用于调节工业燃烧器中的燃料和空气的供应量的比例的装置和燃烧器自动控制机构的制作方法

本发明涉及在权利要求1的前序部分中提到的用于调节用于气态和/或液态燃料的工业燃烧器中的燃料与空气的供应量之间的比例的装置。

本发明还涉及在权利要求27的前序部分中提到的能够用于本发明的装置或燃烧器的燃烧器自动控制机构。

背景技术：

用于气态和/或液态燃料的一种已知的工业燃烧器模型包括与风箱连接的用于燃烧头并且通向燃烧头的燃料供应管道，以及通向风箱的助燃空气供应管道。风箱与通向烟气管道的燃烧室、例如锅炉相关联。通过燃烧器自动控制机构控制燃烧器的操作，该燃烧器自动控制机构包括测量仪器，该测量仪器特别地具有测量烟气中的余氧量的λ传感器。

在另一种用于气态和/或液态燃料的已知的所谓的整体工业燃烧器中，空气通过被包含在燃烧器中的鼓风机直接供应至燃烧器的燃烧头。

当工业燃烧器被用于液态或气态燃料的燃烧时，存在以下问题，即热燃烧过程总是产生氮氧化合物(NOx)，因为在高温下(＞1000℃)，大气氮或包含在燃料中的有机氧与助燃空气或包含在燃料中的氧发生反应。温度越高并且燃烧时间越长，产生越多的NOx排放物。热燃烧过程存在的另一问题是热燃烧永远不可能彻底，即总会由于未充分燃烧而留下烟气，带有未燃烧的碳氢化合物(VOC)和一氧化碳(CO)。存在的剩余量越高，温度越低并且燃烧时间越短。

因此，由于可还原的(NOx)和可氧化的(HC和CO)反应产生的排放物在相互冲突的温度条件下产生，阻碍了它们减少。政府机构开始基于例如在美国的BAC(最好的可用控制)标准欧洲的BAT(最好的可用技术)决议制定更严格的排放法规。

降低排放量的一个可能是使用与上述燃烧器相关的、由申请人的WO申请2014/154931已知的催化后燃，这是通过将催化转化器放置在与燃烧器相关的燃烧室、例如锅炉或烟气管道中实现的。在上述专利申请的一个实施例中，燃料在燃烧器的至少一个热预燃区域中局部预燃，并且之后在至少一个后燃区域中执行预燃产生的气体的后燃，后燃区域设置有用于燃烧预燃产生的气体的催化转化器，用于还原预燃产生的NOx和/或用于氧化碳氢化合物和一氧化碳排放物。后燃在至少一个催化区中执行。在上述申请的一个实施例中，设备包括供应有液态或气态燃料的热燃烧器，并且设备还设置有用于还原在热燃烧中产生的烟气中存在的NOx并且用于氧化碳氢化合物和一氧化碳排放物的至少一个催化转化器。

如果上述燃烧器在没有来自烟气的反馈的情况下进行调整，烟气中的氧含量将大致以+/-1％改变，这对应于助燃空气量的大约10％。在非反馈系统中，余氧的3％(λ＝约1.15)实践中是燃烧器能够被调节的最低余氧水平。燃烧器的过量空气还能够通过烟气中的氧气测量的反馈被调节至更低水平。通过氧气测量，燃烧器的助燃空气或燃料通过燃烧器自动控制机构控制，从而将烟气的氧含量保持在大约2-3％。除了氧气控制，还能使用一氧化碳控制，其能够将余氧调节至更低水平，直到开始出现少量的一氧化碳。该调节能够实现使余氧水平接近1％(λ＝大约1.05)。

上述申请所述的催化后燃方法提到在热燃烧过程期间的大体的化学当量的空气-燃料比例保持一致。

本发明目前意外地发现所讨论的方法所需的化学当量燃料和空气比例实际上是无法通过在现有的自动控制机构和燃料供应方案在这样的设计中实现，在该设计中附属的烟气管道或锅炉设置有所谓的三元催化转化器。即使通过若干可以利用的燃烧器调节方法，也无法通过上述申请描述的方法实现烟气所需的足够低的余氧水平。

仅通过调节总燃料流量和总助燃空气流量的比例，由于物理的、燃烧器控制技术相关的限制以及和硬件相关的限制，难以在到达催化区之前达到所需的余氧的浓度。

另外还发现，尽管有时能够利用上述“现有技术”，例如通过调节供应至燃烧器的空气/燃料比例的传统技术获得在燃烧器的混合区中的化学当量燃料和空气比例以及随后在将烟气组分输送至催化区前获得适当的烟气组分，然而在实践中除了在非常短暂的时间段之外，不可能保持所述适当的烟气组分。

技术实现要素：

以如上所述的迄今为止仍未被意识到的问题作为起点，本发明的一个主要目的是提供一种配备有催化转化器的工业燃烧器，其适用于上述方法并且能够一致且连续地实现在燃烧器的热燃烧过程中产生的烟气中存在的氮氧化合物NOx以及未燃烧的碳氢化合物(VOC)和一氧化碳(CO)的显著降低。

本发明的第二主要目的是提供一种工业燃烧器，其具有设置有催化转化器的燃烧室或烟气管道，并且该燃烧器能够在热燃烧过程中保持化学当量空气-燃料比例。

本发明的另一重要的目的是关于一种方法，通过该方法，能够调节用于燃烧器的在燃烧器的(热)燃烧过程中的空气和燃料的量从而在到达催化区之前达到低余氧。

本申请中的术语“工业”燃烧器是指一种设备，该设备能够连接至诸如锅炉的燃烧室并且包括燃烧操作及其监测所需的所有器件。这包括燃料和空气混合器、燃料供应机构、空气供应机构，其中包括能够集成在燃烧器中的(所谓的整体燃烧器)或独立的(所谓的双体燃烧器)鼓风机。在本申请中，燃烧器包括燃烧器自动控制机构的主要部分，如燃烧过程监测和控制装置，包括用于烟气组份的测量仪器。在燃烧室之后且在烟气管道前通常存在热交换区。

