一种长寿命、低氮排放微波等离子体辅助氨燃烧器系统和方法

技术领域

本发明属于低温等离子体辅助燃烧领域，具体涉及长寿命、低氮排放微波等离子体辅助氨燃烧器系统和方法。

背景技术

煤、石油和天然气等不可再生化石能源在燃烧后会产生CO

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供一种长寿命、低氮排放微波等离子体辅助氨燃烧器系统和方法，利用微波等离子体技术和分级燃烧技术实现氨燃料燃烧系统的高效燃烧、低氮排放控制。电弧等离子体利用电能使气体电离产生热等离子体，温度高、能量集中、气氛可控、加热速率高，其中微波放电等离子体与其他气体放电方式产生的等离子体相比具有电离密度较高，放电气压范围宽、放电稳定，可控性好等优点，同时因为其无需电极具有寿命长等特殊优势，是应用于能源、环境、材料制备、处理等领域的一种重要手段，在现代工业中起着日趋重要的作用。利用等离子体辅助氨燃烧技术是解决氨燃烧问题可选的有效手段，在等离子体中富含的高活性粒子将可以极大地促进氨燃烧速度，同时改变氨燃烧过程中N元素的转化，大幅降低氨燃烧过程中产生的NOx。

本发明采用的技术方案是：一种长寿命、低氮排放微波等离子体辅助氨燃烧器系统和方法，包括电源、微波头、环形器、水负载、三销钉、等离子体氨燃烧器、短路活塞、控制系统；

所述等离子体氨燃烧器包括高频点火器、微波等离子体耦合腔、第一级燃烧反应腔、第二级燃烧反应腔、第三级燃烧反应腔、尾气排放收集检测端；

所述高频点火器用于产生预电离等离子体，辅助微波等离子体点火并提高微波等离子体工作稳定性，包括高频电源、高压传输线、等离子体放电腔、高频点火气体入口；

所述微波等离子体耦合腔用于将微波馈入至所述等离子体氨燃烧器，在所述高频点火器点火后在微波的作用下击穿耦合腔工作气体产生等离子体，包括耦合腔进气组件、中空内导体、同轴外导体、耦合腔矩形波导、耦合腔波同转换器、旋气环、陶瓷环；

所述第一级燃烧反应腔用于实现等离子体辅助氨燃料燃烧第一级控制，包括一次氨燃料进气端、一次燃烧空气进气端；

所述第二级燃烧反应腔用于实现氨燃料燃烧第二级控制，包括二次氨燃料进气端、二次燃烧空气进气端；

所述第三级燃烧反应腔用于实现氨燃料燃烧第三级控制，包括三次燃烧空气进气端、稳焰部件；

所述尾气排放检测端用于检测燃烧后燃气的气体成分，包括检测口和在线检测器。

具体地技术方案如下：

一种长寿命、低氮排放微波等离子体辅助氨燃烧器系统，包括电源、微波头、环形器、水负载、三销钉、等离子体氨燃烧器、短路活塞、控制系统；电源依次连接微波头、环形器、三销钉、等离子体氨燃烧器和短路活塞；控制系统连接等离子体氨燃烧器；控制系统连接电源；环形器连接水负载；

所述等离子体氨燃烧器包括高频点火器、微波等离子体耦合腔、第一级燃烧反应腔、第二级燃烧反应腔、第三级燃烧反应腔和尾气排放收集检测端；

所述高频点火器用于产生预电离等离子体，辅助微波等离子体点火并提高微波等离子体工作稳定性，包括高频电源、高压传输线、等离子体放电腔、高频点火气体入口；高频电源通过高压传输线与等离子体放电腔连接，等离子体放电腔上设置有高频点火气体入口；

所述微波等离子体耦合腔用于将微波馈入至所述等离子体氨燃烧器，在所述高频点火器点火后在微波的作用下击穿耦合腔工作气体产生等离子体，包括耦合腔进气组件、中空内导体、同轴外导体、耦合腔矩形波导、耦合腔波同转换器、旋气环、陶瓷环；耦合腔进气组件包括微波等离子体工作气体端和微波等离子体工作气体均分端；同轴外导体依次连接耦合腔矩形波导和微波等离子体工作气体均分端，同轴外导体、耦合腔矩形波导和微波等离子体工作气体均分端均套设在中空内导体的外部；微波等离子体工作气体端设置在微波等离子体工作气体均分端上；耦合腔矩形波导和微波等离子体工作气体均分端连接处设置有耦合腔波同转换器；耦合腔矩形波导依次分为波导上端口、波同转换过渡段和波导下端口；旋气环设置在同轴外导体内；陶瓷环设置在同轴外导体端部；同轴外导体的出口依次设置有第一级燃烧反应腔、第二级燃烧反应腔和第三级燃烧反应腔；

