CN105180183A - 一种等离子体助燃瑞士卷燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种等离子体助燃瑞士卷燃烧器，属于低热值燃气利用技术领域。包括燃烧室和螺旋板式通道，具体包括燃烧器外壳、导流板、多孔介质、进气通道、出气通道、放电装置、臭氧加入口、测温孔、点火孔、观察孔、金属高压电极板、电极引出导线和排气烟囱，该燃烧器为圆形或方形，上下两端部由密封板密封，螺旋板式通道两端为进气通道和出气通道，多孔介质位于燃烧室中心，燃烧室内壁涂有耐热材料，燃烧室外包绝热材料，放电装置和导流板位于燃烧室入口处，在螺旋板式通道最外环设置臭氧加入口。该燃烧器结合等离子体放电装置或臭氧发生器以及多孔介质材料能达到减少能耗、消除毒害等目的。

Description

一种等离子体助燃瑞士卷燃烧器

技术领域

本发明涉及低热值燃气(废气)利用技术领域，特别是指一种等离子体助燃瑞士卷燃烧器。

背景技术

我国是一个能源需求大国，但是能源利用效率也受技术手段的缺陷无法达到很高的水平。人们在开采使用各种能源资源时常伴有部分含少量可燃成分、热值很低的“废气”未经利用就直接排放入大气的情况，如煤矿开采过程中排放的瓦斯气、石化行业点火炬排空的烃类废气、油气田开采中排放的伴生天然气、垃圾填埋产生的填埋气、化工行业生产时产生的可燃有毒废气等。这些含有可燃成分或有毒气体的“废气”的直接排放，在污染了环境的同时也造成了能源的浪费。

通常发热量小于6.28MJ/m³的气体被称为低热值气体，但上节所述的“废气”的热值要远低于这个值，由于受到可燃极限的制约，无法用传统的燃烧方法直接处理。以甲烷气为例，通常条件下其可燃极限为5％—15％左右，而上述低热值可燃废气的发热量折算成甲烷后，对应甲烷体积浓度一般在0.5—3％之间，远低于可燃极限范围，采用常规的燃烧组织方式无法进行直接的处理，企业常选择直接排放，造成环境污染。

目前工业上处理这些低热值可燃废气的技术主要有：燃烧技术，生物净化技术、膜分离技术、吸附技术以及冷凝技术等，其中燃烧是目前最主要也是最有效的处理方式。燃烧主要有三种类型：即直接燃烧、热力燃烧、以及催化燃烧。当可燃成分较低时，直接燃烧已经不足以维持；当可燃成分很低时，热力燃烧或蓄热燃烧也已经不能使温度维持在燃烧所需的温度；当可燃成分稍高时，燃烧温度也就高，会导致催化剂的失效等问题。因此较好的处理方式是将烟气热量循环利用且往系统中加入额外的能量帮助处理极低热值可燃废气，而瑞士卷燃烧器就可达到这个目的。

现有的瑞士卷燃烧器多针对MEMS的微小尺度研究，且由于其结构比表面积较大的原因，散热问题比较严重且燃料浓度在当量比附近，未见有将多孔介质蓄热燃烧技术和等离子体放电技术结合中大尺寸的瑞士卷燃烧器的应用相。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种等离子体助燃瑞士卷燃烧器，适用于含少量可燃成分、热值很低的工业“废气”，如钢铁行业排放的低热值高炉煤气、焦炉煤气等、煤矿开采过程中排放的瓦斯气、石化行业点火炬排空的烃类废气、油气田开采中排放的伴生天然气、垃圾填埋产生的填埋气、化工行业生产时产生的可燃有毒废气等的燃烧。

该燃烧器包括燃烧器外壳、燃烧室、螺旋板式通道、上盖板和下底板，具体包括导流板、多孔介质、进气通道、出气通道、放电装置、臭氧加入口、测温孔、点火孔、观察孔、金属高压电极板、电极引出导线和排气烟囱，燃烧器由上盖板和下底板密封，观察孔设置在上盖板上，用于观察点火燃烧状态，监视火焰是否熄灭，螺旋板式通道两端分别为进气通道和出气通道，燃烧室位于螺旋板式通道中心，导流板和放电装置位于燃烧室入口处，多孔介质位于燃烧室中心，在螺旋板式通道最外环设置臭氧加入口，在螺旋板式通道最外环相对位置设置两个测温孔，在螺旋板式通道最内环相对位置设置两个测温孔，放电装置为金属高压电极板设置在绝缘材料上构成，金属高压电极板引出电极引出导线，排气烟囱连接在出气通道外部。

