CN105637293B - 具有有孔火焰保持器的水平点火式燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水平点火式火焰燃烧器，所述水平点火式火焰燃烧器包括离开所述燃烧器横向定位的火焰保持器。所述火焰保持器包括多个穿孔，所述穿孔共同地将所述燃烧器的燃烧反应局限到所述火焰保持器。

Description

具有有孔火焰保持器的水平点火式燃烧器

相关专利申请的交叉引用

本申请要求提交于2013年10月7日、名称为“POROUS FLAME HOLDERFOR LOW NOxCOMBUSTION”(用于低NOx燃烧的多孔火焰保持器)的美国临时专利申请No.61/887,741；提交于2014年1月24日、名称为“LOW NOx FIRE TUBE BOILER”(低NOx火管锅炉)的美国临时专利申请No.61/931,407；提交于2014年2月14日、名称为“FUEL COMBUSTION SYSTEM WITH APERFORATED REACTION HOLDER”(具有有孔反应保持器的燃料燃烧系统)的PCT专利申请No.PCT/US2014/016632；以及提交于2014年2月14日、名称为“STARTUP METHOD ANDMECHANISM FOR A BURNER HAVING A PERFORATED FLAME HOLDER”(用于具有有孔火焰保持器的燃烧器的启动方法和机构)的PCT专利申请No.PCT/US2014/016622的优先权权益；以上每项专利申请在与本文公开内容不相抵触的情况下以引用方式并入。

技术领域

本发明涉及水平点火式燃烧器以及相关的系统和方法。

发明内容

实施例包括以下的各种组合：

一种水平点火式燃烧器，该水平点火式燃烧器包括：水平点火式燃料喷嘴，该水平点火式燃料喷嘴被配置成在水平方向上输出燃料；火焰保持器，该火焰保持器离开水平点火式燃料喷嘴横向定位(该火焰保持器包括：输入表面，其面朝水平点火式燃料喷嘴；输出表面，其与火焰保持器相对；以及多个穿孔，其从输入表面延伸到输出表面并且共同地被配置成促进多个穿孔内的燃料的燃烧反应)，其中火焰保持器被配置成包容多个穿孔内的大部分燃烧反应；

其中火焰保持器被配置成包容多个穿孔内的80％或更多的燃烧反应；

其中火焰保持器为耐火材料；

其中火焰保持器为一体式结构；

其中火焰保持器被配置成引发燃烧反应；

该水平点火式燃烧器还包括预热机构，该预热机构被配置成在开始燃烧反应之前加热火焰保持器，其中预热机构包括第二燃料喷嘴，第二燃料喷嘴被配置成邻近火焰保持器产生火焰，或者其中预热机构包括激光器，激光器被配置成照射火焰保持器；

其中水平点火式燃料喷嘴为包括可调燃料喷嘴的可调喷嘴，并且预热机构被配置成在预热周期期间将可调燃料喷嘴移至更靠近火焰保持器并且在预热周期之后收缩可调燃料喷嘴；

该水平点火式燃烧器还包括：温度传感器，温度传感器被配置成测量火焰保持器的温度；以及控制电路，控制电路联接到温度传感器、水平点火式燃料喷嘴和预热机构并且被配置成当火焰保持器的温度高于阈值温度时使水平点火式燃料喷嘴输出燃料；

其中阈值温度对应于火焰保持器能够引发燃料的燃烧的燃烧温度；

水平点火式燃烧器还包括控制电路，该控制电路联接到预热机构和水平点火式燃料喷嘴并且被配置成在预热机构的工作时间长于阈值时间之后引发水平点火式燃料喷嘴；

其中多个穿孔通过火焰保持器的主体彼此隔离；

其中火焰保持器的输入表面和输出表面是矩形的；

其中火焰保持器的输入表面和输出表面是圆形、椭圆形或卵形的，和/或

其中火焰保持器在水平方向上的宽度是火焰保持器在垂直方向上的厚度的两倍以上。

其他的实施例包括以下的各种组合：

一种将燃烧包容在火焰保持器内的方法，该方法包括：加热具有多个穿孔的火焰保持器，多个穿孔各自从火焰保持器的输入表面延伸到火焰保持器的输出表面；在水平方向上将燃料从第一喷嘴输出到火焰保持器的输入表面上；点燃多个穿孔中燃料的燃烧反应；以及将燃料的燃烧反应包容在火焰保持器的多个穿孔中；

测量火焰保持器的温度；以及在火焰保持器的温度达到阈值温度之后将燃料输出到火焰保持器上；

其中阈值温度是燃烧反应将在火焰保持器中点燃的温度；

其中加热火焰保持器包括由邻近火焰保持器定位的预热机构将热量施加到火焰保持器；

该方法还包括通过用激光器照射火焰保持器来加热火焰保持器；

该方法还包括用邻近火焰保持器定位的第二燃料喷嘴加热火焰保持器；

该方法还包括通过使电流通过联接到火焰保持器的电阻器来加热火焰保持器；

该方法还包括将氧气在水平方向上从第二燃料喷嘴输出到火焰保持器的第一表面上；

该方法还包括在空气流中输出氧气；

其中燃烧反应是燃料与氧气的反应；

其中火焰保持器由耐火材料制成；和/或

其中多个穿孔通过火焰保持器的主体彼此隔离。

其他的实施例包括以下的各种组合：

一种将燃烧包容在火焰保持器内的系统，该系统包括：

水平点火式燃料喷嘴，该水平点火式燃料喷嘴被配置成在水平方向上输出燃料；火焰保持器，该火焰保持器离开水平点火式燃料喷嘴横向定位(该火焰保持器包括：输入表面；输出表面；以及位于输入表面与输出表面之间的多个穿孔)，火焰保持器被配置成将燃料的大部分燃烧反应局限并且包容在多个穿孔内；

