的上游。

根据本发明的一个目的，燃料以至少四个相继批次被供给到催化燃烧设备中，并且分阶段供给的燃料通过递送到第一催化转换器和催化燃烧设备的初始段的一次空气以分阶段的方式在至少四个相继的催化转换器中燃烧。相应地，在至少两个相继的催化燃烧阶段中生成的烟道气exg的温度在至少三个热传递阶段中降低，所述热传递阶段位于下一个相继的催化转换器的上游并且相应的催化燃烧阶段发生在催化转换器中。

根据本发明的一个目的，关于催化燃烧所需的空气的总量，不多于其10％作为二次空气在第一催化转换器的下游被递送到催化燃烧设备的一个第二催化转换器/多个第二催化转换器中。通过这种方式燃烧和/或其效率被进一步增强。

根据本发明的一个目的，在燃烧中生成的烟道气exg的温度在燃烧设备cab的最终段cal的催化转换器中发生的催化燃烧阶段之后在至少一个后热传递阶段ht4中降低。根据本发明的一个目的，在每个催化转换器中发生的燃烧中生成的气体exg在热传递阶段和/或在后热传递阶段中被冷却至150℃至350℃的温度。

根据本发明的一个目的，在催化燃烧中生成的烟道气中包含的热能在至少一个热传递阶段和/或后传递阶段中回收，并且热能被传递到水、空气或其他液态或气态的媒介中。

根据本发明的一个目的，在催化转换器中发生的催化燃烧阶段中的燃料/空气比在lel(爆炸下限)之下。根据本发明的一个目的，在催化燃烧阶段中的燃料/空气比是lel(爆炸下限)。

在本公开内容中，在催化燃烧cab中所需要的空气是指用于所采用的燃料的完全燃烧所消耗的空气的量。其还包括用于确保完全燃烧所需的可能的空气过量。该空气过量可以作为一次空气单独引入或者作为一次空气以及二次空气引入。

段和阶段的顺序已经关于一次空气air1的流动方向进行了报告。

除非另外说明，否则所采用的平均值为24h平均值。

在热燃烧中使用的化学计量的气体混合物几乎在单个阶段中被催化地氧化的情况下，根据模型，温度将会因为20-50倍的更高的燃烧速率上升至约2500℃。利用根据本构想发明的装备，温度可以通过将氧化划分成几个阶段而维持在少于1000℃的温度。通过更高的燃烧速率，装备的尺寸比在第1页早前描述的极低排放参照设备小一个数量级。

可以通过使用二次空气以高精度控制和管理催化燃烧，二次空气用于帮助，还有助于极高的燃烧效率，该燃烧效率实际上为100％。

考虑到实现上述目的，本发明通过独立权利要求中呈现的特征来表征。其他权利要求公开了本发明的几个优选实施方案。

在运行图1中描述的原理可以应用于构建一种还与再生热交换器一起工作的空气加热器。

本发明的燃烧设备具有10kw-100mw的性能范围。

附图说明

在图1至图6中描述了本发明的几个应用：

图1a示出了设置有一次空气供给和二次空气供给以及管道热交换器的2阶段催化燃烧装备。

图1b示出了设置有一次空气供给和二次空气供给以及管道热交换器的3阶段催化燃烧装备。

图1c示出了设置有一次空气供给和二次空气供给以及管道热交换器的4阶段催化燃烧装备。

图2和图3示出了设置有用于一次空气和二次空气以及用于燃料供给的静态混合器、催化转换器以及管道热交换器或翅片管热交换器的3阶段催化燃烧装备。

图4示出了使其热和烟道气在温室中利用的3阶段催化燃烧装备。

图5示出了设置有3阶段燃料供给的燃烧设备的运行图。

图6示出了能够安装在燃烧设备中的在空气进入方向上的每个催化转换器的上游的蜂窝状结构的燃料与空气的混合器。

具体实施方式

根据图1a至图1c以及图2至图3的催化燃烧设备cab设置有用于一次空气air1的供给装置，该供给装置用于将催化燃烧中所需要的空气的90％作为一次空气air1引入到催化燃烧设备cab的初始段cas中，该初始段位于一次空气流动方向上第一混合催化转换器ca的上游。一次空气供给装置包括风扇以及延伸至燃烧设备的初始段cas的空气导管。

