具有有孔火焰保持器的水平點火式燃燒器的制造方法
【專利說明】具有有孔火焰保持器的水平點火式燃燒器
[0001] 相關(guān)專利申請的交叉引用
[0002] 本申請要求提交于2013年10月7日、名稱為"POROUS FLAME HOLDER FOR LOW NOx COMBUSTION"（用于低NOx燃燒的多孔火焰保持器）的美國臨時專利申請No . 61/887，741;提 交于2014年1月24日、名稱為"LOW NOx FIRE TUBE BOILER"（低NOx火管鍋爐）的美國臨時專 利申請No.61/931,407;提交于2014年2月14日、名稱為"FUEL COMBUSTION SYSTEM WITH A PERFORATED REACTION HOLDER"（具有有孔反應保持器的燃料燃燒系統(tǒng)）的PCT專利申請 NO.PCT/US2014/016632;以及提交于 2014年 2 月 14 日、名稱為 "STARTUP METHOD AM) MECHANISM FOR A BURNER HAVING A PERFORATED FLAME HOLDER"（用于具有有孔火焰保持 器的燃燒器的啟動方法和機構(gòu)）的PCT專利申請N〇.PCT/US2014/016622的優(yōu)先權(quán)權(quán)益；以上 每項專利申請在與本文公開內(nèi)容不相抵觸的情況下以引用方式并入。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] -個實施例是水平點火式火焰反應器，該水平點火式火焰反應器包括有孔火焰保 持器和水平點火式燃料噴嘴，該水平點火式燃料噴嘴離開有孔火焰保持器橫向定位。有孔 火焰保持器包括面朝燃料噴嘴的輸入表面、輸出表面、以及在輸入表面與輸出表面之間延 伸的多個穿孔。加熱機構(gòu)鄰近有孔火焰保持器定位。
[0004] 在一個實施例中，在燃料噴嘴將燃料輸出到有孔火焰保持器上之前，加熱機構(gòu)向 有孔火焰保持器施加熱量。在加熱機構(gòu)加熱有孔火焰保持器之后，水平點火式燃料噴嘴將 燃料輸出到有孔火焰保持器上。有孔火焰保持器的升高的溫度使火焰保持器的穿孔內(nèi)的燃 料發(fā)生燃燒反應。燃燒反應主要局限于有孔火焰保持器的緊鄰附近。
[0005] 在一個實施例中，水平點火式火焰反應器包括鄰近有孔火焰保持器定位的裝填有 催化劑的管子。反應物通過所述管子。來自燃燒反應的熱量從火焰保持器輻射并加熱管子， 從而使反應物與催化劑反應。反應產(chǎn)物然后通過管子。
【附圖說明】
[0006] 圖1為根據(jù)一個實施例的包括有孔火焰保持器的水平點火式燃燒器系統(tǒng)的透視 圖。
[0007] 圖2為根據(jù)一個實施例的圖1的水平點火式燃燒器系統(tǒng)的剖視圖。
[0008] 圖3為根據(jù)一個實施例的包括有孔火焰保持器的水平點火式燃燒器系統(tǒng)的示意 圖。
[0009] 圖4為根據(jù)一個實施例的包括有孔火焰保持器和預熱機構(gòu)的水平點火式燃燒器系 統(tǒng)的框圖。
[0010] 圖5為根據(jù)一個實施例的水平點火式燃燒器系統(tǒng)的預熱機構(gòu)的圖示。
[0011] 圖6為根據(jù)一個實施例的水平點火式燃燒器系統(tǒng)的預熱機構(gòu)的圖示。
[0012] 圖7為根據(jù)一個實施例的水平點火式燃燒器系統(tǒng)的預熱機構(gòu)的圖示。
