CN103864020B - 一种利用晶体功能材料在高温燃烧中产生氧正离子形成超级氧化燃烧的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用晶体功能材料在高温燃烧中产生氧正离子形成超级氧化燃烧的方法，属于热能热力能源利用节能工程技术领域，该方法包括晶体功能材料的制备，晶体功能材料的合成方法及晶体功能材料的使用方法；该功能材料由高温结构基体，电子活化剂，敏化剂，矿化剂合成；采用传统的化学滴定法，固相烧结法或高温电熔法合成，再将合成的晶体功能材料设计制造成各种圆喷式烧嘴砖，鸭嘴式烧嘴砖，燃烧火焰筒，燃烧室，用于热工设备的燃烧系统中，在燃料燃烧中吸收X射线，紫外线，部分可见光，部分红外线产生晶体场发射脉冲式高能自由电子，产生具有超级氧化性能的氧正离子O+，在化石能源的燃烧中，提高化石能源燃烧效率，减少碳排放，减少了温室效应。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用晶体功能材料燃烧的方法，具体涉及一种利用晶体功能材料在高温燃烧中产生氧正离子形成超级氧化燃烧的方法，属于热能热力能源利用节能工程技术领域。
背景技术
随着中国经济地高速发展，能源消耗巨大，能源利用率比较低，大气环境日益污染严重，怎样提高能源的利用效率，减少对化石能源的依赖，实现本世纪把化石能源的燃烧效率由目前的33%左右提高到50%左右的燃烧效果，是目前行业期待解决的问题。要想环境优美，首先要节能减排，同时提高化石能源的燃烧效率，就需要探索和研发一种高效率的超级氧化燃烧技术，提高化石能源的燃烧效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用晶体功能材料在高温燃烧中产生氧正离子形成超级氧化燃烧的方法，该方法可以提高化石能源的燃烧效率，减少碳排放，减少温室效应。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明所述的一种晶体功能材料，它是由耐2400K高温结构基体、电子活化剂、敏化剂、矿化剂合成的一种晶体功能，所述的高温结构基体为MgO、Al2O3、ZrO2、HfO2、Cr2O3、CeO2、Nb2O5、Ta2O5中的一种或者一种以上的材料组成高温基体，高温结构基体材料占整个组成成份重量的50~96%，所述的电子活化剂由17个稀土元素中的一种或者几种组成，含量占整个组成成份重量的0.1~25%，所述的敏化剂由过渡元素钛、钒、钴、镍、铼、铂、铱、钌、铑中的一种或者几种组成，含量占整个组成成份重量的0.1~20%，所述的矿化剂由Li+、Na+、K+、Ca2+、Sr2+、Ba2+离子的氧化物、硼化物、碳酸盐中的两种或两种以上的物质组成，含量占整个组成成份重量的0.1~30%。
作为本发明的优选实施例，所述的晶体功能材料具有晶体场发射脉冲高能自由电子，电子平均能量≥8.4eV。
作为本发明的优选实施例，所述的晶功能材料燃烧系统燃烧中，晶体场发射的脉冲电子最大密度≥1.5×1014/cm3，脉冲电子密度达到化石燃料爆炸时电子密度。
作为本发明的优选实施例，所述的晶体功能材料在X射线下，呈现黑色，对X射线的吸收率在96%以上。
本发明所述的一种晶体功能材料的合成方法，准备好原材料，采用固相烧结法或高温电熔法合成晶体功能材料，再将合成的晶体功能材料经过传统的球磨、成型、烧结、退火生产工艺，根据燃烧负荷设计制造各种圆喷式烧嘴砖、鸭嘴式烧嘴砖、燃烧火焰筒、燃烧室。
