技术摘要：
本发明公开了一种基于磁约束的火焰约束装置及方法、应用。装置包括相对设置的第一导轨和第二导轨；第一导轨和第二导轨上分别设置有第一环形永磁铁和第二环形永磁铁；第一环形永磁铁与第二环形永磁铁的垂直间距调整通过第一环形永磁铁和/或第二环形永磁铁的移动实现；所  全部
背景技术：
磁约束是基于磁场与电子相互作用的反应过程约束手段之一。长期以来，磁约束 在原子能应用方向有了长足的研究，特别是针对核聚变的等离子体约束，国内外学者开展 了大量基础及应用研究，取得了可观的研究及应用成果。 等离子体是处于高温或特定激励下的一种物质状态，是部分或完全电离的离子化 的气态状物质，由大量的带电粒子(离子、电子)和中性粒子(原子、分子)组成，其温度可以 高达上万度。当前，等离子体技术已广泛应用于焊接、切割、点火、金属冶炼、垃圾焚烧及废 物处理等领域，但是这些领域中对火焰的控制大部分是基于对助燃剂量的控制。 现有技术对于高温火焰(2200℃以上)的控制大多是通过耐火材料(如耐火砖、石 棉等)将其约束在一定空间内，但是高温火焰的高温或者在高温下的反应物容易对耐火材 料造成腐蚀(或者损害)，使耐火材料的耐火性能失效(普通耐火砖失效温度约为1600℃左 右)。因此，对于约束高温火焰而言，对耐火材料的要求很高，从而增加了工厂的成本、浪费 人力物力。 因此，亟需一种简单、有效的约束火焰的方式。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是为了克服在高温(火焰外焰温度大于2200℃)下，耐火 材料无法安全、有效约束火焰的缺陷，而提供一种基于磁约束的火焰约束装置及方法、应 用。 本发明基于磁镜原理，通过调整磁铁的布置方式、磁铁之间的间距，将磁镜原理与 约束火焰相结合，设计了一种简单、灵活的火焰约束装置。 本发明通过以下技术方案解决上述技术问题： 一种基于磁约束的火焰约束装置，其包括相对设置的第一导轨和第二导轨； 所述第一导轨上设置有第一环形永磁铁，所述第二导轨上设置有位于所述第一环 形永磁铁上方区域的第二环形永磁铁； 所述第一环形永磁铁与所述第二环形永磁铁的垂直间距调整通过所述第一环形 永磁铁和/或所述第二环形永磁铁的移动实现； 所述第一环形永磁铁的磁极与所述第二环形永磁铁的磁极的设置方式：由上至下 均为N极→S极或者均为S极→N极； 所述火焰约束装置还包括喷嘴； 所述第一环形永磁铁位于所述喷嘴出口处形成的火焰顶点下方区域、且所述第二 环形永磁铁位于所述喷嘴的出口的上方区域； 所述喷嘴的中心轴线贯穿于所述第一环形永磁铁的环形区域内和所述第二环形 4 CN 111578269 A 说　明　书 2/5 页 永磁铁的环形区域内。 本发明中，较佳地，所述第一环形永磁铁与所述第一导轨之间通过第一滑块连接。 本发明中，较佳地，所述第二环形永磁铁与所述第二导轨之间通过第二滑块连接。 其中，较佳地，所述第一滑块与所述第二滑块分别可沿所述第一导轨与所述第二 导轨移动。 其中，较佳地，所述第一环形永磁铁与所述第二环形永磁铁的垂直间距通过所述 第一滑块和/或所述第二滑块的移动来调整。此处，“移动”的调整方式可为本领域常规，例 如采用导轨顶端螺杆头部的手柄摇动导轨内螺杆的方式调节，并能够在适当的位置锁住。 本发明中，所述第一环形永磁铁与所述第二环形永磁铁的形状可为本领域常规的 闭合形状永磁铁，例如圆环形、空心圆柱体、椭圆形、方形空心型永磁铁等。 本发明中，较佳地，所述第一环形永磁铁与所述第二环形永磁铁为两个相同的磁 铁。此处，所述“相同”为本领域常规理解的含义，一般是指磁铁的大小、形状和磁场强度等 均相同。 本发明中，较佳地，所述第一环形永磁铁的环内中心磁场方向与所述第二环形永 磁铁的环内中心磁场方向平行。更佳地，所述第一环形永磁铁的环内中心磁场方向与所述 第二环形永磁铁的环内中心磁场方向在同一直线上。本发明中的环形磁铁的环内中心磁场 方向与环形磁铁的中心轴线在同一条直线上。 本发明中，较佳地，所述第一环形永磁铁的中心轴线、所述第二环形永磁铁的中心 轴线和所述喷嘴的中心轴线均与所述第一导轨或所述第二导轨平行。 本发明中，较佳地，所述第一环形永磁铁的内径与所述第二环形永磁铁的内径为 所述喷嘴的出口直径的10倍以上。永磁铁的直径过小，火焰高温会导致永磁铁过热而消磁 速度较快。 本发明中，较佳地，所述喷嘴位于所述第二环形永磁铁下方区域。 本发明中，所述喷嘴的结构可为本领域常规，较佳地，所述喷嘴为双通道结构，所 述双通道结构包括用于输送氧化剂的通道和用于输送燃料的通道。 其中，所述用于输送氧化剂的通道可为所述双通道结构中的内通道或外通道。所 述用于输送燃料的通道也可为所述双通道结构中的内通道或外通道。 