Plasma ignition device using a combined type cathode and the cathode

本発明は、微粉炭バーナを直接着火させるためのプラズマ点火装置の陰極（cathode：カソード）、およびかかる陰極を使用して微粉炭ボイラを直接起動させるためのプラズマ点火装置に関する。 プラズマ点火装置は、微粉炭ボイラの着火開始段階および低負荷の安定燃焼段階において使用され、微粉炭ボイラの主バーナとしても機能し得る。

従来の産業用微粉炭ボイラの着火開始および低負荷の安定燃焼は、燃料油（burning oil）に依存している。 １９９９年には、中国の電力システムの微粉炭ボイラは、約２８７万トンの燃料油を消費し、総額にして約１００億人民元（ＲＭＢ yuan）であった。 １９８０年代以降、各国の技術は、微粉炭に直接着火させるプラズマ技術を採用する技術の開発に焦点を当ててきた。 オーストラリアは、電極が窒素ガスにより保護され、ガス用炭（fat coal）が燃焼するプラズマ点火装置を開発してきた。 前ソビエト連邦は、多大な基礎研究を行い、１９９６年と１９９８年にそれぞれ中国の宝鶏（Baoji）と韶関（Shaoguan）の発電所において実験を行ったが、それらの実験は成功しなかった。 中国の北京清華大学（Tsinghua University）およびハルビンボイラー工場（Harerbin Boiler Factory）においても多大な研究が行われた。

微粉炭に直接着火させるための種々のプラズマ点火装置が各国で開発されてきたが、発生器の連続動作を確保することやバーナがコーキングするのを防止することなど、いくつかの重要な技術的な問題の改善を達成することができず、したがって広く採用されてこなかった。

本出願人の実用新案特許第９９２４８８２９． ｘ号は、２段階の粉体送出を採用する軸方向流型のバーナに使用されるプラズマ点火装置を開示している。 しかしながら、このバーナにはいくつかの欠点がある。 たとえばコーキングおよびアブレーションがある程度起るであろう。 さらに、バーナにおいて燃焼されることができる微粉炭のタイプは特有のものであり、バーナの動作が不安定である。 たとえば、バーナの陰極はグラファイトロッドであり、動作時に切屑が落ち、短絡をもたらし、電圧を不安定に形成する傾向がある。

上記欠点を克服するため、本出願人は、出願し、「プラズマ点火装置において使用される金属電極」という名称の実用新案第００２４５７７４．１号に対し特許を付与された。 その特許に開示された電極は依然として、いくつかの欠点、すなわちアークスタートの際に陽極（anode）が損傷する傾向があること、電圧が大幅に揺れること、陰極の寿命が短いこと、および高価であること、という欠点がある。 したがって、プラズマ点火装置の広範の応用に悪影響が及ぼされる。

［発明の概要］
したがって、本発明の目的は、プラズマ点火装置で用いられるコンバインド型陰極を提供することである。

上記目的は、以下の陰極によって実現される。 プラズマ点火装置で用いられるコンバインド型陰極は、陰極先端部、締結ナット、導電管、水入口管、水入口パイプ、水出口パイプ、水出口管、陰極エンドキャップ、およびシール用クッションを有し、上記陰極先端部は、銅製締結ナットに溶接され、上記導電管は、ねじ込み接続によりナットに接合され、水入口管は、導電管の他端に挿入され、溶接またはねじ込み接続によりその他端に接合され、水出口管は、導電管に垂直な方向に溶接することによって取付けられ、それにより、陰極の冷却システムが形成され、なお、陰極の前端には、専用アークスタート用ブシュが取付けられ、陰極板は合金板からできており、冷却ノズルが採用されることを特徴とするコンバインド型陰極である。 この冷却ノズルは、まず収束し、そして末広であるように構成される。

通常の動作条件下では、本発明のコンバインド型陰極は、以下の特性、すなわち、自己収縮電気アーク、安定電圧、長期のサイクル寿命、アークスタートの際の陽極のわずかな焼損、かなりのコスト低減という特性を有する。 したがって、プラズマ点火装置の信頼性が向上する。

本発明の別の目的は、微粉炭バーナに直接着火させるためのプラズマ点火装置を提供することであり、この点火装置では、プラズマ発生器が連続的に、かつ安定して動作することができるとともに、微粉炭バーナがコーキングまたは焼損を被りにくくすることを確保しているため、確実に動作する。

