CN103277792B - 等离子体煤粉燃烧器 - Google Patents
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Abstract
一种等离子体煤粉燃烧器，涉及到一种煤粉燃烧器，由阳极、绝缘连接件、阴极、后座、煤粉散流器和后端盖组成，其中，阳极通过绝缘连接件连接到后座上，阳极的轴心通孔构成压缩孔道，阳极的体内有冷却水套，阳极的前端为火炬出口，阳极的后端伸入到绝缘连接件的内空中；阴极设置在绝缘连接件的内空中，圆筒体的内空构成阴极内腔，阴极的下端连接在后座上，阴极的圆筒体上端呈喇叭口状，喇叭口的外沿有旋流槽，阴极上端喇叭口的内沿接近阳极的后端，阴极上端喇叭口的内沿与阳极的后端之间的空间构成环形气流通道；后端盖连接在后座的后端上，煤粉散流器连接在后端盖上并朝向阴极内腔。本发明利用高温等离子体来加热水蒸汽和煤粉，燃烧完全，不产生煤烟。
Description
技术领域
本发明涉及燃烧器设备，特别是涉及到一种煤粉燃烧器。
背景技术
我国是煤炭生产大国，也是煤炭消耗大国，在我国的能源结构中，煤炭是第一能源，主要用作锅炉燃料。煤炭是常规能源中较为廉价的一种能源，燃煤锅炉的燃料成本只有燃油锅炉或燃气锅炉的五分之一，但是长期以来，燃煤设备的燃烧工艺以直接燃烧为主，普遍存在燃烧不充分、热效率低、煤炭资源浪费严重、严重污染大气环境的现象。当前，我国正在建设环境友好型和资源节约型社会，为了实现节能减排目标，必须提高燃料燃烧的效率以减少资源消耗，并同时实现清洁燃烧以减少对环境的污染，因此，迫切需要一种热效率高、对环境污染少的燃烧设备来提供热能，满足生产和生活需要。
发明内容
本发明的目的是要提高煤炭燃料燃烧的效率以减少资源消耗，并实现清洁燃烧以减少对环境的污染，采用等离子体燃烧技术，通过把煤粉燃料先进行气化后再进行燃烧的措施来提高煤炭燃料的利用率和减少污染，来实现发明目的。
本发明的一种等离子体煤粉燃烧器，其特征是燃烧器主要由阳极（1）、绝缘连接件（6）、阴极（5）、后座（7）、煤粉散流器（9）和后端盖（10）组成，其中，阳极（1）、绝缘连接件（6）、阴极（5）、后座（7）和后端盖（10）均为回转体结构且同轴设置，阳极（1）通过绝缘连接件（6）连接到后座（7）上，阳极（1）的轴心有通孔，阳极（1）的轴心通孔构成压缩孔道（Ⅶ），具体实施时，压缩孔道（Ⅶ）的孔道比为1.2左右；压缩孔道（Ⅶ）的入口呈收缩的喇叭口，具体实施时，压缩孔道（Ⅶ）的入口收缩的喇叭口角度为120～130°；压缩孔道（Ⅶ）的出口呈扩大的喇叭口，具体实施时，压缩孔道（Ⅶ）出口扩大的喇叭口角度为45°左右；压缩孔道（Ⅶ）出口的喇叭口构成阳极弧根区（Ⅸ），阳极（1）的体内有冷却水套（Ⅷ），阳极（1）的前端为火炬出口（Ⅹ），阳极（1）的后端伸入到绝缘连接件（6）的内空中；阴极（5）设置在绝缘连接件（6）的内空中，阴极（5）呈圆筒体结构，圆筒体的内空构成阴极内腔（Ⅰ），阴极内腔（Ⅰ）的上部构成阴极弧根区（Ⅳ），阴极（5）的下端连接在后座（7）上，阴极（5）中部的外壁与后座（7）的壁体之间的环形空隙构成气化剂通道（Ⅱ），阴极（5）上部的外壁与绝缘连接件（6）的壁体之间的空间构成气化剂室（Ⅲ），阴极（5）的圆筒体上端呈喇叭口状，喇叭口的外沿有旋流槽（Ⅵ），具体实施时，旋流槽（Ⅵ）为二条以上；阴极（5）上端喇叭口的内沿接近阳极（1）的后端，阴极（5）上端喇叭口的内沿与阳极（1）的后端之间的空间构成环形气流通道（Ⅴ）；后端盖（10）连接在后座（7）的后端上，煤粉散流器（9）连接在后端盖（10）上并朝向阴极内腔（Ⅰ），煤粉散流器（9）内有分流室（12）和散流槽（14），分流室（12）有煤粉输入接口（11）接入，分流室（12）通过散流槽（14）连通到阴极内腔（Ⅰ）；气化剂通道（Ⅱ）有气化剂输入接口（15）接入，气化剂通道（Ⅱ）连通到气化剂室（Ⅲ），气化剂室（Ⅲ）依次通过旋流槽（Ⅵ）、环形气流通道（Ⅴ）连通到阴极内腔（Ⅰ），阴极内腔（Ⅰ）依次通过阴极弧根区（Ⅳ）、压缩孔道（Ⅶ）、阳极弧根区（Ⅸ）连接到火炬出口（Ⅹ）。
