CN110030551A - 氩气微波放电等离子体辅助甲烷空气旋流燃烧装置及方法 - Google Patents

氩气微波放电等离子体辅助甲烷空气旋流燃烧装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一组氩气微波放电等离子体辅助甲烷空气旋流燃烧装置及方法，通过微波放电和旋流燃烧的协同作用，在大气压条件下，实现氩气微波放电等离子体辅助甲烷空气混合气体的高效燃烧。该装置包括微波功率源、微波防回流装置、三销钉调配器、转换波导、微波谐振腔体和旋流燃烧器；微波功率源驱动微波放电，微波依次经过微波防回流装置、三销钉调配器和转换波导后，进入微波谐振腔体，在微波谐振腔体内形成大气压氩气微波放电等离子体；甲烷和空气从气体入口切向进入旋流燃烧器，在微波氩气放电等离子体的辅助下甲烷和空气在旋流燃烧器内燃烧。

Description

氩气微波放电等离子体辅助甲烷空气旋流燃烧装置及方法
技术领域
本公开涉及一种氩气微波放电等离子体辅助甲烷空气旋流燃烧装置及方法。
背景技术
化石能源危机是现代社会发展面临的重要问题。随着化石燃料储量的急剧减少，如何高效地使用化石燃料已成为人类社会亟需解决的重要课题。
贫燃料预混燃烧(Lean Premixed Combustion)技术作为一种高效、低污染的燃烧技术，近些年受到国内外研究人员的广泛关注。贫燃料预混燃烧的热效率高、CO与NOx的排放低，具有良好的燃烧经济性和燃烧效果。然而，当燃料与空气的比例接近稀薄燃烧极限(燃料与空气的质量比1:25)时，启动燃烧所需的能量增加，火焰传播速度降低，火焰的稳定性减弱，限制了低燃料空气比下燃料与空气的预混燃烧。
等离子体可以在多种混合气体氛围和宽广气压范围内由气体放电产生，富含电子、离子、自由基、激发态原子与分子等活性组分。等离子体辅助燃烧是提高燃烧效率的新兴科学技术，其辅助燃烧作用主要由热效应、输运效应和动力学效应提供。对于热效应，来自外部电源的输入功率作为热源，可以提高化学反应和燃料氧化的速率；对于输运效应，等离子体可以产生离子风和瑞利不稳定性，能改变燃烧器内的局部流动状态；对于动力学效应，等离子体产生的高能电子与离子能促进活性粒子与基团(例如O、H和OH)的产生，改变燃烧过程的化学动力学路径。因此，等离子体辅助燃烧具有广阔的市场应用前景和重要的科学研究意义。
微波放电是在微波功率源的激励下，由波导或传输线传导微波能量，在微波谐振腔体内形成非平衡放电等离子体的气体放电。相对于其他形式的气体放电，微波放电具有均匀、稳定、能量转化效率高、无电极污染、带电粒子和活性粒子密度高等优点。
发明人在研发过程中发现，现有的气体放电技术存在以下技术问题：
(1)低气压下实现稳定的气体放电相对简单，但是无法在大气压下产生大面积均匀的放电等离子体。
(2)现有的旋流燃烧器比较复杂，且大部分需要额外的机械控制部件。
(3)现有的微波谐振腔体损耗大，量级小，色散也小。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本公开提供了氩气微波放电等离子体辅助甲烷空气旋流燃烧装置及其工作方法，通过微波放电和旋流燃烧的协同作用，在大气压条件下，实现氩气微波放电等离子体辅助甲烷空气混合气体的高效燃烧。
本公开的第一方面的氩气微波放电等离子体辅助甲烷空气旋流燃烧装置的技术方案是：
一种氩气微波放电等离子体辅助甲烷空气旋流燃烧装置，该装置包括依次连接的微波功率源、微波防回流装置、三销钉调配器、转换波导和微波谐振腔体；
微波功率源驱动微波放电，微波依次经过微波防回流装置、三销钉调配器和转换波导后，进入微波谐振腔体，在微波谐振腔体内形成大气压氩气微波放电等离子体。
作为本公开的进一步技术方案，所述微波防回流装置包括水负载和定向耦合器，微波经过水负载匹配负载后，通过定向耦合器将匹配负载后的微波定向传导至三销钉调配器。
作为本公开的进一步技术方案，所述水负载还连接有用于使水负载保持恒温的循环水系统。
