CN103900106A - 一种等离子体催化气态燃料的双燃料喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种等离子体催化气态燃料的双燃料喷嘴，主要包括低温等离子体放电组件、气路组件、油路组件和喷嘴固定装置。裂解气燃料沿径向进入到放电组件的环形放电间隙中，在低温等离子体催化作用下发生重整反应，转化为热值更高的重整气，并且催化反应剩余的气体等离子微团，可以包含在重整气内部，提高其易燃性，最后经过气体导流板旋流而出，形成回流区，提高燃烧稳定性。本发明油路组件伸入到放电组件的外电极之中，不仅可以节省空间，而且可以对油气路控制供油状态，单独或同时开启，满足启动和变工况功率需求，还可以利用气路组件进行喷水操作，降低NOx排放。

Description

一种等离子体催化气态燃料的双燃料喷嘴

技术领域

本发明涉及的是一种燃气轮机，具体地说是燃气轮机的喷嘴。

背景技术

能源是现今人类最具挑战性的需求之一，我国更是能源消费大国，开发合理利用现有能源的方式已经刻不容缓。化学回热循环（CRGT）是一种新型先进的燃气轮机循环方式，可有效提高能源利用效率。采用化学回热循环的燃气轮机燃烧室需要采用双燃料喷嘴，启动时燃用柴油，燃烧稳定后切换为裂解气。然而，回热器产生的裂解气为中低热值燃料，不易燃且燃烧效率低，从而造成燃烧室工作稳定性和经济性都较差。合理的喷嘴架构设计将对能源的利用率有至关重要的作用。目前大多数的双燃料喷嘴设计都只是侧重于解决高压降下燃油雾化、油路积碳和油气路切换等问题，如专利US6434945、US5833141和CN201210468671.1。但是考虑气体燃料利用效率的设计较少，毕竟采用化学回热循环的燃机稳定燃烧时是燃用裂解气的，所以对裂解气的利用效率问题值得关注。

低温等离子体中存在大量的活性粒子，采用低温等离子体催化化学反应具有转化率高、能耗低、颗粒污染物少等优点。利用介质阻挡放电（DBD）产生的低温等离子体催化裂解气反应，可充分改善裂解气成分，提高热值，使燃烧更加稳定。

发明内容

本发明的目的在于提供利用低温等离子体催化裂解气反应应用于化学回热循环燃气轮机的一种等离子体催化气态燃料的双燃料喷嘴。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种等离子体催化气态燃料的双燃料喷嘴，其特征是：包括放电组件、气路组件、油路组件，放电组件包括外电极、内电极、陶瓷管介质、陶瓷管介质设置在外电极里，内电极设置在陶瓷管介质里，外电极的头部安装头部锁紧螺母，外电极和陶瓷管介质之间形成放电间隙；气路组件包括进气接头、气体导流板，进气接头设置在外电极的侧面并与放电间隙相连通，气体导流板安装在外电极的底部，气体导流板中部开有圆孔，气体导流板上沿圆周开有斜切孔；油路组件包括油路弯管、油过滤器、旋流器，油路弯管的一端位于外电极的外部，另一端位于外电极里并未与外电极的底部位置，位于外电极外部的油路弯管里设置油过滤器，位于外电极底部位置的油路弯管里设置支架，支架下方设置喷嘴壳体，喷嘴壳体置于圆孔中，旋流器安装在喷嘴壳体里，旋流器与支架之间安装支撑弹簧。

本发明还可以包括：

1、外电极与陶瓷管介质相接触处安装石墨密封垫圈，旋紧头部锁紧螺母可将石墨密封垫圈压紧从而防止气体从外电极的头部泄露。

2、内电极与电源的高压端相连，外电极与电源的低压端相连。

3、陶瓷阻挡介质与内电极紧密相接触，并完全覆盖内电极；陶瓷管介质的下端部安装同轴固定盘，同轴固定盘的中心与陶瓷管介质的中心相连；所述的同轴固定盘的中部为圆盘结构，圆盘结构的外部至少设置两个凸起，凸起为扇形结构，同轴固定盘中心到扇形结构端部的距离与外电极内径相同。

