CN112654818A - 可变组份气体混合物传感器 - Google Patents

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Abstract

一种用于测量燃料‑氧化剂当量比的系统，包含界定气体体积的至少一个壁，所述气体体积包括燃料和空气包含。气体电离源配置成在气体中形成离子。电源配置成输出时变电压。第一电极设置于气体体积中，可操作地耦合到电源，且配置成携载时变电压。第二电极设置成在信号通过气体体积之后，可操作地耦合到第一电极输出的信号。接收的信号的特性指示燃料‑氧化剂当量比。

Description

可变组份气体混合物传感器
相关申请案的交叉引用
本申请要求2018年7月24日提交的标题为“可变组份气体混合物传感器(VARIABLECOMPOSITION GAS MIXTURE SENSOR)”的共同待决美国临时专利申请号62/702,475(案卷号2651-333-02)的优先权权益；所述共同待决美国临时专利申请在与本发明的公开不一致的情况下以引用的方式并入本发明。本申请还要求2018年11月6日提交的标题为“具有火焰传感器的导频燃烧器(PILOT BURNER WITH A FLAME SENSOR)”的共同待决美国临时专利申请号62/756,468(案卷号2651-323-02)的优先权权益。本申请还要求2019年3月21日提交的标题为“包含燃烧传感器和等离子体生成器的燃烧系统(COMBUSTION SYSTEM INCLUDING ACOMBUSTION SENSOR AND A PLASMA GENERATOR)”的共同待决美国临时专利申请号62/821,543(案卷号2651-342-02)的优先权权益。本申请还要求2018年7月6日提交的标题为“包含低温等离子体稳定火焰保持器的工业燃烧器(INDUSTRIAL BURNER INCLUDING A LOWTEMPERATURE PLASMA STABILIZED FLAME HOLDER)”的共同待决美国临时专利申请号62/694,890(案卷号2651-328-02)的优先权权益。本申请还要求2018年6月28日提交的标题为“包含穿孔火焰保持器和电容式感测的燃烧器系统(BURNER SYSTEM INCLUDING APERFORATED FLAME HOLDER AND ELECTRO-CAPACITIVE SENSING)”的共同待决美国临时专利申请号62/691,469(案卷号2651-335-02)的优先权权益。
本申请涉及与本申请在同一日期提交的标题为“包含电学电容率或电学电容火焰传感器的燃烧器(BURNER INCLUDING AN ELECTRICAL PERMITTIVITY OR ELECTRICALCAPCITANCE FLAME SENSOR)”的PCT国际专利申请号[待定(TBD)](案卷号2651-323-04)。本申请还涉及与本申请在同一日期提交的标题为“包含燃烧传感器和等离子体生成器的燃烧系统(COMBUSTION SYSTEM INCLUDING A COMBUSTION SENSOR AND A PLASMA GENERATOR)”的PCT国际专利申请号[待定(TBD)](案卷号2651-342-04)。
发明内容
由变量Phi(Φ)指代的当量比是表达气体中存在的燃料与氧化剂的比率相对于燃烧反应中的燃料与氧化剂的化学计量比的无量纲数。
举例来说，甲烷和氧气的完整燃烧反应可表达为：
CH4+2O2→CO2+2H2O
在此完整燃烧反应中，燃料与氧气的化学计量比是0.5。即，燃烧反应对于每个甲烷分子需要两个氧分子。
Φ可表达为：
Figure BDA0002951019150000021
举例来说，如果气体中对于每一摩尔的甲烷存在3摩尔的氧气，那么Φ可以求解为：
Figure BDA0002951019150000022
当量比是重要的，因为它可以预测可燃性-燃料仅在Phi的下限与上限之间可燃，所述下限与上限分别可以称为可燃性下限和可燃性上限。出于安全目的，可能需要将工业设备中的罐中或顶部空间中的Phi维持低于可燃性下限或高于可燃性上限，此混合物不容易爆炸或引起大火。
当量比也是重要的，因为它可以预测工业燃烧器性能。
根据实施方案，一种用于测量燃料-氧化剂当量比的系统包含至少一个壁，所述至少一个壁界定包含燃料和空气的气体体积。气体电离源配置成在气体中形成离子。电源配置成输出时变电压。第一电极设置于气体体积中，可操作地耦合到电源，且配置成携载时变电压。第二电极设置成通过气体体积的至少一部分接收来自第一电极的信号。接收器电路可操作地耦合到第二电极，且配置成接收具有对应于气体体积内的燃料-氧化剂当量比的特性的信号。控制电路可操作地耦合到接收器电路，且配置成确定对应于燃料-氧化剂当量比的值。在实施方案中，所述系统包含可操作地耦合到控制电路的温度和/或压力传感器。在实施方案中，气体电离源包含火焰源，例如工业燃烧器，或电极(如，电介质阻挡层或电晕)离子源。在一个实施方案中，控制电路包含换能器电路。根据实施方案，一种用于测量燃料-氧化剂当量比的方法包含：在包含燃料和氧化剂的气体中形成离子；将周期性电压信号施加到邻近于气体的第一电极；且用第二电极通过气体接收周期性响应信号。可以根据离子和电子对周期性电压信号的响应产生周期性响应信号。所述方法包含将周期性响应信号转换为对应的DC信号，即转换成数字信号；接收对应于气体的参数的传感器信号；施加数字信号和传感器信号作为用于函数的参数；以及确定函数的对应于燃料-氧化剂当量比的值。
附图说明
图1A是根据实施方案的用于测量燃料-氧化剂当量比的系统的示意图。
图1B是根据实施方案的用于测量燃料-氧化剂当量比的系统的框图，其中气体电离源包含燃烧器。
图2是根据实施方案的燃烧器系统的简化图，所述燃烧器系统包含配置成保持燃烧反应的穿孔火焰保持器。
图3是根据实施方案的图1A、图1B和图2的穿孔火焰保持器的一部分的侧视截面图。
图4是根据实施方案的示出用于操作燃烧器系统的方法的流程图，所述燃烧器系统包含图1A、图1B、图2和图3的穿孔火焰保持器。
图5A是根据实施方案的包含另一替代穿孔火焰保持器的燃烧系统的简化透视图。
图5B是根据实施方案的图5A的网状陶瓷穿孔火焰保持器的一部分的简化侧视截面图。
图6是根据实施方案的燃烧系统的简化图。
图7是根据实施方案的理想化曲线图，示出在三个环境条件中的每个条件下，接收的信号如何随着燃料-氧化剂当量比的变化而变化。
图8是根据实施方案的示出用于测量燃料-氧化剂当量比的方法的流程图。
图9是根据实施方案的燃烧系统和传感器的示意图。
具体实施方式
在以下具体实施方式中，请参考附图，所述附图形成本发明的一部分。在图中，相似的符号通常识别相似的组件，除非上下文另外规定。在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可使用其它实施方案，和/或可以做出其它改变。
图1A是根据实施方案的用于测量燃料-氧化剂当量比的系统100的示意图。系统100可以包含界定气体体积106的至少一个壁104。系统100包含配置成在气体中形成离子的气体电离源108。根据实施方案，电源110配置成输出时变电压。系统100可以包含第一电极112，所述第一电极设置于气体体积106中，可操作地耦合到电源110，且配置成携载时变电压。根据实施方案，系统100可以包含第二电极114，所述第二电极设置成通过气体体积106的至少一部分可操作地耦合到来自第一电极112的信号。系统100可以包含接收器电路116，所述接收器电路可操作地耦合到第二电极114且配置成接收所述信号。根据实施方案，所述信号可以具有对应于气体体积106内的燃料-氧化剂当量比的特性。系统100可以包含控制电路118，所述控制电路可操作地耦合到接收器电路116且配置成确定对应于燃料-氧化剂当量比的值。
根据实施方案，气体电离源108可以占用气体体积106内的物理体积。第一电极112和第二电极114可以对准，使得所接收信号具有对应于气体体积106内的燃料-氧化剂当量比的特性。
根据实施方案，气体电离源108可以包含至少一个电离电极，所述电离电极配置成使气体体积106中的气体发生电离形成离子。使气体电离还可以包含引入自由电子。
各种电极配置和类型是预期的。根据实施方案，所述至少一个电离电极可以包含电晕电极和/或电介质阻挡层电极。
根据实施方案，气体体积106可以包含燃料箱顶部空间。
