高输出多孔砖瓦燃烧器的制造方法

文档序号:10556988阅读:411来源:国知局
高输出多孔砖瓦燃烧器的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种操作燃烧器系统的方法,所述方法包括将燃料流引入有孔火焰保持器中,燃烧所述燃料流,其中大部分燃烧发生在所述火焰保持器的输入面与输出面之间,并且从所述燃烧产生至少1.5kBTU/H/in2的热输出。
【专利说明】高输出多孔砖瓦燃烧器
[0001] 相关专利申请的交叉引用
[0002] 本专利申请要求2014年2月14日提交的名称为叩肥L COMBUSTION SYSTEM mH A PERFORATED REACTION朋LDER"(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(代理人案卷号2651-188-04)的优先权权益,并且根据35 USC 120 本专利申请为该PCT专利申请的部分继续申请;该PCT专利申请在不抵触本文的公开内容的 程度上W引用方式并入。
【背景技术】
[0003] 具有一定孔隙度的陶瓷砖瓦燃烧器可W在多种应用中用作火焰保持器和福射热 源。通常情况下,将包含燃料组分和氧化剂组分的燃料流在从陶瓷砖瓦燃烧器的输入面引 入,由此燃料流流入陶瓷砖瓦的通道或孔。
[0004] 现有技术提出,根据陶瓷砖瓦燃烧器的表面热负荷,燃料流可W在多孔砖瓦内开 始燃烧,或者可W在流出多孔砖瓦的输出面时燃烧。例如,授予Sarkisian的美国专利 No. 4919605中解释:"在低表面热负荷下,陶瓷砖瓦充当福射燃烧器。气态反应物的燃 烧......发生在陶瓷砖瓦内,并且砖瓦成为福射点。进入的反应物的点火由陶瓷[砖瓦]的 高溫引起。"
[0005] 增加表面热负荷会导致燃料流的速度加快。根据Sarkisian所述/'在适度的表面 热负荷率下,燃烧发生在陶瓷砖瓦处或上方,并且进入的反应物会使陶瓷砖瓦冷却。在运个 原则下,陶瓷砖瓦充当...热屏障和火焰保持器。砖瓦的孔之间的区段引起端流再循环区的 形成,而热气体的运一再循环会在燃烧反应物离开砖瓦时将其点燃...当使用低孔隙度的 砖瓦时,增加陶瓷砖瓦燃烧器的...表面热负荷...会产生非常高速度的反应物流...对于 高孔隙度的陶瓷砖瓦,其通道壁的厚度较小。运将对下游再循环区域的形成产生不利影响。 出于运个原因,砖瓦的火焰保持能力较差,从而导致不稳定的燃烧。"
[0006] 因此,Sarkisian提出了一种具有丝网的砖瓦燃烧器,所述丝网设置在输出面上方 W充当火焰保持器。在具有70%孔隙度的砖瓦燃烧器中采用运种构造时,Sarkisian报导表 面负荷率高达6500BTU/H/in2(0.94MBTU/H/ft2)。
【附图说明】
[0007] 图1为示出根据一个实施例的用于操作燃烧器的方法的流程图,该燃烧器包括有 孔火焰保持器。
[000引图2为根据一个实施例的燃烧器系统的简化透视图,该燃烧器系统包括有孔火焰 保持器。
[0009] 图3为根据一个实施例的图2有孔火焰保持器的一部分的侧面剖视图。
[0010] 图4为示出根据一个实施例的用于操作燃烧器系统的方法的流程图,该燃烧器系 统包括图2和图3的有孔火焰保持器。
[0011] 图5为根据一个实施例的图2燃烧器系统的简化侧面剖视图。
[0012] 图6示出了根据一个实施例的图5燃烧器系统的细节,如图5中6所示。
[0013] 图7和图8为根据一个实施例处于相应操作模式期间的燃烧器系统的图解视图。
[0014] 图9至图12为根据相应实施例的操作燃烧器系统的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0015] 在W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 的示例性实施例并非旨在进行限制。在不脱离本文所述主题的实质或范围的前提下,可采 用其他实施例并且可作出其他改变。
[0016] 在本文中根据公认的惯例使用各种单位和单位符号W指示相应的值。双撇号(") 用于表示长度或距离,单位为英寸。英寸和英尺也可W分别缩写为"in"和吁t"。"BTU/H"是 指每小时W英制热量单位表示的值。因此,"BTU/H/ft2"表示每小时每平方英尺W英制热量 单位表示的值。"W/cm2"表示瓦每平方厘米。(BTU/H>WX3.412,in = cmX2.54)。1 W/cm2约等 于22BTU/H/in2。单位符号前带有"K"(千)或"M" 的任何值应分别乘Wl X IO3或I X lO6。 字母"XT'和…r分别用来表示W摄氏度和华氏度(°F=°CX9/5+32)为单位的溫度。
[0017] 图1为示出根据一个实施例的用于操作燃烧器的方法100的流程图,该燃烧器包括 有孔火焰保持器(例如,参见图2-3,102)。从步骤104开始,将有孔火焰保持器支承在燃烧体 积内并与燃料喷嘴相距一段稀释距离(Dd),如下所述。在步骤106中,将有孔火焰保持器预 热至操作溫度。预热有孔火焰保持器后,将燃料和氧化剂混合物提供至有孔火焰保持器,如 步骤108所示。燃料和氧化剂燃烧,并且可W进一步加热有孔火焰保持器。初始燃烧率可W 任选地为低至中等,但不高。
[0018] 继续进行至步骤110,燃料和氧化剂混合物的流动速率增加至所需的热量输出水 平。如步骤112中所示,有孔火焰保持器将支持燃烧反应,该燃烧反应的热量输出为至少216 千BTU每小时每平方英尺。如下面的图2所示,有孔火焰保持器102具有输入面212和输出面 214。输出面214(和/或输入面212)的面积是本文所述热量输出速率中设及的面积。尽管在 步骤108中初始提供至有孔火焰保持器的燃料流可W相对低速,但发明人已发现,在启动过 程期间,可W增加燃料流率,有孔火焰保持器102将W高燃料和氧化剂混合物流速可靠地支 持燃烧,并且燃烧热量输出率等于或大于1百万BTU每小时每平方英尺有孔火焰保持器输出 面积。
[0019] 图2为根据一个实施例的包括有孔火焰保持器102的燃烧器系统200的简化示意 图,该有孔火焰保持器被配置成能够保持燃烧反应。如本文所用,除非提供了另外的定义, 否则术语有孔火焰保持器、有孔反应保持器、多孔火焰保持器和多孔反应保持器应被视为 是同义的。由发明人进行的实验已经表明,本文所述的有孔火焰保持器102可W支持非常纯 净的燃烧。具体地讲,在从试验规模到全规模的系统200的实验性应用中,测得在堆叠处氮 氧化物(NOx)输出中的NOx浓度在从低至无法检出(低于Ippm)到低单位数的份每百万份 (ppm)的范围内。运些显著结果在工业炉应用的典型堆叠溫度(1400-1600°F)下,并且在3% (干)氧(〇2)浓度W及无法检出的一氧化碳(CO)下测得。此外,运些结果不需要任何特殊措 施,诸如选择性催化还原(SCR)、选择性非催化还原(SNCR)、水/蒸汽注入、外部烟道气再循 环(FGR)或使用传统燃烧器达到运种纯净燃烧可能需要的其他极端措施。
[0020] 根据实施例,燃烧器系统200包括燃料和氧化剂源202,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204中W形成燃料和氧化剂混合物206。如本文所用,除 非提供了另外的定义,否则术语燃烧体积、燃烧腔室、炉体积等应被视为是同义的。有孔火 焰保持器102被设置于燃烧体积204中并且被布置为接收燃料和氧化剂混合物206。
