用于电辅助启动的燃烧系统和方法.pdf

本发明提供一种燃烧系统，所述燃烧系统包括燃烧流体电荷源和启动火焰保持器，所述启动火焰保持器被配置成在所述燃烧系统冷却时吸引所述电荷和保持火焰以及在所述燃烧系统被加热时允许所述火焰举升。

1.  一种燃烧系统，包括：
电荷源，所述电荷源被配置成向燃烧流体施加电荷；
启动燃烧保持器，所述启动燃烧保持器被配置成在所述燃烧系统低于预定温度阈值时吸引所述电荷和保持火焰以及在所述燃烧系统高于所述预定温度阈值时不保持所述火焰。

2.  根据权利要求1所述的燃烧系统，其中所述燃烧系统被配置成在所述燃烧系统高于所述预定温度阈值时支持无火焰燃烧反应。

3.  根据权利要求1所述的燃烧系统，其中所述燃烧系统经认证在所述燃烧系统高于所述预定温度阈值时支持举升位置燃烧反应。

4.  根据权利要求1所述的燃烧系统，其中所述燃烧系统经认证在所述燃烧系统高于所述预定温度阈值时支持低氮氧化物(NOx)输出燃烧反应。

5.  根据权利要求1所述的燃烧系统，还包括：
升高的火焰保持器，所述升高的火焰保持器被配置成在所述燃烧系统高于所述预定温度阈值时保持所述燃烧反应。

6.  根据权利要求5所述的燃烧系统，其中所述升高的火焰保持器包括主体，所述主体限定延伸穿过所述主体的多个穿孔。

7.  根据权利要求5所述的燃烧系统，其中所述升高的火焰保持器包括高温陶瓷蜂窝结构。

8.  根据权利要求5所述的燃烧系统，其中所述升高的火焰保持器包括堇青石蜂窝结构。

9.  根据权利要求5所述的燃烧系统，其中所述升高的火焰保持器包括氧化铝蜂窝结构。

10.  根据权利要求5所述的燃烧系统，其中所述升高的火焰保持器包括具有方形截面尺寸为约1.99mm到5mm的通道的陶瓷蜂窝结构。

11.  根据权利要求5所述的燃烧系统，其中所述升高的火焰保持器还包括：
厚度为约0.5英寸到4英寸的蜂窝结构板。

12.  根据权利要求11所述的燃烧系统，其中所述升高的火焰保持器还包括：
厚度为约2英寸的蜂窝结构板。

13.  根据权利要求1所述的燃烧系统，其中所述燃烧流体包括燃料流。

14.  根据权利要求1所述的燃烧系统，其中所述燃烧流体包括火焰。

15.  根据权利要求1所述的燃烧系统，其中所述燃烧流体包括燃烧空气。

16.  根据权利要求1所述的燃烧系统，其中所述燃烧流体包括烟气。

17.  根据权利要求1所述的燃烧系统，还包括：
保持电压源，所述保持电压源被操作地联接到启动燃烧保持器并且被配置成将所述启动燃烧保持器基本上保持在电荷吸引电压电势。

18.  根据权利要求17所述的燃烧系统，其中所述保持电压源包括对应于电压接地点的电气节点。

19.  根据权利要求17所述的燃烧系统，其中所述保持电压源包括被配置成输出与施加于所述燃烧流体的所述电荷极性相反的电压的电压源。

20.  根据权利要求17所述的燃烧系统，其中所述保持电压源被配置成将所述启动燃烧保持器保持在当所述燃烧系统低于所述预定温度阈值时足以保持所述火焰的电压电势。

21.  根据权利要求17所述的燃烧系统，还包括：
电子控制器，所述电子控制器被操作地联接到所述保持电压源并且被配置成控制施加于所述启动燃烧保持器的所述保持电压。

22.  根据权利要求21所述的燃烧系统，还包括：
传感器，所述传感器被操作地联接到所述电子控制器并且被配置成感测燃烧体积属性。

23.  根据权利要求22所述的燃烧系统，其中所述电子控制器被配置成响应于来自所述传感器的反馈控制由所述充电电压源输出到所述电荷源的电压。

24.  根据权利要求22所述的燃烧系统，其中所述传感器包括温度传感器。

25.  根据权利要求1所述的燃烧系统，还包括：
燃料喷嘴，所述燃料喷嘴被配置成输出燃料流。

26.  根据权利要求25所述的燃烧系统，还包括：
燃料阀，所述燃料阀被操作地联接到所述燃料喷嘴并且被配置成控制燃料流量。

27.  根据权利要求25所述的燃烧系统，其中所述燃料阀被配置成使得，当所述燃烧系统低于所述预定温度阈值时来自所述燃料喷嘴的燃料流速度不足以将所述火焰从所述启动燃烧保持器吹熄。

28.  根据权利要求25所述的燃烧系统，其中所述燃料阀被配置成使得，当所述燃烧系统高于所述预定温度阈值时来自所述燃料喷嘴的燃料流速度足以将所述火焰从所述启动燃烧保持器吹熄。

