CN105765304B - 用于扩展燃烧反应中可燃极限的方法和装置 - Google Patents

用于扩展燃烧反应中可燃极限的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于控制燃烧反应的方法，所述方法包括以由燃料的可燃上限或稳定性上限和可燃下限或稳定性下限限定的范围之外的比率将燃料和氧化剂引入燃烧空间，并通过跨由所述燃料和氧化剂支持的火焰施加电场来产生修改的范围，所述修改的范围由修改的可燃上限或稳定性上限和修改的可燃下限或稳定性下限限定，所述比率落入所述修改的范围内。

Description

用于扩展燃烧反应中可燃极限的方法和装置
相关专利申请的交叉引用
本专利申请要求2013年12月31日提交的名称为“METHOD AND APPARATUS FOREXTENDING FLAMMABILITY LIMITS IN COMBUSTION REACTION”(用于扩展燃烧反应中可燃极限的方法和装置)的美国临时专利申请No.61/922,430的优先权权益；该申请在不抵触本文的公开内容的程度上以引用方式并入。
背景技术
燃烧需要燃料、诸如氧气的氧化剂以及点火源。对于任何给定燃料，都存在燃料/氧气比率范围，在该范围内可发生或持续燃烧。该范围由具体燃料的可燃极限限定，即由燃料可燃的最低和最高比率限定。通常，变量固定在标准值，除非特别地另有定义。例如，可将燃料和氧化剂指定为25摄氏度和一巴压力绝对值(100kPa)。可将氧化剂指定为空气中的氧气。
可燃极限表示为大量空气内的燃料百分比。例如汽油(100辛烷)的可燃下限为1.4％，即包含1.4％汽油以及98.6％空气的混合物。此为易燃汽油的最低或最贫浓度。在范围的另一端，汽油的可燃上限为7.6％，表示易燃的最富浓度。
稳定性极限和可燃极限类似。可燃极限是燃料的考虑性质-即可燃极限与设备无关。通过比较，稳定性极限为可通过诸如实际燃烧器或燃烧设备的给定设备实现的实际易燃极限。在工业燃烧器中，稳定性极限通常决定燃烧器的安全工作。稳定性下限意指给定燃烧器可支持燃料最贫的组合物的燃烧，而稳定性上限意指给定燃烧器可支持燃料最富的组合物的燃烧。在实际燃烧设备中，稳定性上限和下限限定给定燃烧器或燃烧设备的稳定燃烧工作范围。
发明内容
根据实施例，方法包括以介于稳定性上限和稳定性下限之间的燃料浓度范围外的第一比率将燃料和空气引入燃烧空间，将燃料点燃，并产生修改的燃料浓度范围，该修改的燃料浓度范围通过跨由燃料和空气支持的火焰施加电场由修改的稳定性上限和修改的燃料稳定性下限限定，其中第一比率在修改的范围内。
根据实施例，燃烧系统包括被构造成支持燃烧反应的燃烧器、被定位和构造成跨由燃烧器支持的燃烧反应施加电场的第一电极和第二电极以及电压源，该电压源可操作地耦接至第一电极和第二电极，并被构造成向第一电极和第二电极供应电压信号。控制器被构造成检测燃料稳定性上限或稳定性下限中任一者处或附近的燃烧反应，并控制用于向第一电极和第二电极供应电压信号的电压源，该电压信号足以生成燃料修改的稳定性上限和/或修改的稳定性下限从而扩展燃烧反应的稳定性。
根据实施例，用于控制燃烧反应的方法包括经由数据接口接收命令以建立特定燃料稳定性极限，读取和燃料参数对应的数据(例如压力和/或温度)，并根据数据(例如算法计算或查找)确定和信号对应的第二数据，该信号被选择成致使特定电压被施加至可操作地耦接至燃烧反应的物理电极。第二数据转换为用于驱动电压放大器的信号。该方法还包括从电压放大器输出处于特定电压下的电流并传输至电极。施加的电场使得燃料在响应暴露于通电物理电极的特定稳定性极限上燃烧。
根据实施例，低NOx燃烧器包括物理火焰保持器和电极，该物理火焰保持器被构造成在特定条件下接收特定燃料和氧化剂混合物，该电极被构造成向燃料和氧化剂混合物施加电场，该电场被选择成致使燃料和氧化剂在特定混合物中进行燃烧反应。燃料和氧化剂由更贫的混合物表征，该混合物在特定条件下将在燃烧中反应，而不用暴露于电场。
附图说明
图1是根据一个实施例的燃烧系统的示意图。
图2是示出根据一个实施例的燃烧系统的操作方法的流程图。
图3是示出根据一个实施例的发明者用来调查和证明本文描述和受权利要求书保护的原理的测试系统元件的示意图。
图4是三元混合物图，其示出实验混合物空间中的三种燃料。
图5A-图5B是三元图，其示出在存在电场的情况下三元氢-甲烷-丙烷(H2-CH4-C3H8)混合物空间中可燃极限的扩展。
