CN107893994A - 一种双阴极双介质气等离子体燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明具体涉及一种双阴极双介质气等离子体燃烧器，包括：燃烧器壳体、第一阴极、第二阴极和阳极，取消传统离子杆电火花点火和传统的燃气长明灯点火，使得点火方式更加简便；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%；以将燃烧器结构设计的更加紧凑，并使火焰温度调节范围增加，使其适应的工况更加宽泛。

Description

一种双阴极双介质气等离子体燃烧器

技术领域

本发明属于石化、冶金以及电力行业等离子燃烧器技术领域，具体涉及一种双阴极双介质气等离子体燃烧器。

背景技术

等离子体是指气体被电离产生的含有大量电子，离子，激发态分子，原子以及自由基团的高活性物质，又被称作物质的“第四态”，低温等离子体温度范围在几千到几万度，也就热等离子体，热等离子体应用于工业上，可以做煤粉锅炉点火枪，垃圾，固体废弃物的气化等，燃气轮机的点火以及稳燃，化工方面的氢气制备，当前也有大量研究使用热等离子体制备石墨烯等材料。

目前等离子燃烧器作为热源的供应者主要应用于电站粉煤锅炉点火，固废垃圾熔融处理，飞灰处理等方面，已有的等离子燃烧器多使用单一气源作为等离子体产生的介质气源，介质气源主要为压缩空气，氩气，氢气等简单气体，使用过程中通过高压击穿或接触拉弧的方式产生电弧，用于电离介质气体。

现有的等离子燃烧器主要的供热通过电能电离介质气体从而产生热等离子体，通过热等离子体进行供热，对作为二次能源的电能消耗巨大。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种双阴极双介质气等离子体燃烧器，取消传统离子杆电火花点火和传统的燃气长明灯点火，使得点火方式更加简便；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%；以将燃烧器结构设计的更加紧凑，并使火焰温度调节范围增加，使其适应的工况更加宽泛。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案为：

一种双阴极双介质气等离子体燃烧器，包括：燃烧器壳体、第一阴极、第二阴极和阳极，其中，

所述第一阴极贯穿设置于所述燃烧器壳体内，并与所述燃烧器壳体间形成冷却腔；所述第一阴极为中空结构，且设置有将所述中空结构与所述冷却腔连通的通水孔；

所述燃烧器壳体的外部贴合设置有所述阳极，所述阳极的一端与所述燃烧器的环形板连接，所述阳极另一端的缩口与所述第一阴极的放电段配合设置；

所述第二阴极的一端与所述燃烧器壳体的环形板连接，所述阳极位于所述第二阴极的内部，所述阳极的外部设置有绝缘层；

在水平方向，所述第二阴极与所述绝缘层间形成空气通路，所述阳极、绝缘层上对应设置有通孔，使得所述空气通路内的空气经所述通孔到达所述第一阴极的放电段与所述阳极缩口处形成的间隙中；

在竖直方向，所述阳极与所述第二阴极间形成燃气通路，所述第二阴极上设置有燃气孔，使得燃气经所述燃气孔进入所述燃气通路中，且所述燃气通路中的所述阳极与所述第二阴极间对应设置有放电凸起。

进一步的，所述第一阴极包括：阴极直段和放电段，其中，

所述阴极直段的一端为冷却水进口，且设置有阴极接头；

所述阴极直段的另一端均匀设置有多个通水孔；

所述燃烧器壳体上设置有冷却水出口，使得所述冷却腔内的冷却水循环流动。

进一步的，还包括：多个密封件，

一个所述密封件设置于所述第一阴极与所述燃烧器壳体的接触处；

一个所述密封件设置于所述第二阴极与所述阳极外部的绝缘层的接触处；

位于所述燃烧器壳体内的所述第一阴极的外部设置有绝缘层。

进一步的，所述第二阴极设置有空气进口和燃气进口，其中，

所述空气进口与所述空气通路连接；

所述燃气进口经所述燃气孔与所述燃气通路连通。

进一步的，还包括：连接件，所述连接件分别与所述环形板、第二阴极连接，对所述第二阴极进行固定。

进一步的，所述阳极为圆筒结构，所述放电段的放电尖头与所述缩口形成的间隙为3~5mm；

进一步的，所述第二阴极为圆筒结构，所述阴极上设置有喷口；

两个所述放电凸起间形成的间隙为3~5mm。

进一步的，所述绝缘层的材料由聚四氟制成。

进一步的，还包括：堵板，所述堵板可拆卸的设置在所述燃烧器壳体的一侧，所述堵板与所述燃烧器壳体、所述第一阴极间形成所述冷却腔。

进一步的，所述第一阴极和第二阴极分别与阴极导线连接，所述阳极与阳极导线连接，通过改变空气和燃气的比例、第一阴极、第二阴极和阳极的电压调节等离子体火焰的功率。

本发明的有益效果在于：

（1）取消传统离子杆电火花点火和传统的燃气长明灯点火，使得点火方式更加简便；

（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）可以将燃烧器结构设计的更加紧凑，并使火焰温度调节范围增加，使其适应的工况更加宽泛。

