CN104903647B - 具有穿孔反应稳定器的燃料燃烧系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种诸如包括穿孔反应稳定器的加热炉或锅炉，所述穿孔反应稳定器被配置为保持产生很低氮氧化物(NOx)的燃烧反应。

Description

具有穿孔反应稳定器的燃料燃烧系统
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“Perforated Flame Holder AndBurner 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“LowNOx 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；这些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中。
本申请与2014年2月14日提交的、名称为“PERFORATED FLAME HOLDER AND BURNERINCLUDING 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“STARTUP METHOD ANDMECHANISM FOR A BURNER HAVING A PERFORATED FLAME HOLDER(用于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；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中。
背景技术
工业和商业燃烧器在广泛的应用范围内使用，包括工艺热源、火焰处理系统、用于发电的蒸汽锅炉和用于燃气轮机的热气源。总的来说，工业和商业燃烧器是空气污染的显著来源。固然会由燃料释放污染物，甚至由“清洁燃烧”燃料(诸如氢气、烃气体和纯的烃液体)产生的火焰也产生诸如氮氧化物的污染物(本文中统称为“NOx”)。烃燃料还可释放一氧化碳(CO)，并且燃料潜入大气中。
在工业和商业燃烧器中典型的常规燃烧系统中，燃烧反应相对不受控制。也就是说，火焰形态(conformation)可变化，以使其在任何特定时间点的形状和位置不可预测。这种不可预测性，加上在扩散火焰中尤其在当量界面(stoichiometric interface)(可见的表面)处遇到的高的峰值温度可导致操作问题，诸如反应管烧焦和/或蒸汽管不均匀加热。此外，常规火焰的长度导致相对较长的停留时间，在此期间，燃烧空气(包括分子氮)经受高温。
需要一种减少由燃烧系统(诸如工业和商业燃烧器)释放的污染物的技术。还需要可改善此类系统中火焰控制的技术。
发明内容
根据一个实施例，燃烧器系统包括燃料和氧化剂源，所述燃料和氧化剂源被设置为将燃料和氧化剂输出至燃烧空间中以形成燃料和氧化剂混合物。穿孔反应稳定器被设置于燃烧空间中，所述穿孔反应稳定器包括穿孔反应稳定器主体，其限定匹配为接收来自燃料和氧化剂源的燃料和氧化剂混合物的多个穿孔。所述穿孔被配置为共同保持由燃料和氧化剂混合物支持的燃烧反应。
根据一个实施例，加热炉包括燃料和空气源，所述燃料和空气源被设置为将燃料和空气输出至燃烧空间中以形成燃料和空气混合物。穿孔反应稳定器被设置在所述燃烧空间中。穿孔反应稳定器包括穿孔反应稳定器主体，其限定匹配为接收来自燃料和空气源的燃料和空气混合物的多个穿孔。穿孔反应稳定器支撑结构被配置为支撑所述穿孔反应稳定器离所述燃料和空气源一段距离。所述穿孔可被配置为共同保持由燃料和空气混合物支持的燃烧反应的大部分。
根据一个实施例，燃烧系统包括燃料和氧化剂源，所述燃料和氧化剂源被配置为以燃料和氧化剂混合物输出燃料和氧化剂；以及穿孔反应稳定器102，其在整个包括多个穿孔116的输入表面118匹配为接收燃料和氧化剂混合物。加热装置被配置为使穿孔反应稳定器加热。所述穿孔反应稳定器被配置为在加热装置预热穿孔反应稳定器102之后在多个穿孔中支撑由燃料和氧化剂混合物支持的燃烧反应。
根据一个实施例，燃烧系统包括预混合的燃料和氧化剂源，所述预混合的燃料和氧化剂源被配置为将预混合的燃料和空气流输出至燃烧空间中。穿孔反应稳定器包括匹配为接收所述预混合的燃料和空气流的输入表面。穿孔反应稳定器包括具有分布在整个输入表面的开口的多个穿孔，所述多个穿孔共同被配置为支撑燃烧反应。
附图说明
图1A是根据一个实施例的包括穿孔反应稳定器的燃烧器系统的简化透视图。
图1B是根据一个实施例的图1A的燃烧器系统的简化侧面剖视图。
图2A是根据一个实施例的图1A和图1B的穿孔反应稳定器的一部分的侧面剖视图。
图2B是根据另一个实施例的图1A和图1B的穿孔反应稳定器的侧面剖视图。
图2C是根据另一个实施例的图1A和图1B的穿孔反应稳定器的侧面剖视图。
图3是根据一个实施例的包括可选的穿孔反应稳定器的图1A和图1B的燃烧器系统的简化透视图。
图4A是根据一个实施例的包括另一个可选的穿孔反应稳定器的图1A和1B的燃烧器系统的简化透视图。
图4B是根据一个实施例的图4A的穿孔反应稳定器的一部分的简化侧面剖视图。
图4C是根据另一个实施例的穿孔反应稳定器的一部分的简化侧面剖视图。
图5是根据一个实施例的包括柱状结构的可选的穿孔反应稳定器的简化透视图。
图6是根据一个实施例的包括管束结构的可选穿孔反应稳定器的简化透视图。
图7A是根据一个实施例的包括穿孔反应稳定器的加热炉的简化侧面剖视图。
图7B是根据另一个实施例的包括穿孔反应稳定器的加热炉的简化侧面剖视图。
图8是根据另一个实施例的包括穿孔反应稳定器的加热炉的一部分的侧面剖视图。
图9A是根据一个实施例的包括穿孔反应稳定器的燃烧系统的示意图。
图9B是根据一个实施例的包括穿孔反应稳定器和预混合燃料和氧化剂源的燃烧系统的示意图。
图10是根据一个实施例的燃烧系统的一部分的剖视图。
图11是根据一个实施例的包括加热装置和其它相关装置的框图的穿孔反应稳定器的简化剖视图。
图12是根据一个实施例用以确定燃料喷嘴和穿孔反应稳定器之间的稀释距离的影响的实验装置的示意图。
图13是使用图12中示出的装置确定的测量和预测的NOx产出的曲线图。
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。
本发明人认识到，为使氮氧化物(NOx)的产出最小化，希望1)使峰值火焰温度最低，以及2)使在峰值火焰温度时的停留时间最短。迄今为止，使火焰温度最低的技术还不可用或昂贵且复杂。使停留时间最短的技术同样地也不可用或昂贵且复杂。
根据本文中描述的和要求保护的实施例，燃烧器系统100装备有穿孔反应稳定器，该穿孔反应稳定器被配置为支持使峰值火焰温度最低并且减少在所述火焰温度下停留时间的贫瘠(lean)燃烧。在实验性规模装置中的实验获得了低个位数ppm的NOx浓度。
图1A是根据一个实施例的包括穿孔反应稳定器102的燃烧器系统100的简化透视图。图1B是根据一个实施例的图1A的燃烧系统101的简化侧面剖视图。参见图1A和图1B，燃烧器系统100包括燃料和氧化剂源110，所述燃料和氧化剂源110被设置为将燃料和氧化剂输出至燃烧空间108中以形成燃料和氧化剂混合物112。穿孔反应稳定器102被设置在燃烧空间108中。穿孔反应稳定器102包括穿孔反应稳定器主体114，其限定匹配为接收来自燃料和氧化剂源110的燃料和氧化剂混合物112的多个穿孔116。穿孔116被配置为共同保持由燃料和氧化剂混合物112支持的燃烧反应(例如参见图2，208)。
燃料例如可包括烃气体或气化的烃液体。燃料可以是单个种类或可以包括气体和蒸气的混合物。例如在工艺加热器应用中，燃料可包括燃料气体或来自所述工艺的副产物，包括一氧化碳(CO)、氢气(H2)和甲烷(CH4)。在另一个应用中，燃料可包括天然气(主要为CH4)或丙烷。在另一个应用中，燃料可包括2号燃料油或6号燃料油。本发明人类似地设想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气和/或可包括另一种纯的或由载气携带的氧化剂。
一般来说，由穿孔反应稳定器保持的氧化反应表示为气相氧化反应。在不脱离本公开的精神和范围的前提下可替换为其它反应物和反应。
根据一个实施例，穿孔反应稳定器主体114可由被设置为接收燃料和氧化剂混合物112的输入表面118、远离燃料和氧化剂源110的输出表面120以及限定穿孔反应稳定器102的横向延伸的周向表面122所界定。由穿孔反应稳定器主体114限定的多个穿孔116从输入表面118延伸至输出表面120。
根据一个实施例，穿孔反应稳定器102被配置为将燃烧反应的大部分保持在穿孔116内。例如，这意味着通过燃料和氧化剂源110输出至燃烧空间108内的燃料分子的一半以上在穿孔反应稳定器102的输入表面118和输出表面120之间被转化为燃烧产物。根据一种替代性解释，这意味着通过燃烧反应输出的热量的一半以上是在穿孔反应稳定器102的输入表面118和输出表面120之间输出。在额定运行工况下，穿孔116可被配置为总共保持燃烧反应208的至少80％在穿孔反应稳定器102的输入表面118和输出表面120之间。在一些实验中，本发明人制造出了被完全包含在穿孔反应稳定器102的输入表面118和输出表面120之间的穿孔中的燃烧反应。
穿孔反应稳定器102可被配置为从燃烧反应接收热量并以热辐射124形式将所接收的热量的一部分输出至燃烧空间108中或邻近燃烧空间108的热量接收结构(例如加热炉壁106和/或辐射区工作流体管(参见图7A，710))。穿孔反应稳定器将所接收的热量的另一部分输出至在穿孔反应稳定器102的输入表面118处接收的燃料和氧化剂混合物112。
这样，穿孔反应稳定器102用作维持燃烧反应的热源，即使是在由常规火焰稳定器支撑时燃烧反应不稳定的情况下。这种能力可被用来支持使用与以前可行的燃料-氧化剂混合物相比更贫瘠的燃料-氧化剂比混合物的燃烧。更贫瘠的燃烧导致峰值燃烧温度下降以及氮氧化物(NOx)产出减少。此外，穿孔反应稳定器102可用作散热器来冷却反应的较热部分以使燃烧温度进一步降到最低。最终，将燃烧反应基本限制在穿孔反应稳定器102的输入表面118和输出表面120之间限制了燃烧流体(如果氧化剂包括由空气携带的氧气，则包括分子氮，N2)暴露于高温的时间。本发明人相信这进一步限制了NOx的产出。
冷却的烟道气通过烟道134排放到大气中。任选地，所排放的烟道气可穿过预热燃烧空气、燃料和/或给水的增效器(economizer)。
穿孔反应稳定器102的周向表面122的相对侧之间的宽度尺寸WRH可为输入表面118和输出表面120之间的厚度尺寸TRH的至少两倍。在另一个实施例中，穿孔反应稳定器102的周向表面122的相对侧之间的宽度尺寸WRH可为输入表面118和输出表面120之间的厚度尺寸TRH的至少3倍。在另一个实施例中，穿孔反应稳定器102的周向表面122的相对侧之间的宽度尺寸WRH可为输入表面118和输出表面120之间的厚度尺寸TRH的至少6倍。在另一个实施例中，穿孔反应稳定器102的周向表面122的相对侧之间的宽度尺寸WRH可为输入表面118和输出表面120之间的厚度尺寸TRH的至少9倍。
在一个实施例中，穿孔反应稳定器102的宽度尺寸WRH可小于燃烧空间108的宽度W。这可允许烟道气从穿孔反应稳定器102的上方循环到下方。
穿孔反应稳定器102可由耐火材料形成。在另一个实施例中，穿孔反应稳定器102可由硅酸铝材料形成。在另一个实施例中，穿孔反应稳定器102可由莫来石(mullite)或堇青石(cordierite)形成。
