包括非平面有孔火焰保持器的燃燒器系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種燃燒系統，諸如爐或鍋爐，所述燃燒系統包括被配置成保持燃燒反應的非平面有孔火焰保持器。
【專利說明】包括非平面有孔火焰保持器的燃燒器系統
[0001] 相關專利申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2014年2月 14日提交的名稱為"FUEL COMBUSTION WITH A PERFORATED REACTION HOLDER(具有有孔反應保持器的燃料燃燒)"的PCT專利申請No.PCT/US2014/ 016632(代理人案卷號2651-188-04)的優先權并且為該專利申請的部分繼續申請;該申請 在不抵觸本文的公開內容的程度上以引用方式并入。

【發明內容】

[0003] 根據一個實施例，一種非平面有孔火焰保持器包括被配置成接收燃料空氣混合物 的輸入面。非平面有孔火焰保持器包括被配置成排放燃料空氣混合物的燃燒反應的產物的 輸出面。非平面有孔火焰保持器包括具有多個穿孔的非平面火焰保持器主體，所述穿孔從 輸入面延伸到輸出面并且被共同配置成促進燃料空氣混合物在穿孔內的燃燒反應。
[0004] 根據一個實施例，一種燃燒系統包括被配置成發射燃料流的燃料噴嘴。燃燒系統 包括定位在燃料噴嘴下游以接收燃料空氣混合物的非平面有孔火焰保持器。燃料空氣混合 物可為燃料流的夾帶空氣的混合物。非平面有孔火焰保持器包括被配置成接收燃料空氣混 合物的輸入面。非平面有孔火焰保持器包括被配置成排放燃料空氣混合物的燃燒反應的產 物的輸出面。非平面有孔火焰保持器包括具有多個穿孔的非平面火焰保持器主體，所述穿 孔從輸入面延伸到輸出面并且被共同配置成促進燃料空氣混合物在穿孔內的燃燒反應。
[0005] 根據一個實施例，一種操作燃燒系統的方法包括從噴嘴輸出燃料以生成燃料空氣 混合物。該方法包括用非平面有孔火焰保持器接收燃料空氣混合物。非平面有孔火焰保持 器包括從非平面有孔火焰保持器的輸入面延伸到輸出面的多個穿孔。該方法包括將燃料空 氣混合物的燃燒反應基本上維持在所述多個穿孔內。
【附圖說明】
[0006] 圖1為根據一個實施例的包括一個或多個非平坦面的有孔火焰保持器的側面剖視 圖。
[0007] 圖2為根據一實施例的包括有孔火焰保持器的燃燒器系統的簡化透視圖。
[0008] 圖3為根據一實施例的圖1和圖2的有孔火焰保持器的一部分的側面剖面圖。
[0009] 圖4為根據一實施例的示出用于操作包括圖1、圖2和圖3的有孔火焰保持器的燃燒 器系統的方法的流程圖。
[0010] 圖5為根據一實施例的包括非平面有孔火焰保持器的燃燒系統的簡化透視圖。
[0011] 圖6為根據一實施例的包括非平面有孔火焰保持器的燃燒系統的簡化透視圖。
[0012] 圖7A為根據一實施例的非平面有孔火焰保持器的簡化透視圖。
[0013] 圖7B為根據一實施例的圖7A的非平面有孔火焰保持器的簡化側面剖視圖。
[0014] 圖7C為根據一實施例的圖7A的非平面有孔火焰保持器的一種另選具體實施的簡 化平面圖。
[0015] 圖8為根據一實施例的非平面有孔火焰保持器的簡化側面剖視圖。
[0016] 圖9為根據一實施例的非平面有孔火焰保持器的簡化側面剖視圖。
[0017] 圖10為根據一實施例的一種操作燃燒系統的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0018] 在以下【具體實施方式】中，參考形成本文一部分的附圖。除非在上下文中另外指明， 否則在附圖中類似的符號通常表示類似的部件。在【具體實施方式】、附圖和權利要求中所述 的示例性實施例并不用來進行限制。在不脫離本文所述主題的精神或范圍的前提下，可采 用其他實施例并且可作出其他改變。
[0019] 根據一個實施例，非平面有孔火焰保持器可均衡在有孔火焰保持器的輸入面上的 燃料空氣混合物流量。在一些實施例中，燃料和氧化劑流由一系列渦流(例如，作為馮卡門 渦街)表征。因此，相對于燃料噴嘴的軸線，燃料空氣混合物的瞬時最大流速相對于其發生 的地方是不可預測的。然而，本發明人注意到，瞬時流量可能具有最高的概率在任何時刻都 是沿著噴嘴軸線（取決于噴嘴幾何形狀)最大，并且具有遇到最大瞬時流量離軸下降的概 率。因此，在時間平均的基礎上，燃料和氧化劑混合物速度可能沿著燃料流軸線最高。因此， 燃料流量通常可通過以下方式均衡:將有孔火焰保持器的中心部分遠離燃料噴嘴放置并且 將有孔火焰保持器的周邊部分更靠近燃料噴嘴放置。
[0020] 根據另一個實施例，非平面有孔火焰保持器與平面有孔火焰保持器相比提供較優 的機械穩健性。在豎直向上的燃燒器幾何形狀中，例如，平面有孔火焰保持器可將其輸入面 放置在集中拉伸載荷之下以保持火焰保持器結構的梁強度。在許多燃燒器應用的高溫和長 維護周期特性下，陶瓷、水泥或耐火纖維有孔火焰保持器上的拉伸載荷可由于拉伸斷裂而 限制機械可靠性。此外，包含金屬合金結構來支撐拉伸載荷可能由于溫度、成本、輻射圖案 堵塞和/或其他問題而為不期望的。因此，以拱形形成有孔火焰保持器可提供減小的拉伸載 荷并且增加機械穩健性。例如，以懸鏈線拱的形狀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載荷。
[0021] 作為另外一種選擇，下陷形成非平面有孔火焰保持器的全部或一部分可將拉伸載 荷分散在有孔火焰保持器的區段上并且減小拉伸載荷集中。例如，鏈懸可均衡在該區段上 的拉伸載荷。
[0022] 根據另一個實施例，非平面有孔火焰保持器可從有孔火焰保持器的開放面提供所 選擇的熱輻射模式。本發明人已注意到，大多數熱輻射通常從靠近有孔火焰保持器的輸入 面和輸出面的穿孔壁發射。通過選擇非平面有孔火焰保持器形狀，輻射表面視角因數可沿 一個所選擇的方向增加，而沿另一個所選擇的方向減小。這可用于例如保持有孔火焰保持 器的一部分從有孔火焰保持器的另一部分的輻射加熱。除此之外或作為另外一種選擇，視 角因數選擇可用于使到爐內的傳熱表面、支撐結構、燃料和氧化劑源等上的熱輻射最小化 或最大化。
[0023] 圖1為根據一個實施例的有孔火焰保持器101的側面剖視圖，該有孔火焰保持器包 括一個或多個非平坦面以大致均衡燃料流量，提供機械穩健性，并且限定熱輻射模式。換句 話講，有孔火焰保持器101可為非平面形狀的。有孔火焰保持器101包括輸入面104和輸出面 106。輸入面104朝向燃料空氣混合物的來源的方向設置，并且被配置成從該來源接收燃料 空氣混合物。輸出面106遠離燃料空氣混合物的來源設置，并且被配置成排放燃燒產物。有 孔火焰保持器101還包括非平面有孔火焰保持器主體108和從輸入面104向輸出面106延伸 穿過火焰保持器主體108的多個穿孔110。響應于燃料空氣混合物的接收，由有孔火焰保持 器101生成的燃燒產物的一個例子是穩定的主火焰112。
