JP2014507623A - 燃焼システムにおける複数の応答の電界制御 - Google Patents

Abstract

燃焼システムは、複数の加熱容積部分を含むことができる。加熱容積部分の少なくとも２つが対応するそれぞれの電極を含むことができる。電極は、それぞれの容積にそれぞれの電界を生成するように駆動されることができる。電界は、所望のそれぞれの応答を駆動するように構成されることができる。

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、トーマス・Ｓ・ハートウィック、デイヴィッド・Ｂ・グッドソン、クリストファー・Ａ・ウィクロフによって発明され、「燃焼システムにおける複数の応答の電界制御」という発明の名称で、２０１１年２月９日に出願された米国仮出願第６１／４４１，２２９号に対して米国特許法第１１９条（ｅ）に基づいて優先権の利益を主張するものであり、同米国仮出願は、出願時に本出願と同時係属中であり、本明細書の開示と矛盾しない範囲で、参照により本明細書に組み入れられるものとする。

一実施形態によれば、燃焼システムの加熱容積内で、少なくとも１つの第１電界が、第１応答を駆動するために制御されることができ、且つ少なくとも１つの第２電界が、第２応答を駆動するように制御されることができる。応答は化学的又は物理的であることができる。加熱容積の第１部分は、少なくとも１つの燃焼反応ゾーンに相当することができる。加熱容積の第２部分は、熱伝達ゾーン、汚染軽減部、及び／又は燃料供給部に相当することができる。

少なくとも１つの第１電界及び少なくとも１つの第２電界は、１つ以上の直流電界、１つ以上の交流電界、１つ以上のパルス列、１つ以上の時変波形、１つ以上のデジタル合成波形、及び／又は１つ以上のアナログ波形を含むことができる。

１つ以上のセンサが、電界に対する１つ以上の応答を検知するように配置されることができる。例えば、第１電界は、燃焼効率を最大にするために駆動されることができる。加えて又は代わりに、第１応答は、渦流、混合、反応衝突エネルギー、反応衝突の頻度、光度、熱放射、及び煙道ガスの温度を含むことができる。第２電界は、第１応答とは異なる第２応答をもたらすように駆動されることができる。例えば、第２応答は、伝熱経路を選択し、伝熱面から燃焼生成物を除去し、熱搬送媒体への熱伝達を最大にし、灰を沈殿させ、窒素酸化物排出を最小限に抑え、且つ／又は未燃燃料をリサイクルすることができる。したがって、第２応答は、１つ以上の伝熱面に対して、又は１つ以上の伝熱面に沿って、又は１つ以上の伝熱面から離して高温ガスを駆動すること、灰を沈殿させること、窒素酸化物生成反応を最小反応範囲に駆動すること、燃料を活性化すること、及び／又は燃料粒子を導くことを含むことができる。

コントローラが、少なくとも１つの入力変数及び／又は少なくとも１つの受信したセンサデータの検出に応答して第１又は第２電界の少なくとも１つを変更することができる。例えば、少なくとも１つの入力変数は、燃料流量、電力需要、蒸気需要、タービン需要、及び／又は燃料タイプを含む。

一実施形態に係る、電界を用いて加熱容積の各部分からの２つ以上の応答を選択するように構成された燃焼システムを示す図である。 別の実施形態に係る、電界を用いて加熱容積の各部分からの２つ以上の応答を選択するように構成された燃焼システムを示す図である。 一実施形態に係る、図１〜２のシステムのためのコントローラのブロック図である。 一実施形態に係る、センサフィードバックデータと電極への出力信号との間の１つ以上のプログラム可能な例示的な関係を維持する方法を示すフローチャートである。 一実施形態に係る、燃料、空気の流れ、及び加熱容積のそれぞれの部分で生成された少なくとも２つの電界を制御するためのコントローラを含む燃焼システムのブロック図である。 一実施形態に係る、燃焼システムの部分からのそれぞれの応答を駆動するために複数のコントローラ部分を用いるシステムの図である。

以下の詳細な説明において、本明細書の一部を形成する添付の図面が参照される。文脈がそうでないことを指示しない限り、図面において、類似の符号は一般に類似の部品を特定する。詳細な説明、図面、及び特許請求の範囲に記載された例示的な実施形態は、限定することを意図するものではない。ここに提示される主題の精神又は範囲から逸脱することなく、他の実施形態を利用することができ、且つ他の変更を行うことができる。

図１は、本実施形態によれば、電界を用いて加熱容積１０６の各部分１０２，１０４からの２つ以上の応答を選択するように構成された燃焼システム１０１を示す図である。

加熱容積１０６の第１部分１０２に配置されたバーナー１０８は、火炎１０９を支持するように構成されることができる。電子コントローラ１１０は、少なくとも第１及び第２電極駆動信号を生成するように構成される。加熱容積１０６の第１部分１０２は、１つ又は１つより多いバーナー１０８を含む実質的に大気圧の燃焼容積を含むことができる。第１及び第２電界と加熱容積１０６の第１及び第２部分１０２，１０４は実質的に重なり合わない。例えば、第１及び第２電界はそれぞれ、ボイラー燃焼容積及び煙道に形成されることができる。他の実施形態によれば、加熱容積１０６の第１及び第２部分１０２，１０４は、少なくとも部分的に重なることができる。

