CN218599716U - 一种制备高密度氢氧等离子体增强燃烧的助燃系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种制备高密度氢氧等离子体增强燃烧的助燃系统，涉及等离子体助燃系统领域，旨在解决现有技术中燃烧不充分的问题，采用的技术方案是，包括微波等离子发生单元、预混腔、燃烧器和送风风机，预混腔有两个进口和一个出口，微波等离子体发生单元连接预混腔的一个进口，另一个进口为燃料进口，出口连接燃烧器，燃烧器还连接送风风机；以水蒸气为原料，利用直流放电和微波激励制备高密度氢氧等离子体增能化石能源燃烧，克服了热效率低和燃尽率低的缺点，显著提高燃烧效率，增加热量利用率，减少了碳氢燃料的使用量，节约了燃烧成本，降低碳氢燃料燃烧CO、HC、NOx、黑烟的排放，达到节能减排的功效。
Description
技术领域
本实用新型涉及等离子体助燃系统领域，具体为一种制备高密度氢氧等离子体增强燃烧的助燃系统。
背景技术
目前碳氢类燃烧包括汽油、柴油、重油、煤油、液化气及天然气等，其燃烧过程是燃料与空气中的氧气发生化学反应的过程，在理想状态下燃料燃烧后其产物是二氧化碳和水。但由于各种原因，碳氢燃料在锅炉、工业炉等燃烧器中都得不到充分燃烧，这样燃烧后的产物除了二氧化碳和水以外还有一氧化碳和碳氢化合物等副产物。燃料的不完全燃烧不仅浪费能源，而且也产生了污染排放。
实用新型内容
鉴于现有技术中所存在的燃烧不充分问题，本实用新型公开了一种制备高密度氢氧等离子体增强燃烧的助燃系统，辅助燃烧，减少污染物的排放。
氢氧等离子的制备方法有多种，最常见的等离子体产生方法是气体放电法，主要的激励方式有：直流放电、交流放电、射频放电、激光和微波激励。其中微波等离子体能将微波能量转换为气体分子的内能，从而使气体激发、电离产生等离子体。与其他放电等离子体相比，微波等离子体具有很多优势：
(1)微波等离子体由于无极高频放电，能避免电极污染；(2)微波等离子体具有更高的电子温度、电子密度以及更宽的发射光谱；(3)利用波导，可以将微波源与工艺操作区隔离，因此，本技术方案采用微波激励结合直流放电的方式制备高密度氢氧等离子体。
采用的技术方案是，包括微波等离子发生单元、预混腔、燃烧器和送风风机，所述预混腔有两个进口和一个出口，所述微波等离子体发生单元连接所述预混腔的一个进口，另一个进口为燃料进口，出口连接所述燃烧器，所述燃烧器还连接所述送风风机，将燃料与氢氧等离子体混合后送入燃烧器中，再由送风风机补入空气增加燃烧器中的氧气含量，使燃料得以充分燃烧。
作为本实用新型的一种优选技术方案，所述微波等离子发生单元包括真空放电管、环形线圈、磁轭、半环形永磁体、直流电极和微波源，所述真空放电管前半段内有放电腔，前半段外侧对向设置所述直流电极，后半段外壁有环形线圈，所述真空放电管内壁装有磁轭，所述磁轭位于真空放电管前半段和后半段的交界处，所述磁轭中心位置设有通孔，所述半环形永磁体围绕通孔对向垂直安装于磁轭的后向表面，所述真空放电管上方装有所述微波源；所述真空放电管前端有水蒸气入口，后端有等离子体出口，所述等离子体出口与所述预混腔相连。直流电极的正负极分布于真空放电管管体对侧，真空放电管管体为石英材质，不仅具有良好的化学稳定性，而且具有很高的介电强度和极低的导电率，即是在高温、高压和高频下，仍能保持很高的介电强度和电阻，在所应用的频带内几乎没有介电损耗，由此直流电极的正负极之间发生介质阻挡放电，在真空放电管内形成电弧放电。
作为本实用新型的一种优选技术方案，所述等离子体出口通过管道依次连接比例阀、单向阀后与所述预混腔相连，比例阀能够调整等离子体出口流量，单向阀能够防止预混腔内的混合物倒流，所述比例阀前端装有第二压力传感器，所述比例阀和所述单向阀之间通过三通连接放空管，所述放空管上装有放空阀，当管内压力过高时，可通过放空阀泄压。
作为本实用新型的一种优选技术方案，所述半环形永磁体有两个，且均为弧形板状结构，两个所述半环形永磁体装在所述磁轭的通孔两侧且内弧面相对。
