CN107664304A

CN107664304A - 穿孔火焰保持器和包括对研磨燃料或腐蚀性燃料的防护的系统

Info

Publication number: CN107664304A
Application number: CN201710584259.9A
Authority: CN
Inventors: 道格拉斯·W·卡尔科夫; 约瑟夫·科兰尼诺; 詹姆士·K·丹西; 杰西·杜马斯; 克里斯多佛·A·威克洛夫
Original assignee: Clearsign Combustion Corp
Current assignee: Clearsign Technologies Corp
Priority date: 2016-07-29
Filing date: 2017-07-17
Publication date: 2018-02-06
Also published as: US10514165B2; US20180031229A1

Abstract

本发明提供了一种燃烧器系统，所述燃烧器系统采用穿孔火焰保持器并被配置成燃烧粉末状固体燃料，所述燃烧器系统包括被配置成保护所述穿孔火焰保持器不受所述固体燃料的颗粒造成的侵蚀的结构。

Description

穿孔火焰保持器和包括对研磨燃料或腐蚀性燃料的防护的系统

相关专利申请的交叉引用

本申请要求2016年7月29日提交的标题为“PERFORATED FLAME HOLDER ANDSYSTEM INCLUDING PROTECTION FROM ABRASIVE FUEL”(穿孔火焰保持器和包括对研磨燃料的防护的系统)的美国临时专利申请62/368,439(代理人案卷号2651-314-03)的优先权权益；该申请在不与本文的公开内容相悖的程度上以引用方式并入。

发明内容

根据实施方案，燃烧器被配置成支持固体燃料的燃烧。该燃烧器包括固体燃料源和穿孔火焰保持器，该固体燃料源被配置成输出至少固体燃料颗粒流，该穿孔火焰保持器包括耐磨结构和耐火结构。火焰保持器被对准以使固体燃料颗粒流冲击在耐磨结构表面上而不冲击在耐火结构上。耐火结构被配置成保持由固体燃料支持的燃烧反应。耐磨结构可以被配置成抵抗固体燃料颗粒的冲击造成的侵蚀。除此之外或另选地，耐磨结构可以被配置作为牺牲结构，该牺牲结构被对准以保护耐火结构。

根据实施方案，燃烧系统包括穿孔火焰保持器，该穿孔火焰保持器具有：输入面；输出面，该输出面位于与输入面相反的一侧上并且(任选地)基本上平行于输入面；以及多个穿孔，该多个穿孔在输入面和输出面之间延伸。该穿孔火焰保持器还包括耐磨表面，该耐磨表面被设置成与输入面相邻并被配置成保护穿孔火焰保持器不受侵蚀性或腐蚀性燃料的侵蚀。根据实施方案，耐磨表面与输入面接触。根据实施方案，耐磨表面与输入面间隔开。

根据实施方案，耐磨表面可以保护穿孔火焰保持器不受具有微粒的液体燃料、烟灰颗粒、载有微粒的空气或与燃烧环境相关联的其他研磨条件的侵蚀。

根据实施方案，穿孔火焰保持器包括：多个火焰保持器区段，每个火焰保持器区段具有从其中延伸穿过的相应多个穿孔，该多个火焰保持器区段被布置成叠堆，其中多个火焰保持器区段中的每一个火焰保持器区段的多个穿孔被对准以便于形成延伸穿过整个火焰保持器区段叠堆的单独多个穿孔。

根据实施方案，制造方法包括形成穿孔火焰保持器，该穿孔火焰保持器具有：输入面；输出面，该输出面位于火焰保持器的与输入面相反的一侧上；以及多个穿孔，该多个穿孔在输入面和输出面之间延伸。在实施方案中，可通过挤出模具来挤出穿孔火焰保持器，并且挤出区段切断挤出模头。该方法还包括形成防蚀遮蔽件，该防蚀遮蔽件定位成输入面相邻并被配置成保护穿孔火焰保持器不受侵蚀。

根据实施方案，方法包括：从燃料喷嘴发射包括夹带固体燃料颗粒的燃料流；将燃料流接收到穿孔火焰保持器的输入面中在延伸穿过穿孔火焰保持器的穿孔内燃烧固体燃料颗粒；以及限制固体燃料颗粒对穿孔火焰保持器的侵蚀。

附图说明

图1为根据实施方案的包括穿孔火焰保持器的燃烧器的示意图，该穿孔火焰保持器被配置成支持固体燃料的燃烧。

图2为根据实施方案的包括穿孔火焰保持器的燃烧器系统的简化透视图。

图3为根据一个实施方案的图2穿孔火焰保持器的一部分的侧面剖视图。

图4为示出根据实施方案的用于操作包括图2和图3的穿孔火焰保持器的燃烧器系统的方法的流程图。

图5A-图5D为根据相应的实施方案的穿孔火焰保持器的一小部分的图解剖视图。

图6为根据实施方案的包括联接至电压源的导电耐磨结构的燃烧系统的示意图。

图7为根据实施方案的包括具有多个电极构件的导电耐磨结构的燃烧系统的示意图，这些电极构件延伸到穿孔火焰保持器中。

图8为根据一个实施方案的被配置作为导电滤网的耐磨结构的俯视图，该导电滤网被配置成定位在穿孔火焰保持器上或其附近。

图9为根据一个实施方案的包括导电耐磨结构的穿孔火焰保持器的穿孔的放大侧视图，该导电耐磨结构定位在穿孔底部处。

图10为根据一个实施方案的包括控制电路、图像捕获设备、电压源和联接至电压源的导电耐磨结构的燃烧系统的示意图。

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方案并非旨在进行限制。在不脱离本文所述主题的实质或范围的前提下，可采用其他实施方案并且可作出其他改变。

图1为根据实施方案的被配置成支持固体燃料的燃烧的燃烧器100的示意图。固体燃料源104被配置成输出至少固体燃料颗粒流。包括耐磨结构106和耐火结构108的火焰保持器102被对准以使固体燃料颗粒流冲击在耐磨结构106上而不冲击在耐火结构108上。耐火结构108被配置成保持由固体燃料支持的燃烧反应。在实施方案中，耐磨结构106可以被配置成抵抗固体燃料颗粒的冲击造成的侵蚀。在另一个实施方案中，耐磨结构106被配置作为牺牲结构，该牺牲结构被对准以保护耐火结构108。

在实施方案中，耐火结构108形成穿孔火焰保持器结构，该穿孔火焰保持器结构被配置成保持多个单独伸长孔内的由固体燃料支持的燃烧反应，该多个单独伸长孔被布置成平行于固体燃料颗粒流的主导方向。在实施方案中，耐火结构108是穿孔火焰保持器结构，该穿孔火焰保持器结构被对准以接收固体燃料颗粒流并保持多个穿孔内的燃烧，该多个穿孔被对准成平行于来自固体燃料源104的流。多个穿孔中的每个穿孔可以与多个穿孔中的其他穿孔由具有被布置成横向于固体燃料流的第一端的壁分开，使得在受到固体燃料颗粒冲击的情况下，该第一端将共同地经受侵蚀。耐磨结构106可形成为网格，该网格被布置成保护壁的处于火焰保持器102远离主导固体燃料流方向的背风侧上的第一端。例如，壁的多个第一端和耐磨结构106可相互形成全等形状。

在实施方案中，耐磨结构106被配置成抵抗固体燃料颗粒的冲击造成的侵蚀。例如，耐磨结构106可由耐高温钢和/或超级合金形成。在另一个实施方案中，耐磨结构106被配置作为牺牲结构，该牺牲结构被对准以保护耐火结构108。

固体燃料源104可形成为燃料和燃烧空气组件110。固体燃料颗粒可至少部分地被燃烧空气夹带。以另一方式看固体燃料源104，固体燃料源104和燃烧空气源112可以是一体式固体燃料和燃烧空气组件110。

根据实施方案，耐磨结构106可以包括热障涂层，该热障涂层被施加于耐火结构108的输入面。通过将热障涂层以等离子体方式喷涂到输入面上，可以将热障涂层施加于耐火结构108的输入面。热障涂层可以被选择为具有与耐火结构108的热学特性匹配的热学特性。

图2为根据实施方案的燃烧器系统200的简化图，该燃烧器系统包括被配置成保持燃烧反应的穿孔火焰保持器102。如本文所用，除非提供另外的定义，否则术语穿孔火焰保持器、穿孔反应保持器、多孔火焰保持器和多孔反应保持器应被认为是同义的。发明人进行的实验显示本文所述的穿孔火焰保持器102可支持非常洁净的燃烧。具体地讲，在系统200的从中试到全尺寸规模的实验性使用中，氮氧化物(NOx)的输出经测量为从低的个位数百万分数(ppm)下降至叠堆处的NOx的检测不到(少于1ppm)浓度。在工业炉应用的典型叠堆温度(1400°F-1600°F)下，在3％(干燥)氧气(O₂)浓度和检测不到的一氧化碳(CO)下测得这些显著的结果。此外，这些结果不需要任何特别的举措，诸如选择性催化还原(SCR)、选择性非催化还原(SNCR)、水/蒸汽注入、外部烟道气再循环(FGR)或常规燃烧器甚至为了接近此类洁净燃烧而可能需要的其他极端条件。

