一种电弧等离子体点燃煤粉装置和方法

摘要

本发明涉及利用电弧点燃煤粉的装置和煤粉点燃方法。它包括一对阴阳极转移弧等离子体炬、煤粉燃烧筒和钝体。空气-煤粉混合物从煤粉燃烧筒一端流入；一对阴阳转移弧等离子体炬喷口位于煤粉燃烧筒内，一对等离子体炬轴线在喷口外延伸相交于煤粉燃烧筒投影截面内；在一对等离子体炬的空气-煤粉混合物流入侧放置一钝体，在钝体上开有透气孔或缝隙。电弧产生的等离子体位于两只等离子体炬喷口之间和钝体背风面围成的区域并向燃烧筒出口方向流动，煤粉-空气混合物通过钝体上的孔或缝隙被减速、或绕过钝体被卷吸进入等离子体高温区域，煤粉在等离子体高温区域被快加热、爆裂和快速脱挥发份，从而被点燃，在煤粉燃烧筒出口形成煤粉火炬，完成煤粉点燃过程。

说明书

技术领域

本发明涉及利用电弧等离子体点燃煤粉的装置及相关的点燃方法。

背景技术

煤在一定的高温环境才能稳定燃烧。大型工业锅炉都是在采用油或其他易燃原料加热到一定温度后喷入煤粉，形成稳定燃烧。现行的大型工业煤粉锅炉启动点火和低负荷助燃的燃料多采用轻柴油。由于大型工业煤粉锅炉的点火和低负荷助燃的燃油消耗量大，在石油资源紧张和石油价格不断攀升的情况下，研究新的煤粉点燃技术和煤粉火炬来取代燃油火炬，节约大量的高价燃油，有很好的经济效益。

热等离子体具有能量集中、高温、高化学活性的特点。利用热等离子体可以快速点燃煤粉，能量消耗低，这方面已有很多发明公开。在热等离子体产生技术中，由于电弧等离子体电源简单、电能转化效率高，因而成为开发利用最多的一项技术。

现有关于电弧热等离子体点燃煤粉的装置中，大多数是利用电弧等离子体炬喷出等离子体射流尾焰——热空气来加热和点燃煤粉。这方面有P.R.Blackburn的美国专利USP4089628、布赖恩·坎贝尔等人的CN88106045.3、张新录等人的CN98233073.1和王爱生等人的CN98202919.5、CN00231570.X、CN02203117.0等。上述有关专利中所公开的煤粉点火器的共同特点是：电弧位于等离子体炬腔体内，等离子体炬喷出的等离子体射流或高温气体将燃烧器中煤粉点燃。为了将等离子体引到适合的位置，唐宏等人(ZL01201021.9)还设计了一种等离子体引导管加在等离子体炬喷嘴前，更降低了用于点火的等离子体温度。研究表明，在等离子体炬体内的电弧通道中，其各项等离子体参数，例如温度、活性粒子密度等，要比等离子体射流尾焰高得多，也就是说，等离子体射流尾焰的温度、活性粒子密度已经下降很多，则必然使其点燃煤粉的能力下降，不仅降低了煤粉燃烧的可靠性，也加大了点火能量消耗。在Smirlock Martin E.等人的USP4228747、Smith Doland A.等人的USP4221174和USP4241673公开的煤粉点火器中，采用电火花放电的方法来点燃煤粉，其放电的电弧可向煤粉区域扩展，使点火效率提高，但由于采用脉冲放电方式，影响了煤粉点燃和煤粉燃烧的可靠性和稳定性。CN200610040409.1公开了一种将煤粉注入电弧通道中点燃煤粉的装置及点燃方法，是一种高效的煤粉点燃方法和装置，但并没有公开避免电极磨损和阳极结焦的技术。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术中的不足，提供一种直接在煤粉-空气混合物流动通道中产生电弧等离子体，将煤粉点燃并燃烧的装置。

本发明的目的由以下方式实现。

本发明的煤粉点燃装置，包括煤粉现有技术中煤粉燃烧筒、钝体、一只阴极转移弧等离子体炬和一支阳极转移弧等离子体炬构成的一对阴阳极转移弧等离子体炬，其特征在于：所述一对阴阳极转移弧等离子体炬分别从煤粉燃烧筒两侧插入，其中，所述一对转移弧等离子体炬的喷口位于所述煤粉燃烧筒投影截面内，所述一对转移弧等离子体炬轴线延伸相交于煤粉燃烧筒投影截面内，所述一对转移弧等离子体炬轴线在煤粉-空气混合物流入侧之间的夹角为20°到210°，所述一对转移弧等离子体炬喷口中心之间的距离为30～300mm；煤粉-空气混合物进入所述煤粉燃烧筒的流动速度为每秒15-30米，所述煤粉-空气混合物的空气煤粉质量比例为1∶0.1～1∶1。

本发明的煤粉点燃装置，其中电弧放电通道两端位于所述一对阴阳极转移弧等离子体炬内腔的阴极和阳极、中间经过一对转移弧等离子体炬的两个喷嘴内腔和喷口外的空间，电弧放电产生的等离子体位于一对转移弧等离子体炬喷嘴之间的区域，电弧通道在等离子体炬喷口外空间的长度占总电弧长度5％～90％。

