CN107024504A - 一种等离子体助燃下的可燃气燃烧下限拓宽测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等离子体助燃下的可燃气燃烧下限拓宽测试装置及测试方法，主要包括气源、相应气路、等离子电压源及燃烧器，所述气源和相应气路管道主要包括可燃气气源和可燃气气路，以及空气气源和空气气路；所述燃烧器主要包括一级混合器、二级混合器、刚玉管、电热丝加热带、检测腔、石英管、外电极和内电极。本发明的主要优点在于：实现了有限空间内的可燃气与空气的低速充分混合，减小了气流速度对点燃过程的影响；通过不同预混气浓度、预热温度、流速与等离子体强度等参量的合理组合，该装置可用于研究在等离子体活化作用及外界热焓输入条件下的低浓度可燃气燃烧下限拓宽规律，为低浓度可燃气的再利用提供技术支撑。

Description

一种等离子体助燃下的可燃气燃烧下限拓宽测试装置及测试 方法

技术领域

本发明涉及能源利用与燃烧技术领域，具体的说，涉及一种等离子体助燃下的可燃气燃烧下限拓宽测试装置及测试方法。

背景技术

等离子体作用下的可燃气燃烧极限特别是下限的拓宽性能是能源与环境科学领域的重要研究方向，这一类技术对于工业尾气净化、再利用，也即通常所说的节能减排具有直接作用。例如常温常压下，甲烷的燃烧下限为体积浓度5％，而矿山开采或工业排放的尾气中甲烷浓度往往大幅低于该值，作为一种可燃烧的温室气体，如对这些大量的低浓度甲烷尾气任其自由排放，不仅是对有限化石能源的浪费，也将对全球的大气环境造成进一步影响，因此，通过先进的燃烧技术来消除或减少这类尾气已成为国际上积极探索的节能减排方式。低浓度可燃气由于其体积浓度处于理论燃烧下限范围外，如无外界因素施加，在常温常压环境下是无法被引燃和维持燃烧的，目前在拓宽可燃气燃烧极限方面，所采用的主要技术手段包括等离子体强化燃烧和超焓燃烧等，例如邹鑫等人在2009年的《高压电技术》第35卷1期31-35页“甲烷燃烧强化实验中电压和频率对火焰的影响”一文中提到一种装置，主要研究等离子介质阻挡放电对甲烷的助燃作用，但该装置在气体等离子活化的时候仅对甲烷进行单独活化，之后再形成甲烷和空气的混合气，并最终在燃烧器出口处点燃，此类装置的局限性在于混合程度上无法达到充分混合，且由于活化只针对单一气体工质，因此活化效能有所减弱。因此对于低浓度可燃气的燃烧下限拓宽而言，需要采用更加有效的燃烧器系统，本项发明正是基于上述背景而提出的。

发明内容

本发明目的是提出一种可用于测试在等离子体助燃作用下的可燃气燃烧极限扩展范围的装置，通过可控介质阻挡等离子体放电及外界热焓的助燃作用，研究低浓度可燃气燃烧下限的可拓宽性及相关规律。