根据实施方案，燃烧器系统200包括燃料和氧化剂源202，其被设置成将燃料和氧化剂输出到燃烧体积204中以形成燃料和氧化剂混合物206。如本文所用，除非提供进一步的定义，否则术语燃烧体积、燃烧室、炉体积等应被认为是同义的。穿孔火焰保持器102被设置在燃烧体积204中，并被定位成接收燃料和氧化剂混合物206。

图3为根据实施方案的图2的穿孔火焰保持器102的一部分的侧剖面图300。参见图2和图3，穿孔火焰保持器102包括限定多个穿孔210的穿孔火焰保持器主体208，所述多个穿孔被对准以接收来自燃料和氧化剂源202的燃料和氧化剂混合物206。如本文所用，除非提供另外的定义，否则在穿孔火焰保持器102的上下文中，术语穿孔、小孔、孔、伸长孔等应被认为是同义的。穿孔210被配置成共同地保持由燃料和氧化剂混合物206支持的燃烧反应302。

除了固体燃料之外，燃料可以包括含氢、烃气体，汽化烃液体或雾化烃液体的燃料混合物。燃料可以是单一种类或可以包括固体燃料与气体、蒸汽和/或雾化液体的混合物。例如，在过程加热器应用中，该燃料可包括煤与燃料气体或来自该过程的副产物，这些副产物包括CO、氢气(H₂)和甲烷(CH₄)。在另一种应用中，该燃料可包括固体燃料加上天然气(主要是CH₄)或丙烷(C₃H₈)。在另一种应用中，燃料可包括2号燃料油或6号燃料油和固体燃料。该固体燃料可包括各种粉碎的、切碎的或粉末状燃料，包括煤、焦炭、木材(例如，废木燃料)、工业废物、城市废物等。本发明人类似地设想了双重燃料应用和柔性燃料应用。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。在本文中，术语氧化剂(oxidant)和助燃剂(oxidizer)应被认为是同义的。

根据实施方案，穿孔火焰保持器主体208可由被设置成接收燃料和氧化剂混合物206的输入面212、背离燃料和氧化剂源202的输出面214、和限定穿孔火焰保持器102的横向范围的外周表面216界定。由穿孔火焰保持器主体208限定的所述多个穿孔210从输入面212延伸到输出面214。所述多个穿孔210可在输入面212处接收燃料和氧化剂混合物206。然后，燃料和氧化剂混合物206可在所述多个穿孔210内或附近燃烧，并且燃烧产物可在输出面214处或附近离开所述多个穿孔210。

根据实施方案，穿孔火焰保持器102被配置成将大部分的燃烧反应302保持在穿孔210内。例如，在稳态基础上，由燃料和氧化剂源202输出到燃烧体积204中的燃料分子的一半以上可在穿孔火焰保持器102的输入面212和输出面214之间被转化为燃烧产物。根据另选的解释，可在穿孔火焰保持器102的输入面212和输出面214之间输出由燃烧反应302输出的热量的一半以上。在标称操作条件下，穿孔210可被配置成将至少80％的燃烧反应302共同保持在穿孔火焰保持器102的输入面212和输出面214之间。在一些实验中，发明人制造了明显全部包含在穿孔火焰保持器102的输入面212和输出面214之间的穿孔210中的燃烧反应。根据另选解释，当燃烧被“时间平均(time-averaged)”时，穿孔火焰保持器102可支持输入面212和输出面214之间的燃烧。例如，在瞬态过程中，如在穿孔火焰保持器102被充分加热前，或如果将过多(冷)负荷置于系统上，则燃烧可能从穿孔火焰保持器102的输出面214某种程度地向下游行进。

虽然以便于描述的方式描述了“火焰”，但应当理解，在某些情况下，不存在可见火焰。燃烧主要发生在穿孔210中，但是燃烧热的“辉光”主要是穿孔火焰保持器102本身的可见辉光。在其他情况下，发明人已注意到瞬态“吹气(huffing)”，其中在位于穿孔火焰保持器102的输入面212和燃料源218之间的区域中、在稀释区域D_D内瞬间点燃可见火焰。此类瞬态吹气通常持续时间很短，使得在按时间平均的基础上，燃烧的大部分发生在穿孔火焰保持器102的穿孔210内、在输入面212和输出面214之间。在另外的情况下，发明人已经注意到发生在穿孔火焰保持器102的输出面214上方的明显燃烧，但是燃烧的大部分仍发生在穿孔火焰保持器102内，如由来自穿孔火焰保持器102的持续可见辉光(黑体辐射的可见波长尾)所证实的那样。

穿孔火焰保持器102可被配置成接收来自燃烧反应302的热量并将所接收的热量的一部分作为热辐射304输出到燃烧体积204中的或与其相邻的热接收结构(例如炉壁和/或辐射段工作流体管)。如本文所用，除非提供另外的定义，否则术语热辐射、红外线辐射、辐射热、热量辐射等应被理解为大体上同义的。具体地讲，此类术语指的是主要在红外波长中的电磁能的黑体辐射。

尤其参见图3，穿孔火焰保持器102将所接收的热量的另一部分输出到在穿孔火焰保持器102的输入面212处接收的燃料和氧化剂混合物206。穿孔火焰保持器主体208可至少在穿孔壁308的热量接收区域306中接收来自(放热)燃烧反应302的热量。实验证据已向发明人表明，热量接收区域306的位置或至少对应于热接收最大速率的位置可沿着穿孔壁308的长度变化。在一些实验中，最大热接收量的位置明显在从输入面212到输出面214距离的1/3和1/2之间(即与输出面214相比离输入面212略近一些的位置)。发明人设想了在其他条件下，热量接收区域306可位于距穿孔火焰保持器102的输出面214更近的位置。最有可能的是，热量接收区域306(或就此而言，在下文中描述的热量输出区域310)没有清晰限定的边缘。为了便于理解，热量接收区域306和热量输出区域310将被描述为特定区域306、310。

穿孔火焰保持器主体208可通过热容表征。穿孔火焰保持器主体208可以对应于热容乘以温度上升的量来保持来自燃烧反应302的热量，并将来自热量接收区域306的热量传递至穿孔壁308的热量输出区域310。通常，热量输出区域310比热量接收区域306更靠近输入面212。根据一种解释，穿孔火焰保持器主体208可通过热辐射将来自热量接收区域306的热量传递至热量输出区域310，在图中示为304。根据另一种解释，穿孔火焰保持器主体208可经由热传导沿着热传导路径312将来自热量接收区域306的热量传递至热量输出区域310。发明人设想了可在将来自热量接收区域306的热量传递至热量输出区域310的过程中同时使用辐射和传导热传递机制二者。以这种方式，即使在燃烧反应302当由常规火焰保持器支持时将不稳定的条件下，穿孔火焰保持器102仍可充当热源以维持燃烧反应302。

发明人认为，穿孔火焰保持器102使得燃烧反应302发生在形成为与穿孔210的壁308相邻的热边界层314内。随着相对较冷的燃料和氧化剂混合物206接近输入面212，混合物流被分为分别流过各穿孔210的部分。随着越来越多的热量被传递至进入的燃料和氧化剂混合物206，热的穿孔火焰保持器主体208将热量传递给流体，特别是在厚度渐增的热边界层314内。在达到燃烧温度(例如，燃料的自燃温度)后，在化学点火延迟时间过去时反应物继续流动，在这期间发生燃烧反应302。因此，燃烧反应302被图示为发生在热边界层314中。随着流动的进行，热边界层314在合并点316处合并。理想的是，合并点316位于输入面212和限定穿孔210的末端的输出面214之间。在某一点，燃烧反应302使流动气体(和等离子体)输出至主体208的热量比接收自主体208的热量更多。热量在热量接收区域306处被接收，由主体208保持，并被传输至更靠近输入面212的热量输出区域310，热量在该热量输出区域被回收至冷反应物(以及任一所包括的稀释剂)以将它们升至燃烧温度。

在一个实施方案中，所述多个穿孔210各自通过长度L来表征，长度L被定义为穿孔火焰保持器102的输入面212和输出面214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206(任选地包括氮气、烟道气、和/或其他“非反应性”物质)、反应中间体(包括表征燃烧反应的等离子体中的过渡态)和反应产物。

所述多个穿孔210可各自通过相对置的穿孔壁308之间的横向尺寸D来表征。发明人已发现，如果每个穿孔210的长度L是所述穿孔的横向尺寸D的至少4倍，则可在穿孔火焰保持器102中维持稳定燃烧。在其他实施方案中，长度L可为横向尺寸D的6倍。例如，已经在L为横向尺寸D的至少8倍、至少12倍、至少16倍和至少24倍的情况下进行实验。优选地，长度L长到足以使得在流经穿孔210的反应流体中邻近穿孔壁308形成的热边界层314在穿孔火焰保持器102的输入面212和输出面214之间的穿孔210内会聚于合并点316处。在实验中发明人发现，L/D比率介于12至48之间时能很好地工作(即产生低NOx，产生低CO，并维持稳定燃烧)。

穿孔火焰保持器主体208可被配置成在相邻穿孔210之间传输热量。在相邻穿孔210之间传输的热量可被选择为使得从第一穿孔210中的燃烧反应部分302输出的热量供应热量来稳定相邻穿孔210中的燃烧反应部分302。