附图说明

图1为本发明双阴极双介质气等离子体燃烧器结构示意图。

其中，1、阴极接头 2、冷却水出口 3、第一阴极 4、空气入口 5、绝缘层 6、燃烧器壳体 7、阳极 8、绝缘层 9、第二阴极 10、燃气进口 11、燃气孔 12、密封件13、通孔 14、通水孔 15、连接件 16、堵板。

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。请注意，下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

根据本发明的一个方面，本发明提供了双阴极双介质气等离子体燃烧器，图1为本发明双阴极双介质气等离子体燃烧器结构示意图，如图1所示，包括：燃烧器壳体、第一阴极、第二阴极和阳极，其中，所述第一阴极贯穿设置于所述燃烧器壳体内，并与所述燃烧器壳体间形成冷却腔；所述第一阴极为中空结构，且设置有将所述中空结构与所述冷却腔连通的通水孔；所述燃烧器壳体的外部贴合设置有所述阳极，所述阳极的一端与所述燃烧器的环形板连接，所述阳极另一端的缩口与所述第一阴极的放电段配合设置；所述第二阴极的一端与所述燃烧器壳体的环形板连接，所述阳极位于所述第二阴极的内部，所述阳极的外部设置有绝缘层；在水平方向，所述第二阴极与所述绝缘层间形成空气通路，所述阳极、绝缘层上对应设置有通孔，使得所述空气通路内的空气经所述通孔到达所述第一阴极的放电段与所述阳极缩口处形成的间隙中；在竖直方向，所述阳极与所述第二阴极间形成燃气通路，所述第二阴极上设置有燃气孔，使得燃气经所述燃气孔进入所述燃气通路中，且所述燃气通路中的所述阳极与所述第二阴极间对应设置有放电凸起。

阴极导线分别与第二阴极和第一阴极相连接，阳极导线与阳极相连接，介质气体分别通过空气进口和燃气进口进入到空气通路与燃气通路内，然后接通电源，此时在空气管路中的第一阴极与阳极相交的狭窄通道处和燃气通路中的第二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，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由于等离子体火焰温度极高，燃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。

根据本发明的具体实施例，所述的第一阴极分为阴极直段和放电段，阴极直段外部包裹所述绝缘层，阴极直段的远离放电段的一端设置所述阴极接头，所述第一阴极直段最大直径为20~40mm，优选直径30mm，阴极长度范围小于2m，所述直段内部沿轴线钻孔，内孔的直径为8~12mm，优选10mm，钻孔深度至阴极放电段与阴极直段的分界处。放电段的长度优选为20~40mm，呈锥状，大直径优选为30mm，尖端直径为大直径的1/10，距离所述阴极直段与所述放电段的分界位置一倍直径长度的距离，在阴极直段上沿径向方向均匀开孔，所述开孔个数为6~10个，优选为8个，开孔的直径优选5mm，所述绝缘层在相同位置进行同样开孔，所述绝缘层的开孔与所述的阴极直段上的开孔共同形成通水孔，所述绝缘层的厚度为3~5mm，优选为4mm，所述绝缘层的材质优选聚四氟，所述绝缘层的一端和所述阴极直段与所述放电段的分界处对齐，另一端距离所述阴极接头距离30mm；所述阴极接头设置有螺纹，所述阴极接头螺纹长度为10~15mm，优选12mm。

根据本发明的具体实施例，所述燃烧器壳体与所述阴极同轴安装，所述燃烧器壳体的一端和所述阴极直段与所述放电段的分界处对齐，通过密封件与所述绝缘层进行密封，另一端通过所述堵板与绝缘层对齐，所述燃烧器壳体的外径为40~60mm，优选为50mm；所述燃烧器壳体的壁厚为4~6mm，优选为5mm，所述燃烧器壳体与所述第一阴极和绝缘层之间形成冷却腔，所述冷却腔内容纳有冷却水。所述的另一端与所述堵板通过内螺纹进行连接，所述堵板厚度为10mm，所述堵板内环通过密封件与所述的第一阴极进行密封，所述燃烧器壳体上距离堵板位置50mm处沿径向方向在燃烧器壳体外部设置一个冷却水出口，所述燃烧器壳体上距离堵板位置100mm处沿径向方向设置有支撑，所述燃烧器壳体上距离堵板位置100mm处设置一个厚度为6mm的环形板，所述环形板板外表面设置外螺纹，环形板外径与所述第二阴极外径相同，所述燃烧器壳体采用绝缘材料。

