CN104848244B - 一种水解离混合气体燃料装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水解离混合气体燃料装置和方法，装置包括风机、喷射器、电击器、燃料供应系统及安装在受热体预热区域内的预热管网。预热管网的入口通过进液管与燃料供应系统的压缩泵相连，预热管网的出口经连接管通入喷射器，喷射器位于受热体的高温区域内，喷射器上设有电击器，喷射器由贮气室、喷射孔板、喷射孔、反应室构成，燃料供应系统包括电机、压缩泵及装有纯醇的第一燃料箱、装有纯水的第二燃料箱、供液管和流量控制装置。经实测，该发明可替代化石能源60%‑80%以上。同时，由于混合气体燃料燃烧后的生成物是水，加之在水解离过程中所产生的、具有高活性的氧离子、氢离子、磁分子等中间产物促使化石燃料完全燃烧，所以也明显降低了温室气体及污染物的排放。

Description

一种水解离混合气体燃料装置和方法

技术领域

本发明涉及一种将普通水解离为可供各种炉窑、汽轮机、内燃机等需热能驱动装置使用的、混合气体燃料的装置和方法，属于节能环保技术领域。

背景技术

水是是解决当今世界能源危机和环境灾难最理想的物质。此前国内外已出现了一些将水分解为混合气体燃料的专利（如“布朗气”；“HHO”可燃气等），但都是建立在电解水的基础上实现的。这种方法耗能高、效率低，除非是用在特殊场合，否则得不偿失；

近年来美国科学家桑蒂利教授根据他提出的《强子理论》发明的“等离子电弧流再循环器〔PlasmaArcFlow™ Recyclers〕”，率先采用非电解水的方法，生产出新的化学类别“桑蒂利电子磁分子”〔Santilli electro- magnecules〕并于1997年1月7日在美国申请了专利，最近还申请了国际专利。该专利通过水下电弧的方法将分解水的效率提高了10倍。

CN102062398 B公开了《一种水分解燃烧器》，提出了一种采用非电解方法分离水分子，从而能够以极低代价获得混合气体燃料的装置；CN102020243B《一种将水分解为混合气体燃料的方法》，公开了这种以电击代替电解，打开水分子之间的氢键及水分子内部共价键的一般规则。

上述两专利技术在实践的过程中，发现不符合后来对从工业性实验中所获得数据的分析，也不符合国内外一些最新的相关研究成果（特别是美国桑蒂利教授的磁分子理论），严重低估了该混合气体燃料的性质及性能。

发明内容

为了解决上述存在的技术问题，本发明提供一种将普通水解离为适用于各种需要热能场合的混合气体燃料燃烧器装置和方法。该燃烧器可以将水醇混合液体分解成混合气体燃料且发生燃烧，并将产生的热量直接输送给各种需要热能的受热体（如各类炉窑、汽轮机、内燃机等等）。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：一种水解离混合气体燃料装置，包括风机、喷射器、电击器、燃料供应系统；风机分别通过一次风筒、二次风筒与受热体连通，在二次风筒内设有二次风量调节阀。其特征在于：在受热体的预热区域内安装预热管网，预热管网的入口通过进液管与燃料供应系统的压缩泵相连，预热管网的出口经连接管通入喷射器，喷射器位于受热体的高温区域内，喷射器上设有电击器，所述的喷射器由贮气室、喷射孔板、喷射孔、反应室构成，贮气室与反应室通过喷射孔板间隔，喷射孔板上开设若干喷射孔，所述的电击器由若干组电极对构成，A电极固定在与喷射孔板连接的立柱上，B电极通过绝缘套固定在反应室外环上，电极对通过高压点火器激发实现电火花间歇通电；所述的燃料供应系统包括电机、压缩泵、装有纯醇的第一燃料箱、装有纯水的第二燃料箱、供液管和流量控制装置；第一燃料箱、第二燃料箱分别通过供液管与流量控制装置连接，在供液管上安装流量控制阀，流量控制装置出口与进液管连接。

所述的流量控制装置采用电动三通等百分比流量调节阀，通过改变阀芯的位置控制两燃料箱燃料的流量，可在0%~100%的范围内，任意比例调整两燃料箱输出醇、水混合液体燃料中醇的浓度。