燃料和氧化剂源110可进一步包括被配置为输出燃料的燃料喷嘴126，以及被配置为输出包括氧化剂的流体的氧化剂源128。燃料喷嘴126可被配置为输出纯燃料。氧化剂源128可被配置为输出包括氧化剂的流体，所述氧化剂不包括燃料。例如，氧化剂源128可被配置为输出携带氧气的空气。
燃料喷嘴126可被配置为发出燃料射流，其被选择为在燃料射流和氧化剂穿过在燃料喷嘴126和穿孔反应稳定器102之间的稀释距离DD时挟带所述氧化剂以形成燃料和氧化剂混合物112。除此之外或作为另外一种选择，燃料喷嘴126可被配置为发出燃料射流，其被选择为在燃料射流穿过在燃料喷嘴126和穿孔反应稳定器102的输入表面118之间的稀释距离DD时挟带氧化剂并挟带烟道气。
穿孔反应稳定器102可被设置为离开燃料喷嘴一段距离DD。燃料喷嘴126可被配置为通过具有尺寸DO的燃料孔130发出燃料。穿孔反应稳定器102可被设置为在离燃料喷嘴的距离DD处接收燃料和氧化剂混合物112，所述距离大于燃料孔130尺寸DO的20倍。在另一个实施例中，穿孔反应稳定器102被设置为在离燃料喷嘴126的距离DD处接收燃料和氧化剂混合物112，所述距离大于或等于燃料孔130尺寸DO的100倍。在另一个实施例中，穿孔反应稳定器102可被设置为在离燃料喷嘴126的距离DD处接收燃料和氧化剂混合物112，所述距离等于燃料孔130尺寸DO的约245倍。
穿孔反应稳定器102可包括单个穿孔反应稳定器主体114。在另一个实施例中，穿孔反应稳定器102可包括多个相邻的穿孔反应稳定器部分102a、102b、102c、102d。(例如，参见图7中示出的平铺的穿孔反应稳定器102。)多个相邻的穿孔反应稳定器主体114可提供平铺的穿孔反应稳定器102。
穿孔反应稳定器102可进一步包括穿孔反应稳定器多孔砖支撑结构702，其被配置为支撑多个穿孔反应稳定器部分102a、102b、102c、102d。穿孔反应稳定器多孔砖支撑结构702可包括金属超级合金(superalloy)。在另一个实施例中，多个相邻的穿孔反应稳定器部分102a、102b、102c、102d可采用纤维强化耐火粘固剂接合。
图2A是根据一个实施例的图1A和图1B的穿孔反应稳定器200的一部分的侧面剖面示意图。图2A是根据另一个实施例的图1A和图1B的穿孔反应稳定器200的一部分的侧面剖面示意图。在图2A的实施例200中，穿孔反应稳定器主体114是连续的。也就是说，主体124由单个材料块形成。图2A的实施例200还示出了不分支的穿孔116。也就是说，穿孔反应稳定器主体114限定相互分离的穿孔116，以使得在穿孔之间没有流穿过。图2B示出了不连续的穿孔反应稳定器主体114。例如，主体114由多个块114a、114b、114c、114d、114e形成，这些块一起形成穿孔反应稳定器主体114。虽然主体114a、114b、114c、114d、114e不连续，但它还是限定了被穿孔反应稳定器主体114相互隔开的不分支的穿孔116。图2B的穿孔反应稳定器主体114可包括堆叠的材料薄板，每个薄板具有对准下面的或上覆的薄板的至少一个的开口的开口。
连续穿孔反应稳定器主体114是指具有穿过主体114形成的穿孔的单个主体，其与由多个单一块形成的穿孔反应稳定器主体114形成对照。这不同于单个或多个穿孔反应稳定器部分的概念(参见图7，102a、102b、102c、102d)。所述部分102a、102b、102c、102d可由连续的或不连续的穿孔反应稳定器主体114形成。
图2C是实施例203的侧面剖视图，其中穿孔反应稳定器主体114限定与输入表面118和输出表面120不垂直的穿孔。虽然这种排列对离开输出表面120的气体轨迹有影响，但穿孔类似于结合图2A和图2B所描述的那些来操作。
现参照图2A和图2B，穿孔反应稳定器主体114限定了多个穿孔116，所述多个穿孔116被配置为传输燃料和氧化剂，并保持由燃料和氧化剂支持的氧化反应208。所述主体被配置为从燃烧反应208接收热量、保持热量，并将热量输出至进入穿孔116的燃料和氧化剂。与在穿孔116外维持的燃烧反应相比，穿孔116可维持更贫瘠的燃料和氧化剂的混合物112的燃烧反应208。
穿孔反应稳定器102具有由面对燃料和氧化剂源110的输入表面118和远离燃料和氧化剂源110的输出表面120所限定的范围。穿孔反应稳定器主体114限定多个穿孔116，所述穿孔116可形成为从输入表面118至输出表面120延伸的多个细长孔202。
穿孔反应稳定器102接收来自氧化反应208的热量并输出足够热量至燃料和氧化剂混合物112以维持穿孔116中的燃烧反应208。穿孔反应稳定器102还可以热辐射124将接收的热量的一部分输出至燃烧空间108的燃烧室壁106。穿孔116中的每者可界定燃料燃烧反应208的相应有限部分。
在一个实施例中，多个穿孔116各自由长度L表征，该长度L被定义为穿孔反应稳定器102的输入表面118和输出表面120之间的反应流体传播路径长度。反应流体包括燃料和氧化剂混合物112(任选地包括空气、烟道气和/或其它“非反应性”物质、反应中间产物(包括表征燃烧反应的过渡状态))，以及反应产物。
多个穿孔116可以是各自通过在相对的穿孔壁204之间的横向尺寸D来表征。每个穿孔116的长度L可以是所述穿孔的横向尺寸D的至少8倍。在另一个实施例中，长度L可以是横向尺寸D的至少12倍。在另一个实施例中，长度L可以是横向尺寸D的至少16倍。在另一个实施例中，长度L可以是横向尺寸D的至少24倍。例如，长度L可以足够长以使在流动穿过穿孔116的反应流体中邻近于穿孔壁204形成的热边界层206会聚于穿孔116内。
根据一个实施例，穿孔反应稳定器102可被配置为使燃料燃烧反应208发生在邻近于穿孔116的穿孔壁204形成的热边界层206内。当相对冷的燃料和氧化剂112接近输入表面118时，流被分成分别穿过各个穿孔116的多个部分。热的穿孔反应稳定器主体114将热量转移给流体，特别是热边界层206内的流体，当越来越多的热量被转移到进入的燃料和氧化剂时所述热边界层206逐渐变厚。达到燃烧温度后，在化学点火延迟时间流逝时，反应物流动，随后燃烧反应发生。因此，燃烧反应208显示为发生在热边界层206内。随着流的不断前进，热边界层会聚于点216。理想的是，点216位于输入表面118和输出表面120之间。在某些时候，燃烧反应208使流动气体(和等离子体)输出比它从主体114接收到的热量更多的热量。(从区域210)接收到的热量被携带至更靠近输入表面120的区域，在此处热量再循环至冷的反应物中。
穿孔116可包括细长的方孔，每个细长方孔具有在方孔的相对侧面之间的横向尺寸D。在另一个实施例中，穿孔116可包括细长的六角孔，每个细长六角孔具有在六角孔的相对侧面之间的横向尺寸D。在另一个实施例中，穿孔116可包括中空圆柱，每个中空圆柱具有对应于所述柱孔直径的横向尺寸D。在另一个实施例中，穿孔116可包括截顶锥孔，每个截顶锥孔具有围绕从输入表面118延伸到输出表面120的长轴线旋转对称的横向尺寸D。穿孔116各自可具有等于或大于燃料的熄火距离的横向尺寸D。
在实施例的一个范围内，多个穿孔具有的横向尺寸D在0.05英寸和1.0英寸之间。优选地，多个穿孔具有的横向尺寸D在0.1英寸和0.5英寸之间。例如，多个穿孔可具有的横向尺寸D为约0.2至0.4英寸。
穿孔反应稳定器主体114可包括耐火材料。穿孔反应稳定器主体114可例如包括金属超级合金，或穿孔反应稳定器主体可由诸如堇青石或莫来石的耐火材料形成。穿孔反应稳定器主体114可限定一蜂窝结构。
穿孔116可相互平行并与输入表面118和输出表面120垂直。在另一个实施例中，穿孔116可相互平行并相对于输入表面118和输出表面120成一定角度形成。在另一个实施例中，穿孔116可以相互不平行。在另一个实施例中，穿孔116可以相互不平行且不相交。
参见图2C，穿孔116可以相对于穿孔反应稳定器102的输入表面118和输出表面120成一定角度来形成。在另一个实施例中，穿孔116可以相对于穿孔反应稳定器102的输入表面118和输出表面120成一定角度来分别形成，并可全体成角度从而在离开穿孔反应稳定器102的氧化流体中形成流向涡(streamwise vortex)。
再参见图2A和图2B，限定穿孔116的穿孔反应稳定器主体114可被配置为从至少在穿孔壁204的第二区域210中的(放热)燃烧反应208接收热量。(例如，靠近穿孔反应稳定器102的输出表面120)。限定穿孔116的穿孔反应稳定器主体114可以通过热容量来表征。穿孔反应稳定器主体114可被配置为以对应于热容量的量保持来自燃烧燃料反应的热量。
穿孔反应稳定器主体114可被配置为将热量从穿孔壁204的热量接收区域210转移到热量输出区域212。(例如，其中热量输出区域212靠近穿孔反应稳定器102的输入表面118)。例如，穿孔反应稳定器主体114可被配置为将热量经由热辐射124从穿孔壁204的热量接收区域210转移到热量输出区域212。除此之外或作为另外一种选择，主体114可被配置为将热量经由热传导路径214从穿孔壁204的热量接收区域210转移到热量输出区域212。
在另一个实施例中，穿孔反应稳定器主体114可被配置为将热量转移至工作流体。工作流体可被配置为将热量从穿孔壁204的热量接收区域210附近的主体的一部分转移到穿孔壁204的热量输出区域212附近的主体的一部分。本申请要求2013年10月24日提交的、名称为“SYSTEM AND METHOD INCLUDING A PERFORATED FLAME HOLDER CONFIGURED TOTRANSFER HEAT FROM A COMBUSTION REACTION TO A WORKING FLUID(包括被配置为将热量从燃烧反应转移至工作流体的穿孔火焰稳定器的系统和方法)”的美国临时专利申请第61/895,361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的方式并入。
穿孔反应稳定器主体114可被配置为至少在穿孔壁204的热量输出区域210中输出热量至边界层206。(例如，靠近穿孔反应稳定器102的输入表面118)。除此之外或作为另外一种选择，主体114可被配置为至少在穿孔壁204的热量输出区域210中输出热量至燃料和氧化剂混合物112。(例如，靠近穿孔反应稳定器102的输入表面118)。其中穿孔反应稳定器主体114被配置为在相邻穿孔116之间传输热量。在相邻穿孔之间传输的热量可被选择为使热量从穿孔中的燃烧反应部分208输出以提供热量来稳定相邻穿孔116中的燃烧反应部分208。
穿孔反应稳定器主体114可被配置为从燃料燃烧反应208接收热量并输出热辐射热能124以维持穿孔反应稳定器主体114的温度低于燃料燃烧反应208的绝热火焰温度。除此之外或作为另外一种选择，主体可被配置为从燃料燃烧反应208接收热量以使燃料燃烧反应208冷却至低于NOx形成温度的温度。
多个穿孔116可包括多个细长方孔。在另一个实施例中，多个穿孔116可包括多个细长六角孔。
穿孔反应稳定器102中使用的蜂窝结构形状可由得自南卡罗来纳州多乐维尔的应用陶瓷公司(Applied Ceramics,Inc.,Doraville,South Carolina)的陶瓷蜂窝结构形成。
如上所述，图2A示出实施例200，其中穿孔反应稳定器主体114是连续的。在任何一个部分中，连续反应稳定器主体114是单一块，其被挤出、钻孔或以其他方式形成以限定多个穿孔116。图2B示出实施例201，其中穿孔反应稳定器主体114是不连续的。不连续反应稳定器主体114由多个材料块形成。在实施例201中，多个材料块包括平的块114a、114b、114c、114d，它们被堆叠以形成反应稳定器主体。实施例200和201中基本上同一地操作，其中各个堆叠块114a、114b、114c、114d紧密接触并形成相互隔开的穿孔116。
