CN105247284B - 电稳定燃烧器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电稳定燃烧器，所述电稳定燃烧器被配置成支撑燃烧反应，诸如基本上在所选燃料稀释下具有一定混合速率的燃烧反应，所述混合速率被选择为使所述反应速率最大化而不会猝灭所述燃烧反应。

Description

电稳定燃烧器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2013年7月24日提交的名称为“ELECTRICALLY STABILIZED BURNER”(电稳定燃烧器)的美国非临时专利申请No.13/950,249的优先权权益，所述非临时专利申请在不与本文公开内容相矛盾的程度内以引用方式并入。
发明内容
根据一个实施例，电稳定燃烧器包括导电火焰保持器和充电器，所述导电火焰保持器被配置用于靠近燃料射流安装，所述充电器被设置成与导电火焰保持器协作以使燃烧反应在火焰保持器附近稳定。混合器被配置成将燃料与氧化剂、空气和/或烟道气在导电火焰保持器上方混合。混合器被配置成将燃料与氧化剂、空气和/或烟道气以一定速率混合，所述速率被选择为使燃烧反应的速率最大化，同时避免猝灭燃烧反应。充电器可为电晕电极或另一种离子源，其被设置成将电荷输出到燃料，输出到在燃料流附近且在导电火焰保持器下方的卷吸体积，或输出到随后与燃料或稀释燃料混合的氧化剂、空气和/或烟道气。除此之外或作为另外一种选择，充电器可以为与燃烧反应的导电部分电导通(例如，与火焰护套电导通)的充电电极。
根据一个实施例，用于操作电稳定燃烧器的方法包括在与所选燃料稀释相对应的沿着燃料射流的一定距离处靠近燃料射流支撑导电火焰保持器，将电压或电荷施加到由燃料射流支撑的燃烧反应，以及响应于燃烧反应与导电火焰保持器之间的至少间歇电压差，而使燃烧反应靠近导电火焰保持器稳定。将燃料与氧化剂、空气和/或烟道气在导电火焰保持器上方进一步混合。
附图说明
图1为根据一个实施例的电稳定燃烧器的侧剖面示意图。
图2A为根据一个实施例的图1的电稳定燃烧器的一部分的平面图，且具有混合器控制器的框图。
图2B为根据一个实施例的与图2A相对应的电稳定燃烧器的一部分的侧视图。
图3为根据一个实施例的电稳定燃烧器的至少一部分的透视图。
图4为根据另一个实施例的电稳定燃烧器的简化透视图。
图5为根据另一个实施例的电稳定燃烧器的简化透视图。
图6为根据另一个实施例的电稳定燃烧器的简化透视图。
图7为根据一个实施例的示出了用于操作电稳定燃烧器的方法的流程图。
具体实施方式
在以下具体实施方式中，参考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符号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，可采用其他实施例和/或可进行其他更改。
图1为根据一个实施例的电稳定燃烧器101的侧剖面示意图。导电火焰保持器102被配置用于靠近燃料射流112安装。充电器106(例如，被配置成施加电荷的电极)被设置成与导电火焰保持器102协作以使燃烧反应108在导电火焰保持器102附近稳定。混合器110被配置成将来自燃料射流112的燃料与氧化剂、空气和/或烟道气在导电火焰保持器102上方混合。例如，混合器110可包括一个或多个流体通路103。混合器110被配置成引起燃料与氧化剂、空气和/或烟道气的高混合速率(或使混合时间最小化)而不会猝灭燃烧反应108。
燃料射流112以基本上恒定的角度θ从燃料喷嘴116发散。据估计燃料射流112的发散角度θ为偏离燃料运输轴线的7.5度发散角度。作为另外一种选择，发散角度可称为15度立体角(2θ)。燃料从形成燃料喷嘴出口的孔隙上游的一点发散，使得在燃料流离开燃料喷嘴116的点处，孔隙与燃料射流的边缘重合。
燃料射流区域的扩展对应于由周围流体114的卷吸造成的燃料的稀释。例如，周围流体114可包括空气和/或被重复循环的烟道气。如果周围流体114为空气；则例如被卷吸的流体可包括约21％氧气、约78％氮气以及少量的其他气体。如果周围流体114包括烟道气循环；则例如被卷吸的流体可包括约2％至5％氧气、约78％氮气以及各种燃烧产物，诸如存在于被重复循环的烟道气中的二氧化碳、水蒸气以及其他物质。随燃料射流112卷吸的再循环烟道气114因此可导致与燃料混合的较低浓度的氧气。
应当理解，离开燃料喷嘴116的燃料射流112自身可包括氧化剂、空气、烟道气和/或另一种稀释剂。在实施例中，燃料射流在其离开燃料喷嘴116时为纯燃料或燃料与氧化剂混合物，其高于燃料的富可燃极限，使得在燃料喷嘴出口处引入的火花不会引起反闪到燃料喷嘴116中。
