包括非平面有孔火焰保持器的燃烧器系统的制作方法

包括非平面有孔火焰保持器的燃烧器系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种燃烧系统，诸如炉或锅炉，所述燃烧系统包括被配置成保持燃烧反应的非平面有孔火焰保持器。
【专利说明】包括非平面有孔火焰保持器的燃烧器系统
[0001] 相关专利申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2014年2月 14日提交的名称为"FUEL COMBUSTION WITH A PERFORATED REACTION HOLDER(具有有孔反应保持器的燃料燃烧)"的PCT专利申请No.PCT/US2014/ 016632(代理人案卷号2651-188-04)的优先权并且为该专利申请的部分继续申请;该申请 在不抵触本文的公开内容的程度上以引用方式并入。

【发明内容】

[0003] 根据一个实施例，一种非平面有孔火焰保持器包括被配置成接收燃料空气混合物 的输入面。非平面有孔火焰保持器包括被配置成排放燃料空气混合物的燃烧反应的产物的 输出面。非平面有孔火焰保持器包括具有多个穿孔的非平面火焰保持器主体，所述穿孔从 输入面延伸到输出面并且被共同配置成促进燃料空气混合物在穿孔内的燃烧反应。
[0004] 根据一个实施例，一种燃烧系统包括被配置成发射燃料流的燃料喷嘴。燃烧系统 包括定位在燃料喷嘴下游以接收燃料空气混合物的非平面有孔火焰保持器。燃料空气混合 物可为燃料流的夹带空气的混合物。非平面有孔火焰保持器包括被配置成接收燃料空气混 合物的输入面。非平面有孔火焰保持器包括被配置成排放燃料空气混合物的燃烧反应的产 物的输出面。非平面有孔火焰保持器包括具有多个穿孔的非平面火焰保持器主体，所述穿 孔从输入面延伸到输出面并且被共同配置成促进燃料空气混合物在穿孔内的燃烧反应。
[0005] 根据一个实施例，一种操作燃烧系统的方法包括从喷嘴输出燃料以生成燃料空气 混合物。该方法包括用非平面有孔火焰保持器接收燃料空气混合物。非平面有孔火焰保持 器包括从非平面有孔火焰保持器的输入面延伸到输出面的多个穿孔。该方法包括将燃料空 气混合物的燃烧反应基本上维持在所述多个穿孔内。
【附图说明】
[0006] 图1为根据一个实施例的包括一个或多个非平坦面的有孔火焰保持器的侧面剖视 图。
[0007] 图2为根据一实施例的包括有孔火焰保持器的燃烧器系统的简化透视图。
[0008] 图3为根据一实施例的图1和图2的有孔火焰保持器的一部分的侧面剖面图。
[0009] 图4为根据一实施例的示出用于操作包括图1、图2和图3的有孔火焰保持器的燃烧 器系统的方法的流程图。
[0010] 图5为根据一实施例的包括非平面有孔火焰保持器的燃烧系统的简化透视图。
[0011] 图6为根据一实施例的包括非平面有孔火焰保持器的燃烧系统的简化透视图。
[0012] 图7A为根据一实施例的非平面有孔火焰保持器的简化透视图。
[0013] 图7B为根据一实施例的图7A的非平面有孔火焰保持器的简化侧面剖视图。
[0014] 图7C为根据一实施例的图7A的非平面有孔火焰保持器的一种另选具体实施的简 化平面图。
[0015] 图8为根据一实施例的非平面有孔火焰保持器的简化侧面剖视图。
[0016] 图9为根据一实施例的非平面有孔火焰保持器的简化侧面剖视图。
[0017] 图10为根据一实施例的一种操作燃烧系统的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0018] 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。
[0019] 根据一个实施例，非平面有孔火焰保持器可均衡在有孔火焰保持器的输入面上的 燃料空气混合物流量。在一些实施例中，燃料和氧化剂流由一系列涡流(例如，作为冯卡门 涡街)表征。因此，相对于燃料喷嘴的轴线，燃料空气混合物的瞬时最大流速相对于其发生 的地方是不可预测的。然而，本发明人注意到，瞬时流量可能具有最高的概率在任何时刻都 是沿着喷嘴轴线（取决于喷嘴几何形状)最大，并且具有遇到最大瞬时流量离轴下降的概 率。因此，在时间平均的基础上，燃料和氧化剂混合物速度可能沿着燃料流轴线最高。因此， 燃料流量通常可通过以下方式均衡:将有孔火焰保持器的中心部分远离燃料喷嘴放置并且 将有孔火焰保持器的周边部分更靠近燃料喷嘴放置。
[0020] 根据另一个实施例，非平面有孔火焰保持器与平面有孔火焰保持器相比提供较优 的机械稳健性。在竖直向上的燃烧器几何形状中，例如，平面有孔火焰保持器可将其输入面 放置在集中拉伸载荷之下以保持火焰保持器结构的梁强度。在许多燃烧器应用的高温和长 维护周期特性下，陶瓷、水泥或耐火纤维有孔火焰保持器上的拉伸载荷可由于拉伸断裂而 限制机械可靠性。此外，包含金属合金结构来支撑拉伸载荷可能由于温度、成本、辐射图案 堵塞和/或其他问题而为不期望的。因此，以拱形形成有孔火焰保持器可提供减小的拉伸载 荷并且增加机械稳健性。例如，以悬链线拱的形状形成有孔火焰保持器可基本上消除有孔 火焰保持器上的拉伸载荷。
[0021] 作为另外一种选择，下陷形成非平面有孔火焰保持器的全部或一部分可将拉伸载 荷分散在有孔火焰保持器的区段上并且减小拉伸载荷集中。例如，链悬可均衡在该区段上 的拉伸载荷。
[0022] 根据另一个实施例，非平面有孔火焰保持器可从有孔火焰保持器的开放面提供所 选择的热辐射模式。本发明人已注意到，大多数热辐射通常从靠近有孔火焰保持器的输入 面和输出面的穿孔壁发射。通过选择非平面有孔火焰保持器形状，辐射表面视角因数可沿 一个所选择的方向增加，而沿另一个所选择的方向减小。这可用于例如保持有孔火焰保持 器的一部分从有孔火焰保持器的另一部分的辐射加热。除此之外或作为另外一种选择，视 角因数选择可用于使到炉内的传热表面、支撑结构、燃料和氧化剂源等上的热辐射最小化 或最大化。
[0023] 图1为根据一个实施例的有孔火焰保持器101的侧面剖视图，该有孔火焰保持器包 括一个或多个非平坦面以大致均衡燃料流量，提供机械稳健性，并且限定热辐射模式。换句 话讲，有孔火焰保持器101可为非平面形状的。有孔火焰保持器101包括输入面104和输出面 106。输入面104朝向燃料空气混合物的来源的方向设置，并且被配置成从该来源接收燃料 空气混合物。输出面106远离燃料空气混合物的来源设置，并且被配置成排放燃烧产物。有 孔火焰保持器101还包括非平面有孔火焰保持器主体108和从输入面104向输出面106延伸 穿过火焰保持器主体108的多个穿孔110。响应于燃料空气混合物的接收，由有孔火焰保持 器101生成的燃烧产物的一个例子是稳定的主火焰112。
