CN106939829A - 用于铝粉或镁粉燃烧与其产物回收的系统 - Google Patents

用于铝粉或镁粉燃烧与其产物回收的系统 Download PDF

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Abstract

用于铝粉或镁粉燃烧与其产物回收的系统，包括燃烧子系统、高压燃气自动补偿储存子系统、冷却子系统、产物回收子系统、外燃机与内燃机组合子系统和空气压缩及补偿储存子系统；燃烧子系统包括压缩空气罐、燃料罐、燃烧罐和控制器，压缩空气罐和燃料罐连接至燃烧罐；高压燃气自动补偿储存子系统的燃气储存罐连接于燃烧罐；冷却子系统的冷却回路设于燃烧罐和燃气储存罐的外部；产物回收子系统的产物收集装置连接于燃烧罐和燃气储存罐；外燃机与内燃机组合子系统的内燃机连接于燃气储存罐；空气压缩及补偿储存子系统的空气压缩机的两端分别连接于内燃机和压缩空气罐；本系统采用金属粉末燃料，可在外燃机中产生高压气体驱动机械做功，节能环保。

Description

用于铝粉或镁粉燃烧与其产物回收的系统
技术领域
本发明涉及清洁能源技术领域，尤其涉及用于铝粉或镁粉燃烧与其产物回收的系统。
背景技术
发动机是一种能够把其它形式的能转化为机械能的机器，包括内燃机(汽油发动机、柴油发动机、火箭发动机、燃气轮机等)、外燃机(斯特林发动机、蒸汽机、电动机等)，内燃机通常能将化学能转化为机械能。发动机既指动力发生装置，也可包括动力装置在内的整个机器(汽油发动机、航空发动机等)。发动机经历了外燃机和内燃机二个发展阶段。
外燃机，它的燃料在发动机的外部燃烧，1816年由苏格兰的R.斯特林发明，故称斯特林发动机。发动机将这种燃烧产生的热能转化成动能，瓦特改良的蒸汽机就是一种典型的外燃机。该机燃烧煤产生热能，将水加热产生大量水蒸汽，利用高压蒸汽推动机械做功，完成热能向动能的转变。
内燃机与外燃机的最大不同在于它的燃料在其内部燃烧。内燃机的种类十分繁多，常见的汽油机、柴油机是典型的内燃机，火箭发动机和飞机上装配的喷气式发动机也属于内燃机。不过，由于动力输出方式不同，前两者和后两者又存在着巨大的差异。一般地，在地面上使用的多是前者，在空中使用的多是后者。当然有些汽车制造者出于创造汽车车速世界新纪录的目的，也在汽车上装上喷气式发动机，但这是很特殊的例子，并不适用批量生产。
内燃机还涵盖燃气轮机，这种发动机的工作特点是燃烧产生高压燃气，利用燃气的高压推动燃气轮机的叶片旋转，从而输出动力。燃气轮机使用范围很广，但由于很难精细地调节输出的功率，所以汽车和摩托车很少使用燃气轮机，只有部分赛车装用过燃气轮机。
无论是内燃机还是外燃机，使用的燃料无非是煤炭、原油，或其他含碳有机物，排放的是一氧化碳、二氧化碳和氮氧化物，是造成雾霾和温室效应的元凶之一。
为了减少空气污染，电动汽车是目前的主要研究方向。由于受到电池容量限制，小车的行车里程有限，载重汽车基本不考虑用电池驱动。另外，充电所用电网的电能，大部分来源于燃煤发电，故电动车只能减少局部的空气污染，对整体而言，既不能降低碳排放，也没有降低全局的污染。考虑到电网传送和充电的电能损失，以及报废电池的处理，对环境的整体伤害还会加大。
发明内容
本发明的目的在于提出用于铝粉或镁粉燃烧与其产物回收的系统，通过采用一种易于循环再生、不含碳的高效含能材料，可燃烧时在外燃机中产生高压气体，驱动机械做功，有效来取代运输工具的燃油或电池驱动。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
用于铝粉或镁粉燃烧与其产物回收的系统，包括燃烧子系统、高压燃气自动补偿储存子系统、冷却子系统、产物回收子系统、外燃机与内燃机组合子系统和空气压缩及补偿储存子系统；
所述燃烧子系统包括压缩空气罐、燃料罐、燃烧罐和控制器，所述压缩空气罐和所述燃料罐通过燃料管道连接至所述燃烧罐；所述高压燃气自动补偿储存子系统包括燃气储存罐，所述燃气储存罐通过管道连接于所述燃烧罐；所述燃烧子系统与所述高压燃气自动补偿储存子系统形成本系统的外燃机；
