CN106442855B - 常压低浓度可燃气的超焓等离子体复合助燃燃烧测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了常压低浓度可燃气的超焓等离子体复合助燃燃烧测试装置，主要包括气源、燃烧器及相应气路管道，所述燃烧器主要包括燃烧器喷管、石英管、放电电极、外电极、高压电源、导流板，所述放电电极和外电极在外加所述高压电源作用下通过所述石英管发生介质阻挡放电，在所述燃烧器的腔体内形成等离子体助燃；所述相应气路管道主要包括可燃气管道和废气管道，所述可燃气管道与废气管道具有较长贴合段，以此提升可燃气初始温度，达到超焓燃烧条件。本发明实现了有限空间内的高效率超焓燃烧与等离子体复合助燃，在降低超焓预热温度的同时，拓宽可燃气的可燃极限，该装置可用于各种低浓度及低热值可燃气的可燃极限和燃烧性能测试。

Description

常压低浓度可燃气的超焓等离子体复合助燃燃烧测试装置

技术领域

本发明涉及能源利用与燃烧技术领域，具体的说，涉及一种常压低浓度可燃气的超焓等离子体复合助燃燃烧测试装置。

背景技术

低浓度可燃气的燃烧和利用是近年来能源及燃烧领域的重点研究方向，对于提高能源利用效率以及减少温室气体排放有着至关重要的作用。例如，每年全球范围内由于矿山开采所排放的煤矿风排瓦斯(又称乏风，主要成分为低浓度甲烷，体积浓度通常低于1％，而甲烷的可燃浓度下限约为5％)和岩层、海底甲烷的意外溢出泄漏，所引发的温室效应、臭氧破坏对人类生活环境已经造成了严重影响。通过燃烧来消除或减少这些气体是一种国际上正在积极探索的减排方式，但低浓度或低热值可燃气由于浓度通常处于常规理论可燃极限范围之外，在常温、常压环境下几乎不可能被引燃或维持燃烧，因此如何有效利用这类资源，发展低浓度可燃气的稳定持续性燃烧技术，直接关乎我国乃至世界各国的国计民生。在扩宽气体可燃极限方面，工业领域所采用的主要技术手段包括超焓燃烧、催化流转燃烧等，而这类方法同时也具有一些局限性：如Weinberg早在1971年的国际权威期刊《自然》(Nature)第233卷239至241页“燃烧温度：展望”(Combustion Temperature:the future)一文中便已阐明，对1％体积浓度的甲烷及空气混合可燃气，理论上需将可燃气事先预热至1000摄氏度左右，才能实现自持超焓燃烧，不仅增加了系统的危险性，所使用的预热热源往往自身就会造成大量能源消耗和浪费。因此对于低浓度可燃气的燃烧利用需要采用更加高效可靠的燃烧器系统，且在此前提下更大限度的扩宽可燃极限，本项发明正是基于上述背景而提出的。

发明内容

本发明的目的是提出一种高效能“复合助燃”燃烧测试装置，通过超焓燃烧和等离子体助燃的耦合作用，以此大幅拓宽可燃气的临界着火及可燃极限，实现低热值或低浓度可燃气的持续燃烧。

本发明的技术方案为：

一种常压低浓度可燃气的超焓等离子体复合助燃燃烧测试装置，包括压缩高纯度可燃气气源和压缩空气气源，所述压缩高纯度可燃气气源通过可燃气支路管道分别依次串联一个减压阀，一个质量流量计，同样所述空气气源通过空气支路管道依次串联一个减压阀和一个质量流量计；所述可燃气支路管道和所述空气支路管道在末端相连接并汇入一条可燃气管道，该可燃气管道的前端依次串接一个气体混合器，一个质量流量计，一个压力表和一台浓度分析仪，所述可燃气管道末端接入一个燃烧器的入口；

所述燃烧器的主体呈圆柱形，包括一圆柱形石英管，该石英管的两端各连接一块法兰盘密封，以此构成一个相对封闭的区域作为燃烧腔，燃烧腔一端的法兰盘A上留有测量孔，测量孔内插有监测该燃烧腔中温度的热电偶树；所述燃烧腔法兰盘A通过螺栓与燃烧器喷管相连接，该燃烧器喷管向内伸入燃烧腔内部；

