CN110023679A - 包括用于增强稳定性和降低温度的穿孔钝体火焰保持器的炉 - Google Patents

包括用于增强稳定性和降低温度的穿孔钝体火焰保持器的炉 Download PDF

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CN110023679A CN201880004731.XA CN201880004731A CN110023679A CN 110023679 A CN110023679 A CN 110023679A CN 201880004731 A CN201880004731 A CN 201880004731A CN 110023679 A CN110023679 A CN 110023679A
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詹姆士·K·丹西
唐纳德·肯德里克
道格拉斯·W·卡尔科夫
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Abstract

本发明公开了一种燃烧系统，所述燃烧系统包括穿孔火焰保持器和定位在所述穿孔火焰保持器和燃料源之间的多个钝体构件。所述燃料源朝向所述穿孔火焰保持器通过处于所述钝体构件之间的间隙输出燃料流。所述穿孔火焰保持器和所述钝体构件共同保持由所述燃料流支持的燃烧反应。

Description

包括用于增强稳定性和降低温度的穿孔钝体火焰保持器的炉
相关专利申请的交叉引用
本申请要求于2017年1月19日提交的名称为“FURNACE INCLUDING PERFORATEDAND BLUFF BODY FLAME HOLDER FOR ENHANCED STABILITY AND TURNDOWN”的美国临时专利申请No.62/448,234(代理人案卷号2651-304-02)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。
发明内容
根据一个实施方案，燃烧系统包括定位在炉容积中的穿孔火焰保持器、被配置成将氧化剂引入该炉容积中的氧化剂源，以及被配置成朝向该穿孔火焰保持器输出包括燃料的燃料流的燃料源。燃烧系统还包括定位在燃料源和穿孔火焰保持器之间的钝体构件的阵列。这些钝体构件彼此由间隙分开，使得燃料流朝向穿孔火焰保持器穿过这些间隙。钝体构件的阵列和穿孔火焰保持器被配置成稳定地支持燃料和氧化剂的燃烧反应。根据一个实施方案，穿孔火焰保持器和钝体构件被配置成保持在穿孔火焰保持器内以及在处于穿孔火焰保持器和钝体构件之间的空间中的燃烧反应。
根据一个实施方案，方法包括将穿孔火焰保持器支撑在炉容积中，以及将钝体构件的阵列支撑在炉容积中处于穿孔火焰保持器和燃料源之间。该方法包括将氧化剂引入炉容积中，并且朝向穿孔火焰保持器输出包括来自燃料源的燃料的燃料流。该方法包括使燃料流穿过处于定位在燃料源和穿孔火焰保持器之间的多个钝体构件之间的间隙，以及用穿孔火焰保持器和钝体构件支持燃料和氧化剂的燃烧反应。根据一个实施方案，该方法包括保持在穿孔火焰保持器内以及在处于穿孔火焰保持器和钝体构件之间的空间中的燃烧反应。
附图说明
图1为根据一个实施方案的燃烧系统的框图。
图2为根据一个实施方案的燃烧器系统的简化图，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。
图3为根据一个实施方案的图1和图2的穿孔火焰保持器的一部分的侧剖面图。
图4为根据一个实施方案的示出用于操作包括本文示出和描述的穿孔火焰保持器的燃烧器系统的方法的流程图。
图5A为根据一个实施方案的燃烧器系统的简化图，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。
图5B为根据一个实施方案的图5A的穿孔火焰保持器的一部分的侧剖面图。
图6A为根据一个实施方案的包括穿孔火焰保持器和钝体构件的阵列的燃烧系统的图。
图6B为根据一个实施方案的图6A的穿孔火焰保持器和钝体构件的侧剖面图。
图6C为根据一个实施方案的图6A的钝体构件的阵列的顶视图。
图6D为根据一个实施方案的图6A的处于标准操作状态的燃烧系统的图示。
图7为根据一个实施方案的包括被配置成支撑多个钝体构件的支架的燃烧系统的图示。
图8A为根据一个实施方案的包括穿孔火焰保持器和钝体构件的阵列的燃烧系统的图示。
图8B为根据一个实施方案的图9A的钝体构件的阵列的侧视图。
图9A为根据一个实施方案的包括穿孔火焰保持器和钝体构件的阵列的燃烧系统的图示。
图9B为根据一个实施方案的图9A的钝体构件的阵列的侧剖面图。
图10A为根据一个实施方案的包括穿孔火焰保持器和钝体构件的阵列的燃烧系统的图示。
图10B为根据一个实施方案的图9A的燃烧系统的钝体构件的顶视图。
图11为根据一个实施方案的用于操作燃烧系统的过程的流程图。
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。
图1为根据一个实施方案的燃烧系统100的框图。燃烧系统100包括定位在炉容积101中的穿孔火焰保持器102和多个钝体构件105。燃烧系统100还包括燃料源109和氧化剂源107。钝体构件105定位在燃料源109和穿孔火焰保持器102之间。
根据一个实施方案，钝体构件105被布置成阵列。钝体构件105被布置成使得在每对相邻的钝体构件105之间存在相应间隙。
根据一个实施方案，燃料源109被配置成朝向穿孔火焰保持器102输出包括燃料的燃料流。因为钝体构件105定位在燃料源109和穿孔火焰保持器102之间，所以当燃料流朝向穿孔火焰保持器102行进时，燃料流穿过钝体构件105的阵列。
根据一个实施方案，氧化剂源107被配置成将氧化剂输出到炉容积101中。当燃料流朝向钝体构件105、在钝体构件105之间以及朝向穿孔火焰保持器102行进时，该燃料流夹带氧化剂。
根据一个实施方案，穿孔火焰保持器102和钝体构件105被配置成保持燃料和氧化剂的稳定燃烧反应。具体地讲，穿孔火焰保持器102和钝体构件105被配置成保持燃料和氧化剂主要在穿孔火焰保持器102内以及在处于钝体构件105和穿孔火焰保持器102之间的空间中的燃烧反应。
根据一个实施方案，钝体构件105有助于稳定燃料和氧化剂的燃烧反应。当燃料流朝向穿孔火焰保持器102行进时，钝体构件105对该燃料流施加钝体效应。具体地讲，当燃料流撞击到钝体构件105时，燃料流被迫使将轨迹改变为其围绕钝体构件105流动并且穿过处于钝体构件105之间的间隙。对燃料流的这种干扰有助于将燃料和氧化剂的燃烧反应的火焰前端保持在最靠近燃料流的钝体构件105的下游。这稳定了燃烧反应，并且降低了朝向燃料源109回火的风险。
根据一个实施方案，穿孔火焰保持器102和钝体构件105的组合进一步稳定了燃料和氧化剂的燃烧反应。根据一个实施方案，燃烧反应主要被限定到处于最靠近燃料源109的钝体构件105和在燃料源109远侧的穿孔火焰保持器102的表面之间的容积。根据一个实施方案，穿孔火焰保持器102的存在压缩了在不存在穿孔火焰保持器102时发生燃烧反应会经历的距离。
根据一个实施方案，穿孔火焰保持器102是陶瓷穿孔火焰保持器。根据一个实施方案，穿孔火焰保持器102包括碳化硅。根据一个实施方案，穿孔火焰保持器102包括氧化锆。
