[实用新型]一种耦合高频点火器的磁增强微波等离子体辅助化学反应系统

说明书

本实用新型提供了一种耦合高频点火器的磁增强微波等离子体辅助化学反应系统，所述的系统包括：渐变波导(1)、耐高温介质管(2)、滑动弧模块(3)、上微波转接(4)、磁体系统(5)、上腔体(6)、介质管外冷却管(7)、下密封圈(8)、冷却旋环(9)、上密封圈(10)、顶端密封板(11)、下腔体(12)、底部挡板(13)。所述的渐变波导(1)包括矩形部分、渐变部分和顶端部分，所述耐高温介质管(2)穿过所述顶端部分的中部区域，所述滑动弧模块(3)放置在耐高温介质管(2)的顶部。所述耐高温介质管(2)穿过渐变波导(1)后向下穿过下腔体(12)；所述磁体系统(5)固定于下腔体(12)与渐变波导(1)之间，本实用新型利用磁场提高微波等离子体的电离率，进而增强微波等离子体用于辅助化学反应系统的效率，具体包括燃料燃烧的辅助或氮氧化物生成的增强效果。

技术领域

本实用新型属于等离子体物理及应用科学研究领域，具体涉及一种耦合高频点火器的磁增强微波等离子体辅助化学反应系统，如等离子体辅助燃烧系统和固氮系统。

背景技术

利用可再生能源制氨是解决氢存储、运输瓶颈的重要举措。利用绿氢/氨替代含碳化石能源的氨能燃料利用技术路线是指使用氨作为储氢储能介质，使用成熟的氨储存和输运网络，在终端应用上采用煤电掺氨燃烧减碳或混合燃气发电，从而渐进式的达到碳达峰和碳中和目标。与氢相比氨的优点是能量密度大、易液化、易储运，与汽油相比氨的热值稍低、辛烷值较高、抗爆性能好，但氨的燃点高，使用时需要较高压缩比或外点火触发才能保证混合气被点燃。文献1(周上坤等，氨燃烧研究进展，中国电机工程学报，2021年)介绍了使用氢气、天然气、柴油等碳氢燃料对氨燃烧特性的增强措施，比如掺氢40％时在空气中燃烧时的层流火焰速度与甲烷相当，但这种方式需要另外增加一种燃料，使其使用受到一定的限制。另一种提高氨层流火焰速度的方法是富氧燃烧，在纯氧中氨的火焰传播速度达到1.09米/s，火焰厚度则仅有0.2mm。在氧气浓度达到30％时，层流火焰速度可以达到38.6cm/s，主要是因为氧气浓度的增加提高了反应区羟基、氢原子、氧原子和氨基的反应速率，但是这种方式需要对自然界的空气进行富氧化处理。

等离子体是中性粒子和带电粒子的集合体，是宏观上呈电中性的电离态气体。在等离子体中，反应物被激发产生热、电子、长寿命中间组分、活性自由基、激发态分子、燃料碎片、离子风、库仑力和洛伦兹力，同时氨在等离子体氛围下可以分解成氮气和氢气，更利于氨的燃烧。微波等离子体点火器拥有更大的等离子体羽翼体积以及点火速度，进而更有益于点火与助燃，使得化学反应速率大幅提高，大大缩短了点火延迟时间，提高了燃烧效率。通过分析，从各项技术的改善效果与所需费用来看，微波及微波等离子体助燃技术其性价比非常显著。早在80年代的苏联时期，有很多电厂使用劣质煤发电就存在有效自持燃烧的问题，使用燃料油可以解决点火和燃烧稳定性的问题，尽管煤的燃烧热等量提升了40％，但是却存在高成本以及存储燃油困难等。为了解决这个问题，等离子体技术被提出而且被证实有效，这种提高得益于煤粉被等离子体进一步粉碎、自由基的产生，以及加速了煤粉氧化的化学反应。同时实验还表明等离子体技术的另一个重要优势：相对较低温度的点火过程导致了这个阶段 NOx产物的减少。CN202011331827、CN202110327362、CN202110287430等分别提出了使用等离子体对氨燃料进行处理，进入内燃机、喷气发动机和锅炉进行燃烧，并在内燃机、喷气式发动机和锅炉内产生等离子体进行辅助燃烧，所采用的主要技术包括氨燃料的燃前裂解、发动机内的局域点火助燃和空气的等离子体预活化，所产生的等离子体利用率不高且作用受限，比如氨燃料的燃前裂解主要集中在氨燃料的热分解(电子作用较小)；空气等离子体活化主要利用长寿命自由基O₃，而氧化性更强的羟基和氧原子等无法起到作用，进而导致等离子体利用效率低、能耗高、化学反应不彻底。