CN103486579B - 一种igbt晶体管整流供电的等离子点火与稳燃装置 - Google Patents

Abstract

一种IGBT晶体管整流供电的等离子点火与稳燃装置包括碰撞式煤粉浓缩分级燃烧煤粉燃烧器与等离子喷枪，等离子喷枪产生约4000℃的高温火焰点燃煤粉燃烧器内层燃烧室的煤粉，内层燃烧室的煤粉燃烧放出的热量再点燃外层燃烧室的煤粉，达到煤粉火焰的稳定燃烧；碰撞式煤粉浓缩分级燃烧煤粉燃烧器包括一次风粉进口、直管段、锥管段、外喷口、碰撞浓缩块、碰撞浓缩环、内层燃烧室、外层燃烧室、内层燃烧室扰动块、外层燃烧室后扰动块、外层燃烧室前扰动块等；等离子喷枪包括阴极、磁场线圈、旋气室、阳极、喷嘴和枪体；本发明应用在煤粉锅炉的启动点火与稳燃阶段，代替目前使用的大油枪点火与稳燃方式，以煤代油达到节约费用的目的。

Description

一种IGBT晶体管整流供电的等离子点火与稳燃装置

技术领域

本发明涉及一种IGBT晶体管整流供电的等离子点火与稳燃装置，主要应用在煤粉锅炉的冷态或热态启动点火与低负荷稳燃阶段以及应用在水泥、陶瓷和冶金等以煤粉作为主要能源的行业，能够点燃褐煤、烟煤、贫煤、无烟煤和混煤等各种煤种的煤粉，属于热能动力技术领域。

背景技术

随着国际国内燃油价格的不断攀升，电力、供暖机组的不断扩建，使得电力、石化等行业的各种煤粉锅炉的冷态或热态启动点火与低负荷稳燃用油量大增，费用也直线上升，同时随着交通运输、化工等各种行业用油量的加大，又使得燃油价格不断生高。为了解决这个问题，各国都在研究无油点火与稳燃技术，力图在电力、石化等行业的锅炉点火与稳燃阶段，用价格较低的燃煤来代替燃油，达到以煤代油，节能能源费用的目的。

早在七十年代至今，美国Ｇ-Ｅ公司，B-W公司、西屋公司、原苏联、澳大利亚等公司以及我国的清华大学、哈尔滨锅炉厂、武汉锅炉厂、烟台龙源电力技术有限公司、徐州燃控技术有限公司等单位进行了等离子无油点火技术的研究，现有技术主要采用垂直流型电弧等离子喷枪、可控硅晶闸管整流电源和煤粉燃烧器组成的点火装置，但是这种技术有着明显的缺陷，垂直流型电弧等离子喷枪的热效率较低、由于电弧短而使电弧电压较低，要增加功率则必须加大电流，导致设备投资与喷枪电极寿命缩短；可控硅晶闸管整流电源由于可控硅部件是一个半控性器件，使得设备整体重量和体积增大、效率和可靠性降低；现有技术中的煤粉燃烧器浓缩效果不好，燃烧性能不佳，并容易导致燃烧器结焦严重与灭火现象的发生，所以现在急需研究一款点火与燃烧稳定、适用于各种燃煤的应用性强的燃煤装置。

发明内容

本实用新型的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种IGBT晶体管整流供电的等离子点火与稳燃装置，采用多级浓缩与分级燃烧的煤粉燃烧器和平行流型电弧等离子喷枪，从根本上解决传统技术点火经常性不成功与燃烧不稳定的问题。

本发明的技术解决方案：

一种IGBT晶体管整流供电的等离子点火与稳燃装置包括碰撞式煤粉浓缩分级燃烧煤粉燃烧器和平行流型电弧等离子喷枪，其中碰撞式煤粉浓缩分级燃烧煤粉燃烧器包括一次风粉进口、直管段、锥管段、外喷口、碰撞浓缩块、碰撞浓缩环、内层燃烧室、外层燃烧室、内层燃烧室扰动块、外层燃烧室后扰动块、外层燃烧室前扰动块、碰撞浓缩环支撑板、内层燃烧室支撑板、外层燃烧室支撑板和燃烧器摆动头；所述平行流型电弧等离子喷枪包括阴极、磁场线圈、旋气室、阳极、喷嘴和枪体。平行流型电弧等离子喷枪通过等离子枪支撑管和固定法兰固定安装在碰撞式煤粉浓缩分级燃烧煤粉燃烧器上，等离子喷枪与碰撞式煤粉浓缩分级燃烧煤粉燃烧器安装时保证同轴；平行流型电弧等离子喷枪气体通过旋气室以切向进入喷枪的旋转室，然后再通过喷嘴喷出。