根据本发明的具体实施例，所述阳极为圆筒结构，所述阳极外径为50~70mm，优选为60mm，一端与所述燃烧器壳体的环形板的一侧对齐，另一侧阳极缩口与阴极同轴，并使第一阴极的放电段的放电端头深入到阳极缩口内部，阳极缩口长度为10~20mm，优选15mm。

根据本发明的具体实施例，所述阳极内径与燃烧器壳体外径尺寸相同，燃烧器壳体的一端与阳极缩口形成内部空腔，所述空腔作为空气通路一部分，阳极和第二阴极之间的形成空腔作为空气通路另一部分，上述两部分通过在阳极上的开孔及阳极上相应位置的绝缘体上开孔连通（阳极上的开孔和绝缘体上的开孔共同组成通孔），具体的，阳极外部位据缩口80mm处沿径向方向钻孔，孔径为5mm，数量为10个，沿截面圆周均布，所述阳极外部采用绝缘层包裹，绝缘层厚度为4~6mm，优选5mm，所述绝缘层一端与所述燃烧器壳体的环形板的一侧对齐，另一端伸出阳极缩口，伸出的距离为10mm。

根据本发明的具体实施例，所述第二阴极外形为圆筒状，外径范围为70~90mm，优选80mm，壁厚优选5mm。所述第二阴极的一端与所述环形板的一侧对齐，此端外壁沿轴向方向设置外螺纹，螺纹长度为10mm，通过所述连接件将所述燃烧器壳体的环形板与所述第二阴极紧密连接在一起，所述连接件外形为六边形，设置有贯通式内螺纹，距离此端轴向方向50mm处位置，所述第二阴极外部沿径向方向设置有所述空气入口，直径为8~12mm，优选10mm，另一端内部为缩放口的扩张段，所述扩张段的最小内径为5mm，最大内径为最小内径的3倍，长度为最小内径的6倍；所述阳极与所述第二阴极间形成燃气通路，此通道作为气体冷却和燃气流通的通道，在第二阴极上设置燃气孔，燃气孔的直径为8mm，个数为8-12个，优选10个，并沿径向方向以缩口段最小直径的3倍为节圆直径，圆周布置，与燃气通道相通。所述绝缘层的一端与所述第二阴极的最小内部通径的端面相抵，通过密封件进行密封。

根据本发明的具体实施例，在燃气通路的两侧，距离阳极最小缩口2~3mm，优选2.5mm处，设置高度为2~3mm，优选2.5mm，宽度为4~6mm，优选5mm的三角形放电凸起；距离第二阴极的喷口2~3mm，优选2.5mm处，设置有高度为2~3mm，优选2.5mm，宽度为4~6mm，优选5mm的三角形放电凸起，与阳极的三角形放电凸起对齐。

根据本发明的具体实施例，为了保证良好的导电性，阴极和阳极均用紫铜材料，相应的连接导线均采用紫铜材质。空气介质气体可以用空气或压缩空气，燃气介质气体可以用天然气或其他烷烃类气体。如果燃用低热值煤气时，由于低热值煤气不能自主稳定燃烧，等离子体火焰将保持持续燃烧状态，作为一个伴燃火焰，保证低热值煤气的稳定燃烧。

需要注意的是，等离子体火焰的功率是方便可调的，通过改变阴阳极之间的电压，从而调节等离子火焰的功率，本发明的等离子体火焰，其功率较小，在5-20kW范围内可调。此外，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，所以阴阳极之间的间隙应保证在3-5mm为宜。

发明人发现，如果增加水冷停留时间，会使水冷带走热量，减少等离子平均燃烧温度，如果减少水冷停留时间会使阴极很快烧损，不利于系统运行；空燃比减小会减少燃料燃烧功率，增大空燃比会降低燃烧平均温度，因此得到实验结论空燃比控制在1:1.1~1.3之间，水冷长度即进出水管到阴阳极起弧位置的距离，控制在3~3.5倍的阳极外直径对应的长度。同时验证可以通过控制空燃比调整火焰平均温度，可以通过运行电压及电流的控制控制等离子体产生的量，从而控制燃烧器热量输入的途径。

