一种等离子体射流耦合微波放电的辅助燃烧装置及方法与流程

本公开涉及燃烧辅助领域，特别涉及一种等离子体射流耦合微波放电的辅助燃烧装置及方法。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

随着化石能源的日渐减少，能源危机成为人类目前面临的重要问题。等离子体是由大量的带正、负粒子及中性粒子组成的准中性系统，它是在高温或者其他激励条件下产生的一种固态、气态及液态之外的第四种状态。等离子体中含有丰富的活性粒子，如电子、离子和自由基等。等离子体的物理化学活性高，在点火和辅助燃烧中有很高的应用价值。

等离子体辅助燃烧作为一种新兴的燃烧强化技术，可以通过气体放电产生高化学活性的组分，并对流场产生扰动，从而改变等离子体及其邻近区域内的燃烧状态，提高化学反应速率，加速燃烧的化学动力学过程；大气压等离子体射流(atmosphericpressureplasmajet:appj)突破传统气体放电的局限，既能实现放电区域和工作区域空间上的分离，还能以简洁的装置结构产生低气体温度和高化学活性的大气压非平衡等离子体。

发明人发现，目前采用appj或微波放电能够实现辅助燃烧的效果，有效提高能量的转化效率，但是其多为单独使用，并且，难以实现大气压下的辅助燃烧；并且，目前的燃烧辅助装置并不能有效控制燃烧温度，虽然提高了燃烧效果，但是在温度的可控性上降低，难以满足需求。

技术实现要素：

本公开的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种等离子体射流耦合微波放电的辅助燃烧装置及方法，采用appj耦合微波放电的辅助燃烧装置，并通过供应机构调节混合气体的流速来实现对燃烧温度和燃烧效率的调节，实现大气压下的甲烷氦气放电等离子体辅助燃烧的功能，满足现有需求。

本公开的第一目的是提供一种等离子体射流耦合微波放电的辅助燃烧装置，采用以下技术方案：

包括第一反应器和第二反应器，第一反应器输入端连接供应机构，输出端连通第二反应器的谐振腔，谐振腔用于通过微波放电协同第一反应器输出的大气压等离子体射流形成大气压甲烷氦气微波放电等离子体，谐振腔输出单连通燃烧器。

进一步地，所述第一反应器为大气压等离子体射流反应器，获取供应机构提供的甲烷氦气的混合气体并放电形成大气压甲烷氦气等离子体射流，并输出到谐振腔。

进一步地，所述第二反应器为微波放电机构，微波放电机构通过谐振腔输出，作用于第一反应器输出的大气压等离子体射流。

本公开的第二目的是提供一种燃烧辅助方法，利用如上所述的等离子体射流耦合微波放电的辅助燃烧装置，包括以下步骤：

驱动第一反应器，从供应机构获取甲烷和氦气形成大气压甲烷氦气等离子体射流输入到第二反应器的谐振腔内；

驱动第二反应器，微波能量在谐振腔内作用，使得射流形成大气压甲烷氦气微波放电等离子体，输入到燃烧器内；

燃烧器内的可燃气体在大气压条件下实现甲烷氦气放电等离子辅助燃烧。

进一步地，通过调节供应机构输入到第一反应器的甲烷氦气混合气体的流速，调节燃烧器内的温度。

进一步地，获取燃烧器内的温度，依据甲烷的转化率对氦气和甲烷的混合气体配比进行调节。

与现有技术相比，本公开具有的优点和积极效果是：

(1)采用appj耦合微波放电的辅助燃烧装置，在appj反应器内外形成大气压甲烷氦气等离子体射流，在微波谐振腔内形成大气压甲烷氦气微波放电等离子体，并通过供应机构调节混合气体的流速来实现对燃烧温度和燃烧效率的调节，实现大气压下的甲烷氦气放电等离子体辅助燃烧的功能，满足现有需求；

(2)通过appj与微波放电的协同作用，在大气压条件下实现甲烷氦气放电等离子体辅助燃烧的功能，能够实现对燃烧温度的实时检测与控制，有效解决燃烧不稳定、燃烧温度不能实时检测与控制等缺点。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例1、2中辅助燃烧装置的结构示意图；

图2为本公开实施例1、2中燃烧器的结构示意图；

图3为本公开实施例1、2中燃烧器通风口的结构示意图。

图中，1、微波电源，2、环形器，3、水负载，4、三销钉匹配器，5、转换波导，6、矩形槽谐振腔，7、等离子体射流反应器，8、交流电源，9、流量计，10、减压阀，11、甲烷气瓶，12、氦气气瓶，13、燃烧器，14、报警器，15、计算机，16、plc可编程控制器，17、接地电极，18、短路活塞，19、等离子体入口，20、水冷风扇，21、无线温度采集器，22、一次风入口，23、二次风入口，24、稳焰齿环，25、轴向旋流器。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步地说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本公开中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用，仅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设备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公开的限制。

