CN105960565A - 低NOx火管锅炉 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种火管锅炉，所述火管锅炉包括被配置成保持产生非常低氮氧化物(NOx)的燃烧反应的有孔火焰保持器。

Description

低NOx火管锅炉
相关专利申请的交叉引用
本申请要求2014年1月24日提交的共同待审的标题为“LOW NOxFIRE TUBE BOILER”(低NOx火管锅炉)的美国临时专利申请No.61/931,407(代理人案卷号2651-205-02)的优先权权益；本申请是2014年9月23日提交的共同待审的标题为“HORIZONTALLY FIRED BURNERWITH A PERFORATED FLAME HOLDER”(带有有孔火焰保持器的卧式燃烧器)的PCT专利申请No.PCT/US2014/057075(代理人案卷号2651-197-04)的部分继续申请，并要求该专利申请的优先权权益；本申请是2014年2月14日提交的共同待审的标题为“FUEL COMBUSTIONSYSTEM WITH A PERFORATED REACTION HOLDER”(带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(代理人案卷号2651-188-04)的部分继续申请，并要求该专利申请的优先权权益；本申请还是2014年2月14日提交的标题为“STARTUP METHODAND MECHANISM FOR A BURNER HAVING A PERFORATED FLAMEHOLDER”(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(代理人案卷号2651-204-04)的部分继续申请，并要求该专利申请的优先权权益；这些申请中的每一个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
火管锅炉被用于多种应用，尤其是作为可整体运送至用户位置或准备好在用户位置处进行组装配置的以库存生产商品或定制生产商品的形式提供的快装锅炉。快装锅炉常用于工业、商业和多单元住宅应用，以提供热水或蒸汽用于多种用途。
图1为根据现有技术制造的火管锅炉100的简化示意图。火管锅炉100包括具有前壁103、后壁105和周壁107的壳体102，所述壳体被配置成容纳水104。至少部分地设置在壳体102内的燃烧管106限定燃烧容积108，并将水104保持在燃烧容积108外。燃烧管106也可被称为莫里森管或炉。燃料喷嘴110被设置成接收来自燃料源112的燃料，并输出燃料射流至燃烧容积108内，并且空气源114被设置成输出燃烧空气至燃烧容积108内。空气源114可以基本上由自然通风源组成，或另选地，可以接收来自鼓风机116的空气。各种燃料在可商购获得的火管锅炉中使用。例如，锅炉可单独或组合使用天然气、丙烷、2号燃料油和/或6号燃料油。
燃料射流和燃烧空气一起支持燃烧容积108中的常规火焰118。火焰118产生热烟道气，所述热烟道气通过火管120、122进行循环，所述火管与燃烧管106的壁一起将燃烧反应118产生的热量传递到水104中。在示例性例子100中，火管120、122和燃烧管106形成三通道系统，其中燃烧管106中产生从左到右流动的热烟道气，火管120的第二通道支持从右到左的烟道气流，并且火管122的第三通道支持从左到右的烟道气流。烟道气方向的每个“转向”在风室124、126中进行。通常根据设计偏好将各种数量的通道(例如介于1个(仅燃烧管106)与4个之间)用于给定安装或标准产品。图3的实施例被称为“干背式”锅炉。在“湿背式”锅炉中，风室124的壁与后壁105分隔开一定空间，该空间用于供锅炉水104在风壁与后壁之间循环。
冷却烟道气通过排气烟道128排放到大气中。任选地，排出的烟道气可穿过省煤器，该省煤器预加热待进入锅炉100的燃烧空气、燃料和/或供给水130。水104可基本上由(热)液态水(例如，除了可紧邻火管120、122和燃烧管106的热传递表面发生的沸腾)组成，或可包括液态水和饱和蒸汽132。传输输出的热水或蒸汽132以作为用于多种工业、商业或住宅目的热源。
自动控制器134可用于根据经由数据接口136接收到的需求来控制热水或蒸汽132的输出。控制器134可使用燃料阀138控制燃料流，可以控制空气阻尼器或鼓风机116以匹配火焰118热量输出，从而控制热量输出以满足热水或蒸汽132需求。控制器134还可以控制蒸汽或热水阀140和/或给水阀142，以控制流经锅炉100的水104的流速。
虽然大部分火管锅炉(诸如快装锅炉)与工业燃烧器的范围相比具有相对较低的热输出，并因此可以单独地作为相对干净的热水或蒸汽132的来源，但在安装了相对较高数量的装置的情况下，它们会共同成为空气污染的重要来源。
因此，需要一种可应用于火管锅炉的燃烧器技术，该火管锅炉产生的污染物(包括一氧化碳(CO)和/或氮氧化物(NOx))输出将会降低。
发明内容
根据一个实施例，低氮氧化物(NOx)火管锅炉包括被配置成容纳水的壳体。至少一根燃烧管至少部分地设置在壳体内，所述燃烧管通过长度和内径来表征，所述燃烧管围绕燃烧容积并被配置成将所述水保持在燃烧容积外。燃料喷嘴被设置用于将燃料射流输出至由燃烧管限定的燃烧容积内。空气源被设置用于将燃烧空气输出至燃烧容积内。有孔火焰保持器被设置在燃烧管中，该有孔火焰保持器被对准以接收来自燃料喷嘴的燃料射流和来自空气源的燃烧空气。有孔火焰保持器包括限定多个空隙容积的主体，所述多个空隙容积可操作以传输燃料和空气并保持由燃料和空气支持的燃烧反应，该主体还被配置成接收来自空隙容积中的燃烧反应的热量，保持热量并将热量输出至空隙容积中的燃料和空气以维持贫燃料和空气混合物的燃烧。
根据一个实施例，用于操作NOx火管锅炉的方法包括提供锅炉壳体，该锅炉壳体包括至少一根至少部分地设置在壳体内的燃烧管和多根设置在壳体内的火管，所述多根火管被配置成接收来自燃烧管的燃烧产物，该燃烧管通过长度和内径表征，锅炉壳体被配置成容纳锅炉水，燃烧管围绕燃烧容积并与所述多根火管形成连续容积，并且燃烧管和火管被配置成共同将锅炉水保持在燃烧容积外。有孔火焰保持器被支承在燃烧管内。有孔火焰保持器包括限定多个空隙容积的主体，所述多个空隙容积可操作以传输燃料和空气并保持燃烧反应。将燃料和燃烧空气沿着一定方向输出至燃烧容积内，该方向被对准以将混合燃料和燃烧空气递送至有孔火焰保持器。使用有孔火焰保持器保持由燃料和燃烧空气支持的燃烧反应。热燃烧产物传送至火管，来自火管的热量被传送至锅炉水，并且从锅炉输出热水或蒸汽。有孔火焰保持器引起燃烧产物的输出，该燃烧产物包含在3％过量氧下的少于10份每一百万份的NOx。
附图说明
图1为根据现有技术的火管锅炉的示意图。
图2为根据一个实施例的包括有孔火焰保持器的低氮氧化物(NOx)火管锅炉的示意图。
图3为根据一个实施例的图2的有孔火焰保持器的视图。
图4为根据一个实施例的图2和图3的有孔火焰保持器的一部分的侧面剖视图。
图5为根据一个实施例的有孔火焰保持器的一种替代形式的剖视图，其中有孔火焰保持器主体由网状纤维形成。
图6为根据一个实施例的锅炉的一部分的侧面剖视图，该锅炉包括用于将有孔火焰保持器支承在燃烧管内的装置。
图7为根据一个实施例的带有启动装置的锅炉的一部分的示意图，所述启动装置包括被配置成保持启动火焰以预热有孔火焰保持器的近端火焰保持器。
图8为根据另一个实施例的带有启动装置的锅炉的一部分的剖视图，以及可操作地连接至电阻加热器的系统元件的框图，其中所述启动装置包括被配置成预热有孔火焰保持器的有孔火焰保持器电阻加热器。
图9为根据一个实施例示出操作低NOx火管锅炉的方法的流程图。
图10为根据一个实施例的用于确定燃料喷嘴与有孔火焰保持器之间的稀释距离的效果的实验装置的示意图。
图11为使用图10所示的装置确定的NOx输出的测定值和预测值的曲线图。
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。在不脱离本发明的实质或范围的前提下，可采用其他实施例和/或可进行其他更改。
再次参见图1，在常规火管锅炉100中，火焰118相对不受控制。也就是说，火焰118的构象可以是变化的，使得它的形状和位置在任何特定时间点是相对不可预测的。这种位置上的不可预测性与尤其是在扩散火焰的化学计量界面(可见表面)遇到的高峰值温度结合。此外，火焰118的长度导致相对较长的停留时间，在该停留时间期间燃烧空气(包括分子氮，N2)经受高温。
发明人认识到，为最小化氮氧化物诸如NO和NO2(统称为NOx)的输出，希望1)最小化峰值火焰温度，以及2)最小化峰值火焰温度下的停留时间。迄今为止，用于最小化火焰温度的技术无法获得或昂贵且复杂。最小化停留时间的技术同样无法获得或昂贵且复杂。