具体参见图2，燃料和氧化剂源202还可包括被配置成输出燃料的燃料喷嘴218和被配置成输出包括氧化剂的流体的氧化剂源220。例如，燃料喷嘴218可被配置成输出纯的燃料。氧化剂源220可被配置成输出携带氧的助燃空气。

可由穿孔火焰保持器支撑结构222保持穿孔火焰保持器102，所述穿孔火焰保持器支撑结构222被配置成使穿孔火焰保持器102与燃料喷嘴218保持距离D_D。燃料喷嘴218可被配置成发射所选择的燃料射流来挟带氧化剂，以随着燃料射流和氧化剂沿一定路径通过燃料喷嘴218和穿孔火焰保持器102之间的稀释距离D_D行进至穿孔火焰保持器102而形成燃料和氧化剂混合物206。除此之外或另选地，(特别是当鼓风机用于递送氧化剂助燃空气时)，氧化剂或助燃空气源可被配置成挟带燃料并且燃料和氧化剂行进通过稀释距离D_D。在一些实施方案中，可提供烟道气再循环路径224。除此之外或另选地，燃料喷嘴218可被配置成发射所选择的燃料射流，以随着燃料射流行进通过燃料喷嘴218和穿孔火焰保持器102的输入面212之间的稀释距离D_D而挟带氧化剂以及挟带烟道气。

燃料喷嘴218可被配置成通过一个或多个燃料孔口226发射燃料，所述燃料孔口具有被称为“喷嘴直径”的尺寸。穿孔火焰保持器支撑结构222可支撑穿孔火焰保持器102以在离燃料喷嘴218的距离是喷嘴直径的不止20倍的距离D_D处接收燃料和氧化剂混合物206。在另一个实施方案中，穿孔火焰保持器102被设置成在离燃料喷嘴218的距离是喷嘴直径的100至1100倍的距离D_D处接收燃料和氧化剂混合物206。优选地，穿孔火焰保持器支撑结构222被配置成保持穿孔火焰保持器102离燃料喷嘴218的距离是喷嘴直径的约200倍或更多。当燃料和氧化剂混合物206行进的距离是喷嘴直径的约200倍或更多时，混合物206充分匀化以使得燃烧反应302输出最低NOx。

根据一实施方案，燃料和氧化剂源202可另选地包括预混燃料和氧化剂源。预混燃料和氧化剂源可包括预混室(未示出)、被配置成输出燃料至预混室内的燃料喷嘴、以及被配置成输出助燃空气至预混室内的空气通道。阻焰器可设置在预混燃料和氧化剂源与穿孔火焰保持器102之间，并被配置成阻止火焰回火至预混燃料和氧化剂源内。

无论是被配置用于挟带在燃烧体积204中还是用于预混，助燃空气源都可包括被配置成推动空气经过燃料和空气源202的鼓风机。

支撑结构222可被配置成例如从燃烧体积204的底部或壁(未示出)支撑穿孔火焰保持器102。在另一个实施方案中，支撑结构222从燃料和氧化剂源202支撑穿孔火焰保持器102。另选地，支撑结构222可从顶上部结构(诸如在向上点火系统情况下的烟道)悬挂穿孔火焰保持器102。支撑结构222可沿各个取向和方向支撑穿孔火焰保持器102。

穿孔火焰保持器102可包括单个穿孔火焰保持器主体208。在另一个实施方案中，穿孔火焰保持器102可包括共同提供平铺的穿孔火焰保持器102的多个相邻的穿孔火焰保持器区段。

穿孔火焰保持器支撑结构222可被配置成支撑所述多个穿孔火焰保持器区段。穿孔火焰保持器支撑结构222可包括金属超合金、胶粘材料(cementafious)和/或陶瓷耐火材料。在一个实施方案中，所述多个相邻穿孔火焰保持器区段可通过纤维增强耐火胶粘材料连接。

穿孔火焰保持器102可具有在外周表面216的相反侧之间的宽度尺寸W，该宽度尺寸为输入面212和输出面214之间的厚度尺寸T的至少2倍。在另一个实施方案中，穿孔火焰保持器102可具有在外周表面216的相反侧之间的宽度尺寸W，该宽度尺寸为穿孔火焰保持器102的输入面212和输出面214之间的厚度尺寸T的至少3倍、至少6倍或至少9倍。

在一个实施方案中，穿孔火焰保持器102的宽度尺寸W可小于燃烧体积204的宽度。这可允许从穿孔火焰保持器102上方至下方的烟道气循环路径224位于穿孔火焰保持器102的外周表面216和燃烧体积壁(未示出)之间。

再次参见图2和图3，穿孔210可包括细长方形，这些细长方形中的每一个具有方形相反侧之间的横向尺寸D。在另一个实施方案中，穿孔210可包括细长六边形，这些细长六边形中的每一个具有六边形相反侧之间的横向尺寸D。在另一个实施方案中，穿孔210可包括中空圆柱体，这些中空圆柱体中的每一个具有对应于圆柱体直径的横向尺寸D。在另一个实施方案中，穿孔210可包括截锥，这些截锥中的每一个具有绕从输入面212延伸至输出面214的长轴旋转对称的横向尺寸D。基于标准参考条件，穿孔210可各自具有等于或大于燃料淬熄距离的侧向尺寸D。

在实施方案的一个范围中，多个穿孔210中的每一个具有介于0.05英寸和1.0英寸之间的侧向尺寸D。优选地，多个穿孔210中的每一个具有介于0.1英寸和0.5英寸之间的侧向尺寸D。例如，多个穿孔210可各自具有约0.2英寸至0.4英寸的侧向尺寸D。

穿孔火焰保持器102的空隙率被定义为穿孔火焰保持器102的一个区段中的所有穿孔210的总体积除以包括主体208和穿孔210的穿孔火焰保持器102的总体积。穿孔火焰保持器102应具有介于0.10和0.90之间的空隙率。在一个实施方案中，穿孔火焰保持器102可具有介于0.30和0.80之间的空隙率。在另一个实施方案中，穿孔火焰保持器102可具有约0.70的空隙率。已发现，使用约0.70的空隙率对于产生非常低的NOx尤其有效。

穿孔火焰保持器102可由纤维增强浇铸耐火材料和/或诸如硅酸铝材料的耐火材料形成。例如，穿孔火焰保持器102可由莫来石或堇青石形成。除此之外或另选地，穿孔火焰保持器主体208可包括金属超合金，诸如铬镍铁合金或哈斯特洛伊耐蚀镍基合金。穿孔火焰保持器主体208可限定出蜂窝结构。

发明人已发现，穿孔火焰保持器102可由可得自美国南卡罗来纳州多拉维尔的应用陶瓷公司(Applied Ceramics，Inc.of Doraville，South Carolina)的陶瓷蜂窝体形成。

穿孔210可彼此平行并垂直于输入面212和输出面214。在另一个实施方案中，穿孔210可彼此平行并与输入面212和输出面214成一角度形成。在另一个实施方案中，穿孔210可彼此之间不平行。在另一个实施方案中，穿孔210可彼此之间不平行且不相交。在另一个实施方案中，穿孔210可以相交。主体208可为一体式的或可由多个区段形成。

在另一个并不一定优选的实施方案中，穿孔火焰保持器102可由挤出陶瓷材料形成的网状纤维形成。术语“网状纤维”指的是网状结构。

在另一个实施方案中，穿孔火焰保持器102可包括捆绑在一起的多个管或筒。所述多个穿孔210可包括中空圆柱体，并任选地还可在捆绑的管之间具穿孔隙空间。在一个实施方案中，所述多个管可包括陶瓷管。耐火胶粘材料可被包括在管之间，并被配置成将管粘附在一起。在另一个实施方案中，所述多个管可包括金属(例如超合金)管。可由环绕所述多个管并被布置成将所述多个管保持在一起的金属拉伸构件将所述多个管保持在一起。金属拉伸构件可包括不锈钢、超合金金属丝和/或超合金金属带。

穿孔火焰保持器主体208可另选地包括堆叠的穿孔材料板，每个板均具有与在底下的板和压在上面的板的开口连接的开口。穿孔板可包括穿孔金属板、陶瓷板和/或膨胀板。在另一个实施方案中，穿孔火焰保持器主体208可包括不连续填料体，使得穿孔210在不连续填料体之间的孔隙空间中形成。在一个实例中，不连续填料体包括规整填料形状。在另一个实例中，不连续填料体包括随机填料形状。例如，不连续填料体可包括陶瓷拉西环、陶瓷贝尔鞍形填料、陶瓷矩鞍形填料、和/或金属环、或可由金属保持架保持在一起的其他形状(例如超级拉西环)。

发明人设想了对于为何包括穿孔火焰保持器102的燃烧器系统提供此类洁净燃烧的各种解释。

在一个方面，即使在由常规火焰保持器支持时燃烧反应302将不稳定的条件下，穿孔火焰保持器102仍充当热源以维持燃烧反应302。可利用该能力以使用比通常可行更贫乏的燃料与氧化剂混合物来支持燃烧。因此，根据一实施方案，在燃料流206接触穿孔火焰保持器102的输入面212的点，燃料流206的平均燃料与氧化剂比率低于燃料流的燃料组分的(常规)燃烧下限-燃烧下限定义了当燃料/空气混合物在标准大气压下和25℃(77°F)环境温度下暴露于瞬时点火源时燃料/空气混合物将会燃烧的最低燃料浓度。