所述的电动三通等百分比流量调节阀的阀芯位置、流量控制阀、风机、风量控制阀的开启状态、流速，电击器的通电与否，均通过自动控制系统控制，在受热体内设有热电偶群，为自动控制系统提供控制信号。

所述的预热管网可根据需要连接多个喷射器。

一种采用上述水解离混合气体燃料装置，将水解离为混合气体燃料的方法，其步骤如下：第一步，预热：将纯醇燃料喷入受热体中，在加热受热体的同时，对预热管网系统进行预热；第二步，稀释燃料：通过自动控制系统控制的电动三通等百分比流量调节阀，根据固定在受热体内部的热电偶群反馈的系统内温度的升高程度，逐渐改变电动三通等百分比流量调节阀阀芯位置，向燃料中加水，降低其浓度，成为混合液体燃料并在预热管网中被汽化为干蒸汽；第三步，电击、催化及点燃：干蒸汽自喷射器的喷射孔中喷出后，通过高压点火器，产生电火花，在电极对的电催化及金属催化作用下被激活、解离为混合气体燃料并点燃，在对外输出热能的同时，继续对系统进行预热；第四步，自动调整：根据热电偶群反馈的信息，自动控制系统管理的电动三通等百分比流量调节阀可随时改变阀芯位置以调整混合液体燃料的浓度；变频装置可随时调整风机的转速及风量控制阀的开启度，以改变一次风及二次风的流量；从而保证受热体内温度及温度梯度始终控制在工艺要求的区间内。

本发明的有益效果：本发明采用上述方案，相对于以上已公开的技术所具有的创造性及新颖性是明显的——从装置方面说：虽然过去围绕水分解混合气体燃料燃烧器方面已经公开了一些专利技术，但却一直囿于燃烧器独立构成的模式，即喷射器处于燃烧器的中心线位置，燃烧器的预热区与加热区相重合。这种模式具有结构紧凑、维修方便、易于制造等优点，但同时也带来了内部空间相对狭小；需采用稀缺耐高温材料、制造成本高昂；高温区零部件寿命极低、难以满足正常生产需要等问题。以上因素（尤其是使用寿命极低，最多仅能持续燃烧几十分钟）是本方法自提出至今虽已历时十余年，却仍然无法应用于生产实践的主要原因。

本发明从装置方面的改进为：一是对该装置的结构采取了将喷射器与燃料预热管网等系统分开布置的方式，喷射器位于加热受热体的高温区，而预热管网则位于温度相对较低的预热区，从而解决了高温区部件寿命短，不耐用的难题；二是采用自动控制系统（人工智能PID控制器）操纵，根据燃烧情况自动调整混合燃料中水的比例、混合燃料的总流量、供风量的大小及间歇供电等手段，既简化了结构，又使其热效率大幅度高；三是去掉了容易造成系统微孔堵塞、导致系统产生超高压爆炸危险的锰催化剂及其催化器、催化床，改用更为先进的电催化及电极金属催化，在降低制造成本的同时，提高了其安全性、可靠性及使用寿命。

需要说明的是：本发明虽然引用了桑蒂利教授磁分子理论的某些结论，但与“桑蒂利磁分子燃气”所采用的技术手段（方法）却具有明显的区别——首先，桑蒂利教授采用的是低压直流电，他提出：“新的结合引起H原子外围原子的电子运行轨道发生变形……这种变形由直流放电处附近非常强烈的磁场所实现”。而本发明则采用了高压交流电（1万伏特以上），从实验的情况看，产生的混合气体燃料具有与“桑蒂利磁分子燃气”基本相同的效果。但由于“交直流转换器的效率也只有大约85%”，直接使用交流电则避免了这部分的能量损失；其次，桑蒂利教授采用的是“水下电弧法”，比电解法耗电降低了10倍，而我们采用的是电击法（或称“电火花轰击法”），比电解法耗电降低了50倍以上，也就是说，耗电不足其五分之一，效率比其更高；第三，两种混合气体燃料所包含的成分也有所区别。例如：“桑蒂利磁分子燃气”因为有碳电极参与反应，故其构成中包括C 、CH、C-O以及三化合价结合的CO等成分，而本装置中没有碳极的存在，经检测产生的气体中除含有微量（ppm级）的CO外，没有其它上述物质。因为没有碳极这种消耗品，在应用过程中，碳排放及使用成本也明显降低；第四，桑蒂利教授发明的“等离子电弧流再循环器”，其生成物是与乙炔、天然气等气体燃料一样需要装在高压储气罐中的“桑蒂利磁分子燃气”，应用时将其运往需要的地方。而本装置和方法则是直接生成热能，使用中需要运送的仅仅是水及少量化学燃料。