图6A-图6C是三元图，其示出通过实验确定的可燃极限变化的轮廓。
图7是示出富可燃极限增强的图。
图8A-图8B包括三元图，该三元图示出根据每个方程式贫和富可燃极限百分比变化轮廓。
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。
如说明书和权利要求中所用，术语可燃下限(LFL)用于指在行业标准测量条件下在空气中易燃的给定燃料的最贫浓度，该条件为25℃以及1巴绝对压力。术语稳定性下限(LSL)用于指在给定燃烧器的实际工作条件下在空气中易燃的给定燃料的最贫浓度。可燃上限(UFL)用于指同样在行业标准测量条件下在空气中易燃的给定燃料的最富浓度。稳定性上限(USL)用于指在给定燃烧器的实际工作条件下在空气中易燃的给定燃料的最富浓度。
术语修改的可燃下限(MLFL)和修改的可燃上限(MUFL)以及更为一般的术语修改的可燃极限(MFL)用于指相应的可燃极限，该可燃极限使用下文公开的结构和/或方法进行了修改。术语修改的稳定性下限(MLSL)和修改的可燃上限(MUFL)以及更为一般的术语修改的稳定性极限(MSL)用于指相应的稳定性极限，该稳定性极限使用下文公开的结构和/或方法进行了修改。
其他和上面定义的术语相关或同义的术语也可在下文中使用，根据上下文其含义将是明确的。
在本领域中长期以来一直认为任意给定燃料的可燃极限基本上是不变的。公布所选择或一般燃料的可燃极限的表可在许多燃烧工程课本和一般参考资料中找到。在计算各个系统组件的参数以确保系统如预期工作时，燃烧系统的设计人员以此类表为依据。
发明者已发现，许多燃料的可燃极限可通过向火焰施加电场来修改。发明者还发现，实际燃烧设备的稳定性极限可通过向火焰施加电场来修改。本质上，当在整个火焰上存在电场时，特定燃料或燃料混合物的LFL和UFL不再代表该燃料的可燃极限。应用了修改的极限，其中MLFL较低，即比LFL更贫，而MUFL更高，即比UFL更富。同样，当在整个火焰上存在电场时，特定燃料或燃料混合物的LSL和USL不再代表给定燃烧器的该燃料的稳定性极限。应用了修改的极限，其中MLSL较低，即比LSL更贫，而MUSL更高，即比USL更富。可燃极限或稳定性极限修改的程度根据燃料变化，并且也表现为取决于电场的强度。
如之前所述，可燃极限一般表达为和特定标准温度以及压力对应的值。当然，随着温度和/或压力变化，可燃极限也将发生变化。在本领域中这是很好理解的。许多燃烧系统被构造成在远离和标准表关联的标称值的压力和/或温度下工作。此外，许多燃烧系统未构造成使用空气和燃料的混合物工作，而是采用其他氧化剂，或者通过引入再循环的烟道气等进一步稀释氧气。尽管如此，可以任何合理的温度、压力和氧气浓度组合计算给定燃料的可燃极限。因此，考虑应用适当的标准可燃极限，并将该可燃极限进行修改以适合变化的条件。
发明者已发现，在标准条件下和可燃上限和下限以及修改的可燃上限和下限相关的实验结果是给定燃烧器中稳定性上限或下限以及修改的稳定性上限和下限的预测值。
图1是示出根据一个实施例的燃烧系统100的示意图，该燃烧系统被构造成修改所采用燃料的可燃极限或稳定性极限。燃烧系统100包括燃烧器102和燃烧控制系统104。燃烧器102被构造成支持燃烧反应106并包括燃料喷嘴108、氧化剂导管110、燃料源112以及氧化剂源114。燃料源112和氧化剂源114分别经由对应的传输导管116耦接到燃料喷嘴108以及氧化剂导管110。燃料源112以及氧化剂源114各自被构造成以可控方式以分别调整燃料和氧化剂的体积或流速。
未提供燃料源112和氧化剂源114的详细信息，因为此类系统在本领域是非常熟知的，并且可以大量构造中的任一个进行布置，具体取决于诸如燃烧系统100的尺寸、容量、预期用途、复杂度以及预计占空比之类的因素。另外，在许多情况下，燃烧系统可遵照和排放相关的政府法规，这些法规进一步影响系统的设计。根据实施例，可构造氧化剂源114，例如通过引入再循环的烟道气用于控制氧气输入和/或空气温度。根据实施例，燃烧器102被构造成预先混合燃料和空气，然后从喷嘴108排放混合物。根据另一个实施例，燃料以夹带来自氧化剂导管110的空气的形式通过来自喷嘴108的一些力射出。根据可供选择的实施例，氧化剂通过鼓风机迫使进入燃烧空间。根据一些实施例，仅调整燃料或氧化剂中的一者，另一者以基本恒定的速率等提供。其他系统设计和变化是众所周知的并且完全在本领域的普通技术人员的能力范围内。