作为本实用新型的一种优选技术方案，所述真空放电管上还通过管道连接有真空阀和真空泵，能够将真空放电管内抽真空。
作为本实用新型的一种优选技术方案，所述微波源通过波导管连接微波空腔谐振器，微波空腔谐振器中间设有贯穿圆孔用于插入真空放电管，利用空腔微波谐振器将微波能量耦合进真空放电管前半段并在后半段的环形线圈中产生感应电流，在真空放电管后半段内形成微波电场。
作为本实用新型的一种优选技术方案，还包括蒸汽发生器，所述蒸汽发生器前端通过管道连接了水泵和进水阀，后端通过管道连接所述真空放电管的水蒸气入口，连接所述水蒸气入口的管道上安装了温度传感器和第一压力传感器，设置蒸汽发生器可通入水源后制备水蒸气备用。
作为本实用新型的一种优选技术方案，所述预混腔上装有第三压力传感器，检测预混腔内的压力情况，顶面装有泄压管，所述泄压管上装有泄压阀，当预混腔内压力过高时可打开泄压阀泄压确保安全，所述预混腔出口连接阻火器后连接所述燃烧器，阻火器可防止燃烧器内的火焰进入预混腔形成安全隐患。
燃烧器包括锅炉燃烧器、窑炉燃烧器、窑炉烧嘴，车辆、船舶、柴油发电机、工程机械等的内燃机的任一种；蒸汽发生器包括蒸汽锅炉、闪蒸缸、加热管等制取蒸汽装置的任一种。
本实用新型的有益效果：本实用新型通过以水蒸气为原料采用微波激励制备氢氧等离子体与碳氢燃料预混后共同燃烧，利用零碳、高热值的氢氧等离子体增能高成本、高含碳的化石能源燃烧，克服了热效率低和燃尽率低的缺点，显著提高燃烧效率，改善燃烧工况，稳定燃烧过程，增加热量利用率，减少了碳氢燃料的使用量，节约了燃烧成本，降低碳氢燃料燃烧CO、HC、NOx、黑烟的排放，达到节能减排的功效。
进一步的，利用微波让极性水蒸气分子做受迫振动且发生共振，通过高频电磁波将水分子的连接键削弱，且微波加热的能量效率远高于传统加热方式，因此降低了制备氢氧等离子体所需水蒸气原料的温度、能量要求，减少了生产水蒸气的能耗；真空放电管的前半段可以称为放电段，后半段可以称为加速段，放电段的高能电子在加速段受到磁力线和微波电场的谐振作用，进一步提高电子能量和运动速率，与未解离的水蒸气分子、原子发生碰撞激发和电离，提高氢氧等离子体生成密度；本技术方案的真空放电腔不仅具有结构紧凑、反应连贯的特点，而且通过加速段的设置提高了水蒸气分子电离并解离为氢氧等离子体的电离率。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍；在所有附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本实用新型结构示意图；
图2为本实用新型真空放电管后半段截面结构示意图；
图3为本实用新型微波空腔谐振器设置结构示意图。
图中：1、蒸汽发生器；2、真空放电管；201、水蒸气入口；202、等离子体出口；3、环形线圈；4、磁轭；401、通孔；5、半环形永磁体；6、放电腔；7、直流电极；8、微波源；801、波导管；802、微波空腔谐振器；803、贯穿圆孔；9、真空阀；10、真空泵；11、比例阀；12、单向阀；13、放空阀；14、预混腔；15、泄压阀；16、阻火器；17、燃烧器；18、送风风机；19、水泵；20、进水阀。
具体实施方式
实施例1
如图1至图3所示，本实用新型公开了一种制备高密度氢氧等离子体增强燃烧的助燃系统，采用的技术方案是，包括蒸汽发生器1、真空放电管2、微波源8、预混腔14和燃烧器17，蒸汽发生器1进口通过管道连接水泵19和进水阀20后连接水源，产生100～110℃的蒸汽后，蒸汽从蒸汽发生器1出口通过管道和水蒸气入口201进入真空放电管2，管道上装有温度传感器和第一压力传感器，用于检测产生的蒸汽的压力和温度，真空放电管2的管体采用石英材质，内部为放电腔6，在前半段外壁上下两侧设置直流电极7，施加450-500V、250-350A的直流电场，微波源8通过波导管801连接微波空腔谐振器802，微波空腔谐振器802中间设有贯穿圆孔803用于插入真空放电管2，使微波源8产生的2