根据一个实施方案，穿孔火焰保持器102包括网状陶瓷砖。根据一个实施方案，穿孔火焰保持器102包括输入面、输出面，以及在输入面和输出面之间延伸的多个穿孔。根据一个实施方案，穿孔火焰保持器102包括蜂窝结构瓷砖，该蜂窝结构瓷砖具有从输入面到输出面穿过其形成的细长孔。
根据一个实施方案，钝体构件105包括陶瓷材料。根据一个实施方案，钝体构件105包括碳化硅。根据一个实施方案，钝体构件105包括氧化锆。根据一个实施方案，钝体构件105包括氧化铝。
根据一个实施方案，钝体构件105包括在横向于燃料流的主方向的方向上延伸的杆。根据一个实施方案，每个杆通过相应间隙与每个相邻的杆分开。该间隙可为约杆的侧向尺寸一样宽。另选地，该间隙可宽于杆的侧向尺寸。另选地，该间隙可窄于杆的侧向尺寸。
根据一个实施方案，钝体构件105可包括椭圆形横截面、圆化长方形横截面、卵形横截面、圆形横截面、半圆形横截面、正方形横截面、矩形横截面、多边形横截面，或适用于当燃料流在钝体构件105之间经过时向燃料流施加钝体效应的另一类型的钝体横截面。
根据一个实施方案，燃烧系统100可包括预热机构，该预热机构被配置成将穿孔火焰保持器102预热到阈值温度，在该阈值温度下，穿孔火焰保持器102可以承受燃料和氧化剂在穿孔火焰保持器102内或在其相邻处的燃烧反应。在燃烧系统100的预热操作状态下，该预热机构将穿孔火焰保持器102预热到阈值温度。在预热机构已经将穿孔火焰保持器102加热到阈值温度之后，预热机构被去激活，并且燃烧系统100进入标准操作状态，在标准操作状态下，燃料源109朝向穿孔火焰保持器102输出燃料流。根据一个实施方案，预热机构也可预热钝体构件105。
图2为根据一个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，除非提供进一步的定义，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、多孔反应保持器、双重和双重瓦应被认为是同义的。
发明人进行的实验显示，本文所述的穿孔火焰保持器102可支撑非常洁净的燃烧。具体地讲，在燃烧器系统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)下降至堆叠下的NOx的检测不到的(少于1ppm)浓度。在工业炉应用的典型堆叠温度(1400-1600℉)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。
根据各实施方案，燃烧器系统200包括被设置成将燃料和氧化剂输出到炉容积204中以形成燃料和氧化剂混合物206的燃料和氧化剂源202。如本文所用，除非提供进一步的定义，否则术语燃料和氧化剂混合物以及燃料流可互换使用，并且根据上下文认为是同义的。如本文所用，除非提供进一步的定义，否则术语炉容积、燃烧室、炉容积等应被认为是同义的。穿孔火焰保持器102被设置在炉容积204中，并且被定位成接收燃料和氧化剂混合物206。
图3为根据一个实施方案的图1和图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，所述多个穿孔对齐以接纳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，除非提供进一步的定义，否则在穿孔火焰保持器102的上下文中，术语穿孔、孔(pore)、孔(aperture)、细长孔(elongated aperture)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支撑的燃烧反应302。
燃料可包括氢、烃类气体、汽化的烃类液体、雾化的烃类液体或粉状或粉碎的固体。燃料可以是单一种类或可包括气体、蒸汽、雾化的液体和/或粉碎的固体的混合物。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，该副产物包括一氧化碳(CO)、氢气(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(C3H8)。在另一种应用中，燃料可包括2号燃料油或6号燃料油。发明人类似地设想了双燃料应用和灵活燃料应用。氧化剂可包括由空气、烟道气携带的氧和/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。
根据一个实施方案，穿孔火焰保持器主体208可由被设置成接纳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，以及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处接纳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。
根据一个实施方案，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输出到炉容积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之间被转化成燃烧产物。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输出的热量或热能的一半以上。如本文所用，除非提供进一步的定义，否则术语热量、热能量和热能应被认为是同义的。如上所用，热能量和热能通常是指在燃烧反应302期间最初由反应物保持的释放化学能。如本文在其他地方所用，热量、热能量和热能对应于以热容为特征的真实主体经受的可检测的温度上升。在标称操作条件下，穿孔210可被配置成共同将至少80％的燃烧反应302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，发明人生成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302。根据一种替代解释，当燃烧被“时间平均(time-averaged)”时，穿孔火焰保持器102可将燃烧支撑在输入面212和输出面214之间。例如，在瞬态过程中，诸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，则燃烧可从穿孔火焰保持器102的输出面214的下游一定程度地行进。另选地，如果冷却负荷相对较低并且/或者炉温度达到高水平，则燃烧可在穿孔火焰保持器102的输入面212的上游一定程度地行进。
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。燃烧主要出现在穿孔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”或“回火”，其中在位于穿孔火焰保持器102的输入面212和燃料喷嘴218之间的区域中、在稀释区域DD内瞬间点燃可见火焰。此类瞬态吹气或回火通常持续时间很短，使得在按时间平均的基础上，燃烧的大部分是在穿孔火焰保持器102的穿孔210中、在输入面212和输出面214之间发生。在另外的情况下，发明人已经注意到发生在从穿孔火焰保持器102的输出面214下游的明显燃烧，但是燃烧的大部分仍发生在穿孔火焰保持器102中，如由来自穿孔火焰保持器102的被观察到的持续可见辉光所证实的那样。