[0024]图2为根据一实施例的包括被配置成保持燃烧反应的有孔火焰保持器102的燃烧 器系统200的简化示意图。如本文所用，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认为是同义的，除非提供了进一步的定义。由本发明人进行的 实验已示出本文所述的有孔火焰保持器102可支持非常清洁的燃烧。具体地讲，在系统200 从试验规模到完全规模的实验性使用中，氮氧化物(NOx)的输出被测量为从低个位数份每 百万份(ppm)下至NOx在堆叠处不能检测到的（小于lppm)浓度。这些显著的结果在3% (干 燥)氧气(〇2)浓度下用在工业炉应用典型的堆叠温度（1400_1600°F)下不可检测的一氧化 碳(C0)测得。此外，这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/蒸汽喷射、外部烟道气再循环(FGR)、或常规燃烧器可能需要用以甚至实 现这样的清洁燃烧的其他夸张极端情况。
[0025]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中以形成燃料和氧化剂混合物206。如本文所用，术 语燃烧体积、燃烧室、炉体积等应被认为是同义的，除非提供了进一步的定义。有孔火焰保 持器102设置在燃烧体积204中并且被定位成接收燃料和氧化剂混合物206。
[0026] 图3为根据一实施例的图1和图2的有孔火焰保持器101、102的侧剖面图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 被对齐以接收来自燃料和氧化剂源202的燃料和氧化剂混合物206的多个穿孔210。如本文 所用，在有孔火焰保持器102的上下文中，术语穿孔、小孔、孔、细长孔等应被认为是同义的， 除非提供了进一步的定义。穿孔210被配置成共同地保持由燃料和氧化剂混合物206支撑的 燃烧反应302。
[0027] 燃料可包括氢气、烃类气体、汽化烃类液体、雾化烃类液体、或者粉末状或粉碎的 固体。燃料可为单一种类或者可包括气体、蒸气、雾化液体和/或粉碎固体的混合物。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，该副产物包括一氧化 碳（C0)、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 (C 3H8)。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)和助燃剂(oxidizer)在本文中应被认为 是同义的。
[0028]根据一实施例，有孔火焰保持器主体208可由被设置成接收燃料和氧化剂混合物 206的输入面212、背向燃料和氧化剂源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可在输入面212处接收燃料和氧化剂混合物206。燃料和氧 化剂混合物206然后可在所述多个穿孔210中或靠近所述多个穿孔210燃烧，并且燃烧产物 可在输出面214处或靠近输出面214离开所述多个穿孔210。
[0029]根据一实施例，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 半以上可在有孔火焰保持器102的输入面212和输出面214之间被转化为燃烧产物。根据一 另选的解释，由燃烧反应302输出的热量的一半以上可在有孔火焰保持器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，本发明 人生成的燃烧反应看起来完全包含在有孔火焰保持器102的输入面212和输出面214之间的 穿孔210中。根据一另选的解释，当燃烧被"时间平均"时，有孔火焰保持器102可支撑输入面 212和输出面214之间的燃烧。例如，在瞬变期间，诸如在有孔火焰保持器102被完全加热之 前，或者如果过高(冷却)载荷设置在系统上，燃烧可一定程度上从有孔火焰保持器的输出 面214向下游行进。
[0030] 虽然"火焰"以意在便于描述的方式进行描述，但应当理解，在一些情况下，不存在 可见火焰。燃烧主要在穿孔210内发生，但是燃烧热的"辉光"主要是有孔火焰保持器102本 身的可见辉光。在其他情况下，本发明人已经注意到瞬态"吹气"，其中可见火焰在稀释区域 Dd内在位于有孔火焰保持器102的输入面212和燃料源218之间的区域中暂时点燃。这样的 瞬态吹气持续时间通常较短，使得在时间平均的基础上，大多数燃烧是在有孔火焰保持器 102的穿孔210内，在输入面212和输出面214之间发生。在另外的情况下，本发明人已经注意 到在有孔火焰保持器102的输出面214上方发生的明显的燃烧，但是仍然有大多数燃烧在有 孔火焰保持器内发生，如来自有孔火焰保持器102的持续可见的辉光(黑体辐射的可见光波 长尾)所证明。
[0031] 有孔火焰保持器102可被配置成接收来自燃烧反应302的热量并且将所接收的热 量的一部分作为热辐射304输出到燃烧体积204之中或邻近的热量接收结构(例如，炉壁和/ 或辐射段工作流体管）。如本文所用，诸如热辐射、红外辐射、辐射热、热量辐射等的术语应 被理解为是基本上同义的，除非提供了进一步的定义。具体地讲，此类术语是指电磁能量的 黑体辐射，主要是在红外线波长中。
[0032] 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可至少 在穿孔壁308的热量接收区域306中接收来自（放热)燃烧反应302的热量。实验证据已向本 发明人表明，热量接收区域306的位置，或至少对应于最大热量接收速率的位置可沿着穿孔 壁308的长度改变。在一些实验中，最大热量接收的位置显然在从输入面212到输出面214的 距离的1/3和1/2之间（即，在一定程度上比起输出面214而言更靠近输入面212)。本发明人 设想到，热量接收区域306在其他条件下可更靠近有孔火焰保持器102的输出面214。最可能 的是，不存在热量接收区域306 (或就此而言，热量输出区域310，如下所述）的明确限定的边 缘。为了便于理解，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。 [0033]有孔火焰保持器主体208可由热容量表征。有孔火焰保持器主体208可以保持对应 于热容量乘以温度升高的量的来自燃烧反应302的热量，并且将热量从热量接收区域306转 移到穿孔壁308的热量输出区域310。一般来讲，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可通过热辐射将热量从热量接收区 域306转移到热量输出区域310,如304图示地示出。根据另一种解释，有孔火焰保持器主体 208可通过沿着热传导路径312的热传导将热量从热量接收区域306转移到热量输出区域 310。本发明人设想到，辐射和传导热传递机制均可以用于将热量从热量接收区域306转移 到热量输出区域310。以这种方式，即使在由常规火焰保持器支撑时燃烧反应将不稳定的条 件下，有孔火焰保持器102仍可充当热源以保持燃烧反应。
