CN107191933A - 一种等离子体助燃式多孔介质燃烧系统 - Google Patents

一种等离子体助燃式多孔介质燃烧系统 Download PDF

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何松
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Abstract

本发明属于燃烧系统技术领域，公开了一种等离子体助燃式多孔介质燃烧系统，包括燃烧器和等离子体助燃系统；燃烧器包括进气管、内筒、多孔介质、防回火装置；进气管与内筒连通，防回火装置位于内筒中的下部区域，多孔介质位于内筒中且位于防回火装置的上方；等离子体助燃系统包括绝缘材料、电极、等离子体电源、控制装置；电极可拆卸地连接在绝缘材料的外层上；等离子体电源分别与电极及控制装置相连；等离子体助燃系统的绝缘材料设置在燃烧器的进气管的外侧。本发明解决了现有技术中等离子体助燃式多孔介质燃烧系统的燃烧效率较低、电极放电的稳定性和安全性较低的问题，达到了提高燃烧效率、增加电极放电的稳定性和安全性的技术效果。

Description

一种等离子体助燃式多孔介质燃烧系统
技术领域
本发明涉及燃烧系统技术领域，尤其涉及一种等离子体助燃式多孔介质燃烧系统。
背景技术
煤矿低浓度瓦斯、垃圾填埋气、高炉煤气等气体由于热值低、组分波动显著，使得常规的自由火焰燃烧技术难以充分高效利用。这些气体中常含有甲烷等可燃性组分，其直接排放不仅造成了能源浪费，而且促进了温室效应。为此，发展低热值气体的高效利用技术显得尤为重要。
多孔介质燃烧技术通过利用多孔骨架的回热特点，可充分预热新鲜气体，具有火焰稳定性好、燃烧效率高、贫燃极限宽、污染物排放低等优点，非常适合于低热值气体的燃烧利用。除此之外，近几年发展迅速的有助于优化燃烧特性的技术还有等离子体助燃技术。该技术通过装置放电可产生具有化学活性的等离子体，利用等离子体中的高能电子与反应物分子的非弹性碰撞，能增加反应物分子的内能，促进能量转移和形变，进而有利于分子键断裂、松弛或裂解为自由基，从而提高燃料的点火性能和改善燃烧特性。
目前，已有很多关于多孔介质燃烧技术和等离子体助燃技术的相关研究。然而，由于等离子体激发装置结构复杂、部件较多，难以和多孔介质燃烧装置相互统一，使得两种技术相结合的燃烧系统仍然很少。现有技术中，最直接的方式是在多孔介质结构中轴处设置激发等离子体的电极装置，但是上述方式使得电极处于高温燃烧环境中，对材料本身的耐高温性能要求较高，且会导致电极寿命缩短；此外，激发等离子体的电极装置设置在多孔介质结构中轴处，会显著影响气体流场和电极放电稳定性，进而影响燃烧利用效率，并带来安全隐患。
发明内容
本申请实施例通过提供一种等离子体助燃式多孔介质燃烧系统，解决了现有技术中等离子体助燃式多孔介质燃烧系统的燃烧效率较低、电极放电的稳定性和安全性较低的问题。
本申请实施例提供一种等离子体助燃式多孔介质燃烧系统，包括:
燃烧器和等离子体助燃系统；
所述燃烧器包括进气管、内筒、多孔介质、防回火装置；所述进气管与所述内筒连通，所述防回火装置位于所述内筒中的下部区域，所述多孔介质位于所述内筒中，且所述多孔介质位于所述防回火装置的上方；
所述等离子体助燃系统包括绝缘材料、电极、等离子体电源、控制装置；所述电极可拆卸地连接在所述绝缘材料的外层上；所述等离子体电源分别与所述电极及所述控制装置相连；
所述等离子体助燃系统的所述绝缘材料设置在所述燃烧器的所述进气管的外侧。
优选的，所述燃烧器还包括渐变型管；
所述进气管通过所述渐变型管与所述内筒连通。
优选的，所述绝缘材料包括左绝缘材料和右绝缘材料，所述左绝缘材料和所述右绝缘材料对称设置在所述进气管的外侧；所述电极包括左电极和右电极，所述左电极和所述右电极分别可拆卸地连接在所述左绝缘材料和所述右绝缘材料的外层上。
优选的，所述等离子体助燃系统还包括：
电流探针；
高压探针；
示波器；
