CN104884866A - 穿孔火焰稳定器和包括穿孔火焰稳定器的燃烧器 - Google Patents

穿孔火焰稳定器和包括穿孔火焰稳定器的燃烧器 Download PDF

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Abstract

穿孔火焰稳定器和包括穿孔火焰稳定器的燃烧器在操作期间提供减少的氮氧化物(NOx)。穿孔火焰稳定器包括在火焰稳定器的相对于燃料喷嘴的近侧表面和远侧表面之间延伸的细长孔的图案。穿孔火焰稳定器可提供显著降低的火焰高度，同时保持来自燃烧器的热量输出。

Description

穿孔火焰稳定器和包括穿孔火焰稳定器的燃烧器
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年2月14日提交的、名称为“PERFORATEDFLAME HOLDER AND BURNER INCLUDING A PERFORATED FLAMEHOLDER(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号的优先权，其在不与本文公开的内容冲突的情况下以引用方式并入。
本申请与2014年2月14日提交的、名称为“SELECTABLEDILUTION LOW NOx BURNER(可选择稀释低NOx燃烧器)”的的代理人案件第2651-167-04号；2014年2月14日提交的、名称为“FUELCOMBUSTION SYSTEM WITH A PERFORATED REACTION HOLDER(带有穿孔反应保持器的燃料燃烧系统)”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“STARTUP METHOD ANDMECHANISM FOR A BURNER HAVING A PERFORATED FLAMEHOLDER(具有穿孔火焰稳定器的燃烧器的启动方法和机构)”的代理人案件第2651-204-04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。
发明内容
根据一个实施例，燃烧器包括被配置为输出发散燃料流的至少一个燃料喷嘴，以及被设置为远离所述燃料喷嘴的穿孔火焰稳定器。所述穿孔火焰稳定器具有分别被设置为朝向和远离所述燃料喷嘴的近侧面和远侧面。穿孔火焰稳定器限定从火焰稳定器的近侧面延伸穿过火焰稳定器至火焰稳定器的远侧面的多个细长孔。燃料喷嘴和穿孔火焰稳定器被布置为提供发散燃料流与含有氧化剂的流体(诸如空气或烟道气)在燃料喷嘴和火焰稳定器之间的预混合区域中至少部分预混合。火焰稳定器被配置为支撑多个细长孔中以及直接在火焰稳定器的远侧面的上方和/或直接在火焰稳定器的近侧面的下方的区域中的火焰。
根据一个实施例，用于燃烧反应的穿孔火焰稳定器包括具有远侧表面和近侧表面的高温相容材料，以及形成为从近侧表面延伸穿过高温相容材料至远侧表面的多个细长孔。穿孔火焰稳定器被配置为支撑在燃烧空间中，与由至少一个燃料喷嘴提供的发散燃料流对准，且与所述至少一个燃料喷嘴隔开一段距离，所述距离选择为提供发散燃料流与周围气体的至少部分预混合。火焰稳定器支撑结构被配置为在火焰稳定器近侧表面和燃料喷嘴之间保持选定的对准。
附图说明
图1是根据一个实施例的包括具有孔的火焰稳定器的燃烧器的视图。
图2是根据一个实施例的图1的燃烧器的剖面图。
图3A是根据一个实施例的图1和图2的燃烧器在操作的启动阶段沿着图1的线3-3截取的部分侧面剖视图。
图3B根据一个实施例示出图3A的燃烧器在正常操作期间的同一视图。
图4-图10是根据相应实施例的火焰稳定器的平面视图。
图11-图14是根据相应实施例的示出火焰稳定器的细长孔的细节的剖视图。
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。在不脱离本公开的精神或范围的前提下，可采用其它实施例和/或可进行其它更改。
图1是根据一个实施例的包括具有孔104的火焰稳定器102的燃烧器100的视图。图2是根据一个实施例的图1的包括火焰稳定器102的燃烧器100的剖面图。图3A和图3B是根据一个实施例的图1和图2的燃烧器100在相应的操作阶段期间的部分侧面剖视图。参见图1、图2、图3A和图3B，燃烧器100包括至少一个燃料喷嘴106，且可包括多个燃料喷嘴106。燃料喷嘴106被配置为输出发散燃料流302。火焰稳定器102被设置为远离燃料喷嘴106。在所示的实施例中，火焰稳定器102是圆盘形的，且具有大于约6:1的X:Z径高比。换句话说，火焰稳定器102在X轴上的尺寸(即它的直径)大于它在Z轴上的尺寸(即它的厚度)约6倍以上。根据其它实施例，X:Z径高比大于约4:1。
