CN107949140A - 一种弹簧引弧式等离子燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种弹簧引弧式等离子燃烧器，主要包括：阴极、枪体、弹簧组件和阳极，其中，所述阴极包括：相互连接的等径段和放电段，所述等径段沿水平方向贯穿所述枪体的内腔，并与所述内腔形成环形通道；所述弹簧组件位于所述枪体的内部，包括：阴极挡板、弹簧和枪体挡块，其中，所述阴极挡板设置于所述等径段的外壁上，所述枪体挡块设置于所述枪体的内壁上，所述弹簧设置于所述阴极挡板和枪体挡块之间，通过控制所述弹簧的压缩量，控制所述阴极和阳极进行接触和起弧。本发明可以实现快速起弧，起弧后实现等离子体迅速稳定，起弧电压范围大，不需要额外附加高压起弧系统，使起弧过程更加安全。

Description

一种弹簧引弧式等离子燃烧器

技术领域

本发明属于石化、冶金以及电力行业等等离子燃烧器的技术领域，具体涉及一种弹簧引弧式等离子燃烧器。

背景技术

等离子体是指气体被电离产生的含有大量电子，离子，激发态分子，原子以及自由基团的高活性物质，又被称作物质的“第四态”，低温等离子体温度范围在几千到几万度，也就热等离子体，热等离子体应用于工业上，可以用做煤粉锅炉点火枪，垃圾，固体废弃物的气化等，燃气轮机的点火以及稳燃，化工方面的氢气制备，当前也有大量研究使用热等离子体制备石墨烯等材料。

目前等离子燃烧器作为热源的供应者，主要应用于电站粉煤锅炉点火，固废垃圾熔融处理，飞灰处理等方面，已有的等离子燃烧器多使用单一气源作为等离子体产生的介质气源，介质气源主要为压缩空气，氩气，氢气等简单气体，使用过程中通过高压击穿或接触拉弧的方式产生电弧，用于电离介质气体。

现电厂使用等离子点火器，由于其结构较大，基本采用阴极移动的方式通过阴阳极接触引弧形成等离子体，锅炉燃烧器点火后通过阴极移动进行断弧，主要起到点火作用。而对于垃圾熔融等行业用的等离子燃烧器需要长期使用，全部均采用高压起弧，通过高电压击穿与阴阳极之间形成电弧，介质气体通过电弧形成等离子体，用于热源的供应，但是需要配套的电源系统具备高压起弧的控制部分，整个系统电源繁杂，同时增加系统成本，同时对工件的制作加工精度要求高，使用过程中易出现局部烧蚀后，不容易起弧，必须进行管部件更换，严重影响燃烧效率。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种弹簧引弧式等离子燃烧器，通过控制弹簧组件的压缩使得阴阳极之间接触通电，伸展时使得阴阳极之间形成合适的极间距，同时通入的介质气源通过阴阳极之间的流道，通过电弧放电电离形成等离子体并由阳极的喷口喷出，采用弹簧式起弧结构，对等离子燃烧器的起弧过程进行了起弧方式的优化，该方式可以实现快速起弧，起弧后实现等离子体迅速稳定，起弧电压范围大，不需要额外附加高压起弧系统，使起弧过程更加安全。

为至少解决上述技术问题之一，本发明采取的技术方案为：

本发明提出了一种弹簧引弧式等离子燃烧器，包括：阴极、枪体、弹簧组件和阳极，其中，所述阴极包括：相互连接的等径段和放电段，所述等径段沿水平方向贯穿所述枪体的内腔，并与所述内腔形成环形通道；所述弹簧组件位于所述枪体的内部，包括：阴极挡板、弹簧和枪体挡块，其中，所述阴极挡板设置于所述等径段的外壁上，所述枪体挡块设置于所述枪体的内壁上，所述弹簧设置于所述阴极挡板和枪体挡块之间，通过控制所述弹簧的压缩量，控制所述阴极和阳极进行接触和起弧；所述阳极与所述枪体靠近所述放电段的一端相连，并与所述放电段形成气体空腔。

