用于具有穿孔火焰稳定器的燃烧器的启动方法和机构与流程

本申请要求2013年2月14日提交的、名称为“Perforated Flame Holder And Burner Including A Perforated Flame Holder(穿孔火焰稳定器和包括穿孔火焰稳定器的燃烧器)”的美国临时专利申请第61/765,022号；以及2014 年1月24日提交的、名称为“Low NOx Fire Tube Boiler(低NOx火管锅炉)”的美国临时专利申请第61/931,407号的优先权；所述申请在不与本文公开的内容冲突的情况下全文以引用方式并入本文。

本申请与2014年2月14日提交的、名称为“PERFORATED FLAME HOLDER AND BURNER INCLUDING A PERFORATED FLAME HOLDER (穿孔火焰稳定器和包括穿孔火焰稳定器的燃烧器)”的代理人案件第 2651-172-04号；2014年2月14日提交的、名称为“FUEL COMBUSTION SYSTEM WITH A PERFORATED REACTION HOLDER(带有穿孔反应稳定器的燃料燃烧系统)”的代理人案件第2651-188-04号；以及2014年2月 14日提交的、名称为“SELECTABLE DILUTION LOW NOx BURNER(可选择稀释低NOx燃烧器)”的代理人案件第2651-167-04号有关；这些在不与本文公开的内容冲突的情况下以引用方式并入本文。

技术领域

本发明涉及，但不限于一种用于具有穿孔火焰稳定器的燃烧器的启动方法和机构。

背景技术：

燃烧系统被全社会广泛使用。提高燃烧系统的效率和减少有害排放的努力从未停止。

技术实现要素：

根据一个实施例，提供燃烧系统，其包括燃料喷嘴，所述燃料喷嘴被配置为发出发散燃料流；穿孔火焰稳定器，所述穿孔火焰稳定器设置于燃料流的路径中且包括多个延伸穿过所述穿孔火焰稳定器的孔。燃烧系统还包括用于预热穿孔火焰稳定器的预热器。

根据一个实施例，燃烧系统包括燃料喷嘴，所述燃料喷嘴被配置为发出发散燃料流；穿孔火焰稳定器，其包括多个延伸穿过所述穿孔火焰稳定器的孔且位于燃料流的路径中；以及预热装置，其用于预热所述穿孔火焰稳定器。

根据一个实施例，预热器和预热装置包括电阻元件。

根据相应实施例，预热器和预热装置包括电感应元件。

根据另一个实施例，预热器和预热装置包括预热喷嘴，所述预热喷嘴被配置为支持预热火焰处于燃料喷嘴和火焰稳定器之间的位置。

根据一个实施例，预热装置包括第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极被配置为支持预热火焰处于主喷嘴和火焰稳定器之间的位置。

根据另一个实施例，预热装置包括预热火焰稳定器，所述预热火焰稳定器被配置为支持发散燃料流中的预热火焰处于主喷嘴和火焰稳定器之间的位置。

根据一个实施例，提供燃烧系统，所述燃烧系统包括喷嘴，所述喷嘴被配置为发出发散燃料流；火焰稳定器，所述火焰稳定器设置于燃料流的路径中且包括多个延伸穿过所述火焰稳定器的孔。燃烧系统还包括用于预热主火焰稳定器的预热装置。

本发明还提供以下方面：

1)一种燃烧器，所述燃烧器包括：

主喷嘴，所述主喷嘴具有纵向轴线且被配置为发出燃料流；

主火焰稳定器，所述主火焰稳定器具有第一面和第二面以及从所述第一面至所述第二面延伸穿过所述主火焰稳定器的多个孔，被设置为所述第一面朝向所述主喷嘴并与所述主喷嘴的纵向轴线相交；以及

预热机构，所述预热机构被配置为预热所述主火焰稳定器。

2)根据1)所述的燃烧器，其中所述预热机构包括电阻元件。

3)根据2)所述的燃烧器，其中所述电阻元件与所述主火焰稳定器是一体的。

4)根据2)所述的燃烧器，其中所述电阻元件连接到所述主火焰稳定器的第一面和第二面中的一者。

5)根据2)所述的燃烧器，其中所述电阻元件连接到所述主火焰稳定器的侧表面。

6)根据2)所述的燃烧器，其中所述电阻元件交织穿过所述主火焰稳定器的多个孔中的多个。

7)根据2)所述的燃烧器，其中所述电阻元件被所述主火焰稳定器包封。

8)根据2)所述的燃烧器，其中所述电阻元件是所述主火焰稳定器的材料的一个组成部分。

9)根据1)所述的燃烧器，其中所述预热机构包括电感应元件。

10)根据9)所述的燃烧器，其中所述电感应元件与所述主火焰稳定器是一体的。

11)根据9)所述的燃烧器，其中所述电感应元件连接到所述主火焰稳定器的第一面和第二面中的一者。

12)根据9)所述的燃烧器，其中所述电感应元件连接到所述主火焰稳定器的侧表面。

13)根据9)所述的燃烧器，其中所述电感应元件交织穿过所述主火焰稳定器的多个孔中的多个。

14)根据9)所述的燃烧器，其中所述电感应元件被所述主火焰稳定器包封。

15)根据9)所述的燃烧器，其中所述电感应元件是所述主火焰稳定器的材料的一个组成部分。

16)根据1)所述的燃烧器，其中所述预热机构包括预热喷嘴，所述预热喷嘴被配置为支持火焰处于所述主喷嘴和所述主火焰稳定器的第一面之间的位置。

17)根据16)所述的燃烧器，其中所述主喷嘴是所述预热喷嘴，并包括第二火焰稳定器，所述第二火焰稳定器被配置为支持火焰处于所述主喷嘴和所述主火焰稳定器的第一面之间的位置。

