CN114688522A - 中心电极结构介质阻挡放电协同增强煤与氨气燃烧装置 - Google Patents

Abstract

本发明是中心电极结构的介质阻挡放电辅助增强煤与氨气燃烧装置，辅助燃烧装置结构包括：高压电极、接地电极、氨气存储、第1多孔陶瓷、第2多孔陶瓷、气体流量控制器等。中心电极为高压电极、外部为接地电极。所述高压电极呈圆柱状且电极放电区域表面有螺纹；所述接地电极为空心圆柱体包裹高压电极放置，且接地电极侧面预留氨气注入通道；所述氨气存储罐经气体流量控制器连接燃烧装置。本发明利用介质阻挡放电产生弥散的低温等离子体，与煤、氨气燃烧的火焰等离子体相互耦合进一步促进放电弥散性，有助于在反应腔体内形成更大区域的放电等离子体。介质阻挡放电等离子体的介入可提高燃烧的效率，氨气的使用可减少污染物排放。

Description

中心电极结构介质阻挡放电协同增强煤与氨气燃烧装置

技术领域

本发明隶属于放电等离子体辅助燃烧领域，通过介质阻挡放电产生的低温等离子体协同增强煤与氨气燃烧。

背景技术

本发明采用DBD等离子体助燃，利用放电进程中电子与中性粒子碰撞，使中性粒子发生电离、激发和离解，期间产生的高能活性基团影响燃烧过程中化学反应。

等离子体助燃技术已有广泛应用，其带来的效益可观。放电等离子体作为激励影响燃烧过程中的化学效应、温升效应和气动效应，能有效缩短点燃时间、提高燃烧效率、减少污染物排放。

发明内容

本发明在放电燃烧腔体内通入氨气并在燃烧装置上进行优化，本发明采用中心电极协同增强煤与氨气燃烧。以中心电极设计的放电发生装置相比于平板电极击穿电压降低，放电通道、放电强度增强；利用等离子体和煤炭燃烧释放热量点燃氨气，氨气在放电燃烧腔体内点燃可替代部分煤炭燃烧热值降低污染气体排放，此外等离子体作用燃烧的氨气会产生高浓度活性基团使其维持在一个相对稳定的范围内，放电等离子体和燃烧等离子体相互促进共同作用提升燃烧效率、降低污染排放。

本发明是基于中心电极协同增强煤与氨气燃烧装置，该装置的构成有高压电极、接地电极、氨气储存罐、气体流量控制器、第1多孔陶瓷、第2多孔陶瓷；高压、接地电极固定于第2多孔陶瓷，在第1多孔陶瓷上放置煤炭，氨气由气体流量控制器调节，在放电燃烧腔体外有相应煤块送入和燃烬残余物运出装置。

优选的，所述的高压电极固定于第2多孔陶瓷中心位置，所述的接地电极环绕高压电极固定。

优选的，所述高压电极放电区域表面有螺纹环绕，所述接地电极为空心圆柱体其侧面有预留小孔。

优选的，高压电极与低压电极相距大约为40mm，固定于第2多孔陶瓷上，第2多孔陶瓷直径约为74mm、厚度约为12mm。

优选的，第1多孔陶瓷直径略小于接地电极直径，并悬浮于第2多孔陶瓷通过支架固定在高压电极上。

优选的，氨气储存罐经气体流量控制器连接于接地电极预留小孔。

优选的，等离子体产生电源是kHz交流电源，电源功率为0.8kW-2kW、电压峰-峰值0-40kV、交流频率5-30kHz、调制脉冲频率100-1000Hz、占空比可控范围1-100％。

优选的，高压电极与接地电极之间的间隙作为放电燃烧腔。

优选的，在第1多孔陶瓷上放置煤炭并通入氨气，利用放电等离子体协同增强煤与氨气燃烧。

本发明会带来以下几方面效益：

(1)本发明利用放电等离子体协同增强煤与氨气燃烧有助于提高燃烧效率，氨气的使用减少煤炭使用量，减少污染物的排放。

(2)本发明采用DBD等离子体发生装置，以煤炭作为电介质和燃烧原料，DBD等离子发生装置成本低、在大气压下能够形成较为稳定的低温等离子体。中心电极制造极不均匀电场，不均匀电场更有利于形成弥散放电等离子体，相比于平板电极其放电通道稳定、放电起始时间较短，放电燃烧腔体温度稳定。

(4)本发明底部采用多孔陶瓷有利于燃烬残余物的掉落、空气的流动，除此之外多孔的存在有助于高压电极的固定。

(5)本发明采用第1多孔陶瓷放置煤炭并悬浮底部多孔陶瓷固定在高压电极上，第1多孔陶瓷直径小于低压电极直径以避免煤炭直接与底部接触在放电过程中发生沿面，并且多孔的存在使氨气在放电燃烧腔体内分布均匀。

(6)在放电燃烧腔体内通入氨气可缩短点火时间，氨气可替代部分煤炭燃烧热值降低污染排放，燃烧链式反应中所需基团浓度在等离子体与氨气作用下也会相应增加，提高燃烧效率。

