專(zhuān)利名稱(chēng)：非熱力學(xué)平衡等離子體點(diǎn)火與助燃裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及先進(jìn)燃燒技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，是一種提高氣體燃料點(diǎn)火性能、燃燒效
率及燃燒穩(wěn)定性的助燃裝置，可用于航空、化工、發(fā)電、冶金等行業(yè)。特別地涉及一種非熱力 學(xué)平衡等離子體點(diǎn)火與助燃裝置。
背景技術(shù)：
在化學(xué)工業(yè)、石油工業(yè)、鋼鐵工業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生一些低熱值的氣體燃料。 以高爐煤氣為例，它是煉鐵過(guò)程產(chǎn)生的伴生氣，所含可燃成分C0、 H2較少，而惰性氣體C02、 N2較多，熱值僅為2. 5 3. 5MJ/Nm3。燃?xì)廨啓C(jī)在燒高爐煤氣時(shí)遇到的問(wèn)題有1)熱值較低 使得點(diǎn)火困難；2)112含量較少使得燃燒穩(wěn)定性差，容易發(fā)生稀態(tài)熄火；3)低負(fù)荷工況下容 易發(fā)生CO燃燒不完全的現(xiàn)象，致使燃燒效率明顯下降。當(dāng)前解決這些問(wèn)題的主要方法有 1)使用焦?fàn)t煤氣摻混入高爐煤氣中以提高熱值，使燃燒容易組織；2)在燃燒室中使用高爐 煤氣和燃油兩種燃料，在缺少高爐煤氣(低負(fù)荷)時(shí)可隨時(shí)切換燃油，以確保燃燒穩(wěn)定；3) 使用輕質(zhì)柴油點(diǎn)火并作為值班火焰以穩(wěn)定燃燒。焦?fàn)t煤氣、燃油及柴油等相對(duì)于高爐煤氣 來(lái)說(shuō)都是高品位能源，為了有效利用高爐煤氣而大量耗費(fèi)這些高品位能源，無(wú)疑會(huì)增加系 統(tǒng)運(yùn)行成本，使得經(jīng)濟(jì)效益大打折扣。因此，我們迫切需要找到一種更為簡(jiǎn)單有效、經(jīng)濟(jì)實(shí) 用的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)低熱值氣體燃料在燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中的可靠點(diǎn)火和穩(wěn)定燃燒。對(duì)于航空發(fā) 動(dòng)機(jī)，當(dāng)在高空發(fā)生熄火時(shí)，要求能夠重新點(diǎn)火。可是由于高空中空氣稀薄，空氣中氧氣含 量低，壓力和溫度低，同時(shí)由于壓氣機(jī)處于風(fēng)車(chē)狀態(tài)，也無(wú)法為燃燒室提供高壓空氣，這些 因素都增加了點(diǎn)火的難度，因此對(duì)于燃燒室的點(diǎn)火性能提出了很大的挑戰(zhàn)，需要采用更加 可靠的點(diǎn)火裝置。本項(xiàng)發(fā)明正是基于上述兩種目的而提出的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于是提供一種非熱力學(xué)平衡等離子體點(diǎn)火與助燃裝置，以解決燃 氣輪機(jī)燒低熱值氣體時(shí)點(diǎn)火困難以及燃燒不穩(wěn)定的技術(shù)問(wèn)題。 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的整體思路是在未燃?xì)怏w(可以是空氣、燃料氣或者 混合氣)中放電產(chǎn)生非平衡等離子體，利用非平衡等離子體的化學(xué)活性提高燃料的點(diǎn)火性 能及燃燒穩(wěn)定性。本發(fā)明的技術(shù)方案如下 —種非熱力學(xué)平衡等離子體點(diǎn)火與助燃裝置，包括內(nèi)、外電極，絕緣阻擋介質(zhì)和高 壓交流電源；所述內(nèi)電極為空心的金屬管，金屬管內(nèi)通過(guò)燃料氣體；外電極由金屬網(wǎng)制成， 所述絕緣阻擋介質(zhì)插入內(nèi)、外電極間且與內(nèi)、外電極形成同軸設(shè)置，所述高壓交流電源連接 所述外電極以在內(nèi)、外電極間施加交流電壓使得內(nèi)外電極間的間隙內(nèi)的氣體被擊穿。