穿孔火焰保持器102可被配置成接收来自燃烧反应302的热量并且将所接收的热量的一部分作为热辐射304输出到炉容积204之中或相邻的热接收结构(例如炉壁和/或辐射段工作流体管)。如本文所用，除非提供进一步的定义，否则术语诸如辐射、热辐射、辐射热、热量辐射等应被理解为基本上同义的。具体地讲，此类术语是指主要在红外波长处的电磁能量的黑体式辐射，而且由于穿孔火焰保持器主体208的高温也指在可见波长处的电磁能量的黑体式辐射。
具体参见图3，穿孔火焰保持器102将所接纳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处接纳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的热量接纳区域306中接纳来自燃烧反应302的热量。实验证据已向发明人表明，热量接纳区域306的位置或至少对应于热接纳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)。发明人设想了以下情况：在其他条件下，热量接纳区域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，热量接纳区域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，热量接纳区域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可保持量对应于热容乘以温度上升的来自燃烧反应302的热能，并且将来自热量接纳区域306的热能传递至穿孔壁308的热量输出区域310。通常，热量输出区域310比热量接纳区域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(在图中示为304)将来自热量接纳区域306的热量传递至热量输出区域310。根据另一种解释，穿孔火焰保持器主体208可通过热传导沿着热传导路径312将来自热量接纳区域306的热量传递至热量输出区域310。发明人设想了以下情况：包括传导、辐射和可能的对流在内的多种传热机制可用于将来自热量接纳区域306的热量传递到热量输出区域310。以这种方式，即使在由常规火焰保持器支撑时燃烧反应302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开始于相邻于穿孔210的壁308形成的热边界层314中。就通常理解为包括大量单独反应的燃烧而言，并且由于大部分的燃烧能量在穿孔火焰保持器102内释放，因此显而易见的是，至少大部分单独反应发生在穿孔火焰保持器102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中。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经过期间反应物继续流动，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和输出面214之间，所述输入面和输出面限定穿孔210的端部。在沿着穿孔210的长度的某个位置处，燃烧反应302向穿孔火焰保持器主体208输出的热量比从穿孔火焰保持器主体208接纳的热量更多。热量在热量接纳区域306处被接纳，由穿孔火焰保持器主体208保持，并且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传输到冷反应物(以及任何所包括的稀释剂)以使反应物达到点燃温度。
在一个实施方案中，穿孔210中的每个穿孔通过长度L来表征，该长度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。如本文所用，术语反应流体是指行进穿过穿孔210的物质。在输入面212附近，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)。在燃烧反应区域302内，反应流体可包括与燃烧反应302相关联的等离子体，反应物及其组成部分的分子，任何非反应性物质，反应中间体(包括转变状态)和反应产物。在输出面214附近，反应流体可包括反应产物和副产物，非反应性气体和过量的氧化剂。
所述多个穿孔210可各自通过相对穿孔壁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的六倍。例如，已经在L为横向尺寸D的至少八倍、至少十二倍、至少十六倍和至少二十四倍的情况下进行实验。优选地，长度L长到足以使得热边界层314在流经穿孔210的反应流体中相邻于穿孔壁308形成以在穿孔火焰保持器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，并且维持稳定燃烧)。
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可还包括被配置成输出燃料的燃料喷嘴218，以及被配置成输出包含氧化剂的流体的氧化剂源107。例如，燃料喷嘴218可被配置成输出纯的燃料。氧化剂源107可被配置成输出携带氧的燃烧空气，以及任选地，烟道气。
可由穿孔火焰保持器支撑结构222保持穿孔火焰保持器102，该穿孔火焰保持器支撑结构被配置成使穿孔火焰保持器102与燃料喷嘴218保持稀释距离DD。燃料喷嘴218可被配置成发射所选择的燃料射流来夹带氧化剂，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DD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包含在燃烧空气中的氧化剂时)，氧化剂或燃烧空气源可被配置成夹带燃料并且燃料和氧化剂行进通过稀释距离DD。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DD而夹带氧化剂以及夹带烟道气。
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，该燃料孔口具有被称为“喷嘴直径”的内径尺寸。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DD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DD处接纳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被配置成将穿孔火焰保持器102保持在距燃料喷嘴218喷嘴直径的约200倍或更多的距离处。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，混合物充分匀化以使得燃烧反应302产生最低NOx。
根据一个实施方案，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)、被配置成将燃料输出到预混室内的燃料喷嘴、以及被配置成将氧化剂输出到预混室内的氧化剂(例如，燃烧空气)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，并且被配置成阻止火焰回火至预混燃料和氧化剂源内。
无论是被配置用于夹带在炉容积204中还是用于预混，氧化剂源107都可包括被配置成推动氧化剂经过燃料和氧化剂源202的鼓风机。