作为本公开的进一步技术方案，所述定向耦合器与三销钉调配器之间连接有入射功率检测计和反射功率检测计，所述入射功率检测计，用于测量微波的入射功率；所述反射功率检测计，用于测量微波的出射功率。
作为本公开的进一步技术方案，所述微波谐振腔体为矩形槽微波谐振腔体。
作为本公开的进一步技术方案，所述矩形槽微波谐振腔体的内部中心设置有放电反应管；所述微波谐振腔体的顶部设置有用于给旋流燃烧器输送等离子体的等离子体出口，底部设置有用于通入氩气的氩气入口。
作为本公开的进一步技术方案，所述微波谐振腔体连接有短路活塞。
作为本公开的进一步技术方案，还包括位于微波谐振腔体的等离子体出口上方的旋流燃烧器，所述旋流燃烧器包括呈圆周排列布置的至少四个弧状的侧壁，相邻两个侧壁之间连接有空心燃烧器壁，所述空心燃烧器壁的壁面上分别设有圆形气体入口，甲烷和空气从气体入口切向进入旋流燃烧器，在微波氩气放电等离子体的辅助下甲烷和空气在旋流燃烧器内燃烧。
本公开的第二方面的氩气微波放电等离子体辅助甲烷空气旋流燃烧装置的工作方法的技术方案是：
一种氩气微波放电等离子体辅助甲烷空气旋流燃烧装置的工作方法，该方法包括以下步骤：
微波功率源驱动微波放电，微波依次经过微波防回流装置隔离反射波、三销钉调配器阻抗匹配和转换波导模式转换后，进入微波谐振腔体内；
微波谐振腔体内形成大气压氩气微波放电等离子体，并输送至旋流燃烧器中；
甲烷和空气分别先后通过减压阀和气体流量计交替从气体入口切向进入旋流燃烧器中；
在微波氩气放电等离子体的辅助下实现甲烷和空气在旋流燃烧器内燃烧。
通过上述技术方案，本公开的有益效果是：
(1)本公开通过微波放电和旋流燃烧的协同作用，在大气压条件下，实现氩气微波放电等离子体辅助甲烷空气混合气体的高效燃烧。
(2)本公开能有效解决传统燃烧效率低、温度高等缺点，并能解决新型燃烧技术在燃料与空气的比例接近稀薄燃烧极限时所遇到的启动燃烧能量高、火焰传播速度低与稳定性差等问题。
(3)本公开中的微波放电可以产生相对大面积均匀的等离子体，有助于稳定流场和火焰，并推动等离子体辅助燃烧的大规模实际应用；
(4)本公开中旋流燃烧器可以通过其几何结构改变燃烧器内的流体动力学特性，从而达到简化燃烧器结构的目的；
(5)本公开采用转换波导进行传导波的模式转换，采用矩形槽微波谐振腔体形成大气压氩气微波放电等离子体，降低了损耗，提高了量级和色散。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本公开的不当限定。
图1是实施例一氩气微波放电等离子体辅助甲烷空气旋流燃烧装置的结构图；
图2是实施例一矩形槽微波谐振腔体的结构图；
图3是实施例一旋流燃烧器的结构图；
其中，1、微波功率源，2、水负载，3、循环水系统，4、定向耦合器，5、入射功率检测计，6、反射功率检测计，7、三销钉调配器，8、转换波导，9、微波谐振腔体，10、氩气入口，11、等离子体出口，12、旋流燃烧器，13、短路活塞。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本公开使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
本实施例提供一种氩气微波放电等离子体辅助甲烷空气旋流燃烧装置，通过微波放电和旋流燃烧的协同作用，在大气压条件下，实现氩气微波放电等离子体辅助甲烷空气混合气体的高效燃烧。
请参阅附图1，所述氩气微波放电等离子体辅助甲烷空气旋流燃烧装置包括依次连接的微波功率源1、微波防回流装置、三销钉调配器7、转换波导8和微波谐振腔体9，所述微波功率源1驱动微波放电，微波能量依次经过微波防回流装置隔离反射波、三销钉调配器7阻抗匹配和转换波导8模式转换后，进入微波谐振腔体9，在微波谐振腔体9内形成大气压氩气微波放电等离子体。
