用于以高效率产生能量的催化燃烧设施和3阶段催化燃烧设施
阅读：511发布：2022-02-13
专利汇可以提供用于以高效率产生能量的催化燃烧设施和3阶段催化燃烧设施专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型涉及用于以高效率产生 能量 的催化燃烧设施，以及3阶段催化燃烧设施。该催化燃烧设施(CAB)包括至少以下部件：一次空气供给源(AIR1)，用于将催化燃烧(CAB)中所需的空气的至少90％，作为一次空气(AIR1)递送到所述催化燃烧设施(CAB)的前部分(CAS)中；至少两个相继的 燃料 供给源(FU1、FU2、FU3、FU4)，用于将燃料供给到所述催化燃烧设施(CAB)中；和至少两个相继的催化燃烧阶段(CA1、CA2、CA3、CA4)；至少一个热传递部件(HT1、HT2、HT3)；在所述催化燃烧设施(CAB)的尾部部分(CAL)中的用于排放燃烧生成的气体(EXG)的排气装置(EXH)。，下面是用于以高效率产生能量的催化燃烧设施和3阶段催化燃烧设施专利的具体信息内容。
1.一种用于以高效率产生能量的催化燃烧设施(CAB)，其特征在于，所述催化燃烧设施(CAB)包括至少以下部件：
-一次空气供给源(AIR1)，用于将催化燃烧(CAB)中所需的空气的至少90％，作为一次空气(AIR1)递送到所述催化燃烧设施(CAB)的前部分(CAS)中；
-至少两个相继的燃料供给源(FU1、FU2、FU3、FU4)，用于将燃料供给到所述催化燃烧设施(CAB)中；和至少两个相继的催化燃烧阶段(CA1、CA2、CA3、CA4)，在每个阶段中，通过递送到所述催化燃烧设施(CAB)的前部分(CAS)中的一次空气(AIR1)，在0.015-0.10s的时间帧内，仅逐步催化地燃烧顺序供给的燃料(FU1、FU2、FU3、FU4)，使得在所述催化燃烧阶段(CA1、CA2、CA3、CA4)中的温度高于800℃且低于1100℃，
其中，所述催化燃烧被提供为：利用过量空气进行所述催化燃烧，其中所述过量空气基于残余氧气而被测量，并且所述催化燃烧阶段(CA1、CA2、CA3、CA4)中的燃料/空气比在爆炸下限(LEL)之下，并且
其中，用于所述催化燃烧阶段(CA1、CA2、CA3、CA4)的催化转换器是混合催化转换器，所述混合催化转换器包含来自金属蜂窝的贵金属；
-至少一个热传递部件(HT1、HT2、HT3)，用于降低在至少一个相继的催化燃烧阶段(CA1、CA2、CA3、CA4)中生成的气体(EXG)的温度，并且所述热传递部件(HT1、HT2、HT3)在下一个相继的催化燃烧阶段(CA1、CA2、CA3、CA4)之前；
-在所述催化燃烧设施(CAB)的尾部部分(CAL)中的用于排放燃烧生成的气体(EXG)的排气装置(EXH)。
2.根据权利要求1所述的用于以高效率产生能量的催化燃烧设施，其特征在于，所述催化燃烧设施(CAB)的尾部部分(CAL)设置有至少一个残余热传递部件(HT4)，用于在所述催化燃烧阶段(CA1、CA2、CA3、CA4)的下游降低所述燃烧生成的气体(EXG)的温度。
3.根据权利要求2所述的用于以高效率产生能量的催化燃烧设施，其特征在于，所述热传递部件(HT1、HT2、HT3)和/或所述残余热传递部件(HT4)具有管式设计。
4.根据权利要求1或2所述的用于以高效率产生能量的催化燃烧设施，其特征在于，残余氧气的量为0.5-10％。
5.根据权利要求1或2所述的用于以高效率产生能量的催化燃烧设施，其特征在于，所述催化燃烧设施(CAB)在所述催化燃烧阶段(CA1、CA2、CA3、CA4)之前设置有至少一个静态混合器。
6.根据权利要求1或2所述的用于以高效率产生能量的催化燃烧设施，其特征在于，所述催化燃烧设施(CAB)设置有二次空气供给源(AIR2)，所述二次空气供给源(AIR2)用于递送空气，且所述二次空气供给源(AIR2)所递送的空气不多于在催化燃烧(CAB)中所需的空气的10％。
7.根据权利要求1或2所述的用于以高效率产生能量的催化燃烧设施，其特征在于，在所述催化转换器之间存在热交换器。
8.根据权利要求1或2所述的用于以高效率产生能量的催化燃烧设施，其特征在于，在所述催化转换器的下游设置有温度传感器。
9.根据权利要求1所述的用于以高效率产生能量的催化燃烧设施，其特征在于，所述一次空气供给源(AIR1)用于将催化燃烧(CAB)中所需的空气的至少99％作为一次空气(AIR1)递送到所述催化燃烧设施(CAB)的前部分(CAS)中。
10.根据权利要求1所述的用于以高效率产生能量的催化燃烧设施，其特征在于，在所述至少两个相继的催化燃烧阶段(CA1、CA2、CA3、CA4)中的每个阶段中，通过递送到所述催化燃烧设施(CAB)的前部分(CAS)中的一次空气(AIR1)，在0.02-0.06s的时间帧内，仅逐步催化地燃烧顺序供给的燃料(FU1、FU2、FU3、FU4)，使得在所述催化燃烧阶段(CA1、CA2、CA3、CA4)中的温度高于800℃且低于1000℃。
11.根据权利要求3所述的用于以高效率产生能量的催化燃烧设施，其特征在于，所述热传递部件(HT1、HT2、HT3)和/或所述残余热传递部件(HT4)具有翅片管设计。
12.根据权利要求4所述的用于以高效率产生能量的催化燃烧设施，其特征在于，所述残余氧气的量为1-3％。
13.一种3阶段催化燃烧设施(CAB)，其特征在于，所述3阶段催化燃烧设施(CAB)包括至少以下部件：
-一次燃料供给源(FUE)，用于将在催化燃烧(CAB)中所需的燃料的至少90％，供给到所述3阶段催化燃烧设施(CAB)的前部分(CAS)中；
-用于将氧气供给到所述3阶段催化燃烧设施中的3个相继的氧气供给源(OXY)；以及用于通过递送的氧气逐步燃烧所述燃料(FUE)的3个相继的仅催化燃烧阶段(CA1、CA2、CA3)；
-两个相继的热传递部件(HT1、HT2)，用于降低在三个相继的催化燃烧阶段(CA1、CA2、CA3)中生成的气体(EXG)的温度，并且所述热传递部件(HT1、HT2、HT3)在下一个相继的催化燃烧阶段(CA1、CA2、CA3)之前；
-在所述3阶段催化燃烧设施(CAB)的尾部部分(CAL)中的用于排放燃烧生成的气体(EXG)的排气装置(EXH)，
其中，用于所述催化燃烧阶段(CA1、CA2、CA3)的催化转换器是混合催化转换器，所述混合催化转换器包含来自金属蜂窝的贵金属。
14.根据权利要求13所述的3阶段催化燃烧设施，其特征在于，所述3阶段催化燃烧设施(CAB)的尾部部分(CAL)设置有一个残余热传递部件(HT4)，用于在所述催化燃烧阶段(CA1、CA2、CA3、CA4)之后降低所述燃烧生成的气体(EXG)的温度。
15.根据权利要求13或14所述的3阶段催化燃烧设施，其特征在于，所述3阶段催化燃烧设施(CAB)还包括用于燃烧生成的气体(EXG)的冷凝器(COOL)。
16.根据权利要求13或14所述的3阶段催化燃烧设施，其特征在于，用于所述催化燃烧阶段(CA1、CA2、CA3)的所述催化转换器设置有热交换器，所述热交换器具有在竖直方向上堆叠的对角波纹板，使得波纹的波峰在不同方向相互交叉，以建立呈字母X的形状的交叉延伸流通道，由此建立混合蜂窝结构。