所述第一级燃烧反应腔用于实现等离子体辅助氨燃料燃烧第一级控制，包括一次氨燃料进气端、一次燃烧空气进气端；

所述第二级燃烧反应腔用于实现氨燃料燃烧第二级控制，包括二次氨燃料进气端、二次燃烧空气进气端；

所述第三级燃烧反应腔用于实现氨燃料燃烧第三级控制，包括三次燃烧空气进气端、稳焰部件；

所述尾气排放检测端用于检测燃烧后燃气的气体成分，包括检测口和在线检测器。

进一步地，所述长寿命、低氮排放微波等离子体辅助氨燃烧器系统，所述低功率微波电源的频率为2.45GHz或915MHz。

进一步地，所述长寿命、低氮排放微波等离子体辅助氨燃烧器系统，所述微波等离子体耦合腔、第一级燃烧反应腔、第二级燃烧反应腔、第三级燃烧反应腔为常压或1-10atm的过常压。

进一步地，所述长寿命、低氮排放微波等离子体辅助氨燃烧器系统，所述第一级燃烧反应腔、第二级燃烧反应腔、第三级燃烧反应腔中的反应中的燃料为天然气、氨、氢气、乙烷、丙烷、煤粉、汽油或柴油。

进一步地，所述长寿命、低氮排放微波等离子体辅助氨燃烧器系统，所述微波头输出微波的频率为1GHz-10GHz中的单个频点或带有一定带宽的微波频率段。

本发明还公开了一种长寿命、低氮排放微波等离子体辅助氨燃烧器产生方法，包括：将所述高频点火器系统与所述微波等离子体耦合腔连接，从所述高频点火器等离子体放电腔中心旋转通入高频点火等离子体放电气体；所述高频点火器产生高频电场激发从所述高频点火器等离子体放电腔中心通入的所述高频点火等离子体放电气体从而形成初级等离子体；将所述高频点火器放置于所述微波等离子体耦合腔中的所述中空内导体中心顶端，所述耦合腔工作气体通过耦合腔进气组件沿所述微波等离子体耦合腔中的所述中空内导体与所述同轴外导体间的间隙进入系统；在系统启动初期先通入所述高频点火等离子体放电气体和所述耦合腔工作气体，再启动高频点火器，在产生所述初级等离子体后启动所述电源产生微波等离子体，待所述微波等离子体产生并稳定后关闭所述高频点火器，持续通入所述高频点火等离子体放电气体；通过所述第一级燃烧反应腔通入所述一级氨燃料和所述一级燃烧空气，在所述微波等离子体辅助作用下稳定高效燃烧，所述一级氨燃料和所述一级燃烧空气通过所述控制系统进行检测、调节和控制；通过所述第二级燃烧反应腔通入所述二级氨燃料和所述二级燃烧空气，在所述微波等离子体辅助作用下稳定高效燃烧，所述二级氨燃料和所述二级燃烧空气通过所述控制系统进行检测、调节和控制；通过所述第三级燃烧反应腔通入所述三级燃烧空气，用于使前几级燃烧残余的燃料进一步充分燃烧并控制燃气温度，所述三级燃烧空气的量通过所述控制系统进行监测、调节和控制；最终获得长寿命、低氮排放微波等离子体辅助氨燃烧器系统。

本发明的优点是：

本发明利用大功率微波产生及传输技术、等离子体辅助燃烧技术、燃烧器低氮排放燃烧组织技术，实现大功率微波等离子体辅助氨高效燃烧和低氮排放系统，有效提高大功率微波在等离子体中的吸收效率，提高了低燃烧特性氨燃料燃烧效率并有效降低NOx排放。本发明所涉及的微波等离子体技术可用于高纯、高熔点材料合成制备，也可用于煤粉、氨、天然气等燃料的辅助燃烧，也可以替代传统的油或等离子体火炬用于煤电厂点火与稳燃，也可以用于替代水泥窑、炼铁高炉、氢基竖炉等使用大功率燃烧器的场景；相对于传统大功率等离子体炬技术，微波等离子体具有更高效、更长寿命等特点，配合燃烧器系统实现燃烧器系统的长寿命；在反应过程中，利用低功率等离子体引燃大功率微波等离子体使设备的灵活性和稳定性得到大幅提高；本发明装置尺寸可根据需要灵活调节，大大降低了设备的开发难度及材料制作成本，易于放大实现工业化生产。

