CN114143950A - 一种氧焰复合等离子体炬 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种氧焰复合等离子体炬，涉及等离子体炬技术领域。该复合等离子体炬包括金属壳体和设置于上述金属壳体内的火炬主体，上述火炬主体设置有多相电极组件和用于输送燃料和助燃气体的输送管，上述输送管靠近上述多相电极组件端设置有延长管，上述延长管的自由端穿过上述多相电极组件。本发明的目的在于提供一种氧焰复合等离子体炬，其能够有效提高燃烧效率，在同等功率下减小设备体积和提高设备运行可靠性。

Description

一种氧焰复合等离子体炬

技术领域

本发明涉及等离子体炬技术领域，具体而言，涉及一种氧焰复合等离子体炬。

背景技术

关于工业大型燃烧器(火炬)主要应用在工业加热炉窑、冶金熔炼设备、各种锅炉、大型点火特种行业等方面。单支功率一般超过1000KW(1MW)以上，有时甚至超过10MW以上。对于这类燃烧设备一般都是使用单一燃料，或燃油或燃气。主燃烧火焰温度一般都低于1900℃。为了提高火焰燃烧温度，就必须利用富氧气体代替空气，但也很难超过2200℃。为了提高燃烧效率，减小设备体积，和设备运行可靠性，急需超过2500～5000℃以上火焰燃烧器，特别是超大功率(指兆瓦级)燃烧器。

为了提高燃油燃气火焰温度，人们逐渐考虑到了利用等离子体助燃技术，比如在飞机发动机燃油方面，出现了等离子体弧辅助燃油激励技术，但是大多都是利用直流滑动弧技术，这不仅对于大型燃烧器，要求供电变压系统成本高昂、效率低下，很难实现大型化，同时容易引起阴阳极的烧蚀或烧穿，所以在工程应用上只能起到点火或引火作用，很难形成实际运行的长期大功率应用；现阶段的等离子火炬一旦应用到超大功率火炬，仍然有一定的局限性，其燃气燃油火焰包围了电极，容易使得电极冷却水带走许多不必要损失的热量，即热效率还有提升的空间。

综上，为了解决上述问题，我们提出了一种氧焰复合等离子体炬设计方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氧焰复合等离子体炬，其能够减少冷却水对有效热量的吸收，提高燃烧效率，在同等功率下减小设备体积和设备运行可靠性。

本发明的实施例是这样实现的：

一种氧焰复合等离子体炬，包括金属壳体和设置于上述金属壳体内的火炬主体，上述火炬主体设置有多相电极组件和用于同步输送燃料和助燃气体的输送管，上述输送管靠近上述多相电极组件端设置有延长管，上述延长管的自由端穿过上述多相电极组件。

多相电极组件的加设，摒弃掉原有的直流电弧，更改为多相交流电源供电的多相滑动等离子体弧，使得燃气离子化；同时增加延长管，使得燃气或者燃油直接喷射燃烧超过电极位置，也就使得火焰不能直接“烧到”电极，实现在炬外燃烧的目的，不仅电极寿命增长，减少水冷电极热损耗，也减小火炬主体上冷却水对有效热量的损耗，便于超大功率燃烧器的实现。

在本发明的一些实施例中，上述多相电极组件包括多个电极和多相电源，上述多相电源相数的数值与上述电极的数值相等。

现在本发明实施例将电极改进为多相比如3-24相，电极采用3-24个，其频率在50-5000Hz，不仅无断弧现象，且等离子体弧区域有效加大，方便燃气或者燃油在点燃或扩散的过程中的离子化，有效的提高了燃烧效率，实现了等离子体炬可以在大功率下长期高效稳定运行。

在本发明的一些实施例中，上述电极的一端可拆卸设置于上述金属壳体。

电极与金属壳体为螺纹连接，金属壳体设置有陶瓷基座，陶瓷基座等圆周均匀分布有电极孔，电极的自由端穿过电极孔使用陶瓷螺母将电极锁紧在陶瓷基座上，绝缘陶瓷是一种新的材料，它的主要原材料是氧化铝，常常在各种集成电路的安装中起着很大的作用，本发明实施例使用绝缘陶瓷是因为其硬度很高、重量轻、耐磨性好，减少维修更换的次数。