图3是根据一个实施例的图1A和图1B的燃烧系统的简化透视图300，包括可选的穿孔反应稳定器102。参见图3，多个穿孔116可包括多个中空圆柱。反应稳定器主体114可包括纤维强化的铸造耐火材料。多个穿孔116可通过钻穿纤维强化的铸造耐火材料形成。(穿孔也可称为“孔”或“细长孔”，这些都可被认为是同义的。)穿孔反应稳定器102的空隙率可为约0.30。
穿孔反应稳定器主体114可限定中心孔302、相对于中心孔302具有选定间距和尺寸的呈同心排列的第一组孔304和相对于中心孔302具有不同选定间距和尺寸的呈同心排列的第二组孔306。穿孔反应稳定器102可被配置为将燃料燃烧反应(例如参见图2，208)保持在穿孔反应稳定器102的输入表面118和输出表面120之间。
图3的实施例300的穿孔反应稳定器102的操作可参照图2A的侧面剖视图来形象化。在由本发明人测试的实施例300中，多个燃料喷嘴(具有一个中心自然通风空气源的6个活动喷嘴)分布在周向表面122和中心孔302的边缘之间的大致中间的下方的圆上。中心孔302的存在被认为在测试期间是不相关的。虽然本发明人猜测同心排列的304、306孔组的不同尺寸和间距将提供一些价值，但发现，孔304、306的尺寸和间距比其它参数具有较小的影响。具体地讲，如上所述，改变成约0.70的较高空隙率产出更少的NOx。
穿孔反应稳定器102可具有的空隙率在0.10和0.90之间。在一个实施例中，穿孔反应稳定器可具有的空隙率在0.30和0.70之间。在另一个实施例中，穿孔反应稳定器可具有的空隙率为约0.70。
穿孔反应稳定器102的空隙率被定义为所有穿孔116的总体积(减去任何不起穿孔作用的穿孔的总体积)除以由输入表面118、输出表面120和周向表面122界定的总体积减去任何不起穿孔反应稳定器102作用的总界定体积的部分。一些穿孔反应稳定器102的实施例可以小于0.10的空隙率或大于0.90的空隙率操作，但本发明人相信，具有在这些限制值之间空隙率的穿孔反应稳定器102是优选的。在低空隙率时，穿孔反应稳定器102可能表现出在邻近于输入表面118的燃料和氧化剂混合物(任选包括惰性气体或载气和烟道气)和邻近于输出表面120的反应流体(例如，反应产物、可能的反应中间产物、可能的等离子体、可能的未反应燃料、未反应氧化剂和任选的惰性气体或载气)之间的不期望的压降。本发明人减少到实践了分别具有约0.70和0.30空隙率的穿孔反应稳定器。在两个测试空隙率之间，图1A中示出的0.70空隙率的穿孔反应稳定器102比(下面的图3中示出的)0.30空隙率的穿孔反应稳定器102产生更低的NOx浓度。在高空隙率(例如超过约0.90)时，发明人考虑到了穿孔反应稳定器102可能遭受穿孔表面积不足或穿孔反应稳定器主体114热容量不足的情形。
图4A是根据一个实施例的图1A和图1B的燃烧系统的简化透视图400，该燃烧系统包括另一个可选的可穿孔反应稳定器102，其包括具有分支穿孔的不连续穿孔反应稳定器主体114。图4B是根据一个实施例的图4A的穿孔反应稳定器的一部分的简化侧面剖视图401。
参见图4A和图4B，穿孔反应稳定器主体114可以是不连续的。穿孔反应稳定器主体114可限定相互分支的穿孔116。穿孔反应稳定器主体114可包括堆叠的材料薄板，每个薄板具有的开口与下面的或上覆的薄板的开口未对准。“未对准”开口(下文所述)是指产生氧化流体流动路径的分支的开口。“未对准”开口可能事实上对应于已预先计划了相互位置差异的图案。使穿孔116相互隔开的“对准的”开口也可具有一个薄板与另一个薄板位置上的预先计划的差异(或可能相互重合)，但“对准的”开口不产生分支，因此穿孔116是相互隔开的。
图4C是具有连续的主体114和分支的穿孔116的穿孔反应稳定器102的侧面剖视图。图4C的结构403可例如通过对主体114材料的实心块进行交叉钻孔而形成。
再参见图4A和图4B，穿孔反应稳定器主体114可包括纤维402，纤维402包括网状纤维。纤维402可限定围绕和穿过纤维402的交织的分支的穿孔116。
纤维402可包括硅酸铝。例如，纤维402可由挤出的莫来石或堇青石形成。在另一个实施例中，纤维402可包括金属。例如，纤维402可包括不锈钢和/或金属超级合金。
术语“网状纤维”是指网状的结构。在一个实施例中，纤维402由挤出的陶瓷材料形成。在网状纤维实施例中，燃料和氧化剂之间的相互作用、燃烧反应以及热传递至穿孔反应稳定器主体114和热从穿孔反应稳定器主体114传递出来都类似于上文关于图2A示出和所描述的起作用。运行中的一个区别是穿孔116之间的混合，因为纤维402形成不连续的穿孔反应稳定器主体114，它允许在相邻穿孔之间来回流动。
根据一个实施例，为了加热上游纤维至足以维持贫瘠燃料和氧化剂混合物的燃烧，网状纤维网络402足够开放以使下游纤维发出辐射用于由上游纤维接收。与连续的穿孔反应稳定器主体114相比，在纤维402之间的热传导路径214由于纤维的分离而减少。这可能使相对更多的热量经由热辐射124从穿孔壁204的热量接收区域210(热量接收区)转移到热量输出区域212(热量输出区)。
图4C是根据一个实施例的穿孔反应稳定器102(包括具有分支穿孔的连续的穿孔反应稳定器主体)的一部分的简化侧面剖视图403。穿孔反应稳定器实施例403可通过对连续反应稳定器主体114交叉钻孔来制得。菱形和三角形形状的反应稳定器114部分通过相对于剖视图在平面外的主体结构连接。为了维持所希望的空隙率(例如约0.70)，穿孔116(例如钻孔)和它们之间的壁部分的相对尺寸被调整为使壁相比于图1A和图2A中示出的壁厚相对更厚。参见图4C，穿孔反应稳定器主体114可以是连续的。穿孔反应稳定器主体114可限定相互分支的穿孔116。
参见图4A、图4B和图4C，边界层206的形成、穿孔反应稳定器主体114与流动穿过穿孔116的气体之间的热传递、特征尺寸D以及长度L可被认为是与穿过穿孔反应稳定器102的平均路径或整体路径有关。换句话说，尺寸D可确定为沿流动路径的每个点测定的各个Dn值的均方根。类似地，长度L可以是包括由流动路径的弯曲度所提供的长度的长度，该长度可比从输入表面118到输出表面120穿过穿孔反应稳定器102的直线距离TRH一定程度上更长。根据一个实施例，空隙率(表示为(总穿孔反应稳定器102体积-纤维402体积)/总体积)为约70％。
参见图5，在一个穿孔反应稳定器102的替代形式500中，穿孔反应稳定器主体114可包括多个柱状物502。多个穿孔116可包括多个柱状物502之间的空间。可包括底板504且其可操作地连接至多个柱状物502。底板504可限定多个孔506，所述孔506被配置为允许燃烧流体流入柱状物502之间的穿孔116中。底板504可包括穿孔金属薄板，所述穿孔金属薄板包括被选择为允许燃烧流体流入柱状物502之间的穿孔116中的开口。
参见图6，穿孔反应稳定器主体114可包括捆束在一起的多个管602。多个穿孔116可包括在多个管602内部的空心圆柱116a。多个穿孔116还可包括捆束管602之间的间隙116b。多个管602可包括陶瓷管和金属张力构件604，所述金属张力构件604在多个管602周围被设置为使多个管602保持在一起。金属张力构件604可包括不锈钢、超级合金金属线和/或超级合金金属带。
在一个实施例中，多个管602可包括陶瓷管。耐火粘固剂可被包括在所述管602之间并被配置为将所述管粘附在一起。或者，多个管602可包括金属管。
除上述实施例之外，本发明人考虑了穿孔反应稳定器的一系列可供选择的物理结构，所述穿孔反应稳定器被配置为类似于如上所述的替代方案起作用并产生效果。
穿孔反应稳定器主体114可包括堆叠的材料薄板，每个薄板具有的开口与下面的或上覆的薄板的开口未对准，以形成分支的穿孔116。
穿孔反应稳定器主体114可以是不连续的且可限定相互分支的穿孔116。穿孔反应稳定器主体114可包括堆叠的材料薄板，每个薄板具有的开口不对准下面的或上覆的薄板的开口。
穿孔反应稳定器主体114可包括堆叠在一起的多个穿孔薄板以形成包括穿孔116的多个流动路径。穿孔薄板可包括穿孔金属薄板、陶瓷薄板和/或膨胀薄板。
在另一个实施例中，穿孔反应稳定器主体114包括不连续的填充主体且穿孔116在不连续的填充主体之间的间隙中形成。在一个实例中，不连续的填充主体包括结构化的填充形状。在另一个实例中，不连续的填充主体包括无规填充形状。例如，不连续的填充主体可包括陶瓷拉西环、瓷弧鞍填料(ceramic Berl saddles)、瓷矩鞍填料(ceramic Intaloxsaddles)和/或金属环(例如超级拉西环)。穿孔反应稳定器102可进一步包括金属笼，其被配置为固持陶瓷球。
多个方面将穿孔反应稳定器102与较早的燃烧器装置区分开来。在一个方面，燃烧前缘可响应流速的减少或增加而分别向上游和下游自由移动。这是因为在任何给定位置的热边界层的厚度随燃料和空气的速度而变化，使得响应于条件的改变，会聚点216以及由此带来的完全燃烧位置自然变化。在这方面，穿孔火焰稳定器不会防止火焰在一范围的操作温度下向上游传播。
以简化方式来看，这是比较尺寸D与被称为“熄火距离”的燃料特性。应当指出的是，横向尺寸小于公开的熄火距离的穿孔火焰稳定器已由发明人成功地进行了测试。另一方面，较早的装置(其使用不同原理操作)通常要求火焰稳定器中的任何多孔性被限于小于熄火距离的尺寸，以免燃烧反应可能爆炸性地行进至燃料和空气混合物空间内，遭受快速燃烧或爆炸。本发明人已发现，在本文描述的实施例中，大于火焰熄火距离的横向尺寸D对于允许更长厚度L(具有更大的机械稳定性)以及减小回流压力可能是有用的。
在一些实施例中，穿孔116各自可由等于或大于火焰熄火距离的横向尺寸D来表征。
熄火距离在当量条件下评估。它一般被认为是燃料性质且作为表列性质而存在。大多数烃具有约0.1"的熄火距离。例如，如表1中所示，NACA Lewis Report 1300用表列出熄火距离。
熄火距离表示孔的直径，使得当量预混合火焰不能通过孔向上游传播至预混合贮存器中。机制基本上是一种热抽取--当火焰试图穿过孔闪回时，它放弃了过多的能量。由于这是一个热论点(argument)，如果孔非常热(例如，如果预混合燃烧器贮存器从热的加热炉(例如，使用乙烯时的预混合燃烧器)接收辐射热)，则实际闪回可能穿过熄火距离发生。但即使如此，一般而言，熄火距离不会显著改变，因为预混合燃料和空气的流动趋向于使孔冷却。
相比于本文中描述的穿孔火焰稳定器202，支撑表面燃烧的辐射式燃烧器必须有一个最小孔径，其小于具体燃料和温度的熄火距离以避免回火，且如果火焰回火，则它可被认为是一种同意重复，即在操作条件下孔径大小一定大于实际熄火距离。
在标准条件下几种燃料的熄火距离列于下表1中。
表1
燃料熄火距离
烃燃料 熄火距离
正丁烷 0.12”
甲烷 0.10”
丙烷 0.08”
氢气 0.025”
本发明人发现，对于给定的流速，在细长孔(也称为蜂窝结构火焰稳定器的粗网孔)中的较大尺寸D需要穿孔116中的较大长度L以达到最低的NOx产生。对于所测试的组合，长度L等于在穿孔反应稳定器102的输入表面302和输出表面304之间的距离(也称为厚度TRH)。类似地，发现较小的D在较小的穿孔长度L的情况下能有效地操作。
根据各种实施例，穿孔反应稳定器102的穿孔116被配置为将由燃料和氧化剂混合物112支撑的无焰燃烧反应基本上保持在穿孔反应稳定器主体114内。
无焰燃烧反应是指体积上发生在穿孔内以使在富燃料区域和富氧化剂区域之间不存在当量边缘的燃烧反应。在正常火焰中，火焰的可见边缘表示当量表面。由于当量混合物燃烧比贫燃料和富燃料混合物更热，且因为氮氧化物(NOx)的产量是燃烧温度的函数，所以消除热的、可见的当量表面导致燃烧产物中[NOx](NOx浓度)显著减少。