17.根据权利要求16所述的3阶段催化燃烧设施，其特征在于，所述催化转换器的混合蜂窝结构在其端部被焊接以与外壳附接。
18.根据权利要求13所述的3阶段催化燃烧设施，其特征在于，所述一次燃料供给源(FUE)将在催化燃烧(CAB)中所需的燃料的至少99％供给到所述3阶段催化燃烧设施(CAB)的前部分(CAS)中。
用于以高效率产生能量的催化燃烧设施和3阶段催化燃烧
设施
技术领域
[0001] 本实用新型涉及用于以高效率和极低排放产生能量的方法。本实用新型还涉及适合于该方法的设备，以及该设备的制造和使用。
背景技术
[0002] 全世界都在约束能量生产中造成的氮氧化物、一氧化碳、二氧化碳和碳氢化合物的排放，以用于抑制温室效应。在欧洲，针对该目的已经为热锅炉、工艺器材、熔炉等提出了几个指令。这些指令包括直接或间接通过效率限定的对于温室气体的排放标准。在美国，EPA(环境保护局)以及尤其是CARB(加州空气资源委员会)已实施对于氮氧化物和碳氢化合物(一些是以化合物特定形式)的严格的法规。二氧化碳排放通过锅炉和熔炉的效率来监测。中国正在经历类似的发展。在北京，例如对于来自锅炉的氮氧化物的限制值已经设置为30mg/m3，并且对于一氧化碳气体的限制值已经设置为80mg/m3。这些是在没有进一步处理的情况下，用当前传统热燃烧设施不能实现的这样严格的标准。在中国的其他工业化领域也将会继续相同的大力紧缩的趋势。
[0003] 全球气候论坛正在寻求为了阻止温室气体的增长以及实现稳定的下滑趋势的全球协议的方案。最困难的目的是抑制化石燃料特别是煤的燃烧。在燃烧中形成的二氧化碳大量伴随着氮的氧化物，当温度上升至1100℃以上时氮的氧化物的堆积快速地加速，在效率没有下降的情况下，这在气体和液体的热燃烧中是不可以避免的。在美国运行的美国锅炉制造商协会 (ABMA)具有约800名成员公司。较低输出锅炉(<115kW)的制造商不够资格成为其会员。基于此，高度近似地估计全世界存在4000-5000家制造这种大小的公司是4000-5000，并且因此制造的锅炉的数量大约为500.000 pcs/年。
[0004] 代替烟道气的后处理，超低NOx(UltraLow NOx)和无NOx(Zero NOx) 燃烧器的商业制造商在其大力混合的燃烧器中采用烟道气再循环、水乳化以及气体的预热。尽管称为无NOx，但是没有一个热燃烧制造商达到了零 NOx排放。在3％的氧气水平下最低报导的值都是6ppm(约12mg/m3)。
[0005] 第二个选项是烟道气的清洁。氮氧化物的移除通常通过使用选择性催化转换器或非选择性催化转换器(SCR，NSCR)来进行。因此在约300℃的温度下获得的最高清洁率为约98％。然而，SCR催化转换器要求单独的还原剂、尿素或氨，这将招致燃料花费中约4％的额外成本。由此可获得的 NOx排放水平为约5-20ppm。另外，CO排放标准经常需要单独的氧化催化转换器。
[0006] 作为一种新的产品，市场已经存在了一种汽车中常见的、适合于锅炉中的3效催化转换器，但是空气/燃料比的调整要经受3效催化转换器的严格的规定。这种技术甚至使得能够获得当前相当严格的NOx和CO限制值。
[0007] 作为上文的总结，可以推断，热燃烧和与其关联的烟道气的清洁方法不能产生实际上无排放(NOx、VOC和CO)的热能，而该热能可以用本实用新型的催化燃烧设备以及清洁燃料来产生。因此，即使唯一有害的排放 (即，二氧化碳(CO2))可以被利用在例如植物的施肥中、作为保护气体、工业原材料等。
[0008] 植物对于氮的氧化物(NOx)、硫的氧化物(SOx)、硫化氢(H2S)以及乙烯(C2H4)的敏感是人的约100倍(参见下表)。在本实用新型的催化氧化方法的情况下，甚至可以实现植物要求的排放水平。随后的表格示出了与植物可接受的浓度相比，在工作环境中人对于最重要的危害气体的可接受的浓度(男性，8h工作日)。
[0009]
[0010] 二氧化碳施肥在蔬菜种植中是最有用的。芬兰现在的蔬菜种植中具有约1000个温室，并且这些温室中约330个通过使用总量约5百万kg/年的液态或气态二氧化碳执行施肥。价格范围是广泛的：在最大的寄售 (consignment)中，液态CO2花费约0,10€/kg，而瓶装的CO2花费约1,5€/kg。与芬兰的消费相比，估计全球的消费是芬兰消费的多于200倍。在温室的使用中，CO2的市场约为3亿€/年，但如果不是小温室使用的液态CO2是如此昂贵市场可能会大得多。
[0012] 现在所申请的是一种用于以高效率和极低排放产生能量的方法。本实用新型还涉及一种适合于该方法的设备以及该设备的制造和使用(用途)。
[0013] 根据本实用新型的第一方面，一种用于以高效率产生能量的催化燃烧设施，其特征在于，所述催化燃烧设施包括至少以下部件：
[0014] -一次空气供给源，用于将催化燃烧中所需的空气的至少90％，作为一次空气递送到所述催化燃烧设施的前部分中；
[0015] -至少两个相继的燃料供给源，用于将燃料供给到所述催化燃烧设施中；和至少两个相继的催化燃烧阶段，在每个阶段中，通过递送到所述催化燃烧设施的前部分中的一次空气，在0.015-0.10s的时间帧内，仅逐步催化地燃烧顺序供给的燃料，使得在所述催化燃烧阶段中的温度高于800℃且低于1100℃，
[0016] 其中，所述催化燃烧被提供为：利用过量空气进行所述催化燃烧，其中所述过量空气基于残余氧气而被测量，并且所述催化燃烧阶段中的燃料/ 空气比在爆炸下限之下，并且
[0017] 其中，用于所述催化燃烧阶段的催化转换器是混合催化转换器，所述混合催化转换器包含来自金属蜂窝的贵金属；
[0018] -至少一个热传递部件，用于降低在至少一个相继的催化燃烧阶段中生成的气体的温度，并且所述热传递部件在下一个相继的催化燃烧阶段之前；
[0019] -在所述催化燃烧设施的尾部部分中的用于排放燃烧生成的气体的排气装置。
[0020] 进一步地，所述催化燃烧设施的尾部部分设置有至少一个残余热传递部件，用于在所述催化燃烧阶段的下游降低所述燃烧生成的气体的温度。
[0021] 进一步地，所述热传递部件和/或所述残余热传递部件具有管式设计。
[0022] 进一步地，残余氧气的量为0.5-10％。
[0023] 进一步地，所述催化燃烧设施在所述催化燃烧阶段之前设置有至少一个静态混合器。
[0024] 进一步地，所述催化燃烧设施设置有二次空气供给源，所述二次空气供给源用于递送空气，且所述二次空气供给源所递送的空气不多于在催化燃烧中所需的空气的10％。
[0027] 进一步地，所述一次空气供给源用于将催化燃烧中所需的空气的至少 99％作为一次空气递送到所述催化燃烧设施的前部分中。
[0028] 进一步地，在所述至少两个相继的催化燃烧阶段中的每个阶段中，通过递送到所述催化燃烧设施的前部分中的一次空气，在0.02-0.06s的时间帧内，仅逐步催化地燃烧顺序供给的燃料，使得在所述催化燃烧阶段中的温度高于800℃且低于1000℃。
