用于在振动火焰反应器中进行热的材料处理的方法及装置与流程

本发明涉及一种用于在振动火焰反应器/振动燃烧反应器的振动的热气体流中进行原材料的热处理的装置以及方法，其具有燃烧器，通过至少一个管路将由燃烧气体和空气组成的质量流输送给燃烧器以形成至少一个火焰，该火焰产生热气体流，其中，火焰布置在燃烧室中，其中，反应室在下游联接燃烧室。

背景技术：

在本发明的范围中，热处理不仅理解成热的材料处理而且理解成热的材料合成，其中，热处理例如可包括干燥、煅烧、晶体转化等。此外，在本发明的范围中，概念“原材料”不仅用于单一的原材料而且用于原材料混合物。原材料或者原材料混合物在此能以固态、液态、气态或蒸汽的形式存在。

原材料被引入由火焰产生的热气体流中并且在其处理之后作为产品再次从该热气体流中被分离，例如在旋风分离器、热气体过滤器等中被分离。

原侧上从以下情形出发，即，如此设计和运行所有技术上或工业上的燃烧设备和燃烧系统中的最大数量的燃烧设备和燃烧系统，使得除了少量的、其参数比燃烧过程的平均参数(例如火焰或废气流的平均温度、平均流动速度、燃烧室中的平均静态压力等)小至少一个数量级的紊乱波动外，火焰中的燃烧过程在平均上时间恒定地进行。这意味着，所使用的燃料的转化在时间上连续地进行，并且(作为其结果)，对于固定的燃烧器设定来说，燃烧过程中的热释放以及出现的废气(燃烧产物)的质量流量也具有时间上恒定的值。

与此不同地，偶尔出现不寻常的现象、或者说“异象”，其在文献中被称为燃烧室振动、自激励的燃烧不稳定性或热声振动。其特征在于，最初为静态的(也就是说时间上恒定的)燃烧过程在达到稳定性极限时突然自动地突变成自激励的、时间上周期性的、振动的燃烧过程，其时间函数可用正弦函数来很好地近似。

伴随着该变化，火焰的热释放率以及由此燃烧设备的热的燃烧功率以及到燃烧室中的和从燃烧室中出来的废气流以及燃烧室中的静态压力自身也变得周期性地非静态，也就是说振动/1，2/。

这种燃烧不稳定性的出现常常引起与燃烧的静态的运行相比变化的有害物质排放性能，并且除了提高设备环境的噪音污染外也引起显著提高的对设备结构(例如燃烧室壁、燃烧室内衬等)的机械的和/或热的负载，其甚至可导致燃烧或单个组件的破坏。因此可简单地认识到，必须强制地避免在为时间上恒定的燃烧过程设计的燃烧中不期望地出现以上描述的不寻常的现象，在时间上恒定的燃烧过程中，燃烧室中的静态压力或者上游或下游连接的设备组件中的静态压力同样应具有恒定的值(等压燃烧)。

完全不同地，在少数的非常特殊的燃烧技术设备中出现这样的情况，在其中考虑自激励的、周期性的燃烧不稳定性的以上示出的不寻常的现象并且用于，在燃烧室和下游连接的设备组件(例如热交换器、化学反应器等)中产生具有周期性的火焰热释放率和周期性的振动的废气流(脉动的热气体流)的周期性的燃烧过程。

从四十多年前开始，在相关的专利文献中报道了化学反应器，在其中进行被给出的原材料(反应物)的热处理或者一种或多种原材料的热控的材料合成，并且其典型地被称为振动火焰反应器、脉冲干燥器、脉冲燃烧器或脉动反应器/3，4，5，6/。

所有这些反应器共同的是，在脉动的、振动的热气体流中(即时间上周期地非静态地)进行热的材料处理，其中，不仅为了热的材料处理/材料合成所需的热，而且脉动的热气体流的机械振动能都来自于燃料如特别是天然气、氢气、液态燃料等的非静态的、振动的燃烧过程。