所述电极分别与所述电流探针及所述高压探针相连，所述示波器分别与所述电流探针及所述高压探针相连；
所述控制装置的第一端口与所述等离子体电源相连，所述控制装置的第二端口与所述示波器相连。
优选的，所述多孔介质由小球堆积床、泡沫陶瓷、蜂窝陶瓷中的一种或几种组成。
优选的，所述防回火装置为防回火穿孔板或丝网。
优选的，所述内筒为圆柱体或方形体。
优选的，所述内筒为耐高温金属型内筒或陶瓷型内筒。
优选的，所述内筒的外层包覆有保温层。
优选的，所述保温层的厚度为3～15cm。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
在本申请实施例中，通过在进气管的外侧设置激发等离子体的电极装置，相比于在多孔介质结构中轴处设置激发等离子体的电极装置，能够有效地消除电极装置对气流场的影响，且避免了电极装置处于高温环境中，从而有效增加了电极放电的稳定性和安全性，进而提高了燃烧效率，且降低了对电极材料本身的耐高温性能的要求。此外，本申请提供的等离子体助燃式多孔介质燃烧系统，相比于在多孔介质结构中轴处设置电极装置的系统，具有设备简单、实际的可行性高、可操作性好的优点。本申请结合多孔介质的高效回热特性和等离子体的活化特性，能够显著降低低热值气体的点火能量，具有更好的火焰稳定性、更高的燃烧效率、更低的污染物排放。
附图说明
为了更清楚地说明本实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例3提供的一种等离子体助燃式多孔介质燃烧系统的结构示意图。
其中，1-控制装置，2-示波器，3-导线，4-电流探针，5-高压探针，6-数据线，7-等离子体电源，8-电源上输出端，9-电源下输出端，10-接地装置，11-渐变型管，12-左绝缘材料，13-左电极，14-多孔介质，15-内筒，16-保温层，17-防回火装置，18-右电极，19-右绝缘材料，20-进气管。
具体实施方式
本申请实施例通过提供一种等离子体助燃式多孔介质燃烧系统，解决了现有技术中等离子体助燃式多孔介质燃烧系统的燃烧效率较低、电极放电的稳定性和安全性较低的问题。
本申请实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
一种等离子体助燃式多孔介质燃烧系统，包括：燃烧器和等离子体助燃系统；
所述燃烧器包括进气管、内筒、多孔介质、防回火装置；所述进气管与所述内筒连通，所述防回火装置位于所述内筒中的下部区域，所述多孔介质位于所述内筒中，且所述多孔介质位于所述防回火装置的上方；
所述等离子体助燃系统包括绝缘材料、电极、等离子体电源、控制装置；所述电极可拆卸地连接在所述绝缘材料的外层上；所述等离子体电源分别与所述电极及所述控制装置相连；
所述等离子体助燃系统的所述绝缘材料设置在所述燃烧器的所述进气管的外侧。
因此，通过在进气管的外侧设置激发等离子体的电极装置，相比于在多孔介质结构中轴处设置激发等离子体的电极装置，能够有效地消除电极装置对气流场的影响，且避免了电极装置处于高温环境中，从而有效增加了电极放电的稳定性和安全性，进而提高了燃烧效率。此外，本申请提供的等离子体助燃式多孔介质燃烧系统，相比于在多孔介质结构中轴处设置电极装置的系统，具有设备简单、实际的可行性高、可操作性好的优点。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
实施例1：
本实施例提供了一种等离子体助燃式多孔介质燃烧系统，包括：燃烧器和等离子体助燃系统。
所述燃烧器包括进气管、内筒、多孔介质、防回火装置；所述进气管与所述内筒连通，所述防回火装置位于所述内筒中的下部区域，所述多孔介质位于所述内筒中，且所述多孔介质位于所述防回火装置的上方。
所述等离子体助燃系统包括绝缘材料、电极、等离子体电源、控制装置；所述电极可拆卸地连接在所述绝缘材料的外层上；所述等离子体电源分别与所述电极及所述控制装置相连。
所述等离子体助燃系统的所述绝缘材料设置在所述燃烧器的所述进气管的外侧。