其中火焰保持器的多个穿孔彼此隔离；

其中火焰保持器被配置成在多个穿孔之间输送热量；

该系统还包括预热机构，该预热机构邻近火焰保持器定位并且被配置成在从水平点火式燃料喷嘴输出燃料之前将火焰保持器预热到阈值温度；和/或

其中阈值温度是火焰保持器能够点燃燃料的燃烧反应的温度。

一个实施例是水平点火式火焰反应器，该水平点火式火焰反应器包括有孔火焰保持器和水平点火式燃料喷嘴，该水平点火式燃料喷嘴离开有孔火焰保持器横向定位。有孔火焰保持器包括面朝燃料喷嘴的输入表面、输出表面、以及在输入表面与输出表面之间延伸的多个穿孔。加热机构邻近有孔火焰保持器定位。

在一个实施例中，在燃料喷嘴将燃料输出到有孔火焰保持器上之前，加热机构向有孔火焰保持器施加热量。在加热机构加热有孔火焰保持器之后，水平点火式燃料喷嘴将燃料输出到有孔火焰保持器上。有孔火焰保持器的升高的温度使火焰保持器的穿孔内的燃料发生燃烧反应。燃烧反应主要局限于有孔火焰保持器的紧邻附近。

在一个实施例中，水平点火式火焰反应器包括邻近有孔火焰保持器定位的装填有催化剂的管子。反应物通过所述管子。来自燃烧反应的热量从火焰保持器辐射并加热管子，从而使反应物与催化剂反应。反应产物然后通过管子。

附图说明

图1为根据一个实施例的包括有孔火焰保持器的水平点火式燃烧器系统的透视图。

图2为根据一个实施例的图1的水平点火式燃烧器系统的剖视图。

图3为根据一个实施例的包括有孔火焰保持器的水平点火式燃烧器系统的示意图。

图4为根据一个实施例的包括有孔火焰保持器和预热机构的水平点火式燃烧器系统的框图。

图5为根据一个实施例的水平点火式燃烧器系统的预热机构的图示。

图6为根据一个实施例的水平点火式燃烧器系统的预热机构的图示。

图7为根据一个实施例的水平点火式燃烧器系统的预热机构的图示。

图8为根据一个实施例的水平点火式燃烧器系统的预热机构的图示。

图9为根据一个实施例的水平点火式燃烧器系统的预热机构的图示。

图10为根据一个实施例的用于操作水平点火式燃烧器系统的过程的流程图，该水平点火式燃烧器系统包括有孔火焰保持器和预热机构。

具体实施方式

在以下具体实施方式中，参考形成本文一部分的附图。除非在上下文中另外指明，否则在附图中类似的符号通常表示类似的部件。在具体实施方式、附图和权利要求中所述的示例性实施例并不用来进行限制。在不脱离本文所述主题的精神或范围的前提下，可采用其他实施例并且可作出其他改变。

图1为根据一实施例的包括有孔火焰保持器102的水平点火式燃烧器系统100的简化透视图。水平点火式燃烧器系统100包括燃料和氧化剂源110，该燃料和氧化剂源被设置成将燃料和氧化剂输出到燃烧体积108中以形成燃料和氧化剂混合物112。有孔火焰保持器102被设置在燃烧体积108中。有孔火焰保持器102包括有孔火焰保持器主体114，该有孔火焰保持器主体限定多个穿孔116，所述多个穿孔对齐以接收来自燃料和氧化剂源110的燃料和氧化剂混合物112。穿孔116被配置成共同地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)。

燃料可包括例如烃类气体或汽化的烃类液体。燃料可为单一种类或者可包括气体和蒸汽的混合物。例如，在过程加热器应用中，燃料可包括燃料气体或来自该过程的副产物，所述副产物包括一氧化碳(CO)、氢(H₂)和甲烷(CH₄)。在另一种应用中，燃料可包括天然气(主要是CH₄)或丙烷。在另一种应用中，燃料可包括2号燃料油或6号燃料油。发明人类似地构思到双燃料应用和灵活燃料应用。氧化剂可包括由空气携带的氧和/或可包括另一种氧化剂，该氧化剂为纯的或由载体气体携带。

通常，由有孔火焰保持器102保持的氧化反应表示一种气相氧化反应。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以用其他反应物和反应替代。

根据一实施例，有孔火焰保持器主体114可由被设置成接收燃料和氧化剂混合物112的输入表面118、背朝燃料和氧化剂源110的输出表面120、以及外周表面122界定。由有孔火焰保持器主体114限定的所述多个穿孔116从输入表面118延伸到输出表面120。

根据一实施例，有孔火焰保持器102被配置成将大部分燃烧反应保持在穿孔116内。例如，这意味着，由燃料和氧化剂源110输出到燃烧体积108中的燃料分子的一半以上被转变成在有孔火焰保持器102的输入表面118与输出表面120之间的燃烧产物。根据另一种理解，这意味着，由燃烧反应输出的热量的一半以上是在有孔火焰保持器102的输入表面118与输出表面120之间输出的。在正常工作条件下，穿孔116可被配置成共同地保持有孔火焰保持器102的输入表面118与输出表面120之间的至少80％的燃烧反应208(参见图2)。在一些实验中，发明人构建了一种燃烧反应，该燃烧反应完全包容在有孔火焰保持器102的输入表面118与输出表面120之间的穿孔中。

有孔火焰保持器102可被配置成接收来自燃烧反应的热量并且将所接收的热量的一部分作为热辐射124(参见图2)输出到燃烧体积108之中或附近的热量接收结构(例如，熔炉壁和/或辐射段工作流体管(参见图3))。有孔火焰保持器102将所接收的热量的另一部分输出到在有孔火焰保持器102的输入表面118处接收的燃料和氧化剂混合物112。