该设备相对于传统的、静态工作的燃烧系统的优点在于，在燃烧室中或下游连接的组件(例如热交换器、反应室、谐振管等)中的在时间平均上周期地非静态的紊乱废气流。

不仅相对于固定的壁部(燃烧室壁、热交换器的壁、蒸汽发生器等)，而且相对于为了进行处理而被引入具有限定的处理温度的热气体流中的材料，从热气体到壁部或材料上的热传递与相同平均流动速度和相同温度的在平均上静态的紊乱流动相比显著增加了2至5倍。因此，待处理的材料在脉动的热气体流中经受高的加热梯度(“热冲击处理”/6/)。

由于在对流的热传输与物质交换之间的相似性，以上所述也适用于物质交换：在周期地非静态的、振动的流动的情况中，从热气体到待处理的材料中的或从材料到热气体流中的气态或蒸汽状的物质的交换率增加了相似的值，因为几乎完全没有边界层(其在已知方式的静态流动中产生并且表示扩散或交换阻力)。

在现有技术中描述的反应器/6，7，8，9/典型地由燃烧室以及在流动方向上联接燃烧室的、常常被称为“谐振管”的反应室组成，在燃烧室中，所使用的燃料的反应变化在释放化学地结合在其中的热的情况下在火焰中或无火焰地进行，原材料添加到反应室中并且在反应室中进行热的材料处理。在一些特别的实施方案中，原材料已经被给到燃烧室中。

在新材料开发的领域中，根据现有技术的用于热的材料处理/热的材料合成的振动火焰器反应器有重要缺点。

为了保证，在从开发阶段向生产阶段过渡时，在质量和数量上保持在这种新材料开发的范围中通过在振动火焰反应器中的热的材料处理而实现的产品性能(即，特别是在通常的生产设备中批量生产产品时)，根据当今现有技术强制需要的是，在与稍后应该用来批量制造完成了开发的产品的相同的反应参数器下进行材料开发。

此时，技术上不能利用所描述的振动火焰反应器实现，在从在开发期间利用实验室反应器的样件制造向在(大型)生产反应器中的批量制造过渡时，在可靠地维持所获得的开发成果(新产品的材料性能)的情况下，在技术设备中通常可能的1：10至1：50倍的“放大”。

以下，对于反应器在各个不同方面不期望地没有可缩放性这一点，解释其物理原因，该可缩放性影响当在不同尺寸(不同设备容量)的振动火焰反应器中以及类似地也在不同结构形式的反应器中制造产品时不期望地变化的材料性能：

如果从期望的情况中出发，则一方面给出用于热的材料处理的振动火焰反应器的小的实施方案，即“实验室反应器”，其在材料开发时可用在小批量样件制造的范围中(例如每小时10kg产品的生产率)，并且另一方面给出用于同种产品的批量制造(例如每小时150kg的生产率)的这种反应器的相应的大的实施方案。

即使在以下前提下，即，不仅(原材料在两种反应器中分别被给出到其中的)热气体的温度、即材料处理温度，而且原材料暴露在热气体流中的停留时间、即材料处理持续时间，在两种反应器中都是相同的，在两种反应器中的热的材料处理在在两种反应器中出现的振动频率和振幅方面也显著不同。在此，这影响从振动的热气体流到分别待处理的颗粒上的热和材料交换率，并且由此影响在产生的产品中可实现的材料性能。

在分别出现的振动频率和振幅中的上述区别归因于这样的情况，即，与在结构上、也就是说几何尺寸上明显更大的生产设备相比，在较小的实施方案中典型地在较高的振动频率下出现自激励的燃烧不稳定性。

在风琴管中出现相似的不寻常的现象，在其中，通过可激励的、所产生的基础频率确定风琴管的长度：大的长度与可产生的音调的低的频率相关，而小的长度与可产生的音调的高的频率相关。在此，视风琴管是敞开的还是被覆盖而定，风琴管是半波谐振管或四分之一波谐振管。

在两种反应器中热气体流振动的振幅也特别是根据振动的总系统的与反应器几何结构和振动频率强烈地非线性地相关的振动衰减而变化。

目前，通过始终利用相同大小和结构形式的反应器实施用于材料开发的试验以及紧接着进行的生产，以实现所制造的产品的分别相同的材料性能，以时间且成本消耗高的方式避开所描述的没有可缩放性的问题。