29.  根据权利要求25所述的燃烧系统，还包括：
电子控制器，所述电子控制器被操作地联接到所述燃料阀并且被配置成控制由所述燃料喷嘴输出的燃料流速。

30.  根据权利要求29所述的燃烧系统，还包括：
传感器，所述传感器被操作地联接到所述电子控制器并且被配置成感测燃烧体积属性。

31.  根据权利要求30所述的燃烧系统，其中所述电子控制器被配置成响应于来自所述传感器的反馈控制由所述燃料喷嘴输出的所述燃料流速。

32.  根据权利要求30所述的燃烧系统，其中所述传感器包括温度传感器。

33.  根据权利要求1所述的燃烧系统，其中所述电荷源被配置成向所述燃烧流体施加电荷密度，所述电荷密度在所述燃烧系统低于所述预定温度阈值时足以使所述火焰被所述启动燃烧保持器保持。

34.  根据权利要求1所述的燃烧系统，其中所述电荷源被配置成向所述燃烧流体施加电荷密度，所述电荷密度在所述燃烧系统高于所述预定温度阈值时不足以使所述火焰被所述启动燃烧保持器保持。

35.  根据权利要求1所述的燃烧系统，还包括：
冷却器，所述冷却器被操作地联接到所述启动燃烧保持器。

36.  根据权利要求35所述的燃烧系统，其中所述冷却器被配置成向所述启动保持器施加在所述燃烧系统低于所述预定温度阈值时足以使得所述启动保持器保持所述火焰的冷却。

37.  根据权利要求35所述的燃烧系统，其中所述冷却器被配置成增加暖机循环期间所述启动燃烧保持器保持所述火焰的那部分时间。

38.  根据权利要求35所述的燃烧系统，其中所述冷却器被配置成升高燃烧体积温度，所述启动燃烧保持器在所述温度下保持所述火焰。

39.  根据权利要求38所述的燃烧系统，还包括：
电子控制器，所述电子控制器被操作地联接到所述冷却器并且被配置成控制所述冷却器。

40.  根据权利要求38所述的燃烧系统，还包括：
传感器，所述传感器被操作地联接到所述电子控制器并且被配置成感测燃烧体积属性。

41.  根据权利要求40所述的燃烧系统，其中所述电子控制器被配置成响应于来自所述传感器的反馈控制所述冷却器。

42.  根据权利要求35所述的燃烧系统，其中所述冷却器包括被配置成携带冷却流体的夹套。

43.  根据权利要求35所述的燃烧系统，其中所述冷却器包括相变热传递流体。

44.  根据权利要求35所述的燃烧系统，其中所述冷却器包括制冷机。

45.  根据权利要求35所述的燃烧系统，其中所述冷却器包括热管。

46.  根据权利要求35所述的燃烧系统，其中所述冷却器包括珀耳帖冷却器。

47.  根据权利要求1所述的燃烧系统，还包括：
冷却器，所述冷却器包括冷却剂喷嘴，所述冷却剂喷嘴被配置成将冷却流体引入到所述启动燃烧保持器中。

48.  根据权利要求47所述的燃烧系统，其中所述冷却器还包括：
流量控制设备，所述流量控制设备被配置成控制来自冷却剂源的所述冷却剂流量。

49.  根据权利要求48所述的燃烧系统，还包括：
所述冷却剂源。

50.  根据权利要求49所述的燃烧系统，其中所述冷却剂包括水。

51.  根据权利要求49所述的燃烧系统，其中所述冷却剂包括空气。

52.  根据权利要求48所述的燃烧系统，其中所述流量控制设备包括冷却剂流量控制阀。

53.  根据权利要求48所述的燃烧系统，其中所述流量控制设备被配置成自动操作以在所述燃烧反应不由所述启动燃烧保持器保持时减少冷却剂流量或使冷却剂停止流动。

54.  根据权利要求48所述的燃烧系统，其中所述流量控制设备被配置成自动操作以启动冷却剂流动或增加冷却剂流量来重建所述启动燃烧保持器对所述火焰的保持。

55.  根据权利要求48所述的燃烧系统，其中所述冷却剂包括燃料。

56.  根据权利要求47所述的燃烧系统，其中所述冷却器包括被配置成将冷却燃料流排放到所述燃烧流体中的燃料喷嘴。

57.  根据权利要求47所述的燃烧系统，其中所述冷却器包括被配置成将冷却燃料流朝所述启动燃烧保持器的表面排放的燃料喷嘴。

58.  根据权利要求1所述的燃烧系统，其中所述启动保持器被配置为对于所述燃烧流体周向设置的中空圆筒。

59.  根据权利要求1所述的燃烧系统，其中所述电荷源包括设置在所述启动燃烧保持器下方的电晕电极。

60.  根据权利要求1所述的燃烧系统，还包括：
充电电压源，所述充电电压源被配置成向所述电荷源施加电压以使得所述电荷源向所述燃烧流体施加所述电荷。

61.  根据权利要求60所述的燃烧系统，还包括：
电子控制器，所述电子控制器被操作地联接到所述充电电压源并且被配置成控制由所述充电电压源输出到所述电荷源的电压。