[0024]圖2為根據一實施例的包括被配置成保持燃燒反應的有孔火焰保持器102的燃燒 器系統200的簡化示意圖。如本文所用，術語有孔火焰保持器、有孔反應保持器、多孔火焰保 持器和多孔反應保持器應被認為是同義的，除非提供了進一步的定義。由本發明人進行的 實驗已示出本文所述的有孔火焰保持器102可支持非常清潔的燃燒。具體地講，在系統200 從試驗規模到完全規模的實驗性使用中，氮氧化物(NOx)的輸出被測量為從低個位數份每 百萬份(ppm)下至NOx在堆疊處不能檢測到的（小于lppm)濃度。這些顯著的結果在3% (干 燥)氧氣(〇2)濃度下用在工業爐應用典型的堆疊溫度（1400_1600°F)下不可檢測的一氧化 碳(C0)測得。此外，這些結果不需要任何特殊措施，諸如選擇性催化還原(SCR)、選擇性非催 化還原(SNCR)、水/蒸汽噴射、外部煙道氣再循環(FGR)、或常規燃燒器可能需要用以甚至實 現這樣的清潔燃燒的其他夸張極端情況。
[0025]根據實施例，燃燒器系統200包括燃料和氧化劑源202,該燃料和氧化劑源被設置 成將燃料和氧化劑輸出到燃燒體積204中以形成燃料和氧化劑混合物206。如本文所用，術 語燃燒體積、燃燒室、爐體積等應被認為是同義的，除非提供了進一步的定義。有孔火焰保 持器102設置在燃燒體積204中并且被定位成接收燃料和氧化劑混合物206。
[0026] 圖3為根據一實施例的圖1和圖2的有孔火焰保持器101、102的側剖面圖300。參見 圖2和圖3，有孔火焰保持器102包括有孔火焰保持器主體208，該有孔火焰保持器主體限定 被對齊以接收來自燃料和氧化劑源202的燃料和氧化劑混合物206的多個穿孔210。如本文 所用，在有孔火焰保持器102的上下文中，術語穿孔、小孔、孔、細長孔等應被認為是同義的， 除非提供了進一步的定義。穿孔210被配置成共同地保持由燃料和氧化劑混合物206支撐的 燃燒反應302。
[0027] 燃料可包括氫氣、烴類氣體、汽化烴類液體、霧化烴類液體、或者粉末狀或粉碎的 固體。燃料可為單一種類或者可包括氣體、蒸氣、霧化液體和/或粉碎固體的混合物。例如， 在過程加熱器應用中，燃料可包括燃料氣體或來自該過程的副產物，該副產物包括一氧化 碳（C0)、氫（H 2)和甲烷（CH4)。在另一種應用中，燃料可包括天然氣（主要是CH4)或丙烷 (C 3H8)。在另一種應用中，燃料可包括2號燃料油或6號燃料油。發明人類似地構思到雙燃料 應用和靈活燃料應用。氧化劑可包括由空氣攜帶的氧和/或可包括另一種氧化劑，該氧化劑 為純的或由載體氣體攜帶。術語氧化劑(oxidant)和助燃劑(oxidizer)在本文中應被認為 是同義的。
[0028]根據一實施例，有孔火焰保持器主體208可由被設置成接收燃料和氧化劑混合物 206的輸入面212、背向燃料和氧化劑源202的輸出面214、和限定有孔火焰保持器102的橫向 范圍的外周表面216界定。由有孔火焰保持器主體208限定的多個穿孔210從輸入面212延伸 到輸出面214。所述多個穿孔210可在輸入面212處接收燃料和氧化劑混合物206。燃料和氧 化劑混合物206然后可在所述多個穿孔210中或靠近所述多個穿孔210燃燒，并且燃燒產物 可在輸出面214處或靠近輸出面214離開所述多個穿孔210。
[0029]根據一實施例，有孔火焰保持器102被配置成將大部分的燃燒反應302保持在穿孔 210內。例如，在穩態基礎上，由燃料和氧化劑源202輸出到燃燒體積204中的燃料分子的一 半以上可在有孔火焰保持器102的輸入面212和輸出面214之間被轉化為燃燒產物。根據一 另選的解釋，由燃燒反應302輸出的熱量的一半以上可在有孔火焰保持器102的輸入面212 和輸出面214之間輸出。在標稱操作條件下，穿孔210可被配置成共同地將至少80%的燃燒 反應302保持在有孔火焰保持器102的輸入面212和輸出面214之間。在一些實驗中，本發明 人生成的燃燒反應看起來完全包含在有孔火焰保持器102的輸入面212和輸出面214之間的 穿孔210中。根據一另選的解釋，當燃燒被"時間平均"時，有孔火焰保持器102可支撐輸入面 212和輸出面214之間的燃燒。例如，在瞬變期間，諸如在有孔火焰保持器102被完全加熱之 前，或者如果過高(冷卻)載荷設置在系統上，燃燒可一定程度上從有孔火焰保持器的輸出 面214向下游行進。
[0030] 雖然"火焰"以意在便于描述的方式進行描述，但應當理解，在一些情況下，不存在 可見火焰。燃燒主要在穿孔210內發生，但是燃燒熱的"輝光"主要是有孔火焰保持器102本 身的可見輝光。在其他情況下，本發明人已經注意到瞬態"吹氣"，其中可見火焰在稀釋區域 Dd內在位于有孔火焰保持器102的輸入面212和燃料源218之間的區域中暫時點燃。這樣的 瞬態吹氣持續時間通常較短，使得在時間平均的基礎上，大多數燃燒是在有孔火焰保持器 102的穿孔210內，在輸入面212和輸出面214之間發生。在另外的情況下，本發明人已經注意 到在有孔火焰保持器102的輸出面214上方發生的明顯的燃燒，但是仍然有大多數燃燒在有 孔火焰保持器內發生，如來自有孔火焰保持器102的持續可見的輝光(黑體輻射的可見光波 長尾)所證明。
[0031] 有孔火焰保持器102可被配置成接收來自燃燒反應302的熱量并且將所接收的熱 量的一部分作為熱輻射304輸出到燃燒體積204之中或鄰近的熱量接收結構(例如，爐壁和/ 或輻射段工作流體管）。如本文所用，諸如熱輻射、紅外輻射、輻射熱、熱量輻射等的術語應 被理解為是基本上同義的，除非提供了進一步的定義。具體地講，此類術語是指電磁能量的 黑體輻射，主要是在紅外線波長中。
[0032] 特別參見圖3,有孔火焰保持器102將所接收的熱量的另一部分輸出到在有孔火焰 保持器102的輸入面212處接收的燃料和氧化劑混合物206。有孔火焰保持器主體208可至少 在穿孔壁308的熱量接收區域306中接收來自（放熱)燃燒反應302的熱量。實驗證據已向本 發明人表明，熱量接收區域306的位置，或至少對應于最大熱量接收速率的位置可沿著穿孔 壁308的長度改變。在一些實驗中，最大熱量接收的位置顯然在從輸入面212到輸出面214的 距離的1/3和1/2之間（即，在一定程度上比起輸出面214而言更靠近輸入面212)。本發明人 設想到，熱量接收區域306在其他條件下可更靠近有孔火焰保持器102的輸出面214。最可能 的是，不存在熱量接收區域306 (或就此而言，熱量輸出區域310，如下所述）的明確限定的邊 緣。為了便于理解，熱量接收區域306和熱量輸出區域310將被描述為特定區域306、310。 [0033]有孔火焰保持器主體208可由熱容量表征。有孔火焰保持器主體208可以保持對應 于熱容量乘以溫度升高的量的來自燃燒反應302的熱量，并且將熱量從熱量接收區域306轉 移到穿孔壁308的熱量輸出區域310。一般來講，熱量輸出區域310比熱量接收區域306更靠 近輸入面212。根據一種解釋，有孔火焰保持器主體208可通過熱輻射將熱量從熱量接收區 域306轉移到熱量輸出區域310,如304圖示地示出。根據另一種解釋，有孔火焰保持器主體 208可通過沿著熱傳導路徑312的熱傳導將熱量從熱量接收區域306轉移到熱量輸出區域 310。本發明人設想到，輻射和傳導熱傳遞機制均可以用于將熱量從熱量接收區域306轉移 到熱量輸出區域310。以這種方式，即使在由常規火焰保持器支撐時燃燒反應將不穩定的條 件下，有孔火焰保持器102仍可充當熱源以保持燃燒反應。