4、所述的斜切孔有8个，沿气体导流板圆周均匀分布，每个斜切孔均与气体导流板的轴线成45度角。

本发明的优势在于：裂解气（气态中低热值燃料）经介质阻挡放电产生的低温等离子体催化后，转化为热值更高的气态燃料，且催化后剩余的等离子微团，包含于气态燃料中间，这样的燃料包含相当多活化组分，通过气体导流板旋流喷出，有更好的燃烧特性，在变工况是仍具有很好的燃烧稳定性和完全性。当燃气轮机启动，单独开启油路喷嘴进行正常启动；当燃机额定工况运行时，单独开启气路喷嘴正常工作；当因负荷变化需要更高的功率，可以同时开启油气路喷嘴，实现油气共同燃烧来满足要求。通过提高气态燃料的燃烧特性来提高采用化学回热循环燃气轮机的经济性和稳定性从而达到提高能源利用效率的目的。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的同轴固定盘示意图；

图3为本发明的气体导流板示意图；

图4为本发明的底部局部示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～4，本发明包括放电组件、气路组件、油路组件和喷嘴固定装置；低温等离子体放电组件包括外电极4、内电极5、陶瓷介质管2、密封垫圈3和同轴固定盘8，内电极5包含于陶瓷介质管2内部，外电极4包含陶瓷介质管2且有环形放电间隙6，内外电极之间通过同轴固定盘8来保证同轴度，经实验验证，可有效避免端部电弧放电，保证放电区域的放电均匀性和稳定性。采用陶瓷管2作为阻挡介质，因其介电常数较大，可保证放电间隙6有足够的放电强度。气路组件包括进气接头20、裂解气流道6和气体导流板19，进气接头20焊接于外电极4表面，与裂解气流道6相连，采用径向进气，实现裂解气螺旋式前进，增加驻留时间，使裂解气反应更充分。气路端部设置气体导流板19，中心开有圆孔，燃油喷嘴壳体15置于圆孔中。高活性的裂解气重整气从气体导流板19旋流而出，形成回流区，稳定燃烧。油路组件包括油过滤器组件、油路弯管9和旋流器组件，旋流器组件处通过采用支撑弹簧16实现了支架15与旋流器17之间的刚性连接，即保证了支架15、旋流器17、旋流器壳体18及燃油喷嘴壳体15之间的同轴性，避免喷嘴外壳体15松动时可能出现的旋流器17歪斜等现象，保证良好的燃油雾化效果。喷嘴固定装置为开有中心孔的圆盘结构，外电极4置于孔中并采用焊接固定，再通过圆盘四周的螺栓连接孔可将整个喷嘴沿轴向固定于燃气轮机燃烧室入口处。

油路组件伸入到气路组件之中，在节省空间的同时可实现燃烧室单独使用燃油或裂解气或油气同时燃烧。同轴固定盘保证了内外电极之间沿轴向放电间隙的一致性，保证了放电的均匀性和稳定性。气路组件在单独使用燃油喷嘴时可以用来注入适量蒸汽，实现降低NOx排放的要求。气体导流板沿周向均匀布有8个长为12mm宽为4mm且与轴向成45°角的方形斜切孔，实现重整气的旋流喷射，保证燃烧的稳定性。

低温等离子体放电组件主要包括外电极4，陶瓷管介质2，内电极5，石墨密封垫圈3，同轴固定盘8和头部锁紧螺母1。头部锁紧螺母1通过内螺纹与外电极螺纹相互配合将陶瓷2固定于外电极4内部，并使结合处的石墨密封垫圈3被压紧，防止气体泄漏，影响电离效果。通过端部外螺纹与低温等离子体电源接头相连，使内电极与高电压端相连，外电极接低压端。通过同轴固定盘螺丝7将同轴固定盘8固定于陶瓷密封端部，同轴固定盘最大外径与外电极内径相同，从而保证放电间隙的轴向一致性，同轴固定盘8的结构如图2所示。