所述燃烧设备cab还设置有燃料供给装置，该燃料供给装置用于将在一次空气流动方向上相继的2至4个燃料批次fu1、fu2、fu3、fu4引入到催化燃烧设备cab中；并且设置有2至4个相继的催化转换器ca1、ca2、ca3、ca4，以用于通过递送至(催化)燃烧设备cab的初始段cas中的一次空气air1以分阶段方式催化地燃烧分阶段递送的燃料fu1、fu2、fu3、fu4。

所述燃烧设备还设置有用于在催化燃烧中生成的热的回收组件。热回收组件包括热交换器ht，该热交换器具有用于降低在至少一个相继催化燃烧阶段中生成的气体exg的温度的1-3个热传递部件ht1、ht2、ht3，并且所述热传递部件ht1、ht2、ht3位于下一个相继的催化燃烧阶段的催化转换器ca1、ca2、ca3、ca4的上游。

在催化燃烧中生成的气体exg的移除exh从燃烧设备cab的最终段cal中通过烟道等(未在图中示出)发生。催化燃烧设备cab在其最终段cal设置有一个后热传递部件ht4以用于在催化燃烧阶段ca1、ca2、ca3、ca4之后降低在燃烧中生成的气体exg的温度。冷水w冷被引导通过燃烧设备以用于产生热水w热和/或温水w温。

根据图1a至图1c以及图2至图3，催化燃烧设备还设置有二次空气供给air2，并且根据图2至图3，燃烧设备在每个催化转换器ca1、ca2、ca3、ca4的上游另外设置有至少一个静态混合器mix。

图4示出了图2的催化燃烧装备，在其燃烧中生成的气体exg和包含的co2以及热水在温室green中被利用。

图5中的生产流程图包括将燃料fu；fu1、fu2、fu3以在一次空气流动方向上相继的三阶段供给到催化燃烧设备cab中，并且通过递送到催化燃烧设备cab的初始段cas中的一次空气air1在三个相继的催化转换器ca1、ca2、ca3中以分阶段方式燃烧分阶段递送的燃料fu：fu1、fu2、fu3；降低在两个热传递阶段ht1、ht2的至少一个相继的催化燃烧阶段ca1、ca2、ca3中生成的气体exg的温度，所述热传递阶段ht1、ht2位于下一个相继的催化燃烧阶段ca1、ca2、ca3、ca4的上游；从燃烧设备cab的最终段cal移除燃烧生成的气体exg。催化燃烧设备cab在其最终段cal设置有至少一个后热传递部件ht4以用于在与催化转换器ca1、ca2、ca3、ca4连接执行的催化燃烧阶段之后降低燃烧生成的气体exg的温度。冷水w冷已经被引导通过燃烧设备以用于产生热水w热和/或温水w温。催化燃烧设备还设置有二次空气供给air2。

在本发明的装备中，运行的热交换器ht可以是各种回热式热交换器(recuperativeheatexchanger)或再生式热交换器(蓄热式热交换器，regenerativeheatexchanger)，其可以由普通的锅炉或诸如1.4512和1.4509的铁素体不锈钢级(stainlessferriticsteelgrade)构建成。锅炉主体可以通过管型回热式热交换器建立，特别是当待加热的媒介是液体时。这种实施方式可以通过两种不同的原理来执行。根据对流原理，水在管内行进，而从催化转换器释放的燃烧气体在管外行进几次(图1a至图1c)。采用直径小的管是可取的，因为这样管于是具有相对于截面面积较大的外表面积，因此从气体到钢的热传递系数即使在其最高时也仅是相对于从钢到水的系数的约十分之一。

