CN107525071B - 一种加水等离子体燃烧系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于等离子体燃烧系统领域，并具体公开了一种加水等离子体燃烧系统，其包括等离子体发生子系统、给水子系统和燃烧室，等离子体发生子系统包括电压发生设备和喷嘴，电压发生设备包括安装模板、阴极、阳极和电源，安装模板上设有主进气通道，阴极和阳极安装在主进气通道内，阴极与电源相连；喷嘴为N级喷嘴，其第一级与主进气通道相连，最后一级与燃烧室相连，每级喷嘴均连接有一级二次进气通道；给水子系统包括依次相连的储水箱、注水泵以及给水通道，给水通道为N+1级给水通道，其第一级与主进气通道相连，剩下的N级与N级喷嘴对应相连。本发明可实现难燃燃料快速着火和助燃的目的，具有结构简单，操作方便等优点。

Description

一种加水等离子体燃烧系统

技术领域

本发明属于等离子体燃烧系统领域，更具体地，涉及一种加水等离子体燃烧系统。

背景技术

等离子体辅助燃烧是解决现有能源危机以及环境问题最有效的方式之一，因为一方面等离子体能够使得燃料在恶劣的条件下稳定燃烧，尤其适用于航空航天等超声速燃烧领域，对超燃发动机的发展具有重要的意义，另一方面等离子体助燃能够改变燃料特性，可以使难燃燃料(贫煤、固体废弃物和无烟煤)稳定燃烧，因此对于热力发电等发电行业也具有重要的意义。

高温等离子体能够促进燃烧，自由基的化学促进作用大于高温的热力学促进作用，因此如何产生高质量的自由基成为等离子技术的关键。一般采用氧气或者碳氢化合物作为等离子工作介质，前者含有大量的氧自由基能够极大地促进燃烧但是过高的氧浓度会加速阴极的腐蚀，后者容易产生碳烟影响环境。现有技术中关于等离子体辅助燃烧装置给出了如下一些方案：专利CN105605922A公开了一种超快速物料升温系统，其采用等离子体为高温热源，对物料进行快速燃烧，用高速摄像机评判其燃烧特性，然而该装置只能进行固体物料的燃烧，不能针对气体和液体燃料，且该装置只能以水蒸气为工作介质不能以液体水为工作介质，而产生水蒸气需要额外的耗能，系统能耗高；专利CN105674257A公开了一种两级可调的水蒸汽等离子体旋流燃烧器，其主要以两级等离子发生器作为工具，均可使用等离子体激发水蒸气产生等离子体稳定燃烧和减少氮氧化物等，然而该燃烧器只能以水蒸气作为工作介质，且该专利并没有具体地对等离子自身结构进行描述，此外该两级可调的水蒸汽等离子体旋流燃烧器应用范围较窄，主要用于火力发电厂。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种加水等离子体燃烧系统，其直接向等离子体发生器中加入液体水以作为工作介质替代部分氧气，从而直接电离产生H、OH和O自由基，实现燃料的可靠燃烧，适用于能源、化工、钢铁、冶金等燃烧行业，可直接应用于内燃机以及电站燃烧器，也适用于等离子体助燃科学研究，如快速加热固体燃料气化燃烧等领域。

为实现上述目的，本发明提出了一种加水等离子体燃烧系统，其包括等离子体发生子系统、给水子系统和燃烧室，其中：

所述等离子体发生子系统包括电压发生设备和喷嘴，所述电压发生设备包括安装模板、阴极、阳极和电源，所述安装模板上开设有用于通入气体工作介质的主进气通道，所述阴极和阳极安装在该主进气通道内，并且该阴极与所述电源相连；所述喷嘴为N≥2的N级喷嘴，该N级喷嘴的各级之间通过喷嘴压帽相连，并且其第一级与所述主进气通道相连，最后一级与所述燃烧室相连，此外每级喷嘴均对应连接有一级二次进气通道；