气路组件主要包括进气接头20，气态燃料流道6和气体导流板19。进气接头20一端与外电极的连接为焊接方式，另一端为法兰连接方式连接进气管路，可保证密封性，采用沿径向进气的方式，可以使气态燃料在流道内螺旋式前进，增加其驻留时间，提高活性。气体导流板19结构如图3所示，围绕中心孔开有8个与轴线成45°角的方形斜切孔，具体开孔数目、大小和角度可根据气态燃料流量和燃烧情况进行调整。气体导流板与外电极采用螺纹连接方式，端部设计为六边形结构，方便拆装。

油路组件主要包括油路弯管9，油过滤器壳体12、滤油网11、进油挡板10和支撑弹簧所构成的油过滤器组件，支架13、垫片14、喷嘴壳体15、支撑弹簧16、旋流器17、旋流器壳体18所构成的旋流器组件，局部放大图如图4所示。支撑弹簧16用于压紧喷嘴壳体、旋流器和旋流器壳体，从而保证燃油的雾化和旋流效果。油过滤器组件和旋流器组件与油路弯管皆为螺纹连接方式，油路弯管与外电极为焊接连接方式，与燃油管路为螺纹连接。

喷嘴固定装置为开有中心孔的圆盘结构，外电极置于孔中并采用焊接固定，再通过圆盘四周的螺栓连接孔可将整个喷嘴沿轴向固定于燃气轮机燃烧室入口处。

通过本发明将低温等离子体放电组件和油气路组件的有效结合，可以充分使化学回热循环中产生的裂解气转化为高热值气态燃料，稳定燃烧，提高能源利用效率，同时可实现油气路喷嘴的有效切换使用或同时使用，满足燃气轮机启动和变工况功率需求，提高化学回热燃气轮机的经济性和稳定性。

本发明主要包括低温等离子体放电组件、气路组件、油路组件、喷嘴固定装置等。低温等离子体放电组件主要包括：头部锁紧螺母、外电极、内电极、陶瓷阻挡介质和同轴固定盘。内电极安装于外电极壳体内部，陶瓷阻挡介质设计为顶端封闭模式，处于内外电极之间并和内电极紧密相接触，完全覆盖内电极，这样可有效避免端部电弧放电，保证放电区域的放电均匀性和稳定性；为防止当陶瓷与外电极之间的放电间隙沿轴向不一致而发生局部电压过高造成的放电击穿，采用固定于陶瓷端部的同轴固定盘来保证放电间隙的轴向一致性，提高等离子体催化气态燃料双燃料喷嘴的使用寿命。气路组件主要包括进气接口、内外电极之间的气体流道（大部分即为放电间隙）、气体导流板。进气接口采用焊接方式连接于外电极的外壁面，径向进气可使裂解气在气体流道内螺旋式前进，增加驻留时间，提高活性。气体导流板沿周向均匀布有8个长为12mm宽为4mm且与轴向成45°角的方形斜切孔，具体开孔数目、大小和角度可根据气态燃料流量和燃烧情况进行调整来实现重整气的旋流喷射，稳定燃烧。油路组件主要包括：油过滤器组件、油路弯管和旋流器组件，其中油过滤器组件主要包括：进油挡板、滤油网和油过滤器壳体；旋流器组件包括支架、密封垫片、喷嘴壳体、支撑弹簧、旋流器、旋流器壳体。油路弯管伸入到外电极内部，采用焊接方式与其相连，旋流器端设计有内螺纹，入口端设有内外螺纹，分别连接油过滤器组件和进油管路。气体导流板与旋流器组件之间为紧密配合，与外电极为螺纹连接保证气密性和可靠性。喷嘴固定装置为开有中心孔的圆盘结构，外电极置于孔中并采用焊接固定，再通过圆盘四周的螺栓连接孔可将整个喷嘴沿轴向固定于燃气轮机燃烧室入口处。利用低温等离子体催化气态燃料使其转化为热值更高的燃料，且催化剩余的低温等离子体包含在气态态燃料内部，提高了其易燃性，最后经过气体导流板旋流而出，形成回流区，提高了燃烧稳定性。当燃气轮机启动，单独开启油路喷嘴进行正常启动；当燃机额定工况运行时，单独开启气路喷嘴正常工作；当因负荷变化需要更高的功率，可以同时开启油气路喷嘴，实现油气共同燃烧来满足要求。

