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CN105556210B - 用于低nox燃烧的多孔火焰保持器 - Google Patents

用于低nox燃烧的多孔火焰保持器 Download PDF

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CN105556210B
CN105556210B CN201480047833.1A CN201480047833A CN105556210B CN 105556210 B CN105556210 B CN 105556210B CN 201480047833 A CN201480047833 A CN 201480047833A CN 105556210 B CN105556210 B CN 105556210B
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约瑟夫·科兰尼诺
罗伯特·E·布赖登塔尔
克里斯多佛·A·威克洛夫
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Abstract

本发明公开了一种燃烧器，所述燃烧器包括多孔火焰保持器，所述多孔火焰保持器被构造为支持燃烧反应以实现氮氧化物(NOx)的非常低的输出。

Description

用于低NOX燃烧的多孔火焰保持器
相关专利申请的交叉引用
本专利申请要求提交于2013年10月7日的名称为“POROUS FLAME HOLDER FOR LOWNOx COMBUSTION”(用于低NOx燃烧的多孔火焰保持器)的美国临时专利申请No.61/887,741、提交于2013年9月23日的名称为“PROGRESS AND RECENT ADVANCES USINGELECTRODYNAMIC COMBUSTION CONTROL(ECC)”(使用电动燃烧控制(ECC)的发展和最新进展)的美国临时专利申请No.61/881,368、和提交于2014年2月14日的名称为“FUELCOMBUSTION SYSTEM WITH A PERFORATED REACTION HOLDER”(具有有孔反应保持器的燃料燃烧系统)的PCT专利申请No.PCT/US2014/016632的优先权，所述专利申请中的每个在不与本文公开内容相矛盾的程度内以引用方式并入。
技术领域
本专利申请大体上涉及但不限于用于低NOx燃烧的多孔火焰保持器。
背景技术
NOx是由EPA管制的污染物和燃烧器性能的关键度量。严格的新NOx管理条例正在国家的若干地区(包括德克萨斯州和加利福尼亚州)中实施。加利福尼亚州的南海岸空气质量管理区的第1146条规定在不晚于 2014年7月的期限内燃烧器产生小于9ppm的NOx。产业集团预计在一些区域中这些限制将很快进一步降低到低至5ppm，该国家的剩余区域将同样遵循这些限制。
为了应对该挑战，一些燃烧器和燃烧系统制造商已能够开发出可实现NOx目标的系统，但固有的设计折衷赋予能量效率高成本，所述高成本在这些非常低的排放水平下变得令人望而却步，即使对于历史上低价的天然气也是如此。
与现有技术的低NOx和超低NOx燃烧器相关联的最大成本是所导致的能量效率的显著损失。该损失直接起源于再循环烟道气和增加过量空气以冷却燃烧反应的组合效果连同由于火焰不稳定性所造成的下调损失，并且可导致燃料消耗的显著增加以及最高至20-30％的寄生功率损失。
市场已经长期优选低NOx和超低NOx燃烧器作为成本更高的燃烧后处理的替代，诸如选择性催化还原(SCR)系统，该系统安装成本更高、操作复杂并且消耗相当多数量的有害物质，诸如无水氨。
发明内容
实施例使用基于熔炉中的多孔火焰保持器的原型燃烧器展示出NOx排放减少95％(降至小于2ppm)，该燃烧器在温度为约1600℉，O2浓度在 2.5％至3.2％范围内并且几乎没有CO的情况下操作。
实施例实现在没有高成本的FGR或SCR系统的情况下NOx降低至 2ppm。此外，火焰长度减小最多至80％。并且，不同于其他低NOx系统，燃烧器将氧气保持在正常操作水平(1-3％)下，并且可在整个较宽操作范围内维持稳定的燃烧反应。由于这些特征，与传统低NOx和超低NOx燃烧器相比，该燃烧器在燃料效率和工艺产量中实现显著优点。
许多传统低NOx燃烧器利用增加的火焰长度和减小的动量来减少NOx，但是所得贫“火焰图案”可导致燃烧反应冲击和焦化。精炼工艺加热器对于该问题特别敏感，这是由于因燃烧率必须被节流以避免设备损坏所造成的对产品产量和工厂收入的直接负面影响。根据我们的分析，由于贫火焰图案所造成的燃烧容量的3％至7％损失每年在损失的工艺产量中可花费数百万美元。对于每个工厂而言，消除该瓶颈可提高每年1200和2800 万美元之间的工厂盈利。这是特别高的价值，因为其通过增加容量来利用如此多的工厂资本。
根据实施例，燃烧器包括燃料喷嘴组件，燃料喷嘴组件被构造为输出包括燃料和氧化剂的气体混合物；以及多孔火焰保持器，该多孔火焰保持器限定被对准以接收气体混合物的多个气体通道，每个气体通道具有等于或大于燃料淬熄距离的最小尺寸，该气体通道被构造为经过由气体混合物支持的燃烧反应。气体通道各自包括壁，该壁被构造为接收来自气体混合物的反应部分的热量，朝向气体混合物的未反应部分辐射和/或传导热量，以及输出与气体混合物的未反应部分相邻的热量以加热气体混合物。多孔火焰保持器维持气体通道内的稳定燃烧。提供给气体通道中的混合物的热量可保持燃烧反应稳定，即使燃料/氧化剂混合物处于或低于在传统燃烧器中将为稳定的贫可燃极限。
