CN101852444B

CN101852444B - 一种微波等离子体点燃器

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Publication number: CN101852444B
Application number: CN2010101831057A
Authority: CN
Inventors: 白野; 蒲力萌
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-05-26
Filing date: 2010-05-26
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2030-05-26
Also published as: CN101852444A; WO2011147230A1

Abstract

本发明公开了一种微波等离子体点燃器，包括微波谐振腔、石英玻璃管等离子体产生区、切向送风装置以及煤粉流吹入装置。煤粉流吹入装置向石英玻璃管中微波等离子体产生区域轴向送入煤粉流，当输入微波功率超过临界值时，在煤粉流中的微小煤粉激励下，微波等离子体产生区产生初始电离，通过雪崩效应过渡到整个石英玻璃管内，从而形成微波等离子体火炬。同时点燃煤粉流，形成煤粉微波等离子体火炬，并沿石英玻璃管轴向从石英玻璃管上端吹出。煤粉与微波等离子体相互作用，这样，既提高了点燃器输出火炬的温度，又增加了微波等离子体点燃器的点燃、助燃和稳燃能力，同时克服了现有技术在微波等离子体产生区域通过同轴线内导体激励微波等离子体火炬，高温等离子体火炬时间长了就会将同轴线内导体熔化的缺点。

Description

一种微波等离子体点燃器

技术领域

本发明属于大功率微波应用技术领域，涉及一种利用大功率微波产生等离子体火炬的微波等离子体点燃器。

背景技术

微波等离子体是一种通过无极放电产生的高电荷密度和温度的准平衡等离子体。它与直流、射频等离子体相比，具有转换效率高、温度高、体积大等特点。

在微波工业应用领域，国际相关组织给出了两个工作频率窗口，即915MHz、2450MHz。在这些工作频率窗口，对于微波等离体的激励，1个大气压或更高气压时，要产生放电的微波场强需大于3×10⁴v/cm，超过低气压等离体激励所需微波场强两个数量级之多。因此，在大气压强(≥10⁵帕)下，微波等离子点燃器产生微波等离子体火炬(APT)需要大功率的微波，以提高等离子体产生区域的微波电场，激励微波等离子体产生。

为提高放电位置的微波电场，现有技术中的微波等离子体产生装置，如图2、3所示的、2009年03月04日公开的、公告号为CN 101378615A、名称为“一种微波等离子体火炬波导激励腔”的中国发明专利申请公开说明书。该专利申请中的微波等离子体点燃器通过压缩波导窄边高度和构成TE103型谐振腔的双重提高放电区的微波场强措施，从而不仅省去了点火器或引燃极，而且也大大提高了微波功率的利用率，即微波放电的转换效率。实现了不采用任何点火器或引燃极的情况下，较小微波功率就能借助此激励腔激发大气压强(≥10⁵帕)下的微波等离子体火炬，装置结构简单，转换效率高，火炬电子温度及电子密度高，工作稳定。

然而，在上述微波等离子体点燃器中，由于火炬电子温度高，同轴线内导体经不起长时间的高温，会出现熔化现象。因此，现有的微波等离子体点燃器不能长时间使用，不能起到助燃、稳燃的作用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的微波等离子体点燃器不能长时间使用的技术问题和不足，提供一种可以长时间使用的微波等离子体点燃器。

为实现上述发明目的，本发明的微波等离子体点燃器，包括：

一微波谐振腔，与微波功率馈入系统连接，微波功率馈入系统向微波谐振腔输入大功率微波；

一石英玻璃管，穿过微波谐振腔的微波场强最大处，用于提供微波等离子体火炬产生并维持的空间，其内微波场强最大处为微波等离子体产生区域；

一切向送风装置，位于石英玻璃管底端，沿石英玻璃管内壁圆周切线斜向上方向送入气流，用于在石英玻璃管内壁与与产生的微波等离子体火炬之间形成保护气膜，避免石英玻璃管直接接触高温；

其特征在于，还包括：

一煤粉流吹入装置，其煤粉流吹出口位于石英玻璃管底端中心位置，用于向石英玻璃管中微波等离子体产生区域轴向送入煤粉流；当微波功率馈入系统输入微波功率超过临界值时，在煤粉流中的微小煤粉激励下，在微波等离子体产生区出现初始电离放电，通过雪崩效应过渡到整个石英玻璃管内，产生微波等离子体火炬，同时点燃煤粉流，形成煤粉微波等离子体火炬，并沿石英玻璃管轴向从石英玻璃管上端吹出。