多孔介质燃烧技术通过利用多孔骨架的回热特点，可充分预热新鲜气体，具有火焰稳定性好、燃烧效率高、贫燃极限宽、污染物排放低等优点，非常适合于低热值气体的燃烧利用。等离子体助燃技术通过装置放电可产生具有化学活性的等离子体，利用等离子体中的高能电子与反应物分子的非弹性碰撞，能增加反应物分子的内能，促进能量转移和形变，进而有利于分子键断裂、松弛或裂解为自由基，从而提高燃料的点火性能和改善燃烧特性。
实施例1提供的一种等离子体助燃式多孔介质燃烧系统结合了多孔介质的高效回热特性和等离子体的活化特性，能够显著降低低热值气体的点火能量，具有更好的火焰稳定性、更高的燃烧效率、更低的污染物排放。通过在进气管的外侧设置激发等离子体的电极装置，相比于在多孔介质结构中轴处设置激发等离子体的电极装置，能够有效地消除电极装置对气流场的影响，且避免了电极装置处于高温环境中，从而有效增加了电极放电的稳定性和安全性，进而提高了燃烧效率，且降低了对电极材料本身的耐高温性能的要求。此外，本申请提供的等离子体助燃式多孔介质燃烧系统，相比于在多孔介质结构中轴处设置电极装置的系统，具有设备简单、实际的可行性高、可操作性好的优点。
实施例2：
本实施例提供了一种等离子体助燃式多孔介质燃烧系统，包括：燃烧器和等离子体助燃系统。
所述燃烧器包括进气管、渐变型管、内筒、多孔介质、防回火装置、保温层；所述进气管通过所述渐变型管与所述内筒连通，所述内筒的外层包覆有保温层，所述防回火装置位于所述内筒中的下部区域，所述多孔介质位于所述内筒中，且所述多孔介质位于所述防回火装置的上方。
所述等离子体助燃系统包括绝缘材料、电极、等离子体电源、控制装置；所述电极可拆卸地连接在所述绝缘材料的外层上；所述等离子体电源分别与所述电极及所述控制装置相连。
所述等离子体助燃系统的所述绝缘材料设置在所述燃烧器的所述进气管的外侧。
其中，所述绝缘材料包括左绝缘材料和右绝缘材料，所述左绝缘材料和所述右绝缘材料对称设置在所述进气管的外侧；所述电极包括左电极和右电极，所述左电极和所述右电极分别可拆卸地连接在所述左绝缘材料和所述右绝缘材料的外层上。
所述绝缘材料可以为米卡塔绝缘板、环氧树脂绝缘材料中的一种。所述电极的材料可以为铜、铂、铱中的一种。
所述内筒为燃烧室，一般情况下，所述内筒的尺寸大于所述进气管的尺寸，所述渐变型管在此情况下能够衔接所述进气管和所述内筒。
所述内筒为圆柱体或方形体，所述内筒为耐高温金属型内筒或陶瓷型内筒。
所述保温层的厚度为3～15cm，所述保温层能够有效减少燃烧热量的散失。所述保温层的材料优选为耐高温高岭棉。
所述多孔介质由小球堆积床、泡沫陶瓷、蜂窝陶瓷中的一种或几种组成。
所述防回火装置能显著提高所述等离子体助燃式多孔介质燃烧系统的安全性，所述防回火装置优选为防回火穿孔板或丝网。
由于采用介质阻挡放电的方式，所以电极结构是平板的，因此所述进气管在安装固定绝缘材料的一段保持方形，所述进气管的其他段位可以为其他形状，如圆形。优选的，整个所述进气管为方形，与电极结构有效贴合。
实施例2提供的一种等离子体助燃式多孔介质燃烧系统结合了多孔介质的高效回热特性和等离子体的活化特性，能够显著降低低热值气体的点火能量，具有更好的火焰稳定性、更高的燃烧效率、更低的污染物排放。通过在进气管的外侧设置激发等离子体的电极装置，相比于在多孔介质结构中轴处设置激发等离子体的电极装置，能够有效地消除电极装置对气流场的影响，且避免了电极装置处于高温环境中，从而有效增加了电极放电的稳定性和安全性，进而提高了燃烧效率，且降低了对电极材料本身的耐高温性能的要求。此外，本申请提供的等离子体助燃式多孔介质燃烧系统，相比于在多孔介质结构中轴处设置电极装置的系统，具有设备简单、实际的可行性高、可操作性好的优点。另外，通过设置渐变型管，在进气管和内筒尺寸不匹配的情况下，能够通过渐变型管衔接进气管和内筒；通过在内筒的外层包覆保温层，能够有效减少燃烧热量的散失。
实施例3：
本实施例提供了一种等离子体助燃式多孔介质燃烧系统，如图1所示，包括：燃烧器和等离子体助燃系统。