与未通过燃料喷嘴116与导电火焰保持器102之间的区域120中的卷吸而部分地预先混合的燃烧反应相比，从由电稳定燃烧器101支撑的燃烧反应108输出减少的氮氧化物(NOx)。与未电稳定的燃烧器101相比，由燃烧器101提供的电稳定允许更稳定且可靠的燃烧反应，不易在贫操作条件下熄火。
在接近贫可燃极限处燃烧的燃烧反应108具有比较富燃烧的燃烧反应108更低的温度，并且输出比较富燃烧的燃烧反应108更少的NOx。此外，充分混合的燃烧反应108往往比混合得差的燃烧反应108输出更少的NOx。燃烧器101既提供增强的混合(以便减少“快速型NOx”)，又提供较贫的燃烧(以便减少Zeldovich机理(亦称，“热”)NOx)。此外，由混合器110提供的高混合速率使高温停留时间最小化，这减少了NOx输出。
支撑结构118在沿着燃料射流112的所选距离120处支撑导电火焰保持器102。导电火焰保持器102支撑处的沿着燃料射流112的距离120可被选择为对应于所需燃料稀释处。例如，对于不引入另外空气或烟道气的混合器110(例如，在对应于图4-图6的实施例中)，距离120可被选择为以操作条件下燃料的贫可燃极限或略微更富，将燃料射流112提供给导电火焰保持器102。作为另外一种选择，对于其中混合器110引入另外的稀释的实施例(例如，在对应于图1、图2A、图2B和/或图3的实施例中)，距离120可被选择为使得由被卷吸空气或烟道气114引起的稀释加上由混合器110引起的稀释以操作条件下燃料的贫可燃极限或略微更富来提供燃料混合物。
在一个实施例中，混合器110被配置成以与所选丹姆克尔数相对应的混合速率将燃料与氧化剂、空气或烟道气混合。丹姆克尔数(Da)为混合时间与化学点火延迟时间的无量纲比率。在小Da(小于1)下，混合时间短于化学点火延迟时间，并且燃烧反应被冷反应物猝灭。这是因为进行混合的速度快于燃烧反应释放热量的速度。在大Da(＞＞1)下，混合时间大于化学点火延迟时间。在大Da下，燃烧反应释放热量的速度快于(相对较冷)反应物合并的速度。大Da燃烧反应容易爆炸。此外，在大Da下混合相对低效，这引起在燃料稀释的相对大范围和燃料与氧化剂比率的相对大范围内燃烧。燃料与氧化剂比率的大范围一般使得燃烧反应也表现出燃烧温度的大范围(且具有相应较宽的玻耳兹曼分布)。燃烧温度的大范围与高一氧化碳和高NOx输出相关，两者均是不期望的。
作为另外一种选择，Da可表示为反应速率与对流传质速率的比率，并以如下公式表示：
其中kc为反应速率常数，C0为初始浓度，n为反应级数，并且τ为平均停留时间。
所选丹姆克尔数可等于或大于1，而不使燃烧反应108猝灭。在一个实施例中，混合器110可操作而使所选丹姆克尔数在1.1与1.7之间。在一具体实施例中，混合器110可操作而使所选丹姆克尔数为约1.3。使混合器110在大于1的Da下运行可提供相对于瞬时效应的操作裕度，所述瞬时效应可引起燃烧反应108的猝灭。
导电火焰保持器102被成形为限定孔隙104，所述孔隙被配置成支撑在燃料射流112周边及附近。混合器110可被操作而产生丹姆克尔数，所述丹姆克尔数被选择为形成设置在孔隙104附近的紧凑燃烧反应108。例如，丹姆克尔数可被选择为形成设置在孔隙104内的紧凑燃烧反应。
在一个实施例中，充电器106和导电火焰保持器102被配置成协作以保持燃烧反应108中两者之间的电流通道。电流通道使燃烧反应108稳定并保持在导电火焰保持器102附近。
在一个实施例中，电源122可操作地耦合到充电器106并且被配置成使充电器106将电流施加到燃烧反应108。作为另外一种选择，电源122可被配置成使充电器106将随时间变化的电流施加到燃烧反应108。随时间变化的电流对应于燃烧反应108中随时间变化的电荷浓度，其可作为相应的电势进行测量。随时间变化的电荷可包括符号变化的电荷。随时间变化的电荷可包括具有约50至约10,000赫兹的频率的周期性电荷波形。在另一个实施例中，随时间变化的电荷可包括具有约200至约800赫兹的频率的周期性电荷波形。随时间变化的电荷可包括例如方波形、正弦波形、三角波形、截顶的三角波形、锯齿波形、对数波形、指数波形或其他任意形状。本发明人已发现具有锐边的波形(例如，方波形、三角波形或锯齿波形)往往引起燃烧反应108中的更高可见度(更易观察)效应。