根据可供选择的实施例，燃料和氧化剂预先混合为所选的混合物，并且燃烧反应受预先混合的燃料和氧化剂的支持。在实施例中，燃料和氧化剂预先混合为所选混合物，该混合物在燃料的正常可燃极限或稳定性极限之外。应当理解，在可燃极限或稳定性极限之外的燃料和氧化剂的混合物在名义上是不易燃的。可将此类混合物视为安全的混合物，因为火焰将不会传播到包含混合物的混合器中。混合物仅在该混合物暴露至相应的电场的位置和时间燃烧。
根据实施例，燃料和氧化剂的混合物以低于燃料的LFL或LSL的比率从燃烧器102射出，即过贫而无法维持燃烧。如所述施加了电场，例如下面所详述，该电场生成修改的低于当前比率的LFL或LSL，使得混合物易燃，但是仅在电场存在时如此。再次去除电场会使混合物不易燃。在混合物从燃烧器流出时，其只会变得更贫，从而在不存在电场时无法变得易燃。因此提供了失效保护，显著减少意外燃烧的危险。
燃烧控制系统104包括第一电极118和第二电极120、传感器122、电压源124以及控制单元128。第一电极118定位在邻近燃烧反应106的燃烧器102的下游。燃烧器喷嘴108的表面适于用作第二电极120工作。连接器130将电压源124耦接至第一电极118和第二电极120，并将控制单元128耦接至传感器122、电压源124、燃料源112以及氧化剂源114。电压源124被构造成经由第一电极118和第二电极120跨燃烧反应106施加电压差。传感器122表示一个或多个单独的传感器，各自被构造成测量燃烧反应106的一个或多个特性，并将相应的信号提供给控制单元128。例如，传感器122可被构造成测量诸如温度、氧气浓度、光度、燃烧副产物、电荷等的特性。
被配置成电连接示于附图中的部件或组件的结构一般被示为连接器130，因为电连接器和相应结构是本领域中非常熟知的，并且可使用非常宽范围的不同类型的结构中的任一个来进行等价连接。连接器130可被构造成承载高电压信号、数据、控制逻辑等，并且可包括单个导体或多个单独绝缘的导体。另外，在电压电势、控制信号、反馈信号等经由居间电路或结构传送以用于诸如放大、检测、修改、过滤、整流等目的的情况下，这样的居间结构被认为是作为相应连接器的一部分而被并入。
在工作中燃料通过燃料源112供应并调节至燃料喷嘴108，同时通过氧化剂源114相似地供应并调节氧化剂。控制单元128监控燃烧反应106所选择的参数或特性，以及控制燃料源112和氧化剂源114，从而让所选的特性保持在限定的极限中。此外，可经由第一电极118和/或第二电极120施加电能来控制燃烧反应106的各方面。最终，当控制单元128接收指示燃烧反应106在其可燃或稳定性上限或下限附近工作的传感器信号时，控制单元128被构造成控制燃烧系统100的其他元件以使燃烧反应的运行达到进一步远离可燃极限或稳定性极限的点，或修改可燃极限或稳定性极限，从而远离当前的操作点。
例如，控制单元可检测到燃烧反应106不稳定，或者该反应反复中断，需要定期重新点火；或者控制单元可确定需要更贫的燃料/空气混合物以便获得所选的排放值，该值导致生成不稳定的火焰等。在检测到在接近特定燃料LFL或UFL的燃料/空气比率下进行操作时，控制单元128被构造成控制电压源124以经由第一电极118和第二电极120跨燃烧反应106施加电压差，从而跨火焰建立电场。要应用的电压差的量级可通过参考搜索表或基于燃料类型、所需可燃极限或稳定性极限修改程度和/或其他预先确定的因素的计算来确定。作为另外一种选择，控制单元128可被构造成简单控制电压源110以向上调整量级，直到来自传感器122的信号指示燃烧反应106处于稳定操作状态。
图2是示出了根据一个实施例的用于控制燃烧反应的简单流程200的流程图。在202，将燃料/空气混合物供应至燃烧反应。这将通常采用燃料和空气混合物的形式，但是可包括任何适用的氧化剂，并且可包括其他已知的影响燃料和氧气比率的组分，包括例如再循环的烟道气。
在204，确定混合物的燃料/空气比率是否在LFL和UFL或作为另外一种选择的LSL或USL限定的范围之外。如果确定比率在范围内(“否”路径)，则流程回到步骤202，在该步骤燃料/空气混合物将继续供应至燃烧反应。
如果在步骤204确定燃料/空气比率在特定燃料的可燃或稳定性上限和下限范围之外(“是”路径)，流程前进到步骤206，其中适用的可燃极限或稳定性极限通过跨燃烧反应施加电场来修改。在步骤206之后，流程回到步骤202并重复。