[0034]本發明人認為，有孔火焰保持器102使得燃燒反應302在鄰近穿孔210的壁308形成 的熱邊界層314內發生。在相對冷卻的燃料和氧化劑混合物206接近輸入面212時，流被分成 分別行進穿過各個穿孔210的部分。熱的有孔火焰保持器主體208將熱量轉移到流體，尤其 是在熱邊界層314內，該熱邊界層隨著越來越多的熱量轉移到進入的燃料和氧化劑混合物 206而逐漸增厚。在達到燃燒溫度(例如，燃料的自燃溫度)之后，反應物在化學點火延遲時 間經過時繼續流動，在該時間內燃燒反應302發生。因此，燃燒反應302被圖示為在熱邊界層 314內發生。隨著流動進行，熱邊界層314在合并點316處合并。理想的是，合并點316位于輸 入面212和限定穿孔210的末端的輸出面214之間。在一些點處，燃燒反應302使得流動氣體 (和等離子體）向主體208輸出比其從主體208所接收更多的熱量。熱量在熱量接收區域306 處被接收，由主體208保持，并且被傳輸到更靠近輸入面212的熱量輸出區域310，在熱輸出 區域中熱量再循環到冷卻反應物（以及任何包含的稀釋劑）中以將其升高到燃燒溫度。
[0035]在一個實施例中，所述多個穿孔210各自由長度L表征，該長度L被限定為有孔火焰 保持器102的輸入面212和輸出面214之間的流體傳播路徑長度。反應流體包括燃料和氧化 劑混合物206 (任選地包括氮氣、煙道氣和/或其他"非反應性"物質）、反應中間體(包括表征 燃燒反應的等離子體中的過渡狀態）、以及反應產物。
[0036] 所述多個穿孔210可各自由相對穿孔壁308之間的橫向尺寸D表征。本發明人已經 發現，如果每個穿孔210的長度L為穿孔的橫向尺寸D的至少四倍，則穩定燃燒可保持在有孔 火焰保持器102中。在其他實施例中，長度L可比橫向尺寸D的六倍更大。例如，已經運行了其 中L為橫向尺寸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實驗。優選地， 長度L長到足以使得在流過穿孔210的反應流體中鄰近穿孔壁308形成的熱邊界層314在有 孔火焰保持器的輸入面212和輸出面214之間合并在穿孔210內的合并點316處。在實驗中， 本發明人已經發現，在12和48之間的L/D比率有較好效果（即，產生低NOx，產生低C0,并且保 持穩定燃燒）。
[0037]有孔火焰保持器主體208可被配置成在相鄰穿孔210之間傳送熱量。在相鄰穿孔 210之間傳送的熱量可被選擇成使得從第一穿孔210中的燃燒反應部分302輸出的熱量提供 熱量以穩定相鄰穿孔210中的燃燒反應部分302。
[0038] 特別參見圖2,燃料和氧化劑源202還可包括被配置成輸出燃料的燃料噴嘴218、以 及被配置成輸出包括氧化劑的流體的氧化劑源220。例如，燃料噴嘴218可被配置成輸出純 燃料。氧化劑源220可被配置成輸出攜帶氧的燃燒空氣。
[0039] 有孔火焰保持器102可由有孔火焰保持器支撐結構222保持，該支撐結構被配置成 將有孔火焰保持器102保持在與燃料噴嘴218相距一定距離Dd。燃料噴嘴218可被配置成發 射燃料射流，該燃料射流被選擇成夾帶氧化劑以在燃料射流和氧化劑沿著一定路徑穿過燃 料噴嘴218和有孔火焰保持器102之間的稀釋距離Dd行進到有孔火焰保持器102時形成燃料 和氧化劑混合物206。除此之外或作為另外一種選擇(特別是在鼓風機用于遞送氧化劑燃燒 空氣時），氧化劑或或燃燒空氣源可被配置成夾帶燃料，并且燃料和氧化劑行進穿過稀釋距 離Dd。在一些實施例中，可提供煙道氣再循環路徑224。除此之外或作為另外一種選擇，燃料 噴嘴218可被配置成發射燃料射流，該燃料射流被選擇成在燃料射流行進穿過燃料噴嘴218 和有孔火焰保持器102的輸入面212之間的稀釋距離Dd時夾帶氧化劑并且夾帶煙道氣。
[0040] 燃料噴嘴218可被配置成通過一個或多個燃料孔口 226發射燃料，該燃料孔口具有 被稱為"噴嘴直徑"的尺寸。有孔火焰保持器支撐結構222可支撐有孔火焰保持器102以在與 燃料噴嘴218相距大于噴嘴直徑20倍的距離Dd處接收燃料和氧化劑混合物206。在另一個實 施例中，有孔火焰保持器102被設置成在與燃料噴嘴218相距介于噴嘴直徑的100倍和1100 倍之間的距離Dd處接收燃料和氧化劑混合物206。優選地，有孔火焰保持器支撐結構222被 配置成將有孔火焰保持器102保持為與燃料噴嘴218相距噴嘴直徑的約200倍或更多倍。當 燃料和氧化劑混合物行進噴嘴直徑的約200倍或更多倍時，混合物充分均質化以使得燃燒 反應輸出最少的NOx。
[0041] 根據一實施例，燃料和氧化劑源202可另選地包括預混合燃料和氧化劑源。預混合 燃料和氧化劑源可包括預混合室（未示出）、被配置成將燃料輸出到預混合室中的燃料噴 嘴、以及被配置成將燃燒空氣輸出到預混合室中的空氣通道。阻焰器可被設置在預混合燃 料和氧化劑源與有孔火焰保持器102之間并且被配置成防止火焰逆燃到預混合燃料和氧化 劑源中。
[0042]不論是被配置用于夾帶在燃燒體積204中還是被配置用于預混合，燃燒空氣源都 可包括被配置成迫使空氣穿過燃料和空氣源202的鼓風機。
[0043]支撐結構222可被配置成從例如燃燒體積204的底板或壁(未示出）支撐有孔火焰 保持器102。在另一個實施例中，支撐結構222從燃料和氧化劑源202支撐有孔火焰保持器 102。作為另外一種選擇，支撐結構222可從架空結構(諸如煙道，就向上燃燒系統而言)懸掛 有孔火焰保持器102。支撐結構222可以各種取向和方向支撐有孔火焰保持器102。
[0044] 有孔火焰保持器102可包括單個有孔火焰保持器主體208。在另一個實施例中，有 孔火焰保持器102可包括共同提供平鋪有孔火焰保持器102的多個相鄰的有孔火焰保持器 區段。
[0045] 有孔火焰保持器支撐結構222可被配置成支撐所述多個有孔火焰保持器區段。有 孔火焰保持器支撐結構222可包括金屬超合金、水泥和/或陶瓷耐火材料。在一實施例中，所 述多個相鄰的有孔火焰保持器區段可與纖維增強耐火水泥接合。
[0046] 有孔火焰保持器102可具有在外周表面216的相對側之間的寬度尺寸W，該寬度尺 寸為輸入面212和輸出面214之間的厚度尺寸T的至少兩倍。在另一個實施例中，有孔火焰保 持器102可具有在外周表面216的相對側之間的寬度尺寸W，該寬度尺寸為有孔火焰保持器 的輸入面212和輸出面214之間的厚度尺寸T的至少三倍、至少六倍或至少九倍。
[0047] 在一實施例中，有孔火焰保持器102可具有小于燃燒體積204的寬度的寬度尺寸W。 這可允許從有孔火焰保持器102上方到下方的煙道氣循環路徑224位于有孔火焰保持器102 的周邊表面216和燃燒體積壁(未不出）之間。
[0048] 再次參見圖2和圖3,穿孔210可包括細長正方形，該細長正方形中的每個具有在正 方形的相對側之間的橫向尺寸D。在另一個實施例中，穿孔210可包括細長六邊形，該細長六 邊形中的每個具有在六邊形的相對側之間的橫向尺寸D。在另一個實施例中，穿孔210可包 括中空圓柱體，該中空圓柱體中的每個具有對應于圓柱體的直徑的橫向尺寸D。在另一個實 施例中，穿孔210可包括截頭圓錐形，該截頭圓錐形中的每個具有圍繞從輸入面212延伸到 輸出面214的長度軸線旋轉對稱的橫向尺寸D。基于標準參考條件，穿孔210可各自具有等于 或大于燃料的淬火距離的側向尺寸D。