62.  根据权利要求61所述的燃烧系统，还包括：
传感器，所述传感器被操作地联接到所述电子控制器并且被配置成感测燃烧体积属性。

63.  根据权利要求62所述的燃烧系统，其中所述电子控制器被配置成响应于来自所述传感器的反馈控制由所述充电电压源输出到所述电荷源的电压。

64.  根据权利要求62所述的燃烧系统，其中所述传感器包括温度传感器。

65.  一种操作燃烧系统的方法，所述方法包括以下步骤：
操作电荷源以向燃烧反应物施加电荷；
使用所述燃烧反应物支持燃烧反应，其中所述燃烧反应携带由所述燃烧反应物携带到所述燃烧反应的电荷；
向启动燃烧保持器施加保持电压，其中由所述燃烧反应物和燃烧反应携带的所述电荷被电吸引到由所述启动燃烧保持器携带的所述保持电压；以及
响应于所述电荷被吸引到所述启动燃烧保持器而在邻近所述启动燃烧保持器的位置处保持所述燃烧反应。

66.  根据权利要求65所述的操作燃烧系统的方法，其中操作电荷源以向所述燃烧反应物施加电荷包括操作离子发生器以向所述燃烧反应物输出带电粒子。

67.  根据权利要求65所述的操作燃烧系统的方法，其中操作电荷源以向所述燃烧反应物施加电荷包括向燃料施加电荷。

68.  根据权利要求65所述的操作燃烧系统的方法，其中操作电荷源以向所述燃烧反应物施加电荷包括向氧化剂施加电荷。

69.  根据权利要求65所述的操作燃烧系统的方法，其中操作电荷源以向所述燃烧反应物施加电荷包括向燃烧空气施加电荷。

70.  根据权利要求65所述的操作燃烧系统的方法，其中操作电荷源以向燃烧反应物施加电荷包括向燃料和氧化剂的混合物施加电荷。

71.  根据权利要求65所述的操作燃烧系统的方法，其中操作电荷源以向燃烧反应物施加电荷包括操作电源以输出至少10千伏的电压。

72.  根据权利要求71所述的操作燃烧系统的方法，其中操作电荷源以向燃烧反应物施加电荷包括操作电源以输出在15千伏与80千伏之间的电压。

73.  根据权利要求65所述的操作燃烧系统的方法，其中操作电荷源以向燃烧反应物施加电荷包括向电压倍增器施加AC电信号，以及在输出节点上使所述电压倍增以输出至少10kV的电压。

74.  根据权利要求65所述的操作燃烧系统的方法，其中操作电荷源以向燃烧反应物施加电荷包括向变压器施加整流信号，以及在输出节点上产生至少10kV的电压。

75.  根据权利要求65所述的操作燃烧系统的方法，其中操作电荷源以向燃烧反应物施加电荷包括操作开关电源以在输出节点上施加至少10kV的稳定电压。

76.  根据权利要求65所述的操作燃烧系统的方法，其中向启动燃烧保持器施加保持电压包括将所述启动燃烧保持器与电压接地点连接。

77.  根据权利要求65所述的操作燃烧系统的方法，其中向启动燃烧保持器施加保持电压包括向所述启动燃烧保持器施加与由所述燃烧反应携带的所述电荷极性相反的保持电压。

78.  根据权利要求65所述的操作燃烧系统的方法，还包括：
使用在邻近所述启动燃烧保持器的所述位置处保持的所述燃烧反应预先加热远侧有孔燃烧反应保持器。

79.  根据权利要求78所述的操作燃烧系统的方法，还包括：
接收将所述燃烧反应从邻近所述启动燃烧保持器的所述位置移动到远侧燃烧反应保持器的命令；
改变电气条件以使得所述燃烧反应在邻近所述启动燃烧保持器的所述位置处不被保持；以及
使用所述有孔远侧燃烧反应保持器保持燃烧反应。

80.  根据权利要求79所述的操作燃烧系统的方法，其中改变所述电气条件以使得所述燃烧反应在邻近所述启动燃烧保持器的所述位置处不被保持包括停止向所述燃烧反应物施加电荷。

81.  根据权利要求79所述的操作燃烧系统的方法，其中改变所述电气条件以使得所述燃烧反应在邻近所述启动燃烧保持器的所述位置处不被保持包括断开所述保持电压与所述启动燃烧保持器之间的连接。

82.  根据权利要求78所述的操作燃烧系统的方法，还包括：
在邻近所述启动燃烧保持器的所述位置处的所述燃烧反应预先加热所述有孔燃烧反应保持器后，允许所述燃烧反应脱离所述启动燃烧保持器。

83.  根据权利要求78所述的操作燃烧系统的方法，还包括：
改变电气条件以使得所述燃烧反应在邻近所述启动燃烧保持器的所述位置处不被保持；以及
使用所述有孔远侧燃烧反应保持器保持燃烧反应。

84.  根据权利要求78所述的操作燃烧系统的方法，还包括：
在邻近所述启动燃烧保持器的所述位置处的所述燃烧反应预先加热所述有孔燃烧反应保持器后，邻近所述启动燃烧保持器施加空气以从邻近所述启动燃烧保持器的所述位置处吹熄所述燃烧反应。