以往的等離子體點(diǎn)火裝置都是通過(guò)電弧放電產(chǎn)生平衡態(tài)等離子體，即熱等離子 體。熱等離子體的優(yōu)點(diǎn)是溫度高，點(diǎn)火能量大，但其缺點(diǎn)也很明顯，功耗大，效率低，化學(xué)活 性差，溫度過(guò)高導(dǎo)致電極壽命短，不能長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。本發(fā)明提供的非平衡等離子體助燃裝置 相比于以往的等離子點(diǎn)火裝置其優(yōu)點(diǎn)在于非平衡等離子體溫度低，功耗低，化學(xué)活性好，并且電極溫度低，可以長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行而無(wú)需冷卻。 所述絕緣阻擋介質(zhì)為石英玻璃管或剛玉管。剛玉管的耐溫性能更好，比石英玻璃 管更適合作為絕緣介質(zhì)。本裝置選擇石英管是因?yàn)槭⒐苁峭该鞯?，便于觀測(cè)和拍攝。
內(nèi)電極為空心不銹鋼圓管，氣體可以從內(nèi)電極內(nèi)部通過(guò)。這使得該助燃裝置的燃 燒方式既可以為擴(kuò)散燃燒(燃料氣從內(nèi)電極內(nèi)部通過(guò)，空氣從內(nèi)電極與石英玻璃管之間的 間隙通過(guò))，又可以為預(yù)混燃燒(燃料氣先跟空氣混合好，再?gòu)膬?nèi)電極與石英玻璃管或剛玉 管之間的間隙通過(guò))。 石英玻璃管或剛玉管比內(nèi)電極高出50mm左右，這樣可以防止放電時(shí)可能發(fā)生的 "爬電"現(xiàn)象。 石英玻璃管或剛玉管是在石棉繩和法蘭的共同作用下固定的，這種方式既固定了
石英玻璃管或剛玉管，又能給予石英玻璃管或剛玉管外力保護(hù)，防止其受力后破碎。 本發(fā)明提供的等離子體助燃裝置相比于目前燃?xì)廨啓C(jī)上用的助燃方法其優(yōu)點(diǎn)在
于 1)該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，容易安裝在燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中。 2)該裝置功耗較低，只消耗較少的電量就能保證燃燒室內(nèi)的可靠點(diǎn)火和穩(wěn)定燃 燒，不需要耗費(fèi)燃油燃?xì)獾荣Y源。 3)該裝置操作簡(jiǎn)便，能夠針對(duì)不同的工況調(diào)節(jié)不同的放電參數(shù)以滿(mǎn)足需求。


圖1是本發(fā)明的非熱力學(xué)平衡等離子體點(diǎn)火與助燃裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2a-2b是本發(fā)明的非熱力學(xué)平衡等離子體點(diǎn)火與助燃裝置中進(jìn)氣槽的結(jié)構(gòu)圖。 圖3a-3d是本發(fā)明的非熱力學(xué)平衡等離子體點(diǎn)火與助燃裝置點(diǎn)火過(guò)程的照片。 圖4a-4d是本發(fā)明的非熱力學(xué)平衡等離子體點(diǎn)火與助燃裝置助燃過(guò)程的照片。 圖5a-5b是本發(fā)明施加等離子體前后點(diǎn)火性能對(duì)比圖。 圖6是本發(fā)明施加等離子體前后燃燒特性對(duì)比圖。
具體實(shí)施例方式