[0049] 在一些實施例中，所述多個穿孔中的每個具有介于0.05英寸和1.0英寸之間的側 向尺寸D。優選地，所述多個穿孔中的每個具有介于0.1英寸和0.5英寸之間的側向尺寸D。例 如，所述多個穿孔可各自具有約〇. 2至0.4英寸的側向尺寸D。
[0050] 有孔火焰保持器102的空隙分數被定義為有孔火焰保持器102的區段中的所有穿 孔210的總體積除以包括主體208和穿孔210的有孔火焰保持器的總體積。有孔火焰保持器 102應具有介于0.10和0.90之間的空隙分數。在一實施例中，有孔火焰保持器102可具有介 于0.30和0.80之間的空隙分數。在另一個實施例中，有孔火焰保持器102可具有約0.70的空 隙分數。發現使用約〇. 70的空隙分數對于產生非常低的NOx特別有效。
[0051] 有孔火焰保持器102可由纖維增強澆鑄耐火材料和/或諸如硅酸鋁材料之類的耐 火材料形成。例如，有孔火焰保持器102可由莫來石或堇青石形成。除此之外或作為另外一 種選擇，有孔火焰保持器主體208可包括金屬超合金，諸如鉻鎳鐵合金或哈斯特洛伊耐蝕鎳 基合金。有孔火焰保持器主體208可限定蜂窩體。
[0052]本發明人已經發現，有孔火焰保持器102可由可從南卡羅來納州多拉維爾的應用 陶瓷公司（Applied Ceramics，Inc.，Doraville，South Carolina)商購獲得的 VERSAGRU:)'·':陶瓷蜂窩體形成。
[0053]穿孔210可彼此平行并且垂直于輸入面212和輸出面214。在另一個實施例中，穿孔 210可彼此平行并且相對于輸入面212和輸出面214以一定角度形成。在另一個實施例中，穿 孔210彼此可不平行。在另一個實施例中，穿孔210彼此可不平行并且不相交。在另一個實施 例中，穿孔210可為相交的。主體308可為一體式的或者可由多個區段形成。
[0054]在另一個實施例中，有孔火焰保持器102可由擠出陶瓷材料所形成的網狀纖維形 成，這不一定是優選的。術語"網狀纖維"是指網狀結構。
[0055]在另一個實施例中，有孔火焰保持器102可包括捆綁在一起的多個管或管道。所述 多個穿孔210可包括中空圓柱體并且還可任選地包括在捆綁管之間的間隙空間。在一實施 例中，所述多個管可包括陶瓷管。耐火水泥可包含在管之間并且被配置成將管粘附在一起。 在另一個實施例中，所述多個管可包括金屬(例如，超合金)管。所述多個管可由金屬張緊構 件保持在一起，該金屬張緊構件與所述多個管成周向并且被布置成將所述多個管保持在一 起。金屬張緊構件可包括不銹鋼、超合金金屬線、和/或超合金金屬帶。
[0056]有孔火焰保持器主體208可另選地包括堆疊的有孔材料片，每個片具有與下側片 和上側片的開口連接的開口。有孔片可包括有孔金屬片、陶瓷片和/或擴展片。在另一個實 施例中，有孔火焰保持器主體208可包括不連續充填體，使得穿孔210在這些不連續充填體 之間的間隙空間中形成。在一個例子中，不連續充填體包括結構化充填形狀。在另一個例子 中，不連續充填體包括隨機充填形狀。例如，不連續充填體可包括陶瓷拉西環、陶瓷貝爾鞍、 陶瓷矩鞍形鞍座、和/或金屬環或可由金屬籠保持在一起的其他形狀(例如，超級拉西環）。
[0057]本發明人設想到對于包括有孔火焰保持器102的燃燒器系統為何提供此類清潔燃 燒的各種解釋。
[0058]在一個方面，即使在由常規火焰保持器支撐時燃燒反應將不穩定的條件下，有孔 火焰保持器102仍充當熱源以保持燃燒反應。可利用該能力以使用比通常可行更貧乏的燃 料與氧化劑混合物來支撐燃燒。因此，根據一實施例，在其中燃料流206接觸有孔火焰保持 器102的輸入面212的點處，燃料流206的平均燃料與氧化劑比率低于燃料流的燃料組分的 (常規)燃燒下限一燃燒下限限定燃料/空氣混合物在正常大氣壓力和環境溫度25°C(77°F) 暴露于瞬時點火源時將燃燒的最低燃料濃度。
[0059] 根據一種解釋，由有孔火焰保持器支撐的燃料和氧化劑混合物可比將在常規燃燒 器中提供穩定燃燒的混合物更貧燃。靠近燃料的燃燒下限的燃燒通常在比靠近貧到富燃燒 極限范圍的中心的混合物更低的絕熱火焰溫度燃燒。比起較高火焰溫度，較低火焰溫度通 常釋放較低濃度的氮氧化物(NOx)。在常規火焰中，太貧的燃燒通常與在堆疊處的高C0濃度 相關聯。相反，發現本文所述的有孔火焰保持器102和包括有孔火焰保持器102的系統提供 C0的基本上完全燃燒(個位數的ppm下至檢測不到，這取決于實驗條件），同時支撐低NOx。在 一些實施例中，本發明人實現了在被理解為非常貧的混合物的穩定燃燒(然而，其在堆疊處 產生僅僅約3%或更低測量的0 2濃度）。此外，本發明人認為穿孔壁308對于燃燒流體可充當 散熱器。作為另外一種選擇或除此之外，該效果可降低燃燒溫度。
[0060] 根據另一種解釋，如果燃燒反應302在非常短的持續時間內發生，則NOx的產生可 減少。迅速燃燒使得反應物(包括氧氣和夾帶的氮氣)暴露于NOx形成溫度的時間對于NOx形 成動力學而言短到不足以造成NOx的大量產生。與常規火焰相比，反應物穿過有孔火焰保持 器所需的時間非常短。與有孔火焰保持器燃燒相關聯的低NOx產生因此可能與反應物(和夾 帶的氮氣)穿過有孔火焰保持器102所需的短的持續時間相關。
[0061] 由于C0氧化是相對較慢的反應，所以對于C0到二氧化碳(C02)的氧化，考慮到測得 的（實驗和完全規模)非常低的C0濃度，穿過有孔火焰保持器的時間（可能加上從有孔火焰 保持器102朝向煙道行進的時間）是明顯足夠的并且處于足夠高的溫度下。
[0062] 圖4為示出一種用于操作包括本文所示和描述的有孔火焰保持器的燃燒器系統的 方法400的流程圖。為了操作包括有孔火焰保持器的燃燒器系統，有孔火焰保持器首先被加 熱到足以保持燃料和氧化劑混合物的燃燒的溫度。
[0063]根據簡化的描述，方法400開始于步驟402,其中將有孔火焰保持器預熱至啟動溫 度!^。有孔火焰保持器升高到啟動溫度之后，方法進行到步驟404,其中將燃料和氧化劑提 供給有孔火焰保持器并且燃燒由有孔火焰保持器保持。
[0064]根據更詳細描述，步驟402開始于步驟406,其中在有孔火焰保持器處提供啟動能 量。與提供啟動能量同時或在這之后，決定步驟408確定有孔火焰保持器的溫度T是否處于 或高于啟動溫度Ts。只要有孔火焰保持器的溫度低于其啟動溫度，該方法便在預熱步驟402 內在步驟406和408之間循環。在步驟408中，如果有孔火焰保持器的至少預定部分的溫度T 大于或等于啟動溫度，方法400便進行到總體步驟404,其中提供燃料和氧化劑并且燃燒由 有孔火焰保持器保持。
[0065]步驟404可被分解成若干離散步驟，其中至少一些可同時發生。
[0066]從步驟408開始進行，將燃料和氧化劑混合物提供給有孔火焰保持器，如步驟410 中所示。燃料和氧化劑可由包括例如單獨燃料噴嘴和燃燒空氣源的燃料和氧化劑源提供。 在該方法中，燃料和燃燒空氣沿一個或多個方向輸出，所述方向被選擇成使得燃料和燃燒 空氣混合物由有孔火焰保持器的輸入面接收。燃料可夾帶燃燒空氣(或作為另外一種選擇， 燃燒空氣可稀釋燃料）以在有孔火焰保持器的輸入面處以針對可保持在有孔火焰保持器的 穿孔內的穩定燃燒反應選擇的燃料稀釋提供燃料和氧化劑混合物。
[0067] 進行到步驟412,燃燒反應由有孔火焰保持器保持。