少なくとも１つの第１電極１１２は、バーナー１０８によって支持される火炎１０９の近位に配置され、第１電極駆動信号伝送路１４を介して第１電極駆動信号を受信するように電子コントローラ１１０に動作可能に連結されることができる。第１電極駆動信号は、加熱容積１０６の少なくとも第１部分１０２に第１電界構造を生成するように構成されることができる。第１電界構造は、システム１０１からの第１応答を生成するために選択されることができる。

少なくとも１つの第１電極は、様々な物理的な構成を含むことができる。例えば、バーナー１０８は、電気的に絶縁され、少なくとも１つの第１電極を形成するように駆動されることができる。加えて又は代わりに、少なくとも１つの第１電極１１２は、図１に概略的に示すように円環体又は円筒を含むことができる。別の実施形態によれば、少なくとも１つの第１電極１１２は、バーナー１０８によって画定された流れ領域に対して横方向に又は平行に保持されたタイプ３０４ステンレス鋼の１／４インチ（６．３５ミリメートル）外径管として帯電ロッドを含むことができる。少なくとも１つの第１電極に対して配置された１つ以上の第２特徴（図示せず）が、オプションとして接地又はバイアス電圧に保持され、第１電界構造は少なくとも１つの第１電極と１つ以上の第２特徴との間に形成されることができる。オプションとして、少なくとも１つの第１電極は少なくとも２つの第１電極を含むことができ、第１電界構造は少なくとも２つの第１電極の間に形成されることができる。

本明細書に開示される制約内で、電界構造は、静電界、パルス電界、回転電界、多軸／電界、交流電界、直流電界、周期的な電界、非周期的な電界、繰り返し電界、ランダム電界、又は擬似ランダム電界を含むことができる。

少なくとも１つの第２電極１１６は、少なくとも１つの第１電極１１２に対してバーナー１０８によって支持される火炎１０９から遠位に配置されることができる。少なくとも１つの第２電極１１６は、第２電極駆動信号伝送路１１８を介して第１電極駆動信号を受信するように電子コントローラ１１０に動作可能に連結されることができる。第２電極駆動信号は、加熱容積１０６の第２部分１０４に第２電界構造を生成するように構成されることができる。第２電界構造は、システム１０１からの第２応答を生成するために選択されることができる。

第１応答は、加熱容積１０６の第１部分１０２で生じる応答に限定されることができ、第２応答は、加熱容積１０６の第２部分１０４で生じる応答に限定されることができる。第１及び第２応答は、加熱容積１０６の第１及び第２部分１０２，１０４に存在するイオン種の第１及び第２集団のそれぞれの応答に関連してもよい。

例えば、少なくとも１つの第１電極１１２は、無電界で到達する反応の度合いに比べてより大きい反応の度合いまで火炎１０９内及び周辺の燃焼を駆動するために選択される加熱容積１０６の第１部分１０２における第１電界を生成するように駆動されることができる。例えば、少なくとも１つの第２電極１１６は、無電界で到達する熱伝達量に比べてより大きな加熱容積からの熱伝達を駆動するために選択された加熱容積１０６の第２部分１０４における第２電界を生成するように駆動されることができる。

図２は、別の実施形態に係る、電界を用いて加熱容積１０６の各部分１０２，１０４からの２つ以上の応答を選択するように構成された燃焼システム２０１を示す図である。

図１及び図２のシステムの実施形態は、第１電極及び第２電極の少なくとも一方が少なくとも２つの電極を含むように構成されることができる。例えば、図２に示すシステム２０１において、加熱容積１０６の第１部分１０２用の電極は、リング電極として構成された第１電極部１１２ａと、バーナー電極として構成された第２電極部１１２ｂとを含むことができる。電極部１１２ａ，１１２ｂは、第１電極駆動信号伝達路１１４ａ，１１４ｂのそれぞれによって駆動されることができる。

少なくとも１つの第１センサ２０２が、バーナー１０８によって支持される火炎１０９の近くの状態を感知するように配置されることができる。第１センサ２０２は、第１センサ信号伝送路２０４を介して電子コントローラに動作可能に連結されることができる。第１センサ２０２は、火炎１０９の燃焼パラメータを感知するように構成されることができる。例えば、第１センサ２０２は、火炎輝度センサ、フォトセンサ、赤外線センサ、燃料流量センサ、温度センサ、煙道ガス温度センサ、音響センサ、ＣＯセンサ、Ｏ_２センサ、無線周波数センサ、及び／又はエアフローセンサの１つ以上を含むことができる。

少なくとも１つの第２センサ２０６は、バーナー１０８によって支持される火炎１０９から遠位の状態を感知するように配置され且つ第２センサ信号伝送路２０８を介して電子コントローラに動作可能に連結されることができる。少なくとも１つの第２センサ２０６は、加熱容積１０６の第２部分１０４の状態に対応するパラメータを感知するように配置されることができる。例えば、第２部分１０４が汚染軽減ゾーンを含む実施形態では、第２センサは、加熱容積１０６の第２部分１０４における灰の量に対応する光透過率を感知することができる。様々な実施形態によれば、第２センサ２０６は、透過率センサ、微粒子センサ、温度センサ、イオンセンサ、表面コーティングセンサ、音響センサ、ＣＯセンサ、Ｏ_２センサ、及び窒素酸化物センサの１つ以上を含むことができる。