在本发明的一些实施例中，上述金属壳体设置有定位陶瓷板，上述定位陶瓷板用于定位上述电极。

定位陶瓷板起到支撑电极的作用，缓解电极另一端连接处固定件受到拉力，同时定位陶瓷板的加设也使得电极的安装位置进一步得以固定，在后续的安装维修中更加便捷。

在本发明的一些实施例中，多个上述电极的自由端均为弯曲弧形结构。

带有弯曲弧形结构的电极在气流作用下形成团状形状的等离子体区域，等离子体区域也有效放大，此设计方式使得点火为高温引燃，更易均匀引燃劣质燃料，使得等离子体炬整体功率得以进一步提升。

在本发明的一些实施例中，上述延长管的口径值小于上述输送管。

延长管的口径小于输送管的口径，使得燃料在进入后流动口径变细，喷射速度加大，射流变长，且延长管加设在多相电极组件的等离子体区域中，即射流直接作用在电弧等离子体区域，更便于离子化。

在本发明的一些实施例中，输送管包括燃气管，上述燃气管套设有助燃筒，上述助燃筒环侧设置有进气口，上述助燃筒靠近上述延长管侧设置有多个气孔，多个上述气孔呈圆环形布设。

助燃气体经过进气口后通过多个气孔进行助燃，气孔的轴线与金属壳体的轴线形成倾斜夹角，多个气孔圆环形布设，可以根据实际情况进行设置多层气孔的圆形布设，以增大助燃效果。

在本发明的一些实施例中，上述金属壳体由内层到外层设置有环形第一助燃腔、燃料腔和第二助燃腔，上述金属壳体设置有与上述燃料腔相通的主燃气口和喷射口，上述金属壳体设置有与第一助燃腔相通的第一助燃口和第一喷气口，上述金属壳体设置有与上述第二助燃腔相通的第二助燃口和第二喷气口。

第一助燃腔和第二助燃腔内可以使用相同的助燃料，也可以使用不用的助燃料，即第二助燃腔内的助燃料可以采用较为劣质的助燃料，因前端温度过高，劣质的助燃料也可以满足助燃需求，同时调节主燃气与一次助燃气，二次助燃气的组成配比，可以达到火焰长短、火焰直径不同工况需求；同时还可以实现低氮燃烧的功能。

在本发明的一些实施例中，上述金属壳体内设置有与上述第一助燃腔相通的助喷口，上述助喷口的数量为多个，且助喷口倾斜设置。

助喷口的加设使得工作人员可以通过第一助燃腔向点火区域进行助燃补给，使得点火更加顺利，多个助喷口环形布置，可以使得助燃气体的加入更加均匀，方便稳弧，进而更好的完成助燃作用。

在本发明的一些实施例中，上述喷射口的数量和上述第一喷气口的数量均为多个，多个上述第一喷气口的轴线与上述金属壳体的轴线平行。

多个喷射口和多个第一喷气口均为环形排布，可以使得助燃气体和燃料更加充分的燃烧。

相对于现有技术，本发明的实施例至少具有如下优点或有益效果：

1)该复合等离子体炬通过加设多相电极组件，摒弃掉原有的直流电弧，更改为多相交流电源供电的多相滑动等离子体弧区域，使得燃气离子化；

2)该复合等离子体炬同时增加延长管，使得燃气或者燃油直接喷射燃烧超过电极位置，也使得火焰不能直接“烧到”电极，不仅电极寿命增长，减少水冷电极热损耗，而且原设计燃烧在炬体内，现在炬体外，便于超大功率的实现，也减小火炬主体上冷却水对有效热量的损耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例一种实施方式的一种氧焰复合等离子体炬的剖视图；

图2为本发明实施例一种实施方式的一种氧焰复合等离子体炬中金属壳体的侧视图；

图3为图2中A的局部放大图。

图标：1-金属壳体，2-陶瓷螺母，3-多相电极组件，4-输送管，5-延长管，6-电极，7-定位陶瓷板，8-弯曲弧形结构，9-燃气管，10-助燃筒，11-进气口，12-气孔，13-第一助燃腔，14-第二助燃腔，15-燃料腔，16-主燃气口，17-喷射口，18-第一助燃口，19-第一喷气口，20-第二助燃口，21-第二喷气口，22-助喷口。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，“多个”代表至少2个。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。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。