工业燃烧器具有至少3MWh的额定输出。

本申请具体地涉及一种工业燃烧器，其具有燃料和空气混合区、适于向混合区供应给定的燃料输入流的燃料供应管道、和适于向混合区提供应定的助燃空气输入流的助燃空气供应机构、以及包括测量仪器的燃烧器自动控制机构。该燃烧器具有带燃烧室的混合区，该燃烧室与烟气管道中的测量仪器通信，所述燃烧室或烟气管道配备有至少两个催化区。在燃烧室之后烟气管道前是热交换区域。

词语“燃烧室”在此是指通过工业燃烧器发生燃烧的炉、燃烧室或其他限定的空间。

上述目的能够通过权利要求1的装置并通过相应的燃烧器自动控制机构实现。

更具体地，本发明涉及权利要求1的装置，其在组合中包括：

工业燃烧器，适于通过调节在燃烧器中的燃料(PA)和空气(I)的供应量之间的比例从而燃烧气态和/或液态燃料，所述燃烧器包括：

-燃料和空气混合区，

-适于向混合区供应给定的燃料输入流的燃料供应管道，

-适于向混合区供应给定的助燃空气输入流的助燃空气供应机构，

-包括测量仪器的燃烧器自动控制机构，测量仪器中包括至少一个用于测量烟气中的余氧量(烟气氧化/还原电位)的λ传感器，

-所述燃烧器具有带燃烧室的混合区，该燃烧室与烟气管道的测量仪器通信，所述燃烧室或烟气管道设置有至少一个三元催化转化器的至少两个催化区，该催化区沿烟气的行进方向依序布置，

-其中，借助于燃烧器自动控制机构的、对由助燃空气(I)供应机构产生的助燃空气的输入流(由每单位时间的体积流量确定)的调节、和对通过燃料供应管道进入混合区的燃料的输入流(由每单位时间的体积流量确定)的调节是基于利用测量仪器从烟气(S)测量的余氧量实现的，燃烧器自动控制机构借此调节助燃空气的所述输入流(Q_I、Q_Itot)和燃料的输入流(Q_PA、Q_PAtot)之间的相对比例，其中在到达催化区之前在烟气中的余氧量的范围处于0.01-0.50％，优选地处于0.01-0.25％。

-在烟气管道中的燃烧室之后或者在燃烧室之后的热交换区域之后，并且在至少一个三元催化转化器的第一催化区之前，沿烟气的流动方向布置有用于在传送至所述催化转化器之前获得均匀的烟气混合物的混合器。

在上述方法中，通过使用用于调节进入燃料和空气混合区域、特别地燃烧头的燃料流量与进入与燃烧头关联的风箱中的助燃空气流量之间比例的反馈系统实现在到达催化区之前烟气中的低余氧含量，该含量为0.01-0.50％、优选地0.01-0.25％。在具有反馈的系统中，余氧量在催化区之前被测量并且测得的余氧量被用于调节空气/燃料比例的基础。

本发明的主要方面是提供烟气管道中的或位于燃烧室后的热交换区中的混合器。该混合器在沿烟气的流动方向上应位于至少一个三元催化转化器的第一催化区之前，所述混合器用于在送至所述催化转化器之前获取均匀的烟气混合物。在烟气被送至催化区之前要求烟气的均匀化，因为工业燃烧器的燃烧室相对较大并且因此具有包含高浓度的CO和低浓度的O₂的气穴的倾向或反过来。

优选地，在均匀的烟气混合物中，穿过所述烟气管道或热交换区域的横截面的最高的CO/O₂比例(均为摩尔/每立方米)与最低的CO/O₂比例(均为摩尔/每立方米)之间的差值在所述混合器之后小于5％。

如上所述，这两个调节步骤将使得烟气中的CO和NOx的浓度在所述催化转化器之前一致地处于很低的水平。在催化剂转化之前或之后该CO和NOx的一致性和低水平在之前是未被实现的：在催化转化器的第二催化区之后测得的NOx应处于0-9ppm的范围，并且CO应处于0-100ppm、优选地0-40ppm的范围。在至少一个三元催化转化器的第一催化区之前或之处，O₂和CO的比例应该是化学当量的，为大约0.5/1(摩尔/摩尔)，另外，氧在烟气中处于0.01-0.50体积百分比、优选的0.01-0.25体积百分比。

上述在催化转化器之前的化学当量的氧/一氧化碳比例在本发明的优选实施例中通过首先控制燃料的主输入流中的空气/燃料比例实现。该主燃料部分的空气/燃料比例是基于对烟气中的预定余氧量(优选地1.0至2.5％)。另外，应该控制燃料的副输入部分的量，这是基于以下方式实现的：限定在燃烧室中或烟气管道中在至少一个催化转化器之前的第一催化区之前的烟气中的余氧含量，然后调节燃料的副输入流并且将该副输入部分汇合至主要部分。在此，要注意的是在第一催化区之前限定烟气的氧含量能够通过位于催化转化器处的λ传感器执行。

因此，可以对混合区、诸如燃烧头供应燃料或空气的副输入流，其供应流量又基于测量在至少一个三元催化转化器的第一催化区之前的余氧量以及基于在这些测量的基础上执行的副输入流量的准确控制。

或者可能的是，以分别的方式调节进入风箱的助燃空气流量(即通过将助燃空气流分成主流和副流，其中仅副流以反馈的方式调节)。

上述反馈系统通过使用所谓的史密斯预估器的燃烧器自动控制机构实现，史密斯预估器用于调节到达所述混合区的燃料和空气的比例的量。更准确地，史密斯预估器调节空气或燃料的副输入流。