根据实施例，步骤206可包括选择足够量级的电场来将可燃极限或稳定性极限修改至足以涵盖当前燃料/空气比率的程度。根据可供选择的实施例，电场的量级随着每次重复循环递增，从而在可燃极限或稳定性极限得到足够修改之前可能需要多个流程循环。
根据又一个实施例，流程可包括步骤，在该步骤中之前施加的电场在每次于步骤204中采用“否”路径时递减，或者作为另外一种选择在预定的采用“否”路径的次数之后递减。这样，将电场的强度或量级维持在最小值附近，该最小值为正确操作所必需，并且在不再必要时去除。
图3是示出发明者在实验中使用的测试系统300的元件的示意图，该实验用于展示结合之前实施例描述的原理。测试系统300包括燃烧器302、燃料/空气控制系统304以及燃烧控制系统306。
燃烧器302包括烧结的青铜板308、冷却线圈310以及由充气室壁313限定的充气室312。青铜板308为多孔，被构造成允许燃料和空气从板308下方的充气室312经过到板的上侧。石英柱体314定位在青铜板308的上方和周围。冷却线圈310包括冷却剂入口316和冷却剂出口318。在测试系统工作期间，将水泵送穿过冷却线圈310以控制青铜板308的温度并防止热量从板308上方的燃烧反应320传输至下面的充气室312。提供了燃料入口322以允许将燃料/空气的混合物引入充气室312。
燃料/空气控制系统304包括燃料源A、B和C，各自被构造成提供相应的燃料类型。还提供了空气源324。相应的阀门/流量计326和燃料源A、B和C的每一个关联，并且和空气源324关联。空气源324和燃料源A、B和C的每一个经由其相应阀门/流量计与混合器328耦接，该混合器继而经由主阀门/流量计326e耦接至燃料入口322。
燃烧控制系统306包括可操作地耦接至不锈钢网孔电极332的电压源330，该不锈钢网孔电极定位在石英柱体314的上方。电压源330还耦接至青铜板308，并且被构造成在电极332和青铜板308之间施加电压差。
在测试操作期间，发明者控制阀门/流量计326a-d来调整燃料的类型和混合物以及燃料和空气的比率。这些元件由混合器328组合，并且引入充气室312的燃料/空气混合物334的总量由主阀门/流量计326e控制。混合物334在经过青铜板308时点燃，并且如下面所详述执行测试。
实例
明显扩展模拟精炼燃料气体氢-甲烷-丙烷(H2-CH4-C3H8)燃料共混物的可燃极限或稳定性极限(下文称为极限)的适度电场。当富极限增大5.6至14.1％时，贫极限减小2.7至5.9％，从而将极限总体扩展8.5至20.3％，具体取决于燃料。
富极限有利地与燃料中的H/C摩尔比的平方根(r2＝99.0％)关联。富极限的增强可能源自更好地从空气侧输送氧化物质。一种可能的方式是从空气侧将H3O+离子吸引至接地喷嘴(燃料侧)以向火焰提供额外的OH。这继而将增强CO氧化：CO+OH＝CO2+H，从而增强烃的总体反应速率。
贫极限上的变化大约为富极限的一半。这可能是因为CO的浓度在贫火焰中要低得多，因此，CO氧化的增强可能不是那么有利。贫极限中的变化也和C3H8浓度(r2＝99.0％)负相关，并且和向模型(r2＝99.98％)添加的H2的浓度的关联程度要小得多(或对添加CH4为正相关)。
关于丙烷的作用，一种可能的情况是C3H3 +在贫极限上阻碍氧化(请参见第5节)。由于C3H3 +和C3H8浓度相关联，该效应对于富丙烷燃料更加显著。氢浓度增大轻微减少贫极限的相对扩展的原因较不明确。一个可能的原因是，贫极限H2清除H3O+生成的OH。另一种可能性是CH4实际上是重要的部分(并且随着C3H8增多，H2在数学上必须在三元混合物中减少)。
发现可燃极限和稳定性极限在电场中显著增强。
1.装置
装置包括51mm直径的烧结青铜盘，预先混合的燃料和空气混合物通过该青铜盘流动。在燃烧器顶部添加了石英管，将火焰与周边隔离。石英管的内径为56mm。圆形不锈钢网电极定位在石英管上方8mm处。网电极和火焰之间的电势保持在10kV，生成1.2kV/cm的电场。冷却水用于稳定火焰。
圆形不锈钢网电极置于石英管上方，该石英管位于电接地燃烧器上。将氢、甲烷、丙烷和空气单独送入四个OMEGA(TM)热流量计(未示出，可得自美国斯坦福Omega工程有限公司(Omega Engineering,Inc.,Stamford CT,USA))以生成所需的燃料流速。每个流量计通过反相器和电池电浮动，从而防止流量计受到高电压冲击。然后共混气体，并通过燃料共混物下游但燃烧器(未示出)上游的阀门控制。出于安全考虑阀门面板已接地。燃料从油罐区送入；空气从空气压缩机送入。在计算中忽视了环境湿度(并且在体积上大约构成空气的1％)。