因此，由于在根据现有技术的用于热的材料处理的振动火焰反应器的大小或生产率缩放时至今存在的在保持材料性能方面的限制，相对于其它热方法显著提高了在该技术中新产品的开发成本，这是因为在新产品开发时不仅在开发或优化试验中而且在为了物理化学分析所实现的材料性能的目的而制造小批量样件时，一方面必须使用不成比例地高的原材料量，并且另一方面在对该反应器的大的实施方案进行试验时出现不必要地高的能量和人员成本。

技术实现要素：

因此本发明的目的是，如下改进开头描述的装置，使得其基本上与其几何尺寸更加无关，以便由此在研究和测试相应的用于热的材料处理或热的材料合成的方法时变得更自由，以及为此给出相应的方法。

在装置方面，根据本发明通过以下方式实现该目的，即，在通往火焰的管路中在上游布置可由外部驱动的、用于被引导到燃烧器的质量流的至少一部分质量流的脉动装置。

具有用于质量流的由外部驱动的脉动振幅和频率的装置和利用该装置根据本发明实施的方法具有的优点是，借助于可由外部驱动的脉动装置可受控地在时间上周期性地调制流向燃烧器的燃料/空气混合气(在预混合燃烧的情况中)或者燃烧用空气质量流(在扩散燃烧的情况中)，并且操作者因此可能，一方面彼此独立地并且另一方面也与所有其它过程参数无关地有针对性地调节所述质量流波动的频率和振幅。

通过可驱动的脉动装置，产生用于热处理所需的热气体流的火焰通过相应周期性振动的输送或者被燃料/空气混合气或者被燃烧用空气强制激励。由此，火焰刚好以在脉动装置处设定的频率和振幅振动。

本发明基于以下认知，即，如对于名称“谐振管”的使用所认识到的，在作为产生振动的热气体流的原因的不寻常的现象方面，存在重要且顽固的疏忽/错误：

以上描述的在现有技术中出现的、自激励的燃烧不稳定性的现象是系统不稳定性，在其中，系统在达到特定于设备的稳定性极限时从具有静态的燃烧过程的静态的无振动的运行状态突然地突变成具有周期地非静态的燃烧过程的周期地非静态的振动的运行状态，而此时不存在系统的外部激励。

实际上，术语“谐振”表示与此在物理上完全不同的现象，即，外部激励的或强制激励的振动：能振动的系统通过外部的、周期的激励(例如由于周期的不平衡等引起的周期的力作用)被激励进行“一起振动”，即，进行谐振。

因此，在现有技术中描述的振动火焰反应器的情况中，在现实中完全不存在实际意义中的谐振现象，因为不存在将例如在谐振管中的气柱置于周期振动的或激励其进行谐振的周期性的激励源。

相反地，如已经阐述的那样，其为系统不稳定性，该系统不稳定性涉及整个反应器并且所有设备组件(燃烧器-燃烧室-反应室(“谐振管”)-分离装置(过滤器、旋风分离器)-等)的联结的振动性能对于其所出现的振动频率有责任/10/。

因此，在根据现有技术的反应器中在自激励的燃烧不稳定性时出现的振动频率不等于构件、例如“谐振管”的谐振频率，而是为由整个系统(并且进而当然也为由反应器的相应的实施方案的尺寸)确定的频率，所述频率特定于设备地具有非常不同的值/10/。

在本发明的所述主题中，利用燃料/空气混合气或者利用燃烧用空气对火焰的时间调制的馈给同时改变了振动的火焰的热释放，其同样是周期性的并且在此与火焰的强制振动的频率相同。即，得到脉动的热气体质量流，在其中，能够彼此独立地调节频率和振幅，而对此反应器的几何尺寸不是重要的。就此而言重要的是，在已知的反射器中该振动是自激励的，而在根据本发明的情况中其是强制激励的。

特别是，可通过特别是被输送给用于产生热气体流的火焰的燃烧器的初级空气、优选地整个包括这种初级空气的燃料/空气混合气的相应的影响，引起火焰的频率和/或振幅的特别有效的可调节性。在此处作为背景技术的材料处理反应器中，之前例如已经在固体燃料燃烧中使用的二级空气流的主动脉动不导致热气体流的振幅和频率的期望的直接改变。

也重要的是，以出人意料的方式表明，热的材料处理或材料合成的产品的性能证实为与以下无关，即，该产品是借助于具有强制激励的振动的热气体流的根据本发明的装置产生的还是借助于脉动的、周期性的但是自激励的热气体流产生的。