在一些应用中，气体体积106可以连通到大气。在其它应用中，精炼厂或化工厂可能容易受原本被燃料或燃料蒸汽占用的气体体积空间106中累积的空气或其它氧化剂的影响。如果氧化剂(如，大气压氧气)的存在比例(也称为当量比)落在燃料的可燃性极限内，那么可以推断危险的条件存在。可以采取校正行动以减少危害。
参见图1A，根据实施方案，控制电路118还可以配置成当确定燃料-氧化剂当量比在可燃性极限内时自动采取校正行动。
根据实施方案，系统100可进一步包含吹扫(purging)系统120。根据实施方案，控制电路118可以配置成当确定燃料-氧化剂当量比在可燃性极限内时，致动吹扫系统120以从气体体积106中吹扫燃料蒸汽和/或氧化剂。
根据实施方案，吹扫系统120可以包含惰性气体源122和吹扫控制阀124。根据实施方案，控制电路118可以配置成当确定燃料-氧化剂当量比在可燃性极限内时致动吹扫控制阀124。举例来说，惰性气体源122可以包含容纳例如氮气、氦气或二氧化碳等惰性(即，非氧化剂)气体的压力罐。
参见图1A，壁104可以包含燃料箱。另外地或可替代地，根据实施方案，壁104可以包含阻焰器。
根据实施方案，燃料-氧化剂当量比是燃料-空气当量比。
图1B是根据实施方案的用于测量燃料-空气当量比的系统101的框图，其中气体电离源108包含燃烧器。
根据实施方案，气体电离源108可以包含工业燃烧器。
根据实施方案，燃烧器108可以包含火焰保持器102，所述火焰保持器被对准以接收来自燃料源126a、126b的燃料和来自燃烧空气源128的燃烧空气的混合物，且保持由燃料和燃烧空气支持的燃烧反应。
根据实施方案，燃烧器108进一步可以包含鼓风机130。根据实施方案，控制电路118可以配置成响应于检测到的燃料-氧化剂当量比而控制鼓风机130输出。根据实施方案，控制电路118包含由非暂时性计算机存储器介质携载的程序，所述程序配置成使控制电路118将燃料-氧化剂当量比保持在燃料的可燃性极限内。因此，与不包含当量比传感器的燃烧器系统相比，系统101可以配置成维持更稳定的燃烧。
根据实施方案，燃烧器108可以进一步包含调风器。根据实施方案，控制电路118可以配置成控制所述调风器。
根据实施方案，火焰保持器102包括穿孔火焰保持器102。
图2是根据实施方案的燃烧器系统200的简化图，所述燃烧器系统包含配置成保持燃烧反应的穿孔火焰保持器102。如本发明所使用，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、双拼体(duplex)、双拼块体(duplex tile)应被视为是同义的，除非提供另外的定义。
发明人进行的实验表明，本发明所描述的穿孔火焰保持器102可支持极清洁的燃烧。特别地，在实验性地使用从中试规模到全规模的燃烧器系统200时，测得氮的氧化物(NOx)的输出范围从低个位数百万分率(ppm)降至在堆叠处的NOx的不可检测(小于1ppm)的浓度。这些显著的结果是在工业熔炉应用典型的堆叠温度(1400-1600℉)下在3％(干燥)氧气(O2)浓度和不可检测的一氧化碳(CO)下测得的。
此外，这些结果并不需要任何特殊措施，例如选择性催化还原(SCR)、选择性非催化还原(SNCR)、水/蒸汽射流、外部烟气再循环(FGR)，或其它极端方法，而这些措施可能是传统燃烧器所需要的，以接近此类清洁燃烧。
根据实施方案，燃烧器系统200包含燃料和氧化剂源202，其设置成输出燃料和氧化剂进入燃烧体积204以形成燃料和氧化剂混合物206。如本发明所使用，取决于上下文，术语燃料和氧化剂混合物以及燃料流可互换使用且视为同义的，除非提供另外的定义。如本发明所使用，术语燃烧体积、燃烧室、熔炉体积及类似术语应被视为同义的，除非提供另外的定义。穿孔火焰保持器102设置于燃烧体积204中，且被定位以接收燃料和氧化剂混合物206。
图3是根据实施方案的图1A、图1B和图2的穿孔火焰保持器102的一部分的侧视截面图300。参见图2和图3，穿孔火焰保持器102包含界定多个穿孔210的穿孔火焰保持器主体208，所述多个穿孔被对准以从燃料和氧化剂源202接收燃料和氧化剂混合物206。如本发明所使用，在穿孔火焰保持器102的上下文中，术语穿孔、孔隙、孔口、细长孔口及类似术语应被视为同义的，除非提供另外的定义。穿孔210配置成共同保持由燃料和氧化剂混合物206支持的燃烧反应302。
燃料可包含氢气、烃气、汽化烃类液体、雾化烃类液体，或者粉末或粉碎的固体。燃料可为单一物质或可包含气体、蒸汽、雾化液体和/或粉碎固体的混合物。举例来说，在工艺加热器应用中，燃料可包含来自工艺的燃料气或副产物，其包含一氧化碳(CO)、氢气(H2)和甲烷(CH4)。在另一应用中，燃料可包含天然气(大部分CH4)或丙烷(C3H8)。在另一应用中，燃料可包含2号燃料油或6号燃料油。发明人类似地预期双重燃料应用和灵活燃料应用。氧化剂可包含由空气、烟道气体携载的氧气，和/或可包含纯的或由载气携载的另一氧化剂。术语氧化剂和氧化物在本发明应被视为同义的。
根据实施方案，穿孔火焰保持器主体208可受到以下各物的限界：设置成接收燃料和氧化剂混合物206的输入面212，背对燃料和氧化剂源202的输出面214，以及界定穿孔火焰保持器102的横向范围的外围表面216。由穿孔火焰保持器主体208界定的多个穿孔210从输入面212延伸到输出面214。多个穿孔210可在输入面212处接收燃料和氧化剂混合物206。燃料和氧化剂混合物206可随后在所述多个穿孔210中或附近燃烧，且燃烧产物可在输出面214处或附近退出多个穿孔210。
根据实施方案，穿孔火焰保持器102配置成在穿孔210内保持大部分的燃烧反应302。举例来说，在稳态基础上，超过一半的由燃料和氧化剂源202输出到燃烧体积204中的燃料分子可以在穿孔火焰保持器102的输入面212与输出面214之间被转换成燃烧产物。根据可替代的解释，超过一半的由燃烧反应302输出的热量或热能可以在穿孔火焰保持器102的输入面212与输出面214之间输出。如本发明所使用，术语热量、热能和热学能应被视为同义的，除非提供另外的定义。如上文所使用，热能和热学能大体上指代在燃烧反应302期间由反应物初始保持的，所释放的化学能。如本发明在别处所使用的，热量、热能和热学能对应于由热容量表征的真实主体经历的可检测的温度升高。在标称操作条件下，穿孔210可配置成在穿孔火焰保持器102的输入面212与输出面214之间共同保持至少80％的燃烧反应302。在一些实施方案中，发明人产生的燃烧反应302明显完全包含于穿孔火焰保持器102的输入面212与输出面214之间的穿孔210中。根据可替代的解释，当燃烧是“时间平均”时，穿孔火焰保持器102可支持输入面212与输出面214之间的燃烧。举例来说，在瞬态期间，例如在穿孔火焰保持器102完全受热之前，或如果过高的(冷却)负载施加于系统上，那么燃烧可以从穿孔火焰保持器102的输出面214向下游部分进行。可替代地，如果冷却负载相对低和/或熔炉温度达到高水平，那么燃烧可以从穿孔火焰保持器102的输入面212上游部分行进。
虽然以便于描述的方式描述“火焰”，但是应理解，在一些实例中，不存在可见的火焰。燃烧主要发生于穿孔210内，但燃烧热量的“辉光”由穿孔火焰保持器102自身的可见辉光主导。在其它实例中，发明人已经注意到瞬态“爆燃”或“逆燃”，其中可见火焰在位于穿孔火焰保持器102的输入面212与燃料喷嘴218之间的区域中在稀释区DD内短暂地点燃。此类瞬态爆燃或逆燃的持续时间大体上较短，使得在时间平均化基础上，大部分燃烧发生在穿孔火焰保持器102的穿孔210内，输入面212与输出面214之间。在又一步的其它实例中，发明人已明显注意到燃烧从穿孔火焰保持器102的输出面214的下游发生，但仍有大部分燃烧发生在穿孔火焰保持器102内，如由观察到的来自穿孔火焰保持器102的持续可见辉光所证明。
穿孔火焰保持器102可配置成从燃烧反应302接收热量且输出所接收热量的一部分作为热辐射304到燃烧体积204中或邻近处的热量接收结构(例如，熔炉壁和/或辐射区段工作流体管)。如本发明所使用，术语例如辐射、热辐射、辐射热、热辐射等应被理解为基本上同义的，除非提供另外的定义。特别地，此类术语指代电磁能的黑体型(blackbody-type)辐射，主要在红外波长，但由于穿孔火焰保持器主体208的温度升高，也会在可见波长。