2.工序
要调查燃料贫和富状况，在增大或减小气流直至达到喷出时，燃料进给将保持不变。就上限而言，减少空气以使混合物更富含燃料。就下限而言，增加空气以使混合物燃料更贫乏。喷出定义为火焰完全从石英管喷出的状况。在通过充电测试之前，在没有充电的情况下以恒定燃料流量确定喷出极限。燃烧器可承受更高的流量，空气流量计具有50SLPM的最大容量。因此，将气流设置为最大值的80％(在电场下为更贫的极限提供一些余裕)然后将燃料减少以提供最贫的条件。然后减少气流，将燃烧器重新点燃，将火焰充电，增大气流直至实现喷出。在所有情况下，在充电的条件下达到更贫的极限。对于富极限，一点点减少气流，直至火焰喷出。然后在充电的条件下重复该工序。在所有情况下，充电的条件提供更富的可燃极限。
3.数据和结果
表1示出测试的燃料和混合物的性质。它们代表燃料混合物，该燃料混合物包括最多50％的氢。在表1中，H/C是燃料中摩尔氢和碳的比率，LHV是BTU/scf中的加热值下限，AFT是绝热火焰温度，Φ是化学计量的燃料/空气比率，τ是理论的空气/燃料比率(在化学计量定义的比率Φ＝1时定义)，％燃料是在空气燃料混合物中的燃料体积浓度，根据燃料在燃料空气混合物中的百分比，LL是贫可燃极限或稳定性极限，而RL为以同一依据表示的富可燃极限或稳定性极限。在表1中，没有施加电场，而富和贫可燃极限代表通过装置测量的固有燃料性质。此类极限显示出同可燃极限的文献值的良好大体一致性，尽管文献值在更加精准的装置中测出。
表1，燃料和混合物性质
图4为三元混合物图，其示出实验混合物空间中的燃料。圆圈示出调查的实验共混物，映射图4的白色部分。未调查50％以上的氢共混物(阴影灰)。下面的表2在存在和不存在模电场(1.2kV/cm)的情况下，对比了燃料性质。
表2，带和不带电场的情况下的可燃极限
通过检查，可以看到LL和RL对于电场关闭(0kV/cm)和打开(1.2kV/cm)是不同的；例如，甲烷的贫可燃极限(第一行)从5.1％甲烷减少到4.8％，并且富可燃极限从14.4增大到15.8％。一般来讲，电场的作用是通过使贫极限更贫、富极限更富来扩展所有燃料和共混物的可燃极限。为了比较贫和富极限，我们针对方程式1定义了更改参数(χr、χl)。
其中χr、χl分别是富极限和贫极限的分数变化，λr,e、λl,e是表达为存在电场的情况下的燃料分数的极限(分别地为富或贫)，而λr、λl是正常可燃性/稳定性极限(无电场)。
根据该定义，扩展贫极限为负，而扩展富极限为正。为了计算整个范围的总扩展，我们如下修改了方程式(1)。
其中χT是在充电或不充电情况下可燃性或稳定性范围的总分数变化(富到贫)，λr,e是存在电场的情况下的富极限，λr是不存在电场的情况下的富极限，λl,e是存在电场的情况下的贫极限，λl是不存在电场的情况下的贫极限。
图5A-图5B包括两个三元图，其示出在存在电场的情况下三元H2-CH4-C3H8混合物空间中可燃极限的扩展。适度的电场显著扩展可燃极限。三元图(图5A)示出了在混合物空间中在每个点处测量的正常(未充电的)可燃极限。三元图图5B示出了在存在电场的情况下的更宽的可燃性区域，其中贫可燃极限更贫、富可燃极限更富。
4.分析
可通过以下形式的混合物模型精确拟合六种燃料共混物的轮廓线
其中y是所关注的响应(例如贫或富可燃极限等)，j、k是三种燃料组分(1≤j<k≤2；1≤k≤3)的指数，zj、zk为燃料组分，即z1＝H2、z2＝CH4、z3＝C3H8。因为燃料组分总和必须为100％，ck、cjk为纯组分和共混物的相关系数(分别为c1、c2、c3和c12、c13、c23)。
注意方程式(3)不包含误差项，也不可推断一个误差项，因为六个混合物点将确定具有完全确定性的六个系数。因此，方程式(3)无论是否包含误差都精确拟合数据。
图6A-图6C包括三个三元图，其示出由此推断的可燃极限更改的轮廓。该系列示出三元混合物坐标中的可燃极限或稳定性极限中的百分比变化。菱形指示具有每个点上方指示的实际百分比变化的数据点。在图6A，线条和负值指示贫极限中的百分比变化。在图6B，线条和正值指示富极限中的百分比变化。图6C提供整个范围总体百分比变化的轮廓。总体而言，1.2kV/cm的电场将极限介于8.5和20.3％之间扩展，具体取决于燃料。由于得出这些轮廓的方式，它们是完全依据经验的，并且和数据集的值完全一致。