所述碰撞式煤粉浓缩分级燃烧煤粉燃烧器的一次风粉进口、直管段、锥管段、外喷口和燃烧器摆动头共同组成碰撞式煤粉浓缩分级燃烧煤粉燃烧器的外部结构，碰撞浓缩块固定安装在直管段内壁上，碰撞浓缩环通过碰撞浓缩环支撑板固定安装在直管段内壁上，内层燃烧室通过内层燃烧室支撑板固定安装在锥管段内壁上，外层燃烧室通过外层燃烧室支撑板固定安装在外喷口内壁上，内层燃烧室扰动块固定在内层燃烧室的内壁上，外层燃烧室后扰动块和外层燃烧室前扰动块固定在外层燃烧室的内壁上。

所述平行流型电弧等离子喷枪的阴极与阳极安装在枪体上面，磁场线圈安装在阴极上，旋气室位于阴极与阳极之间，喷嘴安装在阳极前面。

所述碰撞浓缩块是截面为三角形的环形凸台，碰撞浓缩环为锥形圆环结构，碰撞浓缩环形成的通道面积与碰撞浓缩块形成的通道面积一致，碰撞浓缩块和碰撞浓缩环根据煤粉成分的不同采用不同的角度。

所述内层燃烧室扰动块间隔地均匀分布于内层燃烧室的内圆周上，内层燃烧室扰动块所占圆周长度为整个内层燃烧室内圆周的一半，个数为-个。

所述外层燃烧室前扰动块与外层燃烧室后扰动块分别间隔地均匀分布于外层燃烧室的内圆周上，外层燃烧室前扰动块与外层燃烧室后扰动块所占圆周长度分别为外层燃烧室圆周的一半，个数分别为个，外层燃烧室前扰动块与外层燃烧室后扰动块错位对齐排列。

所述内层燃烧室的内径与碰撞浓缩环的前锥内径一致。

所述的燃烧器摆动头能够根据燃烧状况不同的要求，进行摆动角度的调整。

所述外层燃烧室的后端面与内层燃烧室的前端面齐平；所述外层燃烧室和外喷口之间留有一定空隙，用于部分淡风粉气流流出冷却外喷口。

所述平行流型电弧等离子喷枪供电采用IGBT晶体管整流形式。

本发明与现有技术相比有益效果为：

（1）本发明采用平行流型电弧等离子喷枪，等离子喷枪具有旋气室，将空气以切向进入等离子喷枪旋转室，形成具有径向压力梯度的气流向前流动，该气流将电弧控制在喷枪中心轴线附近，气流向前运动的方向与电弧轴线方向一致，且相互平行，气流被电弧加热的时间较长，提高了电弧电压和喷枪效率。

（2）本发明采用IGBT晶体管整流电源具有输入阻抗高、开关速度快、安全工作区宽、饱和压降低、耐压高、电流大的特点，提高了电源整流过程中的功率因数，并减少了电网的谐波干扰，使整个装置运行更加稳定。

（3）本发明的煤粉燃烧器采用多级浓缩方式结合与分级燃烧技术，由燃烧器碰撞浓缩块与燃烧器碰撞浓缩环组成，对一次风粉混合物进行高效率的浓缩，浓缩器与浓缩环均采用锥形的结构，燃烧器喷口采用同心结构的两圆筒结构，保证煤粉点燃以后的加热扩张能力。

（4）本发明平行流型电弧等离子喷枪与煤粉燃烧器共轴，从而保证等离子喷枪电弧火焰与煤粉运动具有相同的轴向方向，同时由于等离子喷枪的气体旋流作用，能够卷吸煤粉，等离子喷枪火焰与煤粉能够进行良好的接触，从而能够保证成功的点燃煤粉与稳定燃烧。