根据本文所述的实施例，火管锅炉100配备有孔火焰保持器，该有孔火焰保持器被配置成支持既最小化峰值火焰温度又缩短该火焰温度下的停留时间的稀薄燃烧。在火管锅炉实验装置中，实验产生了低个位数的每百万份数(ppm)的NOx浓度。
图2为根据一个实施例的包括有孔火焰保持器202的低NOx火管锅炉200的示意图。低NOx火管锅炉200包括被配置成容纳水104的壳体102。至少一根燃烧管106至少部分地设置在壳体102内，所述燃烧管106通过长度和内径来表征，燃烧管106围绕燃烧容积108并被配置成将所述水104保持在燃烧容积108外。燃料喷嘴110被设置用于将燃料射流206输出至由燃烧管106限定的燃烧容积108内。可使用多种燃料。例如，低NOx火管锅炉200可单独或组合使用天然气、丙烷、2号燃料油和/或6号燃料油。空气源114被设置用于将燃烧空气208输出至燃烧容积108内。
为了便于描述，将用以与燃料206反应的氧化剂称为空气。在这种情况下，氧化剂是氧气。除此之外或作为另外一种选择，在不脱离本文公开内容的实质的情况下，可替换使用另一种氧化剂或另一种氧化剂混合物。然而，由于大部分或全部火管锅炉使用空气供应氧化剂，本文观察到的惯例是，向燃烧反应供应氧化剂的流体被称为空气。
空气源114可以基本上由自然通风源组成，或另选地，可以接收来自鼓风机116的空气。在一个实施例中，空气208被输出至燃烧容积108内，并在燃料从燃料喷嘴110输出至燃烧容积108中之后被夹带在燃料206中。在另一个实施例中，在空气208进入燃烧容积108之前，燃料喷嘴在包括在空气源114中的预混室内输出燃料206至空气208中。在另一个实施例中，燃料喷嘴(在空气208进入燃烧容积108之前)直接向空气源114的一部分内输出燃料206至空气208中，其中空气源114不包括具体预混容积结构。
有孔火焰保持器202被设置在燃烧管106中。对准有孔火焰保持器202以接收来自燃料喷嘴110和空气源114的燃料206和燃烧空气208。有孔火焰保持器202包括限定多个空隙容积212的主体210，所述多个空隙容积212中的每一个支持燃烧反应204的相应部分。在下文中更加详细地描述了有孔火焰保持器202。
如图2和本文别处所示，由燃料喷嘴110、空气源114和有孔火焰保持器202构成的燃烧器水平燃烧。也就是说，燃料206和空气208(或另选地，燃料/空气混合物)具有垂直于重力的平均传播方向。在其他实施例中，燃烧器110、114、202可沿不同方向燃烧。例如，发明人还设想了垂直燃烧的锅炉或沿非水平且非垂直方向燃烧的锅炉。
由有孔火焰保持器202保持的燃烧反应以热辐射416和加热烟道气的形式输出热量。热辐射416部分输出到燃烧管106的壁，该壁将接收到的热量传递至水104。加热烟道气经由燃烧管106和火管120、122循环，所述火管与燃烧管106的壁一起将来自加热烟道气的对流热量传递至水104。在示例性例子200中，火管120、122和燃烧管106形成三通道系统，其中燃烧管106中产生从左到右流动的热烟道气，火管120的第二通道支持从右到左的烟道气流，并且火管122的第三通道支持从左到右的烟道气流。烟道气方向的每个“转向”在风室124、126中进行。通常根据设计偏好将各种数量的通道(例如介于1个(即，仅燃烧管106)与4个之间)用于给定安装或用于标准产品。
冷却烟道气通过排气烟道128排放到大气中。任选地，排出的烟道气可穿过省煤器，该省煤器预加热待进入锅炉200的燃烧空气、燃料和/或供给水130。水104可基本上由(热)液态水(例如，除了可紧邻燃烧管106和火管120、122的热传递表面发生的沸腾)组成，或可包括液态水和饱和蒸汽132。传输输出的热水或蒸汽132以作为用于多种工业、商业或住宅目的热源。
自动控制器134可用于根据经由数据接口136接收到的需求来控制热水或蒸汽132的输出。控制器134可使用燃料阀138控制燃料流，可以控制空气阻尼器或鼓风机116以匹配燃烧反应热量输出，从而控制热量输出以满足热水或蒸汽132需求。控制器134还可以控制蒸汽或热水阀140和/或给水阀142，以控制流经锅炉200的水104的流速。
除此之外或作为另外一种选择，控制器134可操作地连接至锅炉102启动装置214。锅炉启动装置214的一个功能是，当燃料206被输出至有孔火焰保持器202时，使得有孔火焰保持器202的至少一部分被加热至达到操作温度或接近操作温度。在下文中更加详细地描述了锅炉启动装置214。
图3为根据一个实施例的图2的有孔火焰保持器202的视图300。有孔火焰保持器202包括主体210，该主体限定可操作以接收和传输燃料和空气的多个空隙容积212，用以保持由燃料和空气支持的燃烧反应并传输和输出燃烧反应产物。主体210还被配置成接收来自空隙容积212中的燃烧反应204的热量，保持热量并将热量输出至空隙容积212中的燃料和空气。与有孔火焰保持器202之间的热交换维持贫燃料和空气混合物的燃烧。所述热交换可维持否则会易被熄灭的混合物的稳定燃烧。
主体210限定被配置成接收燃料和空气的输入表面302、与输入表面302相对的输出表面304、以及限定有孔火焰保持器202的横向范围的周向表面306。在一些实施例中，空隙容积212包括从输入表面302穿过有孔火焰保持器202延伸至输出表面304的多个细长孔308。空隙容积212和所述多个细长孔308被配置成将燃烧反应204基本上保持介于有孔火焰保持器202的输入表面302与输出表面304之间。在一些实施例中，细长孔308可各自具有横向尺寸D，该横向尺寸大于燃料射流206中燃料的淬熄距离。这在下文中将更充分地描述。
将燃烧反应204基本上保持介于有孔火焰保持器202的输入表面302与输出表面304之间意味着，在稳态条件下，大部分燃烧反应204发生在输入表面302与输出表面304之间。参考图6可看出燃烧反应204保持位置的可变性。
在一些情况下，燃烧反应204的一部分可延伸到与有孔火焰保持器202的输入表面302与输出表面304之间的燃烧距离相对应的长度L之外(如图4至图7中所示)。在一些情况下，尤其是在相对较低的燃料和空气流速下，可在有孔火焰保持器202的输入表面302正上游看到燃烧反应的近端延伸204p(如图6和图7所示)。近端燃烧延伸204p从输入表面302延伸小于有孔火焰保持器202内的燃烧路径长度L的距离，并且据信是由空隙容积212周围的壁的前沿处少量的流动滞止(例如，细长孔308)结合来自热有孔火焰保持器202的热传导所导致。在一些情况下，尤其是在相对较高的燃料和空气流速下，可在有孔火焰保持器202的输出表面304正下游看到燃烧反应的远端延伸204d(如图6和图7所示)。下游延伸204d可能由离开有孔火焰保持器202后完成的燃烧反应引起，或者下游延伸204d可能是等离子体粒子返回基态的结果，其中燃烧基本上在有孔火焰保持器202中完成。一般来讲，燃烧反应的远端延伸204d小于与有孔火焰保持器202输出表面304的距离L。瞬时条件(例如，空气或燃料流的中断或剧增)可间歇地导致燃烧反应204的明显较大延伸。稳态操作条件是指将燃烧反应204保持为基本上介于有孔火焰保持器202的输入表面302与输出表面304之间。
有孔火焰保持器202可以围绕其整个周长210大致邻近燃烧管106设置。除此之外或作为另外一种选择，有孔火焰保持器202可以被设置成至少部分地与燃烧管106分离，使得可进行自然烟道气再循环。
图4为根据一个实施例的图2和图3的有孔火焰保持器202的一部分的侧面剖视图400。视图400示出了主体210的两个部分，每个部分具有壁402，所述壁限定具有长度L和横向尺寸D的相应空隙容积212。有孔火焰保持器202的输入表面302和输出表面304由主体部分210的相应端部限定。剖视图400示出了穿过空隙容积212获取的剖面。在一个例子中，空隙容积212是细长孔308。在所示的细长孔实施例400中，主体剖面210是基本上连续的，因为其形成围绕每个细长孔308的连续周边。在一个实施例中，连续周边限定圆形细长孔308。在另一个实施例中，连续周边限定方形细长孔。在另一个实施例中，连续周边限定六边形细长孔。具有方形或六边形细长孔308的有孔火焰保持器202被称为蜂窝结构。在另一个实施例中，空隙容积212可形成狭槽，例如线性狭槽或圆形狭槽。在另一个实施例中，细长孔可以是L形或其他不规则形状。在使用均匀的横截面细长孔的实施例中，其中细长孔308具有取决于角度的不同横向尺寸，尺寸D是指相对细长孔壁402之间的最小横向尺寸。对于使用不均匀的横截面细长孔或使用空隙容积而非细长孔的实施例，可用均方根(沿着长度L的局部横向尺寸DL的具有统计意义显著性的样本的平方的平均值的平方根)粗率估计尺寸D。
主体210可包含耐火材料。耐火材料可包括堇青石或莫来石中的至少一种。例如，主体210可限定蜂窝结构。用于有孔火焰保持器202中的蜂窝形状可由得自美国南卡罗来纳州多拉维尔的美商应陶公司(AppliedCeramics,Inc.of Doraville,South Carolina)的陶瓷蜂窝体形成。