进一步的，多个所述枪体挡块沿圆周方向间隔布置于所述枪体的内壁上，且位于所述阴极挡板的一侧。

进一步的，还包括：圆环状的堵板，所述堵板径向设置于所述枪体远离放电段的另一端，且所述堵板的外壁与所述枪体的内壁螺纹相连，所述堵板的内壁与所述等径段通过密封圈相连，用于密封所述枪体。

进一步的，所述等径段的内部沿水平方向设置有冷却水通孔；所述等径段的外壁上沿圆周方向设有多个与所述冷却水通孔相连通的径向通孔。

进一步的，还包括：绝缘层，其包裹在所述等径段的外部，且所述绝缘层的一端位于所述枪体挡块的内部，在所述绝缘层上设置有出水孔，所述出水孔分别与所述环形通道和径向通孔相连通，形成冷却水回路。

进一步的，所述绝缘层与所述枪体挡块之间具有缝隙，使得冷却水经所述缝隙流出，通过所述枪体的另一端侧壁上设置的冷却水出口排出。

进一步的，所述枪体的靠近所述放电段的一端通过密封件和所述绝缘层与所述放电段形成端部密封。

进一步的，所述等径段的远离放电段的一端位于所述枪体的外部，用于安装阴极接头。

进一步的，所述阳极包括：安装部和出口部，其中，所述安装部的一端通过密封件与所述枪体的外壁密封相连，另一端与所述出口部相连；所述出口部的内部沿水平方向设置有缩放喷口通道，所述缩放喷口通道的侧壁内部设置有与所述气体空腔相连通的气体内腔。

进一步的，所述出口部的侧壁上设有与所述气体内腔相连通的进气口，用于通入介质气体；所述介质气体通过所述气体内腔对阳极进行冷却，并通过所述进气口进入所述气体空腔，对阴极进行冷却及在阴极表面形成气膜保护。

本发明至少包括以下有益效果：

1）本发明采用弹簧式引弧结构，可以代替传统高压起弧系统级设备，使得起弧方式更加简便；

2）本发明采用弹簧式引弧结构，通过对设备结构的研究，使得阴极冷却更加合理，使得阴极使用寿命有所增加；

3）本发明采用弹簧式引弧结构，通过介质气体对阳极和阴极进行冷却，减少了阳极水冷带出的热量，增加等离子体的平均温度，提高了燃烧器的使用功率；

4）本发明采用合理的阴阳极结构，包括阴极结构和阳极缩放喷口的相关结构，保证起弧后燃烧器的稳定运行。

附图说明

图1为本发明燃烧器的结构示意图。

图2为图1的A-A面剖视图。

其中，等径段101、冷却水通孔1011、径向通孔1012、放电段102、枪体2、冷却水出口201、安装部301、出口部302、缩放喷口通道3021、气体空腔3022、气体内腔3023、第一进气口3024、第二进气口3025、阴极挡板4、弹簧5、枪体挡块6、堵板7、密封圈8、绝缘层9、密封件10、阴极接头11、冷却水进水方向W。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。

根据本发明的实施例，图1为本发明燃烧器的结构示意图，参照图1所示，本发明所述弹簧引弧式等离子燃烧器，包括：枪体、阴极、阴极接头、弹簧组件、绝缘层、堵板和阳极。

根据本发明的实施例，参照图1所示，本发明所述阴极包括：相互连接的等径段和放电段，其中，所述等径段沿水平方向贯穿所述枪体的内腔，并与所述内腔形成环形通道，且所述等径段的左端位于所述枪体的外部，用于安装所述阴极接头，所述阴极接头具有长度范围为15-25mm的外螺纹，优选20mm；所述等径段内部为空心，形成沿水平方向设置的冷却水通孔，所述等径段的外壁上沿圆周方向设有多个与所述冷却水通孔相连通的径向通孔，冷却水从所述冷却水通孔进入，冷却水进水方向W如图所示，更具体的，所述径向通孔设置于靠近所述放电段一侧的0.5倍等径段外径距离处，所述径向通孔的孔径为所述等径段内径的0.5倍；根据本发明的一些实施例，本发明所述阴极等径段的外径为10-20mm，优选为15mm；所述径向通孔数量为6个或8个。