根据实施例，降低燃烧NOx的方法包括将燃料和氧化剂输出到燃烧器，允许一定的时间以使混合物发展到更好的混合状态，以及然后燃烧多孔火焰保持器内的混合物。多孔火焰保持器被构造为接收来自多孔火焰保持器内的多个气体通道中的每个中的燃烧反应的热量，并且将热量充分传导到混合物以使稳定的燃烧在多孔火焰保持器内得到支持。
根据实施例，稀释燃料燃烧器包括燃料喷嘴组件，该燃料喷嘴组件被构造为输出包括燃料和氧化剂的气体混合物；多孔火焰保持器，该多孔火焰保持器限定被对准以接收气体混合物的气体通道，该气体通道被构造为承载由气体混合物支持的燃烧反应；以及多孔火焰保持器支撑结构，该多孔火焰保持器支撑结构被构造为将多孔火焰保持器保持在远离燃料喷嘴组件的一定稀释距离处，该稀释距离被选择为允许气体混合物的稀释。
项目1：一种燃烧器，所述燃烧器包括：
燃料喷嘴组件，所述燃料喷嘴组件被构造为输出包括燃料和氧化剂的气体混合物；以及
多孔火焰保持器，所述多孔火焰保持器限定被对准以接收所述气体混合物的气体通道，每个气体通道具有等于或大于燃料淬熄距离的最小横向尺寸，所述气体通道被构造为经过由所述气体混合物支持的燃烧反应；
其中所述气体通道包括壁，所述壁被构造为接收来自所述气体混合物的反应部分的热量，朝向所述气体混合物的未反应部分辐射所述热量，以及接收与所述气体混合物的所述未反应部分相邻的所辐射的热量。
项目2：根据项目1所述的燃烧器，其中所述气体通道进一步被构造为将所述燃烧反应的位置固定在所述气体混合物的流中。
项目3：根据项目1所述的燃烧器，其中所述燃料喷嘴组件被构造为充分混合所述气体混合物以破坏纯燃料和携带所述氧化剂的空气之间的 Taylor层。
项目4：根据项目1所述的燃烧器，其中所述燃料喷嘴组件被构造为用足够的空气或烟道气将所述气体混合物输出到所述多孔火焰保持器以使所述燃料处于贫乏化学计量混合物的情况下。
项目5：根据项目4所述的燃烧器，其中所述燃料喷嘴组件被构造为以所述燃料的贫可燃极限输出所述气体混合物。
项目6：根据项目1所述的燃烧器，其中所述多孔火焰保持器被构造为将热量从所述气体混合物的所述反应部分辐射出去。
项目7：根据项目1所述的燃烧器，其中所述多孔火焰保持器被构造为将热量从由所述气体混合物支持的所述燃烧反应辐射出去。
项目8：根据项目6所述的燃烧器，其中所述多孔火焰保持器被构造为将热量从所述燃烧反应充分辐射出去以使所述气体混合物在1093℃或 1093℃以下燃烧，其中所述气体混合物由来自所述燃烧反应的空气、甲烷和烟道气组成。
项目9：根据项目8所述的燃烧器，其中所述多孔火焰保持器被构造为将热量从所述燃烧反应充分辐射出去以使所述气体混合物在约927℃下燃烧，其中所述气体混合物由来自所述燃烧反应的空气、甲烷和烟道气组成。
项目10：根据项目1所述的燃烧器，其中所述气体通道具有恒定的横截面积。
项目11：根据项目1所述的燃烧器，其中所述气体通道以每英寸10个或更小的间距在所述多孔火焰保持器的两个维度上形成。
项目12：根据项目1所述的燃烧器，其中所述气体通道以每英寸4个或每英寸多于4个的间距在所述多孔火焰保持器的两个维度上形成。
项目13：根据项目1所述的燃烧器，其中所述多孔火焰保持器由耐火材料形成。
项目14：根据项目1所述的燃烧器，其中所述多孔火焰保持器由包括氧化铝的材料形成。
项目15：根据项目1所述的燃烧器，所述燃烧器还包括：
启动火焰保持器，所述启动火焰保持器被构造为保持具有比所述多孔火焰保持器更富集的燃料混合物的所述燃烧反应，其中所述启动火焰保持器被构造为在这样的位置处支持所述燃烧反应，所述位置被构造为预热所述多孔火焰保持器。
项目16：根据项目1所述的燃烧器，其中所述燃料喷嘴组件包括多个喷嘴，所述多个喷嘴被构造为输出纯的燃料。
项目17：根据项目16所述的燃烧器，
其中所述燃料喷嘴组件包括空气源，所述空气源被构造为输出纯的空气；并且
其中所述燃料喷嘴组件限定混合区，所述混合区被构造为允许所述纯的燃料与所述纯的空气混合以在所述多孔火焰保持器处产生均匀的气体混合物。
项目18：根据项目1所述的燃烧器，其中所述燃料喷嘴组件包括预混合室，所述预混合室被构造为均匀地混合所述气体混合物；以及
阻焰器，所述阻焰器设置在所述预混合室和所述多孔火焰保持器之间。
项目19：根据项目1所述的燃烧器，其中所述横向尺寸是直径。
项目20：一种降低燃烧NOx的方法，所述方法包括：
将燃料和氧化剂输出到燃烧器；然后
允许一定的时间以使所述燃料和所述氧化剂的混合物发展到更好的混合状态；以及然后
在多孔火焰保持器内燃烧所述混合物；
其中所述多孔火焰保持器被构造为将热量充分传导到所述混合物以使燃烧在所述多孔火焰保持器内得到支持。
项目21：根据项目20所述的方法，其中燃烧所述混合物的所述步骤还包括使所述混合物经过所述多孔火焰保持器的气体通道，所述气体通道具有等于或大于所述混合物的燃料淬熄距离的最小横向尺寸。
项目22：根据项目21所述的方法，其中所述横向尺寸是直径。
项目23：根据项目21所述的方法，其中所述气体通道具有恒定的横截面积。
项目24：根据项目21所述的方法，其中所述气体通道以每英寸10个或更小的间距在所述多孔火焰保持器的两个维度上形成。
项目25：根据项目21所述的方法，其中所述气体通道以每英寸4个或更大的间距在所述多孔火焰保持器的两个维度上形成。
项目26：根据项目21所述的方法，其中所述气体通道包括壁，所述壁被构造为接收来自所述混合物的反应部分的热量，朝向所述混合物的未反应部分辐射所述热量，以及接收与所述混合物的所述未反应部分相邻的所辐射的热量。