本发明所述的一种利用晶体功能材料在高温燃烧中产生氧正离子形成超级氧化燃烧的方法，将制备好的圆喷式烧嘴砖、鸭嘴式烧嘴砖、燃烧火焰筒、燃烧室应用于电力锅炉，工业锅炉，钢铁行业热风炉、加热炉、退火炉，陶瓷行业的辊道窑、隧道窑、梭式窑，石油和化工行业的加热炉，交通动力行业的燃机热工设备的燃烧系统中，圆喷式烧嘴砖、鸭嘴式烧嘴砖、燃烧火焰筒、燃烧室产生具有超级氧化性能氧正离子O+，在化石能源燃烧时产生超级氧化燃烧。
作为本发明的优选实施例，所述的燃烧气体分子电离度≥500ppm/cm3。
作为本发明的优选实施例，所述的燃烧火焰温度2000K以上，火焰白色明亮刺眼，比常规燃烧最少高400K以上，节能20%以上。
采用上述方案后，本发明有益效果为：1.在高温燃烧中产生氧正离子(O+)形成超级氧化燃烧法，可以提高碳氢的燃烧效率，减少碳排放，减少温室效应；
2.利用晶体功能材料，在高温燃烧中产生氧正离子（O+），形成超级氧化剂，大大提高了燃烧效率，燃烧更充分，提高化石能源的利用效率，保护环境。
附图说明
图1A为常规燃烧图，图1B为辊道窑圆喷嘴烧嘴砖燃烧图；
图2A为常规燃烧图，图2B为鸭嘴式烧嘴砖燃烧图。
具体实施方式
下面结合附图及实例对本发明做进一步详细说明，这些实例仅用来说明本发明，并不限制本发明的范围
实施例1圆喷式烧嘴砖超级氧化燃烧
晶体功能材料的组成：它是由耐2400K高温结构基体、电子活化剂、敏化剂、矿化剂合成的一种晶体功能材料，所述的高温结构基体为MgO、Al2O3、ZrO2、HfO2、Cr2O3、CeO2、Nb2O5、Ta2O5中的一种或者一种以上的材料组成高温基体，高温结构基体材料占整个组成成份重量的50~96%，所述的电子活化剂由17个稀土元素中的一种或者几种组成，含量占整个组成成份重量的0.1~25%，所述的敏化剂由过渡元素钛、钒、钴、镍、铼、铂、铱、钌、铑中的一种或者几种组成，含量占整个组成成份重量的0.1~20%，所述的矿化剂由Li+、Na+、K+、Ca2+、Sr2+、Ba2+离子的氧化物、硼化物、碳酸盐中的两种或两种以上的物质组成，含量占整个组成成份重量的0.1~30%，本实施例优选的晶体功能材料的组成机重量比如下：高温结构基体：HfO260%，矿化剂：碳酸锂3%，碳酸钙16%，敏化剂：铼化物6%，活化剂：三氧化二钪15%，合成的一种多晶体功能材料；
b．晶体功能材料合成方法：用传统的固相烧结法合成多晶体功能材料，再将合成的多晶功能材料经过传统的球磨、成型、烧结、退火生产工艺，根据燃烧负荷设计制造成圆喷式烧嘴砖；
c．一种利用晶体功能材料在高温燃烧中产生氧正离子形成超级氧化燃烧的方法：将制备好的圆喷式烧嘴砖，应运于陶瓷行业的辊道窑、隧道窑、梭式窑、石油和化工行业的加热炉热工设备的燃烧系统中，产生超级氧化氧正离子O+，在燃烧时产生一种超级氧化燃烧，提高燃烧效率；多晶体功能材料具有发射脉冲高能自由电子，电子能量≥8.4eV，多晶功能材料燃烧中产生的脉冲电子密度≥1.5×1014/cm3，脉冲电子最大密度达到爆炸电子密度，燃烧气体分子电离度≥500ppm/cm3。
实施例2鸭嘴式烧嘴砖超级燃烧
