CN1851324A - 一种煤粉点燃装置和点燃方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及利用电弧点燃煤粉的装置及相关的点燃方法。它包括煤粉输运管道，和设置在煤粉输运管道上的阳极及其冷却系统、短路起弧机构、以及设置在煤粉输运管道内的阴极、构成的电弧等离子体发生器装置，所述阴极设置在煤粉输运管道轴线上，其前端指向煤粉输运方向；阳极是一段内管为金属的煤粉输运管道，阴极前端至阳极后端的距离小于500mm；煤粉和空气混合物进入等离子电弧发生段的输运速度为每秒10－100米，煤粉和空气混合物中的空气过量系数为0.1－1.2。本发明直接在煤粉空气混合物中产生电弧等离子放电，减小了点火能量消耗和煤粉火炬的体积。由于空气煤粉混合物被均匀点燃，点燃方法可靠性高，稳定性好，缩短了点火时间，因而点火效率大大提高。

Description

一种煤粉点燃装置和点燃方法

技术领域

本发明涉及利用电弧点燃煤粉的装置及相关的点燃方法。

背景技术

煤粉在空气中的燃烧需要有一定的高温环境。大型工业锅炉和工业窑炉都是将工业锅炉预热到一定温度后，才能喷入煤粉，稳定燃烧。早期的大型工业煤粉锅炉点火多采用马弗炉火炬技术，由于操作复杂、维护工作量大、启动时间长，因而逐步由燃油火炬代替。由于大型工业煤粉锅炉的点火和稳燃需要消耗大量的燃油，在石油资源紧张和石油价格不断攀升的情况下，研究新的煤粉点燃技术和煤粉火炬来取代燃油火炬或其他气体燃料火炬，对于节约高价的燃油和燃气有很好的经济效益。

热等离子体具有能量集中、高温、高化学活性的特点。利用热等离子体可以快速点燃煤粉，能量消耗低，这方面已有很多发明公开。在热等离子体产生技术中，由于电弧等离子体电源简单、电能转化效率高，因而成为开发利用最多的一项技术。

现有关于电弧热等离子体点燃煤粉的装置中，大多数是利用电弧等离子体炬喷出等离子体射流尾焰加热和点燃煤粉空气流。P.R.Blackburn的美国专利USP4089628公布了一种将管式电弧加热器喷出的高速氧化性气体射流喷入煤粉流来点燃煤粉的方法；布赖恩·坎贝尔等人的CN88106045.3公布的发明是设置专用管道将煤粉输送到等离子体炬喷口外的空气或氮气等离子体射流区域，先热解脱去挥发份，然后被点燃，其煤粉射入方向与等离子体射流方向的夹角呈锐角；王满家等人的CN03153120.2和黄继祥等人的CN02203117.0的发明是将水蒸气分解和电离的氢氧等离子体射流喷入煤粉流来达到点燃煤粉的目的；张新录等人的CN98233073.1是在将等离子体射流和煤粉在蜗壳型预燃室中混合点燃煤粉，煤粉切向进入蜗壳预燃室，与等离子体射流相切；CN98202919.5、CN00231570.X、0223117.0公布的王爱生等人发明将煤粉空气混合物轴向加入等离子体射流，且在等离子体炬喷嘴前端增加了稳定导引喷管。上述有关专利中所公开的的煤粉点火器的共同特点是：均利用电弧等离子体炬喷出的等离子体射流或高温气体来点燃煤粉。研究表明，在等离子体炬体内的电弧通道中，其各项等离子体参数，例如温度、活性粒子密度等，要比等离子体射流尾焰高得多。也就是说，等离子体射流尾焰的温度、活性粒子密度已经下降很多，则必然使其点燃煤粉的能力下降，不仅降低了煤粉燃烧的可靠性，也加大了点火能量消耗。