根据一种解释，由穿孔火焰保持器102支撑的燃料和氧化剂混合物206可以比在常规燃烧器中提供稳定燃烧的混合物更加贫燃。与接近贫燃极限到富燃极限范围中心的混合物相比，接近燃料燃烧下限的燃烧通常在较低绝热火焰温度下燃烧。与较高火焰温度相比，较低火焰温度通常释出较低浓度的氮氧化物(NOx)。在常规火焰中，太贫的燃烧通常与堆叠下的高CO浓度相关联。相比之下，已发现，本文所述的穿孔火焰保持器102和包括穿孔火焰保持器102的系统提供CO的基本完全燃烧(个位数ppm下至检测不到的浓度，具体取决于实验条件)，同时支持低NOx。在一些实施方案中，发明人实现了被理解为非常贫的混合物(尽管在堆叠下仅产生约3％或更低的测得O₂浓度)的稳定燃烧。此外，发明人认为，穿孔壁308可充当燃烧流体的散热器。另选地或除此之外，该效应可降低燃烧温度。

根据另一种解释，如果燃烧反应302发生在一个非常短的持续时间内，则可降低NOx的产生。快速燃烧使得反应物(包括氧和挟带的氮)暴露于NOx形成温度的时间短到不足以使NOx形成动力学导致NOx的显著产生。与常规火焰相比，反应物经过穿孔火焰保持器102所需的时间非常短。因此，与穿孔火焰保持器燃烧相关联的低NOx产生可与反应物(和挟带的氮)经过穿孔火焰保持器102所需的较短持续时间有关。

对于将CO氧化成二氧化碳(CO₂)而言，因为CO氧化是相对较慢的反应，所以考虑到非常低的测得(实验和全尺寸规模)CO浓度，经过穿孔火焰保持器102的时间(可能加上从穿孔火焰保持器102朝向烟道所经过的时间)显然是充足的并且处于足够高温。

图4为用于操作包括本文示出和所述的穿孔火焰保持器的燃烧器系统的方法400的流程图。为了操作包括穿孔火焰保持器的燃烧器系统，首先加热穿孔火焰保持器至足够维持燃料和氧化剂混合物燃烧的温度。

根据简化描述，方法400从步骤402开始，其中将穿孔火焰保持器预热至启动温度T_S。穿孔火焰保持器上升至启动温度后，方法进行到步骤404，其中向穿孔火焰保持器提供燃料和氧化剂，并由穿孔火焰保持器保持燃烧。

根据更加详细的描述，步骤402从步骤406开始，其中向穿孔火焰保持器提供启动能量。与提供启动能量同时或在提供启动能量后，决定步骤408确定穿孔火焰保持器的温度T是否等于或高于启动温度T_S。只要穿孔火焰保持器的温度低于其启动温度，该方法就在预热步骤402中的步骤406和408之间循环。在步骤408中，如果穿孔火焰保持器的至少一个预定部分的温度T大于或等于启动温度，则方法400进行到总步骤404，其中向穿孔火焰保持器提供燃料和氧化剂，并由穿孔火焰保持器保持燃烧。

步骤404可被分解为其中的至少一些步骤可同时发生的若干分立的步骤。

从步骤408开始，向穿孔火焰保持器提供燃料和氧化剂混合物，如步骤410所示。例如，可由包括单独的燃料喷嘴和助燃空气源的燃料和氧化剂源提供燃料和氧化剂。在这个方法中，沿着选定的一个或多个方向输出燃料和助燃空气，以使得由穿孔火焰保持器的输入面接收燃料和助燃空气混合物。燃料可挟带助燃空气(或另选地，助燃空气可稀释燃料)，以在为可保持在穿孔火焰保持器的穿孔内的稳定燃烧反应选择的燃料稀释度，在穿孔火焰保持器的输入面提供燃料和氧化剂混合物。

进行到步骤412，通过穿孔火焰保持器保持燃烧反应。

在步骤414中，可从穿孔火焰保持器输出热量。从穿孔火焰保持器输出的热量可用于例如给工业过程提供动力、加热工作流体、发电或提供动力。

在任选的步骤416中，可感测燃烧的存在。发明人已使用并设想了各种感测方法。一般来讲，穿孔火焰保持器所保持的燃烧是非常稳定的，并且对系统没有不寻常的感测要求。可使用红外传感器、视频传感器、紫外传感器、带电物质传感器、热电偶、热电堆和/或其他已知的燃烧感测装置来执行燃烧感测。在步骤416的额外或替代变型中，如果燃烧在穿孔火焰保持器中熄灭，则可提供引燃火焰或其他点火源来点燃燃料和氧化剂混合物。

进行到决定步骤418，如果感测到燃烧不稳定，则方法400可退出到步骤424，其中执行错误处理程序。例如，错误处理程序可包括关闭燃料流、重新执行预热步骤402、输出警报信号、点燃备用燃烧系统或其他步骤。在步骤418中，如果确定穿孔火焰保持器中的燃烧是稳定的，则方法400进行到决定步骤420，其中确定是否应当改变燃烧参数。如果没有燃烧参数要改变，则该方法循环(在步骤404中)回到步骤410，并继续燃烧过程。如果指示燃烧参数的改变，则方法400进行到步骤422，其中执行燃烧参数改变。燃烧参数改变后，该方法循环(在步骤404中)回到步骤410，并继续燃烧。

例如，如果遇到热量需求改变，则可安排改变燃烧参数。例如，如果需要较少热量(例如由于减少的电力需求、减少的动力需求或降低的工业过程生产量)，则可在步骤422中减少燃料和氧化剂流速。相反地，如果热量需求增加，则可增加燃料和氧化剂流量。除此之外或另选地，如果燃烧系统处于启动模式，则可在步骤404中的循环的一次或多次重复中向穿孔火焰保持器逐渐增加燃料和氧化剂流量。

再次参见图2，燃烧器系统200包括操作地联接至穿孔火焰保持器102的加热器228。如结合图3和图4所述，穿孔火焰保持器102通过将热量输出至进入的燃料和氧化剂混合物206来操作。在建立燃烧后，由燃烧反应302提供该热量；但是建立燃烧前，由加热器228提供该热量。

发明人已使用并设想了各种加热装置。在一些实施方案中，加热器228可包括被配置成支持火焰的火焰保持器，所述火焰被设置成加热穿孔火焰保持器102。燃料和氧化剂源202可包括被配置成发射燃料流的燃料喷嘴218和被配置成输出与燃料流相邻的助燃空气的空气源220。燃料喷嘴218和空气源220可被配置成输出待由助燃空气逐级稀释的燃料流。穿孔火焰保持器102可以被设置成接收支持由穿孔火焰保持器102在穿孔火焰保持器102处于操作温度时稳定的燃烧反应302的稀释的燃料和空气混合物206。相比之下，启动火焰保持器可被配置成在对应于不需要加热的穿孔火焰保持器102提供稳定的情况下稳定的相对较富燃料和空气混合物的位置支持启动火焰。

燃烧器系统200还可包括操作地联接至加热器228和数据接口232的控制器230。例如，控制器230可被配置成控制启动火焰保持器致动器，所述启动火焰保持器致动器被配置成使启动火焰保持器在穿孔火焰保持器102需要被预热时保持启动火焰并在穿孔火焰保持器102处于操作温度(例如当T≥T_S时)下时不保持启动火焰。

还设想了各种用于致动启动火焰的方法。在一个实施方案中，启动火焰保持器包括机械致动钝体，其被配置成被致动以拦截燃料和氧化剂混合物206以产生热再生涡流从而保持启动火焰；或被致动不拦截燃料和氧化剂混合物206以使燃料和氧化剂混合物206进入穿孔火焰保持器102。在另一个实施方案中，燃料控制阀、鼓风机和/或阻尼器可用于选择足以使启动火焰喷射稳定的燃料和氧化剂混合物流速；以及穿孔火焰保持器102达到操作温度后，可增加流速以“喷出”启动火焰。在另一个实施方案中，加热器228可包括可操作地联接至控制器230，并被配置成向燃料和氧化剂混合物206施加电荷或电压的电源。导电启动火焰保持器可选择性地联接至电压接地或被选择用于吸引燃料和氧化剂混合物206中的电荷的其他电压。发明人发现，电荷吸引导致导电启动火焰保持器保持启动火焰。

在另一个实施方案中，加热器228可包括被配置成向穿孔火焰保持器102和/或燃料和氧化剂混合物206输出热量的电阻加热器。电阻加热器228可被配置成加热穿孔火焰保持器102至操作温度。加热器228还可包括电源和在控制器230的控制下可操作以将电源选择性地联接至电阻加热器的开关。

可通过各种方式形成电阻加热器228。例如，电阻加热器228可由螺纹穿过由穿孔火焰保持器主体208限定的穿孔210的至少一部分的导线(可购自瑞典哈尔斯塔哈马市的山特维克公司的山特维克材料技术部(Sandvik Materials Technologydivision of Sandvik AB of Hallstahammar，Sweden))形成。另选地，加热器228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。

设想了其他形式的启动装置。例如，加热器228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或热表面点火器。除此之外或另选地，启动装置可包括引燃火焰装置，其被设置成点燃本来会进入穿孔火焰保持器102的燃料和氧化剂混合物206。放电点火器、热表面点火器和/或引燃火焰装置能够可操作地联接至控制器230，该控制器230可在穿孔火焰保持器102被充分加热以维持燃烧前使得放电点火器或引燃火焰装置在穿孔火焰保持器102中或其上游维持燃料和氧化剂混合物206的燃烧。