特别地参见图3，穿孔火焰保持器102将所接收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可以至少在穿孔壁308的热量接收区306中从燃烧反应302接收热量。发明人通过实验证据已经表明热量接收区306的位置或至少对应于热量接收的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，最大热量接收的位置明显在从输入面212到输出面214的距离的1/3与1/2之间(即，到输入面212比到输出面214稍微更靠近)。发明人预期在其它条件下，热量接收区306可以位于更靠近穿孔火焰保持器102的输出面214处。最可能地，热量接收区306不存在清楚界定的边缘(或就此而言，下文描述的热量输出区310)。为便于理解，将把热量接收区306和热量输出区310描述为特定的区306、310。
穿孔火焰保持器主体208的特征可在于热容量。穿孔火焰保持器主体208可以对应于热容量乘以温度升高的量保持来自燃烧反应302的热能，且将热能从热量接收区306传递到穿孔壁308的热量输出区310。大体上热量输出区310比热量接收区306更靠近输入面212。根据一个解释，穿孔火焰保持器主体208可经由热辐射将热量从热量接收区306传递到热量输出区310，以图形方式描绘为304。根据另一解释，穿孔火焰保持器主体208可经由沿着热传导路径312的热传导从热量接收区306传递热量到热量输出区310。发明人预期包含传导、辐射和可能对流的多个热传递机制可以用于从热量接收区306传递热量到热量输出区310。以此方式，穿孔火焰保持器102可以充当热源以维持燃烧反应302，即使是在当燃烧反应302不稳定的条件下(通过传统火焰保持器支持)。
发明人认为穿孔火焰保持器102使燃烧反应302在邻近于穿孔210的壁308形成的热边界层314内开始。到这个程度，燃烧大体上应理解为包含大量个别反应，且由于燃烧能量的大部分是在穿孔火焰保持器102内释放，因此显而易见地，个别反应发生于穿孔火焰保持器102内。在相对冷的燃料和氧化剂混合物206接近输入面212时，流被分裂成分别行进通过个别穿孔210的部分。热穿孔火焰保持器主体208传递热量到所述流体，特别是在随着越来越多热量传递到传入燃料和氧化剂混合物206时逐渐地变厚的热边界层314内。在达到燃烧温度(例如，燃料的自燃温度)之后，在化学点火延迟时间过去时，反应物继续流动，在所述化学点火延迟时间中燃烧反应302已发生。因此，燃烧反应302示为发生于热边界层314内。随着流发展，热边界层314在合并点316处合并。理想地，合并点316位于界定穿孔210的末端的输入面212与输出面214之间。在沿着穿孔210的长度的某个位置，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接收的热量多。热量在热量接收区306处被接收，由穿孔火焰保持器主体208保持，且输送到更靠近输入面212的热量输出区310，其中热量被传递到冷的反应物(和任何包含的稀释剂)中以使反应物达到点燃温度。
在实施方案中，穿孔210中的每个穿孔由长度L表征，所述长度被定义为穿孔火焰保持器102的输入面212与输出面214之间的反应流体传播路径长度。如本发明所使用，术语反应流体指代行进通过穿孔210的物质。在输入面212附近，反应流体包含燃料和氧化剂混合物206(任选地包含氮气、烟道气体和/或其它“非反应”物质)。在燃烧反应302区内，反应流体可以包含与燃烧反应302相关联的等离子体、反应物的分子及其组成部分、任何非反应物质、反应中间产物(包含过渡状态)，和反应产物。在输出面214附近，反应流体可以包含反应产物和副产物、非反应气体和过量氧化剂。
多个穿孔210可各自由对置穿孔壁308之间的横向尺寸D表征。发明人发现，如果每一穿孔210的长度L是穿孔210的横向尺寸D的至少四倍，那么在穿孔火焰保持器102中可以维持稳定燃烧。在其它实施方案中，长度L可大于横向尺寸D的六倍。举例来说，已经运行实验，其中L是横向尺寸D的至少八倍、至少十二倍、至少十六倍和至少二十四倍。优选地，长度L对于热边界层314充分长以在流过穿孔210的反应流体中邻近于穿孔壁308形成，以在穿孔火焰保持器102的输入面212与输出面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比率在12与48之间表现良好(即，产生低NOx，产生低CO，且维持稳定燃烧)。
穿孔火焰保持器主体208可配置成在邻近穿孔210之间递送热量。可选择在邻近穿孔210之间递送的热量以使从第一穿孔210中的燃烧反应部分302输出热量，从而供应热量以使邻近穿孔210中的燃烧反应部分302稳定。
特别地参见图2，燃料和氧化剂源202可进一步包含配置成输出燃料的燃料喷嘴218，和配置成输出包含氧化剂的流体的氧化剂源220。举例来说，燃料喷嘴218可配置成输出纯燃料。氧化剂源220可配置成输出携载氧气的燃烧空气和任选地携载烟道气体。
穿孔火焰保持器102可由穿孔火焰保持器支撑结构222保持，所述穿孔火焰保持器支撑结构配置成将穿孔火焰保持器102保持在远离燃料喷嘴218的稀释距离DD。燃料喷嘴218可配置成发射燃料射流，所述燃料射流被选择为夹带氧化剂以在燃料射流和氧化剂沿着到穿孔火焰保持器102的路径行进通过燃料喷嘴218与穿孔火焰保持器102之间的稀释距离DD时形成燃料和氧化剂混合物206。另外或可替代地(特别是当使用鼓风机来递送燃烧空气中含有的氧化剂时)，氧化剂或燃烧空气源220可配置成夹带燃料，且燃料和氧化剂行进通过稀释距离DD。在一些实施例中，可提供烟道气体再循环路径224。另外或可替代地，燃料喷嘴218可配置成发射燃料射流，所述燃料射流被选择为在燃料射流行进通过燃料喷嘴218与穿孔火焰保持器102的输入面212之间的稀释距离DD时夹带氧化剂和夹带烟道气体。
燃料喷嘴218可配置成通过具有称为“喷嘴直径”的内径尺寸的一个或多个燃料孔口226发射燃料。穿孔火焰保持器支撑结构222可支撑穿孔火焰保持器102以在远离燃料喷嘴218大于喷嘴直径的20倍的距离DD处接收燃料和氧化剂混合物206。在另一实施方案中，穿孔火焰保持器102设置成在远离燃料喷嘴218在喷嘴直径的100倍与1100倍之间的距离DD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配置成将穿孔火焰保持器102保持在远离燃料喷嘴218在喷嘴直径的约200倍或更大的距离处。当燃料和氧化剂混合物206行进喷嘴直径的约200倍或更大时，燃料和氧化剂混合物206被充分均质化以使燃烧反应302产生最小的NOx。
根据实施方案，燃料和氧化剂源202可替代地可包含预混合燃料和氧化剂源。预混合燃料和氧化剂源可包含预混合腔室(未示出)、配置成输出燃料进入预混合腔室的燃料喷嘴，以及配置成输出氧化剂进入预混合腔室的氧化剂(例如，燃烧空气)通道。阻焰器可设置于预混合燃料和氧化剂源与穿孔火焰保持器102之间，且配置成防止火焰逆燃进入预混合燃料和氧化剂源。
无论配置成用于夹带于燃烧体积204中还是用于预混合，氧化剂源220都可包含配置成迫使氧化剂通过燃料和氧化剂源202的鼓风机。
穿孔火焰保持器支撑结构222可配置成从例如燃烧体积204的底部(floor)或壁(未示出)支撑穿孔火焰保持器102。在另一实施方案中，穿孔火焰保持器支撑结构222从燃料和氧化剂源202支撑穿孔火焰保持器102。可替代地，穿孔火焰保持器支撑结构222可从顶置式结构(在向上点火系统的情况下，例如为烟道)悬挂穿孔火焰保持器102。穿孔火焰保持器支撑结构222可在各种定向和方向上支撑穿孔火焰保持器102。
穿孔火焰保持器102可包含单个穿孔火焰保持器主体208。在另一实施方案中，穿孔火焰保持器102可包含共同提供平铺的穿孔火焰保持器102的多个邻近穿孔火焰保持器区段。
穿孔火焰保持器支撑结构222可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可包含金属超合金、粘结材料、和/或陶瓷耐火材料。在实施方案中，所述多个邻近穿孔火焰保持器区段可以通过纤维加强型耐火粘固剂接合起来。
穿孔火焰保持器102可具有在外围表面216的相对侧之间的宽度尺寸W是输入面212与输出面214之间的厚度尺寸T的至少两倍。在另一实施方案中，穿孔火焰保持器102可具有外围表面216的相对侧之间的宽度尺寸W是穿孔火焰保持器102的输入面212与输出面214之间的厚度尺寸T的至少三倍、至少六倍或至少九倍。
在实施方案中，穿孔火焰保持器102可具有小于燃烧体积204的宽度的宽度尺寸W。这可允许从穿孔火焰保持器102上方到下方的烟道气体再循环路径224处于穿孔火焰保持器102的外围表面216与燃烧体积壁(未示出)之间。