在一个实施例中，充电器106包括充电电极106，其被配置成靠近燃烧反应108设置。电源122被配置成将电压施加到充电电极106。电源122可被配置成将基本上恒定的电压或随时间变化的电压施加到充电电极106。随时间变化的电压可包括符号变化的电压。随时间变化的电压可包括具有约50至约10,000赫兹的频率的周期性电压波形。例如，周期性电压波形可具有约200至约800赫兹的频率。随时间变化的电压可包括方波形、正弦波形、三角波形、截顶的三角波形、锯齿波形、对数波形或指数波形。施加到充电电极106的随时间变化的电压包括具有约±1,000伏特至约±115,000伏特的振幅的波形。例如，随时间变化的电压包括具有约±8,000伏特至约±40,000伏特的振幅的波形。
电源122还可操作地耦合到导电火焰保持器102。电源122被配置成将与施加到充电器(例如，充电电极106)不同的电压施加到导电火焰保持器102。例如，导电火焰保持器102可保持在接地电势。根据一个实施例，导电火焰保持器102可与对应于从燃烧反应108接收的电荷的电压之外的电压进行流电隔离。除此之外或作为另外一种选择，电源122可操作地耦合到燃料喷嘴116。燃料喷嘴116一般保持在接地电势。作为另外一种选择，燃料喷嘴116可与对应于通过燃烧反应108从充电器106接收的电荷的电压之外的电压进行流电隔离。在实施例中，燃料喷嘴116与导电火焰保持器102保持电导通。
任选地，电源122被配置成向导电火焰保持器102和/或燃料喷嘴116施加在极性上与由充电器106施加到燃烧反应108的电荷相反的一个或多个电压。与将导电火焰保持器102保持在接地电势相比，驱动导电火焰保持器102达到在极性上与施加到燃烧反应108的电荷相反的电压，可将更大火焰吸引力提供给导电火焰保持器102，从而提供更大火焰稳定性。可动态地选择由电源122施加的电压，例如在更高燃料流速下施加更大电压(并且具体地讲，充电器106与导电火焰保持器102之间的更大电压差)。在一个实施例中，电源122被配置成驱动充电器106以保持充电器106与导电火焰保持器102之间的电容耦合电压关系。
电稳定燃烧器101可包括设置在导电火焰保持器102与充电器106之间的电绝缘体124。混合器110可与电绝缘体124一体地形成。
图2A为根据一个实施例的图1的电稳定燃烧器101的一部分的平面图201。图2B为根据一个实施例的与图2A相对应的电稳定燃烧器的一部分的侧视图。混合器110还包括一个或多个流体通路103，所述流体通路切向地进入孔隙104以便被配置成赋予旋转速度而在燃烧反应108上赋予流向涡202。所述一个或多个流体通路103可被布置成将燃烧反应108驱动到流向涡202中。流体歧管204被配置成将混合流体供应给所述一个或多个流体通路103。根据响应于流体控制阀206而流过流体歧管204的流体流速来控制混合速率。混合器控制器210被配置成操作控制阀206以控制流体流动和混合速率。流体包括氧化剂(例如，包括在氧气、空气和烟道气中任何一种或全部中)和/或燃料。如果主燃料射流112减少或停止，由所述一个或多个流体通路103喷射的流体射流可任选地被配置成充当引燃火焰。
图3为根据一个实施例的电稳定燃烧器301的一部分的透视图。电稳定燃烧器301包括支撑结构118，所述支撑结构118被配置成将导电火焰保持器102保持在离燃料喷嘴116的所选距离处。如所述的那样，所述距离可被选择为对应于所需的燃料与氧化剂、空气和/或烟道气混合物。电绝缘体124可设置在导电火焰保持器102与充电器106之间。(任选地，充电器106和导电火焰保持器102可被气隙分隔开。)在实施例301中，混合器110包括一个或多个流体通路103，所述一个或多个流体通路103形成到电绝缘体124中或穿过电绝缘体124，以便与由电绝缘体124限定的孔隙104的周边基本上切向地输出混合流体。导电火焰保持器102、燃料喷嘴116和支撑结构118被配置为一体化单元。配件306被形成为接受耦合到流体歧管(图2中示意性地示出的204)。与充电器106保持电导通的电接线片304被配置用于可操作地耦合到来自电源122的引线(未示出)。燃料喷嘴116、支撑结构118、导电火焰保持器102、电绝缘体124、流体通路103、充电器106和电接线片304中的一些或全部可形成为一体化单元。
设想了各种混合器实施例。图1、图2A、图2B和图3的实施例示出了形成为涡流生成喷射嘴的混合器。如图所述，氧化剂、空气、烟道气或燃料可单独地或组合地穿过所述一个或多个流体通路103。作为另外一种选择，混合器110可包括多个电极，所述多个电极被配置成对由燃烧反应108携带的带电粒子赋予旋转力。所得的带电粒子的运动可继而将动量传输到燃烧反应108中的不带电粒子。