支撑结构222可被配置成例如从炉容积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(cementatious)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的相对侧之间的宽度尺寸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的相对侧之间的宽度尺寸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的至少三倍、至少六倍或至少九倍。
在一个实施方案中，穿孔火焰保持器102的宽度尺寸W可小于炉容积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与炉容积壁(未示出)之间。
再次参见图2和图3，穿孔210可具有各种形状。在一个实施方案中，穿孔210可包括细长正方形，每个细长正方形具有正方形的相对侧之间的横向尺寸D。在另一个实施方案中，穿孔210可包括细长六边形，每个细长六边形具有六边形的相对侧之间的横向尺寸D。在又一个实施方案中，穿孔210可包括中空圆柱体，每个中空圆柱体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可包括截头圆锥体或截头棱锥体(例如，平截头体)，每个截头圆锥体或截头棱锥体具有相对于从输入面212延伸到输出面214的长度轴线径向对称的横向尺寸D。在一些实施方案中，基于标准参考条件，穿孔210可各自具有等于或大于火焰的淬熄距离的横向尺寸D。另选地，穿孔210可具有小于标准参考淬熄距离的横向尺寸D。
在一系列的实施方案中，所述多个穿孔210中的每个具有介于0.05英寸和1.0英寸之间的横向尺寸D。优选地，多个穿孔210中的每个具有介于0.1英寸和0.5英寸之间的横向尺寸D。例如，多个穿孔210可各自具有约0.2英寸至0.4英寸的横向尺寸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的区段中的所有穿孔210的总容积除以包括主体208和穿孔210的穿孔火焰保持器102的总容积。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可被形成为包括莫来石或堇青石。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。蜂窝体是本领域的工业术语，其不需要严格指六边形横截面，并且最通常包括正方形横截面的单元。其他横截面区域的蜂窝体也是已知的。
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可彼此平行并且垂直于输入面212和输出面214。在另一个实施方案中，穿孔210可彼此平行并且与输入面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可相交。主体308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可由网状陶瓷材料形成。术语“网状”是指网状结构。网状陶瓷材料通常通过以下方式而制成：将浆料溶解在具有特定孔隙度的海绵中，使浆料硬化，并且烧掉海绵且固化陶瓷。
在另一个并不一定优选的实施方案中，穿孔火焰保持器102可由冲孔、钻孔或浇铸以形成通道的陶瓷材料形成。
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，并且可任选地还在捆绑的管之间包括孔隙空间。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，并且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且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。在一个示例中，不连续填料体包括结构化填料形状。在另一个示例中，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。
根据一个实施方案，即使在由常规火焰保持器支撑时燃烧反应将不稳定的条件下，穿孔火焰保持器102仍然可充当热源以维持燃烧反应。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撑燃烧。因此，根据一个实施方案，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206的燃料组分的(常规)燃烧下限—燃烧下限定义了当燃料和氧化剂混合物206在正常大气压下和25℃(77℉)的环境温度下暴露于瞬时点火源时该燃料和氧化剂混合物将会燃烧的最低燃料浓度。
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。根据一种解释，由于用于降低峰值火焰温度的足够混合(以及其他策略)，可以实现这样的性能。火焰温度在略微富燃的条件下趋于峰值，这可在混合不充分的任何扩散火焰中是明显的。通过充分混合，可以在燃烧之前实现均质且略微贫燃的混合物。这种组合可导致火焰温度降低，并且因此减少NOx形成。在一个实施方案中，“略微贫燃”可以指3％O2，即，当量比为约0.87。使用甚至更贫燃的混合物是可能的，但可能导致O2水平升高。此外，发明人认为，穿孔壁308可充当燃烧流体的散热器。这种效果可以另选地或除此之外降低燃烧温度并且减少NOx。
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(包括氧和夹带的氮)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(和夹带的氮)经过穿孔火焰保持器102所需的较短持续时间有关。
图4为流程图，示出了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。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TS。穿孔火焰保持器上升至启动温度后，方法行进到步骤404，其中向穿孔火焰保持器提供燃料和氧化剂，并且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TS。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行进到总步骤404，其中向穿孔火焰保持器提供燃料和氧化剂，并且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离散步骤。
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氧化剂(例如，燃烧空气)源的燃料和氧化剂源提供燃料和氧化剂。在这个方法中，沿一个或多个方向输出燃料和氧化剂，所述方向被选择为使得由穿孔火焰保持器的输入面接收燃料和氧化剂混合物。燃料可夹带燃烧空气(或另选地，燃烧空气可稀释燃料)，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。