以这种方式，即使在由常规火焰保持器支持时燃烧反应将不稳定的条件下，有孔火焰保持器102仍充当热源以维持燃烧反应。可利用该能力以使用比以前可行更贫乏的燃料与氧化剂混合物来支持燃烧。更贫乏的燃烧导致较低的峰值燃烧温度并且减少氮氧化物(NOx)输出。此外，有孔火焰保持器102可充当散热器以冷却反应的较热部分，以进一步使燃烧温度最低化。最终，在有孔火焰保持器102的输入表面118与输出表面120之间基本容纳燃烧反应限制了燃烧流体(如果氧化剂包括由空气携带的氧，则该燃烧流体包括分子氮N₂)暴露于高温期间的时间。发明人相信这进一步限制了NOx输出。

冷却烟气通过排气烟道排放到大气中。任选地，排出的烟气可经过省煤器，该省煤器预加热燃烧空气、燃料和/或进料水。

有孔火焰保持器102可具有在外周表面122的相对侧之间的宽度尺寸W_RH，该宽度尺寸为输入表面118与输出表面120之间的厚度尺寸T_RH的至少两倍。在另一个实施例中，有孔火焰保持器102可具有在外周表面122的相对侧之间的宽度尺寸W_RH，该宽度尺寸为输入表面118与输出表面120之间的厚度尺寸T_RH的至少三倍。在另一个实施例中，有孔火焰保持器102具有在外周表面122的相对侧之间的宽度尺寸W_RH，该宽度尺寸为输入表面118与输出表面120之间的厚度尺寸T_RH的至少六倍。在另一个实施例中，有孔火焰保持器102具有在外周表面122的相对侧之间的宽度尺寸W_RH，该宽度尺寸为输入表面118与输出表面120之间的厚度尺寸T_RH的至少九倍。

根据实施例，有孔火焰保持器102的宽度尺寸W_RH可小于燃烧体积108的宽度W。这样可允许烟气围绕有孔火焰保持器102循环。

有孔火焰保持器102可由耐火材料形成。在另一个实施例中，有孔火焰保持器102由硅酸铝材料形成。在另一个实施例中，有孔火焰保持器102由莫来石或堇青石形成。

燃料和氧化剂源110还可包括被配置成输出燃料的燃料喷嘴126以及被配置成输出包括氧化剂的流体的氧化剂源128。燃料喷嘴126可被配置成输出纯燃料。氧化剂源128可被配置成输出包括氧化剂不包括燃料的流体。例如，氧化剂源128可被配置成输出携带氧的空气。

燃料喷嘴126可被配置成发射燃料射流，该燃料射流被选择成在燃料射流和氧化剂行进通过燃料喷嘴126与有孔火焰保持器102之间的稀释距离D_D时挟带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可被配置成发射燃料射流，该燃料射流被选择成在燃料射流行进通过燃料喷嘴126与有孔火焰保持器102的输入表面118之间的稀释距离D_D时挟带氧化剂并且挟带烟气。

有孔火焰保持器102可被设置成与燃料喷嘴相距距离D_D。燃料喷嘴126可被配置成将燃料发射通过具有尺寸D_O的燃料孔口130。有孔火焰保持器102可被设置成在与燃料喷嘴相距距离D_D的位置处接收燃料和氧化剂混合物112，该燃料喷嘴是燃料孔口130尺寸D_O的20倍以上。在另一个实施例中，有孔火焰保持器102被设置成在与燃料喷嘴126相距距离D_D的位置处接收燃料和氧化剂混合物112，该燃料喷嘴是燃料孔口尺寸D_O的100倍以上或100倍。在另一个实施例中，有孔火焰保持器102可被设置成在与燃料喷嘴126相距距离D_D的位置处接收燃料和氧化剂混合物112，该燃料喷嘴是燃料孔口尺寸D_O的约245倍。

有孔火焰保持器102可包括单个有孔火焰保持器主体114。在另一个实施例中，有孔火焰保持器102可包括多个邻近的有孔火焰保持器段。所述多个邻近的有孔火焰保持器主体114可提供磁贴形式的有孔火焰保持器102。

有孔火焰保持器102还可包括有孔火焰保持器磁贴支撑结构，该有孔火焰保持器磁贴支撑结构被配置成支撑所述多个有孔火焰保持器段。有孔火焰保持器磁贴支撑结构可包括金属超合金。在另一个实施例中，所述多个邻近的有孔火焰保持器段可用纤维增强耐火水泥来接合。

图2为根据一实施例200的图1的有孔火焰保持器102的一部分的侧剖视图。在图2的实施例200中，有孔火焰保持器主体114是连续的。即，主体114由单块材料形成。图2的实施例200还示出未分支的穿孔116。即，有孔火焰保持器主体114限定穿孔116，所述穿孔彼此分离使得穿孔之间没有液流交叉。

在可供选择的实施例中，有孔火焰保持器主体114限定不垂直于输入表面118和输出表面120的穿孔。虽然这种布置对退出输出表面120的气体轨迹有影响，但穿孔以与结合图2所述的那些穿孔类似的方式工作。

现在参见图2，有孔火焰保持器主体114限定多个穿孔116，所述穿孔被配置成输送燃料和氧化剂并且保持由燃料和氧化剂支持的氧化反应208。主体被配置成接收来自燃烧反应208的热量，保持热量，并且将热量输出到进入穿孔116的燃料和氧化剂。相比在穿孔116外部维持，穿孔116可维持更贫乏混合的燃料和氧化剂混合物112的燃烧反应208。

