CN106537034A - 在锅炉中利用燃料的协同混合物产生能量并减少排放的方法 - Google Patents

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Abstract

来自一级燃烧过程的排放物被俘获、冷却(以避免在到达燃烧室之前的过早燃烧)、压缩、与磁分子燃气混合，并且随后在二级燃烧室中再燃烧。

Description

在锅炉中利用燃料的协同混合物产生能量并减少排放的方法
技术领域
本发明涉及二级燃烧过程中的清洁燃烧双燃料组合，其产生更多的热输出和减少的排放，还涉及其生产方法。
背景技术
普遍使用固体燃料(煤、木材或生物炭)或液体燃料(油、LPG或天然气)来在锅炉中产生热量。锅炉排出热量，并用该热量产生用于广泛应用的蒸汽。
燃烧这些燃料以产生用于广泛应用的热量导致了大量的一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)排放物，并且关于此种污染对大气和环境的影响已发表了大量文献。一个此种影响是造成气候变化并可能最终导致灾难性气候事件的“温室气体效应”。碳类燃料的燃烧和产生CO2时的氧(O2)消耗的另一后果是大气中的氧耗竭，因为植物无法与过量的CO2产生保持同步。由这些燃料燃烧造成的排放物一般还包括一系列致癌物及其它的具有多种众所周知的健康后果的有毒物质。
本发明的目的是通过提供能够产生高水平的热输出并大幅减少CO和CO2排放的双燃料来解决一些或全部以上问题。
磁分子燃气(Magnegas)是如US 6,663,752中所描述并通过其中的方法形成的清洁燃烧燃料。此燃料由65％的氢构成，具有2800万焦耳/立方米(MJ/m3)的发热值和18,000kPa/瓶的压力。
电磁分子(electromagnecule)是单个原子(例如H(氢)、C(碳)和O(氧))、称为二聚体的分子部分(例如OH和CH)以及普通分子(例如CO和H-H-O)通过由于外围原子电子轨道的电极化和磁极化产生的内部引力而结合在一起的稳定簇。
磁分子燃气充当催化剂。分子价键被破坏，并且磁分子燃气将来自一级燃料排放物中分子的原子转化或牵引为电磁分子簇。这些分子包括排放物目标中的那些分子，例如CO和CO2。
磁分子燃气的类型
甲醇磁分子燃气是来源于美国佛罗里达州Tarpon Springs的MagnegasCorporation的氢类燃料。这是在澳大利亚进行的所有试验中使用的磁分子燃气形式。除非另作规定，本文中对磁分子燃气的任何提及都是指磁分子燃气(甲醇)。乙二醇和油类磁分子燃气是具有更高的发热值(相比于甲醇)的燃料。在美国进行的试验中使用了磁分子燃气(甘醇)。在使用磁分子燃气(甘醇)之处，进行了具体说明。
研究设备
在实验中获得、构建和使用的研究设备如下：
Testo分析仪数据
用testo 350分析仪在烟道气中记录排放物。该设备将来自烟道气的数据记录到分析仪中。将记录的Testo数据转移至计算机软件程序中。来自流量计的数据也被记录并与testo数据合并，从而利用Excel电子表格示出流速和烟道测量值。
流量计数据
特制用于测试不同气体的Serra流量计被连接至累加器箱以改变混合速率。数据记录设备收集来自累加器的脉冲，并将此数据下载到计算机上。Trendreader软件收集来自锅炉中所用数据记录器的数据。随后将数据在电子表格程序上进行分析。
发明内容
根据本发明，来自一级燃烧过程的排放物被俘获，冷却(以避免在到达燃烧室之前的过早燃烧)，压缩，与磁分子燃气混合，并且随后在温度为至少140℃下在二级燃烧室中再燃烧。最有效的温度范围为140℃～220℃。图1中示出了数据图，其显示了燃烧过程中用于磁分子燃气加热的最有效温度。没有提供Testo报告，因为对此试验无法使用该机器。图1A中示出了其它图表，其显示了磁分子燃气(甘醇)的最有效温度和排放物。在低于140℃的温度下，燃烧不太有效，并且形成了较高水平的CO。
在上述条件下，将磁分子燃气与排放物(来自这些传统燃料)组合使用作为双燃料，产生了高水平的能量输入，并且与由传统燃料所取得的相比，大幅减少了排放。