[0034]本发明人认为，有孔火焰保持器102使得燃烧反应302在邻近穿孔210的壁308形成 的热边界层314内发生。在相对冷却的燃料和氧化剂混合物206接近输入面212时，流被分成 分别行进穿过各个穿孔210的部分。热的有孔火焰保持器主体208将热量转移到流体，尤其 是在热边界层314内，该热边界层随着越来越多的热量转移到进入的燃料和氧化剂混合物 206而逐渐增厚。在达到燃烧温度(例如，燃料的自燃温度)之后，反应物在化学点火延迟时 间经过时继续流动，在该时间内燃烧反应302发生。因此，燃烧反应302被图示为在热边界层 314内发生。随着流动进行，热边界层314在合并点316处合并。理想的是，合并点316位于输 入面212和限定穿孔210的末端的输出面214之间。在一些点处，燃烧反应302使得流动气体 (和等离子体）向主体208输出比其从主体208所接收更多的热量。热量在热量接收区域306 处被接收，由主体208保持，并且被传输到更靠近输入面212的热量输出区域310，在热输出 区域中热量再循环到冷却反应物（以及任何包含的稀释剂）中以将其升高到燃烧温度。
[0035]在一个实施例中，所述多个穿孔210各自由长度L表征，该长度L被限定为有孔火焰 保持器102的输入面212和输出面214之间的流体传播路径长度。反应流体包括燃料和氧化 剂混合物206 (任选地包括氮气、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中的过渡状态）、以及反应产物。
[0036] 所述多个穿孔210可各自由相对穿孔壁308之间的横向尺寸D表征。本发明人已经 发现，如果每个穿孔210的长度L为穿孔的横向尺寸D的至少四倍，则稳定燃烧可保持在有孔 火焰保持器102中。在其他实施例中，长度L可比横向尺寸D的六倍更大。例如，已经运行了其 中L为横向尺寸D的至少八倍、至少十二倍、至少十六倍，以及至少二十四倍的实验。优选地， 长度L长到足以使得在流过穿孔210的反应流体中邻近穿孔壁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之间合并在穿孔210内的合并点316处。在实验中， 本发明人已经发现，在12和48之间的L/D比率有较好效果（即，产生低NOx，产生低C0,并且保 持稳定燃烧）。
[0037]有孔火焰保持器主体208可被配置成在相邻穿孔210之间传送热量。在相邻穿孔 210之间传送的热量可被选择成使得从第一穿孔210中的燃烧反应部分302输出的热量提供 热量以稳定相邻穿孔210中的燃烧反应部分302。
[0038] 特别参见图2,燃料和氧化剂源202还可包括被配置成输出燃料的燃料喷嘴218、以 及被配置成输出包括氧化剂的流体的氧化剂源220。例如，燃料喷嘴218可被配置成输出纯 燃料。氧化剂源220可被配置成输出携带氧的燃烧空气。
[0039] 有孔火焰保持器102可由有孔火焰保持器支撑结构222保持，该支撑结构被配置成 将有孔火焰保持器102保持在与燃料喷嘴218相距一定距离Dd。燃料喷嘴218可被配置成发 射燃料射流，该燃料射流被选择成夹带氧化剂以在燃料射流和氧化剂沿着一定路径穿过燃 料喷嘴218和有孔火焰保持器102之间的稀释距离Dd行进到有孔火焰保持器102时形成燃料 和氧化剂混合物206。除此之外或作为另外一种选择(特别是在鼓风机用于递送氧化剂燃烧 空气时），氧化剂或或燃烧空气源可被配置成夹带燃料，并且燃料和氧化剂行进穿过稀释距 离Dd。在一些实施例中，可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穿过燃料喷嘴218 和有孔火焰保持器102的输入面212之间的稀释距离Dd时夹带氧化剂并且夹带烟道气。
[0040] 燃料喷嘴218可被配置成通过一个或多个燃料孔口 226发射燃料，该燃料孔口具有 被称为"喷嘴直径"的尺寸。有孔火焰保持器支撑结构222可支撑有孔火焰保持器102以在与 燃料喷嘴218相距大于喷嘴直径20倍的距离Dd处接收燃料和氧化剂混合物206。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相距介于喷嘴直径的100倍和1100 倍之间的距离Dd处接收燃料和氧化剂混合物206。优选地，有孔火焰保持器支撑结构222被 配置成将有孔火焰保持器102保持为与燃料喷嘴218相距喷嘴直径的约200倍或更多倍。当 燃料和氧化剂混合物行进喷嘴直径的约200倍或更多倍时，混合物充分均质化以使得燃烧 反应输出最少的NOx。
[0041] 根据一实施例，燃料和氧化剂源202可另选地包括预混合燃料和氧化剂源。预混合 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到预混合室中的燃料喷 嘴、以及被配置成将燃烧空气输出到预混合室中的空气通道。阻焰器可被设置在预混合燃 料和氧化剂源与有孔火焰保持器102之间并且被配置成防止火焰逆燃到预混合燃料和氧化 剂源中。
[0042]不论是被配置用于夹带在燃烧体积204中还是被配置用于预混合，燃烧空气源都 可包括被配置成迫使空气穿过燃料和空气源202的鼓风机。
[0043]支撑结构222可被配置成从例如燃烧体积204的底板或壁(未示出）支撑有孔火焰 保持器102。在另一个实施例中，支撑结构222从燃料和氧化剂源202支撑有孔火焰保持器 102。作为另外一种选择，支撑结构222可从架空结构(诸如烟道，就向上燃烧系统而言)悬挂 有孔火焰保持器102。支撑结构222可以各种取向和方向支撑有孔火焰保持器102。
[0044] 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可包括共同提供平铺有孔火焰保持器102的多个相邻的有孔火焰保持器 区段。
[0045] 有孔火焰保持器支撑结构222可被配置成支撑所述多个有孔火焰保持器区段。有 孔火焰保持器支撑结构222可包括金属超合金、水泥和/或陶瓷耐火材料。在一实施例中，所 述多个相邻的有孔火焰保持器区段可与纤维增强耐火水泥接合。
[0046] 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的至少三倍、至少六倍或至少九倍。
[0047] 在一实施例中，有孔火焰保持器102可具有小于燃烧体积204的宽度的宽度尺寸W。 这可允许从有孔火焰保持器102上方到下方的烟道气循环路径224位于有孔火焰保持器102 的周边表面216和燃烧体积壁(未不出）之间。
[0048] 再次参见图2和图3,穿孔210可包括细长正方形，该细长正方形中的每个具有在正 方形的相对侧之间的横向尺寸D。在另一个实施例中，穿孔210可包括细长六边形，该细长六 边形中的每个具有在六边形的相对侧之间的横向尺寸D。在另一个实施例中，穿孔210可包 括中空圆柱体，该中空圆柱体中的每个具有对应于圆柱体的直径的横向尺寸D。在另一个实 施例中，穿孔210可包括截头圆锥形，该截头圆锥形中的每个具有围绕从输入面212延伸到 输出面214的长度轴线旋转对称的横向尺寸D。基于标准参考条件，穿孔210可各自具有等于 或大于燃料的淬火距离的侧向尺寸D。
[0049] 在一些实施例中，所述多个穿孔中的每个具有介于0.05英寸和1.0英寸之间的侧 向尺寸D。优选地，所述多个穿孔中的每个具有介于0.1英寸和0.5英寸之间的侧向尺寸D。例 如，所述多个穿孔可各自具有约〇. 2至0.4英寸的侧向尺寸D。