有孔火焰保持器102具有由面朝燃料和氧化剂源110的输入表面118以及背朝燃料和氧化剂源110的输出表面120限定的范围。有孔火焰保持器主体114限定所述多个穿孔116，所述多个穿孔可被形成为从输入表面118延伸到输出表面120的多个细长孔202。

有孔火焰保持器102接收来自燃烧反应208的热量并将足够的热量输出到燃料和氧化剂混合物112以维持穿孔116中的燃烧反应208。有孔火焰保持器102也可将所接收的热量的一部分作为热辐射124输出到燃烧体积108(参见图1)的燃烧器壁。穿孔116中的每一者可界定燃料燃烧反应208的相应有限部分。

在一实施例中，所述多个穿孔116各自由长度L来表征，该长度L被定义为有孔火焰保持器102的输入表面118与输出表面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、烟气和/或其他“非反应性”物质、反应中间体(包括表征燃烧反应的过渡态)、以及反应产物)。

所述多个穿孔116可各自由相对穿孔壁204之间的横向尺寸D来表征。每个穿孔116的长度L可为穿孔横向尺寸D的至少八倍。在另一个实施例中，长度L可为横向尺寸D的至少十二倍。在另一个实施例中，长度L可为横向尺寸D的至少十六倍。在另一个实施例中，长度L可为横向尺寸D的至少二十四倍。长度L可以足够长以供在流动通过穿孔116的反应流体中邻近穿孔壁204形成的热边界层206聚敛在例如穿孔116内。

根据一实施例，有孔火焰保持器102可被配置成使燃料燃烧反应208发生在邻近穿孔116的穿孔壁204形成的热边界层206内。在相对冷的燃料和氧化剂混合物112靠近输入表面118时，液流拆分成分别行进通过各个穿孔116的部分。热的有孔火焰保持器主体114将热量传递到流体，这主要发生在热边界层206内，该热边界层随着越来也多的热量被传递到输入的燃料和氧化剂而逐渐变厚。在达到燃烧温度之后，在经过了化学点燃延迟时间时反应物流动，然后发生燃烧反应。因此，燃烧反应208被示出为发生在热边界层206内。随着液流前进，热边界层206在点216处聚合。理想的是，点216位于输入表面118与输出表面120之间。在某个点，燃烧反应208使流动的气体(和等离子)输出比从主体114接收到的热量更多的热量。从区域210接收到的热量被传送到更靠近输入表面118的区域212，在区域212处，热量被回收到冷反应物中。

穿孔116可包括细长的正方形，细长的正方形中的每一者在正方形的相对侧之间具有横向尺寸D。在另一个实施例中，穿孔116可包括细长的六角形，细长的六角形中的每一者在六角形的相对侧之间具有横向尺寸D。在另一个实施例中，穿孔116可包括中空圆柱形，中空圆柱形中的每一者具有与圆柱形的直径对应的横向尺寸D。在另一个实施例中，穿孔116可包括截锥形，每个所述截锥形都具有一横向尺寸D，该横向尺寸D关于从输入表面118延伸到输出表面120的长度轴线旋转对称。穿孔116可各自具有等于或大于燃料的淬熄距离的侧向尺寸D。

在实施例的一个范围中，所述多个穿孔具有介于0.05英寸与1.0英寸之间的侧向尺寸D。优选地，所述多个穿孔具有介于0.1英寸与0.5英寸之间的侧向尺寸D。例如，所述多个穿孔可具有约0.2至0.4英寸的侧向尺寸D。

有孔火焰保持器主体114可包括耐火材料。有孔火焰保持器主体114可包括例如金属超合金，或者有孔火焰保持器主体可由耐火材料(诸如堇青石或莫来石)形成。有孔火焰保持器主体114可限定蜂窝结构。

穿孔116可彼此平行并垂直于输入表面118和输出表面120。在另一个实施例中，穿孔116可彼此平行并以相对于输入表面118和输出表面120成一角度的方式形成。在另一个实施例中，穿孔116可不彼此平行。在另一个实施例中，穿孔116可不彼此平行且不相交。

仍然参见图2，限定穿孔116的有孔火焰保持器主体114可被配置成至少在穿孔壁204的第二区域210中接收来自(放热的)燃烧反应208的热量。(例如，靠近有孔火焰保持器102的输出表面120)。限定穿孔116的有孔火焰保持器主体114可由热容量来表征。有孔火焰保持器主体114可被配置成以对应于热容量的量来保持来自燃烧反应208的热量。

有孔火焰保持器主体114可被配置成将热量从穿孔壁204的热量接收区域210传递到热量输出区域212。(例如，其中热量输出区域212靠近有孔火焰保持器102的输入表面118)。例如，有孔火焰保持器主体114可被配置成经由热辐射124将热量从穿孔壁204的热量接收区域210传递到热量输出区域212。除此之外或作为另外一种选择，主体114可被配置成经由热量传导路径214将热量从穿孔壁204的热量接收区域210传递到热量输出区域212。

在另一个实施例中，有孔火焰保持器主体114可被配置成将热量传递到工作流体。工作流体可被配置成将热量从主体的靠近穿孔壁204的热量接收区域210的部分传递到主体114的靠近穿孔壁204的热量输出区域212的部分。

有孔火焰保持器主体114可被配置成至少在穿孔壁204的热量输出区域212(例如，靠近有孔火焰保持器102的输入表面118)中将热量输出到边界层206。除此之外或作为另外一种选择，主体114可被配置成至少在穿孔壁204的热量输出区域212(例如，靠近有孔火焰保持器102的输入表面118)中将热量输出到燃料和氧化剂混合物112。其中有孔火焰保持器主体114被配置成在邻近的穿孔116之间输送热量。在邻近的穿孔之间输送的热量可被选择成使从穿孔116中燃烧反应部分输出的热量提供热量以稳定邻近的穿孔116中的燃烧反应部分。