[0029] 进一步地，所述热传递部件和/或所述残余热传递部件具有翅片管设计。
[0030] 进一步地，所述残余氧气的量为1-3％。
[0031] 另一方面，一种3阶段催化燃烧设施，其特征在于，所述3阶段催化燃烧设施包括至少以下部件：
[0032] -一次燃料供给源，用于将在催化燃烧中所需的燃料的至少90％，供给到所述3阶段催化燃烧设施的前部分中；
[0033] -用于将氧气供给到所述3阶段催化燃烧设施中的3个相继的氧气供给源；以及用于通过递送的氧气逐步燃烧所述燃料的3个相继的仅催化燃烧阶段；
[0034] -两个相继的热传递部件，用于降低在三个相继的催化燃烧阶段中生成的气体的温度，并且所述热传递部件在下一个相继的催化燃烧阶段之前；
[0035] -在所述3阶段催化燃烧设施的尾部部分中的用于排放燃烧生成的气体的排气装置，
[0036] 其中，用于所述催化燃烧阶段的催化转换器是混合催化转换器，所述混合催化转换器包含来自金属蜂窝的贵金属。
[0037] 进一步地，所述3阶段催化燃烧设施的尾部部分设置有一个残余热传递部件，用于在所述催化燃烧阶段之后降低所述燃烧生成的气体的温度。
[0039] 进一步地，用于所述催化燃烧阶段的所述催化转换器设置有热交换器，所述热交换器具有在竖直方向上堆叠的对角波纹板，使得波纹的波峰在不同方向相互交叉，以建立呈字母X的形状的交叉延伸流通道，由此建立混合蜂窝结构。
[0041] 进一步地，所述一次燃料供给源将在催化燃烧中所需的燃料的至少 99％供给到所述3阶段催化燃烧设施的前部分中。
[0042] 另一方面，在催化燃烧阶段CA1、CA2、CA3、CA4中的燃料/空气比在LEL(爆炸下限)之下。本实用新型的第一种方法至少包括以下步骤：
[0043] -将在催化燃烧(CAB)中所需的空气的至少90％，优选地至少99％作为一次空气(AIR1)递送到催化燃烧设施(CAB)的前部分中；
[0044] -将燃料(FU1、FU2、FU3、FU4)在至少两个相继阶段中供给到催化燃烧设施(CAB)中，并且在至少两个相继的催化燃烧阶段(CA1、CA2、 CA3、CA4)中在每个阶段中，通过递送到催化燃烧设施(CAB)的前部分 (CAS)中的一次空气(AIR1)，在0,015-0,10s的时间帧(时间范围，time frame)内，优选地在0,02-0,06s的范围内，仅逐步催化地燃烧顺序供给的燃料(FU1、FU2、FU3、FU4)，使得催化燃烧阶段(CA1、CA2、CA3、 CA4)中的温度高于800℃并且低于1100℃，优选地低于1000℃，其中，催化燃烧是用以残余氧气测量的过量空气进行的，并且在催化燃烧阶段 (CA1、CA2、CA3、CA4)中的燃料/空气比在LEL(爆炸下限)之下；
[0045] -在至少一个热传递阶段(HT1、HT2、HT3)中减少在至少一个相继催化燃烧阶段(CA1、CA2、CA3、CA4)中生成的气体(EXG)的温度，所述热传递阶段(HT1、HT2、HT3)在下一个催化燃烧阶段(CA1、CA2、 CA3、CA4)之前；
[0046] -从燃烧设施(CAB)的尾部部分(CAL)移除燃烧生成的气体(EXG)。
[0047] 这种方案提供了简单的技术应用，且工艺变得高效，并且结果的排放将会极其低。
[0048] 残余氧气在本申请中意指在催化燃烧之后燃烧生成的气体中的氧气的量(w/w)。
[0049] 根据本实用新型的第二方面，在催化燃烧阶段CA1、CA2、CA3、CA4 中的燃料/空气比在UEL(爆炸上限)之上。本实用新型的第二种方法至少包括以下步骤：
[0050] -将催化燃烧(CAB)中的燃料(FUE)的至少90％，优选地至少99％递送到催化燃烧设施(CAB)的前部分中；
[0051] -将氧化气体或液体(OXY)在至少两个相继阶段中供给到催化燃烧设施(CAB)中，并且在每个阶段，在0,015-0,10s的时间帧内，优选地在0,02-0,06s的时间帧内，仅逐步催化地燃烧在至少两个相继催化燃烧阶段 (CA1、CA2、CA3、CA4)中的供给燃料(FUE)，以使得在催化燃烧阶段(CA1、CA2、CA3、CA4)中的温度高于800℃并且低于1100℃，优选地低于1000℃，并且其中，在催化燃烧阶段(CA1、CA2、CA3、CA4)中的燃料/空气比在UEL(爆炸上限)之上；
[0052] -在至少一个热传递阶段(HT1、HT2、HT3)中减少在至少一个相继催化燃烧阶段(CA1、CA2、CA3、CA4)中生成的气体(EXG)的温度，所述热传递阶段(HT1、HT2、HT3)在下一个催化燃烧阶段(CA1、CA2、 CA3、CA4)之前；
[0053] -从燃烧设施(CAB)的尾部部分(CAL)移除燃烧生成的气体(EXG)。
[0054] 此时温度对于效率燃烧燃料是足够高的。同时温度是如此之低以至于没有生成NOx排放。温度也有利于组件(装配)。
[0055] 根据本实用新型的一个方面，本实用新型包括将催化燃烧CAB中所需的空气的不多于10％，优选地不多于1％作为二次空气AIR2递送到催化燃烧设施CAB的前部分CAS的下游。根据本实用新型的一个方面，本实用新型包括将催化燃烧CAB中所需的空气的至少99％作为一次空气AIR1递送到催化燃烧设施CAB的前部分CAS中。这为燃烧和/或其效率提供了进一步的加强。
[0056] 在根据本实用新型的燃烧中，包括仅催化地燃烧，将会带来无NOx排放或者NOx浓度极其低。因此不需要从排出气体中移除NOx。一氧化碳 (CO)和碳氢化合物(CH)的排放也将极其低。与现有技术工艺相比，这用高效率和极低排放提供了技术和经济二方面的优点。
[0057] 根据本实用新型的一个方面，本实用新型包括将燃料FU1、FU2、FU3、FU4在至少三个相继阶段中供给到催化燃烧设施CAB中，并且通过递送到催化燃烧设施CAB的前部分CAS中的一次空气AIR1，在至少三个相继的催化燃烧阶段CA1、CA2、CA3、CA4中逐步燃烧顺序供给的燃料FU1、 FU2、FU3、FU4。相应地，本实用新型包括在至少两个热传递阶段HT1、 HT2、HT3中减少在至少两个相继催化燃烧阶段CA1、CA2、CA3、CA4 中生成的气体EXG的温度，所述热传递阶段HT1、HT2、HT3在下一个相继催化燃烧阶段CA1、CA2、CA3、CA4之前。这提供了燃烧和/或其效率的进一步增强。
[0058] 根据本实用新型的一个方面，本实用新型包括将燃料FU1、FU2、FU3、 FU4在至少四个相继阶段中供给到催化燃烧设施CAB中，并且通过递送到催化燃烧设施CAB的前部分CAS中的一次空气AIR1，在至少四个相继的催化燃烧阶段CA1、CA2、CA3、CA4中逐步燃烧顺序供给的燃料FU1、 FU2、FU3、FU4。相应地，本实用新型包括在至少三个热传递阶段HT1、 HT2、HT3中减少在至少两个相继的催化燃烧阶段CA1、CA2、CA3、CA4 中生成的气体EXG的温度，所述热传递阶段HT1、HT2、HT3在下一个相继催化燃烧阶段CA1、CA2、CA3、CA4之前。这提供了燃烧和/或其效率的进一步增强。