燃烧器系统200还可包括操作地联接至控制电路230的传感器234。传感器234可包括被配置成检测红外辐射或穿孔火焰保持器102的温度的热传感器。控制电路230可被配置成响应于来自传感器234的输入控制加热装置228。任选地，燃料控制阀236可被操作地联接至控制器230，并且被配置成控制燃料向燃料和氧化剂源202的流动。除此之外或另选地，氧化剂鼓风机或阻尼器238可被操作地联接至控制器230，并且被配置成控制氧化剂(或助燃空气)的流动。

传感器234还可包括操作地联接至控制电路230的燃烧传感器，该燃烧传感器被配置成检测由穿孔火焰保持器102保持的燃烧反应的温度、视频图像和/或光谱特征。燃料控制阀236可被配置成控制从燃料源至燃料和氧化剂源202的燃料流。控制器230可被配置成响应于来自燃烧传感器234的输入控制燃料控制阀236。控制器230可被配置成控制燃料控制阀236和/或氧化剂鼓风机或调节风门238以控制加热器228的预热火焰类型，从而将穿孔火焰保持器102预热至操作温度。控制器230可类似地控制燃料控制阀236和/或氧化剂鼓风机或调节风门238，以响应于通过数据接口232作为数据所接收的热量需求变化来改变燃料和氧化剂混合物206流。

图5A-图5D中的每一个图为根据相应实施方案的穿孔火焰保持器的与图2中的火焰保持器102的部分对应的一小部分的图解剖视图。

在图5A描绘的实施方案中，示出了穿孔火焰保持器500的细节，该穿孔火焰保持器具有第一部分502和第二部分504，该第一部分包括具有所选择的耐侵蚀性的材料，该第二部分包括具有所选择的热学特性的材料。在示出的实施方案中，第一部分502是具有为耐磨损和耐侵蚀而选择的性质的陶瓷材料。此类性质可以包括例如硬度、弹性、韧度、内聚性等。第一部分502可以基于其断裂韧度而选择，使得第一部分502是高度抗断裂的。第二部分504是具有为作为火焰保持器500有效且经济的操作而选择的性质的陶瓷材料。此类性质可以包括例如热导率、热透射率、热容量、发射率等。第一部分502表示穿孔火焰保持器500的总质量的一小部分，但是包括火焰保持器500的输入面212。因此，在操作期间，第一部分502接收燃料流206中的粉末状燃料的大部分冲击，并且用作防蚀遮蔽件，以便保护火焰保持器500的第二部分504不受研磨燃料颗粒影响。

根据实施方案，穿孔火焰保持器500是以铸造工艺制造的，其中将配制用于提供火焰保持器500的第一部分502的所选择的性质的第一模制化合物引入模具中，并且均匀地分布在模具底部上方，之后，将配制用于提供第二部分504的所选择的性质的第二模制化合物引入相同模具中，并且以正常的方式处理铸件。以此方式，火焰保持器500的输入面212由第一模制化合物形成，并且具有为第一部分502选择的性质，而火焰保持器500的大部分由第二模制化合物形成，具有为火焰保持器500的第二部分504选择的性质。根据另选的实施方案，其中将第一模制化合物和第二模制化合物引入模具中的顺序是相反的，使得火焰保持器500的输入面212形成在模具顶部处。

根据采用的浇铸过程的类型，模制化合物可以呈陶瓷粉末、泥釉，粘土等形式。

图5B为根据另一个实施方案的穿孔火焰保持器506的细节。火焰保持器506包括火焰保持器主体208，该火焰保持器主体基本上类似于参照图2描述的穿孔火焰保持器102。另外，防蚀遮蔽件508被附接至主体208的输入面212，并且有效限定保护性输入面510。防蚀遮蔽件508可由金属合金、陶瓷或具有被选择以抵抗在火焰保持器506的操作温度下的磨蚀和侵蚀的特性的其他材料形成。

防蚀遮蔽件508可以与火焰保持器主体208分开制造并且随后附接在主体208上，或者可以形成在该主体上。例如，在防蚀遮蔽件508由陶瓷材料制成的实施方案中，该遮蔽层可单独地浇铸，或者可以将火焰保持器主体208的输入面212浸入陶瓷浆料中，并且随后烧结主体208和遮蔽层508。在防蚀遮蔽件508由金属合金制成的实施方案中，该遮蔽层可被冲压、冲切或加工(并且，在适用时硬化)，然后被附接至火焰保持器主体208。

根据一个另选工艺，使用镀覆工艺在主体208上形成遮蔽层508。根据实施方案，例如，通过浸渍或喷涂将晶种层施加于输入面212，然后，将遮蔽层508镀覆于晶种层上方达到所选择的厚度。根据另一个实施方案，在火焰保持器主体208上形成抗蚀剂层，然后诸如在抛光或研磨过程中，从输入面212机械地移除。然后，在化学气相沉积过程中沉积晶种层，并且随后将防蚀遮蔽件508镀覆在遮蔽层上方达至选择的厚度。

图5C示出了根据实施方案的火焰保持器组件512，该火焰保持器组件包括穿孔火焰保持器102和防蚀遮蔽件514。防蚀遮蔽件514与火焰保持器102分开提供，并被定位在火焰保持器支撑结构222中的穿孔火焰保持器102下方。防蚀遮蔽件514呈网格516的形式，其在节距和尺寸上对应于在穿孔火焰保持器102的输入面212处由穿孔壁308的前缘形成的网格图案。因此，在操作期间，由燃料颗粒造成的大部分冲击由防蚀遮蔽件514承受，从而降低火焰保持器102被侵蚀的速率。

网格516由网格框架518支撑，该网格框架由火焰保持器支撑结构222接收，并且继而又支撑火焰保持器102。网格框架518被成形以便于与火焰保持器102进行最小接触，并且被配置成支撑防蚀遮蔽件514的与火焰保持器102的输入面212间隔较短距离的网格516。

在火焰保持器组件512的操作期间，燃料流206的流体组分在它们流过网格516时，通过对流来冷却防蚀遮蔽件514。任选地，可处理网格516和/或输入面212以降低发射率，以便限制辐射的热传递。任选地，网格框架518与火焰保持器102之间的最小接触面积以及网格516与输入面212之间的空间可以用于减少通过从火焰保持器主体208传导到防蚀遮蔽件514而传递的热量。

根据另一个实施方案，防蚀遮蔽件514的材料被选择为对火焰保持器主体208辐射热量时的红外波长至少部分地透明，从而进一步减少由遮蔽层514吸收的热能。

通过尽可能地减少防蚀遮蔽件514在正常操作期间的最大温度，材料的可用选择增加，从而能够选择可比将能够承受火焰保持器102的正常操作温度的材料更耐侵蚀的材料，或者是耐侵蚀性在较低温度下更好的材料。

根据实施方案，防蚀遮蔽件514在冲压或冲切操作中由金属合金制成。根据另一个实施方案，防蚀遮蔽件514是陶瓷的，根据已知工艺制成，例如，诸如通过浇铸制成。根据另一个实施方案，防蚀遮蔽件514由合成蓝宝石制成，例如，在热等静压过程中形成。蓝宝石防蚀遮蔽件提供超常硬度和耐侵蚀性、以及对红外辐射的高度透明度的益处。

图5D示出了根据实施方案的火焰保持器组件520，该火焰保持器组件包括穿孔火焰保持器102和防蚀遮蔽件522。在许多方面，防蚀遮蔽件522类似于参照图5C描述的防蚀遮蔽件514。然而，防蚀遮蔽件522包括网格524，该网格具有网格节段526，该网格节段空气动力学地成形并被配置成将燃料流206的流动平滑地引向穿孔210，从而降低夹带在燃料流206中的研磨燃料颗粒的影响。

在包括与或可与火焰保持器主体208分开的防蚀遮蔽件的实施方案中，防侵蚀壳可以随着其磨损而周期性地替换，以便维持火焰保持器102所需防侵蚀度。

再次参考图2，可以看出，在绘出的实施方案中，燃料流206以锥形图案从喷嘴218的纵向轴线A向外扩展。因此，当夹带在燃料流206中的燃料颗粒到达火焰保持器102的输入面212时，燃料颗粒的某些部分可能冲击穿孔壁308(参见图3)的在穿孔壁308的前缘后方的内表面。

图6是根据实施方案的燃烧系统600的示意图。固体燃料和氧化剂源610被配置成发射固体燃料和氧化剂605。穿孔火焰保持器102被对准以接收固体燃料和氧化剂605，并且被配置为保持由固体燃料和氧化剂605支持的燃烧反应302。抗磨结构606定位在固体燃料和氧化剂源610与穿孔火焰保持器102之间。电压源609和电极110可操作地通信地联接至抗磨结构606。

根据实施方案，耐磨结构606被定位成保护穿孔火焰保持器102的输入表面212不受固体燃料605冲击。因此，根据实施方案，耐磨结构606是被配置成保护输入表面212不受固体燃料颗粒侵蚀的防侵蚀件。耐磨结构606包括孔，该孔使固体燃料能够穿过耐磨结构606进入穿孔火焰保持器102的穿孔中。耐磨结构606可起到保护穿孔火焰保持器102的作用，并且可以包括与关于图1、图5A-图8描述的耐磨结构和防侵蚀件类似的材料和结构。