本发明的发明目的是这样实现的：

将煤粉流引入微波等离子体产生区域，一方面可以通过微小煤粉的激励，即导引下，初始电离放电，通过雪崩效应过渡到整个石英玻璃管内，产生微波等离子体火炬，降低了微波等离子体激发产生所需微波场强；同时，另一方面，煤粉与微波等离子体相互作用，使得轴向煤粉流在石英玻璃管中处于完全燃烧状态，既提高了点燃器输出火炬的功率密度，又将大量热量通过煤粉流带出燃烧器，实现了对燃烧器装置的保护，增加了微波等离子体点燃器的点燃、助燃和稳燃能力。

在本发明中，由于是煤粉流在微波等离子体产生区域进行激励，该区域被螺旋气流膜隔离，产生输出的火炬不与微波等离子体点燃器本身直接接触，因而，能长时间使用，在燃烧系统中，起到助燃、稳燃的作用，克服了现有技术在微波等离子体产生区域放入同轴线内导体来产生微波等离子体火炬，高温等离子体火炬会将同轴线内导体熔化的缺点。

同时，在本发明中，微波等离子体与煤粉流作用充分，转换效率高，构成的煤粉微波等离子体火炬温度高且体积大，可用于大型燃烧系统，如火力发电锅炉、焚烧锅炉等的点燃、助燃和稳燃，以取代现有的点燃器，如燃油点燃器、直流等离子体点燃器等。

附图说明

图1是本发明微波等离子体点燃器的一种具体实施方式下的结构示意图，其中(a)为侧面剖视图、(b)为俯视图、(c)为仰视图、(d)为场强分布图；

图2是现有技术的一种微波等离子体点燃器侧剖面图；

图3是图2所示的微波等离子体点燃器的工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的最佳具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

在本实施例中，如图1(a)所示，微波谐振腔100包括：

一标准矩形波导101，其始端与微波功率馈入系统连接，并具有一等效短路面形成装置；微波功率馈入系统向标准矩形波导101输入大功率微波；

一渐变矩形波导102，其始端与标准矩形波导101的末端连接；渐变矩形波导102从始端到末端，其窄边按线性规律压缩；

一窄边压缩矩形波导103，其始端与渐变矩形波导102末端相连，并且与渐变矩形波导102末端窄边高度一致，末端为金属短路板1031；窄边压缩矩形波导103的上下两面分别开有一个圆孔1032、1033，其圆心在波导宽边中心轴线上距离末端1/4波导波长左右，且两个圆孔1032、1033的圆心连线与窄边压缩矩形波导的上下两面垂直；

微波谐振腔长度满足谐振条件，在本实施例中，三段矩形波导101、102、103总长度满足半波导波长的整数倍。

在本实施中，如图1(b)、(c)所示，石英玻璃管200通过窄边压缩矩形波导上面的圆孔1032插入窄边压缩矩形波导内，至少到达窄边压缩矩形波导下面的圆孔1033，用于提供微波等离子体火炬产生并维持的空间。

在本实施例中，微波等离子体点燃器还包括一下金属筒301，位于窄边压缩矩形波导103下面圆孔1033外侧上，起着截止圆波导的作用。在下金属筒的底端端面上有一金属圆环400，与金属筒301一起用于防止微波谐振腔100中的微波泄漏。

在本实施中，切向送风装置为在下金属筒301的筒壁，沿圆周切线斜向上方向开有数个小孔501，每个小孔501沿筒壁圆周切线斜向上方向焊接一金属管502，金属管502的筒壁外管口5021与供风装置(未画出)，如空气压缩机等连接。气流从金属管502的筒壁内管口5022送出，沿石英玻璃管200内壁圆周切线斜向上方向进入石英管，用于在石英玻璃管200内壁与与产生的煤粉微波等离子体火炬800之间形成保护气膜，避免石英玻璃管200直接接触高温。

在本实施例中，煤粉流吹入装置600的煤粉流吹出口601位于石英玻璃管200底端中心位置，在本实施中，位于金属圆环400的圆心处，用于向石英玻璃管200中微波等离子体产生区域轴向送入煤粉流700；当微波功率馈入系统输入微波功率超过临界值时，在煤粉流700中的微小煤粉激励下，在微波等离子体产生区产生初始电离放电，通过雪崩效应过渡到整个石英玻璃管200内，产生微波等离子体火炬，同时点燃煤粉流，形成煤粉微波等离子体火炬800，并沿石英玻璃管200轴向从石英玻璃管200上端吹出。