18)根据17)所述的燃烧器，还包括第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极被配置为对所述火焰施加电能。

19)根据18)所述的燃烧器，其中所述第一电极和第二电极中的一者与所述主喷嘴是一体的。

20)根据18)所述的燃烧器，其中所述第一电极和第二电极中的一者与所述第二火焰稳定器是一体的。

21)根据17)所述的燃烧器，其中所述第二火焰稳定器具有圆环面形状。

22)根据18)所述的燃烧器，其中所述第一电极和第二电极中的一者与所述主火焰稳定器是一体的。

23)根据18)所述的燃烧器，其中所述第一电极和第二电极中的一者在伸长位置和回缩位置之间可移动。

24)根据17)所述的燃烧器，其中所述第二火焰稳定器被配置为将湍流引入经由所述主喷嘴发出的所述燃料流中。

25)根据24)所述的燃烧器，其中所述第二火焰稳定器在操作位置和非操作位置之间可移动，所述操作位置为其中所述第二火焰稳定器将湍流引入所述燃料流中，所述非操作位置为其中所述第二火焰稳定器被从所述燃料流的路径间隔开。

26)根据25)所述的燃烧器，其中所述预热机构包括被配置为使所述第二火焰稳定器在所述操作位置和所述非操作位置之间移动的机构。

27)根据16)所述的燃烧器，其中所述主喷嘴是所述预热喷嘴，并且其中所述主喷嘴在预热位置和操作位置之间可移动。

28)根据27)所述的燃烧器，其中所述预热机构包括被配置为使所述主喷嘴在所述预热位置和所述操作位置之间移动的机构。

29)根据16)所述的燃烧器，其中所述主喷嘴是所述预热喷嘴，并且其中所述主火焰稳定器在预热位置和操作位置之间可移动。

30)根据16)所述的燃烧器，其中所述预热喷嘴在预热位置和空载位置之间可移动。

31)根据1)所述的燃烧器，其中所述预热机构包括供能机构，所述供能机构被配置为传输能量发射以照射到所述主火焰稳定器的表面上。

32)根据31)所述的燃烧器，其中所述供能机构包括激光发射器。

33)根据31)所述的燃烧器，其中所述供能机构包括微波发射器。

34)根据1)所述的燃烧器，包括控制器，所述控制器被配置为使所述燃烧器从预热状态切换到操作状态。

35)根据34)所述的燃烧器，其中所述控制器被配置为使所述燃烧器保持在所述预热状态历经第一时间段，且在所述第一时间段结束时使所述燃烧器从所述预热状态切换到所述操作状态。

36)根据34)所述的燃烧器，其中所述控制器被配置为接收指示所述主火焰稳定器的温度的信号，且当所述主火焰稳定器的温度高于温度阈值时使所述燃烧器从所述预热状态切换至所述操作状态。

37)根据34)所述的燃烧器，其中所述控制器被配置为调控所述燃烧器的操作水平。

38)一种用于操作火焰稳定器的操作方法。所述方法包括进行燃烧器启动工序，包括向火焰稳定器施加热能；在火焰稳定器的一部分的温度高于启动温度阈值之后，终止燃烧器启动工序；以操作速率从喷嘴发出燃料流；以及支持火焰在延伸穿过火焰稳定器的多个孔内。

39)根据38)所述的方法，施加热能包括经由跨越电阻元件施加电势来发热，并且将热施加至火焰稳定器。

40)根据39)所述的方法，其中所述施加电势包括跨越与所述主火焰稳定器一体的电阻元件施加电势。

41)根据39)所述的方法，其中所述施加电势包括跨越与所述主火焰稳定器直接接触的电阻元件施加电势。

42)根据39)所述的方法，其中所述施加电势包括跨越交织穿过所述主火焰稳定器的多个孔中的多个的电阻元件施加电势。

43)根据39)所述的方法，所述方法包括：

维持所述主喷嘴在关闭状态直到所述主火焰稳定器的部分的温度在所述启动温度阈值；以及

同时进行所述发出燃料流和所述终止所述燃烧器启动工序。

44)根据38)所述的方法，进行燃烧器启动工序进一步包括使由从主喷嘴发出的燃料所支持的火焰保持在主喷嘴和面对主喷嘴的火焰稳定器的一侧之间的位置处。

45)根据43)所述的方法，其中所述进行燃烧器启动工序还包括通过将第二火焰稳定器设置在所述主喷嘴和所述主火焰稳定器之间而在所述主喷嘴发出的所述燃料流中生成湍流。

46)根据45)所述的方法，其中所述终止所述燃烧器启动工序包括将所述第二火焰稳定器从所述主喷嘴和所述主火焰稳定器之间移除。

47)根据43)所述的方法，进行燃烧器启动工序包括使主喷嘴保持在启动位置并以启动速率从主喷嘴发出燃料流，启动速率足够低以便能使稳定火焰在燃料流内。另外，终止燃烧器启动工序包括使主喷嘴从启动位置移动至操作位置。