根据实施方案，耐磨结构606是导电的，使得耐磨结构606可以是能够对固体燃料605、燃烧反应302和/或穿孔火焰保持器102造成电影响的电极。耐磨结构606可以包括抵抗固体燃料605侵蚀并导电的耐火金属。另选地，耐磨结构606可以包括在高温下变得导电的陶瓷材料。

根据实施方案，燃烧系统600包括对电极607，该对电极被定位成与穿孔火焰保持器102的输出表面214相邻。对电极607连同耐磨结构606一起被配置成对固体燃料605、固体燃料和氧化剂605的燃烧反应302、以及穿孔火焰保持器102中的一个或多个造成电影响。

根据实施方案，耐磨结构606和对电极607可通信地联接至电压源609。电压源609被配置成在耐磨结构606和对电极607之间施加电压。当电压源609在耐磨结构606和对电极607之间施加电压时，电压源609、耐磨结构606和对电极607共同对燃烧反应302、固体燃料605和穿孔火焰保持器102中的一者或多者造成电影响。

根据实施方案，通过电压源609在耐磨结构606和对电极607之间施加的电压可以包括DC电压、AC电压、电压波形或任何其他合适电压信号。

根据实施方案，耐磨结构606和对电极607被配置成当电压源609在耐磨结构606和对电极607之间施加电压时，在穿孔火焰保持器102的穿孔内生成等离子体。当电压源609在耐磨结构606和对电极607之间施加电压时，从穿孔火焰保持器102的穿孔内的气体生成等离子体。等离子体可有助于确保固体燃料和氧化剂605更完全地燃烧。另外，等离子体可有助于加热穿孔火焰保持器102。

根据实施方案，穿孔火焰保持器102被配置成从燃烧反应接收热量并且将热量输出到固体燃料和氧化剂605。在从燃烧反应302接收热量并且向燃料和氧化剂混合物206输出热量时，穿孔火焰保持器102稳定燃烧反应302。根据实施方案，穿孔火焰保持器102被配置成扩大支持燃烧反应302的固体燃料和氧化剂605的稳定性极限。据认为，这通过确保足够热量传递到固体燃料和氧化剂605以维持燃烧来操作，即使固体燃料和氧化剂混合物太贫(燃)以致无法支持常规火焰中的稳定燃烧。

根据实施方案，电压源609被配置成输出电压，所述电压被选择为使得耐磨结构606和对电极607向燃烧反应302(由穿孔火焰保持器102支持)施加足以拓宽固体燃料和氧化剂605的稳定性和/或可燃性极限的电场。因此，燃烧反应302接收从穿孔火焰保持器102的热传递效应和来自电压源609和电极110的电场效应这两方面拓宽的稳定性和/或可燃性极限的组合效应。组合效应支持比通常可由常规火焰支持的更清洁的燃烧。在实施方案中，组合效应支持比通常可由任一单独效应支持的更清洁的燃烧。“更清洁的燃烧”是指减少输出不期望的反应产物(诸如氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO))。

一般来说，本发明人已经发现，高的施加电压是必要的和足够的，才能影响燃烧反应302。在实施方案中，电压源609被配置成向电极110输出大于1000伏特的高电压。在优选的实施方案中，电压源609被配置成向电极607输出至少10,000伏特。

本发明人考虑到了各种电极构型。

在图6所示的实施方案中，耐磨结构606被设置成与穿孔火焰保持器102相邻。例如，耐磨结构606可以包括金属滤网，该金属滤网被设置成与穿孔火焰保持器102相邻。除此之外或另选地，耐磨结构606可以包括导电材料，该导电材料设置在穿孔火焰保持器102的表面上。除此之外或另选地，耐磨结构606包括导体，该导体设置在由穿孔火焰保持器102界定的体积内。2014年3月27日提交的标题为“ELECTRICALLY CONTROLLED COMBUSTION FLUIDFLOW(电控制的燃烧流体流)”的PCT专利申请PCT/US2014/031969(代理人案卷号2651-174-04)中更详细地描述了用于将电极与燃烧环境中的结构联接的方法；该申请在不抵触本文的公开内容的程度上全文以引用的方式并入。

在其中没有明确第二电极的实施方案中，耐磨结构606可与附近任何接地表面形成电场。在一个实施方案中，例如，燃料和氧化剂源610可与电压接地613相接，并且可以在耐磨结构606与固体燃料和氧化剂605之间形成电场。在另一个实施方案中，穿孔火焰保持器102在升高(燃烧支持)温度下变得更加导电，并且耐磨结构606形成电场，其中穿孔火焰保持器102的一个或多个部分用作第二电极。

根据实施方案，对电极607可以设置在穿孔火焰保持器102的输出表面214上或其附近，并且耐磨结构606可以设置在穿孔火焰保持器102的输入表面212上或其附近。电压源609可以被配置成在对电极607或耐磨结构606之间施加电压。根据实施方案，在耐磨结构606和对电极607之间施加电压包括将耐磨结构606和对电极607中的一者联接至电压接地613。

根据实施方案，电压源609被配置成将具有第一极性的电压施加于对电极607，并且将不同于第一电压的第二电压施加于耐磨结构606。优选地，分别施加到第一电极607和第二电极606的电压相差至少1000伏特。在实施方案中，第二电压与第一电压的极性相反。

根据实施方案，不存在对电极607。相反，电压源609在耐磨结构606与另一个导电结构之间施加电压。

图7是根据实施方案的系统700的示意图。燃烧系统700包括类似于关于图6所公开的那些的穿孔火焰保持器102、电压源609、抗磨结构606、对电极607、以及固体燃料和氧化剂源610。根据实施方案，耐磨结构606包括多个突出电极构件，这些突出电极构件延伸到穿孔火焰保持器102中。对电极607包括多个对电极构件，这些对电极构件延伸到穿孔火焰保持器102中，并且不与从耐磨结构606延伸的多个电极构件接触。

根据实施方案，电压源609被配置成将具有第一极性的电压施加于耐磨结构606，并且将具有第二极性的电压施加于对电极607。

根据实施方案，电压源609被配置成将电压施加于对电极607。耐磨结构606与电压接地613相接。任选地，对电极607可由穿孔火焰保持器102的导电部分形成。

图8为根据实施方案的耐磨结构806的仰视图。耐磨结构806可以是根据实施方案的导电滤网，该导电滤网被配置成保护穿孔火焰保持器102的输入表面212不受固体燃料605侵蚀并且被配置成用作被配置成从电压源609接收电压信号的电极606。耐磨结构806可以放置在穿孔火焰保持器102的输入表面212上或其附近。根据实施方案，第二导电滤网可以放置在输出表面214上或其附近，并且可以用作联接至电压源609的对电极607。

根据实施方案，耐磨结构606包括线网824，线网之间具有间隙，固体燃料和氧化剂605可以穿过该间隙。根据实施方案，耐磨结构606从电压源609接收电压V，从而对穿孔火焰保持器102内的燃烧反应302造成电影响。

根据实施方案，线网824可以形成与穿孔火焰保持器102的输入表面212匹配的阵列，使得导线或导线组之间的间隙与穿孔火焰保持器102的穿孔210对准。

根据实施方案，耐磨表面的有效面积远大于穿孔火焰保持器102的输入面212的有效面积。根据实施方案，耐磨表面的有效面积是耐磨表面的面积乘以耐磨表面的放电系数。输入面212的有效面积是输入面212的面积乘以输入面212的放电系数。

根据实施方案，耐磨结构806可以包括不锈钢网格，其形状设置成适形于穿孔火焰保持器102的穿孔210或与之对准。

图9是根据一个实施方案的穿孔火焰保持器102的两个穿孔210的放大侧视图。耐磨结构906被定位在穿孔210的下部处的壁308上以及穿孔火焰保持器102的输入表面212上。耐磨结构906是防侵蚀件，该防侵蚀件被配置成保护穿孔火焰保持器102的输入表面212不受固体燃料605侵蚀。耐磨结构906也可以是导电的并被配置成用作联接至电压源609的电极。

根据实施方案，对电极907被定位在穿孔210的上部处的壁308上以及穿孔火焰保持器102的输出表面214上。对电极907被配置成从电压源609接收电压信号。

根据实施方案，耐磨结构906和对电极907可以由施加于穿孔火焰保持器102的顶部和底部的耐火金属、导电糊膏、导电油墨或其他导电材料形成。导电材料可以由在穿孔火焰保持器102的顶部表面和底部表面上经过的滚筒通过移印或以任何其他合适方式来辊轧。

虽然由于剖面图的性质而在图9中示出为物理上分离的，但是根据实施方案，对电极907是输出表面214和穿孔210的上部上的单个连续电极。类似地，耐磨结构906是输入表面212和穿孔210的下部上的单个连续电极。

根据实施方案，耐磨结构906和对电极907被联接至电压源609(参见图1-图7)。电压源609可以将高电压V+施加于对电极907，并且将低电压V-施加于耐磨结构906，由此，对电极907和耐磨结构906可以对穿孔210内的燃烧反应302造成电影响，例如通过在穿孔210内生成等离子体。

