CN103133144A

CN103133144A - 值班火焰装置

Info

Publication number: CN103133144A
Application number: CN2011103965351A
Authority: CN
Inventors: 李钢; 徐燕骥; 杨凌元; 聂超群; 朱俊强
Original assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Current assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Priority date: 2011-12-02
Filing date: 2011-12-02
Publication date: 2013-06-05

Abstract

本发明公开了一种值班火焰装置。该值班火焰装置包括：交流电源、稳燃锥罩和至少一组等离子体激励器；等离子激励器包括：裸露电极和掩埋电极，其中，裸露电极位于稳燃锥罩的内侧面，与交流电源的一端相连；掩埋电极掩埋于稳燃锥罩内，与交流电源的另一端相连。本发明的值班火焰装置中，可以对其周围的空气进行加热，同时产生反应物的活性自由基，该产生活性自由基的过程相比于其他类型的值班火焰装置的原理过程性能更加稳定。

Description

值班火焰装置

技术领域

本发明涉及机电行业燃烧装置领域，尤其涉及一种值班火焰装置。

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，需要采用防止熄火的装置。

现有技术中的防熄火装置大多是应用于家用燃气具中。例如，中国专利200919197407提出一种防熄火炉架，其采用被动的防熄火方法，无法根据燃烧情况采用控制调制手段。中国专利201120092385提出一种燃烧炉，该燃烧炉本质就是一个流量调节装置，相当于一个阀门。

申请人认识到现有技术中防熄火装置存在如下技术问题：对现有火焰的保护性不强，只是在火焰即将熄灭时被动的采取措施，防熄火效果不稳定，从而不能应用于燃气轮机领域。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种值班火焰装置，以解决对现有火焰的保护性不强，只是在火焰即将熄灭时被动的采取措施，防熄火效果不稳定的问题。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种值班火焰装置。该装置包括：交流电源、稳燃锥罩和至少一组等离子体激励器；等离子激励器包括：裸露电极和掩埋电极，其中，裸露电极位于稳燃锥罩的内侧面，与交流电源的一端相连；掩埋电极掩埋于稳燃锥罩内，与交流电源的另一端相连。

(三)有益效果

本发明的值班火焰装置具有以下优点：

(1)该装置首先可以对其周围的空气进行加热，同时产生反应物的活性自由基，该产生活性自由基的过程相比于其他类型的值班火焰的装置性能更加稳定；

(2)该装置利用燃烧器中通用的稳燃锥罩，不增加任何辅助装置，结构简单紧凑，体积小；

(3)该装置功耗较低，只消耗较少的电量就能防止燃烧器熄火，不需要耗费燃油燃气等资源；

(4)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为本发明实施例值班火焰装置的示意图

图2是本发明实施例值班火焰装置中等离子体激励器的结构示意图；

图3是布置在平板上的等离子体激励器诱导流动的示意图；

图4是本发明实施例值班火焰装置布置在稳燃锥罩上的多组等离子体激励器诱导流动方向示意图；

图5为现有技术燃烧装置中不施加等离子体激励时火焰的稳态照片；

图6为利用本发明实施例值班火焰装置施加8kV等离子体激励时火焰的稳态照片。

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。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所述值。

本发明中，在燃烧器喷嘴附近的稳燃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加热空气，另一方面可以产生活性自由基，进而达到防止燃烧器熄火的效果。

在本发明的一个示例性实施例中，提出了一种值班火焰装置。图1为本发明实施例值班火焰装置的示意图。如图1所示，本实施例包括：稳燃锥罩、高压交流电源及等离子体激励器。以下对各部件分别进行说明。

在实际场景中，该稳燃锥罩套设于燃烧器的喷嘴上。稳燃锥罩的形状可以为棱锥形或者圆锥形，优选为圆锥形，其材料为耐高温绝缘陶瓷或耐高温绝缘石英玻璃，厚度一般为1-20mm。此外，稳燃锥罩可以由一层或多层绝缘材料构成(见图2)。

高压交流电源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1kV-50kV。优选地，该高压电源为可调的电源，以能够针对不同的工况调节不同的放电参数以满足需求。

图2是本发明实施例值班火焰装置中等离子体激励器的结构示意图。如图2所示，每组等离子体激励器两个电极组成-裸露电极和掩埋电极。裸露电极位于稳燃锥罩的内侧面，暴露在火焰一侧。掩埋电极则掩埋于稳燃锥罩内，被绝缘材料覆盖起来，避免其将附件空气电离，消耗不必要的电源功率。裸露电极与交流电源的一端相连；掩埋电极与交流电源的另一端相连。构成裸露电极和掩埋电极的金属电极材料为钨、钼、钢，或其他的耐高温合金。如图2所示，裸露电极和掩埋电极形状为长方形，其宽度一般为1-20mm。本领域技术人员应当清楚，裸露电极和掩埋电极也可以为长方形以外的其他形状，例如梯形、椭圆形。并且，裸露电极和掩埋电极的形状还可以不同。

本实施例中，在裸露电极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，导致反应物分子键松弛、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，可以气动防止熄火的作用。

为了产生等离子体诱导空气流动的目的，在本发明优选的实施例中，掩埋电极与裸露电极交错设置；交错布置是指：掩埋电极的边沿在稳燃锥罩的内侧面的投影与裸露电极的相应边沿不重合，边沿为左边沿或右边沿。掩埋电极的边沿在稳燃锥罩的内侧面的投影与裸露电极的相应边沿的距离为d，其中0＜d≤5mm。