为了进行统计测试，系数的数目必须少于测试的燃料共混物数目；即少于六个，并且优选地仅为两个或三个。方程式(4)和(5)分别地符合富和贫变化分数的要求。
其中χr、χl分别为富极限和贫极限中的分数变化，x是燃料的H/C比率，z1是燃料中H2的分数，z3是燃料中C3H8的分数，a0-2、b0-33是相应的系数，而ε为误差项。
发现富极限只是H/C比率的函数。模型具有以下统计数据。
表3，方程式(4)的ANOVA
表3示出方程式(4)的方差分析(ANOVA)。模型包含1个自由度(DF)，保留4DF以估计误差，并且因此总计包括5个自由度。在实际中，模型可以包含2个自由度：a0和a1；然而，如果模型不显著-定义零假设–然后所有数据点重复并且将通过平均值以最佳方式表示。由于零假设包含1个自由度(平均值)，将其从模型的自由度减去，得到净的2个自由度，该自由度为方差表的分析中报告的内容。此外，对于和收集的六个数据点对应的模型，可以实际上有6个DF。但是，如果模型不显著，将用单个平均值将所有六个值平均化。由于平均值代表1个自由度，净自由度实际为5。
表3条目具有以下含义：平方和(SS)列示出和每个相应的方差源成比例的方差。如果模型要精确地拟合数据，则将通过零残差SS等于总计SS。均方差(MS)列的得出方式为：将SS列除以DF列，不包括稍后讨论的底部数字。具有残值MS的模型MS的比率提供F比率(在381.3的情况下)。如果模型对于方差的说明并不比机率更好，F将为约1。由于381.3>>1，模型在统计上不同于机率偏差。F比率显著的概率p通过值p<.0001提供。因此，估计381.3的F比率偶然出现机率为10,000次中不到1次。换句话讲，模型在统计学上明显地有>99.99％的确信性(1–0.0001＝0.9999)。一般来讲，如果p<0.05，模型被视为统计意义上的显著性，这就是此处的情况。r2是模型SS/总计SS的比率。如果模型精确拟合数据，则r2＝1并且模型说明100％的数据变化。在本情况下，r2＝0.990；即模型说明了99.0％的总变化。底部数字为PRESS统计数据(预测的平方和)它并非由ANOVA得出，但是可用于进行有关模型预测能力的推断(和由r2给出的模型的相关乘方不同)。通过对PRESS/总计SS从1进行减除，计算预测估计值rp 2。在该情况下rp 2＝0.978并推断模型很可能具有良好的预测能力。在确定模型在统计意义上显著的情况下，进一步检查数据以得出每个模型项的系数估计值(表4)。
表4，方程式(4)的统计数据
表4条目具有以下含义：项示出方程式(4)的相应系数。估计列(估计)提供每个系数的最小平方值。标准误差(标准误差)提供相关系数的不确定性。例如，估计a0为-90.28±9.67。因此估计值比标准误差大很多倍，并且可能在统计意义上显著。t比率列为估计值除以标准误差。在这里的情况中，优选地使|t|>>1。p值提供特定t比率偶然出现的概率。对于a0，p值为0.0007，意味着仅有0.07％的概率会偶然出现-9.34的t比率。一般来讲，如果p<0.05我们拒绝零假设，此处的情况就是这样。
图7是示出有利地和H/C比率(方程式4)平方根关联的富极限的增强的图。
表5和表6提供方程式5的相关统计数据。
表5，方程式(5)的ANOVA
表6，方程式(5)的统计数据
所有模型系数在p<0.05时为统计意义上的显著性，相关系数和预测系数两者都非常接近1。方差膨胀因子(VIF)表征因子变量之间的关联。如果不存在关联(所需)则VIF＝1。VIF和r2之间的关系为r2＝1–1/VIF。因此，1.20、1.39和1.44的VIF分别对应于0.167、0.281和0.306的r2–均很贫，意味着因子设置在混合物空间中良好分散，具有很小的共线性。方程式(5)生成图8A-图8B中所示的轮廓。
图8A-图8B包括两个三元图，该三元图示出根据每个方程式(5)和(4)的贫和富可燃极限百分比变化轮廓。图8A示出基于方程式(5)随混合物分数变化的贫极限中的减小百分比。图8B示出根据方程式(4)的富极限的增大。一般来讲，轮廓和确切轮廓相当(图6)。
5.结论
可燃极限可定义为“稳定传播平坦预混合火焰的状态…无法成为可能。”人们早就知道，增高温度会扩展可燃极限。增大压力也可扩展可燃极限，因为这会增大燃料和氧气浓度。氧气浓度的增大会扩展可燃极限，尤其是在富侧，因为额外的氧气可在富条件下反应，而在贫侧，氧气并非限制性试剂。如果电场在贫侧增强燃料浓度，或在富侧增强氧化剂浓度，则同样将扩展总体可燃极限。