[0068] 在步驟414中，熱量可從有孔火焰保持器輸出。從有孔火焰保持器輸出的熱量可用 于例如為工業過程供電、加熱工作流體、生成電力、或提供動力。
[0069]在任選的步驟416中，可感測到燃燒的存在。本發明人已使用并且設想到各種感測 方法。一般來講，由有孔火焰保持器保持的燃燒非常穩定并且不會對系統提出不尋常的感 測要求。燃燒感測可使用紅外傳感器、視頻傳感器、紫外線傳感器、帶電物質傳感器、熱電 偶、熱電堆、和/或其他已知的燃燒感測裝置來進行。在步驟416的附加或另選的變型中，可 提供引燃火焰或其他點火源以使得在有孔火焰保持器處失去燃燒的情況下點燃燃料和氧 化劑混合物。
[0070] 進行到決定步驟418,如果感測到燃燒不穩定，方法400可退出步驟424,其中執行 錯誤過程。例如，錯誤過程可包括關閉燃料流、重新執行預熱步驟402、輸出報警信號、點燃 備用燃燒系統、或其他步驟。在步驟418中，如果有孔火焰保持器中的燃燒被確定為穩定的， 則方法400進行到決定步驟420,其中確定燃燒參數是否應改變。如果沒有燃燒參數要被改 變，則方法循環(在步驟404內）回到步驟410,并且燃燒過程繼續。如果指明改變燃燒參數， 則方法400進行到步驟422,其中執行燃燒參數變化。在改變燃燒參數之后，方法循環(在步 驟404內）回到步驟410，并且燃燒繼續。
[0071] 例如，如果遇到熱需求變化，則可以調度安排燃燒參數改變。例如，如果需要較少 熱量(例如，由于降低的電力需求，降低的動力需求，或較低的工業過程吞吐量），則燃料和 氧化劑流量在步驟422中可降低。相反，如果熱需求增加，則燃料和氧化劑流可增加。除此之 外或作為另外一種選擇，如果燃燒系統處于啟動模式，則燃料和氧化劑流可在步驟404內的 循環的一次或多次反復內逐漸增加至有孔火焰保持器。
[0072]再次參見圖2,燃燒器系統200包括可操作地聯接到有孔火焰保持器102的加熱器 228。如結合圖3和圖4所述，有孔火焰保持器102通過將熱量輸出到進入的燃料和氧化劑混 合物206來操作。在燃燒建立之后，該熱量由燃燒反應提供;但是在燃燒建立之前，熱量由加 熱器228提供。
[0073]本發明人已使用并且設想到各種加熱裝置。在一些實施例中，加熱器228可包括被 配置成支撐被設置成加熱有孔火焰保持器102的火焰的火焰保持器。燃料和氧化劑源202可 包括被配置成發射燃料流的燃料噴嘴218和被配置成輸出鄰近燃料流的燃燒空氣的空氣源 220。燃料噴嘴218和空氣源220可被配置成輸出要由燃燒空氣逐步稀釋的燃料流。有孔火焰 保持器102可被設置成接收稀釋的燃料和空氣混合物206,該稀釋的燃料和空氣混合物支撐 當有孔火焰保持器102處于操作溫度時由有孔火焰保持器102穩定的燃燒反應。相反，啟動 火焰保持器可被配置成在對應于相對較富的燃料和空氣混合物的位置處支撐啟動火焰，該 相對較富的燃料和空氣混合物在無需由加熱的有孔火焰保持器102提供的穩定的情況下便 為穩定的。
[0074]燃燒器系統200還可包括可操作地聯接到加熱器228并且聯接到數據接口 232的控 制器230。例如，控制器230可被配置成控制啟動火焰保持器致動器，該啟動火焰保持器致動 器被配置成使得啟動火焰保持器在有孔火焰保持器102需要被預加熱時保持啟動火焰，而 在有孔火焰保持器102處于操作溫度(例如，當T 2 Ts)時不保持啟動火焰。
[0075]可以設想到用于致動啟動火焰的各種方法。在一個實施例中，啟動火焰保持器包 括機械致動的阻流體，該阻流體被配置成被致動以攔截燃料和氧化劑混合物206以引起熱 循環渦流，從而保持啟動火焰;或者被致動以不攔截燃料和氧化劑混合物206以使得燃料和 氧化劑混合物206進入到有孔火焰保持器102。在另一個實施例中，燃料控制閥、鼓風機和/ 或阻尼器可用于選擇低到足以使啟動火焰噴射穩定的燃料和氧化劑混合物流量;并且在達 到有孔火焰保持器102操作溫度之后，流量可增加至"吹熄"啟動火焰。在另一個實施例中， 加熱器可包括電源，該電源可操作地聯接到控制器230并且被配置成向燃料和氧化劑混合 物206施加電荷或電壓。導電啟動火焰保持器可選擇性地聯接到接地電壓或被選擇成吸引 燃料和氧化劑混合物206中的電荷的其他電壓。本發明人發現電荷的吸引使得啟動火焰由 導電啟動火焰保持器保持。
[0076] 在另一個實施例中，加熱器228可包括電阻加熱器，該電阻加熱器被配置成將熱量 輸出到有孔火焰保持器并且/或者輸出到燃料和氧化劑混合物206。電阻加熱器可被配置成 將有孔火焰保持器102加熱至操作溫度。加熱器228還可包括電源以及在控制器230的控制 下可操作以將電源選擇性地聯接到電阻加熱器的開關。
[0077] 電阻加熱器228可以各種方式形成。例如，電阻加熱器228可由KANiHAL/'線（可 從瑞典哈爾斯塔哈馬市山特維克公司的山特維克材料技術部門（Sandvik Materials Technology division of Sandvik AB，Hallstahammar，Sweden)獲得)形成，該線穿過由有 孔火焰保持器主體208限定形成的穿孔210的至少一部分。作為另外一種選擇，加熱器228可 包括感應加熱器、高能量(例如，微波或激光)束加熱器、摩擦加熱器、或其他類型的加熱技 術。
[0078] 可以設想到其他形式的啟動裝置。例如，加熱器228可包括被配置成將脈沖點火輸 出到空氣和燃料的放電點火器或熱表面點火器。除此之外或作為另外一種選擇，啟動裝置 可包括引燃火焰裝置，該引燃火焰裝置被設置成點燃可能進入有孔火焰保持器102的燃料 和氧化劑混合物206。放電點火器、熱表面點火器和/或引燃火焰裝置可以可操作地聯接到 控制器230，這可使得放電點火器或引燃火焰裝置在有孔火焰保持器102被加熱到足夠保持 燃燒之前在有孔火焰保持器102中或其上游保持燃料和氧化劑混合物206的燃燒。
[0079]燃燒器系統200還可包括可操作地聯接到控制電路230的傳感器234。傳感器234可 包括被配置成檢測有孔火焰保持器102的紅外輻射或溫度的熱傳感器。控制電路230可被配 置成響應于來自傳感器234的輸入而控制加熱裝置228。任選地，燃料控制閥236可以可操作 地聯接到控制器230并且被配置成控制向燃料和氧化劑源202的燃料流動。除此之外或作為 另外一種選擇，氧化劑鼓風機或阻尼器238可以可操作地聯接到控制器230并且被配置成控 制氧化劑(或燃燒空氣）的流動。
[0080]傳感器234還可包括可操作地聯接到控制電路230的燃燒傳感器，該燃燒傳感器被 配置成檢測由有孔火焰保持器102保持的燃燒反應的溫度、視頻圖像和/或光譜特性。燃料 控制閥236可被配置成控制從燃料源向燃料和氧化劑源202的燃料流動。控制器230可被配 置成響應于來自燃燒傳感器234的輸入而控制燃料控制閥236。控制器230可被配置成控制 燃料控制閥236和/或氧化劑鼓風機或阻尼器以控制加熱器228的預熱火焰類型，以將有孔 火焰保持器102加熱到操作溫度。控制器230可類似地控制燃料控制閥236和/或氧化劑鼓風 機或阻尼器以響應于作為數據經由數據接口 232接收的熱需求變化而改變燃料和氧化劑混 合物206流。
[0081 ]圖5為根據一實施例的燃燒系統500的圖解透視圖。燃燒系統500包括噴嘴218和定 位在燃燒體積204內的有孔火焰保持器504。如圖所示，圖5的有孔火焰保持器504是非平面 形狀。