下面根據(jù)圖1至圖6，給出本發(fā)明一個(gè)較好實(shí)施例，并予以詳細(xì)描述，使能更好地 理解本發(fā)明的功能、特點(diǎn)。 圖1是本發(fā)明的非熱力學(xué)平衡等離子體點(diǎn)火與助燃裝置結(jié)構(gòu)示意圖，其中顯示了 點(diǎn)火與助燃裝置中的石英玻璃管1，內(nèi)電極2，外電極3，法蘭4，套筒5，石棉填充物6，墊片 7，進(jìn)氣槽8 (進(jìn)氣槽8具體結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖2)，底座9，支腳10，進(jìn)氣嘴11 ，燃料入口 12，空氣入 口 13，高壓引線14和地線15。 石英玻璃管1豎直的立在進(jìn)氣槽8上面，底部套上墊片7防止其橫向滑移。在石
英玻璃管外靠近底部1/3處填充了許多石棉繩6，然后通過(guò)法蘭4與套筒5的連接壓緊石棉
繩，這樣就防止了石英玻璃管沿軸向滑移或者轉(zhuǎn)動(dòng)。墊片和石棉繩的共同作用既保證了石
英玻璃管的位置固定，又避免了給石英玻璃管施加太大的外力導(dǎo)致其破裂。 還可以采用其他類(lèi)似的固定石英玻璃管的方法，例如做一個(gè)有一定高度的圓環(huán)狀
的金屬凹槽，把玻璃管豎直放在凹槽里面，在縫隙處墊一些石棉繩加以固定。這樣也能固定石英玻璃管，但是石英玻璃管受熱后會(huì)膨脹，膨脹后的石英玻璃管接觸到金屬凹槽的內(nèi)壁 后易發(fā)生破裂。 內(nèi)電極2是空心的，中間流過(guò)的是燃料氣體。在其放電的這一端(頂部)加工了 11個(gè)厚度為2mm的相對(duì)內(nèi)電極2外表面徑向向外凸出的圓環(huán)，這些圓環(huán)可以減小放電間隙， 使得產(chǎn)生的等離子體的密度更大。在進(jìn)氣的這一端(底部)采用了螺紋結(jié)構(gòu)與氣嘴11連 接，氣嘴11的底部是燃料氣進(jìn)口 12。 內(nèi)電極上凸起的圓環(huán)的起的作用是造成電場(chǎng)不均勻，這樣才能比較容易放電。如 果沒(méi)有圓環(huán)，內(nèi)部是光滑的，在小的放電間隙下可以放電，間隙一大就不容易產(chǎn)生均勻的放 電。圓環(huán)的數(shù)量太少則有效放電面就太小，數(shù)量過(guò)多則放電會(huì)比較困難(需要更高的電 壓)。 一般來(lái)說(shuō)，整個(gè)放電區(qū)域的長(zhǎng)度在80mm左右就可以了。圓環(huán)的間距一般是2 8mm 就可以了。 在裝置的頂部，石英玻璃管高出內(nèi)電極30-60mm，例如50mm，這是為了防止"爬電"
的產(chǎn)生。 套筒5是由上蓋、筒身、底蓋三部分焊接而成的，上蓋用來(lái)與法蘭4連接，筒身提供 了一個(gè)可以填充石棉繩的空間，底蓋用來(lái)與底座9連接，另外，底蓋處有一個(gè)空氣入口 13。 設(shè)置在一邊或者兩邊都可以，設(shè)置一個(gè)進(jìn)口或者二個(gè)進(jìn)口都可以。 圖2a-2b是本發(fā)明的助燃裝置中進(jìn)氣槽的結(jié)構(gòu)圖，其中圖2a為主視圖與俯視圖， 圖2b為剖面圖。進(jìn)氣槽8是挖有4個(gè)凹槽的柱體，進(jìn)氣槽8與空氣入口 13相通，空氣從空 氣入口 13進(jìn)入后，通過(guò)凹槽流進(jìn)內(nèi)電極與石英玻璃管之間的間隙里。 底座9分別與套筒5和進(jìn)氣槽8連接，構(gòu)成了一個(gè)封閉的空間供空氣流通。底座9 的中心是空的，內(nèi)電極2從底座9中心穿過(guò)。支腳10有三只，用來(lái)支撐整個(gè)裝置。高壓引 線14接高壓電源的正極，地線15接高壓電源的地級(jí)。 空氣從空氣入口 13流入該裝置，經(jīng)過(guò)進(jìn)氣槽8后，流進(jìn)內(nèi)電極2與石英玻璃管1 之間的間隙，在通過(guò)外電極3所包圍的區(qū)域時(shí)被擊穿產(chǎn)生放電，然后再與從內(nèi)電極2流出的 燃料氣混合，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。 在放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量低溫的非平衡等離子體。非平衡等離子體中的高能電子 與反應(yīng)物分子的碰撞，導(dǎo)致分子鍵松弛、斷裂或裂解成自由基。