图7A是根据一个实施例的包括穿孔反应稳定器102的加热炉的部分侧面剖视图。如本文中所用，术语加热炉是指用于广泛的工业、商业和家庭应用的燃料燃烧加热器，诸如为加热、推进以及发电而产生蒸汽；在炼油厂和其他化工厂中用于工艺加热，诸如用于加热吸热反应、裂解石油以及加热蒸馏塔；冶金精炼及生产加热；窑烧制；和住宅空气和水加热系统。加热炉的其它用途对本领域的技术人员来说将是显而易见的。除非上下文作相反指示，否则加热炉可以被认为是与燃烧器(burner)或燃烧室(combustor)同义。
根据一个实施例，加热炉700包括燃料和空气源110，所述燃料和空气源110被设置为将燃料和空气输出至燃烧空间108中以形成燃料和空气混合物112。穿孔反应稳定器102被设置于燃烧空间108中，穿孔反应稳定器102包括穿孔反应稳定器主体114，其限定匹配为接收来自燃料和空气源110的燃料和空气混合物112的多个穿孔116。穿孔反应稳定器支撑结构708被配置为支撑穿孔反应稳定器102离燃料和空气源704一段距离DD。
穿孔116可被配置为共同保持由燃料和空气混合物112支持的燃烧反应(例如参见图2，208)的大部分。
保持燃烧反应208的大部分可包括使得超过一半的燃烧反应208产生的总热量在穿孔反应稳定器102的输入表面118和输出表面120之间产生。在另一个实施例中，保持燃烧反应208的大部分可包括使得至少80％的燃烧反应208产生的总热量在穿孔反应稳定器102的输入表面118和输出表面120之间产生。在另一个实施例中，保持燃烧反应208的大部分包括使得至少98％的燃烧反应208产生的总热量在穿孔反应稳定器102的输入表面118和输出表面120之间产生。
保持燃烧反应208的大部分可包括使超过一半的被消耗燃料在穿孔116内转化成燃烧产物CO2和H2O。在另一个实施例中，保持燃烧反应208的大部分可包括使至少80％的被消耗燃料在穿孔116内转化成燃烧产物CO2和H2O。在另一个实施例中，保持燃烧反应208的大部分可包括使至少98％的被消耗燃料在穿孔116内转化成燃烧产物CO2和H2O。
保持燃烧反应208的大部分可包括支持燃烧以使从穿孔火焰稳定器的输入表面118朝向燃料和空气源704的可见火焰延伸208p的距离小于穿孔反应稳定器102的厚度TRH。在另一个实施例中，保持大部分燃烧反应208可包括支持燃烧以使从穿孔火焰稳定器的输出表面120离开燃料和空气源704的可见火焰延伸208d的距离小于穿孔反应稳定器102的厚度TRH的3倍。在另一个实施例中，保持大部分燃烧反应208可包括支持燃烧以使从穿孔火焰稳定器的输出表面120离开燃料和空气源704的可见火焰延伸208d的距离小于穿孔反应稳定器102的厚度TRH。
在一些测试中发现，与由常规燃烧口砖保持的相等输出燃烧反应相比，穿孔反应稳定器102使可见火焰高度减少90％或更多。在其它测试中，发现穿孔反应稳定器102几乎或完全消除了可见火焰，且基本上所有燃烧都是在穿孔反应稳定器102内部完成的。在这些后来的测试期间，穿孔反应稳定器102泛着亮黄色(更具体地是橘红色到亮黄色，取决于燃料调节)，指示从穿孔反应稳定器主体114的穿孔壁和端面118、120发出高黑体辐射。
燃料和空气源110还可包括燃料喷嘴126，其被配置为通过具有一直径的孔130朝向穿孔反应稳定器102输出燃料，以及空气源128，其被配置为输出携带氧气的空气至燃烧空间108。当燃料和空气穿过燃料和空气源110与穿孔反应稳定器102之间的距离DD时，分别来自燃料和空气源126、128的燃料和空气可混合以形成燃料和空气混合物112。
距离DD可包括稀释距离。稀释距离DD可大于孔130直径的20倍。在另一个实施例中，稀释距离DD等于或大于孔122直径的100倍。在另一个实施例中，稀释距离DD约为孔122直径的245倍。
燃料和空气源110可被配置为输出当燃料和空气穿过稀释距离DD时经由通过泰勒层(Taylor layer)隔开的涡旋混合的富燃料部分和贫燃料部分。稀释距离DD可足以使涡旋卷吸以消除泰勒层，在该情况下燃料和空气混合物到达穿孔反应稳定器102。
在大于20个喷嘴直径的稀释距离时，燃料和空气源110可被配置为将稀释的燃料和氧化剂混合物112递送到穿孔反应稳定器102，其中所述稀释的燃料和氧化剂混合物112具有小于0.1％的燃料和氧化剂混合物112，其浓度大于富燃料部分的燃料浓度的二分之一。燃料源可被配置为输出纯燃料。在此条件下，至少99.9％的燃料和氧化剂混合物112包括用空气至少以2:1稀释的燃料。
在另一个实施例中，燃料和空气源110可被配置为将稀释的燃料和氧化剂混合物递送到穿孔反应稳定器102，其中所述稀释的燃料和氧化剂混合物具有小于0.1％的燃料和氧化剂混合物112，其浓度大于富燃料部分的燃料浓度的十分之一。如果燃料源被配置为输出纯燃料，则至少99.9％的燃料和空气混合物112包括用空气至少以10:1稀释的燃料。
上述的燃料稀释值是指燃料稀释或富燃料部分稀释的最小量。各种混合物形式的燃料和空气流瞬间到达穿孔反应稳定器102。在时间平均的基础上，燃料混合物趋向于基于高斯分布而变化，其中最富裕的混合物在燃料传播方向的中心线上，靠近穿孔反应稳定器102的中心，且最贫瘠的混合物远离轴线。然而，在整个燃料和空气传播锥体的任何位置的混合物可瞬间相对富裕或相对贫瘠。
本发明人已确定，穿过大于20个喷嘴直径的稀释距离DD的传播导致燃料富裕(fuel-rich)部分的稀释，使得传播锥体内少于0.1％的混合物被混合为大于从喷嘴输出的富裕度的0.5倍。在100个喷嘴直径时，传播锥体内少于0.1％具有大于从喷嘴输出的富裕度的0.1倍的混合物。
在任一距离时，平均燃料富裕度(fuel richness)比它们的最大富裕度少得多。在一组条件下，如下所述，本发明人发现最小的NOx输出发生在距喷嘴孔265个喷嘴直径的稀释距离处。在此距离下，平均燃料混合物太稀不足以用正常阻流体火焰稳定器来支持燃烧。在一些试运行中，高稀释导致了较低的燃烧温度，从而减少热NOx的产生至低于实验室仪器的检测极限。
参见图7B，加热炉701还可包括由加热炉主体104限定的加热炉壁106，加热炉壁106限定具有横向延伸W的燃烧空间108。穿孔反应稳定器102可具有由周向壁122限定的横向延伸WRH。穿孔反应稳定器102的横向延伸WRH可基本上等于燃烧空间108的横向延伸W。
参见图7A，加热炉700还可包括由加热炉主体104限定的加热炉壁106，加热炉壁106限定具有横向延伸W的燃烧空间108。穿孔反应稳定器102可具有由周向壁122限定的横向延伸WRH。穿孔反应稳定器102的横向延伸WRH小于燃烧空间108的横向延伸W。在穿孔反应稳定器102的周向壁122和燃烧空间108的壁106之间的区域可被选择为允许烟道气712从远离燃料和空气源110与穿孔反应稳定器102之间的区域的燃烧空间108的区域自然循环至燃料和空气源110与穿孔反应稳定器102之间的燃烧空间108的区域。
燃料和空气源110可被配置为输出燃料和空气以便当燃料和空气行进燃料和空气源110与穿孔反应稳定器102之间的距离DD时，烟道气被挟带于燃料和空气混合物112中。
一个实施例还可包括由加热炉主体104限定的加热炉底板132。支撑结构708可被配置为从燃烧空间底板132支撑穿孔反应稳定器102。
穿孔反应稳定器102可包括多个部分102a、102b、102c、102d。穿孔反应稳定器部分支撑结构702可被包括并可操作地连接至穿孔反应稳定器支撑结构708。穿孔反应稳定器部分支撑结构702可被配置为支撑形成穿孔反应稳定器102的部分102a、102b、102c、102d。
穿孔反应稳定器部分支撑结构702可包括金属超级合金。例如，穿孔反应稳定器部分支撑结构702可包括铬镍铁合金。在另一个实施例中，穿孔反应稳定器支撑结构708可包括耐火砖。
根据一个实施例，加热炉700、701还可包括限定加热炉壁106的加热炉主体104，加热炉壁包括非金属耐火材料；以及多个辐射区域工作流体管710，其被设置在穿孔反应稳定器周向表面122和加热炉壁之间。穿孔反应稳定器可被配置为发出热辐射124以加热多个辐射区域工作流体管710和加热炉壁106。在另一个实施例中(未示出)，加热炉主体104可包括“水管壁(water walls)”，其包括在所述壁中用于循环工作流体的管。这种方法对于用于诸如发电的大型应用中的水管锅炉是典型的。
燃料和空气源110可包括回旋叶片714，所述回旋叶片被设置为帮助燃料和空气混合，但不提供足够混合以使燃烧反应被所述燃料和空气源110支持。
图8是根据一个实施例的包括由加热炉壁106支撑的穿孔反应稳定器支撑结构708的加热炉800的侧面剖视图。
包括由加热炉壁106支撑的穿孔反应稳定器支撑结构708的加热炉800还包括限定加热炉壁106的加热炉主体104。穿孔反应稳定器支撑结构708可由加热炉壁106来支撑。
穿孔反应稳定器支撑结构708可限定孔802，所述孔802被选择为允许烟道气712从远离燃料和空气源110与穿孔反应稳定器102之间的区域的燃烧空间108的区域自然循环至燃料和空气源110与穿孔反应稳定器102之间的燃烧空间的区域。
图9A是根据一个实施例的燃烧系统900的示意性图示。燃烧系统900包括燃料和氧化剂源110，其被配置为将燃料和氧化剂输出为燃料和氧化剂混合物112。被匹配为在整个输入表面118接收燃料和氧化剂混合物112的穿孔反应稳定器102包括多个穿孔116。加热装置902被配置为使穿孔反应稳定器102加热。穿孔反应稳定器102被配置为在加热装置902预热穿孔反应稳定器102之后将由燃料和氧化剂混合物112支持的燃烧反应支撑在多个穿孔116中。
图9B是根据一个实施例的包括预混合燃料和氧化剂源110的燃烧系统901的示意性图示。预混合的燃料和氧化剂源110被配置为将预混合的燃料和空气流112输出至燃烧空间108中。穿孔反应稳定器102包括匹配为接收预混合的燃料和空气流的输入表面118。穿孔反应稳定器102包括具有分布在整个输入表面118上的开口的多个穿孔116，所述多个穿孔共同被配置为支撑燃烧反应。
预混合燃料和氧化剂源可包括预混合室914、被配置为输出燃料至预混合室的燃料喷嘴126，以及被配置为输出燃烧空气至预混合室的空气通道916。阻火器918可被配置为防止火焰回火至预混合的燃料和氧化剂源110中。
根据一个实施例，穿孔反应稳定器102被设置为距阻火器918足够的距离DD以防止足以降低阻火器阻止火焰传播穿过它的有效性的阻火器(flame arrestor)918的辐射加热。
根据一个实施例，穿孔反应稳定器102被设置为远离燃烧空间108的壁106。穿孔反应稳定器102与燃烧空间108的所述壁分离提供烟道气自然循环的通道712，该循环是从穿孔反应稳定器102的输出表面120上方的燃烧空间的一部分到预混合的燃料和空气源110与穿孔反应稳定器102的输入表面之间的燃烧空间108的一部分。预混合的燃料和空气源110被配置为在到达穿孔火焰稳定器的输入表面118之前，输出被选择为挟带循环烟道气的燃料和空气混合物112。
参见图9A和图9B，燃烧系统900、901还可包括可操作地连接至加热装置902的控制电路904，所述控制电路904被配置为使加热装置902工作。
控制电路904还可包括可操作地连接至控制电路904的热传感器906，所述热传感器906被配置为检测穿孔反应稳定器116的温度。控制电路904可被配置为响应于来自热传感器906的输入来控制加热装置902。控制电路可被配置为使得加热装置902维持穿孔反应稳定器102的温度。
燃料控制阀908可被包括且被配置为控制从燃料源910至燃料和氧化剂源110的燃料的流量，所述燃料控制阀可操作地连接到控制电路904。