在本发明的更优选的实施例中，烟气中的低余氧量通过以下方式调节传送的燃料的主输入流和到达火焰的助燃空气流实现，即通过基于估计和计算，设定这样的供应流量，假设在至少一个三元催化转化器的第一催化区之前达到给定的预定余氧量(1.0-2.5％)。

除此之外，向混合区、诸如燃烧头供应燃料或空气的副输入流，其供应流量又基于测量在到达至少三元催化转化器的第一催化区之前的余氧量和对基于这些测量执行的副输入流的准确控制。

测得的余氧应保持在0.01-0.050％、优选的0.01-0.25％的范围内，这意味着氧气与一氧化碳的比例应为化学当量或大约0.5/1(摩尔/摩尔)。

因为用上述方法以及其中采用的燃烧器降低烟气中余氧量，所以同时提供燃烧器效率提高和保持在第一催化区之前、在烟气中在0.025％之下的极低水平排放的两种能力。

烟气中氧的水平应该接近一氧化碳含量的化学当量。以摩尔(或体积百分比)计的氧的平均水平与以摩尔(或体积百分比)计的一氧化碳的平均水平相比应该是0.5/1，且该比例的变化应该保持在0.998-1.002范围内。这意味着，烟气中一氧化碳的浓度约为6000百万分率(ppm)，相应的氧的浓度应该是1000-4000ppm，氧浓度的平均水平应该约为3000ppm。

更具体地说，本发明的这种优选方法包括以下步骤：

-借助于燃烧器自动控制机构和存在于第一输送管路系统中的装配有致动器的控制阀来调节主输入流的量，基于烟气中预定余氧量，优选基于烟气中为1.0-2.5％的余氧量，并且基于主输入流，所述主输入流是在余氧量基础上估计或计算得出的且汇合至经由供应管道供应至燃烧头的燃料的总输入流，以及

-在燃烧室或烟气管道的催化区之前测量烟气中的余氧量，

-借助于燃烧器自动控制机构和存在于第二输送管路系统中的装配有致动器的控制阀来调节燃料的副输入流，基于从烟气测量的余氧量，其中燃烧器自动控制机构调节燃料的副输入流，该副输入流汇合至经由供应管道到达燃烧头的燃料的总输入流，

-借助于燃烧器自动控制机构和存在于助燃空气输送管路系统中的致动器来调节到达风箱的助燃空气中的输入流的量，从而助燃空气输入流的调节是基于烟气中预定的余氧量，优选基于烟气中为1.0-2.5％的余氧量。

装配有致动器的控制阀例如是可由电动机、气动或液压调节的控制阀。

另一方面，根据本发明的优选实施方式的装置包括：

-使经由燃料供应管道到达燃烧头的燃料输入流适于由经由燃料输送管路系统行进至供应管道中的输入流的两个独立调节部分构成。输入流的第一部分包括主输入流，其适于行进至与供应管道流体连通的输送管路系统的第一区段，且其占(总)输入流的70-100％、优选80-100％。输入流的第二部分包括副输入流，其适于行进至同样与供应管道流体连通的输送管路系统的第二区段，且其占输入流的0-30％，优选占输入流的0-20％，其中，

-燃料的所述主输入流的量借助于燃烧器自动控制机构和存在于第一输送管路系统中的装配有致动器的控制阀来调节，基于烟气中预定的余氧量，优选基于烟气中为1.0-2.5％的余氧量，并且基于主输入流，所述主输入流是在余氧量基础上估计或计算得出的且汇合至通过供应管道将被输送至燃烧头的燃料的总输入流，以及

-燃料的副输入流借助于燃烧器自动控制机构和存在于第二输送管路系统中的致动器、如装配有致动器的控制阀来调节，基于从烟气测量的余氧量，其中燃烧器自动控制机构调节燃料的副输入流，该副输入流汇合至通过供应管道到达燃烧头的燃料的总输入流，以及

-(总)燃料输入流与到达风箱的助燃空气流之比被如此地保持，从而在催化区之前，烟气中的余氧量是0.01-0.50％、优选0.01-0.25％。

在根据本发明的装置的优选实施方式中，燃烧器包括与风箱连接的燃烧头、通至燃烧头上且适于以给定的燃料输入流供应燃烧头的燃料供应管道，以及通至风箱中且适于以给定的助燃空气输入流供应风箱的助燃空气供应管道。燃烧器还包括与各自的燃料或助燃空气供应管道流体连通的燃料和助燃空气输送管路系统，以及包括测量仪器的燃烧器自动控制机构。燃烧器使其燃烧头带有通至烟气管道中的锅炉，所述锅炉或烟气管道设置有至少一个催化区。燃烧器使得：

-其测量仪器包括至少一个测量烟气中余氧量(烟气氧化/还原电位)的传感器，例如λ传感器，

-借助于燃烧器自动控制机构对于经由助燃空气供应管道到达其风箱的助燃空气输入流的调整基于烟气中的预定的余氧量、优选基于烟气中为1-2.5％的余氧量，且基于在余氧量基础上通过燃烧器自动控制机构估计或计算的且将被输送至风箱的助燃空气量，以及

-经由燃料供应管道到达其燃烧头的燃料输入流适于由经由燃料输送管路系统行进至供应管道的输入流的两个独立调节部分组成。输入流的第一部分包括主输入流，其适于行进至与供应管道流体连通的输送管路系统的第一区段，且其占输入流的70-100％、优选占输入流的80-100％。输入流的第二部分包括副输入流，其适于行进至同样与供应管道流体连通的输送管路系统的第二区段，且其占输入流的0-30％，优选占输入流的0-20％。因此，

-对适于行进至输送管路系统的第一区段的燃料的所述主输入流的调节借助于燃烧器自动控制机构和存在于第一输送管路系统中的致动器、如控制阀来实现，且该调节基于烟气中预定的余氧量，优选基于烟气中为1.0-2.5％的余氧量，并且基于主输入流，所述主输入流是在余氧量基础上估计或计算得出的且汇合至通过供应管道与送至燃烧头的燃料输入流，以及