火焰稳定器102具有近侧面108和远侧面110。近侧面108和远侧面110分别被设置为朝向和远离燃料喷嘴106。火焰稳定器102限定多个细长孔或洞104。多个细长孔104从火焰稳定器102的近侧面108延伸穿过火焰稳定器102至火焰稳定器102的远侧面110。
在所示的实施例中，燃料喷嘴106和火焰稳定器102被隔开一段距离，该距离足够提供发散燃料流302与含有氧化剂的流体(诸如空气或烟道气)在燃料喷嘴106和火焰稳定器102之间的预混合区R1中至少部分预混合。火焰稳定器102被配置为将火焰304支撑多个细长孔104内。在一些状况下，火焰还可延伸穿过火焰稳定器102的远侧面110进入火焰稳定器102的远侧面110上面的区域R2。在一些状况下，火焰还可延伸穿过火焰稳定器102的近侧面108进入刚刚在火焰稳定器102的近侧面108下面的区域R3。
根据一个实施例，燃烧器100包括燃烧口砖(burner tile)116，它被设置为邻近燃料喷嘴106且可占据燃料喷嘴106和火焰稳定器102之间距离D1的一部分。
如图3A具体所示，燃烧口砖116限定中间火焰支撑表面118，它被设置为沿着发散燃料流302，在燃料喷嘴106和火焰稳定器102的近侧表面108之间的中途，且可被配置为在启动、低燃料流量或被主火焰306点燃的至少一个期间支撑第二火焰304。因此，燃烧口砖116可限定中间火焰支撑表面118在燃料喷嘴106和火焰稳定器102的近侧表面108之间的中途。中间火焰支撑表面118还基本上限定预混合区域R1的近端。火焰稳定器102的近侧面108可基本上限定预混合区域R1的远端。
在所示的实施例中，其中提供多个燃料喷嘴106，多个燃料喷嘴106包括多个主燃料喷嘴202和相应的多个第二燃料喷嘴120。主燃料喷嘴202被配置为可选择支持主火焰(或火焰)306。发散燃料流302包括由第二燃料喷嘴120支持的第二燃料流303。主燃料喷嘴202和第二燃料喷嘴120被燃烧口砖116隔开。主火焰306优选具有一轨迹，所述轨迹被选择为在燃烧口砖116的中间火焰支撑表面118处或附近点燃第二燃料流303。
可将预混合区域R1中第二燃料流303的预混合看作是与预混合区域R1中涡旋308的形成相关。涡旋308使得空气或烟道气挟带进入涡旋中心，其可被看作是搅拌良好的釜式反应器(参看图3B)。
如果涡旋308从主火焰306接收到充足的热能，则所得的涡旋中心的加热(如果混合是以大于或等于1的达姆寇勒数(Damkohler Number，Da)提供)还将导致第二燃料流303的点燃，如图3A中所示。涡旋308的作用随后使热量再循环以使所得到的第二火焰304由燃烧口砖116的中间火焰支撑表面118所保持。在这些状况下，在中间火焰支撑表面118处保持火焰304基本上会停止在区域R1中的预混合，因为点燃引发燃烧反应在涡旋308的边缘发生，产生防止空气到达火焰前缘内部未燃烧燃料的屏障。因此，支撑在中间火焰支撑表面118处的第二火焰304可视为显著减少或防止第二燃料流303与空气或烟道气的预混合。
如果涡旋308未从主火焰306接收热量，那么基本上不能点燃第二燃料流303。可将此看作防止热量再循环至燃烧口砖116的中间火焰支撑表面118。本发明人发现这会导致第二火焰304被预混合区域R1上方的火焰稳定器102保持，如图3B中所示。在涡旋308未从主火焰306接收热量的情况下，那么基本上不会有火焰前缘在涡旋308的边缘。具体地讲，如果来自主火焰306的热量通过重新导向或关闭而从涡旋308撤出，第二火焰304独自不能产生足够的热量以维持在中间火焰支撑表面118处的燃烧，并且熄灭或升入火焰稳定器102，这消除了用以隔离燃料的火焰前缘。在涡旋308的边缘处不具有火焰前缘通常允许燃料混合物于涡旋中心稀释，这将导致在火焰稳定器102处较迟发生的点燃在较贫乏(leaner)燃烧状况下操作。
虽然预混合区域R1被描述为从中间火焰支撑表面118和火焰稳定器102的近侧表面108延伸，应当理解，这是为了容易理解所作的近似。本发明人已发现，第二火焰304可以偶尔短暂地从火焰稳定器102的近侧表面108向下延伸。在此瞬时情况下，预混合区域R1中的涡旋308可暂时由火焰前缘界定且预混合可暂时减弱或停止。然而，发现这样的火焰扩展是瞬态的，并且在时间平均基础下预混合区域R1仍可被认为是支撑第二燃料流302与空气或烟道气的预混合。