通过本发明装置及方法所获得的混合气体燃料不仅与常规的化石燃料相比具有极高的经济效益及环保效果，而且与以上所述的新发明（如HHO气体；布朗气及桑蒂利磁分子燃气等）相比也具有更高的性价比。如：实验证明，此混合气体燃料可用普通水替代50%~80%以上的化石燃料；制取此混合气体燃料所消耗的电能不到HHO气耗电量的2%；此混合气体燃料所排放的烟气近似于零排放，基本上不存在化石燃料燃烧所产生的各种污染物中最难以处理的SO_X、NO_X及PM2.5等物质，CO也仅为ppm级。

本发明是以成本低廉的水为主要原料，通过水解离产生混合气体燃料并发生燃烧，再将燃烧产生的热量直接供入需要热能的受热体内，从而减少了化石能源的消耗。经实测，本发明可替代化石能源50%~80%以上。同时，由于混合气体燃料燃烧后的生成物是水，也明显降低了温室气体及各种污染物的排放。

本发明结构简单、设计合理，适用于各类炉窑、汽轮机、内燃机及燃气灶等受热体，是一种能够提供与环境友好的新型能源的装置及方法，具有广泛的推广应用价值。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为喷射器的结构示意图。

图中：1、喷射器、2风机；3、受热体，4、自动控制系统；5、燃料供应系统；6、电机；7、压缩泵；8、流量控制装置；9、电动三通等百分比流量调节阀；10A第一燃料箱（纯醇）；10B第二燃料箱（纯水）；11、供液管；12、流量控制阀；13、进液管；14预热管网；15热电耦群；16、电击器；17、喷射孔；18、连接管；19、高温区域；20、二次风量调节阀；21、一次风筒；22、二次风筒；23、预热区域；24、电极A；25、电极B；26、反应室；27、立柱； 28、贮气室；29、喷射孔板；30,反应室外环；31高压电源；32绝缘套。

具体实施方式

一种水解离混合气体燃料装置，结构如图1、2所示，包括风机2 、喷射器1、电击器16，风机2分别通过一次风筒21、二次风筒22与受热体3连通，在一次风筒21内设有一次风量调节阀20，在受热体3的预热区域23内安装预热管网14，预热管网14 的入口通过进液管13与燃料供应系统5 的压缩泵7相连，预热管网 14 的出口经连接管18通入喷射器1，喷射器1位于受热体3的高温区域 19内，喷射器1上设有电击器 16，喷射器1由贮气室28、喷射孔板29 、喷射孔17、反应室26构成，贮气室28与反应室26通过喷射孔板29间隔，喷射孔板 29 上开设若干喷射孔17，所述的电击器 16由一组电极对构成，A电极24固定在与喷射孔板 29连接的立柱 27上，B电极25通过绝缘套 32固定在反应室外环30上，电极对通过高压电源31激发实现电火花间歇通电；所述的燃料供应系统5包括电机6、压缩泵7、装有纯醇的第一燃料箱10A、装有纯水的第二燃料箱 10B、供液管 11和流量控制装置8；第一燃料箱 10A 、第二燃料箱 10B 分别通过供液管 11 与流量控制装置 8连接，在供液管11上安装流量控制阀12，流量控制装置8出口与进液管 13连接。

流量控制装置8采用电动三通等百分比流量调节阀9，通过改变阀芯的位置控制两燃料箱燃料的流量，可在0%~100%的范围内，任意比例调整两燃料箱输出醇、水混合液体燃料中醇的浓度。