有孔火焰保持器主体114可被配置成接收来自燃料燃烧反应208的热量并输出热辐射124以将有孔火焰保持器主体114的温度维持在燃料燃烧反应208的绝热火焰温度之下。除此之外或作为另外一种选择，主体可被配置成接收来自燃料燃烧反应208的热量以将燃料燃烧反应208冷却至低于NOx形成温度的温度。

所述多个穿孔116可包括多个细长的正方形。在另一个实施例中，所述多个穿孔116可包括多个细长的六角形。

有孔火焰保持器102中使用的蜂窝结构形状可由陶瓷蜂窝结构形成，该陶瓷蜂窝结构可从南卡罗来纳州多拉维尔的应用陶瓷公司(Applied Ceramics,Inc.of Doraville,South Carolina)获得。

如上所述，图2示出了实施例200，在该实施例中，有孔火焰保持器主体114是连续的。连续的火焰保持器主体114在任何一个区段内都是单块，所述单块被挤出、钻孔或以其他方式形成以限定所述多个穿孔116。然而，在一个实施例中，有孔火焰保持器主体114是不连续的。不连续的火焰保持器主体114由多块材料形成。在实施例201(未示出)中，所述多块材料包括堆叠以形成火焰保持器主体的平坦块。实施例200和实施例201以基本上相同的方式工作，因为各堆叠块紧密接触并形成彼此分离的穿孔116。

图3为根据一个实施例的水平点火式火焰反应器300的简化图。水平点火式火焰反应器300包括联接到水平点火式燃料喷嘴126的燃料和氧化剂源110。控制阀111控制流向水平点火式燃料喷嘴126的燃料流。有孔火焰保持器102离开水平点火式燃料喷嘴126横向定位。

水平点火式燃料喷嘴126在基本上与火焰浮力相反的方向上水平发射一个或多个加压燃料射流。燃料接触有孔火焰保持器102，该有孔火焰保持器在一个实施例中已被预热，根据先前所述，燃料的燃烧反应208在有孔火焰保持器102内引发。

在一个实施例中，燃料喷嘴126更进一步地伸到加热容积中，更靠近有孔火焰保持器102，从而维持燃料流的动量。虽然燃料喷嘴126未示出有图3中的特定细节，但本领域的技术人员将理解，根据本发明的原理，燃料喷嘴的许多构型都是可能的。所有此类其他构型落在本发明的范围内。例如，燃料喷嘴126可包括多个独立的孔。多个所述孔可输出燃料，而另外多个所述孔可输出氧气或包含氧气的气体诸如空气。因此，图3中所示的燃料流112包括氧气和燃料的混合物。

在一个实施例中，燃料的50％或更多的燃烧反应包容在火焰保持器102的穿孔116内。作为另外一种选择，80％或更多的燃烧反应208可包容在火焰保持器102的穿孔116内。

虽然有孔火焰保持器102已被示出为处于相对于喷嘴126的特定位置，但本领域的技术人员将理解，根据本发明，有孔火焰保持器102可以相对于喷嘴126的各种构型定位。火焰保持器102的位置改变可通过燃料动量的改变来实现以确保燃烧反应208在火焰保持器102内发生。所有此类其他构型落在本发明的范围内。

图4为根据一个实施例的水平点火式燃烧器400的框图。图4的水平点火式燃烧器基本上类似于图3的水平点火式燃烧器300。图4的实施例还包括邻近有孔火焰保持器102定位的加热设备136。加热设备136电联接到控制电路138。

加热设备136被配置成在将燃料从喷嘴126输出到有孔火焰保持器102上之前预热有孔火焰保持器102。具体地讲，在准备引发有孔火焰保持器102中燃料流112的燃烧反应208时，燃料流112上升到阈值温度。阈值温度被选择成使得在将有孔火焰保持器102加热到阈值温度时，燃料流112的燃烧反应208在燃料流112接触有孔火焰保持器102时自动开始。来自燃烧反应208的热量进一步升高有孔火焰保持器102的温度。以此方式，可以仅通过将有孔火焰保持器102预热到阈值温度并且然后将燃料流112输出到有孔火焰保持器102上，来引发自维持的燃烧反应208。

图5为根据一个实施例的包括加热设备136的水平点火式燃烧器500的框图。预热机构136联接到可调燃料喷嘴126。温度传感器140邻近火焰保持器102定位。主燃料阀111控制从燃料源144到燃料喷嘴126的燃料流。

图5示出了启动模式下的水平点火式燃烧器500，其中燃料喷嘴126处于其伸长(即启动)位置，在该位置处，喷嘴126与有孔火焰保持器102之间的距离D₂较之于当喷嘴126完全收缩时的情况显著减小。此外，控制电路138控制燃料控制阀111以减小喷嘴126喷射的燃料流112的体积和速度。由于燃料流112的速度减小，因此喷嘴126单独就可以在喷嘴与有孔火焰保持器102之间的位置处支持稳定的启动火焰149。通过将喷嘴126移动到伸长位置，启动火焰149靠近有孔火焰保持器102定位，并且从而能够快速将有孔火焰保持器102的一部分加热至超过对有孔火焰保持器102的最低启动温度予以限定的阈值(即，启动温度阈值)的温度。当来自温度传感器140的信号指示有孔火焰保持器102的温度高于阈值时，系统控制电路138控制喷嘴位置控制器502以将喷嘴126移动到收缩(工作)位置，并且控制燃料控制阀111以进一步打开，从而将燃料流增大至工作水平。当燃料流112的速度增大时，启动火焰149熄灭。当未燃烧的燃料混合物到达有孔火焰保持器102时，至少在有孔火焰保持器102的已加热至高于启动阈值的部分中，混合物自动点燃。此后，整个有孔火焰保持器102被非常快地加热至其工作温度，并且此后继续正常工作。