在本实施例中，所述微波防回流装置用于隔离反射波，避免反射波损害微波功率源。具体地，所述微波防回流装置包括水负载2和定向耦合器4，所述水负载的输入端与微波功率源1连接，输出端与定向耦合器4连接，用于为大功率微波匹配负载，利用流动的水作为微波的吸收体；所述定向耦合器的输出端与三销钉调配器7连接，用于定向传导电磁波；所述水负载2还连接有循环水系统3，所述循环水系统3用于使水负载保持恒温。
在本实施例中，所述循环水系统采用现有的技术结构，在本申请中不再赘述。
所述定向耦合器4与三销钉调配器7之间连接有入射功率检测计5和反射功率检测计6，通过入射功率检测计5测量微波能量的入射功率；通过反射功率检测计6测量微波能量的出射功率。
所述入射功率检测计5、反射功率检测计6和三销钉调配器7还分别与控制器连接，所述控制器根据入射功率和反射功率的测量值，调整三销钉调配器，可对微波能量进行阻抗匹配，使得反射波尽可能减弱，使微波能量更有效地进入微波谐振腔体。
在本实施例中，所述转换波导8的一端连接TE10模式的三销钉调配器7，另一端连接TE11模式的微波谐振腔体9，用于将矩形波导内传播的TE10波转换为可以在微波谐振腔体9波导内传播的TE11波，使得传导的TE10模式波能够以TE11模式在微波谐振腔体9中传导。
在本实施例中，所述微波功率源1的频率为2.45GHz、功率为500W至3KW可调。
在本实施例中，所述微波谐振腔体9为矩形槽微波谐振腔体9。矩形槽微波谐振腔体9的尺寸如图2所示。
放电反应管插入微波谐振腔体内部中心位置，材料为石英、厚度为0.2cm、直径为4cm。矩形槽微波谐振腔体槽波导比传统的毫米波传输结构(如矩形波导、微带线等)有着显著的优点，例如：槽波导结构简单，相对于工作波长尺寸较大，且对尺寸公差要求不严、易于加工；槽波导的损耗比相同工作频率下的矩形波导的损耗低一个数量级；槽波导的工作带宽宽。该矩形槽微波谐振腔体可以在低能耗的前提下产生大面积均匀的氩气微波放电等离子体。经测量，矩形槽微波谐振腔体内的电场强度高达104V/m，且高电场强度区域的范围较大。
所述微波谐振腔体9连接有短路活塞13，通过调整短路活塞位置能使最大微波能量集中于距离短路活塞四分之一波长处，可改善放电效果。
在本实施例中，所述短路活塞13为微调式短路活塞，既可以像普通短路活塞一样大范围调整短路活塞的位置，又可以对短路活塞的位置进行微调，从而提高微波谐振腔体内的电场强度。
在本实施例中，所述微波谐振腔体9的顶部设置有用于给旋流燃烧器输送等离子体的等离子体出口11，所述微波谐振腔体9的底部设置有用于通入氩气的氩气入口10。
本实施例提出的氩气微波放电等离子体辅助甲烷空气旋流燃烧装置还包括旋流燃烧器12，所述旋流燃烧器12位于所述微波谐振腔体9的等离子体出口正上方，用于实现在微波氩气放电等离子体的辅助下甲烷和空气在旋流燃烧器内的稳定燃烧。
旋流燃烧是组织燃烧的一种新型燃烧技术。旋流燃烧形成回流区，能使燃料均匀混合、火焰保持稳定，是实现燃料高效、低污染燃烧的有效方法之一。此外，旋流燃烧器内的气体(在等离子体和燃烧的共同作用下)能形成内外两个漩涡，高温的燃烧气流被控制在内旋涡区域，外层较冷的气体燃料与空气强旋气流将核心燃气区与壁面隔离，可以降低燃烧器壁面温度，从而达到提高燃烧效率和延长燃烧器寿命的目的。
所述旋流燃烧器12的结构如图3所示。该旋流燃烧器12不需要单独的机械控制部件，直接可以通过其几何结构影响燃烧器内的流体动力学特性。所述旋流燃烧器高为12cm、壁厚为1.2cm，所述旋流燃烧器包括呈圆周排列布置的四个弧状的侧壁，相邻两个侧壁之间连接有空心燃烧器壁，所述空心燃烧器壁的壁面上分别设有圆形气体入口，气体入口直径为0.8cm，甲烷和空气分别先后通过减压阀和气体流量计交替从气体入口切向进入旋流燃烧器，在微波氩气放电等离子体的辅助下实现在旋流燃烧器内的稳定燃烧。
本实施例提出的氩气微波放电等离子体辅助甲烷空气旋流燃烧装置，通过微波放电和旋流燃烧的协同作用，在大气压条件下，实现氩气微波放电等离子体辅助甲烷空气混合气体的高效燃烧。
实施例二
本实施例提供一种氩气微波放电等离子体辅助甲烷空气旋流燃烧装置的工作方法，该方法包括以下步骤：
S101，微波功率源驱动微波放电，产生微波能量；