此双燃烧不是简单的燃料混合物。当将磁分子燃气与排放物混合时，其与排放物结合，从而形成具有出乎意料的效果的结构化双燃料组合。
孤立且未结合的原子的可用性是最重要的，因为这些原子随后能够在燃烧时重组并释放大量的能量。电磁分子及其性质在6,663,752号美国专利，Santilli,RM和2005,Santilli RM,The New Fuels with Magnecular Structure中进行了解释，将其内容通过引用并入。
磁分子燃气使排放物重新形成为清洁燃烧燃料。其也改变了分子的结构，使得重新形成的分子能在更高的温度下燃烧。
具体实施方式
磁分子燃气和煤
下面是优选的方法设计的实例图，其中煤是100HP锅炉中的一级燃料。
上述方法的描述如下：
以大约125kg/小时的速度将煤原料添加至一级燃烧室(此实例中为锅炉)。使用氧在一级燃烧室中提供燃烧。烟道排放物为大约140℃至300℃。在添加磁分子燃气时使用来自一级燃烧室的排放物，从而形成用于二级燃烧室的燃料。废热被俘获并传送至热交换系统(此实例中为清洁循环发电机)。这可产生可用于电网的至多约125KWh的电力。
利用热交换将来自锅炉的排放物冷却到约125℃～150℃的温度。随后将排放物在管中冷凝并压缩，然后经由其它管将其输送至后燃室。对排放物/原料添加磁分子燃气。使用混合阀来控制进入后燃室的原料的流速。
在后燃室中进行燃料和排放物的点燃。该室的形状考虑到了燃料在燃烧期间的膨胀。该室包括放大的圆筒，其一端具有用于注入原料的入口，而另一端具有用于释放热和剩余排放物的出口。
传统燃煤型锅炉会排放以下排放物。在2012年9月21日进行的试验结果在图2(排放物数据图表)和2A(烟道气测量的Testo数据)中示出。结果来自澳大利亚昆士兰Texas的Wyalla feedlot的燃煤型锅炉。
下面详细描述本发明的优选实施方式：
表1比较了由一级锅炉燃烧系统产生的煤排放物(传统燃煤型锅炉排放物)和来自于本发明的后燃过程的排放物。
结果显示，相比于一级燃烧过程中的煤，当在后燃过程中将来自一级燃烧过程的排放物与磁分子燃气组合时，氧更高，并且一氧化碳、氮氧化物、一氧化氮和二氧化碳排放物皆减少。
在此情况中，没有测量后燃过程的温度，因为没有为所达到的温度设计温度设备。
表1
此双燃料满足以下点：
1.与环境空气中的二氧化硫、二氧化氮和氮氧化物的限值有关的欧洲共同体理事会指令1999/30EC。NO2的最大量为200mg/m3～98.7ppm。
2.超过欧洲共同体理事会指令2000/76EC所涉及的废物焚烧(在高于850℃进行2秒)的最小值：针对6吨/小时以下的焚烧厂，NO和NO2低于400mg/m3～197ppm。对于超过6吨/小时的，极限为200mg/m3～98.7ppm。用磁分子燃气同时满足了这两个极限。
将煤进给到一级燃烧室中并燃烧。此处，关闭通风口，并将烟道部分地关闭以使CO2增加到其最大值。我们需要排放物变得尽可能致密。一旦CO2达到15％，则不允许大气氧进入该过程，因为这会减少甚至停止后燃烧。置于一级燃烧室中的煤量为1千克/20分钟。煤是高品位煤。不过，其也可以是低品位煤。
从一级燃烧室到后燃室的铜或不锈钢管厚1.6mm，直径为100mm。由于该管相对较薄，故其使得热的排放物可在热交换中冷却到120℃～140℃。需要冷却以避免管中的过多的热以及在到达燃烧室之前的过早反应。
从一级燃烧室下来的铜管被引导至含有水的热交换过程中。将该管构建到热交换室中，其在排放物流经该管时将该管冷却。铜管是封闭的，没有水与排放物混合。
随后将铜管引导至压缩机站中。压缩机站是7英寸×3英寸直径的风扇，其每小时移动410m3的空气。来自一级燃烧室的排放物经过热交换，使排放物冷凝到更小的管中，该管使排放物压缩，这提高了排放物浓度(形成了更多烟)，以便于磁分子燃气与经压缩的排放物混合。
在压缩机站之后，铜管从100mm减小至50mm(减少了50％)，然后到达2.5英寸的排放物控制阀，其控制排放物流经该管的速度并控制我们对最终后燃室传送多少排放物。