根据另一个实施例，系统控制电路138包括定时器，从启动模式到工作模式的过渡通过该定时器来控制；即，当引发启动时，系统控制电路138启动定时器，并且当所选择的时间周期已经过时，喷嘴126收缩并且燃料流增大，如上所述。时间周期根据确保有孔火焰保持器102已达到启动温度阈值所必需的预定周期来选择。

活动喷嘴126也可用在可能需要以多种燃料来工作的燃烧系统中。如本领域所熟知，混合物能够燃烧的燃料对空气比率根据燃料类型而变化，就像燃料流中的火焰传播速度一样。因此，最佳工作距离D₂将根据燃料类型而变化。水平点火式燃烧器500可通过调节喷嘴126相对于有孔火焰保持器102的位置来适应燃料类型的改变。所述调节可通过喷嘴126的直接手动控制来进行，或者系统控制电路138可被编程为自动进行所述调节。例如，可放置额外的传感器以检测在燃料流112内传播的火焰的发射水平、不完全燃烧等，为此，可将系统控制单元编程为改变喷嘴126的位置并且/或者通过调节燃料控制阀111来改变燃料流，从而使系统的工作更接近最佳或所需水平。

图6为根据一实施例的水平点火式燃烧器600的示意性侧视图，该水平点火式燃烧器的部分以区段形式示出。燃烧系统包括第一电极602和第二电极604(该第二电极用作加热设备)，这两个电极都操作地联接到电压源146。控制单元联接到电压源146和温度传感器140。

第一电极602为圆环面形状，刚好定位在喷嘴126的下游并且以喷嘴126的纵轴为中心使得燃料流112通过第一电极602。第二电极604定位在有孔火焰保持器102的输入表面118与喷嘴126之间。第二电极604能够从如图6中实线所示的伸长位置移动到虚线所示的收缩位置。控制电路138被配置成伸长和收缩第二电极604。在伸长位置，第二电极604伸长到靠近燃料喷嘴126的纵轴或与该纵轴相交的位置。在收缩位置，第二电极604与燃料流112或由此支持的火焰脱离接触并间隔开。根据一实施例，提供了如先前所述的温度传感器140。

在工作中，当燃烧系统600处于启动模式下时，即，当引发了启动时，控制电路138使第二电极604移动到伸长位置。控制电路138控制电压源146将第一电压信号传输到第一电极602。当燃料流112通过第一电极602时，将具有第一极性的电荷施加到燃料流。同时，控制电路138将第二电压信号从电压源146传输到第二电极604。第二电压信号具有与施加到燃料流的电荷的极性相反的极性，并且因此吸引电荷相反的燃料流。点燃在燃料流112内引发，因此尽管燃料流的速度高，但启动火焰149仍保持在第一电极602与第二电极604之间。这种将火焰保持在燃料流内的方法有时被称为电动力燃烧控制。

根据一实施例，控制电路138控制电压源146将电压信号施加到第二电极604并同时将第一电极602接地。根据一实施例，施加到第一和/或第二电极的电压信号是AC信号。

在邻近有孔火焰保持器102的输入表面118保持启动火焰149的情况下，有孔火焰保持器102的一部分被快速加热到启动温度阈值。当超过启动温度阈值时，控制电路138控制电压源146将电压信号从第一电极602和第二电极604移除，并且使第二电极604移动到收缩位置。当从电极移除了电压信号时，启动火焰149不再被保持并且熄灭。如先前所述，当未燃烧的燃料和空气混合物到达有孔火焰保持器102时，主火焰在有孔火焰保持器102的已预热部分中自动点燃，并且之后快速开始正常工作。

尽管实施例被描述为包括被配置成控制启动模式与工作模式之间的过渡的系统控制单元，但有可供选择的实施例是手动操作的。例如，根据一实施例，水平点火式燃烧器600被配置成使得操作员手动切换电极位置控制器以移动第二电极604。根据另一个实施例，操作员手动伸长和收缩第二电极604。此外，根据一实施例，操作员手动切换送至第一电极602和第二电极604的电压信号，并且当有孔火焰保持器102超过启动阈值时关闭所述信号。

图7为根据一实施例的水平点火式燃烧器700的示意性侧面剖视图。在水平点火式燃烧器700中，喷嘴126是主喷嘴，并且系统还包括定位在主喷嘴与有孔火焰保持器102之间的辅助喷嘴162。燃料源144联接到主喷嘴126和辅助喷嘴。主燃料阀111控制从燃料源144到主喷嘴126的燃料流，辅助燃料阀164控制从燃料源144到辅助喷嘴162的燃料流。系统控制电路138经由连接器148操作地联接到主燃料阀111和辅助燃料阀164。

在工作中，当引发了启动时，系统控制电路138控制辅助燃料阀164打开——主燃料阀111是关闭的——并且点燃退出辅助喷嘴162的燃料流，从而产生直接邻近有孔火焰保持器102的输入表面118的启动火焰149。启动火焰149将有孔火焰保持器102的一部分加热至超过启动温度阈值的温度。当系统控制电路138——经由(例如)如前所述的来自温度传感器的信号——确定有孔火焰保持器102的一部分超过启动温度阈值时，系统控制电路138控制辅助燃料阀164关闭，并同时控制燃料控制阀111打开，从而使燃料流112由主喷嘴126喷射。当燃料流112的燃料和空气混合物到达有孔火焰保持器102时，主火焰点燃并且正常工作随后开始，基本上如参照先前实施例所描述的那样。

