CN104566378B

CN104566378B - 基于电弧放电等离子体的燃烧器喷嘴

Info

Publication number: CN104566378B
Application number: CN201310520201.XA
Authority: CN
Inventors: 李钢; 杜薇; 徐燕骥; 朱俊强
Original assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Current assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Priority date: 2013-10-29
Filing date: 2013-10-29
Publication date: 2017-02-08
Anticipated expiration: 2033-10-29
Also published as: CN104566378A

Abstract

本发明提供了一种基于电弧放电等离子体的燃烧器喷嘴。该燃烧器喷嘴利用高压放电，对喷嘴周围的气体进行加热，同时产生多种有助于燃烧反应进行的活性粒子，该产生活性粒子的过程相比于其他类型的防熄火装置性能更加稳定，功耗较低，只消耗较少的电量就能防止燃烧器熄火，运行成本极低。

Description

基于电弧放电等离子体的燃烧器喷嘴

技术领域

本发明涉及燃烧装置领域，尤其涉及一种基于电弧放电等离子体的燃烧器喷嘴。

背景技术

在化学工业、石油工业、钢铁工业的生产过程中都会产生一些低热值的气体燃料。以高炉煤气为例，它是炼铁过程产生的伴生气，可燃成分中H₂较少，而惰性气体CO₂、N₂较多，热值仅为2.5～3.5MJ/Nm³。燃气轮机在烧高炉煤气时遇到的问题有：

(1)热值较低使得点火困难；

(2)H₂含量较少使得燃烧稳定性差，容易发生稀态熄火；

(3)低负荷工况下容易发生CO燃烧不完全的现象，致使燃烧效率明显下降。

当前解决这些问题的主要方法有：(1)使用焦炉煤气掺混入高炉煤气中以提高热值，使燃烧容易组织；(2)在燃烧室中使用高炉煤气和燃油两种燃料，在缺少高炉煤气(低负荷)时可随时切换燃油，以确保燃烧稳定；(3)使用轻质柴油或焦炉煤气点火并作为值班火焰以稳定燃烧。焦炉煤气、燃油及柴油等相对于高炉煤气来说都是高品位能源，为了有效利用高炉煤气而大量耗费这些高品位能源，无疑会增加系统运行成本，使得经济效益大打折扣。因此，迫切需要找到一种更为简单有效、经济实用的方法来防止低热值气体燃料在燃气轮机燃烧室中的熄火问题。

此外，在航空航天领域，对于航空发动机，当在高空发生熄火时，要求能够重新点火。可是由于高空中空气稀薄，空气中氧气含量低，压力和温度低，同样需要采用防止熄火的装置。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种简单有效、经济实用的基于电弧放电等离子体的燃烧器喷嘴。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种基于电弧放电等离子体的燃烧器喷嘴。该燃烧器喷嘴包括：高压交流电源；喷嘴本体，其下部呈管状，其上部形成N个喷嘴孔，其与高压交流电源的接地端电性连接；电弧放电组件，固定于喷嘴本体的中央，其顶部具有向下并朝向喷嘴孔设置M个金属材质的电极，该M个电极与高压交流电源的高压端电性连接；其中，该燃烧器喷嘴在工作状态下，M个电极中的任一个与相应喷嘴孔周围的喷嘴本体部分之间产生电弧放电，以加热由喷嘴孔喷出的可燃气体，并将部分的可燃气体分子电离为活性离子，以促进可燃气体的燃烧。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明基于电弧放电等离子体的燃烧器喷嘴具有以下有益效果：

(1)利用高压放电，对喷嘴周围的气体进行加热，同时产生多种有助于燃烧反应进行的活性粒子，该产生活性粒子的过程相比于其他类型的防熄火装置性能更加稳定，功耗较低，只消耗较少的电量就能防止燃烧器熄火，运行成本极低；

(2)装置整体简单紧凑，体积小，只需改动现有燃烧器的喷嘴部分，不需要配备其它点火装置，推广应用的成本较低；

(3)可以针对不同的工况调节不同的放电参数以满足需求，操作简单，配置灵活。

附图说明

图1A为根据本发明实施例基于电弧放电等离子体燃烧器喷嘴的结构示意图；

图1B为图1A所示燃烧器喷嘴的半剖立体图；

图2A是图1A所示燃烧器喷嘴上端部分的局部放大平面图；

图2B是图1A所示燃烧器喷嘴上端部分的立体图。

【本发明主要元件符号说明】

10-高压交流电源；

11-高压端； 12-接地端；

20-喷嘴本体；

21-气体通道； 22、23-喷嘴孔；

24-气体稳定腔； 25-气体入口；

30-电弧放电组件

31-支撑套； 32-第二绝缘件；

33-金属棒； 34-电极底座；

35-第一绝缘件； 36、37-电极。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明中，在燃烧器喷嘴孔附近布置多个电极，电极接通高压电后，将附近气体电离产生等离子体，所产生的等离子体一方面可以加热气体，另一方面可以产生促进燃烧反应进行的活性粒子，进而达到燃烧器点火和防止燃烧过程中发生燃烧器熄火。

