CN101839493A - 利用太阳能电解水发生氢氧并控制燃烧的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种利用太阳能电解水发生氢氧并控制燃烧的装置及方法。该装置包括电解水产生氢气及氧气的氢氧发生器，该氢氧发生器的电源是太阳能电池；该氢气及氧气分别通过管道与燃煤或燃油的燃烧室连通。该方法，包括：步骤S1，利用太阳能电池电解水发生氧气及氢气；以及步骤S2，控制该氢气至该燃烧室的燃烧火焰扩散位置中燃烧，控制该氧气至该燃烧室的扰流燃烧火焰区域助燃。本发明应用自然能源太阳能产生直流电并电解水发生氢气和氧气，利用氢气及氧气提高燃烧室的燃烧率，达到节能减排功效。

Description

利用太阳能电解水发生氢氧并控制燃烧的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种利用氢气和氧气控制燃烧的装置，特别是涉及一种利用太阳能电解水发生氢气和氧气并控制到发电厂的燃煤或燃油的燃烧室中，促使发电厂节能减碳的装置。

背景技术

火力发电已有一百多年历史，是利用煤、石油、天然气等燃料燃烧时产生的热能，通过发电动力装置转换成电能的一种发电方式。现有的火力发电系统包括燃烧系统、汽水系统、发电系统以及控制系统。燃烧系统主要包括锅炉的燃烧室、送风装置，送料(煤粉、油、天然气)装置以及灰渣排放装置；主要是完成燃料的燃烧过程，将燃料所含能量以热能形式释放出来，用于加热锅炉里的水。汽水系统是控制水及蒸汽的循环。发电系统是利用高温高压蒸汽驱动发电机产生电及控制电的输送。控制系统是对前述三个系统进行自动化的调节、控制以及协调。火力发电系统投资相对较少。

但现有的火力发电对环境的污染严重，并且火力发电的燃烧室对燃料特别是燃煤的质量要求较高。

另外，目前关于太阳能源的应用技术，是将太阳能经太阳能电池转化成直流电，供加热水，或将太阳能源转化成太阳能电池用蓄电池储存电。也有由太阳能直接发电，但目前尚未达到应用型技术。

现今世界各国，尚未有整合太阳能源产生氢气及氧气，并分别控制到发电厂燃煤或燃油的燃烧室上。因此由太阳能促使发电厂节能减碳的整合装置，尚未有此整合控制技术与设施。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有的燃烧室存在的缺陷，而提供一种新型的利用太阳能电解水发生氢氧并控制燃烧的装置及方法，所要解决的技术问题是使其利用氢气及氧气，提高燃烧室的燃烧率，达到节能减排功效。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种利用太阳能电解水发生氢氧并控制燃烧的装置，包括电解水产生氢气及氧气的氢氧发生器，其中，该氢氧发生器的电源是太阳能电池；该氢气及氧气分别通过管道与燃煤或燃油的燃烧室连通。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的利用氢气和氧气控制燃烧的装置，其中所述的该氢气通过管道连通至该燃烧室的燃烧火焰扩散位置，该氧气通过管道连通至该燃烧室的扰流燃烧火焰区域。

前述的利用氢气和氧气控制燃烧的装置，其中所述的太阳能电池提供4伏以上的直流电。

前述的利用氢气和氧气控制燃烧的装置，其中所述的太阳能电池是单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池或至薄层太阳能电池。

前述的利用氢气和氧气控制燃烧的装置，其还包括气体储存装置，设置在该氢氧发生器与该燃烧室之间的管道上，该气体储存装置包括：压缩储存该氢气的氢气储存装置；及压缩储存该氧气的氧气储存装置。