其中，燃烧器为方形或圆形，燃烧器上盖板、下底板与每一圈螺旋板间相互密封，燃烧室内各高温侧表面覆盖耐热材料。进气通道和出气通道为变截面结构，进气通道的变截面结构保证进入燃烧器的气体均匀地分布在管道内，在进气变截面通道壁面上还镶嵌了二级电极板，使待处理废气在进入燃烧器前得以电离。上盖板和下底板焊接在燃烧器上下两端，其中，下底板中心开孔，为点火孔，点火孔内套有陶瓷套管，用于点火启动且保证点火孔不被高温所损坏，当燃烧器运行稳定时也可当做臭氧加入口。导流板在燃烧室内侧壁面沿气流行径方向安装。多孔介质用于维持燃烧的稳定，由孔隙率及孔径均匀或逐渐变化或者分层变化的泡沫陶瓷、蜂窝陶瓷或平板陶瓷中的一种或几种组成，孔径变化范围为0.5-8mm，孔隙率变化范围为0.15-0.85。

燃烧器外壳是瑞士卷状的并行紧贴的燃气和废气通道，即形如螺旋板式的换热结构，且始终保持进口通道包裹在出口通道外侧以保证流体间换热充分以及减小对环境的散热。

放电装置由高压电源、电极、绝缘材料组成，产生等离子体的方式为辉光放电、电晕放电、介质阻挡放电、射频放电、微波放电、滑动电弧放电、射流放电中的一种；高压电源为高压高频交流电源、高压高频脉冲电源、高压射频电源或微波电源，其中，高压高频交流电源频率为50Hz-20kHz，峰值电压为10Kv-60Kv；高压高频脉冲电源脉冲频率为50Hz-20kHz，峰值电压为10kV-100Kv，脉冲宽度为100ns-10us；高压射频电源频率为1-100mHz，峰值电压为5000V-10000V；电极材料使用不锈钢、钼以及石墨中的一种；绝缘材料为陶瓷、氧化铝、树脂、聚四氟乙烯中的一种。臭氧发生器可以直接通入氧气、空气或含氧废气，产生含有臭氧的气体再通入燃烧器中。臭氧发生器可以采用风冷或水冷的冷却方式。空气源臭氧发生器臭氧产量为5g/L-50g/L，浓度约为5mg/L-15mg/L；氧气源臭氧发生器臭氧产量为10g/L-100g/L，浓度约为50mg/L-100mg/L。

在燃烧室入口处对应的下底板上设有一级电极接口，进气通道沿程若干位置对应的下底板上也设有臭氧气接入口。一级等离子体放电装置在燃烧室入口处放置，其非接地端金属电极(板、线或网)由耐温介电材料绝缘固定并从下底板引线接出；二级等离子体放电装置在进气入口处的内壁面上平行于气流方向竖直镶嵌放置耐高温金属电极(板、线或网)，其非接地端用耐温介电材料隔离固定包裹在金属电极外，也镶嵌在进气入口处内壁面上。接地端可直接连接在燃烧器外壳上。连接电极的导线外包绝缘材料从下底板导出燃烧器壳板以连接电源。

根据燃气(废气)热值，在热值较高、燃烧稳定的条件，可在燃烧室中安装蒸发器等热量利用单元，利用燃烧产生的热量。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

本发明通过瑞士卷这一独特形状加强烟气与反应物之间的换热，利用多孔介质结构导热率高、辐射能力强的特点，通过往燃烧器内加入等离子体放电装置，产生的具有氧化性的粒子或促进燃烧更易反应的粒子使低热值低浓度可燃气体燃烧且降低污染排放。

本发明结合等离子体助燃技术、多孔介质蓄热技术、烟气热量再循环技术的优势，能耗更低，处理低热值可燃废气浓度范围较广；且等离子体发生装置的位置和发生功率都可调，因此设备运行易于控制。由于其针对的燃料热值低，燃烧温度相较普通燃烧也要低很多，因此产生的NO_x等直接与温度相关的有害气体大幅度减少，有效的解决了低热值废气顺利点燃并维持燃烧的问题，是将该部分废气成功利用的实例，既回收了能源又减少了对环境的污染。

