专利名称：非热力学平衡等离子体点火与助燃装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及先进燃烧技术领域，具体地说，是一种提高气体燃料点火性能、燃烧效
率及燃烧稳定性的助燃装置，可用于航空、化工、发电、冶金等行业。特别地涉及一种非热力 学平衡等离子体点火与助燃装置。
背景技术：
在化学工业、石油工业、钢铁工业的生产过程中都会产生一些低热值的气体燃料。 以高炉煤气为例，它是炼铁过程产生的伴生气，所含可燃成分C0、 H2较少，而惰性气体C02、 N2较多，热值仅为2. 5 3. 5MJ/Nm3。燃气轮机在烧高炉煤气时遇到的问题有1)热值较低 使得点火困难；2)112含量较少使得燃烧稳定性差，容易发生稀态熄火；3)低负荷工况下容 易发生CO燃烧不完全的现象，致使燃烧效率明显下降。当前解决这些问题的主要方法有 1)使用焦炉煤气掺混入高炉煤气中以提高热值，使燃烧容易组织；2)在燃烧室中使用高炉 煤气和燃油两种燃料，在缺少高炉煤气(低负荷)时可随时切换燃油，以确保燃烧稳定；3) 使用轻质柴油点火并作为值班火焰以稳定燃烧。焦炉煤气、燃油及柴油等相对于高炉煤气 来说都是高品位能源，为了有效利用高炉煤气而大量耗费这些高品位能源，无疑会增加系 统运行成本，使得经济效益大打折扣。因此，我们迫切需要找到一种更为简单有效、经济实 用的方法来实现低热值气体燃料在燃气轮机燃烧室中的可靠点火和稳定燃烧。对于航空发 动机，当在高空发生熄火时，要求能够重新点火。可是由于高空中空气稀薄，空气中氧气含 量低，压力和温度低，同时由于压气机处于风车状态，也无法为燃烧室提供高压空气，这些 因素都增加了点火的难度，因此对于燃烧室的点火性能提出了很大的挑战，需要采用更加 可靠的点火装置。本项发明正是基于上述两种目的而提出的。
发明内容
本发明的目的在于是提供一种非热力学平衡等离子体点火与助燃装置，以解决燃 气轮机烧低热值气体时点火困难以及燃烧不稳定的技术问题。 为了达到上述目的，本发明的整体思路是在未燃气体(可以是空气、燃料气或者 混合气)中放电产生非平衡等离子体，利用非平衡等离子体的化学活性提高燃料的点火性 能及燃烧稳定性。本发明的技术方案如下 —种非热力学平衡等离子体点火与助燃装置，包括内、外电极，绝缘阻挡介质和高 压交流电源；所述内电极为空心的金属管，金属管内通过燃料气体；外电极由金属网制成， 所述绝缘阻挡介质插入内、外电极间且与内、外电极形成同轴设置，所述高压交流电源连接 所述外电极以在内、外电极间施加交流电压使得内外电极间的间隙内的气体被击穿。
以往的等离子体点火装置都是通过电弧放电产生平衡态等离子体，即热等离子 体。热等离子体的优点是温度高，点火能量大，但其缺点也很明显，功耗大，效率低，化学活 性差，温度过高导致电极寿命短，不能长时间运行。本发明提供的非平衡等离子体助燃装置 相比于以往的等离子点火装置其优点在于非平衡等离子体温度低，功耗低，化学活性好，并且电极温度低，可以长时间运行而无需冷却。 所述绝缘阻挡介质为石英玻璃管或刚玉管。刚玉管的耐温性能更好，比石英玻璃 管更适合作为绝缘介质。本装置选择石英管是因为石英管是透明的，便于观测和拍摄。
内电极为空心不锈钢圆管，气体可以从内电极内部通过。这使得该助燃装置的燃 烧方式既可以为扩散燃烧(燃料气从内电极内部通过，空气从内电极与石英玻璃管之间的 间隙通过)，又可以为预混燃烧(燃料气先跟空气混合好，再从内电极与石英玻璃管或刚玉 管之间的间隙通过)。 石英玻璃管或刚玉管比内电极高出50mm左右，这样可以防止放电时可能发生的 "爬电"现象。 石英玻璃管或刚玉管是在石棉绳和法兰的共同作用下固定的，这种方式既固定了
石英玻璃管或刚玉管，又能给予石英玻璃管或刚玉管外力保护，防止其受力后破碎。 本发明提供的等离子体助燃装置相比于目前燃气轮机上用的助燃方法其优点在
于 1)该装置结构简单，体积小，容易安装在燃气轮机燃烧室中。 2)该装置功耗较低，只消耗较少的电量就能保证燃烧室内的可靠点火和稳定燃 烧，不需要耗费燃油燃气等资源。 3)该装置操作简便，能够针对不同的工况调节不同的放电参数以满足需求。
图1是本发明的非热力学平衡等离子体点火与助燃装置的结构示意图。 图2a-2b是本发明的非热力学平衡等离子体点火与助燃装置中进气槽的结构图。 图3a-3d是本发明的非热力学平衡等离子体点火与助燃装置点火过程的照片。 图4a-4d是本发明的非热力学平衡等离子体点火与助燃装置助燃过程的照片。 图5a-5b是本发明施加等离子体前后点火性能对比图。 图6是本发明施加等离子体前后燃烧特性对比图。