由本发明人发现的另一个效应是第二火焰304细微延伸到邻近火焰稳定器102的近侧表面108的流动停滞区域R3(如图3B所示)。在稳定条件下，第三火焰延伸至停滞区被证明是或多或少连续的，因此预混合区域R1可被认为是从中间火焰支撑表面118延伸至停滞区域R3中的第二火焰304的边缘，所述停滞区域R3刚刚在火焰稳定器102的近侧表面108下面。
本发明人发现，第二火焰304延伸进入邻近火焰稳定器102的近侧表面108的停滞区域可能是有利的。与发生在细长孔104中的可见点燃的情况相比，第二火焰304在停滞区域的存在表现出一定程度上与燃烧器100的更稳定操作相关。
可选择由主火焰306对第二燃料流302点燃(如图3A中所示)以基本上防止第二燃料流302与空气或烟道气在预混合区域R1中预混合。
换句话说，当第二燃料在中间火焰支撑表面118附近点燃并由其保持时，第二燃料流302与氧化流体(诸如空气或烟道气)在预混合区域R1中的预混合基本上被阻止。火焰前缘的作用是阻止空气或烟道气与燃料的混合。因此，在中间火焰支撑表面118处支持第二火焰304产生相对空气而言燃料更充裕的混合物。与第二燃料流302与空气或烟道气在预混合区域R1中附加的预混合所导致的较贫乏的燃烧混合物相比，更充裕的燃烧混合物可能一定程度上与更稳定的火焰(尽管火焰稳定器102的细长孔104结构导致额外的火焰稳定性)但也与更热的燃烧火焰相关，如图3B所示。相比较冷的火焰，更热的火焰与更高的氮氧化物(NOx)产出相关。
主火焰306可选择的减弱或停止可被配置为基本上防止第二燃料流302在燃烧口砖116的中间火焰支撑表面118处或附近点燃。基本防止第二燃料流302在燃烧口砖116的中间火焰支撑表面118处或附近点燃可导致由火焰稳定器102支撑第二火焰304，如将在下文更详细地说明。
在图1-图3B的实施例中，主燃料喷嘴202和第二燃料喷嘴120相对于燃烧口砖116而言彼此径向对齐。
根据一个实施例，主燃料控制阀312被布置为控制从燃料源314至主燃料喷嘴202的燃料流动。主燃料控制阀312可包括例如手动致动阀、电力致动阀、液压致动阀或气压致动阀。主燃料控制阀312可被配置为独立于第二燃料流303中的燃料流量而控制主火焰306的特征。
主燃料压力阀或压力控制配件316被配置为控制流向主燃料喷嘴202的燃料压力。主燃料压力阀316可被配置为独立于递送至第二燃料喷嘴120的燃料压力而控制递送至主燃料喷嘴202的燃料压力。
第二燃料控制阀318被布置为控制从燃料源314至第二燃料喷嘴120的燃料流动。第二燃料控制阀318可包括例如手动致动阀、电力致动阀、液压致动阀或气压致动阀。第二燃料控制阀318可被配置为独立于燃料至主燃料喷嘴202的流量而控制第二火焰304的特征。
第二燃料压力阀或压力控制配件320被配置为控制流向第二燃料喷嘴120的燃料压力。第二燃料压力阀320可被配置为独立于递送至主燃料喷嘴202的燃料压力而控制递送至第二燃料喷嘴120的燃料压力。
作为另外一种选择或除此之外，主燃料控制阀316、主燃料流或主火焰306偏转器可被提供、配置为控制主火焰306的轨迹。主燃料流或主火焰偏转器被配置为控制第二燃料流302暴露于燃烧口砖116的中间火焰支撑表面118处或附近的热量。根据一个实施例，燃烧口砖116被设置在燃烧空气通道204的外周或设置为围绕燃烧空气通道204，所述燃烧空气通道204在燃烧空间底板、壁或顶部122中形成。在图1-图3B的实施例中，火焰稳定器102包括中心开口124，中心开口124相对于燃烧空气通道204轴向设置。火焰稳定器102中的开口124可具有的直径在燃烧空气通道204的直径的0.10倍和1.0倍之间。根据另一个实施例，火焰稳定器102中的开口124可具有的直径在燃烧空气通道204的直径的0.4倍和0.8倍之间。
根据各种实施例，火焰稳定器102在近侧面108和远侧面110之间的厚度在1英寸和4英寸之间。例如，火焰稳定器102在近侧面108和远侧面110之间的厚度可为约2英寸。
火焰稳定器102的近侧面108可被设置在例如离燃烧口砖116的中间火焰支撑表面1183英寸和24英寸之间。例如，火焰稳定器102的近侧面108可被设置在离燃烧口砖116的中间火焰支撑表面1184英寸和9英寸之间。
