CN104713088A - 基于等离子体射流的燃烧器喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于等离子体射流的燃烧器喷嘴。该燃烧器喷嘴在燃烧器喷嘴孔中心位置和/或喷嘴孔内部布置等离子体喷枪，等离子体喷枪接通高压电后，将附近气体电离产生等离子体，所产生的等离子体一方面可以加热气体，另一方面可以产生促进燃烧反应进行的活性粒子，进而达到燃烧器点火和防止燃烧过程中发生燃烧器熄火的目的。

Description

基于等离子体射流的燃烧器喷嘴

技术领域

本发明涉及燃烧装置领域，尤其涉及一种基于等离子体射流的燃烧器喷嘴。

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，可燃成分中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)使用轻质柴油或焦炉煤气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。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种基于等离子体射流的燃烧器喷嘴，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

本发明提供了一种基于等离子体射流的燃烧器喷嘴。该燃烧器喷嘴包括：高压电源；喷嘴本体，呈圆筒型中空结构，由金属材料制备，其下部与气体入口相连通，其上部形成N个喷嘴孔，其中，2≤N≤50；至少一等离子体喷枪，位于喷嘴本体内。该等离子体喷枪包括：喷枪本体部，由金属材料制备，呈圆筒型中空结构，其电性连接至高压电源的接地端；射流出口部，由金属材料制备，呈圆筒型中空结构，直径小于喷枪本体的直径，其上方形成与喷嘴本体上部的N个喷嘴孔平齐的等离子体射流出口，其下部通过过渡部平滑地连接至喷枪本体部，在该射流出口部和过渡部的交界处形成等离子体喷枪的喉部；高压放电电极，位于等离子体喷枪内靠近喉部的位置，其下端通过金属棒电性连接至高压电源的高压端，且金属棒与喷枪本体部的内壁之间设置绝缘支撑块。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明基于等离子体射流的燃烧器喷嘴具有以下有益效果：

(1)该装置首先可以对其周围的气体进行加热，同时产生多种有助于燃烧反应进行的活性粒子，该产生活性粒子的过程相比于其他类型的喷嘴性能更加稳定；

(2)该装置利用燃烧器中通用的喷嘴，只需改动现有燃烧器的喷嘴部分，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)采用该装置的燃烧器不需要配备其它点火装置；

(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为根据本发明实施例基于等离子体射流的燃烧器喷嘴的结构示意图；

图2为图1所示燃烧器喷嘴的三维立体图；

图3为图1所示燃烧器喷嘴上端部分的局部放大平面图；

图4为图1所示燃烧器喷嘴上端部分的立体图；

图5为每个喷嘴孔内部均布置一个等离子体喷枪的半剖立体图。

【本发明主要元件符号说明】

10-高压电源；

    11-高压端；              12-接地端；

20-喷嘴本体；

    21-气体通道；            22、23-喷嘴孔；

    24-气体稳定腔；          25-气体入口；

30-等离子体喷枪

    31-等离子体射流出口；    32-喷枪喉部；

    33-高压放电电极；        34-金属棒；

    35-绝缘支撑块；          36-法兰；

    37-喷枪气体入口。

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。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，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相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明中，在燃烧器喷嘴孔中心位置和喷嘴孔内部布置等离子体喷枪，等离子体喷枪接通高压电后，将附近气体电离产生等离子体，所产生的等离子体一方面可以加热气体，另一方面可以产生促进燃烧反应进行的活性粒子，进而达到燃烧器点火和防止燃烧过程中发生燃烧器熄火的目的。

在本发明的一个示例性实施例中，提出了一种基于等离子体射流的燃烧器喷嘴。图1为根据本发明实施例基于等离子体射流的燃烧器喷嘴的结构示意图。图2为图1所示燃烧器喷嘴的三维立体图。

请参照图1和图2，该基于等离子体射流的燃烧器喷嘴包括：高压电源10、喷嘴本体20和等离子体喷枪30。喷嘴本体20，呈圆筒型中空结构，由金属材料制备，其下部与气体入口相连通，其上部形成N个喷嘴孔(22、23)，其中，2≤N≤50。等离子体喷枪30，位于喷嘴本体20内，包括：喷枪本体部，由金属材料制备，呈圆筒型中空结构，电性连接至高压电源10的接地端12；射流出口部，由金属材料制备，呈圆筒型中空结构，直径小于喷枪本体的直径，其上方形成与喷嘴本体20上部的N个喷嘴孔(22、23)平齐的等离子体射流出口31，其下部通过一过渡部平滑地连接至喷枪本体，在该射流出口部和过渡部的交界处形成等离子体喷枪的喉部32；高压放电电极33，位于所述等离子体喷枪30内靠近喉部32的位置，其下端通过金属棒34电性连接至高压电源10的高压端，且金属棒31与喷枪本体部的内壁之间设置绝缘支撑块35。