48)根据43)所述的方法，其中所述进行燃烧器启动工序还包括使所述主火焰稳定器保持在启动位置并以启动速率从所述主喷嘴发出燃料流，所述启动速率足够低以便使所述燃料流内能够有稳定火焰，且其中所述终止所述燃烧器启动工序包括使所述主火焰稳定器从所述启动位置移动至操作位置。

49)根据38)所述的方法，其中所述终止所述燃烧器启动工序包括降低氧化剂流体流中的氧浓度。

根据一个实施例，终止燃烧器启动工序包括降低空气流中的氧浓度。

50)根据38)所述的方法，其中所述终止所述燃烧器启动工序包括降低所述燃料流中的火焰传播速度。

51)根据38)所述的方法，其中所述施加热能至主火焰稳定器包括施加跨越第一电极和第二电极的电势，所述第一电极和第二电极被设置为向由所述主喷嘴支持的火焰施加电能。

52)根据38)所述的方法，其中所述施加热能至主火焰稳定器包括：

施加具有第一极性的电荷至由所述主喷嘴支持的火焰；以及

通过向一电极施加具有与所述第一极性相反的第二极性的电压来保持所述火焰的一部分在所述主火焰稳定器附近。

53)根据52)所述的方法，其中所述施加电压至电极包括向设置于所述主火焰稳定器的一个面上的电极施加所述电压。

54)根据51)所述的方法，其中所述终止所述燃烧器启动工序包括使电极从所述主喷嘴和所述主火焰稳定器之间的位置回缩。

55)根据38)所述的方法，其中所述施加热能至主火焰稳定器包括将激光束导向至所述主火焰稳定器的表面上。

56)根据38)所述的方法，其中所述施加热能至主火焰稳定器包括将微波辐射导向至所述主火焰稳定器的表面上。

57)根据38)所述的方法，所述方法包括检测所述主火焰稳定器的部分的温度。

附图说明

图1是根据一个实施例的燃烧器系统的示意性透视图。

图2A和图2B是根据一个实施例在相应操作模式中的燃烧系统的示意性侧面剖视图。

图3是根据一个实施例的燃烧系统的示意性侧视图，其中部分以剖视图示出。

图4是根据一个实施例的燃烧系统的示意性侧面剖视图。

图5是根据一个实施例的燃烧系统的示意性透视图。

图6-图9是根据相应实施例的火焰稳定器的示意性横截面。

图10是根据一个实施例的包括燃烧系统的锅炉的一部分的示意性横截面。

图11是根据一个实施例的燃烧系统的示意性侧面剖视图。

具体实施方式

在以下详细描述中，参照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标记通常表示类似的部件。详细描述和附图中描述的说明性实施例并不意图限制。在不脱离本文所述主题的精神或范围的前提下，可采用其它实施例并且可作出其它改变。

图1是根据一个实施例的燃烧器系统100的示意性透视图。燃烧器系统100包括喷嘴102和设置于燃烧空间106内的火焰稳定器104，燃烧空间 106的一部分由壁108限定。孔110延伸穿过壁108。喷嘴102经由孔110 延伸进入燃烧空间106。选择孔110的尺寸以允许空气进入燃烧空间106以便提供氧气来支持燃烧空间106内的燃烧。

术语空气是指一种包括可支持燃烧形式的氧气、通常为气态的流体。虽然环境空气是最常见的氧化剂流体，但许多燃烧系统采用可包括其它添加剂的混合物，这些添加剂通常出于在某些方面更改燃烧的目的而选定。例如在很多情况下，根据众所周知的原理和工艺，使烟道气再循环并与环境空气混合以降低氧化剂流体中的氧气浓度，以便减少有害排放。出于本说明书和权利要求书的目的，术语空气将被解释为指任何此类流体或流体的混合物，除非明确地作另外的限制或限定。

燃烧系统100的火焰稳定器104优选地由耐火材料制成，例如陶瓷，且包括多个孔112，其从火焰稳定器的第一面114延伸至第二面116。

火焰稳定器被设置为第一面114朝向喷嘴102并与喷嘴间隔开一段距离D₁。在所示的实施例中，火焰的稳定器104的第一面114和第二面116 是平的，并且基本上与垂直于喷嘴102的纵向轴线的平面平行。根据可选实施例，火焰稳定器104可包括非平面的面，或者相对于彼此或相对于喷嘴102的纵向轴线处于不同角度的面。

在操作中，燃料流118从喷嘴102朝向火焰稳定器104的第一面114 喷射。燃料流118以与纵向轴线成一角度(通常为约7.5度)的锥形喷雾从喷嘴102中分散，导致约15度的实心锥角。随着燃料流118分散，它挟带空气，并最终达到燃料和空气的可燃比例。通过选择喷射燃料的喷嘴和压力，燃料流118从喷嘴102喷射的速度优选为比所采用的具体燃料类型的火焰传播速度高得多，这样，一方面，防止燃料流支持喷嘴附近的火焰，而另一方面，到分散的燃料流118已慢到接近火焰传播速度时，燃料流已挟带足够空气以致混合物在燃料流的温度下过于贫瘠(lean)而不能燃烧。