具体实施例方式
下面根据图1至图6，给出本发明一个较好实施例，并予以详细描述，使能更好地 理解本发明的功能、特点。 图1是本发明的非热力学平衡等离子体点火与助燃装置结构示意图，其中显示了 点火与助燃装置中的石英玻璃管1，内电极2，外电极3，法兰4，套筒5，石棉填充物6，垫片 7，进气槽8 (进气槽8具体结构参见图2)，底座9，支脚10，进气嘴11 ，燃料入口 12，空气入 口 13，高压引线14和地线15。 石英玻璃管1竖直的立在进气槽8上面，底部套上垫片7防止其横向滑移。在石
英玻璃管外靠近底部1/3处填充了许多石棉绳6，然后通过法兰4与套筒5的连接压紧石棉
绳，这样就防止了石英玻璃管沿轴向滑移或者转动。垫片和石棉绳的共同作用既保证了石
英玻璃管的位置固定，又避免了给石英玻璃管施加太大的外力导致其破裂。 还可以采用其他类似的固定石英玻璃管的方法，例如做一个有一定高度的圆环状
的金属凹槽，把玻璃管竖直放在凹槽里面，在缝隙处垫一些石棉绳加以固定。这样也能固定石英玻璃管，但是石英玻璃管受热后会膨胀，膨胀后的石英玻璃管接触到金属凹槽的内壁 后易发生破裂。 内电极2是空心的，中间流过的是燃料气体。在其放电的这一端(顶部)加工了 11个厚度为2mm的相对内电极2外表面径向向外凸出的圆环，这些圆环可以减小放电间隙， 使得产生的等离子体的密度更大。在进气的这一端(底部)采用了螺纹结构与气嘴11连 接，气嘴11的底部是燃料气进口 12。 内电极上凸起的圆环的起的作用是造成电场不均匀，这样才能比较容易放电。如 果没有圆环，内部是光滑的，在小的放电间隙下可以放电，间隙一大就不容易产生均匀的放 电。圆环的数量太少则有效放电面就太小，数量过多则放电会比较困难(需要更高的电 压)。 一般来说，整个放电区域的长度在80mm左右就可以了。圆环的间距一般是2 8mm 就可以了。 在装置的顶部，石英玻璃管高出内电极30-60mm，例如50mm，这是为了防止"爬电"
的产生。 套筒5是由上盖、筒身、底盖三部分焊接而成的，上盖用来与法兰4连接，筒身提供 了一个可以填充石棉绳的空间，底盖用来与底座9连接，另外，底盖处有一个空气入口 13。 设置在一边或者两边都可以，设置一个进口或者二个进口都可以。 图2a-2b是本发明的助燃装置中进气槽的结构图，其中图2a为主视图与俯视图， 图2b为剖面图。进气槽8是挖有4个凹槽的柱体，进气槽8与空气入口 13相通，空气从空 气入口 13进入后，通过凹槽流进内电极与石英玻璃管之间的间隙里。 底座9分别与套筒5和进气槽8连接，构成了一个封闭的空间供空气流通。底座9 的中心是空的，内电极2从底座9中心穿过。支脚10有三只，用来支撑整个装置。高压引 线14接高压电源的正极，地线15接高压电源的地级。 空气从空气入口 13流入该装置，经过进气槽8后，流进内电极2与石英玻璃管1 之间的间隙，在通过外电极3所包围的区域时被击穿产生放电，然后再与从内电极2流出的 燃料气混合，发生化学反应。 在放电过程中会产生大量低温的非平衡等离子体。非平衡等离子体中的高能电子 与反应物分子的碰撞，导致分子键松弛、断裂或裂解成自由基。自由基(即活性粒子)在燃 烧反应中起到了重要作用，这是因为燃料氧化的化学反应，特别是连锁反应通过生成的活 化中心(链载体)进行，这些活化中心通常是原子和基团等活性粒子，且连锁反应的速度取 决于燃烧区内活性粒子的浓度。因此，如果在燃烧前或者燃烧过程中利用放电等离子体在 未燃区产生一定数量的活性成分，燃烧速度就有可能提高。 图3a-3d是反应本发明的非平衡等离子体助燃装置点火过程的一组照片，是以时 间顺序拍摄的。通过放电间隙的空气被击穿，产生放电(图3a)，电离后的空气与从内电极 中喷射出来的燃料混合时发生化学反应，火焰被点燃(图3b)，刚开始燃烧并不稳定，火焰 左右摇晃(图3c)，几秒种后，火焰在等离子体的助燃下稳定的燃烧(图3d)。