（5）本发明采用等离子电弧直接点燃煤粉放出的热量来代替大油枪燃烧放出的热量，以煤代油，达到完全节油，节省能量的目的。

（6）本发明燃烧器外层燃烧室与煤粉燃烧器外喷口之间有一定的空隙，使一部分淡风粉气流从空隙流出，冷却煤粉燃烧器外喷口，保证了装置寿命的长期性和装置实用的安全性。

（7）本发明应用性强，可以应用在各种电站煤粉锅炉以及水泥旋转窑、陶瓷窑等以煤粉作为能源的行业，既可以安装在点火油枪的位置来代替油枪的点火功能，也可以直接安装在锅炉的主燃烧器位置来代替主煤粉燃烧器，实现锅炉的冷态启动点火与低负荷稳燃。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明碰撞式煤粉浓缩分级燃烧煤粉燃烧器结构示意图；

图3为本发明平行流型电弧等离子喷枪结构示意图；

图4为本发明外层燃烧室前扰动块和后扰动块截面示意图；

图5为本发明内层燃烧室扰动块截面示意图；

图6为本发明碰撞浓缩环截面示意图；

图7为本发明碰撞浓缩块截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

如图1、2、3所示，本发明一种IGBT（绝缘栅双极性）晶体管整流供电的等离子点火与稳燃装置包括碰撞式煤粉浓缩分级燃烧煤粉燃烧器和平行流型电弧等离子喷枪，其中碰撞式煤粉浓缩分级燃烧煤粉燃烧器包括一次风粉进口1、直管段2、锥管段3、外喷口4、碰撞浓缩块5、碰撞浓缩环6、内层燃烧室7、外层燃烧室8、内层燃烧室扰动块9、外层燃烧室后扰动块10、外层燃烧室前扰动块11、碰撞浓缩环支撑板12、内层燃烧室支撑板13、外层燃烧室支撑板14和燃烧器摆动头15；所述平行流型电弧等离子喷枪包括阴极16、磁场线圈17、旋气室18、阳极19、喷嘴20和枪体21。

平行流型电弧等离子喷枪通过等离子枪支撑管22和固定法兰23固定安装在碰撞式煤粉浓缩分级燃烧煤粉燃烧器上，等离子喷枪与碰撞式煤粉浓缩分级燃烧煤粉燃烧器安装时保证同轴；平行流型电弧等离子喷枪气体通过旋气室18以切向进入喷枪的旋转室，在阴极16和阳极19之间被电离，形成等离子导电体，产生等离子电弧，然后再通过喷嘴20喷出。

碰撞式煤粉浓缩分级燃烧煤粉燃烧器的一次风粉进口1、直管段2、锥管段3、外喷口4和燃烧器摆动头15共同组成碰撞式煤粉浓缩分级燃烧煤粉燃烧器的外部结构，内层燃烧室7通过内层燃烧室支撑板13固定安装在锥管段3内壁上，外层燃烧室8通过外层燃烧室支撑板14固定安装在外喷口4内壁上。外层燃烧室8的后端面与内层燃烧室7的前端面齐平，外层燃烧室8与内层燃烧室7的直径与长度根据煤粉成分的不同选择不同尺寸。外层燃烧室8与外喷口4之间有一定的空隙，使一部分淡风粉气流从空隙流出，冷却外喷口4。外层燃烧室8与外喷口4采用耐热耐磨钢加工制作，能够获得更长的使用寿命，各部件都以中心线呈轴对称结构。

平行流型电弧等离子喷枪的阴极16与阳极19安装在枪体21上面，磁场线圈17安装在阴极16上，旋气室18位于阴极16与阳极19之间，喷嘴20安装在阳极19前面。

如图4所示外层燃烧室前扰动块和后扰动块截面示意图，外层燃烧室前扰动块11与外层燃烧室后扰动块10分别间隔地均匀分布于外层燃烧室8的内圆周壁上，外层燃烧室前扰动块11与外层燃烧室后扰动块10所占圆周长度分别为外层燃烧室8圆周的一半，个数分别为4个，外层燃烧室前扰动块11与外层燃烧室后扰动块10错位对齐排列，外层燃烧室前扰动块11与外层燃烧室后扰动块10能够使煤粉颗粒有一个混合流动状态。