本发明的技术方案为：一种等离子体助燃下的可燃气燃烧下限拓宽测试装置，包括至少一压缩高纯度可燃气气源和至少一压缩空气气源，所述高纯度可燃气气源通过一条可燃气气路依次串联一个可燃气减压阀和一个可燃气质量流量计；类似的，所述空气气源通过一条空气气路依次串联一个空气减压阀和一个空气质量流量计，所述空气气路的末端与上述可燃气气路的末端分别接入一个燃烧器的空气入口和可燃气入口。所述燃烧器主体为一个多级圆筒形结构，从上至下主要包括燃烧腔、检测腔、预热腔及混合腔4部分，所述空气气路和所述可燃气气路的末端便接入的是所述燃烧器下部的一个混合腔外壁上的空气入口和可燃气入口，所述混合腔外壁底部通过一个底部法兰盘进行密封，所述底部法兰盘整体为一个双层同心圆柱台结构，上层能以螺纹结构完全旋入所述混合腔外壁的底部，下层的外围以圆周阵列形式留有4个孔，并连接4个底座螺栓，通过调节所述底座螺栓自配螺帽的位置，可以进行所述燃烧器高度的自由调节。在所述混合腔内部至下而上依次安放一个一级混合器和一个二级混合器，所述一级混合器为一个薄层混合器，当可燃气和空气进入所述燃烧器后将首先在该一级混合器的薄层间歇中进行混合，而所述一级混合器内部留有出口，使初步混合后的预混气能够顺利流出并继续向上运动进入所述二级混合器；该二级混合器为一个缩放喷管结构的混合器，可以使预混气的混合程度更为充分，同时出口流场也更为均匀。在所述混合腔外壁的上部出口利用其自身的限位槽和一圈耐高温密封胶竖向安装一根刚玉管，所述刚玉管中部缠绕一段电热丝加热带，且在上部出口处安装一个检测腔外壁，该检测腔外壁通过一个检测腔下方法兰盘和所述耐高温密封胶与所述刚玉管相连；而所述检测腔外壁的上部则通过一个检测腔上方法兰盘和所述耐高温密封胶与一个石英管(透明)竖向连接，所述检测腔上方法兰盘与下方法兰盘通过4个紧固螺栓进行固定；同时，在所述检测腔外壁上开有圆孔，用于后期安装各类传感器探头。所述石英管外壁采用一铜制网状套筒作为外电极，并连接一个外电极接线端，在所述石英管内部，利用上、下两个陶瓷材质的电极固定环将一段铜丝加工的内电极固定在所述石英管中轴线上，同时该内电极的上部连接一个地线接线端，通过该地线接线端和所述外电极接线端分别与一个等离子电压源的两级相接来实现等离子体的可控介质阻挡放电过程。在所述石英管上部出口处安装一个电火花点火器作为可燃气与空气所形成的预混气的点火源。

所述燃烧器中的所述混合腔外壁、所述刚玉管、所述检测腔外壁及所述石英管均同轴放置，且除所述混合腔外壁以外，其余三者内径保持相同。

所述燃烧器中的流入可燃气和空气的质量流量应保持低速、低压状态，其作用是减小流速对预混气点燃及燃烧传播的影响。

所述介质阻挡等离子体放电的强度可以通过所述等离子电压源进行调节；而预混气和预热温度也可以通过调整所述电热丝加热带功率来进行精确控制。

所述各质量流量计、热电偶、以及其它传感器的信号均接入数据采集卡，通过计算机进行在线记录。

与现有技术相比，本装置的技术优势如下：

(1)该装置中燃烧器的混合腔采用了一级混合器和二级混合器的双重混合设计，因此即便在有限的空间内，通过两级混合后可燃气与空气在低流速下也能够完成充分混合。

(2)通过石英管的等离子介质阻挡放电，管内等离子体覆盖广泛且均匀，以此产生的活性基团可提供较好的助燃效果；而下方刚玉管外围的电热丝加热带还可以提供额外的热焓输入，可实现复合助燃作用，对于拓宽预混气燃烧下限有直接效果。

(3)加热部分采用刚玉管，相较于石英管具有更好的耐热性和强度，可以保证在电热丝加热带的高温作用下不会破裂；而石英管的使用可以更好地观察预混气在电火花点火器引燃下的爆燃或回火现象。

(3)该测试装置可用于各种低浓度可燃气的燃烧下限拓宽性能测试，并为未来此类测试标准的建立提供参考。

附图说明

图1为一种等离子体助燃下的可燃气燃烧下限拓宽测试装置结构示意侧视图；

图2为该测试装置中的燃烧器主体结构示意图；

其中：100为高纯度可燃气气源，101为空气气源，102为可燃气减压阀，103为可燃气气路，104为空气减压阀，105为空气气路，106为空气质量流量计，107为可燃气质量流量计，108为燃烧器，109为地线接线端，110为外电极接线端，111为等离子电压源，112为电火花点火器；