在所述燃烧器喷管部位表面设放电电极，同时在所述燃烧器喷管的管口附近设导流板；所述燃烧器喷管处于燃烧腔外部的部分连接一地线接线端，且通过入口螺纹盖与可燃气管道的末端相连接，所述入口螺纹盖上留有圆孔，在圆孔位置处插入硅碳棒加热器，以及热电偶探头；在所述石英管的圆周外围套上一个金属套筒作为外电极，并与一高压接线端相连；

燃烧腔另一端的法兰盘B上设置高压电弧点火器，且该燃烧腔法兰盘B通过螺栓与一燃烧器尾管相连，该燃烧器尾管通过一出口螺纹盖与一燃烧产物废气管道相接，且该废气管道与所述可燃气管道之间具有热交换段。

可燃气管道中的可燃气的浓度，由所述压缩高纯度可燃气气源和压缩空气气源，分别通过所述质量流量计进行配比，且完成配气的可燃气进入所述可燃气管道后，还将由所述浓度分析仪进行实时监测。

所述燃烧器内的可燃气体初始温度(可燃气进入所述燃烧器喷管还未发生燃烧时的温度)，通过所述热电偶探头进行测量，配合调节所述硅碳棒加热器的加热功率以使可燃气在燃烧前达到预定的高温。

该燃烧器喷管向内伸入燃烧腔内部2/8-7/8深度。

导流板的投影面积大于燃烧器喷管的出口面积；导流板的角度设置为使不同流量的可燃气能在燃烧腔内作单向环形流动。

在所述燃烧器喷管部位表面设10-20支金属的放电电极，所述放电电极等间距地沿轴向垂直焊接于该燃烧器喷管上，采用两排对称排布或四排对称排布。

该废气管道与所述可燃气管道之间采用保温带缠绕。

废气管道的末端依次连接一台浓度分析仪和一个过滤器，用以检测废气中的残留可燃物浓度和减小废气的环境污染。

所述燃烧器由两块紧固法兰盘a、b进行外部夹持，紧固法兰盘a、b中间留有圆形孔洞，用以分别固定所述燃烧器喷管和燃烧器尾管，所述紧固法兰盘a、b的紧固程度由一组螺杆进行调节，整个所述燃烧器置于一个底座上。

所述气体混合器内部设计有锯齿状扰流板，气体流经时将产生明显涡旋，这种结构可使两种气体充分混合。

所述放电电极的尖端与外电极的间距不宜过大，否则将不利于等离子体的产生，而电极所施加的交流电压可根据具体情况灵活调试。

所述各个位置上布设的质量流量计、热电偶、以及浓度分析仪等，其信号均接入数据采集卡，并通过计算机终端进行在线记录和监控。

与现有技术相比，本装置的技术优势如下：

(1)整个燃烧器采取了可燃气的内部环流式燃烧，利用燃烧器喷管下游的导流板，使可燃气在进入燃烧腔后能够按特定方向作循环流动，在不增加燃烧器整体长度的前提下，大幅增加了可燃气的燃烧反应驻留时间，其燃烧效率将有明显提升。

(2)通过采用多电极介质阻碍放电，在燃烧腔内等离子体覆盖相对广泛均匀，以此产生的活性基团可提供较好的助燃效果；同时利用可燃气管道、废气管道热交换可使热量利用率有效增加，协同硅碳棒加热器对可燃气进行提前预热，最终实现了超焓燃烧与等离子体的复合助燃，可望在显著降低超焓预热温度的同时，拓宽可燃气的着火极限。

(3)在测试过程中，通过石英管可以较方便地对燃烧腔内的可燃气熄灭或燃烧强度、充分度状态作出直接判断，同时通过实时采集的温度、气体浓度等数据，有望发展针对低浓度可燃气可燃极限的新型判据。

(4)该复合助燃装置可用于各种碳氢低浓度及低热值可燃气的可燃极限和燃烧性能测试，并为未来此类标准的建立提供依据。

附图说明

图1为一种常压低浓度可燃气的超焓等离子体复合助燃燃烧测试装置结构示意侧视图；

图2为该燃烧测试装置中的燃烧器主体结构示意图；

图3为燃烧器主体的紧固及放置方式侧视图；

其中：100为高纯度可燃气气源，101为空气气源，102为减压阀，103为质量流量计，104为可燃气支路管道，105为空气支路管道，106为气体混合器，107为压力表，108为燃烧器，109为过滤器，110为高电压源，210为地线接线端，213为高压接线端，221为可燃气管道，223为废气管道；