根据实施方案，当低电压V-接地时，高电压V+可以大于1000V。另选地，对电极907上的电压可以低于耐磨结构906上的电压。电压源609还可在耐磨结构906和对电极907之间施加交流电压。

根据实施方案，可仅存在耐磨结构906。

图10是根据实施方案的燃烧系统1000的示意图。燃烧系统1000包括固体燃料和氧化剂源610、穿孔火焰保持器102、电压源609、耐磨结构606和对电极607。燃烧系统1000还包括设置在穿孔火焰保持器102附近的红外相机1026，以及联接至红外相机1026并且联接至电压源609的控制电路1028。

根据实施方案，红外相机1026捕获穿孔火焰保持器102的穿孔210内的燃烧反应302的红外图像。控制电路1028分析图像并确定由穿孔火焰保持器102保持的燃烧反应302是否类似于所选择的图像图案。如果由红外相机1026检测到的图像不对应于所选择的图像图案，那么控制电路1028可修改电极606、607之间的电压以充分改变火焰保持器102的穿孔620中的电场，从而使得燃烧反应302和穿孔火焰保持器102输出对应于所选择的图像图案的红外辐射。

例如，控制电路1028可以确定来自红外相机1026的图像图案是否对应于穿孔火焰保持器102内的穿孔壁308(称为穿孔芯)和该穿孔壁308的端部(即，在输出表面214处)之间的期望的温度比。已经发现，当穿孔芯比穿孔壁308在输出表面214处输出更少的热辐射304时，燃烧反应302就可能倾向于出现在输出表面214上方的蓝色火焰中，这对于NOx输出是不利的。

根据实施方案，当红外相机1026捕获具有“亮”壁端的图像时，控制电路1028使得电压源609增加耐磨结构606与对电极607之间的电压差。这增加了反应速率，并倾向于将燃烧反应302向下拉入穿孔芯中。相反，当红外相机1026捕获具有“暗”壁端的图像时，控制电路1028使得电压源609降低耐磨结构606和对电极607之间的电压差。这降低了反应速率，并倾向于沿着穿孔芯的长度分布燃烧反应302。

在另一个实施方案中，控制电路1028可操作地联接至燃料阀。当壁端明亮时，控制阀236在一定程度上闭合，从而减少穿孔火焰保持器102的对流冷却，这使燃烧反应302在穿孔芯内更完整地完成。这种方法可用于在系统启动期间调节燃料，例如，使得燃料流速逐渐增加，从而使得维持期望的热图像。即使没有被配置成向穿孔火焰保持器102承载的燃烧反应302施加电压的装置，包括可操作地联接至燃料阀236的控制电路1028的实施方案也是有用的。

虽然以上描述涉及捕获穿孔火焰保持器102的输出表面214的红外图像，但是所描述的技术也可以应用来响应穿孔火焰保持器102的输入表面212的红外图像。

在一个实施方案中，耐磨结构606和对电极607可以各自包括多个可单独寻址的电极。可单独寻址的电极可以各自处于穿孔火焰保持器102的相应穿孔210中或其附近。电压源609结合控制电路1028可以选择性地将电压施加于单独可寻址电极，以便在所选择的穿孔210或所选择的穿孔组210中生成电场。

根据一个实施方案，红外相机1026捕获穿孔火焰保持器102的穿孔210内的燃烧反应302的红外图像。控制电路1028分析图像并确定穿孔火焰保持器102的哪些穿孔210低于所选择的阈值温度或在所选择的温度范围内。然后，控制电路可以在耐磨结构606的所选择的可寻址电极和对电极607的所选择的可寻址电极之间施加高电压，以便将电场施加于低于阈值温度的那些穿孔210。控制电路1028还可以从高于阈值温度或已经在所选择的温度范围内的那些穿孔210中的可寻址电极去除高电压。

虽然本文已公开了各种方面和实施方案，但是也设想了其他方面和实施方案，包括其中组合了各种公开的实施方案的所选择的要素的实施方案。本文所公开的各个方面和实施方案出于说明性目的，而并非旨在进行限制，真实范围和实质由以下权利要求书指示。

Claims

1.一种燃烧系统，包括：

穿孔火焰保持器，所述穿孔火焰保持器包括：

输入面，

输出面，所述输出面位于与所述输入面相反的一侧上并且基本上平行于所述输入面，和

多个孔，所述多个孔在所述输入面和所述输出面之间延伸；和

耐磨表面，所述耐磨表面与所述输入面相邻并被配置成保护所述穿孔火焰保持器不受侵蚀。

2.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中所述耐磨表面与所述穿孔火焰保持器是一体的，并对应于所述输入面。

3.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中所述穿孔火焰保持器和所述耐磨表面是同时形成的。

4.根据权利要求2所述的燃烧系统，其中所述穿孔火焰保持器和所述耐磨表面是由一起放在模具中的相应的材料组合物形成的。

5.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中所述穿孔火焰保持器和所述耐磨表面是以单独的过程形成的。

6.根据权利要求5所述的燃烧系统，其中所述耐磨表面形成在所述穿孔火焰保持器的所述输入面上方。

7.根据权利要求5所述的燃烧系统，其中所述穿孔火焰保持器和所述耐磨表面是单独形成的，并随后被联接在一起。

8.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中所述耐磨表面与所述穿孔火焰保持器的所述输入面物理接触。

9.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中所述耐磨表面与所述穿孔火焰保持器的所述输入面间隔开。

10.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中所述耐磨表面的形状被配置成以空气动力学的方式将燃料流引向所述输入面中的所述多个孔的开口。

11.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中所述耐磨表面包括陶瓷材料。

12.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中所述耐磨表面包括金属合金。

13.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中所述耐磨表面的材料是基于所述材料的耐研磨性来选择的。

14.根据权利要求13所述的燃烧系统，其中所述耐磨表面的有效面积大于所述穿孔火焰保持器的所述输入面的有效面积。

15.根据权利要求14所述的燃烧系统，其中所述耐磨表面的所述有效面积是所述耐磨表面的面积乘以所述耐磨表面的放电系数。

16.根据权利要求15所述的燃烧系统，其中所述输入面的所述有效面积是所述输入面的面积乘以所述输入面的放电系数。

17.根据权利要求13所述的燃烧系统，其中所述耐磨表面的所述材料是基于所述材料的硬度来选择的。

18.根据权利要求13所述的燃烧系统，其中所述耐磨表面的所述材料是基于所述材料的弹性来选择的。

19.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中所述耐磨表面的所述材料是基于所述材料的热学特性来选择的。

20.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中所述耐磨表面的所述材料是基于所述材料的断裂韧度来选择的。

21.根据权利要求1所述的燃烧系统，包括喷嘴，所述喷嘴被定位和配置成朝向所述穿孔火焰保持器的所述输入面发射燃料流，在所述燃料流中，固体燃料颗粒夹带在流体流中。

22.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中所述多个孔沿着相应轴线从所述输入面延伸到所述输出面，所述轴线各自基本上垂直于由所述穿孔火焰保持器的所述输入面限定的平面。

23.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中所述多个孔沿着相应轴线从所述输入面延伸到所述输出面，所述轴线大致在交点处相交，所述交点距所述穿孔火焰保持器的所述输入面一定距离。

24.根据权利要求23所述的燃烧系统，包括喷嘴，所述喷嘴被定位和配置成朝向所述穿孔火焰保持器的所述输入面发射燃料流，并且其中所述交点位于所述喷嘴的纵向轴线上。

25.根据权利要求24所述的燃烧系统，其中所述交点处于对应于所述喷嘴的输出孔口的位置。

26.根据权利要求1所述的燃烧系统，还包括电压源，所述电压源可通信地联接至所述耐磨表面。

27.根据权利要求26所述的燃烧系统，还包括对电极，所述对电极被定位成与所述输出面相邻并可通信地联接至所述电压源。

28.根据权利要求27所述的燃烧系统，其中所述电压源被配置成将电压施加在所述耐磨表面和所述对电极之间。

29.根据权利要求28所述的燃烧系统，其中所述电压源、所述耐磨表面和所述对电极被配置成当所述电压源在所述耐磨表面和所述对电极之间施加所述电压时在所述穿孔火焰保持器内生成等离子体。