.45GHz微波能够馈入放电腔6，真空放电管2后半段外壁缠绕了环形线圈3，微波源8产生的微波能够使环形线圈3产生感应电流进而在真空放电管2后半段形成微波电场，真空放电管2的前半段和后半段交界处的内壁上安装了磁轭4，磁轭4中心有通孔401，通孔401后端上下两侧安装有半环形永磁体5，半环形永磁体5为弧形板状机构，以内弧面相对的形式设置在磁轭4上，在放电腔6前段，通过外侧施加的450-500V、250-350A的直流电场产生的电弧放电向真空放电管释放大量高能电子，高能电子与水蒸气分子发生碰撞激发和电离，打断水蒸气分子连接键，从而使水蒸气分子被电离并解离成氢和氧自由基，在大空间范围内产生氢氧等离子体活性粒子；在圆柱腔体前半段生成的氢氧等离子体及未解离的水蒸气分子、原子进入放电腔6后半段，在放电腔6后半段，电子绕磁力线的回旋运动和微波电场变化同步产生谐振，由此微波电场加热电子进一步提高电子能量和运动速率，高能电子进一步和水蒸气分子、原子发生碰撞激发和电离，氢氧等离子体电离度可达1％-5％，形成高密度等离子体。
为了能够使真空放电管2内部达到真空状态，真空放电管2还通过管道连接了真空阀9和真空泵10，用于将放电腔6抽真空。
真空放电管2的等离子体出口202通过管道连接比例阀11和单向阀12后连接预混腔14，比例阀11能够控制氢氧等离子体的输出流量，在比例阀11前端安装第二压力传感器能够检测氢氧等离子体的输出压力，在比例阀11和单向阀12之间安装一个支管作为放空管，放空管上安装了放空阀13，能够在管道内压力过大时打开放空阀13放空以降低管道内的压力，而单向阀12能够防止预混腔14内的混合物返流。
氢氧等离子体进入预混腔14后，与另一个进口进入的碳氢燃料充分混合，为了防止压力过高，在预混腔14上设置了第三压力传感器和泄压管，泄压管上装有泄压阀15，当压力过高时可通过开启泄压阀15泄压，氢氧等离子体与碳氢燃料混合后进入燃烧器17中燃烧，为了防止燃烧器17中的火焰进入预混腔14造成危险，在燃烧器17燃料进口的前端设置了阻火器16，为了进一步使燃料充分燃烧，燃烧器17还连接了送风风机18以向燃烧器17内鼓风，维持氧气的充足。
氢氧等离子体增能原理如下：
(1)碳氢燃料中的大分子和氢氧等离子体中的高能电子发生非弹性碰撞而裂解生成小分子燃料，实现燃料的完全燃烧；
(2)氢氧等离子体活性粒子可以加速燃料燃烧的链式反应的进行，提高火焰传播速度；
(3)氢氧等离子体激励能对燃烧室流场进行扰动，促进燃料和空气的混合，增强燃烧稳定性；
(4)氢气燃烧的热值高(143MJ/Kg)，每千克氢燃烧后的热量，约为汽油的3倍，天然气的1.6倍，且具有火焰传播速度快(2.75m/s)、燃烧温度高(在空气中当量燃烧时火焰温度为1430℃；在氧气中当量燃烧时火焰温度：2830℃)的特点，氢氧等离子体燃烧产生的高温高速火焰，保证炉内碳氢燃料充分燃烧，提高燃烧效率。
进水阀20、比例阀11、放空阀13、泄压阀15均为电磁阀，进水阀20、水泵19、蒸汽发生器1、温度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、真空泵10、微波源8、比例阀11、放空阀13、泄压阀15、送风风机18均与PLC控制器相连。
氢氧等离子体制备的基本原理是，通过外部施加能量打开水分子的连接键，生成氢氧等离子体。通过多种形式，如电弧放电、辉光放电、激光、火焰或冲击波等，都可以使处于低气压状态的气体物质转变成等离子体状态。如在高频电场中处于低气压状态的氧气、氮气、甲烷、水蒸气等气体分子在辉光放电的情况下，可以分解出加速运动的原子和分子，这样产生的电子和解离成带有正、负电荷的原子和分子。这样产生的电子在电场中加速时会获得高能量，并与周围的分子或原子发生碰撞，结果使分子和原子中又激发出电子，而本身又处于激发状态或离子状态，这时物质存在的状态即为等离子体状态。