实施例一

运行电压为80V，电流为150A，气体分别采用空气和天然气作为介质气体，燃烧器设计功率为10kw。测试结果：等离子提供的热功率为6.3kw，燃烧提供的热功率为4.6kw，实际运行功率9.9kw，与设计功率基本形同，燃烧后温度在2550℃左右，重复点火实验点火，均可以稳定燃烧，其空燃比控制在1:1.1~1.3之间，燃气流量为20L/min，冷却水量15L/min，冷却水位差在1℃左右。

实施例二

运行电压为80V，电流为200A时，气体分别采用空气和天然气作为介质气体，燃烧器设计功率为10kw。测试结果：等离子提供的热功率为7.2kw，燃烧提供的热功率为2.7kw，实际运行功率9.9kw，与设计功率基本形同，燃烧后温度在2850℃左右，重复点火实验点火，均可以稳定燃烧，其空燃比控制在1:1.1~1.3之间，燃气流量为20L/min，冷却水量15L/min，冷却水位差在1.5℃左右。

实施例三

运行电压为80V，电流为100A，气体分别采用空气和天然气作为介质气体，燃烧器设计功率为10kw。测试结果：等离子提供的热功率为5.2kw，燃烧提供的热功率为4.2kw，实际运行功率10kw，与设计功率基本形同，燃烧后温度在2250℃左右，重复点火实验点火，均可以稳定燃烧，其空燃比控制在1:1.1~1.3之间，燃气流量为20L/min，冷却水量15L/min，冷却水位差在0.8℃左右。

综上所述本发明的双阴极双介质气等离子体燃烧器，采用双阴极双介质等离子体燃烧器，可以取消传统离子杆电火花点火和传统的燃气长明灯点火，使得点火方式更加简便；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%；可以将燃烧器结构设计的更加紧凑，并使火焰温度调节范围增加，使其适应的工况更加宽泛。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面” 可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

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，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。

Claims (10)

1.一种双阴极双介质气等离子体燃烧器，其特征在于，包括：燃烧器壳体、第一阴极、第二阴极和阳极，其中，

所述第一阴极贯穿设置于所述燃烧器壳体内，并与所述燃烧器壳体间形成冷却腔；所述第一阴极为中空结构，且设置有将所述中空结构与所述冷却腔连通的通水孔；

所述燃烧器壳体的外部贴合设置有所述阳极，所述阳极的一端与所述燃烧器的环形板连接，所述阳极另一端的缩口与所述第一阴极的放电段配合设置；

所述第二阴极的一端与所述燃烧器壳体的环形板连接，所述阳极位于所述第二阴极的内部，所述阳极的外部设置有绝缘层；

在水平方向，所述第二阴极与所述绝缘层间形成空气通路，所述阳极、绝缘层上对应设置有通孔，使得所述空气通路内的空气经所述通孔到达所述第一阴极的放电段与所述阳极缩口处形成的间隙中；

在竖直方向，所述阳极与所述第二阴极间形成燃气通路，所述第二阴极上设置有燃气孔，使得燃气经所述燃气孔进入所述燃气通路中，且所述燃气通路中的所述阳极与所述第二阴极间对应设置有放电凸起。

2.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述第一阴极包括：阴极直段和放电段，其中，

所述阴极直段的一端为冷却水进口，且设置有阴极接头；

所述阴极直段的另一端均匀设置有多个通水孔；

所述燃烧器壳体上设置有冷却水出口，使得所述冷却腔内的冷却水循环流动。

3.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，还包括：多个密封件，

一个所述密封件设置于所述第一阴极与所述燃烧器壳体的接触处；

一个所述密封件设置于所述第二阴极与所述阳极外部的绝缘层的接触处；

位于所述燃烧器壳体内的所述第一阴极的外部设置有绝缘层。

4.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述第二阴极设置有空气进口和燃气进口，其中，

所述空气进口与所述空气通路连接；

所述燃气进口经所述燃气孔与所述燃气通路连通。

5.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，还包括：连接件，所述连接件分别与所述环形板、第二阴极连接，对所述第二阴极进行固定。

6.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述阳极为圆筒结构，所述放电段的放电尖头与所述缩口形成的间隙为3~5mm。

7.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述第二阴极为圆筒结构，所述阴极上设置有喷口；

两个所述放电凸起间形成的间隙为3~5mm。

8.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述绝缘层的材料由聚四氟制成。

9.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，还包括：堵板，所述堵板可拆卸的设置在所述燃烧器壳体的一侧，所述堵板与所述燃烧器壳体、所述第一阴极间形成所述冷却腔。

10.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述第一阴极和第二阴极分别与阴极导线连接，所述阳极与阳极导线连接，通过改变空气和燃气的比例、第一阴极、第二阴极和阳极的电压调节等离子体火焰的功率。