实施例

请参照图1-图3，本发明的目的在于提供一种氧焰复合等离子体炬，其能够减少冷却水对有效热量的吸收，提高燃烧效率，在同等功率下减小设备体积和设备运行可靠性。

一种氧焰复合等离子体炬，包括金属壳体1和设置于上述金属壳体1内的火炬主体，上述火炬主体设置有多相电极组件3和用于同步输送燃料和助燃气体的输送管4，上述输送管4靠近上述多相电极组件3端设置有延长管5，上述延长管5的自由端穿过上述多相电极组件3。

本发明的原理：为了提高燃油燃气火焰温度，人们逐渐考虑到了利用等离子体助燃技术，比如在飞机发动机燃油方面，出现了等离子体弧辅助燃油激励技术，但是大多都是利用直流滑动弧技术，这不仅对于大型燃烧器，要求供电变压系统成本高昂、效率低下，很难实现大型化，同时容易引起阴阳极的烧蚀或烧穿，所以在工程应用上只能起到点火或引火作用，很难形成实际运行的长期大功率应用。本发明实施例中增添多相电极组件3，摒弃掉原有的直流电弧，更改为多相交流电源供电的多相滑动等离子体弧，使得燃气离子化；同时增加延长管5，使得燃气或者燃油直接喷射燃烧超过电极6位置，也使得火焰不能直接“烧到”电极6，实现在炬外燃烧的目的，不仅电极6寿命增长，减少水冷电极6热损耗，也减小火炬主体上冷却水对有效热量的损耗，便于超大功率燃烧器的实现。

本发明实施例中，燃料可以为燃油或者燃气，电极6设置有水冷，金属壳体1设置有用于水冷的冷却腔，金属壳体1开设有与冷却腔相通的进水口和出水口，在使用本发明实施中的等离子体炬时，首先通过进水口向冷却腔内注水，随后输送管4启动，燃料和助燃气体同步充入，同时多相电极组件3开启工作，燃料到达延长管5后，在多相电极组件3的作用下完成点火，延长管5的加设使得燃气/燃油直接喷射燃烧超过电极6位置，也使得火焰不能直接“烧到”电极6，电极6摆脱了经常被灼烧的现象，使得其本身的寿命有所增长，同时火焰与电极6内部的冷却水的冷却能力有所减少，有效热量的损耗也有所减少；火焰在多相电极6的形成的多相滑动等离子体弧区包围着燃气，不仅点火引燃燃气，使得燃气离子化，同时等离子体弧一直伴随着送入的燃气的复合“燃烧”，进而使得本发明实施例中的等离子体炬可以长期处于大功率应用。

在本发明的一些实施例中，上述多相电极组件3包括多个电极6和多相电源，上述多相电源相数的数值与上述电极6的数值相等。

在上述实施例中，电极6的数量值为3-24个，另与多个电极6电连接的多相电源为50～5000Hz的陡降特性等离子体专用多相(3～24相)电源。因交流一般三相50Hz，三个电极6，易断弧，有“零点”，故现在本发明实施例将电极6改进为多相比如3-24相，电极6采用3-24个，另电极6增加的数量是需要是3的倍数，其频率在50-5000Hz，不仅无断弧现象，且等离子体弧区域有效加大，方便燃气或者燃油在点燃或扩散的过程中的离子化，有效的提高了燃烧效率，实现了等离子体炬可以在大功率下长期高效稳定运行。

在本发明的一些实施例中，上述电极6的一端可拆卸设置于上述金属壳体1。

在上述实施例中，电极6与金属壳体1为螺纹连接，金属壳体1设置有陶瓷基座，陶瓷基座等圆周上均匀分布有电极6孔，电极6的自由端穿过电极6孔后，使用固定件将电机固定在陶瓷基座上，本发明实施例使用陶瓷螺母2将电极6锁紧在陶瓷基座上，绝缘陶瓷是一种新的材料，它的主要原材料是氧化铝，常常在各种集成电路的安装中起着很大的作用，本发明实施例使用绝缘陶瓷是因为其硬度很高、重量轻、耐磨性好，减少维修更换的次数。