根据一个实施例，延伸穿过火焰稳定器102的多个细长孔104在与所述细长孔的轴线正交的横向上的尺寸小于约1.0英寸。例如，延伸穿过火焰稳定器102的多个细长孔104在与所述细长孔的轴线正交的横向上的尺寸可在0.25英寸和0.75英寸之间。在具体实例中，由火焰稳定器102限定的多个细长孔104在与所述细长孔104的轴线正交的横向上的尺寸可在0.375英寸和0.50英寸之间。
火焰稳定器102优选由耐火材料形成，诸如包括高温陶瓷纤维的材料。例如，所述材料可由氧化铝-二氧化硅纤维和粘合剂形成。在由本发明人进行的实验中，火焰稳定器102由产品形成，所述产品可得自奇耐联合纤维公司(Unifrax Corporation)，它的主要营业地在美国纽约尼亚加拉福斯惠尔普大街2351号(2351Whirlpool Street,Niagra Falls,New York(USA))。火焰稳定器102可由从包括高温陶瓷纤维的材料上切割适当直径的圆盘以及穿过所述圆盘钻出细长孔104来形成。根据另一个实施例，火焰稳定器由耐火材料基本上铸造为其最终形式。
火焰稳定器102优选为电绝缘的。然而，在其它实施例中，火焰稳定器102可为导电的。
火焰稳定器支撑结构126可被配置为在加热炉、锅炉或其它燃烧空间中支撑火焰稳定器102，其经对准以接收第二燃料流302。火焰稳定器支撑结构126可被配置为基本上完全围绕火焰稳定器102外周而支撑火焰稳定器102。火焰稳定器支撑结构126可例如由钢形成。在一些实施方案中，火焰稳定器支撑结构126与火焰稳定器102一体形成。例如，火焰稳定器102可由在火焰稳定器支撑结构126的一部分上方铸造火焰稳定器102而形成。根据另一个实施例，火焰稳定器102和火焰稳定器支撑结构126作为单体结构铸造在一起。火焰稳定器支撑结构126可被配置为将火焰稳定器102与燃烧口砖116连接，如图1和图2中所示，或可被配置为将火焰稳定器102与一些其它安装基板(例如燃烧底板122)连接。
燃料喷嘴106被配置为输出气态燃料。在实验中，本发明人采用天然气测试性能并改进(evolve)设计。作为另外一种选择或除此之外，燃料喷嘴106可被配置为输出液体燃料或粉状固体燃料的气雾剂。
根据一个实施例，火焰稳定器102的近侧表面108被硬化或被配置为包括硬质成分以抵抗发散燃料流的侵蚀。
根据一些实施例，近侧表面108和远侧表面110基本上是平的。远侧表面110和近侧表面可以不平行。例如，火焰稳定器102的厚度可以对应于细长孔104的最佳长度而变化，这取决于燃料流量和在整个近侧表面上的燃料流的发散距离。
或者，远侧表面110和近侧表面108可彼此平行。远侧表面110和近侧表面108可限定火焰稳定器厚度。根据一个实施例，火焰稳定器厚度为约4英寸。
下文根据一个实施例描述燃烧器100的操作方法。在操作中，尤其在燃烧器100启动期间，如图3A中所示，主阀316打开，以允许来自主喷嘴202的燃料流动。当燃料从喷嘴202以发散流302流动时，氧化流体如空气经由燃烧空气通道204被引入，其中一部分被燃料流302所挟带。主火焰306以已知方式点燃。控制主火焰306的轨迹使其被导向为主要朝向燃烧口砖116的中间火焰支撑表面118。一旦主火焰306被点燃，第二阀320即打开，且第二燃料流303从第二喷嘴120中流出。
因为燃烧口砖116将第二喷嘴120和主喷嘴202隔开，尤其是与燃烧空气通道204隔开，所以在第二喷嘴120附近没有充分的氧化剂来支撑火焰。第二燃料流303从而上升，直到它们越过(clear)燃烧口砖116的中间火焰支撑表面118，并开始在燃烧口砖116上方形成涡旋308，且挟带来自空气通道204的空气。只要有足够的空气被挟带进入涡旋中心，那么来自主火焰306的热量就点燃第二燃料流303，产生由燃烧口砖116的火焰支撑表面118支撑或保持的第二火焰304。除由主火焰306供给的热量之外，由第二火焰304产生的热量的一部分由涡旋308再循环，这样使火焰支撑表面118处的燃烧得以持续。来自第二火焰304的热量还预热火焰稳定器102。虽然第二火焰304存在于火焰支撑表面118处，但它的火焰前缘起阻隔的作用以防止空气到达剩余燃料，所述剩余燃料基本上封闭在第二火焰304内。