[0059] 根据本实用新型的一个方面，本实用新型包括将在催化燃烧CAB中所需的空气的至少99％作为一次空气AIR1递送到催化燃烧设施CAB的前部分CAS中。根据本实用新型的一个方面，本实用新型包括将在催化燃烧CAB 中所需的空气的不多于10％作为二次空气AIR2递送到催化燃烧设施CAB 的前部分CAS的下游。这提供了燃烧和/或其效率的进一步增强。
[0060] 根据本实用新型的一个方面，本实用新型包括在催化燃烧阶段CA1、 CA2、CA3、CA4下游的燃烧设施CAB的尾部部分CAL中在至少一个残余热传递阶段HT4中减少燃烧生成的气体EXG的温度。根据本实用新型的一个方面，本实用新型包括在热传递阶段HT1、HT2、HT3中和/或在残余热传递阶段HT4中将燃烧生成的气体EXG冷却至150-350℃的温度。根据本实用新型的一个方面，本实用新型包括在至少一个热传递阶段HT1、HT2、 HT3中和/或在残余热传递阶段HT4中回收燃烧生成的气体EXG中包含的热能，并且将热能传递到水、空气或其他液态或气态物质中。根据本实用新型的一个方面，本实用新型包括将燃烧生成的气体EXG和/或CO2中包含的热能直接在使用的位置优选地在温室中利用。这提供了燃烧和/或其效率的进一步增强。
[0061] 根据本实用新型的一个方面，所供给的燃料FU1、FU2、FU3、FU4为气态和/或液态的。根据本实用新型的一个方面，所供给的燃料FU1、FU2、 FU3、FU4选自包括天然气、生物气、液化气、轻燃料油、醇类、一氧化碳、在木材的热处理中生成的物质的组。还可以是其他可燃气体和液体。这提供了燃烧和/或其效率的进一步增强。在几个阶段中优选地通过空气进行氧化。也可以使用氧气和其他氧化液态或气态物质。
[0062] 根据本实用新型的一个方面，催化燃烧阶段CA1、CA2、CA3、CA4 中的温度少于1100℃，优选地少于1000℃，甚至更优选地少于900℃。根据本实用新型的一个方面，催化燃烧阶段CA1、CA2、CA3、CA4中的燃烧在0,015-0,10s的时间帧内进行。这提供了燃烧和/或其效率的进一步增强。
[0063] 根据本实用新型的一个方面，当以燃料包含的能量转换成热能计算时，催化燃烧的总效率为至少99％。这提供了燃烧和/或其效率的进一步增强。
[0064] 根据本实用新型的一个方面，从催化燃烧排出的排出气体EG中的氮氧化物NOx的浓度平均少于1ppm。根据本实用新型的一个方面，从催化燃烧排出的排出气体EG中的一氧化碳CO的浓度平均少于1ppm。根据本实用新型的一个方面，从催化燃烧排出的排出气体EG中的挥发性碳氢化合物 VOC的浓度平均少于1ppm。这提供了燃烧和/或其效率的进一步增强。
[0065] 根据本实用新型的一个方面，第一和/或第二燃料供给FU1相对于供给到催化燃烧设施CAB中的燃料FU1、FU2、FU3、FU4的总量的百分比是在燃料的热值的基础上确定的，其方式为使得第一催化转换器的温度不会上升至多于1000℃，优选地不会上升至多于900℃。这提供了燃烧和/或其效率的进一步增强。
[0066] 根据本实用新型的一个方面，催化燃烧阶段CA1、CA2、CA3、CA4 通过使用包含来自金属单体(cell)的贵金属的混合催化转换器来进行。这提供了燃烧和/或其效率的进一步增强。
[0067] 根据本实用新型的一个方面，最后一个催化转换器可以比其他催化转换器大，以便确保清洁燃烧。根据燃料，在前的催化转换器可以具有在 60.000-300.000 1/h范围内变化的处理量(throughput)。在最后一个催化转换器中，生产量可以优选地为30.000-200.000 1/h。这提供了燃烧和/或其效率的进一步增强。
[0068] 根据本实用新型第一方面的催化燃烧设备可以通过以下步骤来制造：
[0069] -为催化燃烧设施(CAB)设置至少一个前部分(CAS)，该前部分包括至少一个一次空气供给源(AIR1)，用于递送在催化燃烧(CAB)中所需的空气的至少90％，优选地至少99％；
[0070] -在前部分(CAS)的下游，为催化燃烧设施(CAB)设置至少两个相继燃料供给源(FU1、FU2、FU3、FU4)，用于将燃料供给到催化燃烧设施 (CAB)中；
[0071] -为催化燃烧设施(CAB)设置至少两个相继的催化燃烧阶段(CA1、 CA2、CA3、CA4)，在每个阶段中，通过递送到催化燃烧设施(CAB)的前部分(CAS)中的一次空气(AIR1)，在0,015-0,10s的时间帧内，优选地在0,02-0,06s的时间帧内，仅逐步催化地燃烧顺序供给的燃料(FU1、FU2、 FU3、FU4)，使得在催化燃烧阶段(CA1、CA2、CA3、CA4)中的温度多于800℃并且少于1100℃，优选地少于1000℃，其中，催化燃烧由以残余氧气测量的过量空气进行，并且催化燃烧阶段(CA1、CA2、CA3、CA4) 中的燃料/空气比在LEL(爆炸下限)之下；
[0072] -为催化燃烧设施(CAB)设置至少一个热传递部件(HT1、HT2、HT3)，用于减少在至少一个相继的催化燃烧阶段(CA1、CA2、CA3、CA4)中生成的气体(EXG)的温度，并且所述热传递部件(HT1、HT2、HT3)位于下一个相继催化燃烧阶段(CA1、CA2、CA3、CA4)之前；
[0073] -为催化燃烧设施(CAB)设置排气装置(EXH)，用于在燃烧设施 (CAB)的尾部部分(CAL)中的燃烧生成的气体(EXG)。
[0074] 根据本实用新型第二方面的催化燃烧设备可以通过以下步骤来制造：
[0075] -为催化燃烧设施(CAB)设置至少一个前部分(CAS)，该至少一个前部分包括至少一个一次燃料供给源(FUE)，其用于递送在催化燃烧(CAB) 中所需的燃料的至少90％，优选地至少99％；
[0076] -在前部分(CAS)的下游为催化燃烧设施(CAB)设置至少两个相继的氧化气体或液体供给源(OXY)，用于将燃料供给到催化燃烧设施(CAB) 中；
[0077] -为催化燃烧设施(CAB)设置至少两个相继的催化燃烧阶段(CA1、 CA2、CA3、CA4)，在每个阶段中，在0,015-0,10s的时间帧内，优选地在 0,02-0,06s的时间帧内，仅逐步催化地燃烧燃料(FUE)，以使得在催化燃烧阶段(CA1、CA2、CA3、CA4)中的温度多于800℃并且少于1100℃，优选地少于1000℃，并且其中，在催化燃烧阶段(CA1、CA2、CA3、CA4) 中的燃料/空气比在UEL(爆炸上限)之上；
[0078] -为催化燃烧设施(CAB)设置至少一个热传递部件(HT1、HT2、HT3)，用于减少在至少一个相继的催化燃烧阶段(CA1、CA2、CA3、CA4)中生成的气体(EXG)的温度，并且所述热传递部件(HT1、HT2、HT3)位于下一个相继催化燃烧阶段(CA1、CA2、CA3、CA4)之前；
[0079] -在燃烧设备(CAB)的尾部部分(CAL)中为催化燃烧设施(CAB) 设置用于排放燃烧生成的气体(EXG)的排气装置(EXH)，。
