电稳定燃烧器的制造方法
【专利说明】电稳定燃烧器
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2013年7月24日提交的名称为"ELECTRICALLYSTABILIZ邸 BURNER"(电稳定燃烧器）的美国非临时专利申请No. 13/950,249的优先权权益，所述非临 时专利申请在不与本文公开内容相矛盾的程度内W引用方式并入。
【发明内容】
[0003] 根据一个实施例，电稳定燃烧器包括导电火焰保持器和充电器，所述导电火焰保 持器被配置用于靠近燃料射流安装，所述充电器被设置成与导电火焰保持器协作W使燃烧 反应在火焰保持器附近稳定。混合器被配置成将燃料与氧化剂、空气和/或烟道气在导电 火焰保持器上方混合。混合器被配置成将燃料与氧化剂、空气和/或烟道气W-定速率混 合，所述速率被选择为使燃烧反应的速率最大化，同时避免巧灭燃烧反应。充电器可为电晕 电极或另一种离子源，其被设置成将电荷输出到燃料，输出到在燃料流附近且在导电火焰 保持器下方的卷吸体积，或输出到随后与燃料或稀释燃料混合的氧化剂、空气和/或烟道 气。除此之外或作为另外一种选择，充电器可W为与燃烧反应的导电部分电导通（例如，与 火焰护套电导通）的充电电极。
[0004] 根据一个实施例，用于操作电稳定燃烧器的方法包括在与所选燃料稀释相对应的 沿着燃料射流的一定距离处靠近燃料射流支撑导电火焰保持器，将电压或电荷施加到由燃 料射流支撑的燃烧反应，W及响应于燃烧反应与导电火焰保持器之间的至少间歇电压差， 而使燃烧反应靠近导电火焰保持器稳定。将燃料与氧化剂、空气和/或烟道气在导电火焰 保持器上方进一步混合。
【附图说明】
[0005] 图1为根据一个实施例的电稳定燃烧器的侧剖面示意图。
[0006] 图2A为根据一个实施例的图1的电稳定燃烧器的一部分的平面图，且具有混合器 控制器的框图。
[0007] 图2B为根据一个实施例的与图2A相对应的电稳定燃烧器的一部分的侧视图。
[0008] 图3为根据一个实施例的电稳定燃烧器的至少一部分的透视图。
[0009] 图4为根据另一个实施例的电稳定燃烧器的简化透视图。
[0010] 图5为根据另一个实施例的电稳定燃烧器的简化透视图。
[0011] 图6为根据另一个实施例的电稳定燃烧器的简化透视图。
[0012] 图7为根据一个实施例的示出了用于操作电稳定燃烧器的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0013] 在W下【具体实施方式】中，参考构成本文一部分的附图。除非在上下文中另外指明， 否则在附图中类似的符号通常表示类似的部件。在不脱离本公开的精神或范围的前提下， 可采用其他实施例和/或可进行其他更改。
[0014] 图1为根据一个实施例的电稳定燃烧器101的侧剖面示意图。导电火焰保持器 102被配置用于靠近燃料射流112安装。充电器106(例如，被配置成施加电荷的电极）被 设置成与导电火焰保持器102协作W使燃烧反应108在导电火焰保持器102附近稳定。混 合器110被配置成将来自燃料射流112的燃料与氧化剂、空气和/或烟道气在导电火焰保 持器102上方混合。例如，混合器110可包括一个或多个流体通路103。混合器110被配置 成引起燃料与氧化剂、空气和/或烟道气的高混合速率（或使混合时间最小化）而不会巧 灭燃烧反应108。
[0015] 燃料射流112W基本上恒定的角度Θ从燃料喷嘴116发散。据估计燃料射流112 的发散角度Θ为偏离燃料运输轴线的7. 5度发散角度。作为另外一种选择，发散角度可称 为15度立体角（2Θ)。燃料从形成燃料喷嘴出口的孔隙上游的一点发散，使得在燃料流离 开燃料喷嘴116的点处，孔隙与燃料射流的边缘重合。
[0016] 燃料射流区域的扩展对应于由周围流体114的卷吸造成的燃料的稀释。例如，周 围流体114可包括空气和/或被重复循环的烟道气。如果周围流体114为空气；则例如被 卷吸的流体可包括约21%氧气、约78%氮气W及少量的其他气体。如果周围流体114包 括烟道气循环；则例如被卷吸的流体可包括约2%至5%氧气、约78%氮气W及各种燃烧产 物，诸如存在于被重复循环的烟道气中的二氧化碳、水蒸气W及其他物质。随燃料射流112 卷吸的再循环烟道气114因此可导致与燃料混合的较低浓度的氧气。
[0017] 应当理解，离开燃料喷嘴116的燃料射流112自身可包括氧化剂、空气、烟道气和/ 或另一种稀释剂。在实施例中，燃料射流在其离开燃料喷嘴116时为纯燃料或燃料与氧化 剂混合物，其高于燃料的富可燃极限，使得在燃料喷嘴出口处引入的火花不会引起反闪到 燃料喷嘴116中。
[001引与未通过燃料喷嘴116与导电火焰保持器102之间的区域120中的卷吸而部分地 预先混合的燃烧反应相比，从由电稳定燃烧器101支撑的燃烧反应108输出减少的氮氧化 物（NOx)。与未电稳定的燃烧器101相比，由燃烧器101提供的电稳定允许更稳定且可靠的 燃烧反应，不易在贫操作条件下焰火。