所述冷却子系统包括冷却回路，所述冷却回路设置于所述燃烧罐和燃气储存罐的外部；所述产物回收子系统包括产物收集装置，所述燃烧罐和所述燃气储存罐的底部分别通过管道连接于所述产物收集装置；所述外燃机与内燃机组合子系统包括内燃机，所述内燃机通过管道连接于所述燃气储存罐；所述空气压缩及补偿储存子系统包括空气压缩机，所述空气压缩机的两端分别连接于所述内燃机和所述压缩空气罐；所述控制器控制各个子系统的运行。
进一步说明，所述燃烧罐和燃气储存罐的外部还设置有外燃箱体，所述外燃箱体的上部设置有冷却液出水口，下部设置有冷却液进水口；所述冷却液出水口依次连接有散热器和冷却泵，并由所述冷却泵连接所述冷却液进水口，形成所述冷却回路。
进一步说明，所述冷却液出水口处还设置有温度传感器。
进一步说明，所述燃料管道包括支流管道和汇流管道；所述压缩空气罐和所述燃料罐分别通过所述支流管道连接于所述汇流管道，所述汇流管道的末端延伸至所述燃烧罐内，并设置有喷头；所述汇流管道上还设置有单通阀；所述燃烧罐内设置有点火器，所述点火器与所述控制器电气连接。
进一步说明，所述汇流管道的末端还设置有若干支流管道，所述支流管道分别设置有所述喷头。
进一步说明，所述燃气储存罐与所述内燃机之间的连接管道上依次设置有粉尘过滤器、压力传感器和压力控制阀。
进一步说明，所述燃烧罐和所述燃气储存罐与产物收集装置之间的连接管道上分别设有第一阀门和第二阀门。
进一步说明，所述内燃机为汽轮机、汽油机或柴油机中的任意一种。
进一步说明，所述压缩空气罐内的压强(Pk)大于所述燃气储存罐的压强(Pr)。
本发明的有益效果：(1)首次在地面动力机械中规模化采用金属粉末燃料取代含碳的化石燃料，用燃烧-电解-燃烧过程的氧循环，取代燃烧-植物吸收-燃烧的碳循环，彻底杜绝了温室气体排放，同时也大幅减少空气污染源；
(2)首次设置燃烧子系统，实现在密闭的燃烧罐3内，将铝粉/镁粉的化学能转化为热能，并通过管道传送至所述燃气储存罐4，储存高温高压燃气备用；
(3)燃烧铝粉/镁粉对机械做功，必须解决输出功率不均衡和燃烧产物硬质颗粒对机械的磨损问题；铝粉点火燃烧初期输出功率大，燃烧末期输出功率小，势必造成机械振动；铝粉燃烧产物为氧化铝，颗粒非常坚硬，万万不可进入内燃机气缸内，必须单独处理；其中与汽油相比，颗粒较粗的铝粉，会有一定时间的燃烧延迟，延迟滞后时间的长短与铝颗粒大小和氧化环境有关，但与煤炭相比，铝粉的燃烧速度要超出许多量级。燃煤能产生高压蒸汽发电，燃烧铝粉产生高压燃气，推动机械做功一定可行。首次设置高压燃气自动补偿储存子系统，类似于燃煤的蒸汽锅炉，利用燃气存储，均衡输出功率，同时也截留了燃烧产物氧化铝于本系统中。
(4)铝粉/镁粉燃烧的终极产物为氧化铝/氧化镁，首次设置产物回收子系统回收氧化铝，送回电解厂，再生铝粉/镁粉，实现燃烧-电解氧循环、铝/镁资源的循环利用，是本发明的核心创新点。
(5)首次设置外燃机与内燃机组合子系统，取消内燃机的点火系统，直接从外燃机取得高压燃气，推动此二冲程内燃机做功；形成燃气驱动内燃机做功的持续的能量转化模式；可实现铝粉/镁粉所含化学能转变成热能、热能转变成机械能，推动各种机械设备做功。
(6)首次设置空气压缩及补偿储存子系统，通过内燃机8驱动空气压缩机6，对压缩空气罐1充气，补偿燃烧时压缩空气罐1的压强损失，利用部分输出功率的再反馈，支撑外燃机与内燃机组合子系统的长期稳定运行。
(7)首次设置冷却子系统，借鉴内燃机箱体的冷却方法，首次在外燃机上使用，以此保护高压燃气自动补偿储存子系统各部件在合理的温度区间运行。
附图说明
图1和图2是本发明一个实施例的铝粉颗粒燃烧的反应阶段a-g微观过程的示意图；
图3是本发明一个实施例的用于铝粉或镁粉燃烧与其产物回收的系统的结构示意图；
其中：压缩空气罐1，单通阀11，燃料罐2，燃烧罐3，喷头31，点火器32，燃气储存罐4，过滤器41，压力控制阀42，压力传感器43，产物收集装置5，第一阀门53，第二阀门54，空气压缩机6，散热器7，温度传感器71，内燃机8，冷却泵9，冷却液进水口91，冷却液出水口92，控制器10，氧化膜1-1，固态铝1-2，液态铝1-3，汽态铝1-4，裂缝1-5，火焰前锋1-6。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
本发明提出的用于铝粉或镁粉燃烧与其产物回收的系统，是在充分认识传统含碳燃料造成空气污染和温室效应弊端的基础之上，对现有燃油或电池驱动汽车的利弊进行了深入研究后，经多年研发，大胆变革，诞生的一项新技术。是根据铝粉燃烧产生高温高压气体的理论指导和用于铝粉或镁粉燃烧与其产物回收的系统来实现的，下面以铝粉为主，镁粉同理。