为降低煤粉-空气混合物流动对电弧放电稳定性的影响，在所述一对阴阳极转移弧等离子体炬在煤粉-空气混合物来流侧放置一钝体，使煤粉空气-混合物绕过钝体后被卷吸进入电弧放电区域。在炖体上沿煤粉-空气混合物流动方向开孔或缝，使煤粉空气-混合物通过钝体孔缝被减速后进入电弧放电区域。所述钝体在一对转移弧等离子体炬喷口中心连线方向上的长度大于等于所述一对转移弧等离子体炬喷口之间的距离，所述钝体在与一对转移弧等离子体炬轴线构成的平面垂直方向的长度大于30mm，所述钝体下游端面距等离子体炬喷口轴线的距离小于200mm。钝体的作用除了降低煤粉-空气混合物对等离子体稳定性的影响，也提高了煤粉燃烧的稳定性，煤粉-空气混合物透过钝体上孔缝，限制电弧放电区域距所述钝体的距离，并隔离电弧放电区域对钝体的传热。

本发明的煤粉点燃装置，其中等离子体工质气体采用空气。

本发明利用上述煤粉点燃装置点燃煤粉的原理是：电弧产生的等离子体位于两只等离子体炬喷口之间和钝体背风面围成的区域并向燃烧筒出口方向流动，与流过的煤粉-空气混合物混合；在放置钝体后，流入煤粉燃烧筒进口的煤粉-空气混合物从钝体绕过，被卷吸进入等离子体区域；对于开有孔缝的钝体，煤粉-空气混合物也通过钝体上孔缝被减速进入等离子体区域；煤粉在等离子体区域被加热、爆裂和快速脱挥发份，从而被点燃，在煤粉燃烧筒出口形成煤粉火炬，完成煤粉点燃过程。

本发明直接将煤粉空气混合物引入电弧放电区域，放电通道中的等离子体高温未经过任何衰减，直接加热煤粉空气混合物，同时放电通道中的等离子体高温没有在炬内的热损耗，提高了电弧等离子体能量的利用效率和热转换效率，从而提高了使煤粉点燃装置点火效率大大提高。此外，相对于非转移弧等离子体炬，等离子体炬外的电弧通道提高了电弧电压，一方面可提高等离子体功率，可点燃更低挥发份的煤粉或适应更低浓度煤粉的点燃，另一方面，在等离子体功率相同的情况下，可以减小电弧电流，从而降低电极损耗，提高电极寿命。

下面通过实施例及其附图作进一步说明。

附图说明

图1是本发明所述煤粉点燃装置的结构示意图。图2是本发明所述一对阴阳极转移弧等离子体炬结构及电弧放电通道示意图。

具体实施方式

参见图1、图2。

1是煤粉燃烧筒，其中的带箭头的线表示煤粉空气混合物的流线和流动方向。燃烧筒为圆形或矩形管道，采用耐磨、耐高温金属制成。2是阳极转移弧等离子炬，3是阴极转移弧等离子炬，两只等离子体炬对称从燃烧筒两侧插入，两等离子体炬轴线相交燃烧筒中心线，两等离子体炬轴线之间夹角α为120度，两等离子体炬喷口中心之间距离为80mm。4是钝体，为耐磨金属或陶瓷制成，钝体在等离子体喷口连线方向长度尺寸与燃烧筒内宽度尺寸相同，垂直于两只等离子体炬轴线所构成平面方向的高度尺寸为80mm。在钝体上开平行于燃烧筒轴线孔，开孔区域在两只等离子体炬喷口之间，孔径F8，开孔面积约占开孔区域总面积的40％。钝体可同时保护煤粉对等离子体炬外套的磨损。

21、22分别是阳极转移弧等离子体炬的阳极和喷嘴，31、32分别是阴极转移弧的阴极及喷嘴。电弧通道5一端连接阳极转移弧等离子体炬2的阳极21内腔壁面，另一端连接阴极转移弧等离子体炬3的阳极31内腔壁面，中间为经过阳极转移弧等离子体炬阳极21内腔AI段和阴极转移弧等离子体炬阴极31内腔CI段、一对阳极转移弧等离子体炬喷嘴22、32内管AA段和CA段、一对转移弧等离子体炬喷口外OS段，其中在一对转移弧等离子体炬喷嘴之间的电弧段平均长度占电弧总平均长度60％。电弧产生的等离子体在一对转移弧等离子体炬喷口之间，并向煤粉燃烧筒出口方向流动，形成等离子体高温区域51。

本发明利用上述煤粉点燃装置点燃煤粉的原理是：首先启动送风系统向煤粉燃烧筒送风；在阳极转移弧等离子体炬2的阳极21对喷嘴22、阴极转移弧等离子体炬3的阴极31对喷嘴32之间通过短路方式或高压击穿方式产生非转移电弧，电弧在等离子体炬腔内的旋流气体作用下被吹出等离子体炬喷嘴外，在喷嘴外联通，同时在喷嘴上的弧根熄灭，形成从阴极等离子体炬的阴极到阳极等离子体炬的阳极的电弧放电通道5；电弧5在两只等离子体炬喷口之间产生等离子体，并向煤粉燃烧筒出口方向流动，形成等离子体高温区域51；在电弧等离子体炬启动后开始给煤粉燃烧筒送煤粉，流入煤粉燃烧筒进口的煤粉-空气混合物从钝体绕过被卷吸进入等离子体区域、或和通过钝体上孔进入等离子体区域，煤粉被等离子体加热、爆裂和快速脱挥发份，煤粉被点燃，在煤粉燃烧筒出口形成煤粉火炬，完成煤粉点燃过程。也可以在启动给煤粉燃烧筒送煤粉后再启动电弧，通常是在锅炉已经是燃烧状态，需要助燃时采用。

本实施例中，煤粉和空气混合物进入煤粉燃烧筒速度为每秒20米。电弧电流为200A，两只等离子体炬之间的电弧电压为1000V。