附图说明

图1为本发明的等离子体助燃瑞士卷燃烧器(圆形)结构示意图；

图2为本发明的等离子体助燃瑞士卷燃烧器(方形)结构示意图；

图3为本发明的等离子体助燃瑞士卷燃烧器(圆形)上盖板布局图；

图4为本发明的等离子体助燃瑞士卷燃烧器(方形)上盖板布局图；

图5为本发明的等离子体助燃瑞士卷燃烧器(圆形)下底板布局图；

图6为本发明的等离子体助燃瑞士卷燃烧器(方形)下底板布局图；

图7为本发明的等离子体助燃瑞士卷燃烧器变截面进气通道主视图；

图8为本发明的等离子体助燃瑞士卷燃烧器变截面进气通道左视图；

图9为本发明的等离子体助燃瑞士卷燃烧器变截面出气通道主视图；

图10为本发明的等离子体助燃瑞士卷燃烧器变截面出气通道左视图；

图11为本发明的等离子体助燃瑞士卷燃烧器(圆形)放电装置结构示意图；

图12为本发明的等离子体助燃瑞士卷燃烧器(方形)放电装置结构示意图。

其中，1-燃烧器外壳；2-导流板；3-多孔介质；4-出气通道；5-进气通道；6-放电装置；7-耐热材料；8-臭氧加入口；9-测温孔；10-点火孔；11-观察孔；12-金属高压电极板；13-电极引出导线；14-绝缘材料；15-排气烟囱。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种等离子体助燃瑞士卷燃烧器。

如图1和图2所示，该燃烧器为方形或圆形，包括燃烧器外壳1、燃烧室、螺旋板式通道、上盖板和下底板，燃烧器由上盖板和下底板密封，如图3和图4所示，观察孔11设置在上盖板上，螺旋板式通道两端分别为进气通道5和出气通道4，燃烧室位于螺旋板式通道中心，导流板2和放电装置6位于燃烧室入口处，多孔介质3位于燃烧室中心，在螺旋板式通道最外环设置臭氧加入口8，在螺旋板式通道最外环相对位置设置两个测温孔10，在螺旋板式通道最内环相对位置设置两个测温孔10，如图11和图12所示，放电装置6为金属高压电极板12设置在绝缘材料14上构成，金属高压电极板12引出电极引出导线13，如图9和图10所示，排气烟囱15连接在出气通道4外部。燃烧器上盖板、下底板与每一圈螺旋板间相互密封，燃烧室内各高温侧表面覆盖耐热材料7。如图7和图8所示，进气通道5和出气通道4为变截面结构。如图5和图6所示，下底板中心开孔，为点火孔10，点火孔10内套有陶瓷套管。

导流板2在燃烧室内侧壁面沿气流行径方向安装。多孔介质3由孔隙率及孔径均匀或逐渐变化或者分层变化的泡沫陶瓷、蜂窝陶瓷或平板陶瓷中的一种或几种组成，孔径变化范围为0.5-8mm，孔隙率变化范围为0.15-0.85。

该燃烧器是对于一种低热值废气燃烧和利用的装置，其外围由瑞士卷状螺旋板构成，其材质可为耐温温度在800℃以上的材料。为了保证材料长期处于高温状态而不失效，需要在燃烧室内等高温区壁涂敷水泥状耐热材料7。当高温烟气进入换热通道时，温度会逐渐降低，而冷进气的焓值随着被预热温度的升高而增加，当本难以燃烧处理的废气的焓值增加至一定值后，气体将能维持燃烧。

然而这里有两个问题需要解决，首先是火焰停留的位置。我们知道预混层流燃烧火焰位置与气体流速、种类等有直接相关，即当速度小时，火焰向上游漂移，流速大时，火焰又向下游漂移。对于该瑞士卷式燃烧器，需要将火焰位置稳定在燃烧室中间，因此需要在中心燃烧室中填充多孔介质3材料层组织蓄热燃烧，且因为燃烧室容积较大，有利于燃气充分混合燃烧，也使得火焰不易往通道内迁移从而烧坏气体通道。当燃气浓度较低、燃烧条件比较恶劣时，将等离子体放电装置置入燃气通道或燃烧室中，产生离解的粒子对燃烧可以起到促进作用，也有利于火焰在燃烧室内的稳定。