[0019] 在接近贫可燃极限处燃烧的燃烧反应108具有比较富燃烧的燃烧反应108更低的 溫度，并且输出比较富燃烧的燃烧反应108更少的NOx。此外，充分混合的燃烧反应108往 往比混合得差的燃烧反应108输出更少的NOx。燃烧器101既提供增强的混合（W便减少 "快速型NOx")，又提供较贫的燃烧（W便减少Zeldovich机理（亦称，"热"）N0x)。此外， 由混合器110提供的高混合速率使高溫停留时间最小化，运减少了NOx输出。
[0020] 支撑结构118在沿着燃料射流112的所选距离120处支撑导电火焰保持器102。 导电火焰保持器102支撑处的沿着燃料射流112的距离120可被选择为对应于所需燃料稀 释处。例如，对于不引入另外空气或烟道气的混合器11〇(例如，在对应于图4-图6的实施 例中），距离120可被选择为W操作条件下燃料的贫可燃极限或略微更富，将燃料射流112 提供给导电火焰保持器102。作为另外一种选择，对于其中混合器110引入另外的稀释的实 施例（例如，在对应于图1、图2A、图2B和/或图3的实施例中），距离120可被选择为使得 由被卷吸空气或烟道气114引起的稀释加上由混合器110引起的稀释W操作条件下燃料的 贫可燃极限或略微更富来提供燃料混合物。
[0021] 在一个实施例中，混合器110被配置成W与所选丹姆克尔数相对应的混合速率将 燃料与氧化剂、空气或烟道气混合。丹姆克尔数值a)为混合时间与化学点火延迟时间的无 量纲比率。在小Da(小于1)下，混合时间短于化学点火延迟时间，并且燃烧反应被冷反应 物巧灭。运是因为进行混合的速度快于燃烧反应释放热量的速度。在大Da( >> 1)下，混 合时间大于化学点火延迟时间。在大Da下，燃烧反应释放热量的速度快于（相对较冷）反 应物合并的速度。大化燃烧反应容易爆炸。此外，在大化下混合相对低效，运引起在燃料 稀释的相对大范围和燃料与氧化剂比率的相对大范围内燃烧。燃料与氧化剂比率的大范围 一般使得燃烧反应也表现出燃烧溫度的大范围（且具有相应较宽的玻耳兹曼分布）。燃烧 溫度的大范围与高一氧化碳和高NOx输出相关，两者均是不期望的。
[0022] 作为另外一种选择，化可表示为反应速率与对流传质速率的比率，并W如下公式 表不：
[0023]
[0024] 其中k。为反应速率常数，C。为初始浓度，η为反应级数，并且τ为平均停留时间。 [00巧]所选丹姆克尔数可等于或大于1，而不使燃烧反应108巧灭。在一个实施例中，混 合器110可操作而使所选丹姆克尔数在1. 1与1. 7之间。在一具体实施例中，混合器110 可操作而使所选丹姆克尔数为约1. 3。使混合器110在大于1的化下运行可提供相对于瞬 时效应的操作裕度，所述瞬时效应可引起燃烧反应108的巧灭。
[00%] 导电火焰保持器102被成形为限定孔隙104,所述孔隙被配置成支撑在燃料射流 112周边及附近。混合器110可被操作而产生丹姆克尔数，所述丹姆克尔数被选择为形成设 置在孔隙104附近的紧凑燃烧反应108。例如，丹姆克尔数可被选择为形成设置在孔隙104 内的紧凑燃烧反应。
[0027] 在一个实施例中，充电器106和导电火焰保持器102被配置成协作W保持燃烧反 应108中两者之间的电流通道。电流通道使燃烧反应108稳定并保持在导电火焰保持器 102附近。
[002引在一个实施例中，电源122可操作地禪合到充电器106并且被配置成使充电器106 将电流施加到燃烧反应108。作为另外一种选择，电源122可被配置成使充电器106将随时 间变化的电流施加到燃烧反应108。随时间变化的电流对应于燃烧反应108中随时间变化 的电荷浓度，其可作为相应的电势进行测量。随时间变化的电荷可包括符号变化的电荷。随 时间变化的电荷可包括具有约50至约10, 000赫兹的频率的周期性电荷波形。在另一个实 施例中，随时间变化的电荷可包括具有约200至约800赫兹的频率的周期性电荷波形。随 时间变化的电荷可包括例如方波形、正弦波形、Ξ角波形、截顶的Ξ角波形、银齿波形、对数 波形、指数波形或其他任意形状。本发明人已发现具有锐边的波形（例如，方波形、Ξ角波 形或银齿波形）往往引起燃烧反应108中的更高可见度（更易观察）效应。
[0029] 在一个实施例中，充电器106包括充电电极106,其被配置成靠近燃烧反应108设 置。电源122被配置成将电压施加到充电电极106。电源122可被配置成将基本上恒定的 电压或随时间变化的电压施加到充电电极106。随时间变化的电压可包括符号变化的电压。 随时间变化的电压可包括具有约50至约10, 000赫兹的频率的周期性电压波形。例如，周 期性电压波形可具有约200至约800赫兹的频率。随时间变化的电压可包括方波形、正弦 波形、Ξ角波形、截顶的Ξ角波形、银齿波形、对数波形或指数波形。施加到充电电极106的 随时间变化的电压包括具有约±1，000伏特至约±115, 000伏特的振幅的波形。例如，随 时间变化的电压包括具有约±8, 000伏特至约±40, 000伏特的振幅的波形。
[0030] 电源122还可操作地禪合到导电火焰保持器102。电源122被配置成将与施加到 充电器（例如，充电电极106)不同的电压施加到导电火焰保持器102。例如，导电火焰保 持器102可保持在接地电势。根据一个实施例，导电火焰保持器102可