所述给水子系统包括依次相连的储水箱、注水泵以及给水通道，所述给水通道为N+1级给水通道，该N+1级给水通道的第一级与所述主进气通道相连，剩下的N级与所述N级喷嘴对应相连，以分别向主进气通道以及各级喷嘴中提供液态水。

作为进一步优选的，与各级喷嘴相连的各级二次进气通道相互独立控制。

作为进一步优选的，所述注水泵与各级给水通道分别通过管道相连，该管道上设置有加热装置。

作为进一步优选的，所述安装模板上设置有水冷通道。

作为进一步优选的，每级喷嘴的外部均套装有模板，该模板上设有水冷通道。

作为进一步优选的，所述等离子体发生子系统还包括泵机，所述泵机与所述主进气通道和给水通道的第一级相连。

作为进一步优选的，所述燃烧室用于实现燃料的热解、气化或燃烧，其燃料为气体、液体和/或固体。

通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明首次提出直接向等离子体发生器中加入液体水以作为工作介质替代部分氧气，一方面可以保护电极腐蚀从而增加等离子电极寿命，另一方面水可以产生大量的OH、H和O(氧)自由基从而达到难燃燃料快速着火和助燃的目的，由于采用液体水作为工作介质，所以介质容易获得，与氧气或碳氢化合物相比成本低廉，由于水在等离子体状态下以H、O和OH等状态存在，因此本发明能够使水替代氧气实现真正的无氧燃烧。

2.本发明等离子体发生器采用了多级喷嘴结构和多级二次通风设计，一方面通过多级喷嘴可有效增加等离子射流的长度，增强等离子体发生器的性能，有利于等离子体的应用，另一方面通过设置多级二次进气通道，可利用二次风的压强有效的挤压高温弧区从而使得高温电弧区远离电极，以延长电极的寿命。

3.本发明中布置了N+1级给水通道，水添加位置灵活可变，可实现多通道给水，并且给水温度可实时调节，也即可实现从液体水到水蒸气的切换，并且由于等离子体的引射效果，水可自动吸入等离子体发生系统内。

4.本发明中由于等离子体发生器中用水替代了部分氧气，所以可进一步减少电极的损失，极大的提高了电极的寿命，本发明可直接研究等离子体对燃烧的化学作用机理，对等离子体辅助燃烧反应和污染物生成机理具有重要的指导作用，能够为提出新型燃烧技术提供理论基础。

总体而言，本发明的升温系统应用范围广，不仅适用于能源、化工、钢铁、农业、航空航天、环保和冶金类领域的加热燃烧，也适用于等离子助燃科学研究，能够满足固体、液体和气体等燃料的燃烧。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种加水等离子体燃烧系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例提供的一种加水等离子体燃烧系统，其包括等离子体发生子系统、给水子系统和燃烧室19，其中，等离子体发生子系统作为本发明的主体部分，其主要功能为将工作介质转化为等离子体，进入燃烧室的燃烧腔，为燃烧室提供热量和自由基；所述给水子系统用于为等离子体发生子系统提供液体水；所述燃烧室主要为物料燃烧等热化学转换提供足够的条件，为燃料提供燃烧区域，燃烧室与等离子体发生子系统密封连接，燃烧室能够燃烧固体、液体和气体燃料，燃料可以轴向添加也可以径向添加，通过上述各个子系统的相互配合，可实现难燃燃料快速着火和助燃的目的，具有结构简单，操作方便等优点。

下面对各个子系统进行详细的说明。

如图1所示，等离子体发生子系统(即等离子发生器)包括电压发生设备和喷嘴，所述电压发生设备包括安装模板、阴极9、阳极10和电源1，所述安装模板上开设有主进气通道2，所述阴极和阳极安装在该主进气通道内，所述阴极9与电源1相连，阳极10具体为等离子金属外壳，接通电源后阴极9和阳极10之间产生高电压；所述喷嘴为N≥2的N级喷嘴(即由N个喷嘴依次相连以形成N级喷嘴)，该喷嘴的各级之间通过喷嘴压帽相连，并且该喷嘴的第一级与主进气通道连通具体通过喷嘴压帽密封相连，最后一级与所述燃烧室相连具体为密封相连，此外每级喷嘴均对应连接有一二次进气通道，即二次进气通道也为N级，每级二次进气通道与每级喷嘴对应连接，即一级喷嘴连接一级二次进气通道，其中主进气通道用于通入气体工作介质，各级二次进气通道用于补充气体工作介质，该工作介质与主进气通道中的气体工作介质独立控制，可以与主进气通道中的气体工作介质相同或不同。

