技术领域
[0001] 本发明涉及一种用于铁燃料燃烧的燃烧器过程。
相关背景技术
[0002] 能源是不可或缺的。在过去的几十年里，全球能源消耗量大幅增加。尽管来自诸如风能和太阳能的可再生能源的能源量在过去几十年中，特别是在过去几年中有所增加，但很大一部分能源仍然来自化石燃料。
[0003] 随着化石燃料的使用，也产生了非常不理想的二氧化碳CO2排放。为了实现气候目标，总CO2排放应大幅减少。为此，碳中和燃料，甚至更多的无碳燃料，是一种优选的能源和有前景的资源，可以满足全球能源需求，但仍能满足气候目标。碳中和燃料被认为不会向大气中释放比其去除的更多的碳，而无碳燃料根本不会产生温室气体净排放或碳足迹。通常，对于碳中和燃料，使用CO2或其他温室气体作为原料。
[0004] 热密集型行业占总CO2排放的很大一部分。但对于许多行业来说，目前可用的化石燃料替代品很少或根本没有，该可用的化石燃料替代品一方面是可扩展的，另一方面能够以高度的确定性和一致性提供足够的能源，但完全没有CO2排放，且NOX排放低。
[0005] 太阳能和风能可以部分满足这一需求。然而，由于它们是间歇性的事实，它们往往不适合或不足以取代化石燃料，并始终满足这些行业对能源的需求。
[0006] 因此，近年来，人们对一种完全无CO2排放的可行替代方案进行了大量研究。铁燃料有潜力满足这一需求，并成为首选。
[0007] 铁燃料是一种非常有前景的燃料，在需要的时间和地点，能量都储存在铁粉中。在适当的条件下，铁粉是易燃的，并且具有这样的特性，即当铁粉燃烧时，大量的能量以热量的形式释放出来，而不会产生CO2排放，并且比替代燃料的NOX排放更低。然后，这些热量可以转化为热水、蒸汽或电力，用于任何类型的应用或行业。铁粉的另一个重要特性是燃烧过程中只留下铁锈，而铁粉燃烧过程中不会释放CO2。铁锈作为一种产品，可以以可持续的方式收集并转化为铁粉，这使其成为一个完全循环的过程。
[0008] 铁燃料不含CO2、循环、易于储存和运输、安全且廉价，这一事实使其成为化石燃料的理想清洁和可持续替代品，以满足各个行业以及各种其他应用的能源需求。
[0009] 尽管铁燃料的使用可能已经被证明是化石燃料的清洁和可持续替代品，但也存在一些挑战。其中一个挑战是在不降低所获得铁锈质量的情况下最大限度地释放热量，因为铁锈将再次被转化为铁燃料。因此，需要以优化产生的能量的方式改进适用于铁燃料燃烧的已知的燃烧器过程，同时以最适合将铁锈收集为腰部产品的方式控制燃烧器过程，使其能够以可持续的方式轻松收集并被转化回铁粉，这使其成为一个完全循环的过程。
[0010] 本发明的目的是提供一种用于铁燃料燃烧的改进的燃烧器过程。
[0011] 本发明的另一个目的是提供一种用于铁燃料燃烧的改进的燃烧器过程，该铁燃料燃烧具有来自燃烧器过程的有效和高效的能量产生，并且其中可以收集铁锈，以改进和可持续的方式将其转化回为铁粉，同时将燃烧器过程的污染保持在最低限度。
具体实施方式
[0052] 下面通过详细描述来阐明本发明。
[0053] 在图1中，以铁燃料燃烧的燃烧器过程的说明方式示出了四个基本且最小的步骤。铁燃料的燃烧或者烧着不同于传统燃料的燃烧。适用于例如燃烧煤、类煤材料、生物质和废物的已知的燃烧方法，不适合或不太适合燃烧铁燃料。燃烧铁燃料需要特定的工艺设计概念，这些概念不同于这些已知的燃烧器过程。由于铁燃料与传统燃料的化学和物理性质不同，传统的燃烧器过程是不够的。
[0054] 铁和其他一些金属一样，可以燃烧产生热量。用于此目的的铁粉具有特定和优选的颗粒尺寸或粒子尺寸，其可以在1和250微米之间的范围内，更优选在20和150微米之间的范围内。
[0055] 为了将铁燃料转化为热量，铁燃料在空气等含氧气体中燃烧。优选地，热量还可以在锅炉或其他装置中使用，以将热量输送到所需的位置，或将其转化为旋转能，例如发电。
[0056] 铁燃料的燃烧是一个高度特定的过程，需要采取与传统燃料的已知燃烧器过程不同的措施，特别是因为火焰稳定性具有挑战性。此外，将氧化铁或铁锈回收到适合将其再生回铁粉的程度也是具有挑战性的，铁粉可以再次用作铁燃料。满足这些要求并因此允许有效回收铁锈同时具有有效传热的燃烧器过程被认为更具挑战性。