然而，火焰稳定器104由于持续燃烧而保持在更高的温度。火焰稳定器104的较高温度足以维持贫瘠的燃料混合物的燃烧。稳定火焰可因此可由火焰稳定器104维持。火焰主要保持在孔112内，但火焰可能延伸超过火焰稳定器104的面114、116的任一者或两者一段短距离。燃料流118能够连续供给(feed)燃烧，且与常规燃烧器系统中可维持的相比，火焰稳定器104能够支持更贫瘠的火焰。距离D₁部分地根据在燃料流接触火焰稳定器104的位置处所需的燃料流118的燃料空气比来选定。

本发明人已认识到，尽管在操作时，火焰稳定器104能够支持用非常贫瘠的燃料混合物燃烧，但燃烧系统100的启动是有问题的。因为燃料混合物在距离D₁处仅仅在高温下可燃，且因为火焰稳定器104启动时可能在环境温度下，所以常规点燃方法或装置对于燃烧系统100的启动通常无效。

本发明人已开发了用于有效启动采用穿孔火焰稳定器的燃烧系统的各种系统和方法。在下文描述的实施例中，结合前面实施例描述且由同一参考标号标示的元件通常不作详细描述。

图2A和图2B是根据一个实施例的燃烧系统120的示意性侧剖视图。系统120包括喷嘴122、喷嘴位置控制器124、系统控制单元126、燃料供应128、燃料控制阀130和温度传感器132。

喷嘴122被配置为沿它的纵向轴线可平移。如图所示，喷嘴122包括内伸缩式套叠元件134和外伸缩式套叠元件136。内伸缩式套叠元件134是固定的，而包括喷嘴孔138的外伸缩式套叠元件136在如图2A中所示的回缩位置和图2B中所示的伸长位置之间可移动，且在下文中更详细地描述。外伸缩式套叠元件136的移动改变喷嘴122和火焰稳定器104之间的距离。外伸缩式套叠元件136的移动通过操作喷嘴位置控制器124来控制，所述喷嘴位置控制器124在所示的例子中用作驱动连接至外伸缩式套叠元件136的位置控制杆140的线性致动器。

燃料供应128经由流体管线142连接至喷嘴。燃料控制阀130连接于流体管线142中且被配置为控制从燃料供应128到喷嘴122的燃料流量。

温度传感器132被设置且被配置为检测火焰稳定器104的温度，并且经由连接器144将代表检测温度的信号传输至系统控制单元126。如图2A 中所示，温度传感器132是红外传感器，被配置为检测火焰稳定器104的红外发射并解译(interpret)所检测的发射以产生代表温度的信号。可用于检测火焰稳定器104的温度的其它类型的温度传感器为人们所熟知。这些传感器包括例如基于热电偶、热敏电阻、高温计、辐射计、正或负热系数电阻器等的传感器。

系统控制单元126经由连接器144可操作地连接至温度传感器132、燃料控制阀130和喷嘴位置控制器124，且被配置为从温度传感器接收数据并控制燃料控制阀和喷嘴位置控制器的操作。

燃烧系统120在图2A示为处于操作模式，其基本上如结合图1的系统 100所描述的来操作。在操作模式中，喷嘴122与火焰稳定器104的第一面 114隔开距离D₁，燃料流118以操作速率从喷嘴122喷射，且火焰稳定器支持稳定的主火焰146。

图2B示出启动模式中的燃烧系统120，其中外伸缩式套叠元件136在它的伸长位置，即启动位置，其中喷嘴122和火焰稳定器104之间的距离 D₂与距离D₁相比显著减小。另外，系统控制单元126控制燃料控制阀130 以减小通过喷嘴122喷射的燃料流118的量和速度。因为燃料流118的速度减小，所以喷嘴122可在喷嘴和火焰稳定器104之间的位置单独支持稳定的启动火焰148。通过使喷嘴122移动到伸长位置，启动火焰148被设置为接近于火焰稳定器104，且因此能快速地将火焰稳定器104的一部分加热至超过限定火焰稳定器的最低启动温度的阈值(即启动温度阈值)的温度。当来自温度传感器132的信号表明火焰稳定器的温度高于阈值，则系统控制单元126控制喷嘴位置控制器124移动喷嘴122至回缩的可操作位置，并控制燃料控制阀130进一步打开以将燃料流118增加至可操作水平。当燃料流118的速度增加时，启动火焰148被吹熄。当未燃烧的燃料混合物到达火焰稳定器104时，至少在已被加热超过启动阈值的火焰稳定器的部分内，所述混合物自动点燃。此后很快，整个火焰稳定器104被加热到它的操作温度，且此后持续正常操作。

根据另一个实施例，系统控制单元126包括定时器，通过它控制启动模式到操作模式的转变。即，当启动被引发时，系统控制单元126开启定时器，且当经过选定的时间段，喷嘴122回缩并且燃料流增加，如上所述。根据确保火焰稳定器104已达到启动温度阈值所必需的预定时期来选择时间段。