一旦火焰稳定器102已达到最低操作温度，主阀316即被部分地或完全地关闭，减小或熄灭主火焰306，如图3B中所示。或者，主火焰306的轨迹可被重导向远离直接在火焰支撑表面118上方的区域。失去来自主火焰306的热量，第二火焰304不能维持点燃，并最终熄灭。由于第二火焰304熄灭，因此第二燃料流303不再被阻止在涡旋中心进行附加的预混合。预混合的燃料随后到达已被第二火焰304预热的火焰稳定器102，其足够热以引发预混合燃料自动点燃，产生由火焰稳定器102保持的第二火焰304。只要提供足够的燃料和氧化剂，第二火焰304就可自我维持。因为涡旋308在预混合区域R1中的作用，第二燃料流303的燃料被挟带的空气显著稀释，导致贫乏燃料混合物。
火焰稳定器102可被配置为对准来自单个燃料喷嘴的发散燃料流。例如，下面描述的图6、图8和图10的实施例，示出了被配置为对准单个燃料喷嘴的实施例。或者，火焰稳定器102可被配置为对准来自多个燃料喷嘴的发散燃料流。例如，图1-图4、图5、图7和图9的实施例示出了形成为对准多个燃料喷嘴的实施例。
穿孔火焰稳定器可以形成为具有中心开口124和外缘402的总体环曲面(toric)形状。多个细长孔104可被布置或设置于多个共轴圆中，例如，如图1、图2、图4、图6、图8和图10中所示。多个细长孔104可以形成为基本上彼此直径相同，如在图1-3B中。或者，可形成具有多个直径的多个细长孔104，如图4中所示。
图4是根据一个实施例的穿孔火焰稳定器400的远侧表面110的视图。多个细长孔104被设置在多个共轴圆404、406408、410、412、414中，其中所述多个共轴圆的每一个都具有相应单一直径的细长孔104。例如，根据一个实施例，在共轴圆404、406、408、410、412、414的每一个中的细长孔104的直径均在0.375英寸和1英寸之间。
在图4的实施例中，例如，在最里面的圆404中和最外面的圆414中的细长孔104具有1.0英寸的直径、在两个中央圆408、410中的细长孔104具有0.375英寸的直径，而在两个中间圆406、412中的细长孔104具有0.5英寸的直径。
图5是根据一个实施例的穿孔火焰稳定器500的远侧表面110的视图。穿孔火焰稳定器500形成为具有外缘402和中心开口124的环曲面形状，并且被配置为对准来自燃烧器组件的多个喷嘴的多个发散燃料流。多个细长孔104被设置为呈多个孔图案502。每个孔图案502被配置为对准发散燃料流相应的一个，且具有直径D2，该直径被选择为对应于多个发散燃料流的相应一个的近似直径。每个孔图案502包括具有多个直径的细长孔104的图案。在所示的实施例中，每个孔图案502包括设置于同心圆506、508、510中的多个细长孔。
同心圆506、508、510被设置为围绕中心孔512，如图所示。根据一个实施例，设置于同心圆506、508、510中的细长孔104的直径分别是0.375英寸、0.5英寸和0.75英寸。
将细长孔置于孔图案502中用来在不需要细长孔104支持燃烧反应的区域中使火焰稳定器500的机械强度最大化。这个方法据信是有利的。
此外，在由发明人使用缩小一半的实验燃烧器(其构造类似于本文所公开的许多实施例的火焰稳定器)进行的实验中，相比于参照图4描述的最大孔，参照5描述的同心圆506、508、510中的最大孔的较小尺寸被认为导致较少的未燃烧燃料且被认为是有利的。本发明人相信最佳的细长孔尺寸可代表更大规模的燃烧器，由于流体动力学相对一致，不会随规模而变化很多。
本发明人还测试了火焰稳定器的多种几何形状，其中单个火焰稳定器将与单个燃料喷嘴以及相应的燃料流对准或与多个燃料喷嘴的每一个以及相应的燃料流对准。
图6是根据另一个实施例的具有细长孔104的火焰稳定器600的远侧表面110的视图。火焰稳定器600形成为具有直径D3的圆盘，该直径被选择用于与来自单个燃料喷嘴的发散燃料流对准。多个细长孔104可被设置为在孔图案中。孔图案可包括具有多个直径或相同直径的细长孔的图案。如图6中所示，每个孔图案包括设置于同心圆506、508、510中的多个细长孔。在一个实施例中，形成于同心圆506、508、510中的细长孔的直径分别是0.375英寸、0.5英寸和0.75英寸。
如上文所述，在用类似于图6的火焰稳定器600的穿孔火焰稳定器进行实验时，发现减小细长孔的最大尺寸会使未燃烧燃料的量减少。因此，本发明人进一步改进了设计，得出了图7和图8。
中示出的图案。图7是根据一个实施例的具有孔104的火焰稳定器700的远侧表面110的视图。图8是根据另一个实施例的具有细长孔104的火焰稳定器800的远侧表面110的视图。在图7和图8所示的实施例中，细长孔图案502中的每一个都包括各自具有两个直径之一的孔。孔702、704和710具有0.375英寸的直径，而孔706、708具有0.5英寸的直径。本发明人相信以从发散燃料流的中间向外面增加的方式改变孔直径可为燃烧器提供更大的调节比(turn-down ratio)，即燃烧器的最大热输出量相对于维持第二火焰304点燃所需要的最小热输出量的比率。在实验中，对由具有对应于图7和图8的实施例的孔图案的火焰稳定器保持的第三火焰的观测使本发明人的至少一些作出结论：较小的最大孔尺寸(与图5和图6的实施例相比)产生更稳定的火焰和/或更少的未燃烧燃料。