晶体功能材料的组成：它是由耐2400K高温结构基体、电子活化剂、敏化剂、矿化剂合成的一种晶体功能材料，所述的高温结构基体为MgO、Al2O3、ZrO2、HfO2、Cr2O3、CeO2、Nb2O5、Ta2O5中的两种或者两种以上的材料组成高温基体，高温结构基体材料占整个组成成份重量的50~96%，所述的电子活化剂由17个稀土元素中的一种或者几种组成，含量占整个组成成份重量的0.1~25%，所述的敏化剂由过渡元素钛、钒、钴、镍、铼、铂、铱、钌、铑中的一种或者几种组成，含量占整个组成成份重量的0.1~20%，所述的矿化剂由Li+、Na+、K+、Ca2+、Sr2+、Ba2+离子的氧化物、硼化物、碳酸盐中的两种或两种以上的物质组成，含量占整个组成成份重量的0.1~30%，本实施例优选的晶体功能材料的组成及重量比如下：高温基体：五氧化二钽50%，矿化剂：碳酸钠5%，碳酸钡20%，敏化剂：铑化物10%，活化剂：三氧化二钪15%，合成的一种多晶体功能材料；
b．晶体功能材料合成方法：用传统的高温电熔法合成多晶体功能材料，再将合成的多晶功能材料经过传统的球磨、成型、烧结、退火生产工艺，根据燃烧负荷设计制造成鸭嘴式烧嘴砖；
c．燃烧方法：将制备好的鸭嘴式烧嘴砖，应运于陶瓷行业的辊道窑、隧道窑、梭式窑、石油和化工行业的加热炉热工设备的燃烧系统中，产生超级氧化氧正离子O+，在燃烧时产生一种超级氧化燃烧，提高燃烧效率；多晶体功能材料具有发射脉冲高能自由电子，电子能量≥8.4eV，多晶功能材料燃烧中产生的脉冲电子密度≥1.5×1014/cm3，脉冲电子最大密度达到爆炸电子密度，燃烧气体分子电离度≥500ppm/cm3。
实施例3
超级氧化燃烧法和常规燃烧的对比见附图，图1A为常规燃烧图，图1B为辊道窑圆喷嘴烧嘴砖燃烧图，图2A为常规燃烧图，图2B为鸭嘴式烧嘴砖燃烧图。从图中可以看出，燃烧能量几乎放大一倍。说明该方法能明显提高燃烧效率，燃烧更充分，达到了节能减排的效果。
本技术方案的基本原理如下：
1.氧的价电子构型2S22P4，电负性3.5，标准电极势1.229V，氧化数+1，+2价，还原数-2，-1价，常见化合价-2价。一氧化碳标准电极势1.33V，普通氧气（O2）在离解前，不能氧化一氧化碳（CO）。
2.臭氧（O3）和氧正离子(O+)都是强氧化剂，氧正离子(O+)的价电子构型是2S22P3亚稳定结构，化学标准电极势2.80V，臭氧（O3）标准电极势是2.07V，比臭氧的氧化还原标准电极势高出35%，氧正离子可以无选择性来氧化碳氢燃料和一氧化碳。
3.臭氧的化学反应速率常数为0.04~4.4×104L/mol·S，氧正离子（O+）的化学反应速率常数为2.7×108~8.1×109L/mol·S，比臭氧高出7个数量级。
普通O2的燃烧效率只有臭氧O3的十分之一，臭氧的化学性质比普通O2更活泼，氧化能力更强，把棉花、木屑放在臭氧中，就会自动燃烧起来，在普通O2不起作用的情况下，臭氧（O3）却能跟不少物质发生反应。一氧化碳标准电极势1.33V，普通氧（O2）标准电极势1.229v，不能氧化一氧化碳，但是臭氧标准电极势2.07v，可以轻易氧化一氧化碳。在常规燃烧中一氧化碳的利用率不超过30%，浪费大，污染大，产生氧正离子（O+）是比臭氧燃烧效率更高级的绿色化学技术。
4.普通氧是共价结构，氧的价电子是2S22P4，氧正离子是2S22P3的亚稳定结构O+离子，正一价结构，氧的电负性是3.5，让氧失去电子成为+1价结构，是非常不容易的事，成为+2价结构更难，需要更大的电离能。要让普通氧（O2）变成具有超级O+结构的氧正离子，具有超级氧化性能，就是本发明的创新所在。
