CN107702140A - 用于锅炉点火的等离子射流喷嘴以及锅炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于锅炉点火的等离子射流喷嘴以及锅炉，用于锅炉点火的等离子射流喷嘴包括：多个喷孔，所述多个喷孔间隔开设置。由此，通过设置多个喷孔，能够使得到的“火核”温度更高，范围更大，也能够更大程度上减少促使煤粉燃烧所需要的引燃能量。

Description

用于锅炉点火的等离子射流喷嘴以及锅炉

技术领域

本发明涉及锅炉技术领域，特别涉及一种用于锅炉点火的等离子射流喷嘴以及具有该用于锅炉点火的等离子射流喷嘴的锅炉。

背景技术

相关技术中，等离子体是由大量的带电正、负粒子及中性粒子组成的准中性系统，它是在高温或者其他特定激励条件下产生的一种除固态、液态及气态以外的第四种物质状态。作为物质存在的第四态，等离子体的温度高，粒子动能较大，且其化学性质极为活泼，可以在较低温度下发生化学反应，这些独特的物理及化学性质使其在诸多领域具有性能和技术上的优势。等离子体射流点火技术就是利用高温、高速的等离子体射流及其化学效应发展起来的。由于等离子体点火技术具有点火能量大、点火延迟低、稳定性高及对环境适应性好等特点，其在发电、航空航天、军事等诸多领域都具有非常良好的应用前景。其中，锅炉点火就是等离子体射流点火技术的一个重要应用。

采用等离子点火燃烧技术，可以在无油(或少油)条件下实现锅炉点火和低负荷无油稳燃，从而大大节约燃油耗量，降低基础建设和发电成本；同时，使用等离子点火，电除尘器可以在点火初期正常投入运行，从而大大减少粉尘的排放量，减少对环境的污染，具有显著的经济效益和环境效益。

由等离子体发生器所产生的等离子体射流作为等离子体点火技术的工作介质，是在锅炉点火过程中实现电-热转换的中间介质，在此过程中等离子体射流作为点火源与燃料进行反应释放能量。由此可见，等离子体射流在锅炉点火过程中占据重要地位，其自身的扩展特性将直接影响锅炉点火过程的实现。

现有锅炉点火一般为单股等离子射流点火，单股等离子射流点火的燃油消耗量大，粉尘的排放量大，对空气环境的危害较大，同时，单股等离子射流点火所得到的“火核”范围会有局限性。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提出一种用于锅炉点火的等离子射流喷嘴，该用于锅炉点火的等离子射流喷嘴能够使得到的“火核”温度更高，范围更大。

本发明进一步地提出了一种锅炉。

根据本发明的用于锅炉点火的等离子射流喷嘴包括：多个喷孔，所述多个喷孔间隔开设置。

根据本发明的用于锅炉点火的等离子射流喷嘴，通过设置多个喷孔，能够使得到的“火核”温度更高，范围更大，也能够更大程度上减少促使煤粉燃烧所需要的引燃能量。

可选地，所述的用于锅炉点火的等离子射流喷嘴还包括：流道，所述多个喷孔共用一个流道。

进一步地，所述喷孔为两个且内径相同。

具体地，两个所述喷孔之间的间距为l，其中，18mm≤l≤22mm。

可选地，所述喷孔的内径为D，其中3mm≤D≤5mm。

进一步地，所述喷孔的高度为h，其中，10mm≤h≤12mm。

具体地，所述喷嘴呈长条状，多个所述喷孔在所述喷嘴的长度方向上间隔开设置。

根据本发明的锅炉，包括上述的用于锅炉点火的等离子射流喷嘴。

附图说明

图1是根据本发明实施例的等离子射流喷嘴的剖视图；

图2是根据本发明实施例的等离子射流喷嘴的俯视图；

图3是双股等离子射流扩展两相界面演化序列图；

图4是双股等离子射流压力分布云图；

图5是双股等离子射流速度分布云图；

图6是双股等离子射流温度分布云图；

图7是不同喷射压力下，双股等离子射流扩展两相界面演化序列图；

图8是不同喷射压力下双股等离子射流压力分布云图；

图9是不同喷射压力下双股等离子射流速度分布云图；

图10是不同喷射压力下双股等离子射流温度分布云图。

附图标记：

等离子射流喷嘴10；

喷孔1；流道2。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考图1-图10详细描述一下根据本发明实施例的用于锅炉点火的等离子射流喷嘴10。

如图1和图2所示，根据本发明实施例的等离子射流喷嘴10包括：多个喷孔1，多个喷孔1间隔开设置，等离子射流能够通过喷孔1喷出，实现为锅炉点火的目的。其中，当多股等离子射流一起从多个喷孔1喷出时，喷出的等离子射流携带的能量和发展的范围更大，流场中高温区的面积更大，而且，随着喷射压力的增大，多股射流汇聚提前，并且，持续时间延长，多股射流整体的速度和温度均随之增大。