行进到步骤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。发明人已使用并且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、紫外线传感器、带电物质传感器、热电偶、热电堆、火焰杆和/或其他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。
行进到决定步骤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行进到决定步骤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，并且继续燃烧过程。如果指示燃烧参数中的改变，则方法400行进到步骤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，并且继续燃烧。
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包括操作地联接到穿孔火焰保持器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。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。
发明人已使用并且设想了各种加热装置。在一些实施方案中，加热器228可包括被配置成支撑火焰的火焰保持器，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206的燃料喷嘴218和被配置成输出与燃料流206相邻的氧化剂(例如，燃烧空气)的氧化剂源107。燃料喷嘴218和氧化剂源107可被配置成输出待由氧化剂(例如，燃烧空气)逐级稀释的燃料流206。穿孔火焰保持器102可被设置成接收稀释的燃料和氧化剂混合物206，该混合物支撑燃烧反应302，该燃烧反应在穿孔火焰保持器102处于操作温度时由穿孔火焰保持器102稳定。相比之下，启动火焰保持器可被配置成在对应于不需要由加热的穿孔火焰保持器102提供稳定的情况下稳定的相对未混合的燃料和氧化剂混合物的位置处支撑启动火焰。
燃烧器系统200可还包括操作地联接到加热器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≥TS时)下时不保持启动火焰。
设想了用于致动启动火焰的各种方法。在一个实施方案中，启动火焰保持器包括机械致动钝体，该钝体被配置成被致动以拦截燃料和氧化剂混合物206以引起热再生和/或稳定涡流，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行进到穿孔火焰保持器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；以及在穿孔火焰保持器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可包括与控制器230可操作地联接并且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到接地电压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，电荷吸引导致由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/或向燃料和氧化剂混合物206输出热量的电阻加热器。电阻加热器可被配置成加热穿孔火焰保持器102至操作温度。加热器228可还包括电源以及在控制器230的控制下可操作的以将电源选择性地联接到电阻加热器的开关。
可通过各种方式形成电阻加热器228。例如，电阻加热器228可以由线材(可得自瑞典哈尔斯塔哈马的山特维克公司山特维克材料技术部(Sandvik MaterialsTechnology division of Sandvik AB of Hallstahammar,Sweden))形成，所述线材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。另选地，加热器228可包括感应加热器、高能束加热器(例如，微波或激光器)、摩擦加热器、电阻陶瓷涂层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氧化剂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，其被设置成点燃否则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/或引燃火焰装置可操作地联接到控制器230，该控制器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可还包括可操作地联接到控制电路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可操作地联接到控制器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可操作地联接到控制器230，并且被配置成控制氧化剂(或燃烧空气)的流动。
传感器234还可包括操作地联接到控制电路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到燃料和氧化剂源202的燃料的流动。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/或氧化剂鼓风机或阻尼器以控制加热器228的预热火焰类型，从而将穿孔火焰保持器102加热至操作温度。控制器230可类似地控制燃料控制阀236和/或氧化剂鼓风机或阻尼器，以响应于通过数据接口232作为数据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为根据一个实施方案的包括另一另选的穿孔火焰保持器102的燃烧系统500的简化透视图。根据一个实施方案，图5A的穿孔火焰保持器102是包括具有分支穿孔的不连续穿孔火焰保持器主体208的网状陶瓷穿孔火焰保持器。图5B为根据一个实施方案的图5B的穿孔火焰保持器102的一部分的简化侧剖面图。根据一个实施方案，可在本文所述的各种燃烧系统中实现图5A、图5B中的网状陶瓷穿孔火焰保持器102。
参见图5A和图5B，穿孔火焰保持器主体208可为不连续的。穿孔火焰保持器主体208可限定从彼此分支的穿孔210。穿孔火焰保持器主体208可包括堆叠的材料板，每个板均具有与在底下的板或压在上面的板的开口非对准的开口。“非对准”开口(下文所述)是指导致氧化流体流动路径分支化的开口。事实上，“非对准”开口可对应于彼此具有位置上的预先计划的差异的模式。使得穿孔210彼此分开的“对准”开口也可从一块材料板到另一块材料板具有位置上的预先计划的差异(或者可彼此重叠)，但是“对准”开口不引起分支化，并且因此穿孔210彼此分开。
根据一个实施方案，穿孔火焰保持器主体208可包括纤维539(包括网状纤维在内)。纤维539可限定围绕并穿过纤维539编织的分支穿孔210。
纤维539可包括硅酸铝。例如，纤维539可由莫来石或堇青石形成。在另一个实施方案中，纤维539可由碳化硅或氧化锆形成。在另一个实施方案中，纤维539可包括金属。例如，纤维539可包括不锈钢和/或金属超合金。