[0082]在示出的實施例中，有孔火焰保持器504包括多個穿孔512、輸入面514、周壁515、 輸出面516、以及多個區段517。有孔火焰保持器504的輸入面514和輸出面516是非平面的， 并且旋轉對稱于垂直于噴嘴218的縱向軸線的平面。火焰保持器的其他非平面實施例是可 能的，并且非平面火焰保持器的其他可能實施例中的一些在圖6-圖9以及對應說明中公開。 [0083]有孔火焰保持器504的輸入面514和輸出面516包括多個非平面形狀中的一種。根 據各種實施例，輸入面514和輸出面516可具有相同的非平面形狀，可具有不同的非平面形 狀，或者可具有一個非平面形狀和一個平面形狀。輸入面514和輸出面516可具有懸鏈線拱 的形狀，該形狀可使用純壓縮以用于在噴嘴218上方支撐所述多個區段517。輸入面514和輸 出面516另選地可為拋物線形、球形、階梯形狀或另一種非平面形狀，其被配置成將有孔火 焰保持器504的中間或中心設置成距噴嘴218的距離與平面有孔火焰保持器相同或比平面 有孔火焰保持器更大。根據一個實施例，輸入面514凹形旋轉對稱，而輸出面516凸形旋轉對 稱。
[0084]所述多個區段517可以各種形狀和尺寸配置以形成有孔火焰保持器504。根據一個 實施例，所述多個區段517中的每個區段為瓦。所述多個區段517中的每個區段可為立方體、 矩形、三角形、六邊形、另外的多邊形、或不對稱，使得所述區段(例如，瓦）在球形或弓形表 面上自然地緊密貼合在一起。所述多個區段517被粘結、粘附或以其他方式聯接在一起。所 述多個區段517可例如通過使用模具來以彎曲形狀直接形成。所述多個區段517的尺寸可被 設定成通過人孔或其他入口進入到燃燒系統500中，以便于替換損壞的區段并且便于安裝 非平面有孔火焰保持器504。
[0085]有孔火焰保持器504的拱形由輸出面或輸入面從垂直于噴嘴218的縱向軸線的平 面的離去角確定。離去角限定非平面火焰保持器的末端從非平面火焰保持器中心的角位 移。離去角可從垂直于非平面火焰保持器中心的縱向軸線的平面測量。離去角可為大約45 度，使得有孔火焰保持器504的一個末端到另一個末端掃過大約90度的總角度。在另選的實 施例中，離去角可大于或等于15度，大于或等于30度，或者為介于5-45度之間的一定角度。
[0086] 根據一個實施例，輸入面514的拱形增大熱輻射304向內突起，以改善有孔火焰保 持器504的操作。大多數熱輻射304來自所述多個穿孔512中的每個穿孔的內部，例如，來自 穿孔長度的最后一厘米。因為輸入面514的非平面形狀(例如，拱形、拋物線形、球形)增加有 孔火焰保持器504的相對側上的所述多個穿孔512之間的視角因數，所以更多的熱輻射可通 過有孔火焰保持器504再循環/再使用。例如，輸入面514的一個或多個第一穿孔512用輸入 面514的一個或多個第二穿孔接收和傳輸更多的熱輻射304。穿孔間輻射可幫助非平面有孔 火焰保持器保持維持燃燒反應的溫度。
[0087] 輸出面516的拱形增加熱輻射304的向外突起，以改善燃燒系統500的操作。例如， 因為輸出面516的拱形增加輸出面516的穿孔和有孔火焰保持器504的周邊之間的視角因 數，所以熱輻射304可朝向靠近或鄰近有孔火焰保持器504設置的多個輻射段工作流體管 550引導。熱輻射304的向外突起可加熱所述多個輻射段工作流體管，以便由一個或多個其 他系統使用。在另一個實施例中，燃燒系統500可包括"水壁"，該"水壁"包括用于在壁中循 環工作流體的管，這是用于在較大應用(諸如發電）中使用的水管鍋爐的典型配置。
[0088]如上所述，輸入面514和輸出面516的非平面形狀可對于有孔火焰保持器504提供 機械穩健性，并且可均衡在有孔火焰保持器504的輸入面上的燃料空氣混合物流量。輸入面 514和輸出面516的非平面形狀通過穿過有孔火焰保持器主體分配輸出面的壓縮載荷來減 小輸入面上的拉伸載荷，如上所述。火焰保持器的非平面形狀可通過將有孔火焰保持器504 的中心部分放置成更遠離燃料噴嘴218并且通過將有孔火焰保持器504的周邊部分放置成 更靠近燃料噴嘴218來大致均衡到輸入面的燃料流量。
[0089]有孔火焰保持器504通過寬度W跨越燃燒系統500。在一個實施例中，有孔火焰保持 器504的寬度W為大約2英尺。在另一個實施例中，有孔火焰保持器504的寬度W大于或等于9 英尺。根據各種燃燒系統配置，其他長度或直徑也是可實現的。
[0090] 圖6為根據一實施例的燃燒系統600的圖解透視圖。燃燒系統600包括有孔火焰保 持器602,該有孔火焰保持器為非平面形狀的，并且定位在燃燒體積204內以維持燃燒反應。 有孔火焰保持器602包括輸入面604、外壁606和輸出面608。有孔火焰保持器602包括從火焰 保持器602的輸入面(或表面)604延伸到輸出面608的多個穿孔512。根據各種實施例，所述 多個穿孔512為矩形的，但是也可為圓柱形、橢圓形或多邊形棱柱。
[0091] 有孔火焰保持器602為二維拱形，其在壁606處比在中心處更低。根據一個實施例， 輸入面604為平面對稱且凹狀弓形的，而輸出面608為平面對稱且凸狀弓形的。
[0092]有孔火焰保持器602的區段517基本上直接聯接到相鄰區段517。然而，在一個實施 例中，相鄰區段517之間的接觸被限于單個邊緣(而不是表面），并且相鄰區段517通過粘合 劑(諸如水泥或陶瓷材料)基本上聯接。
[0093]燃燒系統600示出單個噴嘴218和單個有孔火焰保持器602。然而，在其他實施例 中，多個有孔火焰保持器與弓形形狀的火焰保持器602可并排接合或者可在噴嘴218上方并 排間隔開以維持燃燒系統600中的燃燒反應。
[0094]圖7A為根據另一個實施例的非平面形狀的有孔火焰保持器700的圖解透視圖。有 孔火焰保持器700采用軸向對稱的階梯狀弓形。階梯狀弓形包括多個區段517,例如陶瓷塊、 磚或瓦。根據一個實施例，有孔火焰保持器700包括輸入面702、輸出面704、和周壁706。根據 一個實施例，輸入面702為凹狀拱形的，而輸出面704為凸狀拱形的。有孔火焰保持器700包 括從火焰保持器的輸入面702延伸到輸出面704的多個穿孔512。有孔火焰保持器700的區段 517粘附或以其他方式聯接在一起，存在所述區段517的重疊部分。圖7B為根據一實施例的 有孔火焰保持器700的圖解側面剖視圖。
[0095] 圖7C為根據一實施例的非平面形狀的有孔火焰保持器712的圖解平面圖，該有孔 火焰保持器使用六角棱柱區段517而不是立方體，以提供階梯狀拱形。
[0096] 有孔火焰保持器712包括多個階梯n，所述階梯包括在每個區段(例如，瓦）的平坦 側之間具有距離d的區段(或構件)517。瓦的總數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] 根據有孔火焰保持器712中使用的階梯數目來描述瓦的總數N。第二公式：
[0099] N=(3/4)*[(D2/d)'2-l],(公式 2)
[0100] 其中D2為火焰保持器的直徑，（公式2)根據每個區段517的平坦側之間的距離d以 及有孔火焰保持器712的直徑出來描述瓦的總數N。