控制电路904还可包括可操作地连接至控制电路904的燃烧传感器906，所述燃烧传感器906被配置为检测穿孔反应稳定器116的温度。燃料控制阀908可被配置为控制从燃料源910至燃料和氧化剂源110的燃料的流量，所述燃料控制阀可操作地连接到控制电路904。控制电路904可被配置为响应于来自燃烧传感器906的输入来控制燃料控制阀908。控制电路904可被配置为控制燃料控制阀908以维持穿孔火焰稳定器102的操作温度。控制电路可被配置为在控制燃料控制阀908以使得燃料和氧化剂混合物112输出至穿孔反应稳定器102之前控制加热装置902将穿孔反应稳定器102加热至操作温度。
鼓风机910可被包括并可操作地连接至控制电路904，且被配置为迫使空气穿过燃料和空气源110。
控制电路904还可包括氧气传感器912，其被设置为检测排气烟道124中的氧气浓度并且可操作地连接至控制电路904。
参见图10，加热装置902可包括被配置为支撑火焰1004的火焰稳定器1002，所述火焰1004被设置为加热穿孔反应稳定器102。
燃料和空气源110可包括被配置为发出燃料流的燃料喷嘴126，和被配置为在邻近燃料流处输出燃烧空气的空气源128。燃料喷嘴126和空气源128可被配置为输出逐渐被燃烧空气稀释的燃料流。穿孔反应稳定器102可被设置为接收稀释的燃料和空气混合物112，当穿孔反应稳定器102处于操作温度时，所述稀释的燃料和空气混合物112支持由穿孔反应稳定器102稳定的贫瘠燃烧反应。火焰稳定器1002可被配置为在对应于富裕燃料和空气混合物112的位置处支撑火焰1004，该火焰在没有由已加热的穿孔反应稳定器102提供的稳定的情况下是稳定的。
加热装置1000还可包括控制电路904和可操作地连接至控制电路904和火焰稳定器1002的火焰稳定器致动器1006。控制电路904可被配置为使得火焰稳定器致动器1006在穿孔火焰稳定器102在操作温度下时使火焰稳定器1002不保持火焰1004。
图11是根据一个实施例装备有加热装置902的穿孔火焰稳定器102的一部分的侧剖视图1100，所述加热装置902包括被配置为向穿孔火焰稳定器102输出热量的电阻加热器1102。加热装置902可包括可操作地连接至穿孔反应稳定器102的电阻加热器1102。电阻加热器1102可被配置为加热穿孔反应稳定器102至操作温度。除此之外或作为另外一种选择，电阻加热器1102可被配置为加热穿孔反应稳定器102以防止穿孔反应稳定器102降到操作温度以下。
加热装置902还可包括电源1104和可操作的开关1106，以选择性地将电源1104连接至电阻加热器1102。加热装置902还可包括可操作地连接至开关1106的控制电路904。控制电路904可被配置为控制所述开关来选择性地将电源1104连接至电阻加热器1102。控制电路904可任选地在低燃料流量期间启动电阻加热器1102，以便使穿孔火焰稳定器102的温度维持在选定的操作温度。
加热装置还被用于启动。在经由控制电路904接收启动命令时，开关1106可闭合一段时间，该时间足以加热电阻加热器1102和邻近电阻加热器1102的穿孔火焰稳定器1102的部分。控制电路904随后可打开燃料控制阀(例如参见图9A、图9B，908)以在穿孔反应稳定器102中启动燃烧。
电阻加热器1102可以多种方式形成。例如，电阻加热器1102可由线(得自瑞典哈尔斯塔哈马的山特维克AB的山特维克材料科技事业部(Sandvik MaterialsTechnology division of Sandvik AB of Hallstahammar,Sweden))穿过由穿孔火焰稳定器主体114形成的细长孔的至少一部分来形成。或者，加热器1102可包括感应加热器、高能(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。
在使用48英寸长的Kanthal线穿过穿孔火焰稳定器102的一个实施例中，控制器可使输出90VAC的电源1104与电阻加热器1102电气连接约45秒。在45秒后，控制电路904可打开燃料阀(908，图9A、图9B)并启动风扇(910，图9A、图9B)以将空气和燃料混合物112输送至穿孔火焰稳定器102。燃料和空气在穿孔火焰稳定器102中点燃后，例如在约95秒后，控制电路904断开开关1106，停止用电阻加热器1102输出热量。随穿孔反应稳定器2102受热，控制电路904随后增加燃料和空气流量以输出所需的热输送能力。
对于使用较短长度的Kanthal线的实施例，加热电压和/或加热时间可减少。对于使用较长长度的Kanthal线的实施例，电压和/或时间可增加至高于90V和45秒。
再参见图10，加热装置902可作为启动装置操作。启动装置可包括启动火焰稳定器1002，其被配置为临时保持被设置为向穿孔反应稳定器102输出热量的启动火焰。启动火焰稳定器1002可包括被配置为使涡旋循环热量来维持启动火焰1004的阻流体。启动火焰稳定器1002可被配置为在穿孔反应稳定器已达到操作温度之后，机械回缩至不保持启动火焰1004的位置。除此之外或作为另外一种选择，启动火焰稳定器1002可被配置为由燃烧系统900操作者手工致动。
启动装置902还可包括火焰充电器(charger)，其被设置为向启动火焰1004输出电荷。启动装置902可包括导电体，其被配置为吸引来自启动火焰1004的电荷以保持启动火焰1004用于输出热量至穿孔反应稳定器102。
参见图9A和图9B，加热装置902可以是启动装置。考虑了启动装置902的其它形式。例如，启动装置902可包括放电点火器，其被配置为向空气和燃料输出脉冲点火。除此之外或作为另外一种选择，启动装置902可包括引燃火焰装置，其被设置为点燃进入穿孔反应稳定器102的燃料和空气混合物112。放电点火器和/或引燃火焰装置可以可操作地连接到电子控制器，所述电子控制器被配置为在穿孔反应稳定器102被加热到足以维持燃烧之前使得放电点火器或引燃火焰装置维持空气和燃料混合物112在穿孔反应稳定器102中的燃烧。启动装置902可另外或作为另外一种选择包括引燃火焰装置。
实例
图12是根据一个实施例用以确定燃料喷嘴和穿孔反应稳定器之间的稀释距离的影响的实验装置1200的示意图。在所述实验装置中，试验点燃在以下条件下进行：
燃料是甲烷。
燃料压力有变化但始终在大约12磅/平方英寸。
燃料喷嘴(针孔)直径是0.11"。
排气烟道中的气闸始终以约1/4"的围绕气闸的间隙被“关闭”。堆叠尺寸为约12"见方。所述1/4"的间隙使排气烟道气闸从不完全关闭。
空气源(入口空气)是自然通风的并被限制于3"孔中，所述孔被设置为与燃料喷嘴管同心，所述燃料喷嘴管占据所述3"孔的中心周围1/4"。
在堆叠中3％O2处进行NOx比较。
穿孔反应稳定器总厚度为4"(L尺寸)。所述4"总厚度形成为每平方英寸具有16个小室的2"厚度的蜂窝结构底层(得自南卡罗来纳州多乐维尔的应用陶瓷公司(AppliedCeramics,Inc.of Doraville,South Carolina)的VERSAGRID陶瓷蜂窝结构)加上每平方英寸具有64个小室的2"蜂窝结构(VERSAGRID)顶层。
表2针对三种稀释距离的每一种给出测量的NOx产出。
表2
随稀释距离变化的NOx产出
PFH高度 燃料/空气速度 NOx结果
18” 19英尺/秒 14ppm
27” 15英尺/秒 2ppm
36” 12英尺/秒 6ppm
图13是使用图12中示出的装置确定的测量的和预测的[NOx]产出的曲线图。测量的结果也示于表2中。由图13可见，最低的测量[NOx]出现在27"(245个喷嘴直径)。测量数据的多项式最佳拟合预测最低[NOx]在约29.2"(265个喷嘴直径)。
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，其真实范围和精神由以下权利要求书指明。

Claims (189)

1.一种燃烧器系统，所述燃烧器系统包括：
燃料和氧化剂源，所述燃料和氧化剂源被设置为将燃料和氧化剂输出至燃烧空间中以形成燃料和氧化剂混合物；和
穿孔反应稳定器，所述穿孔反应稳定器被设置于所述燃烧空间中，所述穿孔反应稳定器包括穿孔反应稳定器主体，所述穿孔反应稳定器主体限定匹配为接收来自所述燃料和氧化剂源的所述燃料和氧化剂混合物的多个穿孔；
其中所述穿孔被配置为共同保持由所述燃料和氧化剂混合物支持的燃烧反应；并且
其中所述穿孔各自具有等于或大于所述燃料的熄火距离的横向尺寸D。
2.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述燃料包括烃气体。
3.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述燃料包括气化的烃液体。
4.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述氧化剂包括由空气携带的氧气。
5.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器被配置为将所述燃烧反应基本上保持在所述穿孔反应稳定器主体内。
6.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器主体由被设置为接收所述燃料和氧化剂混合物的输入表面、背向所述燃料和氧化剂源的输出表面以及限定所述穿孔反应稳定器的横向延伸的周向表面所界定；且
其中由所述穿孔反应稳定器主体限定的所述多个穿孔从所述输入表面延伸至所述输出表面。
7.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器被配置为使所述燃烧反应基本上保持在所述穿孔反应稳定器主体内以使所述燃烧反应的大部分发生在所述穿孔反应稳定器的输入表面和输出表面之间。
8.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器被配置为使所述燃烧反应基本上保持在所述穿孔反应稳定器主体内以使所述燃烧反应的至少80％发生在所述穿孔反应稳定器的输入表面和输出表面之间。
9.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器被配置为接收来自所述燃烧反应的热量并以热辐射形式输出所接收的热量的一部分至所述燃烧空间中的或邻近所述燃烧空间的热量接收结构。
10.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器被配置为从所述燃烧反应接收热量；
以热辐射形式输出所接收的热量的一部分；以及
输出所接收的热量的另一部分至在所述穿孔反应稳定器的输入表面处接收的所述燃料和氧化剂混合物。
11.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器具有的周向表面的相对侧之间的宽度尺寸WRH至少是所述穿孔反应稳定器的输入表面和输出表面之间的厚度尺寸TRH的两倍。
12.根据权利要求11所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器具有的所述周向表面的相对侧之间的宽度尺寸WRH至少是所述输入表面和所述输出表面之间的厚度尺寸TRH的三倍。
13.根据权利要求11所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器具有的所述周向表面的相对侧之间的宽度尺寸WRH至少是所述输入表面和所述输出表面之间的厚度尺寸TRH的六倍。
14.根据权利要求11所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器具有的所述周向表面的相对侧之间的宽度尺寸WRH至少是所述输入表面和所述输出表面之间的厚度尺寸TRH的九倍。