术语“网状纤维”指的是网状结构。在一个实施方案中，纤维539由陶瓷材料形成。在网状纤维实施方案中，燃料和氧化剂之间的相互作用、燃烧反应以及往返穿孔火焰保持器主体208的热传递与上文关于图2-4所示和所描述的实施方案类似地起作用。活动的一个差异在于由于纤维539形成允许在相邻穿孔之间来回流动的不连续的穿孔火焰保持器主体208而导致穿孔210之间的混合。
根据一个实施方案，网状纤维539对于下游纤维539足够开放以发射辐射供上游纤维539接收，从而达到充分加热上游纤维539以维持贫燃料和氧化剂混合物的燃烧的目的。与连续的穿孔火焰保持器主体208相比，纤维539之间的热传导路径312由于纤维539的分离而减少。这可导致相对更多的热量经由热辐射从热接收区域(热接收区)传送至穿孔壁的热输出区域(热输出区)。
已发现孔和网状纤维之间的各种尺寸和关系是有效的。根据各实施方案，该网状陶瓷主体每英寸可具有3至30个孔。该测量结果通常沿跨穿孔火焰保持器102的表面的任何选定线。
图6A为根据一个实施方案的燃烧系统600的图。燃烧系统600包括定位在炉容积601中的钝体构件605的阵列和穿孔火焰保持器102。燃烧系统600包括将钝体构件605和穿孔火焰保持器102支撑在炉容积601内的支撑结构640。燃烧系统600还包括燃料喷嘴618和氧化剂源107。
根据一个实施方案，燃料源109被配置成朝向穿孔火焰保持器102输出包括燃料的燃料流。因为钝体构件605定位在燃料喷嘴618和穿孔火焰保持器102之间，所以当燃料流朝向穿孔火焰保持器102行进时，燃料流穿过钝体构件605的阵列。
根据一个实施方案，氧化剂源107被配置成将氧化剂输入到炉容积601中。当燃料流朝向穿孔火焰保持器102行进时，该燃料流夹带氧化剂。
根据一个实施方案，钝体构件605被布置成三行钝体构件605的阵列。钝体构件605的每行包括彼此水平间隔开并且以侧向间隔距离DH分开的多个钝体构件605(参见图6B)。钝体构件605的这些行彼此以间隔距离DV垂直分开。每个钝体构件605可具有厚度T。
在一个实施方案中，每个钝体构件可具有介于0.25英寸和2.5英寸之间的侧向尺寸。在一个实施方案中，厚度T为约0.25英寸。在一个实施方案中，侧向间隔距离DH为约0.5英寸。在一个实施方案中，垂直间隔距离DV为约0.5英寸。
根据一个实施方案，侧向间隔距离DH可大致与钝体构件605中的一个的厚度T相同。根据一个实施方案，侧向间隔距离DH可大于钝体构件605中的一个的厚度T。根据一个实施方案，侧向间隔距离DH可小于钝体构件605的厚度T。根据一个实施方案，间隔距离DH可介于0.25英寸和2英寸之间。
根据一个实施方案，垂直间隔距离DV可大致与钝体构件605中的一个的厚度T相同。根据一个实施方案，垂直间隔距离DV可大于钝体构件605中的一个的厚度T。根据一个实施方案，垂直间隔距离DV可小于钝体构件605的厚度T。根据一个实施方案，间隔距离DV可介于0.25英寸和2英寸之间。
根据一个实施方案，钝体构件605可包括杆。根据一个实施方案，杆可具有圆形横截面。根据一个实施方案，杆可具有椭圆形横截面。根据一个实施方案，杆可具有卵形横截面。根据一个实施方案，杆可具有半圆形横截面。根据一个实施方案，杆可具有正方形横截面(或具有缓和的或四分之一圆边缘的正方形)。根据一个实施方案，杆可具有矩形横截面。根据一个实施方案，杆可具有多边形横截面。根据一个实施方案，杆可具有I形梁横截面。根据一个实施方案，杆可具有C槽形横截面。根据一个实施方案，杆可具有L型或V型横截面。根据一个实施方案，杆可具有除以上所列出的那些之外的钝体横截面。
根据一个实施方案，钝体构件605的厚度可介于0.25英寸和1英寸之间。
在一个实施方案中，钝体构件605在横向于燃料喷嘴618输出的燃料流的主方向的方向上延伸。可将圆柱形杆间隔开。
在一个实施方案中，钝体构件605包括陶瓷材料。陶瓷材料可包括碳化硅、氧化锆、氧化铝或适用于高温环境的其他陶瓷材料。
在一个实施方案中，支撑结构640包括支撑腿642。穿孔火焰保持器102定位在支撑腿642的顶部。另选地，穿孔火焰保持器102可由支撑腿642以另一种合适的方式支撑。在一个实施方案中，钝体构件605由支撑腿642支撑。具体地讲，钝体构件605可由在支撑腿642之间延伸的支架支撑。根据一个实施方案，钝体构件605可装配于在支撑腿642之间延伸的支架或支撑构件内的沟槽、狭槽或孔内。
根据一个实施方案，支撑结构640可包括耐火砖644。耐火砖644可定位在炉的底板646上。支撑腿642可安装在耐火砖644上或者由耐火砖支撑。另选地，耐火砖644可能不存在，并且支撑腿642可一直延伸到底板646或者延伸到联接到底板646的另一支撑结构640。
根据一个实施方案，燃料喷嘴618延伸穿过炉的底板646中的孔648。另选地，燃料喷嘴618可完全定位在炉的底板646中的孔648的下方。燃料喷嘴618可朝向钝体构件605和穿孔火焰保持器102输出包括燃料的燃料流。
根据一个实施方案，氧化剂源107被配置成通过底板646中的孔648将氧化剂输出到炉容积601中。氧化剂源107可包括鼓风机、正压送风系统、桶形寄存器，或用于将氧化剂提供到炉容积601中的另一合适的系统或装置。氧化剂源107可以除了通过底板646中的孔648之外的方式将氧化剂提供到炉容积601中。
根据一个实施方案，燃料喷嘴618被配置成输出燃料流，使得燃料流撞击在钝体构件605上并且穿过处于钝体构件605之间的间隙。燃料流的一部分在钝体构件605的周围并且在这些钝体构件之间经过，并且撞击在穿孔火焰保持器102上。
根据一个实施方案，在一些情况下，当燃料流撞击在钝体构件605并且在这些钝体构件周围经过时，钝体构件605可在钝体构件605的下游处在燃料流中造成涡旋尾流。涡旋尾流可增强燃料和氧化剂的混合，使得当燃料流继续朝向穿孔火焰保持器102时，该燃料流更彻底地夹带氧化剂。
根据一个实施方案，在一些情况下，当燃料流撞击在钝体构件605并且在这些钝体构件周围经过时，钝体构件605可在钝体构件605的下游处在燃料流中造成湍流界面层。湍流界面层也可增强燃料和氧化剂的混合，使得当燃料流继续朝向穿孔火焰保持器102时，该燃料流更彻底地夹带氧化剂。
根据一个实施方案，穿孔火焰保持器102和钝体构件605保持燃料和氧化剂主要在穿孔火焰保持器102内以及在处于钝体构件605和穿孔火焰保持器102之间的容积内的燃烧反应。
根据一个实施方案，与不存在钝体构件605或穿孔火焰保持器102的情况相比，穿孔火焰保持器102和钝体构件605的组合稳定了燃料和氧化剂的燃烧反应。根据一个实施方案，燃烧反应主要被限定到处于最靠近燃料喷嘴618的钝体构件605和在燃料喷嘴618远侧的穿孔火焰保持器102的表面之间的容积。根据一个实施方案，相比不存在穿孔火焰保持器102的情况，存在穿孔火焰保持器102将燃烧反应限制在更小的距离。
根据一个实施方案，燃烧系统600可包括预热机构，该预热机构被配置成将穿孔火焰保持器102预热到阈值温度，在该阈值温度下，穿孔火焰保持器102可以承受燃料和氧化剂在穿孔火焰保持器102内或在其相邻处的燃烧反应。在燃烧系统600的预热操作状态下，该预热机构将穿孔火焰保持器102预热到阈值温度。在预热机构已经将穿孔火焰保持器102加热到阈值温度之后，预热机构被去激活，并且燃烧系统600进入标准操作状态，在标准操作状态下，燃料源109朝向穿孔火焰保持器102输出燃料流。