一実施形態によれば、第２センサ２０６は、未燃燃料を検出するように構成されることができる。少なくとも１つの形状電極１１６は、駆動されたとき、未燃燃料を下方に押し下げて加熱容積１０６の第１部分１０２に押し戻すように構成されることができる。例えば、未燃燃料は正に帯電することができる。第２センサ２０６が第２センサ信号伝送路２０８を介してコントローラ１１０に信号を送ると、コントローラは、未燃燃料をはね返すために第２電極１１６を正の状態に駆動することができる。加熱容積１０６内の流体の流れは、未燃燃料を下方に且つ第１部分１０２に向けるために、少なくとも１つの第２電極１１６及び／又は少なくとも１つの第１電極１１２によって形成された電界によって駆動されることができ、そこでさらに火炎１０９によって酸化され、それにより、燃料経済性を改善し且つ排出を削減する。

オプションとして、コントローラ１１０は、少なくとも１つの第１電極の第１部分１１２ａ及び／又は少なくとも１つの第１電極の第２部分１１２ｂを少なくとも１つの第２電極１１６と協働するように駆動することができる。いくつかの実施形態によれば、このような協働は、少なくとも１つの第２電極１１６の単独での作用によるよりも、未燃燃料をより効果的に下方に駆動することができる。例えば、電極１１６、１１２ａ、１１２ｂへの一連のパルスが、未燃燃料を下方に中継することができる。中継の第１部分は、少なくとも第１電極の第１部分１１２ａが負に駆動されている間は正に駆動される少なくとも１つの第２電極１１６を含むことができる。このような構成は、正に帯電した未燃燃料粒子を、少なくとも１つの第２電極１１６の近傍から少なくとも１つの第１電極の第１部分１１２ａの近傍へ駆動することができる。その後、少なくとも１つの第１電極の第１部分１１２ａ（部分１１２ａは浮動することができる）及び少なくとも１つの第１電極の第２部分１１２ｂの周辺の未燃燃料粒子は負に駆動されることができるので、それにより、燃料粒子の下方へ及び火炎１０９への推進が継続される。

コントローラ１１０は、少なくとも１つの入力変数を受け取るように構成された通信インタフェース２１０を含むことができる。図３は、コントローラ１１０の例示的な実施形態３０１のブロック図である。コントローラ１１０は、第１電界を生成するために第１電極駆動信号伝送路１１４ａ及び１１４ｂを駆動することができ、第１電界の特性は、第１加熱容積部分１０２に少なくとも第１効果を提供するように選択される。コントローラは、波形発生器３０４を含むことができる。波形発生器３０４は、コントローラ１１０の内部に配置されることができ、又はコントローラ１１０の残りの部分とは別に配置されることができる。代わりに、波形発生器３０４の少なくとも一部は、マイクロプロセッサ３０６及びメモリ回路３０８などの電子コントローラ１１０の他の構成要素に分散させることができる。任意のセンサインタフェース３１０、通信インタフェース２１０、及び安全インタフェース３１２が、コンピュータバス３１４を介してマイクロプロセッサ３０６及びメモリ回路３０８に動作可能に連結されることができる。

マイクロプロセッサ３０６及びメモリ回路３０８などの論理回路は、第１電極駆動信号伝送路１１４ａ，１１４ｂを介して第１電極へ送られる電気パルス又は波形のパラメータを決定することができる。第１電極は次いで第１電界を生成する。電気パルス又は波形のパラメータは、波形バッファ３１６に書き込まれることができる。波形バッファの内容は、その結果、電気パルス列又は波形に対応する低電圧信号３２２ａ，３２２ｂを生成するために、パルス発生器３１８によって使用されることができる。例えば、マイクロプロセッサ３０６及び／又はパルス発生器３１８は、低電圧信号を合成するのに直接デジタル合成を使用することができる。代わりに、マイクロプロセッサは、波形プリミティブに対応する変数値を波形バッファ３１６に書き込むことができる。パルス発生器３１８は、変数値をデジタル出力に組み合わせるアルゴリズムを実行するように動作可能な第１リソースと、デジタル出力にデジタル／アナログ変換を行う第２リソースとを含むことができる。

１つ以上の出力が、増幅器３２０ａ及び３２０ｂにより増幅される。増幅された出力は、第１電極作動信号伝送路１１４ａ，１１４ｂに動作可能に連結される。増幅器は、プログラム可能増幅器を含むことができる。増幅器は、工場設定、現場環境、通信インタフェース２１０を介して受信したパラメータ、１つ以上のオペレータ制御に応じて且つ／又はアルゴリズム的にプログラムすることができる。加えて又は代わりに、増幅器３２０ａ，３２０ｂは、１つ以上の実質的に一定の利得段を含むことができ、低電圧信号３２２ａ，３２２ｂは、変動振幅に駆動することができる。代わりに、出力は一定であることができ、加熱容積部分１０２，１０４は可変利得を有する電極で駆動することができる。