在本发明的特别优选的实施形式中，此外燃烧室还设有至少一个用于改变其几何结构的元件。反应室也可设有用于改变其几何结构的相应的元件，其中，所述在反应室中的相应的元件不仅可替代地而且可附加地与燃烧室中的改变几何结构的元件一起设置在燃烧室中。此外，在此出于良好的分类的原因应指出的是，燃烧室和反应室不仅可实施成相互分离的也可实施成直接过渡到彼此中。

用于改变几何结构的所述元件在此可能是重要的，因为燃烧室和/或反应室的谐振频率可被火焰的强制激励的频率涉及。这可导致激励在其中存在的热气体振动。在这种谐振情况中，发生所出现的振动振幅的与谐振相关的剧烈过高。为了对于所有原则上可利用所描述的脉动装置产生的频率避免这种情况，必须如此强地使燃烧室和/或反应室减弱振动，使得存在超临界的减振并且由此在利用谐振频率激励时也不会出现振动振幅的谐振过高。原则上，这种设计方案也被称为“被动燃烧室”。

作为其备选的是以上阐述的用于燃烧室和/或反应室的几何结构的改变元件，因为通过改变元件能以可变地调节的方式设计(多个)谐振过高的在频率方面的位置。由此存在这样的可能性，即，在火焰的每个强制激励的频率下，如此移动或如此协调燃烧室和/或反应室的谐振范围的在频率方面的位置，使得在通过脉动装置恰好调节出的各个火焰激励频率下不再可出现谐振激励以及进而不允许的振幅过高。

现在，根据本发明实现，用于热的材料处理的振动的热气体反应器能以小的实施方案构造或者被构造成实验室反应器。在这种根据本发明的热气体反应器中，通过外部驱动的脉动装置，可强制激励出具有可调整的振幅和可调整的频率的火焰振动。这两者可完全彼此无关地调整。

由此，利用根据本发明的装置实现，能模拟具有强制激励的火焰振动/热气体振动的热的材料处理的条件，该条件与如在通过自激励的燃烧不稳定性驱动的振动火焰反应器中出现的相应的振动相同。这适用于所有根据结构尺寸和结构形式出现的频率和振幅。

应再次指出的是，以出人意料的方式，在这种小的反应器或实验室反应器中产生的产品的材料性能相应于稍后在利用具有显著更大的尺寸的生产设备进行的批量生产中实现的材料性能。

即，由此，本发明者发现这样的可能性，即，克服至今存在的、所产生的材料性能与振动火焰反应器的尺寸的相关性。在至今已知的装置中，根据个案的振动火焰反应器的结构尺寸和结构形式自动地调整由于自激励的燃烧不稳定性引起的振动的热气体流的频率和振幅，而现在可如以上描述的那样目标准确地在实验室反应器中调整在材料开发试验或小批量生产的范围中特定的处理条件，并且由此在具有强制激励的实验室设备中模拟大型设备的自激励的振动性能。

本发明也给出以下可能性，即，当从进行新产品生产的振动火焰反应器中了解了由于自激励的燃烧振动而自动产生且调整的频率和振幅时，可有目的地利用这些准确已知的值在实验室反应器中进行材料开发、优化试验和小批量样本制造。由此可保证，在此在产品的材料性能方面得到的开发结果可被传递到在大的实施方案中批量生产时得到的产品上。

作为布置在通往燃烧室的管路中的脉动装置，例如可设置气缸/活塞单元。活塞通过特别是外部的驱动装置往复运动，从而利用活塞可将燃料/空气混合气或者燃烧用空气吸入气缸腔中并且将其再次排出，从而在流动技术上连接在气缸/活塞单元下游的燃烧器处出现基本上呈正弦形的期望的脉动。

除了活塞往复运动的频率，利用该单元，也可根据需要通过由活塞经过的行程(该行程为此实施成可调整的)来匹配振幅。

一种相似的实施形式在与通往燃烧器的管路相连接的腔室中具有膜片，该膜片部分地形成该腔室的壁部并且可由外部激励该膜片进行振动。通过该膜片的振动运动连续地减小和增大腔室的体积，并且通过该体积变化可将由管路输出到燃烧器处的质量流置于基本上呈正弦形的脉动。

