CN107702097A - 一种用于双介质气源等离子体燃烧器的阳极 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于双介质气源等离子体燃烧器的阳极，包括燃烧器壳体和阳极，可以代替传统离子杆电火花点火和传统的燃气长明灯，使得点火方式更加简便；有效解决传统燃气长明灯长期燃烧导致积碳的问题；可以在火焰温度较高的情况下用部分化学能替代电能的消耗，降低电能消耗30%~40%,采用阳极拉弧可有效解决传统阴极拉弧不稳定的问题,可以起到对气体的整流作用，对双介质等离子燃烧器燃料燃烧的部分起到稳燃作用。

Description

一种用于双介质气源等离子体燃烧器的阳极

技术领域

本发明属于等离子燃烧技术领域，具体涉及一种等离子燃烧器的直流拉弧技术，特别涉及一种用于双介质气源等离子体燃烧器的阳极。

背景技术

直流电弧等离子体发生器产生的电弧等离子体是研究与应用最广泛的一种等离子体，它具有高温、高烩、高能量密度以及气氛可控等特点，目前主要用于等离子体冶金、等离子体喷涂、等离子体焊接、等离子体刻蚀、火力电站等离子体煤粉锅炉点火和废物垃圾处理等领域。工业应用不仅仅要求电弧等离子体发生器具有高稳定性、高效率和长寿命的特点，而且各个行业对等离子体射流电热特性的要求也不相同。而等离子体射流的特性与等离子体发生器阳极的结构密切相关。同一个等离子体发生器利用不同的阳极结构时可以得到不同流速、不同温度场的等离子体射流。圆柱形通道的喷嘴易于产生温度较高的亚音速射流，而类似于拉瓦尔结构的收缩扩张形喷嘴可获得音速甚至超音速的射流，这在某些行业如喷涂、金属切割行业中应用，不同结构的阳极应用于不同的场合。

因此，如何设计一种能够实现稳定性高、适用性广的直流电弧等离子体燃烧器的阳极成为本领域亟需解决的问题。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种用于双介质气源等离子体燃烧器的阳极，可以代替传统离子杆电火花点火和传统的燃气长明灯，使得点火方式更加简便；有效解决传统燃气长明灯长期燃烧导致积碳的问题；可以在火焰温度较高的情况下用部分化学能替代电能的消耗，降低电能消耗30%~40%,采用阳极拉弧可有效解决传统阴极拉弧不稳定的问题,可以起到对气体的整流作用，对双介质等离子燃烧器燃料燃烧的部分起到稳燃作用。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案为：

一种用于双介质气源等离子体燃烧器的阳极，所述双介质气源等离子体燃烧器包括：阴极通道管、空气通道、燃气通道，两个所述阴极通道管分别设置在空气通道、燃气通道内部，所述阴极通道管末端设置有阴极，其特征在于，所述阳极包括贯穿设置于其内部的整体缩口、空气喷口、燃气喷口和预混喷口，其中：

所述整体缩口位于所述阳极的一端，沿水平方向平行设置的空气喷口、燃气喷口和预混喷口设置于所述阳极的另一端，所述空气喷口、燃气喷口和预混喷口与所述整体缩口相连通；

所述空气喷口、燃气喷口分别与所述空气通道、燃气通道对应设置，通电后所述阴极与阳极间形成电弧，将通入的介质气体电离成导电气体。

进一步的，所述整体缩口包括安装部和缩口部，所述安装部与燃烧器壳体固定连接，所述整体缩口的小缩口为安装部内径尺寸的70%~90%，缩口长度为安装部长度的40%~60%。

进一步的，所述安装部通过绝缘套管与燃烧器壳体末端连接；阳极外壁设置有绝缘层。

进一步的，所述空气喷口和所述燃气喷口设置有通道口和缩放口，所述通道口和所述缩放口的长度比为1:6~1:9，直径比为1:1~1:3。

进一步的，所述预混喷口为缩口型喷孔，所述预混喷口的最大直径为所述通道口直径的1/3~2/3，最小直径为最大直径的1/2~4/5，所述预混喷口的长度与空气、燃气喷口相同。