1、铝粉燃烧产生高温高压气体的理论依据
1.1铝粉的基本物理化学参数
铝为银灰色的金属，相对分质量26.98，密度2.7g/cm3，熔点660.4℃，沸点2467℃，熔化吸热323Kj/g，铝有还原性，极易氧化，在氧化过程中放热。铝是延展性金属，易加工。金属铝表面的氧化膜透明、且有很好的化学稳定性。铝点火温度1027-1227℃，燃烧热值为31.07Kj/g,粉尘爆炸下限为40g/m3。氧化铝熔点为2050℃，铝膨胀系数为氧化铝4倍，铝与氧化铝且互不相溶。铝是一种活泼金属，在室温、空气环境下会自动氧化，形成一层Al2O3的薄膜，阻止铝的进一步氧化，这种表面钝化使铝粉在相当高的温度下仍保持稳定。
纳米铝粉由于具有颗粒小、比表面积大、反应活性高等优点，使其表现出许多优异的性能。研究发现纳米铝粉和氧气结合的能力强于普通铝粉。纳米铝粉在550℃开始氧化，而普通铝粉在950℃以后才开始有明显的氧化现象出现，研究结果表明纳米铝粉相对常规铝粉具有较低的点火能，可以直接点火燃烧，燃烧过程没有明显的凝聚行为，且燃烧充分。所以和普通铝粉相比，纳米铝粉具有燃速更快、放热量更大等特点。纳米铝粉的粒度、比表面积及其形状等物理性能指标是由其制备方法决定的，方法的不同会对纳米铝粉的性能重大产生影响。
1.2铝粉的生产方法
金属铝粉工业化生产具有悠久历史。早期的生产方式是捣冲法，把铝碎屑放在捣冲机的凹槽内，捣杵在机械带动下连续冲打凹槽内的铝屑，具有延展性的铝在冲击下逐渐变成薄片并且破碎，在铝变得非常微薄细小后进行筛选，取出合乎要求的铝粉作为产品。捣冲法的生产效率很低，产品质量不易掌握，而且生产过程中粉尘很多，非常容易起火和爆炸。1894年，德国Hamtag用球磨机生产铝粉，在球磨机内放入钢球、铝屑和润滑剂，利用飞动的钢球击碎铝屑之后成为鳞片状铝粉，在球磨机内和管道里充满惰性气体，这种方法仍然沿用，被称之为“干法生产”。1910年，美国J.Hall发明了在球磨机内加入石油溶剂代替惰性气体，生产的铝粉与溶剂混成浆状，成为浆状铝粉颜料。这种方法设备简单，工艺安全，产品使用起来非常方便，很快为世界各国所采用。现代绝大多数铝粉颜料都采用这种方法生产，这种方法也称之为“湿法”。
我国铝粉工业自20世纪50年代起步，至今已有五十年的历史。雾化铝粉的亚音速空气雾化法均有采用，压水雾化法也开始进入生产序列，产品既有非规则形状的，也有正球形的。在球磨法制造铝粉及铝粉浆方面，干法工艺和湿法工艺都有厂家采用。生产的产品有漂浮型铝粉及铝粉浆、非漂浮型铝粉及铝粉浆。适合于水性涂料的水分散铝浆早已面世，以合金形式的铝粉浆如锌铝浆也有生产。华中科技大学材料学院材料成形与模具技术国家重点实验室的王建军等采用高频感应线圈加热，以蒸发-冷凝法制备了纳米铝粉，用空气进行钝化处理，得到有钝化层保护的纳米铝粉。使用透射电镜、场发射扫描电镜、X射线衍射、差热分析DTA等测试手段，研究了表面钝化处理对纳米铝粉抗氧化性能的影响。结果表明：经过表面钝化处理的纳米铝粉粒径范围为15-60nm，纳米铝粉表面包覆了3-5nm厚的氧化铝膜，形成明显的核/壳结构，具有较好的抗氧化性能，这对于纳米铝粉的存储、活性保护机理的探讨有一定的意义。
1.3铝粉的用途
铝粉具有银白色的光泽，常和其它物质混合用作涂料，刷在铁制品的表面，保护铁制品免遭腐蚀，而且美观。由于铝在氧气中燃烧时能发出耀眼的白光并放出大量的热，又常被用来制造一些爆炸混合物，如铵铝炸药等。冶金工业中，常用铝热剂来熔炼难熔金属，如铝粉和氧化铁粉混合，引发后即发生剧烈反应，交通上常用此来焊接钢轨；炼钢工业中铝常用作脱氧剂；光洁的铝板具有良好的光反射性能，可用来制造高质量的反射镜、聚光碗等。铝还具有良好的吸音性能，根据这一特点，－些广播室，现代化大型建筑内的天花板等采用了铝吸音。
纳米铝粉是含能材料的一种新型金属燃烧剂，由于其具有普通铝粉不具备的特性，近年来倍受关注。纳米铝粉可显著提高推进剂的燃烧速率、比冲，降低其特征信号等。纳米铝粉在400℃开始部分氧化，在534.9℃出现放热峰尖，对应的放热量为3721J/g，这个温度低于铝的熔点(660℃)，与普通铝粉的热行为有很大差异，放热曲线是由于固体纳米铝粉的氧化反应引起的，展现出了只有纳米尺寸的粉末才能观察到的特殊热学特征。