图8为根据一实施例的燃烧系统800的示意性透视图。燃烧器系统800在许多方面类似于参照图1所描述的系统100，并且包括许多相同的元件。然而，系统800还包括电阻性加热元件802。在所示的实施例中，加热元件802为线的形式，所述线穿过所述多个穿孔116中的一些穿孔交错进出。加热元件802经由连接器148操作地联接到电压源146。在启动程序期间，系统控制电路138控制电压源146跨加热元件802的端部施加电压电位。加热元件802的电阻值以及电压电位的大小被选择成产生足够的热量以使有孔火焰保持器102的位于加热元件附近的部分的温度在数秒内上升超过启动阈值，这之后，系统控制电路138控制阀门111打开，并同时控制电压源146将电压电位从加热元件802移除。当燃料流112接触有孔火焰保持器102的已加热部分时，发生自动点燃，并且在有孔火焰保持器102中形成稳定的火焰。此后，燃烧器系统800的工作基本上如先前参照其他实施例所描述的那样。

图9为根据一实施例的燃烧系统900的示意性侧视图。燃烧系统900包括激光发射器902，该激光发射器被定位和配置成发射激光束，该激光束入射在有孔火焰保持器102的输入表面118的一部分中。激光束传递的光激能量被转变成有孔火焰保持器102中的热能，从而加热有孔火焰保持器102的一部分。当有孔火焰保持器102的该部分超过启动温度阈值时，燃料被传送到喷嘴126并朝着有孔火焰保持器102喷射到燃料流112中，并且激光器902关闭。在所示的实施例中，激光器902保持在固定位置，该固定位置充分地远离有孔火焰保持器102和燃料流112，以便不对系统的正常工作造成干扰并且基本上不受环境影响。根据另一个实施例，激光发射器902被定位成更靠近有孔火焰保持器102的输入表面118，以实现更有效的能量传递。因此，当系统900不处于启动模式下时，激光器902也可从燃料流附近收缩。

图9示出了被配置成传输非热形式的能量的激光发射器，该能量在入射在有孔火焰保持器102上后即转变成热能。根据各种实施例，其他装置被配置成将非热能量传输到有孔火焰保持器102上以转变成热能。例如，根据一实施例，将微波发射器定位并配置成将微波发射导向至有孔火焰保持器102的表面上。在该实施例中，有孔火焰保持器102包括被配置成吸收微波发射并将所传输的能量的一部分转变成热量的一块材料。

图10为根据一个实施例的用于操作水平点火式燃烧器的过程的流程图，该水平点火式燃烧器包括有孔火焰保持器。在150，将有孔火焰保持器预热到燃料混合物的燃烧反应可以自动发生的阈值温度。当有孔火焰保持器达到阈值温度时，在152，从水平点火式燃料喷嘴发射燃料。有孔火焰保持器离开水平点火式燃料喷嘴横向定位使得从水平点火式燃料喷嘴排出的燃料接触有孔火焰保持器。由于有孔火焰保持器已被预热到阈值温度，因此燃料在接触已预热的火焰保持器后即开始燃烧。随着来自水平点火式燃料喷嘴的燃料继续进入火焰保持器的穿孔，燃烧反应继续。在154，主要在有孔火焰保持器的穿孔中支持燃烧反应。这使有孔火焰保持器继续增温直至达到稳态工作温度。

在一个实施例中，该过程包括测量火焰保持器的温度并且仅在火焰保持器的测量温度超过阈值温度之后才从燃料喷嘴发射水平点火的燃料。

在一个实施例中，通过邻近有孔火焰保持器定位的预热机构来预热有孔火焰保持器。预热机构可包括激光器，该激光器用高强度激光束照射火焰保持器直至火焰保持器的至少一部分已达到阈值温度。作为另外一种选择，预热机构可为第二燃烧器，该第二燃烧器邻近火焰保持器产生火焰，从而在从喷嘴输出燃料之前将火焰保持器加热到阈值温度。

根据一个实施例，预热机构也可以是联接到有孔火焰保持器的电阻器。电流通过电阻器，从而产生热量。由于有孔火焰保持器与电阻器接触，因此在电流通过电阻器的同时，有孔火焰保持器升温。

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，其真正的范围和精神由所附权利要求书指示。

Claims (33)

1.一种燃烧器，所述燃烧器包括：

水平点火式燃料喷嘴，所述水平点火式燃料喷嘴被配置成在水平方向上输出燃料；

火焰保持器，所述火焰保持器离开所述水平点火式燃料喷嘴横向定位，所述火焰保持器包括：

输入表面，所述输入表面面朝所述水平点火式燃料喷嘴；

输出表面，所述输出表面与所述火焰保持器相对；

多个穿孔，所述多个穿孔从所述输入表面延伸到所述输出表面并且共同地被配置成促进所述多个穿孔内的所述燃料的燃烧反应；

其中所述火焰保持器被配置成包容所述多个穿孔内的大部分所述燃烧反应；并且

其中所述燃烧器是水平点火式燃烧器；

其中所述火焰保持器被配置成接收来自所述燃烧反应的热量并且将所接收的热量的一部分作为热辐射输出到燃烧体积中的热量接收结构或燃烧体积附近的热量接收结构，并且其中所述火焰保持器还将所接收的热量的另一部分输出到所述输入表面处接收的燃料和氧化剂的混合物。

