[发明专利]非热力学平衡等离子体点火与助燃装置

说明书

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CO、H₂较少，而惰性气体CO₂、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)H₂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：

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。

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。

附图说明

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。