Claims (9)

1.一种等离子体催化气态燃料的双燃料喷嘴，其特征是：包括放电组件、气路组件、油路组件，放电组件包括外电极、内电极、陶瓷管介质、陶瓷管介质设置在外电极里，内电极设置在陶瓷管介质里，外电极的头部安装头部锁紧螺母，外电极和陶瓷管介质之间形成放电间隙；气路组件包括进气接头、气体导流板，进气接头设置在外电极的侧面并与放电间隙相连通，气体导流板安装在外电极的底部，气体导流板中部开有圆孔，气体导流板上沿圆周开有斜切孔；油路组件包括油路弯管、油过滤器、旋流器，油路弯管的一端位于外电极的外部，另一端位于外电极里并未与外电极的底部位置，位于外电极外部的油路弯管里设置油过滤器，位于外电极底部位置的油路弯管里设置支架，支架下方设置喷嘴壳体，喷嘴壳体置于圆孔中，旋流器安装在喷嘴壳体里，旋流器与支架之间安装支撑弹簧。

2.根据权利要求1所述的一种等离子体催化气态燃料的双燃料喷嘴，其特征是：外电极与陶瓷管介质相接触处安装石墨密封垫圈，旋紧头部锁紧螺母可将石墨密封垫圈压紧从而防止气体从外电极的头部泄露。

3.根据权利要求1或2所述的一种等离子体催化气态燃料的双燃料喷嘴，其特征是：内电极与电源的高压端相连，外电极与电源的低压端相连。

4.根据权利要求1或2所述的一种等离子体催化气态燃料的双燃料喷嘴，其特征是：陶瓷阻挡介质与内电极紧密相接触，并完全覆盖内电极；陶瓷管介质的下端部安装同轴固定盘，同轴固定盘的中心与陶瓷管介质的中心相连；所述的同轴固定盘的中部为圆盘结构，圆盘结构的外部至少设置两个凸起，凸起为扇形结构，同轴固定盘中心到扇形结构端部的距离与外电极内径相同。

5.根据权利要求3所述的一种等离子体催化气态燃料的双燃料喷嘴，其特征是：陶瓷阻挡介质与内电极紧密相接触，并完全覆盖内电极；陶瓷管介质的下端部安装同轴固定盘，同轴固定盘的中心与陶瓷管介质的中心相连；所述的同轴固定盘的中部为圆盘结构，圆盘结构的外部至少设置两个凸起，凸起为扇形结构，同轴固定盘中心到扇形结构端部的距离与外电极内径相同。

6.根据权利要求1或2所述的一种等离子体催化气态燃料的双燃料喷嘴，其特征是：所述的斜切孔有8个，沿气体导流板圆周均匀分布，每个斜切孔均与气体导流板的轴线成45度角。

7.根据权利要求3所述的一种等离子体催化气态燃料的双燃料喷嘴，其特征是：所述的斜切孔有8个，沿气体导流板圆周均匀分布，每个斜切孔均与气体导流板的轴线成45度角。

8.根据权利要求4所述的一种等离子体催化气态燃料的双燃料喷嘴，其特征是：所述的斜切孔有8个，沿气体导流板圆周均匀分布，每个斜切孔均与气体导流板的轴线成45度角。

9.根据权利要求5所述的一种等离子体催化气态燃料的双燃料喷嘴，其特征是：所述的斜切孔有8个，沿气体导流板圆周均匀分布，每个斜切孔均与气体导流板的轴线成45度角。

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