前述的利用氢气和氧气控制燃烧的装置，其中具有多组氢氧发生器。

前述的利用氢气和氧气控制燃烧的装置，其中所述的燃烧室是用于火力发电的燃烧室。

前述的利用氢气和氧气控制燃烧的装置，其还包括有燃烧控制装置，分别与设置在该管道上的流量阀、设置在该燃烧室的废气排出口处的感测器电性藕接，该感测器量测二氧化碳、一氧化碳、挥发性有机化合物及氧化氮的浓度值并反馈信号，该燃烧控制装置根据反馈信号控制该流量阀调整该氢气及该氧气的流量。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种利用太阳能电解水发生氢氧并控制燃烧的方法，其包括以下步骤：步骤S1，利用太阳能电池电解水发生氧气及氢气；以及步骤S2，控制该氢气至该燃烧室的燃烧火焰扩散位置中燃烧，控制该氧气至该燃烧室的扰流燃烧火焰区域助燃。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的利用太阳能电解水发生氢氧并控制燃烧的方法，其还包括，步骤S 3：量测该燃烧室排出的废气的气体浓度值，并调整供应至燃烧室的该氢气及该氧气的流量。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明利用太阳能电解水发生氢氧并控制燃烧的装置及方法可达到相当的技术进步性及实用性，并具有产业上的广泛利用价值，其至少具有下列优点：

一、本发明的利用太阳能电解水发生氢氧并控制燃烧的装置及方法，提供氢气及氧气，可以清净燃烧室内壁，达到不聚碳的功效。由于氢气的燃烧效率近100％，故可以提高涡炉效率与使用寿命。

二、本发明可控制氢气到最佳的燃烧火焰扩散位置，以利提升燃烧火焰的温度及提高燃烧煤或石化油的燃烧效率，不但增加氢气燃烧提供的热值也增加现时使用煤或燃油的燃烧热值，达到节省油煤的功效。另外生成的氧气控制到扰流燃烧火焰区域，提高火焰扰流区氧的浓度，达到助燃效果，将使火焰消失区中不能燃烧的可燃气体分子，由于氧气的助燃而再燃，不但减少挥发性有机化合物(VOC)等可燃气体及黑烟粒子的排放，并可使燃烧效率提升与减少二氧化碳的排放。本发明由于氢气的替代燃煤或煤油，且氢气燃烧生成水，将减少二氧化碳的排放量，达到减排的目的。

三、本发明应用自然能源-太阳能转化成直流电能，当集中太阳能电池达到4伏以上，即可电解水生成氢气与氧气。当太阳能转化电能增加，发生氢气及氧气供给率随着增加，经控制装置，则减少现用燃油或燃煤供给率，达到节能减排的功能。若太阳能转化电能减少或没有，则火力发电设备供油或燃煤全额供给，不会因为没有太阳、电解水、或是太阳能部份失效而影响现有发电功能。因此，本发明将可利用太阳能的自然能源对现有火力发电厂加装本发明装置，达到节能减排的目的。

四、另外新建火力发电厂，可以架设本发明的利用太阳能电解水发生氢氧并控制燃烧的装置，利用太阳能产生H₂及O₂，并利用H₂及O₂到现有燃煤或燃油发电厂，可以减少燃煤或燃油的使用，若有足够的太阳能源使用，节省现使用中的燃煤、燃油发电厂40％～60％的煤、油，由太阳能取代，则可利用自然能源(太阳能)40％以上。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是利用太阳能电解水发生氢氧并控制燃烧的装置较佳实施例的示意图。

图2是利用太阳能电解水发生氢氧并控制燃烧的方法的较佳实施例的流程示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的利用氢气和氧气控制燃烧的装置及方法其具体实施方式、结构、特征及其功效进行详细说明。

请参阅图1所示，是本发明利用太阳能电解水发生氢氧并控制燃烧的装置的较佳实施例的示意图。本发明较佳实施例的利用太阳能电解水发生氢氧并控制燃烧的装置10，提供氢气及氧气，并通过管道与燃油或燃煤的燃烧室60连通，控制该氢气至该燃烧室60的燃烧火焰扩散位置燃烧，控制该氧气至该燃烧室60的扰流燃烧火焰区域助燃。所述的燃烧室是用于火力发电的燃烧室，或是现有火力发电厂的燃烧室。本发明的利用氢气和氧气控制燃烧的装置可提高燃烧室的燃料燃烧率，达到节能减排功效。