再次参见图2和3，穿孔210可具有各种形状。在一实施方案中，穿孔210可包含细长正方形，每个正方形的相对边之间具有横向尺寸D。在另一实施方案中，穿孔210可包含细长六边形，每个六边形的对立面之间具有横向尺寸D。在又一实施方案中，穿孔210可包含中空圆柱体，其各自具有对应于圆柱体的直径的横向尺寸D。在另一实施例中，穿孔210可包含截头圆锥或截头角锥(例如，锥台)，每个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，穿孔210可各自具有等于或大于基于标准参考条件的火焰的猝熄距离的横向尺寸D。可替代地，穿孔210可以具有小于标准参考猝熄距离的横向尺寸D。
在一实施方案的范围中，所述多个穿孔210中的每个穿孔具有0.05英寸与1.0英寸之间的横向尺寸D。优选地，所述多个穿孔210中的每个穿孔具有0.1英寸与0.5英寸之间的横向尺寸D。举例来说，所述多个穿孔210的每个具有约0.2到0.4英寸的横向尺寸D。
穿孔火焰保持器102的空隙分数被定义为穿孔火焰保持器102的区段中的全部穿孔210的总体积除以包含穿孔火焰保持器主体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应当具有0.10与0.90之间的空隙分数。在一实施方案中，穿孔火焰保持器102可具有0.30与0.80之间的空隙分数。在另一实施方案中，穿孔火焰保持器102可具有约0.70的空隙分数。发现使用约0.70的空隙分数对于产生极低NOx是特别有效的。
穿孔火焰保持器102可由纤维加强型铸造耐火材料和/或例如硅酸铝材料等耐火材料形成。举例来说，穿孔火焰保持器102可形成为包含多铝红柱石或堇青石。另外或可替代地，穿孔火焰保持器主体208可包含金属超合金，例如铬镍铁合金或哈斯特合金。穿孔火焰保持器主体208可界定蜂巢结构。蜂巢结构是行业专用术语，其不需要严格地指代六边形横截面且最通常包含正方形横截面的单元格。其它横截面区域的蜂巢结构也是已知的。
发明人发现穿孔火焰保持器102可由可从南卡罗来纳州多拉维尔市的AppliedCeramics公司(Applied Ceramics,Inc.of Doraville,South Carolina)购得的
Figure BDA0002951019150000101
陶瓷蜂巢结构形成。
穿孔210可彼此平行且垂直于输入面212和输出面214。在另一实施方案中，穿孔210可彼此平行且相对于输入面212和输出面214成一定角度形成。在另一实施方案中，穿孔210可以彼此不平行。在另一实施方案中，穿孔210可以彼此不平行且不相交。在另一实施方案中，穿孔210可以相交。穿孔火焰保持器主体208可以是一个整体件或可以由多个区段形成。
在不一定优选的另一实施方案中，穿孔火焰保持器102可以由网状的陶瓷材料形成。术语“网状的”指代类似于网的结构。网状的陶瓷材料经常是通过将浆料溶解到具有指定孔隙度的海绵中，允许浆料硬化，且燃烧掉海绵并固化陶瓷而制成。
在不一定优选的另一实施方案中，穿孔火焰保持器102可以由已冲孔、镗孔或铸造以产生通道的陶瓷材料形成。
在另一实施方案中，穿孔火焰保持器102可包含捆绑在一起的多个管或管道。所述多个穿孔210可包含中空圆柱体且任选地还可包含捆绑的管之间的间隙空间。在一实施方案中，所述多个管可包含陶瓷管。耐火粘固剂可包含于管之间，且用以将所述管粘附在一起。在另一实施方案中，所述多个管道可包含金属(例如，超合金)管。所述多个管可通过金属张力部件保持在一起，所述金属张力部件在所述多个管的圆周上且设置成将所述多个管保持在一起。所述金属张力部件可包含不锈钢、超合金金属导线和/或超合金金属带。
穿孔火焰保持器主体208可替代地包含堆叠穿孔材料薄片，每一薄片具有与底下的薄片和上面的薄片的开口连接的开口。穿孔薄片可包含穿孔金属板、陶瓷薄片和/或膨胀薄片。在另一实施方案中，穿孔火焰保持器主体208可包含不连续的填料体，使得穿孔210形成于不连续的填料体之间的间隙空间中。在一个实施例中，不连续的填料体包含结构化填料形状。在另一实施例中，不连续的封装体包含任意填料形状。举例来说，所述不连续的填料体可包含陶瓷拉西环(Raschig ring)、陶瓷伯尔鞍(Berl saddle)、陶瓷环矩鞍(Intaloxsaddle)，和/或可以通过金属笼保持在一起的金属环或其它形状(例如，超拉西环)。
发明人预期包含穿孔火焰保持器102的燃烧器系统200提供此类清洁燃烧的原因的各种解释。
根据实施方案，穿孔火焰保持器102可以充当热源以维持燃烧反应302，即使是在当由传统火焰保持器支持时燃烧反应302不稳定的条件下。可利用此能力来支持使用与通常可行的情况相比更稀薄的燃料氧化剂混合物的燃烧。因此，根据实施方案，在燃料流206与穿孔火焰保持器102的输入面212的接触点处，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(传统)燃烧下限-燃烧下限界定了在正常大气压力和25℃(77°F)的环境温度下，燃料和氧化剂混合物206当暴露于瞬间点火源时将燃烧的燃料的最低浓度。
发现本发明所描述的穿孔火焰保持器102和包含穿孔火焰保持器102的系统能够提供CO的基本上完全燃烧(取决于实验条件，从个位数ppm低到不可检测)，同时支持低NOx。根据一种解释，这样的性能可以实现，由于用以降低峰值火焰温度的充分混合(在其它策略中)。火焰温度在稍微富含的条件下趋于达到峰值，这在不充分混合的任何扩散火焰中可以是明显的。通过充分混合，可在燃烧之前实现均质且稍微稀薄的混合物。此组合可带来降低的火焰温度，且因此减少NOx形成。在一个实施方案中，“稍微稀薄”可以指代3％O2，即，-0.87的当量比。使用甚至更稀薄的混合物是可能的，但可能导致升高的O2水平。此外，发明人认为穿孔壁308可以充当用于燃烧流体的散热器。此效果可以可替代地或另外降低燃烧温度和减少NOx。
根据另一解释，如果燃烧反应302在极短持续时间中发生，那么可减少NOx的产生。快速燃烧造成反应物(包含氧气和夹带的氮气)暴露于NOx形成温度的时间对于NOx形成动力学来说太短，而无法带来NOx的大量产生。反应物通过穿孔火焰保持器102所需的时间与传统火焰相比是极短的。与穿孔火焰保持器燃烧相关联的低NOx产生因此可以与反应物(和夹带的氮气)通过穿孔火焰保持器102所需的短持续时间有关。
图4是示出用于操作包含本发明示出和描述的穿孔火焰保持器的燃烧器系统的方法400的流程图。为了操作包含穿孔火焰保持器的燃烧器系统，首先将穿孔火焰保持器加热到足以维持燃料和氧化剂混合物的燃烧的温度。
根据简化的描述，方法400开始于步骤402，其中将穿孔火焰保持器预加热到启动温度Ts。在穿孔火焰保持器升高到启动温度之后，方法进行到步骤404，其中将燃料和氧化剂提供到穿孔火焰保持器，且通过穿孔火焰保持器保持燃烧。
根据更详细描述，步骤402开始于步骤406，其中在穿孔火焰保持器处提供启动能量。同时或在提供启动能量后，决策步骤408确定穿孔火焰保持器的温度T是处于还是高于启动温度Ts。只要穿孔火焰保持器的温度低于其启动温度，方法就在预热步骤402内的步骤406与408之间循环。在决策步骤408中，如果穿孔火焰保持器的至少预定部分的温度T大于或等于启动温度，那么方法400进行到总体步骤404，在其中供应燃料和氧化剂，且通过穿孔火焰保持器保持燃烧。
步骤404可以分解为若干离散步骤，其中的至少一些可以同时发生。
从决策步骤408进行，将燃料和氧化剂混合物提供到穿孔火焰保持器，如步骤410中所示。燃料和氧化剂可以由燃料和氧化剂源提供，所述燃料和氧化剂源包含例如单独的燃料喷嘴和氧化剂(例如，燃烧空气)源。在此方法中，在一个或多个所选择的方向上输出燃料和氧化剂以使燃料和氧化剂混合物由穿孔火焰保持器的输入面接收。燃料可以夹带燃烧空气(或可替代地，燃烧空气可以稀释燃料)以在穿孔火焰保持器的输入面处以某一种燃料稀释来提供燃料和氧化剂混合物，所述燃料稀释是针对在穿孔火焰保持器的穿孔内可保持的稳定燃烧反应来选择的。
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，可以从穿孔火焰保持器输出热量。来自穿孔火焰保持器的热量输出可以例如用于为工业生产供电、加热工作流体、产生电力或提供原动力。