在Smirlock Martin E.等人的USP4228747、Smith Doland A.等人的USP4221174和USP4241673公开的煤粉点火器中，采用电火花放电的方法来点燃煤粉，其放电的电弧可向煤粉区域扩展，使点火效率提高，但由于都是采用脉冲放电方式，影响了煤粉点燃和煤粉燃烧的可靠性和稳定性。

考虑到在等离子体炬体内的电弧通道中的等离子电弧放电过程比较复杂，稳定性差，因此至今尚未发现直接在等离子体炬体内的电弧通道中将煤粉点燃并燃烧的报道。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术中的不足，提供一种在电弧等离子体发生器体内的电弧通道中将煤粉点燃并燃烧的装置及点燃方法。

本发明的目的由以下方式实现。

本发明的煤粉点燃装置，包括现有技术中由阴极、阳极及其冷却系统、短路起弧机构及电源构成的电弧等离子体发生器装置，其特征在于：所述阴极、阳极设置在煤粉输运管道中，其中，所述阴极与煤粉输运管道同轴线，阴极前端指向煤粉输运方向；所述阳极是与煤粉输运管道同轴线的金属管道，它安装在阴极前端前方的煤粉输运管道上，其轴向长度最好在20-400mm之间；阴极前端至阳极后端的距离小于500mm；所述煤粉输运管道在电弧发生段的内径以及阳极内径为30-100mm；所述煤粉和空气混合物进入等离子电弧发生段的流动速度为每秒10-100米，所述煤粉和空气混合物中的空气过量系数为0.1-1.2。

由于电弧电压随电弧长度增加近似线性增长，控制电弧的长度即能控制电弧的电压在一定的范围波动。为控制电弧的长度和限制电弧不外喷，在阳极前端和阳极后端的煤粉管道段采用绝缘管内衬，以限制电弧阳极弧根的轴向移动范围，阳极后端煤粉输运管的绝缘管内衬的长度大于阳极后端到阴极前端的距离，阳极前端的煤粉输运管绝缘管内衬长度小于300mm。所述绝缘管采用非导电性质的耐火材料制成；所述阳极用耐高温、抗氧化、耐磨的金属或金属合金制作，例如：钨、钼、铬、铁、铜等金属合金。

为了缩短弧根在阳极上某点的驻留时间，可在阳极外围设置串联在阳极回路中的螺线管线圈或环形永磁材料的磁体(与冷却机构共存)，使阳极及其中的电弧处于磁场内，以驱动电弧高速旋转，缩短弧根在阳极某一点的驻留时间，降低阳极烧蚀速度，提高阳极寿命。这种情况下，所述阳极材料应由非导磁性质的金属或金属合金制成；在采用环形永磁材料的磁体时，永磁材料的外部水冷套管由非导磁材料制成，在采用电磁线圈的磁体时，外部水冷套管最好由导磁材料制成。

为增强煤粉空气混合物在煤粉燃烧增强区域的继续燃烧，可在阳极前方，或阳极前绝缘管出口处设置二次送风机构，使二次风轴向或切向送入所述的煤粉增强燃烧区域；所述的二次风是空气，或者是煤粉和空气的混合物，该混合物与一次风混合后的空气过量系数为0.2-1.2。

本发明的煤粉点燃装置，其中螺线管线圈可以串联在电弧放电回路中，也可以由单独电源供电。

本发明的煤粉点燃装置中，所述短路起弧机构是使用导电体连接阴极和阳极，使其瞬间短路，然后使二者分离，其导电体由钨、钼、锆、铪、铼、钇、镍、钛或石墨等耐高温的导电材料制成；或者使用一般低熔点金属导电体，瞬间短路后熔断分离。