電極信号伝送路１１４ａ，１１４ｂに出力されるパルス列又は駆動波形は、直流信号、交流信号、パルス列、パルス幅変調信号、パルス高変調信号、チョップ信号、デジタル信号、離散レベル信号、及び／又はアナログ信号を含むことができる。

一実施形態によれば、コントローラ１１０内の、外部リソース（ホストコンピュータ又はサーバなど）（図示せず）内の、センササブシステム（図示せず）内の、又は、コントローラ１１０、外部リソース、センササブシステム、及び／又は他の協働する回路及びプログラムに分散されたフィードバックプロセスは、第１電極１１２ａ，１１２ｂ及び／又は第２電極１１６を制御することができる。例えば、フィードバックプロセスは、少なくとも１つの第１電極１１２によって検出された利得又は電界によって駆動された応答比に応答して、少なくとも１つの第１電極信号伝送路１１４ａ，１１４ｂに変動振幅又は電流信号を提供することができる。

センサインタフェース３１０は、加熱容積１０６の第１部分１０２で測定された状態に対して比例する（又は反比例する、幾何学的な、積分の、微分のなど）センサデータ（図示せず）を受信又は生成することができる。

センサインタフェース３１０は、加熱容積１０６の第１及び第２部分１０２，１０４の物理的又は化学的な状態に応答してそれぞれのセンサ２０２，２０６から第１及び第２入力変数を受け取ることができる。コントローラ１１０は、第１及び第２駆動パルス列に対して１つ以上のパラメータを決定するために、フィードバック又はフィードフォワード制御アルゴリズムを実行することができ、パラメータは、例えば波形バッファ３１６内の値として表される。

オプションとして、以下でより十分に説明するように、コントローラ１１０は、フロー制御信号インタフェース３２４を含むことができる。フロー制御信号インタフェースは、燃焼システムを通る燃料流及び／又は空気流を制御するための流量制御信号を生成するために使用されることができる。

センサデータと低電圧信号３２２ａ，３２２ｂとの間の１つ以上の例示的な関係を維持するための方法４０１を示すフローチャートが、一実施例に従って、図４に示されている。例えば、１つ以上の例示的な関係は、１つ以上のプログラム可能な関係を含むことができる。

ステップ４０２で、センサデータがセンサインタフェース３１０から受信される。センサデータは、バッファにキャッシュされるか、又はメモリ回路３０８に書き込まれることができる。センサデータに対する１つ以上の目標値が、パラメータ配列４０４としてメモリ回路３０８の一部に保持されることができる。ステップ４０６に進んで、受信されたセンサデータは、パラメータ配列４０４の１つ以上の対応する値と比較される。

ステップ４０８で、センサデータと１つ以上の対応するパラメータ値との間の少なくとも１つの差が波形セレクタに入力され、その出力がステップ４１０で波形バッファ３１６にロードされる。

いくつかの実施形態によれば、第１及び第２電界の少なくとも１つのパラメータは相互依存的であることができる。したがって、パラメータ配列は、センサ対目標値及び相互に決定される電界波形の複数の多変数関数と共に読み込まれている。例えば、図３を参照すると、コントローラ１１０は、加熱容積１０６から少なくとも１つの応答値を受け取ることができる。マイクロプロセッサ３０６は、少なくとも１つの応答値に応答して第１電界の少なくとも１つの第１パラメータを算出し、少なくとも１つの応答値及び少なくとも１つの第１パラメータに応答して第２電界の少なくとも１つの第２パラメータを算出することができる。

他の実施形態では、燃焼容積１０６の第１及び第２部分１０２，１０４における第１及び第２電界は、実質的に直接相互作用しない。このような場合に（実施形態によっては、他の場合に）、パラメータ配列４０４は、相互に決定されない波形パラメータを含むことができる。

再び図４を参照すると、パラメータ配列４０４は、燃料流量及び／又は燃料流量の関数として選択され且つパラメータ配列４０４に読み込まれた１つ以上の波形パラメータを含むことができる。

ステップ４０８は、燃料流量に応答して第１電界振幅及び／又は第１電界パルス幅を決定すること、及び第１電界振幅と第１電界パルス幅の少なくとも一方に応答して第２電界振幅と第２電界パルス幅の少なくとも一方を決定することを含む。

プロセス４０１は、例えばシステムクロック間隔で繰り返すことができる。

コントローラ１１０は、少なくとも１つの入力変数に応答して第１及び第２電界駆動信号の少なくとも一方の少なくとも１つのパラメータを決定することができる。例えば、少なくとも１つの入力変数は、燃料流量、電力需要、蒸気需要、タービン需要、及び／又は燃料タイプの１つ以上を含むことができる。

コントローラ１１０はさらに、バーナー１０８への供給量（送り速度）を制御するように構成されてもよい。例えば、図５を参照すると、コントローラ１１０は、ファン又はバッフルなど５０４を可変的に駆動するために空気供給量制御信号を空気供給量制御信号伝送路５０２上に生成することができる。バーナーは、これにより、より多いか又はより少ない酸素を受け取ることができ、この酸素（他のものは等しい）は火炎１０９の濃度を制御することができる。同様に、コントローラ１１０は、燃料供給（量、組合せ等）制御信号を燃料供給制御信号伝送路５０６上に生成することができる。燃料供給制御信号伝送路５０６は、コントローラ１１０を制御装置５０８に結合することができる。例えば、制御装置５０８は、バーナー１０８への燃料流量を調節するバルブを含むことができる。