-对适于行进至输送管路系统的第二区段的燃料的副输入流的调节借助于燃烧器自动控制机构和存在于第二输送管路系统中的致动器、如控制阀来实现，且该调节基于从烟气测量的余氧量，借此燃烧器自动控制机构调节燃料的副输入流，该副输入流汇合至通过供应管道到达燃烧头的燃料的输入流，从而在催化区之前，烟气中余氧量为0.01-0.50％、优选在0.01-0.25％范围内。

在与上述的通过将其到达燃烧器的燃烧头的输入流分成两部分来调节燃料量的描述相一致的方式中，其中仅用烟气反馈调节较少流量，同样可能的是也通过将助燃空气流分成两部分来调节进入燃烧器的风箱的助燃空气的输入流，仅用反馈控制副输入流。

据此，在根据本发明的第二个优选实施方式的装置中：

-借助于燃烧器自动控制机构对经由燃料供应管道和输送管路系统到达燃烧头的燃料输入流进行的调整基于烟气中预定的余氧量，优选基于烟气中为1-2.5％的余氧量，且基于在其基础上估计或计算得出并将送至燃烧头的燃料流，以及

-经由助燃空气供应管道到达风箱的助燃空气输入流适于由经由助燃空气输送管路系统行进至供应管道的输入流的两个独立调节部分组成。输入流的第一部分包括主输入流，其适于行进至与供应管道流体连通的输送管路系统的第一区段中，且其占助燃空气的输入流的70-100％、优选80-100％，并且输入流的第二部分包括副输入流，其适于行进至同样与供应管道流体连通的输送管路系统的第二区段中，且其占助燃空气输入流的0-30％，优选0-20％。因此，

-对适于行进至输送管路系统的第一区段的助燃空气的所述主输入流的量的调节借助于燃烧器自动控制机构和存在于第一输送管路系统中的致动器、如控制阀来产生，且该调节基于烟气中预定的余氧量，优选基于烟气中为1-2.5％的余氧量，并且基于助燃空气的主输入流，所述主输入流是在余氧量基础上估计或计算得出的且汇合至通过供应管道输送至燃烧头的助燃空气输入流，以及

-对适于行进至输送管路系统的第二区段的助燃空气的副输入流的量的调节借助于燃烧器自动控制机构和存在于第二输送管路系统中的致动器、如控制阀来产生，且该调节基于从烟气测量的余氧量，其中燃烧器自动控制机构调节助燃空气的副输入流，该副输入流经由输送管路系统的第二区段行进并汇合至通过供应管道到达风箱的助燃空气的输入流，从而在催化区之前，烟气中余氧量为0.01-0.50％、优选0.01-0.25％。

因为用上述方法以及其中采用的燃烧器或装置降低了烟气中余氧量，同时提供燃烧器效率提高和保持极低水平的排放的两种能力。

在本发明的一个优选实施方式中，在烟气管道中设有三元催化转化器(401)且包括至少一个具有两个催化区的三元催化转化器或至少两个具有一个催化区的三元催化转化器，且催化区在其之间通有附加供应管道，该附加供应管道能够在所述催化区之间输送补充空气。这样，催化转化器可设有扩展工作范围，从而到达第一催化剂的烟气可具有小于1、尤其是0.9-1的λ值。这种情况下，在第一催化区之前，无论是不是亚化学当量条件，氮氧化合物的还原以及烃和一氧化碳排放物的氧化在第一催化剂中仍旧是足够有效的，且余下的未氧化一氧化碳和挥发性有机化合物(VOC)排放将被后面催化剂中的补充空气氧化。如前所述，未氧化的一氧化碳和挥发性有机化合物排放的调节可在所述催化转化器中快速实施。

在本发明的其它优选实施方式中，包括到达所述催化转化器的催化区的氧、一氧化碳、氮氧化物气体的烟气在燃烧器的燃烧室之后的烟气管道中或热交换区域中被混合器均化，以将均匀烟气混合物输送至所述催化转化器中。烟气在进入催化区之前需被均化，因为工业燃烧器的燃烧室相对较大，因此其往往包含高浓度一氧化碳的气穴。

在本发明的另一个优选实施方式中，到达风箱的助燃空气流与到达燃烧头的燃料流之比适于在具体的恒稳的范围内摆动。由于用于火焰的燃料流与助燃空气流之比在从稍微低于化学当量到稍微高于化学当量范围内变化，因此提供了进一步扩展催化转化器工作范围的能力，即催化区之前余氧的最大接收量。优选地，送至燃烧区的空气流量保持恒定，而燃料量允许摆动，从而向期望的空气/燃料比例集中。

在本发明的一个优选实施方式中，可借助于位于输送管路系统中的一个或多个鼓风机以及借助于具有可调整开度的风门或借助于控制阀来调节助燃空气。这种情况下，优选将频率转换器连接至鼓风机，该频率转换器能够根据所期望的燃烧器流量调节鼓风机马达的输入功率并据此调节鼓风机马达的旋转速度，以及空气流速。

使鼓风机设有频率转换器能够减少将到达的烟气中的余氧量、提高燃烧器效率以及降低鼓风机能量功耗。

在本发明的另一个优选实施方式中，副输入流的流量调整借助于至少一个装配有致动器的控制阀和至少一个装配有致动器的开关阀实现。

装配有致动器的控制阀例如是可由电动机、气动或液压调节的控制阀。

因此，测量仪器包括测量余氧并位于催化区的上游(之前)的λ传感器以及测量来自烟气的氮氧化物的量的附加传感器，和/或测量来自烟气的一氧化碳的量的传感器。氮氧化物传感器以及一氧化碳传感器可位于第一催化区的上游或下游。在本发明的一个实施例中，这些传感器在烟气管道中位于催化区的下游。这种情况下，到达输送管路系统的第二区段的燃料的副输入流的调节还基于从烟气测量的一氧化碳的量和/或基于氮氧化物的量，从而燃烧器自动控制机构基于从烟气测量的氮氧化物和一氧化碳、借助于包括在输送管路系统的第二区段中的致动器如装配致动器的控制阀来控制燃料的副输入流的流量。