从旋塞(tap)到后燃室的管为75mm，并且提供入口，经该入口将磁分子燃气添加到排放物中。在180kpa的压力下，进入管中的磁分子燃气的流速为85标准升/分钟。
后燃室是由耐火Fosico水泥制成的特制机器。该室提供有扩散器作用，其有助于使混合物打旋并将其混合。该室的中部大于端部，其在中间膨胀、之后在燃烧后收缩，这随后对其提供推力。后燃室的测量是进入100mm椎体的75mm入口。
这使颗粒物适当地混合和燃烧。化学副产物包括C0颗粒物碳、CO、NOx、SOx、重金属、O2和NO2。随后将磁分子燃气与煤烟道排放物混合，然后将其点燃。废气为7％的CO2、11％的O2、40ppm的NOx。NOx和O2将为参照物。没有发现系统中混入了空气，否则CO会增加。
当关闭控制阀时，火焰颜色变蓝。当实验正确地进行时(例如，当CO2裂解时)，火焰为亮橙色，并且几乎没有烟雾。当添加磁分子燃气时，其撕裂NOx、SOX和CO等分子。其现已成为结构化燃料或结合的燃料。当正确混合(每分钟使用85升磁分子燃气)时，煤排放物的量正确。
后燃室：75mm增大至100mm，然后其形成锥体，而后在背侧变回75mm的倒锥体。该倒转使所述室的直径(100)与长度(500)比为1:5，使得气体膨胀并随后燃烧。反应时间管需要被冷却，磁分子中构建的键非结构化，新的磁分子燃气燃料(H4)可能不需要如此多的冷却。没有硝酸盐。
来自化学反应过程的排放物为CO、颗粒物(碳)、NOx、SOx、各种重金属、CO2、O2、NO2和NO，添加氢和CO并点燃。记录的结果为：7％的CO2、11％的O2、46ppm的NOx，并且被释放的且支持燃烧过程的O2增加。碳提供热能而不是形成CO。颗粒物有所减少。
煤和磁分子燃气以及煤排放物数据
于2012年8月4日进行的后燃试验的详细描述如下：
将来自澳大利亚昆士兰Acland矿山的高品位煤在一级燃烧室中燃烧。在燃烧室之前，向排放物中添加磁分子燃气。试验从17:08进行到17:50，并且我们具有Testo350分析仪(www.testo.com)，将此数据引入以秒钟间隔进行记录的计算机中。在文件“20120804CoalMagnegas Post Combustion test 2.xlsx”中记录以下排放物：O2、CO、NOX、NO、NO2、CO2。此试验的磁分子燃气流速为79.9升/分钟～84.4升/分钟(参见“20120804Magnegas and CoalPost Combustion Flow rate of fuel.xlsx”的“Magnegas Flow Rate”一栏)。
此试验的过程为：将煤添加至一级燃烧室并使其燃烧，反复重复这一过程，并且在图表上示出我们开启烟道以添加更多煤或增旺一级燃烧炉的时间或者我们检查烟道的时间。此过程的实例可见于230秒～460秒的秒运行线上。另一实例为，在678秒～792秒时，发生相同的事件。这在整个试验中定期地发生，并且是氧气(蓝线)。同时，CO2(红线)和NOX(紫线)减少并恢复非活性水平。还在此时，CO(淡紫色线)也减少。
当机器以接近全容量运行时，可利用最大量的排放物来进行处理。其实例可见于467秒～673秒的秒运行线上。另一实例在1153秒～1388秒。在后燃室中进行的测量显示，在此事件中，CO2(深紫红色线)和NOX(紫线)减少，同时O2(蓝线)增加。这在实验中自始至终发生。
CO2的减少和O2的增加是成反比的。然而，来自NO2、NO和CO的其它氧原子也可作为氧获得，并且其增加了氧读数。这允许更多的燃烧，并增加了后燃室中的热量。图表2和3显示了O2的增加和CO2的减少。
推力—后燃室制造了与推力发动机相似的鼓风噪音，并产生热量。由于原料中氢的水平高，故从该室中排出的火焰仅在低光中可见。火焰末端实际是清楚的，其从该室的末端处延伸约1米。试验在傍晚进行，由此可以观察、拍摄并记录火焰。在Testo350分析仪陶瓷测量设备的陶瓷尖发出亮橙色时，废气离开所述后燃室处的温度达到3,000℃。在该室中点燃颗粒物时，无法检测到烟雾。
图3提供了显示2012年8月4日进行的煤和磁分子燃气的后燃试验的结果的图表。这些结果数据在图3A(Testo烟道气测量)和3B(磁分子燃气流速)中示出。