[0057] 在图1中，示出了满足这些要求并克服这些挑战的铁燃料燃烧的燃烧器过程。燃烧器过程包括几个步骤，至少包括以下步骤：
[0058] 在第一步骤A中，提供铁燃料悬浮介质。该介质可以包括几种组分，但至少包括铁燃料（铁粉）和氧气，可能是在完全由氧气组成的介质中，但更有可能的是，含有氧气和其他3 3
组分。铁燃料和氧气以在2和15kg/Nm之间的，优选在4和8kg/Nm之间的悬浮固体密度提供。
[0059] 在下一步骤B中，将具有这种特性的铁燃料悬浮介质引入到铁燃料燃烧器布置中。引入悬浮介质的速度至少高于5.5m/s，以确保颗粒保持悬浮在气流中，并且不超过55m/s，因为这会给火焰稳定性，特别是进气装置的空气混合带来进一步的困难。
[0060] 铁燃料悬浮介质尚未满足被认为足以用于燃烧燃料的要求。因此，在步骤C中，悬浮介质受到空气流的作用。气流由进气装置提供，该装置可以包括一个或多个装置，并且可以具有一个或几个（优选均匀分布）的将空气引入燃烧器布置的空气入口端口。空气流与铁燃料悬浮介质混合，以获得满足燃烧要求的介质，因此被定义为可燃介质。混合是进气装置引入空气并以一定的冲量将空气引导到悬浮介质的结果，这在流中产生角动量。空气和悬浮介质流之间的无量纲总角动量比率（ ）是使用以下公式计算的：
[0061]
[0062] 其中
[0063] • 是由 定义的相应角动量。必须注意的是，角动量被定义为由定义的冲量G的动量。后者等于入口的动量通量 乘以其表面面积。动量通量由 定义。
[0064] • 是所述入口处的空气密度，单位为kg/m3。3
[0065] • 是所述悬浮物入口处的悬浮物密度，单位为kg/m，不包括悬浮物混合物中空气的质量流量。
[0066] • 是（多个）空气入口的速度，单位为m/s。
[0067] • 是悬浮物入口的速度，单位为m/s。2
[0068] • 是所述（多个）空气入口的表面面积，单位为m。
[0069] • 是悬浮物入口的表面面积，单位为m2。
[0070] • 是悬浮物流的面积加权平均半径，单位为米（假设流动横截面均匀分布）[0071] • 是从悬浮物流中心（或流中心）到空气入口中心平均值（但不排除非平均值）的径向距离，单位为米；并且
[0072] • 和 是悬浮物流和进气装置之间的角度，如图2所示。
[0073] 根据本公开的燃烧器过程，在空气和悬浮介质流之间具有无量纲的总角动量比率（ ），也可以由下式定义
[0074]
[0075]
[0076] 脉冲[kg*m*s^‑1]可以由下式定义
[0077]
[0078]
[0079] 角动量[kg*m^2**s^‑1]可以由下式定义
[0080]
[0081]
[0082]
[0083] 并且动量通量为：
[0084]
[0085] 总角动量比率在3到12之间，以确保悬浮物充分径向向外移动（在图2中产生角度β），但也要使悬浮物流的径向向外移动不会变得太大，使得发生燃烧器部件的极端磨损。优选地，该比率在3.8和8.9之间。上限存在颗粒磨损的风险，并可能在燃烧器布置和下游部件中结块和形成石笋/钟乳石。
[0086] 一旦混合了悬浮介质，并获得了可燃介质，就可以点燃该介质。通过这种方式，以含氧化铁的介质作为残渣产生热量，氧化铁可以从残渣中分离、回收并再生回铁燃料。
[0087] 以下数据代表了作为本发明和所公开实施例的实验数据的悬浮物和空气条件的几种案例。在该示例及其情况下，证明了至少对于案例5，实现了lambda值λ或空燃比，其优选比率为1.2和1.8。案例4和5还展示了lambda值，通过该值可以实现所要求的效果，尽管略高于优选的比率带宽。
[0088]
[0089] 通过对附图、本公开和所附权利要求的研究，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现对所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其他要素或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中引用某些措施的事实并不表明这些措施的组合不能被有利地使用。本发明的范围由所附权利要求书限定。本发明的一个或多个目的通过所附的权利要求来实现。