图9是根据一个实施例的具有孔104的火焰稳定器900的远侧表面110的视图。图10是根据一个实施例的具有细长孔104的火焰稳定器1000的远侧表面110的视图。图9和图10示出了几个实施例，其中在每个图案502中的细长孔104具有0.375英寸的单一直径。
在以上图8和图10中所示的实施例中，火焰稳定器包括围绕孔洞图案502的实心材料边缘802。实心材料边缘802用来增加相应火焰稳定器的机械强度。边缘宽度可变化，且根据一个实施例，可在约0.5英寸直到约2英寸的范围内变化。此外，已发现通过基本上围绕穿孔火焰稳定器的外周整体支撑所述穿孔火焰稳定器来使机械强度进一步增强。因此，在一些实施例中，火焰稳定器支撑结构126包括支撑边缘，由钢或具有足够耐热性和韧性的其它一些材料制成，其围绕火焰稳定器整个外周来支撑火焰稳定器。
图11是根据一个实施例的具有细长孔104的穿孔火焰稳定器102的纵向剖视图。由火焰稳定器102限定的多个细长孔104为圆柱形状。换句话说，当在横截面上观察时，图11的细长孔104沿它们的整个长度或其一部分是圆形的。或者，根据具体实施例的要求，细长孔104可具有任何适当的形状。例如，当在横截面上观察时，细长孔104可以是正方形、六边形等。
图12是根据另一个实施例的具有孔104的穿孔火焰稳定器102的纵向剖视图。由图12的火焰稳定器102限定的多个细长孔104呈渐缩柱体的形状，即呈截头圆锥形或截头金字塔形。图13是根据一个实施例的具有孔104的穿孔火焰稳定器102的纵向剖视图。由图13的火焰稳定器102限定的多个细长孔104呈阶梯式渐缩柱形。图14是根据另一个实施例的具有孔104的穿孔火焰稳定器102的纵向剖视图。在图14中，由火焰稳定器102限定的多个细长孔104包括垂直部分1402和渐缩或阶梯式渐缩部分1404。
细长孔104的形状可影响火焰稳定器102的最佳厚度、火焰稳定器的火焰保持特性、采用火焰稳定器实现的燃烧效率和/或火焰稳定器的机械强度和热稳定性。柱形细长孔可能是最容易制造的。例如，锥形可能在经济的制造工艺方面特别有利，因为它可以提供铸造操作中所需的释放以允许从模具上移出铸件。另外，可允许渐缩细长孔(更具体地说，从火焰稳定器的近侧面到远侧面面积渐增的细长孔)热膨胀而不导致在细长孔内“声阻塞(sonic choke)”。渐缩细长孔可以类似于冲压式喷气发动机的方式操作，其中通过细长孔的热膨胀产生增强流动的“推力”。阶梯式渐缩细长孔可由于邻近于阶梯而形成的涡旋而额外提供增强的火焰保持。包括垂直部分和渐缩或阶梯状渐缩部分的火焰稳定器可增强火焰保持，因为邻近于火焰稳定器的远侧表面靠近垂直边缘形成增大的涡旋。
火焰稳定器的最佳形状、细长孔图案形状、火焰稳定器的厚度和/或细长孔截面形状可随燃烧器设计参数而变化。例如，经受相比反应物产物摩尔数减少的燃烧的燃料能减少使热膨胀最佳的横截面形状的面积增加量。例如，较长链烃相比甲烷和其它较短链烃具有相对更少的氢原子且产生更少水蒸汽。类似地，作为粉状固体或作为气雾剂引入的燃料的反应物相比气体燃料占据更少空间。反应物和产物之间的相变可增大细长孔的最佳锥度角，减小最佳火焰稳定器厚度，改变最佳细长孔尺寸和/或改变最佳细长孔图案。
在由本发明人进行的实验中，使用天然气在氮氧化物(NOx)减少方面获得了显著改进。在使用具有图8中所示的细长孔图案的火焰稳定器的实验中，在高度为13.5英寸(约192个第二喷嘴直径)的预混合区域，第三火焰在启动时呈现出不稳定，但在炉变热之后变得稳定。在变热之后，与图1-图3B中所示的中间火焰保持表面处所保持的第二火焰相比，NOx减少了50％至65％。在整个测试中，二氧化碳(CO2)浓度保持恒定在约10％。未检测到一氧化碳(CO)。在火焰保持位置之间，来自火焰的热释放保持恒定。在比例模型中，热释放是130000至140000BTU/小时。
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。

Claims (50)

1.一种燃烧器，所述燃烧器包括：
燃料喷嘴，所述燃料喷嘴被配置为输出燃料流；以及