5.在常规燃烧中，火焰温度1400~1600K，气体的电离度10ppm/㎝3，电子密度1.8×1012/㎝3，电子能量分布0.6~2eV电子伏特范围，这部分能量都消耗在气体分子的振动消耗上，不具备大量产生臭氧和氧正离子的条件。
6.本发明是开发研究一种高温晶体功能材料，这种材料具有在燃烧过程中，吸收X射线，紫外线，部分可见光，部分红外线，不需要外加电能的情况下，产生一种大于8.4eV（电子伏特）的高能电子，可以把普通氧气(O2)电离为O+(2S22P3结构)和O-(2S22P5结构)的非平衡等离子，O+和O-都具有氧化性，氧正离子（O+）是一种超级氧化剂，可以无选择氧化任何碳氢化合物和一氧化碳，变成CO2和H2O，同时产生巨大的能量。
在这种状态下，气体分子的电离度可达到500ppm/㎝3，相当于2000K时燃烧电离度，燃烧脉冲电子密度1.5×1014/㎝3，这是一种脉冲电子密度达到爆炸的电子密度能量。（常规燃烧电离度10ppm/㎝3，电子密度1.8×1012/㎝3）
原理：O2+hv光子O++O-。
不是任何电子都能使O2电离为O+和O-非平衡等离子，只有晶体场吸收多个光子才能产生脉冲康普顿电子效应，才能激发功能材料的晶体场致发射脉冲电子，产生平均能量大于8.4eV（电子伏特）的高能电子，产生的高能电子是由功能材料的晶体场致电离形成脉冲电子的，所以具有的能量比较高，才能形成氧正离子（O+）。
在常规的化石能源燃烧中，电子的平均能量大部分在0.6~2eV（电子伏特），有少量的能量在2~6eV（电子伏特）之间，大部分消耗在气体分子振动的激励上。
电子平均能量达到6eV（电子伏特）左右时，可产生大量的氧基（O），这些氧基（O）在产生臭氧过程中起着关键作用。此范围并不利于氧正离子（O+）等离子化学及超级氧化反应的发生。
氧气（O2）电离能为12.5eV（电子伏特），N2电离能为15.6eV（电子伏特），只有电子具有平均能量≥8.4eV（电子伏特）时，才可能达到氧正离子（O+）和(O-)等离子体化学反应和产生超级氧化还原反应的基本需要条件。
功能材料发射的电子能量≥8.4eV（电子伏特）才可以形成O+和O-等离子体，产生超级氧化燃烧法，才可以提高燃烧效率。
氧正离子（O+）电极势2.8v，比臭氧（O3）的电极势2.07V的氧化电位高出35%，比氧气（O2）的电极势1.229V的氧化电位高出228%，化学反应速率高出107，几乎可以把氧气（O2）和臭氧（O3）的直接氧化作用忽略掉，由此产生超级氧化燃烧法。
7.利用多晶体功能材料在电力锅炉燃烧室，工业锅炉燃烧机火焰筒，工业窑炉烧嘴砖，钢铁行业热风炉燃烧室，陶瓷窑炉燃烧圆喷式烧嘴砖和鸭嘴式烧嘴砖，燃烧系统中产生高浓度氧活性粒子（O+，O3，O2 +，O-1）非平衡等离子，在燃烧过程中，晶体功能材料吸收X射线，紫外线，部分可见光，部分红外线，多晶体功能材料的原子内层电子发射的自由高能电子的平衡能量达到8.4eV（电子伏特）。此时燃烧火焰中，电子具有的能量是按照麦克斯韦规律分布的，当电子能量≥8.4eV（电子伏特），把氧气（O2）离解成O+((2S22P3结构)和O-(2S22P5结构)的非平衡等离子，当电子能量≥12.5eV时，氧电离成O2+超级活性粒子，此技术实质是有效解决了高级氧化技术工程难题。