85.  一种操作燃烧系统的方法，所述方法包括以下步骤：
操作电荷源以向燃烧反应施加电荷；
向启动燃烧保持器施加保持电压，其中由所述燃烧反应携带的所述电荷被电吸引到由所述启动燃烧保持器携带的所述保持电压；以及
响应于所述电荷被吸引到所述启动燃烧保持器而在邻近所述启动燃烧保持器的位置处保持所述燃烧反应。

86.  根据权利要求85所述的操作燃烧系统的方法，其中操作电荷源以向所述燃烧反应施加电荷包括将高电压置于至少部分地浸入所述燃烧反应的充电电极上。

87.  根据权利要求85所述的操作燃烧系统的方法，其中操作电荷源以向所述燃烧反应施加电荷包括操作离子发生器以向所述燃烧反应输出带电粒子。

88.  根据权利要求85所述的操作燃烧系统的方法，其中操作电荷源以向燃烧反应施加电荷包括操作电源以输出至少10千伏的电压。

89.  根据权利要求88所述的操作燃烧系统的方法，其中操作电荷源以向燃烧反应施加电荷包括操作所述电源以输出在15千伏与80千伏之间的电压。

90.  根据权利要求85所述的操作燃烧系统的方法，其中操作电荷源以向燃烧反应施加电荷包括向电压倍增器施加AC电信号，以及在输出节点上使所述电压倍增以输出至少10kV的电压。

91.  根据权利要求85所述的操作燃烧系统的方法，其中操作电荷源以向燃烧反应施加电荷包括向变压器施加整流信号，以及在输出节点上产生至少10kV的电压。

92.  根据权利要求85所述的操作燃烧系统的方法，其中操作电荷源以向燃烧反应施加电荷包括操作开关电源以在输出节点上施加至少10kV的稳定电压。

93.  根据权利要求85所述的操作燃烧系统的方法，其中向启动燃烧保持器施加保持电压包括将所述启动燃烧保持器与电压接地点连接。

94.  根据权利要求85所述的操作燃烧系统的方法，其中向启动燃烧保持器施加保持电压包括向所述启动燃烧保持器施加与由所述燃烧反应携带的所述电荷极性相反的保持电压。

95.  根据权利要求85所述的操作燃烧系统的方法，还包括：
使用在邻近所述启动燃烧保持器的所述位置处保持的所述燃烧反应预先加热有孔远侧燃烧反应保持器。

96.  根据权利要求95所述的操作燃烧系统的方法，还包括：
接收将所述燃烧反应从邻近所述启动燃烧保持器的所述位置移动到远侧燃烧反应保持器的命令；
改变电气条件以使得所述燃烧反应在邻近所述启动燃烧保持器的所述位置处不被保持；以及
使用所述有孔远侧燃烧反应保持器保持燃烧反应。

97.  根据权利要求96所述的操作燃烧系统的方法，其中改变所述电气条件以使得所述燃烧反应在邻近所述启动燃烧保持器的所述位置处不被保持包括停止向所述燃烧反应物施加电荷。

98.  根据权利要求96所述的操作燃烧系统的方法，其中改变所述电气条件以使得所述燃烧反应在邻近所述启动燃烧保持器的所述位置处不被保持包括断开所述保持电压与所述启动燃烧保持器之间的连接。

99.  根据权利要求95所述的操作燃烧系统的方法，还包括：
在邻近所述启动燃烧保持器的所述位置处的所述燃烧反应预先加热所述有孔燃烧反应保持器后，允许所述燃烧反应脱离所述启动燃烧保持器。

100.  根据权利要求95所述的操作燃烧系统的方法，还包括：
改变电气条件以使得所述燃烧反应在邻近所述启动燃烧保持器的所述位置处不被保持；以及
使用所述有孔远侧燃烧反应保持器保持燃烧反应。

101.  根据权利要求95所述的操作燃烧系统的方法，还包括：
在邻近所述启动燃烧保持器的所述位置处的所述燃烧反应预先加热所述有孔燃烧反应保持器后，邻近所述启动燃烧保持器施加空气以从邻近所述启动燃烧保持器的所述位置处吹熄所述燃烧反应。