本发明的这个优选实施方式提供了进一步降低氮氧化物、一氧化碳和碳氢化合物排放的能力。

附图说明

因此，通过参考附图，现在将进一步阐明本发明以及可实现的优点。

图1示意性示出了本发明的一个燃烧器以及在其中采用的、并用于精确调节燃料量的燃烧器自动控制机构。

图2A和图2B同样示意性示出了本发明的另一个燃烧器以及在其中采用的、并用于精确调节助燃空气量的燃烧器自动控制机构。

图3示出到达图1和图2的燃烧器中的燃烧头和进入风箱的助燃空气和燃料的流动。

图4示出了在本发明的燃烧器中采用的燃烧器自动控制机构的更详细的视图。

图5示出了具有根据本发明的结构和功能的测试燃烧器的测试装置。

图6示出了使用优化的三元催化转化器的测试结果。

图7示出四个图，在其每个图中示出燃烧器被分为4个区域后的烟气通道横截面，并可观察到这些区域的每个中在没有混合和有混合器情形下的CO和O₂的分布(ppm)，其中上面的图示出：来自于燃烧器的含有CO和O₂的烟气通过烟气通道的横截面，其中在不同区域中的O2和CO的分布很不均匀；下面的图示出：来自于燃烧器的含有CO和O₂的烟气在刚经过混合器之后通过烟气通道的横截面，当使用混合器时的混合水平(计算数据)呈现的O2和CO的分布平滑得多。

具体实施方式

由图5可以看出，对2.6MW容量工业燃烧器实施起催化作用的烟气处理(芬兰拉赫蒂市奥伦实验室)的测试结果。燃烧器结构和功能类似于权利要求所定义的。由图5可以看出，(干燥的)NO_x(氮氧化物)平均值在测量周期小于2ppm(百万分之二)，且(干燥的)CO(一氧化碳)平均值在测量周期小于4ppm(百万分之四)。

图6示出在三元催化转化器之前的烟气浓度，该三元催化转化器能够使在所述三元转化器的催化区中的NO_x(氮氧化物)和CO(一氧化碳)最高效转化。在三元转化器中发生下列反应：

主氧化反应：

CO+0.5O₂---CO₂

CH₄+2O₂-CO₂+2H₂O

主还原反应：

2NO+2CO-N₂+2CO₂

4NO+CH₄-2N₂+CO₂+2H₂O

由图6可以看出，空气燃料比(α)在三元催化转化器之前的在燃气中几乎应该是化学当量比。O₂量与CO平均量的比(摩尔/摩尔)应该近乎化学当量的，在烟气流动方向上在所述烟气进入三元催化转化器之前的烟气中的O₂平均量(摩尔)与CO气体平均量(摩尔)的比应该是约0.5/1摩尔/摩尔。

这意味着，如果即将进入三元催化转化器的催化区的烟气中的CO浓度一般为3000ppm，则O₂量可以在1500ppm+-1000ppm之间变化。λ应该在0.997-1.003的范围中。

对于通常由工业燃烧器产生的在所述三元转换器之前的排气中的CO水平，所述排气(烟气)可以仅仅包括0.01％-0.50％、优选0.01％-0.25％的O₂，以使在所述三元催化转化器中最优地发生CO和NO_X的催化转化。

另外，在单独测试中已经发现，如果热燃烧期间允许燃料和氧量波动以使得燃料和助燃空气的比例在热燃烧中是亚化学当量的或者是过化学当量的，那么提供了增加的在催化区之前的余氧最大可接受量的能力，以便允许在催化区之前的烟气中存在0.01％-0.50％的余氧。这意味着，利用适用于燃烧器中的氧气和助燃空气的比例的现有的已知调节方法，仅允许余氧的量不大于已到达的约一半。

NO_X和CO气体的高效转化所需求的、在三元催化转化器之前的排气中的O₂/CO的化学当量比不能够通过一般的工业燃烧器来实现，因为这需要在至少一个三元催化转化器的第一催化区之前的、在燃烧器中的空气/燃料的近乎化学当量比以及严格的O₂水平(0.01-0.50，优选0.01-0.25)。

图1-4表示出燃烧器和燃烧器自动控制机构，在这样的燃烧器中提供实现在三元催化转化器的催化区之前的足够低的余氧量的能力。如图5和图6所示，在至少一个三元催化转化器的第一催化区之前的烟气中应该仅存在0.01％-0.50％、更优选0.01％-0.25％的氧气。

图1和图2A是根据本发明的燃烧器的示意图，在其中进行本发明的燃料和助燃空气的调节，用以调整达到燃烧的空气/燃料比。图3示出图1和图2A的燃料和助燃空气流。

图2B示出空气的副输入流的替代实施。

接下来是如图1-3所示的主要结构和功能的简短概括。

图1和图2A分别示出燃烧器100，其打算被用于气态或液态燃料如天然气或燃油。燃烧器100包括与风箱10相连接的燃烧头1及锅炉3，该风箱在实体上位于柜室的下游，锅炉3与风箱10相关联且通往烟气管道4。

锅炉3或烟气管道4具有一个三元催化转化器401，其带有一个催化区40。在这种情况下，锅炉3或者烟气管道4中的三元催化转化器401包括两个催化区40，用于后燃在锅炉3中热燃烧所产生的气体。可行的是，借助额外的供应管道222将补充空气送入在催化区40之间的空间或者串联的催化转化器40之间的空间中。催化转化器401是三元催化转化器，这是考虑到其适合于燃烧气体的催化燃烧以及还原由燃烧头1和与其相关联的风箱10中进行的热燃烧所产生的氮氧化物，以及适合于氧化所获得的烟气中的碳氢化合物以及一氧化碳排放物。