项目27：根据项目20所述的方法，其中允许一定的时间的所述步骤还包括允许足够的时间以破坏纯燃料和携带所述氧化剂的空气之间的 Taylor层。
项目28：根据项目20所述的方法，其中输出燃料和氧化剂的所述步骤还包括提供足够的空气或烟道气以使所述燃料处于贫乏化学计量混合物的情况下。
项目29：根据项目28所述的方法，还包括形成所述混合物以处于所述燃料的贫可燃极限。
项目30：根据项目20所述的方法，还包括将所述多孔火焰保持器的辐射特性构造为当所述混合物由来自燃烧反应的空气、甲烷和烟道气组成时，将热量从所述燃烧充分辐射出去以使所述混合物在1093℃或1093℃以下燃烧。
项目31：根据项目30所述的方法，还包括将所述多孔火焰保持器的所述辐射特性构造为当所述混合物由来自所述燃烧反应的所述空气、所述甲烷和所述烟道气组成时，将所述热量从所述燃烧充分辐射出去以使所述混合物在927℃或927℃以下燃烧。
项目32：根据项目20所述的方法，所述方法还包括：
使用启动火焰保持器以保持具有比所述多孔火焰保持器的所述混合物更富集的启动混合物的燃烧反应，以及
使用所述启动火焰保持器来预热所述多孔火焰保持器。
项目33：根据项目20所述的方法，其中输出燃料和氧化剂的所述步骤还包括采用包括多个喷嘴的燃料喷嘴组件，所述多个喷嘴被构造为输出纯的燃料。
项目34：根据项目33所述的方法，
其中所述燃料喷嘴组件包括空气源，所述空气源被构造为输出纯的空气；并且
其中所述燃料喷嘴组件限定混合区，所述混合区被构造为允许所述纯的燃料与所述纯的空气混合以在所述多孔火焰保持器处产生均匀的气体混合物。
项目35：根据项目20所述的方法，其中输出燃料和氧化剂的所述步骤包括将所述燃料和氧化剂输出到预混合室，所述预混合室被构造为均匀地混合所述混合物；其中所述方法还包括：
将阻焰器支撑在所述预混合室和所述多孔火焰保持器之间。
项目36：根据项目20所述的方法，其中所述多孔火焰保持器由耐火材料形成。
项目37：根据项目20所述的方法，其中所述多孔火焰保持器由包括氧化铝的材料形成。
项目38：一种稀释燃料燃烧器，所述稀释燃料燃烧器包括：
燃料喷嘴组件，所述燃料喷嘴组件被构造为输出包括燃料和氧化剂的气体混合物；
多孔火焰保持器，所述多孔火焰保持器限定被对准以接收所述气体混合物的气体通道，所述气体通道被构造为承载由所述气体混合物支持的燃烧反应；以及
多孔火焰保持器支撑结构，所述多孔火焰保持器支撑结构被构造为将所述多孔火焰保持器保持在远离所述燃料喷嘴组件的一定稀释距离处，所述稀释距离被选择为允许所述气体混合物的稀释。
项目39：根据项目38所述的稀释燃料燃烧器，其中所述气体通道包括相应的壁，所述壁被构造为接收来自所述气体混合物的反应部分的热量，朝向所述气体混合物的未反应部分转移所述热量，接收与所述气体混合物的所述未反应部分相邻的所转移的热量，以及将所述热量传导入所述气体混合物的所述未反应部分中。
项目40：根据项目38所述的稀释燃料燃烧器，所述稀释燃料燃烧器还包括：
多孔火焰保持器支撑结构，所述多孔火焰保持器支撑结构被构造为将所述多孔火焰保持器支撑在距一个或多个燃料喷嘴的所述稀释距离处，所述一个或多个燃料喷嘴被构造为输出纯的燃料。
附图说明
图1A为根据实施例的燃烧器的剖面图。
图1B为根据另一个实施例的燃烧器的示意图。
图2为根据实施例的包括在图1的燃烧器的多孔火焰保持器部分中的多个气体通道的侧剖面图。
图3为根据实施例的燃烧器NOx和CO排放性能的性能曲线图。
图4为根据实施例的用于制备气体混合物的燃料和燃烧空气混合的示意图。
图5为流程图，其示出了根据实施例的用于使用图1A、图1B和图2 所示的装置的方法。
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例并不用来进行限制。在不脱离本文所述主题的精神或范围的前提下，可采用其他实施例并且可作出其他改变。
图1A为根据实施例的燃烧器100的示意图。图1B为根据另一个实施例的燃烧器101的示意图。参见图1A和图1B，燃烧器100、101包括燃料喷嘴组件102，该燃料喷嘴组件102被构造为输出包括燃料和氧化剂的气体混合物104。多孔火焰保持器106被对准以在上游表面108处接收气体混合物104。多孔火焰保持器106限定多个气体通道110，气体通道110中的每个被构造为承载由气体混合物104支持的燃烧反应。在一些实施例中，气体通道110中的每个可具有等于或大于火焰淬熄距离的最小横向尺寸。
图2为根据实施例的包括在图1A和图1B的燃烧器100、101的多孔火焰保持器106部分中的多个气体通道110的侧剖面图200。示出了最小横向尺寸DL。火焰淬熄距离是指火焰将不会穿过的横向尺寸。存在两种意义，其中气体通道106具有大于淬熄距离的尺寸D。在两种意义上，火焰在每个气体通道内保持在点火状态中并且被允许自由穿过所述气体通道(尽管下文所述的热和空气动力效应通常基本上在气体通道110内、在多孔火焰保持器106的上游表面108和下游表面112之间限制燃烧反应发生)。
在传统意义上，淬熄距离是表列值，该表列值在化学计量条件下确定。该淬熄距离通常被认为是燃料的属性并且存在为表列属性。大多数烃具有约0.1"的淬熄距离。例如，NACA Lewis报告1300将淬熄距离如表1 所示制成表格。
表1
燃料淬熄距离
烃燃料 淬熄距离
正丁烷 0.12"
甲烷 0.10"
丙烷 0.08"
氢 0.025"