图4示出了显示燃烧室中流速的图表。图5示出了NOx和CO的记录结果的细节。图6示出了烟道中O2和CO2的记录结果的细节(O2增加且CO2减少)。
图7示出了显示煤和磁分子燃气(甘醇)的后燃试验结果的图表。图8示出了Testo数据结果。与此相关，重要的是注意该燃料是与早先在澳大利亚进行的试验中所用燃料(甲醇原料)不同的磁分子燃气(甘醇)。煤品位低于源自昆士兰Acland的澳大利亚煤的品位。后燃室是来自汽车的排气管，并且不是在澳大利亚使用的定制后燃室。结果是相似的，不同之处在于：大概是因为设备的代用性质，在排气管中有大量未燃烧的燃料，并且记录到了更高的CO和H2排放物。重要地是，结果表明了SO2减少。
磁分子燃气与沥青
于2012年8月25日对磁分子燃气和沥青进行了试验。图9示出了磁分子燃气和沥青双燃料的试验结果图表。图10示出了烟道气测量值，并且图11示出了流速。
磁分子燃气与橡胶
于2013年2月21日对磁分子燃气和橡胶进行了试验。图12示出了磁分子燃气和橡胶双燃料的试验结果图表。图13示出了烟道气测量值。
磁分子燃气与LPG
于2012年5月21日对磁分子燃气和LPG进行了试验。图14示出了磁分子燃气和LPG双燃料的对O2、CO2和温度、燃料使用和温度、CO和NOX记录的试验结果图表。图15示出了烟道气测量值。图16示出了O2、CO和CO2测量值。Testo数据为秒钟间隔形式，而磁分子燃气的流量计数据为分钟形式。图17示出了数据结合在一起的其它图表。
上述试验结果是针对与LPG掺合(混合)的磁分子燃气，其作为双燃料。在锅炉中温度达到580℃的情况下，磁分子燃气以2.25升/分钟运行，而LPG以1升/分钟运行。在我们将2.9升/分钟的磁分子燃气与0.65升/分钟的LPG混合时，达到了470℃的更低温度。利用此双燃料组合，实现了出人意料的高温输出。
还提供了于2012年5月29日进行的磁分子燃气与LPG掺合(混合)的其它试验结果的细节。这些结果的图表在图18中示出。图19示出了烟道气测量值，并且图20示出了排放物和流速。
当磁分子燃气流速升高时发生O2的增加，使得CO2减少。在第一页底部，由于裂解，NO2少于NO。实际上，CO2、CO、NO2在使用磁分子燃气的燃烧期间都裂解。这些排放物在使用磁分子燃气时减少。
腔室设计
图21示出了后燃室设计的优选形式的图。优选地，该室由在该室进气侧上的钢或铜管制成。此情况中，燃烧圆筒由锅炉工业中所用的耐火水泥类产品制造。该室具有圆柱形状，且包含入口端和出口端。该室在出口端逐渐变细。优选地，该室两端都逐渐变细。该室具有入口，并且优选地，进入该室的入口呈约30度角。这将流动引导至发生燃烧的更大比例的腔室中。此角度确保了强制所有排放物进入该室的中心以便进行燃烧。在二级燃烧室中没有该角度的情况下，冷却的空气被困，其在燃烧火焰之前循环。这使火焰和腔室中的温度降低。这降低了CO2及其它排放物的裂解的有效性。
来自一级燃烧室的排放物被俘获、冷却并压缩。在混合室中注入磁分子燃气并使其与排放物混合，然后将其传送至二级燃烧室，从而确保磁分子燃气和排放物在二级燃烧之前恰当结合。这需要发生在进给到二级燃烧室中之前至少1米处。优选地，其在进给到二级燃烧室中之前大约1米处。
对该系统不添加额外的大气氧，并用磁分子燃气进行第二次燃烧。入口和腔室被连接且封闭，从而避免额外的氧气进入后燃室中。
优选地，所述入口为漏斗状，以便提供扩散器作用并协助将混合物打旋。在燃烧期间，于所述室中发生圆周运动。
所述室在点燃时排出排放物。由逸出的燃烧产生推力噪音。一些燃烧发生在所述室的外面。部分不可见的氢火焰形成部分燃烧。
来自一级燃烧过程的颗粒物和小碳片在二级燃烧过程中被点燃。这些余烬落在二级燃烧室里面和外面。
系统设计
图22示出了显示二级燃烧双燃料系统的优选形式的概要的图。此图包括了二级燃烧室的设计。
图23示出了设计用于磁分子燃气和LPG的双燃料系统的另一优选形式的图。

Claims (23)