本发明较佳实施例的利用太阳能电解水发生氢氧并控制燃烧的装置，包括：由太阳能电池20提供电源的氢氧发生器30、气体储存装置40及燃烧控制装置50。

上述的太阳能电池20，提供4伏以上的直流电，本实施例中太阳能电池20是提供10V直流电的单晶硅太阳能电池。在其他实施例中可以是多晶硅太阳能电池或至薄层太阳能电池。单晶硅太阳能电池，可转化18-20％太阳能源为电能，多晶硅太阳能电池约15-16％，至薄层太阳能电池可到10％。

上述的氢氧发生器30，具有电解用的水、氢气排出口及氧气排出口，该太阳能电池20提供10V直流电至该氢氧发生器30中电解水产生氢气及氧气。该氢气及该氧气可以直接供应至燃烧室60，该氢气在该燃烧室60的燃烧火焰扩散位置燃烧；该氧气在该燃烧室60的扰流燃烧火焰区域，提高燃烧室中的燃料、一氧化碳及挥发性有机化合物的燃烧率。

上述的气体储存装置40，包括储存氢气的储存装置42、储存氧气的储存装置44以及流量阀M1、M2。

该气体储存装置42、44包括压缩泵及储存罐。该气体储存装置42、44分别设置在该氢氧发生器30与该燃烧室60之间的该管道46上，在管道46上设置气体流量开关V1、V2。该气体储存装置42、44的储存罐，藉由管道46分别与该燃烧室连通，并在此管道46上设置有流量阀M1、M2。

上述的燃烧控制装置50，分别与该气体流量控制阀M1、M2，与设置在该燃烧室60的出口61的量测气体浓度值的感测器C电性藕接。

该感测器C量测二氧化碳(CO₂)、一氧化碳(CO)、挥发性有机化合物(VOC)、氧化氮(NOx)的组成浓度值，并反馈一信号至该燃烧控制装置50；该燃烧控制装置50依据该信号控制该流量阀M1、M2，以调整共给燃烧室60燃烧的氢气及共给燃烧室60助燃的氧气的流量。

另外，本发明也可以由多组太阳能电池20和多组氢氧发生器30产生氢气及氧气。

下面对上述实施例的利用氢气和氧气控制燃烧的装置的工作过程进行说明：

太阳能电池产生直流电源：架建10VDC的太阳能电池，经串联并联达到电解水发生氢气及氧气所需的电源，并在太阳能电池架设网面中提供实时功能检测装置，自动监控太阳能池板的功能。

氢氧发生器电解水产生氢气及氧气：氢氧发生器可以直接连接太阳能电池，减少太阳电池输送电的损失。氢氧发生器所接受10VDC电源，直接电解水产生氢气及氧气气体，并且该氢气及该氧气分别独立排出。

电解水的理论化学式简示如下：

2H₂O-----＞2H⁺+2OH^-

阴极：2H⁺+2e→H₂

阳极：

故H₂/O₂发生器电解水理论式为：

本发明可以有多个氢氧发生器，所产生的氢气与氧气可以分开控制输送，第n个氢氧发生器的氢气质流率流率为

与氧气质流率为最后整合控制各氢氧发生器的气体，则总的氢气质流率

与总的氧气质流率

表示如下：

${\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{HT}}=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\·}{m}}_{H_{2.n}}\·\·\·\left(1\right)$

${\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{OT}}=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\·}{m}}_{O_{2.n}}\·\·\·\left(2\right)$

燃烧控制装置50控制

直接到燃烧室燃烧，也可将

经加压、冷冻流至储存装置42及将

加压、冷冻流至储存装置44。

燃烧控制装置50分别控制氢气、氧气喷入燃烧室燃烧：燃烧控制装置50依燃料燃烧条件经PLC计算，控制氢气、氧气分别注入燃烧室以提高原燃烧效率，同时配合感测器M1的量测气体组成浓度，燃料燃烧进料率，发电功率，经实时计算，控制燃料、空气、氢气及氧气的供应，达到节能减排的功能。

更详言之，控制氢气及燃料以混合或分别单独喷入燃烧室60中燃烧；控制氧气喷入到燃烧火焰末端处。

该氢气与空气燃烧，燃烧的理论式如下：

4H₂+(1+r)(O₂+3.76N2)→2H₂O+rO₂+3.76rN+排出热量..........