图4为根据另一个实施例的电稳定燃烧器401的简化透视图。混合器410包括多个场电极402，所述多个场电极402可操作地耦合到一个或多个电源122并且设置在充电器106与导电火焰保持器102之间。所述多个场电极402可由电绝缘体124携带，或作为另外一种选择，可支撑在充电器106与导电火焰保持器102之间的气隙内。所使用的场电极的实际数量可少于或多于三个。混合器控制器(未示出)可操作地耦合到所述一个或多个电源122。混合器控制器被配置成使所述一个或多个电源122将驱动电压顺序地施加到场电极402。混合器控制器被配置成以一定方式驱动场电极402，所述方式被选择为使场电极402将燃料与氧化剂、空气和/或烟道气在所选混合速率下混合。例如，混合器控制器可被配置成以一定序列驱动场电极402，所述序列被选择为使场电极402顺序地吸引和排斥对应于由燃烧反应108携带的带电粒子的多数极性的带电粒子(带电粒子的多数极性由充电器106供应)。带电粒子的顺序驱动使带电粒子和对应的流向涡在由导电火焰保持器102、场电极402、电绝缘体124和/或充电器106限定的孔隙中循环。所得的燃烧反应108的循环使燃料与氧化剂、空气和/或烟道气在所选速率下混合。
电涡流生成的方法描述于2010年4月1日提交的名称为“SYSTEM AND APPARATUSFOR APPLYING AN ELECTRIC FIELD TO A COMBUSTION VOLUME”(用于将电场施加到燃烧体积的系统和设备)的美国专利申请序列号12/753,047中，该专利申请全文以引用方式并入。与美国专利申请序列号No.12/753,047中所述的方法相比，本文的公开内容通过作用于携带多数电荷的燃烧反应而提供涡流生成。多数电荷可减少旋转惯性的量，所述旋转惯性被具有与多数电荷相反的极性的带电粒子抵抗。例如，对于带正电的燃烧反应，与中性燃烧反应中可用的数量相比，相对更高浓度的带正电的粒子可在场电极402的影响下循环。
由电源122施加到充电器106的电压可为基本上恒定的。作为另外一种选择，由电源122施加到充电器106的电压可随时间变化。例如，随时间变化的电压可包括周期性改变符号的电压，诸如交流电压。对于其中周期性符号变化的电压施加到充电器106的实施例，也可调整施加到场电极402的顺序电压或使之为间歇性的，使得当所述多数电荷的极性反向时，保持燃烧反应108(未示出)中的多数电荷的旋转方向。
电绝缘体124和场电极402可形成一体化单元或一体化单元401的一部分。燃料喷嘴116、支撑结构118、导电火焰保持器102、电绝缘体124、场电极402、充电器106和/或电接线片(未示出)中的一些或全部可形成为一体化单元401。
图5为根据另一个实施例的电稳定燃烧器501的简化透视图。与图4的实施例401相比，在实施例501中，场电极402和充电器106的相对位置颠倒。混合器510包括可操作地耦合到至少一个电源122的多个场电极402。充电器106设置在场电极402与导电火焰保持器102之间。出于举例说明的目的，仅示出了三个场电极402，但更多或更少场电极402是可行的。混合器控制器(未示出)可操作地耦合到至少一个电源122，并且被配置成使电源122将驱动电压施加到场电极402。混合器控制器210被配置成使电源以一定方式驱动场电极402，所述方式被选择为使场电极402将燃料与氧化剂、空气和/或烟道气在所选混合速率下混合。例如，电源122可以一定序列驱动场电极402，所述序列被选择为使场电极402顺序地吸引和排斥对应于由燃烧反应108携带的带电粒子的多数极性的带电粒子。带电粒子的顺序驱动可使带电粒子和对应的流向涡在由导电火焰保持器102、场电极402、电绝缘体124和/或充电器106限定的孔隙中循环。所得的燃烧反应108的循环使燃料与氧化剂、空气和/或烟道气在所选速率下混合。
由第一电源122施加到充电器106的电压可为基本上恒定的。作为另外一种选择，由电源122施加到充电器106的电压可随时间变化。例如，随时间变化的电压可包括周期性改变符号的电压，诸如交流电压。对于其中周期性符号变化的电压施加到充电器106的实施例，也可调整施加到场电极402的顺序电压或使之为间歇性的，使得当所述多数电荷极性反向时，保持燃烧反应108的旋转方向。
场电极402可至少部分地由第二电绝缘体(未示出)携带。第二电绝缘体和场电极402可形成一体化单元或一体化单元401的一部分。燃料喷嘴116、支撑结构118、导电火焰保持器102、第一电绝缘体和第二电绝缘体、场电极402和/或充电器106中的一些或全部可形成为一体化单元501。