通过在所述三元催化转化器的第一和第二催化区之间输送补充助燃空气，人们能很快调节到达催化剂的烟气中的氮氧化物和一氧化碳量的变化。

另外，燃烧器100包括燃烧器自动控制机构5、6、7，图4更详细地示出它们的操作。

由图1和图2A可以看出，可行的是，借助烟气管道4壁上的开口，在烟气S的流动方向上在催化区上游的烟气管道4被供应助燃空气I。如果需要，借助烟气管道，火焰的外部还可以被供应燃料PA。在如图1和图2A所示的燃烧器中，催化区40包括在烟气的移动方向上相继设置的两个三元催化转化器401，所述三元催化转化器能够使氮氧化物被还原以及能够使未燃的碳氢化合物(VOC)和一氧化碳(CO)被氧化。借助额外的助燃空气供应管道222，在这些催化区之间的空间中可能被引入补充空气。

在图1和图2A中，在烟气的流动方向上、在第一三元催化转化器的第一催化区之前、在烟气管道中的燃烧室的后面还具有混合器。所述混合器被用于获得均匀分布的烟气混合物，这是在将其送至所述催化转化器之前实现的。在图7中存在一个可行的固定的混合器结构。

在图1、图2A和图4中还可看见燃烧器自动控制机构的中央单元5和用于收集关于待控制的燃烧过程的信息的测量仪器6以及由燃烧器自动控制机构控制的各种致动器7。在图1和图2所示的燃烧器100中，测量仪器6包括至少多个λ传感器63、63¹、63²、63³、63⁴，其测量烟气中的余氧量(烟气的氧化/还原电位)且被定位在具有两个催化区40、40的三元催化转化器401的上游和下游。在所述催化区40、40之间还有两个λ传感器，第一个在用箭头表示的烟气S移动方向上、正好在催化区40、40之间的附加空气供应管道222开口之前。测量仪器6进一步包括传感器61、61¹、61²和/或传感器62、62¹、62²，该传感器61、61¹、61²被定位在用箭头表示的烟气S移动方向上的催化区40、40的下游且测量烟气中氮氧化合物NO_X的量，该传感器62，62¹、62²测量烟气中的一氧化碳量。这些传感器位于在烟气流动方向上的催化区40的下游，因此被用于测量在催化转化器401之后的烟气管道4中的氮氧化物和一氧化碳排放。

借助通往燃烧头1的燃料PA的供应管道210，燃烧头1被供应给定的燃料输入流Q_PA或Q_PAtot(参考图3)，即燃料的给定体积流量/单位时间。另一方面，助燃空气I的供应管道222给风箱10供应给定的助燃空气输入流Q_I或Q_Itot，即助燃空气的给定体积流量/单位时间。

如图1所示，在根据本发明第一实施例的燃烧器100中，借助燃料供应管道210，燃烧头1被供应总燃料输入流Q_totPA(参考图1和图3)。该总燃料输入流Q_totPA由两个单独调节的输入流部分Q_PAA、Q_PAB(参考图1和图3)构成，其借助单独的燃料输送管路系统215、216被送进供应管道210。

第一输入流部分Q_PAA包括所谓的主输入流，其适于在与供应管道210流体连通的输送管路系统的第一区段216中移动，且占总输入流Q_totPA的70％-100％、优选是输入流的80％-100％。主输入流Q_PAA具有由配备致动器的控制阀如伺服马达作动型控制阀7；71所调节的流量。

副输入流部分包括副输入流Q_PAB，其适于在同样与供应管道210流体连通的输送管路系统的第二区段215中移动，且占总输入流Q_totPA的0-30％、优选是输入流的0-20％(参考图1、图3)。输送管路系统的第二区段215中燃料的副输入流Q_PAB的流量调节借助至少一个配备致动器的控制阀7、71进行，进一步优选借助至少一个配备有致动器的开/关阀7、70如磁作动型开/关阀进行。在图1所示的本发明实施方式中，副输入流Q_PAB具有由两个伺服马达作动型控制阀7、71和由一个开/关电磁阀(止回阀)7、70所调节的速率。

在图1所示的本发明实施例中，助燃空气借助输送管路系统229和供应管道220进入风箱10。可利用一个或多个鼓风机7、72及利用具有可调打开度的风门7、73调节进入风箱10的助燃空气量。鼓风机7、72在输送管路系统229中被连接至变频器，根据鼓风机利用程度，即根据待送入风箱的助燃空气流Q_I、Q_Itot的流量，鼓风机转速可通过该变频器被调节。还可从图1中看见补充空气输送管路系统222，通过该补充空气输送管路系统222可能将补充空气引入至烟气管道4的催化区40进入催化转化器401和401之间的空间。输送管路系统222中补充空气的引入利用配备致动器的控制阀7、71及利用鼓风机7、72被调节，鼓风机7、72在空气流动方向上位于下游且可配备变频器。

如下所述，根据如图1所示的本发明的示例性实施例的燃烧器被调节。

利用燃烧器自动控制机构5、6、7(参考图4)，尤其是利用存在于助燃空气输送管路系统229中的一个或多个鼓风机7、72，以及利用具有可调打开度的风门7、73来调节到达风箱10的助燃空气输入流QI量。助燃空气输入流Q_I的调节是基于烟气S中的预定余氧O₂量，优选烟气S中的为1％-2.5％的余氧量。这表明助燃空气量的调节是基于通过计算有多少助燃空气应该被引入来估计或测定，此时，在给定的燃烧器的利用率下，期望在催化区之前的烟气S中的余氧量达到1％-2.5％。