其次是燃烧器处理低浓度废气的能力。首先考虑处理废气的量不能太小，即与微型燃烧器区别于尺寸的大小；其次由于低浓度的燃气难以点燃，只有将其预热到很高的温度时才有可能燃烧，因此采用瑞士卷结构的换热通道能做到这一点。考虑到该燃烧器需要将初始燃气预热到较高温度，因此设计的换热通道较长，可以保证初始燃气可以从室温预热到废气燃烧需要达到的温度。此外，臭氧对于贫燃燃料燃烧速度的提升要比当量比和富燃条件下显著地多，而加入等离子体放电装置产生的粒子中也包含有臭氧，另外还有O、O3、OH、CH3、H等粒子都促进超低热值气体的燃烧，从而降低气体贫可燃极限。燃烧器在中心燃烧室入口处设有一级等离子体放电装置6，使燃烧室中的气体直接电离；在进气通道入口处设二级等离子体放电装置，使初始气体提前电离；在进气通道沿程设有若干臭氧气加入口8，将臭氧直接加入燃烧器中助燃。由于电离后的粒子通常活性很强，温度稍高的情况下就会迅速分解，因此沿程开设了二级等离子体放电装置放置口，根据不同温度情况选择具体等离子体放电装置的安装位置，使电离后的粒子在消失前与预混气混合，当温度预热到相应温度时，燃料起链反应会相对容易地发生，促进燃料的氧化燃烧。此外，臭氧发生器也能产生氧化性很强的物质，也能达到拓展可燃极限的目的，但由于臭氧对于温度条件比较敏感，在稍等温度下就会分解成氧气，因此需要在合适位置加入才能起到作用。

本发明的高压电极材料选用铜或不锈钢等金属，结构可以用平板型电极、圆柱形电极、芒刺形电极或多边形电极。产生等离子体的方式可以为辉光放电、电晕放电、介质阻挡放电、射频放电、滑动电弧放电、射流放电等方式的一种。高压电源可以为高压高频交流电源、高压脉冲电源或射频电源等。高压高频交流电源频率为50Hz-20kHz，峰值电压为10Kv-60Kv；高压高频脉冲电源脉冲频率为50Hz-20kHz，峰值电压为10kV-100Kv，脉冲宽度为100ns-10us；高压射频电源频率为1-100mHz，峰值电压为5000V-10000V。本发明使用的等离子体发生装置产生的OH等活性基团具有超强的反应活性，能够与常规条件下很难反应的废气发生反应。低温等离子体中电子温度高达十几电子伏特，而气体温度不过几百度，这在工业运用中具有极大优势。

本发明填充在燃烧室内的多孔介质3的结构可由孔隙率及孔径均匀或逐渐变化或者分层变化的泡沫陶瓷、蜂窝陶瓷或平板陶瓷等中的一种或几种组成，孔径变化范围为0.5-8mm，孔隙率变化范围为0.15-0.85。多孔介质材料的优点是高热导率、高比表面积、高孔隙率，不仅可以充分扰流，加速气体混合进行温度交换，还能有效地将反应完的烟气热量高效充分的传递给进气，从而有效地减少了能量的损失。

本发明除了燃烧器本体、多孔介质材料、等离子体放电装置和臭氧发生器外，还需要配置的有甲烷、氧气以及氮气气瓶、流量计、配气系统、陶瓷管、石英玻璃。燃烧器的设计尺寸包括燃烧器高度、通道宽度、通道壁厚、中心燃烧室边长、通道长度、进、出气孔直径、渐变截面气体通道长度。该结构设计加工简单，可工业化生产。

该燃烧器具体工作过程为：

(1)当量比的甲烷空气同时从进气通道5和下底板中心点火孔10通入燃烧室中并点燃，使多孔介质3材料加热至1300-1700K以上。

(2)逐渐减小并最终关闭下底板通入的甲烷，并同时降低渐阔口进气的甲烷浓度至待处理的低热值可燃废气，此过程调整气体流量及浓度的匹配关系使燃烧稳定在燃烧室中心。

(3)在进气沿程通道中根据需要安装放置若干等离子体放电装置6，由石英材料包裹电极引出导线13引出下底板以及起到固定金属高压电极板12的作用，同时焊接固定放电装置6的金属凸台。使用时将导线连接高压电源，将燃烧器外壁接地，如此在通道内设置放电区域，当通入气体时，气体将被电离。等离子体的加入能使燃气贫可燃极限进一步降低，因此降低进口气体可燃成分浓度，观察燃烧室内是否有火焰维持；若仍有火焰维持则可进一步降低可燃成分浓度；若温度持续降低至熄火，则需调整等离子体放电装置6的位置、放电电压等参数，尽量降低燃料贫可燃极限。或者在进气沿程不同位置加入臭氧也可达到类似目的。