如图5所示本发明内层燃烧室扰动块截面示意图，内层燃烧室扰动块9间隔地均匀分布于内层燃烧室7的内圆周壁上，内层燃烧室扰动块9所占圆周长度为整个内层燃烧室7内圆周的一半，个数为4-8个，内层燃烧室扰动块9的设计能够使燃烧室内的煤粉具备良好的混合流动状态，与等离子火焰接触，提高点火效率。

如图6、7所示本发明碰撞浓缩环和浓缩块截面示意图，碰撞浓缩块5固定安装在直管段2内壁上，碰撞浓缩环6通过碰撞浓缩环支撑板12固定安装在直管段2内壁上，碰撞浓缩块5截面为三角形的凸台，即能保证碰撞浓缩的效果，又不影响煤粉的顺畅通过。碰撞浓缩环6为锥形圆环结构，碰撞浓缩环6形成的通道面积与碰撞浓缩块5形成的通道面积一致。碰撞浓缩块5和碰撞浓缩环6的锥环形角度可以根据煤粉成分的不同采用不同的角度，两者之间的距离也可以根据需要进行调整。碰撞浓缩环6的前锥内径与内层燃烧室7的内径一致。

平行流型电弧等离子喷枪供电采用IGBT晶体管整流方式，其由变压器、配电柜、整流模块柜、平波电抗柜组成，该整流电源具有输入阻抗高、开关速度快、安全工作区宽、饱和压降低、耐压高、电流大的特点，并提高了电源整流过程中的功率因数，并减少了电网的谐波干扰，运行更稳定。

本发明的工作原理：煤粉燃烧器一次风粉进口1与锅炉现场的一次风粉管道进行连接，燃烧器外喷口4前端与锅炉水冷壁连接，检查水、电、气、信号线接口，系统安装完成后，首先调试平行流型电弧等离子喷枪，接通平行流型电弧等离子喷枪的水电气后，先开冷却水，再开介质气体，然后供电，等离子喷枪运行后，形成温度在4000℃的高温火焰，这些高温气流能够使粒径在20-200μm的煤粉颗粒受到加热发生爆裂，再造挥发份，所以这种高温气流火焰对于点燃煤粉具有良好的效果，等离子喷枪着火稳定后，开通一次风粉混合物阀门，风粉混合物经过煤粉燃烧器的多次浓缩，形成内层的浓煤粉流与外层的淡煤粉流，这样内层的浓煤粉流与等离子喷枪电弧火焰具有了平行运动状态，具有一定的接触时间，同时等离子喷枪电弧火焰具有切向环绕速度，能够卷吸煤粉气流，由于等离子喷枪电弧高温气流的加热作用，煤粉中的挥发份首先被点燃，在煤粉前进的过程中，形成一个挥发份首先被点燃，风粉气流边运动边点燃膨胀的过程，浓煤粉流通过内层燃烧室7点燃后，与外层燃烧室8的淡煤粉流再进行接触混合，这样浓煤粉流燃烧放出的热量点燃了外层淡煤粉流的煤粉，然后浓煤粉流与淡煤粉流边前进边燃烧，形成稳定的燃烧火焰，再进入到炉膛内继续燃烧。

目前以煤作为燃烧介质的行业，由于煤自身的燃烧特性，低温时煤粉无法直接点燃着火，必须首先将炉膛加热到一定的温度，然后再投入煤粉，在加热的过程中，要消耗大量的燃油或燃气，我国每年仅电站锅炉的冷态启动点火与低负荷稳燃就烧掉大约3000万吨的燃油，目前在液体燃料与气体燃料价格高涨的情况下，以每吨燃油价格8000.00元计算，折合人民币2400.00亿元，再加上其它的水泥、陶瓷、冶金等行业，因此每年的冷态启动点火与低负荷稳燃，所消耗液体燃料的费用是一个极大的数字，而应用这项技术，以等离子电弧喷枪直接点燃煤粉放出的热量，来代替大油枪燃烧放出的热量，以煤代油，不消耗燃油，所以应用这项技术在目前能源供给紧张的情况下，将对国家的燃油与燃气的安全供应提供强大的支持。

