CN207797032U - 一种单阳极双介质气源等离子体燃烧器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于可用于石化、冶金以及电力行业等等离子体燃烧器技术领域，具体涉及一种单阳极双介质气源等离子体燃烧器，包括：两个阴极通道管、空气管、燃气管、烧嘴套管、阴极和阳极等部件，本实用新型采用两个单独的阴极与同一个阳极之间放电拉弧对两种不同的介质气体进行电离，通过对电弧电压以及介质气源流量的调整使其产生等离子体的同时部分燃料可以进行燃烧，间接替代了部分电能，提高了二次能源的使用效率。

Description

一种单阳极双介质气源等离子体燃烧器

技术领域

本实用新型属于可用于石化、冶金以及电力行业等等离子体燃烧器技术领域，具体涉及一种单阳极双介质气源等离子体燃烧器。

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。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术的不足，提出了一种单阳极双介质气源等离子体燃烧器，采用两个单独的阴极与同一个阳极之间放电拉弧对两种不同的介质气体进行电离，通过对电弧电压以及介质气源流量的调整使其产生等离子体的同时部分燃料可以进行燃烧，间接替代了部分电能，提高了二次能源的使用效率。

为解决技术问题，本实用新型采取的技术方案为：

本实用新型提出了一种单阳极双介质气源等离子体燃烧器，其特征在于，包括：两个阴极通道管、空气管、燃气管、烧嘴套管、阴极和阳极，其中，所述空气管和燃气管的内腔中分别设有一个所述阴极通道管，所述阴极通道管沿水平方向延伸，并分别与所述空气管和燃气管平行；每个所述阴极通道管的一端分别安装有一个所述阴极；所述烧嘴套管环绕设置在所述空气管和所述燃气管的外壁上，使所述空气管和所述燃气管的部分管路在所述烧嘴套管的内腔中沿水平方向延伸；所述阳极安装在所述烧嘴套管的一端且与所述阴极同侧对应设置，所述阳极分别与所述空气管路中的阴极和燃气管路中的阴极形成产生电弧的狭窄通道，用于分别电离空气介质和燃气介质。

进一步的，所述阳极的中部设有中心孔，用于将通过所述中心孔的未电离的部分空气介质和燃气介质在等离子体的高温下进行燃烧产生火焰。

进一步的，所述阴极通道管为中空管，用于将阴极导线穿过所述阴极通道管与所述阴极焊连，所述阴极与阴极通道管通过绝缘套管相连。

进一步的，所述阳极外部设置有绝缘套管，用于隔绝与工况内部气体的联系，防止燃气发生爆燃。

进一步的，所述狭窄通道中，所述阴极与所述阳极的间距为3-5mm。

进一步的，还包括：驱动电机和移动滑轨，所述移动滑轨分别与所述两个阴极通道管的一端相连，所述驱动电机设置于所述移动滑轨上，用于控制所述阴极与所述阳极之间稳定拉弧的状态。

进一步的，所述空气管的一端设置有空气进口，所述燃气管的一端设置有燃气进口，所述空气进口与燃气进口沿同一径向轴线设置。

进一步的，所述烧嘴套管的一端设有冷却水进口和冷却水出口，所述冷却水进口和冷却水出口沿同一径向轴线分别设置在所述烧嘴套管的上部和下部。

进一步的，所述空气进口和燃气进口距离所述阴级和阳极的起弧位置最大距离不超过2m。

进一步的，所述阴极和阳极为紫铜材料，所述绝缘套管为陶瓷材料。

本实用新型至少包括以下有益效果：

1）本实用新型采用两个单独的阴极与同一个阳极之间放电拉弧对两种不同的介质气体进行电离，通过对电弧电压以及介质气源流量的调整使其产生等离子体的同时部分燃料可以进行燃烧，间接替代了部分电能的消耗，降低电能消耗30%~40%，提高了二次能源的使用效率；