用于产生流向燃烧器的脉动流动的另一可能性是，使用在燃烧器上游的快速关闭的阀。

在特别优选的实施形式中，在通往燃烧器的管路中设置有脉动装置，该脉动装置具有圆柱形的壳体，在壳体的周面中存在有具有正弦形地伸延的边缘的开口和矩形的面。通过该开口，燃烧气体/空气混合气的质量流或燃烧用空气的质量流从壳体内部流入连接在壳体处的、通往燃烧器的管路中。

具有正弦形的边缘的开口通过布置在脉动装置的内部中的、特别是多翼的旋转滑块周期性地为从壳体中流出的质量流封闭。在此，旋转滑块通过具有可调整的转速的马达驱动。

通过周期性地从脉动装置的壳体中封闭具有正弦形的边缘的开口，穿过开口的气体质量流(燃烧气体/空气混合气或仅仅燃烧用空气)周期性地并且由此在时间上正弦形地被调制。通过驱动马达的转速和旋转的旋转滑块的翼片的数量，调节质量流调制的频率。典型地，该频率在1hz与500hz之间的频率范围中。

通过利用静态的、不旋转的第二滑块从脉动装置的壳体中附加地阻断矩形的开口，可目标准确地调整总是朝向燃烧器的方向流出的旁路质量流并且由此确定被强制的质量流波动的脉动振幅。

在极限情况中，当矩形的开口完全被封闭并且旋转的旋转滑块刚好瞬时地同样完全封闭具有正弦形的边缘的开口时，从脉动装置中出来的、流向燃烧器的质量流几乎为零。

如果旋转滑块之后再次越来越多地打开具有正弦形的边缘的开口，则从脉动装置中流出的且流入燃烧器中的混合气质量流或空气质量流持续地增加，直至其在具有正弦形的边缘的开口完全打开时达到其最大值，以便随后在再次越来越多地封闭具有正弦形的边缘的开口时再次减小。

利用这种仅作为一个实施例的脉动装置，通过以周期振动的方式输送新鲜的燃料/空气混合气或燃烧用空气来强制激励火焰，更确切地说准确地以在脉动装置处调节出的频率和振幅强制激励火焰。

通过利用燃料/空气混合气向火焰以时间上调制的方式进行馈给，在火焰中，振动的火焰的瞬时热释放以及由此出现的从在火焰中的燃烧过程中得到的瞬时的热气体质量流同样周期性地且以与强制激励相同的频率变化。即，以这种方式产生具有可彼此独立地进行调节的频率和振幅的、脉动的热气体质量流，在该热气体质量流中可进行原材料的期望的热材料处理，而对此反应器的尺寸不重要。

附图说明

从以下对实施例的描述中得到本发明的其它优点和特征。其中：

图1示出了用于在振动的热气体流中热处理原材料的装置的原理图，

图2以外观视图示出了用于产生振动的质量流的装置，

图3以截面图示出了根据图2的装置。

附图标记列表：

1燃烧器

2脉动的质量流

3燃料

4脉动装置

5管路

6连续的质量流

7活塞

8马达

9被质量流穿流的腔室

10脉动的燃料/空气混合气

11火焰

12脉动的热气体流

13燃烧室

14壁部

15原材料

16反应室

17壁部

18产品

19冷却空气

20改变元件

21驱动轴

22旋转滑块

23开口

24矩形区段

25第二滑块

26调整销

具体实施方式

在图1中，可看出作为原理图的、用于在振动的热气体流中热处理原材料的装置的剖视图。

脉动的质量流2被输送给燃烧器1。该质量流或者为燃烧空气(当燃烧器1为扩散燃烧器时)，或者为燃料/空气混合气(当燃烧器1为预混合燃烧器时，这是优选的)。如果脉动的质量流2仅仅为用于扩散燃烧器的燃烧用空气，则还单独将燃料3输送给燃烧器1。

在此，相对于预混合燃烧器，扩散燃烧器具有的问题是，脉动的燃烧用空气局部可导致缺氧，由此在待利用燃烧器产生的热气体流中产生不期望的燃烧值、例如炭黑。这种燃烧残留物导致污染待处理或待合成的材料。因此，代替燃料3，在此可在预混合燃烧器中添加另外的燃料/空气混合气。在燃烧器的出口处进入在那里产生的火焰中的质量流整体上脉动，其中，该质量流近似于由均匀流动的基础流和被激励进行脉动的质量流组成。