[0021] 图3为根据一个实施例的图2有孔火焰保持器102的一部分的侧面剖视图300。参见 图2和图3,有孔火焰保持器102包括有孔火焰保持器主体208,该有孔火焰保持器主体限定 多个穿孔210,所述多个穿孔被对齐W接收来自燃料和氧化剂源202的燃料和氧化剂混合物 206。如本文所用,除非提供了另外的定义,否则在有孔火焰保持器102的上下文中,术语穿 孔、孔、隙缝、细长孔等应被视为是同义的。穿孔210被配置成共同地保持由燃料和氧化剂混 合物206支持的燃烧反应302。
[0022] 该燃料可包括氨、控类气体、气化的控类液体、雾化的控类液体或者粉状或粉碎的 固体。燃料可W是单一种类,或者可包括气体、蒸汽、雾化的液体和/或粉碎的固体。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,该副产物包括一氧化碳 (CO)、氨化2)和甲烧(邸4)。在另一种应用中,燃料可包括天然气(主要是邸4)或丙烷(C3曲)。 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。术语氧化剂(oxidant)和氧化剂(oxidizer)在本文中应被视为是同义 的。
[0023] 根据一个实施例,有孔火焰保持器主体208可W由被设置成接收燃料和氧化剂混 合物206的输入面212、面向远离燃料和氧化剂源202的输出面214、和限定有孔火焰保持器 102的横向范围的外周表面216界定。由有孔火焰保持器主体208限定的多个穿孔210从输入 面212延伸到输出面214。所述多个穿孔210可W在输入面212接收燃料和氧化剂混合物206。 随后,燃料和氧化剂混合物206可W在多个穿孔210中或附近燃烧,并且燃烧产物可W在输 出面214处或附近离开多个穿孔210。
[0024] 根据一个实施例,有孔火焰保持器102被配置成将大部分的燃烧反应302保持在穿 孔210内。例如,在稳态基础上,由燃料和氧化剂源202输出到燃烧体积204中的燃料分子的 一半W上可W被转化为在有孔火焰保持器102的输入面212和输出面214之间的燃烧产物。 根据可供选择的解释,由燃烧反应302输出的热量的一半W上可W在有孔火焰保持器102的 输入面212和输出面214之间输出。在标称操作条件下,穿孔210可W被配置成共同地将至少 80 %的燃烧反应302保持在有孔火焰保持器102的输入面212和输出面214之间。在一些实验 中,发明人获得了明显完全被限制于穿孔210中且介于有孔火焰保持器102的输入面212和 输出面214之间的燃烧反应。根据可供选择的解释,如果燃烧是"时间平均的",有孔火焰保 持器102可W支持在输入面212和输出面214之间的燃烧。例如,在瞬变中,诸如在有孔火焰 保持器102被完全加热之前,或者如果将(冷却)载荷在系统中放置得过高,那么燃烧可W从 有孔火焰保持器的输出面214行进至下游某处。
[0025] W便于说明的方式描述"火焰"时,应当理解,在一些情况下,没有可见的火焰存 在。燃烧主要发生在穿孔210内,但燃烧热"发光"主要是由有孔火焰保持器102本身可见发 光所导致。在其他情况下,发明人已经注意到在稀释区域化内的瞬态"吹气",其中可见火焰 在位于有孔火焰保持器102的输入面212和燃料源218之间的区域内短暂地点燃。运样的瞬 态吹气通常持续时间短,使得在时间平均的基础上,大部分燃烧发生在有孔火焰保持器102 的穿孔210内且介于输入面212和输出面214之间。在另一些情况下,发明人已经注意到,在 有孔火焰保持器102的输出面214上方发生明显的燃烧,但如来自有孔火焰保持器102的持 续可见发光(黑体福射的可见光波长尾)所证实的那样,大部分燃烧仍然发生在有孔火焰保 持器内。
[0026] 有孔火焰保持器102可W被配置成接收来自燃烧反应302的热量并且将所接收的 热量的一部分作为热福射304输出到燃烧体积204之中或附近的热接收结构(例如,炉壁和/ 或福射部分工作流体管)。如本文所用,除非提供了另外的定义,否则术语诸如热福射、红外 福射、福射热、热福射等被视为是基本上同义的。具体地讲,运类术语是指电磁能量的黑体 福射,主要在红外波长内。
[0027] 特别参见图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的输入面212处接收的燃料和氧化剂混合物206。有孔火焰保持器主体208可W至 少在穿孔壁308的热量接收区域306中接收来自(放热的)燃烧反应302的热量。实验证据向 发明人表明,热量接收区域306的位置或者至少对应于热量接收最大速率的位置可W沿着 穿孔壁308的长度而变化。在一些实验中,热量接收最大的位置明显介于输入面212至输出 面214的距离的1/3和1/2之间(即,在一定程度上距输入面212比距输出面214更近)。发明人 认为,在其他条件下,热量接收区域306可W更靠近有孔火焰保持器102的输出面214。最可 能地,热量接收区域306(或者就此而言,热量输出区域310,如下所述)没有明确限定的边 缘。为便于理解,热量接收区域306和热量输出区域310将被描述为特定区域306,310。
[00%]有孔火焰保持器主体208可W通过热容量来表征。有孔火焰保持器主体208可W将 来自燃烧反应302的热量保持为对应于热容量乘W溫升的量,并且将来自热量接收区域306 的热量传递至穿孔壁308的热量输出区域310。通常,热量输出区域310比热量接收区域306 更靠近输入面212。根据一种解释,有孔火焰保持器主体208可W将热量从热量接收区域306 经由热福射传递至热量输出区域310,如304所示。根据另一种解释,有孔火焰保持器主体 208可W将热量从热量接收区域306经由沿热传导路径312的热传导传递至热量输出区域 310。发明人设想,福射和传导运两种热传递机制均可在将热量从热量接收区域306传递至 热量输出区域310的过程中操作。W运种方式,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仍可W充当热源W维持燃烧反应。
[0029]发明人相信,有孔火焰保持器102使燃烧反应302在穿孔210的壁308附近形成的热 边界层314内发生。随着相对冷的燃料和氧化剂混合物206接近输入面212,该混合物流被分 成分别通过单个穿孔210行进的部分。热有孔火焰保持器主体208将热量传递至流体,尤其 是在热边界层314内,随着越来越多的热量被传递到进入的燃料和氧化剂混合物206中,热 边界层逐渐变厚。在达到燃烧溫度(例如,燃料的自燃溫度)后,化学点燃延迟时间逝去的同 时,反应物继续流动,在运段时间内发生燃烧反应302。因此,燃烧反应302被示出为在热边 界层314内发生。随着混合物流的前进,热边界层314在合并点316合并。理想的是,合并点 316处于限定穿孔210的端部的输入面212和输出面214之间。在某些时候,燃烧反应302使流 动气体(和等离子体)输出比它从主体208接收到的热量更多的热量至主体208。该热量在热 量接收区域306被接收,由主体208保持,并被输送到更靠近输入面212的热量输出区域310, 其中热量循环到冷的反应物(及任何包含的稀释剂)中W将反应物升高至燃烧溫度。