S102，微波能量依次经过微波防回流装置隔离反射波、三销钉调配器阻抗匹配和转换波导模式转换后，进入微波谐振腔体内；
S103，微波谐振腔体内形成大气压氩气微波放电等离子体，并输送至旋流燃烧器中；
S104，甲烷和空气分别先后通过减压阀和气体流量计交替从气体入口切向进入旋流燃烧器中；
S105，在微波氩气放电等离子体的辅助下实现甲烷和空气在旋流燃烧器内的稳定燃烧。
从以上的描述中，可以看出，上述的实施例实现了如下技术效果：
(1)通过微波放电和旋流燃烧的协同作用，在大气压条件下，实现氩气微波放电等离子体辅助甲烷空气混合气体的高效燃烧。
(2)能有效解决传统燃烧效率低、温度高等缺点，并能解决新型燃烧技术在燃料与空气的比例接近稀薄燃烧极限时所遇到的启动燃烧能量高、火焰传播速度低与稳定性差等问题。
(3)微波放电可以产生相对大面积均匀的等离子体，有助于稳定流场和火焰，并推动等离子体辅助燃烧的大规模实际应用；
(4)旋流燃烧器可以通过其几何结构改变燃烧器内的流体动力学特性，从而达到简化燃烧器结构的目的；
(5)采用转换波导进行传导波的模式转换，采用矩形槽微波谐振腔体形成大气压氩气微波放电等离子体，降低了损耗，提高了量级和色散。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种氩气微波放电等离子体辅助甲烷空气旋流燃烧装置，其特征是，包括依次连接的微波功率源、微波防回流装置、三销钉调配器、转换波导和微波谐振腔体；
微波功率源驱动微波放电，微波依次经过微波防回流装置、三销钉调配器和转换波导后，进入微波谐振腔体，在微波谐振腔体内形成大气压氩气微波放电等离子体。
2.根据权利要求1所述的氩气微波放电等离子体辅助甲烷空气旋流燃烧装置，其特征是，所述微波防回流装置包括水负载和定向耦合器，微波经过水负载匹配负载后，通过定向耦合器将匹配负载后的微波定向传导至三销钉调配器。
3.根据权利要求2所述的氩气微波放电等离子体辅助甲烷空气旋流燃烧装置，其特征是，所述水负载还连接有用于使水负载保持恒温的循环水系统。
4.根据权利要求2所述的氩气微波放电等离子体辅助甲烷空气旋流燃烧装置，其特征是，所述定向耦合器与三销钉调配器之间连接有入射功率检测计和反射功率检测计，所述入射功率检测计，用于测量微波的入射功率；所述反射功率检测计，用于测量微波的出射功率。
5.根据权利要求1所述的氩气微波放电等离子体辅助甲烷空气旋流燃烧装置，其特征是，所述微波谐振腔体为矩形槽微波谐振腔体。
6.根据权利要求5所述的氩气微波放电等离子体辅助甲烷空气旋流燃烧装置，其特征是，所述矩形槽微波谐振腔体的内部中心设置有放电反应管；所述微波谐振腔体的顶部设置有用于给旋流燃烧器输送等离子体的等离子体出口，底部设置有用于通入氩气的氩气入口。
7.根据权利要求5所述的氩气微波放电等离子体辅助甲烷空气旋流燃烧装置，其特征是，所述微波谐振腔体连接有短路活塞。
8.根据权利要求6所述的氩气微波放电等离子体辅助甲烷空气旋流燃烧装置，其特征是，还包括位于微波谐振腔体的等离子体出口上方的旋流燃烧器，所述旋流燃烧器包括呈圆周排列布置的至少四个弧状的侧壁，相邻两个侧壁之间连接有空心燃烧器壁，所述空心燃烧器壁的壁面上分别设有圆形气体入口，甲烷和空气从气体入口切向进入旋流燃烧器，在微波氩气放电等离子体的辅助下甲烷和空气在旋流燃烧器内燃烧。
9.如权利要求1至8中任一项所述的氩气微波放电等离子体辅助甲烷空气旋流燃烧装置的工作方法，其特征是，包括以下步骤：
微波功率源驱动微波放电，微波依次经过微波防回流装置隔离反射波、三销钉调配器阻抗匹配和转换波导模式转换后，进入微波谐振腔体内；
微波谐振腔体内形成大气压氩气微波放电等离子体，并输送至旋流燃烧器中；
甲烷和空气分别先后通过减压阀和气体流量计交替从气体入口切向进入旋流燃烧器中；
在微波氩气放电等离子体的辅助下实现甲烷和空气在旋流燃烧器内燃烧。
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