可移动喷嘴122还可用于可能要求基于多种燃料操作的燃烧系统中。如本领域中所熟知的，混合物可燃的燃料空气比根据燃料类型而变化，燃料流内的火焰传播速度亦是如此。因此，最佳操作距离D₁将根据燃料类型而变化。图2A和图2B的燃烧系统120可通过调整喷嘴122相对于火焰稳定器104的位置来适应燃料类型的改变。可通过直接人工控制喷嘴122来作出调整，或可对系统控制单元126编程来自动作出调整。例如，可设置附加传感器来检测燃料流118内传播的火焰的发射水平、不完全燃烧等等，响应于此，可对系统控制单元编程以改变喷嘴122的位置和/或燃料流量(通过调整燃料控制阀130)，以使所述系统的操作更靠近最佳水平或期望的水平。

根据一个替代实施例，火焰稳定器104被配置为沿喷嘴的纵向轴线A 可平移。这使喷嘴和火焰稳定器之间的距离D能够在不改变喷嘴的位置的情况下得以调整。根据一个实施例，燃烧系统120包括沿轴A可平移的火焰稳定器，以及沿轴线A可移动或可平移的喷嘴。在此配置下，使用者可例如将火焰稳定器移动到一较永久或较不永久的位置，以便基于具体燃料的燃烧特性建立期望的距离D。同时，喷嘴可被配置为出于如上所述的启动目的或出于一些其它原因而移动。

图3是根据一个实施例的燃烧系统150的示意性侧视图，其中部分以截面示出。燃烧系统包括第一电极152和优选地第二电极154，两者均可操作地连接至电压供应158。电极位置控制器156和电压供应158还连接到系统控制单元126。

第一电极152呈圆环形状，紧邻设置在喷嘴102的下游处且以喷嘴的纵向轴线A为中心，以使得燃料流118穿过第一电极。第二电极154设置在火焰稳定器104的第一面114和喷嘴之间。第二电极154可从伸展位置 (如图3中的实线所示)移动至回缩位置(以虚线显示)。电极位置控制器156被配置为使第二电极154伸展和回缩。在伸展位置，第二电极伸展至接近于或相交于纵向轴线A的位置。在回缩位置，第二电极与燃料流 118或由其支持的火焰间隔开不接触。根据一个实施例，提供温度传感器 132，如先前所描述。

在操作中，当燃烧系统150处于启动模式时，即，当启动被引发时，系统控制单元126控制电极位置控制156以将第二电极154移动到伸展位置。系统控制单元126控制电压供应128以传输第一电压信号至第一电极 152。当燃料流118穿过第一电极152时，将具有第一极性的电荷赋予燃料流。同时，系统控制单元126将来自电压供应158的第二电压信号传输至第二电极154。第二电压信号具有与赋予到燃料流的电荷相反的极性，因此吸引带相反电荷的燃料流。点燃是在燃料流118内被引发，因此尽管燃料流的速度高，启动火焰148仍保持在第一电极152和第二电极154之间。将火焰保持在燃料流内的方法有时被称为电动力燃烧控制。

根据一个实施例，系统控制单元126控制电压供应158以将电压信号施加至第二电极154，同时将第一电极152接地。根据一个实施例，施加到第一和/或第二电极的电压信号是AC信号。

由于启动火焰148保持在火焰稳定器104的第一表面114下方，火焰稳定器104的一部分很快被加热到启动温度阈值。当超过启动温度阈值时，系统控制单元126控制电压供应158将电压信号从第一电极和第二电极上移除，并控制电极位置控制器156将第二电极154移动到回缩位置。当将电压信号从电极移除时，启动火焰不再保持，并且熄灭。如先前所描述，当未燃烧的燃料和空气混合物到达火焰稳定器104时，主火焰在火焰稳定器的预热部分中自动点燃，并且随后很快进行正常操作。

尽管实施例被描述为包括被配置为控制在启动模式和操作模式之间转变的系统控制单元，但替代实施例为手动操作。例如根据一个实施例，燃烧系统150被配置为使得操作者手动切换电极位置控制器156以移动第二电极。根据另一个实施例，操作者手动使第二电极伸展和回缩。另外，根据一个实施例，操作者手动切换至第一电极152和第二电极154的电压信号，并且当火焰稳定器104超过启动阈值时关闭信号。

根据一个实施例，喷嘴102的一部分是导电的，且用作第一电极，其中连接器144连接至喷嘴的导电部分。根据一个实施例，第二喷嘴154通过类似于参照图2A和图2B的喷嘴描述的伸缩式套叠机构回缩。根据另一个实施例，第二电极154形成为设置在火焰稳定器104的第一面114上的导电层。

图4是根据一个实施例的燃烧系统160的示意性侧面剖视图。在燃烧系统160中，喷嘴102是主喷嘴，且该系统还包括设置于主喷嘴和火焰稳定器104之间的第二喷嘴162。燃料供应158经由燃料管线142连接至主喷嘴102和第二喷嘴162。主燃料阀130控制从燃料供应158至主喷嘴102的燃料流，且第二燃料阀164控制从燃料供应至第二喷嘴162的燃料流。系统控制单元126经由连接器144可操作地连接至主燃料阀130和第二燃料阀164。