根据本发明的实施例，参照图1所示，所述放电段呈圆锥状，与所述等径段相连且位于所述等径段的右侧，所述放电段的长度为2-2.5倍的等径段外径，优选为2倍的等径段外径，圆锥角度为15-25°，优选为20°，材质优选为钨。

根据本发明的实施例，图2为图1的A-A面剖视图，参照图1和2所示，本发明所述弹簧组件位于所述枪体的内部，更具体的，位于所述环形通道内，包括：阴极挡板、弹簧和多个枪体挡块，其中，所述阴极挡板设置于所述等径段的外壁上，距离所述阴极接头35-45mm，所述多个枪体挡块均位于所述阴极挡板的右侧，且沿圆周方向间隔布置于所述枪体的内壁上，所述弹簧设置于所述阴极挡板和枪体挡块之间，通过控制所述弹簧的压缩量，控制所述阴极和阳极进行接触和起弧，更具体的：通过按压阴极使弹簧压缩，使阴阳极之间的距离为零，即阴阳极接触通电，在阴阳极接触通电后，撤除外力使弹簧恢复伸展状态，阴阳极之间形成电弧，此时介质气体通过阴阳极之间的流道通过电弧电离产生等离子体，通过阳极喷口喷出完成起弧，可以保证火焰平均温度在2500-3000℃。

根据本发明的一些实施例，所述阴极挡板为圆环形，厚度为4-6mm，优选为5mm，直径小于枪体内径8-12mm，优选10mm。

根据本发明的一些实施例，所述弹簧安装后，弹簧处于伸展状态时，阴阳极之间的距离保证在3-5mm，优选使用时的间距为4mm，弹簧受压状态时确保阴阳极之间相互接触，弹簧长度为40-60mm，优选50mm，弹簧节圆直径为所述阴极等径段外径的1.25-1.75倍，优选1.5倍，弹簧线径为3-5mm，优选4mm。

根据本发明的一些实施例，参照图2所示，本发明所述枪体挡块的数量为4-8个，优选为6个，所述枪体挡块内径比所述绝缘层外径大3-5mm，优选为4mm，形成缝隙，使得冷却水经所述缝隙流出，通过所述枪体的左端侧壁上设置的冷却水出口排出。

根据本发明的实施例，参照图1和2所示，本发明所述绝缘层包裹在所述等径段的外部，且所述绝缘层的左端位于所述枪体挡块的内部，所述绝缘层的右端位于所述等径段的右端，在所述绝缘层上设置有出水孔，所述出水孔的数量与大小均与所述等径段的外壁上设有的径向通孔相同，安装时，与所述径向通孔重合，即所述出水孔分别与所述环形通道和径向通孔相连通，形成冷却水回路；根据本发明的一些实施例，所述绝缘层材质优选为聚四氟，绝缘层的厚度优选为3mm。

根据本发明的实施例，参照图1所示，所述枪体的右端通过密封件和所述绝缘层与所述放电段形成端部密封，所述枪体的右端外壁上沿轴向设有长度为10-15mm的外螺纹，用于连接阳极，左端内壁沿轴向设有长度为10mm的内螺纹，用于连接堵板，形成枪体的两端密封，距离所述枪体的左端40-50mm处，优选为45mm，在所述枪体上沿径向方向设有所述冷却水出口，其长度范围为20-40mm，优选30mm，通径为DN15mm；距离所述枪体的左端60-80mm处，优选为70mm，设有所述枪体挡块，所述枪体的长度根据使用工艺可以调整设计长度，长度设计范围小于2m。

根据本发明的实施例，参照图1所示，所述堵板径向设置于所述枪体的左端，所述堵板为厚度6-10mm的圆形钢板，所述堵板中心开孔，形成圆环状，所述堵板的外壁设置全螺纹与所述枪体的内壁的内螺纹相连，所述堵板的内壁与所述等径段通过密封圈相连，用于密封所述枪体。