[0013] 圖8為根據(jù)一個實施例的水平點火式燃燒器系統(tǒng)的預熱機構(gòu)的圖示。
[0014] 圖9為根據(jù)一個實施例的水平點火式燃燒器系統(tǒng)的預熱機構(gòu)的圖示。
[0015] 圖10為根據(jù)一個實施例的用于操作水平點火式燃燒器系統(tǒng)的過程的流程圖，該水 平點火式燃燒器系統(tǒng)包括有孔火焰保持器和預熱機構(gòu)。
【具體實施方式】
[0016] 在以下【具體實施方式】中，參考形成本文一部分的附圖。除非在上下文中另外指明， 否則在附圖中類似的符號通常表示類似的部件。在【具體實施方式】、附圖和權(quán)利要求中所述 的示例性實施例并不用來進行限制。在不脫離本文所述主題的精神或范圍的前提下，可采 用其他實施例并且可作出其他改變。
[0017] 圖1為根據(jù)一實施例的包括有孔火焰保持器102的水平點火式燃燒器系統(tǒng)100的簡 化透視圖。水平點火式燃燒器系統(tǒng)100包括燃料和氧化劑源110,該燃料和氧化劑源被設(shè)置 成將燃料和氧化劑輸出到燃燒體積108中以形成燃料和氧化劑混合物112。有孔火焰保持器 102被設(shè)置在燃燒體積108中。有孔火焰保持器102包括有孔火焰保持器主體114，該有孔火 焰保持器主體限定多個穿孔116,所述多個穿孔對齊以接收來自燃料和氧化劑源110的燃料 和氧化劑混合物112。穿孔116被配置成共同地保持由燃料和氧化劑混合物112支持的燃燒 反應(例如，參見圖2,208)。
[0018] 燃料可包括例如烴類氣體或汽化的烴類液體。燃料可為單一種類或者可包括氣體 和蒸汽的混合物。例如，在過程加熱器應用中，燃料可包括燃料氣體或來自該過程的副產(chǎn) 物，所述副產(chǎn)物包括一氧化碳(CO)、氫(H 2)和甲烷(CH4)。在另一種應用中，燃料可包括天然 氣（主要是CH4)或丙烷。在另一種應用中，燃料可包括2號燃料油或6號燃料油。發(fā)明人類似 地構(gòu)思到雙燃料應用和靈活燃料應用。氧化劑可包括由空氣攜帶的氧和/或可包括另一種 氧化劑，該氧化劑為純的或由載體氣體攜帶。
[0019]通常，由有孔火焰保持器102保持的氧化反應表示一種氣相氧化反應。在不脫離本 公開的精神和范圍的情況下，可以用其他反應物和反應替代。
[0020] 根據(jù)一實施例，有孔火焰保持器主體114可由被設(shè)置成接收燃料和氧化劑混合物 112的輸入表面118、背朝燃料和氧化劑源110的輸出表面120、以及外周表面122界定。由有 孔火焰保持器主體114限定的所述多個穿孔116從輸入表面118延伸到輸出表面120。
[0021] 根據(jù)一實施例，有孔火焰保持器102被配置成將大部分燃燒反應保持在穿孔116 內(nèi)。例如，這意味著，由燃料和氧化劑源110輸出到燃燒體積108中的燃料分子的一半以上被 轉(zhuǎn)變成在有孔火焰保持器102的輸入表面118與輸出表面120之間的燃燒產(chǎn)物。根據(jù)另一種 理解，這意味著，由燃燒反應輸出的熱量的一半以上是在有孔火焰保持器102的輸入表面 118與輸出表面120之間輸出的。在正常工作條件下，穿孔116可被配置成共同地保持有孔火 焰保持器102的輸入表面118與輸出表面120之間的至少80%的燃燒反應208(參見圖2)。在 一些實驗中，發(fā)明人構(gòu)建了 一種燃燒反應，該燃燒反應完全包容在有孔火焰保持器102的輸 入表面118與輸出表面120之間的穿孔中。