図５は、加熱容積のそれぞれの部分に少なくとも２つの電界を生成するように構成された燃焼システム５０１を、１つの部分が燃料供給装置５１０を含む一実施形態にしたがって示す。厳密に言えば、燃料供給装置５１０は、文字通り加熱容積の加熱部分１０４にある必要はないが、説明を簡単にするために、加熱容積は、燃料供給装置５１０に対応する部分１０４まで延びていることが理解されるであろう。

燃料供給装置５１０は、電極駆動信号伝送路５１４を介してコントローラ１１０から対応する電極駆動信号を受信するように連結された１つ以上の電極５１２から電界を受信するように構成されることができる。燃料供給装置５１０全体にわたって生じる電界は、燃焼直前に燃料を「分解」又は活性化するように駆動されることができる。バーナー１０８を出る前の燃料の再結合を減らすために、燃料供給装置電界をバーナー１０８の比較的近くに印加することが有利である可能性がある。例えば、燃料供給装置５１０は、バーナー１０８に供給するセラミックバーナー本体を含むことができる。１つ以上の電極５１２は、セラミックバーナー本体に埋設された導体を含むことができ、セラミックバーナー本体を通る法線を有する対向するプレートを含むことができ、遮蔽された電極伝送路を備えたアセンブリによって燃料流路中に吊り下げられた電極チップを含むことができ、環状体又は円筒体を含むことができ、且つ／又はコロナワイヤ又はグリッドを、オプションとしてコロトロン又はスコロトロンの形態で、含むことができる。

図６は、一実施形態に係る、燃焼システム６０１内の加熱容積１０６の部分１０２，１０４，６１０，６１８からのそれぞれの応答を駆動するために、複数のコントローラ部分６０２，６０４，６０６，６２０を用いるシステムの構成図である。コントローラ部分６０２，６０４，６０６，６２０は、物理的にコントローラ１１０内に配置されることができる。代わりに、コントローラ部分６０２，６０４，６０６，６２０は、例えば、それらがそれぞれ加熱容積部分１０２，１０４，６１０，６１８に近接するように分散されることができる。

コントローラ部分６０２，６０４，６０６，６２０の一部又は全部は、図３のブロック図３０１に対応するコントローラ１１０の実質的に関連する全体を含むことができる。代わりに、図３を参照すると、コントローラ機能の一部分は、１つ以上の共有リソースに統合されてもよいし、コントローラ機能の他の部分は、コントローラ部分６０２，６０４，６０６，６２０に分散されてもよい。例えば、一実施形態によれば、コントローラ部分６０２，６０４，６０６，６２０の各々は、波形発生器３０４を含むことができ、一方、コントローラ１１０の他の部分、例えば、マイクロプロセッサ３０６、メモリ回路３０８、センサインタフェース３１０、安全インタフェース３１２、バス３１４、通信インタフェース２１０、及びフロー制御信号インタフェース３２４などは、コントローラ１１０内の共通リソースに配置される。

再び図６を参照すると、電極１１２ａ，１１２ｂ及び１１２ｃは、それぞれコントローラ部分６０２によって電極駆動信号伝送線１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃにより駆動されることができる。電極１１２ａ，１１２ｂ及び１１２ｃは、バーナー１０８が火炎１０９を支持する加熱容積１０６の第１部分１０２に変調電界を形成するように配置されることができる。電界は、渦流をもたらし且つ／又は他の方法で火炎１０９内及びその近くで燃焼を促進するように駆動されることができる。電極１１２ａ，１１２ｂ及び１１２ｃによって生成された電界に対する少なくとも１つの応答は、電極２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃによって感知されることもできる。電界駆動電極１１２ａは、したがって電界センサ２０２ａと称することもできる。同様に、電界駆動電極／センサ１１２ｂ，２０２ｂ及び１１２ｃ，２０２ｃも、電界の駆動と感知の両方に使用されることができる。同様に、電極駆動信号伝送路１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃの少なくとも一部は、それぞれのセンサ信号伝送路２０４ａ，２０４ｂ，２０４ｃとして機能することもできる。

第２コントローラ部分６０４は、電極駆動信号伝送路１１８を介して加熱容積１０６の第２部分１０４に配置された第１電極１１６を駆動することができる。一実施形態によれば、電極１１６は、加熱容積１０６の第１部分１０２を出る加熱され且つさらにイオン化されたガスから熱を除去するように構成された熱電対接合部２０６（図示せず）の壁として構成されることができる。センサ信号伝送路２０８は、熱電対接合部２０６（図示せず）において熱交換器壁の一部分に連結されることができる。センサ信号伝送路１１８からのフィードバックは、例えば、熱交換器への水の流量を制御するため及び／又は火炎１０９へのガス流を制御するために使用されることができる。

したがって、燃焼システム６０１は、必要に応じて可変速度で加熱するように構成された可変出力ボイラーのための機能を提供することができる。当然のことながら、バーナー１０８は複数のバーナーを含むことができ、燃料流量は、連続的な及び／又は急増した需要を満たすために適切な多数のバーナー１０８に与えられる。

