具有有孔火焰保持器的预混燃料燃烧器的制造方法
【专利说明】具有有孔火焰保持器的预混燃料燃烧器
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求如下专利申请的优先权：提交于2013年10月7日、名称为叩0R0US 化ΑΜΕ册LD邸FOR LOW NOx COM脚STI〇W'（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(案卷号2651-200-02);提交于2013年10月24日、名称为"SYSTEM AND METHOD INCLUDING A PERFORATED 化ΑΜΕ HOLDER CONFIGURED TO TRANSFER 肥AT FROM A COMBUSTION REACTION TO A WO服ING FLUI护（包括被构造成将热量从燃烧反应传 递到工作流体的有孔火焰保持器的系统和方法）的美国临时专利申请序列号61/895,361 (案卷号2651-183-02) 及提交于2014年2月14 日、名称为'中UEL COMBUSTION SYSTEM W口Η A阳RFORATED REACTION册LDER"(具有有孔反应保持器的燃料燃烧系统）的PCT专利 申请PCT/US2014/016632(案卷号2651-188-04);所述专利申请在与本文所公开内容不相抵 触的限度内W引用方式并入本文。
【背景技术】
[0003] 工业和商业燃烧器在广泛范围的应用中使用，包括过程热源、火焰处理系统、用于 发电的蒸汽锅炉W及用于燃气满轮的热气体源。总而言之，工业和商业燃烧器是空气污染 的重大来源。尽管燃料会释放污染物，但甚至"清洁燃烧"燃料诸如氨气、控类气体和纯控类 液体产生的火焰也会带来污染物，诸如氮氧化物(本文统称为"NOx")。控类燃料还可将一氧 化碳(C0)和逃逸燃料(fuel slip)释放到大气中。
[0004] 在工业和商业燃烧器的代表性的一种常规燃烧系统中，燃烧反应相对不受控制。 也就是说，火焰在形态上可W是变化的，使得其在任何具体时间点的形状和位置不可预知。 该不可预知性，连同尤其是在扩散火焰的化学计量界面(可见表面)处遇到的高峰值溫度一 起，可引起操作问题，诸如反应管的焦化和/或蒸汽管的不均匀加热。此外，常规火焰的长度 会引起相对较长的停留时间，在此期间燃烧空气(包括分子氮)会经受高溫。
[0005] 需要的是用于减少燃烧系统诸如工业和商业燃烧器所释放的污染物的技术。还需 要的是可改善此类系统中的火焰控制的技术。
【发明内容】
[0006] 根据一个实施例，燃烧系统包括被构造成接收氧化剂和燃料的预混室，所述预混 室被构造成将氧化剂-燃料混合物提供到室体积中。燃烧系统可包括定位在室体积内的有 孔反应保持器。有孔反应保持器可从预混室移开并与预混室对齐W接收氧化剂-燃料混合 物。有孔反应保持器可在氧化剂-燃料混合物的至少一部分燃烧时承载燃烧反应。
[0007] 根据一个实施例，根据一个实施例，一种产生燃烧反应的方法包括将控类燃料和 氧化剂接收在预混室中。所述方法可包括使用在预混室中接收控类燃料和氧化剂所引起的 满流来混合控类燃料，从而生成氧化剂-燃料混合物。所述方法可包括将氧化剂-燃料混合 物输送到室体积中，W便利用有孔反应保持器实现氧化剂-燃料混合物的燃烧。有孔反应保 持器可与预混室相隔一段预定距离。所述方法可包括通过在有孔反应保持器的入口表面处 接收氧化剂-燃料混合物并且在有孔反应保持器的出口表面处释放烟气，从而利用穿过有 孔反应保持器的多个穿孔保持燃烧反应。
【附图说明】
[0008] 图1A为根据一个实施例的包括有孔反应保持器的燃烧器系统的简化透视图。
[0009] 图1B为根据一个实施例的图1A的燃烧器系统的简化侧面剖视图。
[0010] 图1C为根据一个实施例的图1A和/或图1B的燃烧器系统的预混室的简化剖视图。
[0011] 图2A为根据一个实施例的图1A和1B的有孔反应保持器一部分的侧剖面图。
[0012]图2B为根据另一个实施例的图1A和1B的有孔反应保持器的侧剖面图。
[OOK]图2C为根据另一个实施例的图1A和1B的有孔反应保持器的侧剖面图。
[0014] 图3为根据一个实施例的图1A和1B的燃烧器系统的简化透视图，包括可供选择的 有孔反应保持器。
[0015] 图4A为根据一个实施例的图1A和1B的燃烧器系统的简化透视图，包括另一种可供 选择的有孔反应保持器。
[0016] 图4B为根据一个实施例的图4A的有孔反应保持器一部分的简化侧剖面图。
[0017] 图4C为根据另一个实施例的有孔反应保持器一部分的简化侧剖面图。
[0018] 图5为根据一个实施例的包括支柱结构的可供选择的有孔反应保持器的简化透视 图。
[0019] 图6为根据一个实施例的包括管束结构的可供选择的有孔反应保持器的简化透视 图。
[0020] 图7A为根据一个实施例的包括有孔反应保持器的烙炉的简化侧面剖视图。
[0021 ]图7B为根据另一个实施例的包括有孔反应保持器的烙炉的简化侧面剖视图。
[0022] 图8为根据另一个实施例的包括有孔反应保持器的烙炉一部分的侧面剖视图。
[0023] 图9A为根据一个实施例的包括有孔反应保持器及预混燃料和氧化剂源的燃烧系 统的示意图。
[0024] 图9B为根据一个实施例的包括有孔反应保持器及预混燃料和氧化剂源的燃烧系 统的示意图。
[0025] 图10为根据一个实施例的燃烧系统一部分的剖视图。
[0026] 图11为根据一个实施例的包括加热设备的有孔反应保持器的简化剖视图W及其 他相关设备的框图。