本发明中，阳极（1）的后端外壁呈锥形结构，锥形的角度与阴极（5）上端喇叭口内沿的角度一致，具体实施时，锥形的角度与阴极（5）上端喇叭口内沿的角度为90°左右；阳极的冷却水套（Ⅷ）有冷却剂输入接口（3）接入和冷却剂回水接口（17）接出；在阳极（1）的壁体上有电源接口a（2），在后座（7）上有电源接口b（8），具体实施时，电源接口a（2）连接到工作电源的正极，电源接口b（8）连接到工作电源的负极。
本发明中，在阳极（1）的外侧壁体与绝缘连接件（6）之间有密封垫a（4）；在绝缘连接件（6）与后座（7）之间有密封垫c（16）；在后座（7）的后端面与后端盖（10）之间有密封垫b（13）。
上述的发明中，所述的气化剂为水蒸汽，水蒸汽同时作为等离子体的工作气利用；所述的煤粉粒径在50μm～100μm之间，具体实施时，用锅炉尾气或水蒸汽作为输送煤粉的载气。
本发明作为燃烧器安装在锅炉上应用，以煤粉为主要燃料，在运行时，水蒸汽由接口（15）、气化剂通道（Ⅱ）进入到气化剂室（Ⅲ）中，再通过旋流槽（Ⅵ）形成旋转气流，然后由环形气流通道（Ⅴ）进入到阴极内腔（Ⅰ）中，同时，煤粉由接口（11）、分流室（12）、散流槽（14）进入到阴极内腔（Ⅰ）中，煤粉与水蒸汽混合后，经阴极弧根区（Ⅳ）、压缩孔道（Ⅶ）、阳极弧根区（Ⅸ）和火炬出口（Ⅹ）喷出；当阴极（5）和阳极（1）接通工作电源时，在阴极弧根区（Ⅳ）与阳极弧根区（Ⅸ）之间便形成等离子体电弧，等离子体电弧在穿越压缩孔道（Ⅶ）时，受到物理压缩和冷压缩的双重作用，使得等离子体电弧温度极高，弧心温度达到10000℃以上，煤粉与水蒸汽混合后，经阴极弧根区（Ⅳ）、压缩孔道（Ⅶ）、阳极弧根区（Ⅸ）和火炬出口（Ⅹ）喷出时，受到高温等离子体电弧的作用，进行快速气化后燃烧，形成高温火炬喷出。上述过程中，水蒸汽在阴极弧根区（Ⅳ）、压缩孔道（Ⅶ）、阳极弧根区（Ⅸ）中受到电场力及高温等离子体电弧的双重作用下，水分子被活化和分解，成为高温的氢气、氢、氧气、氧、氢氧原子团和活性水分子，同时，煤粉也在阴极弧根区（Ⅳ）、压缩孔道（Ⅶ）、阳极弧根区（Ⅸ）中受到高温等离子体电弧的作用下进行热解，分解为高温的煤气和炭微粒，高温的炭微粒与高温的氢气、氢、氧气、氧、氢氧原子团和活性水分子进行气化反应，生成以氢气和一氧化碳为主要成分的煤气，高温的煤气与高温的等离子体电弧一起由火炬出口（Ⅹ）喷出，进入锅炉的炉膛，与炉膛内的助燃空气或氧气混合后进行剧烈燃烧。煤粉气化燃烧后的飞灰活性好，通过除尘设备收集作为建材原料利用。
在一般的燃烧设备中，固态燃料在燃烧的初期极易产生煤烟，煤烟是由碳氢燃料的脱氢、聚合或缩合而生成的，煤烟一旦形成再将其烧掉是很困难的，因此，一般的燃煤设备不仅存在浪费煤炭资源，还存在对环境的污染。本发明利用高温等离子体来加热水蒸汽和煤粉，使得水蒸汽和煤粉极易分解气化而成为气体燃料，然后再进行燃烧，使得燃烧完全，不产生煤烟，不仅节约资源，而且不会污染环境。
本发明的有益效果是：设计的等离子体煤粉燃烧器，作为锅炉的燃烧设备应用，实现了提高煤炭燃料燃烧的效率以减少资源消耗，并实现清洁燃烧以减少对环境的污染。本发明利用高温等离子体来加热水蒸汽和煤粉，使得水蒸汽和煤粉极易分解气化而成为气体燃料，然后再进行燃烧，使得燃烧完全，不产生煤烟，不仅节约资源，而且不会污染环境。