发明人设想了细长孔308的另选的布置形式。例如，细长孔308可作为贯穿有孔火焰保持器主体210的圆形孔形成。孔尺寸和布置方式的例子在以下专利中提供：2014年2月14日提交的标题为“SELECTABLEDILUTION LOW NOX BURNER”(可选稀释低NOx燃烧器)的PCT专利申请No.PCT/US2014/016626(代理人案卷号2651-167-04)；2014年2月14日提交的标题为“PERFORATED FLAME HOLDER AND BURNERINCLUDING A PERFORATED FLAME HOLDER”(有孔火焰保持器和包括有孔火焰保持器的燃烧器)的PCT专利申请No.PCT/US2014/016628(代理人案卷号2651-172-04)；2014年2月14日提交的标题为“FUELCOMBUSTION SYSTEM WITH A PERFORATED REACTION HOLDER”(带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(代理人案卷号2651-188-04)；以及2014年2月14日提交的标题为“STARTUP METHOD AND MECHANISM FOR ABURNER 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(代理人案卷号2651-204-04)；上述PCT专利申请中的每一篇以引用方式并入本文。在一个具体实施例中，有孔火焰保持器202包括主体210，该主体限定中心孔、相对于中心孔的具有选定间距和尺寸的同心布置的第一组孔、以及相对于中心孔的具有另一选定间距和尺寸的同心布置的第二组孔。与早期的燃烧器装置相比，此有孔火焰保持器几何结构被配置成将燃烧反应保持介于有孔火焰保持器202的输入表面302与输出表面304之间。
在另一个实施例中，有孔火焰保持器202由限定空隙容积212的两个或更多个相邻主体(诸如限定细长孔308的两个或更多个主体)形成。可将所述相邻主体布置为实现燃料和空气和/或由燃料和空气支持的燃烧反应204的连续流动。在一些实施例中，有孔火焰保持器202形成于并排蜂窝段的段中。
在另一个实施例中，有孔火焰保持器202由限定细长孔308的一个或多个主体构成，所述细长孔包括不连续壁，使得燃料和空气、由燃料和空气支持的燃烧反应、和/或由燃烧反应产生的烟道气可从一个细长孔308跨越至邻近的细长孔308(在一个或多个位置处)。
混合后的燃料206和空气208可被基本上完全混合地递送至有孔火焰保持器202的输入表面302。在另一个实施例中，混合燃料和空气，达到时间平均的高斯混合分布，使得在任何瞬间存在单一最大值。根据各自代表基本上完全混合的燃料和空气的包的涡心的位置变化，最大值的位置可在有孔火焰保持器202的表面漂移。优选地，涡心得到充分混合，使得随后的涡流之间的Taylor层被涡心吸收。
在有孔火焰保持器202上游可能是连续的燃料和空气流在进入细长孔308时被分为多个部分，该燃料和空气流被限定各个细长孔308的主体部分210的输入表面302分流。每个细长孔308可被认为用于接收燃料和空气206、208的一部分。所述多个空隙容积212可保持燃烧反应204的相应部分。燃料和空气部分、由燃料和空气支持的燃烧反应204部分、以及由细长孔308中的燃烧反应204部分产生的烟道气部分可被称为燃烧流体406。
热界面层404沿着细长孔308的壁402形成于燃烧流体406中。界面层404将热量从主体210传递至燃烧流体406，并从燃烧流体406传递至主体210。净传热在输入表面302附近的细长孔壁402的第一区域408中通常是从主体210到燃烧流体406。这导致了加热和足够引起燃料和氧化剂点燃并得以维持的燃烧流体406温度增加。第一区域408的具体长度可根据火管锅炉200的操作条件而有所不同。例如，如果进入的燃料和空气206、208特别冷，或者如果有孔火焰保持器主体210比正常情况冷，那么第一区域408可以比正常情况略长。相反地，如果进入的燃料和空气206、208比正常情况热，或者如果有孔火焰保持器主体210比正常情况热，那么第一区域408可以比正常情况略短。
在细长孔壁402的输出表面304附近的细长孔308的第二区域410中，净传热通常是从燃烧流体406到火焰保持器主体210。燃烧流体406的热源来自放热燃烧反应。从燃烧流体406到主体210的热传递导致了燃烧反应204的冷却。燃烧反应204的冷却趋向于降低峰值燃烧温度，从而减少热力型NOx的产生。
存在邻近细长孔308的主体210的从第二区域410到第一区域408的净传热，借此放热燃烧反应释放的热量在上游被循环利用以加热进入的燃料和空气206、208。发明人设想了两个热传递机制。主体部分210内的热传导或其他传递机制(由虚线箭头412指示)可将热逆流移动至燃烧流体流。作为替代方案，主体210可限定工作流体容积，并且工作流体容积可有助于邻近细长孔308的主体210的从第二区域410向第一区域408的热量传递。2014年10月24日提交的标题为“SYSTEM AND COMBUSTIONREACTION HOLDER CONFIGURED TO TRANSFER HEAT FROM ACOMBUSTION REACTION TO A FLUID”(被配置成将热量从燃烧反应传递至流体的系统和燃烧反应保持器)的共同待审的专利申请PCT专利申请No.PCT/US2014/062291(代理人案卷号2651-183-04)描述了一种限定工作流体容积的主体的替代方案，该专利申请以引用方式并入本文。在其中有孔火焰保持器主体210限定工作流体容积的系统中，工作流体可将热量进一步传递至锅炉水104(例如参见图2)，或者工作流体可以基本上由在工作流体容积与较大锅炉水容积之间循环的锅炉水104组成。
另一个设想的热传递机制使用辐射热传递。在辐射热传递机制中，从较热的第二区域410的壁402朝向与细长孔308相邻的较冷的第一区域408的壁402发出热辐射416(由射线414指示)。
参见图2和图4，热辐射416还从有孔火焰保持器202输出至燃烧管壁。从有孔火焰保持器202的输出表面304离开的燃烧流体406带走额外热量，以传导或对流传递至燃烧管106和锅炉200的管120、122，并经由其传递至锅炉水104。
再次参见图4，细长孔308各自具有长度L，该长度足以使沿着限定细长孔308的壁402形成的热界面层404大致交汇。
图中示出了理想化交汇点418，相对壁402的界面层404在那里大致在细长孔308的中心线处交会。在实施过程中，交汇点418可以处于与细长孔308相邻的输出表面304的略微上游位置，或可以处于输出表面304的略微下游位置。理想的是，交汇点418位于输出表面304的上游处，该位置足以允许就在燃烧流体406的极小容积离开输出表面304处的细长孔308时化学点火延时消逝。这种构造使得整个燃烧反应204被火焰保持器主体210冷却，同时还最大程度缩短了在燃烧温度下的停留时间。在实施过程中，交汇点418可略微变化。据发现，被估计位于输出表面304略微上游处的交汇点418使得实验运行中得到的NOx浓度范围为从基本上测量不到(<0.5份每一百万份(PPM))到极低的个位数(<2-3PPM)。输出表面304下游的交汇点418存在燃料滑移和/或一氧化碳(CO)过量输出的风险。输出表面下游的交汇点的另一个问题在于，由于燃料和空气的很大一部分可能不会被加热至足够高的温度以维持点燃，因此燃烧反应稳定性受到负面影响。
限定有孔火焰保持器202的主体210可被配置成接收来自形成有孔火焰保持器202的输出表面304附近的空隙容积212的细长孔308至少第二区域410内的燃烧反应204的热量。主体210可被配置成将热量输出至至少在与空隙容积212相邻的输入表面302的附近区域408内的燃料和空气。
除此之外或作为另外一种选择，主体210可被配置成接收来自燃烧反应204的热量并输出辐射热能416，以将主体210的温度维持为低于燃烧反应204的绝热火焰温度。在另一个实施例中，主体210可被配置成接收来自燃烧反应204的热量，以将燃烧反应204冷却至低于燃烧反应204的绝热火焰温度的温度。在另一个实施例中，主体210可被配置成接收来自燃烧反应204的热量，以将燃烧反应204冷却至低于NOx形成温度的温度。
主体210可被配置成接收来自燃烧反应204的热量并向限定空隙容积壁402并由进入的燃料和空气流冷却的主体210区域408发射热辐射416。接收到的热辐射416可维持主体210的区域408的温度，该区域由进入的燃料和空气流冷却。主体210的区域408携带的热量可被传导至进入的燃料和空气206、208流，以提升燃料和空气的温度，从而维持燃烧。除此之外或作为另外一种选择，主体210可被配置成朝向主体210的区域408传导热量，该区域由进入的燃料和空气206、208流冷却。