[0101] 圖8為根據一個實施例的非平面形狀的有孔火焰保持器800的圖解側面剖視圖，該 有孔火焰保持器包括相對于燃料噴嘴向下拱形的輸入面802。火焰保持器800包括輸入面 802、輸出面804、和周壁806。輸入面802為有孔火焰保持器800的輸入表面，并且輸出面804 為有孔火焰保持器800的輸出表面。根據一個實施例，輸入面802為凸狀弓形且平面對稱的， 而輸出面804為凹狀弓形且平面對稱的。在操作期間，輸出面804比輸入面802更熱。根據一 個實施例，輸出面804為拱形的以向內突出熱輻射304以再循環或再使用發射的熱輻射304 來保持或維持有孔火焰保持器800的操作溫度。因為輸出面804比輸入面802在更熱的溫度 下反應，所以向內拱形的輸出表面可能能夠比向內拱形的輸入表面更有效地維持有孔火焰 保持器800的溫度。
[0102] 根據另一方面，向下拱形的輸入表面可操作以減小朝向燃料噴嘴(未示出）引導的 輻射，并且相反，將輻射向一旁引導遠離燃料和氧化劑流。在實驗中，本發明人發現向下拱 形形狀的實施例800與在上文中結合圖2-圖4描述的朝向"吹氣"的趨勢降低相關聯。
[0103] 圖9為根據一個實施例的有孔火焰保持器900的圖解側面剖視圖，該有孔火焰保持 器為非平面形狀的，并且其包括在輸入面或輸出面的周邊周圍的阻止物或隆起塊以減少燃 料損失。火焰保持器900包括輸入面902、輸出面904、和周壁906。周壁906增厚以延伸超過穿 孔512的長度。根據一個實施例，有孔火焰保持器900包括輸入面902上的阻止物908以提高 周壁906的機械穩健性。根據實施例，阻止物908可為唇緣、隆起塊、凸起表面、增厚邊緣、或 增強有孔火焰保持器906的結構的輸入面902的部分的其他延伸件。
[0104] 圖10為根據一個實施例的操作具有非平面有孔火焰保持器的燃燒系統的方法 1000的流程圖。
[0105]在框1002處，根據一個實施例，方法包括從噴嘴輸出燃料以生成燃料空氣混合物。
[0106] 在框1004處，根據一個實施例，方法包括用非平面有孔火焰保持器接收燃料空氣 混合物。非平面有孔火焰保持器包括從非平面有孔火焰保持器的輸入面延伸到輸出面的多 個穿孔。
[0107] 在框1006處，方法包括將燃料空氣混合物的燃燒反應基本上維持在所述多個穿孔 內。維持燃燒反應可包括通過將熱輻射在輸入面的所述多個穿孔中的至少一些之間再循環 來保持非平面有孔火焰保持器的操作溫度。非平面有孔火焰保持器可用在輸入面處的所述 多個穿孔之間提供非零視角因數的凹形形狀的輸入面來再循環熱輻射。
[0108] 維持燃燒反應可包括通過將熱輻射在輸出面處的所述多個穿孔中的至少一些之 間再循環來保持非平面有孔火焰保持器的操作溫度。非平面有孔火焰保持器可用在輸出面 處的所述多個穿孔之間提供非零視角因數的凹形形狀的輸出面來再循環熱輻射。
[0109] 維持燃燒反應可包括通過以下方式加熱靠近非平面有孔火焰保持器定位的一個 或多個流體系統:將熱輻射從輸出面上的所述多個穿孔中的至少一些引導到所述一個或多 個流體系統。非平面有孔火焰保持器可用在所述多個穿孔中的至少一些和所述一個或多個 流體系統之間提供非零視角因數的凸形形狀的輸出面來引導熱輻射。
[0110]維持燃燒反應可包括通過以下方式均衡在非平面有孔火焰保持器的輸入面處的 燃料空氣混合物的流量:將非平面有孔火焰保持器的中心部分定位在與非平面有孔火焰保 持器的包括具有弓形形狀的輸入面的周邊部分相比與燃料模塊相距更大的距離處。弓形形 狀包括拋物線拱形、球狀拱形、階梯狀拱形和懸鏈線拱形中的至少一個。
[0111]雖然本文已經公開了各個方面和實施例，但也可設想其他方面和實施例。本文所 公開的各個方面和實施例出于說明性目的，而并非旨在進行限制，真實范圍和精神由以下 權利要求書所指示。
【主權項】
1. 一種非平面有孔火焰保持器，包括： 被配置成接收燃料空氣混合物的輸入面； 被配置成排放所述燃料空氣混合物的燃燒反應的產物的輸出面；以及 具有多個穿孔的非平面火焰保持器主體，所述穿孔從所述輸入面延伸到所述輸出面并 且被共同配置成促進所述燃料空氣混合物在所述穿孔內的所述燃燒反應。2. 根據權利要求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體為 弓形的。3. 根據權利要求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體為 懸鏈線拱形的。4. 根據權利要求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體為 拋物線形的。5. 根據權利要求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體為 旋轉對稱的。6. 根據權利要求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體為 階梯狀拱形的。7. 根據權利要求1所述的非平面有孔火焰保持器，其中所述輸入面為非平面的并且被 配置成均衡所述燃料空氣混合物到所述多個穿孔中的流。8. 根據權利要求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體為 弓形的并且包括至少為15度的離去角，其中所述離去角限定所述非平面火焰保持器主體的 末端從所述非平面火焰保持器主體的中心的角位移，其中所述離去角從垂直于所述非平面 火焰保持器主體的所述中心的縱向軸線的平面測量。9. 根據權利要求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體為 弓形的并且包括至少為30度的離去角。10. 根據權利要求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體為 弓形的并且包括至少為45度的離去角。11. 根據權利要求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體為 單個連續單元。12. 根據權利要求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體包 括聯接在一起以作為單一的單元操作的多個區段。13. 根據權利要求12所述的非平面有孔火焰保持器，其中所述多個區段用粘合劑聯接 在一起。14. 根據權利要求12所述的非平面有孔火焰保持器，其中所述多個區段用純壓縮保持 就位。15. 根據權利要求12所述的非平面有孔火焰保持器，其中所述多個區段為包括陶瓷材 料和水泥材料中的至少一種的瓦。16. 根據權利要求12所述的非平面有孔火焰保持器，其中所述多個區段為立方體、矩 形、三角形、六邊形、另外的多邊形、或不對稱，使得所述區段自然地緊密貼合在一起。17. 根據權利要求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體由 陶瓷材料形成。18. 根據權利要求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體由 水泥材料形成。19. 