[0080] 根据本实用新型的一个方面，催化燃烧设施CAB在其尾部部分CAL 中设置有至少一个残余热传递阶段HT4，用于在催化燃烧阶段CA1、CA2、 CA3、CA4之后减少燃烧生成的气体EXG的温度。根据本实用新型的一个方面，热传递部件HT1、HT2、HT3和/残余热传递阶段HT4具有管式设计。根据本实用新型的一个方面，顺序燃料供给FU1、FU2、FU3、FU4适合为气态或液态燃料。根据本实用新型的一个方面，用于催化燃烧阶段CA1、 CA2、CA3、CA4的催化转换器为包含来自金属蜂窝的贵金属的混合催化转换器。根据本实用新型的一个方面，在催化燃烧设施CAB的前部分CAS 的下游，催化燃烧设施CAB设置有二次空气供给源AIR2，该二次空气供给源可以用于递送在催化燃烧CAB中所需的空气的不多于10％。
[0081] 根据本实用新型的第一方面的催化燃烧设施包括：
[0082] -一次空气供给源(AIR1)，用于将催化燃烧(CAB)中所需的空气的至少90％，优选地至少99％作为一次空气(AIR1)递送到催化燃烧设施 (CAB)的前部分(CAS)中；
[0083] -用于将燃料供给到催化燃烧设施(CAB)中的至少两个相继燃料供给源(FU1、FU2、FU3、FU4)，和至少两个相继的催化燃烧阶段(CA1、 CA2、CA3、CA4)，在每个阶段中，通过递送到催化燃烧设施(CAB)的前部分(CAS)中的一次空气(AIR1)，在0,015-0,10s的时间帧内，优选地在0,02-0,06s的时间帧内，仅逐步催化地燃烧顺序供给的燃料(FU1、FU2、 FU3、FU4)，以使得在催化燃烧阶段(CA1、CA2、CA3、CA4)中的温度多于800℃并且少于1100℃，优选地少于1000℃，其中，催化燃烧由以残余氧气(优选地为1-3％)测量的过量空气进行，并且在催化燃烧阶段(CA1、 CA2、CA3、CA4)中的燃料/空气比在LEL(爆炸下限)之下；
[0084] -至少一个热传递部件(HT1、HT2、HT3)，用于减少在至少一个相继催化燃烧阶段(CA1、CA2、CA3、CA4)中生成的气体(EXG)的温度，并且所述热传递部件(HT1、HT2、HT3)在下一个相继催化燃烧阶段(CA1、 CA2、CA3、CA4)之前；
[0085] -在燃烧设备(CAB)的尾部部分(CAL)中用于排放燃烧生成的气体(EXG)的排气装置(EXH)。
[0086] 根据本实用新型第二方面的催化燃烧设施包括：
[0087] -一次燃料供给源(FUE)，用于将在催化燃烧(CAB)中所需的燃料的至少90％，优选地至少99％作为一次(AIR1)递送到催化燃烧设施(CAB) 的前部分(CAS)中；
[0088] -用于将氧化气体或液体供给提供到催化燃烧设施(CAB)中的至少两个相继氧化气体或液体供给源(OXY)，和至少两个相继催化燃烧阶段 (CA1、CA2、CA3、CA4)，在每个阶段中，在0,015-0,10s的时间帧内，优选地在0,02-0,06s的时间帧内，仅逐步催化地燃烧顺序供给的燃料(FU1、 FU2、FU3、FU4)，以使得在催化燃烧阶段(CA1、CA2、CA3、CA4)中的温度多于800℃并且少于1100℃，优选地少于1000℃，并且其中，在催化燃烧阶段(CA1、CA2、CA3、CA4)中的燃料/空气比在UEL(爆炸上限)之上；
[0089] -至少一个热传递部件(HT1、HT2、HT3)，用于减少在至少一个相继催化燃烧阶段(CA1、CA2、CA3、CA4)中生成的气体(EXG)的温度，并且所述热传递部件(HT1、HT2、HT3)在下一个相继催化燃烧阶段(CA1、 CA2、CA3、CA4)之前；
[0090] -在燃烧设备(CAB)的尾部部分(CAL)中用于排放燃烧生成的气体 (EXG)的排气装置(EXH)。
[0091] 根据本实用新型的一个方面，催化燃烧设施CAB在其尾部部分CAL 设置有至少一个残余热传递部件HT4，用于在催化燃烧阶段CA1、CA2、 CA3、CA4之后减少燃烧生成的气体EXG的温度。
[0092] 根据本实用新型的一个方面，热传递部件HT1、HT2、HT3和/或残余热传递部件HT4具有管式设计。
[0093] 根据本实用新型的一个方面，用于催化燃烧阶段CA1、CA2、CA3、 CA4的催化转换器为包含来自金属蜂窝的贵金属的混合催化转换器。
[0094] 根据本实用新型的一个方面，在催化燃烧设施CAB的前部分CAS的下游，催化燃烧设施CAB设置有二次空气供给源AIR2，该二次空气供给源可以用于递送在催化燃烧CAB中所需空气的不多于10％。
[0095] 根据本实用新型的一个方面，顺序燃料供给FU1、FU2、FU3、FU4适于气态或液态燃料。
[0096] 在本申请中，在催化燃烧CAB中所需的空气是指用于所采用的燃料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过量空气。该过量空气可以作为一次空气或二次空气被递送。
[0097] 部件和阶段的顺序已经参照一次空气AIR1的流动方向进行了报告。
[0098] 除非另外报告，否则所采用的平均值均为24小时平均值。
[0099] 本实用新型的催化方法使用热的方式难以燃烧的稀的空气燃料混合物能够在多个相继阶段中氧化，使得在阶段之后气体总是冷却的。因此，最大的温度可以调整成如此低，以使得不产生NOx排放。该方法使能够实现以高效率产生能量，并且实际上没有氮氧化物(NOx)、VOC和二氧化碳(CO) 的排放。这些温度在氧化碳氢化合物和一氧化碳气体方面也是最佳的，氧化如此高效以至于不产生排放(<1ppm)。除了低氧化温度，高速催化氧化排除了NOx的形成，该高速催化氧化为约0,02-0,06秒，即是热燃烧中的约 20倍。另一个贡献因素是在氧化之后立即高速冷却。
[0100] 燃料的完全燃烧通过包含贵金属的混合金属蜂窝型催化转换器提升。混合结构提供了质量传递(即，反应物扩散到活性涂层的孔隙中)的显著增强。用基础金属氧化物激活的其他催化转换器诸如陶瓷蜂窝单体也是有用的，但是这些没有上述的催化转换器有效和持久。
[0101] 催化燃烧是氧化可以通过其来执行以便一点都不产生氮氧化物的唯一方法，因为其可以在比热燃烧显著更低的温度和基本上更高的速率下进行。在氧化高浓度的过程中，温度在催化转换器中也上升至非常高的水平，甚至比热燃烧中的高很多，因为如其名字所表示的，催化转换器催化或加速了反应并且实质上将温度升高。如果在热燃烧中有用的几乎化学计量的气体混合物在单个阶段中催化地氧化，那么根据建模，温度将会上升至约 2500℃。利用本实用新型的设备，通过将氧化划分成几个阶段，并且通过氧化难以以热的方式有效地燃烧的稀的混合物，温度可以维持在少于 1000℃的温度。催化燃烧的一个优点是非常高的燃烧效率，即使是用稀的混合物。实际上，其燃烧效率为100％。
[0102] 根据本实用新型的装置，其特征在于，在几个阶段中进行氧化，其方式为使得在燃烧中所有阶段所需的空气/氧气在反应中一直存在，而将待氧化的物质以分步的方式添加到气流中。在每个阶段中用催化转换器进行氧化。将放热氧化反应划分成几个阶段使最高温度能够下降至期望的水平。在氧化阶段之间冷却气体。