图6为根据另一个实施例的电稳定燃烧器601的简化透视图。与分别在图4和图5中示出的实施例401和501相比，在由601示出的实施例中，省略了单独的充电器106。通过一体化场电极和充电电极602来执行充电器106的功能。混合器610包括可操作地耦合到电源122的多个场电极和充电电极602。出于举例说明的目的，示出了三个场电极和充电电极602，但场电极和充电电极602的实际数量可不同。混合器控制器(未示出)可操作地耦合到一个或多个电源122，所述一个或多个电源122被配置成将驱动电压施加到场电极和充电电极602。混合器控制器210被配置成使电源122将偏置电压施加到场电极和充电电极602，所述偏置电压叠加在电极序列电压上，所述电极序列电压与图4和图5中所示的实施例中所述的那些电压类似。电极序列电压顺序地吸引和排斥对应于由燃烧反应108携带的带电粒子的多数极性的带电粒子。偏置电压使燃烧反应携带多数极性。与常规充电器一样，由燃烧反应携带的电荷的浓度(其可作为电压进行测量)与偏置电压成比例。
偏置电压可为基本上恒定的。作为另外一种选择，偏置电压可随时间变化。例如，随时间变化的电压可包括周期性改变符号的电压，诸如交流电压。对于其中周期性符号变化的偏置电压施加到场电极和充电电极602的实施例，也可调整施加到场电极和充电电极602的顺序电压(叠加在偏置电压上)或使之为间歇性的，使得保持燃烧反应的旋转方向。
混合器控制器被配置成使电源122以一定方式驱动场电极和充电电极602，所述方式被选择为使场电极和充电电极602将燃料与氧化剂、空气和/或烟道气在所选混合速率下混合。带电粒子的顺序驱动可使带电粒子和对应的流向涡202在由导电火焰保持器102、场电极和充电电极602和/或电绝缘体(未示出)限定的孔隙104中循环。所得的燃烧反应的循环使燃料与氧化剂、空气和/或烟道气在所选速率下混合。
场电极和充电电极602可至少部分地由电绝缘体(未示出)携带。电绝缘体及场电极和充电电极602可形成一体化单元或一体化单元601的一部分。燃料喷嘴116、支撑结构118、导电火焰保持器102、一个或多个电绝缘体(未示出)及场电极和充电电极602中的一些或全部可形成为一体化单元601。
任选地，电稳定燃烧器实施例101、201、301、401、501和601中的任何一者可另外包括第二混合器(未示出)，所述第二混合器被配置成将燃料与氧化剂、空气和/或烟道气在导电火焰保持器102下方混合。
图7为根据一个实施例的示出了用于操作电稳定燃烧器的方法701的流程图。在步骤702中喷射燃料射流。燃料射流通常以约7.5°半角(15°立体角)从喷嘴发散。所述发散度对应于燃料射流附近的一种或多种气体的卷吸。例如，氧化剂、空气和/或烟道气可卷吸在燃料射流中。所述卷吸降低了气流内的燃料的浓度。对于给定的燃料和被卷吸的气体，所得的燃料与氧化剂的比率可以是沿着燃料射流的距离的确定函数。在低氮氧化物(NOx)燃烧器中，例如，可能有利的是将燃料稀释的窄范围处的燃烧保持在燃料的贫可燃极限处或附近。步骤702包括将氧化剂、空气和/或烟道气卷吸在燃料射流中。
步骤704包括在与所选燃料稀释相对应的沿着燃料射流的离燃料喷嘴的一定距离处靠近燃料射流支撑导电火焰保持器。所选燃料稀释可基本上对应于燃料的贫可燃极限。作为另外一种选择，在与所选燃料稀释相对应的沿着燃料射流的一定距离处靠近燃料射流支撑导电火焰保持器可包括在一定距离处支撑导电火焰保持器，使得由燃料喷嘴与导电火焰保持器之间的卷吸所引起(并对应于燃料射流扩展)的燃料的稀释加上由后续混合所引起的燃料的稀释得到接近燃料的贫可燃极限的所选燃料稀释。
任选地，方法701可包括选择燃料稀释的步骤(未示出)。例如，在启动时，使用燃烧器的熔炉或锅炉可以相对富的燃料混合物进行操作。当燃烧室冷却时，较富燃料混合物一般更稳定。随后，在预热期之后，可增加燃料稀释，使得燃料在接近其贫可燃极限处燃烧。如上文所述，在接近燃料的贫可燃极限处操作燃烧器一般与较冷的燃烧反应相关，并且较冷的燃烧反应一般与减少的NOx输出相关。方法701还可包括(未示出)调整导电火焰保持器支撑处的沿着燃料射流的距离，其中所述距离对应于所选燃料稀释。
作为另外一种选择，本文所述的燃烧器可以首先是在熔炉或锅炉冷却时操作。随后，在燃烧室预热之后，燃烧反应可从导电火焰保持器升起而由空气动力火焰保持器(例如，阻流体)保持在离燃料喷嘴的较大距离处。可通过移除步骤706中施加的电压或电荷的施加，或响应于使导电火焰保持器不太有效保持燃烧反应(在给定的施加电压下)的更高温度，而提升燃烧反应。
进行到步骤706，将电压或电荷施加到由燃料射流支撑的燃烧反应。例如，充电器可设置在燃烧反应附近并升高到能将电荷注入燃烧反应中的电势。根据实施例，将电压或电荷施加到燃烧反应包括将电压施加到充电器。