200为底座螺栓，201为底部法兰盘，202为混合腔外壁，203为一级混合器，204为二级混合器，205为耐高温密封胶，206为电热丝加热带，207为刚玉管，208为检测腔下方法兰盘，209为检测腔上方法兰盘，210为紧固螺栓，211为检测腔外壁，212为电极固定环，213为内电极，214为外电极，215为石英管，216为中央腔，217为环形空腔，218为空气入口，219为可燃气入口，220为连接通道。

具体实施方式

以下结合图1至图2详细阐明本发明的一个具体实施例，但并不作为对本发明的限制。

实施例1：

图1给出了本发明一种等离子体助燃下的可燃气燃烧下限拓宽测试装置的结构示意图，图2为该测试装置中的燃烧器主体结构示意图。

如图1所示，一瓶压缩高纯度可燃气气源100，例如可采用12升10Mpa的高压甲烷气瓶，通过可燃气气路103依次串联一个可燃气减压阀102和一个可燃气质量流量计107，可燃气气路103的末端接入燃烧器108的可燃气入口，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，而该燃烧器108中的等离子体产生将通过地线接线端109和外电极接线端110，与等离子电压源110的两级分别相接来实现等离子体的可控放电过程。类似的，另有一瓶压缩空气气源101，例如可选用30升10Mpa的高压空气气瓶，通过空气气路105依次串联一个空气减压阀104和一个空气质量流量计106，空气气路105末端接入燃烧器108的空气入口，为保持气流的平衡性和混合的充分度，该入口可与上述燃烧器108的可燃气入口呈左右对称分布，本实施例中的可燃气质量流量计107为数字可调型质量流量计，其最大量程选定为10(标准)升/分，空气质量流量计106也为数字式，最大量程选定为200(标准)升/分，两种气体的配比遵照以最终形成低浓度、低流速预混气为佳的原则，这样可尽量减小气体流速对燃烧极限测试时的影响，此外可燃气气路103和空气气路105均选用内径5mm的不锈钢气管，总长度以安全和便于操作为宜。在燃烧器108的上部出口处安装一个电火花点火器112作为可燃气与空气所形成的预混气的点火源。

如图2所述，燃烧器108具有对可燃气和空气的混合、预热及燃烧三种功能，其中的混合部分主要由底部法兰盘201、混合腔外壁202、一级混合器203与二级混合器204组成，为圆筒形结构，本实施例中混合腔外壁202采用不锈钢材质加工，高为10cm，外径为6cm，内径除上部出口外均为2.5cm，而在上部出口处通过一个喉部使内径收缩至2cm。在混合腔外壁202的左侧下部加工一个带螺纹的可燃气入口，孔径为5mm，并直通该混合腔内部，同样对称的在混合腔外壁202的右侧加工一个空气入口，混合腔外壁202的下方通过底部法兰盘进行密封，底部法兰盘202整体为一个双层同心圆柱台结构，上层高1cm，直径2.5cm，且可以螺纹结构完全旋入混合腔外壁202底部进行封闭，下层高1.5cm，直径10cm，在外围以等间距的圆周阵列形式留有4个法兰孔连接底座螺栓200，本实施例中底座螺栓长8cm，直径为8mm，可利用自身配备的螺帽进行底部法兰盘201的高度调节。在底部法兰盘201上部，也即是混合腔外壁202内部从下至上依次安置一级混合器203和二级混合器204，本实施例中，一级混合器203为一个薄层混合器，可燃气与空气在一级混合器203和混合腔外壁202之间的薄层空间内进行充分混合，然后在气压下通过一级混合器203的气孔进入该混合器内部，紧接着一次混合后的预混气将进入二级混合器204，该混合器为一个缩放喷管结构的混合器，起二次混合和稳定流场的作用。