根据本发明的实施例，参照图1所示，本发明所述阳极包括：安装部和出口部，其中，所述安装部的一端通过密封件与所述枪体的右端外壁上的外螺纹密封相连，并与所述放电段形成气体空腔，另一端与所述出口部相连，更具体的，所述密封件安装于距离所述安装部的左端部10-20mm处，优选15mm，距离所述安装部的左端部15-25mm处（优选为20mm）的、所述安装部的内壁沿轴线方向设有长度为10-20mm的内螺纹，优选为15mm，与所述枪体的右端外壁上的外螺纹密封相连，所述安装部的壁厚为8-12mm，优选10mm。

根据本发明的实施例，参照图1所示，所述出口部的内部沿水平方向设置有缩放喷口通道，所述缩放喷口通道的侧壁内部设置有与所述气体空腔相连通的气体内腔；所述出口部的侧壁上设有与所述气体内腔相连通的进气口，包括：第一进气口和第二进气口，更具体的：所述第一进气口设置于距离所述缩放喷口通道的喷口40-50mm处的所述出口部的外壁上，优选为45mm，所述第一进气口的口径为8-12mm；靠近阴极一侧的、所述缩放喷口通道的侧壁上，圆周均布多个所述第二进气口，将所述气体空腔与所述气体内腔相连通，所述第二进气口的口径为所述第一进气口的口径的0.5倍，数量优选为8-12个；所述介质气体通过第一进气口进入所述气体内腔对阳极进行冷却，并通过第二进气口进入所述气体空腔，对阴极进行冷却及在阴极表面形成气膜保护，通过阴极与阳极电离形成等离子态后经所述缩放喷口通道喷出，提高了设备阴阳极的使用寿命，同时降低了水冷带出的热量。

根据本发明的一些实施例，所述阳极外径为40-60mm，优选为50mm，长度为70-100mm，优选80mm，所述阳极的材质优选为紫铜。

根据本发明的一些实施例，所述缩放喷口最小通道截面尺寸为所述阳极的缩放喷口通道长度1:6-1：9，优选1:8；所述缩放喷口通道包括：依次相连的缩口段和扩张段，其中，所述缩口段的入口口径与所述扩张段的喷口口径比为1:1-1:3,优选1:2，所述缩口段的长度为4-6mm，优选5mm，所述缩口段的入口口径为5-10mm，优选8mm。

本发明所述弹簧引弧式等离子燃烧器的工作原理为：采用弹簧组件，通过一次操作（按压移动阴极后松开阴极）实现起弧过程：起弧时通过按压阴极使弹簧压缩，使阴阳极之间的距离为零，即阴阳极接触通电，在阴阳极接触通电后，撤除外力使弹簧恢复伸展状态，阴阳极之间形成电弧，此时介质气体通过阴阳极之间的流道到达电弧位置，通过电弧电离产生等离子体，通过阳极喷口喷出完成起弧，在电离过程中，通过进气口调节介质气体的通入量，完成等离子燃烧器的稳定燃烧，减少了阳极水冷带走的热量，增加等离子体的平均温度，可以保证火焰平均温度在2500-3000℃。

实施例1： 介质气体采用氩气作为介质气体，阳极缩口段入口口径为5mm，长度为4mm，扩张段喷口口径为10mm，长度为40mm，缩放喷口通道总长为44mm，阳极外径为50mm，长度为80mm，阳极安装部内径为40mm，内螺纹长15mm，第一进气口位于距阳极喷口处45mm处，第一进气口口径为10mm，第二进气口口径为5mm，数量为10个，圆周均布，节圆直径为45mm，阴极等径段外径为15mm，长度为150mm，阴极放电段为圆锥形，圆锥角度为20°，长度为30mm，弹簧长度为50mm，枪体长度为300mm，枪体外径为40mm，弹簧节圆直径为22mm，线径为4mm。

本发明所述燃烧器运行数据如下：电流145-150A，电压55-60V,通过弹簧使阴阳极接触后产生电弧，不需要额外附加高压起弧装置，阴阳极通过介质气体冷却，使用寿命可达35h以上， 等离子体的温度可到2850℃，用气量控制在60L/min，在频繁起弧过程中，起弧后稳定效率在99%。