在任选的步骤416中，可以感测燃烧的存在。发明人已经使用和预期各种感测方法。大体上，由穿孔火焰保持器保持的燃烧是极稳定的，且对系统没有异常的感测要求。可以使用红外传感器、视频传感器、紫外线传感器、带电物质传感器、热电偶、热电桩、火焰棒和/或其它燃烧感测设备执行燃烧感测。在步骤416的另外或可替代的变体中，可以提供引燃火焰或其它点火源以在穿孔火焰保持器处失去燃烧的情况下造成燃料和氧化剂混合物的点燃。
进行到决策步骤418，如果感测到燃烧将不稳定，那么方法400可以退出到步骤424，在其中执行出错程序。举例来说，所述出错程序可以包含断开燃料流、重新执行预加热步骤402、输出警报信号、将备用燃烧系统点火或其它步骤。如果在决策步骤418中，确定穿孔火焰保持器中的燃烧将是稳定的，那么方法400进行到决策步骤420，其中确定是否应当改变燃烧参数。如果将不改变燃烧参数，那么方法循环(在步骤404内)回到步骤410，且燃烧过程继续。如果指示燃烧参数的改变，那么方法400进行到步骤422，在其中执行燃烧参数改变。在改变燃烧参数之后，方法循环(在步骤404内)回到步骤410，且继续燃烧。
举例来说，如果遇到热量需求的改变，那么可以将燃烧参数调度为改变。举例来说，如果需要较少热量(例如，由于减小的电力需求、减小的原动力要求、或较低的工业工艺处理量)，那么可以在步骤422中减小燃料和氧化剂流速。相反，如果热量需求增加，那么可以增加燃料和氧化剂流量。另外或可替代地，如果燃烧系统处于启动模式，那么可以在步骤404内的循环的一个或多个迭代中将燃料和氧化剂流量逐渐增加到穿孔火焰保持器。
再次参见图2，燃烧器系统200包含可操作地耦合到穿孔火焰保持器102的加热器228。如结合图3和4所描述，穿孔火焰保持器102通过向传入的燃料和氧化剂混合物206输出热量而操作。在建立燃烧之后，此热量由燃烧反应302提供；但在建立燃烧之前，热量由加热器228提供。
发明人经使用和预期各种加热设备。在一些实施方案中，加热器228可包含配置成支持用于加热穿孔火焰保持器102的火焰保持器。燃料和氧化剂源202可包含配置成发射燃料流206的燃料喷嘴218以及配置成邻近于燃料流206输出氧化剂(例如，燃烧空气)的氧化剂源220。燃料喷嘴218和氧化剂源220可配置成输出燃料流206以由氧化剂(例如，燃烧空气)逐渐地稀释。穿孔火焰保持器102可设置成接收经过稀释的燃料和氧化剂混合物206，该混合物支持燃烧反应302，当穿孔火焰保持器102处于操作温度时，穿孔火焰保持器102使所述燃烧反应稳定。相比之下，启动火焰保持器可配置成在对应于相对未混合的燃料和氧化剂混合物的位置处支持启动火焰，它是稳定的而无需由受热穿孔火焰保持器102提供的稳定。
燃烧器系统200可进一步包含可操作地耦合到加热器228和数据接口232的控制器118。举例来说，控制器118可配置成控制启动火焰保持器致动器，所述致动器配置成使启动火焰保持器在穿孔火焰保持器102需要预热时保持启动火焰，且在穿孔火焰保持器102处于操作温度时(例如，当T≥Ts时)不保持启动火焰。
预期用于致动启动火焰的各种方法。在一个实施方案中，启动火焰保持器包含机械致动的非流线形体，其配置成被致动以拦截燃料和氧化剂混合物206以造成热量再循环和/或稳定涡流且进而保持启动火焰；或被致动以不拦截燃料和氧化剂混合物206而造成燃料和氧化剂混合物206进行到穿孔火焰保持器102。在另一实施方案中，可以使用燃料控制阀、鼓风机和/或风门来选择对于启动火焰射流稳定来说足够低的燃料和氧化剂混合物206流速；以及在达到穿孔火焰保持器102操作温度后，可以增加流速以“吹灭”启动火焰。在另一实施方案中，加热器228可以包含可操作地耦合到控制器118且配置成对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以选择性地耦合到所选的电压接地或其它电压以吸引燃料和氧化剂混合物206中的电荷。发明人发现，电荷的吸引力造成导电启动火焰保持器保持启动火焰。
在另一实施方案中，加热器228可以包含配置成输出热量到穿孔火焰保持器102和/或到燃料和氧化剂混合物206的电阻加热器。电阻加热器可配置成将穿孔火焰保持器102加热到操作温度。加热器228可进一步包含电源和开关，所述开关可在控制器118的控制下操作以选择性地将电源耦合到电阻加热器228。
可以各种方式形成电阻加热器228。举例来说，电阻加热器228可由螺旋穿过由穿孔火焰保持器主体208界定的穿孔210的至少一部分的
Figure BDA0002951019150000141
导线(可从瑞典哈尔斯塔哈马的Sandvik AB公司的Sandvik材料技术分公司购得)形成。可替代地，加热器228可包含感应式加热器、高能波束加热器(例如，微波或激光)、摩擦加热器、电阻式陶瓷涂层，或其它类型的加热技术。
预期其它形式的启动设备。举例来说，加热器228可包含配置成向氧化剂和燃料输出脉冲点火的放电点火器或热表面点火器。另外或可替代地，启动设备可包含设置成点燃原本将进入穿孔火焰保持器102的燃料和氧化剂混合物206的引燃火焰设备。放电点火器、热表面点火器和/或引燃火焰设备可以可操作地耦合到控制器118，所述控制器可使放电点火器或引燃火焰设备在穿孔火焰保持器102充分受热以维持燃烧之前维持穿孔火焰保持器102中或上游的燃料和氧化剂混合物206的燃烧。
燃烧器系统200可进一步包含可操作地耦合到控制器118的传感器234。传感器234可包含配置成检测穿孔火焰保持器102的红外辐射或温度的热量传感器。控制电路118可配置成响应于来自传感器234的输入而控制加热器228。任选地，燃料控制阀236可以可操作地耦合到控制器118且配置成控制燃料到燃料和氧化剂源202的流量。另外或可替代地，氧化剂鼓风机或风门238可以可操作地耦合到控制器118且配置成控制氧化剂(或燃烧空气)的流量。
传感器234可进一步包含可操作地耦合到控制电路118的燃烧传感器，所述燃烧传感器配置成检测由穿孔火焰保持器102保持的燃烧反应302的温度、视频图像和/或光谱特性。燃料控制阀236可配置成控制燃料从燃料源到燃料和氧化剂源202的流量。控制器118可配置成响应于来自燃烧传感器234的输入而控制燃料控制阀236。控制器118可配置成控制燃料控制阀236和/或氧化剂鼓风机或风门238以控制加热器228的预热火焰类型，来将穿孔火焰保持器102加热到操作温度。控制器118可类似地响应于经由数据接口232作为数据接收的热量需求改变，来控制燃料控制阀236和/或氧化剂鼓风机或风门238以改变燃料和氧化剂混合物206流量。
图5A是根据实施方案的包含另一替代穿孔火焰保持器102的燃烧系统500的简化透视图。穿孔火焰保持器102是根据实施方案的网状陶瓷穿孔火焰保持器。图5B是根据实施方案的图5A的网状陶瓷穿孔火焰保持器102的一部分的简化侧视截面图。根据实施方案，图5A、5B的穿孔火焰保持器102可在本发明所描述的各种燃烧系统中实施。穿孔火焰保持器102配置成支持从燃料和氧化剂源202接收的燃料和氧化剂混合物206至少部分地在穿孔火焰保持器102内的燃烧反应(例如，图3的燃烧反应302)。根据实施方案，穿孔火焰保持器102可配置成支持燃料和氧化剂混合物206在网状陶瓷穿孔火焰保持器102上游、下游、内部和邻近处的燃烧反应(例如，图3的燃烧反应302)。
根据实施方案，穿孔火焰保持器主体208可包含网状纤维539。网状纤维539可界定编织于网状纤维539周围且穿过其中的分支穿孔210。根据实施方案，穿孔210形成为网状纤维539之间的通路。
根据实施方案，网状纤维539形成为网状发泡陶瓷。根据实施方案，使用网状聚合物泡沫作为模板来形成网状纤维539。根据实施方案，网状纤维539可包含氧化铝硅酸盐。根据实施方案，网状纤维539可由挤压的多铝红柱石或堇青石形成。根据实施方案，网状纤维539可包含氧化锆。根据实施方案，网状纤维539可包含碳化硅。
术语“网状纤维”指代类似于网的结构。根据实施方案，网状纤维539由挤压陶瓷材料形成。在网状纤维实施方案中，燃料和氧化剂混合物206、燃烧反应以及进出穿孔火焰保持器主体208的热传递之间的相互作用可类似于上文关于图2-4所示出和描述的实施方式起作用。活动的一个差异是穿孔210之间的混合，因为网状纤维539形成允许相邻穿孔210之间的来回流动的不连续穿孔火焰保持器主体208。
根据实施方案，网状纤维539网对于下游网状纤维539充分打开以发射辐射供上游网状纤维539接收，以用于充分加热上游网状纤维539以维持燃料和氧化剂混合物206的燃烧。与连续穿孔火焰保持器主体208相比，网状纤维539之间的热传导路径(例如图3中的热传导路径312)由于网状纤维539的分离而减少。这可以造成相对更多热量经由热辐射(示出为图3中的元件304)从网状纤维539的热量接收区或区域(例如图3中的热量接收区306)传递到热量输出区或区域(例如图3的热量输出区310)。