本实施例中，由于在等离子体喷枪30的高压放电电极33和等离子体喷枪喉部32接地电极之间没有绝缘介质阻挡，在高压电源10提供的电压作用下，等离子体喷枪的喉部32与高压放电电极尖部33之间产生电弧放电，将通过放电区域的气体电离成等离子体，等离子体通过射流出口部喷射到等离子体喷枪的外部，放电产生的等离子体可以加热气体并生成多种活性粒子，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，就可以促进由N个喷嘴孔(22、23)喷射而出的可燃气体的燃烧，从而对燃烧器喷嘴起到点火和防止熄火的作用。

以下分别对本实施例基于等离子体射流的燃烧器喷嘴的各个组成部分进行详细说明。

高压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500V-50kV。高压电源为高压交流电源或高压直流电源，如果采用交流电源，其输出频率范围为100Hz-200kHz。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。

本实施例中，喷嘴本体20与现有技术中的喷嘴类似。可燃气体通过管路由气体入口25进入下端的气体稳定腔24，而后稳定的气流通过气体通道21，由喷嘴孔(22、23)等喷出。其中，喷嘴本体20上部外缘的喷嘴孔(22、23)周围材料为金属材料，如不锈钢、耐高温合金。

图3为图1所示燃烧器喷嘴上端部分的局部放大平面图。图4为图1所示燃烧器喷嘴上端部分的立体图。请参照图3和图4，该等离子体喷枪30包括：喷枪本体部，由金属材料制备，呈圆筒型中空结构，电性连接至高压交流电源10的接地端12；射流出口部，由金属材料制备，呈圆筒型中空结构，直径小于喷枪本体的直径，其上方出口与喷嘴本体20上部的N个喷嘴孔(22、23)平齐，其下部通过一过渡部平滑地连接至喷枪本体，在该射流出口部和过渡部的交界处形成等离子体喷枪的喉部32；高压放电电极33，位于所述等离子体喷枪30内靠近喉部32的位置，其下端通过金属棒31电性连接至高压交流电源10的高压端，且金属棒31与喷枪本体的内壁之间设置绝缘支撑块35。喷嘴本体20和等离子体喷枪30通过法兰36固定至燃烧器上，产生等离子体的气体通过喷枪气体入口37进入等离子体喷枪30内。该产生等离子体的气体可以是空气，也可以是燃料气体的一部分。

等离子体射流出口31的出口直径介于1mm～50mm之间，等离子体喷枪喉部与高压放电电极尖端之间的放电间隙介于1mm～25mm之间。

高压放电电极33的尖端可以为圆锥形、椭圆锥形、三棱锥形、四棱锥形、多棱锥形。当高压放电电极为圆锥形，即其横截面为圆形时，其直径介于0.1mm-10mm之间；当高压放电电极为椭圆锥型，即其横截面为椭圆形时，其长轴长度介于0.1mm-10mm之间；高压放电电极的横截面为三角形、四边形、多边形时，其边长介于0.1mm-10mm之间。

高压放电电极33的材料为钨、钼、不锈钢或耐高温合金。金属棒34的材料可以为铜、钢。喷枪本体部、过渡部和射流出口部电性连接至高压电源的接地端，其材料可以为不锈钢、耐高温合金。其中，该耐高温合金例如：铁基高温合金GH1015、镍基高温合金GH3030。

请参照图2，本实施例中，喷嘴孔数目为6个，等离子体喷枪为1个，位于喷嘴的中部，但本发明并不以此为限。关于等离子喷枪的设置，其数目最少为一个，最多为喷嘴孔数目+1，其设置位置满足以下方式：

(1)当等离子体喷枪数目为一个时，等离子体喷枪布置在N个喷嘴孔的中心位置；

(2)当等离子体喷枪数目大于一个时，需保证一个等离子体喷枪的高压放电电极布置在喷嘴中心位置，其它等离子体喷枪的高压放电电极布置在喷嘴孔内部。每个喷嘴孔设置一等离子体喷枪，或隔一个、二个或多个喷嘴孔设置一个等离子体喷枪。