淬熄距离表示孔口的直径，使得按化学计量预混的火焰不能在上游通过孔口蔓延到预混物贮存器中。该机制实质上为热散失(火焰由于其尝试通过孔口逆燃而放出过多能量)中的一种。
与本文所述的多孔火焰保持器106相反，支持表面燃烧的辐射燃烧器必须具有小于对于特定燃料和温度的淬熄距离的最小孔径以避免逆燃，并且这可以被认为是同义反复，即，如果火焰逆燃，则孔径必须大于在操作条件下的实际淬熄距离。
在第二种意义上，多孔火焰保持器106包括气体通道110，该气体通道大于操作淬熄距离，这是由于多孔火焰保持器106在正常的稳定状态操作条件下较热的事实。因此，多孔火焰保持器106的主体202将通常不散失来自行进穿过气体通道110的火焰的充足热量以淬熄火焰，即使尺寸DD小于传统定义的淬熄距离。
由于这是热论据，如果孔口非常热，例如，如果预混的燃烧器贮存器正在接收来自热熔炉(例如，乙烯设施中的预混燃烧器)的辐射热量，则实际逆燃可通过淬熄距离发生。但即使如此，一般来讲，淬熄距离不会显著地改变，因为气体混合物104中的预混的燃料流和空气趋于冷却限定气体通道110的壁204的上游端206。在实施例的一个范围中，多个气体通道 110各自具有介于0.05英寸和1.0英寸之间的横向尺寸DL。优选地，多个气体通道110具有介于0.1英寸和0.5英寸之间的横向尺寸DL。例如，多个穿孔可具有约0.2至0.4英寸的横向尺寸DL。在一些实施例中，气体通道 110具有基本上恒定的横截面积。在其他实施例中，气体通道110可具有不恒定的横截面积。
此外，气体混合物104通常以低于燃料的贫可燃极限的稀释被引入到多孔火焰保持器106的上游表面108(更多内容在下文中描述)。
气体通道110各自包括壁204，该壁被构造为接收来自气体混合物的放热反应部分以及来自放热反应的热产物的热量，朝向气体混合物的未反应部分传递热量，以及输出与气体混合物的未反应部分相邻的热量。本发明人已经发现，热量明显地沿着壁204的气体通道110的热量接收区域208 从燃烧反应接收，该热量接收区域208开始于从多孔火焰保持器106的上游表面108到下游表面112的长度L的约1/3一直到火焰保持器106的下游表面112。热量在上游沿着多孔火焰保持器106的主体202通过热传导(示意性地图示为210)、热辐射(示意性地图示为212)、或(更可能地)热传导210和热辐射212两者传送。从气体通道110的壁204到进入气体混合物104的净热流在区域206中明显发生，该区域206从多孔火焰保持器106 的上游表面108延伸到从多孔火焰保持器的上游表面108到下游表面112 的长度L的约1/3。
气体通道110被构造为凭借上述热传递效果将燃烧反应的位置固定在气体混合物104的流中。在稳定状态操作条件下，多孔火焰保持器106的气体通道110被构造为将由气体混合物104支持的燃烧反应基本上保持在多孔火焰保持器106的上游表面108和下游表面112之间。
在启动过程中，在多孔火焰保持器106已预热之后，但是在达到平衡之前，本发明人已注意到在多孔火焰保持器106的下游表面112的下游延伸的蓝色火焰。然而，即使在这些条件下，据信，大多数，即超过50％的燃烧反应在多孔火焰保持器106的上游表面108和下游表面112之间进行。
在其他实验中，本发明人发现，燃烧反应的一部分可在多孔火焰保持器106的上游表面108附近或紧邻上游的区域中进行。据信这是由于来自限定气体通道的壁204的多孔火焰保持器主体202的上游端的传导(或对流)和由火焰保持器主体202的上游端的空气动力效应造成的气体混合物 104的流动停滞的结合。除了诸如脉冲之类的瞬态效应之外，大多数的燃烧反应在多孔火焰保持器106内在上游表面108和下游表面112之间进行。
多个气体通道110可包括多个伸长的正方形。在另一个实施例中，多个气体通道110可包括多个伸长的六角形。多孔火焰保持器106可由例如可得自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(示于图1B中)形成。在另一个实施例中，多孔火焰保持器106可由捆绑在一起的多个管形成。在另一个实施例中，多孔火焰保持器106可由交错卷曲表面和盘绕在一起的平坦表面形成。在另一个实施例中，多孔火焰保持器106可形成为网状纤维网片。在另一个实施例中，多孔火焰保持器106可形成为结构化或非结构化填充物。在另一个实施例中，多孔火焰保持器106可形成为纤维增强耐火材料中钻出的孔(示于图1A中)。
在一些实施例中，气体通道110可分别从多孔火焰保持器106的上游表面108经过到多孔火焰保持器106的下游表面112。在其他实施例中，气体通道可从多孔火焰保持器的上游表面108经过到下游表面112，其中交点被构造为如果气体混合物104或燃烧反应由多孔火焰保持器106内的气体混合物支持便允许合并。多孔火焰保持器106可由固体主体构成或由复合物主体构成，诸如网状纤维或层状片材。
多孔火焰保持器106可由耐火材料(诸如氧化铝)形成。除此之外或作为另外一种选择，多孔火焰保持器106可由堇青石或莫来石形成。在一些实施例中，多孔火焰保持器106可由纤维增强浇铸耐火材料形成。在另一个实施例中，多孔火焰保持器106可由金属超合金(诸如哈斯特洛伊耐蚀镍基合金或铬镍铁合金)形成。