[0050] 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的区段中的所有穿 孔210的总体积除以包括主体208和穿孔210的有孔火焰保持器的总体积。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。在一实施例中，有孔火焰保持器102可具有介 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可具有约0.70的空 隙分数。发现使用约〇. 70的空隙分数对于产生非常低的NOx特别有效。
[0051] 有孔火焰保持器102可由纤维增强浇铸耐火材料和/或诸如硅酸铝材料之类的耐 火材料形成。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，诸如铬镍铁合金或哈斯特洛伊耐蚀镍 基合金。有孔火焰保持器主体208可限定蜂窝体。
[0052]本发明人已经发现，有孔火焰保持器102可由可从南卡罗来纳州多拉维尔的应用 陶瓷公司（Applied Ceramics，Inc.，Doraville，South Carolina)商购获得的 VERSAGRU:)'·':陶瓷蜂窝体形成。
[0053]穿孔210可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可彼此平行并且相对于输入面212和输出面214以一定角度形成。在另一个实施例中，穿 孔210彼此可不平行。在另一个实施例中，穿孔210彼此可不平行并且不相交。在另一个实施 例中，穿孔210可为相交的。主体308可为一体式的或者可由多个区段形成。
[0054]在另一个实施例中，有孔火焰保持器102可由挤出陶瓷材料所形成的网状纤维形 成，这不一定是优选的。术语"网状纤维"是指网状结构。
[0055]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个管或管道。所述 多个穿孔210可包括中空圆柱体并且还可任选地包括在捆绑管之间的间隙空间。在一实施 例中，所述多个管可包括陶瓷管。耐火水泥可包含在管之间并且被配置成将管粘附在一起。 在另一个实施例中，所述多个管可包括金属(例如，超合金)管。所述多个管可由金属张紧构 件保持在一起，该金属张紧构件与所述多个管成周向并且被布置成将所述多个管保持在一 起。金属张紧构件可包括不锈钢、超合金金属线、和/或超合金金属带。
[0056]有孔火焰保持器主体208可另选地包括堆叠的有孔材料片，每个片具有与下侧片 和上侧片的开口连接的开口。有孔片可包括有孔金属片、陶瓷片和/或扩展片。在另一个实 施例中，有孔火焰保持器主体208可包括不连续充填体，使得穿孔210在这些不连续充填体 之间的间隙空间中形成。在一个例子中，不连续充填体包括结构化充填形状。在另一个例子 中，不连续充填体包括随机充填形状。例如，不连续充填体可包括陶瓷拉西环、陶瓷贝尔鞍、 陶瓷矩鞍形鞍座、和/或金属环或可由金属笼保持在一起的其他形状(例如，超级拉西环）。
[0057]本发明人设想到对于包括有孔火焰保持器102的燃烧器系统为何提供此类清洁燃 烧的各种解释。
[0058]在一个方面，即使在由常规火焰保持器支撑时燃烧反应将不稳定的条件下，有孔 火焰保持器102仍充当热源以保持燃烧反应。可利用该能力以使用比通常可行更贫乏的燃 料与氧化剂混合物来支撑燃烧。因此，根据一实施例，在其中燃料流206接触有孔火焰保持 器102的输入面212的点处，燃料流206的平均燃料与氧化剂比率低于燃料流的燃料组分的 (常规)燃烧下限一燃烧下限限定燃料/空气混合物在正常大气压力和环境温度25°C(77°F) 暴露于瞬时点火源时将燃烧的最低燃料浓度。
[0059] 根据一种解释，由有孔火焰保持器支撑的燃料和氧化剂混合物可比将在常规燃烧 器中提供稳定燃烧的混合物更贫燃。靠近燃料的燃烧下限的燃烧通常在比靠近贫到富燃烧 极限范围的中心的混合物更低的绝热火焰温度燃烧。比起较高火焰温度，较低火焰温度通 常释放较低浓度的氮氧化物(NOx)。在常规火焰中，太贫的燃烧通常与在堆叠处的高C0浓度 相关联。相反，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的系统提供 C0的基本上完全燃烧(个位数的ppm下至检测不到，这取决于实验条件），同时支撑低NOx。在 一些实施例中，本发明人实现了在被理解为非常贫的混合物的稳定燃烧(然而，其在堆叠处 产生仅仅约3%或更低测量的0 2浓度）。此外，本发明人认为穿孔壁308对于燃烧流体可充当 散热器。作为另外一种选择或除此之外，该效果可降低燃烧温度。
[0060] 根据另一种解释，如果燃烧反应302在非常短的持续时间内发生，则NOx的产生可 减少。迅速燃烧使得反应物(包括氧气和夹带的氮气)暴露于NOx形成温度的时间对于NOx形 成动力学而言短到不足以造成NOx的大量产生。与常规火焰相比，反应物穿过有孔火焰保持 器所需的时间非常短。与有孔火焰保持器燃烧相关联的低NOx产生因此可能与反应物(和夹 带的氮气)穿过有孔火焰保持器102所需的短的持续时间相关。
[0061] 由于C0氧化是相对较慢的反应，所以对于C0到二氧化碳(C02)的氧化，考虑到测得 的（实验和完全规模)非常低的C0浓度，穿过有孔火焰保持器的时间（可能加上从有孔火焰 保持器102朝向烟道行进的时间）是明显足够的并且处于足够高的温度下。
[0062] 图4为示出一种用于操作包括本文所示和描述的有孔火焰保持器的燃烧器系统的 方法400的流程图。为了操作包括有孔火焰保持器的燃烧器系统，有孔火焰保持器首先被加 热到足以保持燃料和氧化剂混合物的燃烧的温度。
[0063]根据简化的描述，方法400开始于步骤402,其中将有孔火焰保持器预热至启动温 度!^。有孔火焰保持器升高到启动温度之后，方法进行到步骤404,其中将燃料和氧化剂提 供给有孔火焰保持器并且燃烧由有孔火焰保持器保持。
[0064]根据更详细描述，步骤402开始于步骤406,其中在有孔火焰保持器处提供启动能 量。与提供启动能量同时或在这之后，决定步骤408确定有孔火焰保持器的温度T是否处于 或高于启动温度Ts。只要有孔火焰保持器的温度低于其启动温度，该方法便在预热步骤402 内在步骤406和408之间循环。在步骤408中，如果有孔火焰保持器的至少预定部分的温度T 大于或等于启动温度，方法400便进行到总体步骤404,其中提供燃料和氧化剂并且燃烧由 有孔火焰保持器保持。
[0065]步骤404可被分解成若干离散步骤，其中至少一些可同时发生。
[0066]从步骤408开始进行，将燃料和氧化剂混合物提供给有孔火焰保持器，如步骤410 中所示。燃料和氧化剂可由包括例如单独燃料喷嘴和燃烧空气源的燃料和氧化剂源提供。 在该方法中，燃料和燃烧空气沿一个或多个方向输出，所述方向被选择成使得燃料和燃烧 空气混合物由有孔火焰保持器的输入面接收。燃料可夹带燃烧空气(或作为另外一种选择， 燃烧空气可稀释燃料）以在有孔火焰保持器的输入面处以针对可保持在有孔火焰保持器的 穿孔内的稳定燃烧反应选择的燃料稀释提供燃料和氧化剂混合物。