附图说明

图1为本发明的微波等离子体辅助氨燃烧系统主要部件示意图；

图2为本发明的氨燃烧器部件及控制系统工作流程图；

图3为本发明的微波等离子体辅助氨燃烧器结构示意图。

图中，01辅助进气端、02高频点火器工作气体进气端、03高频点火器、04中空内导体、05微波等离子体工作气体端、06微波等离子体工作气体均分端、07波同转换器、08波导上端口、09波导下端口、10波同转换过渡段、11同轴外导体、12一级燃料进气端、13二级空气进气端、14二级燃料进气端、15三级空气进气端、16旋气环、17陶瓷环、I一级燃烧区、II二级燃烧区、III三级燃烧区。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

下面结合附图和实施例，对本发明的具体应用实施方式作进一步详细描述。

如图1为本发明的长寿命、低氮排放微波等离子体辅助氨燃烧器系统主要部件示意图。本发明的长寿命、低氮排放微波等离子体辅助氨燃烧器系统包括电源、微波头、环形器、水负载、三销钉、等离子体氨燃烧器、短路活塞和控制系统。控制系统连接等离子体氨燃烧器。控制系统连接电源。环形器连接水负载。电源依次连接微波头、环形器、三销钉、等离子体氨燃烧器和短路活塞。

如图2所示，本发明的氨燃烧器部件及控制系统工作流程图，包括氨燃烧器、氨燃料、空气气源、尾气排放收集检测、微波等离子体、高频点火器和控制系统，空气气源分为两路，其中一路为燃烧空气直接供应至氨燃烧器，另一路为等离子体工作气体；所述等离子体工作气体又分为两路，其中一路依序供应至高频点火器和微波等离子体，另一路直接供应至微波等离子体作为微波等离子体放电气体；所述燃烧空气直接供应至氨燃烧器参与氨燃烧过程；所述尾气排放收集检测用于检测氨燃烧器燃烧后产生尾气中的NOx和温度等参数，进而反馈至所述控制系统，对整个系统参数进行调节；所述控制系统与所述空气气源、所述燃烧空气、所述等离子体工作气体、所述高频点火器、所述微波等离子体、所述氨燃料、所述尾气排放收集检测有通讯连接，通过对所述尾气排放收集检测的信号进行实施通讯，进而双向检测与控制所述氨燃料、所述燃烧空气、所述空气气源、所述等离子体工作气体、所述高频点火器、所述微波等离子体等组件，实现对所述氨燃烧器的控制。

如图3为本发明的微波等离子体辅助氨燃烧器结构示意图，所述等离子体氨燃烧器包括高频点火器03、微波等离子体耦合腔、第一级燃烧反应腔、第二级燃烧反应腔、第三级燃烧反应腔和尾气排放收集检测端。具体地，所述微波等离子体辅助氨燃烧器包括辅助进气端01、高频点火器工作气体进气端02、高频点火器03、中空内导体04、微波等离子体工作气体端05、微波等离子体工作气体均分端06、波同转换器07、波导上端口08、波导下端口09、波同转换过渡段10、同轴外导体11、一级燃料进气端12、二级空气进气端13、二级燃料进气端14、三级空气进气端15、旋气环16、陶瓷环17、一级燃烧区I、二级燃烧区II、三级燃烧区III。

微波电源与微波等离子体耦合腔相连接。

高频点火器03用于产生预电离等离子体，辅助微波等离子体点火并提高微波等离子体工作稳定性，高频点火器包括高频电源、高压传输线、等离子体放电腔和高频点火气体入口。高频点火器工作气体进气端02通过高频点火气体入口与高频点火器连接。高频电源通过高压传输线与等离子体放电腔连接，等离子体放电腔上设置有高频点火气体入口。高频点火器放置于所述微波等离子体耦合腔中的中空内导体04中心顶端。同轴外导体11与中空内导体04同轴设置。所述辅助进气端01置于所述高频点火器03与所述中空内导体04内孔间隙，用于通入空气或者氨燃料，冷却所述中空内导体并促进所述一级燃烧区I的燃烧。所述微波等离子体耦合腔用于将微波馈入至所述等离子体氨燃烧器，在所述高频点火器03点火后在微波的作用下击穿耦合腔工作气体产生等离子体。微波等离子体耦合腔包括耦合腔进气组件、中空内导体04、同轴外导体11、耦合腔矩形波导、耦合腔波同转换器07、旋气环16和陶瓷环17。耦合腔进气组件包括微波等离子体工作气体端05和微波等离子体工作气体均分端06。同轴外导体11依次连接耦合腔矩形波导和微波等离子体工作气体均分端06。其中，同轴外导体11、耦合腔矩形波导和微波等离子体工作气体均分端06均套设在中空内导体04的外部。微波等离子体工作气体端05设置在微波等离子体工作气体均分端06上。耦合腔矩形波导和微波等离子体工作气体均分端06连接处设置有耦合腔波同转换器07。耦合腔矩形波导依次分为波导上端口08、波同转换过渡段10和波导下端口09。一级燃料进气端12、二级空气进气端13、二级燃料进气端14和三级空气进气端15各自独立地分别与同轴外导体11连接。旋气环16设置在同轴外导体11内。陶瓷环17设置在同轴外导体11端部。同轴外导体11的出口依次设置有一级燃烧区I(即第一级燃烧反应腔)、二级燃烧区II(即第二级燃烧反应腔)和三级燃烧区III(即第三级燃烧反应腔)。