用于电辅助启动的燃烧系统和方法
相关专利申请的交叉引用
本申请要求于2013年5月10日提交的名称为“COMBUSTION SYSTEM AND METHOD FOR ELECTRICALLY ASSISTED START-UP(用于电辅助启动的燃烧系统和方法)”的美国临时专利申请No.61/822,201的优先权权益，所述临时专利申请在不与本文公开内容相矛盾的程度内以引用方式并入。
发明内容
根据实施例，燃烧系统包括电荷源和启动燃烧保持器，该电荷源被配置成向燃烧流体施加电荷，该启动燃烧保持器被配置成在燃烧系统低于预定温度阈值时吸引电荷和保持火焰以及在燃烧系统高于预定温度阈值时不保持火焰。保持电压源可被操作地联接到启动燃烧保持器并且被配置成将启动燃烧保持器基本上保持在电荷吸引电压电势。冷却器可被操作地联接到启动燃烧保持器。
燃烧系统可被配置成在燃烧系统高于预定温度阈值时支持燃烧反应。例如，远侧有孔火焰保持器可被配置成在燃烧系统高于预定温度阈值时保持燃烧反应。
根据实施例，操作燃烧系统的方法包括操作电荷源以向燃烧反应物施加电荷，用燃烧反应物支持燃烧反应使得燃烧反应携带由燃烧反应物携带到该燃烧反应的电荷，以及向启动燃烧保持器施加保持电压的步骤。由燃烧反应物和燃烧反应携带的电荷被电吸引到由启动燃烧保持器携带的保持电压，使得响应于将电荷吸引到启动燃烧保持器而在邻近启动燃烧保持器的位置处保持燃烧反应。在启动位置处，燃烧反应可预先加热远侧定位的有孔燃烧反应保持器。在有孔燃烧反应保持器被预先加热之后，燃烧反应可从启动燃烧保持器中释放。
根据实施例，操作燃烧系统的方法包括操作电荷源以向燃烧反应施加电荷以及向启动燃烧保持器施加保持电压的步骤。由燃烧反应携带的电荷被电吸引到由启动燃烧保持器携带的保持电压，使得响应于将电荷吸引到启动燃烧保持器而在邻近启动燃烧保持器的位置处保持燃烧反应。在启动位置处，燃烧反应可预先加热远侧定位的有孔燃烧反应保持器。在有孔燃烧反应保持器被预先加热之后，燃烧反应可从启动燃烧保持器中释放。
附图说明
图1为根据实施例的被配置用于电辅助启动的燃烧系统的示意图。
图2为根据另一个实施例的被配置用于电辅助启动的燃烧系统的框图。
图3为根据另一个实施例的被配置用于电辅助启动的燃烧系统的示意图。
图4为根据另一个实施例的被配置用于电辅助启动的燃烧系统的示意图。
图5为根据实施例的示出了在启动状态期间的燃烧器的操作的示意图。
图6为根据实施例的示出了在操作状态期间的燃烧器的操作的示意图。
图7为根据实施例的示出了用于电辅助启动远侧火焰保持器的方法的流程图。
图8为根据另一个实施例的示出了用于电辅助启动远侧火焰保持器的方法的流程图。
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。在不脱离本发明的精神或范围的前提下，可采用其他实施例和/或可进行其他更改。
图1为根据实施例的被配置用于电辅助启动的燃烧系统100的示意图。燃烧系统100包括电荷源102和启动燃烧保持器106，该电荷源102被配置成向燃烧流体104施加电荷，该启动燃烧保持器106被配置成在燃烧系统100低于预定温度阈值时吸引电荷和保持火焰以及在燃烧系统100高于预定温度阈值时不保持火焰。
一般而言，低于温度阈值的温度可对应于系统启动或可对应于系统闲置状态。高于温度阈值的温度对应于燃烧系统(燃烧室)的正常操作温度。
燃烧系统100可被配置成支持无火焰燃烧反应，可经认证支持举升位置燃烧反应，并且可经认证在燃烧系统100高于预定温度阈值时支持低氮氧化物(NOx)输出燃烧反应。
除此之外或作为另外一种选择，升高的火焰保持器108可被配置成在燃烧系统100高于预定温度阈值时保持燃烧反应。升高的火焰保持器108可包括限定延伸穿过主体的多个穿孔的主体、高温陶瓷蜂窝结构、堇青石蜂窝结构、氧化铝蜂窝结构和/或具有方形截面尺寸为约1.99mm到5mm的通道的陶瓷蜂窝结构。升高的火焰保持器108可包括厚度为约0.5英寸到4英寸的蜂窝结构板。根据另一个实施例，升高的火焰保持器108可包括厚度为约2英寸的蜂窝结构板。
如上所述，高于温度阈值的温度对应于一个或多个火焰保持器外围的燃烧系统的正常操作温度。预定温度阈值可基本上由系统特定的额定燃烧温度组成，高于该额定燃烧温度6西格玛或其他火焰稳定可靠性经认证用于不由启动燃烧保持器106保持的燃烧反应。在其他实施例中，预定温度阈值可基本上由对封装燃烧器或锅炉型号的评级组成。例如，认证可由锅炉或燃烧器制造商、系统认证工程师、或锅炉或燃烧器操作者提供。在一些实施例中，预定温度阈值是作为数据承载于非瞬时性计算机可读介质上的系统控制程序值。根据实施例，用户界面包括温度阈值选择器，该温度阈值选择器被配置用于供操作工程师选择。