1.一种生产清洁燃烧双燃料组合的方法，其中，来自固体和/或气体燃料的一级燃烧的排放物被俘获、冷却、压缩，将磁分子燃气与所述排放物混合以使其与所述排放物结合，从而形成结构化的双燃料组合，并且随后在二级燃烧室中再燃烧。
2.如权利要求1所述的方法，其中，一级燃料包括煤、橡胶、沥青、LPG和天然气。
3.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，磁分子燃气使所述排放物重新形成为更清洁的燃烧结构化燃料，所述燃烧结构化燃料提供更有效的燃烧，产生更多的热输出并减少排放物。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，磁分子燃气将来自一级燃料排放物中的分子(包括排放物目标中的分子)的原子转化或牵引为电磁分子簇(孤立且未结合的原子、二聚体和分子的稳定簇)，所述电磁分子簇随后在所述二级燃烧室中的燃烧过程中重组。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，根据所述燃料，排放物目标中的分子为CO和CO2、NOx(NO和NO2)、SOx中的任一种或全部。
6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，烟雾和颗粒物也被减少。
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，不需要额外的大气氧。
8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在二级燃烧过程期间释放氧。
9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，来自一级燃烧的排放物与磁分子燃气混合，而后/然后再被进给至所述二级燃烧室。
10.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，来自一级燃烧的排放物在进给至所述二级燃烧室之前的至少1米处与磁分子燃气混合。
11.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，来自一级燃烧的排放物在所述二级燃烧室之前的大约1米处与磁分子燃气混合。
12.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通向所述二级燃烧室的混合室内的温度必须为至少环境温度。
13.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通向所述二级燃烧室的混合室内的温度为环境温度至250℃。
如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通向所述二级燃烧室的混合室内的温度必须为至少140℃。
14.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通向所述二级燃烧室的混合室内的温度为约140℃～220℃。
15.一种设计用于双燃料的燃烧的圆柱形的二级燃烧室，其包含入口端和出口端，并在所述出口端逐渐变细，所述双燃料包含磁分子燃气和来自一级燃烧的排出物以及颗粒物的混合物。
16.如权利要求15所述的二级燃烧室，其中，进入所述室的入口呈约30度角。
17.如权利要求15或16所述的二级燃烧室，所述二级燃烧室的两端都逐渐变细。
18.如权利要求15至17中任一项所述的二级燃烧室，其中，所述入口为漏斗状，以提供扩散器作用并协助将混合物打旋。
19.一种如图22的图所示的二级燃烧室。
20.一种如图22的图所示的设计用于燃烧来自一级燃烧的排放物和颗粒物的方法。
21.一种如图22所示的设计用于燃烧来自一级燃烧的排放物和颗粒物的装置。
22.一种如图23所示的设计用于燃烧来自一级燃烧的排放物和颗粒物的装置。
23.如前述权利要求中任一项所述的方法或装置，其中，控制阀调节入口至混合室的排放物流量，从而确保燃烧得到优化。
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