可以通过以燃烧气体发展成湍流的这样一种方式将管设置在交换器中来增强热传递。另外，不仅可以通过流偏转壁(flowdeflectingwall)也可以通过单独的钢分区(钢隔区，steelpartition)来增强热传递，该单独的钢分区通过用足够的力从内部扩张管而被夹紧至管以提供紧绷的金属接触表面。分区必须具有足够的厚度(1.5mm至2mm)，使得在其内部发生的从气体到钢管的热传递是有效的。还可以使用翅片管，特别是在图2和图3中描述的组件中，用于增强从气体到金属的热传递。

用气密分区将流优选划分成二至四个部分，在该二至四个部分的每个中气体通过一组管道来回地行进一次。在每个部分之前，气体先前进穿过催化转换器。通过用燃烧器或电阻将催化转换器加热至约500℃至700℃的温度来激活设备。每个催化转换器的上游放置有燃料注入单元以及静态混合器。以下是可行的：在催化转换器之前将燃料尽可能平稳地传递至热气流，以使得在催化转换器之前液态燃料有时间蒸发并且在静态混合器中变得均匀地混合。

催化转换器ca1、ca2、ca3、ca4的下游设置有用于控制燃烧设备运行的至少一个温度传感器。随着功率需求的增加，温度趋向于下降，从而例如通过用变频器增加风扇的转动速度来推进空气流。基于温度信息，以使得温度保持在设置限制范围内的这样一种方式增加燃料供给。随着功率需求的下降，通过温度控制减少空气的供给并且燃料的供给也是如此。

最终催化转换器可以具有比最前面的催化转化器少的处理量(转换量，turnover)，其中，根据燃料的类型，处理量可以在80.0001/h至70.0001/h的范围内变化。在最终转换器中，为了实现零水平排放，处理量应该在60.0001/h至350.0001/h。

装备可以具有从小到极大变化的容量(capacity)，例如10kw至100mw。

下文包括上文描述的锅炉的两种实施例，这两种实施例中作出设计和模型计算以及简图1和简图3。

实施例1一种基于模块结构的设计方案和其主要尺寸以及技术设计值如下：

-燃料是天然气。

-用天然气的锅炉性能是50mw。天然气的用量以优选40％、30％和30％的分阶段方式划分。通过少量过量空气优选地为1-3％过量确保完全燃烧。

-催化转换器如下：

·在一次空气供给方向上的第一催化转换器和第二催化转换器测量为2600×2600×75mm(w×h×l)，并且具有507dm³的体积、108.5221/h的转化、200cpsi的孔密度以及40g/ft3pd的负载。

·第三催化转换器其他方面都相同，但是存在2个这种转换器、总容积1014dm³以及54,2611/h的转化。

·第一催化转换器注入燃料总量的40％，从而气体温度从+20℃上升至约850℃，同时在热交换器中冷却至约250℃。

·第二催化转换器和第三催化转换器接收燃料的30％，从而温度上升至约900℃。

-已经基于在热交换器中湍动的流，用热传递系数100w/m2°k进行了计算。

-管道为d40/46mm，所有的管道一起约有400m，材料1.4512。

-外部锅炉尺寸将会是3000×3000×9000mm(w×h×l)。

-压力降是约5000pa。

在本文图1a至图1c中描述的在锅炉中所利用的是传统的管式热交换器，其中，如图1a至图1c中示出的，水(液体)在管道中行进，并且加热的气体来回地行进通过催化转换器和管状蜂窝。

第二种实施例以尺寸简图显示在图3中。这种锅炉用天然气的热性能为约5mw。燃烧设备由三个燃烧元件和三个热交换元件装配。每个燃烧元件均设置有燃料注入管道和用于空气/燃料混合物的两个静态混合器，该两个静态混合器的第一个用于在水平方向混合穿过混合器的流体流(空气+燃料)，而第二个用于在垂直方向混合相同流体流。每个燃烧元件还设置有如专利us2008113209中描述的混合催化转换器，并且在该混合催化转换器的下游设置有用于控制燃料供给的温度传感器。

热交换器由焊接的翅片管制造，用于在第一阶段和第二阶段之后将燃烧气体冷却至约150℃至350℃的冷却水在该翅片管中行进。第三阶段包括两个相同的热交换器，通过该两个相同的热交换器气体温度被降低至约120℃。