冷却燃烧系统100(在低于预定温度阈值的温度下)可暗示，系统(包括烟气循环，如果有的话)的温度对于燃烧来说太低而不能可靠地持续燃烧和/或对于燃烧反应来说太低而不能实现清洁燃烧。相比之下，“热”燃烧系统100(在高于预定温度阈值的温度下)通常可被认为是在特 定调节过程中处于至少暂时的稳态或伪稳态的热输出中。在许多燃烧系统中，热燃烧系统100可接近绝热火焰温度减去与从燃烧反应到散热器(诸如蒸汽管、处理器、热交换器或壳体)的热传递对应的温度差。
燃烧流体104可包括在不同位置处的燃料流、火焰、燃烧空气和烟气。如上所述，将电荷添加到燃烧流体。在一些实施例中，将电荷添加到燃烧流体的特定部分，并且带电部分将电荷传递到火焰。在一些实施例中，在一个或多个特定位置处添加电荷并且经过的燃烧流体的部分根据火焰位置而变化。
燃烧系统100可包括保持电压源110，该保持电压源110被操作地联接到启动燃烧保持器106并且被配置成将启动燃烧保持器106基本上保持在电荷吸引电压电势。保持电压源110可包括对应于电压接地点的电气节点和被配置成输出与施加于燃烧流体104的电荷极性相反的电压的电压源。保持电压源110可被配置成使启动燃烧保持器106保持在当燃烧系统100低于预定温度阈值时足以保持火焰的电压电势。
电子控制器(未示出)可被操作地联接到保持电压源110以及被配置成控制施加于启动燃烧保持器106的保持电压。被操作地联接到电子控制器并且被配置成感测燃烧体积属性的传感器(未示出)可被操作地联接到电子控制器。电子控制器可被配置成响应于来自传感器的反馈控制由充电电压源输出到电荷源102的电压。传感器可包括温度传感器。据发现，电子控制器为可选的。
燃料喷嘴112可被配置成输出燃料流(在图1中标记为104)。燃料阀114可被操作地联接到燃料喷嘴112并且被配置成控制燃料流量。在一种操作模式下，燃料阀114被配置成使得，当燃烧系统100处于启动模式(低于温度阈值)时来自燃料喷嘴112的燃料流速度不足以将火焰从启动燃烧保持器106吹熄，而当燃烧系统100处于操作温度(高于温度阈值)下时该燃料流速度足以将火焰从启动燃烧保持器106吹熄。
电子控制器(未示出)可被操作地联接到燃料阀114。电子控制器可被配置成控制由燃料喷嘴112输出的燃料流速。被操作地联接到电子控制器并且被配置成感测燃烧体积属性的传感器可被操作地联接到电子控制器，并且电子控制器可被配置成响应于来自传感器的反馈控制由燃料喷嘴112输出的燃料流速。传感器可包括温度传感器。
电荷源102可被配置成向具有一定电荷浓度或密度的燃烧流体104施加电荷，该电荷浓度或密度在燃烧系统100低于预定温度阈值时足以使火焰被启动燃烧保持器106保持而在燃烧系统100高于预定温度阈值时不足以使火焰被启动燃烧保持器106保持。
根据实施例，启动燃烧保持器106被配置成在燃烧系统100启动过程期间稳定地保持火焰，并且在启动过程完成之后不保持火焰。实验发现，使启动火焰保持器冷却允许容易地调整火焰举升特征。
图2为根据另一个实施例的被配置成用于电辅助启动的燃烧系统200的框图。燃烧系统200包括被操作地联接到启动燃烧保持器106的冷却器202。如图2所示，启动燃烧保持器106可被称为近侧保持器。根据实施例，启动燃烧保持器106可包括引火燃烧器(未示出)中的全部或部分。冷却器202可被配置成向启动燃烧保持器106施加在燃烧系统200低于预定温度阈值时足以使得启动燃烧保持器106保持火焰的冷却，可被配置成增加暖机循环期间启动燃烧保持器106保持火焰的那部分时间，以及可被配置成升高燃烧体积温度，启动燃烧保持器106在此温度下保持火焰。冷却器202可包括被操作地联接到冷却器202和被配置成控制冷却器202的电子控制器。传感器可被操作地联接到电子控制器。传感器可被配置成感测燃烧体积属性。电子控制器可被配置成响应于来自传感器的反馈控制冷却器202。冷却器202可包括夹套、相变热传递流体、制冷机、热管和/或珀耳帖冷却器，所述夹套被配置成携带冷却流体。
可设想各种燃料源204。在本文所述的实验中使用甲烷。发明人相信任何流体(气体或液体)或流化燃料(例如粉煤)可与本文所述的实施例兼容。
图3为根据另一个实施例的被配置用于电辅助启动的燃烧系统300的示意图。燃烧系统300包括带有冷却剂喷嘴302的冷却器202，该冷却剂喷嘴302被配置成将冷却流体引入到启动燃烧保持器106，304中。冷却剂流量控制设备306可被配置成控制来自冷却剂源308的冷却剂流量。冷却剂可包括水和/或空气。流量控制设备306可包括冷却剂流量控制阀并且可被配置成自动操作以在燃烧反应不由启动燃烧保持器106，304保持时减少冷却剂流量或使冷却剂停止流动。除此之外或作为另外一种选择，流量控制 设备306可被配置成自动操作以启动冷却剂流动或增加冷却剂流量来重建启动燃烧保持器106、304对火焰的保持。