在本发明的一些实施例中，上述金属壳体1设置有定位陶瓷板7，上述定位陶瓷板7用于定位上述电极6。

在上述实施例中，定位陶瓷板7起到支撑电极6的作用，缓解电极6另一端连接处固定件受到拉力，同时定位陶瓷板7的加设也使得电极6的安装位置进一步得以固定，在后续的安装维修中更加便捷。

在本发明的一些实施例中，多个上述电极6的自由端设计为弯曲弧形结构8。

在上述实施例中，带有弯曲弧形结构8是将电极6的自由端先向内弯曲后再向外扩展，最终形成弯管状或者说是喇叭扩口状的电极6，带有弯曲弧形结构8的电极6在气流作用下形成团状形状的等离子体区域，等离子体区域也有效放大，此设计方式使得点火为高温引燃，更易均匀引燃劣质燃料，使得等离子体炬整体功率得以进一步提升。

在本发明的一些实施例中，上述延长管5的口径值小于上述输送管4。

在上述实施例中，延长管5的口径小于输送管4的口径，使得燃料在进入后流动口径变细，喷射速度加大，射流变长，且延长管5加设在多相电极组件3的等离子体区域中，即射流直接作用在电弧等离子体区域，更便于离子化。

在本发明的一些实施例中，输送管4包括燃气管9，上述燃气管9套设有助燃筒10，上述助燃筒10环侧设置有进气口11，上述助燃筒10靠近上述延长管5侧设置有多个气孔12，多个上述气孔12呈圆形布设。

在上述实施例中，助燃气体经过进气口11后通过多个气孔12进行助燃，气孔12的轴线与金属壳体1的轴线形成倾斜夹角，多个气孔12圆环形布设，可以根据实际情况进行设置多层气孔12的圆形布设，以增大助燃效果。

在本发明的一些实施例中，上述金属壳体1由内层到外层设置有环形第一助燃腔13、燃料腔15和第二助燃腔14，上述金属壳体1设置有与上述燃料腔15相通的主燃气口16和喷射口17，上述金属壳体1设置有与第一助燃腔13相通的第一助燃口18和第一喷气口19，上述金属壳体1设置有与上述第二助燃腔14相通的第二助燃口20和第二喷气口21。

在上述实施例中，冷却腔设置于第二助燃腔14的外侧，即冷却腔设置于最外侧用于冷却保护金属壳体1，第一助燃腔13和第二助燃腔14内可以使用相同的助燃料，也可以使用不用的助燃料，即第二助燃腔14内的助燃料可以采用较为劣质的助燃料，因前端温度过高，劣质的助燃料也可以满足助燃需求，同时调节主燃气与一次助燃气，二次助燃气的组成配比，可以达到火焰长短、火焰直径不同工况需求；同时还可以实现低氮燃烧的功能。

在本发明的一些实施例中，上述金属壳体1内设置有与上述第一助燃腔13相通的助喷口22，上述助喷口22的数量为多个，且助喷口22倾斜设置。

助喷口22的加设使得工作人员可以通过第一助燃腔13向点火区域进行助燃补给，使得点火更加顺利，多个助喷口22环绕金属壳体1的内壁均布，可以使得助燃气体的加入更加均匀，方便稳弧，进而更好的完成助燃作用，优选的多个助喷口22的轴线均与其所处的金属壳体1内壁弧面连接处的切线形成夹角，其夹角的度数为5度-45度，此设计方式可以让助燃气体的喷射呈倾斜角度射出，加大燃烧效果。