15.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器具有的宽度尺寸WRH小于所述燃烧空间的宽度W。
16.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器由耐火材料形成。
17.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器由硅酸铝材料形成。
18.根据权利要求17所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器由莫来石或堇青石形成。
19.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述燃料和氧化剂源还包括：
燃料喷嘴，所述燃料喷嘴被配置为输出燃料；以及
氧化剂源，所述氧化剂源被配置为输出包括所述氧化剂的流体。
20.根据权利要求19所述的燃烧器系统，其中所述燃料喷嘴被配置为输出纯燃料。
21.根据权利要求19所述的燃烧器系统，其中所述氧化剂源被配置为输出包括所述氧化剂的所述流体，所述氧化剂不包含燃料。
22.根据权利要求19所述的燃烧器系统，其中所述氧化剂源被配置为输出空气。
23.根据权利要求19所述的燃烧器系统，其中所述燃料喷嘴被配置为发出燃料射流，所述燃料射流被选择为在所述燃料射流和氧化剂穿过在所述燃料喷嘴和所述穿孔反应稳定器之间的稀释距离DD时挟带所述氧化剂以形成所述燃料和氧化剂混合物。
24.根据权利要求23所述的燃烧器系统，其中所述燃料喷嘴被配置为发出燃料射流，所述燃料射流被选择为在所述燃料射流穿过在所述燃料喷嘴和所述穿孔反应稳定器的输入表面之间的稀释距离DD时挟带所述氧化剂并挟带烟道气。
25.根据权利要求19所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器被设置为距所述燃料喷嘴一距离DD。
26.根据权利要求19所述的燃烧器系统，其中所述燃料喷嘴被配置为通过尺寸为DO的燃料孔发出所述燃料；以及
其中所述穿孔反应稳定器被设置为在距所述燃料喷嘴的距离DD处接收所述燃料和氧化剂混合物，所述距离DD大于所述燃料孔的尺寸DO的20倍。
27.根据权利要求26所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器被设置为在距所述燃料喷嘴的距离DD处接收所述燃料和氧化剂混合物，所述距离DD大于或等于所述燃料孔的尺寸DO的100倍。
28.根据权利要求26所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器被设置为在距所述燃料喷嘴的距离DD处接收所述燃料和氧化剂混合物，所述距离DD等于所述燃料孔的尺寸DO的约245倍。
29.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器包括单一穿孔反应稳定器主体。
30.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器包括多个相邻穿孔反应稳定器部分。
31.根据权利要求30所述的燃烧器系统，其中所述多个相邻穿孔反应稳定器部分提供平铺的穿孔反应稳定器。
32.根据权利要求30所述的燃烧器系统，所述燃烧器系统还包括：
穿孔反应稳定器多孔砖支撑结构，所述穿孔反应稳定器多孔砖支撑结构被配置为支撑所述多个相邻穿孔反应稳定器部分。
33.根据权利要求32所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器多孔砖支撑结构包括金属超级合金。
34.根据权利要求30所述的燃烧器系统，其中所述多个相邻穿孔反应稳定器部分采用纤维强化耐火粘固剂接合。
35.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器主体是不连续的；并且
其中所述穿孔反应稳定器主体限定穿孔，所述穿孔被所述穿孔反应稳定器主体彼此隔开；
其中所述穿孔反应稳定器主体包括堆叠的材料薄板，每个薄板具有与下面的或上覆的薄板中的至少一个的开口对准的开口。
36.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器主体是连续的；并且
其中所述穿孔反应稳定器主体限定穿孔，所述穿孔被所述穿孔反应稳定器主体彼此隔开。
37.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器主体限定多个穿孔，所述多个穿孔被配置为传输所述燃料和氧化剂并保持由所述燃料和氧化剂支持的所述燃烧反应，所述穿孔反应稳定器主体还被配置为从所述穿孔中的所述燃烧反应接收热量、保持所述热量以及将所述热量输出至进入所述穿孔的所述燃料和氧化剂。
38.根据权利要求37所述的燃烧器系统，其中与所述穿孔外维持的燃烧反应相比，所述穿孔维持更贫瘠的燃料和氧化剂的混合物的燃烧反应。
39.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器主体被配置为在相邻穿孔之间传输热量。
40.根据权利要求39所述的燃烧器系统，其中在相邻穿孔之间传输的所述热量被选择为使从一穿孔中的燃烧反应部分输出的热量为相邻穿孔中的燃烧反应部分提供热量以使其稳定。
41.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器包括由面对所述燃料和氧化剂源的输入表面和背向所述燃料和氧化剂源的输出表面限定的范围；并且
其中所述穿孔反应稳定器主体限定多个穿孔，所述多个穿孔形成为从所述输入表面至所述输出表面延伸的多个细长孔。
42.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器被配置为接收来自所述燃烧反应的热量并输出足够热量至所述燃料和氧化剂混合物以维持所述穿孔中的所述燃烧反应。
43.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器被配置为接收来自所述燃烧反应的热量并以热辐射形式输出所接收的热量的一部分至所述燃烧空间的壁。
44.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述穿孔的每一个界定所述燃料的燃烧反应的相应有限部分。
45.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述多个穿孔各自由以下表征：
长度L，所述长度L被定义为在所述穿孔反应稳定器的输入表面和输出表面之间的反应流体的传播路径长度；
其中所述反应流体包括：
所述燃料和氧化剂混合物；
反应中间产物；以及
反应产物。
46.根据权利要求45所述的燃烧器系统，其中所述多个穿孔各自由相对壁之间的横向尺寸D表征；并且
其中各个穿孔的所述长度L是所述穿孔的横向尺寸D的至少8倍。
47.根据权利要求46所述的燃烧器系统，其中所述长度L是所述横向尺寸D的至少十二倍。
48.根据权利要求46所述的燃烧器系统，其中所述长度L是所述横向尺寸D的至少十六倍。
49.根据权利要求46所述的燃烧器系统，其中所述长度L是所述横向尺寸D的至少二十四倍。
50.根据权利要求46所述的燃烧器系统，其中所述长度L足够长以使在流动穿过所述穿孔的反应流体中邻近于所述壁形成的热边界层会聚于所述穿孔内。
51.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器被配置为使所述燃料的燃烧反应发生在邻近于所述穿孔的壁形成的热边界层内。
52.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器主体包括耐火材料。
53.根据权利要求52所述的燃烧器系统，其中所述耐火材料包括堇青石或莫来石。
54.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器主体限定蜂窝结构。
55.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器主体包括金属超级合金。
56.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述穿孔相互平行且与所述穿孔反应稳定器的输入表面和输出表面垂直。
57.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述穿孔相互平行；并且
其中所述穿孔相对于所述穿孔反应稳定器的输入表面和输出表面成一角度形成。
58.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述穿孔相互不平行。
59.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述穿孔相互不平行且不相交。
60.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述穿孔相对于所述穿孔反应稳定器的输入表面和输出表面成一角度形成。
61.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述穿孔各自相对于所述穿孔反应稳定器的输入表面和输出表面成一角度形成；并且
其中所述穿孔共同成角度以在离开所述穿孔反应稳定器的燃烧流体中产生流向涡。
62.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中限定所述穿孔的所述穿孔反应稳定器主体被配置为至少在穿孔壁的热量接收区域中从所述燃烧反应接收热量。
63.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中限定所述穿孔的所述穿孔反应稳定器主体由热容量表征；并且
其中所述穿孔反应稳定器主体被配置为以对应于所述热容量的量保持来自所述燃烧反应的热量。
64.根据权利要求62所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器主体被配置为将热量从所述穿孔壁的热量接收区域转移到热量输出区域。
65.根据权利要求64所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器主体被配置为将热量经由热辐射从所述穿孔壁的热量接收区域转移到所述热量输出区域。
66.根据权利要求64所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器主体被配置为将热量经由热传导路径从所述穿孔壁的热量接收区域转移到所述热量输出区域。
67.根据权利要求64所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器主体被配置为将热量转移至工作流体；并且
其中所述工作流体被配置为将热量从所述穿孔壁的热量接收区域附近的所述穿孔反应稳定器主体的一部分转移到所述穿孔壁的热量输出区域附近的所述穿孔反应稳定器主体的一部分。
68.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器主体被配置为至少在穿孔壁的热量输出区域中将热量输出到的热边界层。
69.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器主体被配置为至少在穿孔壁的热量输出区域中将热量输出至所述燃料和氧化剂混合物。