上記の目的は、微粉炭ボイラを直接起動させるためのプラズマ点火装置によって実現され、この点火装置は、プラズマ発生器、微粉炭バーナ、および直流電源を備え、該プラズマ発生器は、コンバインド型陰極、複合陽極、電磁コイル、複合陽極の収容室の周囲に取付けられたアークスタート用コイル、およびリニアモータを有し、上記微粉炭バーナは、バーナノズル、４段の燃焼室、粉体−空気管、一次空気−粉体管、誘導板、高温プラズマ輸送パイプ、および粉体濃度調整誘導板を含む。

本発明の好適な実施形態によれば、上記複合陽極は、二重ノズル管の形態をしている。 上記陽極体は、熱伝導率および導電率が高いとともにその酸化物も導電性である材料、好ましくはＡｇ系合金からできており、陽極ノズルは、Ａｇ系合金または赤銅からできている。 上記のコンバインド型陰極は、陰極先端部、アークスタート用ブシュ、締結ナット、陰極板、冷却ノズル、導電管、水入口管、水入口パイプ、水出口管、導電管、および陰極エンドキャップを有する。 上記陰極板は、円筒−円錐形状をしており、溶接により陰極先端部に取り付けられ、Ａｇ系材料からできており、冷却ノズルは、まず収束し、そして末広であるように構成されている。

コンバインド型陰極は、強制冷却による高速ノズルを用いるため、陰極の熱伝達が早まり、陰極の寿命が長くなる。 陰極の寿命は、導電性および熱伝導性の優れた材料、好ましくはＡｇ系材料を陰極板として用いることによってさらに延びる。

複合陽極を用いることにより、陽極の内隙のプラズマの流れ場が変化する。 特に、ノズルでは流れの軸方向成分が優勢であるため、微粉炭による陽極の汚染が防止される。 さらに、陽極の受取り領域が従来のノズルにより増大しており、電子は、陽極ノズル管内で受け取られるため、外部のダイナミックフィールド（dynamic field）により妨げられることがなく、よって、装置の出力は非常に安定性がある。 複合陽極の外側に覆われたアーク輸送用コイル（arc-transporting coil）により、プラズマ炎の長さが長くなるため、微粉炭に着火する能力が向上する。

さらに、多段軸方向粉体送出およびガス膜冷却技法を用いること、および段ごとの増幅により着火を行うことにより、より低い電力消費でバーナの出力が大幅に増加され、バーナは、着火性および安定燃焼の機能を有するとともに、主バーナとして機能する。 具体的には、補助空気を用いて、第１、第２、第３、および第４の燃焼室の空気膜冷却を行うようになっており、それにより、燃焼室の壁温度が灰溶融温度よりも下がり、コーキングが防止される。 第３の段の燃焼室では、酸素は低濃度の粉体流によって供給され、第４の燃焼室では、酸素は補助空気によって補充され、それにより燃焼が高まり、火炎の剛性（rigidity）が高まる。

したがって、本発明のプラズマ点火装置は、より大きな出力、コーキングがないこと、燃焼効率が高いこと、火炎が非常に剛性であること、という利点を有し、各種炭をそこで燃焼させることができる。 本発明の装置は、高出力プラズマ点火装置の連続的な安定した動作に関連した重要な技術を解決するので、本発明のプラズマ点火装置は、産業用微粉炭ボイラに広く用いることができる。 産業用ボイラの起動および着火、ならびにオイルを用いて安定して動作させる従来の方法およびシステムを代替でき、大量の石油が節約されることになる。

本発明の好適な実施形態を、添付図面の参照により詳細に説明する。

［本発明の詳細な説明］
次に、本発明の好適な実施の形態を、添付の図面を参照して詳細に説明する。

まず、図面中のすべての参照符号を以下の表に記載する。

図３に示すように、プラズマ点火装置に用いられるコンバインド型陰極は、陰極先端部３０１、締結ナット、導電管３０４、水入口管３０８、水入口パイプ３０５、水出口管３０７、陰極エンドキャップ３０６、およびシール用クッション３１０を具備し、上記陰極先端部３０１は、銅製の締結ナットに溶接され、上記導電管３０４は、ねじ込み接続によってナットと接合し、水入口管３０８は、導電管３０４の他端に挿入されて溶接またはねじ込み接続により他端に接合され、水出口管３０７は、導電管３０４に垂直な方向に溶接により取付けられ、それにより、陰極の冷却システムが形成され、該陰極において、該陰極の前端には専用のアークスタート用ブシュ３１１が取付けられ、陰極板３０２は合金板から形成され、陰極板を冷却するための冷却ノズル３０３は、溶接により水入口管３０８に接合され、導電管３０４の中心に配置され、上記冷却ノズルは、まず収束し、そして末広であるように構成されることを特徴とする。