1.4铝粉的化学性质
氧气反应：铝粉可燃铙4Al+3O2＝2Al2O3(发强白光) (1)
非金属反应：2Al+3S＝Al2S3 (2)
热水反应：2Al+6H2O＝2Al(OH)3+3H2↑(反应缓慢) (3)
较不活动金属氧化物反应：3Fe3O4+8Al＝9Fe+4Al2O3 (4)
酸反应：在常温下浓硫酸和浓硝酸可使铝钝化。盐酸和稀硫酸可跟铝发生置换反应，生成盐并放出氢气：
2Al+6HCl＝2AlCl3+3H2↑ (5)
2Al+3H2SO4(稀)＝Al2(SO4)3+3H2↑ (6)
银溶液反应：2Al+3Hg(NO3)2＝3Hg+2Al(NO3)3 (7)
碱溶液反应：主要和NaOH、KOH强碱溶液反应，可看做是碱溶液先溶解掉铝表面氧化铝保护膜：
Al2O3+2NaOH＝2NaAlO2+H2O (8)
然后铝和水发生置换反应：
2Al+6H2O＝2Al(OH)3+3H2↑ (9)
Al(OH)3溶解在强碱溶液中：
Al(OH)3+NaOH＝NaAlO2+2H2O (10)
一般可用下列化学方程式或离子方程式表示这一反应：
2Al+2NaOH+2H2O＝2NaAlO2+3H2↑ (11)
2Al+2OH-+2H2O＝2AlO2 -+3H2↑ (12)
铝和不活泼金属氧化物(主要是难熔金属氧化物如Cr2O3、V2O5以及Fe2O3等)的混合物，都叫铝热剂，在反应中铝做还原剂。反应过程放大量热，可将被还原的金属熔化成液态。
1.5铝粉颗粒燃烧的微观过程
铝粉颗粒的燃烧是典型的绝热火焰温度高于金属沸点的燃烧，铝颗粒在不同氧化剂环境中燃烧时反应类型各不相同。如在一个大气压氧气中燃烧，沸点是2518℃，这个温度低于绝热火焰温度3272℃，火焰的热反馈使得铝在颗粒表面开始蒸发，铝蒸汽离开颗粒表面一段距离后，再与氧化剂混合进行均匀燃烧。但铝颗粒在一氧化碳环境中燃烧有明显不同，铝的低能氧化物是主要的产物，它凝聚成铝的液态氧化物，在火焰区域释放热量，且火焰锋面的位置和厚度是氧化剂和压力的函数。
铝颗粒加热至燃烧过程是一个经历氧化、熔化、蒸发、扩散、燃烧和产物凝聚的物理、化学反应动力控制的过程，如图1和图2所示。
在氧化剂存在的条件下，铝颗粒氧化形成极薄的Al2O3膜，将金属铝和氧隔开。随着温度的升高，电子通过隧道效应从金属铝原子转移到薄氧化膜外表面吸收的氧原子上，在氧化薄膜的两端表面上聚集Al3+金属阳离子和O2-氧阴离子，结果在Al2O3膜中形成了均匀电场，该电场驱动Al3+和O2-穿过Al2O3膜以维持Al2O3膜的生长，如图1a所示。氧化层电场的大小与氧化速率有着密切的关系，即金属氧化速度是由金属阳离子Al3+和电子迁移速度决定的，温度越高，氧化速度越快，它决定氧化的动力学规律。当温度不变，氧化时间足够长时，铝粉表面氧化膜达到一定厚度，金属铝离子Al3+的迁移停止，氧化膜不再生长，铝颗粒表面氧化膜厚度达到极限值，图1b所示。当铝颗粒的环境温度继续升高，达到铝颗粒的熔点660℃时，氧化膜内部的铝开始熔化，由于铝的膨胀系数为氧化铝的4倍，且铝与氧化铝互不相溶，氧化膜开始破裂，氧气可通过裂缝穿过氧化膜，直接跟熔融态铝接触，氧化反应加速，图1c所示。图1c为氧化反应加速的起点，铝颗粒内部进一步获得热量，颗粒内部的固态铝逐步熔化为液态铝，如图1d所示，体积进一步膨胀，氧化膜裂纹增多增大，氧化反应进一步加速。由于铝与氧化铝互不相溶，当铝颗粒内核熔融态铝的温度接近沸点时，大部分氧化膜开始剥离、聚集，形成氧化帽，如图2e所示，摆脱了氧化膜束缚的液态铝，反应速度大幅提高，铝核内部的温度快速上升，当温度达到铝的沸点2467℃，铝表面开始汽化，扩散出的铝蒸汽与氧气迅速反应形成火焰锋面，如图2f所示。在氧化剂充足的条件下，铝颗粒可自主燃烧，当汽态铝燃尽时，形成的燃烧产物Al2O3开始凝聚，沉积，如图2g所示。至此，铝颗粒完成氧化、熔化、汽化、燃烧和产物聚集的全过程。
1.6铝粉颗粒的燃烧机理
对应于图1-2，铝颗粒氧化、熔化、汽化、燃烧和凝聚各阶段的物理化学变化，可由相应的反应式清晰表达。
图1a-1b，在低温下铝颗粒生成表面氧化膜的氧化反应：
2Al→2Al3++6e(Al失去电子，电子穿过氧化膜至外表面) (13)