[0027] 图12为根据一个实施例的用于产生燃烧反应的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0028] 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。在不脱离本发明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。
[0029] 本发明人认识到，为了最大程度降低氮氧化物(M)x)的输出，可能有利的是：1)最 大程度降低峰值火焰溫度，W及2)最大程度缩短峰值火焰溫度处的停留时间。迄今为止，最 大程度降低火焰溫度的技术仍然不能获得或较昂贵且复杂。相似地，最大程度缩短停留时 间的技术仍然不能获得或较昂贵且复杂。
[0030] 根据本文描述并要求保护的实施例，燃烧器系统配备有有孔反应保持器，所述有 孔反应保持器被构造成支撑贫燃，所述贫燃既能最大程度降低峰值火焰溫度，又能缩短火 焰溫度下的停留时间。在中试规模设备中，实验所得的NOx浓度为较低的个位数百万分率。
[0031] 图1A为根据一个实施例的包括有孔反应保持器102的燃烧器系统100的简化透视 图。图1B为根据一个实施例的结合了图1A燃烧器系统100的燃烧系统101的简化侧面剖视 图。参见图1A和1B，燃烧器系统100包括燃料源103和氧化剂源105,例如，鼓风机，其被可操 作地联接到预混室107W便将燃料源103和氧化剂源105混合成氧化剂-燃料混合物。氧化 剂-燃料混合物能使有孔反应保持器102能够承载燃烧反应，例如燃烧火焰。预混室107可具 有室宽度We和室长度Wl。预混室107可W被可操作地联接W通过开口 10則尋氧化剂-燃料混合 物流112输送到有孔反应保持器102。在一个实施例中，开口 109可包括与预混室107相同的 形状、宽度和长度。在另一个实施例中，开口 109具有比预混室107更窄的宽度和/或更短的 长度。根据另一个实施例，开口 109也可与预混室107不同的形状(例如，圆形、楠圆形、 正方形、矩形)形成。开口 109可被构造成将氧化剂-燃料混合物流112分散或输送到燃烧体 积108中，并且更具体地讲，分散或输送到有孔反应保持器102中。
[0032] 开口 109可被构造成通过阻焰器111将氧化剂-燃料混合物流112分散或输送到有 孔反应保持器102中。为了降低或消除逆燃的风险，阻焰器111可被定位在燃烧体积108内的 开口 109与有孔反应保持器102之间。阻焰器111可与有孔反应保持器102相隔距离化，W便 减少有孔反应保持器102处发生的燃烧反应所引起的阻焰器111的福射加热。阻焰器111可 由预混室107承载或可设置在预混室107附近。阻焰器111可包括一层或多层的多孔物体，诸 如钢丝网或有孔金属片，并且可具有阻止燃烧反应例如燃烧火焰进入开口 109的厚度或深 度。在一个实施例中，有孔火焰保持器102与阻焰器111间隔开W最小化或减小离阻焰器111 对向的有孔火焰保持器102的视角因数，从而最小化或减少入射到阻焰器111上的热福射。 阻焰器111包括阻焰器宽度Wa和阻焰器长度La。根据一个实施例，阻焰器宽度Wa和阻焰器长 度La可与室宽度恥和室长度U相同。
[0033] 有孔反应保持器102可包括有孔反应保持器主体114W及有孔反应保持器主体114 内的多个穿孔116。多个穿孔116可对齐W从开口 109和阻焰器111接收氧化剂-燃料混合物 流112。穿孔116被构造成共同保持由氧化剂-燃料混合物流112支撑的燃烧反应(例如，参见 图2A-2B，208)。
[0034] 燃料可包括例如控类气体或汽化的控类液体。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，燃料可包括烟气或来自该过程的副产物，该 副产物包括一氧化碳(C0)、氨气化2)和甲烧(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。
[0035] 通常，由有孔反应保持器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W用其他反应物和反应替代。
[0036] 根据一个实施例，有孔反应保持器主体114可由定位在燃烧体积108内的输入表面 118界定或可包括定位在燃烧体积108内的输入表面118，W接收氧化剂-燃料混合物流112。 有孔反应保持器主体114还可由背离开口 109的输出表面120界定或可包括背离开口 109的 输出表面120,并且可包括一个或多个外周表面122,所述一个或多个外周表面122限定有孔 反应保持器102的横向范围。由有孔反应保持器主体114限定的多个穿孔116从输入表面118 延伸到输出表面120,并且包含、承载和/或包封氧化剂-燃料混合物流112和/或燃烧反应 208 (图2A-2B所示）的至少一部分。
[0037] 根据一个实施例，有孔反应保持器102被构造成将大部分的燃烧反应保持在穿孔 116内。例如，燃烧体积108中氧化剂-燃料混合物流112超过一半的分子可在有孔反应保持 器102的输入表面118与输出表面120之间转化成燃烧产物。根据可供选择的解释，运意味着 由燃烧反应输出的超过一半热量是在有孔反应保持器102的输入表面118与输出表面120之 间输出的。在标称操作条件下，穿孔116可被构造成共同将至少80%的燃烧反应208(图2A- 2B所示)保持在有孔反应保持器102的输入表面118与输出表面120之间。在一些实验中，本 发明人产生的燃烧反应完全控制在有孔反应保持器102的输入表面118与输出表面120之间 的穿孔中