在操作中，当启动被引发时，系统控制单元126控制第二燃料阀164 打开(主燃料阀130关闭)并点燃离开第二喷嘴162的燃料流，产生紧邻于火焰稳定器104的第一面114的启动火焰148。启动火焰148将火焰稳定器104的一部分加热至超过启动阈值的温度。当系统控制单元126确定火焰稳定器104的一部分超过启动温度阈值时(经由例如来自温度传感器的信号，如先前描述)，系统控制单元控制第二燃料阀164关闭，同时控制主燃料控制阀130打开，使燃料流118通过主喷嘴102喷射。当燃料流118 的燃料和空气混合物到达火焰稳定器104时，主火焰被点燃且随后进行正常操作，基本上如参照先前实施例所描述。

图5是根据一个实施例的燃烧系统170的示意性透视图。燃烧器系统 170在许多方面与参照图1描述的系统100类似，且包括许多相同元件。然而，系统170还包括电阻加热元件172。在所示的实施例中，加热元件172 呈交织穿入和穿出多个孔112中的一些的线的形式。加热元件172经由连接器144可操作地被连接至电压供应158。在启动工序中，系统控制单元 126控制电压供应158横跨加热元件172的端部施加电压。加热元件172的电阻值和电压的大小被选择为生成足够热量，以在几秒钟内将加热元件附近的火焰稳定器104部分的温度提高至超过启动阈值，在此之后，系统控制单元126控制阀130打开，同时控制电压供给158以从加热元件移除电压。当燃料流118接触火焰稳定器104被加热过的部分时，发生自动点燃，并且在火焰稳定器104中建立稳定火焰。此后，燃烧器系统170的操作基本上如先前参照其它实施例所描述。

图6-图9是根据相应实施例的火焰稳定器的示意性横截面。图6-图9 的火焰稳定器中的每一个包括与相应火焰稳定器集成的电阻加热元件。火焰稳定器的每一个被配置为用于类似于参照图5描述的系统170的燃烧系统中。

图6示出火焰稳定器180，其包括被火焰稳定器的材料所包封的加热元件182。末端184电连接至加热元件182并从火焰稳定器180延伸，用于连接至电压源。根据一个实施例，加热元件182延伸跨越整个火焰稳定器 180，以在操作中当加热元件被供能时，整个火焰稳定器都被加热。因此，当火焰稳定器180被加热到超过启动阈值并且燃料和空气混合物被打开时，整个火焰稳定器立即支持燃烧。根据另一个实施例，加热元件182延伸跨越火焰稳定器180的仅仅一部分。在此实施例中，为使火焰稳定器180 的一部分达到启动温度阈值所需要的功率更少，且加热元件182花费更少时间来加热火焰稳定器180的该较小部分。

图7示出火焰稳定器190，其包括位于火焰稳定器的一个面上的加热元件192。此实施例可能比图6的火焰稳定器的制造更简单，因为制造的选择更广。例如，加热元件192可在制造过程结束时被附接至火焰稳定器 190，或它可在中间步骤被附接，随后随同火焰稳定器的主体一起成形或被机械加工。

图8示出火焰稳定器200，其包括包封于火焰稳定器的主体材料中的一段导热材料202，以及连接至火焰稳定器与导热材料段直接热接触的加热元件204。在操作中，当加热元件204被供能时，热量通过热传导传输至导热材料段202，这将热量带入火焰稳定器200的一部分。此实施例的一个优点是加热元件可被配置为是可去除的，这样能够在发生故障时只更换加热元件204自己，而不是整个火焰稳定器200。

图9示出火焰稳定器210，其由包括导电物质颗粒的材料制成。例如，火焰稳定器210可由浸渍金属颗粒的陶瓷材料制成。通过选择导电颗粒的密度，可选择所述材料的电阻。末端184连接至与火焰稳定器210的材料直接接触的导电板212。板212提供与所述材料的宽电接触，以避免会产生高电阻导电区，从而在接触点处会生成热点。

图10是根据一个实施例的锅炉220的一部分的示意性横截面。锅炉 220包括燃烧器机构222和启动装置224。燃烧器机构包括喷嘴102和主火焰稳定器104。启动装置224包括启动火焰稳定器226和火焰稳定器位置控制器228。启动火焰稳定器226包括阻流体，其被配置为产生涡旋以使热量循环来维持启动火焰148，以便在启动工序中对主火焰稳定器104预热。火焰稳定器位置控制器228被配置为使启动火焰稳定器226在如图10中所示的启动位置与如虚线所示的回缩位置之间移动。火焰稳定器位置控制器228 包括杆(也由228指示)，其延伸穿过壁108从燃烧空间106的外面进入。在所示的实施例中，火焰稳定器位置控制器228被配置为由操作者在启动工序前和后进行操控。根据一个替代实施例，火焰稳定器位置控制器 228包括使启动火焰稳定器226在启动位置和回缩位置之间自动移动的致动器。

为使启动火焰稳定器226从启动位置移动到回缩位置，操作者抓住杆 228末端的柄部230，旋转所述杆，这使得启动火焰稳定器基本上离开燃料流118的路径，随后向外拉所述杆，这使得启动火焰稳定器平移进入完全在燃料流路径之外的空间中。

