具有有孔火焰保持器的水平点火式燃烧器的制造方法

文档序号:9872249阅读:566来源:国知局
具有有孔火焰保持器的水平点火式燃烧器的制造方法
【专利说明】具有有孔火焰保持器的水平点火式燃烧器
[0001] 相关专利申请的交叉引用
[0002] 本申请要求提交于2013年10月7日、名称为"POROUS FLAME HOLDER FOR LOW NOx COMBUSTION"(用于低NOx燃烧的多孔火焰保持器)的美国临时专利申请No . 61/887,741;提 交于2014年1月24日、名称为"LOW NOx FIRE TUBE BOILER"(低NOx火管锅炉)的美国临时专 利申请No.61/931,407;提交于2014年2月14日、名称为"FUEL COMBUSTION SYSTEM WITH A PERFORATED REACTION HOLDER"(具有有孔反应保持器的燃料燃烧系统)的PCT专利申请 NO.PCT/US2014/016632;以及提交于 2014年 2 月 14 日、名称为 "STARTUP METHOD AM) MECHANISM FOR A BURNER HAVING A PERFORATED FLAME HOLDER"(用于具有有孔火焰保持 器的燃烧器的启动方法和机构)的PCT专利申请N〇.PCT/US2014/016622的优先权权益;以上 每项专利申请在与本文公开内容不相抵触的情况下以引用方式并入。