2）本实用新型采用等离子体火焰代替传统的离子杆电弧点火，使得点火方式更加简便，其火焰温度较高，喷出的火焰温度可达3000℃以上，可用于燃烧各种低热值煤气；

3）本实用新型对于低热值燃气同样适用，同时起到点火以及稳燃的作用；

4）本实用新型有效地解决了传统燃气长明灯长期燃烧导致积碳的问题；

5）本实用新型等离子体火焰温度调节范围增加，适应的工况更加宽泛；

6）阴级和阳极均采用紫铜材质，其电阻更小，电损耗更小。

附图说明

图1为本实用新型等离子体燃烧器的结构示意图。

图2为本实用新型等离子体燃烧器的右视图。

其中，阴极通道管1、空气管2、空气进口201、燃气管3、燃气进口301、烧嘴套管4、冷却水进口401、冷却水出口402、阴极5、阳极6、驱动电机7、移动滑轨8、绝缘套管9、狭窄通道10、中心孔11、安装法兰12。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。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。

本实用新型提出了一种单阳极双介质气源等离子体燃烧器，根据本实用新型的实施例，图1为本实用新型等离子体燃烧器的结构示意图，参照图1所示，包括：两个阴极通道管1、空气管2、燃气管3、烧嘴套管4、阴极5、阳极6、驱动电机7和移动滑轨8。

根据本实用新型的一些实施例，本实用新型所述阴极和阳极均优选为紫铜材料，与其分别相应连接的阴极导线和阳极导线采用紫铜材质，由于其电阻更小，电损耗更小，保证了本实用新型所述等离子体燃烧器的良好导电性。

根据本实用新型的实施例，参照图1所示，所述空气管和燃气管呈上下并列设置且沿水平方向互为平行设置，且均通过安装法兰12进行安装，所述安装法兰均分别位于所述空气管和燃气管的左端；根据本实用新型的一些实施例，距离所述空气管安装法兰一侧40-60mm处设置有所述空气进口201，距离所述燃气管安装法兰一侧40-60mm处设置有所述燃气进口301，均优选为50mm；同时本实用新型所述空气进口与燃气进口沿同一径向轴线设置，所述空气进口与燃气进口的通径均为20-30mm，优选为25mm；所述空气管和燃气管的管径比按照气体流速相同、空气过剩系数1.1时对应的管径大小设置。

根据本实用新型的一些实施例，所述空气进口及燃气进口的具体设置位置根据实际工艺需要进行设置，距离所述阴级和阳极的起弧位置最大距离不超过2m。

根据本实用新型的实施例，参照图1所示，所述空气管和燃气管的内腔中分别设有一个所述阴极通道管，所述阴极通道管沿水平方向延伸，并分别与所述空气管和燃气管平行形成介质气体的流动通道，每个所述阴极通道管的右端分别通过绝缘套管安装有一个所述阴极，所述阴极通道管为中空管，用于将阴极导线穿过所述阴极通道管与两个阴极焊连。

根据本实用新型的实施例，参照图1所示，所述烧嘴套管通过安装法兰环绕设置在所述空气管和所述燃气管的外壁上，使所述空气管和所述燃气管的右部分管路在所述烧嘴套管的内腔中沿水平方向延伸；根据本实用新型的一些实施例，本实用新型所述烧嘴套管直径为50-200mm，优选为150mm；所述安装法兰位于所述烧嘴套管的左端，在距离所述安装法兰一侧80-100mm处的所述烧嘴套管上设有冷却水进口401和冷却水出口402，优选为85mm；所述冷却水进口和冷却水出口沿同一径向轴线分别设置在所述烧嘴套管的上部和下部，所述冷却水进口和冷却水出口的直径为20-40mm，优选为30mm。

根据本实用新型的实施例，图2为本实用新型等离子体燃烧器的右视图，参照图1和图2所示，本实用新型所述阳极的中部设有中心孔11，所述阳极安装在所述烧嘴套管的右端与所述阴极位于同侧，所述阳极分别与所述空气管路中的阴极和燃气管路中的阴极形成产生电弧的狭窄通道10，当空气介质气体和燃气介质气体分别通过空气进口和燃气进口进入到所述介质气体的流动通道内，然后接通电源，此时，在所述空气管路中的阴极与阳极相交的狭窄通道处、所述燃气管路中的阴极与阳极相交的狭窄通道处，均形成电弧，介质气体通过电弧被电离成为等离子体火焰，进而把电能转化为热能，等离子体火焰温度极度升高，同时通过所述阳极中心孔的未被电离的部分介质气体（燃气和空气）在等离子体火焰的高温作用下进行燃烧，当所述燃烧火焰与等离子体火焰混合后共同提供燃烧器所提供的热量，最高温度达到3000℃以上，且能够形成稳定的亮白色火焰。