图11A是根据一个实施例的燃烧系统240在正常操作期间的示意性横截面。燃烧系统240包括火焰稳定器104、喷嘴102、空气管道242和空气混合物控制阀244。空气管道242连接至壁108孔110上方。因此，空气 246穿过空气管道242进入燃烧空间106。

空气混合物控制阀244包括阀门247并用作比例控制阀，被配置为控制引入燃烧空间106的空气246的组分的比例。在所示的实施例中，空气混合物控制阀244被配置为控制经由第一阀输入口248和第二阀输入口250 引入的两种组分的相应比例。阀门247在例如顺时针方向上的枢转增加经由第一阀输入口248进入的流体的比例，同时减少经由第二阀输入口250 进入阀的流体的比例。反之，阀门247在逆时针方向上的枢转减少来自第一阀输入口248的比例，并增加来自第二阀输入口250的比例。

在图11A的实施例中，再循环烟道气252经由第一输入口248引至控制阀244，而环境空气254经由第二输入口250引入。阀门247控制准许经由阀244进入空气管道242的再循环烟道气252和环境空气254的比例。

如上文参照图1更详细说明，在本发明中描述的一般类型的燃烧系统中，喷嘴形状和燃料压力被优选地选择为防止燃料流118支持与火焰稳定器104分离的火焰。具体而言，喷嘴处的燃料流速度被选择为足够高，使得当燃料流已慢到接近火焰传播速度时，对于具体燃料类型，燃料流中的燃料已被挟带的空气稀释到在燃料流的温度下不再可燃的程度。这一点不仅关系到混合中燃料和氧气的量，还关系到燃料流中燃料与其它组分的比率。燃料流中的燃料的稀释隔开燃料分子，使得一个分子的燃烧不能给附近的燃料分子提供足够的热量以维持燃烧。因此，在一些情况下，如果空气中氧气比例较高，则可使燃料流118中的燃料-空气混合物更快地可燃。

根据一个实施例，燃烧系统240被配置为在使用具有比环境空气中显著更低的氧气含量的空气时正常操作。因此，如图11A中所示，空气混合物阀244的阀门247被设置为产生具有高比例的再循环烟道气252的空气混合物，其具有相对低的氧气含量，从而减少空气中的整体氧气浓度。

引入再循环烟气对于NOx的产生可具有有益效果的同时，被配置为用再循环烟道气操作的系统也可具有与启动相关的优势。图11B示出根据一个实施例在启动模式中的燃烧系统240。可以看到阀门247处于其中第一输入口248完全关闭的位置，意味着没有再循环烟道气252被引入。因此，环境空气254是在启动过程中被引入燃烧空间106中的空气246的唯一组分。其结果是，挟带的空气中的氧气浓度比适于正常操作的氧气浓度要高，且燃料流118在该流减慢到火焰传播速度的点仍然可燃。在这些情况下，燃料流118可在喷嘴102和火焰稳定器104之间的位置处支持启动火焰148。系统240在启动模式中操作足够久，以使火焰稳定器被启动火焰加热。一旦火焰稳定器104的至少一部分超过启动阈值时，控制阀门247被控制为向图11A中示出的位置移动，引入再循环烟道气252，并减少空气 246的氧气浓度。启动火焰148熄灭，并且在火焰稳定器104的孔112中引发燃烧。

在参照图11A和图11B描述的实施例中，通过使燃料/空气混合物在超过燃料流减慢到火焰传播速度的点时仍保持可燃性而能够得到启动火焰。根据另一个实施例，通过暂时增加火焰传播速度使能够得到启动火焰。例如，在氢气中火焰传播速度是甲烷中火焰传播速度的数倍。因此，系统可以被设计和配置为：其中燃料流的速度被选择为虽然从喷嘴喷射甲烷时防止火焰被支持离开火焰稳定器，但在提供氢气作为燃料时支持启动火焰。当使用氢气时，火焰传播速度高到足以使火焰被支持在喷嘴和火焰稳定器之间，但一旦火焰稳定器高于启动温度阈值时，燃料被切换为甲烷等，导致火焰上升至火焰稳定器。

可使用各种方法和装置使燃烧系统240的操作能够实现。例如，可将氧气传感器可设置在空气导管242中，其中输出连接至控制器126，以使控制器能够监测空气246的空气氧气水平。如先前所描述，可提供温度传感器和/或定时器，以使控制器126能够确定何时从启动模式转变到操作模式等等。

图12是根据一个实施例的燃烧系统270的示意性侧视图。燃烧系统 270包括由托架274支撑的激光发射器272，被设置和配置为发射激光束 276照射在火焰稳定器104的第一面114的一部分上。由激光束递送的光子能量在火焰稳定器104内被转化成热能，从而加热该火焰稳定器的一部分。当火焰稳定器的该部分超过启动温度阈值时，燃料被送到喷嘴102并喷射成朝向火焰稳定器104的燃料流，且激光器272被关闭。在所示的实施例中，激光器272保持在充分离开火焰稳定器104和燃料流118的一个固定位置，以不引起对系统正常操作的干扰，并且基本上不受环境影响。根据另一个实施例，为了更有效的能量传递，托架274被配置为支撑激光发射器272更靠近火焰稳定器104的第一面114。相应地，当系统270不在启动模式下时，托架274还被配置为使激光器272从燃料流附近回缩。