【发明内容】

[0003] -个实施例是水平点火式火焰反应器,该水平点火式火焰反应器包括有孔火焰保 持器和水平点火式燃料喷嘴,该水平点火式燃料喷嘴离开有孔火焰保持器横向定位。有孔 火焰保持器包括面朝燃料喷嘴的输入表面、输出表面、以及在输入表面与输出表面之间延 伸的多个穿孔。加热机构邻近有孔火焰保持器定位。
[0004] 在一个实施例中,在燃料喷嘴将燃料输出到有孔火焰保持器上之前,加热机构向 有孔火焰保持器施加热量。在加热机构加热有孔火焰保持器之后,水平点火式燃料喷嘴将 燃料输出到有孔火焰保持器上。有孔火焰保持器的升高的温度使火焰保持器的穿孔内的燃 料发生燃烧反应。燃烧反应主要局限于有孔火焰保持器的紧邻附近。
[0005] 在一个实施例中,水平点火式火焰反应器包括邻近有孔火焰保持器定位的装填有 催化剂的管子。反应物通过所述管子。来自燃烧反应的热量从火焰保持器辐射并加热管子, 从而使反应物与催化剂反应。反应产物然后通过管子。
【附图说明】
[0006] 图1为根据一个实施例的包括有孔火焰保持器的水平点火式燃烧器系统的透视 图。
[0007] 图2为根据一个实施例的图1的水平点火式燃烧器系统的剖视图。
[0008] 图3为根据一个实施例的包括有孔火焰保持器的水平点火式燃烧器系统的示意 图。
[0009] 图4为根据一个实施例的包括有孔火焰保持器和预热机构的水平点火式燃烧器系 统的框图。
[0010] 图5为根据一个实施例的水平点火式燃烧器系统的预热机构的图示。
[0011] 图6为根据一个实施例的水平点火式燃烧器系统的预热机构的图示。
[0012] 图7为根据一个实施例的水平点火式燃烧器系统的预热机构的图示。
[0013] 图8为根据一个实施例的水平点火式燃烧器系统的预热机构的图示。
[0014] 图9为根据一个实施例的水平点火式燃烧器系统的预热机构的图示。
[0015] 图10为根据一个实施例的用于操作水平点火式燃烧器系统的过程的流程图,该水 平点火式燃烧器系统包括有孔火焰保持器和预热机构。
【具体实施方式】
[0016] 在以下【具体实施方式】中,参考形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【具体实施方式】、附图和权利要求中所述 的示例性实施例并不用来进行限制。在不脱离本文所述主题的精神或范围的前提下,可采 用其他实施例并且可作出其他改变。
[0017] 图1为根据一实施例的包括有孔火焰保持器102的水平点火式燃烧器系统100的简 化透视图。水平点火式燃烧器系统100包括燃料和氧化剂源110,该燃料和氧化剂源被设置 成将燃料和氧化剂输出到燃烧体积108中以形成燃料和氧化剂混合物112。有孔火焰保持器 102被设置在燃烧体积108中。有孔火焰保持器102包括有孔火焰保持器主体114,该有孔火 焰保持器主体限定多个穿孔116,所述多个穿孔对齐以接收来自燃料和氧化剂源110的燃料 和氧化剂混合物112。穿孔116被配置成共同地保持由燃料和氧化剂混合物112支持的燃烧 反应(例如,参见图2,208)。
[0018] 燃料可包括例如烃类气体或汽化的烃类液体。燃料可为单一种类或者可包括气体 和蒸汽的混合物。例如,在过程加热器应用中,燃料可包括燃料气体或来自该过程的副产 物,所述副产物包括一氧化碳(CO)、氢(H 2)和甲烷(CH4)。在另一种应用中,燃料可包括天然 气(主要是CH4)或丙烷。在另一种应用中,燃料可包括2号燃料油或6号燃料油。发明人类似 地构思到双燃料应用和灵活燃料应用。氧化剂可包括由空气携带的氧和/或可包括另一种 氧化剂,该氧化剂为纯的或由载体气体携带。
[0019]通常,由有孔火焰保持器102保持的氧化反应表示一种气相氧化反应。在不脱离本 公开的精神和范围的情况下,可以用其他反应物和反应替代。
[0020] 根据一实施例,有孔火焰保持器主体114可由被设置成接收燃料和氧化剂混合物 112的输入表面118、背朝燃料和氧化剂源110的输出表面120、以及外周表面122界定。由有 孔火焰保持器主体114限定的所述多个穿孔116从输入表面118延伸到输出表面120。
[0021] 根据一实施例,有孔火焰保持器102被配置成将大部分燃烧反应保持在穿孔116 内。例如,这意味着,由燃料和氧化剂源110输出到燃烧体积108中的燃料分子的一半以上被 转变成在有孔火焰保持器102的输入表面118与输出表面120之间的燃烧产物。根据另一种 理解,这意味着,由燃烧反应输出的热量的一半以上是在有孔火焰保持器102的输入表面 118与输出表面120之间输出的。在正常工作条件下,穿孔116可被配置成共同地保持有孔火 焰保持器102的输入表面118与输出表面120之间的至少80%的燃烧反应208(参见图2)。在 一些实验中,发明人构建了 一种燃烧反应,该燃烧反应完全包容在有孔火焰保持器102的输 入表面118与输出表面120之间的穿孔中。
[0022] 有孔火焰保持器102可被配置成接收来自燃烧反应的热量并且将所接收的热量的 一部分作为热辐射124 (参见图2)输出到燃烧体积108之中或附近的热量接收结构(例如,熔 炉壁和/或辐射段工作流体管(参见图3))。有孔火焰保持器102将所接收的热量的另一部分 输出到在有孔火焰保持器102的输入表面118处接收的燃料和氧化剂混合物112。
[0023] 以这种方式,即使在由常规火焰保持器支持时燃烧反应将不稳定的条件下,有孔 火焰保持器102仍充当热源以维持燃烧反应。可利用该能力以使用比以前可行更贫乏的燃 料与氧化剂混合物来支持燃烧。更贫乏的燃烧导致较低的峰值燃烧温度并且减少氮氧化物 (NOx)输出。此外,有孔火焰保持器102可充当散热器以冷却反应的较热部分,以进一步使燃 烧温度最低化。最终,在有孔火焰保持器102的输入表面118与输出表面120之间基本容纳燃 烧反应限制了燃烧流体(如果氧化剂包括由空气携带的氧,则该燃烧流体包括分子氮N 2)暴 露于高温期间的时间。发明人相信这进一步限制了 NOx输出。
[0024] 冷却烟气通过排气烟道排放到大气中。任选地,排出的烟气可经过省煤器,该省煤 器预加热燃烧空气、燃料和/或进料水。
[0025]有孔火焰保持器102可具有在外周表面122的相对侧之间的宽度尺寸WRH,该宽度尺 寸为输入表面118与输出表面120之间的厚度尺寸Trh的至少两倍。在另一个实施例中,有孔 火焰保持器102可具有在外周表面122的相对侧之间的宽度尺寸Wrh,该宽度尺寸为输入表面 118与输出表面120之间的厚度尺寸Trh的至少三倍。在另一个实施例中,有孔火焰保持器102 具有在外周表面122的相对侧之间的宽度尺寸Wrh,该宽度尺寸为输入表面118与输出表面 120之间的厚度尺寸Trh的至少六倍。在另一个实施例中,有孔火焰保持器102具有在外周表 面122的相对侧之间的宽度尺寸Wrh,该宽度尺寸为输入表面118与输出表面120之间的厚度 尺寸Trh的至少九倍。
[0026] 根据实施例,有孔火焰保持器102的宽度尺寸Wrh可小于燃烧体积108的宽度W。这样 可允许烟气围绕有孔火焰保持器102循环。
[0027] 有孔火焰保持器102可由耐火材料形成。在另一个实施例中,有孔火焰保持器102 由硅酸铝材料形成。在另一个实施例中,有孔火焰保持器102由莫来石或堇青石形成。
[0028] 燃料和氧化剂源110还可包括被配置成输出燃料的燃料喷嘴126以及被配置成输 出包括氧化剂的流体的氧化剂源128。燃料喷嘴126可被配置成输出纯燃料。氧化剂源128可 被配置成输出包括氧化剂不包括燃料的流体。例如,氧化剂源128可被配置成输出携带氧的 空气。
[0029] 燃料喷嘴126可被配置成发射燃料射流,该燃料射流被选择成在燃料射流和氧化 剂行进通过燃料喷嘴126与有孔火焰保持器102之间的稀释距离Dd时挟带氧化剂以形成燃 料和氧化剂混合物112。除此之外或作为另外一种选择,燃料喷嘴126可被配置成发射燃料 射流,该燃料射流被选择成在燃料射流行进通过燃料喷嘴126与有孔火焰保持器102的输入 表面118之间的稀释距离Dd时挟带氧化剂并且挟带烟气。
[0030] 有孔火焰保持器102可被设置成与燃料喷嘴相距距离Dd。燃料喷嘴126可被配置成 将燃料发射通过具有尺寸Do的燃料孔口 130。有孔火焰保持器102可被设置成在与燃料喷嘴 相距距离D
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