3O+6e→3O2-(氧化膜外表面的氧获得电子) (14)
2Al3++3O2-→Al2O3(在电场作用下，阴阳离子结合，形成氧化膜) (15)
图1c-1d铝颗粒的熔化及表面氧化反应：
Al(s)→Al(l)(氧化膜内层纯铝熔化，氧化膜破裂) (16)
Al(l)+O→AlO(g)(液态铝低能氧化) (17)
Al(l)+AlO(g)→Al2O(g)(液态铝氧化产物汽化，反应加速) (18)
图2e-2f高温燃烧条件下的气相反应
Al(g)+O2→AlO(g)+O (19)
AlO(g)+O2→AlO2(g)+O (20)
Al(g)+CO2→AlO(g)+CO (21)
Al(g)+H2O→AlO(g)+H2 (22)
O+O→O2 (23)
O+N2→NO+N (24)
N+O2→NO+O (25)
氧化膜分解汽化：
Al2O3(l)→2AlO(g)+1/2O2 (26)
图2g燃烧后期气相产物的凝聚反应：
2AlO(g)+1/2O2→Al2O3(l) (27)
2AlO(g)+CO2→Al2O3(l)+CO (28)
2AlO(g)+H2O→Al2O3(l)+H2 (29)
Al2O(g)+O2→Al2O3(l) (30)
Al2O(g)+2CO2→Al2O3(l)+2CO (31)
Al2O(g)+2H2O→Al2O3(l)+2H2 (32)
Al2O(g)+Al2O(g)→Al2O3(l)+1/2O2 (33)
可燃性成分进一步燃烧：
CO+1/2O2→CO2 (34)
2H2+O2→2H2O (35)
尽管铝颗粒的氧化、熔化、蒸发、燃烧和凝聚各阶段非常复杂，但燃烧的最终产物为Al2O3，为氧化铝回收、电解再生，实现燃烧耗氧、电解释放氧的氧循环、取代燃烧有机物的碳循环，打下了坚实的理论基础。动力装置燃烧铝粉，消耗大量的氧，产生并回收氧化铝；将氧化铝送回电解厂，还原铝金属，储存大量能量于铝原子中，并释放氧气，实现燃烧→电解→燃烧过程的氧循环，为彻底解决大气污染和温室效应，提供了崭新的技术途径。现代电解厂，电耗为每吨铝14000度电，即每公斤铝储能10-14度电，如此高的能量密度，任何材料所做的电池都难以企及。燃烧高能量铝粉，除了驱动小车外，还实用于载重汽车、坦克、轮船与火车等大型运输工具的驱动。
为了实现燃料换代的美好目标，外燃机与高压气体储能设计是本发明成功的关键。
依据铝粉的化学性质，按反应式(3)、(12)等化学式，完全可以利用铝粉产生氢气，驱动传统内燃机，技改的门槛不高，简单可行，但经济效益不可取。铝粉的热值为31.07kj/g，氢气的热值为143kj/g，汽油热值46kj/g，柴油热值33Kj/g，27㎏铝粉产生3kg氢气，1kg铝粉产生氢气后的热值为15.9kj/g，由铝与水反应后的产物为氢氧化铝，不是氧化铝，有大约一半的热量没有释放出来，能效太低，同时，氢氧化铝需要1000℃的高温煅烧成氧化铝，然后才能电解成铝，需要额外耗能。因此，直接燃烧铝粉是最高效的取能方式。尽管铝粉的热值相比汽油和柴油要低一些，但铝粉的密度是汽油和柴油的三倍，相同体积的容器，携带的铝粉重量是三倍以上，能提供约三倍的能量。
如图1和图2所示，铝粉燃烧受颗粒大小、氧化膜厚度、氧化剂成分等多重因素制约，燃烧时的各参数(压力、温度、气流等)很难稳定，不能直接产生稳定的压力输出，需要对高压气体先储存，稳压，再输出；燃烧产物为氧化铝，颗粒非常硬，不适用于内燃机；铝粉燃烧温度非常高，达3000℃以上，必须配备冷却子系统，才能实现铝粉燃烧与高压气体储能。
2、用于铝粉或镁粉燃烧与其产物回收的系统
用于铝粉或镁粉燃烧与其产物回收的系统，包括燃烧子系统、高压燃气自动补偿储存子系统、冷却子系统、产物回收子系统、外燃机与内燃机组合子系统和空气压缩及补偿储存子系统；
所述燃烧子系统包括压缩空气罐1、燃料罐2、燃烧罐3和控制器10，所述压缩空气罐1和所述燃料罐2通过燃料管道连接至所述燃烧罐3；所述高压燃气自动补偿储存子系统包括燃气储存罐4，所述燃气储存罐4通过管道连接于所述燃烧罐3；所述燃烧子系统与所述高压燃气自动补偿储存子系统形成本系统的外燃机；