主体210的壁402可通过将热量传导至与限定空隙容积212的壁402相邻形成的热界面层404，以将热量传递至进入的燃料和空气206、208。热界面层404可增加足够厚度以加热穿过空隙容积212的基本上燃料和空气206、208的全部。
从多个方面对有孔火焰保持器202和早期的燃烧器装置进行了区分。在一个方面，在任一给定位置的热界面层厚度随着燃料和空气的速率变化，使得燃烧前沿可响应于流速的减少或增加而分别自由地向上游和下游移动。在这一方面，有孔火焰保持器不会阻止火焰在操作温度范围内的上游蔓延。
对此，一种简化方法是将尺寸D与被称为“淬熄距离”的燃料特征进行对比。在开始介绍燃料淬熄距离之前，应当指出的是，发明人已成功测试了横向尺寸小于已公布淬熄距离的有孔火焰保持器。另一方面，使用不同原理操作的早期装置通常要求火焰保持器的任何孔隙率被限制到小于淬熄距离的尺寸，以避免燃烧反应潜在爆炸式进行至可经受大火或爆燃的燃料和空气混合物容积。发明人已发现，在本文所述的实施例中，大于火焰淬熄距离的横向尺寸D可用于允许较长厚度L(具有较强的机械稳定性)，并且还可用于降低回流压力。
在一些实施例中，所述多个细长孔308的各自特征可在于横向尺寸D等于或大于火焰淬熄距离。
在化学计量条件下估算淬熄距离。该淬熄距离通常被认为是燃料的属性并且存在为表列属性。大多数烃具有约0.1"的淬熄距离。例如，NACALewis报告1300将淬熄距离如表1所示制成表格。
淬熄距离表示孔口的直径，使得按化学计量预混的火焰不能在上游通过孔口蔓延到预混物贮存器中。该机制实质上为热散失(火焰由于其尝试通过孔口逆燃而放出过多能量)中的一种。由于这是热论据，如果孔口非常热，例如，如果预混的燃烧器贮存器正在接收来自热熔炉(例如，乙烯设施中的预混燃烧器)的辐射热量，则实际逆燃可通过淬熄距离发生。但是，即使如此，一般来讲，淬熄距离不会因为预混燃料和空气流趋向于冷却孔口而发生显著改变。
与本文所述的有孔火焰保持器202相反，支持表面燃烧的辐射燃烧器必须具有小于对于特定燃料和温度的淬熄距离的最小孔径以避免逆燃，并且这可以被认为是同义反复，即，如果火焰逆燃，则孔径必须大于在操作条件下的实际淬熄距离。
标准条件下的若干种燃料的淬熄距离示于下面的表1中。
表1
燃料淬熄距离
发明人发现，对于给定流速而言，细长孔的较大尺寸D(也称为蜂窝火焰保持器的较粗网格)要求细长孔的较大长度L(也称为较厚网格层)以便达到最低NOx生产量。对于所测试的组合，长度L等于有孔火焰保持器202的输入表面302与输出表面304之间的距离(也称为厚度)。相似地，发现较小的D有效地与较小的细长孔长度L操作。
空隙容积212的特征可在于，表示为(总有孔火焰保持器202容积-主体210容积)/总有孔火焰保持器202容积的空隙率可以是变化的。增加空隙率可减少穿过有孔火焰保持器202的燃烧流体的流动阻力。然而，空隙率的过多增加可使得有孔火焰保持器202更加易碎和/或可降低火焰保持器主体210的热容以减少其维持燃烧的效力。在经发明人测试的蜂窝有孔火焰保持器中，空隙率为约70％(0.70)，这被认为是良好的标称值。在其他实验中，使用低至10％的空隙率，并被发现是有效的。当有孔火焰保持器202由相对脆性的材料形成时，较低的空隙率(例如10％)可以是尤其有利的。
图5为根据一个实施例的有孔火焰保持器202的替代形式500的剖视图，其中有孔火焰保持器主体210由网状纤维502形成。网状纤维502限定空隙容积212。在网状纤维实施例中，燃料和空气流与所支持的燃烧反应204部分以及从网状纤维502接收和提供的热量之间的相互作用与细长孔操作类似地工作，如本文所述。与现有技术“表面燃烧”方法相比，有孔火焰保持器202的网状纤维形式500包括空隙容积212，所述空隙容积的特征在于横向尺寸D等于或大于火焰淬熄距离，如上所述。除了提供减少的流动收缩外，本文所公开的网状纤维有孔火焰保持器500、202不易于在网状纤维502撕开或以其他方式打开具有等于或大于火焰淬熄距离的横向尺寸D的通道的情况下失效。相反地，根据实施例，本文所述的网状纤维有孔火焰保持器500、202旨在使用具有等于或大于火焰淬熄距离的横向尺寸D的穿孔来操作。
网状纤维502可包括陶瓷纤维的网状网络。在一些实施例中，主体210包括网状金属纤维。在任一种情况下，希望网状纤维网络对于下游纤维足够开放以发射辐射供上游纤维接收，从而达到充分加热上游纤维以维持贫燃料和空气混合物的燃烧的目的。
在包括除了连续细长孔308之外的布置的实施例中，界面层404的形成、在主体210与流经空隙容积212的燃烧流体406之间的热量传递、特征尺寸D和长度L可被视为与穿过有孔火焰保持器202的平均或整体路径相关。换句话讲，尺寸D可作为在沿着流动路径的每个点处确定的各个Dn值的数学平均值进行测定。相似地，长度L可以是包括来源于流动路径迂曲性的长度的长度，其可以比从输入表面302穿过有孔火焰保持器202到输出表面304的直线距离L略短。根据一个实施例，空隙率(表示为(总有孔火焰保持器202容积-纤维210容积)/总202容积)为约70％。
图6为根据一个实施例的锅炉的一部分的侧面剖视图600，该锅炉包括用于在燃烧管106内支承有孔火焰保持器202的装置602。燃料喷嘴110可通过喷嘴直径来表征，燃料穿过该喷嘴直径被发射。火焰保持器支承结构602可操作地连接至有孔火焰保持器202，并被配置成将有孔火焰保持器202保持在与燃料喷嘴110相距一定稀释距离(DD)处。根据一个实施例，稀释距离可为至少20倍喷嘴直径。根据另一个实施例，稀释距离可为100倍喷嘴直径或更大。在另一个实施例中，稀释距离可为245倍喷嘴直径或更大。根据一个实施例，稀释距离可为约265倍喷嘴直径。观察图10可看到稀释距离DD的效果。
壳体102(如图1和图2所示)可包括燃烧管106周围的前壁103。可包括凸缘604，并且凸缘604能够可操作地连接到前壁103。火焰保持器支承结构602能够可操作地连接至凸缘604。凸缘604、支承结构602和有孔火焰保持器202可被配置成作为一个单元安装在燃烧管106中，而无需至燃烧管106的机械连接件。
燃料喷嘴110和空气源114一起可组成燃料喷嘴组件606。燃料喷嘴组件606能够可操作地连接至凸缘604。凸缘604、燃料喷嘴组件606、支承结构602和有孔火焰保持器202可被配置成作为一个单元相对于燃烧管106进行安装，而无需至燃烧管106的机械连接件。凸缘604、燃料喷嘴组件606、支承结构602和有孔火焰保持器202可被配置成被改造以适用于锅炉200。凸缘604、燃料喷嘴组件606、支承结构602和有孔火焰保持器202可被配置成作为一个单元安装在锅炉200中并能从锅炉上拆下以更换多孔火焰保持器202。凸缘604可以例如使用螺纹紧固件608连接至壳体102的前壁103。
通常，在现有技术中，燃料喷嘴组件606包括被对准以使涡流在燃料喷嘴组件606附近形成的回旋叶片610或等同结构(例如，钝体)。涡流工作以循环利用由回到进入的燃料和空气206、208的常规火焰118释放的热量，以使火焰118被维持在燃料喷嘴组件606附近。通常，火焰的可见边缘对应于火焰118内最热温度，并产生热力型NOx产生量的大部分。
根据实施例，有孔火焰保持器202的部分功能是保持燃烧反应204离开燃料喷嘴组件606，并基本上防止火焰118出现可见边缘。在某种意义上，有孔火焰保持器202支持无火焰燃烧204。
根据一个实施例，可将回旋叶片610对准以防止火焰118被保持在邻近燃料喷嘴组件606处。
支承结构602可被配置成保持有孔火焰保持器202远离燃料喷嘴110一段距离，该距离足以使得燃料和空气在燃料和空气冲击有孔火焰保持器202的位置处基本上完全混合。可包括隔热结构612，并且隔热结构612能够可操作地连接到火焰保持器支承结构602。隔热结构612可由支承结构602支承，该支承结构602沿着燃料喷嘴110与有孔火焰保持器202之间的距离(DD)的至少一部分与燃烧管106的壁相邻。在一些实施例中，隔热结构612可附连到燃烧管106壁上。除此之外或作为另外一种选择，隔热结构612可被设置成邻近沿着燃料喷嘴110与有孔火焰保持器202之间距离(DD)的至少一部分的燃烧管106的壁。例如，隔热结构612可由1英寸厚高温隔热涂层(得自美国纽约州尼亚加拉瀑布城的奇耐联合纤维公司(UNIFRAX I LLC of Niagara Falls,New York))构成。
壳体102可包括燃烧管106周围的前壁103。还可包括凸缘604，并且凸缘604可可操作地连接前壁103。火焰保持器支承结构602能够可操作地连接至凸缘604。燃料喷嘴110和空气源114一起可组成燃料喷嘴组件606。凸缘604可被配置成保持燃料喷嘴组件606远离锅炉200的前壁103，使得燃料喷嘴组件606被配置用于输出至少部分混合的燃料和空气，使其穿过与锅炉200的前壁103重合的平面。