201为放电电极，202为石英管，203为外电极，204为燃烧腔法兰盘A，205为热电偶树，206为螺栓，207为硅碳棒加热器，208为入口螺纹盖，209为燃烧器喷管，210为地线接线端，211为耐火石棉垫片，212为耐火石棉带，213为高压接线端，214为导流板，215为热电偶探头，216为燃烧腔法兰盘B，217为高压电弧点火器，218为燃烧器尾管，219为出口螺纹盖，220为浓度分析仪，221为可燃气管道，222为保温带，223为废气管道；

301为紧固法兰盘a，302为螺杆，303为厚石棉垫片，304为底座，305为紧固法兰盘b。

具体实施方式

以下结合图1至图3详细阐明本发明的一个具体实施例，但不作为对本发明的限制。

实施例1：

图1给出了本发明一种常压低浓度可燃气的超焓等离子体复合助燃燃烧测试装置的结构示意侧视图，图2为该燃烧测试装置中的燃烧器主体结构示意图，图3为燃烧器主体的紧固及放置方式侧视图。

如图1所示，一瓶压缩高纯度可燃气气源100和一瓶压缩空气气源101，分别通过可燃气支路管道104和空气支路管道105，依次各自串联一个减压阀102和一个质量流量计103，例如本实施例中选用的压缩高纯度可燃气气源100为10升5Mpa高浓度甲烷钢瓶，压缩空气气源101为30升10Mpa空气钢瓶，质量流量计103为数字可调型质量流量计，可通过计算机终端进行流量的实时精确设定，本实施例中该质量流量计的最大量程选定为20(标准)升/分。可燃气支路管道104和空气支路管道105的末端通过三通连接汇入可燃气管道221，在该可燃气管道221的上游段依次接入气体混合器106、质量流量计103(加上此前所述两台质量流量计103，共计3台)和压力表107，可燃气管道221末端接入燃烧器108的入口，燃烧器108为图1中虚线框内部分，其详细结构将在图2中作进一步阐述。燃烧器108中的等离子体产生将通过地线接线端210和高压接线端213，与高电压源110的两级分别相接来实现；同时燃烧器108的出口接入废气管道223，在废气管道223的下游末端串接一个过滤器109，用以滤除燃烧过程中产生的碳黑和固体颗粒残余物。本实施例中，可燃气管道221和废气管道223均采用矩形截面的铜管(接头处除外，采用标准圆形接头)，其截面内部尺寸同为8mm宽、40mm高，且废气管道223长度约为3m，可燃气管道221长度约为5m，而废气管道223大约90％的长度与可燃气管道221相贴合(宽面相贴合)，其作用是使废气管道223中的热烟废气对可燃气管道221中的可燃气进行预热，以提高可燃气的焓值。

如图2所示，燃烧器108的燃烧腔部分主要由燃烧腔法兰盘A204、燃烧腔法兰盘B216和石英管202构成，整体呈圆柱形，本实施例中燃烧腔法兰盘A204、B216厚度均为2cm，外径为10cm，内部孔洞直径为3cm，石英管202为圆筒状结构，外径为8.5cm，厚度为5mm，长度为25cm，由于石英的热膨胀系数较小，作为燃烧腔的外壁可以较长时间连续使用，且可以很好的对燃烧状态进行实时观测；石英管202的两端通过耐火石棉带212紧密固定在燃烧腔法兰盘A204和B216的定位槽内，三者保持共轴；此外，燃烧腔法兰盘A204上开有直径1.5mm的测量孔，用于热电偶树205的安放，热电偶树205包含2个热电偶，为直径0.5mm的铂铑丝热电偶，可以精确测量1800摄氏度以下的火焰温度。