电动三通等百分比流量调节阀9的阀芯、流量控制阀12、风机2、风量控制阀 20 的开启状态、流速，电击器16的通电与否通过自动控制系统4控制，在受热体3 内设有热电偶群15，为自动控制系统4提供控制信号。

该装置将燃料供应系统5与喷射器1及预热管网14三部分分别设置于不同的位置并通过管路连接在一起。

燃料供应系统5中的燃料箱为2个，一个内装纯醇（甲醇、乙醇或其它醇类），另一个则装纯水。2个燃料箱通过管路与电动三通等百分比流量调节阀8连接并受自动控制系统4（人工智能PID控制器）操纵，使用一个压缩泵即可，不仅简化了结构、降低了成本、减少了故障率，还可以根据受热体3燃烧的情况和需要，任意调整混合液体燃料中水醇比例浓度，以使化石燃料的消耗降至最低。

喷射器1装在受热体3原来安装燃料喷枪的位置（高温区域）。由于喷射器1射出的火焰直接进入燃烧室，在高温区除了热能的载体空气外，没有任何机械构件，所以就从根本上解决了原方法中燃烧器重要机械构件不耐烧、寿命短，工作不稳定、不可靠的问题。

预热管网14，可视需要同时带动多个喷射器1，以满足各种受热体3的不同需求。

自动控制系统4可根据燃烧室内的温度及火焰情况，对其它各独立部分进行总体控制，以使整个系统的工作在精密、准确地符合工艺要求的前提下，达到热效率最大化。

基于前述的水解离混合气体燃料装置，将水解离为混合气体的方法，其步骤如下：第一步，预热：将纯醇燃料喷入受热体中，在加热受热体的同时，对预热管网系统进行预热；第二步，稀释燃料：通过自动控制系统控制电动三通等百分比流量调节阀，根据固定在炉窑内部的热电偶群反馈的系统内温度的升高程度，逐渐改变电动三通等百分比流量调节阀阀芯位置，向燃料中加水，降低其浓度，成为混合液体燃料并在预热管网中被汽化为干蒸汽；第三步，电击、催化及点燃：干蒸汽自喷射器的喷射孔中喷出后，通过高压点火器，产生电火花，将混合气体燃料在电极对的电催化及金属催化作用下激活并点燃，在对外输出热能的同时，继续对系统进行预热；第四步，自动调整：根据热电偶群反馈的信息，自动控制系统管理的电动三通等百分比流量调节阀可随时改变阀芯位置以调整混合液体燃料的浓度；变频装置可随时调整风机的转速及风量控制阀的开启度，以改变一次风及二次风的流量；从而保证炉窑内温度及温度梯度始终控制在工艺要求的区间内。

将本发明装置应用在功率较低、燃料消耗较少的场合（如小型锅炉及居民家庭用热）时，或将本发明装置应用于新的领域，对其运行规律尚缺乏深入地了解时，也可不采用自动控制系统4操纵。此时，只需去掉该控制系统、将电动三通等百分比流量调节阀9改为自动（或手动）控制三通阀，同时在原来装纯水的第二燃料箱10B中装固定浓度（如30%的醇加70%的水）的混合液体燃料即可。当预热过程结束后，自动（或人工）切换燃料供应系统5所连接的燃料箱。

本发明的理论基础及工作过程：

理论基础：水解离混合气体燃料的特殊性质

1、已知氢的热值为28900kca/㎏。氢在水分子中的质量比为2/18，故按常规计算，即使水分子完全分解为氢气及氧气后燃烧，其热值也仅为氢热值的2/18，即3211kca/㎏，远小于甲醇等其它液体燃料。但从工业性实验中却得出了在醇浓度为50%的情况下，水的相对热值为4000kca/㎏以上的结果，这表明本发明装置所产生的混合气体燃料不是普通的氢、氧气混合物；

2、国内外多项最新研究成果表明，经水解离而得出的混合气体燃料是一种新型的特殊物质，它不仅打断了水分子间的氢键及共价键使其分离为氢和氧，而且具有许多未知的、极其有利的新特性，如具有可燃性及可瞬间产生超高温度。