如图1所示，给水子系统包括依次相连的储水箱16、注水泵17以及给水通道，所述给水通道的数量为N+1个，该N+1个给水通道分别与所述喷嘴的各级以及所述主进气通道对应相连，以为各级喷嘴以及主进气通道中提供液态水，水被阴极9和阳极10之间产生的高温电弧辐射加热气化成水蒸气，然后水蒸气被电离成等离子体，即给水通道一共分为N+1级，水添加位置灵活可变，其中第一级给水通道直接与主进气通道相连，另外的N级给水通道分别对应的与N级喷嘴相连，即一级给水通道连接一级喷嘴，所述第一级给水通道用于通入液体水以作为工作介质，另外的N级给水通道用于通入液体水以作为补充工作介质，各级给水通道中的水相对独立控制。

下面以二级喷嘴为例，对等离子体发生原理进行说明。首先通电阴级9和阳极10之间产生高电压，主进气通道2内的气体介质在高电压的作用下电离从而形成稳定的等离子射流(即高温电弧)；待等离子射流稳定工作后，由一级给水通道3、二级给水通道5和三级给水通道7为等离子体发生子系统实现不同位置的给水，水进入之后被激发为等离子态，以H、O和OH状态存在；而一级二次进气通道4和二级二次进气通道6分别布置在一级喷嘴12和二级喷嘴14前且分别与一级喷嘴压帽11和二级喷嘴压帽13相通，为等离子体发生子系统补充气体工作介质以及控制等离子体高温区的位置。其中，等离子体发生器的等离子体产生方式不限，可以为直流电弧等离子体、交流电弧等离子体和微波等离子体等，尤其适用于高温电弧等离子体，等离子体温度无级可调。

为了实现工作介质压力的调节，等离子体发生子系统中设置有泵机8，该泵机8与主进气通道2和第一级给水通道(与主进气通道相连的那级给水通道)相连，泵机可以实时控制给入工作介质的压力。

具体的，每级二次进气通道布置在每级喷嘴之前(具体与各级喷嘴压帽相连)，N级二次进气通道可相互独立控制，通过二次进气通道进行二次进气可有效吹扫高温弧区以控制高温弧区的位置，从而增加高温弧区与电极的距离，降低阴极和阳极的热负荷，增加电极的寿命。

进一步的，给水子系统能够由注水泵精确地控制水的流量，实现水的连续定量注射，且注水泵与各级给水通道分别通过管道18相连，该管道18上设置有加热装置例如伴热带，以实现对给水温度的控制，可以实现从液体水到水蒸气的切换。

更为具体的，每级喷嘴的外部均套装有模板，该模板上设有水冷通道15，所述电压发生设备的安装模板上也设置有水冷通道，水冷通道用于对阴阳极和各级喷嘴实现冷却。

下面以燃烧甲烷/空气预混气体为例，对本发明的加水等离子体燃烧系统的工作原理进行详细说明。

首先，主进气通道2以1L/S的流量通入气体介质N₂，分别以0.5L/S的流量分别向二次进气通道4和6通入N₂；打开等离子电源1(本实施例电源的功率设定为6KW)，阴极9和阳极10产生高电压将气体介质电离击穿产生稳定的高温电弧区域，当电弧稳定之后向给水通道3、5和7分别通入水，其通水流量为1g/s，给水温度为常温(即为液态水)，水先被高温电弧辐射形成水蒸气，水蒸气被高电压电离从而产生水等离子体，待稳定之后关闭主进气通道2的N₂，使工作介质仅为水；