设备300可在启动期间保持低温火焰前锋310。在设备300受热后，火焰举升到举升火焰前锋312。在一些实施例中，火焰由升高的火焰保持器108保持。在一个实施例中，升高的火焰保持器108是启动火焰保持器304的横向展度的约三倍。图2示出尺寸压缩到适合纸材的升高的火焰保持器108。升高的火焰保持器108被定位在燃料喷嘴112的顶部的上方约27英寸处。
图4为根据另一个实施例的被配置成用于电辅助启动的燃烧系统400的示意图，其中冷却剂包括燃料。燃烧系统400包括冷却器202。冷却器202包括被配置成将冷却燃料流排放到燃烧流体104中的燃料喷嘴112、402。除此之外或作为另外一种选择，燃料喷嘴112、402可被配置成将冷却燃料流朝启动燃烧保持器106、304的表面排放。
图5为根据实施例的示出了在启动状态500期间的燃烧器的操作的示意图。
图6为根据实施例的示出了在操作状态600期间的燃烧器的操作的示意图。
参见图3到图6，启动燃烧保持器106、304可被配置为对于燃烧流体104周向设置的中空圆筒304。电荷源102可包括设置在启动燃烧保持器106、304下方的电晕电极。充电电压源404可被包括并且可被配置成向电荷源102施加电压以使得电荷源102向燃烧流体104施加电荷。电子控制器可被操作地联接到充电电压源404并且可被配置成控制由充电电压源404输出到电荷源102的电压。传感器可被操作地联接到电子控制器并且被配置成感测燃烧体积属性。电子控制器可被配置成响应于来自传感器的反馈控制由充电电压源404输出到电荷源102的电压。传感器可包括温度传感器。
控制器可在燃烧系统100高于预定温度阈值时降低功率消耗，具体通过在不需要电荷来使得启动燃烧保持器106、304保持火焰时停止向电荷源102施加电压来实现。相似地，控制器可控制燃料流和/或在喷嘴之间(例如在用作冷却器202的燃料喷嘴112、402与基本上不使启动燃烧保持器106、304冷却的燃料喷嘴112、402之间)分配燃料流。然而，实验发现， 不需要电子控制器来使燃烧反应从启动燃烧保持器106、304举升。通过手动地选择冷却燃料流并使用给定充电率，发现火焰在点燃后当燃烧反应稳定的期望时间从启动燃烧保持器106、304举升。发明人相信大气环境的导电性有所增加，在更高温度下封闭的测试燃烧器在没有火焰的对应锚定的情况下使得燃烧流体104中的电荷自由地移动到接地表面。
参见图5和图6，火焰由通过升高的火焰保持器108从炉顶悬吊下来的充电杆102变为充电状态。在一个实施例中，充电杆102是0.25英寸的不锈钢管。通过电压源404向充电杆102施加在约5000伏与40,000伏之间的电压。在用约100毫伏的电流进行的一组实验中，电压源404可以直流(DC)电压运行。作为另外一种选择，时变电压(诸如斩波DC波形)或交流(AC)电压可另选地置于充电杆102或另一个电荷源上以向火焰施加斩波DC或暂时地信号变化的多数电荷。例如，可调节燃料流以得到每小时500,000到1,000,000BTU的热输出。
在相对低的温度下，火焰由启动火焰保持器106、304保持，该启动火焰保持器106、304通过4到10兆欧姆的电阻器504与电压接地点502电连接。在一个实施例中，可以使用8兆欧姆的电阻器504。启动火焰保持器106、304可任选地形成为彼此电隔离的多个段(未示出)，所述多个段通过对应的多个(未示出)电阻器504电联接到电压接地点。多个段的实施例可用于在使电弧形成几率最小化的同时保持与火焰的电连接。
设备500、600可安装在带耐火材料衬里的炉中。空气阻尼器(未示出)控制燃烧空气通过炉底进入。在火焰点燃后的几分钟内，火焰506由启动火焰保持器106、304保持，如图5所示。虽然火焰高度会变化，但是火焰506非常稳定。
几分钟之后，炉接近平衡温度。火焰举升以被升高的火焰保持器108保持为举升火焰602。举升火焰操作状态600如图6所示。在炉达到操作状态600之后，可任选地关闭电压源404。
在操作状态600下，另外的空气和/或烟气与由燃料喷嘴112输出的燃料或预混的富混合物混合。额外的稀释在燃料氧气浓度为2％到4％时导致稀薄燃烧火焰602，该稀薄燃烧火焰602可输出小于百万分之8的氮氧化物(NOx)，主要是NO。
图1至图6所示的设备在启动500期间表现出高火焰稳定性以及在操作600期间表现出低NOx输出。发明人在一些实验中使用纯燃料喷嘴112操作系统100、200、300、400、500、600并且在其他实验中使用预混物喷嘴112操作系统100、200、300、400、500、600。在预混物实施例中，可关闭阻尼器空气(示出的通过图5和图6的炉底)。