2.根据权利要求1所述的燃烧器，其中所述火焰保持器被配置成包容所述多个穿孔内的80％或更多的所述燃烧反应。

3.根据权利要求1所述的燃烧器，其中所述火焰保持器为耐火材料。

4.根据权利要求1所述的燃烧器，其中所述火焰保持器为一体式结构。

5.根据权利要求1所述的燃烧器，其中所述火焰保持器被配置成引发所述燃烧反应。

6.根据权利要求1所述的燃烧器，所述燃烧器包括预热机构，所述预热机构被配置成在开始所述燃烧反应之前加热所述火焰保持器。

7.根据权利要求6所述的燃烧器，其中所述预热机构包括第二燃料喷嘴，所述第二燃料喷嘴被配置成邻近所述火焰保持器产生火焰。

8.根据权利要求6所述的燃烧器，其中所述预热机构包括激光器，所述激光器被配置成照射所述火焰保持器。

9.根据权利要求6所述的燃烧器，其中所述水平点火式燃料喷嘴为包括可调燃料喷嘴的可调喷嘴，并且

所述预热机构被配置成在预热周期期间将所述可调燃料喷嘴移至更靠近所述火焰保持器并且在所述预热周期之后收缩所述可调燃料喷嘴。

10.根据权利要求6所述的燃烧器，所述燃烧器包括：

温度传感器，所述温度传感器被配置成测量所述火焰保持器的温度；以及

控制电路，所述控制电路联接到所述温度传感器、所述水平点火式燃料喷嘴和所述预热机构并且被配置成当所述火焰保持器的所述温度高于阈值温度时使所述水平点火式燃料喷嘴输出所述燃料。

11.根据权利要求10所述的燃烧器，其中所述阈值温度对应于所述火焰保持器能够引发所述燃料的燃烧的燃烧温度。

12.根据权利要求6所述的燃烧器，所述燃烧器包括控制电路，所述控制电路联接到所述预热机构和所述水平点火式燃料喷嘴并且被配置成在所述预热机构的工作时间长于阈值时间之后引发所述水平点火式燃料喷嘴。

13.根据权利要求1所述的燃烧器，其中所述多个穿孔通过所述火焰保持器的主体彼此隔离。

14.根据权利要求1所述的燃烧器，其中所述火焰保持器的所述输入表面和所述输出表面是矩形的。

15.根据权利要求1所述的燃烧器，其中所述火焰保持器的所述输入表面和所述输出表面是圆形、椭圆形或卵形的。

16.根据权利要求1所述的燃烧器，其中所述火焰保持器在水平方向上的宽度是所述火焰保持器在垂直方向上的厚度的两倍以上。

17.一种将燃烧包容在火焰保持器内的方法，所述方法包括：

加热具有多个穿孔的火焰保持器，所述多个穿孔各自从所述火焰保持器的输入表面延伸到所述火焰保持器的输出表面；

在水平方向上将燃料从第一喷嘴输出到所述火焰保持器的所述输入表面上；

点燃所述多个穿孔中所述燃料的燃烧反应；以及

将所述燃料的所述燃烧反应包容在所述火焰保持器的所述多个穿孔中；

其中所述火焰保持器被配置成接收来自所述燃烧反应的热量并且将所接收的热量的一部分作为热辐射输出到燃烧体积中的热量接收结构或燃烧体积附近的热量接收结构，并且其中所述火焰保持器还将所接收的热量的另一部分输出到所述输入表面处接收的燃料和氧化剂的混合物。

18.根据权利要求17所述的方法，所述方法包括：

测量所述火焰保持器的温度；以及

在所述火焰保持器的所述温度达到阈值温度之后将所述燃料输出到所述火焰保持器上。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述阈值温度是所述燃烧反应将在所述火焰保持器中点燃的温度。

20.根据权利要求17所述的方法，其中加热所述火焰保持器包括由邻近所述火焰保持器定位的预热机构将热量施加到所述火焰保持器。

21.根据权利要求17所述的方法，所述方法包括通过用激光器照射所述火焰保持器来加热所述火焰保持器。

22.根据权利要求17所述的方法，所述方法包括用邻近所述火焰保持器定位的第二燃料喷嘴加热所述火焰保持器。

23.根据权利要求17所述的方法，所述方法包括通过使电流通过联接到所述火焰保持器的电阻器来加热所述火焰保持器。

24.根据权利要求17所述的方法，所述方法包括将氧气在水平方向上从第二燃料喷嘴输出到所述火焰保持器的第一表面上。

25.根据权利要求24所述的方法，所述方法包括在空气流中输出所述氧气。

26.根据权利要求24所述的方法，其中所述燃烧反应是所述燃料与所述氧气的反应。

27.根据权利要求17所述的方法，其中所述火焰保持器由耐火材料制成。

28.根据权利要求17所述的方法，其中所述多个穿孔通过所述火焰保持器的主体彼此隔离。

29.一种将燃烧包容在火焰保持器内的系统，所述系统包括：

水平点火式燃料喷嘴，所述水平点火式燃料喷嘴被配置成在水平方向上输出燃料；

火焰保持器，所述火焰保持器离开所述水平点火式燃料喷嘴横向定位，所述火焰保持器包括：

输入表面；

输出表面；以及

位于所述输入表面与所述输出表面之间的多个穿孔，

所述火焰保持器被配置成将所述燃料的大部分燃烧反应局限并且包容在所述多个穿孔内；

其中所述火焰保持器被配置成接收来自所述燃烧反应的热量并且将所接收的热量的一部分作为热辐射输出到燃烧体积中的热量接收结构或燃烧体积附近的热量接收结构，并且其中所述火焰保持器还将所接收的热量的另一部分输出到所述输入表面处接收的燃料和氧化剂的混合物。

30.根据权利要求29所述的系统，其中所述火焰保持器的所述多个穿孔彼此隔离。

31.根据权利要求30所述的系统，其中所述火焰保持器被配置成在所述多个穿孔之间输送热量。

32.根据权利要求29所述的系统，所述系统包括预热机构，所述预热机构邻近所述火焰保持器定位并且被配置成在从所述水平点火式燃料喷嘴输出所述燃料之前将所述火焰保持器预热到阈值温度。

33.根据权利要求32所述的系统，其中所述阈值温度是所述火焰保持器能够点燃所述燃料的所述燃烧反应的温度。