根据在工业性试验中得出的数据计算，当醇浓度为50%时，其最高理论燃烧温度为1579℃。本系统在高温区中曾采用耐高温的镍基不锈钢，该钢种能在1150℃以上高温条件下持续使用，熔点超过1500℃，但却在空气未经预热的情况下几分钟内即被烧为钢渣。这是甲醇（热值为4650kcal/kg）所无法做到的，更是仅根据氢气热值计算得出水热值（3211kcal/kg）根本无法做到的。

工作过程：

1、燃烧器的工作过程：开始预热时，自动控制系统4进入工作状态：接通喷射器1中电击器16的电源并启动电机6带动压缩泵7工作；通过自动控制系统4使电动三通等百分比流量调节阀9与燃料箱10A接通，纯醇燃料经供液管11、流量控制阀12、电动三通等百分比流量调节阀9被压缩泵7泵入进液管13，然后进入预热管网14，再经连接管18进入喷射器1。燃料通过喷射孔17雾化后，被电击器16点燃，形成火焰被风机2通过风筒21形成的一次风吹入受热体3内部，使受热体3温度升高并对预热管网14进行预热。此时二次风量调节阀20在自动控制系统4（人工智能PID控制器）的操纵下全部开启，风机2通过风筒22吹出的二次风，为纯醇的燃烧提供助燃氧气；

2、通过预热，受热体3高温区域温度不断升高，在温度达到500℃左右时，预设在受热体高温区内的热电偶群15发出的反馈信号使自动控制系统4操纵电动三通等百分比流量调节阀9的阀芯向右侧移动，逐渐打开其与燃料箱10B的连接，使其同时接通燃料箱10A及燃料箱10B，形成由醇与水组成的混合液体燃料。当燃烧室内的温度达到700℃以上时，自动控制系统4已经调整电动三通等百分比流量调节阀9的阀芯移至中间位置，纯醇及纯水在电动三通等百分比流量调节阀9中混合成为浓度约为50%的混合液体燃料继续加热。与此同时，通过自动控制系统4逐步降低二次风量调节阀20的开启度，配合混合液体燃料中醇量的减少，按比例不断降低二次风筒22输入的二次风供应量；

3、随着受热体3高温区19的温度不断升高，预设在受热体3高温区19内的热电偶群15发出的反馈信号，通过自动控制系统4操纵电动三通等百分比流量调节阀9的阀芯继续向右侧移动，导致进入阀体的纯醇流量逐渐减少、而进入阀体的水流量却逐渐增加，从而不断提高混合液体燃料中水的比例。当燃烧室内温度达到1100℃以上时，电动三通等百分比流量调节阀9阀芯已经移动到阀体最右端，使系统切断了与燃料箱10A的连接而仅仅与燃料箱10B接通，完全以水为燃料继续燃烧。此时空气供应系统在自动控制系统4的操纵下，亦完全关闭风量控制阀20，结束二次风的供应；

4、在受热体3加热过程中，自动控制系统4会根据设置在受热体3内部的热电偶群15反馈回来的、反映燃烧室内温度及火焰情况的信号，不断改变电动三通等百分比流量调节阀9阀芯的位置，以调整混合燃料中醇、水的比例；不断改变流量控制阀12的开启度以调整燃料的总流量；不断改变风机2的转速以调整总供风量；不断改变风量控制阀20的开启度以调整二次风量；不断接通或切断喷射器1中电击器16的电源以改变供电情况，使系统保持动态平衡，始终处于最佳状态，从而在保证工艺参数稳定的情况下，达到能耗最低；

5、喷射器1的结构如附图二所示：受热体3运行时，从预热管网14输出的燃料经连接管18进入喷射器1的贮气室28，然后通过固定在喷射孔板29上的若干个喷射孔17被雾化后，进入反应室26。电击器16由电极对（A电极、B电极）组成。A电极24固定在与喷射孔板 29连接的立柱 27上，B电极25通过绝缘套 32固定在反应室外环30上，电极对系采用金属镍、钨或其合金等具有金属催化作用的材料制成，且其端头均加工成锥形，以利于气体放电。在电极对的两极之间，施加高达10000伏以上的高压交流电。气体燃料通过电击器16的电极对之间的电火花时被电子束轰击，使燃料中的过热水蒸气被解离为混合气体燃料并被点燃，火焰在从风机2的风筒21流出的一次风带动下流向受热体3的高温区。