每个元件均设置有用于待加热液体的入口管道和出口管道。管道通常为串联连接的，使得冷水从锅炉的后端流动至其前端，图2。管道还可以并联连接，因此导致三个不同的水加热回路，图3。

图3的燃烧设备可以由具有凸缘接头(flangejoint)的模块装配。外表面采用了隔热。

燃烧装备具有如下设计：

-第一催化转换器和第二催化转换器的尺寸为700×700×75mm(h×w×l)，容积为36,8dm³，转化为136.000l/h，孔密度为200cpsi，负载为40g/ft3pd。

-第三催化转换器测量为2×(700×700×75)mm，并且具有15,0dm³的容积和68.000l/h的转化。等于第一单体和第二单体。

-热交换器测量为700×700×500mm。在最后一个单体的下游存在有2个这种热交换器。热交换器由d30/36mm的焊接的翅片管制造。

-热交换器性能已经用额定100w/m2°k进行了计算。

-压力降是约5000pa，并且温度与之前实施例中的相同。

如果期望用一些其他燃料运行所述燃烧组件，其用于单独阶段的供给分配必须最佳化，以便最佳化锅炉的热传递性能。用于天然气的热值为约50mj/kg，用于轻燃料油的热值为42,7mj/kg，用于液化气的热值为46,4mj/kg，用于一氧化碳气体的热值为10mj/kg以及用于乙醇的热值为29mj/kg。

锅炉的燃烧气体排放可以用λ、nox、sox、voc以及co传感器和分析器进行监测。

作为上文的总结，可以推断，用热燃烧和与其相关联的烟道气脱除方法不可能产生完全无nox的热能。高温和相对长的热燃烧持续时间总是会产生一些在后期不能完全移除的nox。这就是限制碳和氢的总的热氧化的原因。没有nox形成的碳和氢的工业完全氧化仅可以用在较低温度下运行的本发明的催化燃烧装备并且通过氧化清洁燃料，诸如天然气、生物气、生物乙醇等来实现。在这种情况下，工艺除了生成可以在例如植物的施肥中利用的二氧化碳(co2)外不会生成有害排放。

在燃烧设备cab中产生的所有烟道气exg，即通过燃烧生成的烟气可以从燃烧设备的烟囱等通过管道系统直接引导进入温室，其中，该烟道气通过分配歧管(distributionmanifold)分配以用于被植物利用(图4)。由于过多水分可能阻碍生长，在将燃烧气体引导入温室中之前，包含在燃烧气体中的水分可以用冷凝热交换器移除。因此，除了氧气和水蒸气的微小残留物，燃烧气体几乎完全由二氧化碳和氮气组成。

当装备用于燃烧生物燃料时，温室能量产生的碳足迹将是阴性的(负的)。

图6示出了优选的预混合器5，该预混合器在本发明的燃烧设备中是有用的并且位于在一次空气air1的流动方向上为第一催化转换器ca的上游。一次空气air1和待递送到催化转换器ca中的燃料pa在两阶段的燃料供给模块50中混合。如上文描述的，燃料供给模块50首先在空气流动方向上的一个位置设置有用于空气-燃料混合物的预混合器5，并且在其下游靠近于催化转换器ca设置有如以上已描述的静态混合器mix。预混合器5具有蜂窝状结构，并且空气和燃料的相对流动在其中被加速以用于将空气和燃料彼此彻底地混合。然后，与其同时发生空气分布(profile)的均质化以及燃料与空气的混合。预混合器单体5的运行原理基于使空气注入air1和燃料注入pa在预混合蜂窝状结构中彼此以一定角度优选地以90度角度碰到。提高燃料pa到蜂窝状结构预混合器5的注入率以用于增强在预混合蜂窝状结构5中以及之后在一次空气air1的流动方向上的湍动，并且用于确保所得的空气-气体混合物的混合。预混合蜂窝状结构5以相反于现有技术中已知的燃料-空气混合物的混合室来运行，因为后者的运行是基于减少燃料和空气的速率并且增加其在混合室中的停留时间。