本发明人发现，对于给定流动速度，气体通道110中的较大尺寸DL需要气体通道110的较大长度L以达到最低NOx产量。对于所测试的组合，长度L等于多孔火焰保持器106的上游表面108和下游表面112之间的距离。类似地，发现较小DL以较小气体通道长度L有效地操作。由本发明人测试的长度L在约1英寸至8英寸的范围内，更大多孔火焰保持器106厚度具有较大尺寸气体通道110。例如，将2英寸厚的多孔火焰保持器106在与约16个气体通道110每平方英寸(标称为0.25平方英寸气体通道110) 到100个气体通道每平方英寸(标称为0.10平方英寸气体通道110)范围内的密度相对应的气体通道尺寸下进行测试。将六英寸厚的多孔火焰保持器106在4个气体通道110每平方英寸(标称为0.5平方英寸气体通道 110)到16个气体通道110每平方英寸的气体通道密度下进行测试。
本发明人对多孔火焰保持器106进行测试，该多孔火焰保持器的空隙分数介于约0.3至大于0.7之间。多孔火焰保持器106的空隙分数被限定为所有气体通道110的总面积除以由上游表面108界定的总面积。一些多孔火焰保持器106实施例可以小于0.10空隙分数或大于0.90空隙分数操作，但本发明人认为，具有介于这些限制之间的空隙分数的多孔火焰保持器106 是优选的。在低空隙分数下，多孔火焰保持器106可表现出流动气体混合物104中的不期望压降。在两个所测试的空隙分数之间，示于图1B中的 0.70空隙分数多孔火焰保持器106产生比示于图1A中的0.30空隙分数多孔火焰保持器106更低的NOx浓度。
本发明人已实现了从约0.114MBTU/(hr*ft2)(每小时每平方英尺的多孔火焰保持器表面百万BTU)到1.2MBTU/(hr*ft2)的稳定热输出，同时在堆叠中维持3％O2。本发明人认为更高(稳定)热通量将可能以足够的热负荷实现以维持稳定状态温度。
图3为由一个实验中的图1A、图1B和图2的燃烧器实现的代表性排放性能的示意性图示300(但是代表许多实验)。本发明人对所示的效果进行了许多观察和测量。来自特定运行的数据示于图3中，其中在具有3％氧气(O2)堆叠浓度的烟道处监测氮氧化物(NOx)浓度302和一氧化碳(CO)浓度 304。烟道气温度为1600℉。
在7分钟启动阶段306期间，预热多孔火焰保持器来达到由800℉和1200℉之间的堆叠温度表征的启动温度。在视觉上，这对应于在示于图1B 中的实施例101的多孔火焰保持器106中心处的明亮的红橙色辉光。预热通过紧邻燃料喷嘴(在图1A和图1B中示为114a、114b、114)保持的常规火焰进行。在7分钟之后，启动火焰被吹离启动火焰保持器(启动火焰保持器116的一种变体示于图1A中)，稀释燃料和燃烧空气的气体混合物(参见104)被转移到多孔火焰保持器(参见106)，其中由于多孔火焰保持器的高温，混合物被立即点燃。
在火焰转移之后，NOx浓度从作为常规(启动)火焰特征的约120份每一百万份(ppm)急剧降至10ppm以下。在过渡阶段308期间，从启动后7 分钟到10分钟，NOx浓度渐进地接近5ppm。在数分钟之后，NOx输出降低至2ppm或更低。在过渡阶段期间，燃料流速逐渐增加以达到约 1MBTU/(hr*ft2)。在过渡阶段308期间，多孔火焰保持器平衡到由明亮的橙色辉光表征的稳定状态温度分布。还显示CO排放降低至约2ppm。
进行了随后的实验，其中NOx浓度降低到烟道气传感器的检测极限 1ppm以下。
图4为根据实施例的用于制备气体混合物104的燃料和燃烧空气混合的示意图400。该示意图示出燃料富集区域402与相邻的氧化剂富集区域 404。另一个氧化剂富集区域(未示出)将存在于燃料富集区域402左侧，但是为了简化而省略。当燃料和燃烧空气流动穿过稀释区域(参见图1A和图1B中的DD)时，在涡心406中发生混合，该混合组合物大致上可被视作均匀的，具有在燃料富集区域402和氧化剂富集区域404之间的燃料稀释。在涡心之间放置Taylor层408，该Taylor层在比涡心406中的浓度更高的燃料和氧化剂的相应浓度下。在料流104朝向多孔火焰保持器(参见 106)流动时，相对纯的燃烧空气和相对纯的燃料被涡心406以相对“大吞咽”吞噬。在料流104向上流动时，越来越多的Taylor层408被涡心吞噬以分别使燃料和空气的最大浓度减小。
混合的第一步骤是挟带。在自由剪切流动(诸如紊流射流)中，周围流体404通过大规模吞噬周围流体的舌状物而被挟带进射流402中。舌状物的边缘随后被湍流卷绕到逐渐小规模的卷积中。根据湍流混合的主导理论，混合流体仅驻留在两个位置中，与最大旋涡的应变速率相关联的Taylor层408以及与最小旋涡的应变速率相关联的Batchelor层。Taylor层和Batchelor层的厚度由大理石的平面、应变、层流火焰溶液给定。从气体和含水剪切层中的实验可以证明，Taylor层中的混合流体的量大约等于气体流中的Batchelor层中的混合流体的量。以Batchelor规模混合的流体积聚在涡心中并且变成实质上体积填充，如图4所简略绘出。
参见图1A和图1B，根据实施例，燃料喷嘴组件102被构造为充分混合气体混合物104以基本上破坏纯燃料和携带氧化剂的空气之间的Taylor 层。在由图1A和图1B示出的非预混燃烧器100、101中，燃料喷嘴组件 102包括一个或多个燃料喷嘴114、114a、114b，该燃料喷嘴被构造为基本上输出纯燃料。燃料喷嘴组件102还包括燃烧空气源118a、118b、118，该燃烧空气源被构造为提供燃烧空气。在非预混系统中，燃烧空气可被提供为自然通风或者使用例如鼓风机由强制通风提供。在燃料从燃料喷嘴 114a、114b、114向上行进穿过稀释距离DD时，该燃料挟带燃烧空气，这导致稀释。通常，燃料射流以15°立体角度膨胀(示意性地示于图1B 中)，其中对应于额外燃烧空气的整个膨胀被结合到燃料中。