将电压或电荷施加到燃烧反应可包括将恒定电压施加到充电器，从而将基本上恒定的电流施加到燃烧反应。本发明人发现，应将高电压(高电压被定义为等于或大于±1000伏特)施加到充电器以便注入足够的电荷而引起所述的现象。可将正或负电压施加到燃烧反应。在一些实验中，发现与相等振幅负电压相比，正电压一定程度上更有效保持火焰。在一个实施例中，将+15,000伏特施加到充电器，所述充电器形成为与导电火焰电接触的充电电极，并且将导电火焰保持器(以下步骤708中所述)保持在接地电势。对于更苛刻的条件(例如，更热的熔炉温度和/或更高的燃料流速)，可将导电火焰保持器保持在极性上与所施加的电荷极性相反的电压。本发明人设想了宽泛范围的有效电压。例如，可将±1000伏特至约±115,000伏特的电压施加到充电器。更具体地讲，可将±8000伏特至约±40,000伏特施加到充电器。在+15,000伏特下，电流通常在数百微安至数百毫安的范围内。能够递送约15瓦特至1500瓦特的最大功率的电源一般是适当的，具体取决于操作条件。在较冷的熔炉温度下和在对应于约150,000BTU/小时输出的燃料流速下，需要较低功率。
作为另外一种选择，在步骤706中将电压或电荷施加到燃烧反应可包括将随时间变化的电压或电荷施加到燃烧反应。例如，可将随时间变化的电压施加到充电器。随时间变化的电压可包括具有约50至约10,000赫兹的频率的周期性电压波形。例如，随时间变化的电压可包括具有约200至约800赫兹的频率的周期性电压波形。施加随时间变化的电压可包括将方波形、正弦波形、三角波形、截顶的三角波形、锯齿波形、对数波形和/或指数波形施加到充电器。波形还可具有约±1000伏特至约±115,000伏特的振幅。例如，波形可具有约±8000伏特至约±40,000伏特的振幅。
步骤706包括将导电火焰保持器保持在与施加到燃烧反应的电压或电荷不同的电压。将电压或电荷施加到燃烧反应可包括将随时间变化的电压或电荷施加到燃烧反应以及将第二随时间变化的电压施加到导电火焰保持器，所述第二随时间变化的电压在极性上与施加到燃烧反应的随时间变化的电压或电荷瞬时相反。作为另外一种选择，导电火焰保持器可基本上保持在接地电势，或可与地及与施加到充电器的电压之外的电压进行流电隔离。
步骤708包括使由燃料射流支撑的燃烧反应靠近导电火焰保持器稳定。所述稳定可响应于燃烧反应与导电火焰保持器之间的至少间歇电压差。例如，步骤708可包括响应于燃烧反应与导电火焰保持器之间的至少间歇电压差，而激发燃料射流中的至少间歇等离子体状态。在一些实施例中，等离子体状态可保持燃料点火。
步骤710包括将燃料与氧化剂(例如，氧气)、空气和/或烟道气在导电火焰保持器上方混合。可混合燃料与氧化剂、空气和/或烟道气以在对应于燃烧反应的位置处保持所选丹姆克尔数。所选丹姆克尔数可大于或等于1。例如，所选丹姆克尔数可在约1.1至约1.7的范围内。
在步骤710中，混合氧化剂、空气和/或烟道气和燃料包括对燃烧反应赋予旋转惯性。可通过如下方式赋予旋转惯性：将包括氧化剂、空气和/或烟道气的气体的一个或多个射流注入从燃料喷嘴出发的燃料射流和被卷吸的气体中并注入混合器孔隙中。作为另外一种选择，将燃料与氧化剂、空气和/或烟道气混合可包括将旋转电场施加到导电火焰保持器上方的燃烧反应或燃料射流。施加旋转电场可包括将连续波形施加到多个场电极。
步骤710还包括将燃料与氧化剂、空气和/或烟道气在导电火焰保持器上方和在电压或电荷施加到燃烧反应的位置下方混合(例如，参见图4)。作为另外一种选择，将燃料与氧化剂、空气和/或烟道气在导电火焰保持器上方混合可包括将燃料与氧化剂、空气和/或烟道气在电压或电荷施加到燃烧反应的位置上方混合，或可包括将燃料与氧化剂、空气和/或烟道气在与电压或电荷施加到燃烧反应的位置基本上重合的位置处混合(例如，参见图5、图6)。
任选地，也可将燃料与氧化剂、空气和/或烟道气在导电火焰保持器下方混合。
可将步骤706和710任选地与诸如实施例601(参见图6)相结合。将电压或电荷施加到燃烧反应以及混合燃烧反应可通过至少重叠组的场电极执行。步骤710的燃料与氧化剂的混合可包括将电场施加到导电火焰保持器上方的燃烧反应或燃料流。可用充电器施加电场。
进行到步骤712，将来自燃烧反应的热量输出。例如，可将热量输出以便加热工艺材料，以便加热工艺设备，以便加热空气和/或水，以便发电，以便产生旋转能量和/或以便产生推力。
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，其具有由以下权利要求书所指示的真实范围和精神。

Claims (47)

1.一种电稳定燃烧器和混合器，包括：
燃料喷嘴，所述燃料喷嘴被配置成以燃料射流输出燃料；