自由基(即活性粒子)在燃 燒反應(yīng)中起到了重要作用，這是因?yàn)槿剂涎趸幕瘜W(xué)反應(yīng)，特別是連鎖反應(yīng)通過(guò)生成的活 化中心(鏈載體)進(jìn)行，這些活化中心通常是原子和基團(tuán)等活性粒子，且連鎖反應(yīng)的速度取 決于燃燒區(qū)內(nèi)活性粒子的濃度。因此，如果在燃燒前或者燃燒過(guò)程中利用放電等離子體在 未燃區(qū)產(chǎn)生一定數(shù)量的活性成分，燃燒速度就有可能提高。 圖3a-3d是反應(yīng)本發(fā)明的非平衡等離子體助燃裝置點(diǎn)火過(guò)程的一組照片，是以時(shí) 間順序拍攝的。通過(guò)放電間隙的空氣被擊穿，產(chǎn)生放電(圖3a)，電離后的空氣與從內(nèi)電極 中噴射出來(lái)的燃料混合時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，火焰被點(diǎn)燃(圖3b)，剛開(kāi)始燃燒并不穩(wěn)定，火焰 左右搖晃(圖3c)，幾秒種后，火焰在等離子體的助燃下穩(wěn)定的燃燒(圖3d)。
圖4a-4d是抬升火焰在本發(fā)明的非平衡等離子體助燃裝置助燃下變成穩(wěn)定的射 流火焰的一組照片，也是以時(shí)間順序拍攝的。電火花點(diǎn)燃了不穩(wěn)定的抬升火焰(圖4a)，放 電器功率為25W時(shí)，火焰形狀并無(wú)明顯變化(圖4b)，增大功率至50W，等離子體的密度增大 了，火焰形狀仍無(wú)明顯變化(圖4c)，繼續(xù)增大功率至IOOW，抬升火焰迅速向管內(nèi)移動(dòng)，變成了穩(wěn)定的射流火焰(圖4d)。圖4說(shuō)明了在等離子體助燃的條件下，火焰?zhèn)鞑ニ俣忍岣?，?燒穩(wěn)定性更好。 圖5a-5b是本發(fā)明的非平衡等離子體助燃裝置與電火花點(diǎn)火性能的對(duì)比。其中， 圖5a為電火花點(diǎn)火性能圖，圖5b為非平衡等離子體點(diǎn)火性能圖。如圖所示，電火花點(diǎn)火的 著火范圍比較狹窄，尤其是在氫含量較低時(shí)，即使當(dāng)量比很大也無(wú)法點(diǎn)燃，而一般低熱值氣 體的氫含量都較低(高爐煤氣的氫含量不到10% )，因此使用傳統(tǒng)的電火花點(diǎn)火方式很難 點(diǎn)燃低熱值的氣體燃料。而非平衡等離子體點(diǎn)火的著火范圍極廣，能夠在較小的氫含量下 (< 10% )點(diǎn)火成功，并且外界負(fù)荷的變化(當(dāng)量比的變化)對(duì)于點(diǎn)火性能的影響很小。可 以說(shuō)，等離子體點(diǎn)火的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了傳統(tǒng)的電火花點(diǎn)火的性能，尤其適用于氫含量較低 和低負(fù)荷工況下的低熱值氣體的點(diǎn)火。 圖6是采用本發(fā)明的非平衡等離子體助燃與不采用等離子體兩種情況下燃燒時(shí) 熄火極限的對(duì)比。如圖所示，在沒(méi)有等離子體助燃的情況下，燃燒穩(wěn)定性差，尤其是在熱值 較低時(shí)，熄火當(dāng)量比較高(①>0.4)，完全不能達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室正常運(yùn)行的工況(① < 0. 3)。而在有等離子體助燃的情況下，當(dāng)量比能夠降低到更小的值(①< 0. 3)才熄火。 這說(shuō)明了在等離子體助燃條件下熄火極限拓寬了，燃燒室的燃燒穩(wěn)定性有了較大的提高。