图12示出被配置为以非热形式传输能量的激光发射器，其在照射到火焰稳定器104上时转化成热能。根据各种实施例，其它装置被配置为传输非热能至火焰稳定器104上以被转化为热能。例如，根据一个实施例，微波发射器被设置且被配置为导向微波辐射至火焰稳定器104的表面上。在该实施例中，火焰稳定器104包括一块材料，该材料被配置为吸收微波辐射并将传输的能量的一部分转化为热。

图13-图18是根据相应实施例示出燃烧器系统的操作方法的流程图。图13示出包括两个基本步骤的方法280。在步骤282中，进行燃烧器启动工序，其后在步骤284中，燃烧系统移动至正常的燃烧器操作。步骤282 的燃烧器启动工序包括步骤286，加热火焰稳定器至超过启动温度阈值。步骤284的正常燃烧器操作包括以下步骤：在步骤288处，以操作速率发出燃料，以及步骤290处，将火焰支持在火焰稳定器的孔中。

图14示出方法300，其中图13的加热火焰稳定器步骤286包括步骤 302，对火焰稳定器施加能量，其后，在步骤304中，确定火焰稳定器温度是否高于温度阈值。如果火焰稳定器温度不高于温度阈值，则进程返回到先前步骤302。如果火焰稳定器温度高于温度阈值，则进程进行至步骤284 中的正常燃烧器操作。

将能量施加到火焰稳定器的步骤(步骤302)可经由任何数量的不同结构和装置来完成，其中一些实施例在上文公开。例如，可借助于电阻元件(如参照图5-图9所描述)、通过以非热形式传输能量(如参照图12所描述)，或通过将启动火焰支撑在加热火焰稳定器的位置(如参照图2B-图 4、图10以及图11B所描述)来施加能量。

图15示出一种方法320，其中图13的加热火焰稳定器的步骤286包括步骤312，初始化计数器。在类似图15的实施例的一个循环进程中，将计数器用作定时器元件。通过将计数器设置为零将其初始化，且建立表示所选定的时间段的阈值数。步骤312中计数器的初始化之后，进行施加能量步骤302，其后将由计数器保持的数目加一。在步骤316中，将计数(即计数器中的数目)与计数阈值(CT)(即表示所选定时间段的阈值数)相比。如果计数不超过计数阈值，则进程循环回到施加能量步骤(302)并重复。如果计数超过计数阈值，则进程进行至步骤284中的正常燃烧器操作。

图16示出一种方法320，其中图13的燃烧器启动工序步骤282包括步骤322，将启动火焰保持在启动位置，接着是加热火焰稳定器步骤286，然后是步骤324，其中停用启动火焰。被配置为保持启动火焰的结构的实例在上文中参照以下各图公开：图2B，其中燃料以较低的速度从主喷嘴中喷射；图3，其中采用电动力燃烧控制系统以使启动火焰保持在主喷嘴和火焰稳定器之间；图4，其中启动喷嘴被配置为支持启动火焰；图10，其中启动火焰稳定器被设置在燃料流内以机械地破坏燃料流并使湍流区内能够热再循环；以及图11B ，其中使燃料流挟带具有较高氧气含量的空气以便产生将支持启动火焰的主燃料流区域。

在每一个上述提及的实例中，停用工序也被公开。

图17示出方法330，其被更详细地引导至以下方法：该方法对应于例如参照图2A和2B所描述的结构，在喷嘴和火焰稳定器之间的距离D减小时(步骤332)，燃料以选定的支持启动火焰的速率从喷嘴发射(步骤 334)，以及加热火焰稳定器(步骤286)，其后距离D增加到操作距离 (步骤336)。

图18示出方法330，其被更详细地引导至以下方法：该方法对应于例如参照图4所描述的结构，其中启动喷嘴被配置为支持启动火焰(步骤 342)以及被设置为邻近于火焰稳定器以便加热火焰稳定器(步骤286)。在火焰稳定器被加热后，图4的启动火焰被停用(步骤344)。

附图中示出的被配置为电连接元件或组件的结构一般示为连接器 144，因为电连接器和相应的结构在本领域中众所周知，并且可使用非常宽范围的任何不同类型结构作出等同连接。连接器144可被配置为传送高电压信号、数据、控制逻辑等，并且可包括单个导体或多个分别绝缘的导体。另外，当电势、控制信号、反馈信号等等是经由居间电路或结构传输时，诸如，为了放大、检测、修改、过滤、整流等的目的，此类居间结构被认为是作为相应连接器的一部分并入。在使用其它信号或数据传输方法时，诸如经由例如光纤或无线系统，此类替代结构被认为是等同于本文描述的连接器144。

本发明的摘要提供为根据一个实施例的本发明的一些原理的简述，且不意欲作为其任何实施例的完整的或限定性的描述，也不应依赖它来定义本说明书或权利要求书中使用的术语。摘要不限制权利要求书的范围。

虽然本文已经公开了各个方面和实施例，但也可设想其它方面和实施例。本文所公开的各个方面和实施例出于说明性目的，而并非旨在进行限制，其真实范围和精神由以下权利要求书指明。