70.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器主体被配置为从所述燃料的燃烧反应接收热量并输出辐射热能以维持所述穿孔反应稳定器主体的温度低于所述燃料的燃烧反应的绝热火焰温度。
71.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器主体被配置为从所述燃料的燃烧反应接收热量以使所述燃料的燃烧反应冷却至低于NOx形成温度的温度。
72.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述多个穿孔包括多个细长方孔。
73.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述多个穿孔包括多个细长六角孔。
74.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述多个穿孔的横向尺寸D在0.05英寸和1.0英寸之间。
75.根据权利要求74所述的燃烧器系统，其中所述多个穿孔的横向尺寸D在0.1英寸和0.5英寸之间。
76.根据权利要求74所述的燃烧器系统，其中所述多个穿孔的横向尺寸D为0.2至0.4英寸。
77.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述多个穿孔与所述穿孔反应稳定器的输入表面和输出表面基本上垂直。
78.根据权利要求77所述的燃烧器系统，其中所述多个穿孔包括多个中空圆柱。
79.根据权利要求77所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器主体包括纤维强化的铸造耐火材料；并且
其中所述多个穿孔由钻穿所述纤维强化的铸造耐火材料形成。
80.根据权利要求77所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器的空隙率为约0.30。
81.根据权利要求77所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器主体限定中心孔、相对于所述中心孔具有选定间距和尺寸的呈同心排列的第一组孔和相对于所述中心孔具有不同选定间距和尺寸的呈同心排列的第二组孔；并且
其中所述穿孔反应稳定器被配置为保持所述燃料的燃烧反应。
82.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器的空隙率在0.10和0.90之间。
83.根据权利要求82所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器的空隙率在0.30和0.70之间。
84.根据权利要求82所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器的空隙率为约0.70。
85.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器主体是不连续的。
86.根据权利要求85所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器主体限定相互分支的穿孔；
其中所述穿孔反应稳定器主体包括堆叠的材料薄板，每个薄板具有与下面的或上覆的薄板的开口不对准的开口。
87.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器主体包括纤维。
88.根据权利要求87所述的燃烧器系统，其中所述纤维包括网状纤维。
89.根据权利要求87所述的燃烧器系统，其中所述纤维限定围绕和穿过所述纤维交织的分支的穿孔。
90.根据权利要求87所述的燃烧器系统，其中所述纤维包括硅酸铝。
91.根据权利要求90所述的燃烧器系统，其中所述纤维由挤出的莫来石或堇青石形成。
92.根据权利要求87所述的燃烧器系统，其中所述纤维包括金属。
93.根据权利要求92所述的燃烧器系统，其中所述纤维包括不锈钢。
94.根据权利要求92所述的燃烧器系统，其中所述纤维包括金属超级合金。
95.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器主体是连续的；并且
其中所述穿孔反应稳定器主体限定相互分支的穿孔。
96.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器主体包括多个柱状物；并且
其中所述多个穿孔包括所述多个柱状物之间的空间。
97.根据权利要求96所述的燃烧器系统，所述燃烧器系统还包括：
可操作地连接至所述多个柱状物的底板。
98.根据权利要求97所述的燃烧器系统，其中所述底板限定多个孔，所述多个孔被配置为允许氧化流体流入所述柱状物之间的所述穿孔。
99.根据权利要求97所述的燃烧器系统，其中所述底板包括穿孔金属薄板，所述穿孔金属薄板包括被选择为允许氧化流体流入所述柱状物之间的所述穿孔的开口。
100.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器主体包括捆束在一起的多个管。
101.根据权利要求100所述的燃烧器系统，其中所述多个穿孔包括在所述多个管内部的中空圆柱。
102.根据权利要求100所述的燃烧器系统，其中所述多个穿孔包括在所捆束的管之间的间隙。
103.根据权利要求100所述的燃烧器系统，其中所述多个管包括陶瓷管；并且
还包括在所述多个管周边的金属张力构件，所述金属张力构件被设置为将所述多个管保持在一起。
104.根据权利要求103所述的燃烧器系统，其中所述金属张力构件包括不锈钢。
105.根据权利要求103所述的燃烧器系统，其中所述金属张力构件包括超级合金金属线。
106.根据权利要求103所述的燃烧器系统，其中所述金属张力构件包括超级合金金属带。
107.根据权利要求100所述的燃烧器系统，其中所述多个管包括陶瓷管；并且
还包括在所述管之间并被配置为将所述管粘附在一起的耐火粘固剂。
108.根据权利要求100所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器主体包括堆叠的材料薄板，每个薄板具有与下面的或上覆的薄板的开口不对准的开口，以形成分支穿孔。
109.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器主体是不连续的；并且
其中所述穿孔反应稳定器主体限定相互分支的穿孔；
其中所述穿孔反应稳定器主体包括堆叠的材料薄板，每个薄板具有与下面的或上覆的薄板的开口不对准的开口。
110.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器主体包括堆叠在一起的多个穿孔薄板以形成包括所述穿孔的多个流动路径。
111.根据权利要求110所述的燃烧器系统，其中所述穿孔薄板包括穿孔金属薄板。
112.根据权利要求110所述的燃烧器系统，其中所述穿孔薄板包括陶瓷薄板。
113.根据权利要求110所述的燃烧器系统，其中所述穿孔薄板包括膨胀薄板。
114.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器主体包括不连续的填充主体；并且
其中所述穿孔包括所述不连续的填充主体之间的间隙。
115.根据权利要求114所述的燃烧器系统，其中所述不连续的填充主体包括结构化填充形状。
116.根据权利要求114所述的燃烧器系统，其中所述不连续的填充主体包括无规填充形状。
117.根据权利要求114所述的燃烧器系统，其中所述不连续的填充主体包括陶瓷拉西环。
118.根据权利要求114所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器还包括被配置为保持陶瓷鞍座的金属笼。
119.根据权利要求118所述的燃烧器系统，其中所述金属笼包括不锈钢。
120.根据权利要求118所述的燃烧器系统，其中所述金属笼包括金属超级合金。
121.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器主体包括多个陶瓷球；并且
其中所述穿孔包括所述陶瓷球之间的间隙。
122.根据权利要求121所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器还包括被配置为保持所述陶瓷球的金属笼。
123.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述穿孔反应稳定器是对称的以使所述穿孔反应稳定器的输入表面和输出表面可互换。
124.根据权利要求123所述的燃烧器系统，其中所述输入表面和所述输出表面通过哪个表面被安装为面对所述燃料和氧化剂源而被分别确定。
125.一种加热炉，所述加热炉包括：
燃料和空气源，所述燃料和空气源被设置为将燃料和空气输出至燃烧空间中以形成燃料和空气混合物；
穿孔反应稳定器，所述穿孔反应稳定器被设置于所述燃烧空间中，所述穿孔反应稳定器包括穿孔反应稳定器主体，所述穿孔反应稳定器主体限定匹配为接收来自所述燃料和空气源的所述燃料和空气混合物的多个穿孔；以及
穿孔反应稳定器支撑结构，所述穿孔反应稳定器支撑结构被配置为支撑所述穿孔反应稳定器距所述燃料和空气源一距离DD；并且
其中所述穿孔各自具有等于或大于所述燃料的熄火距离的横向尺寸D。
126.根据权利要求125所述的加热炉，其中所述穿孔被配置为共同保持由所述燃料和空气混合物支持的燃烧反应的大部分。
127.根据权利要求126所述的加热炉，其中保持所述燃烧反应的大部分包括使得超过一半的由所述燃烧反应产生的总热量在所述穿孔反应稳定器的输入表面和输出表面之间产生。
128.根据权利要求127所述的加热炉，其中保持所述燃烧反应的大部分包括使得至少80％的由所述燃烧反应产生的总热量在所述穿孔反应稳定器的输入表面和输出表面之间产生。
129.根据权利要求127所述的加热炉，其中保持所述燃烧反应的大部分包括使得至少98％的由所述燃烧反应产生的总热量在所述穿孔反应稳定器的输入表面和输出表面之间产生。
130.根据权利要求126所述的加热炉，其中保持所述燃烧反应的大部分包括使超过一半的被消耗燃料在所述穿孔内转化成燃烧产物CO2和H2O。
131.根据权利要求130所述的加热炉，其中保持所述所述燃烧反应的大部分包括使至少80％的被消耗燃料在所述穿孔内转化成燃烧产物CO2和H2O。
132.根据权利要求130所述的加热炉，其中保持所述燃烧反应的大部分包括使至少98％的被消耗燃料在所述穿孔内转化成燃烧产物CO2和H2O。
133.根据权利要求126所述的加热炉，其中保持所述燃烧反应的大部分包括支撑燃烧以使从所述穿孔反应稳定器的输入表面朝向所述燃料和空气源的可见火焰延伸的距离小于所述穿孔反应稳定器的厚度TRH。
134.根据权利要求126所述的加热炉，其中保持所述燃烧反应的大部分包括支撑燃烧以使从所述穿孔反应稳定器的输出表面远离所述燃料和空气源的可见火焰延伸的距离小于所述穿孔反应稳定器的厚度TRH的三倍。
135.根据权利要求134所述的加热炉，其中保持所述燃烧反应的大部分包括支撑燃烧以使从所述穿孔反应稳定器的输出表面远离所述燃料和空气源的可见火焰延伸的距离小于所述穿孔反应稳定器的厚度TRH。
136.根据权利要求125所述的加热炉，其中所述燃料和空气源还包括：
燃料喷嘴，所述燃料喷嘴被配置为穿过具有直径的孔向所述穿孔反应稳定器输出燃料；以及
空气源，所述空气源被配置为将携带氧气的空气输出至所述燃烧空间中；