由此，通过设置多个喷孔1，采用多股等离子点火所得到的“火核”温度更高，范围更大，而且，煤粉颗粒通过该多股等离子“火核”时受到的高温作用及受热面积也更大，从而可以使得煤粉颗粒释放挥发分的速度加快，颗粒破裂粉碎的程度增大，也可以使煤粉颗粒燃烧速度加快，还可以有助于加速煤粉的燃烧，进而可以更大程度上减少促使煤粉燃烧所需要的引燃能量。

可选地，如图1所示，等离子射流喷嘴10还可以包括：喷孔2，多个喷孔1共用一个喷孔2，大量的等离子体设置在喷孔2内，当锅炉点火时，设置在喷孔2内的等离子体从多个喷孔1喷出形成等离子射流，这样设置能够保证有足够等离子体从多个喷孔1喷出，从而可以达到对锅炉的点火需求。

进一步地，喷孔1设置为两个，而且，喷孔1的内径设置相同，这样设置能够使每个喷孔1喷出的等离子体的数量相同，从而可以实现多个喷孔1工作效果的一致性，同时，也可以提高喷孔1结构的统一性。

其中，本发明的等离子射流喷嘴10还建立双股射流扩展的三维非稳态计算模型。并用软件对不同喷射压力及喷孔1间距条件下，双股等离子射流的扩展过程进行数值模拟，分析其压力、速度和温度等的时空分布特性，以及等离子射流扩展界面的演化特性，同时讨论喷射压力及喷孔1间距变化对双股等离子射流扩展特性的影响，得出最有利于锅炉等离子点火的参数配置。

其中，根据等离子体射流在大气环境中的扩展特点，针对双股等离子射流扩展的物理过程，做出如下简化假设：

(1)双股等离子射流在大气中的扩展过程是一个三维非稳态的膨胀过程。

(2)射流场中的湍流掺混效应采用RNG k-ε湍流模型进行模拟。

(3)不考虑射流扩展过程中等离子体及空气成分之间的化学反应问题。

(4)忽略质量力、体积力、电磁作用力等次要因素。

(5)根据等离子体的性质将其状态方程近似采用理想气体方程处理。

(6)不考虑射流扩展过程中的辐射作用。

其中，根据上述物理模型，可建立如下数学模型：

(1)连续性方程

(2)动量守恒方程

式中：

(3)能量守恒方程

式中：

(4)状态方程

p＝ρRT

(5)湍流模型

式中：

其中，根据上述物理模型建立初边界条件：

此数学模型主要用于研究双股等离子射流自喷嘴喷入空气中的扩展过程，喷嘴出口处各参数的值，即为计算区域的入口初始条件，喷嘴出口的边界条件为：

T＝T₀，p＝p₀,ρ＝ρ₀

计算区域入口的边界条件为：

T＝T₁，p＝p₁,ρ＝ρ₁

其中，数值模拟时计算区域的入口条件采用压力入口边界，出口条件采用压力出口边界。双股射流的进口温度取为

T₀＝5000K。

另外，计算区域及网格划分：

由于将流场简化为三维轴对称结构，故取流场的四分之一作为计算区域，圆柱形区域实际长度为800mm，半径为100mm。利用Gambit前处理软件进行建模及网格划分，为了减少计算量，在喷嘴近场处进行适当的网格加密，网格密度沿轴向及径向向远场处逐渐减小，而且，经过多次计算已排除计算网格数目的影响，本方案双股射流的计算网格数约为100万。

其中，如图3所示，对双股等离子射流数值模拟结果及分析，模拟选取喷嘴直径为D＝3mm，两喷孔1中心间距为l＝18mm，计算入口条件设为压力入口，初始压力为p₀＝2.5MP_a，进口温度为T₀＝5000K。出口条件设为压力出口。从图3中可以看出，双股等离子射流从喷嘴喷入空气后，初始时两股射流明显分开，边缘较为光滑。之后头部边缘变得不规则，逐渐出现向内侧弯曲并相互靠近的趋势，且外侧边缘出现耳状分支。随着射流发展，两股内侧边缘逐渐相接，耳状分支尺寸逐渐增大。随后头部逐渐发生交汇现象，耳状分支也逐渐聚拢重合，射流头部出现湍流破碎现象。射流总体上呈细长型，当射流头部交汇时，射流尾部仍保持双股射流扩展的特征。随后头部又逐渐分离，外侧边缘破碎加剧。射流主体边缘逐渐出现类锯齿形褶皱，头部边缘破碎部分逐渐脱离主体，掉落在周围环境中。

其中，如图4所示，喷嘴附近出现负压区，初始时射流头部压力较高，有两个高压区，且头部受周围空气的阻挡形成多道压缩波。两股射流头部完全汇聚前，流场压力基本呈高低压相间分布。随着头部的分离，流场压力负压区域逐渐减小，高低压相间分布的现象逐渐消失。