[0030] 在一个实施例中,多个穿孔210各自通过长度L来表征,该长度L被定义为有孔火焰 保持器102的输入面212和输出面214之间的反应流体传播路径长度。反应流体包含燃料和 氧化剂混合物206(任选地包含氮气、烟道气和/或其他"非反应性"物质)、反应中间体(包括 表征燃烧反应的等离子体过渡态)和反应产物。
[0031] 多个穿孔210各自可通过相对的穿孔壁308之间的横向尺寸D来表征。发明人已经 发现,如果每个穿孔210的长度L至少为穿孔的横向尺寸D的4倍,则可W将稳定的燃烧维持 在有孔火焰保持器102中。在其他实施例中,长度L可为横向尺寸D的6倍。例如,已经进行了L 是横向尺寸D的至少8倍、至少12倍、至少16倍和至少24倍的实验。优选地,长度L足够长使得 流经穿孔210的反应流体中邻近于穿孔壁308形成的热边界层314在有孔火焰保持器的输入 面212和输出面214之间的穿孔210内的合并点316处汇聚。在实验中,发明人已经发现,L/D 之比介于12和48之间时极为奏效(即,产生低NOx,产生低CO,并维持稳定的燃烧)。
[0032] 有孔火焰保持器主体208可W被配置成在邻近穿孔210之间传送热量。可W选择在 相邻穿孔210之间传送的热量来引起自第一穿孔210中燃烧反应部分302的热输出,W供给 热量来稳定在邻近穿孔210中的燃烧反应部分302。
[0033] 特别参见图2,燃料和氧化剂源202可W进一步包括燃料喷嘴218和氧化剂源220, 所述燃料喷嘴被配置成输出燃料,所述氧化剂源被配置成输出包含氧化剂的流体。例如,燃 料喷嘴218可W被配置成输出纯燃料。氧化剂源220可W被配置成输出携带氧的燃烧空气。
[0034] 有孔火焰保持器102可W由有孔火焰保持器支承结构222保持,所述有孔火焰保持 器支承结构被配置成将有孔火焰保持器102保持为与燃料喷嘴218相距一段距离化。燃料喷 嘴218可W被配置成射出燃料射流,所述燃料射流被选择为能够在燃料射流和氧化剂沿一 定路径通过燃料喷嘴218和有孔火焰保持器102之间的稀释距离化行进至有孔火焰保持器 102时夹带氧化剂W形成燃料和氧化剂混合物206。除此之外或作为另外一种选择(特别是 使用鼓风机递送氧化剂燃烧空气时),氧化剂或燃烧空气源可W被配置成夹带燃料,并且燃 料和氧化剂行进通过稀释距离化。在一些实施例中,可W提供烟道气再循环路径224。除此 之外或作为另外一种选择,燃料喷嘴218可W被配置成射出燃料射流,所述燃料射流被选择 为能够在燃料射流行进通过燃料喷嘴218和有孔火焰保持器102的输入面212之间的稀释距 离化时夹带氧化剂并夹带烟道气。
[0035] 燃料喷嘴218可W被配置成射出燃料通过一个或多个燃料孔226,所述燃料孔具有 被称为"喷嘴直径"的尺寸。有孔火焰保持器支承结构222可W支承有孔火焰保持器102,W 在与燃料喷嘴218相距一定距离化处接收燃料和氧化剂混合物206,该距离为喷嘴直径的20 倍。在另一个实施例中,有孔火焰保持器102被设置成在与燃料喷嘴218相距一定距离化处 接收燃料和氧化剂混合物206,该距离介于喷嘴直径的100倍和1100倍之间。优选地,有孔火 焰保持器支承结构222被配置成将有孔火焰保持器102保持在与燃料喷嘴218相距一定距离 处,该距离为喷嘴直径的约200倍或更大。当燃料和氧化剂混合物行进了喷嘴直径的约200 倍或更远时,该混合物足够均匀W引起燃烧反应来输出最少的NOx。
[0036] 根据一个实施例,燃料和氧化剂源202可W另选地包括预混合的燃料和氧化剂源。 预混合的燃料和氧化剂源可包括预混合室(未示出)、被配置成将燃料输出至预混合室内的 燃料喷嘴和被配置成将燃烧空气输出至预混合室内的空气通道。阻焰器可W设置在预混合 燃料和氧化剂源与有孔火焰保持器102之间,并被配置成防止火焰逆燃进入预混合燃料和 氧化剂源。
[0037] 无论是被配置用于夹带在燃烧体积204中还是用于预混,燃烧空气源均可包括被 配置用于迫使空气通过燃料和空气源202的鼓风机。
[0038] 例如,支承结构222可W被配置成从燃烧体积204的底部或壁(未示出)支承有孔火 焰保持器102。在另一个实施例中,支承结构222从燃料和氧化剂源202支承有孔火焰保持器 102。作为另外一种选择,支承结构222可W通过架空结构(诸如烟道,在上发射系统的情况 下)将有孔火焰保持器102悬空。支承结构222可W W多种取向和方向来支承有孔火焰保持 器 102。
[0039] 有孔火焰保持器102可包括单个有孔火焰保持器主体208。在另一个实施例中,有 孔火焰保持器102可包括共同地提供平铺的有孔火焰保持器102的多个相邻有孔火焰保持 器部分。
[0040] 有孔火焰保持器支承结构222可W被配置成支承多个有孔火焰保持器部分。有孔 火焰保持器支承结构222可包括金属超合金、水泥和/或陶瓷耐火材料。在一个实施例中,多 个相邻的有孔火焰保持器部分可与纤维增强的耐火水泥接合。
[0041] 有孔火焰保持器102可具有在外周表面216的相对侧之间的宽度尺寸W,该宽度尺 寸为输入面212和输出面214之间的厚度尺寸T的至少两倍。在另一个实施例中,有孔火焰保 持器102可W具有在外周表面216的相对侧之间的宽度尺寸W,该宽度尺寸为有孔火焰保持 器的输入面212和输出面214之间的厚度尺寸T的至少=倍、至少六倍或至少九倍。
[0042] 在另一个实施例中,有孔火焰保持器102可W具有小于燃烧体积204宽度的宽度尺 寸W。运可W允许从有孔火焰保持器102上方至下方的烟道气循环路径224处于有孔火焰保 持器102的外周表面216和燃烧体积壁(未示出)之间。
[0043] 再次参见图2和图3,穿孔210可包括细长正方形,每个细长正方形具有正方形的相 对边之间的横向尺寸D。在另一个实施例中,穿孔210可包括细长六边形,每个细长六边形具 有六边形的相对边之间的横向尺寸D。在另一个实施例中,穿孔210可包括中空圆柱体,每个 中空圆柱体具有对应于圆柱体直径的横向尺寸D。在另一个实施例中,穿孔210可W包括截 锥,每个截锥具有关于从输入面212延伸至输出面214的长度轴旋转对称的横向尺寸D。每个 穿孔210的横向尺寸D可W等于或大于基于标准参考条件的燃料泽焰距离。
[0044] 在实施例的一个范围中,多个穿孔中的每一个具有介于0.05英寸和1.0英寸之间 的横向尺寸D。优选地,多个穿孔中的每一个具有介于0.1英寸和0.5英寸之间的横向尺寸D。 例如,多个穿孔中可各自具有约0.2至0.4英寸的横向尺寸D。
[0045] 有孔火焰保持器102的空隙分数被定义为有孔火焰保持器102的一部分中所有穿 孔210的总体积除W有孔火焰保持器(包括主体208和穿孔210)的总体积。有孔火焰保持器 102应具有介于0.10和0.90之间的空隙分数。在一个实施例中,有孔火焰保持器102可W具 有介于0.30和0.80之间的空隙分数。在另一个实施例中,有孔火焰保持器102可W具有约 0.70的空隙分数。据发现,使用约0.70的空隙分数在产生非常低的NOx方面特别有效。