所述冷却子系统包括冷却回路，所述冷却回路设置于所述燃烧罐3和燃气储存罐4的外部；所述产物回收子系统包括产物收集装置5，所述燃烧罐3和所述燃气储存罐4的底部分别通过管道连接于所述产物收集装置5；所述外燃机与内燃机组合子系统包括内燃机8，所述内燃机8通过管道连接于所述燃气储存罐4；所述空气压缩及补偿储存子系统包括空气压缩机6，所述空气压缩机6的两端分别连接于所述内燃机8和所述压缩空气罐1；所述控制器10控制各个子系统的运行。
本发明依托上述的系统设置，首次在地面动力机械中规模化采用金属粉末燃料取代含碳的化石燃料，用燃烧-电解-燃烧过程的氧循环，取代燃烧-植物吸收-燃烧的碳循环；金属粉末的燃烧，回收金属氧化物(氧化铝/氧化镁等)，既可实现燃烧过程的氧循环，又可实现金属资源的循环利用，还可彻底杜绝温室气体排放、大幅减少空气污染源。
与现有技术相比，具有如下特点：(1)首先依靠所述燃烧子系统，可在密闭的燃烧罐3内将铝粉/镁粉的化学能转化为热能，并通过管道传送至所述燃气储存罐4，储存高温高压燃气备用；(2)高压燃气在燃烧罐3和燃气储存罐4中积累、均压，燃烧产物在底部聚集，通过所述高压燃气自动补偿储存子系统解决了输出功率不均衡和燃烧产物硬质颗粒对机械的磨损问题。(3)通过所述产物回收子系统回收所述燃烧罐3和燃气储存罐4中的燃烧产物，即氧化铝/氧化镁，并送回电解厂，再生铝粉/镁粉，实现了燃烧-电解-燃烧氧循环和铝资源的循环利用。(4)借助所述外燃机与内燃机组合子系统，实现将所述高压燃气自动补偿储存子系统中产生的燃气驱动所述内燃机8做功，从而使铝粉/镁粉所含化学能转变成热能、热能转变成机械能，推动各种机械设备做功。(5)通过所述空气压缩及补偿储存子系统，有效补偿燃烧时所述压缩空气罐1的压强损失，利用部分输出功率的再反馈，支撑外燃机与内燃机组合子系统的长期稳定运行。(6)通过所述冷却子系统，借鉴内燃机箱体的冷却方法，在外燃机上使用冷却回路，以此保护高压燃气自动补偿储存子系统各部件在合理的温度区间运行。
进一步说明，所述燃烧罐3和燃气储存罐4的外部还设置有外燃箱体，所述外燃箱体的上部设置有冷却液出水口92，下部设置有冷却液进水口91；所述冷却液出水口92依次连接有散热器7和冷却泵9，并由所述冷却泵9连接所述冷却液进水口91，形成所述冷却回路。
由于铝粉燃烧温度非常高，可达3000℃以上，为了保护高压燃气自动补偿储存子系统，因此配备冷却子系统，从而确保实现铝粉燃烧与高压气体储能。通过借鉴内燃机箱体的冷却方法，本发明首次在外燃机上使用，以此保护高压燃气自动补偿储存子系统各部件在合理的温度区间运行。所述冷却子系统的工作原理为：由所述控制器10启动冷却泵9，使冷却水从冷却液进水口91进入所述外燃机箱体中，再由所述冷却液出水口92传送至所述散热器7，经风冷后，冷却水则流回至所述冷却泵9，完成冷却循环。
进一步说明，所述冷却液出水口92处还设置有温度传感器71。通过该在所述冷却液出水口92处还设置有温度传感器71，从而使所述控制器10可有效监测冷却水温度，并通过调节冷却泵9的流量和散热器7风机的转速，从而精确地控制所述冷却子系统温度。柴油发动机温度是指发动机缸盖的冷却水温度，大约是90℃左右，汽油机汽缸壁温度正常工作温度在80℃至95℃，这些指标可作为冷却子系统工作温度的参考，所述冷却子系统的工作温度选择为90-95℃。
进一步说明，所述燃料管道包括支流管道和汇流管道；所述压缩空气罐1和所述燃料罐2分别通过所述支流管道连接于所述汇流管道，所述汇流管道的末端延伸至所述燃烧罐3内，并设置有喷头31；所述汇流管道上还设置有单通阀11；所述燃烧罐3内设置有点火器32，所述点火器32与所述控制器10电气连接。所述燃烧子系统的工作原理为：开启所述控制器10，所述压缩空气罐1的高压空气和所述燃料罐2的燃料按一定比例经所述单通阀11进入所述汇流管道中，再由所述喷头31进入所述燃烧罐3；由控制器10启动点火器32，燃料开始燃烧。
例如，铝粉由铝粉泵抽出，流量由控制器10按空气流量调配，点火器32按铝粉粒度设计，不同粒度配置相应能量的点火器32。图1和图2表明，铝粉燃烧，粒度对燃烧过程具有决定性的影响。粒度越小，比表面积越大，铝与氧的接触机会越大，氧化反应越快，能量释放率越高，甚至有产生爆炸的可能；反之，粒度越大，氧化反应越慢，能量释放率越低，可控制在燃烧区间燃烧，避免爆炸的风险。此外，铝粉越细，加工成本越高，铝粉越粗，加工成本越低，但过粗的铝粉燃烧太慢，且可能燃烧不彻底；因此，恰当的铝粉粒度的选择，既可避免爆炸的危险，也可保证燃烧彻底。