式(4)中r表示过量空气比值，燃烧氢气放出的热量约为另外，氢气的燃烧时间与燃烧延迟时间是最短的；当与燃料(煤粉或燃油)同时喷入燃烧室燃烧时，氢气首先燃烧很快地提升火焰初期范围的温度，从而使得目前热值较低的燃料(特别是燃煤)较易燃烧而提高热效率。

该氧气在该燃烧室中助燃，氧气助燃理论式如下：

(1)VOC的CiHj燃烧模式

(2)CO燃烧模式：

因此由(4)(5)(6)式的燃烧理论式，可知氢气及氧气有助于节能减排的功能。

本发明还提供一种利用太阳能电解水发生氢氧并控制燃烧的方法。

请参阅图2所示，是本发明利用太阳能电解水发生氢氧并控制燃烧的方较佳实施例的流程示意图。本发明较佳实施例的利用太阳能电解水发生氢氧并控制燃烧的方法，包括利用太阳能电池电解水发生氧气及氢气的步骤S1以及控制该氢气至该燃烧室的燃烧火焰扩散位置中燃烧，控制该氧气至该燃烧室的扰流燃烧火焰区域助燃的步骤S2。

上述的提供氧气及氢气的步骤S1，包含以下步骤：

步骤S11，由太阳能电池提供4V以上的直流电；该太阳能电池可以是单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池或至薄层太阳能电池。

步骤S12，该直流电电解氢氧发生器中的水，产生氢气及氧气，并且该氢气及该氧气分别独立排出。

步骤S13，将该氢气、氧气分别压缩储存。

上述的步骤S2：控制该氢气至该燃烧室的燃烧火焰扩散位置中燃烧，控制该氧气至该燃烧室的扰流燃烧火焰区域助燃。即控制氢气及燃料，以混合或分别单独喷入燃烧室中燃烧；控制氧气喷入到燃烧火焰末端处。

本发明较佳实施例的利用太阳能电解水发生氢氧并控制燃烧的方法，还包括步骤S3：量测该燃烧室排出的废气的气体浓度值，并调整供应至燃烧室的该氢气及该氧气的流量。该废气的气体浓度值是指燃烧室中排出的二氧化碳、一氧化碳、挥发性有机化合物(VOC)、氧化氮(NOx)的组成浓度值。

换言之，本发明的利用太阳能电解水发生氢氧并控制燃烧的方法是，当设计架构的太阳能电池板，所转换的太阳能，直接运用，使氢(H₂)氧(O₂)发生器产生氢气及氧气。再加压该氢气、氧气并储存，或者依H₂/O₂的特性，直接控制到现有燃烧室中系统燃烧。另外，利用燃烧室的控制系统，控制燃料、空气、氢气及氧气的供应量提高燃料的燃烧率，达到节能减排。另以H₂/O₂替代燃料及提升燃烧率，达到节能减排的系统发明功效。

本发明具有以下优点：

一、本发明利用氢气及氧气，可以清净燃烧室内壁，达到不聚碳的功效。另外由于氢气的燃烧效率近100％，达99％以上，故可以提高燃烧室效率与使用寿命。

二、本发明，由太阳能电池的直流电电解水，生成氢气(H₂)及氧气(O₂)。同时分别控制氢气及氧气到现有发电厂燃油或燃煤的燃烧室中。氢气控制到最佳的燃烧火焰扩散位置，以利提升燃烧火焰的温度及提高燃烧煤或石化油的燃烧效率，不但增加氢气燃烧提供的热值也增加现时使用煤或燃油的燃烧热值，达到节省油煤的功效。另外生成的氧气控制到扰流燃烧火焰区域，提高火焰扰流区氧的浓度，达到助燃效果，将使火焰消失区中不能燃烧的可燃气体分子，由于氧气的助燃而再燃，不但减少挥发性有机化合物(VOC)等可燃气体及黑烟粒子的排放，并可使燃烧效率提升与减少二氧化碳的排放。本发明由于氢气的替代燃煤或煤油，且氢气燃烧生成水，将减少二氧化碳(CO₂)的排放量，达到减排的目的。