[0046] 有孔火焰保持器102可W由纤维增强诱铸耐火材料和/或耐火材料(诸如侣娃酸材 料)形成。例如,有孔火焰保持器102可由莫来石或堇青石形成。除此之外或作为另外一种选 择,有孔火焰保持器主体208可包括金属超合金,诸如铭儀铁合金或哈斯特洛伊耐蚀儀基合 金。有孔火焰保持器主体208可W限定蜂窝结构。
[0047]发明人已发现,有孔火焰保持器102可由VE[《SAG.R!D?陶瓷蜂窝体(可得自美国 南卡罗来纳州多拉维尔的应用陶瓷公司(A卵lied Ceramics,Inc . of Doraville,South Carolina))形成。
[004引穿孔210可W彼此平行并且垂直于输入面212和输出面214。在另一个实施例中,穿 孔210可W彼此平行并且相对于输入面212和输出面214形成一定角度。在另一个实施例中, 穿孔210可W彼此不平行。在另一个实施例中,穿孔210可W彼此不平行并且不相交。在另一 个实施例中,穿孔210可W相交。主体308可W是一体式或者可W由多个部分形成。
[0049] 在另一个不一定优选的实施例中,有孔火焰保持器102可W由网状纤维形成,所述 网状纤维由挤出的陶瓷材料形成。术语"网状纤维"是指网状结构。
[0050] 在另一个实施例中,有孔火焰保持器102可包括捆绑在一起的多根管或管道。多个 穿孔210可包括中空圆柱体并且任选地也可包括捆绑管之间的间隙空间。在一个实施例中, 所述多根管可包括陶瓷管。耐火水泥可W包含在管之间,并被配置成将管粘附在一起。在另 一个实施例中,所述多根管可包括金属(例如,超合金)管。所述多根管可W由围绕所述多根 管并被布置成将所述多根管保持在一起的金属张力构件保持在一起。该金属张力构件可包 括不诱钢、超合金金属线和/或超合金金属带。
[0051] 作为另外一种选择,有孔火焰保持器主体208包括材料的堆叠穿孔片材,每个片材 具有与下层片材的开口和上层片材的开口连接的开口。穿孔片材可包括穿孔的金属片材、 陶瓷片材和/或膨胀片材。在另一个实施例中,有孔火焰保持器主体208可包括不连续的填 充体,使得穿孔210在不连续的填充体之间的间隙空间中形成。在一个示例中,不连续的填 充体包括结构化填充形状。在另一个示例中,不连续的填充体包括无规的填充形状。例如, 不连续的填充体可W包括陶瓷拉西环、陶瓷贝尔鞍、陶瓷矩鞍环和/或金属环或可W由金属 笼保持在一起的其他形状(例如,超级拉西环)。
[0052] 对于包括有孔火焰保持器102的燃烧器系统为何能提供运种纯净的燃烧,
【发明人】 考虑了多种解释。
[0053] 在一个方面,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W维持燃烧反应。可利用该能力W使用比典型可行更贫乏的燃 料与氧化剂混合物来支持燃烧。因此,根据一个实施例,在燃料流206接触有孔火焰保持器 102的输入面212的位置处,燃料流206中燃料与氧化剂的平均比率低于燃料流的燃料组分 的(常规)燃烧下限,燃烧下限定义了在标准大气压和25°C(77°F)的环境溫度下暴露于瞬时 点火源时燃料/空气混合物将会燃烧的最低浓度。
[0054] 根据一种解释,由有孔火焰保持器支持的燃料和氧化剂的混合物可W是比在传统 燃烧器中提供稳定燃烧的混合物更贫乏的燃料。与靠近贫到富燃烧限值范围的中屯、的混合 物相比,接近燃料的燃烧下限的燃烧通常会在较低的绝热火焰溫度下进行。与较高的火焰 溫度相比,较低的火焰溫度通常设及较低的氮氧化物(M)X)浓度。在传统的火焰中,过于稀 薄的燃烧通常与堆叠处的高CO浓度相关联。相比之下,发现本文所述的有孔火焰保持器102 和包括有孔火焰保持器102的系统可基本上完全燃烧CO(从单位数的ppm到低至无法检出, 具体取决于实验条件),同时产生低NOx。在一些实施例中,发明人实现了被理解为是非常贫 乏的混合物的稳定燃烧(然而在堆叠处仅产生约3%或更低的测量化浓度)。此外,发明人相 信穿孔壁308可充当燃烧流体的散热器。作为另外一种选择或除此之外,运种效果可W降低 燃烧溫度。
[0055] 根据另一种解释,如果燃烧反应302发生在一段很短的持续时间内,则可W减少 NOx的生成。快速燃烧使得反应物(包含氧和夹带的氮)暴露于NOx形成溫度下一段时间,运 段时间对于NOx形成动力学来说过短W致于不能显著生成NOx。与传统的火焰相比,反应物 穿过有孔火焰保持器所需的时间非常短。因此,与有孔火焰保持器燃烧相关联的低NOx生成 可能与反应物(及夹带的氮)穿过有孔火焰保持器102所需的短暂时间有关。
[0056] 因为CO氧化是一个相对缓慢的反应,在足够高的溫度下(鉴于非常低的测定的(实 验和全规模)CO浓度),用于通过有孔火焰保持器的时间(也许加上从有孔火焰保持器102通 向烟道的时间)明显足W将CO氧化成二氧化碳(C〇2)。
[0057] 图4为示出用于操作燃烧器系统的方法400的流程图,该燃烧器系统包括本文所示 和所述的有孔火焰保持器。要操作包括有孔火焰保持器的燃烧器系统,首先将该有孔火焰 保持器加热到足W维持燃料和氧化剂混合物的燃烧的溫度。
[0058] 根据简单的描述,方法400从步骤106开始,其中将有孔火焰保持器预热至启动溫 度Ts。在将有孔火焰保持器升至启动溫度后,该方法进行至步骤404,其中将燃料和氧化剂 提供至有孔火焰保持器,并通过有孔火焰保持器保持燃烧。
[0059] 根据更详细的描述,步骤106开始于步骤406,其中在有孔火焰保持器处提供启动 能量。在提供启动能量的同时或之后,判定步骤40如角定有孔火焰保持器的溫度T是否等于 或高于启动溫度Ts。只要有孔火焰保持器的溫度低于它的启动溫度,该方法就会在预热步 骤106中的步骤406和步骤408之间循环。在步骤408中,如果有孔火焰保持器的至少一个预 定部分的溫度T大于或等于启动溫度,那么方法400进行到总体步骤404,其中燃料和氧化剂 被提供至该有孔火焰保持器并且由该有孔火焰保持器保持燃烧。
[0060] 步骤404可W被分解成几个独立的步骤,其中至少一些可W同时进行。
[0061] 从步骤408开始,燃料和氧化剂混合物被提供至有孔火焰保持器,如步骤108所示。 例如,燃料和氧化剂可W通过燃料和氧化剂源提供,所述燃料和氧化剂源包括单独的燃料 喷嘴和燃烧空气源。在此方法中,燃料和燃烧空气沿一个或多个方向输出,所述一个多个方 向被选择为使得燃料和燃烧空气混合物被有孔火焰保持器的输入面接收。燃料可W夹带燃 烧空气(或作为另外一种选择,燃烧空气可W稀释燃料)W在有孔火焰保持器的输入面W - 定燃料稀释度提供燃料和氧化剂混合物,所述燃料稀释度被选择为能够实现可W在有孔火 焰保持器的穿孔内保持的稳定燃烧反应。
[0062] 进行到步骤412,用有孔火焰保持器保持燃烧反应。
[0063] 在步骤414中,热量可从有孔火焰保持器输出。例如,从有孔火焰保持器输出的热 量可W用于为工业过程提供能量、加热工作流体、产生电力或提供动力。
[0064] 在任选步骤416中,可W感测燃烧的存在情况。发明人已经设想并使用了多种感测 方法。通常,通过有孔火焰保持器保持的燃烧非常稳定,并且对于系统没有特殊感测要求。 可W使用红外线传感器、视频传感器、紫外线传感器、带电粒种传感器、热电偶、热电堆和/ 或其他已知的燃烧感测装置进行燃烧感测。在步骤416的附加或替代变型中,如果燃烧在有 孔火焰保持器处焰灭,可W提供引燃火焰或其他点火源来点燃燃料和氧化剂混合物。