根据本实用新型的一些实施例，在所述等离子体燃烧器的出口处，即所述狭窄通道中，阴级和阳极之间的间隙不能太大，间隙太大会导致电阻太大，致使工作的介质气体不容易被电离，从而难以形成火焰；所以本实用新型将所述阴级与阳极之间的间隙优选为3-5mm。

根据本实用新型的一些实施例，本实用新型所述等离子体火焰的功率是方便可调的，通过改变阴级和阳极之间的电压，从而调节等离子火焰的功率，本实用新型的等离子体火焰的功率较在5-20kW范围内可调。等离子体火焰稳定之后，通过调节空气和燃气的进气量配比以及拉弧电压的强弱，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混合后使火焰温度控制在2000-3000℃，可以从燃料化学热和等离子体两方面得到所需温度，用部分化学能替代电能的消耗，同时减小等离子体电能的消耗，降低电能消耗30%-40%。

根据本实用新型的实施例，本实用新型所述阳极导线通过所述烧嘴套管与阳极焊接；参照图1所示，所述阳极外部设置有绝缘套管9，采用的是陶瓷材料，其绝缘性好而且耐高温，用于隔绝与工况内部气体的联系，防止燃气发生爆燃，保证了本实用新型所述等离子体燃烧器良好的安全性。

根据本实用新型的实施例，参照图1所示，本实用新型所述移动滑轨分别与所述两个阴极通道管的左端相连，所述驱动电机设置于所述移动滑轨上，两个阴极通过驱动电机的作用下在移动滑轨上相对于空气管和燃气管移动，从而保证阴极一直处于与阳极之间稳定拉弧的状态。

根据本实用新型的一些实施例，本实用新型所述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；当所述燃气介质气体为低热值煤气时，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。

实施例1：采用空气进口和燃气进口与所述阴级和阳极的起弧位置距离800mm，冷却水进出口与所述阴级和阳极的起弧位置距离450mm，烧嘴套管直径为150mm，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20kw。测试结果其中等离子体提供的热功率为14.3kw，燃烧提供的热功率为5.6kw，实际运行功率19.9kw，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1:1.01~1.05之间，燃气流量为50L/min，冷却水量25L/min，冷却水温差在1℃左右。

实施例2：采用空气进口和燃气进口与所述阴级和阳极的起弧位置距离800mm，调整冷却水进出口与所述阴级和阳极的起弧位置距离600mm，烧嘴套管直径为150mm，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20kw。测试结果其中等离子体提供的热功率为13.5kw，燃烧提供的热功率为4.2kw，实际运行功率19.2kw，与设计功率相差0.8kw，燃烧后温度在2100℃左右，重复点火实验点火，均可以稳定燃烧，其空燃比控制在1:1.01~1.05之间，燃气流量为50L/min，冷却水温差在2℃左右。

实施例3：采用空气进口和燃气进口与所述阴级和阳极的起弧位置距离600mm，调整冷却水进出口与所述阴级和阳极的起弧位置距离200mm，烧嘴套管直径为150mm，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20kw。测试结果其中等离子体提供的热功率为14.4kw，燃烧提供的热功率为4.8kw，实际运行功率17.7kw，与设计功率相差2.3kw，燃烧后温度在2500℃左右，重复点火实验点火，均可以稳定燃烧，其空燃比控制在1:1.01~1.05之间，燃气流量为50L/min，冷却水温差在0.8℃左右。

实施例4：采用空气进口和燃气进口与所述阴级和阳极的起弧位置距离1500mm，调整冷却水进出口与所述阴级和阳极的起弧位置距离450mm，烧嘴套管直径为150mm，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20kw。冷却水量25L/min，冷却水温差在1℃左右，空燃比控制在1:1.2~1.3之间，燃气流量为50L/min，测试结果其中等离子体提供的热功率为12.1kw，燃烧提供的热功率为4.5kw，实际运行功率16.6kw，与设计功率相差3.4kw，燃烧后温度在2150℃左右。调整空燃比控制在1:0.9~1.0之间，测试结果中等离子体提供的热功率为12.1kw，燃烧提供的热功率为2.3kw，实际运行功率14.4kw，与设计功率相差6.6kw，燃烧后温度在2000℃左右。