[0067] 进行到步骤412,燃烧反应由有孔火焰保持器保持。
[0068] 在步骤414中，热量可从有孔火焰保持器输出。从有孔火焰保持器输出的热量可用 于例如为工业过程供电、加热工作流体、生成电力、或提供动力。
[0069]在任选的步骤416中，可感测到燃烧的存在。本发明人已使用并且设想到各种感测 方法。一般来讲，由有孔火焰保持器保持的燃烧非常稳定并且不会对系统提出不寻常的感 测要求。燃烧感测可使用红外传感器、视频传感器、紫外线传感器、带电物质传感器、热电 偶、热电堆、和/或其他已知的燃烧感测装置来进行。在步骤416的附加或另选的变型中，可 提供引燃火焰或其他点火源以使得在有孔火焰保持器处失去燃烧的情况下点燃燃料和氧 化剂混合物。
[0070] 进行到决定步骤418,如果感测到燃烧不稳定，方法400可退出步骤424,其中执行 错误过程。例如，错误过程可包括关闭燃料流、重新执行预热步骤402、输出报警信号、点燃 备用燃烧系统、或其他步骤。在步骤418中，如果有孔火焰保持器中的燃烧被确定为稳定的， 则方法400进行到决定步骤420,其中确定燃烧参数是否应改变。如果没有燃烧参数要被改 变，则方法循环(在步骤404内）回到步骤410,并且燃烧过程继续。如果指明改变燃烧参数， 则方法400进行到步骤422,其中执行燃烧参数变化。在改变燃烧参数之后，方法循环(在步 骤404内）回到步骤410，并且燃烧继续。
[0071] 例如，如果遇到热需求变化，则可以调度安排燃烧参数改变。例如，如果需要较少 热量(例如，由于降低的电力需求，降低的动力需求，或较低的工业过程吞吐量），则燃料和 氧化剂流量在步骤422中可降低。相反，如果热需求增加，则燃料和氧化剂流可增加。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，则燃料和氧化剂流可在步骤404内的 循环的一次或多次反复内逐渐增加至有孔火焰保持器。
[0072]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通过将热量输出到进入的燃料和氧化剂混 合物206来操作。在燃烧建立之后，该热量由燃烧反应提供;但是在燃烧建立之前，热量由加 热器228提供。
[0073]本发明人已使用并且设想到各种加热装置。在一些实施例中，加热器228可包括被 配置成支撑被设置成加热有孔火焰保持器102的火焰的火焰保持器。燃料和氧化剂源202可 包括被配置成发射燃料流的燃料喷嘴218和被配置成输出邻近燃料流的燃烧空气的空气源 220。燃料喷嘴218和空气源220可被配置成输出要由燃烧空气逐步稀释的燃料流。有孔火焰 保持器102可被设置成接收稀释的燃料和空气混合物206,该稀释的燃料和空气混合物支撑 当有孔火焰保持器102处于操作温度时由有孔火焰保持器102稳定的燃烧反应。相反，启动 火焰保持器可被配置成在对应于相对较富的燃料和空气混合物的位置处支撑启动火焰，该 相对较富的燃料和空气混合物在无需由加热的有孔火焰保持器102提供的稳定的情况下便 为稳定的。
[0074]燃烧器系统200还可包括可操作地联接到加热器228并且联接到数据接口 232的控 制器230。例如，控制器230可被配置成控制启动火焰保持器致动器，该启动火焰保持器致动 器被配置成使得启动火焰保持器在有孔火焰保持器102需要被预加热时保持启动火焰，而 在有孔火焰保持器102处于操作温度(例如，当T 2 Ts)时不保持启动火焰。
[0075]可以设想到用于致动启动火焰的各种方法。在一个实施例中，启动火焰保持器包 括机械致动的阻流体，该阻流体被配置成被致动以拦截燃料和氧化剂混合物206以引起热 循环涡流，从而保持启动火焰;或者被致动以不拦截燃料和氧化剂混合物206以使得燃料和 氧化剂混合物206进入到有孔火焰保持器102。在另一个实施例中，燃料控制阀、鼓风机和/ 或阻尼器可用于选择低到足以使启动火焰喷射稳定的燃料和氧化剂混合物流量;并且在达 到有孔火焰保持器102操作温度之后，流量可增加至"吹熄"启动火焰。在另一个实施例中， 加热器可包括电源，该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选择性地联接到接地电压或被选择成吸引 燃料和氧化剂混合物206中的电荷的其他电压。本发明人发现电荷的吸引使得启动火焰由 导电启动火焰保持器保持。
[0076] 在另一个实施例中，加热器228可包括电阻加热器，该电阻加热器被配置成将热量 输出到有孔火焰保持器并且/或者输出到燃料和氧化剂混合物206。电阻加热器可被配置成 将有孔火焰保持器102加热至操作温度。加热器228还可包括电源以及在控制器230的控制 下可操作以将电源选择性地联接到电阻加热器的开关。
[0077] 电阻加热器228可以各种方式形成。例如，电阻加热器228可由KANiHAL/'线（可 从瑞典哈尔斯塔哈马市山特维克公司的山特维克材料技术部门（Sandvik Materials Technology division of Sandvik AB，Hallstahammar，Sweden)获得)形成，该线穿过由有 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、高能量(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。
[0078] 可以设想到其他形式的启动装置。例如，加热器228可包括被配置成将脉冲点火输 出到空气和燃料的放电点火器或热表面点火器。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，该引燃火焰装置被设置成点燃可能进入有孔火焰保持器102的燃料 和氧化剂混合物206。放电点火器、热表面点火器和/或引燃火焰装置可以可操作地联接到 控制器230，这可使得放电点火器或引燃火焰装置在有孔火焰保持器102被加热到足够保持 燃烧之前在有孔火焰保持器102中或其上游保持燃料和氧化剂混合物206的燃烧。
[0079]燃烧器系统200还可包括可操作地联接到控制电路230的传感器234。传感器234可 包括被配置成检测有孔火焰保持器102的红外辐射或温度的热传感器。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可以可操作 地联接到控制器230并且被配置成控制向燃料和氧化剂源202的燃料流动。除此之外或作为 另外一种选择，氧化剂鼓风机或阻尼器238可以可操作地联接到控制器230并且被配置成控 制氧化剂(或燃烧空气）的流动。
[0080]传感器234还可包括可操作地联接到控制电路230的燃烧传感器，该燃烧传感器被 配置成检测由有孔火焰保持器102保持的燃烧反应的温度、视频图像和/或光谱特性。燃料 控制阀236可被配置成控制从燃料源向燃料和氧化剂源202的燃料流动。控制器230可被配 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可被配置成控制 燃料控制阀236和/或氧化剂鼓风机或阻尼器以控制加热器228的预热火焰类型，以将有孔 火焰保持器102加热到操作温度。控制器230可类似地控制燃料控制阀236和/或氧化剂鼓风 机或阻尼器以响应于作为数据经由数据接口 232接收的热需求变化而改变燃料和氧化剂混 合物206流。