换句话讲，包括燃料喷嘴组件606、火焰保持器支承结构602和有孔火焰保持器202的整个组合可相对于锅炉壳体102和燃烧管106设置于左侧，使得稀释距离DD的一部分延伸到锅炉壳体102的外部到达前壁103的左侧。这种对准可能在以下应用中有用：其中燃烧管106长度会将有孔火焰保持器202置于比期望的更靠近燃烧管106输出端的位置。
图7为根据一个实施例的带有启动装置214的锅炉700的一部分的示意图，所述启动装置包括被配置成保持启动火焰706以预热有孔火焰保持器202的近端火焰保持器704。图8为根据另一个实施例的带有启动装置214的锅炉800的一部分的示意图，所述启动装置包括被配置成预热有孔火焰保持器202的有孔火焰保持器电阻加热器802。启动装置214可被配置成在用有孔火焰保持器202支持燃烧反应204之前预热有孔火焰保持器202。
如上所述，有孔火焰保持器202被理解为至少部分地通过以下方式来工作：接收来自被保持在空隙容积212、308的部分内的燃烧反应204的各个部分的热量并将接收到的热量输出到相对较冷的进入燃料/空气混合物。如果有孔火焰保持器202没有热到足以使燃料空气混合物自燃，则有孔火焰保持器202将不会以所述方式工作。根据实施例，在将燃料和空气流引入到有孔火焰保持器202用于其内的燃烧之前，对预热有孔火焰保持器202进行配置。发明人设想了预热有孔火焰保持器202的多种方法。
参见图7，启动装置214可包括启动火焰保持器704，其被配置成暂时保持启动火焰706，该启动火焰被设置成将热量输出至有孔火焰保持器202。启动火焰保持器704可包括被配置成使涡流循环热量以维持启动火焰706的钝体。
启动火焰保持器704可被配置成在有孔火焰保持器202达到操作温度后被机械回缩至不会保持启动火焰706的位置708。启动火焰保持器704可被配置成由锅炉操作人员手动致动。除此之外或作为另外一种选择，启动火焰保持器704可包括被配置成响应于接收到来自电子控制器的信号致动钝体的位置的致动器(参见例如图2)。
启动装置214还可包括被设置成将电荷输出至启动火焰706的火焰充电器。启动装置214可包括导体，该导体被配置成吸引来自启动火焰706的电荷以保持启动火焰706，以便将热量输出至有孔火焰保持器202。除此之外或作为另外一种选择，导体可被配置成在启动火焰706中利用电荷形成电场以保持启动火焰706，以便将热量输出至有孔火焰保持器202。
在另一个实施例中，启动装置214可包括可操作地连接至有孔火焰保持器202的位置致动器。在启动期间，位置致动器将有孔火焰保持器202定位在相对接近燃料喷嘴组件606的近端位置。近端位置对应于将在不具有结合图4和图5描述的热交换功能的情况下支持稳定火焰的相对富燃料和空气混合物。(相对富混合物)启动燃烧反应被点燃后，来自燃烧反应的热量提高了有孔火焰保持器202的温度。然后，位置致动器将有孔火焰保持器202移动至如图2、图6和图7所示的远端位置，在该位置处，受热的有孔火焰保持器根据结合图4和图5中描述的机制使用产生减少的[NOx]的相对贫燃料和空气混合物来维持稳定燃烧反应。
图8为配备有启动装置214的有孔火焰保持器202的侧面剖视图800，所述启动装置包括被配置成将热量输出至有孔火焰保持器202的电阻加热器802。启动装置214还可包括可操作地连接至电阻加热器802的电压源804。控制器134能够可操作地连接至开关806，该开关被配置成在电压源与电阻加热器802之间形成接触或断开接触。经由数据接口136接收启动命令后，控制器134使开关806闭合一段时间，这段时间足以加热电阻加热器802以及与电阻加热器802相邻的有孔火焰保持器202的部分。电阻加热器802可通过各种方式形成。例如，电阻加热器802可由电阻丝(得自瑞典哈尔斯塔哈马的山特维克公司山特维克材料科技部门(Sandvik Materials Technology division of Sandvik AB of Hallstahammar,Sweden))穿过由有孔火焰保持器主体210构成的细长孔308的至少一部分而形成。作为另外一种选择，加热器802可包括感应加热器、高能量(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。
在一个实施例中，使用48英寸长度的穿过有孔火焰保持器202的铬铝钴电阻丝(Kanthal wire)，控制器可使输出90VAC的电压源804与电阻加热器802电气连接持续约90秒。90秒后，控制器134可打开燃料阀，并启动风扇以将空气和燃料混合物递送至有孔火焰保持器202。点燃有孔火焰保持器202中的燃料和空气后，例如约95秒后，控制器134打开开关806以停止用电阻加热器802输出热量，并由结合图4所述的机构维持燃烧反应204。随着有孔火焰保持器202变热，控制器134随后增加燃料和空气流以输出所需热量递送值。
对于使用较短长度的铬铝钴电阻丝的实施例，可降低加热电压和/或缩短加热时间。对于使用较长长度的铬铝钴电阻丝的实施例，可将电压提高到90V以上和/或将时间延长到90秒以上。
启动装置214可包括被配置成将脉冲点火输出至空气和燃料的放电点火器。除此之外或作为另外一种选择，启动装置可包括被设置用于点燃进入有孔火焰保持器202的燃料和空气混合物的引燃火焰装置。放电点火器和/或引燃火焰装置能够可操作地连接至电子控制器(参见例如图2)，所述电子控制器被配置成在充分加热有孔火焰保持器以维持燃烧之前使放电点火器和/或引燃火焰装置维持有孔火焰保持器202中空气和燃料混合物的燃烧。
图9为示出根据一个实施例的用于操作低氮氧化物(NOx)火管锅炉的方法900的流程图。根据图2至图8对图9进行了描述。在步骤902a中，提供了火管锅炉。火管锅炉包括锅炉壳体，所述锅炉壳体具有至少一根至少部分地设置在壳体内的燃烧管和多根设置在壳体内的火管。所述多根火管被配置成接收来自燃烧管的燃烧产物。燃烧管通过长度和内径来表征。锅炉壳体被配置成容纳锅炉水。燃烧管围绕燃烧容积，并与所述多根火管形成连续容积。燃烧管和火管被配置成共同地将锅炉水保持在燃烧容积外。
继续进行步骤904，提供有孔火焰保持器。有孔火焰保持器包括限定多个空隙容积的主体，所述多个空隙容积可操作以传输燃料和空气并保持燃烧反应。在步骤906中，有孔火焰保持器被支承在燃烧管内。
步骤908至922描述了操作在步骤902至906中提供的火管锅炉。
从步骤908开始，对有孔火焰保持器进行预热。下文中更加详细地描述了步骤908。继续进行步骤910，将燃料和燃烧空气沿着一定方向输出至燃烧容积内，该方向被对准以将混合燃料和燃烧空气递送至有孔火焰保持器。在步骤912中，将热量从有孔火焰保持器输出至燃料和燃烧空气。在步骤914中，使用有孔火焰保持器保持由燃料和燃烧空气支持的燃烧反应。在步骤915中，有孔火焰保持器接收来自燃烧反应的热量。步骤912、914和915的循环用于将燃烧反应保持点燃状态。将升高进入的燃料和空气混合物的温度(达到或大于燃料的自燃温度)所不需要的部分热量以热辐射的形式输出至燃烧管的壁，从而输出至锅炉水以提供锅炉水加热的一部分。热燃烧产物带走了由燃烧反应释放的一些热量。
继续进行步骤916，通过由排气烟道产生的气流将热燃烧产物递送至火管。在步骤918中，热量从火管传递至锅炉水，并且在步骤920中，从锅炉输出热水或蒸汽。
在步骤922中，有孔火焰保持器的操作特性允许输出燃烧产物，该燃烧产物包含3％过量氧下的不到10份每一百万份的NOx。发明人实现了包含少于5份每一百万份的NOx的燃烧产物的可靠输出。在一些实验中，发明人实现了包含3％过量氧下的少于1份每一百万份的NOx的燃烧产物的输出。应当理解，输出这种3％过量氧下的低NOx相当于输出大于3％的过量氧并且调节NOx的测定浓度。例如，如果在烟道中测得6％的过量氧和5份每一百万份的NOx，那么可将测得的NOx输出调节至等效的3％过量氧下的10份每一百万份。
参考有孔火焰保持器本身的操作，在步骤915中，来自保持在空隙容积内的燃烧反应的热量被接收到有孔火焰保持器的主体中。接收的热量将有孔火焰保持器主体的温度升高至等于或高于燃料自燃温度的值。这允许在维持点燃的温度下将热量输出至进入的燃料和燃烧空气混合物。将接收到的热量保持在有孔火焰保持器的主体中，并沿着上游方向朝向燃料和燃烧空气混合物的未燃烧部分进行传递。发明人设想了两种主要热传递机制。部分热量可能经由由有孔火焰保持器的主体限定的所述多个空隙容积内的热辐射向上游传递。另一部分热量则可能经由有孔火焰保持器的主体内的热传导向上游进行传递。