在本发明的一个示例性实施例中，提出了一种基于电弧放电等离子体的燃烧器喷嘴。图1A为根据本发明实施例基于电弧放电等离子体燃烧器喷嘴的结构示意图；图1B为图1A所示燃烧器喷嘴的半剖立体图。请参照图1A和图1B，本实施例燃烧器喷嘴包括：高压交流电源10；喷嘴本体20，由金属材料制备，其下部呈管状，其上部形成N个喷嘴孔(22、23)，其与高压交流电源10的接地端电性连接；电弧放电组件30，固定于喷嘴本体20的中央，其顶部具有向下并朝向喷嘴孔设置M个电极(36、37)，该M个电极(36、37)与高压交流电源10的高压端电性连接；其中，燃烧器喷嘴在工作状态下，电极(36、37)与喷嘴孔(22、23)周围的喷嘴本体部分之间产生电弧放电，以加热由喷嘴孔喷出的可燃气体，并将部分的可燃气体分子电离为活性离子，以促进可燃气体的燃烧。

本实施例中，由于在电极(36、37)和喷嘴孔(22、23)之间没有绝缘介质阻挡，因此产生的是电弧放电，放电产生的等离子体可以加热气体并生成多种活性粒子。活性粒子在燃烧反应中起到了重要作用，这是因为燃料氧化的化学反应，特别是连锁反应通过生成的活化中心(链载体)进行，这些活化中心通常是原子和基团等活性粒子，且连锁反应的速度取决于燃烧区内活性粒子的浓度。因此，如果在燃烧前或者燃烧过程中利用放电等离子体在未燃区产生一定数量的活性成分，可以起到点火和防止熄火的作用。

以下分别对本实施例基于电弧放电等离子体燃烧器喷嘴的各个部分进行详细说明。

高压交流电源10的电压为现有技术中能够激发等离子体的电压，本领域技术人员可以明确知道该电压的范围。一般情况下，该电压的范围为500V-50kV。优选地，该高压交流电源为可调的电源，以能够针对不同的工况调节不同的放电参数以满足需求，其输出电压范围介于500V-50kV之间，其输出频率范围介于100Hz-200kHz之间。

本实施例中，喷嘴本体20与现有技术中的喷嘴类似。可燃气体通过管路由气体入口25进入下端的气体稳定腔24，而后稳定的气流通过气体通道21，由喷嘴孔(22、23)等喷出。其中，喷嘴本体上部外缘的喷嘴孔(22、23)周围材料为金属材料，如不锈钢、耐高温合金。

图2A是图1A所示燃烧器喷嘴上端部分的局部放大平面图。图2B是图1A所示燃烧器喷嘴上端部分的立体图。请参照图2A和图2B，本实施例电弧放电组件30包括：支撑套31，其同样呈管状，固定于喷嘴本体的管状下部；金属棒33，其下部套设于支撑套31内，与支撑套31之间具有第二绝缘件32；电极底座34，其下部与金属棒33电性连接；M个电极(36、37)，分别呈倒“L”形，其下端固定于电极底座34，其上端伸出喷嘴本体20后向一侧弯折，并朝下对准相应的喷嘴孔；其中，金属棒33上部、电极底座34和M个电极的下端的外围具有第一绝缘件35。

支撑套31起到固定和支撑第二绝缘件32和金属棒33的作用。金属棒33与电极底座34相连，起到导电的作用，材料为铜或铝。

第一绝缘件35为耐高温绝缘材料，其作用是避免电极与喷嘴内部的金属之间发生放电，该绝缘材料位于喷嘴出口处，燃烧器工作时该处温度较高，因此需选用如陶瓷、石英玻璃等耐高温绝缘材料。第二绝缘件32，用于防止金属棒与周围金属放电，由于该处远离喷嘴，温度不高，因此选用聚四氟乙烯作为绝缘材料即可。