本发明未详细说明的内容为本领域技术人员公知常识。

Claims (1)

1.一种IGBT晶体管整流供电的等离子点火与稳燃装置，其特征在于包括：碰撞式煤粉浓缩分级燃烧煤粉燃烧器和平行流型电弧等离子喷枪，其中碰撞式煤粉浓缩分级燃烧煤粉燃烧器包括一次风粉进口(1)、直管段(2)、锥管段(3)、外喷口(4)、碰撞浓缩块(5)、碰撞浓缩环(6)、内层燃烧室(7)、外层燃烧室(8)、内层燃烧室扰动块(9)、外层燃烧室后扰动块(10)、外层燃烧室前扰动块(11)、碰撞浓缩环支撑板(12)、内层燃烧室支撑板(13)、外层燃烧室支撑板(14)和燃烧器摆动头(15)；一次风粉进口(1)、直管段(2)、锥管段(3)、外喷口(4)和燃烧器摆动头(15)共同组成碰撞式煤粉浓缩分级燃烧煤粉燃烧器的外部结构，碰撞浓缩块(5)固定安装在直管段(2)内壁上，碰撞浓缩环(6)通过碰撞浓缩环支撑板(12)固定安装在直管段(2)内壁上，内层燃烧室(7)通过内层燃烧室支撑板(13)固定安装在锥管段(3)内壁上，外层燃烧室(8)通过外层燃烧室支撑板(14)固定安装在外喷口(4)内壁上，内层燃烧室扰动块(9)间隔地均匀分布于内层燃烧室(7)的内圆周壁上，外层燃烧室前扰动块(11)与外层燃烧室后扰动块(10)分别间隔地均匀分布于外层燃烧室(8)的内圆周壁上；

所述平行流型电弧等离子喷枪包括阴极(16)、1个磁场线圈(17)、旋气室(18)、阳极(19)、喷嘴(20)和枪体(21)，阴极(16)与阳极(19)安装在枪体(21)上面，磁场线圈(17)包含在等离子喷枪的枪体内，磁场线圈(17)安装在阴极(16)上，旋气室(18)位于阴极(16)与阳极(19)之间，旋气室(18)与等离子喷枪的枪体为一体结构，喷嘴(20)安装在阳极(19)前面；

平行流型电弧等离子喷枪通过等离子枪支撑管(22)和固定法兰(23)固定安装在碰撞式煤粉浓缩分级燃烧煤粉燃烧器上，等离子喷枪与碰撞式煤粉浓缩分级燃烧煤粉燃烧器安装时保证同轴；平行流型电弧等离子喷枪气体通过旋气室(18)以切向进入喷枪的旋转室，然后再通过喷嘴(20)喷出；

所述碰撞浓缩块(5)是截面为三角形的环形凸台，碰撞浓缩环(6)为锥形圆环结构，碰撞浓缩环(6)形成的通道面积与碰撞浓缩块(5)形成的通道面积一致，碰撞浓缩块(5)和碰撞浓缩环(6)根据煤粉成分的不同采用不同的角度；

所述内层燃烧室扰动块(9)所占圆周长度为整个内层燃烧室(7)内圆周的一半，个数为4-8个；

所述外层燃烧室前扰动块(11)与外层燃烧室后扰动块(10)所占圆周长度分别为外层燃烧室(8)圆周的一半，个数分别为4个，外层燃烧室前扰动块(11)与外层燃烧室后扰动块(10)错位对齐排列；

所述内层燃烧室(7)的内径与碰撞浓缩环(6)的前锥内径一致；

所述燃烧器摆动头(15)能够根据燃烧状况不同的要求，进行摆动角度的调整；

所述外层燃烧室(8)的后端面与内层燃烧室(7)的前端面齐平；所述外层燃烧室(8)和外喷口(4)之间留有空隙，用于部分淡风粉气流流出冷却外喷口(4)；

所述平行流型电弧等离子喷枪供电采用IGBT晶体管整流形式，由变压器、配电柜、整流模块柜、平波电抗柜组成。