通过更改缩放喷口通道相关结构尺寸，不在设计范围内会使起弧不稳定，难以调节极间距，容易断弧，影响燃烧器的正常运行。

通过更改弹簧尺寸，不在设计范围内会使弹簧难以压缩和伸展，严重影响起弧过程，造成起弧不稳定，容易断弧，影响燃烧器的正常运行。

发明人发现，根据本发明所述的弹簧引弧式等离子燃烧器，采用弹簧式引弧结构，可以代替传统高压起弧系统级设备，使得起弧方式更加简便；并且本发明采用弹簧式引弧结构，通过对设备结构的研究，使得阴极冷却更加合理，使得阴极使用寿命有所增加；同时本发明采用弹簧式引弧结构，通过介质气体对阳极和阴极进行冷却，减少了阳极水冷带出的热量，增加等离子体的平均温度，提高了燃烧器的使用功率；此外，本发明采用合理的阴阳极结构和尺寸设置，包括阴极结构和阳极缩放喷口通道的相关结构，保证起弧后燃烧器的稳定运行。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、 或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。

Claims (10)

1.一种弹簧引弧式等离子燃烧器，其特征在于，包括：阴极、枪体、弹簧组件和阳极，其中，

所述阴极包括：相互连接的等径段和放电段，所述等径段沿水平方向贯穿所述枪体的内腔，并与所述内腔形成环形通道；

所述弹簧组件位于所述枪体的内部，包括：阴极挡板、弹簧和枪体挡块，其中，所述阴极挡板设置于所述等径段的外壁上，所述枪体挡块设置于所述枪体的内壁上，所述弹簧设置于所述阴极挡板和枪体挡块之间，通过控制所述弹簧的压缩量，控制所述阴极和阳极进行接触和起弧；

所述阳极与所述枪体靠近所述放电段的一端相连，并与所述放电段形成气体空腔。

2.根据权利要求1所述的等离子燃烧器，其特征在于，多个所述枪体挡块沿圆周方向间隔布置于所述枪体的内壁上，且位于所述阴极挡板的一侧。

3.根据权利要求1所述的等离子燃烧器，其特征在于，还包括：圆环状的堵板，所述堵板径向设置于所述枪体远离放电段的另一端，且所述堵板的外壁与所述枪体的内壁螺纹相连，所述堵板的内壁与所述等径段通过密封圈相连，用于密封所述枪体。

4.根据权利要求1所述的等离子燃烧器，其特征在于，所述等径段的内部沿水平方向设置有冷却水通孔；所述等径段的外壁上沿圆周方向设有多个与所述冷却水通孔相连通的径向通孔。

5.根据权利要求4所述的等离子燃烧器，其特征在于，还包括：绝缘层，其包裹在所述等径段的外部，且所述绝缘层的一端位于所述枪体挡块的内部，在所述绝缘层上设置有出水孔，所述出水孔分别与所述环形通道和径向通孔相连通，形成冷却水回路。

6.根据权利要求5所述的等离子燃烧器，其特征在于，所述绝缘层与所述枪体挡块之间具有缝隙，使得冷却水经所述缝隙流出，通过所述枪体的另一端侧壁上设置的冷却水出口排出。

7.根据权利要求5所述的等离子燃烧器，其特征在于，所述枪体的靠近所述放电段的一端通过密封件和所述绝缘层与所述放电段形成端部密封。

8.根据权利要求1所述的等离子燃烧器，其特征在于，所述等径段的远离放电段的一端位于所述枪体的外部，用于安装阴极接头。

9.根据权利要求1所述的等离子燃烧器，其特征在于，所述阳极包括：安装部和出口部，其中，所述安装部的一端通过密封件与所述枪体的外壁密封相连，另一端与所述出口部相连；所述出口部的内部沿水平方向设置有缩放喷口通道，所述缩放喷口通道的侧壁内部设置有与所述气体空腔相连通的气体内腔。

10.根据权利要求9所述的等离子燃烧器，其特征在于，所述出口部的侧壁上设有与所述气体内腔相连通的进气口，用于通入介质气体；所述介质气体通过所述气体内腔对阳极进行冷却，并通过所述进气口进入所述气体空腔，对阴极进行冷却及在阴极表面形成气膜保护。