根據權利要求1所述的非平面有孔火焰保持器，其中當所述非平面有孔火焰保持器 操作地定位為距燃料噴嘴一定距離時，所述非平面火焰保持器主體的中心區域被配置成比 所述非平面火焰保持器主體的周邊區域從所述燃料噴嘴更遠地移位以均衡通過所述非平 面火焰保持器主體的拉伸載荷。20. 根據權利要求1所述的非平面有孔火焰保持器，其中所述輸入面為凹狀拱形的，以 增加所述多個穿孔之間的視角因數，以實現所述多個穿孔之間的熱輻射交換。21. 根據權利要求20所述的非平面有孔火焰保持器，其中實現所述輸入面中的所述多 個穿孔之間的熱輻射交換有利于保持所述非平面有孔火焰保持器的操作溫度。22. 根據權利要求1所述的非平面有孔火焰保持器，其中所述輸出面為凹狀拱形的，以 實現所述多個穿孔之間的熱輻射交換。23. 根據權利要求22所述的非平面有孔火焰保持器，其中實現所述輸出面中的所述多 個穿孔之間的熱輻射交換有利于保持所述非平面有孔火焰保持器的操作溫度。24. 根據權利要求1所述的非平面有孔火焰保持器，其中所述輸出面為凸狀拱形的，以 有利于靠近所述非平面火焰保持器主體的周邊定位的一個或多個流體系統的熱輻射。25. -種燃燒系統，包括： 被配置成輸出燃料和氧化劑混合物的燃料和氧化劑源；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劑源的 下游以接收所述燃料和氧化劑混合物并且被配置成保持由所述燃料和氧化劑混合物支撐 的燃燒反應，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劑混合物的非平面輸入面； 被配置成輸出所述燃料和氧化劑混合物的燃燒反應的產物的輸出面；以及 限定從所述輸入面延伸到所述輸出面的多個穿孔的有孔火焰保持器主體，所述穿孔被 共同配置成保持所述燃燒反應。26. 根據權利要求25所述的燃燒系統，其中所述燃燒系統為鍋爐系統的一部分。27. 根據權利要求25所述的燃燒系統，其中所述非平面輸入面被配置成均衡所述燃料 和氧化劑混合物到所述多個穿孔中的流。28. 根據權利要求25所述的燃燒系統，其中所述有孔火焰保持器主體為弓形的。29. 根據權利要求28所述的燃燒系統，其中所述有孔火焰保持器主體為懸鏈線拱形的。30. 根據權利要求28所述的燃燒系統，其中所述有孔火焰保持器主體為拋物線形的。31. 根據權利要求28所述的燃燒系統，其中所述有孔火焰保持器主體為旋轉對稱的。32. 根據權利要求28所述的燃燒系統，其中所述有孔火焰保持器主體為階梯狀拱形的。33. 根據權利要求25所述的燃燒系統，其中所述有孔火焰保持器主體為非平面的，以均 衡拉伸載荷。34. 根據權利要求25所述的燃燒系統，其中所述有孔火焰保持器主體為弓形的并且包 括至少為15度的離去角，其中所述離去角限定所述有孔火焰保持器主體的末端從所述有孔 火焰保持器主體的中心的角位移，其中所述離去角從垂直于所述有孔火焰保持器主體的所 述中心的縱向軸線的平面測量。35. 根據權利要求34所述的燃燒系統，其中所述有孔火焰保持器主體為弓形的并且包 括至少為30度的離去角。36. 根據權利要求34所述的燃燒系統，其中所述有孔火焰保持器主體為弓形的并且包 括至少為45度的離去角。37. 根據權利要求25所述的燃燒系統，其中所述有孔火焰保持器主體包括聯接在一起 以作為單一的單元操作的多個區段。38. 根據權利要求37所述的燃燒系統，其中所述多個區段用粘合劑聯接在一起。39. 根據權利要求37所述的燃燒系統，其中所述多個區段用純壓縮保持就位。40. 根據權利要求37所述的燃燒系統，其中所述多個區段為包括陶瓷材料和水泥材料 中的至少一種的瓦。41. 根據權利要求37所述的燃燒系統，其中所述多個區段為立方體、矩形、三角形、六邊 形、另外的多邊形、或不對稱，使得所述區段自然地緊密貼合在一起。42. 根據權利要求25所述的燃燒系統，其中所述有孔火焰保持器主體由陶瓷材料或水 泥材料形成。43. 根據權利要求25所述的燃燒系統，其中當所述非平面有孔火焰保持器操作性地定 位為距所述燃料和氧化劑源一定距離時，其中所述有孔火焰保持器主體的中心區域被配置 成比所述有孔火焰保持器主體的周邊區域從所述燃料和氧化劑源更遠地移位以減小所述 輸入面上的所述燃料和氧化劑混合物的流量變化。44. 根據權利要求25所述的燃燒系統，其中所述輸入面為凹狀拱形的，以增加所述多個 穿孔之間的視角因數，以實現所述多個穿孔之間的熱輻射交換。45. 根據權利要求44所述的燃燒系統，其中實現所述輸入面中的所述多個穿孔之間的 熱輻射交換有利于保持所述非平面有孔火焰保持器的操作溫度。46. 根據權利要求25所述的燃燒系統，其中所述輸出面為凹狀拱形的，以實現所述多個 穿孔之間的熱輻射交換。47. 根據權利要求46所述的燃燒系統，其中實現所述輸出面中的所述多個穿孔之間的 熱輻射交換有利于保持所述非平面有孔火焰保持器的操作溫度。48. 根據權利要求25所述的燃燒系統，其中所述輸出面為凸狀拱形的，以有利于靠近所 述有孔火焰保持器主體的周邊定位的一個或多個流體系統的熱輻射。49. 一種操作燃燒系統的方法，包括： 從噴嘴輸出燃料以生成燃料空氣混合物； 用非平面有孔火焰保持器接收所述燃料空氣混合物； 其中所述非平面有孔火焰保持器包括從所述非平面有孔火焰保持器的輸入面延伸到 輸出面的多個穿孔;以及 將所述燃料空氣混合物的燃燒反應基本上維持在所述多個穿孔內。50. 根據權利要求49所述的方法，其中維持所述燃燒反應包括： 通過以下方式保持所述非平面有孔火焰保持器的操作溫度:在所述輸入面的所述多個 穿孔的至少一些之間再循環熱輻射，其中所述非平面有孔火焰保持器用在所述輸入面處的 所述多個穿孔之間提供非零視角因數的凹形形狀的輸入面來再循環所述熱輻射。51. 根據權利要求49所述的方法，其中維持所述燃燒反應包括： 通過以下方式保持所述非平面有孔火焰保持器的操作溫度:在所述輸出面處的所述多 個穿孔的至少一些之間再循環熱輻射，其中所述非平面有孔火焰保持器用在所述輸出面處 的所述多個穿孔之間提供非零視角因數的凹形形狀的輸出面來再循環所述熱輻射。52. 根據權利要求49所述的方法，其中維持所述燃燒反應包括： 通過以下方式加熱靠近所述非平面有孔火焰保持器定位的一個或多個流體系統:將熱 輻射從所述輸出面上的所述多個穿孔中的至少一些引導到所述一個或多個流體系統，其中 所述非平面有孔火焰保持器用在所述多個穿孔中的至少一些和所述一個或多個流體系統 之間提供非零視角因數的凸形形狀的輸出面來引導所述熱輻射。53. 根據權利要求49所述的方法，其中維持所述燃燒反應包括： 通過以下方式均衡在所述非平面有孔火焰保持器的所述輸入面處的所述燃料空氣混 合物的流量:將所述非平面有孔火焰保持器的中心部分定位在與所述非平面有孔火焰保持 器的包括具有弓形形狀的所述輸入面的周邊部分相比遠離所述噴嘴更大的距離處。54. 根據權利要求53所述的方法，其中所述弓形形狀包括拋物線拱形、球狀拱形、階梯 狀拱形和懸鏈線拱形中的至少一個。
【文檔編號】F23D14/46GK105874273SQ201580003787
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2015年2月17日
【發明人】約瑟夫·科蘭尼諾, 道格拉斯·W·卡爾科夫, 詹姆士·K·丹西, 克里斯多佛·A·威克洛夫
【申請人】克利爾賽恩燃燒公司