[0103] 在热燃烧中，存在对于点燃燃料/空气混合物的严格限制。关于甲烷，例如，点燃具有约5％的下限(LEL)和约15％的上限(UEL)。在传统锅炉中的燃烧通常用约10％的燃料/空气混合物发生，这接近于化学计量比。
[0104] 在催化氧化中，限制比在热燃烧中的宽松得多。在没有支持能量的情况下，少于1％的混合物可以被氧化。同样地，只要存在氧气就可以部分地氧化多于15％的甲烷/空气混合物。因此，氧化或同时的温度的上升可以用可燃气体或氧气的浓度来调节。
[0105] 如果天然气例如在三个阶段中被氧化，那么在每个阶段中燃料的量将是混合物的约3,3％。在这种情况下，催化转换器中的温度将保持在少于约 1000℃。每个催化氧化阶段随后是在下一个氧化阶段之前先在热交换器中冷却气体，优选地冷却至约150-350℃。在冷却过程中，热量传递到水、空气或一些其他介质中。
[0106] 本实用新型使不仅稀的空气/燃料混合物能部分地氧化，而且使富气体混合物也能部分地氧化，从而可以仅氧化燃料中的一些。目的可以是氧化期望的部分或期望的成分，例如将氢从燃料中完全氧化，而碳仅部分氧化成可以被用作工业原材料的一氧化碳气体。部分氧化可以通过在每个催化转换器之前用氧化剂逐步补充燃料流来执行。
[0107] 本实用新型的特征包括：
[0108] 1.稀的混合物
[0109] -用几个相继催化转换器进行氧化，其方式为使得氧化中所需的空气的量的几乎全部或者全部行进通过所有催化转换器，但是将待氧化的物质单独地注入到每个催化转换器中，在每个催化转换器中温度不会长时间上升至超过1000℃(图1A至图5)。
[0110] -催化燃烧用以残余氧气测量的过量空气进行。根据本实用新型的一个方面，在来自燃烧设施(CAB)的尾部部分(CAL)的燃烧生成的气体(EXG) 中残余氧气的量为0.5-10％，优选地为1-3％。
[0111] -在催化转换器之间优选地存在热交换器，其中，通过液态或气态介质将气体冷却至约150-350℃。仅将待氧化的物质在其氧化所在的每个催化转换器之前递送，因此再次将温度在其最高点处增加至约1000℃(运行图 1A-1C)
[0112] -将燃料供给划分成两个至四个阶段使尤其稀的燃料/空气混合物能被催化地氧化。该原理可以用于构造催化氧化设备，该催化氧化设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)的排放也将极低(<1ppm)。该排放水平的实现显著地借助于实用新型NO.10627 中描述的X流动催化转换器(X-Flow catalytic converter)。
[0113] -具有催化转换器用于氧化稀燃料混合物的能力，锅炉的性能可以单独地用燃料的体积来调整，或者可以与空气的体积一起调整。
[0114] -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。只要燃料不包含氮化合物，就不会产生氮氧化物。
[0115] -烟道气可以在未提炼的情况下用于温室的CO2施肥。因为，在这种情况下，包含在烟道气中的热能也被投入使用，锅炉的热效率上升至几乎 100％。
[0117] -在运行图1A-1C中示出的原理还可以应用于用再生式热交换器构造空气加热器功能。
[0118] -锅炉允许并行地使用各种能源，诸如天然气、燃料油、醇类等。一次空气供应和二次空气供应还可以包括VOC化合物或其他在催化剂中氧化的燃烧化合物。来自供应的这些气体的浓度最大可以为AEL的20％。控制燃料供应的温度传感器可以通过控制减少燃料供应。
[0119] -第一和最重要的应用由用贵金属(诸如铂(Pt)和钯(Pd))激活的催化转换器造成。基础金属氧化物(诸如镧、铈、镍、铜、铬、钨、锰、铁、钴、钡的氧化物)也可以使用。上述的组合也可以使用，但是这些没有贵金属或其混合氧化物那么活跃和可持久。
[0120] 2.富混合物
[0121] -在没有足够氧气燃烧燃料的整个量的情况下，设施也可以在富混合物情况下运行(>UEL极限)。在这种情况下，持续的气流将会是顺序用部分氧化所需的量的空气、纯氧气或其他氧化气体或液体顺序地补充的燃料。如果有必要，与燃料一起可以递送冷却反应或提升选择性氧化的水。
[0122] 根据本实用新型的一方面，燃料的至少90％，优选地多于99％行进通过整个工艺，并且将受控量的空气在每个催化转换器之前递送。因此，有益的是，追求部分氧化，其方式为例如仅包含在气体中的氢被选择性催化转换器氧化而碳的氧化被限制于一氧化碳。例如900℃的包括CO的热气体可以用在例如硬化钢的情况下。关于该方法和设备的技术应用可以如在上述应用中那样进行，但是燃料和空气的递送是酌情相反的。
[0123] 根据本实用新型的一方面，催化燃烧设施(CAB)通过在催化燃烧阶段(CA1、CA2、CA3、CA4)之前使用至少一个静态混合器进行。这产生了强湍动流体。
[0124] 设施可以由三个相同的加热模块和热传递模块制成。加热模块(优选地为2至4个)包括燃料供应、垂直和水平静态混合器和催化器。在每个加热模块之后，存在可以由串联或并联的翅片管制成的热传递件(heat transfer)。一些模块也可以用作以排出气体的冷凝器热回收。附图说明
[0125] 在图1A至图7中示出了本实用新型的几个实施方案：
[0126] 图1A示出了包括一次空气供给源和二次空气供给源以及管式热交换器的2阶段催化燃烧设备。
[0127] 图1B示出了包括一次空气供给源和二次空气供给源以及管式热交换器的3阶段催化燃烧设备。
[0128] 图1C示出了包括一次空气供给源和二次空气供给源以及管式热交换器的4阶段催化燃烧设备。
[0129] 图2示出了包括一次空气供给源和二次空气供给源以及在外夹套(outer jacket)中的持续热交换器(continuous heat exchanger)的3阶段催化燃烧设备。
[0130] 图3示出了包括一次空气供给源和二次空气供给源以及在外夹套中的3 段热交换器的3阶段催化燃烧设备。
[0131] 图4示出了其热量和排出气体被利用于温室中的3阶段催化燃烧设备。
[0132] 图5示出了包括1个阶段的燃料供给和3阶段氧气供给的3阶段催化燃烧设备。
[0133] 图6示出了具有3阶段燃料供给的燃烧设施的运行图。
[0134] 图7示出了具有3阶段氧气供给的燃烧设施的运行图。
具体实施方式
[0135] 如图1A-1C以及图2-3中示出的催化燃烧设施包括：一次空气供给源 AIR1，用于将催化燃烧CAB中所需的空气的至少90％，优选地至少99％作为一次空气AIR1递送到催化燃烧设施CAB的前部分CAS中；用于将燃料递送到催化燃烧设施CAB中的2-4个相继燃料供给源FU1、FU2、FU3、 FU4，以及2-4个相继的仅催化燃烧阶段CA1、CA2、CA3、CA4，用于通过递送到催化燃烧设施的前部分CAS中的一次空气AIR1逐步地燃烧顺序供给的燃料FU1、FU2、FU3、FU4；包括1-3个热传递部件HT1、HT2、 HT3的热传递部件HT，用于减少在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，并且所述热传递部件HT1、HT2、 HT3在下一个相继催化燃烧阶段CA1、CA2、CA3、CA4之前；排气装置 EXH，用于在燃烧设施CAB的尾部部分CAL中的燃烧生成的气体EXG。催化燃烧设施CAB的尾部部分CAL设置有一个残余热传递部件HT4，以用于在催化燃烧阶段CA1、CA2、CA3、CA4之后减少燃烧生成的气体EXG 的温度。冷水W冷已经被引导通过燃烧设施，以用于生成热水W热和/或温水W温。