所述的薄层混合器，参见图2的局部放大图，其包括一围绕圆柱体外周的环形空腔217，空气入口218和可燃气入口219分别从左右侧连接入该环形空腔217，圆柱体内设有中央腔216，中央腔216和环形腔217之间设有两个连接通道220，这两个通道220和空气入口218和可燃气入口219彼此间隔90度。

在混合腔外壁202的出口利用限位槽和耐高温密封胶205竖向安装一根刚玉管207，该刚玉管高10cm、内径2cm、厚5mm，在刚玉管207的中部缠绕电热丝加热带206，本实施例中，该加热带的最大功率为1kw，可以使预混气在刚玉管207中加热到室温至400摄氏度之间的任意一个预定温度值。刚玉管207的上部出口安装一个由检测腔下方法兰盘208、检测腔上方法兰盘209、紧固螺栓210和检测腔外壁211所组成的检测腔，本实施例中的检测腔外壁211内径为2cm，外径为4cm，由不锈钢材料加工，中部钻有直径5mm的孔，用于安装热电偶或气体分析传感器等测量仪器的探头，为保持气密性，检测腔下方法兰盘208和刚玉管207通过耐高温密封胶205进行密封。检测腔上方法兰盘209竖向连接一根石英管215，并仍然通过耐高温密封胶205进行密封，本实施例中石英管215高15cm、内径2cm、厚2mm，石英管215外壁采用一铜制网状套筒作为外电极214，并连接外电极接线端110，在石英管215内部，利用上、下两个陶瓷材质的电极固定环212将内电极213固定在中轴线上，同时该内电极的上部连接地线接线端109，当等离子电压源110工作后，石英管215内便可产生常压下的非热力学平衡介质阻挡等离子体放电。

在进行可燃气燃烧下限拓宽测试过程中，第一步先通过调节可燃气减压阀102与空气减压阀104，以及配合可燃气质量流量计107与空气质量流量计106，共同完成气体配比，例如配比体积浓度为3％、流量为10升每分钟的甲烷低浓度可燃气(如未施加其它活化作用，在常压下是无法点燃的)；第二步，开启电热丝加热带206，对刚玉管207中经过的预混气进行预热，预热温度可通过在检测腔外壁的孔中安装各类传感器进行标定，本实施例中预热温度可定为200摄氏度、300摄氏度或400摄氏度等，并等待预混气最终流速、温度、浓度均达到稳定；第三步，开启等离子电压源111和电火花点火器112，并逐步增加等离子电压源111的功率，直到石英管内预混气被点燃，并观察到明显的管内回火现象发生，此时记录下相关的气体浓度、温度、等离子体强度等数据。随后，通过不同预混气浓度、预热温度、流速与等离子强度等参量的合理组合，可进一步研究在等离子体活化作用和外界热焓输入条件下的低浓度可燃气燃烧下限的拓宽规律。以上仅为本发明的一种典型实施例，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 (6)

1.一种等离子体助燃下的可燃气燃烧下限拓宽测试装置，包括至少一压缩高纯度可燃气气源和至少一压缩空气气源，所述高纯度可燃气气源通过一条可燃气气路依次串联一个可燃气减压阀和一个可燃气质量流量计；所述空气气源通过一条空气气路依次串联一个空气减压阀和一个空气质量流量计，所述空气气路的末端与所述可燃气气路的末端分别接入一个燃烧器的空气入口和可燃气入口；

所述燃烧器主体为一个多级圆筒形结构，从上至下主要包括燃烧腔、检测腔、预热腔及混合腔4部分，所述空气气路和所述可燃气气路的末端接入所述燃烧器下部的混合腔外壁上的空气入口和可燃气入口，