另外，如图5所示，双股等离子射流扩展初期，喷嘴出口附近逐渐各形成一个碗状的马赫盘，且头部相接之前，马赫盘的面积明显增大，其后，喷嘴近场马赫盘的面积逐渐减小并趋于固定值。头部完全汇聚前，马赫盘后的相对低速区变化较大，而两股射流头部分离后该区域基本不变。两股射流仍未交汇时，流场速度分布明显具有两个单股射流的特征，但边缘部分射流速度场已经开始发生融合。速度场头部完全融合后尾部仍保持单股射流的特征。

另外，如图6所示，从图中可以看出，温度总体上随时空呈非单调性分布，喷嘴近场处变化较大，且射流温度仅在喷嘴近场处较高，沿轴向和径向迅速衰减。两股射流从喷嘴喷出后，其温度迅速降低，随后射流经过马赫盘时温度迅速上升。两股等离子射流温度分布的中心线向内弯曲，前端靠拢。

在上述模拟结果的基础上，改变双股等离子射流的喷射压力，对其在空气中的扩展情况进行数值模拟，其中等离子射流的入口温度仍为T₀＝5000K，喷嘴直径保持D＝3mm不变。

其中，如图7所示，在不同喷射压力下，双股等离子射流在大气中扩展时两相界面演化序列图。从图中可以看出，当喷射压力增大时，双股等离子射流扩展轴向尺寸增大。射流头部汇聚持续的时间有所延长。双股射流中等离子体与周围介质两相之间以及两股射流流场之间的湍流掺混现象加剧。

其中，如图8所示，从图中可以看出，喷射压力增大时，高压区增大，负压区的面积减小，且初始时形成的两个高压区及压力波的范围也随之增大。两股射流头部的高压区产生融合的时间较早，随后压力场中高低压相间分布的特征也更为明显，且消失的时间也有所延迟。

其中，如图9所示，从图中可以看出，喷射压力增大时，喷嘴近场处射流的速度也随之增大，而远场处速度变化较小。扩展初始时两股射流的速度场已经有所融合，两股射流速度场的中心向内侧弯曲的趋势更为明显。

另外，如图10所示，随着喷射压力的增大，双股等离子射流在马赫盘后形成的锥形高温区面积逐渐增大，射流温度的最大值也随之增大，且两股射流温度场的中心向内侧靠近的趋势也更为明显，但喷射压力的变化对远场处射流温度分布的影响较小。

具体地，两个喷孔1之间的间距为l，其中，18mm≤l≤22mm,这样设置能够将两个喷孔1设置在最佳工作位置，从而可以提高等离子射流喷嘴10的工作性能。

可选地，喷孔1的内径设置为D，其中3mm≤D≤5mm，这样设置能够保证在锅炉点火时喷出适量的等离子射流，从而可以保证完成点火工作。

进一步地，喷孔1的高度设置为h，其中，10mm≤h≤12mm，这样设置能够保证等离子体喷出至空气中，从而可以进一步保证完成点火工作。

具体地，如图1所示，喷嘴呈长条状，喷嘴总长度可以设置为L＝31mm，并且，多个喷孔1在喷嘴的长度方向上间隔开设置，这样设置能够进一步扩大“火核”的范围，从而可以更好地完成锅炉的点火工作。

根据本发明实施例的锅炉，包括上述实施例的等离子射流喷嘴10，等离子射流喷嘴10设置安装在锅炉上，该等离子射流喷嘴10能够使得到的“火核”温度更高，范围更大，也能够更大程度上减少促使煤粉燃烧所需要的引燃能量。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种用于锅炉点火的等离子射流喷嘴，其特征在于，包括：多个喷孔，所述多个喷孔间隔开设置。

2.根据权利要求1所述的用于锅炉点火的等离子射流喷嘴，其特征在于，还包括：流道，所述多个喷孔共用一个流道。

3.根据权利要求1所述的用于锅炉点火的等离子射流喷嘴，其特征在于，所述喷孔为两个且内径相同。

4.根据权利要求3所述的用于锅炉点火的等离子射流喷嘴，其特征在于，两个所述喷孔之间的间距为l，其中，18mm≤l≤22mm。

5.根据权利要求1所述的用于锅炉点火的等离子射流喷嘴，其特征在于，所述喷孔的内径为D，其中3mm≤D≤5mm。

6.根据权利要求1所述的用于锅炉点火的等离子射流喷嘴，其特征在于，所述喷孔的高度为h，其中，10mm≤h≤12mm。

7.根据权利要求1所述的用于锅炉点火的等离子射流喷嘴，其特征在于，所述喷嘴呈长条状，多个所述喷孔在所述喷嘴的长度方向上间隔开设置。

8.一种锅炉，其特征在于，包括根据权利要求1-7中任一项所述的用于锅炉点火的等离子射流喷嘴。