在本发明的一些实施例中，上述喷射口17的数量和上述第一喷气口19的数量均为多个，多个上述第一喷气口19的轴线与上述金属壳体1的轴线平行。

在上述实施例中，多个喷射口17和多个第一喷气口19均为环形排布，可以使得助燃气体和燃料更加充分的燃烧。

综上，本发明提供了一种氧焰复合等离子体炬，其至少具有以下有益效果：为了提高燃油燃气火焰温度，人们逐渐考虑到了利用等离子体助燃技术，比如在飞机发动机燃油方面，出现了等离子体弧辅助燃油激励技术，但是大多都是利用直流滑动弧技术，这不仅对于大型燃烧器，要求供电变压系统成本高昂、效率低下，很难实现大型化，同时容易引起阴阳极的烧蚀或烧穿，所以在工程应用上只能起到点火或引火作用，很难形成实际运行的长期大功率应用。本发明实施例中增添多相电极组件3，摒弃掉原有的直流电弧，更改为多相交流电源供电的多相滑动等离子体弧，使得燃气离子化；同时增加延长管5，使得燃气或者燃油直接喷射燃烧超过电极6位置，也使得火焰不能直接“烧到”电极6，实现在炬外燃烧的目的，不仅电极6寿命增长，减少水冷电极6热损耗，便于超大功率燃烧器的实现。

本发明实施例中，燃料可以为燃油或者燃气，电极6设置有水冷，金属壳体1设置有用于水冷的冷却腔，金属壳体1开设有与冷却腔相通的进水口和出水口，在使用本发明实施中的等离子体炬时，首先通过进水口向冷却腔内注水，随后输送管4启动，燃料和助燃气体同步充入，同时多相电极组件3开启工作，燃料到达延长管5后，在多相电极组件3的作用下完成点火，延长管5的加设使得燃气/燃油直接喷射燃烧超过电极6位置，也使得火焰不能直接“烧到”电极6，电极6的弯曲弧形结构8摆脱了经常被灼烧的现象，使得其本身的寿命有所增长，同时火焰与电极6的弯曲弧形结构8内部的冷却水的冷却能力有所减少，有效热量的损耗也有所减少；火焰在多相电极6的形成的多相滑动等离子体弧区包围着燃气，不仅点火引燃燃气，使得燃气离子化，同时等离子体弧一直伴随着送入的燃气的复合“燃烧”，进而使得本发明实施例中的等离子体炬可以长期处于大功率应用。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种氧焰复合等离子体炬，其特征在于，包括金属壳体和设置于所述金属壳体内的火炬主体，所述火炬主体设置有多相电极组件和用于同步输送燃料和助燃气体的输送管，所述输送管靠近所述多相电极组件端设置有延长管，所述延长管的自由端穿过所述多相电极组件。

2.根据权利要求1所述的一种氧焰复合等离子体炬，其特征在于，所述多相电极组件包括多个电极和多相电源，所述多相电源相数的数值与所述电极的数值相等。

3.根据权利要求2所述的一种氧焰复合等离子体炬，其特征在于，所述电极的一端可拆卸设置于所述金属壳体。

4.根据权利要求2所述的一种氧焰复合等离子体炬，其特征在于，所述金属壳体设置有定位陶瓷板，所述定位陶瓷板用于定位所述电极。

5.根据权利要求2所述的一种氧焰复合等离子体炬，其特征在于，多个所述电极的自由端均为弯曲弧形结构。

6.根据权利要求1所述的一种氧焰复合等离子体炬，其特征在于，所述延长管的口径值小于所述输送管。

7.根据权利要求1所述的一种氧焰复合等离子体炬，其特征在于，输送管包括燃气管，所述燃气管套设有助燃筒，所述助燃筒环侧设置有进气口，所述助燃筒靠近所述延长管侧设置有多个气孔，多个所述气孔呈圆环形布设。

8.根据权利要求7所述的一种氧焰复合等离子体炬，其特征在于，所述金属壳体由内层向外层设置有环形第一助燃腔、燃料腔和第二助燃腔，所述金属壳体设置有与所述燃料腔相通的主燃气口和喷射口，所述金属壳体设置有与第一助燃腔相通的第一助燃口和第一喷气口，所述金属壳体设置有与所述第二助燃腔相通的第二助燃口和第二喷气口。

9.根据权利要求8所述的一种氧焰复合等离子体炬，其特征在于，所述金属壳体内设置有与所述第一助燃腔相通的助喷口，所述助喷口的数量为多个，且助喷口倾斜设置。

10.根据权利要求8所述的一种氧焰复合等离子体炬，其特征在于，所述喷射口的数量和所述第一喷气口的数量均为多个，多个所述第一喷气口的轴线与所述金属壳体的轴线平行。

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