所述混合腔外壁底部通过一个底部法兰盘进行密封，所述底部法兰盘整体为一个双层同心圆柱台结构，上层能以螺纹结构完全旋入所述混合腔外壁的底部，下层的外围以圆周阵列形式留有孔，并连接底座螺栓，通过调节所述底座螺栓自配螺帽的位置，可以进行燃烧器高度的自由调节；

在所述混合腔内部至下而上依次安放一个一级混合器和一个二级混合器，所述一级混合器为一个薄层混合器，当可燃气和空气进入所述燃烧器后将首先在该一级混合器的薄层间歇中进行混合，而所述一级混合器内部留有出口，使初步混合后的预混气能够顺利流出并继续向上运动进入所述二级混合器；该二级混合器为一个缩放喷管结构的混合器；

在所述混合腔外壁的上部出口利用其自身的限位槽和一圈耐高温密封胶竖向安装一根刚玉管，所述刚玉管中部缠绕一段电热丝加热带，且在上部出口处安装一个检测腔外壁，该检测腔外壁通过一个检测腔下方法兰盘和所述耐高温密封胶与所述刚玉管相连；而所述检测腔外壁的上部则通过一个检测腔上方法兰盘和所述耐高温密封胶与一个透明石英管竖向连接，所述检测腔上方法兰盘与下方法兰盘通过紧固螺栓进行固定；

同时，在所述检测腔外壁上开有用于后期安装各类传感器探头的圆孔；所述石英管外壁采用一铜制网状套筒作为外电极，并连接一个外电极接线端，在所述石英管内部，利用上、下两个陶瓷材质的电极固定环将一段铜丝加工的内电极固定在所述石英管中轴线上，同时该内电极的上部连接一个地线接线端，通过该地线接线端和所述外电极接线端分别与一个等离子电压源的两级相接来实现等离子体的可控介质阻挡放电过程；在所述石英管上部出口处安装一个电火花点火器作为可燃气与空气所形成的预混气的点火源。

2.如权利要求1所述的一种等离子体助燃下的可燃气燃烧下限拓宽测试装置，其特征在于：所述燃烧器中的所述混合腔外壁、所述刚玉管、所述检测腔外壁及所述石英管均同轴放置，且除所述混合腔外壁以外，其余三者内径保持相同。

3.如权利要求1所述的一种等离子体助燃下的可燃气燃烧下限拓宽测试装置，其特征在于：所述的薄层混合器，其包括一围绕圆柱体外周的环形空腔，空气入口和可燃气入口分别从左右侧连接入该环形空腔，圆柱体内设有中央腔，中央腔和环形腔之间设有两个连接通道，这两个通道和空气入口和可燃气入口彼此间隔90度。

4.一种等离子体助燃下的可燃气燃烧下限拓宽测试方法，采用权利要求1至3任一项所述的装置，方法包括如下步骤：

第一步，先通过调节可燃气减压阀与空气减压阀，以及配合可燃气质量流量计与空气质量流量计，共同完成气体配比；

第二步，开启电热丝加热带，对刚玉管中经过的预混气进行预热；

第三步，开启等离子电压源和电火花点火器，并逐步增加等离子电压源的功率，直到石英管内预混气被点燃，并观察到明显的管内回火现象发生，此时记录下相关的包括气体浓度、温度、等离子体强度在内的各方面数据；随后，通过包括不同预混气浓度、预热温度、流速与等离子强度在内的各方面参量的组合，进一步研究在等离子体活化作用和外界热焓输入条件下的低浓度可燃气燃烧下限的拓宽规律。

5.如权利要求1所述的一种等离子体助燃下的可燃气燃烧下限拓宽测试方法，其特征在于：所述燃烧器中的流入可燃气和空气的质量流量应保持低速、低压状态。

6.如权利要求1所述的一种等离子体助燃下的可燃气燃烧下限拓宽测试方法，其特征在于：所述介质阻挡等离子体放电的强度通过所述等离子电压源进行调节；预混气和预热温度通过调整所述电热丝加热带功率来进行精确控制。