导电火焰保持器，所述导电火焰保持器被配置用于靠近所述燃料射流安装；
充电器，所述充电器被设置成与所述导电火焰保持器协作以使燃烧反应在所述导电火焰保持器附近稳定；
混合器，所述混合器被配置成将所述燃料与包括氧化剂、空气或烟道气的燃烧流体在所述导电火焰保持器上方混合；以及
支撑结构，所述支撑结构被配置成将所述导电火焰保持器保持在与所选燃料和燃烧流体混合物相对应的离所述燃料喷嘴的一定距离处；
其中所述燃料喷嘴、所述支撑结构、所述导电火焰保持器、所述混合器和所述充电器中的两者或更多者被配置为一体化单元；并且
其中所述混合器通过流体射流或电极将所述燃烧反应驱动到流向涡中。
2.根据权利要求1所述的电稳定燃烧器和混合器，其中所述充电器包括充电电极。
3.根据权利要求1所述的电稳定燃烧器和混合器，其中所述混合器被配置成使所述燃料与燃烧流体的混合速率基本上最大化而不会猝灭所述燃烧反应。
4.根据权利要求1所述的电稳定燃烧器和混合器，其中所述混合器被配置成将所述燃料与燃烧流体以对应于所选丹姆克尔数的混合速率混合。
5.根据权利要求4所述的电稳定燃烧器和混合器，其中所述所选丹姆克尔数等于或大于1。
6.根据权利要求5所述的电稳定燃烧器和混合器，其中所述所选丹姆克尔数在1.1与1.7之间。
7.根据权利要求1所述的电稳定燃烧器和混合器，其中所述导电火焰保持器被成形为限定孔隙，所述孔隙被配置成沿周边被支撑并邻近所述燃料射流。
8.根据权利要求7所述的电稳定燃烧器和混合器，其中所述混合器被配置成或控制成将燃烧流体与燃料以丹姆克尔数混合，所述丹姆克尔数被选择为形成设置在所述孔隙附近的紧凑燃烧反应。
9.根据权利要求8所述的电稳定燃烧器和混合器，其中所述丹姆克尔数被选择为形成基本上设置在所述孔隙中的紧凑火焰。
10.根据权利要求1所述的电稳定燃烧器和混合器，其中所述充电器和所述导电火焰保持器被配置成协作以保持所述燃烧反应中通往所述导电火焰保持器的电流通道；并且
其中所述电流通道稳定位于所述导电火焰保持器附近的所述燃烧反应。
11.根据权利要求1所述的电稳定燃烧器和混合器，还包括：
电绝缘体，所述电绝缘体设置在所述充电器与所述导电火焰保持器之间。
12.根据权利要求11所述的电稳定燃烧器和混合器，其中所述混合器形成为与所述电绝缘体一体化的一个或多个流体通道，所述一个或多个流体通道被配置成将氧化剂、空气、烟道气或燃料注入所述燃烧反应中以引起所述混合。
13.根据权利要求1所述的电稳定燃烧器和混合器，还包括：
电源，所述电源可操作地耦合到所述充电器。
14.根据权利要求13所述的电稳定燃烧器和混合器，其中所述电源被配置成使所述充电器将基本上恒定的电荷施加到所述燃烧反应。
15.根据权利要求13所述的电稳定燃烧器和混合器，其中所述电源被配置成使所述充电器将随时间变化的电荷施加到所述燃烧反应。
16.根据权利要求15所述的电稳定燃烧器和混合器，其中所述随时间变化的电荷包括极性变化的电荷。
17.根据权利要求13所述的电稳定燃烧器和混合器，其中所述充电器包括充电电极，所述充电电极被配置成靠近所述燃烧反应设置；并且
其中所述燃烧反应由所述充电电极与所述导电火焰保持器之间的电流进行稳定。
18.根据权利要求17所述的电稳定燃烧器和混合器，还包括：
电源控制器，所述电源控制器被配置成控制由所述电源施加到所述充电器的电压。
19.根据权利要求17所述的电稳定燃烧器和混合器，其中所述电源被配置成将基本上恒定的电压施加到所述充电器。
20.根据权利要求17所述的电稳定燃烧器和混合器，其中所述电源被配置成将随时间变化的电压施加到所述充电器。
21.根据权利要求17所述的电稳定燃烧器和混合器，其中所述电源可操作地耦合到所述导电火焰保持器并且被配置成将与施加到所述充电器的电压不同的电压施加到所述导电火焰保持器。
22.根据权利要求1所述的电稳定燃烧器和混合器，其中所述导电火焰保持器保持在接地电压。
23.根据权利要求1所述的电稳定燃烧器和混合器，其中所述导电火焰保持器与对应于从所述燃烧反应接收的电荷的电压之外的电压进行流电隔离。
24.根据权利要求13所述的电稳定燃烧器和混合器，还包括：
充电器控制器，所述充电器控制器可操作地耦合到所述电源；
其中所述充电器控制器被配置成控制所述电源输出的电压。
25.根据权利要求13所述的电稳定燃烧器和混合器，其中所述电源被配置成将电压施加到所述导电火焰保持器。
26.根据权利要求25所述的电稳定燃烧器和混合器，其中所述电源被配置成将电压施加到所述导电火焰保持器，所述电压在极性上与由所述充电器施加到所述燃烧反应的电荷相反。