所述燃烧器包括进气管20、渐变型管11、内筒15、保温层16、多孔介质14、防回火装置17。
所述等离子体助燃系统包括左绝缘材料12、右绝缘材料19、左电极13、右电极18、等离子体电源7、控制装置1、电流探针4、高压探针5、示波器2。
其中，所述进气管20通过所述渐变型管11与所述内筒15连通，所述内筒15的外层包覆有保温层16，所述防回火装置17位于所述内筒15中的下部区域，所述多孔介质14位于所述内筒15中，且所述多孔介质14位于所述防回火装置17的上方。
所述左绝缘材料12和所述右绝缘材料19对称设置在所述进气管20的外侧；所述左电极13和所述右电极18分别可拆卸地连接在所述左绝缘材料12和所述右绝缘材料19的外层上，优选的，所述左电极13和所述右电极18分别贴附在所述左绝缘材料12和所述右绝缘材料19的外层上。
所述左电极13通过导线3分别与所述等离子体电源7的电源上输出端8及所述电流探针4连接；所述右电极18通过导线3分别与所述等离子体电源7的电源下输出端9及所述高压探针5连接。
其中，所述左电极13、所述右电极18与电源、探针的连接方式可交换。即，所述右电极18通过导线3分别与所述等离子体电源7的电源上输出端8及所述电流探针4连接；所述左电极13通过导线3分别与所述等离子体电源7的电源下输出端9及所述高压探针5连接。
所述等离子体电源7的左端通过数据线6与所述控制装置1的第一端口相连；所述控制装置1的第二端口通过数据线6与所述示波器2相连。所述示波器2通过导线分别与所述电流探针4和所述高压探针5相连。所述等离子体电源7与接地装置10相连。所述控制装置1优选为计算机。
所述左绝缘材料12和所述右绝缘材料19可以为米卡塔绝缘板、环氧树脂绝缘材料中的一种。所述左电极13和所述右电极18的材料可以为铜、铂、铱中的一种。为了保持放电的均匀性，所述左电极13和所述右电极18的材料和结构是相同的。
所述内筒15为燃烧室，一般情况下，所述内筒15的尺寸大于所述进气管20的尺寸，所述渐变型管11在此情况下能够将所述进气管20和所述内筒15衔接。
所述内筒15为圆柱体或方形体，所述内筒15为耐高温金属型内筒或陶瓷型内筒。
所述保温层16的厚度为3～15cm，所述保温层16能够有效减少燃烧热量的散失。所述保温层16的材料优选为耐高温高岭棉。
所述多孔介质14由小球堆积床、泡沫陶瓷、蜂窝陶瓷中的一种或几种组成。
所述防回火装置17能显著提高所述等离子体助燃式多孔介质燃烧系统的安全性，所述防回火装置17优选为防回火穿孔板或丝网。
由于采用介质阻挡放电的方式，所以电极结构是平板的，因此所述进气管20在安装固定绝缘材料的一段保持方形，所述进气管20的其他段位可以为其他形状，如圆形。优选的，整个所述进气管20为方形，与电极结构有效贴合。
本实施例提供的等离子体助燃式多孔介质燃烧系统的工作原理如下：煤矿低浓度瓦斯、垃圾填埋气、高炉煤气等低热值气体由进气管进入，通过左电极和右电极激发产生的等离子体区域实现气体活化，活化后的气体在渐变型管的变径作用下流入防回火装置，当气体穿过防回火装置之后，进入填充有多孔介质的内筒，并在内筒中发生剧烈的燃烧反应，燃烧产生的烟气流在内筒的导流作用下流出，并通过包覆在内筒外层的保温层减少燃烧热量的散失；用于激发产生等离子体区域的左电极和右电极分别通过导线与等离子体电源连接，等离子体电源由数据线连接着控制装置，通过控制装置实现对等离子体电源输入左电极和右电极电压的精确控制，等离子体电源还分别通过导线与电流探针和高压探针连接，利用示波器对电流探针和高压探针获得的数据进行转换后，数据传输到控制装置实现对等离子体电源输出电流电压的实时监测，保证系统的正常运行。