[0136] 根据图1A-1C以及图2-3，催化燃烧设施还包括二次空气供给源AIR2。
[0137] 根据图1A-1C，热传递部件HT1、HT2、HT3和/或残余热传递部件HT4 具有管式设计。根据图2，热传递部件HT1、HT2、HT3被包括在外夹套中并且由持续的结构组成，而图3的实施方案包括在外夹套中的单独的热传递部件HT1、HT2、HT3。
[0138] 图4示出了与图2一致的、使其燃烧生成的气体EXG和热水在温室 Green中利用的催化燃烧设备。
[0139] 图5描述了3阶段催化燃烧设施，包括：一次燃料供给源FUE，用于将催化燃烧CAB中所需的燃料的至少90％，优选地至少99％供给到催化燃烧设施CAB的前部分CAS中；用于将氧气递送到催化燃烧设施中的3个相继氧气供给OXY，以及3个相继的仅催化燃烧阶段CA1、CA2、CA3，用于通过递送的氧气逐步燃烧燃料FUE；具有两个相继热传递部件HT1、 HT2的热传递部件HT，用于减少在三个相继催化燃烧阶段CA1、CA2、CA3 中生成的气体EXG的温度，并且所述热传递部件HT1、HT2、HT3在下一个相继催化燃烧阶段CA1、CA2、CA3之前；排气装置EXH，用于在燃烧设施CAB的尾部部分CAL中的燃烧生成的气体EXG。催化燃烧设施CAB 的尾部部分CAL设置有一个残余热传递部件HT4，以用于在催化燃烧阶段 CA1、CA2、CA3、CA4之后减少燃烧生成的气体EXG的温度。冷水W冷已经被引导通过燃烧设施，以用于产生热水W热。本实施方案还包括用于燃烧气体EXG的冷凝器COOL，在其中产生了温水W温以及排出气体和冷凝EXC。
[0140] 图6中的生产图包括：将燃料FU1、FU2、FU3在三个相继阶段中供给到催化燃烧设施CAB中，并且通过递送到催化燃烧设施CAB的前部分CAS 中的一次空气AIR1，在三个相继的仅催化燃烧阶段CA1、CA2、CA3中逐步燃烧顺序供给的燃料FU1、FU2、FU3；在两个热传递阶段HT1、HT2中，减少在至少一个相继催化燃烧阶段CA1、CA2、CA3中生成的气体EXG的温度，所述热传递阶段HT1、HT2在下一个相继催化燃烧阶段CA1、CA2、 CA3、CA4之前；从燃烧设施CAB的尾部部分CAL移除燃烧生成的气体 EXG。催化燃烧设施CAB的尾部部分CAL设置有一个残余热传递部件 HT4，以用于在催化燃烧阶段CA1、CA2、CA3之后减少燃烧生成的气体 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。催化燃烧设施还包括二次空气供给源AIR2。
[0141] 图7中的生产图包括：在燃烧设备CAB的前部分CAS中的一次燃料供给源FUE；用于将氧气递送到催化燃烧设施CAB中的3个相继氧气供给源OXY，和3个相继催化燃烧阶段CA1、CA2、CA3，以用于通过顺序递送的氧气逐步燃烧燃料FUE；包括2个热传递部件HT1、HT2的热传递部件HT，用于减少在三个相继催化燃烧阶段CA1、CA2、CA3中生成的气体 EXG的温度，并且所述热传递部件HT1、HT2在下一个相继催化燃烧阶段 CA1、CA2、CA3之前；排气装置EXH，用于在燃烧设备CAB的尾部部分 CAL中的燃烧生成的气体EXG。催化燃烧设施CAB的尾部部分CAL设置有一个残余热传递部件HT4，以用于在催化燃烧阶段CA1、CA2、CA3、 CA4之后减少燃烧生成的气体EXG的温度。冷水W冷已经被引导通过燃烧设施，以用于生成热水W热。
[0142] 在本实用新型的设备中，所采用的热交换器可以包括各种回热式热交换器或再生式热交换器，其可以由普通的锅炉或诸如1.4512和1.4509的不锈钢级制成。在催化转换器中，优选的是采用诸如1.4767的FeCrAl合金化的高温钢级。
[0143] 管型回热式热交换器将会构成锅炉的主体，尤其是当待加热的物质为液体时。实施可以基于两种不同的原理。根据对流原理，水在管内经过，而燃烧气体在管外来回地经过几次(图1A-1C)。优选的是采用直径小的管，因为这样管于是具有相对于截面面积而言大的外表面积。这是因为从气体到钢的热传递系数即使在其最大的时候与从钢到水的系数相比也仅是其的约十分之一。
[0144] 通过在交换器中设置管以便使燃烧气体能形成湍动流，可以增强热传递。不仅用导流壁混合(flow guiding walls Mix)可以进一步增强热传递，而且用分离的钢构造分区也可以，该分区通过从内部强有力地使管膨胀，以便产生紧贴的金属与金属的接触表面而与管接合。要求该分区具有对于从气体到钢管的有效热传递充足的厚度(1,5-2mm)。翅片管成为用于增强从气体到金属的热传递的另一有用选项。
[0145] 用气密分区将流优选地划分成两个至四个区段，在每个区段中，气体通过一系列管经过一次来回。在每个区段之前，气体穿过催化转换器。
[0146] 该设施通过用注入器(injector)将催化转换器加热至约450-650℃的温度来激活，在此之后，火焰可以被熄灭并且催化转换器开始氧化气体，而同时空气和气体的供给可以上升至基本水平。
[0147] 通常，用与设施连续运行中使用的相同燃料、但是用减少的燃料和空气流激活该设施，并且燃料/空气混合物在接近于化学计量混合物的高度可燃的范围内，该燃料/空气混合物物用在锅炉中使用的标准点火器点燃。每个催化转化器在燃料注入和点燃单元Ign之后。优选的是在催化转换器之前将燃料递送到热气流中，以便为液态燃料提供时间以在到达催化转换器之前汽化和均匀地混合。
[0148] 在锅炉性能中次要的调整可以通过减少燃料的供给来进行，而主要的调整可以通过削减燃料和空气二者的供给来进行。
[0149] 催化转换器的下游设置有可以用于监测催化转换器运行的温度传感器。如果温度下降到设置下限(例如700℃)之下，那么激活模式将会重建。
[0150] 最后一个催化转换器可以具有比前列(前导)的催化转换器更低的处理量(吞吐量)，其中，根据燃料，该处理量可以优选地在60.000-300.000 1/h 的范围内变化。在最后一个中，为了实现零水平排放，处理量可以优选地在40.000-200.000 1/h的范围内。
[0151] 该设备可以使其容量(capacity)从低变动到高，例如10kW-100MW。
[0152] 下文呈现的是所描述类型的锅炉的两个实施例，为其制作尺寸计算和模型计算以及简图1A-1C和简图3。
[0153] 实施例1基于管式热交换器的结构及其主要尺寸以及技术等级规格的设计方案如下所示：
[0154] -燃料可以为天然气或例如(生物)乙醇。