火焰稳定器，所述火焰稳定器被设置为远离所述燃料喷嘴且具有朝向和远离所述燃料喷嘴的近侧面和远侧面，所述火焰稳定器还具有多个细长孔，所述细长孔从所述火焰稳定器的近侧面延伸穿过所述火焰稳定器至所述火焰稳定器的远侧面，所述火焰稳定器被配置为在所述火焰稳定器的近侧面和远侧面之间的所述多个细长孔中支撑火焰。
2.根据权利要求1所述的燃烧器，还包括燃烧口砖，所述燃烧口砖被设置于接近所述燃料喷嘴并占据所述燃料喷嘴和所述火焰稳定器之间的距离的一部分。
3.根据权利要求2所述的燃烧器，其中所述燃烧口砖限定中间火焰支撑表面，所述中间火焰支撑表面沿所述发散燃料流设置且被配置为在启动、低燃料流量或被主火焰点燃的至少一个期间支撑火焰。
4.根据权利要求3所述的燃烧器，其中所述燃料喷嘴是多个燃料喷嘴之一，包括主燃料喷嘴和第二燃料喷嘴；并且
其中所述火焰稳定器的近侧面被设置于离所述燃烧口砖的中间火焰支撑表面3英寸和24英寸之间。
5.根据权利要求4所述的燃烧器，其中所述火焰稳定器的近侧面被设置于离所述燃烧口砖的中间火焰支撑表面4英寸和16英寸之间。
6.根据权利要求2所述的燃烧器，其中所述燃料喷嘴和所述火焰稳定器的近侧表面之间的距离被选择为足以进行由所述燃料喷嘴输出的燃料流和由所述燃料流挟带的氧化剂的预混合。
7.根据权利要求3所述的燃烧器，其中所述燃料喷嘴是多个燃料喷嘴之一，包括主燃料喷嘴和第二燃料喷嘴；
其中所述主燃料喷嘴被配置为可选择支持主火焰；
其中所述第二燃料喷嘴被配置为输出第二燃料流；
其中所述燃烧口砖被设置于所述主燃料喷嘴和所述第二燃料喷嘴之间；并且
其中所述主燃料喷嘴被配置为支持所述主火焰在一轨迹上，所述轨迹被选择为在所述燃烧口砖的中间火焰支撑表面处或附近点燃所述第二燃料流。
8.根据权利要求7所述的燃烧器，其中所述燃烧口砖被配置为使得所述第二燃料流被所述主火焰点燃基本上防止所述第二燃料流与氧化剂在所述预混合区中的预混合。
9.根据权利要求7所述的燃烧器，其中所述主火焰的可选择支持包括可选择所述主火焰的减弱和/或可选择所述主火焰的停止；以及
其中所述燃烧口砖被配置为使得在缺少来自所述主火焰的充足热量的情况下，不能保持在所述燃烧口砖的中间火焰支撑表面处或附近所述第二燃料流的点燃。
10.根据权利要求9所述的燃烧器，其中所述火焰稳定器被配置为使得一旦被引发，当提供足够的燃料和氧化剂混合物时，所述火焰稳定器支撑的火焰保持点燃。
11.根据权利要求7所述的燃烧器，其中所述主燃料喷嘴被配置为支持所述主火焰在一轨迹上，所述轨迹在选择为点燃位于所述燃烧口砖的中间火焰支撑表面处或附近的所述第二燃料流的轨迹和选择为不点燃位于所述燃烧口砖的中间火焰支撑表面处或附近的所述第二燃料流的轨迹之间可选。
12.根据权利要求2所述的燃烧器，其中所述燃料喷嘴是多个燃料喷嘴之一，包括主燃料喷嘴和第二燃料喷嘴；
还包括主燃料控制阀，所述主燃料控制阀被配置为控制从燃料源至所述主燃料喷嘴的燃料流动，以及第二燃料控制阀，所述第二燃料控制阀被配置为控制从所述燃料源至所述第二燃料喷嘴的燃料流动。
13.根据权利要求12所述的燃烧器，其中所述主燃料控制阀被配置为独立于由所述第二燃料控制阀控制的燃料流量而控制从所述燃料源至所述主燃料喷嘴的燃料流动。
14.根据权利要求12所述的燃烧器，还包括主燃料压力控制元件，所述燃料压力控制元件被配置为控制流向所述主燃料喷嘴的燃料压力。
15.根据权利要求14所述的燃烧器，其中所述主压力控制元件被配置为独立于递送至所述第二燃料喷嘴的燃料压力而控制递送至所述主燃料喷嘴的燃料压力。
16.根据权利要求2所述的燃烧器，其中所述燃料喷嘴是多个燃料喷嘴之一，包括主燃料喷嘴和第二燃料喷嘴；
还包括：
主偏转器，所述主偏转器被配置为控制由所述主燃料喷嘴支持的主火焰的轨迹。
17.根据权利要求16所述的燃烧器，其中所述主偏转器被配置为控制所述第二燃料流暴露于来自所述主火焰的热量。
18.根据权利要求2所述的燃烧器，其中所述燃烧口砖被设置为邻近燃烧空气通道，所述燃烧空气通道被配置为提供包含氧化剂的流体。
19.根据权利要求18所述的燃烧器，其中所述火焰稳定器包括另外的孔，所述另外的孔相对于所述燃烧空气通道轴向设置。
20.根据权利要求19所述的燃烧器，其中在所述火焰稳定器中的所述另外的孔具有的直径在所述燃烧空气通道直径的0.10倍和1.0倍之间。
21.根据权利要求20所述的燃烧器，其中在所述火焰稳定器中的所述另外的孔具有的直径在所述燃烧空气通道直径的0.4倍和0.8倍之间。