图4a-4d是抬升火焰在本发明的非平衡等离子体助燃装置助燃下变成稳定的射 流火焰的一组照片，也是以时间顺序拍摄的。电火花点燃了不稳定的抬升火焰(图4a)，放 电器功率为25W时，火焰形状并无明显变化(图4b)，增大功率至50W，等离子体的密度增大 了，火焰形状仍无明显变化(图4c)，继续增大功率至IOOW，抬升火焰迅速向管内移动，变成了稳定的射流火焰(图4d)。图4说明了在等离子体助燃的条件下，火焰传播速度提高，燃 烧稳定性更好。 图5a-5b是本发明的非平衡等离子体助燃装置与电火花点火性能的对比。其中， 图5a为电火花点火性能图，图5b为非平衡等离子体点火性能图。如图所示，电火花点火的 着火范围比较狭窄，尤其是在氢含量较低时，即使当量比很大也无法点燃，而一般低热值气 体的氢含量都较低(高炉煤气的氢含量不到10% )，因此使用传统的电火花点火方式很难 点燃低热值的气体燃料。而非平衡等离子体点火的着火范围极广，能够在较小的氢含量下 (< 10% )点火成功，并且外界负荷的变化(当量比的变化)对于点火性能的影响很小。可 以说，等离子体点火的性能远远超过了传统的电火花点火的性能，尤其适用于氢含量较低 和低负荷工况下的低热值气体的点火。 图6是采用本发明的非平衡等离子体助燃与不采用等离子体两种情况下燃烧时 熄火极限的对比。如图所示，在没有等离子体助燃的情况下，燃烧稳定性差，尤其是在热值 较低时，熄火当量比较高(①>0.4)，完全不能达到燃气轮机燃烧室正常运行的工况(① < 0. 3)。而在有等离子体助燃的情况下，当量比能够降低到更小的值(①< 0. 3)才熄火。 这说明了在等离子体助燃条件下熄火极限拓宽了，燃烧室的燃烧稳定性有了较大的提高。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围。例如其中的 石英玻璃管可以用刚玉管替代。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的 简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。
权利要求
一种非热力学平衡等离子体点火与助燃装置，包括内、外电极，绝缘阻挡介质和高压交流电源；所述内电极为空心的金属管，金属管内通过燃料气体；外电极由金属网制成，所述绝缘阻挡介质插入内、外电极间且与内、外电极形成同轴设置，所述高压交流电源连接所述外电极以在内、外电极间施加交流电压使得内外电极间的间隙内的气体被击穿。
2. 如权利要求1所述的非热力学平衡等离子体点火与助燃装置，其特征在于，该点火 与助燃装置包括底座，所述绝缘阻挡介质固定在底座上。
3. 如权利要求2所述的非热力学平衡等离子体点火与助燃装置，其特征在于，所述绝 缘阻挡介质为石英玻璃管或刚玉管。
4. 如权利要求3所述的非热力学平衡等离子体点火与助燃装置，其特征在于，所述石 英玻璃管或刚玉管比所述内电极高出30-60mm。
5. 如权利要求3所述的非热力学平衡等离子体点火与助燃装置，其特征在于，所述石 英玻璃管或刚玉管竖立在所述底座上，所述石英玻璃管或刚玉管的底部套有垫片。
6. 如权利要求5所述的非热力学平衡等离子体点火与助燃装置，其特征在于，所述石 英玻璃管外靠近底部1/3处填充有石棉绳。
7. 如权利要求6所述的非热力学平衡等离子体点火与助燃装置，其特征在于，所述石 棉绳被压紧。
8. 如权利要求2所述的非热力学平衡等离子体点火与助燃装置，其特征在于，底座的 中心部分部是空心的，所述内电极从所述底座的中心部分穿过并固定在底座上。
9. 如权利要求1所述的非热力学平衡等离子体点火与助燃装置，其特征在于，所述金 属管为不锈钢圆管。
10. 如权利要求1所述的非热力学平衡等离子体点火与助燃装置，其特征在于，所述金 属网为不锈钢网，该不锈钢网具有网孔，该网孔大小为lmmXlmm。
全文摘要
本发明公开了一种非热力学平衡等离子体点火与助燃装置，包括内、外电极，绝缘阻挡介质和高压交流电源；所述内电极为空心的金属管，金属管内通过燃料气体；外电极由金属网制成，所述绝缘阻挡介质插入内、外电极间且与内、外电极形成同轴设置，所述高压交流电源连接所述外电极以在内、外电极间施加交流电压使得内外电极间的间隙内的气体被击穿。本发明提供的非平衡等离子体助燃装置相比于以往的等离子点火装置其优点在于非平衡等离子体温度低，功耗低，化学活性好，并且电极温度低，可以长时间运行而无需冷却。
文档编号F23Q7/00GK101761940SQ20091020110
公开日2010年6月30日 申请日期2009年12月15日 优先权日2009年12月15日
发明者张宏武, 徐纲, 房爱兵, 胡宏斌, 黄伟光 申请人:上海中科清洁能源技术发展中心;中国科学院工程热物理研究所