正如背景技术中所介绍的，现有技术中采用appj或微波放电能够实现辅助燃烧的效果，有效提高能量的转化效率，但是其多为单独使用，并且，难以实现大气压下的辅助燃烧；并且，目前的燃烧辅助装置并不能有效控制燃烧温度，虽然提高了燃烧效果，但是在温度的可控性上降低，难以满足需求；针对上述问题，本公开提出了一种等离子体射流耦合微波放电的辅助燃烧装置及方法。

实施例1

本公开的一种典型的实施方式中，如图1-图3所示，提出了一种等离子体射流耦合微波放电的辅助燃烧装置。

主要包括供应机构，第一反应器、第二反应器、燃烧器和控制机构，第一反应器输入端连接供应机构，输出端连通第二反应器的谐振腔，谐振腔用于通过微波放电协同第一反应器输出的大气压等离子体射流形成大气压甲烷氦气微波放电等离子体，谐振腔输出单连通燃烧器。

对于第一反应器，其为大气压等离子体射流反应器7，获取供应机构提供的甲烷氦气的混合气体并放电形成大气压甲烷氦气等离子体射流，并输出到谐振腔；

如图1所示，大气压等离子体射流(atmosphericpressureplasmajet:appj)突破传统气体放电的局限，既能实现放电区域和工作区域空间上的分离，还能以简洁的装置结构产生低气体温度和高化学活性的大气压非平衡等离子体；

在本实施例中，appj由50hz交流电源8驱动，采用针环电极结构和介质阻挡放电，在appj反应器内外形成大气压甲烷氦气等离子体射流。

具体的，金属(铜)针电极位于石英玻璃管反应器内部、与石英玻璃管同轴、为高压电极，金属(铜箔)环电极位于石英玻璃管反应器外侧、缠绕在石英玻璃管下端、为接地电极17，石英玻璃管是介质阻挡放电的介质层。

appj既能实现甲烷氦气混合气体放电，还能显著提高微波放电装置内的种子电子以及其它带电粒子和活性粒子密度、触发并增强微波放电。

对于第二反应器，为微波放电机构，微波放电机构通过谐振腔输出，作用于第一反应器输出的大气压等离子体射流；

如图1所示，微波放电由2.45ghz微波电源驱动，微波能量通过环形器和转换波导等微波元件，在微波谐振腔内形成大气压甲烷氦气微波放电等离子体；

微波放电由2.45ghz微波电源1驱动，环形器2与水负载3构成微波防回流装置，三销钉调配器4对微波传输系统进行阻抗匹配，转换波导5连接te10模式的矩形波导(三销钉匹配器)，在矩形槽谐振腔6内形成大气压甲烷氦气微波放电等离子体；

甲烷氦气混合气体经过appj的石英玻璃管内部和微波谐振腔的内部，通过appj与微波放电的协同作用，在大气压条件下实现甲烷氦气放电等离子体辅助燃烧；

为了保障微波谐振腔内的稳定运行，微波谐振腔还设有短路活塞18，对微波谐振腔内的等离子体反应进行保护。

对于供应机构，包括气源和控制阀，第一反应器输入端通过控制阀连通气源，第一反应器与控制阀之间设有流量计，控制阀配合流量计对输入第一反应器的气体进行调控；

在本实施例中，如图1所示，其中的气源为甲烷气瓶11和氦气气瓶12，甲烷气瓶和氦气气瓶的输出口上也分别配合有流量计9，并且配合有减压阀10，控制从气瓶中输出气体的速率。

甲烷和氦气分别由减压阀和流量计调节气体压力和流量，预混后形成甲烷氦气混合气体，进入appj的石英玻璃管内部。

对于燃烧器13，设有连通内部燃烧腔的等离子体入口19，控制器通过温度采集器获取燃烧腔体内的温度，依此调控供应机构和第一反应器；

燃烧器设有连通燃烧腔体的一次风进风口22和二次风进风口23，一次风进风口安装有稳焰齿环，二次风进风口安装有送风机。

如图2、图3所示，在本实施例中，燃烧器装配有无线温度采集器21与水冷风扇20。水冷风扇起到降温与稳定燃烧的作用，无线温度采集器代替了过去由人工来完成的温度数据采集任务，同时控制机构对无线温度采集器传输来的温度数据进行存储和查询统计。