Claims (5)

1.一种水解离混合气体燃料装置，包括风机（2）、喷射器（1）、电击器（16）、燃料供应系统（5）；风机（2）分别通过一次风筒（21）、二次风筒（22）与受热体（3）连通，在二次风筒（22）内设有二次风量调节阀（20）；其特征在于：在受热体（3）的预热区域（23）内安装预热管网（14），预热管网（14）的入口通过进液管（13）与燃料供应系统（5）的压缩泵（7）相连，预热管网（14）的出口经连接管（18）通入喷射器（1），喷射器（1）位于受热体（3）的高温区域（19）内，喷射器（1）设置在一次风筒（21）的出风口的前端，所述的喷射器（1）从燃料进入到流出的方向依次设有贮气室（28）、喷射孔板（29）、反应室（26）和电击器（16），贮气室（28）与反应室（26）通过喷射孔板（29）间隔，喷射孔板（29）上开设若干喷射孔（17），反应室（26）的出口端设有电击器（16）所述的电击器（16）由一组电极对构成，A电极（24）固定在与喷射孔板（29）连接的立柱（27）上，B电极（25）通过绝缘套（32）固定在反应室外环（30）上，电极对通过高压点火器（31）激发实现电火花间歇通电；所述的燃料供应系统（5）包括电机（6）、装有纯醇的第一燃料箱（10A）、装有纯水的第二燃料箱（10B）、供液管（11）和流量控制装置（8）；第一燃料箱（10A）、第二燃料箱（10B）分别通过供液管（11）与流量控制装置（8）连接，在供液管（11）上安装流量控制阀（12），流量控制装置（8）的出口通过压缩泵（7）与进液管（13）连接。

2.根据权利要求1所述的一种水解离混合气体燃料装置，其特征在于：所述的流量控制装置（8）采用电动三通等百分比流量调节阀（9），通过改变其阀芯的位置控制两燃料箱燃料的流量，可在0%~100%的范围内，任意比例调整两燃料箱输出醇、水混合液体燃料中醇的浓度。

3.根据权利要求2所述的一种水解离混合气体燃料装置，其特征在于：所述的电动三通等百分比流量调节阀（9）的阀芯、流量控制阀（12）、风机（2）、风量控制阀（20）的开启状态、流速、转速及电击器（16）的通电与否均通过自动控制系统（4）控制，在受热体（3）内设有热电偶群（15）为自动控制系统（4）提供控制信号。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种水解离混合气体燃料装置，其特征在于：所述的预热管网（14）可根据需要连接多个喷射器（1）。

5.一种采用前述权利要求1-4中任一项所述的水解离混合气体燃料装置，将水解离为混合气体燃料的方法，其步骤如下：第一步，预热：将纯醇燃料喷入受热体（3）中，在加热受热体的同时，对预热管网系统进行预热；第二步，稀释燃料：通过自动控制系统（4）控制的电动三通等百分比流量调节阀（9），根据固定在受热体（3）内部的热电偶群（15）反馈的系统内温度的升高程度，逐渐改变电动三通等百分比流量调节阀（9）阀芯的位置，从而向燃料中加水，调整其浓度，成为混合液体燃料并在预热管网（14）中被汽化为干蒸汽；第三步，电击、催化及点燃：干蒸汽自喷射器（1）的喷射孔（17）中喷出后，通过高压点火器（31）产生的电火花，被电击器（16）的电催化及金属催化作用所激活，解离为混合气体燃料并被点燃，在对外输出热能的同时，继续对系统进行预热；第四步，自动调整：根据热电偶群（15）反馈的信息，自动控制系统（4）管理的电动三通等百分比流量调节阀（9）随时改变阀芯的位置以调整混合液体燃料的浓度；自动控制系统（4）管理的变频装置可随时调整风机（2）的转速、二次风量调节阀（20）的开启度，以改变一次风及二次风的流量；从而保证受热体（3）内的温度及温度梯度始终控制在工艺要求的区间内。