(4)将经过燃烧处理的高温净烟气收集并检测其成分，考察反应进行的完全程度。再通过出气通道4排入环境中，这时烟气中含有的可燃、有害成分将大大降低。

该燃烧器通过多孔介质3材料的蓄热作用、螺旋通道的换热作用以及等离子体自由基粒子氧化作用协同处理低热值可燃废气，使本难以被利用的气体成功被氧化燃烧，释放其能量的同时也将对环境有害的可燃废气转化成了二氧化碳、水等对环境无害的物质，具有热能耗散量小且污染排放低的优点。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种等离子体助燃瑞士卷燃烧器，包括燃烧器外壳(1)、燃烧室、螺旋板式通道、上盖板和下底板，其特征在于：具体包括导流板(2)、多孔介质(3)、进气通道(5)、出气通道(4)、放电装置(6)、臭氧加入口(8)、测温孔(9)、点火孔(10)、观察孔(11)、金属高压电极板(12)、电极引出导线(13)和排气烟囱(15)，燃烧器由上盖板和下底板密封，观察孔(11)设置在上盖板上，螺旋板式通道两端分别为进气通道(5)和出气通道(4)，燃烧室位于螺旋板式通道中心，导流板(2)和放电装置(6)位于燃烧室入口处，多孔介质(3)位于燃烧室中心，在螺旋板式通道最外环设置臭氧加入口(8)，在螺旋板式通道最外环相对位置设置两个测温孔(10)，在螺旋板式通道最内环相对位置设置两个测温孔(10)，放电装置(6)为金属高压电极板(12)设置在绝缘材料(14)上构成，金属高压电极板(12)引出电极引出导线(13)，排气烟囱(15)连接在出气通道(4)外部。

2.根据权利要求1所述的一种等离子体助燃瑞士卷燃烧器，其特征在于：所述燃烧器为方形或圆形，燃烧器上盖板、下底板与每一圈螺旋板间相互密封，燃烧室内各高温侧表面覆盖耐热材料(7)。

3.根据权利要求1所述的一种等离子体助燃瑞士卷燃烧器，其特征在于：所述进气通道(5)和出气通道(4)为变截面结构。

4.根据权利要求1所述的一种等离子体助燃瑞士卷燃烧器，其特征在于：所述上盖板和下底板焊接在燃烧器上下两端，其中，下底板中心开孔，为点火孔(10)，点火孔(10)内套有陶瓷套管。

5.根据权利要求1所述的一种等离子体助燃瑞士卷燃烧器，其特征在于：所述导流板(2)在燃烧室内侧壁面沿气流行径方向安装。

6.根据权利要求1所述的一种等离子体助燃瑞士卷燃烧器，其特征在于：所述多孔介质(3)由孔隙率及孔径均匀或逐渐变化或者分层变化的泡沫陶瓷、蜂窝陶瓷或平板陶瓷中的一种或几种组成，孔径变化范围为0.5-8mm，孔隙率变化范围为0.15-0.85。

7.根据权利要求1所述的一种等离子体助燃瑞士卷燃烧器，其特征在于：所述放电装置(6)由高压电源、电极、绝缘材料(14)组成，产生等离子体的方式为辉光放电、电晕放电、介质阻挡放电、射频放电、微波放电、滑动电弧放电、射流放电中的一种；高压电源为高压高频交流电源、高压高频脉冲电源、高压射频电源或微波电源，其中，高压高频交流电源频率为50Hz-20kHz，峰值电压为10Kv-60Kv；高压高频脉冲电源脉冲频率为50Hz-20kHz，峰值电压为10kV-100Kv，脉冲宽度为100ns-10us；高压射频电源频率为1-100mHz，峰值电压为5000V-10000V；电极材料使用不锈钢、钼以及石墨中的一种；绝缘材料(14)为陶瓷、氧化铝、树脂、聚四氟乙烯中的一种。