27.根据权利要求13所述的电稳定燃烧器和混合器，其中所述电源被配置成驱动所述充电器以保持所述充电器与所述导电火焰保持器之间的电容耦合电压关系。
28.根据权利要求13所述的电稳定燃烧器和混合器，还包括：
电绝缘体，所述电绝缘体设置在所述导电火焰保持器与所述充电器之间。
29.根据权利要求28所述的电稳定燃烧器和混合器，其中所述混合器与所述电绝缘体一体地形成。
30.根据权利要求1所述的电稳定燃烧器和混合器，还包括：
混合器控制器，所述混合器控制器可操作地耦合到所述混合器并且被配置成使所述混合器将所述燃料与氧化剂、空气或烟道气以所选速率混合。
31.根据权利要求30所述的电稳定燃烧器和混合器，其中所述混合器包括被配置成喷射所述流体射流的一个或多个流体喷嘴，所述一个或多个流体喷嘴被布置成将所述燃烧反应驱动到所述流向涡中。
32.根据权利要求31所述的电稳定燃烧器和混合器，还包括：控制阀，所述控制阀可操作地耦合到所述混合器控制器和所述一个或多个流体喷嘴；
其中所述混合器控制器被配置成操作所述控制阀以控制流体流动和混合速率。
33.根据权利要求31所述的电稳定燃烧器和混合器，其中所述流体包括燃料、氧化剂、空气或烟道气中的至少一者。
34.根据权利要求31所述的电稳定燃烧器和混合器，其中所述流体包括燃料。
35.根据权利要求34所述的电稳定燃烧器和混合器，其中如果所述燃料射流减少或停止，由所述混合器喷射的所述流体射流被配置成充当引燃火焰。
36.根据权利要求31所述的电稳定燃烧器和混合器，其中所述燃料射流包括发散性燃料射流，所述发散性燃料射流具有与沿着所述燃料射流的距离成比例变化的燃料浓度；并且
所述支撑结构被配置成将所述导电火焰保持器保持在沿着所述发散性燃料射流的一定距离处，使得与所述燃料射流发散度相对应的稀释加上由所述流体喷嘴喷射的所述流体引起的稀释导致所述燃烧反应中的燃料在接近其贫可燃极限处燃烧。
37.根据权利要求30所述的电稳定燃烧器和混合器，其中所述混合器包括多个场电极，所述多个场电极可操作地耦合到所述混合器控制器并且设置在所述充电器与所述导电火焰保持器之间。
38.根据权利要求37所述的电稳定燃烧器和混合器，其中所述混合器控制器被配置成以一定方式驱动所述多个场电极，所述方式被选择为使所述多个场电极将所述燃料与氧化剂、空气或烟道气以可选混合速率混合。
39.根据权利要求37所述的电稳定燃烧器和混合器，其中所述混合器控制器被配置成以一定序列驱动所述多个场电极，所述序列被选择为使所述多个场电极在所述燃烧反应中形成所述流向涡而引起所述燃料与氧化剂、空气或燃烧流体的混合。
40.根据权利要求37所述的电稳定燃烧器和混合器，还包括电绝缘体，所述电绝缘体被配置成设置在所述导电火焰保持器与所述充电器之间的所述燃烧反应的周边；
其中所述多个场电极至少部分地由所述电绝缘体携带。
41.根据权利要求40所述的电稳定燃烧器和混合器，其中所述电绝缘体和所述多个场电极形成一体化单元或一体化单元的一部分。
42.根据权利要求30所述的电稳定燃烧器和混合器，其中所述混合器包括多个场电极，所述多个场电极可操作地耦合到所述混合器控制器并且被设置成使得所述充电器设置在所述多个场电极与所述导电火焰保持器之间。
43.根据权利要求41所述的电稳定燃烧器和混合器，其中所述混合器控制器被配置成以一定方式驱动所述多个场电极，所述方式被选择为使所述多个场电极将所述燃料与氧化剂、空气或烟道气以所选混合速率混合。
44.根据权利要求41所述的电稳定燃烧器和混合器，其中所述混合器控制器被配置成以一定序列驱动所述多个场电极，所述序列被选择为使所述多个场电极在所述燃烧反应中形成所述流向涡而引起所述燃料与氧化剂、空气或烟道气的混合。
45.根据权利要求37所述的电稳定燃烧器和混合器，还包括电绝缘体，所述电绝缘体被配置成设置在所述燃烧反应或燃料和氧化剂、空气或烟道气流的周边，使得所述充电器设置在所述电绝缘体与所述导电火焰保持器之间；
其中所述多个场电极至少部分地由所述电绝缘体携带。
46.根据权利要求45所述的电稳定燃烧器和混合器，其中所述电绝缘体和所述多个场电极形成一体化单元或一体化单元的一部分。
47.根据权利要求30所述的电稳定燃烧器和混合器，其中所述混合器包括多个场电极，所述多个场电极可操作地耦合到所述混合器控制器并且被设置成使得所述导电火焰保持器设置在所述多个场电极与燃料喷嘴之间；
其中所述混合器控制器被配置成用叠加在随时间变化的混合电压序列上的基本上恒定的偏置电压驱动所述多个场电极；并且
其中所述偏置电压的施加被选择为使所述多个场电极作为所述充电器操作。
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