第３制御部６０６は、加熱容積１０６の第３部分６１０に配置された電極６０８ａ，６０８ｂ，６０８ｃ，６０８ｄを駆動することができる。第３制御部６０６は、それぞれの電極駆動信号伝送路６１２ａ，６１２ｂ，６１２ｃ，６１２ｄを介して電極６０８ａ，６０８ｂ，６０８ｃ，６０８ｄを駆動することができる。電極６０８ａ，６０８ｂ，６０８ｃ，６０８ｄは、加熱容積部分６１０を通過する気体から灰、ほこり、及び／又は他の望ましくない煙道ガス成分を捕捉するように動作可能な電気集塵プレートとして構成されることができる。

オプションとして、センサ６１４は、センサ信号伝送路６１６を介してコントローラ部分６０６にセンサ信号を送信することができる。センサ６１４は、さらなる加熱及び燃焼のために加熱容積部分６１０から第１加熱容積部分１０２へガスを戻して再利用する必要性を示す状態を検知するように構成されることができる。例えば、センサ６１４は、加熱容積部分６１０における未燃燃料の存在を検出するように構成された分光計を含むことができる。

センサ信号伝送路６１６を介してセンサ６１４からの信号を受信すると、コントローラ部分６０６は、加熱容積部分６１０内に存在するイオン種を下方に駆動して火炎１０９の付近に戻すように電極６０８ａ，６０８ｂ，６０８ｃ，６０８ｄの極性を瞬間的に設定することができる。ガス及び加熱容積部分６１０内のガス中に存在する非荷電燃料粒子は、イオン種に同伴されることができる。代わりに、加熱容積部分６１０内の実質的にすべての燃料粒子が電荷を保持することができ、電極６０８ａ，６０８ｂ，６０８ｃ，６０８ｄによってもたらされる電界により直接駆動されることができる。

上記のように、慣例により加熱容積部分と考えることができ、文字通りに加熱されるよりむしろ本明細書で使用される加熱容積１０６の第４部分６１８は、燃料供給装置５１０に対応することができる。制御部６２０は、図５に関連して上述したように、燃料を活性化するために電極駆動信号伝送路５１４を介して燃料供給装置５１０の近くに配置された電極５１２を駆動することができる。

燃料イオン化検出器６２２は、燃料供給装置５１０からバーナー１０８及び火炎１０９に流れる燃料のイオン化の程度を感知し、センサ信号伝送路６２４を介してコントローラ部分６２０に対応するセンサ信号を送信するように配置されることができる。感知された信号は、電極駆動信号伝送路５１４を介してコントローラ部分６２０から電極５１２送られる振幅、周波数、及び／又は他の波形の特性を選択するために使用されることができる。

当業者は、上記の特定の例示的なプロセス及び／又は装置及び／又は技術は、本明細書の他所、例えば本明細書と共に提出された特許請求の範囲及び／又は本出願の他所に教示された、より一般的なプロセス及び／又は装置及び／又は技術を代表するものであることを理解するであろう。

様々な態様及び実施形態を本明細書に開示してきたが、他の態様及び実施形態も考えられる。本明細書に開示された様々な態様及び実施形態は、例示の目的のためのものであって、限定を意図するものではなく、真の範囲及び精神は、以下の特許請求の範囲によって示される。

Claims (57)