在燃烧器外壁上开设两个进风口，进风口设置为一次风进风口与二次风进风口，一次风首先进入燃烧器，气流从一次风管圆周外侧，经过一次风管出口处的稳焰齿环进入环形回流区着火燃烧；

喷口出口处的稳焰齿环24可以增加气流的湍动度，进一步提高气流的着火速度；

送风机为运行燃烧器提供普通二次风或冷却二次风，二次风通道内布置有轴向旋流器25，使经过的二次风产生旋转，离开燃烧器后旋转的气流在离心力的作用下扩张，从而在中心区域产生负压，使高温烟气回流；

二次风旋流器为固定式，叶片角度为60℃。在上述因素的共同作用下，若送风机提供普通二次风，可以有效地增强燃烧；若送风机提供冷却二次风，可以有效地削弱燃烧。

对于控制机构，其包括计算机15、报警器、plc可编程控制器16，甲烷燃烧的温度通常可达2800℃以上，在本实施例中，燃烧温度处于1000℃至2500℃；

无线温度采集器实时地检测燃烧温度，并把检测到的温度信息传递给计算机与报警器，当燃烧温度低于1000℃或者高于2500℃时，报警器14会报警，并通过plc可编程控制器来改变气体流量，调节燃烧温度并稳定燃烧。

计算机对无线温度采集器检测得到的结果与数据进行分析和处理后，经计算得到甲烷的转化率，通过plc控制甲烷和氦气的流量计，调节甲烷和氦气的流量与混合气体配比，提高甲烷氦气等离子体辅助燃烧的效率。

设燃烧器内的温度为k。当k<1000℃时，plc会控制减压阀增大甲烷氦气混合气体流速，送风机提供一次风和普通二次风，从而增强燃烧器内的燃烧；

当k>2500℃时，plc会控制减压阀减小甲烷氦气混合气体流速，送风机提供一次风和冷却二次风，从而削弱燃烧器内的燃烧。

采用appj耦合微波放电的辅助燃烧装置，在appj反应器内外形成大气压甲烷氦气等离子体射流，在微波谐振腔内形成大气压甲烷氦气微波放电等离子体，并通过供应机构调节混合气体的流速来实现对燃烧温度和燃烧效率的调节，实现大气压下的甲烷氦气放电等离子体辅助燃烧的功能，满足现有需求。

实施例2

本公开的另一典型实施方式中，如图1-图3所示，提出了一种燃烧辅助方法。

利用如实施例1中所述的辅助燃烧装置，包括以下步骤：

驱动第一反应器，从供应机构获取甲烷和氦气形成大气压甲烷氦气等离子体射流输入到第二反应器的谐振腔内；

驱动第二反应器，微波能量在谐振腔内作用，使得射流形成大气压甲烷氦气微波放电等离子体，输入到燃烧器内；

燃烧器内的可燃气体在大气压条件下实现甲烷氦气放电等离子辅助燃烧；

通过调节供应机构输入到第一反应器的甲烷氦气混合气体的流速，调节燃烧器内的温度。

进一步地，获取燃烧器内的温度，依据甲烷的转化率对氦气和甲烷的混合气体配比进行调节。

具体的，结合图1，在对本实施例中的燃烧辅助方法进行详细描述：

供应机构的甲烷气瓶和氦气气瓶中分别输入甲烷和氦气，通过流量计、加压阀后形成混合气体；

混合气体输入appj的石英玻璃管内部，在appj由50hz交流电源驱动、针环电极结构的放点作用下，形成大气压甲烷氦气等离子体射流；

微波放电由2.45ghz微波电源驱动，微波能量通过环形器和转换波导等微波元件，获取上述的等离子体射流并在微波谐振腔内形成大气压甲烷氦气微波放电等离子体，输入燃烧器内部；

在燃烧器内部，大气压条件下实现甲烷氦气放电等离子体辅助燃烧；

通过无线温度采集器实时地检测燃烧温度，并把检测到的温度信息传递给计算机与报警器，当燃烧温度低于1000℃或者高于2500℃时，报警器会报警，并通过plc可编程控制器来改变气体流量，调节燃烧温度并稳定燃烧；

计算机对无线温度采集器检测得到的结果与数据进行分析和处理后，经计算得到甲烷的转化率，通过plc控制甲烷和氦气的流量计，调节甲烷和氦气的流量与混合气体配比，提高甲烷氦气等离子体辅助燃烧的效率。

通过appj与微波放电的协同作用，在大气压条件下实现甲烷氦气放电等离子体辅助燃烧的功能，能够实现对燃烧温度的实时检测与控制，有效解决燃烧不稳定、燃烧温度不能实时检测与控制等缺点。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。