其中，当所述内通道和所述外通道分别用于输送燃料和氧化剂时，一般在所述喷 嘴的出口处点燃后形成正扩散火焰。 其中，当所述内通道和所述外通道分别用于输送氧化剂和燃料时，一般在所述喷 嘴的出口处点燃后形成反扩散火焰。 其中，较佳地，所述用于输送氧化剂的通道内径与所述用于输送燃料的通道内径 比例为4:1～2:1，例如3:10。 本发明中，所述喷嘴的出口处形状较佳地为圆柱状。 一般地，正扩散火焰或反扩散火焰在高温下其内部形成部分高温等离子体。 本发明中，较佳地，所述第一环形永磁铁与所述第二环形永磁铁的垂直间距大于 等于所述喷嘴的出口处形成的火焰自由基高度、且小于等于所述喷嘴的出口处形成的火焰 高度。更佳地，所述第一环形永磁铁与所述第二环形永磁铁的垂直间距等于所述喷嘴的出 口处形成的火焰自由基高度。 5 CN 111578269 A 说　明　书 3/5 页 其中，火焰自由基的观测方式可为本领域常规，例如紫外相机。 本发明还提供了一种基于磁约束的火焰约束方法，所述火焰约束方法采用上述火 焰约束装置，所述火焰约束方法包括如下步骤： S1：在所述喷嘴的出口处形成外焰温度为2200℃以上的火焰； S2：改变所述火焰的高度：调整所述第一环形永磁铁与所述第二环形永磁铁的垂 直间距。 本发明中，所述“调整”的情形例如：当所述第一环形永磁铁位于所述喷嘴的出口 处、且所述第二环形永磁铁位于所述火焰的顶点处时，调大所述第一环形永磁铁与所述第 二环形永磁铁的垂直间距，会缩短所述火焰的高度，此时约束效果相对减弱。 一般情况，调大所述第一环形永磁铁与所述第二环形永磁铁的垂直间距时，磁场 强度减小，一般情形下约束能力减弱，特殊情形下具体火焰的约束情况根据两磁铁之间含 括的等离子体数量确定，等离子体数量可通过紫外相机观测；或者调小所述第一环形永磁 铁与所述第二环形永磁铁的垂直间距时，磁场强度减大，一般情形下约束能力增强，特殊情 形下具体火焰的约束情况根据两磁铁之间含括的等离子体数量确定，等离子体数量可通过 紫外相机或高光谱相机观测。 本发明中，氧化剂可为本领域常规，例如纯净的氧气。燃料可为本领域常规，例如 甲烷。 本发明中，所述双通道结构中，氧化剂和燃料的摩尔流量比可为本领域常规，摩尔 流量一般是指单位时间流经管道或设备的流体的物质的摩尔量(单位可为mol/s、mol/ min)，较佳地为1:1～1:6，例如1:2。 本发明的所述火焰约束方法主要基于磁镜原理实现：采用一对环形永磁铁，第二 环形永磁铁置于火焰下部，第一环形永磁铁置于火焰上端，两只环形永磁铁磁场方向(即磁 感线方向)沿轴向一致，上下构成一套两头强，中间弱的磁镜，所述喷嘴处在燃烧过程中高 温火焰内形成等离子体，其穿过所述第二环形永磁铁内环时进入磁场构成的磁镜，等离子 体在磁镜内受磁场约束穿梭于两只永磁铁之间，从而形成对燃烧火焰的约束。 所述第二环形永磁铁与第一环形永磁铁之间的间距可以通过移动而改变，间距的 调整将改变磁镜的结构及磁场强度分布，并对燃烧火焰形成不同的约束效果，从而改变火 焰结构，达到约束燃烧火焰的目的。 所述第二环形永磁铁与第一环形永磁铁的间距越小，其所构成的磁镜在两永磁铁 轴向间距中心点的磁场强度越强，对燃烧火焰的约束力越强，燃烧火焰的火焰长度或高度 越小，但其对燃烧火焰的约束存在极限，即当等离子体在运动至所述第一环形永磁铁时，其 运动速度超过磁镜所能约束等离子体的极限速度时，将发生等离子体的逃逸(可以通过本 领域常规的紫外相机观测)，因此无法对达到该燃烧扩散速度的火焰进行完全约束，但仍可 降低燃烧火焰扩散速度，在一定程度上约束燃烧火焰。 本发明还提供一种上述火焰约束装置在等离子体喷枪和/或火炬中的应用。 本发明中，“第一、第二”仅用于说明，并不对发明起限定作用。 在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实 例。 本发明的积极进步效果在于： 6 CN 111578269 A 说　明　书 4/5 页 1)本发明的燃烧火焰约束装置，克服了耐火材料无法在高温下约束火焰结构的困 难，利用磁镜对高温火焰内等离子体的约束原理，实现了对高温燃烧火焰的简单、有效的约 束。 2)本发明的火焰约束方法在采用本发明的火焰约束装置基础上，调整两磁铁之间 的间距，可以实现对火焰不同程度的约束。 附图说明 图1为本发明基于磁约束的燃烧火焰约束装置的结构示意图。 1-第二导轨，2-第一导轨，3-第二环形永磁铁，4-第一环形永磁铁，5-第二滑块，6- 第一滑块，7-喷嘴内通道，8-喷嘴外通道，9-双通道喷嘴，10-第二环形永磁铁的环内中心磁 场方向，11-第一环形永磁铁的环内中心磁场方向。