22.根据权利要求2所述的燃烧器，其中所述火焰稳定器在所述近侧面和远侧面之间的厚度在1英寸和6英寸之间。
23.根据权利要求22所述的燃烧器，其中所述火焰稳定器在所述近侧面和远侧面之间的厚度为约4英寸。
24.根据权利要求1所述的燃烧器，其中所述多个细长孔在与所述细长孔的轴线正交的横向上的尺寸小于约1.0英寸。
25.根据权利要求24所述的燃烧器，其中所述多个细长孔在与所述细长孔的轴线正交的横向上的尺寸在0.25英寸和0.75英寸之间。
26.根据权利要求37所述的燃烧器，其中所述多个细长孔在与所述细长孔的轴线正交的横向上的尺寸在0.375英寸和0.50英寸之间。
27.根据权利要求24所述的燃烧器，其中所述火焰稳定器在所述近侧面和远侧面之间的厚度为约4英寸。
28.根据权利要求1所述的燃烧器，还包括：火焰稳定器支撑结构，所述火焰稳定器支撑结构被配置为将所述火焰稳定器支撑于燃烧空间中，被设置为接收所述燃料流。
29.根据权利要求28所述的燃烧器，其中所述火焰稳定器支撑结构至少部分地与所述火焰稳定器一体形成。
30.根据权利要求29所述的燃烧器，其中所述火焰稳定器通过在所述火焰稳定器支撑结构的一部分上方浇铸高温材料而形成。
31.根据权利要求1所述的燃烧器，其中所述火焰稳定器的近侧面包括被配置为抵抗所述燃料流侵蚀的硬质成分。
32.一种用于燃烧反应的穿孔火焰稳定器，所述穿孔火焰稳定器包括：
由高温相容材料形成的圆盘形元件，所述圆盘形元件具有远侧表面和近侧表面，且包括从所述近侧表面延伸穿过所述圆盘形元件至所述远侧表面的多个细长孔，所述圆盘形元件的X:Y径高比为至少4:1。
33.根据权利要求32所述的用于燃烧反应的穿孔火焰稳定器，还包括：
火焰稳定器支撑结构，所述火焰稳定器支撑结构被配置为将所述圆盘形元件连接至安装基板，并在所述圆盘形元件的近侧表面与所述安装基板之间保持一选定距离。
34.根据权利要求32所述的用于燃烧反应的穿孔火焰稳定器，其中所述远侧表面和所述近侧表面不平行。
35.根据权利要求32所述的用于燃烧反应的穿孔火焰稳定器，其中所述远侧表面包括基本上平的远侧表面；且
其中所述近侧表面包括基本上平的近侧表面。
36.根据权利要求35所述的用于燃烧反应的穿孔火焰稳定器，其中所述基本上平的远侧表面和基本上平的近侧表面相互平行。
37.根据权利要求36所述的用于燃烧反应的穿孔火焰稳定器，其中所述远侧表面和所述近侧表面限定火焰稳定器厚度。
38.根据权利要求37所述的用于燃烧反应的穿孔火焰稳定器，其中所述火焰稳定器厚度为约4英寸。
39.根据权利要求32所述的用于燃烧反应的穿孔火焰稳定器，其中所述圆盘形元件具有总体环曲面形状，所述环曲面形状具有中心开口和与所述中心开口共轴的基本上圆的外缘。
40.根据权利要求39所述的用于燃烧反应的穿孔火焰稳定器，其中所述多个细长孔的每一个被设置于多个孔图案中的一个中。
41.根据权利要求40所述的用于燃烧反应的穿孔火焰稳定器，其中被设置在所述多个孔图案中的相应的每一个中的所述多个细长孔中的孔包括具有多个直径的细长孔。
42.根据权利要求40所述的用于燃烧反应的穿孔火焰稳定器，其中所述多个孔图案中的每一个包括设置为同心圆的相应数目的所述多个细长孔。
43.根据权利要求32所述的用于燃烧反应的穿孔火焰稳定器，其中所述多个细长孔中的每一个被设置于多个圆中的一个中。
44.根据权利要求32所述的用于燃烧反应的穿孔火焰稳定器，其中所述多个细长孔中的每一个具有基本上相同的直径。
45.根据权利要求32所述的用于燃烧反应的穿孔火焰稳定器，其中所述多个细长孔中的每一个被设置于多个共轴圆中的一个中，其中所述多个共轴圆中的每一个中的孔具有相应的单一直径。
46.根据权利要求45所述的用于燃烧反应的穿孔火焰稳定器，其中所述多个细长孔中的每一个具有不超过1英寸的直径。
47.根据权利要求32所述的用于燃烧反应的穿孔火焰稳定器，其中所述多个细长孔中的每一个具有圆柱形状。
48.根据权利要求32所述的用于燃烧反应的穿孔火焰稳定器，其中所述多个细长孔中的每一个具有截头圆锥形状。
49.根据权利要求32所述的用于燃烧反应的穿孔火焰稳定器，其中所述多个细长孔中的每一个具有圆柱形状，其中直径沿其长度的一部分逐步变化。
50.根据权利要求32所述的用于燃烧反应的穿孔火焰稳定器，其中所述多个细长孔的每一个沿其长度的一部分具有圆柱形状，且沿其长度的另一部分具有截头圆锥形状。
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