在任何情况下，将来自有孔火焰保持器的主体的热量输出至空隙容积中的混合燃料和燃烧空气以维持燃烧。根据一个实施例，有孔火焰保持器主体将所述多个空隙容积中的每一个限定为细长孔。发明人设想了在步骤912中将热量从有孔火焰保持器的主体输出到混合燃料和燃烧空气包括将热量输出至细长孔，所述细长孔各自具有长度L，该长度足以使沿着限定细长孔的壁形成的热界面层大致交汇，以使燃料和燃烧空气整体被加热至燃料和燃烧空气混合物中燃料的自燃温度。这允许沿着为了将混合燃料和燃烧空气递送至有孔火焰保持器而对准的方向将燃料和燃烧空气输出至燃烧容积内的步骤910递送与在与有孔火焰保持器对应的位置处的蒸汽稳定火焰中将会稳定燃烧的燃料混合物相比更贫的燃料混合物，同时维持稳定燃烧。
在若干实施例中，有孔火焰保持器包括限定多个空隙容积的主体，所述空隙容积通过约70％(0.70)的空隙率来表征，所述空隙率表示为(总有孔火焰保持器容积-主体容积)/总有孔火焰保持器容积。
有孔火焰保持器可包括由耐火材料(诸如堇青石或莫来石中的至少一种)制成的主体。如上所述，可在蜂窝构造中提供所述多个空隙容积。
一般来讲，有孔火焰保持器的主体限定被配置成接收燃料和空气的输入表面、与输入表面相对的输出表面以及限定有孔火焰保持器的横向范围的周向表面。空隙容积可包括从有孔火焰保持器的输入表面延伸至输出表面的多个细长孔。在步骤914中用有孔火焰保持器保持燃烧反应可包括将燃烧反应的至少一部分、最多至大部分保持在有孔火焰保持器的输入表面与输出表面之间。发明人观察到没有可见火焰存在于有孔火焰保持器外部的情况，但是仍然完成了燃烧。这可以表明，基本上整个燃烧反应发生在有孔火焰保持器的输入表面与输出表面之间的细长孔内。
用有孔火焰保持器保持燃烧反应可包括将燃烧反应至少部分地保持在细长孔内。每个细长孔可具有等于或大于混合燃料和燃烧空气中的燃料的淬熄距离的横向尺寸D。发明人发现，一般来讲，包括一层孔径小于淬熄距离的多孔材料是不可取的。
参见步骤906，将有孔火焰保持器支承在燃烧管中可包括围绕有孔火焰保持器整个周长与燃烧管相邻地支承有孔火焰保持器。作为另外一种选择，将有孔火焰保持器支承在燃烧管中可包括至少部分地与燃烧管分离地支承有孔火焰保持器，使得允许进行自然烟道气再循环(围绕有孔火焰保持器的周向表面)。
在燃烧管中支承有孔火焰保持器可包括用火焰保持器支承结构支承有孔火焰保持器，使其远离燃料喷嘴一定距离，该距离足以将基本上完全混合的燃料和燃烧空气递送至有孔火焰保持器。步骤906还可包括沿着燃料喷嘴与有孔火焰保持器之间的距离的至少一部分与燃烧管的壁相邻地支承隔热结构。
参见步骤910，沿着为了将混合燃料和燃烧空气递送至有孔火焰保持器而对准的方向将燃料和燃烧空气输出至燃烧容积内可包括从燃料喷嘴输出燃料射流和从与燃料喷嘴相邻设置的空气源输出燃烧空气。从燃料喷嘴输出燃料射流可包括输出气态烃类燃料诸如天然气的射流。
在一个实施例中，沿着为了将混合燃料和燃烧空气递送至有孔火焰保持器而对准的方向将燃料和燃烧空气输出至燃烧容积内包括通过燃料喷嘴输出燃料，所述燃料喷嘴通过燃料穿过其发射的喷嘴直径来表征；与发射的燃料相邻地输出燃烧空气；以及允许燃料和燃烧空气在到达有孔火焰保持器之前流经混合距离。步骤906可包括在与燃料喷嘴相距混合距离的位置处用火焰保持器支承结构支承燃烧管中的有孔火焰保持器。一般来讲，混合距离为至少20倍喷嘴直径。根据实施例，混合距离为100倍喷嘴直径或更大。在一些实施例中，混合距离为245倍喷嘴直径或更大。具体地讲，混合距离可为约265倍喷嘴直径。
如上所述，方法900可包括步骤908，其中在将混合燃料和燃烧空气递送至有孔火焰保持器之前，有孔火焰保持器主体被预热至操作温度。将有孔火焰保持器预热至操作温度可包括将有孔火焰保持器加热至等于或高于混合燃料和燃烧空气的自燃温度的温度。
发明人开发了用于预热有孔火焰保持器的多种方法。在一些实施例中，将有孔火焰保持器预热至操作温度包括在有孔火焰保持器上游处支持预热火焰。可通过若干方式操作预热火焰。例如，将有孔火焰保持器预热至操作温度可包括部署启动火焰保持器以暂时保持启动火焰，并将来自启动火焰的热量输出至有孔火焰保持器。然后，启动火焰保持器可在有孔火焰保持器达到操作温度后机械回缩至不会保持启动火焰的位置。使启动火焰保持器机械回缩至不会保持启动火焰的位置可包括手动致动启动火焰保持器，或者可包括操作致动器(诸如步进电机或螺线管)以回缩启动火焰保持器。作为另外一种选择，将有孔火焰保持器预热至操作温度还可包括用火焰充电器将电荷输出至启动火焰，并提供被配置成吸引来自启动火焰的电荷以保持启动火焰从而将热量输出至有孔火焰保持器的导体。
在另一个实施例中，将有孔火焰保持器预热至操作温度包括对有孔火焰保持器进行电加热。
实例
图10为根据一个实施例的用于确定燃料喷嘴与有孔火焰保持器之间的稀释距离的效果的实验装置1000的示意图。在该实验装置中，采用以下条件进行试验点火：
燃料为甲烷。
燃料压力改变，但是为约12psig通量。
燃料喷嘴(针孔)直径为0.11”。
“关闭”排气烟道中的阻尼器，围绕该阻尼器始终有约1/4”间隙。堆叠大小为约12平方英寸。1/4”间隙使排气烟道阻尼器不会完全关闭。
空气源(进气)为自然通风，并限制在与遮住3”孔的大约中心1/4"的燃料喷嘴管同心布置的3”孔中。
在堆叠中进行3％O2下的NOx比较。
有孔火焰保持器的总厚度(L尺寸)为4"。4"的总厚度形成为每平方英寸具有16个孔的2”厚蜂窝结构底层(VERSAGRID陶瓷蜂窝，得自美国南卡罗来纳州多拉维尔的美商应陶公司(Applied Ceramics,Inc.of Doraville,South Carolina))加上每平方英寸具有64个孔的2”蜂窝结构(VERSAGRID)顶层。
表2给出了针对三个稀释距离中每一个的NOx输出测定值。
表2
作为稀释距离的函数的NOx输出
PFH高度 燃料/空气速率 NOx结果
18” 19ft/s 14ppm
27” 15ft/s 2ppm
36” 12ft/s 6ppm
图11为使用图10所示的装置确定的NOx浓度(由[NOx]指示)输出的测定值和预测值的曲线图。测定结果也示于表2中。观察图10可以看出，最低[NOx]测定值出现在27”(245倍喷嘴直径)处。通过对测得数据的多项式最佳拟合预测出最低[NOx]在约29.2”(265倍喷嘴直径)处。
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举例说明的目的，并非旨在进行限制，真实范围和实质由以下权利要求书指示。

Claims (90)

1.一种低氮氧化物(NOx)火管锅炉，包括：
被配置成容纳水的壳体；
至少部分地设置在所述壳体内的至少一根燃烧管，所述燃烧管通过长度和内径来表征，所述燃烧管围绕燃烧容积并被配置成将所述水保持在所述燃烧容积外；
燃料喷嘴，所述燃料喷嘴被设置用于将燃料射流输出至由所述燃烧管限定的所述燃烧容积内；
空气源，所述空气源被设置用于将燃烧空气输出至所述燃烧容积内；以及
被设置在所述燃烧管中的有孔火焰保持器，所述有孔火焰保持器被对准以接收来自所述燃料喷嘴的所述燃料射流和来自所述空气源的所述燃烧空气；
其中所述有孔火焰保持器包括限定多个空隙容积的主体，所述多个空隙容积可操作以传输所述燃料和空气并保持由所述燃料和空气支持的燃烧反应，所述主体还被配置成接收来自所述空隙容积中的所述燃烧反应的热量，保持所述热量并将所述热量输出至所述空隙容积中的所述燃料和空气以维持贫燃料和空气混合物的燃烧。
2.根据权利要求1所述的低NOx火管锅炉，其中所述主体限定被配置成接收所述燃料和空气的输入表面、与所述输入表面相对的输出表面、以及限定所述有孔火焰保持器的横向范围的周向表面；
其中所述空隙容积包括从所述有孔火焰保持器的所述输入表面延伸至所述输出表面的多个细长孔。
3.根据权利要求2所述的低NOx火管锅炉，其中所述多个细长孔被配置成将所述燃烧反应基本上保持介于所述有孔火焰保持器的所述输入表面与所述输出表面之间。
4.根据权利要求2所述的低NOx火管锅炉，其中所述细长孔各自具有等于或大于所述燃料射流中燃料淬熄距离的横向尺寸D。
5.根据权利要求1所述的低NOx火管锅炉，其中所述有孔火焰保持器被设置成围绕所述有孔火焰保持器的整个周边大致邻近所述燃烧管。
6.根据权利要求1所述的低NOx火管锅炉，其中所述有孔火焰保持器被设置成至少部分地与所述燃烧管分离，从而选择进行自然烟道气再循环。
7.根据权利要求1所述的低NOx火管锅炉，其中所述主体包含耐火材料。
8.根据权利要求7所述的低NOx火管锅炉，其中所述耐火材料包括堇青石或莫来石中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的低NOx火管锅炉，其中所述主体限定蜂窝结构。
10.根据权利要求9所述的低NOx火管锅炉，其中所述细长孔各自具有长度L，所述长度L足以使沿着限定所述细长孔的壁形成的热界面层大致交汇。
11.根据权利要求1所述的低NOx火管锅炉200，其中限定所述有孔火焰保持器的所述主体被配置成至少在所述有孔火焰保持器的输出表面附近形成所述空隙容积的细长孔的第二区域中从所述燃烧反应接收热量。
