CN102162644A - 介质阻挡放电等离子体旋流装置 - Google Patents
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Abstract
一种介质阻挡放电等离子体旋流装置，该装置主要由稳燃锥罩、多组等离子体激励器和高压电源组成；其中：稳燃锥罩放置在燃烧器喷嘴的出口处；等离子体激励器由两个电极组成一电极对，这两个电极交错布置在稳燃锥罩两侧，稳燃锥罩接触火焰侧的电极为裸露电极，连接高压电源的高压端；稳燃锥罩的另一侧的电极为掩埋电极，连接高压电极的接地端；每一电极对中裸露电极和掩埋电极金属电极的布置方式使得等离子体诱导流动的旋转方向与空气旋流方向相同，接通高压电后将等离子体激励器附近空气电离，产生活性自由基，同时加速附近空气。本发明具有机构简单紧凑、反应迅速、能耗低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及先进燃烧技术领域，具体地说，是一种提高气体燃料燃烧效率及燃烧稳定性的助燃装置，可用于航空、化工、发电、冶金等行业。特别地涉及一种介质阻挡放电等离子体稳燃、助燃装置。
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，所含可燃成分CO、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、经济实用的方法来实现低热值气体燃料在燃气轮机燃烧室中的可靠点火和稳定燃烧。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，同时由于压气机处于风车状态，也无法为燃烧室提供高压空气，这些因素都增加了点火的难度，因此对于燃烧室的点火性能提出了很大的挑战，需要采用更加可靠的点火装置。本项发明正是基于上述两种目的而提出的。
发明内容
本发明的目的在于是提供一种介质阻挡放电等离子体旋流装置，有助于解决燃气轮机燃烧低热值气体时点火困难和燃烧不稳定的问题。
为了达到上述目的，本发明的整体思路是在燃烧器喷嘴附近的整流锥罩上布置多组等离子体激励器，激励器接通高压电后，将附近空气电离产生等离子体，所产生的等离子体一方面可以增强空气的旋流，另一方面可以产生活性自由基，进而达到稳燃、助燃提高燃烧效率的效果。
具体地说，本发明提供的介质阻挡放电等离子体旋流装置主要由稳燃锥罩、多组等离子体激励器和高压电源组成；其中：
稳燃锥罩放置在燃烧器喷嘴的出口处；
等离子体激励器由两个电极组成一电极对，组成电极对的两个电极分别布置在稳燃锥罩两侧，稳燃锥罩接触火焰侧的电极为裸露电极，连接高压电源的高压端；稳燃锥罩的另一侧的电极为掩埋电极，连接高压电极的接地端；每一电极对中裸露电极和掩埋电极金属电极的布置方式使得等离子体诱导流动的旋转方向与空气旋流方向相同，接通高压电后将等离子体激励器附近空气电离，产生活性自由基，同时加速附近空气。
所述的介质阻挡放电等离子体旋流装置，其中稳燃锥罩材料为耐高温绝缘陶瓷或耐高温绝缘石英玻璃。
所述的介质阻挡放电等离子体旋流装置，其中稳燃锥罩的厚度为1-20mm。
所述的介质阻挡放电等离子体旋流装置，其中裸露电极和掩埋电极为钨、钼、钢或耐高温合金材料制成。
所述的介质阻挡放电等离子体旋流装置，其中裸露电极和掩埋电极形状为长方形。
所述的介质阻挡放电等离子体旋流装置，其中裸露电极和掩埋电极宽度为1-20mm。
所述的介质阻挡放电等离子体旋流装置，其中裸露电极和掩埋电极的对数根据稳燃锥罩的大小来确定使用的电极组数。
所述的介质阻挡放电等离子体旋流装置，其中每一电极对中掩埋电极与裸露电极之间可以为交错布置，交错的间距为0-5mm。
所述的介质阻挡放电等离子体旋流装置，其中掩埋金属电极的掩埋材料为耐高温绝缘陶瓷或耐高温绝缘石英玻璃。
本发明与公知技术相比具有以下优点：
1)该装置结构简单紧凑，体积小，容易安装在燃烧器上。
2)该装置通过将电能转化为空气的动能，使空气旋流，流动损失小。
3)该装置在使空气旋流的同时产生活性自由基。
4)该装置功耗较低，只消耗较少的电量就能保证燃烧器的可靠点火和稳定燃烧，不需要耗费燃油燃气等资源。
5)该装置操作简便，能够针对不同的工况调节不同的放电参数以满足需求。
附图说明
图1是本发明的等离子体旋流装置装置的结构示意图。
图2是本发明的等离子体激励器的结构图。
图3a-3f是本发明的等离子体旋流装置PLIF实验结果图片。其中：
图3a为不施加等离子体激励时火焰的稳态照片；
图3b为施加7kV时火焰的稳态照片；
图3c为施加8kV时火焰的稳态照片；
图3d为不施加等离子体激励时火焰的瞬态照片；
图3e为施加7kV时火焰的稳态照片；
图3f为施加8kV时火焰的瞬态照片。
具体实施方式