进一步说明，所述汇流管道的末端还设置有若干支流管道，所述支流管道分别设置有所述喷头31。有利于控制燃料由所述汇流管道进入燃烧罐3内的连续性，确保所述燃烧子系统工作的稳定性。
进一步说明，所述燃气储存罐4与所述内燃机8之间的连接管道上依次设置有粉尘过滤器41、压力传感器43和压力控制阀42。所述高压燃气自动补偿储存子系统的工作原理为：开启控制器10，则所述燃烧子系统启动，燃料开始燃烧；产生的高压燃气通过管道进入所述燃气储存罐4；燃气储存罐4的压力不断增加，其压强经所述压力传感器43实时传给控制器10，当燃气储存罐4的压强达到设定阈值时，则控制器10发出指令，燃烧子系统停止工作；当压力控制阀42开启，燃气储存罐4的压强下降时，控制器10发出指令，燃烧子系统开始工作，补偿压强。
汽油内燃机燃气的压强可达5.0×105Pa，柴油机内燃机燃气的压强可达10.0×105Pa。若由压力控制阀42驱动的所述内燃机8是汽油内燃机，则可设置燃气储存罐4的压强阈值为5.0×105Pa，低于此值时，燃烧子系统开始工作，达到此值时，燃烧子系统停止工作。若由压力控制阀42驱动的所述内燃机8是柴油内燃机，则可设置燃气储存罐4的压强阈值为10.0×105Pa，低于此值时，燃烧子系统开始工作，达到此值时，燃烧子系统停止工作；因此，通过高压燃气储存的方式有效解决了输出功率不均衡和燃烧产物硬质颗粒对机械的磨损问题。
进一步说明，所述燃烧罐3和所述燃气储存罐4与产物收集装置5之间的连接管道上分别设有第一阀门53和第二阀门54。如图2g所示，铝粉燃烧的终极产物为氧化铝；通过回收氧化铝，送回电解厂，再生铝粉，实现燃烧-电解-燃烧氧循环和铝资源的循环利用；每所述燃烧子系统点火前，如图2所示，所述外燃机处于冷却状态。
所述产物回收子系统的工作原理为：开启控制器10，打开第一阀门53和第二阀门54，将产物收集于所述产物收集装置5中；并打开所述压缩空气罐1，借助高压空气的压力，将燃烧罐3和燃气储存罐4底部的产物进一步全部回收至所述产物收集装置5中；由控制器10指令关闭第一阀门53和第二阀门54，完成产物的回收。
进一步说明，所述内燃机8为汽轮机、汽油机或柴油机中的任意一种。所述内燃机8选用二冲程发动机，取消了内燃机的点火系统，其进气口通过所述压力控制阀42，可直接从外燃机取得高压燃气，推动二冲程内燃机做功。通过所述外燃机与内燃机组合子系统，可实现铝粉/镁粉所含化学能转变成热能、热能转变成机械能，推动各种机械设备做功。
所述外燃机与内燃机组合子系统的工作原理为：开启压力控制阀42，内燃机8开始工作，驱动车辆、船舶等运输工具开始运行；同时，所述燃气储存罐4压力降低，则所述高压燃气自动补偿储存子系统启动，进行压力补偿，燃烧子系统开始工作，产生燃气，通过燃气驱动所述内燃机8做功的持续的能量转化模式。
进一步说明，所述压缩空气罐1内的压强(Pk)大于所述燃气储存罐4的压强(Pr)。所述空气压缩及补偿储存子系统的工作原理为：由控制器10控制，通过所述内燃机8驱动所述空气压缩机6，可对所述压缩空气罐1充气，补偿燃烧时所述压缩空气罐1的压强损失。其中，设定所述压缩空气罐1的压强(Pk)大于所述燃气储存罐4的压强(Pr)；取Pk/Pr＝2.0，由控制器10按此指标控制所述空气压缩机6对压缩空气罐1进行压强补偿。
3、实施例
用于铝粉或镁粉燃烧与其产物回收的系统，是考虑到我国每年消耗煤炭30亿吨，原油5亿吨，大量排放温室气体、雾霾严重的现状，首次利用金属粉末(铝粉/镁粉等)做燃料，用氧循环取代碳循环，彻底杜绝温室气体排放、减少产生雾霾的污染源。燃烧金属粉末，可回收金属氧化物(氧化铝/氧化镁等)，既可实现氧循环，又可实现金属资源的循环利用。
本发明用于铝粉或镁粉燃烧与其产物回收的系统得以成功运行，系统配置与科学运行是成功的关键。
实施例1(开启燃烧子系统)
开启控制器10，铝粉由铝粉泵从燃料罐2抽出，高压空气由压缩空气罐1自动流出，与铝粉按一定比例经单通阀11和喷头31进入燃烧罐3；总流量由控制器10调配；控制器10启动点火器32，铝粉开始燃烧。
实施例2(调试高压燃气自动补偿储存子系统)