根据实施例，燃料喷嘴组件102被构造为用足够的空气或烟道气将气体混合物104(包括燃料和氧化剂)输出到多孔火焰保持器106以使气体混合物104成为贫燃料的化学计量的混合物。在一些实施例中，燃料喷嘴组件102被构造为基本上以燃料的贫可燃极限输出气体混合物104。贫燃料和空气混合物104可用于降低多孔火焰保持器106内的燃烧温度。
已发现多孔火焰保持器106输出来自燃烧反应的显著量的热量作为热辐射112。换句话讲，多孔火焰保持器106被构造为将热量从气体混合物的反应部分辐射出去。换句话讲，多孔火焰保持器106被构造为将热量从由气体混合物104支持的燃烧反应辐射出去。多孔火焰保持器106可被构造为将热量从燃烧反应充分辐射出去以使气体混合物104在2000℉或2000℉以下燃烧，其中气体混合物104实质上由来自燃烧反应的空气、甲烷和烟道气组成。在一些实施例中，多孔火焰保持器106被构造为将热量从燃烧反应充分辐射出去以使气体混合物104在约1700℉下燃烧，其中气体混合物实质上由来自燃烧反应的空气、甲烷和烟道气组成。多孔火焰保持器106 的另一方面在于，该多孔火焰保持器使燃烧在非常短的时间内完成，这减少了热NOx的输出。
如上所述，燃烧器100、101可包括启动火焰保持器116，该启动火焰保持器被构造为保持具有比多孔火焰保持器106更富集的燃料混合物的燃烧反应，其中启动火焰保持器116被构造为在这样的位置处支持燃烧反应，该位置被构造为预热多孔火焰保持器106。
燃料喷嘴组件102可包括单个燃料喷嘴114或多个喷嘴114a、114b，该燃料喷嘴被构造为输出基本上纯的燃料。燃料喷嘴组件102可包括空气源118a、118b、118，该空气源被构造为输出基本上纯的空气。燃料喷嘴组件102和多孔火焰保持器106可被设置为限定混合区DD，该混合区被构造为允许基本上纯的燃料与基本上纯的空气混合以在多孔火焰保持器106的上游表面108处产生均匀的气体混合物。
作为另外一种选择，燃烧器100、101可被构造为预混燃烧器。在预混燃烧器中，燃料喷嘴组件102包括预混合室(未示出)，该预混合室可操作地联接到一个或多个燃料喷嘴114a、114b、114以及一个或多个空气源 118a、118b、118，并且被构造为均匀地混合燃料和空气以形成气体混合物 104。在预混燃烧器100、101中，阻焰器可被设置在混合室和多孔火焰保持器之间以防止逆燃。
参见图1A，燃烧器系统100可包括围绕常规喷嘴114a、114b的若干空间和时间特征结构。几何形状元件可包括较低层瓦片120，以及由支撑结构122支撑在较低层瓦片120上方的多孔火焰保持器106。当燃料被引导到较低层瓦片120时，热气体的所得再循环将燃烧反应锚定在该区域中。该启动模式被维持直到达到特征温度。例如，特征温度可为多孔火焰保持器 106的温度或一些相关温度，诸如在烟道处测量的最终系统操作温度或切换温度。一旦达到特征温度，便引发切换操作，该切换操作然后将燃烧反应锚定在多孔火焰保持器106处。后面配置中的燃烧通过各种机制显著减少NOx。例如，所谓的热NOx取决于三个主要因素：在此类有利的NOx形成条件下的火焰温度、氧浓度以及时间。通过增加所挟带的烟道气的量，氧气浓度和NOx形成物质被稀释。更多的挟带也提供更彻底的混合和更短的火焰以及减少的时间以形成NOx。因为火焰化学比燃料/空气混合快得多，所以扩散火焰中的火焰长度主要通过燃料和空气的混合确定以形成可燃混合物。通过在较高层瓦片上的燃烧之前预混合燃料和空气，火焰长度减小。由于火焰长度是限制总热量输出的一个参数，所以其减小允许给定熔炉中的较大燃烧率，从而导致更大的工艺产量。
如上所述，根据实施例，多孔火焰保持器106扮演着两个重要的角色。首先，多孔火焰保持器106充当火焰保持器，固定点火位置。第二，多孔火焰保持器有效地将能量从热燃烧产物辐射出去，从而冷却所述热燃烧产物。与烟道气相比，多孔火焰保持器106的较大热导率也使火焰温度均匀。因为热NOx形成与火焰温度指数相关，所以小体积的较高温度气体(所谓的“热点”)可占NOx形成的最大份额。因此，其他条件不变的情况下，具有较少热点的火焰将生产更少的NOx。
参见图2，热燃烧产物将热量传递到多孔火焰气体通道110的壁104。每个壁104然后可辐射红外线和可见光能量。该能量中的一些在上游辐射。通过有孔火焰保持器106与热传导210结合，热辐射212加热区域206 中的每个气体通道壁并且提供加热源以用于使迎面而来的冷却反应物流动到多孔火焰保持器106中。通过在上游传递能量，未燃烧的反应物在加热区中的停留时间增加，这可提高燃烧器的调节比。
热辐射212也是朝向熔炉壁和/或系统中的其他热负荷的输出。结果，燃烧产物的温度迅速降低，从而减少NOx排放。有孔火焰保持器106的固体表面是比燃烧产物好得多的散热器，特别是存在一点烟灰的情况下。
不像扩散火焰，图1A、图1B和图2的燃烧器100、101延迟燃烧，直到充分挟带的空气和烟道气确保低燃烧反应温度以及低NOx排放。在操作期间，在燃烧器中在下游远离燃料喷嘴114a、114b、114进行燃烧，使得每批喷射出的燃料与充足的空气混合以处于贫乏化学计量的情况下。纯燃料和空气之间的Taylor层(参见图4，408)已被破坏，并且涡心406是贫乏的。因此，燃烧产物的温度相对较低。
图5为示出根据实施例的操作图1A、图1B和图2的燃烧器以降低燃烧NOx的方法500的流程图。在方法500的步骤之前，在多孔火焰保持器中建立启动温度和/或操作温度。如上所述，建立启动温度可通过保持常规火焰来进行，该常规火焰由启动火焰保持器保持在一定位置以引起多孔火焰保持器的加热。