所述中空内导体04与所述微波等离子体工作气体均分端06尾部通过螺纹连接或密封圈连接，用于将所述微波等离子体工作气体端05进入的空气均匀进入所述一级燃烧区I，所述微波等离子体工作气体均分端06通过螺纹固定于所述波同转换过渡段侧面；所述微波等离子体工作气体均分端06通过螺纹与所述波同转换器07连接，所述波同转换器07用于将微波模式由TE10模式转换为TEM电磁波模式；所述波导上端口08和所述波导下端口09分别与所述三销钉和所述短路活塞连接，用于电磁波的高效传输；所述同轴外导体11通过螺纹与所述波同转换过渡段10连接，以使电磁波以TEM模式向前传输；所述一级燃料进气端12将氨燃料通入系统，在一级燃烧区I与所述微波等离子体工作气体端05进入并被电离产生的空气等离子体参与燃烧；所述二级空气进气端13用于通入参与二次燃烧的空气，与所述一级燃烧区I混合继续在二级燃烧区II强化燃烧；所述二级燃料进气端14用于通入氨燃料，与所述二级燃烧区II混合继续在所述三级燃烧区III强化燃烧；所述三级空气进气端15用于通入过量的空气，用于所述三级燃烧区III继续混合进而燃尽所述三级燃烧区III中残余的燃料，同时控制所述三级燃烧区III的燃气温度；所述旋气环16用于使所述微波等离子体工作气体端05进入的空气形成旋流，增强被微波电离后产生等离子体的稳定性；所述陶瓷环17固定于所述同轴外导体11内侧，用于电磁波的高效传输及与所述微波等离子体的高效耦合。

优选的，所述微波电源的频率为2.45GHz或915MHz。

优选的，所述一级燃烧区I、二级燃烧区II和三级燃烧区III工作压力为常压或1-10atm的过常压。

优选的，所述燃料燃烧提供热能的反应中的燃料为天然气、氨、氢气、乙烷、丙烷、煤粉、汽油或柴油。

优选的，所述低功率微波电源的频率为1GHz-10GHz中的单个频点或带有一定带宽的微波频率段。

本发明的工作方法如下：

将所述高频点火器系统与所述微波等离子体耦合腔连接，从所述高频点火器03的等离子体放电腔中心旋转通入高频点火等离子体放电气体；所述高频点火器03产生高频电场激发从所述高频点火器等离子体放电腔中心通入的所述高频点火等离子体放电气体从而形成初级等离子体；将所述高频点火器03放置于所述微波等离子体耦合腔中的所述中空内导体04中心顶端，所述耦合腔工作气体通过微波等离子体工作气体均分端06沿所述微波等离子体耦合腔中的所述中空内导体04与所述同轴外导体11间的间隙进入系统；在系统启动初期，先通入所述高频点火等离子体放电气体和所述耦合腔工作气体，再启动所述高频点火器03，在产生所述初级等离子体后启动所述微波电源产生微波等离子体，待所述微波等离子体产生并稳定后关闭所述高频点火器03，持续通入所述高频点火等离子体放电气体；通过第一级燃烧反应腔通入所述一级氨燃料和所述一级燃烧空气，在所述微波等离子体辅助作用下稳定高效燃烧，所述一级氨燃料和所述一级燃烧空气的量通过所述控制系统进行检测、调节和控制；通过第二级燃烧反应腔通入所述二级氨燃料和所述二级燃烧空气，在所述微波等离子体辅助作用下稳定高效燃烧，所述二级氨燃料和所述二级燃烧空气通过所述控制系统进行检测、调节和控制；通过第三级燃烧反应腔通入所述三级燃烧空气，用于使前几级燃烧残余的燃料进一步充分燃烧并控制燃气温度，所述三级燃烧空气的量通过所述控制系统进行监测、调节和控制；最终获得长寿命、低氮排放微波等离子体辅助氨燃烧器系统。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。