现在有两个实际情况已很明显。富极限扩展和H/C摩尔比的平方根成正比。贫极限扩展和C3H8浓度成反比，并且和氢浓度成反比的程度要小得多。
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 (27)

1.一种用于控制燃烧反应的方法，包括：
以位于由燃料的稳定性上限和稳定性下限限定的第一范围内的第一比率将所述燃料和空气引入燃烧空间；
点燃所述燃料；
通过跨由所述燃料和空气支持的火焰施加电场，产生由所述燃料的修改的稳定性上限和修改的稳定性下限限定的修改的范围；以及
在点燃所述燃料之后，以及在产生所述修改的范围之后，以落入所述修改的范围内但是没有落入所述第一范围内的第二比率将燃料和空气引入所述燃烧空间。
2.根据权利要求1所述的用于控制燃烧反应的方法，包括：
在产生所述修改的范围之前，监控由所述燃料和空气支持的所述火焰的一个或多个特性，所述一个或多个特性包括温度、氧气浓度、光度、燃烧副产物或电荷中的至少一个；以及
检测监控的特性的值，所述值指示燃料和空气的比率从所述第一比率调整为所述第二比率的要求，其中产生所述修改的范围是响应于检测所述监控的特性的值来执行的。
3.根据权利要求1所述的用于控制燃烧反应的方法，其中跨所述火焰施加所述电场修改所述火焰的可燃上限或可燃下限。
4.一种燃烧系统，包括：
燃烧器，所述燃烧器被构造成通过发射燃料和氧化剂来支持燃烧反应；
第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极被定位和构造成跨由所述燃烧器支持的燃烧反应施加电场；以及
电压源，所述电压源可操作地耦接至所述第一电极和所述第二电极并且被构造成向所述第一电极和所述第二电极供应电压信号；
以及
控制器，所述控制器被构造成检测所述燃料的稳定性上限和稳定性下限中任一者处或附近的所述燃烧反应操作，并控制用于向所述第一电极和所述第二电极供应电压信号的所述电压源，所述电压信号足以产生所述燃料的修改的稳定性上限和修改的稳定性下限。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述第一电极是所述燃烧器的喷嘴或喷嘴的一部分。
6.根据权利要求4所述的系统，其中所述第二电极为定位在所述燃烧器上方的网孔电极。
7.根据权利要求4所述的系统，其中所述控制器被构造成控制所述电压源，以向所述第一电极和所述第二电极供应电压信号，所述电压信号足以产生所述燃料修改的可燃上限和修改的可燃下限。
8.一种用于控制燃烧反应的方法，包括：
经由数据接口接收命令来建立待燃烧的燃料的稳定性极限；
读取和燃料参数对应的数据，包括压力和/或温度；
根据所述数据来确定电压，所述电压被施加至可操作地耦接至燃烧反应的物理电极；
将所述电压施加至所述物理电极；以及
使所述燃料响应于电场在所述稳定性极限下燃烧，所述电场部分地通过向所述物理电极施加所述电压来生成。
9.根据权利要求8所述的用于控制燃烧反应的方法，其中所述燃料参数包括环境压力。
10.根据权利要求8所述的用于控制燃烧反应的方法，其中所述燃料参数包括点火温度。
11.一种低NOx燃烧器，包括：
物理火焰保持器，所述物理火焰保持器被构造成接收燃料和氧化剂混合物；以及
第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极被构造成向所述燃料和氧化剂混合物施加电场，其中所述燃料和氧化剂混合物由比不暴露于所述电场而进行燃烧反应的更贫的燃料和氧化剂混合物来表征。
12.根据权利要求11所述的燃烧器，其中所述物理火焰保持器被构造成在邻近所述物理火焰保持器的温度的条件下接收所述燃料和所述氧化剂混合物。
13.根据权利要求11所述的燃烧器，其中所述物理火焰保持器被构造成在邻近所述物理火焰保持器的大气压力的条件下接收所述燃料和所述氧化剂混合物。
14.一种用于控制燃烧反应的方法，包括：
以处于由燃料的可燃上限和可燃下限限定的第一范围内的第一比率将所述燃料和空气引入燃烧空间；
点燃所述燃料；
通过跨由所述燃料和空气支持的火焰施加电场，产生由所述燃料的修改的可燃上限和修改的可燃下限限定的修改的范围；以及
在点燃所述燃料之后，以及在产生所述修改的范围之后，从所述第一比率到落入所述修改的范围内但是没有落入所述第一范围内的第二比率调整燃料和空气的比率的值。