附图说明
图1是本发明的一种等离子体煤粉燃烧器的结构图。
图2是图1的A-A剖面图。
图中： 1.阳极，1-1.阳极的内侧部件，1-2.阳极的外侧部件，2.电源接口a，3.冷却剂输入接口，4.密封垫a，5.阴极，6.绝缘连接件，7.后座，8.电源接口b，9.煤粉散流器，10.后端盖，11.煤粉输入接口，12.分流室，13.密封垫b，14.散流槽，15.气化剂输入接口，16.密封垫c，17.冷却剂回水接口，Ⅰ.阴极内腔，Ⅱ.气化剂通道，Ⅲ.气化剂室，Ⅳ.阴极弧根区，Ⅴ.环形气流通道，Ⅵ.旋流槽，Ⅶ.压缩孔道，Ⅷ.冷却水套，Ⅸ.阳极弧根区，Ⅹ.火炬出口。
具体实施方式
实施例 图1所示的实施方式中，等离子体煤粉燃烧器主要由阳极（1）、绝缘连接件（6）、阴极（5）、后座（7）、煤粉散流器（9）和后端盖（10）组成，其中，阳极（1）、绝缘连接件（6）、阴极（5）、后座（7）和后端盖（10）均为回转体结构且同轴设置，阳极（1）通过绝缘连接件（6）连接到后座（7）上，阳极（1）的轴心有通孔，阳极（1）的轴心通孔构成压缩孔道（Ⅶ），压缩孔道（Ⅶ）的孔道比为1.2；压缩孔道（Ⅶ）的入口呈收缩的喇叭口，压缩孔道（Ⅶ）的入口收缩的喇叭口角度为120～130°；压缩孔道（Ⅶ）的出口呈扩大的喇叭口，压缩孔道（Ⅶ）出口扩大的喇叭口角度为45°；压缩孔道（Ⅶ）出口的喇叭口构成阳极弧根区（Ⅸ），阳极（1）的体内有冷却水套（Ⅷ），冷却水套（Ⅷ）有冷却剂输入接口（3）接入和冷却剂回水接口（17）接出；阳极（1）的前端为火炬出口（Ⅹ），阳极（1）的后端伸入到绝缘连接件（6）的内空中；阴极（5）设置在绝缘连接件（6）的内空中，阴极（5）呈圆筒体结构，圆筒体的内空构成阴极内腔（Ⅰ），阴极内腔（Ⅰ）的上部构成阴极弧根区（Ⅳ），阴极（5）的下端连接在后座（7）上，阴极（5）中部的外壁与后座（7）的壁体之间的环形空隙构成气化剂通道（Ⅱ），阴极（5）上部的外壁与绝缘连接件（6）的壁体之间的空间构成气化剂室（Ⅲ），阴极（5）的圆筒体上端呈喇叭口状，喇叭口的外沿有旋流槽（Ⅵ），旋流槽（Ⅵ）为四条；阴极（5）上端喇叭口的内沿接近阳极（1）的后端，阳极（1）的后端外壁呈锥形结构，锥形的角度与阴极（5）上端喇叭口内沿的角度一致，锥形的角度与阴极（5）上端喇叭口内沿的角度为90°，阴极（5）上端喇叭口的内沿与阳极（1）的后端之间的空间构成环形气流通道（Ⅴ）；后端盖（10）连接在后座（7）的后端上，煤粉散流器（9）连接在后端盖（10）上并朝向阴极内腔（Ⅰ），煤粉散流器（9）内有分流室（12）和散流槽（14），分流室（12）有煤粉输入接口（11）接入，分流室（12）通过散流槽（14）连通到阴极内腔（Ⅰ）；气化剂通道（Ⅱ）有气化剂输入接口（15）接入，气化剂通道（Ⅱ）连通到气化剂室（Ⅲ），气化剂室（Ⅲ）依次通过旋流槽（Ⅵ）、环形气流通道（Ⅴ）连通到阴极内腔（Ⅰ），阴极内腔（Ⅰ）依次通过阴极弧根区（Ⅳ）、压缩孔道（Ⅶ）、阳极弧根区（Ⅸ）连接到火炬出口（Ⅹ）。本实施例中，在阳极（1）的壁体上有电源接口a（2），电源接口a（2）连接到工作电源的正极；在后座（7）上有电源接口b（8），电源接口b（8）连接到工作电源的负极；在阳极（1）的外侧壁体与绝缘连接件（6）之间有密封垫a（4）；在绝缘连接件（6）与后座（7）之间有密封垫c（16）；在后座（7）的后端面与后端盖（10）之间有密封垫b（13）。本实施中，为了减小阳极（1）的加工难度，把阳极（1）分解为内侧部件（1-1）和外侧部件（1-2）分别加工，然后通过焊接成为一体。本实施中，阳极（1）、阴极（5）、后座（7）、煤粉散流器（9）和后端盖（10）选用金属材料制作，在阳极弧根区（Ⅸ）和阴极弧根区（Ⅳ）的金属壁体表面镀有钨钛合金层；绝缘连接件（6）选用氧化铝陶瓷材料或胶木材料制作；密封垫a（4）、密封垫b（13）、密封垫c（16）选用硅胶或石棉材料制作。