根据实施方案，个别穿孔210可以在穿孔火焰保持器102的输入面212与输出面214之间延伸。穿孔210可以具有变化的长度L。根据实施方案，因为穿孔210分支进出彼此，所以个别穿孔210并不是由长度L清楚地界定。
根据实施方案，穿孔火焰保持器102配置成支持或保持燃烧反应(见图3的元件302)或至少部分地在输入面212与输出面214之间的火焰。根据实施方案，输入面212对应于与燃料喷嘴218接近的穿孔火焰保持器102的表面或首先接收燃料的表面。根据实施方案，输入面212对应于网状纤维539接近于燃料喷嘴218的程度。根据实施方案，输出面214对应于远离燃料喷嘴218或与输入面212相对的表面。根据实施方案，输入面212对应于网状纤维539远离燃料喷嘴218或与输入面212相对的程度。
根据实施方案，热边界层314的形成、穿孔反应保持器主体208与流过穿孔210的气体之间的热传递、特性穿孔宽度尺寸D以及长度L可各自被视为与通过穿孔火焰保持器102的平均或总体路径有关。换句话说，尺寸D可被确定为在沿着流动路径的每一点确定的个别Dn值的均方根。类似地，长度L可为包含由流动路径的扭曲度贡献的长度的长度，其可能稍微长于通过穿孔火焰保持器102从输入面212到输出面214的直线距离TRH。根据实施方案，空隙分数(表达为(总穿孔火焰保持器102体积-网状纤维539体积)/总体积)是约70％。
根据实施方案，网状陶瓷穿孔火焰保持器102是约1"x 4"x 4"的块(tile)。根据实施方案，网状陶瓷穿孔火焰保持器102每平方英寸表面积包含约10个孔隙。根据本发明的原理，其它材料和尺寸也可用于网状陶瓷穿孔火焰保持器102。
根据实施方案，网状陶瓷穿孔火焰保持器102可包含除本发明所描述的那些以外的形状和尺寸。举例来说，穿孔火焰保持器102可包含大于或小于上文陈述的尺寸的网状陶瓷块。另外，网状陶瓷穿孔火焰保持器102可包含除大体上长方体形状以外的形状。
根据实施方案，网状陶瓷穿孔火焰保持器102可包含多个网状陶瓷块。所述多个网状陶瓷块可接合在一起，使得每一陶瓷块与一个或多个邻近网状陶瓷块直接接触。所述多个网状陶瓷块可共同形成单个穿孔火焰保持器102。可替代地，每一网状陶瓷块可被视为相异的穿孔火焰保持器102。
图6是根据实施方案的燃烧系统600的简化图。燃烧系统600可以包含可操作地耦合到控制电路118的传感器602。传感器602可以配置成感测压力和温度中的一个或多个。
图7是理想化曲线图700，示出在三个环境条件702、704、706中的每个条件下所接收信号如何随着燃料-氧化剂当量比的变化而变化。在一个实施方案中，温度保持恒定，且每一曲线702、704、706表示不同压力。
在另一实施方案中，压力保持恒定，且每一曲线702、704、706表示不同温度。在另一实施方案中，每一曲线702、704、706表示不同的压力和温度组合。
参见图7，根据实施方案，控制电路118可以配置成确定燃料-氧化剂当量比，作为接收信号的值与感测到的温度和/或压力的值的组合的函数。
图8是根据实施方案的示出用于测量燃料-氧化剂当量比的方法800的流程图。
根据实施方案，方法800包含步骤802，在其中在包含燃料和氧化剂的气体中形成离子。在步骤804中，将周期性电压信号施加于邻近于气体的第一电极。在步骤806中，周期性响应信号通过气体可操作地耦合到第二电极。根据个实施方案，可以根据离子对周期性电压信号的响应产生周期性响应信号。方法800可以包含在步骤808中将周期性响应信号转换为对应的数字信号。在步骤810中，根据实施方案，接收对应于气体的独立参数的传感器信号。根据实施方案，方法800可以包含步骤812，其包含施加数字信号和传感器信号作为用于函数的参数，和确定函数的对应于燃料-氧化剂当量比的值。
根据实施方案，方法800可进一步包括保持气体的压力恒定。在实施方案中，在步骤810中接收传感器信号可以包含接收对应于气体的温度的信号。另外或可替代地，方法800可以包含保持气体的温度恒定以及在步骤810中接收对应于气体的压力的传感器信号。另外或可替代地，在步骤810中接收传感器信号可以包含接收对应于气体的温度的温度信号以及接收对应于气体的压力信号。
根据实施方案，在步骤802中在气体中形成离子可以包含操作电离器。各种电极配置和类型是预期的。根据实施方案，操作电离器可以包含将电压施加到电晕电极和/或电介质阻挡层电极。
根据实施方案，电晕电极可以设置于其中可设置有第一电极和第二电极的气体体积中。
另外或可替代地，在步骤802中在气体中形成离子可以包含在移除的气体体积中操作电离器，并将至少一部分离子从移除的气体体积递送到其中设置有第一电极和第二电极的气体体积。
根据实施方案，方法800可以包含在步骤814中确定燃料-氧化剂当量比是否在燃料的燃烧极限内，以及在步骤816中致动阀以将燃料-空气当量比改变为在燃料的燃烧极限外的比率。
根据实施方案，致动阀可以包含用惰性气体(例如氮气或二氧化碳)吹扫气体。
根据实施方案，燃料可以包含煤油。
根据实施方案，方法800还可以包含将离子隔离于形成阻焰器的接地筛网内。
另外或可替代地，在步骤802中在气体中形成离子可以包含支持气体中的燃烧反应。
根据实施方案，方法800还可以包含朝向穿孔火焰保持器输出燃料和空气。根据实施方案，在步骤802中在气体中形成离子可以包含至少部分地在穿孔火焰保持器内支撑燃烧反应。
根据实施方案，第一电极可以设置成朝向穿孔火焰保持器输出周期性电压信号，第二电极设置成至少部分地通过穿孔火焰保持器接收周期性响应信号。
根据实施方案，方法800还可以包含在步骤814中确定燃料-空气当量比是否在范围内，以及在步骤816中，如果燃料-空气当量比不在范围内则采取校正行动。
根据实施方案，方法800还可以包含在步骤814中确定燃料-空气当量比是否处于或接近燃料的燃烧极限，以及在步骤816中，致动阀以将燃料-空气当量比改变为更接近燃烧极限的中心的值。
根据实施方案，在步骤814中确定燃料-空气当量比是否接近燃烧极限可以包含确定当量比是否在燃烧极限外。
根据实施方案，步骤812包含施加数字信号和传感器信号作为用于函数的参数。在步骤810中接收传感器信号可以包含对传感器信号执行模/数(A/D)转换以形成数字传感器信号。施加数字信号和传感器信号作为用于函数的参数可以包含使用数字信号和数字传感器信号来寻址查找表(LUT)或作为在查询数据库中的参数。
根据实施方案，数字传感器信号可以用于确定表(LUT或数据库)的页或区，且数字信号可以选择所述页或区中的地址。
在替代实施例中，施加数字信号和传感器信号作为用于函数的参数可以包含施加数字信号和数字传感器信号中的一者或两者作为方程中的参数。根据实施方案，所述函数的值可以是燃料-空气当量比。
根据实施方案，燃烧器可以是工业燃烧器。
根据施方案，燃料-氧化剂当量比可以是燃料-空气当量比。
图9是根据实施方案的包含燃烧传感器234的燃烧系统900的示意图。燃烧传感器234在传感器控制器945中可以包含可以配置成输出时变电压的波形产生器964。放大器966(可为反相或非反相的)可以可操作地耦合到波形产生器964，且可以配置成将来自波形产生器964的逻辑电平放大到广播电压。电学滤波器968可以可操作地耦合到放大器966，且可以配置成保护信号控制器中的电路966、964、978、976、974免于静电放电的影响。电学滤波器968可以经由第一电引线944a可操作地耦合到第一电极112。根据实施方案，第一电极112可以配置成通过横跨穿孔火焰保持器102的间隙向第二电极114广播经放大波形作为广播信号。
根据实施方案，第二电学滤波器972(可以任选地相同于电学滤波器968)可以经由第二电引线944b可操作地耦合到第二电极114，且可以配置成保护电路974、976、978、964、966免于静电放电的影响。
根据实施方案，第二放大器974可以配置成将接收电压升高到逻辑电平。
接收器电路976可以可操作地耦合到第二放大器974，且可以配置成接收且数字化由第二电极114接收的经放大信号。根据实施方案，信号分析器978可以可操作地耦合到接收器电路976。信号分析器978可以配置成分析由接收器电路976产生的数字数据且确定燃料-氧化剂当量比。根据实施方案，信号分析器978可经由数字接口980报告燃料-氧化剂当量比或燃料-氧化剂当量比的改变。