1. 燃焼システムから２つ以上の応答を選択する方法であって、
   燃焼中に生成された荷電種を含む加熱容積の第１部分で少なくとも１つの第１電界を駆動することと、
   前記加熱容積の第２部分で少なくとも１つの第２電界を駆動することと
   を含む方法。
2. 前記少なくとも１つの第１電界が第１応答を駆動するように制御され、前記少なくとも１つの第２電界は前記第１応答とは異なる第２応答を駆動するように制御される、請求項１に記載の方法。
3. 前記加熱容積の第１部分は、少なくとも１つの燃焼反応ゾーンに相当し、前記加熱容積の第２部分は、熱伝達ゾーン、汚染軽減部、及び燃料供給部からなる群から選択される少なくとも１つに相当する、請求項２に記載の方法。
4. 前記第１電界は、燃焼効率を最大にするように駆動され、前記第２電界は、伝熱経路を選択すること、伝熱面から燃焼生成物を除去すること、熱搬送媒体への熱伝達を最大にすること、灰を沈殿させること、窒素酸化物排出を最小限に抑えること、及び未燃燃料をリサイクルすることからなる群から選択される少なくとも１つを実行するように駆動される、請求項１に記載の方法。
5. 前記第１及び第２応答は、それぞれ物理的又は化学的な応答を含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記第１応答は、渦流、混合、応答衝突エネルギー、応答衝突の頻度、光度、熱放射、及び煙道ガスの温度からなる群から選択される少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記第２応答は、伝熱面に熱を向けること、沈殿、窒素酸化物生成反応を最小反応範囲にすること、及び燃料粒子をリサイクルすることからなる群から選択される少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
8. 少なくとも１つの入力変数の検出に応答して前記第１又は第２電界の少なくとも一方を変更することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記少なくとも１つの入力変数は、燃料流量、電力需要、蒸気需要、タービン需要、燃料タイプ、カーボンフットプリントの値、及び排出権の値を含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記加熱容積は、前記第１部分に対応する燃焼容積と、前記第２部分に対応する伝熱ゾーン又は汚染軽減部の少なくとも１つとを含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記第１及び第２電界を駆動することは、第１及び第２駆動パルス列を送ることを含む、請求項１に記載の方法。
12. 前記加熱容量の第１及び第２部分の物理的又は化学的な状態に応答してそれぞれのセンサから第１及び第２入力変数を受信することと、
    前記第１及び第２駆動パルス列の１つ以上のパラメータを決定するためにそれぞれのフィードバック又はフィードフォワード制御アルゴリズムを行うことと
    をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記第１及び第２電界を駆動することは、対応する第１及び第２駆動波形を駆動することを含む、請求項１に記載の方法。
14. 前記駆動波形は、直流信号、交流信号、パルス列、パルス幅変調信号、パルス高変調信号、チョップ信号、デジタル信号、離散レベル信号、及びアナログ信号からなる群から選択される少なくとも１つを含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記電界を駆動するために動作可能に連結された電子コントローラを提供することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
16. 前記第１及び第２電界のそれぞれに対して少なくとも１つの電界パラメータを選択するように構成された電子コントローラを提供することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
17. 前記加熱容積内のそれぞれ少なくとも１つの電極を用いて前記第１及び第２の駆動された電界を形成することをさらに含み、
    前記加熱容積の第１部分は、少なくとも１つのバーナーを含む実質的に大気圧の燃焼容積を含む、請求項１に記載の方法。
18. 前記第１及び第２電界は実質的に重なり合わない、請求項１に記載の方法。
19. 前記第１及び第２電界は、ボイラー燃焼容積及び煙道の異なる部分に動作可能に結合される、請求項１に記載の方法。
20. 前記第１及び第２電界の少なくとも１つのパラメータが相互に依存している、請求項１に記載の方法。
21. 前記加熱容積から少なくとも１つの応答値を受信することと、
    前記少なくとも１つの応答値に応答して前記第１電界の少なくとも１つの第１パラメータを算出することと、
    前記少なくとも１つの応答値と前記少なくとも１つの第１パラメータに応答して前記第２電界の少なくとも１つの第２パラメータを算出することと
    をさらに含む、請求項１に記載の方法。
22. 前記加熱容積の第１部分における少なくとも１つのバーナーへの燃料流量を決定することと、
    前記燃料流量に応答して第１電界振幅と第１電界パルス幅の少なくとも一方を決定することと、
    前記第１電界振幅と第１電界パルス幅の少なくとも一方に応答して第２電界振幅と第２電界パルス幅の少なくとも一方を決定することと
    をさらに含む、請求項１に記載の方法。
23. 前記第２電界は、前記加熱容積の第１部分に未燃の炭化水素燃料を再循環させるように構成される、請求項２２に記載の方法。
24. 前記第１電界は、前記加熱容積の第１部分で支持される火炎における反応の程度まで燃料の燃焼を駆動するように構成され、前記第２電界は、前記加熱容積の第２部分に含まれる煙道からの燃料の未燃粒子をさらなる燃焼のために前記加熱容積の第１部分に戻して再循環するように構成される、請求項１に記載の方法。
25. 前記第１及び第２電界は実質的に直接相互作用しない、請求項１に記載の方法。
26. 火炎を支持する少なくとも１つのバーナーを含む燃焼システムにおいて複数の電界を制御するシステムであって、
    少なくとも第１及び第２電極駆動信号を生成するように構成された電子コントローラと、
    バーナーによって支持される火炎の近位に配置され、且つ前記第１電極駆動信号を受信するように動作可能に連結された少なくとも１つの第１電極と、