本发明的利用上述煤粉点燃装置的点燃方法，其步骤是，(1)启动电弧等离子体发生器装置的阴极和阳极的冷却水系统；对于螺线管线圈采用单独电源供电的，启动线圈供电电源；(2)启动煤粉输运系统的送风机构；(3)启动电弧等离子发生电源，并使阴极、阳极短路起弧；(4)启动煤粉输运系统，控制煤粉和空气的混合物中的空气过量系数小于1.2，煤粉在流动过程中被热等离子体加热后进入增强燃烧区域，通过等离子体功率和空气过量系数控制煤粉火焰的温度高于煤粉点燃点、低于煤粉灰熔点，使其在出口形成煤粉火炬，完成点燃过程；或者(5)启动二次送风机构，使二次风轴向或切向送入煤粉增强燃烧区域，并在其出口形成煤粉火炬，完成点燃过程。

本发明的点燃方法中，所述的煤粉可以被其它固体粉状燃料代替，所述的空气也可以由其他氧化性气体代替。

本发明直接在煤粉空气混合物中产生等离子电弧放电，放电通道中的等离子体温度没有任何的衰减就直接用以加热煤粉空气混合物，提高了电弧等离子体能量的利用效率，从而减小了点火能量消耗、降低了点火的电弧放电功率、并可以减小煤粉火炬的体积。另一方面，由于电弧等离子体的不稳定性，等离子体在点火通道内随机快速漂移，使等离子体充满整个点火筒通道，同时对煤粉空气混合物产生剧烈地扰动，从而使点火通道的空气煤粉混合物被均匀点燃。与用电弧等离子体射流尾焰点燃煤粉空气混合物相比，本发明的点燃方法可靠性高，稳定性好，缩短了点火时间，因而使点火效率大大提高。

下面通过实施例及其附图作进一步说明。

附图说明

图1是本发明所述煤粉点燃装置的一种实施例的结构示意图。

图2是本发明所述煤粉点燃装置的另一种实施例的结构示意图。

具体实施方式

参见图1。1是煤粉输运管道，其中的箭头表示煤粉空气混合物流动方向。2是等离子电弧发生装置的阴极，圆棒形，通过水冷金属管道与电源负极连接，它由绝缘支撑置于煤粉输运管道的中心，二者同轴线，阴极前端指向煤粉流动方向。3是等离子电弧发生装置的阳极，它是由导体材料构成的金属管道，由常规机械连接方式与煤粉输运管道连接成整体。在阳极管道的中部设有水冷夹层，螺线管电磁线圈5及阳极冷却机构安装在此水冷夹层内。所述的冷却机构是现有技术中由内管和外管构成的水冷套管，为了提高冷却速度，将所述内管的外圆加工螺旋槽，并使冷却水从槽中流过，从而提高冷却面积和提高冷却水流速。该水冷套管的内管由非导磁金属材料或石墨制成，外管由导磁材料制成。所述的螺旋管线圈一端与阳极电气连通，另一端引出与电源正极连通。在阴极前端至阳极后端之间的煤粉输运管道内内衬绝缘管4。6是设在阳极前端煤粉输运管道的绝缘管内衬，以控制电弧不外喷，避免电弧烧坏外部其它构件。7是电弧引燃孔，启动运行时，由此插入导电体，连接阴极和阳极，使其瞬间短路，然后再使二者分离。该导电体是圆形石墨棒或钨棒。图中煤粉输运管道内的黑色曲线是示意的电弧弧柱。

本实施例中增设有二次送风机构，8是设在煤粉输运管道外围的二次送风管道，其在阳极前方或阳极前绝缘管出口处有圆弧形突起，其目的在于使二次风顺畅切入到煤粉燃烧区中，并顺畅形成煤粉火炬，完成点燃过程。

本实施例中，煤粉输运管道的内径在电弧发生段为40mm(即绝缘管4的内径为40mm)，阳极内径为38mm，煤粉和空气混合物进入等离子电弧发生段的输运速度为每秒30米，阴极前端至阳极后端之间的绝缘管4的长度为300mm，绝缘管6的长度为100mm，阴极前端至阳极后端的距离为200mm。所用的等离子电弧发生装置的电弧电流为250A，平均电弧电压为400V。