尤其是，对于大型燃烧器，喷嘴孔的尺寸比较大，等离子体喷枪组件除了布置在喷嘴中央，还可以布置在喷嘴孔内部，如图5所示，图5为每个喷嘴孔内部均布置一个等离子体喷枪的三维立体图，这些等离子体喷枪可以共用一个高压电源，也可以每个喷枪单独使用一个高压电源，每个等离子体喷枪与电源的连接方式参见图1。此外，还可以隔一个、二个或多个喷嘴孔布置一个等离子体喷枪。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明基于等离子体射流的燃烧器喷嘴有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

综上所述，本发明基于等离子体射流的燃烧器喷嘴可用于航空、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。

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 (10)

1.一种基于等离子体射流的燃烧器喷嘴，其特征在于，包括：

高压电源；

喷嘴本体，呈圆筒型中空结构，由金属材料制备，其下部与气体入口相连通，其上部形成N个喷嘴孔，其中，2≤N≤50；

至少一等离子体喷枪，位于所述喷嘴本体内，包括：

喷枪本体部，由金属材料制备，呈圆筒型中空结构，其电性连接至所述高压电源的接地端；

射流出口部，由金属材料制备，呈圆筒型中空结构，直径小于所述喷枪本体的直径，其上方形成与所述喷嘴本体上部的N个喷嘴孔平齐的等离子体射流出口，其下部通过过渡部平滑地连接至所述喷枪本体部，在该射流出口部和过渡部的交界处形成等离子体喷枪的喉部；

高压放电电极，位于所述等离子体喷枪内靠近所述喉部的位置，其下端通过金属棒电性连接至所述高压电源的高压端，且所述金属棒与所述喷枪本体部的内壁之间设置绝缘支撑块。

2.根据权利要求1所述的燃烧器喷嘴，其特征在于，所述等离子体射流出口的出口直径介于1mm～50mm之间；所述等离子体喷枪喉部与高压放电电极之间的放电间隙介于1mm～25mm之间。

3.根据权利要求1所述的燃烧器喷嘴，其特征在于：

所述喷嘴本体中至少喷嘴孔周围的材料为金属材料；

所述高压放电电极的材料为钨、钼、不锈钢或耐高温合金；

所述等离子体喷枪中，所述喷枪本体部、射流出口部和过渡部的材料为不锈钢或耐高温合金。

4.根据权利要求1所述的燃烧器喷嘴，其特征在于，所述等离子喷枪为一个，该等离子喷枪布置在喷嘴的中部。

5.根据权利要求1所述的燃烧器喷嘴，其特征在于，所述等离子喷枪为多个，其中：

一等离子体喷枪布置在喷嘴本体中部；

除上述等离子体喷枪之外的其它等离子体喷枪布置于喷嘴孔内部，每个喷嘴孔设置一等离子体喷枪，或隔一个、二个或多个喷嘴孔设置一个等离子体喷枪。

6.根据权利要求1所述的燃烧器喷嘴，其特征在于，所述高压放电电极具有一尖端，该尖端为以下形状其中之一：圆锥形、椭圆锥形、三棱锥形、四棱锥形、多棱锥形，其中：

当所述高压放电电极的尖端为圆锥形，该圆锥形的横截面为直径介于0.1mm-10mm之间的圆形；

当所述高压放电电极的尖端为椭圆锥形，该椭圆锥的横截面为长轴长度介于0.1mm-10mm之间的椭圆形；

当所述高压放电电极的尖端为三棱锥形、四棱锥形或多棱锥形时，其横截面形状的边长介于0.1mm-10mm之间。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的燃烧器喷嘴，其特征在于，所述喷嘴本体和等离子体喷枪通过法兰固定至燃烧器上，产生等离子体的气体通过喷枪气体入口进入等离子体喷枪内。

8.根据权利要求7所述的燃烧器喷嘴，其特征在于，所述产生等离子体的气体为空气或燃料气体的一部分。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的燃烧器喷嘴，其特征在于，所述高压电源为交流电源或直流电源，其能够提供电压的范围介于500V-50kV之间。

10.根据权利要求1至6中任一项所述的燃烧器喷嘴，其特征在于，还包括：

气体稳定腔，设置于所述气体入口与喷嘴本体之间；

其中，可燃气体通过管路由所述气体入口进入所述气体稳定腔，而后稳定的气流通过气体通道由N个喷嘴孔喷出。