图3是布置在平板上的等离子体激励器诱导流动的示意图，等离子体诱导流动的现象是在实验中发现的，其诱导流动方向如图3中的箭头所示。需要说明的是，本发明中，交流电源分为高压端和地线端。因此，存在以下两种情况：(1)裸露电极与交流电源的高压端相连，掩埋电极与交流电源的地线端相连；(2)裸露电极与交流电源的地线端相连，掩埋电极与交流电源的高压端相连。两种情况均能够实现本发明的效果。而相比较而言，实验证明：第一种方案所产生的对周围空气的推力更大，因此，采用第一种情况的连接方式是本发明优选的方案。

本实施例中，等离子体激励器可以为1个，也可以为多个。当等离子体激励器为多个时，等离子体激励器为n组，2≤n≤100；该n组等离子体激励器分布在稳燃锥罩的锥形面上；每组等离子体激励器中掩埋电极和裸露电极交错设置的方向相同。图4是本发明实施例值班火焰装置布置在稳燃锥罩上的多组等离子体激励器诱导流动方向示意图，每组等离子体激励器都会诱导出一个流动，这样多个激励器诱导流动的整体效果就是一个旋转流动，如图4中的箭头所示。

根据上述技术方案，申请人制备了四种值班火焰装置，其参数分别为：

第一种值班火焰装置：稳燃锥罩为方锥形，其材料为耐高温绝缘陶瓷，厚度为1mm；等离子体激励器的数目为1个，裸露电极和掩埋电极的形状为相对应的椭圆形，椭圆形的短轴为1mm，掩埋电极的边沿在稳燃锥罩的内侧面的投影与裸露电极的相应边沿的距离为d＝1mm；

第二种值班火焰装置：稳燃锥罩为圆锥形，其材料为耐高温绝缘玻璃，厚度为5mm；等离子体激励器的数目为10个，裸露电极和掩埋电极的形状为相对应的长方形，长方形的宽度为20mm，掩埋电极的边沿在稳燃锥罩的内侧面的投影与裸露电极的相应边沿的距离为d＝2mm；

第三种值班火焰装置：稳燃锥罩为圆锥形，其材料为耐高温绝缘玻璃，厚度为10mm；等离子体激励器的数目为20个，裸露电极和掩埋电极的形状为相对应的长方形，长方形的宽度为10mm，掩埋电极的边沿在稳燃锥罩的内侧面的投影与裸露电极的相应边沿的距离为d＝3mm；

第四种值班火焰装置：稳燃锥罩为圆锥形，其材料为耐高温绝缘玻璃，厚度为20mm；等离子体激励器的数目为100个，裸露电极和掩埋电极的形状为相对应的长方形，长方形的宽度为1mm，掩埋电极的边沿在稳燃锥罩的内侧面的投影与裸露电极的相应边沿的距离为d＝5mm；

实验证明，上述四种值班火焰装置都达到与预期的实验效果。图5和图6是反应本发明的等离子体值班火焰装置防止熄火的效果的一组照片。这组照片利用激光诱导荧光装置拍摄。

图5为现有技术燃烧装置中不施加等离子体激励时火焰的稳态照片，可见火焰为不稳定的抬升状态；图6为利用本发明实施例值班火焰装置施加8kV等离子体激励时火焰的稳态照片。由图6可见，施加等离子体激励后，火焰高度向喷嘴出口位置靠近，反应更趋紧凑，这是由于等离子体激励在更靠近喷嘴出口的位置形成着火区域。由此表明本发明的等离子体值班火焰装置起到了防止熄火的效果。

本发明的值班火焰装置可用于航空、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。与目前燃烧器上值班火焰装置相比，本发明的值班火焰装置具有以下优点：

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

1.一种值班火焰装置，其特征在于，包括：交流电源、稳燃锥罩和至少一组等离子体激励器；

所述等离子激励器包括：裸露电极和掩埋电极，其中，所述裸露电极位于所述稳燃锥罩的内侧面，与所述交流电源的一端相连；所述掩埋电极掩埋于所述稳燃锥罩内，与所述交流电源的另一端相连。

2.根据权利要求1所述的值班火焰装置，其特征在于，所述掩埋电极与所述裸露电极交错设置；所述掩埋电极的边沿在所述稳燃锥罩的内侧面的投影与所述裸露电极的相应边沿不重合，所述边沿为左边沿或右边沿。

3.根据权利要求2所述的值班火焰装置，其特征在于，所述等离子体激励器为n组，所述2≤n≤100；该n组等离子体激励器分布在所述稳燃锥罩的锥形面上；每组等离子体激励器中掩埋电极和裸露电极交错设置的方向相同。

4.根据权利要求2所述的值班火焰装置，其特征在于，所述掩埋电极的边沿在所述稳燃锥罩的内侧面的投影与所述裸露电极的相应边沿的距离为d，其中0＜d≤5mm。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的值班火焰装置，其特征在于，所述裸露电极与所述交流电源的高压端相连接，所述掩埋电极与所述交流电源的地线连接。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的值班火焰装置，其特征在于，所述裸露电极和掩埋电极的形状均为长方形，该长方形的宽度介于1mm至20mm之间。

7.根据权利要求6所述的值班火焰装置，其特征在于，所述裸露电极和掩埋电极的材料为钨、钼或钢。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的值班火焰装置，其特征在于，所述稳燃锥罩的形状为圆锥形，该圆锥形稳燃锥罩的厚度介于1mm至20mm之间。

9.根据权利要求8所述的值班火焰装置，其特征在于，所述圆稳燃锥罩的材料为耐高温绝缘陶瓷或耐高温绝缘玻璃。

10.根据权利要求1至4中任一项所述的值班火焰装置，其特征在于，所述交流电源为可调交流电源，其电压范围为1kV-50kV。