燃烧腔法兰盘A204通过螺栓206与燃烧器喷管209锁紧，两者间采用耐火石棉垫片211进行密封和绝缘，燃烧器喷管209采用不锈钢材质，向内伸入燃烧腔内部约18cm，而向外伸出约5cm，处于燃烧腔外部的管径大于处于内部管径，其目的是保留足够空间用于安装硅碳棒加热器207；燃烧器喷管209处于燃烧腔内部的表面焊接10支金属放电电极201(垂直于燃烧器喷管209)，并采用上下两排式等距排布，同一排中相邻两支电极间隔3cm。燃烧器喷管209的下游位置焊接金属材质的导流板214，导流板214的角度可以适当灵活调节，其作用是使不同流量的可燃气能较好的在燃烧腔内作单向环形流动，导流板214的投影面积不宜过大，以防阻碍可燃气的流动，但应稍微大于燃烧器喷管209的出口面积。

在石英管202的圆周外围采用一金属套筒作为外电极203，并连接高压接线端213，外电极203与放电电极201的尖端距离约为2.5cm，为产生等离子体的介质阻挡放电，地线接线端210连接在燃烧器喷管209处于燃烧腔外的一部位上，在高电压源110产生的适当电压作用下，燃烧器108的燃烧腔内可产生常规气压下的非热力学平衡等离子体放电。燃烧器喷管209的入口处通过陶瓷材质的入口螺纹盖208接入可燃气管道221的末端，而入口螺纹盖208上预留有3个圆孔：两个直径1cm的圆孔插入两支硅碳棒加热器207，用于对可燃气进行辅助加热；1个直径1.5mm的圆孔，用于安置一支直径0.5mm的铂铑丝热电偶探头215，以便监测可燃气发生燃烧前的初始温度。燃烧腔法兰盘B216上安装一陶瓷外壳的高压电弧点火器217，同时燃烧腔法兰盘B216通过一组螺栓206和耐火石棉垫片211，与燃烧器尾管218相连；最终，燃烧器尾管218通过陶瓷材质的出口螺纹盖219与燃烧产物的废气管道223相接。在废气管道223和可燃气管道221的贴合段(如前所述)上，采用保温带222对其进行缠绕，在尽量减少热量向外散失的情况下完成内部的热量交换，起到利用高温废气提升可燃气温度的作用，实现可燃气超焓等离子体复合助燃条件下的燃烧。在本实施例中，为实时记录可燃气和废气中的气体组分浓度变化，可燃气管道221的前端和废气管道223的末端均使用浓度分析仪220来进行成分在线监测。

图3给出了燃烧器108主体(虚线框内部分)的固定方式，燃烧器108的两端通过外径16cm、厚度1.2cm的紧固法兰盘a301和紧固法兰盘b305进行外部夹持，两者中心开有直径3.4cm的圆形孔洞，刚好用于嵌入和固定燃烧器喷管209和燃烧器尾管218，同时采用厚石棉垫片303作绝缘密封与减震缓冲；紧固法兰盘a301和b305通过一组螺杆302进行连接，夹持的紧固程度也由螺杆302进行调节。夹持燃烧器108后的紧固法兰盘a301、b305置于一个高度可调的底座304上，以便于测试操作。

在进行低浓度可燃气的燃烧测试时，首先通过减压阀102、质量流量计103的调节完成气体配比，例如配比体积浓度2％，流量为15升每分钟的甲烷可燃气(如未施加其它作用，在常压下无法点燃)。其次，测试方法可以多种多样，例如一种测试方法是利用硅碳棒加热器207对可燃气进行预热，使其在进入燃烧器喷管209中部时维持在某一预定高温上(如600摄氏度)，当高温可燃气开始在燃烧腔内循环流动后，逐渐增加地线接线端210和高压接线端213之间的高压电源110电压，与此同时高压电弧点火器217一直处于工作状态，当可燃气在超焓和等离子体两种助燃作用下成功点燃后，记录并监测气体浓度、温度、等离子体强度等相关数据；另一种测试方法也可先将高压电源110电压维持在某一特定高压上(此时等离子体已经产生)，而通过改变硅碳棒加热器207的功率来提升可燃气的燃烧前初始温度，直到最终被引燃。也即是说，通过不同参量的合理组合，该装置能够较好地用于研究可燃气浓度、流量、初始温度、等离子体强度与可燃极限的耦合影响关系。以上仅为本发明的较佳实施例，凡利用本发明申请内容所作出的等效变化均应划入本发明专利的权利要求保护范围。

Claims (9)