15.根据权利要求14所述的用于控制燃烧反应的方法，包括：
在产生所述修改的范围之前，监控由所述燃料和空气支持的所述火焰的一个或多个特性，所述一个或多个特性包括温度、氧气浓度、光度、燃烧副产物或电荷中的至少一个；以及
检测所述监控的特性的值，所述值指示所述燃料和空气比率从所述第一比率调整为所述第二比率的要求，其中产生所述修改的范围响应于检测所述监控的特性的值来执行。
16.一种燃烧系统，包括：
燃烧器，所述燃烧器被构造成通过发射燃料和氧化剂支持燃烧反应；
第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极被定位和构造成跨由所述燃烧器支持的燃烧反应施加电场；以及
电压源，所述电压源可操作地耦接至所述第一电极和所述第二电极并且被构造成向所述第一电极和所述第二电极供应电压信号；
以及
控制器，所述控制器被构造成检测所述燃料的可燃上限和可燃下限中任一者处或附近的所述燃烧反应操作，并控制用于向所述第一电极和所述第二电极供应电压信号的所述电压源，所述电压信号足以产生所述燃料的修改的可燃上限和修改的可燃下限。
17.一种用于控制燃烧反应的方法，包括：
经由数据接口接收命令来建立待燃烧的燃料的可燃极限；
读取和燃料参数对应的数据，包括压力和/或温度；
根据所述数据来确定电压，所述电压被施加至可操作地耦接至燃烧反应的物理电极；
将所述电压施加至所述物理电极；以及
使所述燃料响应于电场在所述可燃极限下燃烧，所述电场部分地通过向所述物理电极施加所述电压来生成。
18.根据权利要求17所述的用于控制燃烧反应的方法，其中所述燃料参数包括环境压力。
19.根据权利要求17所述的用于控制燃烧反应的方法，其中所述燃料参数包括点火温度。
20.一种用于控制燃烧反应的方法，包括：
以位于由燃料的稳定性上限和稳定性下限限定的第一范围以外的第一比率将所述燃料和空气引入燃烧空间；
通过跨所述燃料和空气施加电场，产生由所述燃料的修改的稳定性上限和修改的稳定性下限限定的修改的范围，所述第一比率落入所述修改的范围内；以及
在产生所述修改的范围之后，点燃所述燃料。
21.根据权利要求20所述的用于控制燃烧反应的方法，包括：
在产生所述修改的范围之前，监控由所述燃料和空气支持的火焰的一个或多个特性，所述一个或多个特性包括温度、氧气浓度、光度、燃烧副产物或电荷中的至少一个；
在产生所述修改的范围之前，检测所监控的特性的值，所述值指示所述燃料和空气的所述第一比率位于所述稳定性上限或所述稳定性下限处或以外；以及
在所述监控和所述检测之后，产生所述修改的范围。
22.根据权利要求20所述的用于控制燃烧反应的方法，其中产生修改的范围包括：
部分基于所述稳定性上限或所述稳定性下限中的一个和所述第一比率确定要施加的所述电场的量级；以及
以所确定的量级施加所述电场。
23.根据权利要求21所述的用于控制燃烧反应的方法，其中产生修改的范围包括：
以预先选择的量级施加所述电场；
重复所述监控和所述检测；以及
以预先选择的增量增大所施加的电场的量级。
24.一种用于控制燃烧反应的方法，包括：
以位于由燃料的可燃上限和可燃下限限定的第一范围以外的第一比率将所述燃料和空气引入燃烧空间；
通过跨所述燃料和空气施加电场，产生由所述燃料的修改的可燃上限和修改的可燃下限限定的修改的范围，所述第一比率落入所述修改的范围内；以及
在产生所述修改的范围之后，点燃所述燃料。
25.根据权利要求24所述的用于控制燃烧反应的方法，包括：
在产生所述修改的范围之前，监控由所述燃料和空气支持的火焰的一个或多个特性，所述一个或多个特性包括温度、氧气浓度、光度、燃烧副产物或电荷中的至少一个；
在产生所述修改的范围之前，检测所监控的特性的值，所述值指示所述燃料和空气的所述第一比率位于所述可燃上限或所述可燃下限处或以外；以及
在所述监控和所述检测之后，产生所述修改的范围。
26.根据权利要求25所述的用于控制燃烧反应的方法，其中产生修改的范围包括：
以预先选择的量级施加所述电场；
重复所述监控和所述检测；
以预先选择的增量增大所施加的电场的量级。
27.根据权利要求24所述的用于控制燃烧反应的方法，其中产生修改的范围包括：
部分基于所述可燃上限或所述可燃下限中的一个和所述第一比率确定要施加的所述电场的量级；以及
以所确定的量级施加所述电场。
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