在步骤502处，将燃料和氧化剂混合到气体混合物中。气体混合物可以包括湍流移动气体。在一个实施例中，步骤502包括从燃料喷嘴输出基本上纯的燃料射流以及从燃烧空气源输出基本上纯的燃烧空气。燃料射流可挟带空气(包括氧气作为氧化剂)。空气可由通过例如与燃料喷嘴同心的空气源的自然对流引入。在其他实施例中，空气由强制对流从鼓风机引入。
输出基本上纯的燃料射流可包括操作包括多个喷嘴的燃料喷嘴组件，所述喷嘴各自被构造为输出基本上纯的燃料。燃料喷嘴组件可包括空气源，该空气源被构造为输出基本上纯的空气。
进行到步骤504，允许一定的时间以使气体混合物发展到更好的混合状态。步骤504可包括例如用于湍流混合的时间。在图1A和图1B的实施例中，混合时间由稀释距离DD提供，气体混合物行进穿过该稀释距离。燃料喷嘴组件和多孔火焰保持器的放置可限定混合区，该混合区被构造为允许一定的时间以使基本上纯的燃料与基本上纯的空气混合以在多孔火焰保持器处产生均匀的气体混合物。
步骤504可包括允许足够的时间以基本上破坏纯燃料和携带氧化剂的空气之间的Taylor层。步骤504可包括提供足够的空气或烟道气以使燃料处于贫乏化学计量混合物的情况下。步骤504可包括形成混合物以基本上处于燃料的贫可燃极限。
在步骤506中，气体混合物被引入到多孔火焰保持器中。步骤506可包括同时将气体混合物引入到多孔火焰保持器的上游表面，使得气体混合物同时进入多个气体通道。多孔火焰保持器可由耐火材料(诸如氧化铝、莫来石和/或堇青石)形成。在另一个实施例中，多孔火焰保持器可由超合金(诸如哈斯特洛伊耐蚀镍基合金或铬镍铁合金)形成。
在步骤508中，气体混合物在多孔火焰保持器内燃烧。多孔火焰保持器(参见106)被构造为充分传导热量以使燃烧在多孔火焰保持器内得到支持。燃烧混合物的步骤包括通过多孔火焰保持器的气体通道传递混合物 (和燃烧反应，以及燃烧反应产物)。在实施例中，气体通道具有等于或大于与燃料相关联的淬熄距离的最小尺寸。气体通道可具有基本上恒定的横截面积。在实施例中，气体通道以每直线英寸10个的间距在多孔火焰保持器的上游表面上或以更小的间距(较大单元)形成。例如，气体通道可以每英寸4个或更大的间距在多孔火焰保持器的两个维度上形成。
步骤508包括接收从通过气体通道壁的燃烧反应放出的热量。热量可朝向多孔火焰保持器的上游表面辐射、传导或辐射和传导。热壁然后将热量朝向气体混合物的未反应部分转移以加热气体混合物最高至燃烧温度。步骤508还包括将热量从多孔火焰保持器辐射出去以充分冷却燃烧以使混合物在2000℉或2000℉以下燃烧。在一些实施例中，多孔火焰保持器将热量从燃烧反应辐射出去以使混合物在1700℉或1700℉以下燃烧。
任选地，步骤502和504可包括操作燃料预混合器。操作燃料预混合器可包括使用预混合室来均匀地混合燃料和氧化剂混合物以及将阻焰器设置在混合室和多孔火焰保持器之间。
虽然本文已经公开了各个方面和实施例，但也可设想其他方面和实施例。本文所公开的各个方面和实施例出于说明性目的，而并非旨在进行限制，其具有由以下权利要求书所指示的真实范围和精神。

Claims (39)

1.一种燃烧器，所述燃烧器包括：
燃料喷嘴组件，所述燃料喷嘴组件被构造为输出包括燃料和氧化剂的气体混合物；以及
多孔火焰保持器，所述多孔火焰保持器限定被对准以接收所述气体混合物的气体通道，每个气体通道具有等于或大于燃料淬熄距离的最小横向尺寸，所述气体通道被构造为经过由所述气体混合物支持的燃烧反应；
其中所述气体通道包括壁，所述壁被构造为接收来自所述气体混合物的反应部分的热量，朝向所述气体混合物的未反应部分辐射所述热量，以及接收与所述气体混合物的所述未反应部分相邻的所辐射的热量。
2.根据权利要求1所述的燃烧器，其中所述气体通道进一步被构造为将所述燃烧反应的位置固定在所述气体混合物的流中。
3.根据权利要求1所述的燃烧器，其中所述燃料喷嘴组件被构造为充分混合所述气体混合物以破坏纯燃料和携带所述氧化剂的空气之间的Taylor层。
4.根据权利要求1所述的燃烧器，其中所述燃料喷嘴组件被构造为用足够的空气或烟道气将所述气体混合物输出到所述多孔火焰保持器以使所述燃料处于贫乏化学计量混合物的情况下。
5.根据权利要求4所述的燃烧器，其中所述燃料喷嘴组件被构造为以所述燃料的贫可燃极限输出所述气体混合物。
6.根据权利要求1所述的燃烧器，其中所述多孔火焰保持器被构造为将热量从所述气体混合物的所述反应部分辐射出去。
7.根据权利要求1所述的燃烧器，其中所述多孔火焰保持器被构造为将热量从由所述气体混合物支持的所述燃烧反应辐射出去。
8.根据权利要求6所述的燃烧器，其中所述多孔火焰保持器被构造为将热量从所述燃烧反应充分辐射出去以使所述气体混合物在1093℃或1093℃以下燃烧，其中所述气体混合物由来自所述燃烧反应的空气、甲烷和烟道气组成。
9.根据权利要求8所述的燃烧器，其中所述多孔火焰保持器被构造为将热量从所述燃烧反应充分辐射出去以使所述气体混合物在927℃下燃烧，其中所述气体混合物由来自所述燃烧反应的空气、甲烷和烟道气组成。
10.根据权利要求1所述的燃烧器，其中所述气体通道具有恒定的横截面积。
11.根据权利要求1所述的燃烧器，其中所述气体通道以每英寸10个或更小的间距在所述多孔火焰保持器的两个维度上形成。
12.根据权利要求1所述的燃烧器，其中所述气体通道以每英寸4个或每英寸多于4个的间距在所述多孔火焰保持器的两个维度上形成。
13.根据权利要求1所述的燃烧器，其中所述多孔火焰保持器由耐火材料形成。
14.根据权利要求1所述的燃烧器，其中所述多孔火焰保持器由包括氧化铝的材料形成。