1.一种常压低浓度可燃气的超焓等离子体复合助燃燃烧测试装置，包括压缩高纯度可燃气气源和压缩空气气源，所述压缩高纯度可燃气气源通过可燃气支路管道分别依次串联一减压阀，一质量流量计；所述空气气源通过空气支路管道依次串联一减压阀和一质量流量计；所述可燃气支路管道和所述空气支路管道在末端相连接并汇入一可燃气管道，该可燃气管道的前端依次串接一气体混合器，一质量流量计，一压力表和一浓度分析仪，所述可燃气管道末端接入一个燃烧器的入口；

所述燃烧器的主体呈圆柱形，包括一圆柱形石英管，该石英管的两端各连接一块法兰盘密封，以此构成一个相对封闭的区域作为燃烧腔，燃烧腔一端的法兰盘A上留有测量孔，测量孔内插有监测该燃烧腔中温度的热电偶树；所述燃烧腔法兰盘A通过螺栓与燃烧器喷管相连接，该燃烧器喷管向内伸入燃烧腔内部；

所述燃烧器喷管部位表面设放电电极，同时所述燃烧器喷管的管口附近设导流板；所述燃烧器喷管处于燃烧腔外部的部分连接一地线接线端，且通过入口螺纹盖与可燃气管道的末端相连接，所述入口螺纹盖上留有圆孔，在圆孔位置处插入硅碳棒加热器，以及热电偶探头；在所述石英管的圆周外围套上一金属套筒作为外电极，并与一高压接线端相连；

燃烧腔另一端的法兰盘B上设置高压电弧点火器，且该燃烧腔法兰盘B通过螺栓与一燃烧器尾管相连，该燃烧器尾管通过一出口螺纹盖与一燃烧产物废气管道相接，且该废气管道与所述可燃气管道之间具有热交换段。

2.如权利要求1所述的一种常压低浓度可燃气的超焓等离子体复合助燃燃烧测试装置，其特征在于：可燃气管道中的可燃气的浓度，由所述压缩高纯度可燃气气源和压缩空气气源，分别通过所述质量流量计进行配比，且完成配气的可燃气进入所述可燃气管道后，由所述浓度分析仪进行实时监测。

3.如权利要求1所述的一种常压低浓度可燃气的超焓等离子体复合助燃燃烧测试装置，其特征在于：所述燃烧器内的可燃气体初始温度，通过所述热电偶探头进行测量，配合调节所述硅碳棒加热器的加热功率以使可燃气在燃烧前达到预定的高温。

4.如权利要求1所述的一种常压低浓度可燃气的超焓等离子体复合助燃燃烧测试装置，其特征在于：该燃烧器喷管向内伸入燃烧腔内部2/8-7/8深度。

5.如权利要求1所述的一种常压低浓度可燃气的超焓等离子体复合助燃燃烧测试装置，其特征在于：导流板的投影面积大于燃烧器喷管的出口面积；导流板的角度设置为使不同流量的可燃气能在燃烧腔内作单向环形流动。

6.如权利要求1所述的一种常压低浓度可燃气的超焓等离子体复合助燃燃烧测试装置，其特征在于：在所述燃烧器喷管部位表面设10-20支金属的放电电极，所述放电电极等间距地沿轴向垂直焊接于该燃烧器喷管上，采用两排对称排布或四排对称排布。

7.如权利要求1所述的一种常压低浓度可燃气的超焓等离子体复合助燃燃烧测试装置，其特征在于：该废气管道与所述可燃气管道之间采用保温带缠绕。

8.如权利要求1所述的一种常压低浓度可燃气的超焓等离子体复合助燃燃烧测试装置，其特征在于：废气管道的末端依次连接一台浓度分析仪和一个过滤器，用以检测废气中的残留可燃物浓度和减小废气的环境污染。

9.如权利要求1所述的一种常压低浓度可燃气的超焓等离子体复合助燃燃烧测试装置，其特征在于：所述燃烧器由两块紧固法兰盘a、b进行外部夹持，紧固法兰盘a、b中间留有圆形孔洞，用以分别固定所述燃烧器喷管和燃烧器尾管，所述紧固法兰盘a、b的紧固程度由一组螺杆进行调节，整个所述燃烧器置于一个底座上。