脉动的质量流2来自于脉动装置4，脉动装置4在燃烧器1上游集成到管路5中，利用管路5将脉动的质量流2输送给燃烧器1。

向脉动装置4输送连续的质量流6，质量流6通过脉动装置4转换成脉动的质量流2。

脉动装置4可具有活塞7，该活塞借助于马达8往复运动，从而由此强迫连续的质量流6进行脉动，该脉动将质量流6转换成脉动的质量流2。

代替活塞7，也可使膜片运动，膜片形成被质量流穿流的腔室9的壁部。以这种方式，也可产生质量流2的脉动。

在燃烧器1的末端，脉动的燃料/空气混合气10流入火焰11中，该火焰相应地以被激励的方式脉动并且由此产生脉动的热气体流12。脉动的火焰11在此在燃烧室13中燃烧，燃烧室13具有在必要时双壁的、水冷却的壁部14。

向离开燃烧室13的脉动的热气体流12中添加原材料15，热气体流和原材料15一起被引导通过反应室16，反应室16在流动技术上与燃烧室13联接。反应室根据需要也设有双壁的、空气冷却或水冷却的壁部17。

在反应室16中，相应地处理被输送到脉动的热气体流12中的原材料15，其中，根据原材料或原材料混合物的成分，在此也可进行材料合成。

在反应室16的末端，从反应室16中排出完成的产品，其中，存在这种可能性，在此，根据需要还向热气体流中添加冷却空气19，以骤冷所生成的产品18。

从反应室16中被排出的产品紧接着通过未示出的热气体过滤器或旋风分离器与载有该产品的热气体分离。

在此表明，只要确定了脉动的热气体流12的频率和振幅，在此示出的用于完成的产品的装置的尺寸最终是不重要的。所述确定可通过脉动装置4进行，脉动装置4为脉动的质量流2赋予其频率和振幅。

为了防止在燃烧室13中和在流动技术上连接在燃烧室13下游的反应室16中出现不期望的谐振(其可导致所产生的振幅的在这种情况中不期望的过高)，该装置配备有用于改变燃烧室和/或反应室的几何结构的改变元件20。该改变元件在此处示出的示例中通过燃烧室13的可移动的底部20形成。利用该改变元件20，可如此改变此处示出的装置的谐振频率，使得该谐振频率不再能导致不期望的、与谐振相关的、通过脉动的火焰11产生的振幅的过高。

在这一点上应指出的是，在此示出的燃烧室和连接在燃烧室下游的谐振腔原则上与亥姆霍兹谐振器相同地设计，即，不是与以上已经描述的、风琴管形的半波或四分之一波谐振器相同地设计。由此，在这种可用作实验室反应器的装置的通常的尺寸中，根据改变元件的位置以及例如作为亥姆霍兹谐振器的燃烧室的由此得到的体积和所调整的热气体质量流的温度，该装置可具有约40hz至160hz的运行频率以避免谐振频率。

在脉动产生方面，在图2和3中更详细地示出了合适的脉动装置：可通过马达轴21使多翼的旋转滑块22旋转，该多翼的旋转滑块在此打开和关闭具有正弦形的面的开口23。通过该开口23，将连续地流入脉动装置中的质量流6转换成脉动的质量流2，其中，由于被质量流穿流的开口23具有正弦形的面，该脉动具有基本上正弦形的变化趋势。通过借助于驱动轴21施加到旋转滑块22上的转速并且通过旋转滑块21所具有的翼片的数量，在此可确定和/或调节质量流的被设定/调节的频率。在此，频率通常在1hz至500hz之间。

也可行的是，利用矩形形状24的区段补充开口23。通过该区段，可借助于第二滑块25引起用于质量流的均匀的基础流，该基础流相对于脉动的质量流引起旁路流，第二滑块可根据需要封闭该矩形区段。

第二滑块25可通过调整销26相应地调整。

文献：

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/10/chr.bender：“messungundberechnungdesresonanzverhaltens-gekoppelterhelmholtz-resonatorenintechnischenverbrennungsstemen(在燃烧技术系统中与谐振性能相关的亥姆霍兹谐振器的测量和计算)”；卡尔斯鲁厄大学论文kit，2010