进一步的，所述阴极通道管为中空管，用于使阴极导线穿过所述通道管与所述阴极焊接；所述阴极通过绝缘套管与所述阴极通道管连接。

进一步的，所述阳极材料为紫铜。

进一步的，阳极导线通过烧嘴套管与阳极焊接，所述阳极导线材料为紫铜。

进一步的，其特征在于，所述阳极与所述阴极之间的间隙为3~5mm。

进一步的，所述空气通道内的空气介质气体为空气或压缩空气，所述燃气通道内的燃气介质气体为天然气或其它烷烃类气体。

本发明的有益效果在于：

（1）可以代替传统离子杆电火花点火和传统的燃气长明灯，使得点火方式更加简便，有效解决传统燃气长明灯长期燃烧导致积碳的问题；

（2）可以在火焰温度较高的情况下用部分化学能替代电能的消耗，降低电能消耗30%~40%；

（3）采用阳极拉弧可有效解决传统阴极拉弧不稳定的问题,可以起到对气体的整流作用，对双介质等离子燃烧器燃料燃烧的部分起到稳燃作用。

附图说明

图1为本发明双介质气源直流电弧等离子体燃烧器阳极结构图。

图2为本发明双介质气源直流电弧等离子体燃烧器整体结构图。

图3为本发明双介质气源直流电弧等离子体燃烧器阳极结构剖视图。

其中，1、阳极拉弧区 2、空气喷口 3、预混喷口 4、燃气喷口 5、阴极通道管6、空气进口 7、空气通道 8、冷却水进口 9、烧嘴套管 10、阴极 11、阳极 12、燃气进口 13、燃气通道 14、冷却水出口。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

根据本发明的一个方面，本发明提供了一种用于双介质气源等离子体燃烧器的阳极，如图1和图3所示，所述阳极11包括贯穿设置于部件内部的整体缩口、空气喷口2、燃气喷口3和预混喷口2，其中，所述整体缩口位于所述阳极的一端，沿水平方向平行设置的空气喷口、燃气喷口和预混喷口设置于所述阳极的另一端，所述空气喷口2、燃气喷口4和预混喷口3与所述整体缩口相连通；所述空气喷口2、燃气喷口4分别与所述空气通道7、燃气通道13分别对应设置，通电后所述阴极与阳极间形成电弧，将通入的介质气体电离成导电气体。

如图2所示,总体而言，所述双介质气源等离子体燃烧器主要包括：燃烧器壳体和阳极，所述燃烧器壳体包括设置在内部的阴极通道管5、空气通道7、燃气通道13，所述阴极通道管5分别设置在空气通道7、燃气通道内部13，所述阴极通道管5末端设置有阴极10。介质气体分别通过空气进口和天然气进口进入到阴极套管与空气管和煤气管形成的通道内，然后接通电源，此时在空气管路中的阴极与阳极相交的狭窄通道处和天然气管路中的阴极与阳极相交的狭窄通道处，形成电弧，介质气体通过电弧就会被电离成为导电气体，进而把电能转化为工作气体的热能，工作气体温度极度升高，最高温度达到3000℃以上，且能够形成稳定的亮白色火焰；等离子体火焰稳定之后，通过调节空气和燃气的配比以及拉弧电压的强弱，调整使燃气和空气部分电离，而另一部分燃气与空气通过阳极中心孔预混后喷出，由于等离子体火焰温度极高，煤气与空气充分混合后瞬间被点燃，且能形成稳定的火焰，燃料燃烧温度与等离子体相混合使火焰温度控制在2500~3000℃左右。

由此，本发明的一种双介质气源直流拉弧等离子体燃烧器，可以代替传统离子杆电火花点火和传统的燃气长明灯，使得点火方式更加简便；有效解决传统燃气长明灯长期燃烧导致积碳的问题；可以在火焰温度较高的情况下用部分化学能替代电能的消耗，降低电能消耗30%~40%,采用阳极拉弧可有效解决传统阴极拉弧不稳定的问题,可以起到对气体的整流作用，对双介质等离子燃烧器燃料燃烧的部分起到稳燃作用。

根据本发明的具体实施方式，所述阳极在气体来流方向设置有整体缩口，所述整体缩口包括安装部和缩口部，所述安装部用于和所述燃烧器壳体固定连接，在本发明的具体实施例中，安装部和燃烧器壳体通过安装套管连接，优选的，所述整体缩口的小缩口为安装部内径尺寸的70%~90%，优选为80%，缩口长度为安装部长度的40%~60%，优选为50%。