上述实施例的燃烧器安装在锅炉上应用，以粒径在50μm～100μm之间的煤粉为主要燃料，抽取锅炉尾气作为煤粉的输送载气，水蒸汽同时作为等离子体的工作气和作为煤粉的气化剂。运行时，水蒸汽由接口（15）、气化剂通道（Ⅱ）进入到气化剂室（Ⅲ）中，再通过旋流槽（Ⅵ）形成旋转气流，然后由环形气流通道（Ⅴ）进入到阴极内腔（Ⅰ）中，同时，输送载气携煤粉由接口（11）、分流室（12）、散流槽（14）进入到阴极内腔（Ⅰ）中，煤粉与水蒸汽混合后，经阴极弧根区（Ⅳ）、压缩孔道（Ⅶ）、阳极弧根区（Ⅸ）和火炬出口（Ⅹ）喷出；当阴极（5）和阳极（1）接通工作电源时，在阴极弧根区（Ⅳ）与阳极弧根区（Ⅸ）之间便形成等离子体电弧，等离子体电弧在穿越压缩孔道（Ⅶ）时，受到物理压缩和冷压缩的双重作用，使得等离子体电弧温度极高，弧心温度达到10000℃以上，煤粉与水蒸汽混合后，经阴极弧根区（Ⅳ）、压缩孔道（Ⅶ）、阳极弧根区（Ⅸ）和火炬出口（Ⅹ）喷出时，受到高温等离子体电弧的作用，进行快速气化后燃烧，形成高温火炬喷出。上述过程中，水蒸汽在阴极弧根区（Ⅳ）、压缩孔道（Ⅶ）、阳极弧根区（Ⅸ）中受到电场力及高温等离子体电弧的双重作用下，水分子被活化和分解，成为高温的氢气、氢、氧气、氧、氢氧原子团和活性水分子，同时，煤粉也在阴极弧根区（Ⅳ）、压缩孔道（Ⅶ）、阳极弧根区（Ⅸ）中受到高温等离子体电弧的作用下进行热解，分解为高温的煤气和炭微粒，高温的炭微粒与高温的氢气、氢、氧气、氧、氢氧原子团和活性水分子进行气化反应，生成以氢气和一氧化碳为主要成分的煤气，高温的煤气与高温的等离子体电弧一起由火炬出口（Ⅹ）喷出，进入锅炉的炉膛，与炉膛内的助燃空气或氧气混合后进行剧烈燃烧。煤粉气化燃烧后的飞灰活性好，通过除尘设备收集作为建材原料利用。
Claims (7)
1.一种等离子体煤粉燃烧器，其特征是燃烧器主要由阳极（1）、绝缘连接件（6）、阴极（5）、后座（7）、煤粉散流器（9）和后端盖（10）组成，其中，阳极（1）、绝缘连接件（6）、阴极（5）、后座（7）和后端盖（10）均为回转体结构且同轴设置，阳极（1）通过绝缘连接件（6）连接到后座（7）上，阳极（1）的轴心有通孔，阳极（1）的轴心通孔构成压缩孔道（Ⅶ），压缩孔道（Ⅶ）的入口呈收缩的喇叭口，压缩孔道（Ⅶ）的出口呈扩大的喇叭口，压缩孔道（Ⅶ）出口的喇叭口构成阳极弧根区（Ⅸ），阳极（1）的体内有冷却水套（Ⅷ），阳极（1）的前端为火炬出口（Ⅹ），阳极（1）的后端伸入到绝缘连接件（6）的内空中；阴极（5）设置在绝缘连接件（6）的内空中，阴极（5）呈圆筒体结构，圆筒体的内空构成阴极内腔（Ⅰ），阴极内腔（Ⅰ）的上部构成阴极弧根区（Ⅳ），阴极（5）的下端连接在后座（7）上，阴极（5）中部的外壁与后座（7）的壁体之间的环形空隙构成气化剂通道（Ⅱ），阴极（5）上部的外壁与绝缘连接件（6）的壁体之间的空间构成气化剂室（Ⅲ），阴极（5）的圆筒体上端呈喇叭口状，喇叭口的外沿有旋流槽（Ⅵ），阴极（5）上端喇叭口的内沿接近阳极（1）的后端，阴极（5）上端喇叭口的内沿与阳极（1）的后端之间的空间构成环形气流通道（Ⅴ）；后端盖（10）连接在后座（7）的后端上，煤粉散流器（9）连接在后端盖（10）上并朝向阴极内腔（Ⅰ），煤粉散流器（9）内有分流室（12）和散流槽（14），分流室（12）有煤粉输入接口（11）接入，分流室（12）通过散流槽（14）连通到阴极内腔（Ⅰ）；气化剂通道（Ⅱ）有气化剂输入接口（15）接入，气化剂通道（Ⅱ）连通到气化剂室（Ⅲ），气化剂室（Ⅲ）依次通过旋流槽（Ⅵ）、环形气流通道（Ⅴ）连通到阴极内腔（Ⅰ），阴极内腔（Ⅰ）依次通过阴极弧根区（Ⅳ）、压缩孔道（Ⅶ）、阳极弧根区（Ⅸ）连接到火炬出口（Ⅹ）。