实施例3提供的一种等离子体助燃式多孔介质燃烧系统结合了多孔介质的高效回热特性和等离子体的活化特性，能够显著降低低热值气体的点火能量，具有更好的火焰稳定性、更高的燃烧效率、更低的污染物排放。通过在进气管的外侧设置激发等离子体的电极装置，相比于在多孔介质结构中轴处设置激发等离子体的电极装置，能够有效地消除电极装置对气流场的影响，且避免了电极装置处于高温环境中，从而有效增加了电极放电的稳定性和安全性，进而提高了燃烧效率，且降低了对电极材料本身的耐高温性能的要求。此外，本申请提供的等离子体助燃式多孔介质燃烧系统，相比于在多孔介质结构中轴处设置电极装置的系统，具有设备简单、实际的可行性高、可操作性好的优点。另外，通过设置渐变型管，在进气管和内筒尺寸不匹配的情况下，能够通过渐变型管衔接进气管和内筒；通过在内筒的外层包覆保温层，能够有效减少燃烧热量的散失。通过控制装置实现对等离子体电源输入左电极和右电极电压的精确控制。利用示波器对电流探针和高压探针获得的数据进行转换后，数据传输到控制装置，从而实现对等离子体电源输出电流电压的实时监测。
本发明实施例提供的一种等离子体助燃式多孔介质燃烧系统至少包括如下技术效果：
在本申请实施例中，通过在进气管的外侧设置激发等离子体的电极装置，相比于在多孔介质结构中轴处设置激发等离子体的电极装置，能够有效地消除电极装置对气流场的影响，且避免了电极装置处于高温环境中，从而有效增加了电极放电的稳定性和安全性，进而提高了燃烧效率，且降低了对电极材料本身的耐高温性能的要求。此外，本申请提供的等离子体助燃式多孔介质燃烧系统，相比于在多孔介质结构中轴处设置电极装置的系统，具有设备简单、实际的可行性高、可操作性好的优点。本申请结合多孔介质的高效回热特性和等离子体的活化特性，能够显著降低低热值气体的点火能量，具有更好的火焰稳定性、更高的燃烧效率、更低的污染物排放。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种等离子体助燃式多孔介质燃烧系统，其特征在于，包括：
燃烧器和等离子体助燃系统；
所述燃烧器包括进气管、内筒、多孔介质、防回火装置；所述进气管与所述内筒连通，所述防回火装置位于所述内筒中的下部区域，所述多孔介质位于所述内筒中，且所述多孔介质位于所述防回火装置的上方；
所述等离子体助燃系统包括绝缘材料、电极、等离子体电源、控制装置；所述电极可拆卸地连接在所述绝缘材料的外层上；所述等离子体电源分别与所述电极及所述控制装置相连；
所述等离子体助燃系统的所述绝缘材料设置在所述燃烧器的所述进气管的外侧。
2.根据权利要求1所述的等离子体助燃式多孔介质燃烧系统，其特征在于，所述燃烧器还包括渐变型管；
所述进气管通过所述渐变型管与所述内筒连通。
3.根据权利要求1所述的等离子体助燃式多孔介质燃烧系统，其特征在于，所述绝缘材料包括左绝缘材料和右绝缘材料，所述左绝缘材料和所述右绝缘材料对称设置在所述进气管的外侧；所述电极包括左电极和右电极，所述左电极和所述右电极分别可拆卸地连接在所述左绝缘材料和所述右绝缘材料的外层上。
4.根据权利要求1所述的等离子体助燃式多孔介质燃烧系统，其特征在于，所述等离子体助燃系统还包括：
电流探针；
高压探针；
示波器；
所述电极分别与所述电流探针及所述高压探针相连，所述示波器分别与所述电流探针及所述高压探针相连；
所述控制装置的第一端口与所述等离子体电源相连，所述控制装置的第二端口与所述示波器相连。
5.根据权利要求1所述的等离子体助燃式多孔介质燃烧系统，其特征在于，所述多孔介质由小球堆积床、泡沫陶瓷、蜂窝陶瓷中的一种或几种组成。
6.根据权利要求1所述的等离子体助燃式多孔介质燃烧系统，其特征在于，所述防回火装置为防回火穿孔板或丝网。
7.根据权利要求1所述的等离子体助燃式多孔介质燃烧系统，其特征在于，所述内筒为圆柱体或方形体。
8.根据权利要求1所述的等离子体助燃式多孔介质燃烧系统，其特征在于，所述内筒为耐高温金属型内筒或陶瓷型内筒。
9.根据权利要求1所述的等离子体助燃式多孔介质燃烧系统，其特征在于，所述内筒的外层包覆有保温层。
10.根据权利要求9所述的等离子体助燃式多孔介质燃烧系统，其特征在于，所述保温层的厚度为3～15cm。
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