根据本发明的具体实施方式，所述安装部通过绝缘套管与燃烧器壳体末端连接，阳极外壁设置有绝缘层。

根据本发明的具体实施方式，空气喷口2和燃气喷口3的规格一致，除此之外并无其他特别的要求，经多次调试分析得出，优选的，所述空气喷口和所述燃气喷口设置有通道口和缩放口，所述通道口和所述缩放口的长度比为1:6~1:9，优选为1:8，直径比为1:1~1:3，优选为1；2。

根据本发明的具体实施方式，所述预混喷口为缩口型喷孔，除此之外并无其他特别的要求，经多次调试分析得出，优选的，所述预混喷口的最大直径为所述通道口直径的1/3~2/3，优选为1/2，最小直径为最大直径的1/2~4/5，优选为4/5,所述预混喷口的长度与空气、燃气喷口一致。

根据本发明的具体实施方式，所述阴极通道管为中空管，用于使阴极导线穿过所述通道管与所述阴极焊接，所述阴极通过绝缘套管与所述阴极通道管连接。

根据本发明的具体实施方式，阳极导线与阳极的连接方式、阳极导线的材质并无特别要求，在本发明的具体实施例中，优选的，阳极导线通过烧嘴套管与阳极焊接，所述阳极导线材料为紫铜。

根据本发明的具体实施方式，在燃烧器出口处，阴阳极之间的间隙不能太大，间隙太大会导致电阻太大，致使工作气体不容易被电离，从而难以形成火焰，优选的，所述阳极与所述阴极之间的间隙为3~5mm。

根据本发明的具体实施方式，所述空气通道内的空气介质气体为空气或压缩空气，所述燃气通道内的燃气介质气体为天然气或其它烷烃类气体。

实施例一

如图2所示将两个阴极分别安装在各自阴极通道管的一端，阴极通道管是中空管，其作用是把阴极导线穿过通道管，然后焊接到阴极，阴极与阴极通道管通过一个绝缘套管连接在一起；所述的阳极安装在燃烧器末端，且他们之间也是通过绝缘套管连接的，燃气阳极的外壁面安装有绝缘层，用于隔绝与煤气通道的联系，防止煤气发生爆燃。

阳极采用外径为40mm，空气喷口与燃气喷口采用一致的结构，其缩放口尺寸分别为，长度3mm，24mm；直径为5mm，10mm，预混喷口尺寸为长度27mm，最大直径为2.5mm，缩口直径为2mm，来流方向安装内径尺寸为30mm，长度为40mm，来流方向第一个缩口尺寸直径为24mm，长度为32mm。

阴极导线通过阴极通道与两个阴极焊接在一起；阳极导线通过烧嘴套管与阳极焊接到一起；介质气体分别通过空气进口和天然气进口进入到阴极套管与空气管和煤气管形成的通道内，然后接通电源，此时在空气管路中的阴极与阳极相交的狭窄通道处和天然气管路中的阴极与阳极相交的狭窄通道处，形成电弧，介质气体通过电弧就会被电离成为导电气体，进而把电能转化为工作气体的热能，工作气体温度极度升高，最高温度达到3000℃以上，且能够形成稳定的亮白色火焰；等离子体火焰稳定之后，通过调节空气和燃气的配比以及拉弧电压的强弱，调整使燃气和空气部分电离，而另一部分燃气与空气通过阳极中心孔预混后喷出，由于等离子体火焰温度极高，煤气与空气充分混合后瞬间被点燃，且能形成稳定的火焰，燃料燃烧温度与等离子体相混合使火焰温度控制在2500~3000℃左右。

具体实验中，使用电压为70V,使用电流在实验气体为氩气的情况下为150A。

实验结果显示该结构可以完成双介质燃料的等离子燃烧和燃料化学燃烧相结合的燃烧方式，实验过程中起弧方便稳定，燃烧后的等离子提供的功率为15kw，燃料化学燃烧提供的功率为10kw，燃烧后的温度约为2700℃，使用寿命约为40h，能够满足双介质燃料等离子燃烧器的所需工艺要求。