[00化]进行至判定步骤418,如果感测到燃烧不稳定,则方法400可W退出至步骤424,在 此执行错误程序。例如,该错误程序可包括关闭燃料流、重新执行预热步骤106、输出警报信 号、点燃待机燃烧系统或其他步骤。如果在步骤418中,有孔火焰保持器中的燃烧被确定为 稳定的,则方法400进行至判定步骤420,在该步骤中确定是否应更改燃烧参数。如果没有燃 烧参数被更改,则该方法循环(在步骤404中)返回至步骤108,燃烧过程继续。如果指示燃烧 参数变化,则方法400进行至步骤422,在该步骤中执行燃烧参数更改。在更改燃烧参数后, 该方法循环(在步骤404中)返回至步骤108,燃烧继续。
[0066] 可W安排更改燃烧参数,例如,当热量需求改变时。例如,如果需要的热量较少(例 如,由于电力需求减少、动力要求降低或工业过程的吞吐量降低),则可W在步骤422中将燃 料和氧化剂的流速降低。相反,如果热量需求增加,那么可W增大燃料和氧化剂流速。除此 之外或作为另外一种选择,如果燃烧系统处于启动模式,那么可W在步骤404中的一个或多 个循环迭代中将燃料和氧化剂流速逐渐增加至有孔火焰保持器。
[0067] 再次参见图2,燃烧器系统200包括可操作地联接到有孔火焰保持器102的加热器 228。如结合图3和图4所述,有孔火焰保持器102通过将热量输出至进入的燃料和氧化剂混 合物206而运行。建立燃烧之后,由燃烧反应提供该热量;但在建立燃烧之前,由加热器228 提供热量。
[0068] 发明人已经设想并使用了多种加热装置。在一些实施例中,加热器228可包括被配 置成支持火焰的火焰保持器,该火焰被设置为加热有孔火焰保持器102。燃料和氧化剂源 202可包括燃料喷嘴218和空气源220,所述燃料喷嘴被配置成射出燃料流,所述空气源被配 置成邻近于燃料流输出燃烧空气。燃料喷嘴218和空气源220可W被配置成输出由燃烧空气 逐步稀释的燃料流。有孔火焰保持器102可W被设置成接收稀释的燃料和空气混合物206, 当有孔火焰保持器102处于操作溫度下时,所述稀释的燃料和空气混合物支持由有孔火焰 保持器102稳定的燃烧反应。相比之下,启动火焰保持器可W被配置成在对应于相对富燃料 和空气混合物的位置处支持启动火焰,所述相对富燃料和空气混合物是稳定的,而不通过 加热的有孔火焰保持器102来提供稳定。
[0069] 燃烧器系统200可W进一步包括控制器230,所述控制器可操作地联接到加热器 228并联接到数据接口 232。例如,控制器230可W被配置为控制启动火焰保持器致动器,所 述启动火焰保持器致动器被配置为:在有孔火焰保持器102需要进行预热时,使启动火焰保 持器保持启动火焰;并且在有孔火焰保持器102处于操作溫度时(例如,当T > Ts时),使启动 火焰保持器不保持启动火焰。
[0070] 设想了用于驱动启动火焰的多种方法。在一个实施例中,启动火焰保持器包括机 械致动的纯体,所述纯体被配置成被致动W拦截燃料和氧化剂混合物206W引起热循环满 流,从而保持启动火焰;或者,所述纯体被配置成被致动W不拦截燃料和氧化剂混合物206, W使燃料和氧化剂混合物206进行至有孔火焰保持器102。在另一个实施例中,可W使用燃 料控制阀、鼓风机和/或阻尼器选择燃料和氧化剂混合物的流速,所述燃料和氧化剂混合物 的流速足够低W使启动火焰是喷射稳定的;并且,在达到有孔火焰保持器102的操作溫度 后,可W增大流速来"吹出"启动火焰。在另一个实施例中,加热器可包括电源,所述电源可 操作地联接到控制器230并且被配置成向燃料和氧化剂混合物206施加电荷或电压。导电启 动火焰保持器可W被选择性地联接到接地电压或其他电压,对所述电压进行选择W吸引燃 料和氧化剂混合物206中的电荷。发明人发现,吸引电荷会使导电启动火焰保持器支持启动 火焰。
[0071] 在另一个实施例中,加热器228可包括电阻加热器,所述电阻加热器被配置成将热 量输出至有孔火焰保持器和/或输出至燃料和氧化剂混合物206。电阻加热器可W被配置成 将有孔火焰保持器102加热至操作溫度。加热器228可W进一步包括电源和开关,所述开关 可在控制器230的控制下进行操作W将电源选择性地联接至电阻加热器。
[0072] 可W通过多种方式来形成电阻加热器228。例如,电阻加热器228可W由 KANTH 线材(可得自瑞典哈尔斯塔哈马的山特维克公司山特维克材料技术部 (Sandvik Materials Technology division of Sandvik AB of HalIstahammar, Sweden))形成,所述KANTH AL/线材穿过由有孔火焰保持器主体208限定形成的穿孔210 的至少一部分。作为另外一种选择,加热器228可包括感应加热器、高能(例如,微波或激光) 束加热器、摩擦加热器或其他类型的加热技术。
[0073] 设想了其他形式的启动装置。例如,加热器228可包括放电点火器或热表面点火 器,所述放电点火器或热表面点火器被配置成向空气和燃料输出脉冲点火。除此之外或作 为另外一种选择,启动装置可包括引燃火焰装置,所述引燃火焰装置被设置为点燃燃料和 氧化剂混合物206,否则该燃料和氧化剂混合物会进入有孔火焰保持器102。放电点火器、热 表面点火器和/或引燃火焰装置可W可操作地联接至控制器230,在有孔火焰保持器102被 充分加热至能够维持燃烧之前,该控制器可W使放电点火器或引燃火焰装置将燃料和氧化 剂混合物206的燃烧维持在有孔火焰保持器102中或上游。
[0074] 燃烧器系统200可W进一步包括传感器234,该传感器可操作地联接至控制电路 230。传感器234可包括热传感器,该热传感器被配置成能够检测有孔火焰保持器102的红外 福射或溫度。控制电路230可被配置成响应于来自传感器234的输入而控制加热装置228。任 选地,燃料控制阀236可W可操作地联接至控制器230并且被配置成能够控制流向燃料和氧 化剂源202的燃料流。除此之外或作为另外一种选择,氧化剂鼓风机或阻尼器238可W可操 作地联接至控制器230并且被配置成能够控制氧化剂(或燃烧空气)的流动。
[0075] 传感器234可W进一步包括可操作地联接至控制电路230的燃烧传感器,该燃烧传 感器被配置成能够检测由有孔火焰保持器102保持的燃烧反应的溫度、视频图像和/或光谱 特征。燃料控制阀236可W被配置成控制从燃料源到燃料和氧化剂源202的燃料流。控制器 230可W被配置成响应于来自燃烧传感器234的输入而控制燃料控制阀236。控制器230可W 被配置成控制燃料控制阀236和/或氧化剂鼓风机或阻尼器,W控制加热器228的预热火焰 类型来将有孔火焰保持器102加热至操作溫度。控制器230可W类似地控制燃料控制阀236 和/或氧化剂鼓风机或阻尼器,W响应于W数据形式经由数据接口 232接收到的热量需求变 化而改变燃料和氧化剂混合物206流。
[0076] 图5为根据一个实施例的图2至图3的燃烧器系统500的简化侧面剖视图。
[0077] 根据一个实施例,燃烧体积204由基本上在横向包封燃烧体积204的侧壁的基部表 面502和内部表面504限定。
[0078] 如说明书和权利要求中所用,术语燃料流被广义地理解为燃料的料流;燃料和氧 化剂;和/或燃料、氧化剂和稀释剂。燃料流的一些或全部非燃料组分可W例如通过燃料流 在其离开喷嘴21別寸与燃料预混合或被夹带。