[0081 ]图5为根据一实施例的燃烧系统500的图解透视图。燃烧系统500包括喷嘴218和定 位在燃烧体积204内的有孔火焰保持器504。如图所示，图5的有孔火焰保持器504是非平面 形状。
[0082]在示出的实施例中，有孔火焰保持器504包括多个穿孔512、输入面514、周壁515、 输出面516、以及多个区段517。有孔火焰保持器504的输入面514和输出面516是非平面的， 并且旋转对称于垂直于喷嘴218的纵向轴线的平面。火焰保持器的其他非平面实施例是可 能的，并且非平面火焰保持器的其他可能实施例中的一些在图6-图9以及对应说明中公开。 [0083]有孔火焰保持器504的输入面514和输出面516包括多个非平面形状中的一种。根 据各种实施例，输入面514和输出面516可具有相同的非平面形状，可具有不同的非平面形 状，或者可具有一个非平面形状和一个平面形状。输入面514和输出面516可具有悬链线拱 的形状，该形状可使用纯压缩以用于在喷嘴218上方支撑所述多个区段517。输入面514和输 出面516另选地可为抛物线形、球形、阶梯形状或另一种非平面形状，其被配置成将有孔火 焰保持器504的中间或中心设置成距喷嘴218的距离与平面有孔火焰保持器相同或比平面 有孔火焰保持器更大。根据一个实施例，输入面514凹形旋转对称，而输出面516凸形旋转对 称。
[0084]所述多个区段517可以各种形状和尺寸配置以形成有孔火焰保持器504。根据一个 实施例，所述多个区段517中的每个区段为瓦。所述多个区段517中的每个区段可为立方体、 矩形、三角形、六边形、另外的多边形、或不对称，使得所述区段(例如，瓦）在球形或弓形表 面上自然地紧密贴合在一起。所述多个区段517被粘结、粘附或以其他方式联接在一起。所 述多个区段517可例如通过使用模具来以弯曲形状直接形成。所述多个区段517的尺寸可被 设定成通过人孔或其他入口进入到燃烧系统500中，以便于替换损坏的区段并且便于安装 非平面有孔火焰保持器504。
[0085]有孔火焰保持器504的拱形由输出面或输入面从垂直于喷嘴218的纵向轴线的平 面的离去角确定。离去角限定非平面火焰保持器的末端从非平面火焰保持器中心的角位 移。离去角可从垂直于非平面火焰保持器中心的纵向轴线的平面测量。离去角可为大约45 度，使得有孔火焰保持器504的一个末端到另一个末端扫过大约90度的总角度。在另选的实 施例中，离去角可大于或等于15度，大于或等于30度，或者为介于5-45度之间的一定角度。
[0086] 根据一个实施例，输入面514的拱形增大热辐射304向内突起，以改善有孔火焰保 持器504的操作。大多数热辐射304来自所述多个穿孔512中的每个穿孔的内部，例如，来自 穿孔长度的最后一厘米。因为输入面514的非平面形状(例如，拱形、抛物线形、球形)增加有 孔火焰保持器504的相对侧上的所述多个穿孔512之间的视角因数，所以更多的热辐射可通 过有孔火焰保持器504再循环/再使用。例如，输入面514的一个或多个第一穿孔512用输入 面514的一个或多个第二穿孔接收和传输更多的热辐射304。穿孔间辐射可帮助非平面有孔 火焰保持器保持维持燃烧反应的温度。
[0087] 输出面516的拱形增加热辐射304的向外突起，以改善燃烧系统500的操作。例如， 因为输出面516的拱形增加输出面516的穿孔和有孔火焰保持器504的周边之间的视角因 数，所以热辐射304可朝向靠近或邻近有孔火焰保持器504设置的多个辐射段工作流体管 550引导。热辐射304的向外突起可加热所述多个辐射段工作流体管，以便由一个或多个其 他系统使用。在另一个实施例中，燃烧系统500可包括"水壁"，该"水壁"包括用于在壁中循 环工作流体的管，这是用于在较大应用(诸如发电）中使用的水管锅炉的典型配置。
[0088]如上所述，输入面514和输出面516的非平面形状可对于有孔火焰保持器504提供 机械稳健性，并且可均衡在有孔火焰保持器504的输入面上的燃料空气混合物流量。输入面 514和输出面516的非平面形状通过穿过有孔火焰保持器主体分配输出面的压缩载荷来减 小输入面上的拉伸载荷，如上所述。火焰保持器的非平面形状可通过将有孔火焰保持器504 的中心部分放置成更远离燃料喷嘴218并且通过将有孔火焰保持器504的周边部分放置成 更靠近燃料喷嘴218来大致均衡到输入面的燃料流量。
[0089]有孔火焰保持器504通过宽度W跨越燃烧系统500。在一个实施例中，有孔火焰保持 器504的宽度W为大约2英尺。在另一个实施例中，有孔火焰保持器504的宽度W大于或等于9 英尺。根据各种燃烧系统配置，其他长度或直径也是可实现的。
[0090] 图6为根据一实施例的燃烧系统600的图解透视图。燃烧系统600包括有孔火焰保 持器602,该有孔火焰保持器为非平面形状的，并且定位在燃烧体积204内以维持燃烧反应。 有孔火焰保持器602包括输入面604、外壁606和输出面608。有孔火焰保持器602包括从火焰 保持器602的输入面(或表面)604延伸到输出面608的多个穿孔512。根据各种实施例，所述 多个穿孔512为矩形的，但是也可为圆柱形、椭圆形或多边形棱柱。
[0091] 有孔火焰保持器602为二维拱形，其在壁606处比在中心处更低。根据一个实施例， 输入面604为平面对称且凹状弓形的，而输出面608为平面对称且凸状弓形的。
[0092]有孔火焰保持器602的区段517基本上直接联接到相邻区段517。然而，在一个实施 例中，相邻区段517之间的接触被限于单个边缘(而不是表面），并且相邻区段517通过粘合 剂(诸如水泥或陶瓷材料)基本上联接。
[0093]燃烧系统600示出单个喷嘴218和单个有孔火焰保持器602。然而，在其他实施例 中，多个有孔火焰保持器与弓形形状的火焰保持器602可并排接合或者可在喷嘴218上方并 排间隔开以维持燃烧系统600中的燃烧反应。
[0094]图7A为根据另一个实施例的非平面形状的有孔火焰保持器700的图解透视图。有 孔火焰保持器700采用轴向对称的阶梯状弓形。阶梯状弓形包括多个区段517,例如陶瓷块、 砖或瓦。根据一个实施例，有孔火焰保持器700包括输入面702、输出面704、和周壁706。根据 一个实施例，输入面702为凹状拱形的，而输出面704为凸状拱形的。有孔火焰保持器700包 括从火焰保持器的输入面702延伸到输出面704的多个穿孔512。有孔火焰保持器700的区段 517粘附或以其他方式联接在一起，存在所述区段517的重叠部分。图7B为根据一实施例的 有孔火焰保持器700的图解侧面剖视图。
[0095] 图7C为根据一实施例的非平面形状的有孔火焰保持器712的图解平面图，该有孔 火焰保持器使用六角棱柱区段517而不是立方体，以提供阶梯状拱形。