(7)本发明控制调节外施电压幅值和频率、氨气气体流量、中心电极间距参量。通过测量火焰稳定燃烧的抬举高度、煤炭质量变化和温度变化确定最合适的燃烧控制参量。

附图说明

为了较为直观对发明进行表述，对整个放电燃烧装置进行附图说明，附图不代表最终装置样式。

附图1是以中心电极为基础的DBD等离子协同增强煤与氨气燃烧装置示意图。

附图中的标号：1-气体流量控制器、2-煤块输运器、3-氨气储存罐、4-燃烬残余物输运器、5-接地电极、6-高压电极、7-kHz高压交流电源、8-第1多孔陶瓷、9-固定支架、10-第2多孔陶瓷。

具体实施方式

下文将结合专利附图对本发明装置的具体操作方式进行叙述，附图装置是对实物的简化并不表示最终实物图。

本说明书中，采用的术语“安装”、“固定”、“连接”等相关词汇，如果没有特殊说明则可对其进行广义理解。比如装置之间的连接可以是固定、可拆卸、或者在日后的实际应用中直接进行一体化处理。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。

附图1是等离子协同增强煤与氨气燃烧的发生装置示意图，其中高压电极固定于第2多孔陶瓷的中心位置，高压电极可选择钛丝、钨丝等并在其放电区域表面有螺纹环绕增大放电接触面积；接地电极作为外电极其侧面预留出通入氨气的小孔，接地电极可选取304不锈钢、铁等作为材料；煤炭放置在第1多孔陶瓷上；氨气存储罐通过流量控制器连接于接地电极预留小孔；kHz高压交流电源的频率、幅值、占空比都可进行调节；多孔陶瓷的选用基于：绝缘、耐高温、电极固定难度、装置空气流量、燃烬残余物处理便利程度。

放电燃烧腔由高压电极与接地电极之间间隙构成，经kHz高压激励在大气压下非平衡放电产生低温等离子体，电子温度高达100eV。以煤炭充当DBD电介质，等离子体作用煤炭燃烧的火焰等离子体加速火焰传播速度，燃烧释放的能量传递给氨气实现氨气点燃。

相比与本团队申请号为CN113365404A的专利，本发明在放电燃烧腔体内通入氨气、等离子体发生装置采用中心电极，电极的结构不同，电场分布不同，实现的功能也有较大差异，适用的煤炭煤质也有所不同。

本发明采用中心电极来取代平板电极，在本团队的后续实验中发现采用中心电极施加电压降低，在放电燃烧腔体内放电通道形成时间短、稳定、放电效果强烈。本发明采用中心电极结构能节约功耗、提高燃烧效率、缩短点火时间。

本发明在放电燃烧腔体内通入氨气的工作原理：不同流量的氨气进入会改变放电燃烧腔体流场分布、影响传热和等离子体的输运过程，同时影响放电强度、等离子体弥散性。氨气吸收煤炭燃烧释放能量点火，经等离子体激励在放电燃烧腔体内部形成的活性基团浓度提高，由于煤的燃烧是一个复杂的链式反应，活性基团的加入能够降低链反应所需要的键能，促进链式反应的进行。在放电燃烧腔体中放电等离子体和燃烧等离子体相互耦合协同增强煤与氨气燃烧。

与在审专利CN113898964A一种掺烧氨气降低燃煤发电机组CO₂排放的综合系统及方法，利用等离子体作用氨气使其裂解成氢氨混合气体以此混入煤粉燃烧降低污染气体排放。本发明作用机制与其不同，通过等离子体助燃块状煤而不是裂解氨气，利用煤炭燃烧释放的能量点燃氨气，通过等离子体作用点火后的氨气使燃烧反应腔体内H、OH等活性基团浓度提升降低煤炭链式反应所需键能，实现等放电离子体与火焰等离子体相互作用共同促进燃烧进程达到提升燃烧效率、减少污染物排放的目的。

本发明使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书的和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接等常规手段，机械、零件和设备均采用现有技术中，常规的型号，加上电路连接采用现有技术中常规的连接方式，在此不再详述，本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.中心电极结构介质阻挡放电协同增强煤与氨气燃烧装置，其特征在于通过底部多孔陶瓷固定高压、接地电极，煤炭置于特定多孔陶瓷，氨气存储罐经气体流量控制器连接接地电极小孔，在中心电极系统上部有煤炭进入结构，在系统下部有燃烬残余物排出系统。

2.根据权利要求1所述以高压、接地电极和第2多孔陶瓷组成的中心电极作为放电燃烧腔室。

3.根据权利要求1所述高压电极与低压电极相距约40mm，固定于第2多孔陶瓷上，第2多孔陶瓷直径约为74mm、厚度约为12mm。

4.根据权利要求1所述第1多孔陶瓷直径小于外部低压电极直径，经高压电极悬浮于底部多孔陶瓷固定，煤炭放置于第1多孔陶瓷，用以抑制沿面放电的发生。

5.根据权利要求1所述氨气经气体流量控制器通入放电燃烧腔。氨气可替代部分煤炭产生的热值，通过吸收煤炭燃烧释放的能量便于氨气点火，减少煤炭使用量，进而减少污染物排放，并能提供更多活性基团。

6.根据权利要求1所述氨气通过第1多孔陶瓷使氨气在放电燃烧腔体内部分布均匀并充分和煤炭接触。

7.根据权利要求1所述等离子体作用燃烧的氨气可提升腔体内等离子体弥散性和活性基团浓度，以加强放电等离子体均匀性提高燃烧效率。

8.根据权利要求1所述放电产生的等离子体与煤炭燃烧等离子体相互促进共同作用，放电离子体提高火焰稳定性，火焰等离子体进一步降低放电电压，减少电源输出功率。

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