燃料主输入流Q_PAA量的调节，是借助燃烧器自动控制机构5、6、7和第一输送管路系统116中的配备致动器的控制阀如电动机作动型控制阀7、71，并且同样是基于烟气S中预定余氧量，优选烟气中有1％-2.5％的余氧量。这表明燃料主输入流Q_PAA量的调节是基于在给定的燃烧器的利用率下计算有多少燃料应被送入来估计或确定，此时期望在催化区40之前的烟气中余氧量达到1％-2.5％。

燃料副输入流Q_PAB的调节，是借助燃烧器自动控制机构5、6、7和第二输送管路系统215中的致动器7，即借助在输送管路系统215的一部段中的两个配备致动器的控制阀如伺服马达作动型控制阀7、71和一个配备致动器的开/关阀如开/关电磁阀7、70。

燃料副输入流Q_PAB的调节是基于由λ传感器63从烟气测得的余氧量，借此燃烧器自动控制机构5、6、7调节燃料副输入流Q_PAB，燃料副输入流Q_PAB汇合至借助供应管道210到达燃烧头1的燃料总输入流Q_PAtot，这样以使到达燃烧头1的燃料(总)输入流Q_PAtot与到达风箱的助燃空气流Q_I之比是这样的，在三元转化器401的第一催化区40之前的烟气S中所述余氧量达到0.010％-0.50％，优选0.01％_-0.25％。

图2A所示的燃烧器实施方式与图1所示的燃烧器实施方式的区别主要在于，这一次，通过助燃空气供应管道220进入风箱10的助燃空气输入流Q_Itot适于由经助燃空气输送管路系统225、226进入供应管道220的输入流的两个单独调节部分Q_IA、Q_IB构成。进入风箱10的总助燃空气流Q_totI现在按照与在图1的实施例中的总输入流Q_totPA相同的方式构成，即，由两股单独的助燃空气流构成，只有其中一股助燃空气流即助燃空气副输入流按照有反馈的方式被调节。

助燃空气输入流的第一部分Q_IA包含助燃空气主输入流Q_IA，助燃空气主输入流适于在与供应管道220流体连通的输送管路系统的第一区段226中移动并占助燃空气输入流Q_totI的70％-100％、最好是80％-100％。助燃空气主输入流Q_IA的流量调节通过燃烧器自动控制机构5、6、7(见图4)和位于第一输送管路系统内的致动器7如配备致动器的控制阀如伺服马达作动型控制阀7、71进行。

助燃空气输入流的第二部分Q_IB包括副输入流，副输入流适于在与供应管道220流体连通的输送管路系统的第二区段226中移动并占助燃空气输入流Q_Itot的0-30％、最好是0-20％。助燃空气副输入流Q_IB的流量调整通过燃烧器自动控制机构5、6、7(见图4)和位于第二输送管路系统225内的致动器7进行。

在图2A所示的本发明实施方式中，在管道215中移动的助燃空气副输入流Q_IB的流量调整与燃料副输入流Q_PAB的调节反向地进行。助燃空气副输入流Q_IB的调节依据以下程序，为获得燃料和氧气之间的化学当量的燃料氧比，空气副输入流Q_IB在正常状况下通过合适的致动器7如配备致动器的控制阀或风门被限制，限制了助燃空气副输入流Q_IB，并且使副输入流Q_IB返回至鼓风机7、72的进风侧。

助燃空气(主)输入流Q_IA的调节与如图1的实施例所示的燃料输入流Q_PA的调节相似。因此，所述调节依据在给定的燃烧器利用率前提下计算有多少助燃空气输入流Q_IA应被供应燃烧头1来估计或确定，以便在两个分别具有一个催化区40的三元催化转化器401的第一催化区40之前在烟气中获得为1％-2.5％的余氧量。

另一方面，助燃空气副输入流Q_IB的调节基于余氧量，该余氧量自在第一催化区40之前的烟气S中测定，且燃烧器自动控制机构5、6、7根据该余氧量调整流经第二输送管路系统225的助燃空气副输入流Q_IB且改变经供应管道220进入风箱10的助燃空气输入流Q_Itot量。

助燃空气副输入流Q_IB例如可被如此调节，即，在正常情况下经第二输送管路系统225返回鼓风机7、72的进风侧7、72的助燃空气量将通过位于输送管路系统内的合适的致动器7被限制。这样的致动器例如可以是如在图2A的实施例中示出的附加的风门7、73。

还有用于限制在第二输送管路系统225内的助燃空气量的其它可选方案，第二输送管路系统225例如可借此包括返流支路225’，其被用于通过合适的配备致动器的控制阀7、71使空气返回至位于主管路229内的鼓风机7、72的进风侧，如图2B所示。

在功能故障轻微的情况下，经输送管路系统225移动的空气量因副输入流Q_IB的限制增强而被增加。

因此，助燃空气副输入流Q_IB的调节基于用λ传感器63自在第二催化区40上游(烟气移动方向上在第一催化区之后)的烟气S中测定的余氧量。基于此，燃烧器自动控制机构5、6、7调节助燃空气副输入流Q_IB，其改变经供应管道220进入风箱10的助燃空气总输入流Q_totI量。所述调节如此进行，即，助燃空气(总)输入流Q_totI(助燃空气副输入流Q_IB+助燃空气主输入流Q_IA)与到达燃烧头的燃料总输入流Q_PA之比保持下述程度，即，在第一催化区40上游的烟气S中，测得的余氧量为0.01-0.50％，最好是0.01-0.25％。

图1和图2的实施例不仅配备有位于三元催化转化器的上游、下游或之处的λ传感器63，还配备有测量一氧化碳量的一氧化碳传感器及测量在烟气移动方向上位于三元催化转化器401下游的烟气管道4内的氮氧化物NOx量的氮氧化物传感器61。利用这些一氧化碳传感器和氮氧化物传感器61、62进行的测量提供了用于进一步规定在各自输送管路系统215、225内的燃料副输入流或助燃空气副输入流Q_PAB、Q_IB的流量的基础。