[0079] 烟道气通过排气烟道506排放到大气中。任选地,排出的烟气可经过对流热传递管 和/或省煤器,该对流热传递管和/或省煤器预热燃烧空气、燃料和/或进料水。
[0080] 在图2中,从上方观察,有孔火焰保持器102被示出为矩形的并示出为具有孔210, 所述孔为大致正方形。根据其他实施例,火焰保持器102可W具有任何适当的形状,包括正 方形、圆形、六边形等。同样,孔210可W具有任何适当的形状,包括圆形、正方形、矩形、六边 形等,并且可W根据满足特定应用要求的任何构造来布置。根据一个实施例,孔210W介于 0.1"和0.5"之间的间距被布置在X-Y栅格中,如图2所示。限定并分离孔的壁的厚度对应于 介于约30%和80%之间的火焰保持器102总体"孔隙度"。因此,例如,根据一个实施例,其中 孔(在平面图中)呈正方形并具有0.25"的间距,每个孔的宽度为约0.206",由厚度为约 0.041"的壁隔开,得到约70 %的孔隙度。
[0081] 图6示出了根据一个实施例的图5燃烧器系统100的细节,如图5中3所示。如图6所 示,在燃烧器系统500正常运行期间,火焰的上边界302b与下边界302a仅可在火焰保持器 102的上方和下方分别延伸一小段距离。因此,燃料流206内的大多数燃料在火焰保持器102 的孔210内燃烧。
[0082] W便于说明的方式示出火焰边缘302a,302b时,应当理解,在一些情况下,没有可 见的火焰存在。燃烧主要发生在细长孔210内,但燃烧热"发光"主要是由有孔火焰保持器 102本身可见发光所导致。在其他情况下,发明人已经注意到在稀释区域化内的瞬态"吹 气",其中可见火焰在位于有孔火焰保持器102的输入面212和燃料源218之间(例如,参见图 2和图5)的区域内短暂地点燃。运样的瞬态吹气通常持续时间短,使得在时间平均的基础 上,大部分燃烧发生在有孔火焰保持器的孔210内且介于有孔火焰保持器102的输入面212 和输出面214之间。在另一些情况下,发明人已经注意到,在有孔火焰保持器102的输出面 214上方发生明显的燃烧,但如来自有孔火焰保持器102的持续可见发光(黑体福射的可见 光波长尾)所证实的那样,大部分燃烧仍然发生在有孔火焰保持器内。
[0083] 有孔燃烧器系统500的热输出由燃料流中燃料的流速调节来控制。热输出可W通 过在火焰保持器102处直接测量来确定,或者可W基于在系统100内其他位置处(诸如在烟 道出口或在工作流体的出口等)进行的测量来间接地推断。例如,在经验数据的基础上,可 W制备一个表,给定流速并基于工作流体的输入溫度和输出溫度,从此表可W得出热输出 值。
[0084] 出于本公开的目的,中等热输出是指值超过约215KBTU/H/ft2(1.5Kbtu/H/in 2)的 热输出,高热输出是指值超过约430kBTU/H/f t2(3kBTU/H/in2)的热输出。
[0085] 根据一个实施例,在正常操作中,燃烧器系统100的热输出大于500kBTU/H/ft2,或 约3.化BTU/H/in2 (158W/cm2)。在由发明人进行的实验中,像上述一种的有孔火焰保持器W 约lMBTU/H/ft2akBTU/H/in2)或更高的热输出常规运行,并且在一些测试中,达到或超过约 5MBTU/H/f t2 (35kBTU/H/in2)的水平。
[0086] 根据各个实施例,燃烧器系统100的热输出大于IMBTU/H/ft2(约化BTU/H/in2)、 3MBTU/H/f t2(约2lkBTU/H/in2)和5MBTU/H/f t2(约35kBTU/H/in2)。
[0087] 根据一个实施例,能够在运些高水平热量输出下运行的原因之一是,有效燃烷基 本上沿孔210的整个长度发生。其结果是,火焰保持器102的整个主体保持在等于或高于燃 料流206的燃料组分的自燃溫度的溫度下。因此,在燃料流206行进穿过火焰保持器102的孔 210时,它被名义上点燃,并且,在反应物横穿孔210的长度(例如,火焰保持器102的厚度) 时,完成或接近完成燃烧过程。在许多现有技术的系统中,陶瓷燃烧器砖瓦的输出侧被加热 至W红外波长福射能量的程度,但输入侧被进入的燃料流冷却并保持更冷,特别是在中等 热量输出和高热量输出下,使得燃烧仅在燃料流206接近燃烧器的输出面214时或者甚至越 过输出面214时开始。事实上,许多现有技术系统依赖于燃料流的冷却效果。如Sarkisian的 参考文献解释的那样,"由反应物冷却的陶瓷砖瓦有效地将上游反应物与热的下游燃烧产 物隔离开,从而防止逆燃。"
[0088] 为了开始运行燃烧器系统100并实现参照各种实施例所描述的热输出水平,在启 动程序中预热有孔火焰保持器(或无限期地保持在升高的溫度下),使得有孔火焰保持器 102的至少一部分处于超过燃料流206的燃料组分的自燃溫度的溫度下。
[0089] 可W使用任何适当的预热火焰保持器102的方法。用于预热有孔火焰保持器的一 些结构和方法公开于例如2014年2月14日提交的名称为"FUEL COMBUSTION SYSTEM mH A PERFORATED REACTION朋LDER"(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(代理人案卷号:2651-188-04);该PCT专利申请在不抵触本文的公 开内容的程度上W引用方式并入。
[0090] 下文结合图7和图8描述了用于预热有孔火焰保持器102的一种结构及相应的方 法。
[0091] 图7和图8为根据一个实施例处于相应操作模式期间的燃烧器系统700的图解视 图。如上文结合燃烧器系统100所述,燃烧器系统700包括有孔火焰保持器102和喷嘴218。任 选地,燃烧器系统700包括控制器706, W及第一电极702和第二电极704。第一电极702被配 置为火焰保持器电极,而第二电极704被配置为充电电极。控制器706通过连接器708可操作 地联接至第一电极702和第二电极704,并且被配置成在第一电极702和第二电极704之间施 加电势。
[0092] 在示出的实施例中,第一电极702具有环形形状,诸如环形线圈的形状,并且被定 位成距喷嘴218-定距离Dn,其中中屯、轴与喷嘴218的纵轴对齐。在操作期间,从喷嘴218发 射的燃料流206将优选地具有圆锥形状,该圆锥形状的直径作为距喷嘴218的距离的函数而 增加。通常,相对于喷嘴218的纵轴,燃料流206分散的角度为约15度。根据一个实施例,第一 电极702的内径被选择为大于燃料流206在距离Dn处的直径。根据另一个实施例,第一电极 702的内径被选择为等于或略微小于燃料流206在距离Dn处的直径。
[0093] 喷嘴218被配置成通过燃料管路710接收燃料流。阀712联接至燃料管路710,并且 被配置成调节燃料到喷嘴218的流。控制器706通过连接器714可操作地联接至阀712,并且 被配置成在连接器714上提供信号,通过该信号来控制阀712的操作。