12.根据权利要求1所述的低NOx火管锅炉，其中所述主体被配置成至少在所述空隙容积的输入端附近将热量输出至所述燃料和空气。
13.根据权利要求1所述的低NOx火管锅炉，其中所述主体被配置成接收来自所述燃烧反应的热量并输出辐射热能，以将所述主体的温度维持为低于所述燃烧反应的绝热火焰温度。
14.根据权利要求1所述的低NOx火管锅炉，其中所述主体被配置成接收来自所述燃烧反应的热量，以将所述燃烧反应冷却至低于所述燃烧反应的绝热火焰温度的温度。
15.根据权利要求1所述的低NOx火管锅炉，其中所述主体被配置成接收来自所述燃烧反应的热量，以将所述燃烧反应冷却至低于NOx形成温度的温度。
16.根据权利要求1所述的低NOx火管锅炉，其中所述主体被配置成接收来自所述燃烧反应的热量并向限定空隙容积壁的所述主体的由进入的燃料和空气流冷却的区域发射热辐射。
17.根据权利要求16所述的低NOx火管锅炉，其中所接收的所述热辐射维持所述主体的由进入的燃料和空气流冷却的所述区域的温度；并且
其中由所述主体的所述区域携带的热量被传导至所述进入的燃料和空气流，以提升所述燃料和空气的温度，从而维持燃烧。
18.根据权利要求1所述的低NOx火管锅炉，其中所述主体被配置成朝向所述主体的由进入的燃料和空气流冷却的所述区域传导热量。
19.根据权利要求1所述的低NOx火管锅炉，其中所述多个空隙容积保持所述燃烧反应的相应部分。
20.根据权利要求1所述的低NOx火管锅炉，其中所述主体的壁通过将热量传导至与限定所述空隙容积的壁相邻形成的流体界面层，而将热量传递至进入的燃料和空气。
21.根据权利要求1所述的低NOx火管锅炉，其中所述界面层的厚度增加足以加热穿过所述空隙容积的基本上全部燃料和空气。
22.根据权利要求1所述的低NOx火管锅炉，其中所述多个细长孔各自的特征在于横向尺寸D等于或大于火焰淬熄距离。
23.根据权利要求1所述的低NOx火管锅炉，其中所述空隙容积通过约70％(0.70)的空隙率来表征，所述空隙率表示为(总有孔火焰保持器容积-主体容积)/总有孔火焰保持器容积。
24.根据权利要求1所述的低NOx火管锅炉，其中所述燃料喷嘴通过喷嘴直径来表征，燃料穿过所述喷嘴直径被发射；并且
所述低NOx火管锅炉还包括：
火焰保持器支承结构，所述火焰保持器支承结构可操作地连接至所述有孔火焰保持器，并被配置成将所述有孔火焰保持器保持在与所述燃料喷嘴相距一定稀释距离处；
其中所述稀释距离为至少20倍喷嘴直径。
25.根据权利要求24所述的低NOx火管锅炉，其中所述稀释距离为100倍喷嘴直径或更大。
26.根据权利要求25所述的低NOx火管锅炉，其中所述稀释距离为245倍喷嘴直径或更大。
27.根据权利要求26所述的低NOx火管锅炉，其中所述稀释距离为约265倍喷嘴直径。
28.根据权利要求24所述的低NOx火管锅炉，其中所述壳体包括所述燃烧管周围的前壁；
还包括可操作地连接至所述前壁的凸缘；
其中所述火焰保持器支承结构可操作地连接至所述凸缘。
29.根据权利要求28所述的低NOx火管锅炉，其中所述凸缘、所述支承结构和所述有孔火焰保持器被配置成作为一个单元安装在所述燃烧管中而无需与所述燃烧管的机械连接件。
30.根据权利要求28所述的低NOx火管锅炉，其中所述燃料喷嘴和所述空气源一起构成燃料喷嘴组件；并且
其中所述燃料喷嘴组件可操作地连接至所述凸缘。
31.根据权利要求30所述的低NOx火管锅炉，其中所述凸缘、所述燃料喷嘴组件、所述支承结构和所述有孔火焰保持器被配置成作为一个单元相对于所述燃烧管进行安装而无需与所述燃烧管的机械连接件。
32.根据权利要求31所述的低NOx火管锅炉，其中所述凸缘、所述燃料喷嘴组件、所述支承结构和所述有孔火焰保持器被配置成被改造以适用于所述锅炉。
33.根据权利要求31所述的低NOx火管锅炉，其中所述凸缘、所述燃料喷嘴组件、所述支承结构和所述有孔火焰保持器被配置成作为一个单元安装在所述锅炉中并从所述锅炉上拆下以更换多孔火焰保持器。
34.根据权利要求30所述的低NOx火管锅炉，其中所述燃料喷嘴组件包括回旋叶片，所述回旋叶片被对准以防止火焰被保持在邻近所述燃料喷嘴组件处。
35.根据权利要求24所述的低NOx火管锅炉，其中所述支承结构被配置成保持所述有孔火焰保持器远离所述燃料喷嘴一段距离，所述距离足以使得所述燃料和空气在所述燃料和空气冲击所述有孔火焰保持器的位置处基本上完全混合。
36.根据权利要求24所述的低NOx火管锅炉，还包括：
可操作地连接至所述火焰保持器支承结构的隔热结构。
37.根据权利要求36所述的低NOx火管锅炉，其中所述隔热结构由所述支承结构沿着所述燃料喷嘴与所述有孔火焰保持器之间距离的至少一部分与所述燃烧管的壁相邻地支承。
38.根据权利要求1所述的低NOx火管锅炉，还包括：
隔热结构，所述隔热结构被设置成邻近沿着所述燃料喷嘴与所述有孔火焰保持器之间距离的至少一部分的所述燃烧管的壁。
39.根据权利要求38所述的低NOx火管锅炉，其中所述主体包括所述燃烧管周围的前壁；
还包括可操作地连接至所述前壁的凸缘；
其中所述火焰保持器支承结构可操作地连接至所述凸缘；
其中所述燃料喷嘴和所述空气源一起构成燃料喷嘴组件；并且
其中所述凸缘被配置成保持所述燃料喷嘴组件远离所述锅炉的所述前壁，使得所述燃料喷嘴组件被配置成输出至少部分混合的燃料和空气，使其穿过与所述锅炉的所述前壁重合的平面。
40.根据权利要求1所述的低NOx火管锅炉，还包括：
启动装置，所述启动装置被配置成在用所述有孔火焰保持器支持燃烧反应之前预热所述有孔火焰保持器。
41.根据权利要求40所述的低NOx火管锅炉，其中所述启动装置包括启动火焰保持器，所述启动火焰保持器被配置成暂时保持被设置为将热量输出至所述有孔火焰保持器的启动火焰。
42.根据权利要求41所述的低NOx火管锅炉，其中所述启动火焰保持器包括钝体，所述钝体被配置成使涡流循环热量以维持所述启动火焰。
43.根据权利要求42所述的低NOx火管锅炉，其中所述启动火焰保持器被配置成在所述有孔火焰保持器达到操作温度后机械回缩至不会保持所述启动火焰的位置。
44.根据权利要求43所述的低NOx火管锅炉，其中所述启动火焰保持器被配置成由锅炉操作人员手动致动。
45.根据权利要求43所述的低NOx火管锅炉，其中所述启动火焰保持器包括致动器，所述致动器被配置成响应于接收到来自电子控制器的信号而致动所述钝体的位置。
46.根据权利要求40所述的低NOx火管锅炉，还包括被设置成将电荷输出至所述启动火焰的火焰充电器；
其中所述启动装置包括导体，所述导体被配置成吸引来自所述启动火焰的电荷以保持所述启动火焰，以便将热量输出至所述有孔火焰保持器。
47.根据权利要求40所述的低NOx火管锅炉，还包括被设置成将电荷输出至所述启动火焰的火焰充电器；
其中所述启动装置包括导体，所述导体被配置成在所述启动火焰中利用所述电荷形成电场以保持所述启动火焰，以便将热量输出至所述有孔火焰保持器。
48.根据权利要求40所述的低NOx火管锅炉，其中所述启动装置包括加热器，所述加热器被配置成将热量输出至所述有孔火焰保持器。
49.根据权利要求48所述的低NOx火管锅炉，还包括：
电压源；
其中所述加热器包括可操作地连接至所述电压源的电阻加热器。
50.根据权利要求40所述的低NOx火管锅炉，其中所述启动装置包括放电点火器，所述放电点火器被配置成将脉冲点火输出至所述空气和燃料。
51.根据权利要求40所述的低NOx火管锅炉，其中所述启动装置包括引燃火焰装置。
52.根据权利要求1所述的低NOx火管锅炉，还包括：
启动装置，所述启动装置被配置成在形成稳定燃烧之前预热所述有孔火焰保持器；以及
可操作地连接至所述启动装置的电子控制器，所述电子控制器被配置成使所述启动装置预热所述有孔火焰保持器。
53.一种用于操作低氮氧化物(NOx)火管锅炉的方法，包括：
提供锅炉壳体，所述锅炉壳体包括至少部分地设置在所述壳体内的至少一根燃烧管和设置在所述壳体内的多根火管，所述多根火管被配置成接收来自所述燃烧管的燃烧产物，所述燃烧管通过长度和内径来表征，所述锅炉壳体被配置成容纳锅炉水，所述燃烧管围绕燃烧容积并与所述多根火管形成连续容积，并且所述燃烧管和火管被配置成共同将所述锅炉水保持在所述燃烧容积外；
提供包括限定多个空隙容积的主体的有孔火焰保持器，所述多个空隙容积可操作以传输燃料和空气并保持燃烧反应；
将所述有孔火焰保持器支承在所述燃烧管内；
将燃料和燃烧空气沿着一定方向输出至所述燃烧容积内，所述方向被对准以将混合的燃料和燃烧空气递送至所述有孔火焰保持器；
使用所述有孔火焰保持器保持由所述燃料和燃烧空气支持的燃烧反应；
将热燃烧产物递送至所述火管；
将热量从所述火管传递至所述锅炉水；
从所述锅炉输出热水或蒸汽；以及
输出包含3％过量氧下的少于10份每一百万份的NOx的燃烧产物。