传感器控制器945可基于从第二电极114接收的信号确定燃料-氧化剂当量比。传感器控制器945可基于通过对从第二电极114传递的信号执行模/数转换所产生的数字信号而确定燃料-氧化剂当量比。
根据实施方案，传感器控制器可施加数字信号和传感器信号作为用于函数的参数。传感器信号可为温度信号。也可以在施加传感器信号作为用于函数的参数之前将传感器信号转换成数字化传感器信号。施加数字信号和传感器信号作为用于函数的参数可以包含使用数字信号和数字传感器信号来寻址查找表(LUT)或作为在数据库查询中的参数。查找表或数据库可以包含于传感器控制器945的存储器中，或可以在传感器控制器945的外部。
信号分析器978可以对应于控制器118或可以与控制器118分开。
在一个实施例中，电学滤波器968、972各自包含可操作地耦合到接地的真空双极电极发射器。
虽然本发明已公开各种方面以及实施例，但其它的方面以及实施例也是预期的。本发明所公开的各个方面和实施例是出于说明的目的并且不打算是限制性的，其中真实的范围和精神是由所附权利要求书指示。

Claims (61)

1.一种用于测量燃料-氧化剂当量比的系统，包括：
至少一个壁，其界定气体体积，所述气体包含燃料和空气；
气体电离源，所述气体电离源配置成在所述气体中形成离子；
电源，所述电源配置成输出时变电压；
第一电极，所述第一电极设置于所述气体体积中，可操作地耦合到所述电源，且配置成携载所述时变电压；
第二电极，所述第二电极设置成通过所述气体体积的至少一部分可操作地耦合到来自所述第一电极的信号；
接收器电路，所述接收器电路可操作地耦合到所述第二电极且配置成接收所述信号，所述信号具有对应于所述气体体积内的所述燃料-氧化剂当量比的特性；以及
控制电路，所述控制电路可操作地耦合到所述接收器电路，配置成确定对应于所述燃料-氧化剂当量比的值。
2.根据权利要求1所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的系统，
其中所述气体电离源占用所述气体体积内的物理体积；且
其中所述第一电极和第二电极对准，使得所接收的信号具有对应于在所述气体电离体积内的所述燃料-氧化剂当量比的特性。
3.根据权利要求1所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的系统，
其中所述气体电离源包括至少一个电离电极，所述电离电极配置成电离气体体积中的气体。
4.根据权利要求3所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的系统，
其中所述至少一个电离电极包括电晕电极。
5.根据权利要求3所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的系统，
其中所述至少一个电离电极包括电介质阻挡层电极。
6.根据权利要求1所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的系统，
其中所述气体体积包括燃料箱顶部空间。
7.根据权利要求1所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的系统，
其中所述控制电路进一步地配置成当确定所述燃料-氧化剂当量比在可燃性极限内时自动采取校正行动。
8.根据权利要求1所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的系统，进一步地包括吹扫系统；
其中所述控制电路配置成当确定所述燃料-氧化剂当量比在所述可燃性极限内时，致动所述吹扫系统以从所述气体体积吹扫燃料蒸汽和/或氧化剂。
9.根据权利要求8所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的系统，
其中所述吹扫系统包括：
惰性气体源；以及
吹扫控制阀；
其中所述控制电路配置成当确定所述燃料-氧化剂当量比在所述可燃性极限内时致动所述吹扫控制阀。
10.根据权利要求1所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的系统，
其中所述壁包括燃料箱。
11.根据权利要求1所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的系统，
其中所述壁包括阻焰器。
12.根据权利要求1所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的系统，
其中所述气体电离源包括燃烧器。
13.根据权利要求12所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的系统，
其中所述燃烧器包括：
火焰保持器，所述火焰保持器被对准以接收来自燃料源的燃料和来自燃烧空气源的燃烧空气的混合物。
14.根据权利要求13所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的系统，
其中所述燃烧器进一步包括鼓风机；且
其中所述控制电路配置成响应于检测到的所述燃料-氧化剂当量比而控制鼓风机输出。
15.根据权利要求13所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的系统，
其中所述燃烧器进一步包括调风器；且
其中所述控制电路配置成控制所述调风器。
16.根据权利要求13所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的系统，
其中所述火焰保持器包括穿孔火焰保持器。
17.根据权利要求16所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的系统，其中所述穿孔火焰保持器是网状陶瓷穿孔火焰保持器。
18.根据权利要求17所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的系统，其中所述穿孔火焰保持器包含多个网状纤维。
19.根据权利要求18所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的系统，其中所述穿孔火焰保持器包含氧化锆。
20.根据权利要求18所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的系统，其中所述穿孔火焰保持器包含氧化铝硅酸盐。
21.根据权利要求18所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的系统，其中所述穿孔火焰保持器包含碳化硅。
22.根据权利要求18所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的系统，其中所述网状纤维是由挤压多铝红柱石形成的。
23.根据权利要求18所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的系统，其中所述网状纤维是由堇青石形成的。
24.根据权利要求18所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的系统，其中所述穿孔火焰保持器配置成支持所述燃料和所述氧化剂在所述穿孔火焰保持器上游、下游和内部的燃烧反应。
25.根据权利要求18所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的系统，其中所述穿孔火焰保持器每平方英寸的表面积包含约100个孔隙。
26.根据权利要求18所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的系统，其中所述穿孔火焰保持器包含：
输入面；
输出面；以及
多个穿孔，所述多个穿孔在所述输入面与所述输出面之间延伸。
27.根据权利要求26所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的系统，其中所述穿孔形成为所述网状纤维之间的通路。
28.根据权利要求27所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的系统，其中所述穿孔是分支穿孔。
29.根据权利要求27所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的系统，其中所述穿孔在所述输入面与所述输出面之间延伸。