本技术方案中，水蒸气自身蕴含着巨大的分子能量，使水分子结构呈现不稳定状态，高温下互相撞击，再通过微波源发射电磁辐射，进一步打破高温蒸汽下水分子内部的结构平衡。此时，脆弱的水分子链中，已经蕴含了巨大的能量，再通过外加直流电场产生电弧放电，释放大量高能电子打断水蒸气分子连接键，水分子瞬间电离并解离成氢氧等离子体。
本实用新型涉及的电路连接为本领域技术人员采用的惯用手段，可通过有限次试验得到技术启示，属于公知常识。
本文中未详细说明的部件为现有技术。
上述虽然对本实用新型的具体实施例作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下做出各种变化，而不具备创造性劳动的修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。
Claims (9)
1.一种制备高密度氢氧等离子体增强燃烧的助燃系统，其特征在于：包括微波等离子发生单元、预混腔(14)、燃烧器(17)和送风风机(18)，所述预混腔(14)有两个进口和一个出口，所述微波等离子体发生单元连接所述预混腔(14)的一个进口，另一个进口为燃料进口，出口连接所述燃烧器(17)，所述燃烧器(17)还连接所述送风风机(18)。
2.根据权利要求1所述的一种制备高密度氢氧等离子体增强燃烧的助燃系统，其特征在于：所述微波等离子发生单元包括真空放电管(2)、环形线圈(3)、磁轭(4)、半环形永磁体(5)、直流电极(7)和微波源(8)，所述真空放电管(2)前半段内有放电腔(6)，前半段外侧对向设置所述直流电极(7)，后半段外壁有环形线圈(3)，所述真空放电管(2)内壁装有磁轭(4)，所述磁轭(4)位于所述真空放电管(2)前半段和后半段的交界处，所述磁轭(4)中心位置设有通孔(401)，所述半环形永磁体(5)围绕通孔对向垂直安装于磁轭(4)的后向面，所述真空放电管(2)上方装有所述微波源(8)；所述真空放电管(2)前端有水蒸气入口(201)，后端有等离子体出口(202)，所述等离子体出口(202)与所述预混腔(14)相连。
3.根据权利要求2所述的一种制备高密度氢氧等离子体增强燃烧的助燃系统，其特征在于：所述直流电极(7)加装在所述真空放电管(2)外部对侧。
4.根据权利要求2所述的一种制备高密度氢氧等离子体增强燃烧的助燃系统，其特征在于：所述等离子体出口(202)通过管道依次连接比例阀(11)、单向阀(12)后与所述预混腔(14)相连，所述比例阀(11)前端装有第二压力传感器，所述比例阀(11)和所述单向阀(12)之间通过三通连接放空管，所述放空管上装有放空阀(13)。
5.根据权利要求2所述的一种制备高密度氢氧等离子体增强燃烧的助燃系统，其特征在于：所述半环形永磁体(5)有两个，且均为弧形板状结构，两个所述半环形永磁体(5)装在所述磁轭(4)的通孔(401)两侧且内弧面相对。
6.根据权利要求5所述的一种制备高密度氢氧等离子体增强燃烧的助燃系统，其特征在于：所述真空放电管(2)上还通过管道连接有真空阀(9)和真空泵(10)。
7.根据权利要求2所述的一种制备高密度氢氧等离子体增强燃烧的助燃系统，其特征在于：所述微波源(8)通过波导管(801)连接微波空腔谐振器(802)，微波空腔谐振器(802)中间设有贯穿圆孔(803),所述真空放电管(2)在所述贯穿圆孔(803)内。
8.根据权利要求2所述的一种制备高密度氢氧等离子体增强燃烧的助燃系统，其特征在于：还包括蒸汽发生器(1)，所述蒸汽发生器(1)前端通过管道连接了水泵(19)和进水阀(20)，后端通过管道连接了所述水蒸气入口(201)，连接所述水蒸气入口(201)的管道上安装了温度传感器和第一压力传感器。
9.根据权利要求1所述的一种制备高密度氢氧等离子体增强燃烧的助燃系统，其特征在于：所述预混腔(14)上装有第三压力传感器，顶面装有泄压管，所述泄压管上装有泄压阀(15)，所述预混腔(14)出口连接阻火器(16)后连接所述燃烧器(17)。
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