在本实施中，由标准矩形波导101、渐变矩形波导102、窄边压缩矩形波导103构成的微波谐振腔100与现有技术，即2009年03月04日公开的、公告号为CN 101378615A的中国发明专利申请公开说明书公开的微波等离子体点燃器中微波谐振腔结构和原理一致。但如图3所示，其标准矩形波导2的等效短路面形成装置采用的是始端金属膜片5，由于微波功率馈入系统送入大功率微波的频率误差以及谐振腔结构的制造误差，往往不能在微波谐振腔100形成谐振，使石英玻璃管11穿过微波谐振腔的微波场强较大处。因此，在本实施中，对微波谐振腔100进行了改进：

在标准矩形波导101始端宽边中心轴线L上安装有销钉调配器1011，通过调节销钉调配器1011使标准矩形波导101始端形成等效短路面。在本实施例中，调节销钉调配器1011为微波领域常用的三销钉调配器，包括三个等间距排列的可上下调节的销钉，在标准矩形波导101宽边中心沿轴向依次安装。

通过三个销钉在标准矩形波导101内不同插入深度的配合，在标准矩形波导101始端形成等效短路面。此时，标准矩形波导101始端等效短路面以及窄边压缩矩形波导103末端金属短路板1031的作用，微波谐振腔100构成一个封闭的TE_10n模式的谐振腔。

在本实施中，如图1所示，本发明的微波等离子体点燃器是这样工作的：

微波馈入系统通过法兰盘900，进入标准矩形波导101中，经三销钉调配器1011调配后进入渐变矩形波导102进行压缩，压缩后的微波送入窄边压缩矩形波导103中；当微波窄边压缩矩形波导103末端的金属短路板1031后产生全反射，逆向经微波窄边压缩矩形波导103向渐变矩形波导102、标准矩形波导101返回输入微波馈入系统，但大部分微波功率通过三销钉调配器1011调配形成的等效短路面返回，重新向标准矩形波导101、渐变矩形波导102、窄边压缩矩形波导103方向传输。由于三段矩形波导101、102、103总长度满足波导波长整数倍，在微波谐振腔100产生谐振。谐振时，由于石英玻璃管200位于窄边压缩矩形波导103波导宽边中心轴线距离末端1/4波导波长左右处，处于谐振后的驻波波腹位置，即图1(d)中的A处，穿过微波谐振腔的微波场强较大处，石英玻璃管200中微波场强较大处为微波等离子体产生区域，即图1(a)中的B区域。

煤粉流吹入装置600的煤粉流吹出口601向石英玻璃管200中微波等离子体产生区域轴向送入煤粉流700。

当输入微波功率大于临界值，在煤粉流700中的微小煤粉激励下，在微波等离子体产生区域B产生初始电离放电，通过雪崩效应过渡到整个石英玻璃管200内，产生微波等离子体火炬，同时点燃煤粉流，形成煤粉微波等离子体火炬800，并沿石英玻璃管200轴向从石英玻璃管200上端吹出。

煤粉微波等离子体火炬800体积大小与输入微波功率相关，功率越大，火炬体积越大、温度越高。煤粉微波等离子体火炬800形成后，维持火炬的微波功率可大大降低。

在本实施例中，微波等离子体点燃器还包括一上金属筒302，位于窄边压缩矩形波导103上面外侧面圆孔1032上，其中心轴线与圆孔1032圆心重合，起着固定石英玻璃管200以及截止圆波导的作用。

在本实施例中，根据微波馈入系统的工作频率为915MHz设计的，标准矩形波导101采用BJ-9标准矩形波导，其波导内壁尺寸为：宽边a＝248mm，窄边b＝124mm。波导采用高光洁度的铝制成，要求内表面镀银，以提高谐振腔的固有品质因数(Qo值)，标准矩形波导101大于300mm。渐变矩形波导102、微波窄边压缩矩形波导103的长度均为220mm。