以上所述的，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非用以限定本發(fā)明的范圍。例如其中的 石英玻璃管可以用剛玉管替代。即凡是依據(jù)本發(fā)明申請(qǐng)的權(quán)利要求書(shū)及說(shuō)明書(shū)內(nèi)容所作的 簡(jiǎn)單、等效變化與修飾，皆落入本發(fā)明專(zhuān)利的權(quán)利要求保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種非熱力學(xué)平衡等離子體點(diǎn)火與助燃裝置，包括內(nèi)、外電極，絕緣阻擋介質(zhì)和高壓交流電源；所述內(nèi)電極為空心的金屬管，金屬管內(nèi)通過(guò)燃料氣體；外電極由金屬網(wǎng)制成，所述絕緣阻擋介質(zhì)插入內(nèi)、外電極間且與內(nèi)、外電極形成同軸設(shè)置，所述高壓交流電源連接所述外電極以在內(nèi)、外電極間施加交流電壓使得內(nèi)外電極間的間隙內(nèi)的氣體被擊穿。
2. 如權(quán)利要求1所述的非熱力學(xué)平衡等離子體點(diǎn)火與助燃裝置，其特征在于，該點(diǎn)火 與助燃裝置包括底座，所述絕緣阻擋介質(zhì)固定在底座上。
3. 如權(quán)利要求2所述的非熱力學(xué)平衡等離子體點(diǎn)火與助燃裝置，其特征在于，所述絕 緣阻擋介質(zhì)為石英玻璃管或剛玉管。
4. 如權(quán)利要求3所述的非熱力學(xué)平衡等離子體點(diǎn)火與助燃裝置，其特征在于，所述石 英玻璃管或剛玉管比所述內(nèi)電極高出30-60mm。
5. 如權(quán)利要求3所述的非熱力學(xué)平衡等離子體點(diǎn)火與助燃裝置，其特征在于，所述石 英玻璃管或剛玉管豎立在所述底座上，所述石英玻璃管或剛玉管的底部套有墊片。
6. 如權(quán)利要求5所述的非熱力學(xué)平衡等離子體點(diǎn)火與助燃裝置，其特征在于，所述石 英玻璃管外靠近底部1/3處填充有石棉繩。
7. 如權(quán)利要求6所述的非熱力學(xué)平衡等離子體點(diǎn)火與助燃裝置，其特征在于，所述石 棉繩被壓緊。
8. 如權(quán)利要求2所述的非熱力學(xué)平衡等離子體點(diǎn)火與助燃裝置，其特征在于，底座的 中心部分部是空心的，所述內(nèi)電極從所述底座的中心部分穿過(guò)并固定在底座上。
9. 如權(quán)利要求1所述的非熱力學(xué)平衡等離子體點(diǎn)火與助燃裝置，其特征在于，所述金 屬管為不銹鋼圓管。
10. 如權(quán)利要求1所述的非熱力學(xué)平衡等離子體點(diǎn)火與助燃裝置，其特征在于，所述金 屬網(wǎng)為不銹鋼網(wǎng)，該不銹鋼網(wǎng)具有網(wǎng)孔，該網(wǎng)孔大小為lmmXlmm。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種非熱力學(xué)平衡等離子體點(diǎn)火與助燃裝置，包括內(nèi)、外電極，絕緣阻擋介質(zhì)和高壓交流電源；所述內(nèi)電極為空心的金屬管，金屬管內(nèi)通過(guò)燃料氣體；外電極由金屬網(wǎng)制成，所述絕緣阻擋介質(zhì)插入內(nèi)、外電極間且與內(nèi)、外電極形成同軸設(shè)置，所述高壓交流電源連接所述外電極以在內(nèi)、外電極間施加交流電壓使得內(nèi)外電極間的間隙內(nèi)的氣體被擊穿。本發(fā)明提供的非平衡等離子體助燃裝置相比于以往的等離子點(diǎn)火裝置其優(yōu)點(diǎn)在于非平衡等離子體溫度低，功耗低，化學(xué)活性好，并且電極溫度低，可以長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行而無(wú)需冷卻。
文檔編號(hào)F23Q7/00GK101761940SQ20091020110
公開(kāi)日2010年6月30日 申請(qǐng)日期2009年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月15日
發(fā)明者張宏武, 徐綱, 房愛(ài)兵, 胡宏斌, 黃偉光 申請(qǐng)人:上海中科清潔能源技術(shù)發(fā)展中心;中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所