[0155] -用天然气的锅炉容量为50MW，而用生物乙醇的则为约29MW。相同设施可以用于两者，但是燃料喷嘴和各种阶段注入的燃料量必须改变，以用于在开始的两个阶段中达到足够高的温度(800-950℃)。天然气的用量优选地依次按36％、32％和32％来分配。乙醇的分配将优选地为36％、32％和32％。以残余氧气(优选为1-3％)测量的小量过量空气确保完全燃烧。
[0156] -催化转换器类型如下所示：
[0157] ·第一催化转换器和第二催化转换器为4000×1200×120mm(W×H ×L)，并且具有576dm3的容积、95.500 1/h的处理量、孔隙密度 100cpsi以及负载70g/ft3Pd。
[0158] ·第三催化转换器其他方面都是相同的，除了具有150mm的长度、720 dm3的容积以及76.400 1/h的处理量。
[0159] ·用燃料的整个量的36％注入第一催化转换器，从而气体温度从+20℃上升至约850℃，在热交换器中冷却至约350℃。
[0160] ·第二催化转换器和第三催化转换器接收燃料的32％，从而温度上升至约900℃。
[0161] -在使得热交换器中流湍动的基础上，已经用热传递系数180W/m2oK 进行计算。
[0162] -管为DIN 40×8000mm，总共约500个棒体(rod)，材料为1.4512。
[0163] -外部锅炉尺寸将为4500×9000×4000mm(W×L×H)。
[0164] -压力损失为约5000Pa。
[0165] 在这种情况下，图1A-1C中描述的锅炉已经利用了传统管式热交换器，其中，如图1A-1C中呈现的，水(流体)在管道中行进，而加热的气体来回地行进通过催化转换器和管式蜂窝。
[0166] 在图3中示出了第二实施例的尺寸示意图。用天然气的这种锅炉的热容量约为1MW，而用乙醇的为0,58MW。
[0167] 锅炉由三个元件组装，该三个元件设置有混合X流型催化转换器和热交换器。作为扩展，可以包括类似的元件，在没有用于增加效率的催化转换器的情况下，该类似的元件是热交换器。
[0168] 热交换器具有在垂直方向堆叠的对角波纹板(diagonally corrugated plate)，以使得波纹的波峰(crest)在不同方向相互交叉，以建立呈字母X 的形状的交叉延伸流通道。因此建立的混合蜂窝状结构通过使用例如电阻焊接(电容器放电或缝焊接(seam welding))或激光焊接在其端部进行焊接，以与外壳附接。因此构造的管壳的表面具有在其上由板制成的外壳，使得在它们之间留下约25mm的间隙，在该间隙中流动待加热的水。多片钢板被焊接以增强水的均匀流动和热传递。
[0169] 每个元件均包括用于待加热流体的进口和出口管道。管道通常串联连接，其方式为使得冷水从锅炉的尾部端流动至前端。管道也可以并联连接，因此提供三个单独的水加热回路。
[0170] 图3的锅炉可以由具有凸缘连接件(flange joint)的元件组装。外表面配备有隔热。这种模块结构还可以通过使元件安装在彼此的顶部并且通过流通道连接构造而成。
[0171] 锅炉的尺寸如下：
[0172] -第一催化转换器和第二催化转换器的尺寸为200×500×120mm(H ×W×L)，容积为12,0dm3，处理量为91.700 1/h，孔隙密度为100cpsi以及负载为70g/ft3Pd。
[0173] -第三催化转换器为200×500×150mm，并且容积为15,0dm3以及处理量为73.300 1/h。在其他方面，规格与第一单体和第二单体的相同。
[0174] -热交换器的大小将为200×500×300mm，波纹高度为10mm，板厚度为0,6mm并且材料为1.4509。
[0175] -热传递容量已经用130W/m2oK的额定值(rate)进行计算。
[0176] -压力损失为约5000Pa，并且温度等于之前实施例中的温度。
[0177] 如果用一些其他燃料运行上述锅炉是令人期望的，那么其用于各种阶段的供给分配必须是最优化的，以便最优化热传递容量。天然气具有约 50MJ/kg的热值，轻燃料油具有42,7MJ/kg的热值，液化气具有46,4MJ/kg 的热值，一氧化碳气体具有10MJ/kg的热值，以及乙醇具有29MJ/kg的热值。
[0178] 来自锅炉的烟道气(flue gas)的排放可以除其他以外用NOx、SOx、 VOC和CO传感器来监测。
[0179] 用于图3中示出的方案的选项是构造一种循环锅炉。在这种情况下，同样地，气体在管内流动，而水在管的外夹套内行进。因此，催化转换器在管内是垂直的一排。(图2)为了增强热传递，在管内设置有能够产生剧烈湍流动的静态混合器。混合器的叶片或螺旋片通过例如焊接至管的外表面而紧固。这种方案已经设想用于低容量。例如，50kW的天然气锅炉大小将会为约D300×1500mm。
[0180] 上述实施例证明了催化燃烧适用于具有所有大小容量的热功率设备。
[0181] 作为上文的总结，可以推断出，不可能用热燃烧以及与其关联的用于烟道气的清洁方法来生成完全无NOx的热能。热燃烧的高温和相对长的持续时间一直都会产生NOx，该NOx在之后不可以完全地移除。这就是阻碍碳和氢的完全热氧化的原因。工业上碳和氢的完全氧化，没有NOx的形成，只能用在较低温度下运行的本实用新型的催化燃烧设备、以及通过氧化诸如天然气、生物气、生物乙醇等的清洁燃料来实现。在这种情况下，工艺不会生成除了二氧化碳(CO2)的其他有害排放，二氧化碳可以用于例如植物的施肥的服务中。所有烟道气可以被直接引导到温室中，其中，烟道气通过管道系统分配被植物利用(图4)。因此，烟道气中包括的热能也被利用。因为额外的水分对于生长是有害的，在将烟道气递送到温室中之前，在烟道气中包括的水分可以用冷凝热交换器移除(图5)。
[0182] 室外空气具有约380ppm的二氧化碳含量。在蔬菜生长温室中实现了 CO2施肥的最大益处，其中，因为CO2浓度与基本水平相比是其的二倍或者三倍，所以生长会加速多达多于40％。一个快乐的巧合的是，在北欧国家中热能和二氧化碳的温室需求可以通过氧化碳氢化合物而被同时满足，因为必要的热能的产生伴随着几乎最优化量的通常有害的二氧化碳的生成。CO2施肥在温室的容量上可以提供卓越的增长，因此减少了生产的能量和资金成本。
[0183] 芬兰表征为约1000个在温室中商业化培养蔬菜的公司。这些公司中的 330个利用工业制造的液态或者气态的CO2。最便宜的液化气花费约 0,10€/kg的价格，而最昂贵的瓶装气花费约2€/kg的价格。在芬兰使用的工业制造CO2的量为4至5百万kg/年。全世界的消耗估计多于百倍。因此，不仅在减少温室排放的方面，而且也在经济方面，在能量产生中生成的二氧化碳的利用都是高度重要的话题。当所采用的燃料为生物乙醇、合成气或其他生物燃料时，实现了最显著的环境影响。在这种情况下，能量产生具有阴性的碳足迹。像这样行进，还可以替换一些被工业地产生并且运输至温室的CO2。
[0184] 如果本实用新型的锅炉被制造以便覆盖全球锅炉生产的1％，结果将会是约1千万的催化转换器市场。
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