好適な実施形態によれば、アークスタート用ブシュ３１１は、溶融温度および導電率が高いグラファイトロッドから形成され、ねじ込み接続により陰極先端部３０１の前端に締結され、陰極板３０２と同じ高さにある。

別の好適な実施形態によれば、陰極板３０２は、熱伝導率と導電率が高いＡｇ系合金板からできており、ろう付けにより陰極先端部３０１に接合され、アークスタート用ブシュ３１１と面一である。 板状タイプの陰極を用いることにより、アークスタート点の自己収縮が可能となる。

図７に示すように、上記のコンバインド型陰極を用いるプラズマ点火装置の動作の際、コンバインド型陰極７０５が陽極７０２と接触すると、直流電源７０６に電源が入り、電流負荷が設定される。 コンバインド型陰極７０５が陽極７０２からゆっくり離れる際、電気アークは最初に陽極７０２とアークスタート用ブシュ３１１との間に形成される。 機械圧縮、磁気圧縮、および熱圧縮の作用により、電気アークは、アークスタート用ブシュ３１１から中心陰極板３０２まで即座に伝えられる。 圧縮空気出口７０３から流入する旋回気流は、電気アークのエネルギー作用下でプラズマとなる。 実験により、アークスタートの際の陽極の焼損はいっそう少なく、ノードの寿命が長くなることが示された。

さらに、陰極の冷却システムの冷却ノズルは、まず収束し、そして末広である構造を有するノズル管を用いるので、液体は、ノズルのスロート部分で速度を増して、それにより陰極の熱交換効率が高まり、陰極の寿命が長くなる。

図１に示すように、本発明の微粉炭ボイラに直接着火させるためのプラズマ点火装置は、プラズマ発生器１０２、微粉炭バーナ１０１、およびプラズマ発生器ブラケット１０３を備える。

フランジ接続により、プラズマ発生器１０２の複合陽極６０４は、微粉炭バーナの第１の段の燃焼室２１２に挿入される。 図６に示すように、上記プラズマ発生器は、陽極６０４、コンバインド型陰極６０２、リニアモータ６０１、電磁コイル６０３、および複合陽極６０４の収容室の周囲に取付けられたアーク輸送用コイル６０５を備える。 複合陽極６０４およびコンバインド型陰極６０２は同軸に配置される。 複合陽極は、直流電源５０８の正極に接続され、コンバインド型陰極６０２は、直流電源５０８の負極に接続される。 リニアモータは、上記陰極および上記陽極を形成して互いに接触させ、その後互いから引き離してプラズマ電気アークが発生し得るように機能する。

図４に示すように、複合陽極は二重ノズル管として構成される、すなわち、一対のノズル管を溶接することによって形成される。 複合陽極は、一端が陽極ノズル４０４に溶接され、他端が陽極底部４０６に溶接される。 上記陽極体４０５は、Ａｇ系材料等、熱伝導率および導電率が高いとともにその酸化物も導電性である材料からできている。 陽極ノズル４０４は、Ｃｕ系またはＡｇ系材料からできていてもよい。

図３に示すように、上記コンバインド型陰極は、陰極先端部３０１、アークスタート用ブシュ３１１、締結ナット、陰極板３０２、冷却ノズル３０３、導電管３０４、水入口管３０８、水入口パイプ３０５、水出口管３０７、および陰極エンドキャップ３０６を備える。 陰極板３０２は逆円錐形状であり、Ａｇ系合金からできている。 冷却ノズル３０３は、末広であるように構成される。

図２に示すように、上記微粉炭バーナ１０１は、バーナノズル２０１、第４の段の燃焼室２０２、第３の段の燃焼室２０４、第２の段の燃焼室の入口管２１６、一次空気−粉体管２１７、補助空気入口管２０９、第１の段の燃焼室の誘導板２１４、第２の段の燃焼室の誘導板２１９、および第３の段の燃焼室の粉体用チャネル２２０を備える。 一次空気−粉体管２１７から流入する空気と微粉炭の混合流は、粉体濃度調節誘導板２１８によって３つのストリームに分流され、この３つのストリームはそれぞれ、３つの段の燃焼室へ入り、その内部で燃焼する。 補助空気入口管２０９から流入する補助空気は、３つのストリームに分流され、この３つのストリームはそれぞれ、酸素を冷却し、その酸素を、第１の段の燃焼室２１２の外壁、第３の段の燃焼室２０４の外壁、ならびに第４の段の燃焼室２０２の内壁および外壁に補給する。