30.根据权利要求26所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的系统，其中所述输入面对应于所述网状纤维接近于燃料喷嘴的程度。
31.根据权利要求30所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的系统，其中所述输出面对应于所述网状纤维远离所述燃料喷嘴的程度。
32.根据权利要求17所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的系统，其中所述穿孔火焰保持器配置成支持在所述穿孔火焰保持器内在输入面与输出面之间的至少一部分燃烧反应。
33.根据权利要求12所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的系统，其中所述燃烧器是工业燃烧器。
34.根据权利要求1所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的系统，进一步包括可操作地耦合到所述控制电路的传感器，所述传感器配置成感测压力和温度中的一者或多者。
35.根据权利要求1所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的系统，其中所述控制电路配置成确定燃料-氧化剂当量比，作为接收的信号的值与感测到的温度和/或压力的值的组合的函数。
36.一种用于测量燃料-氧化剂当量比的方法，包括：
在包含燃料和氧化剂的气体中形成离子；
将周期性电压信号施加到邻近于所述气体的第一电极；
以第二电极通过所述气体接收周期性响应信号，所述周期性响应信号是根据所述离子对所述周期性电压信号的响应产生的；
将所述周期性响应信号转换为对应的数字信号；
接收对应于所述气体的参数的传感器信号；
施加所述数字信号和所述传感器信号作为用于函数的参数；以及
确定所述函数的对应于所述燃料-氧化剂当量比的值。
37.根据权利要求36所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的方法，进一步包括：
保持所述气体的压力恒定；
其中接收所述传感器信号包括接收对应于所述气体的温度的信号。
38.根据权利要求36所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的方法，进一步包括：
保持所述气体的温度恒定；
其中接收所述传感器信号包括接收对应于所述气体的压力的信号。
39.根据权利要求36所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的方法，
其中接收所述传感器信号包括接收对应于所述气体的温度信号和接收对应于所述气体的压力信号。
40.根据权利要求36所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的方法，
其中在所述气体中形成离子包括操作电离器。
41.根据权利要求40所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的方法，
其中操作所述电离器包括将电压施加到电晕电极。
42.根据权利要求41所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的方法，
其中所述电晕电极设置于其中设置有所述第一电极和第二电极的气体体积中。
43.根据权利要求40所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的方法，
其中操作所述电离器包括将电压施加到电介质阻挡层电极。
44.根据权利要求40所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的方法，
其中在所述气体中形成离子进一步包括在移除的气体体积中操作电离器，且将至少一部分离子从所述移除的气体体积递送到其中设置有所述第一电极和第二电极的气体体积。
45.根据权利要求40所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的方法，进一步包括：
确定燃料-氧化剂当量比在所述燃料的燃烧极限内；以及
致动阀以将所述燃料-空气当量比改变为所述燃料的燃烧极限外的比率。
46.根据权利要求45所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的方法，其中致动所述阀包括用惰性气体吹扫所述气体。
47.根据权利要求46所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的方法，其中所述惰性气体包含氮气或二氧化碳。
48.根据权利要求45所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的方法，
其中所述燃料包括煤油。
49.根据权利要求40所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的方法，进一步包括：
将所述离子隔离于形成阻焰器的接地筛网内。
50.根据权利要求36所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的方法，
其中在所述气体中形成离子包括支持所述气体中的燃烧反应。
51.根据权利要求50所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的方法，进一步包括：
朝向穿孔火焰保持器输出所述燃料和所述空气；
其中在所述气体中形成离子包括至少部分地在所述穿孔火焰保持器内支持所述燃烧反应。
52.根据权利要求51所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的方法，
其中所述第一电极设置成朝向所述穿孔火焰保持器输出所述周期性电压信号；且
其中所述第二电极设置成至少部分地通过所述穿孔火焰保持器接收所述周期性响应信号。
53.根据权利要求50所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的方法，进一步包括：
确定燃料-氧化剂当量比处于或接近所述燃料的燃烧极限；以及
致动阀以将所述燃料-空气当量比改变为更接近所述燃烧极限的中心的阀。
54.根据权利要求53所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的方法，
其中确定燃料-氧化剂当量比接近所述燃烧极限包括确定所述当量比在所述燃烧极限外。
55.根据权利要求36所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的方法，
其中施加所述数字信号和所述传感器信号作为用于函数的参数包括：
对所述传感器信号执行模/数转换以形成数字传感器信号。
56.根据权利要求55所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的方法，
其中施加所述数字信号和所述传感器信号作为用于函数的参数包括：
使用所述数字信号和数字传感器信号来寻址查找表或作为在查询数据库中的参数。
57.根据权利要求56所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的方法，
其中所述数字传感器信号用于确定表的页或区，且所述数字信号选择所述页或区中的地址。
58.根据权利要求55所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的方法，
其中施加所述数字信号和所述传感器信号作为用于函数的参数包括施加所述数字信号和所述数字传感器信号中的至少一者作为方程中的参数。
59.根据权利要求36所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的方法，其中函数的值是燃料-氧化剂当量比。
60.根据权利要求36所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的方法，其中所述燃料-氧化剂当量比是燃料-空气当量比。
61.根据权利要求36所述的用于测量燃料-氧化剂当量比的方法，其中在气体中形成离子包含产生自由电子。
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