参见图2，本实施例中的煤粉输运管道及等离子电弧发生装置均与实施例1相同，所不同的是，二次送风机构更加细化，采用两级送风，即在实施例1的二次送风管道8的外围又增设二级二次送风管道9，在一级二次风管道与二级二次风管道之间设有导流板10，用以调节一级二次风与二级二次风之间的分配和煤粉浓度的分配。本实施例装置中，所述短路起弧机构是使用导电体连接阴极和阳极使其瞬间短路。即启动时先转动阴极使其与导电体11接触，由于该导电体11与阳极电气连通，因此造成瞬间短路而引弧；在电弧启动后，再转动阴极与导电体11分离。此外，本实施例采用环形永磁体12代替螺线管磁场线圈5，这时水冷套管的外管用非导磁材料制成。

Claims (9)

1.一种煤粉点燃装置，包括现有技术中由阴极、阳极及其冷却系统、短路起弧机构及电源构成的电弧等离子体发生器装置，其特征在于：所述阴极、阳极设置在煤粉输运管道中，其中，所述阴极与煤粉输运管道同轴线，阴极前端指向煤粉输运方向；所述阳极是与煤粉输运管道同轴线的金属管道，它安装在阴极前端前方的煤粉输运管道上；阴极前端至阳极后端的距离小于500mm；所述煤粉输运管道在电弧发生段的内径以及阳极内径为30-100mm；所述煤粉和空气混合物进入等离子电弧发生段的流动速度为每秒10-100米，所述煤粉和空气混合物中的空气过量系数为0.1-1.2。

2.如权利要求1所述的煤粉点燃装置，其特征在于，所述阳极的轴向长度控制在20-400mm范围内。

3.如权利要求1所述的煤粉点燃装置，其特征在于，在阳极前端和阳极后端的煤粉管道段采用绝缘管内衬，阳极后端煤粉输运管绝缘管内衬的长度大于阳极后端到阴极前端的距离，阳极前端的煤粉输运管绝缘管内衬长度小于300mm。

4.如权利要求1所述的煤粉点燃装置，其特征在于，所述在阳极外围设置有串联在电弧放电回路中的螺线管线圈或环形永磁材料的磁体。

5.如权利要求1所述的煤粉点燃装置，其特征在于，所述在阳极前方或阳极前绝缘管出口处设置有二次送风机构，二次风轴向或切向送入煤粉增强燃烧区域。

6.如权利要求1所述的煤粉点燃装置，其特征在于，所述短路起弧机构是使用导电体连接阴极和阳极，使其瞬间短路，然后使二者分离，或者使用一般低熔点金属导电体，瞬间短路后熔断分离；或者使阴极与阳极直接接触短路后再分离。

7.利用权利要求1所述的煤粉点燃装置的点燃方法，其特征在于，其步骤为：(1)启动电弧等离子体发生器装置的阴极和阳极的冷却水系统；对于螺线管线圈采用单独电源供电的，启动线圈供电电源；(2)启动煤粉输运系统的送风机构；(3)启动等离子电弧发生装置，并使阴极、阳极短路起弧；(4)启动煤粉输运系统，控制煤粉和空气的混合物中的空气过量系数为0.1-1.2，煤粉在流动过程中被热等离子体加热后进入增强燃烧区域，通过等离子体功率和空气过量系数控制煤粉火焰的温度高于煤粉点燃点、低于煤粉灰熔点，使其在出口形成煤粉火炬，完成点燃过程。

8.如权利要求7所述的煤粉点燃装置的点燃方法，其特征在于，对于设有二次送风机构的，增加步骤(5)：启动二次送风机构，使二次风轴向或切向送入煤粉增强燃烧区域，并在其出口形成煤粉火炬，完成点燃过程，其中的二次风是空气，或者是煤粉和空气的混合物，该混合物与一次风混合后的空气过量系数为0.2-1.2。

9.如权利要求7或8所述的煤粉点燃装置的点燃方法，其特征在于，所述煤粉由其它固体粉状燃料代替，所述的空气由其他氧化性气体代替。

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