本发明的介质阻挡放电等离子体旋流装置，包括多组等离子体激励器、稳燃锥罩和高压交流电源。每组等离子体激励器两个电极组成一电极对，这两个电极分别布置在稳燃锥罩两侧，也可以匀错地布置在稳燃锥罩两侧，其中一个电极接高压电源的高压端，另一个电极接高压电极的接地端，每一电极对的电极布置方式使得等离子体诱导流动的旋转方向与空气旋流方向相同，接通高压电后将等离子体激励器附近空气电离，产生活性自由基，同时加速附近空气。
下面结合附图作详细说明。
请参阅图1至图3，给出本发明一个较好实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。
图1是本发明的介质阻挡放电等离子体旋流装置示意图及各组成部分的连接方式，其中显示了稳燃锥罩、高压电源、高压电源的高压端和接地端、电极等。
稳燃锥罩1为耐高温绝缘陶瓷或耐高温绝缘石英玻璃材料制成，稳燃锥罩的厚度可以为1-20mm，放置在燃烧器喷嘴的出口处。稳燃锥罩1接触火焰侧的电极为裸露电极2，该裸露电极2连接电源3的高压端；稳燃锥罩1的另一侧的电极为掩埋电极4，掩埋电极4是采用耐高温绝缘陶瓷或耐高温绝缘石英玻璃等绝缘材料掩埋在稳燃锥罩1的另一侧，该掩埋电极4连接电源3的接地端。
裸露电极2和掩埋电极4均可采用钨、钼、钢或耐高温合金材料制成，其形状优选为长方形，其宽约为1-20mm。每一电极对中掩埋电极4与裸露电极2之间交错的间距为0-5mm。具体设置裸露电极和掩埋电极的对数可以根据稳燃锥罩的大小来确定使用的电极对的组数。
图2是本发明的介质阻挡放电等离子体旋流装置中激励器在稳燃锥罩上的布置示意图，其中显示了裸露电极2、掩埋电极3和绝缘材料5、6。裸露电极2暴露在火焰一侧；掩埋电极4则被绝缘材料5、6覆盖起来，避免其将附件空气电离，消耗不必要的电源功率(本发明的稳燃锥罩起到绝缘材料的作用，此外在掩埋电极外再加一层绝缘材料是为了防止掩埋电极与空气接触，避免在掩埋电极附近产生等离子体)。空气流经裸露电极2时，一方面被加速旋转，另一方面被电离产生活性自由基，这些都有助于点火、稳燃和助燃。
在放电过程中会产生大量低温的非平衡等离子体。非平衡等离子体中的高能电子与反应物分子的碰撞，导致分子键松弛、断裂或裂解成自由基。自由基(即活性粒子)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，燃烧速度就有可能提高。
图3a-f是反应本发明的等离子体旋流装置稳燃、助燃效果的一组照片。这组照片利用激光诱导荧光装置拍摄。图3a为不施加等离子体激励时火焰的稳态照片；图3b和图3c为分别施加7kV和8kV时火焰的稳态照片；图3d为不施加等离子体激励时火焰的瞬态照片；图3e和图3f为分别施加7kV和8kV时火焰的瞬态照片。由这组图片可见，施加等离子体激励后，火焰长度减小，宽度增大，且随着激励电压的提高这种趋势更加显著，由此表明本发明的等离子体旋流装置起到了稳燃、助燃的效果。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围。即凡是依据本发明权利要求及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明的权利要求保护范围内。
Claims (9)
1.一种介质阻挡放电等离子体旋流装置，该装置主要由稳燃锥罩、多组等离子体激励器和高压电源组成；其中：
稳燃锥罩放置在燃烧器喷嘴的出口处；
等离子体激励器由两个电极组成一电极对，电极对的两个电极分别布置在稳燃锥罩两侧，稳燃锥罩接触火焰侧的电极为裸露电极，连接高压电源的高压端；稳燃锥罩的另一侧的电极为掩埋电极，连接高压电极的接地端；每一电极对中裸露电极和掩埋电极金属电极的布置方式使得等离子体诱导流动的旋转方向与空气旋流方向相同，接通高压电后将等离子体激励器附近空气电离，产生活性自由基，同时加速附近空气。
2.如权利要求1所述的介质阻挡放电等离子体旋流装置，其中，所述稳燃锥罩材料为耐高温绝缘陶瓷或耐高温绝缘石英玻璃。
3.如权利要求1所述的介质阻挡放电等离子体旋流装置，其中，稳燃锥罩的厚度为1-20mm。
4.如权利要求1所述的介质阻挡放电等离子体旋流装置，其中，所述裸露电极和掩埋电极为钨、钼、钢或耐高温合金材料制成。
5.如权利要求1所述的介质阻挡放电等离子体旋流装置，其中，所述裸露电极和掩埋电极形状为长方形。
6.如权利要求1所述的介质阻挡放电等离子体旋流装置，其中，所述裸露电极和掩埋电极宽度为1-20mm。
7.如权利要求1所述的介质阻挡放电等离子体旋流装置，其中，所述裸露电极和掩埋电极的对数根据稳燃锥罩的大小来确定使用的电极组数。
8.如权利要求1所述的介质阻挡放电等离子体旋流装置，其中，所述每一电极对中掩埋电极与裸露电极之间交错间距为0-5mm。
9.如权利要求1所述的介质阻挡放电等离子体旋流装置，其中，所述掩埋金属电极的掩埋材料为耐高温绝缘陶瓷或耐高温绝缘石英玻璃。
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