本発明の原理および動作を、図５を参照して以下に説明する。 直流電源５０７に電源が入ると、リニアモータ６０１が起動し、陰極６０２が陽極６０４に接触するように前進する。 同時に、圧縮空気入口管５０５の出力電流および空気圧力が設定される。 陰極が陽極からゆっくり離れることにより、電気アーク電圧が発生される。 アーク電圧は２つの電極間の距離の関数であるため、その距離は、炭のタイプに応じて決定され、それによりアーク電力および電圧が決まり得る。 プラズマトーチ（plasma flambeau）からイオン化空気輸送エネルギーが微粉炭バーナの第１の段の燃焼室２１２へ入り、それによって、第１の段の燃焼室の入口管２１５を通る高濃度の微粉炭に着火する。

同時に、一次空気−粉体管２１７により導入される微粉炭は、微粉炭濃度調節誘導板により３つのストリームに分けられ、バーナ本体へ入る。 高濃度の微粉炭の２０％である第１の部分が、第１の段の燃焼室の入口管２１５および第１の段の燃焼室の誘導板を通して第１の段の燃焼室へ入り、上記プラズマトーチにより着火される。 高濃度の微粉炭の６０％である第２のストリームは、第２の段の燃焼室の入口管２１６および第２の段の燃焼室の誘導板を通して第２の段の燃焼室に入る。 高濃度の微粉炭の２０％である第３のストリームは、一次空気−粉体誘導板および第３の段の燃焼室の粉体用チャネルを通して第３の段の燃焼室に入る。

そこでは、補助空気が粉体−空気管の補助空気入口管を通って通過し、２つの手段によってバーナに入る。 一方の手段をとる空気は、第１の段の燃焼室の外筒の上部入口を通って第１の段の燃焼室の外壁を冷却し、次に燃焼用酸素を補給する。 他方の手段をとる空気は、補助空気用チャネルを通って第３の段の燃焼室の外壁を冷却し、次に、さらに２つのストリームに分流され、そのうち一方は、第４の段の燃焼室へ入って燃焼用酸素を補給し、もう一方は、補助空気用チャネルを通って第４の段の燃焼室を冷却し、次にバーナ炉床へ入る。

したがって、高温プラズマ輸送管が高温プラズマを供給する際、上述したように、高濃度の微粉炭の２０％の第１の部分が即座に着火され、その火炎が微粉炭の６０％の第２の部分にさらに着火し、微粉炭の残りの２０％が第３の段の燃焼室の微粉炭用チャネルを通過し、上記トーチと混ざって燃焼する。 粉体−空気流の最後の部分は、第２の段の燃焼室を冷却するようにも機能する。

実験により、燃焼室内の微粉炭量が、５００ｋｇ／ｈである場合、火炎の形状はψ７００×３０００ｍｍであることが示される。 火炎は、第２の段の燃焼室２０６および第３の段の燃焼室２０４の微粉炭に着火する。 微粉炭総量が５０００ｋｇ／ｈであり、火炎温度が１２００℃より高い場合、ノズルでの噴射速度は約４５ｍ〜５５ｍ／ｓであり、火炎の形状は約ψ１０００×７０００ｍｍである。 直線流バーナにおいて４つのプラズマ点火装置を用いる場合、接線方向の点火（tangential firing）が維持され、したがって、着火開始および安定燃焼を実現することができる。

本発明による微粉炭ボイラに直接着火させるためのプラズマ点火装置の構造を示す図である。

本発明による微粉炭ボイラに直接着火させるためのプラズマ点火装置の微粉炭バーナの構造を示す図である。

本発明による微粉炭ボイラに直接着火させるためのプラズマ点火装置のコンバインド型陰極の構造を示す図である。

本発明による微粉炭ボイラに直接着火させるためのプラズマ点火装置の複合陽極の構造を示す図である。

本発明による微粉炭ボイラに直接着火させるためのプラズマ点火装置の動作原理を示す図である。

本発明による微粉炭ボイラに直接着火させるためのプラズマ点火装置のプラズマ発生器の構造を示す図である。

図６に示したプラズマ発生器の動作原理を示す図である。