根据一个实施方案，预热机构也可以将钝体构件605预热到阈值温度，在该阈值温度下，钝体构件605可支持燃料和氧化剂的燃烧反应。
根据一个实施方案，第一行钝体构件605定位在燃料喷嘴618上方的6英寸至3英尺之间。根据一个实施方案，第一行钝体构件605定位在燃料喷嘴618上方的约12英寸处。
图6B为穿孔火焰保持器102和钝体构件605的侧剖面图。如图6B中可见，钝体构件605的阵列包括三行钝体构件605。在图6B的示例中，钝体构件605的每行包括七个钝体构件605。每行中的钝体构件605彼此由宽度为DH的间隙间隔开，当燃料流朝向穿孔火焰保持器102行进时，该燃料流可穿过这些间隙。钝体构件605的这些行彼此以垂直间隔距离DV分开。当燃料流朝向穿孔火焰保持器102在钝体构件605之间并且在钝体构件周围经过时，钝体构件605影响燃料流，从而引起燃料流和氧化剂的增强混合。钝体构件605还降低了燃烧反应朝向燃料喷嘴618回火的风险。
根据一个实施方案，钝体构件605的这些行可相对于彼此侧向偏移，使得中间行的钝体构件605可直接定位在最靠近燃料喷嘴618的那行的钝体构件605之间的间隙上方。根据一个实施方案，处于钝体构件605的相邻对之间的间隙DH可变化，使得并非所有间隙都相等。
根据一个实施方案，可存在比图6B中所示的更多或更少数量的钝体构件605的行。例如，可只存在钝体构件605的单行。另选地，可存在钝体构件605的两行、四行或更多行。
在图6B中，钝体构件605具有圆形横截面，并且具有厚度(或直径)T。根据一个实施方案，钝体构件605可具有非圆形的横截面，诸如椭圆形横截面或卵形横截面。
图6C为根据一个实施方案的钝体构件605的阵列的顶视图。在图6C的视图中仅可以看见钝体构件605的顶行。钝体构件605在横向于燃料流的主方向的方向上延伸。
图6D为处于标准操作状态的燃烧系统600的图示，在该标准操作状态下，燃料喷嘴618正在发射燃料流650。穿孔火焰保持器102和钝体构件605的阵列共同保持燃料和氧化剂主要在穿孔火焰保持器102内以及处于钝体构件605和穿孔火焰保持器102之间的燃烧反应652。
图7为包括被配置成支撑钝体构件605的支架754的燃烧系统700的图示。支架754联接到支撑结构640的支撑腿642。支架754包括孔756，支撑构件605可延伸穿过这些孔。支撑构件605的端部延伸穿过孔756，并且停留在支架754上。支架754包括三行孔756，使得三行钝体构件605可被支撑在支架754中。然而，为简单起见，图7中仅示出了钝体构件605的单行。此外，为了更清晰地示出钝体构件605在支架754中的定位，图7中未图示穿孔火焰保持器102。
根据一个实施方案，第二支架754(图7中未图示)支撑钝体构件605的相对端部。第二支架754联接到支撑结构640的两个其他支撑腿642。
根据一个实施方案，支架754可包括陶瓷材料，诸如氧化锆、碳化硅、氧化铝或适用于高温环境的其他陶瓷材料。
根据一个实施方案，支撑结构640可包括用于相对于穿孔火焰保持器102和燃料喷嘴618支撑钝体构件605的其他装置和结构。按照本公开，本领域的技术人员将认识到，许多其他类型的结构可用于支撑钝体构件605。所有此类其他结构均落入本公开的范围内。
图8A为包括穿孔火焰保持器102、钝体构件605的阵列、支撑结构640的燃烧系统800的图示。支撑结构640被配置成将钝体构件605和穿孔火焰保持器102支撑在炉容积801中。燃烧系统800包括被配置成输出燃料流650的燃料喷嘴618。燃烧系统800可基本上类似于图6A的燃烧系统600，不同的是燃烧系统800中仅存在两行钝体构件605。穿孔火焰保持器102和钝体构件605共同保持燃料和氧化剂的燃烧反应652。
图8B为图8A的钝体构件605的阵列的侧视图。如图8B所示，钝体构件605的第一行和第二行相对于彼此侧向偏移，使得顶行的钝体构件605直接定位在底行的钝体构件605之间的间隙上方。另选地，顶行的钝体构件605可直接定位在底行的钝体构件605的正上方。
图9A为燃烧系统900的图示，该燃烧系统包括穿孔火焰保持器102、钝体构件605的阵列、被配置成支撑钝体构件605和穿孔火焰保持器102的支撑结构640，以及被配置成输出燃料流650的燃料喷嘴618。燃烧系统900可基本上类似于图6A的燃烧系统600，不同的是燃烧系统900中仅存在单行钝体构件605。穿孔火焰保持器102和钝体构件605共同保持燃料和氧化剂的燃烧反应652。
图9B为图9A的钝体构件605的阵列的侧视图。
图10A为燃烧系统1000的图示，该燃烧系统包括穿孔火焰保持器102、钝体构件605的阵列、被配置成将钝体构件605和穿孔火焰保持器102支撑在炉容积1001中的支撑结构640，以及被配置成输出燃料流650的燃料喷嘴618。燃烧系统1000可基本上类似于图6A的燃烧系统600，不同的是钝体构件605的中行在横向于或者垂直于顶行和底行的钝体构件605的方向上延伸。穿孔火焰保持器102和钝体构件605共同保持燃料和氧化剂的燃烧反应652。
图10B为图10A的燃烧系统1000的钝体构件605的顶视图。钝体构件605的顶行在垂直于钝体构件605的中行的方向上延伸。因此，燃烧系统1000的钝体构件605以交叉构型布置。
图11为根据一个实施方案的用于操作燃烧系统的过程1100的流程图。根据一个实施方案，在1102处，将穿孔火焰保持器支撑在炉容积中。根据一个实施方案，在1104处，将多个钝体构件支撑在炉容积中处于穿孔火焰保持器和燃料源之间。根据一个实施方案，在1106处，将氧化剂引入炉容积中。根据一个实施方案，在1108处，使包括燃料的燃料流朝向穿孔火焰保持器从燃料源穿过处于钝体构件之间的间隙。根据一个实施方案，在1110处，在穿孔火焰保持器内支持燃料和氧化剂的燃烧反应。
虽然本文已经公开了多个方面和实施方案，但也可设想其他方面和实施方案。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 (55)

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定位在炉容积中；
氧化剂源，所述氧化剂源被配置成将氧化剂引入所述炉容积中；
燃料源，所述燃料源被配置成朝向所述穿孔火焰保持器输出包括燃料的燃料流；和
多个钝体构件，所述多个钝体构件定位在所述燃料源和所述穿孔火焰保持器之间，所述钝体构件通过间隙彼此分开，所述间隙被选择以允许所述燃料流朝向所述穿孔火焰保持器穿过所述间隙，所述多个钝体构件和所述穿孔火焰保持器被配置成共同支持所述燃料和所述氧化剂在所述穿孔火焰保持器内的燃烧反应。
2.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中所述钝体构件和所述穿孔火焰保持器被配置成支持在所述穿孔火焰保持器内以及在处于所述钝体构件和所述穿孔火焰保持器之间的空间中的所述燃烧反应。
3.根据权利要求1所述的燃烧系统，还包括保持所述钝体构件的支撑结构。
4.根据权利要求3所述的燃烧系统，其中所述支撑结构被配置成支撑所述穿孔火焰保持器。
5.根据权利要求4所述的燃烧系统，其中所述多个钝体构件包括：
第一行钝体构件；和
第二行钝体构件，所述第二行钝体构件定位在所述第一行钝体构件和所述穿孔火焰保持器之间。