然后，向燃料室19加入甲烷/空气预混气体，流量为1L/s，该实施例中燃烧室开有观察窗口，外设有用高速摄像机记录甲烷的着火过程，其拍摄速度设置为1000fps/s，由PLIF记录火焰的CH×和碳烟生成，对应的激光波长为550nm和700nm，燃烧室19内加入热电偶实时记录火焰的温度，烟气出口设置烟气分析仪测量烟气内氮氧化物、硫化物、一氧化碳等污染物，实时数据由计算机系统记录。

通过本发明的加水等离子体燃烧系统，可以有效解决目前等离子体发生器电极寿命短、等离子体长度不足等缺点，一方面，水在等离子条件下可以产生大量的自由基从而极大的促进燃烧，另一方面，水具有清洁和成本低等特点，本发明可以用水替代掉部分氧气，相比于传统等离子发生器具有节能减排等优点，不仅适用于能源、化工、钢铁冶金、环保、农业和航空航天类领域的辅助燃烧，也适用于等离子燃烧科学研究，能够满足生物质、煤粉和固体废弃物等固体燃料、天然气等气体燃烧和汽油等液体燃料的燃烧。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种加水等离子体燃烧系统，其特征在于，包括等离子体发生器、给水子系统和燃烧室，其中：

所述等离子体发生器包括电压发生设备和N≥2的N级喷嘴，所述电压发生设备包括安装模板、阴极、阳极和电源，所述安装模板上开设有主进气通道，所述阴极和阳极安装在该主进气通道内，并且该阴极与所述电源相连；所述N级喷嘴的各级之间通过喷嘴压帽相连，并且其第一级与所述主进气通道相连，最后一级与所述燃烧室相连，此外每级喷嘴均对应连接有一级二次进气通道，其中，主进气通道用于通入气体工作介质，各级二次进气通道用于补充气体工作介质，主进气通道与各级二次进气通道中的气体工作介质独立控制；该等离子体发生器采用了多级喷嘴结构和多级二次通风设计，一方面通过多级喷嘴有效增加等离子射流的长度，增强等离子体发生器的性能，另一方面通过设置多级二次进气通道，利用二次风的压强有效的挤压高温弧区从而使得高温电弧区远离电极，以延长电极的寿命；

所述给水子系统包括依次相连的储水箱、注水泵以及给水通道，所述给水通道为N+1级给水通道，该N+1级给水通道的第一级与所述主进气通道相连，剩下的N级与所述N级喷嘴对应相连，第一级给水通道用于向主进气通道通入液态水以作为工作介质，另外的N级给水通道分别用于向各级喷嘴中通入液态水以作为补充工作介质，各级给水通道中的液态水相对独立控制；通过主进气通道和各级喷嘴送入等离子体发生器中的液态水被阴极和阳极之间产生的高温电弧辐射加热气化成水蒸气，然后水蒸气被电离成等离子体，通过直接向等离子体发生器加入液态水以作为工作介质，一方面防止电极腐蚀从而增加等离子电极寿命，另一方面产生大量的OH、H和O自由基从而达到难燃燃料快速着火和助燃的目的。

2.如权利要求1所述的加水等离子体燃烧系统，其特征在于，与各级喷嘴相连的各级二次进气通道相互独立控制。

3.如权利要求1所述的加水等离子体燃烧系统，其特征在于，所述注水泵与各级给水通道分别通过管道相连，该管道上设置有加热装置。

4.如权利要求1-3任一项所述的加水等离子体燃烧系统，其特征在于，所述安装模板上设置有水冷通道。

5.如权利要求1-3任一项所述的加水等离子体燃烧系统，其特征在于，每级喷嘴的外部均套装有模板，该模板上设有水冷通道。

6.如权利要求1-3任一项所述的加水等离子体燃烧系统，其特征在于，所述等离子体发生器还包括泵机，所述泵机与所述主进气通道和给水通道的第一级相连。

7.如权利要求1-3任一项所述的加水等离子体燃烧系统，其特征在于，所述燃烧室用于实现燃料的热解、气化或燃烧，其燃料为气体、液体和/或固体。