请参照图2A和图2B，本实施例中，喷嘴孔数目N为4，电极数目M为4，即每一个喷嘴孔对应一个电极，但本发明并不以此为限。本发明中，电极数目至少为1个，最多不超过喷嘴孔的数目。电极数目与喷嘴孔数目相同时，每一个电极对应一个喷嘴孔。电极数目小于喷嘴孔数目时，可以隔一个、二个或多个喷嘴孔布置一个电极。M的取值可以介于2～10之间，N的取值也可以介于2～10之间。

本发明中，电极的材料可以为钨、钼或耐高温合金。电极尖端与喷嘴孔出口所在平面的垂直距离可以介于1mm-50mm之间。电极的尖端在喷嘴孔出口所在平面的投影距离喷嘴孔中心距离可以介于0-50mm之间。

电极的横截面为圆形、椭圆形、三角形、四边形、多边形。电极的横截面为圆形时，其直径可以介于0.1-10mm之间。电极的横截面为椭圆形时，其长轴长度可以介于0.1-10mm之间。电极的横截面为三角形、四边形、多边形时，其边长可以介于0.1-10mm之间。此外，电极的尖端可以为圆锥形、椭圆锥、三棱锥形、四棱锥形、多棱锥形。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明基于电弧放电等离子体的燃烧器喷嘴有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

综上所述，本发明提供一种基于电弧放电等离子体的燃烧器喷嘴，其可用于航空、化工、发电、冶金等行业，能够解决燃气轮机非设计工况下、燃烧低热值气体时的熄火问题，及航空发动机高空熄火的问题。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于电弧放电等离子体的燃烧器喷嘴，其特征在于，包括：

高压交流电源；

喷嘴本体，其下部呈管状，其上部形成N个喷嘴孔，其与高压交流电源的接地端电性连接；

电弧放电组件，固定于所述喷嘴本体的中央，其顶部具有向下并从喷嘴孔外部朝向喷嘴孔设置M个金属材质的电极，该M个电极与高压交流电源的高压端电性连接；

其中，该燃烧器喷嘴在工作状态下，所述M个电极中的任一个与相应喷嘴孔周围的喷嘴本体部分之间产生电弧放电，以加热由所述喷嘴孔喷出的可燃气体，并将部分的可燃气体分子电离为活性离子，以促进所述可燃气体的燃烧。

2.根据权利要求1所述的燃烧器喷嘴，其特征在于，所述高压交流电源为可调电源，其输出电压范围介于500V-50kV之间，其输出频率范围介于100Hz-200kHz之间。

3.根据权利要求1所述的燃烧器喷嘴，其特征在于，所述电极的材料为钨、钼或耐高温合金。

4.根据权利要求1所述的燃烧器喷嘴，其特征在于，所述喷嘴本体上部外缘的喷嘴孔周围材料为不锈钢或耐高温合金。

5.根据权利要求1所述的燃烧器喷嘴，其特征在于，所述电极的尖端与喷嘴孔出口所在平面的垂直距离介于1mm-50mm之间；所述电极的尖端在喷嘴孔出口所在平面的投影距离喷嘴孔中心距离介于0-50mm之间。

6.根据权利要求1所述的燃烧器喷嘴，其特征在于，所述电弧放电组件包括：

支撑套，呈管状，固定于所述喷嘴本体的管状下部；

金属棒，其下部套设于所述支撑套内，与所述支撑套之间具有第二绝缘件；

电极底座，其下部与所述金属棒电性连接；

所述M个电极，分别呈倒“L”形，其下端固定于所述电极底座，其上端伸出喷嘴本体后向一侧弯折，并朝下对准相应的喷嘴孔；

其中，所述金属棒的上部、电极底座和M个电极的下端的外围具有第一绝缘件。

7.根据权利要求6所述的燃烧器喷嘴，其特征在于，所述第一绝缘件的材料为陶瓷或石英玻璃，所述第二绝缘件的材料为聚四氟乙烯。

8.根据权利要求6所述的燃烧器喷嘴，其特征在于，所述金属棒与电极底座的材料为铜或铝。

9.根据权利要求6所述的燃烧器喷嘴，其特征在于，所述电极的横截面为圆形、椭圆形或多边形；电极的尖端为圆锥形、椭圆锥或多棱锥形。

10.根据权利要求9所述的燃烧器喷嘴，其特征在于，所述多边形为三角形或四边形。

11.根据权利要求9所述的燃烧器喷嘴，其特征在于，所述多棱锥形为三棱锥形或四棱锥形。

12.根据权利要求1至9中任一项所述的燃烧器喷嘴，其特征在于，所述N≥M。