[0022] 有孔火焰保持器102可被配置成接收來自燃燒反應的熱量并且將所接收的熱量的 一部分作為熱輻射124 (參見圖2)輸出到燃燒體積108之中或附近的熱量接收結(jié)構(gòu)(例如，熔 爐壁和/或輻射段工作流體管(參見圖3))。有孔火焰保持器102將所接收的熱量的另一部分 輸出到在有孔火焰保持器102的輸入表面118處接收的燃料和氧化劑混合物112。
[0023] 以這種方式，即使在由常規(guī)火焰保持器支持時燃燒反應將不穩(wěn)定的條件下，有孔 火焰保持器102仍充當熱源以維持燃燒反應?？衫迷撃芰σ允褂帽纫郧翱尚懈毞Φ娜?料與氧化劑混合物來支持燃燒。更貧乏的燃燒導致較低的峰值燃燒溫度并且減少氮氧化物 (NOx)輸出。此外，有孔火焰保持器102可充當散熱器以冷卻反應的較熱部分，以進一步使燃 燒溫度最低化。最終，在有孔火焰保持器102的輸入表面118與輸出表面120之間基本容納燃 燒反應限制了燃燒流體(如果氧化劑包括由空氣攜帶的氧，則該燃燒流體包括分子氮N 2)暴 露于高溫期間的時間。發(fā)明人相信這進一步限制了 NOx輸出。
[0024] 冷卻煙氣通過排氣煙道排放到大氣中。任選地，排出的煙氣可經(jīng)過省煤器，該省煤 器預加熱燃燒空氣、燃料和/或進料水。
[0025]有孔火焰保持器102可具有在外周表面122的相對側(cè)之間的寬度尺寸WRH，該寬度尺 寸為輸入表面118與輸出表面120之間的厚度尺寸Trh的至少兩倍。在另一個實施例中，有孔 火焰保持器102可具有在外周表面122的相對側(cè)之間的寬度尺寸Wrh，該寬度尺寸為輸入表面 118與輸出表面120之間的厚度尺寸Trh的至少三倍。在另一個實施例中，有孔火焰保持器102 具有在外周表面122的相對側(cè)之間的寬度尺寸Wrh，該寬度尺寸為輸入表面118與輸出表面 120之間的厚度尺寸Trh的至少六倍。在另一個實施例中，有孔火焰保持器102具有在外周表 面122的相對側(cè)之間的寬度尺寸Wrh，該寬度尺寸為輸入表面118與輸出表面120之間的厚度 尺寸Trh的至少九倍。
[0026] 根據(jù)實施例，有孔火焰保持器102的寬度尺寸Wrh可小于燃燒體積108的寬度W。這樣 可允許煙氣圍繞有孔火焰保持器102循環(huán)。
[0027] 有孔火焰保持器102可由耐火材料形成。在另一個實施例中，有孔火焰保持器102 由硅酸鋁材料形成。在另一個實施例中，有孔火焰保持器102由莫來石或堇青石形成。
[0028] 燃料和氧化劑源110還可包括被配置成輸出燃料的燃料噴嘴126以及被配置成輸 出包括氧化劑的流體的氧化劑源128。燃料噴嘴126可被配置成輸出純?nèi)剂?。氧化劑?28可 被配置成輸出包括氧化劑不包括燃料的流體。例如，氧化劑源128可被配置成輸出攜帶氧的 空氣。
[0029] 燃料噴嘴126可被配置成發(fā)射燃料射流，該燃料射流被選擇成在燃料射流和氧化 劑行進通過燃料噴嘴126與有孔火焰保持器102之間的稀釋距離Dd時挾帶氧化劑以形成燃 料和氧化劑混合物112。除此之外或作為另外一種選擇，燃料噴嘴126可被配置成發(fā)射燃料 射流，該燃料射流被選擇成在燃料射流行進通過燃料噴嘴126與有孔火焰保持器102的輸入 表面118之間的稀釋距離Dd時挾帶氧化劑并且挾帶煙氣。
[0030] 有孔火焰保持器102可被設(shè)置成與燃料噴嘴相距距離Dd。燃料噴嘴126可被配置成 將燃料發(fā)射通過具有尺寸Do的燃料孔口 130。有孔火焰保持器102可被設(shè)置成在與燃料噴嘴 相距距離D