[0096] 有孔火焰保持器712包括多个阶梯n，所述阶梯包括在每个区段(例如，瓦）的平坦 侧之间具有距离d的区段(或构件)517。瓦的总数N可由不同公式表示。例如，第一公式：
[0097] N=3n(n-1)+1 (公式 1)
[0098] 根据有孔火焰保持器712中使用的阶梯数目来描述瓦的总数N。第二公式：
[0099] N=(3/4)*[(D2/d)'2-l],(公式 2)
[0100] 其中D2为火焰保持器的直径，（公式2)根据每个区段517的平坦侧之间的距离d以 及有孔火焰保持器712的直径出来描述瓦的总数N。
[0101] 图8为根据一个实施例的非平面形状的有孔火焰保持器800的图解侧面剖视图，该 有孔火焰保持器包括相对于燃料喷嘴向下拱形的输入面802。火焰保持器800包括输入面 802、输出面804、和周壁806。输入面802为有孔火焰保持器800的输入表面，并且输出面804 为有孔火焰保持器800的输出表面。根据一个实施例，输入面802为凸状弓形且平面对称的， 而输出面804为凹状弓形且平面对称的。在操作期间，输出面804比输入面802更热。根据一 个实施例，输出面804为拱形的以向内突出热辐射304以再循环或再使用发射的热辐射304 来保持或维持有孔火焰保持器800的操作温度。因为输出面804比输入面802在更热的温度 下反应，所以向内拱形的输出表面可能能够比向内拱形的输入表面更有效地维持有孔火焰 保持器800的温度。
[0102] 根据另一方面，向下拱形的输入表面可操作以减小朝向燃料喷嘴(未示出）引导的 辐射，并且相反，将辐射向一旁引导远离燃料和氧化剂流。在实验中，本发明人发现向下拱 形形状的实施例800与在上文中结合图2-图4描述的朝向"吹气"的趋势降低相关联。
[0103] 图9为根据一个实施例的有孔火焰保持器900的图解侧面剖视图，该有孔火焰保持 器为非平面形状的，并且其包括在输入面或输出面的周边周围的阻止物或隆起块以减少燃 料损失。火焰保持器900包括输入面902、输出面904、和周壁906。周壁906增厚以延伸超过穿 孔512的长度。根据一个实施例，有孔火焰保持器900包括输入面902上的阻止物908以提高 周壁906的机械稳健性。根据实施例，阻止物908可为唇缘、隆起块、凸起表面、增厚边缘、或 增强有孔火焰保持器906的结构的输入面902的部分的其他延伸件。
[0104] 图10为根据一个实施例的操作具有非平面有孔火焰保持器的燃烧系统的方法 1000的流程图。
[0105]在框1002处，根据一个实施例，方法包括从喷嘴输出燃料以生成燃料空气混合物。
[0106] 在框1004处，根据一个实施例，方法包括用非平面有孔火焰保持器接收燃料空气 混合物。非平面有孔火焰保持器包括从非平面有孔火焰保持器的输入面延伸到输出面的多 个穿孔。
[0107] 在框1006处，方法包括将燃料空气混合物的燃烧反应基本上维持在所述多个穿孔 内。维持燃烧反应可包括通过将热辐射在输入面的所述多个穿孔中的至少一些之间再循环 来保持非平面有孔火焰保持器的操作温度。非平面有孔火焰保持器可用在输入面处的所述 多个穿孔之间提供非零视角因数的凹形形状的输入面来再循环热辐射。
[0108] 维持燃烧反应可包括通过将热辐射在输出面处的所述多个穿孔中的至少一些之 间再循环来保持非平面有孔火焰保持器的操作温度。非平面有孔火焰保持器可用在输出面 处的所述多个穿孔之间提供非零视角因数的凹形形状的输出面来再循环热辐射。
[0109] 维持燃烧反应可包括通过以下方式加热靠近非平面有孔火焰保持器定位的一个 或多个流体系统:将热辐射从输出面上的所述多个穿孔中的至少一些引导到所述一个或多 个流体系统。非平面有孔火焰保持器可用在所述多个穿孔中的至少一些和所述一个或多个 流体系统之间提供非零视角因数的凸形形状的输出面来引导热辐射。
[0110]维持燃烧反应可包括通过以下方式均衡在非平面有孔火焰保持器的输入面处的 燃料空气混合物的流量:将非平面有孔火焰保持器的中心部分定位在与非平面有孔火焰保 持器的包括具有弓形形状的输入面的周边部分相比与燃料模块相距更大的距离处。弓形形 状包括抛物线拱形、球状拱形、阶梯状拱形和悬链线拱形中的至少一个。
[0111]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说明性目的，而并非旨在进行限制，真实范围和精神由以下 权利要求书所指示。
【主权项】
1. 一种非平面有孔火焰保持器，包括： 被配置成接收燃料空气混合物的输入面； 被配置成排放所述燃料空气混合物的燃烧反应的产物的输出面；以及 具有多个穿孔的非平面火焰保持器主体，所述穿孔从所述输入面延伸到所述输出面并 且被共同配置成促进所述燃料空气混合物在所述穿孔内的所述燃烧反应。2. 根据权利要求1所述的非平面有孔火焰保持器，其中所述非平面火焰保持器主体为 弓形的。3. 根据权利要求2所述的非平面有孔火焰保持器，其中所述非平面火焰保持器主体为 悬链线拱形的。4. 根据权利要求2所述的非平面有孔火焰保持器，其中所述非平面火焰保持器主体为 抛物线形的。5. 根据权利要求2所述的非平面有孔火焰保持器，其中所述非平面火焰保持器主体为 旋转对称的。6. 根据权利要求1所述的非平面有孔火焰保持器，其中所述非平面火焰保持器主体为 阶梯状拱形的。7. 根据权利要求1所述的非平面有孔火焰保持器，其中所述输入面为非平面的并且被 配置成均衡所述燃料空气混合物到所述多个穿孔中的流。8. 根据权利要求1所述的非平面有孔火焰保持器，其中所述非平面火焰保持器主体为 弓形的并且包括至少为15度的离去角，其中所述离去角限定所述非平面火焰保持器主体的 末端从所述非平面火焰保持器主体的中心的角位移，其中所述离去角从垂直于所述非平面 火焰保持器主体的所述中心的纵向轴线的平面测量。9. 根据权利要求8所述的非平面有孔火焰保持器，其中所述非平面火焰保持器主体为 弓形的并且包括至少为30度的离去角。10. 根据权利要求8所述的非平面有孔火焰保持器，其中所述非平面火焰保持器主体为 弓形的并且包括至少为45度的离去角。11. 根据权利要求1所述的非平面有孔火焰保持器，其中所述非平面火焰保持器主体为 单个连续单元。12. 根据权利要求1所述的非平面有孔火焰保持器，其中所述非平面火焰保持器主体包 括联接在一起以作为单一的单元操作的多个区段。13. 根据权利要求12所述的非平面有孔火焰保持器，其中所述多个区段用粘合剂联接 在一起。14. 根据权利要求12所述的非平面有孔火焰保持器，其中所述多个区段用纯压缩保持 就位。15. 根据权利要求12所述的非平面有孔火焰保持器，其中所述多个区段为包括陶瓷材 料和水泥材料中的至少一种的瓦。16. 根据权利要求12所述的非平面有孔火焰保持器，其中所述多个区段为立方体、矩 形、三角形、六边形、另外的多边形、或不对称，使得所述区段自然地紧密贴合在一起。17. 根据权利要求1所述的非平面有孔火焰保持器，其中所述非平面火焰保持器主体由 陶瓷材料形成。18. 根据权利要求1所述的非平面有孔火焰保持器，其中所述非平面火焰保持器主体由 水泥材料形成。19. 