30.根据权利要求28所述的燃烧系统，其中所述电压是DC电压。

31.根据权利要求28所述的燃烧系统，其中所述电压是AC电压。

32.根据权利要求28所述的燃烧系统，其中所述电压大于1000伏特。

33.根据权利要求28所述的燃烧系统，其中所述电压为至少10,000伏特。

34.根据权利要求28所述的燃烧系统，其中所述耐磨表面是导电耐火金属。

35.根据权利要求28所述的燃烧系统，其中所述耐磨表面是金属滤网。

36.根据权利要求35所述的燃烧系统，其中所述金属滤网与所述穿孔火焰保持器接触。

37.根据权利要求28所述的燃烧系统，其中所述耐磨表面包括设置在所述穿孔火焰保持器的所述输入面上的导电材料。

38.根据权利要求28所述的燃烧系统，其中所述耐磨表面包括至少部分地设置在所述穿孔火焰保持器内的导体。

39.根据权利要求28所述的燃烧系统，其中所述耐磨表面包括不锈钢网格。

40.一种穿孔火焰保持器，包括：

火焰保持器主体，所述火焰保持器主体具有输入面和与所述输入面相反的输出面；和

多个孔，所述多个孔在所述输入面和所述输出面之间沿着相应平行轴线延伸穿过所述火焰保持器主体。

41.根据权利要求40所述的火焰保持器，包括防蚀遮蔽件，所述防蚀遮蔽件定位成保护所述输入面不受从大致位于单个点处的源朝向所述火焰保持器流动的颗粒影响。

42.根据权利要求41所述的火焰保持器，其中所述防蚀遮蔽件与所述火焰保持器主体是一体的。

43.根据权利要求41所述的火焰保持器，其中所述防蚀遮蔽件定位成与所述火焰保持器主体的所述输入面直接接触。

44.根据权利要求41所述的火焰保持器，其中所述防蚀遮蔽件与所述火焰保持器主体的所述输入面隔开。

45.一种制造方法，包括：

形成穿孔火焰保持器，所述穿孔火焰保持器具有：

输入面，

输出面，所述输出面位于所述火焰保持器的与所述输入面相反的一侧上并且基本上平行于所述输入面，和

多个孔，所述多个孔在所述输入面和所述输出面之间延伸；以及

形成防蚀遮蔽件，所述防蚀遮蔽件定位成与所述输入面相邻并被配置成保护所述穿孔火焰保持器不受侵蚀。

46.根据权利要求45所述的方法，其中所述形成穿孔火焰保持器包括：

将具有第一组成的第一陶瓷模制化合物引入模具中；以及

固化所述模具内的所述第一陶瓷模制化合物。

47.根据权利要求46所述的方法，其中所述形成防蚀遮蔽件包括将具有第二组成的第二陶瓷模制化合物引入具有所述第一模制化合物的所述模具中；并且其中所述硬化所述模具内的所述第一陶瓷模制化合物包括同时硬化所述模具内的所述第一陶瓷模制化合物和所述第二陶瓷模制化合物。

48.根据权利要求45所述的方法，其中所述形成防蚀遮蔽件包括：

将晶种层施加于所述穿孔火焰保持器的所述输入面；以及

将金属层镀覆于所述晶种层上方至所选择的厚度。

49.根据权利要求45所述的方法，其中所述形成防蚀遮蔽件包括：

将一定量的材料密封在弹性模具内；

使容纳有所述量的材料的所述弹性模具经受热等静压过程。

50.根据权利要求49所述的方法，其中所述将一定量的材料密封在弹性模具内包括将一定量的氧化铝密封在所述弹性模具内。

51.根据权利要求49所述的方法，其中所述将一定量的材料密封在弹性模具内包括将一定量的金属粉末密封在所述弹性模具内。

52.根据权利要求49所述的方法，其中所述将一定量的材料密封在弹性模具内包括将一定量的陶瓷粉末密封在所述弹性模具内。

53.根据权利要求45所述的方法，其中所述形成防蚀遮蔽件包括从金属合金片材冲压所述防蚀遮蔽件。

54.根据权利要求45所述的方法，其中形成所述防蚀遮蔽件包括将热障涂层施加于所述输入面。

55.根据权利要求54所述的方法，其中形成所述防蚀遮蔽件包括将所述热障涂层喷涂到所述输入面上。

56.根据权利要求54所述的方法，其中所述热障涂层的热学特性匹配所述穿孔火焰保持器的所述输入面的热学特性。

57.一种方法，包括：

从燃料喷嘴发射包括夹带的固体燃料颗粒的燃料流；

将所述燃料流接收到穿孔火焰保持器的输入面中；

在延伸穿过所述穿孔火焰保持器的孔内燃烧所述固体燃料颗粒；以及

限制所述固体燃料颗粒对所述穿孔火焰保持器的侵蚀。

58.根据权利要求57所述的方法，其中所述限制所述固体燃料颗粒对所述穿孔火焰保持器的侵蚀包括遮蔽所述穿孔火焰保持器的所述输入面不受所述固体颗粒侵蚀。

59.根据权利要求58所述的方法，其中所述遮蔽所述穿孔火焰保持器的所述输入面不受所述固体颗粒侵蚀包括在所述穿孔火焰保持器的所述输入面和所述燃料喷嘴之间插置防蚀遮蔽件。

60.根据权利要求59所述的方法，其中所述防蚀遮蔽件包括导电材料。

61.根据权利要求60所述的方法，还包括在所述防蚀遮蔽件和定位成与所述穿孔火焰保持器的所述输出面相邻的对电极之间施加电压。

62.根据权利要求61所述的方法，还包括通过在所述防蚀遮蔽件和所述对电极之间施加所述电压来在所述穿孔火焰保持器内生成等离子体。

63.根据权利要求59所述的方法，其中所述在所述穿孔火焰保持器的所述输入面和所述燃料喷嘴之间插置防蚀遮蔽件包括将所述防蚀遮蔽件定位成与所述输入面直接接触。

64.根据权利要求59所述的方法，其中所述在所述穿孔火焰保持器的所述输入面和所述燃料喷嘴之间插置防蚀遮蔽件包括使所述防蚀遮蔽件与所述输入面间隔距离。

65.根据权利要求57所述的方法，其中所述在延伸穿过所述穿孔火焰保持器的孔内燃烧所述固体燃料颗粒和所述限制所述固体燃料颗粒对所述穿孔火焰保持器的侵蚀共同包括在沿着相应轴线延伸穿过所述穿孔火焰保持器的孔内燃烧所述固体燃料颗粒，所述轴线与所述燃料喷嘴的纵向轴线在所述喷嘴的输出孔口附近相交。

66.一种被配置成支持固体燃料的燃烧的燃烧器，包括：

固体燃料源，所述固体燃料源被配置成输出至少固体燃料颗粒流；和

火焰保持器，所述火焰保持器包括耐磨结构和耐火结构，所述耐火结构被对准以使所述固体燃料颗粒流冲击在所述耐磨结构上并且基本上不冲击在所述耐火结构上，

所述耐火结构被配置成保持由所述固体燃料支持的燃烧反应；并且

所述耐磨结构被配置成保护所述耐火结构不受所述固体燃料颗粒的冲击造成的侵蚀。

67.根据权利要求66所述的燃烧器，其中所述耐磨结构被配置成抵抗所述固体燃料颗粒的冲击造成的侵蚀。

68.根据权利要求67所述的燃烧器，其中所述耐磨结构包含耐高温钢。

69.根据权利要求66所述的燃烧器，其中所述耐磨结构被配置作为牺牲结构，所述牺牲结构被对准以保护所述耐火结构。

70.根据权利要求66所述的燃烧器，其中所述耐火结构包括穿孔火焰保持器结构，所述穿孔火焰保持器结构被配置成保持多个单独伸长孔内的由所述固体燃料支持的燃烧反应，所述多个单独伸长孔被布置为平行于所述固体燃料颗粒流的主导方向。

71.根据权利要求66所述的燃烧器，其中所述耐火结构包括穿孔火焰保持器结构，所述穿孔火焰保持器结构被对准以接收固体燃料颗粒流并保持多个穿孔内的燃烧，所述多个穿孔被对准成平行于来自所述固体燃料源的所述流，所述多个穿孔中的每个穿孔与所述多个穿孔中的其它穿孔由壁分开，所述壁具有被布置成横向于所述固体燃料流的第一端；并且

其中所述耐磨结构包括网格，所述网格被布置成保护壁的处于远离主导的固体燃料流方向的背风侧上的所述第一端。

72.根据权利要求71所述的燃烧器，其中壁的多个第一端和所述网格包括全等形状。

73.根据权利要求66所述的燃烧器，其中所述固体燃料源形成燃料和燃烧空气组件的一部分；

其中所述固体燃料颗粒至少部分地被燃烧空气夹带。

74.根据权利要求66所述的燃烧器，其中所述固体燃料源和燃烧空气源包括一体式固体燃料和燃烧空气组件。

75.一种燃烧系统，包括：

穿孔火焰保持器，所述穿孔火焰保持器包括：

输入面，

多个孔，所述多个孔在所述输入面和所述输出面之间延伸；

导电防侵蚀件，所述导电防侵蚀件与所述输入面相邻并被配置成保护所述穿孔火焰保持器不受侵蚀；

导电的对电极，所述导电的对电极与所述输出面相邻；和

电压源，所述电压源被配置成通过在所述耐磨表面之间施加电压来在所述穿孔火焰保持器内生成等离子体。

76.根据权利要求75所述的燃烧系统，其中所述电压源、所述耐磨表面和所述对电极被配置成当所述电压源在所述耐磨表面和所述对电极之间施加所述电压时在所述穿孔火焰保持器内生成等离子体。

77.根据权利要求75所述的燃烧系统，其中所述电压为至少10,000伏特。

78.根据权利要求75所述的燃烧系统，其中所述耐磨表面是导电耐火材料。

79.根据权利要求75所述的燃烧系统，其中所述耐磨表面是金属滤网。

80.根据权利要求79所述的燃烧系统，其中所述金属滤网与所述穿孔火焰保持器接触。

81.根据权利要求75所述的燃烧系统，其中所述耐磨表面包括设置在所述穿孔火焰保持器的表面上的导电材料。

82.根据权利要求75所述的燃烧系统，其中所述耐磨表面包括至少部分地设置在所述穿孔火焰保持器内的导体。

83.根据权利要求75所述的燃烧系统，其中所述耐磨表面包括不锈钢网格。