其中当所述燃料和空气穿过所述燃料和空气源与所述穿孔反应稳定器之间的距离DD时，分别来自所述燃料和空气源的所述燃料和空气混合以形成所述燃料和空气混合物。
137.根据权利要求136所述的加热炉，其中所述距离DD大于所述孔的直径的20倍。
138.根据权利要求137所述的加热炉，其中所述距离DD等于或大于所述孔的直径的100倍。
139.根据权利要求137所述的加热炉，其中所述距离DD为所述孔的直径的约245倍。
140.根据权利要求125所述的加热炉，其中燃料和空气源被配置为当所述燃料和空气穿过所述距离DD时输出经由泰勒层隔开的涡旋混合的富燃料部分和贫燃料部分；并且
其中所述距离DD足以使涡旋卷吸以消除所述泰勒层，在这种情况下所述燃料和空气混合物到达所述穿孔反应稳定器。
141.根据权利要求125所述的加热炉，其中由所述燃料和空气源输出的燃料和空气混合物被选择为提供燃料稀释，所述燃料稀释使燃烧反应在没有所述穿孔反应稳定器支撑的情况下不稳定。
142.根据权利要求125所述的加热炉，其中所述穿孔被配置为共同保持无焰燃烧反应。
143.根据权利要求142所述的加热炉，其中所述无焰燃烧反应发生在所述穿孔内，使得在富燃料区域和富氧化剂区域之间不存在当量边缘。
144.根据权利要求125所述的加热炉，还包括由加热炉主体限定的加热炉壁，所述加热炉壁限定具有横向延伸W的所述燃烧空间；
其中所述穿孔反应稳定器具有由周向壁限定的横向延伸WRH；并且
其中所述穿孔反应稳定器的横向延伸WRH基本上等于所述燃烧空间的横向延伸W。
145.根据权利要求125所述的加热炉，还包括由加热炉主体限定的加热炉壁，所述加热炉壁限定具有横向延伸W的所述燃烧空间；
其中所述穿孔反应稳定器具有由周向壁限定的横向延伸WRH；并且
其中所述穿孔反应稳定器的横向延伸WRH小于所述燃烧空间的横向延伸W。
146.根据权利要求145所述的加热炉，其中在所述穿孔反应稳定器的周向壁和所述燃烧空间的壁之间的区域被选择为允许烟道气从远离所述燃料和空气源与所述穿孔反应稳定器之间的区域的所述燃烧空间的区域自然循环至所述燃料和空气源与所述穿孔反应稳定器之间的所述燃烧空间的区域。
147.根据权利要求125所述的加热炉，其中所述燃料和空气源被配置为输出所述燃料和空气以便当所述燃料和空气行进所述燃料和空气源与所述穿孔反应稳定器之间的距离DD时，烟道气被挟带于所述燃料和空气混合物中。
148.根据权利要求125所述的加热炉，还包括由加热炉主体限定的加热炉底板；
其中所述穿孔反应稳定器支撑结构被配置为从所述加热炉底板支撑所述穿孔反应稳定器。
149.根据权利要求125所述的加热炉，其中所述穿孔反应稳定器包括多个部分；并且
还包括：
穿孔反应稳定器部分支撑结构，所述穿孔反应稳定器部分支撑结构可操作地连接至所述穿孔反应稳定器支撑结构；
其中所述穿孔反应稳定器部分支撑结构被配置为支撑形成所述穿孔反应稳定器的所述部分。
150.根据权利要求149所述的加热炉，其中所述穿孔反应稳定器部分支撑结构包括金属超级合金。
151.根据权利要求150所述的加热炉，其中所述穿孔反应稳定器部分支撑结构包括铬镍铁合金。
152.根据权利要求125所述的加热炉，其中所述穿孔反应稳定器支撑结构包括耐火砖。
153.根据权利要求125所述的加热炉，其中所述穿孔反应稳定器支撑结构包括金属超级合金。
154.根据权利要求125所述的加热炉，所述加热炉还包括：
限定加热炉壁的加热炉主体，所述加热炉壁包括非金属耐火材料；以及
多个辐射区工作流体管，所述多个辐射区工作流体管被设置在所述穿孔反应稳定器的周向表面和所述加热炉壁之间；
其中所述穿孔反应稳定器被配置为发出热辐射以加热所述多个辐射区工作流体管和所述加热炉壁。
155.根据权利要求125所述的加热炉，其中所述燃料和空气源包括回旋叶片，所述回旋叶片被设置为帮助燃料和空气混合，但不提供足够混合以使燃烧反应被所述燃料和空气源支撑。
156.根据权利要求125所述的加热炉，还包括由加热炉壁限定的加热炉主体；
其中所述穿孔反应稳定器支撑结构由所述加热炉壁支撑。
157.根据权利要求156所述的加热炉，其中所述穿孔反应稳定器支撑结构限定孔，所述孔被选择为允许烟道气从远离所述燃料和空气源与所述穿孔反应稳定器之间的区域的所述燃烧空间的区域自然循环至所述燃料和空气源与所述穿孔反应稳定器之间的所述燃烧空间的区域。
158.一种燃烧系统，所述燃烧系统包括：
燃料和氧化剂源，所述燃料和氧化剂源被配置为将燃料和氧化剂输出为燃料和氧化剂混合物；
穿孔反应稳定器，所述穿孔反应稳定器被匹配为在包括多个穿孔的整个输入表面接收所述燃料和氧化剂混合物；以及
加热装置，所述加热装置被配置为使所述穿孔反应稳定器加热；
其中所述穿孔反应稳定器被配置为在所述加热装置预热所述穿孔反应稳定器之后将由所述燃料和氧化剂混合物支持的燃烧反应支撑在所述多个穿孔中；并且
其中所述穿孔各自具有等于或大于所述燃料的熄火距离的横向尺寸D。
159.根据权利要求158所述的燃烧系统，还包括：
控制电路，所述控制电路被可操作地连接至所述加热装置，所述控制电路被配置为使所述加热装置工作。
160.根据权利要求159所述的燃烧系统，还包括：
热传感器，所述热传感器可操作地连接到所述控制电路，所述热传感器被配置为检测所述穿孔反应稳定器的温度；
其中所述控制电路被配置为响应于来自所述热传感器的输入来控制所述加热装置。
161.根据权利要求160所述的燃烧系统，其中所述控制电路被配置为使所述加热装置维持所述穿孔反应稳定器的温度。
162.根据权利要求159所述的燃烧系统，还包括：
燃料控制阀，所述燃料控制阀被配置为控制从燃料源至所述燃料和氧化剂源的燃料的流量，所述燃料控制阀可操作地连接到所述控制电路。
163.根据权利要求159所述的燃烧系统，还包括：
燃烧传感器，所述燃烧传感器可操作地连接到所述控制电路，所述燃烧传感器被配置为检测所述穿孔反应稳定器的温度；以及
燃料控制阀，所述燃料控制阀被配置为控制从燃料源至所述燃料和氧化剂源的燃料的流量，所述燃料控制阀可操作地连接到所述控制电路；
其中所述控制电路被配置为响应于来自所述燃烧传感器的输入来控制所述燃料控制阀。
164.根据权利要求163所述的燃烧系统，其中所述控制电路被配置为控制所述燃料控制阀以维持所述穿孔反应稳定器的操作温度。
165.根据权利要求163所述的燃烧系统，其中所述控制电路被配置为在控制所述燃料控制阀以使所述燃料和氧化剂混合物输出至所述穿孔反应稳定器之前控制所述加热装置将所述穿孔反应稳定器加热至操作温度。
166.根据权利要求159所述的燃烧系统，还包括：
鼓风机，所述鼓风机可操作地连接至所述控制电路且被配置为迫使空气穿过所述燃料和氧化剂源。
167.根据权利要求159所述的燃烧系统，还包括：
氧气传感器，所述氧气传感器被设置为检测排气烟道中的氧气浓度且可操作地连接至所述控制电路。
168.根据权利要求158所述的燃烧系统，其中所述加热装置包括：
火焰稳定器，所述火焰稳定器被配置为支撑被设置为加热所述穿孔反应稳定器的火焰。
169.根据权利要求168所述的燃烧系统，其中所述燃料和氧化剂源包括被配置为发出燃料流的燃料喷嘴；以及
空气源，所述空气源被配置为输出邻近于所述燃料流的燃烧空气；
其中所述燃料喷嘴和空气源被配置为输出逐渐被所述燃烧空气稀释的所述燃料流；并且
其中所述穿孔反应稳定器被设置为接收稀释的燃料和空气混合物，当所述穿孔反应稳定器处于操作温度时，所述稀释的燃料和空气混合物支持被所述穿孔反应稳定器所稳定的贫瘠燃烧反应；并且其中所述火焰稳定器被配置为在对应于富裕燃料和空气的混合物位置处支撑所述火焰，在没有由已加热的穿孔反应稳定器提供的稳定的情况下，所述火焰是稳定的。
170.根据权利要求168所述的燃烧系统，还包括：
控制电路；以及
火焰稳定器致动器，所述火焰稳定器致动器可操作地连接至所述控制电路和所述火焰稳定器。
171.根据权利要求170所述的燃烧系统，其中所述控制电路被配置为使得所述火焰稳定器致动器在所述穿孔反应稳定器在操作温度下时，使所述火焰稳定器不保持所述火焰。
172.根据权利要求158所述的燃烧系统，其中所述加热装置包括可操作地连接至所述穿孔反应稳定器的电阻加热器。
173.根据权利要求172所述的燃烧系统，其中所述电阻加热器被配置为加热所述穿孔反应稳定器至操作温度。
174.根据权利要求172所述的燃烧系统，其中所述电阻加热器被配置为加热所述穿孔反应稳定器以防止所述穿孔反应稳定器降到操作温度以下。
175.根据权利要求172所述的燃烧系统，其中所述加热装置还包括：
电源；以及
开关，所述开关是可操作的，以选择性地将所述电源连接至所述电阻加热器。
176.根据权利要求175所述的燃烧系统，还包括：
控制电路，所述控制电路可操作地连接至所述开关；
其中所述控制电路被配置为控制所述开关来选择性地将所述电源连接至所述电阻加热器。
177.根据权利要求158所述的燃烧系统，其中所述加热装置可作为启动装置操作。
178.根据权利要求177所述的燃烧系统，其中所述启动装置包括启动火焰稳定器，所述启动火焰稳定器被配置为临时保持启动火焰，所述启动火焰被设置为向所述穿孔反应稳定器输出热量。
179.根据权利要求178所述的燃烧系统，其中所述启动火焰稳定器包括被配置为使涡旋循环热量来维持所述启动火焰的阻流体。
180.根据权利要求178所述的燃烧系统，其中所述启动火焰稳定器被配置为在所述穿孔反应稳定器已达到操作温度之后，机械回缩至不保持所述启动火焰的位置。
181.根据权利要求178所述的燃烧系统，其中所述启动火焰稳定器被配置为由燃烧系统操作者手工致动。
182.根据权利要求178所述的燃烧系统，还包括火焰充电器，所述火焰充电器被设置为向所述启动火焰输出电荷；
其中所述启动装置包括导电体，所述导电体被配置为吸引来自所述启动火焰的电荷以保持所述启动火焰用于输出热量到所述穿孔反应稳定器。
183.根据权利要求158所述的燃烧系统，其中所述加热装置包括放电点火器，所述放电点火器被配置为向所述燃料和氧化剂混合物输出脉冲点火。
184.根据权利要求158所述的燃烧系统，其中所述加热装置包括引燃火焰装置。
185.一种燃烧系统，所述燃烧系统包括：
预混合燃料和氧化剂源，所述预混合燃料和氧化剂源被配置为将预混合的燃料和空气流输出至燃烧空间中；以及
穿孔反应稳定器，所述穿孔反应稳定器包括匹配为接收所述预混合的燃料和空气流的输入表面；
其中所述穿孔反应稳定器包括具有分布在整个所述输入表面上的开口的多个穿孔，所述多个穿孔共同被配置为支撑燃烧反应；并且
其中所述穿孔各自具有等于或大于所述燃料的熄火距离的横向尺寸D。
186.根据权利要求185所述的燃烧系统，其中所述预混合燃料和氧化剂源还包括：
预混合室；
燃料喷嘴，所述燃料喷嘴被配置为输出燃料至所述预混合室中；以及
空气通道，所述空气通道被配置为输出燃烧空气至所述预混合室中。
187.根据权利要求185所述的燃烧系统，还包括：
阻火器，所述阻火器被配置为防止火焰回火至所述预混合燃料和氧化剂源中。
188.根据权利要求187所述的燃烧系统，其中所述穿孔反应稳定器被设置为距所述阻火器足够的距离以防止足以降低阻火器阻止火焰传播穿过它的有效性的阻火器的辐射加热。
189.根据权利要求185所述的燃烧系统，其中所述穿孔反应稳定器被设置为离开所述燃烧空间的壁；
其中所述穿孔反应稳定器与所述燃烧空间的壁的分离提供烟道气自然循环的通道，所述循环是从所述穿孔反应稳定器的输出表面上方的所述燃烧空间的一部分到所述预混合燃料和空气源与所述穿孔反应稳定器的输入表面之间的所述燃烧空间的一部分；并且
其中所述预混合燃料和空气源被配置为在到达所述穿孔反应稳定器的输入表面之前，输出被选择为挟带循环的烟道气的燃料和空气混合物。
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