相对于空气系统308，增加的冷却空气可导致更高的火焰举升温度并且减少的冷却空气可导致更低的火焰举升温度，如通过在火焰点燃与火焰举升到升高的火焰保持器108之间的时间量所确定。
图7为根据实施例的示出了用于电辅助启动远侧火焰保持器的方法的流程图。图8为根据另一个实施例的示出了用于电辅助启动远侧火焰保持器的方法的流程图。在图7和图8的方法之间的主要差别涉及向燃烧反应施加电荷的位置和方式。
参见图7，根据一个实施例，用于操作燃烧系统的方法700从步骤702开始，其中操作电荷源以向燃烧反应物施加电荷。进行到步骤704，用燃烧反应物支持燃烧反应。燃烧反应携带由燃烧反应物携带到该燃烧反应的电荷。在步骤706中，向启动燃烧保持器施加保持电压使得由燃烧反应物和燃烧反应携带的电荷被电吸引到由启动燃烧保持器携带的保持电压。进行到步骤708，响应于电荷被吸引到启动燃烧保持器而在邻近启动燃烧保持器的位置处保持燃烧反应。
在步骤702中，操作电荷源以向燃烧反应物施加电荷可包括操作离子发生器以向燃烧反应物输出带电粒子。例如，步骤702可包括向燃料、向氧化剂(诸如携带氧气的燃烧空气)施加电荷，或向燃料和氧化剂的混合物施加电荷。施加于燃烧反应物的电荷根据电荷源的电极性可以是正的或负的。
在步骤702中，操作电荷源以向燃烧反应物施加电荷可包括操作电源以输出至少10千伏的电压。例如，电源可输出在15千伏与80千伏之间的电压。操作电荷源以向燃烧反应物施加电荷可包括向电压倍增器施加AC电信号，以及在输出节点上使电压倍增以输出至少10kV的电压。在另一个实施例中，操作电荷源以向燃烧反应物施加电荷包括向变压器施加整流信号，以及在输出节点上产生至少10kV的电压。在另一个实施例中，操作电 荷源以向燃烧反应物施加电荷包括操作开关电源以在输出节点上施加至少10kV的稳定电压。
参考步骤706，向启动燃烧保持器施加保持电压可包括将启动燃烧保持器与电压接地点连接。正电荷或负电荷、或交替的正电荷和负电荷可被吸引以通过由启动燃烧保持器保持的电压接地点放电。在另一个实施例中，向启动燃烧保持器施加保持电压包括向启动燃烧保持器施加与由燃烧反应携带的电荷极性相反的保持电压。发明人已经发现，虽然两种极性均可行，但是比起施加于燃烧反应的负电荷，施加于燃烧反应的正电荷能够在一定程度上更有效地用于保持邻近启动燃烧保持器的燃烧反应。
进行到步骤710，可使用在邻近启动燃烧保持器的位置处保持的燃烧反应预先加热远侧有孔燃烧反应保持器。在于2014年2月14日提交的名称为“FUEL COMBUSTION SYSTEM WITH A PERFORATED REACTION HOLDER(具有有孔反应保持器的燃料燃烧系统)”的PCT申请No.PCT/US2014/016632中更详细地描述了远侧有孔燃烧反应保持器，该PCT申请以引用方式并入本文。
任选地，如步骤712所指出的那样，可接收将燃烧反应从邻近启动燃烧保持器的位置移动到远侧燃烧反应保持器的命令。在其他实施例中，发明人已经发现，一旦远侧有孔反应保持器已经被预先加热，就可使燃烧反应从启动燃烧保持器释放。在位于邻近启动燃烧保持器的位置处的燃烧反应预先加热有孔燃烧反应保持器后，可允许燃烧反应脱离启动燃烧保持器。
进行到步骤714，可改变电气条件以使得燃烧反应在邻近启动燃烧保持器的位置处不被保持。然后，方法进行到步骤718，其中用有孔远侧燃烧反应保持器保持燃烧反应。
在步骤718中，改变电气条件以使得燃烧反应在邻近启动燃烧保持器的位置处不被保持可包括停止向燃烧反应物施加电荷和/或断开保持电压与启动燃烧保持器之间的连接。
任选地，其他方法可用于增强燃烧反应从启动燃烧反应保持器的释放。例如，如步骤716所示，在邻近启动燃烧保持器的位置处的燃烧反应预先加热有孔燃烧反应保持器后，可邻近启动燃烧保持器施加空气以从邻近启动燃烧保持器的位置处吹熄燃烧反应。
参见图8，用于操作燃烧系统的方法800从步骤802开始，其中操作电荷源以向燃烧反应施加电荷。方法还包括步骤706，其中向启动燃烧保持器施加保持电压使得由燃烧反应携带的电荷被电吸引到由启动燃烧保持器携带的保持电压。在步骤708中，响应于电荷被吸引到启动燃烧保持器而在邻近启动燃烧保持器的位置处保持燃烧反应。
在步骤802中，操作电荷源以向燃烧反应施加电荷可包括将高电压置于至少部分地浸入燃烧反应的充电电极上。除此之外或作为另外一种选择，步骤802可包括操作离子发生器以向燃烧反应输出带电粒子。
操作电荷源以向燃烧反应施加电荷可包括操作电源以输出至少10千伏(诸如在15千伏与80伏之间)的电压。施加的电压可以是DC或AC。
方法800的其他方面与上文结合图7所述的方法700相似。
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。