54.根据权利要求53所述的用于操作低NOx火管锅炉的方法，其中输出包含3％过量氧下的少于10份每一百万份的NOx的燃烧产物包括输出少于5份每一百万份的NOx。
55.根据权利要求54所述的用于操作低NOx火管锅炉的方法，其中输出包含3％过量氧下的少于10份每一百万份的NOx的燃烧产物包括输出少于1份每一百万份的NOx。
56.根据权利要求53所述的用于操作低NOx火管锅炉的方法，其中输出包含3％氧下的少于10份每一百万份的NOx的燃烧产物包括输出大于3％过量氧，并调节NOx的测定浓度至3％过量氧下的少于10份每一百万份。
57.根据权利要求53所述的用于操作低NOx火管锅炉的方法，还包括：
将保持在所述有孔火焰保持器的所述空隙容积中的来自所述燃烧反应的热量接收至所述有孔火焰保持器的所述主体内；以及
将来自所述有孔火焰保持器的所述主体的热量输出至所述空隙容积中的所述混合的燃料和燃烧空气以维持燃烧。
58.根据权利要求57所述的用于操作低NOx火管锅炉的方法，其中提供包括限定多个空隙容积的主体的有孔火焰保持器包括提供有孔火焰保持器主体，其中所述多个空隙容积各自包括一个细长孔；以及
59.根据权利要求57所述的用于操作低NOx火管锅炉的方法，其中将来自所述有孔火焰保持器的所述主体的热量输出至所述混合的燃料和燃烧空气包括将热量输出至细长孔，所述细长孔各自具有长度L，所述长度L足以使沿着限定所述细长孔的壁形成的热界面层大致交汇，以使所述燃料和燃烧空气整体被加热至所述燃料和燃烧空气混合物中所述燃料的自燃温度。
60.根据权利要求57所述的用于操作低NOx火管锅炉的方法，其中将来自所述燃烧反应的热量接收至所述有孔火焰保持器的所述主体内并将来自所述有孔火焰保持器的所述主体的热量输出至所述混合的燃料和燃烧空气还包括：
在所述有孔火焰保持器的所述主体中保持所接收到的所述热量；以及沿着上游方向朝向所述燃料和燃烧空气混合物的未燃烧部分传递所保持的所述热量。
61.根据权利要求60所述的用于操作低NOx火管锅炉的方法，其中沿着上游方向朝向所述燃料和燃烧空气混合物的未燃烧部分传递所保持的所述热量包括使用由所述有孔火焰保持器的所述主体限定的所述多个空隙容积内的热辐射传递热量。
62.根据权利要求60所述的用于操作低NOx火管锅炉的方法，其中沿着上游方向朝向所述燃料和燃烧空气混合物的未燃烧部分传递所保持的所述热量包括使用所述有孔火焰保持器的所述主体内的热传导传递热量。
63.根据权利要求53所述的用于操作低NOx火管锅炉的方法，其中沿着为了将混合的燃料和燃烧空气递送至所述有孔火焰保持器而对准的方向将燃料和燃烧空气输出至所述燃烧容积内包括递送与将会在对应于所述有孔火焰保持器的位置处在蒸汽稳定火焰中稳定燃烧的燃料混合物相比更贫的燃料混合物。
64.根据权利要求53所述的用于操作低NOx火管锅炉的方法，其中提供包括限定多个空隙容积的主体的有孔火焰保持器包括提供主体，所述主体通过约70％(0.70)的空隙率来表征，所述空隙率表示为(总有孔火焰保持器容积-主体容积)/总有孔火焰保持器容积。
65.根据权利要求53所述的用于操作低NOx火管锅炉的方法，其中提供有孔火焰保持器包括提供由耐火材料制成的有孔火焰保持器主体。
66.根据权利要求65所述的用于操作低NOx火管锅炉的方法，其中提供由耐火材料制成的有孔火焰保持器主体包括提供由堇青石或莫来石中的至少一种制成的有孔火焰保持器主体。
67.根据权利要求53所述的用于操作低NOx火管锅炉的方法，其中提供有孔火焰保持器包括提供将多个空隙容积限定为蜂窝构造的有孔火焰保持器主体。
68.根据权利要求53所述的用于操作低NOx火管锅炉的方法，其中提供有孔火焰保持器包括提供一种有孔火焰保持器，其中所述主体限定被配置成接收燃料和空气的输入表面、与所述输入表面相对的输出表面、以及限定所述有孔火焰保持器的横向范围的周向表面；并且
其中所述空隙容积包括从所述有孔火焰保持器的所述输入表面延伸至所述输出表面的多个细长孔。
69.根据权利要求68所述的用于操作低NOx火管锅炉的方法，其中使用所述有孔火焰保持器保持所述燃烧反应包括保持所述燃烧反应的大部分发生在所述有孔火焰保持器的所述输入表面与所述输出表面之间。
70.根据权利要求68所述的用于操作低NOx火管锅炉的方法，其中使用所述有孔火焰保持器保持所述燃烧反应包括将所述燃烧反应至少部分地保持在所述细长孔内；其中每个细长孔具有等于或大于所述混合的燃料和燃烧空气中的所述燃料的淬熄距离的横向尺寸D。
71.根据权利要求53所述的用于操作低NOx火管锅炉的方法，其中将所述有孔火焰保持器支承在所述燃烧管中包括围绕所述有孔火焰保持器整个周长与所述燃烧管相邻地支承所述有孔火焰保持器。
72.根据权利要求53所述的用于操作低NOx火管锅炉的方法，其中将所述有孔火焰保持器支承在所述燃烧管中包括至少部分地与所述燃烧管分离地支承所述有孔火焰保持器；并且
所述方法还包括允许进行自然烟道气再循环。
73.根据权利要求53所述的用于操作低NOx火管锅炉的方法，其中将所述有孔火焰保持器支承在所述燃烧管中包括使用火焰保持器支承结构支承所述有孔火焰保持器使所述火焰保持器远离所述燃料喷嘴一定距离，所述距离足以将基本上完全混合的燃料和燃烧空气递送至所述有孔火焰保持器。
74.根据权利要求53所述的用于操作低NOx火管锅炉的方法，其中将所述有孔火焰保持器支承在所述燃烧管中还包括：
沿着燃料喷嘴与所述有孔火焰保持器之间距离的至少一部分与所述燃烧管的壁邻近地支承隔热结构。
75.根据权利要求53所述的用于操作低NOx火管锅炉的方法，其中沿着为了将混合的燃料和燃烧空气递送至所述有孔火焰保持器而对准的方向将燃料和燃烧空气输出至所述燃烧容积内还包括：
从燃料喷嘴输出燃料射流；以及
从被设置成邻近所述燃料喷嘴的空气源输出燃烧空气。
76.根据权利要求75所述的用于操作低NOx火管锅炉的方法，其中从燃料喷嘴输出燃料射流包括输出气态烃类燃料射流。
77.根据权利要求76所述的用于操作低NOx火管锅炉的方法，其中输出气态烃类燃料射流包括输出天然气。
78.根据权利要求53所述的用于操作低NOx火管锅炉的方法，其中沿着为了将混合的燃料和燃烧空气递送至所述有孔火焰保持器而对准的方向将燃料和燃烧空气输出至所述燃烧容积内包括通过燃料喷嘴输出燃料，所述燃料喷嘴通过喷嘴直径来表征，燃料穿过所述喷嘴直径被发射；
输出与所发射的燃料相邻的燃烧空气；以及
允许所述燃料和燃烧空气在到达所述有孔火焰保持器之前流经混合距离；
其中将所述有孔火焰保持器支承在所述燃烧管中包括使用火焰保持器支承结构将所述有孔火焰保持器支承在与所述燃料喷嘴相距所述混合距离的位置处。
79.根据权利要求78所述的用于操作低NOx火管锅炉的方法，其中所述混合距离为至少20倍喷嘴直径。
80.根据权利要求78所述的用于操作低NOx火管锅炉的方法，其中所述混合距离为100倍喷嘴直径或更大。
81.根据权利要求80所述的用于操作低NOx火管锅炉的方法，其中所述混合距离为245倍喷嘴直径或更大。
82.根据权利要求80所述的用于操作低NOx火管锅炉的方法，其中所述混合距离为约265倍喷嘴直径。
83.根据权利要求53所述的用于操作低NOx火管锅炉的方法，还包括：
在将混合的燃料和燃烧空气递送至所述有孔火焰保持器之前，将所述有孔火焰保持器主体预热至操作温度。
84.根据权利要求83所述的用于操作低NOx火管锅炉的方法，其中将所述有孔火焰保持器预热至操作温度包括将所述有孔火焰保持器加热至等于或高于混合的燃料和燃烧空气的自燃温度的温度。
85.根据权利要求83所述的用于操作低NOx火管锅炉的方法，其中将所述有孔火焰保持器预热至操作温度包括在所述有孔火焰保持器上游支持预热火焰。
86.根据权利要求83所述的用于操作低NOx火管锅炉的方法，其中将所述有孔火焰保持器预热至操作温度包括对所述有孔火焰保持器进行电加热。
87.根据权利要求83所述的用于操作低NOx火管锅炉的方法，其中将所述有孔火焰保持器预热至操作温度包括部署启动火焰保持器以暂时保持启动火焰；以及
将热量从所述启动火焰输出至所述有孔火焰保持器。
88.根据权利要求87所述的用于操作低NOx火管锅炉的方法，其中输出燃料和燃烧空气以将混合的燃料和燃烧空气递送至所述有孔火焰保持器包括在所述有孔火焰保持器达到操作温度之后，将所述启动火焰保持器机械回缩至不会保持所述启动火焰的位置。
89.根据权利要求88所述的用于操作低NOx火管锅炉的方法，其中将所述启动火焰保持器机械回缩至不会保持所述启动火焰的位置包括手动致动所述启动火焰保持器。
90.根据权利要求83所述的用于操作低NOx火管锅炉的方法，其中将所述有孔火焰保持器预热至操作温度还包括：
使用火焰充电器将电荷输出至启动火焰；以及
提供导体，所述导体被配置成吸引来自启动火焰的电荷以保持所述启动火焰，以便将热量输出至所述有孔火焰保持器。
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