根据权利要求1所述的非平面有孔火焰保持器，其中当所述非平面有孔火焰保持器 操作地定位为距燃料喷嘴一定距离时，所述非平面火焰保持器主体的中心区域被配置成比 所述非平面火焰保持器主体的周边区域从所述燃料喷嘴更远地移位以均衡通过所述非平 面火焰保持器主体的拉伸载荷。20. 根据权利要求1所述的非平面有孔火焰保持器，其中所述输入面为凹状拱形的，以 增加所述多个穿孔之间的视角因数，以实现所述多个穿孔之间的热辐射交换。21. 根据权利要求20所述的非平面有孔火焰保持器，其中实现所述输入面中的所述多 个穿孔之间的热辐射交换有利于保持所述非平面有孔火焰保持器的操作温度。22. 根据权利要求1所述的非平面有孔火焰保持器，其中所述输出面为凹状拱形的，以 实现所述多个穿孔之间的热辐射交换。23. 根据权利要求22所述的非平面有孔火焰保持器，其中实现所述输出面中的所述多 个穿孔之间的热辐射交换有利于保持所述非平面有孔火焰保持器的操作温度。24. 根据权利要求1所述的非平面有孔火焰保持器，其中所述输出面为凸状拱形的，以 有利于靠近所述非平面火焰保持器主体的周边定位的一个或多个流体系统的热辐射。25. -种燃烧系统，包括： 被配置成输出燃料和氧化剂混合物的燃料和氧化剂源；以及 非平面有孔火焰保持器，所述非平面有孔火焰保持器被定位在所述燃料和氧化剂源的 下游以接收所述燃料和氧化剂混合物并且被配置成保持由所述燃料和氧化剂混合物支撑 的燃烧反应，所述非平面有孔火焰保持器包括： 被配置成接收所述燃料和氧化剂混合物的非平面输入面； 被配置成输出所述燃料和氧化剂混合物的燃烧反应的产物的输出面；以及 限定从所述输入面延伸到所述输出面的多个穿孔的有孔火焰保持器主体，所述穿孔被 共同配置成保持所述燃烧反应。26. 根据权利要求25所述的燃烧系统，其中所述燃烧系统为锅炉系统的一部分。27. 根据权利要求25所述的燃烧系统，其中所述非平面输入面被配置成均衡所述燃料 和氧化剂混合物到所述多个穿孔中的流。28. 根据权利要求25所述的燃烧系统，其中所述有孔火焰保持器主体为弓形的。29. 根据权利要求28所述的燃烧系统，其中所述有孔火焰保持器主体为悬链线拱形的。30. 根据权利要求28所述的燃烧系统，其中所述有孔火焰保持器主体为抛物线形的。31. 根据权利要求28所述的燃烧系统，其中所述有孔火焰保持器主体为旋转对称的。32. 根据权利要求28所述的燃烧系统，其中所述有孔火焰保持器主体为阶梯状拱形的。33. 根据权利要求25所述的燃烧系统，其中所述有孔火焰保持器主体为非平面的，以均 衡拉伸载荷。34. 根据权利要求25所述的燃烧系统，其中所述有孔火焰保持器主体为弓形的并且包 括至少为15度的离去角，其中所述离去角限定所述有孔火焰保持器主体的末端从所述有孔 火焰保持器主体的中心的角位移，其中所述离去角从垂直于所述有孔火焰保持器主体的所 述中心的纵向轴线的平面测量。35. 根据权利要求34所述的燃烧系统，其中所述有孔火焰保持器主体为弓形的并且包 括至少为30度的离去角。36. 根据权利要求34所述的燃烧系统，其中所述有孔火焰保持器主体为弓形的并且包 括至少为45度的离去角。37. 根据权利要求25所述的燃烧系统，其中所述有孔火焰保持器主体包括联接在一起 以作为单一的单元操作的多个区段。38. 根据权利要求37所述的燃烧系统，其中所述多个区段用粘合剂联接在一起。39. 根据权利要求37所述的燃烧系统，其中所述多个区段用纯压缩保持就位。40. 根据权利要求37所述的燃烧系统，其中所述多个区段为包括陶瓷材料和水泥材料 中的至少一种的瓦。41. 根据权利要求37所述的燃烧系统，其中所述多个区段为立方体、矩形、三角形、六边 形、另外的多边形、或不对称，使得所述区段自然地紧密贴合在一起。42. 根据权利要求25所述的燃烧系统，其中所述有孔火焰保持器主体由陶瓷材料或水 泥材料形成。43. 根据权利要求25所述的燃烧系统，其中当所述非平面有孔火焰保持器操作性地定 位为距所述燃料和氧化剂源一定距离时，其中所述有孔火焰保持器主体的中心区域被配置 成比所述有孔火焰保持器主体的周边区域从所述燃料和氧化剂源更远地移位以减小所述 输入面上的所述燃料和氧化剂混合物的流量变化。44. 根据权利要求25所述的燃烧系统，其中所述输入面为凹状拱形的，以增加所述多个 穿孔之间的视角因数，以实现所述多个穿孔之间的热辐射交换。45. 根据权利要求44所述的燃烧系统，其中实现所述输入面中的所述多个穿孔之间的 热辐射交换有利于保持所述非平面有孔火焰保持器的操作温度。46. 根据权利要求25所述的燃烧系统，其中所述输出面为凹状拱形的，以实现所述多个 穿孔之间的热辐射交换。47. 根据权利要求46所述的燃烧系统，其中实现所述输出面中的所述多个穿孔之间的 热辐射交换有利于保持所述非平面有孔火焰保持器的操作温度。48. 根据权利要求25所述的燃烧系统，其中所述输出面为凸状拱形的，以有利于靠近所 述有孔火焰保持器主体的周边定位的一个或多个流体系统的热辐射。49. 一种操作燃烧系统的方法，包括： 从喷嘴输出燃料以生成燃料空气混合物； 用非平面有孔火焰保持器接收所述燃料空气混合物； 其中所述非平面有孔火焰保持器包括从所述非平面有孔火焰保持器的输入面延伸到 输出面的多个穿孔;以及 将所述燃料空气混合物的燃烧反应基本上维持在所述多个穿孔内。50. 根据权利要求49所述的方法，其中维持所述燃烧反应包括： 通过以下方式保持所述非平面有孔火焰保持器的操作温度:在所述输入面的所述多个 穿孔的至少一些之间再循环热辐射，其中所述非平面有孔火焰保持器用在所述输入面处的 所述多个穿孔之间提供非零视角因数的凹形形状的输入面来再循环所述热辐射。51. 根据权利要求49所述的方法，其中维持所述燃烧反应包括： 通过以下方式保持所述非平面有孔火焰保持器的操作温度:在所述输出面处的所述多 个穿孔的至少一些之间再循环热辐射，其中所述非平面有孔火焰保持器用在所述输出面处 的所述多个穿孔之间提供非零视角因数的凹形形状的输出面来再循环所述热辐射。52. 根据权利要求49所述的方法，其中维持所述燃烧反应包括： 通过以下方式加热靠近所述非平面有孔火焰保持器定位的一个或多个流体系统:将热 辐射从所述输出面上的所述多个穿孔中的至少一些引导到所述一个或多个流体系统，其中 所述非平面有孔火焰保持器用在所述多个穿孔中的至少一些和所述一个或多个流体系统 之间提供非零视角因数的凸形形状的输出面来引导所述热辐射。53. 根据权利要求49所述的方法，其中维持所述燃烧反应包括： 通过以下方式均衡在所述非平面有孔火焰保持器的所述输入面处的所述燃料空气混 合物的流量:将所述非平面有孔火焰保持器的中心部分定位在与所述非平面有孔火焰保持 器的包括具有弓形形状的所述输入面的周边部分相比远离所述喷嘴更大的距离处。54. 根据权利要求53所述的方法，其中所述弓形形状包括抛物线拱形、球状拱形、阶梯 状拱形和悬链线拱形中的至少一个。
【文档编号】F23D14/46GK105874273SQ201580003787
【公开日】2016年8月17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, 詹姆士·K·丹西, 克里斯多佛·A·威克洛夫
【申请人】克利尔赛恩燃烧公司