6.根据权利要求5所述的燃烧系统，其中所述第一行的所述钝体构件在第一方向上延伸，并且所述第二行的所述钝体构件在横向于所述第一方向的第二方向上延伸。
7.根据权利要求5所述的燃烧系统，其中所述第一行的所述钝体构件平行于所述第二行的所述钝体构件延伸。
8.根据权利要求7所述的燃烧系统，其中所述第二行的所述钝体构件与处于所述第一行的所述钝体构件之间的所述间隙对齐。
9.根据权利要求7所述的燃烧系统，其中所述第二行的所述钝体构件与所述第一行的所述钝体构件对齐。
10.根据权利要求5所述的燃烧系统，其中所述多个钝体构件包括定位在所述第二行钝体构件和所述穿孔火焰保持器之间的第三行钝体构件。
11.根据权利要求3所述的燃烧系统，其中所述支撑结构包括：
多个支撑腿，所述多个支撑腿将所述穿孔火焰保持器和所述钝体构件支撑在所述燃料源上方；和
支架，所述支架联接到所述支撑腿中的一个或多个并且被配置成保持所述钝体构件。
12.根据权利要求11所述的燃烧系统，其中所述支架包括被配置成支撑所述钝体构件的端部部分的多个孔。
13.根据权利要求11所述的燃烧系统，其中所述支撑结构包括陶瓷材料。
14.根据权利要求13所述的燃烧系统，其中所述支撑结构完全是陶瓷的。
15.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中所述钝体构件具有圆形横截面。
16.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中所述钝体构件具有椭圆形横截面。
17.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中所述钝体构件具有卵形横截面。
18.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中所述燃料流和所述钝体构件的特性被配置成在所述钝体构件的下游将涡旋运动引入所述燃料流中。
19.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中所述燃料流和所述钝体构件的特性被配置成在所述钝体构件的下游引入湍流尾流。
20.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是网状陶瓷穿孔火焰保持器。
21.根据权利要求20所述的燃烧系统，其中所述穿孔火焰保持器包括多个网状纤维。
22.根据权利要求21所述的燃烧系统，其中所述穿孔火焰保持器包括氧化锆。
23.根据权利要求21所述的燃烧系统，其中所述穿孔火焰保持器包括硅酸铝。
24.根据权利要求21所述的燃烧系统，其中所述穿孔火焰保持器包括碳化硅。
25.根据权利要求21所述的燃烧系统，其中所述网状纤维由挤出的莫来石形成。
26.根据权利要求21所述的燃烧系统，其中所述网状纤维由堇青石形成。
27.根据权利要求21所述的燃烧系统，其中所述穿孔火焰保持器被配置成支持所述燃料和所述氧化剂在所述第一穿孔火焰保持器的上游、下游和内部的燃烧反应。
28.根据权利要求21所述的燃烧系统，其中所述穿孔火焰保持器每线性英寸表面积具有3至30个孔。
29.根据权利要求21所述的燃烧系统，所述穿孔火焰保持器包括形成为所述网状纤维之间的通道的多个穿孔。
30.根据权利要求29所述的燃烧系统，其中所述穿孔是分支穿孔。
31.根据权利要求29所述的燃烧系统，其中所述穿孔火焰保持器包括：
输入面，所述输入面在所述燃料源近侧；和
输出面，所述输出面在所述燃料源远侧。
32.根据权利要求31所述的燃烧系统，其中所述穿孔在所述输入面和所述输出面之间延伸。
33.根据权利要求31所述的燃烧系统，其中所述输入面对应于在所述燃料源近侧的所述网状纤维的范围。
34.根据权利要求33所述的燃烧系统，其中所述输出面对应于在所述燃料源远侧的所述网状纤维的范围。
35.根据权利要求31所述的燃烧系统，其中所述穿孔火焰保持器被配置成在所述输入面和所述输出面之间支持所述穿孔火焰保持器内的所述燃烧反应的至少一部分。
36.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中所述间隙中的一个或多个介于0.25英寸和3英寸之间。
37.根据权利要求36所述的燃烧系统，其中所述间隙中的一个或多个约等于所述钝体构件中的一个的厚度。
38.根据权利要求37所述的燃烧系统，其中所述钝体构件中的所述一个的所述厚度为约0.25英寸。
39.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中所述燃料源包括燃料喷嘴。
40.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是网状陶瓷穿孔火焰保持器。
41.一种方法，包括：
将穿孔火焰保持器支撑在炉容积中；
将多个钝体构件支撑在所述炉容积中处于所述穿孔火焰保持器和燃料源之间；
将氧化剂引入所述炉容积中；
使包括来自所述燃料源的燃料的燃料流朝向所述穿孔火焰保持器穿过处于所述钝体构件之间的间隙；以及
支持所述燃料和所述氧化剂在所述穿孔火焰保持器内的燃烧反应。
42.根据权利要求41所述的方法，还包括支持所述燃料和所述氧化剂在处于所述穿孔火焰保持器和所述钝体构件之间的空间中的所述燃烧反应。
43.根据权利要求41所述的方法，还包括用所述钝体构件将涡旋运动引入所述燃料流中。
44.根据权利要求41所述的方法，还包括用所述钝体构件将湍流运动引入所述燃料流中。
45.根据权利要求44所述的方法，还包括将所述氧化剂夹带在所述燃料流中。
46.根据权利要求45所述的方法，还包括通过用所述钝体构件将涡旋运动引入所述燃料流中来增强所述氧化剂的夹带。
47.根据权利要求46所述的方法，还包括通过用所述钝体构件将湍流尾流引入所述燃料流来增强所述氧化剂的夹带。
48.根据权利要求41所述的方法，其中所述穿孔火焰保持器是网状陶瓷穿孔火焰保持器。
49.根据权利要求48所述的方法，其中所述穿孔火焰保持器包括多个网状纤维。
50.一种燃烧系统，包括：
穿孔火焰保持器，所述穿孔火焰保持器定位在炉容积中；
氧化剂源，所述氧化剂源被配置成将氧化剂引入所述炉容积中；
燃料源，所述燃料源被配置成朝向所述穿孔火焰保持器输出包括燃料的燃料流；和
多个钝体构件，所述多个钝体构件定位在所述燃料源和所述穿孔火焰保持器之间并且被配置成当所述燃料流朝向所述穿孔火焰保持器在所述钝体构件之间经过时扰乱所述燃料流，所述穿孔火焰保持器被配置成共同支持所述燃料和所述氧化剂在所述穿孔火焰保持器内的燃烧反应。
51.根据权利要求50所述的燃烧系统，还包括将所述钝体构件支撑在所述炉容积内的支撑结构。
52.根据权利要求51所述的燃烧系统，其中所述支撑结构将所述穿孔火焰保持器支撑在所述炉容积内。
53.根据权利要求50所述的燃烧系统，其中所述钝体构件和所述穿孔火焰保持器被配置成支持在所述穿孔火焰保持器内以及在处于所述钝体构件和所述穿孔火焰保持器之间的空间中的所述燃烧反应。
54.根据权利要求50所述的燃烧系统，其中所述燃料流和所述钝体构件的特性被配置成通过在所述钝体构件的下游将涡旋运动引入所述燃料流中来扰乱所述燃料流。
55.根据权利要求50所述的燃烧系统，其中所述燃料流和所述钝体构件的特性被配置成通过在所述钝体构件的下游引入湍流尾流来扰乱所述燃料流。
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