发明人发现，根据本实用新型所述的单阳极双介质气源等离子体燃烧器，采用两个单独的阴极与同一个阳极之间放电拉弧对两种不同的介质气体进行电离，通过对电弧电压以及介质气源流量的调整使其产生等离子体的同时部分燃料可以进行燃烧，间接替代了部分电能的消耗，降低电能消耗30%~40%，提高了二次能源的使用效率；且本实用新型采用等离子体火焰代替传统的离子杆电弧点火，使得点火方式更加简便，其火焰温度较高，喷出的火焰温度可达3000℃以上，可用于燃烧各种低热值煤气；同时本实用新型对于低热值燃气同样适用，同时起到点火以及稳燃的作用；此外，本实用新型有效地解决了传统燃气长明灯长期燃烧导致积碳的问题，且等离子体火焰温度调节范围增加，适应的工况更加宽泛；阴级和阳极均采用紫铜材质，其电阻更小，电损耗更小。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“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实用新型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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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，也可以是点连接；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，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型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)

1.一种单阳极双介质气源等离子体燃烧器，其特征在于，包括：两个阴极通道管、空气管、燃气管、烧嘴套管、阴极和阳极，其中，

所述空气管和燃气管的内腔中分别设有一个所述阴极通道管，所述阴极通道管沿水平方向延伸，并分别与所述空气管和燃气管平行；

每个所述阴极通道管的一端分别安装有一个所述阴极；

所述烧嘴套管环绕设置在所述空气管和所述燃气管的外壁上，使所述空气管和所述燃气管的部分管路在所述烧嘴套管的内腔中沿水平方向延伸；

所述阳极安装在所述烧嘴套管的一端且与所述阴极同侧对应设置，所述阳极分别与所述空气管中的阴极和燃气管中的阴极形成产生电弧的狭窄通道，用于分别电离空气介质和燃气介质。

2.根据权利要求1所述的单阳极双介质气源等离子体燃烧器，其特征在于，所述阳极的中部设有中心孔，用于将通过所述中心孔的未电离的部分空气介质和燃气介质在等离子体的高温下进行燃烧产生火焰。

3.根据权利要求1所述的单阳极双介质气源等离子体燃烧器，其特征在于，所述阴极通道管为中空管，用于将阴极导线穿过所述阴极通道管与所述阴极焊连，所述阴极与阴极通道管通过绝缘套管相连。

4.根据权利要求1所述的单阳极双介质气源等离子体燃烧器，其特征在于，所述阳极外部设置有绝缘套管，用于隔绝与工况内部气体的联系，防止燃气发生爆燃。

5.根据权利要求1所述的单阳极双介质气源等离子体燃烧器，其特征在于，所述狭窄通道中，所述阴极与所述阳极的间距为3-5mm。

6.根据权利要求1所述的单阳极双介质气源等离子体燃烧器，其特征在于，还包括：驱动电机和移动滑轨，所述移动滑轨分别与所述两个阴极通道管的一端相连，所述驱动电机设置于所述移动滑轨上，用于控制所述阴极与所述阳极之间稳定拉弧的状态。

7.根据权利要求1所述的单阳极双介质气源等离子体燃烧器，其特征在于，所述空气管的一端设置有空气进口，所述燃气管的一端设置有燃气进口，所述空气进口与燃气进口沿同一径向轴线设置。

8.根据权利要求1所述的单阳极双介质气源等离子体燃烧器，其特征在于，所述烧嘴套管的一端设有冷却水进口和冷却水出口，所述冷却水进口和冷却水出口沿同一径向轴线分别设置在所述烧嘴套管的上部和下部。

9.根据权利要求7所述的单阳极双介质气源等离子体燃烧器，其特征在于，所述空气进口和燃气进口距离所述阴极和阳极的起弧位置最大距离不超过2m。

10.根据权利要求3或4所述的单阳极双介质气源等离子体燃烧器，其特征在于，所述阴极和阳极为紫铜材料，所述绝缘套管为陶瓷材料。