8.高性能电子是一把十分锋利的电子剪刀，燃烧中电子具有的最有用能量≥8.4eV（电子伏特），才能大幅度增加氧正离子（O+）的产生，O2离解为O+和O-在几个纳秒（ns）之内产生，O3产生也仅在10微妙（us）之内。
晶体功能材料产生的电子激励能量大于8.4eV（电子伏特）时，是氧处于离解主体反应状态，是产生超级氧化反应的一种方法。
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 (6)
1.一种利用晶体功能材料在高温燃烧中产生氧正离子形成超级氧化燃烧的方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）晶体功能材料组成：由耐2400K高温结构基体、电子活化剂、敏化剂、矿化剂合成的晶体功能材料，所述的高温结构基体为MgO、ZrO2、HfO2、Cr2O3、CeO2中的一种或者一种以上的材料组成高温基体，高温结构基体材料占整个组成成份重量的50~96%；所述的电子活化剂由17个稀土元素中的一种或者几种组成，含量占整个组成成份重量的0.1~25%；所述的敏化剂由过渡元素钛、钒、钴、镍、铼、铂、铱、钌、铑中的一种或者几种组成，含量占整个组成成份重量的0.1~20%；所述的矿化剂由Li+、Na+、K+、Ca2+、Sr2+、Ba2+离子的氧化物、硼化物、碳酸盐中的两种或两种以上的物质组成，含量占整个组成成份重量的0.1~30%；
（2）晶体功能材料合成：将步骤（1）所述的材料采用固相烧结法或高温电熔法合成晶体功能材料，再将合成的晶体功能材料经过传统的球磨、成型、烧结、退火生产工艺，根据燃烧负荷设计制成各种圆喷式烧嘴砖、鸭嘴式烧嘴砖、燃烧火焰筒、燃烧室；
（3）超级氧化燃烧的方法：将步骤（2）制备好的圆喷式烧嘴砖、鸭嘴式烧嘴砖、燃烧火焰筒、燃烧室应用于电力锅炉、工业锅炉、钢铁行业热风炉、加热炉、退火炉、陶瓷行业的辊道窑、隧道窑、梭式窑、石油和化工行业的加热炉、交通动力行业的燃机热工设备的燃烧系统中，圆喷式烧嘴砖、鸭嘴式烧嘴砖、燃烧火焰筒、燃烧室产生具有超级氧化性能氧正离子O+，在化石能源燃烧时产生超级氧化燃烧。
2.根据权利要求1所述的一种利用晶体功能材料在高温燃烧中产生氧正离子形成超级氧化燃烧的方法，其特征在于：所述的晶体功能材料具有晶体场发射脉冲高能自由电子，电子平均能量≥8.4eV。
3.根据权利要求1所述的一种利用晶体功能材料在高温燃烧中产生氧正离子形成超级氧化燃烧的方法，其特征在于：所述的晶体功能材料在燃烧系统燃烧时，晶体场发射的脉冲电子最大密度≥1.5×1014/cm3，脉冲电子密度达到化石燃料爆炸时电子密度。
4.根据权利要求1所述的一种利用晶体功能材料在高温燃烧中产生氧正离子形成超级氧化燃烧的方法，其特征在于：所述的晶体功能材料在X射线下，呈现黑色，对X射线的吸收率在96%以上。
5.根据权利要求1所述的一种利用晶体功能材料在高温燃烧中产生氧正离子形成超级氧化燃烧的方法，其特征在于：所述的燃烧气体分子电离度≥500ppm/cm3。
6.根据权利要求1所述的一种利用晶体功能材料在高温燃烧中产生氧正离子形成超级氧化燃烧的方法，其特征在于：所述的燃烧火焰温度2000K以上，火焰白色明亮刺眼，比常规燃烧高400K以上，节能20%以上。
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