    前記少なくとも１つの第１電極に対して前記バーナーによって支持される火炎から遠位に配置され、且つ前記第２電極駆動信号を受信するように動作可能に連結された少なくとも１つの第２電極と
    を含むシステム。
27. 前記少なくとも１つの第１電極及び前記少なくとも１つの第２電極の少なくとも一方が少なくとも２つの電極を含む、請求項２６に記載のシステム。
28. 前記バーナーによって支持される前記火炎の近位の状態を感知するように配置され、且つ前記電子コントローラに動作可能に連結された少なくとも１つの第１センサをさらに含む、請求項２６に記載のシステム。
29. 前記少なくとも１つの第１センサは前記火炎の燃焼パラメータを感知するように構成される、請求項２８に記載のシステム。
30. 前記少なくとも１つの第１センサは、火炎輝度センサ、フォトセンサ、赤外線センサ、燃料流量センサ、温度センサ、煙道ガス温度センサ、無線周波数センサ、及び流量センサからなる群から選択される少なくとも１つを含む、請求項２９に記載のシステム。
31. 前記少なくとも１つの第１センサは火炎の近位に位置するセンサを含む、請求項２８に記載のシステム。
32. 前記バーナーによって支持される前記火炎から遠位の状態を感知するように配置され、且つ前記電子コントローラに動作可能に連結された少なくとも１つの第２センサをさらに含む、請求項２６に記載のシステム。
33. 前記少なくとも１つの第２センサは前記火炎から遠位に位置するセンサを含む、請求項３２に記載のシステム。
34. 前記少なくとも１つの第２センサは、透過率センサ、微粒子センサ、温度センサ、イオンセンサ、表面コーティングセンサ、音響センサ、ＣＯセンサ、Ｏ_２センサ、及び窒素酸化物センサからなる群から選ばれる少なくとも１つを含む、請求項３２に記載のシステム。
35. 前記コントローラは、少なくとも１つの入力変数を受け取るように構成された通信インタフェースをさらに含む、請求項２６に記載のシステム。
36. 前記コントローラは、前記少なくとも１つの入力変数に応答して前記第１及び第２電界駆動信号の少なくとも一方の少なくとも１つのパラメータを決定するように構成される、請求項３５に記載のシステム。
37. 前記少なくとも１つの入力変数は、燃料流量、電力需要、蒸気需要、タービン需要、燃料タイプ、カーボンフットプリントキャスト、排出権の値からなる群から選ばれる少なくとも１つを含む、請求項３６に記載のシステム。
38. 前記電子コントローラは、さらに、燃料流量制御信号及び空気流制御信号の少なくとも１つを生成するように構成される、請求項２６に記載のシステム。
39. 前記燃料流量制御信号を受信するように動作可能に連結され、且つ前記バーナーへの燃料流量を応答して調節する弁をさらに含む、請求項３８に記載のシステム。
40. 前記空気流制御信号を受信するように動作可能に連結され、且つ前記火炎への空気流量を応答して調節する送風機をさらに含む、請求項３８に記載のシステム。
41. 前記電子コントローラは、前記第１電極駆動信号を提供するように構成された第１電子コントローラと、前記第２電極駆動信号を提供するように構成された第２電子コントローラとを少なくとも含む、請求項２６に記載のシステム。
42. 前記第１及び第２コントローラは互いに動作可能に連結される、請求項４１に記載のシステム。
43. 外部燃焼システムであって、
    燃焼チャンバ内に配置された少なくとも１つの火炎を支持するように構成された少なくとも１つのバーナーと、
    前記燃焼チャンバに動作可能に連結され、且つ前記少なくとも１つの火炎を又は火炎の周辺を通過する第１時変電界を印加するように構成された少なくとも１つの第１電極と、
    前記燃焼チャンバから少なくとも高温ガスを受け取るように構成された熱交換容積に動作可能に連結された少なくとも１つの第２電極と、
    前記高温ガスを又は高温ガスの周辺を通過する第２時変電界を印加するように構成された少なくとも１つの第２電極と
    を含む外部燃焼システム。
44. 前記それぞれの第１及び第２時変電界を印加するために前記少なくとも１つの第１電極及び前記少なくとも１つの第２電極を駆動するように構成された少なくとも１つの電極駆動回路をさらに含む、請求項４３に記載の外部燃焼システム。
45. 前記第１及び第２電界が異なる時間変化を有する、請求項４３に記載の外部燃焼システム。
46. 前記第１電界の時間変化は燃焼を最大にするように選択される、請求項４５に記載の外部燃焼システム。
47. 前記少なくとも高温ガスは荷電粒子を含み、前記第２電界の時間変化は、少なくとも１つの第１方向に前記荷電粒子を駆動するために選択される、請求項４５に記載の外部燃焼システム。
48. 前記荷電粒子を前記第１方向に駆動することはまた、前記高温ガスの少なくとも一部分を前記少なくとも１つの第１方向に進ませる、請求項４７に記載の外部燃焼システム。
49. 前記少なくとも１つの第１方向は少なくとも１つの伝熱面に突き当たる、請求項４７に記載の外部燃焼システム。
50. 前記少なくとも１つの第１方向は前記燃焼チャンバに戻る循環を含む、請求項４７に記載の外部燃焼システム。
51. 前記第２電界の時間変化は、前記荷電粒子を前記少なくとも１つの第１方向及び少なくとも１つの第２方向に順次駆動するように選択される、請求項４７に記載の外部燃焼システム。
52. 前記少なくとも高温ガスが荷電粒子を含み、前記第２時変電界は、前記荷電粒子を前記高温ガスから分離するように構成される、請求請求項４３に記載の外部燃焼システム。
53. 前記少なくとも１つのバーナーに燃料を供給するように構成された燃料供給システムをさらに含む、請求項４３の外部燃焼システム。
54. 少なくとも前記高温ガスから熱を受け取り且つ前記熱を遠隔位置に送るように構成された熱供給システムをさらに含む、請求項４３の外部燃焼システム。
55. 前記熱を前記遠隔位置で受け取るように構成された蒸気タービンをさらに含む、請求項５４の外部燃焼システム。
56. 前記高温ガスを受け取るように構成されたガスタービンをさらに含む、請求項４３の外部燃焼システム。
57. 前記少なくとも１つのバーナー、前記少なくとも１つの第１電極、及び前記及び少なくとも１つの第２電極は、強制空気加熱システムの一部であり、
    加熱された空気を複数の遠隔位置に送るように構成された空気ダクトの複合体をさらに含む、請求項４３の外部燃焼システム。

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