调整空气喷口与燃气喷口尺寸，增大结构比例实验过程出现阳极缩口端烧损快的情况，使用时间为5h；减小结构比例化学燃料提供的功率为3kw，等离子提供16kw，不能满足双介质燃料供热的要求。

通过实验可以证明最佳结构设置为空气喷口和燃气喷口呈缩放口布置，其长度方向比值为1:8，缩放径比为1:2，所述预混喷口为缩口型喷口，最大直径为所述空气喷口或燃气喷口的1/2，缩口出口最小径为最大径的4/5，长度与缩放口总长相等，来流方向第一个缩口处为一个整体缩口，所述整体缩口为来流方向安装内径尺寸的80%，缩口长度为来流方向安装长度尺寸的50%。

综上所述本发明的一种用于双介质气源等离子体燃烧器的阳极，可以代替传统离子杆电火花点火和传统的燃气长明灯，使得点火方式更加简便；有效解决传统燃气长明灯长期燃烧导致积碳的问题；可以在火焰温度较高的情况下用部分化学能替代电能的消耗，降低电能消耗30%~40%,采用阳极拉弧可有效解决传统阴极拉弧不稳定的问题,可以起到对气体的整流作用，对双介质等离子燃烧器燃料燃烧的部分起到稳燃作用。

以上对本发明所提供的一种用于双介质气源等离子体燃烧器的阳极进行了详细介绍，本文中应用了实施例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种用于双介质气源等离子体燃烧器的阳极，所述双介质气源等离子体燃烧器包括：阴极通道管、空气通道、燃气通道，两个所述阴极通道管分别设置在空气通道、燃气通道内部，所述阴极通道管末端设置有阴极，其特征在于，所述阳极包括贯穿设置于其内部的整体缩口、空气喷口、燃气喷口和预混喷口，其中：

所述整体缩口位于所述阳极的一端，沿水平方向平行设置的空气喷口、燃气喷口和预混喷口设置于所述阳极的另一端，所述空气喷口、燃气喷口和预混喷口与所述整体缩口相连通；

所述空气喷口、燃气喷口分别与所述空气通道、燃气通道对应设置，通电后所述阴极与阳极间形成电弧，将通入的介质气体电离成导电气体。

2.根据权利要求1所述的用于双介质气源等离子体燃烧器的阳极，其特征在于，所述整体缩口包括安装部和缩口部，所述安装部与燃烧器壳体固定连接，所述整体缩口的小缩口为安装部内径尺寸的70%~90%，缩口长度为安装部长度的40%~60%。

3.根据权利要求2所述的用于双介质气源等离子体燃烧器的阳极，其特征在于，所述安装部通过绝缘套管与燃烧器壳体末端连接；阳极外壁设置有绝缘层。

4.根据权利要求1所述的用于双介质气源等离子体燃烧器的阳极，其特征在于，所述空气喷口和所述燃气喷口设置有通道口和缩放口，所述通道口和所述缩放口的长度比为1:6~1:9，直径比为1:1~1:3。

5.根据权利要求4所述的用于双介质气源等离子体燃烧器的阳极，其特征在于，所述预混喷口为缩口型喷孔，所述预混喷口的最大直径为所述通道口直径的1/3~2/3，最小直径为最大直径的1/2~4/5，所述预混喷口的长度与空气、燃气喷口相同。

6.根据权利要求1所述的用于双介质气源等离子体燃烧器的阳极，其特征在于，所述阴极通道管为中空管，用于使阴极导线穿过所述通道管与所述阴极焊接；所述阴极通过绝缘套管与所述阴极通道管连接。

7.根据权利要求1所述的用于双介质气源等离子体燃烧器的阳极，其特征在于，所述阳极材料为紫铜。

8.根据权利要求1所述的用于双介质气源等离子体燃烧器的阳极，其特征在于，阳极导线通过烧嘴套管与阳极焊接，所述阳极导线材料为紫铜。

9.根据权利要求1所述的用于双介质气源等离子体燃烧器的阳极，其特征在于，所述阳极与所述阴极之间的间隙为3~5mm。

10.根据权利要求1所述的用于双介质气源等离子体燃烧器的阳极，其特征在于，所述空气通道内的空气介质气体为空气或压缩空气，所述燃气通道内的燃气介质气体为天然气或其它烷烃类气体。