三、本发明应用自然能源-太阳能转化成直流电能，当集中太阳能电池达到4Volt以上，即可电解水生成氢气与氧气。另外控制氢气与氧气到现有的火力发电设备的燃油或燃煤的燃烧室中当辅助燃料用。当太阳能转化电能增加，发生氢气及氧气供给率随着增加，经燃烧室供应燃料的控制装置，减少现用燃油或燃煤供给率，达到节能减排的功能。若太阳能转化电能减少或没有，则火力发电设备供油或燃煤全额供给，不会因为没有太阳、电解水或是太阳能部份失效而影响现有发电功能。因此，本发明将可利用太阳能的自然能源对现有火力发电厂加装本发明装置，达到节能减排的目的。

四、另外新建火力发电厂，可以架设本发明的利用太阳能电解水发生氢氧并控制燃烧的装置，利用太阳能产生H₂及O₂，并利用H₂及O₂到现有燃煤或燃油发电厂，可以减少燃煤或燃油的使用，若有足够的太阳能源使用，节省现使用中的燃煤、燃油发电厂40％～60％的煤、油，由太阳能取代，则可利用自然能源(太阳能)40％以上。

五、本发明10VDC太阳能电解水的效率，以现在工艺水平，可达到60％的能源转换效率，实验型若加超音波震荡电解槽极板可达到80％以上的能源转化效率。另外以H₂能源使用热值计算，若氢完全燃烧可以释放10000Kcal/kg的热能，取代发电厂燃煤或燃油产生的热能，则以太阳能12VDC电解水产生H₂转化成热能源，可达到60％以上太阳能转化成H₂供燃烧生热能的转化效率。另外电解同时产生O₂，为H₂的一半，若太阳能电解水可发生10L/sec的H₂则发生5L/sec的O₂。

六、本发明可以应用自然能源太阳能，可将小电压大于4VDC的直流电，经电解水产生H₂及O₂，供应到现有发电厂当热源及提升燃烧效率使用。可以将热值不足5000Kcal/kg的煤，配合H₂及O₂的燃烧控制，提升燃烧效率及使用低热值的煤，使现有火力发电厂除了可以使用自生能源-太阳能外，也可使用低热值煤延长现有发电厂使用。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种利用太阳能电解水发生氢氧并控制燃烧的装置，包括电解水产生氢气及氧气的氢氧发生器，其特征在于：

该氢氧发生器的电源是太阳能电池；该氢气及氧气分别通过管道与燃煤或燃油的燃烧室连通。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于其中所述的该氢气通过管道连通至该燃烧室的燃烧火焰扩散位置，该氧气通过管道连通至该燃烧室的扰流燃烧火焰区域。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于其中所述的太阳能电池提供4伏以上的直流电。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于其中所述的太阳能电池是单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池或至薄层太阳能电池。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于其还包括气体储存装置，设置在该氢氧发生器与该燃烧室之间的管道上，该气体储存装置包括：压缩储存该氢气的氢气储存装置；及压缩储存该氧气的氧气储存装置。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于其中具有多组氢氧发生器。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于其中所述的燃烧室是用于火力发电的燃烧室。

8.根据权利要求1至7中任一权利要求所述的装置，其特征在于其还包括有燃烧控制装置，分别与设置在该管道上的流量阀、设置在该燃烧室的废气排出口处的感测器电性藕接，该感测器量测二氧化碳、一氧化碳、挥发性有机化合物及氧化氮的浓度值并反馈信号，该燃烧控制装置根据反馈信号控制该流量阀调整该氢气及该氧气的流量。

9.一种利用太阳能电解水发生氢氧并控制燃烧的方法，其特征在于其包括以下步骤：

步骤S1，利用太阳能电池电解水发生氧气及氢气；以及

步骤S2，控制该氢气至该燃烧室的燃烧火焰扩散位置中燃烧，控制该氧气至该燃烧室的扰流燃烧火焰区域助燃。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于其还包括，步骤S3：量测该燃烧室排出的废气的气体浓度值，并调整供应至燃烧室的该氢气及该氧气的流量。

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