[0094] 在图7中,燃烧器系统700被示为处于操作的预热模式中。在预热模式中操作时,控 制器706控制阀712W允许燃料到喷嘴218的流,同时在第一电极702和第二电极704之间施 加电压,并且通过任意数目的已知方法在燃料流206中点燃预热火焰416。第二电极704向预 热火焰416施加第一极性的电荷,而存在于第一电极702上的相反极性的电压(或地电势)吸 引预热火焰416内的带电物质。因此,预热火焰416的火焰前缘418保持在靠近第一电极702 的区域中,该区域将预热火焰416的相当大的部分保持在喷嘴218和有孔火焰保持器102之 间。在预热火焰416处于该位置的情况下,有孔火焰保持器102由火焰416加热。
[0095] 根据实施例,控制器706被配置成施加随时间变化的电势,例如交流电压或具有直 流偏移的交流电压。根据一个实施例,由控制器706施加的电势具有超过IOkV的峰间值。根 据另一个实施例,由控制器706施加的电势具有超过20kV的峰间值。根据另外的实施例,由 控制器706施加的电势具有超过40kV的峰间值。
[0096] 根据一个实施例,提供了一个或多个放大器,该放大器被配置成接收来自控制器 706的时变信号,放大信号,并且向第一电极702和第二电极704提供放大的信号。
[0097] 在第一电极702的内径大于燃料流206在距离Dn处的直径的实施例中,不存在预热 火焰416与第一电极702的直接接触。由此,第一电极702和第二电极704之间不存在直接电 路径,而且几乎没有电流。因此,即使施加到第一电极702和第二电极704的电压电势可能非 常高,但消耗的功率是最小的。例如,在发明人所操作的试验燃烧系统中,在所施加的峰间 电压为约40kV的情况下,功率消耗为约5W。
[0098] 当有孔火焰保持器102的至少一部分已被预热火焰416加热到选择的最低启动溫 度时,燃烧器系统700从预热模式转变到加热模式(即,正常操作),如图8所示。在转变到操 作的加热模式时,控制器706在第一电极702和第二电极704之间终止施加电势,同时继续控 制阀712W允许燃料流到喷嘴218。由于燃料流206的速度,在没有通过第二电极704施加到 火焰302的电荷W及存在于第一电极702处的相反电荷的情况下,预热火焰416被吹离保持 电极702。然而,有孔火焰保持器102的最低启动溫度被选择为高于燃料流206中的燃料的自 燃溫度。因此,当启动火焰保持器702不再保持预热火焰716时,燃料流206在有孔火焰保持 器102的孔210内点燃,并且稳定的燃烧开始于火焰保持器102处。
[0099] 任选的控制器706可W通过控制燃料的体积和/或氧化剂体积来调节燃烧器系统 700的热输出,其中通过控制阀712确认所述燃料的体积,所述氧化剂体积由燃烧空气源提 供。燃烷基本上如结合图2和图5所述的那样继续。
[0100] 现在转到图9至图12,根据各个实施例,流程图示出了各种操作方法。应当指出的 是,在下文公开的方法中,所公开的许多步骤不是强制的或必要的。另外,相对于一种方法 所公开的多个步骤可W根据具体情况适当地与其他方法相结合。例如,当仅包括图9的过程 的某一元素时,结合步骤106所述的预热步骤可W适当地合并到所公开的任一方法中。
[0101] 图9是示出根据一个实施例的操作燃烧器系统的方法900的流程图。该方法W如下 假设作为前提:该燃烧器最初不处于加热操作或模式中。在步骤106中,有孔火焰保持器被 预热至选定的启动溫度。运一步骤可包括仅预热火焰保持器的一部分,或者另选地,可W将 整个火焰保持器预热至选定的启动溫度。根据一个实施例,选定的启动溫度是超过燃料流 的燃料组分的自燃溫度的溫度。所选的启动溫度也可W是超过燃料流的燃料组分的自燃溫 度的溫度加上增加额外的溫度增量,使得有孔火焰保持器可W保持足够的热能W在启动后 的一段时期内维持燃烧反应。发明人已发现,在启动过程中,一旦冷的燃料和氧化剂混合物 被引入有孔火焰保持器中,有孔火焰保持器的溫度可能会倾向于下降。选择额外的溫度增 量W在经历有孔火焰保持器的溫度下降后至少维持在自燃溫度。
[0102] -旦实现火焰保持器的所选最小启动溫度,该过程将前进至步骤108,在该步骤 中,包含燃料组分和氧化剂组分的燃料流被引入有孔火焰保持器的输入面。应当指出的是, 从喷嘴射出燃料流可W作为步骤106的一部分开始,或者可W在步骤106结束时开始。例如, 在上文结合图7和图8所述的预热过程中,燃料流最初支持预热火焰,其在启动过程中被用 来预热火焰保持器。然而,由于在预热步骤中火焰被保持在喷嘴和火焰保持器之间,因此燃 料流本身不会达到火焰保持器,直到电极被断电。在其他预热过程中,不会开始射出燃料 流,直到火焰保持器处于其最低启动溫度。在该过程中,使用其他装置(诸如通过电加热元 件、激光轰击等)来预热火焰保持器。
[0103] 在步骤412中,燃料流的大部分在有孔火焰保持器的输入面和输出面之间燃烧。在 运种情况下,燃料流的燃烧是指燃料组分被转换为燃烧产物的燃烧过程。也就是说,燃烧过 程的大部分发生在火焰保持器的输入面和输出面之间。可W在任何合理的基础上测定燃烧 过程完成到何种程度,包括例如燃料的百分比或热能的百分比,所述燃料的百分比(即,燃 料流的燃料组分)是在火焰保持器的输入面和输出面之间被转换为燃烧产物的燃料相对于 在燃烧器系统内转化的燃料总量的百分比,所述热能的百分比是在火焰保持器的输入面和 输出面之间的燃烧过程所释放的热能相对于在燃烧器系统内所释放的热能总量的百分比。
[0104] 根据一个实施例,燃烧过程的至少80%发生在火焰保持器的输入面和输出面之 间。
[0105] 最后,在步骤908中,燃料流的燃烧被用于使燃烧器系统产生至少约21化BTU/H/ f t2( 1.化BTU/H/in2)的最小热输出。根据另一个实施例,最小热输出为约432kBTU/H/f t2 (3kBTU/H/in2)。根据相应另外的实施例,最小热输出为约化BTU/H/in2、约21kBTU/H/in哺 约35481'1]/^/1112。化81'1]/^/1112对应于约謹81'1]八1/的 2(即,1百万81'1^每平方英尺,或约15.4 百万瓦每平方米)。因此,21kBTU/H/in2和35kBTU/H/in2分别对应于约3MBTU/H/ft 2和约 5MBTU/H/ft^
[0106] 图10是示出根据另一个实施例的操作燃烧器系统的方法1000的流程图。在步骤 108中,包含燃料组分和氧化剂组分的燃料流被引入到有孔火焰保持器的输入面,基本上如 上文结合步骤108所述。
[0107] 在步骤1004中,燃料流在有孔火焰保持器处燃烧。在步骤1006中,燃料流的燃烧被 用于使燃烧器系统产生至少约化BTU/H/in2的热输出。根据相应可供选择的实施例,燃料流 的燃烧被用于产生至少约21kBTU/H/in2和至少约35kBTU/H/in2的热输出。
[0108] 根据一个实施例,如在步骤1008所述,大部分燃烧在火焰保持器的输入面和输出 面之间进行,基本上如结合步骤412所述。
[0109] 图11是示出根据另一个实施例的操作燃烧器系统的方法1100的流程图。在步骤 108中,燃料流被引入到有孔火焰保持器的输入面,基本上如先前所述。在步骤1104中,燃料 流在有孔火焰保持器处燃烧,并且在步骤1106中,燃料流的燃烧被用于产生至少约 216kBTU/H/ft2(1.5kBTU/H/in2)的最小热输出。根据另一个实施例,最小热输出为约化BTU/ H/ft^