2.根据权利要求1所述的一种等离子体煤粉燃烧器，其特征是阳极（1）的后端外壁呈锥形结构，锥形的角度与阴极（5）上端喇叭口内沿的角度一致。
3.根据权利要求1所述的一种等离子体煤粉燃烧器，其特征是阳极的冷却水套（Ⅷ）有冷却剂输入接口（3）接入和冷却剂回水接口（17）接出。
4.根据权利要求1所述的一种等离子体煤粉燃烧器，其特征是在阳极（1）的壁体上有电源接口a（2），在后座（7）上有电源接口b（8）。
5.根据权利要求1所述的一种等离子体煤粉燃烧器，其特征是在阳极（1）的外侧壁体与绝缘连接件（6）之间有密封垫a（4）。
6.根据权利要求1所述的一种等离子体煤粉燃烧器，其特征是在绝缘连接件（6）与后座（7）之间有密封垫c（16）。
7.根据权利要求1所述的一种等离子体煤粉燃烧器，其特征是在后座（7）的后端面与后端盖（10）之间有密封垫b（13）。
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Effective date of registration: 20201111 Address after: Da Yu Zhen Xiang Tai Cun, Rudong County, Nantong City, Jiangsu Province Patentee after: Rudong Huanghai water conservancy construction engineering company Address before: Zhejiang province Quzhou City Kecheng District 324000 Kaixuan Road No. 6 (WITHUB industrial design Industrial Park Building 2, room 2-302) Patentee before: QUZHOU YUNRUI INDUSTRIAL DESIGN Co.,Ltd. |
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Effective date of registration: 20210928 Address after: 226400 No.8, wisdom Avenue, Donghu scenic area, Dayu Town, Rudong County, Nantong City, Jiangsu Province Patentee after: Nantong Donghu International Travel Agency Co., Ltd Address before: 226400 Xiangtai village, Dayu Town, Rudong County, Nantong City, Jiangsu Province Patentee before: Rudong Huanghai water conservancy construction engineering company |
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