又由图4说明根据本发明的燃烧器自动控制机构。

根据本发明的燃烧器100配备有整体式燃烧器自动控制机构。燃烧器自动控制机构包括中央处理单元5、测量仪器6和用于提供适于操作致动器7的控制指令710的数据传输元件，所述致动器控制对燃烧器100的燃料PA和助燃空气I的供应。

该中央处理单元包括处理器52和至少一个存储器件51。存储器件51包含各种软件产品510用于控制燃烧器工作，尤其用于通过在输送和供应管路系统内的各自致动器调节空气和燃料的总量Q_I、Q_Itot、Q_PA、Q_totPA以及调节燃料或空气的主输入流和副输入流Q_PAA、Q_PAB、Q_IA、Q_IB。图4示出软件产品510¹-510⁹，其被用于通过控制指令710¹-710⁹分别调节如图1、图2和图4所述的致动器。

软件产品510¹-510⁴与控制指令710¹-710⁴相关联，所述控制指令被用于借助致动器7控制对风箱10的空气供应和在管路系统222内补充输入流至烟气管道4。在根据图1的实施例中，将助燃空气供应风箱10通过鼓风机7、72以及风门7、73借助控制指令710⁴及710¹来控制，并且将在输送管路系统222内的补充空气输入流送风至烟气管道4由配备致动器的控制阀7、71以及变频器控制型鼓风机7、72借助控制指令710²和710³来控制。

另一方面，软件产品510⁵-510⁸与待建立用于通过各自致动器7调节燃料PA供应的控制指令710⁵-710⁸相关联。在根据图1的实施例中，控制指令710⁸被用于调节在用于燃料主输入流Q_PAA的输送管路系统的区段216内的控制阀7、71(图1)或者在用于总输入流Q_PA的输送管路系统219内的配备致动器的控制阀7、71(图2)。

另一方面，控制指令710⁵、710⁶、710⁷被用于通过位于输送管路系统的第二区段215内的致动器7调节燃料副输入流Q_PAB。该输送管路系统的区段215的所述致动器包括两个配备致动器的控制阀7、71和一个配备致动器的开/关止回阀7、70。

控制指令710⁹由与助燃空气供应相关的软件产品510⁹产生。这些软件产品和控制指令涉及到助燃空气副输入流Q_PIB的调节。在图2A和图2B的实施例中在用于助燃空气的输送管路系统的第二区段225内体现副输入流的调节。所述调节如上所述通过致动器7如风门7、73(图2A)进行，或者通过返回管线225’和配备致动器的控制阀7、71(图2B)进行。

燃烧器自动控制机构的测量仪器6被用于收集关于燃烧器100的燃烧过程的信息。在图4所示的本发明实施例中可以看到用于测量余氧的λ传感器63、63¹、63²、63³、63⁴、用于测量一氧化碳量的一氧化碳传感器62、62¹、62²以及用于测量氮氧化物量的氮氧化物传感器61、61¹、61²。在烟气S移动方向上，λ传感器63位于具有两个催化区的三元催化转化器401的上游、下游或之处，一氧化碳传感器62及氮氧化物传感器61位于第二催化区40的下游。

数据传输元件被用于收集来自测量仪器6的测量数据且用于将测量数据通信至中央处理单元5的处理器52和软件产品510，包括从位于烟气内且测量烟气的氧化/还原电位的λ传感器63、63¹-63⁴和从测量一氧化碳量的一氧化碳传感器62、62¹、62²以及自测量氮氧化物NOx量的氮氧化物传感器61、61¹、61²接收关于余氧O₂量的数据项。

传输元件给处理器5、52以及燃烧器控制软件510提供自传感器6收集的测量数据。燃烧器控制软件510以及中央处理单元5提供控制指令710给被用于调整空气I和燃料PA的量的致动器7。

在如图1所示的本发明的一个实施例中，中央处理单元52适于通过燃烧器控制软件510来产生如下控制指令：

1)控制指令710⁵、710⁶、710⁷，涉及燃料副输入流Q_PAB量且被用于如此调整燃料副输入流Q_PAB，即，在要被输送至燃烧头(1)的燃料输入流Q_totPA中的副输入流Q_PAB量是这样的，在催化区之前的烟气中，余氧量是0.01％-0.50％，最好是0.01％-0.25％。

这些控制指令710⁵、710⁶、710⁷被用于控制致动器的操作，所述致动器调整燃料副输入流的速度。所述致动器位于用于副输入流的管路系统215中，它们例如包括配备致动器的控制阀7、71如伺服马达作动型控制阀以及配备致动器的开/关阀如开/关电磁阀7、70(止回阀)。

2)控制指令710⁸，涉及主输入流Q_PAA量并基于烟气S中的预定余氧量、最好是烟气40中的为1％-2.5％的余氧量。

控制指令710⁸被用于控制致动器7的操作，该致动器利用配备致动器的控制阀7、71如伺服马达作动型控制阀调整主输入流。

3)控制指令710¹、710⁴，被用于助燃空气I输入流且被用于根据烟气S中的预定余氧量、最好是烟气中的为1％-2.5％的余氧量调整通过助燃空气供应管道220进入风箱10的助燃空气输入流Q_I量。

控制指令710¹、710⁴被用于借助致动器7控制进入风箱10的助燃空气I量，所述致动器最好是鼓风机7、72以及风门7、73，所述鼓风机调整在助燃空气输送管路系统229内的所述助燃空气量且配备有变频器。

图7示出四个图，在其每个图中示出燃烧器被分为4个区域后的烟气通道横截面，并可观察到这些区域的每个中在没有混合和有混合器情形下的CO和O₂的分布，上面的图示出：来自于燃烧器的含有CO和O₂的烟气通过烟气通道的横截面，其中在不同区域中的O2和CO的分布很不均匀；下面的图示出：来自于燃烧器的含有CO和O₂的烟气在刚经过混合器之后通过烟气通道的横截面，当使用混合器时的混合水平(计算数据)呈现的O2和CO的分布平滑得多。