[0110] 在步骤1108中,在产生至少最小热输出的同时,火焰保持器的输入面被保持在超 过燃料流的燃料组分的自燃溫度的溫度。根据一个实施例,火焰保持器的输入面保持在至 少1100°F(约593°C)的溫度下。
[0111] 根据一个实施例,在燃料流进入火焰保持器的输入面时,燃料流开始燃烧。根据另 一个实施例,大部分燃烧在火焰保持器的输入面和输出面之间进行。
[0112] 图12是示出根据另一个实施例的操作燃烧器系统的方法1200的流程图。在步骤 1202中,燃料流被引入到有孔火焰保持器的输入面。步骤1202的燃料流中燃料与氧化剂的 平均比率低于燃料流的燃料组分的燃烧下限。然而,在步骤1204中,燃料流在有孔火焰保持 器处燃烧。根据一个实施例,如步骤412所述,大部分燃烧在火焰保持器的输入面和输出面 之间进行。
[0113] 根据另一个实施例,如步骤1208所述,有孔火焰保持器的至少一部分被保持在超 过燃料流的燃料组分的自燃溫度的溫度下。根据一个实施例,如步骤1210所述,燃料流的燃 烧被用于产生至少约216kBTU/H/ft2(l.化BTU/H/in2)最小热输出。
[0114] 虽然本文已经公开了各个方面和实施例,但也可设想其他方面和实施例。本文所 公开的各个方面和实施例出于举例说明的目的,而并非旨在进行限制,其具有由W下权利 要求书所指示的真实范围和实质。
【主权项】
1. 一种方法,包括: 使燃料流流入有孔火焰保持器中,所述有孔火焰保持器具有输入面、输出面和多个穿 孔,所述多个穿孔在所述输入面和所述输出面之间延伸;以及 燃烧所述燃料流,所述燃烧的大部分发生在所述火焰保持器的所述输入面和所述输出 面之间;以及 从所述燃烧产生至少216kBTU/H/ft2的热输出。2. 根据权利要求1所述的方法,包括在进行所述燃料流的所述燃烧之前,预热所述有孔 火焰保持器。3. 根据权利要求2所述的方法,其中所述预热所述有孔火焰保持器包括将所述火焰保 持器的至少一部分预热至超过所述燃料流的燃料组分的自燃温度的温度。4. 根据权利要求1所述的方法,其中所述燃烧所述燃料流包括在所述火焰保持器的所 述输入面和所述输出面之间完成所述燃料流燃烧的至少80%。5. 根据权利要求1所述的方法,其中所述从所述燃烧产生至少216kBTU/H/ft2的热输出 包括从所述燃烧产生至少432kBTU/H/ft 2的热输出。6. 根据权利要求1所述的方法,其中所述从所述燃烧产生至少216kBTU/H/ft2的热输出 包括从所述燃烧产生至少IMBTU/H/ft 2的热输出。7. 根据权利要求1所述的方法,其中所述从所述燃烧产生至少216kBTU/H/ft2的热输出 包括从所述燃烧产生至少3MBTU/H/ft 2的热输出。8. 根据权利要求1所述的方法,其中所述从所述燃烧产生至少216kBTU/H/ft2的热输出 包括从所述燃烧产生至少5MBTU/H/ft 2的热输出。9. 一种操作方法,包括: 使燃料流流入有孔火焰保持器中; 在所述火焰保持器处燃烧所述燃料流;以及 从所述燃烧产生至少IMBTU/H/ft2的热输出。10. 根据权利要求9所述的方法,包括在所述火焰保持器处进行所述燃烧所述燃料流之 前,预热所述有孔火焰保持器。11. 根据权利要求10所述的方法,其中所述预热所述有孔火焰保持器包括将所述火焰 保持器的至少一部分预热至超过所述燃料流的燃料组分的自燃温度的温度。12. 根据权利要求9所述的方法,其中所述在所述火焰保持器处燃烧所述燃料流包括在 所述火焰保持器的输入面和输出面之间燃烧所述燃料流的燃料组分的大部分。13. 根据权利要求12所述的方法,其中所述在所述火焰保持器的输入面和输出面之间 燃烧所述燃料流的大部分燃料组分包括在所述火焰保持器的所述输入面和所述输出面之 间燃烧所述燃料流的所述燃料组分的至少80%。14. 根据权利要求12所述的方法,其中所述在所述火焰保持器的输入面和输出面之间 燃烧所述燃料流的大部分燃料组分包括在所述火焰保持器的所述输入面和所述输出面之 间延伸的孔内燃烧所述燃料流的所述燃料组分的大部分。15. 根据权利要求9所述的方法,其中所述从所述燃烧产生至少IMBTU/H/ft2的热输出包 括从所述燃烧产生至少3MBTU/H/ft 2的热输出。16. 根据权利要求9所述的方法,其中所述以至少IMBTU/H/ft2的速率在所述火焰保持器 处燃烧所述燃料流包括以至少5MBTU/H/ft2的速率燃烧所述燃料流。17. -种方法,包括: 使燃料流流入有孔火焰保持器中; 在所述火焰保持器处燃烧所述燃料流; 从所述燃烧产生至少216kBTU/H/ft2的最小热输出;以及 在产生至少所述最小热输出的同时,保持所述火焰保持器的至少一部分的温度超过所 述燃料流的燃料组分的自燃温度。18. 根据权利要求17所述的方法,其中所述使燃料流流入有孔火焰保持器中包括所述 使所述燃料流流入在所述火焰保持器的所述输入面和输出面之间延伸的多个孔内。19. 根据权利要求17所述的方法,其中所述在所述火焰保持器处燃烧所述燃料流包括 在所述火焰保持器的所述输入面和所述输出面之间延伸的孔内燃烧所述燃料流的所述燃 料组分的大部分。20. 根据权利要求17所述的方法,其中所述保持所述火焰保持器的至少一部分的温度 超过所述燃料流的燃料组分的自燃温度包括将所述火焰保持器的所述输入面处的温度保 持在至少1100° F。21. 根据权利要求17所述的方法,其中所述从所述燃烧产生至少216kBTU/H/ft2的热输 出包括从所述燃烧产生至少IMBTU/H/f t2的热输出。22. 根据权利要求17所述的方法,包括在所述燃料流进入所述有孔火焰保持器的所述 输入面时引发所述燃料流的燃烧。23. -种方法,包括: 使燃料流流入有孔火焰保持器的输入面,所述燃料流中燃料与氧化剂的平均比率低于 所述燃料流的燃料组分的燃烧下限;以及 在所述有孔火焰保持器处燃烧所述燃料流。24. 根据权利要求23所述的方法,包括保持所述火焰保持器的输出面处的温度超过所 述燃料流的所述燃料组分的自燃温度。25. 根据权利要求23所述的方法,其中所述在所述有孔火焰保持器处燃烧所述燃料流 包括在所述有孔火焰保持器的输入面和输出面之间燃烧所述燃料流的所述燃料组分的大 部分。26. 根据权利要求23所述的方法,其中所述在所述有孔火焰保持器的输入面和输出面 之间燃烧所述燃料流的所述燃料组分的大部分包括在所述输入面和所述输出面之间在所 述有孔火焰保持器中延伸的孔内燃烧所述燃料流的所述燃料组分的大部分。27. 根据权利要求23所述的方法,其中所述在所述有孔火焰保持器处燃烧所述燃料流 包括在所述有孔火焰保持器的输入面和输出面之间燃烧所述燃料流的所述燃料组分的至 少 80 %。28. 根据权利要求23所述的方法,其中所述在所述有孔火焰保持器处燃烧所述燃料流 包括从所述燃烧产生至少IMBTU/H/ft 2的热输出。
【文档编号】F23D14/26GK105917169SQ201580003725
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2015年2月17日
【发明人】约瑟夫·科兰尼诺, 道格拉斯·W·卡尔科夫, 克里斯多佛·A·威克洛夫
【申请人】克利尔赛恩燃烧公司
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