15.根据权利要求1所述的燃烧器，所述燃烧器还包括：
启动火焰保持器，所述启动火焰保持器被构造为保持具有比所述多孔火焰保持器更富集的燃料混合物的所述燃烧反应，其中所述启动火焰保持器被构造为在这样的位置处支持所述燃烧反应，所述位置被构造为预热所述多孔火焰保持器。
16.根据权利要求1所述的燃烧器，其中所述燃料喷嘴组件包括多个喷嘴，所述多个喷嘴被构造为输出纯的燃料。
17.根据权利要求16所述的燃烧器，
其中所述燃料喷嘴组件包括空气源，所述空气源被构造为输出纯的空气；并且
其中所述燃料喷嘴组件限定混合区，所述混合区被构造为允许所述纯的燃料与所述纯的空气混合以在所述多孔火焰保持器处产生均匀的气体混合物。
18.根据权利要求1所述的燃烧器，其中所述燃料喷嘴组件包括预混合室，所述预混合室被构造为均匀地混合所述气体混合物；以及
阻焰器，所述阻焰器设置在所述预混合室和所述多孔火焰保持器之间。
19.根据权利要求1所述的燃烧器，其中所述横向尺寸是直径。
20.一种降低燃烧NOx的方法，所述方法包括：
将燃料和氧化剂输出到燃烧器；然后
允许一定的时间以使所述燃料和所述氧化剂的混合物发展到更好的混合状态；然后
使所述混合物经过多孔火焰保持器的气体通道，所述气体通道具有等于或大于所述混合物的燃料淬熄距离的最小横向尺寸；以及然后
在所述多孔火焰保持器内燃烧所述混合物；
其中所述多孔火焰保持器被构造为将热量充分传导到所述混合物以使燃烧在所述多孔火焰保持器内得到支持。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述横向尺寸是直径。
22.根据权利要求20所述的方法，其中所述气体通道具有恒定的横截面积。
23.根据权利要求20所述的方法，其中所述气体通道以每英寸10个或更小的间距在所述多孔火焰保持器的两个维度上形成。
24.根据权利要求20所述的方法，其中所述气体通道以每英寸4个或更大的间距在所述多孔火焰保持器的两个维度上形成。
25.根据权利要求20所述的方法，其中所述气体通道包括壁，所述壁被构造为接收来自所述混合物的反应部分的热量，朝向所述混合物的未反应部分辐射所述热量，以及接收与所述混合物的所述未反应部分相邻的所辐射的热量。
26.根据权利要求20所述的方法，其中允许一定的时间的步骤还包括允许足够的时间以破坏纯燃料和携带所述氧化剂的空气之间的Taylor层。
27.根据权利要求20所述的方法，其中输出燃料和氧化剂的步骤还包括提供足够的空气或烟道气以使所述燃料处于贫乏化学计量混合物的情况下。
28.根据权利要求27所述的方法，还包括形成所述混合物以处于所述燃料的贫可燃极限。
29.根据权利要求20所述的方法，还包括将所述多孔火焰保持器的辐射特性构造为当所述混合物由来自燃烧反应的空气、甲烷和烟道气组成时，将热量从所述燃烧充分辐射出去以使所述混合物在1093℃或1093℃以下燃烧。
30.根据权利要求29所述的方法，还包括将所述多孔火焰保持器的所述辐射特性构造为当所述混合物由来自所述燃烧反应的所述空气、所述甲烷和所述烟道气组成时，将所述热量从所述燃烧充分辐射出去以使所述混合物在927℃或927℃以下燃烧。
31.根据权利要求20所述的方法，所述方法还包括：
使用启动火焰保持器以保持具有比所述多孔火焰保持器的所述混合物更富集的启动混合物的燃烧反应，以及
使用所述启动火焰保持器来预热所述多孔火焰保持器。
32.根据权利要求20所述的方法，其中输出燃料和氧化剂的步骤还包括采用包括多个喷嘴的燃料喷嘴组件，所述多个喷嘴被构造为输出纯的燃料。
33.根据权利要求32所述的方法，
其中所述燃料喷嘴组件包括空气源，所述空气源被构造为输出纯的空气；并且
其中所述燃料喷嘴组件限定混合区，所述混合区被构造为允许所述纯的燃料与所述纯的空气混合以在所述多孔火焰保持器处产生均匀的气体混合物。
34.根据权利要求20所述的方法，其中输出燃料和氧化剂的步骤包括将所述燃料和氧化剂输出到预混合室，所述预混合室被构造为均匀地混合所述混合物；其中所述方法还包括：
将阻焰器支撑在所述预混合室和所述多孔火焰保持器之间。
35.根据权利要求20所述的方法，其中所述多孔火焰保持器由耐火材料形成。
36.根据权利要求20所述的方法，其中所述多孔火焰保持器由包括氧化铝的材料形成。
37.一种稀释燃料燃烧器，所述稀释燃料燃烧器包括：
燃料喷嘴组件，所述燃料喷嘴组件被构造为输出包括燃料和氧化剂的气体混合物；
多孔火焰保持器，所述多孔火焰保持器限定被对准以接收所述气体混合物的气体通道，所述气体通道被构造为承载由所述气体混合物支持的燃烧反应；以及
多孔火焰保持器支撑结构，所述多孔火焰保持器支撑结构被构造为将所述多孔火焰保持器保持在远离所述燃料喷嘴组件的一定稀释距离处，所述稀释距离被选择为允许所述气体混合物的稀释。
38.根据权利要求37所述的稀释燃料燃烧器，其中所述气体通道包括相应的壁，所述壁被构造为接收来自所述气体混合物的反应部分的热量，朝向所述气体混合物的未反应部分转移所述热量，接收与所述气体混合物的所述未反应部分相邻的所转移的热量，以及将所述热量传导入所述气体混合物的所述未反应部分中。
39.根据权利要求37所述的稀释燃料燃烧器，所述稀释燃料燃烧器还包括：
多孔火焰保持器支撑结构，所述多孔火焰保持器支撑结构被构造为将所述多孔火焰保持器支撑在距一个或多个燃料喷嘴的所述稀释距离处，所述一个或多个燃料喷嘴被构造为输出纯的燃料。
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