标准矩形波导101宽边中心沿轴向加装三个直径为15mm的调节销钉，构成销钉调配器钉调配器1011。销钉轴心彼此相距60mm，用螺纹旋入的销钉位置可上下调节。

渐变矩形波导102为窄边按线性规律压缩的矩形波导，其窄边从始端的124mm到压缩到末端62mm。

窄边压缩矩形波导103的窄边b1＝62mm，宽边中心轴上、距末端120mm处、波导宽边上下两面开孔径为100mm的同心圆孔1032、1033。

上金属筒302长度为30mm，内径为100mm，石英玻璃管200外径100mm，通过上金属筒302插入窄边压缩矩形波导103，直至窄边压缩矩形波导103另一面，下金属筒301的轴向长度约为50mm，外径为100mm，插入圆孔1033，端面与窄边压缩矩形波导103保持在同一平面，起着截止圆波导作用，同时也为煤粉流700输入通道。

在本实施例中，在20kw功率下可产生直径80mm，长度300mm以上的火炬，其温度在3000k以上。

本发明微波等离子体点燃器也可以应用到其它频段，如L波段，S波段，C波段，X波段，或同一频段的不同波导尺寸如BJ22等的激励腔均属于本发明所要求保护的范围。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims

1.一种微波等离子体点燃器，包括：

一石英玻璃管，穿过微波谐振腔的微波场强较大处，用于提供微波等离子体火炬产生并维持的空间，其内微波场强最大处为微波等离子体产生区域；

一切向送风装置，位于石英玻璃管底端，沿石英玻璃管内壁圆周切线斜向上方向送入气流，用于在石英玻璃管内壁与产生的微波等离子体火炬之间形成保护气膜，避免石英玻璃管直接接触高温；

其特征在于，还包括：

一煤粉流吹入装置，其煤粉流吹出口位于石英玻璃管底端中心位置，用于向石英玻璃管中微波等离子体产生区域轴向送入煤粉流；当微波功率馈入系统输入微波功率超过临界值时，在煤粉流中的微小煤粉激励下，在微波等离子体产生区产生初始电离放电，通过雪崩效应过渡到整个石英玻璃管内，产生微波等离子体火炬，同时点燃煤粉流，形成煤粉微波等离子体火炬，并沿石英玻璃管轴向从石英玻璃管上端吹出。

2.根据权利要求1所述的微波等离子体点燃器，其特征在于，所述的微波谐振腔包括：

一标准矩形波导，其始端与微波功率馈入系统连接，并具有一等效短路面形成装置；微波功率馈入系统向标准矩形波导输入大功率微波；

一渐变矩形波导，其始端与标准矩形波导的末端连接；渐变矩形波导从始端到末端，其窄边按线性规律压缩；

一窄边压缩矩形波导，其始端与渐变矩形波导末端相连，并且与渐变矩形波导末端窄边高度一致，末端为金属短路板；窄边压缩矩形波导的上下两面分别开有一个圆孔，其圆心在波导宽边中心轴线上距离末端1/4波导波长左右处，且两个圆孔的圆心连线与窄边压缩矩形波导的上下两面垂直；

微波谐振腔长度满足谐振条件；

石英玻璃管通过窄边压缩矩形波导上面的圆孔插入窄边压缩矩形波导内，至少到达窄边压缩矩形波导下面的圆孔，用于提供微波等离子体火炬产生并维持的空间。

3.根据权利要求2所述的微波等离子体点燃器，其特征在于，所述的等效短路面形成装置为销钉调配器，安装在标准矩形波导始端宽边中心轴线上，用于调节销钉调配器使标准矩形波导始端形成等效短路面。

4.根据权利要求3所述的微波等离子体点燃器，其特征在于，所述的销钉调配器为三销钉调配器，包括三个等间距排列的可上下调节的销钉，在标准矩形波导宽边中心沿轴向依次安装；

通过三个销钉在标准矩形波导内不同插入深度的配合，在标准矩形波导始端形成等效短路面。

5.根据权利要求2所述的微波等离子体点燃器，其特征在于，所述的微波等离子体点燃器还包括一下金属筒，位于窄边压缩矩形波导下面外侧面圆孔上，其中心轴线与圆孔圆心重合，起着截止圆波导的作用；在下金属筒的底端端面上有一金属圆环，与下金属筒一起用于防止微波谐振腔中的微波泄漏。

6.根据权利要求5所述的微波等离子体点燃器，其特征在于，所述的切向送风装置为在下金属筒的筒壁，沿圆周切线斜向上方向开有数个小孔，每个小孔沿筒壁圆周切线斜向上方向焊接一金属管，金属管的筒壁外管口与供风装置连接，气流从金属管的筒壁内管口送出。