开启控制器10，燃烧子系统启动，铝粉开始燃烧。高压燃气通过管道进入燃气储存罐4；燃气储存罐4的压力不断增加，压强经压力传感器43实时传给控制器10，设定压强阈值为5.0×105Pa(汽油内燃机压强峰值)，当燃气储存罐4的压强达到设定阈值时，控制器10自动发出指令，燃烧子系统停止工作；开启压力控制阀42，燃气储存罐4的压强下降，控制器10发出指令，燃烧子系统开始工作，补偿高压燃气储存系统压强，外燃机开始连续工作；关闭压力控制阀42，燃气储存罐4的压强上升，当压强达到阈值5.0×105Pa时，控制器10自动发出指令，燃烧子系统停止工作。设定压强阈值为10.0×105Pa(柴油内燃机压强峰值)，当燃气储存罐4的压强达到设定阈值时，控制器10自动发出指令，燃烧子系统停止工作；开启压力控制阀42，燃气储存罐4的压强下降，控制器10发出指令，燃烧子系统开始工作，补偿高压燃气储存系统压强，外燃机开始连续工作；关闭压力控制阀42，燃气储存罐4的压强上升，当压强达到阈值10.0×105Pa时，控制器10自动发出指令，燃烧子系统停止工作。
实施例3(调试冷却子系统)
控制器10启动冷却泵9，冷却水从冷却液进水口91进入，经外燃机箱体、冷却液出水口92到达散热器7，经风冷后，冷却水流回冷却泵9，完成冷却循环。设定温度传感器71的监测温度为90-95℃，当温度低于90℃时，降低冷却泵9的流量，冷却液升温；当温度高于95℃，提高冷却泵9的流量，冷却液降温；设定温度传感器71的监测温度为90-95℃，当温度低于90℃时，降低散热器7风扇的转速，冷却液升温；当温度高于95℃时，提高散热器7风扇的转速，冷却液降温。
实施例4(调试产物回收子系统)
所述产物回收子系统在燃烧子系统点火前、外燃机处于冷却状态时进行。开启控制器10，打开第一阀门53和第二阀门54，将氧化铝收集于所述产物收集装置5中；打开压缩空气罐1，借助高压空气的压力，将燃烧罐3和燃气储存罐4底部的氧化铝全部回收至所述产物收集装置5；关闭第一阀门53和第二阀门54，完成氧化铝收集。
实施例5(调试外燃机与内燃机组合子系统)
开启压力控制阀42，内燃机8开始工作；燃气储存罐4压力降低，所述高压燃气自动补偿储存子系统启动压力补偿，燃烧子系统开始工作，形成燃烧铝粉产生燃气，燃气驱动内燃机8做功的持续的能量转化模式；关闭压力控制阀42，燃气储存罐4的压强上升，当压强达到阈值时，控制器10自动发出指令，燃烧子系统停止工作。
实施例6(调试空气压缩及补偿储存子系统)
由控制器10控制，通过内燃机8驱动空气压缩机6，对压缩空气罐1充气，补偿燃烧时压缩空气罐1的压强损失。设定压缩空气罐1的压强(Pk)/燃气储存罐4的压强(Pr)(Pk/Pr)＝2.0,压缩空气罐1排出部分高压空气，空气压缩机6快速启动，给压缩空气罐1充气，当压强比Pk/Pr＝2.0时，空气压缩机6停止工作，完成压缩空气的补偿储存。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.用于铝粉或镁粉燃烧与其产物回收的系统，其特征在于：包括燃烧子系统、高压燃气自动补偿储存子系统、冷却子系统、产物回收子系统、外燃机与内燃机组合子系统和空气压缩及补偿储存子系统；
所述燃烧子系统包括压缩空气罐、燃料罐、燃烧罐和控制器，所述压缩空气罐和所述燃料罐通过燃料管道连接至所述燃烧罐；所述高压燃气自动补偿储存子系统包括燃气储存罐，所述燃气储存罐通过管道连接于所述燃烧罐；所述燃烧子系统与所述高压燃气自动补偿储存子系统形成本系统的外燃机；
所述冷却子系统包括冷却回路，所述冷却回路设置于所述燃烧罐和燃气储存罐的外部；所述产物回收子系统包括产物收集装置，所述燃烧罐和所述燃气储存罐的底部分别通过管道连接于所述产物收集装置；所述外燃机与内燃机组合子系统包括内燃机，所述内燃机通过管道连接于所述燃气储存罐；所述空气压缩及补偿储存子系统包括空气压缩机，所述空气压缩机的两端分别连接于所述内燃机和所述压缩空气罐；所述控制器控制各个子系统的运行。
2.根据权利要求1所述的用于铝粉或镁粉燃烧与其产物回收的系统，其特征在于：所述燃烧罐和燃气储存罐的外部还设置有外燃箱体，所述外燃箱体的上部设置有冷却液出水口，下部设置有冷却液进水口；
所述冷却液出水口依次连接有散热器和冷却泵，并由所述冷却泵连接所述冷却液进水口，形成所述冷却回路。
3.根据权利要求2所述的用于铝粉或镁粉燃烧与其产物回收的系统，其特征在于：所述冷却液出水口处还设置有温度传感器。
4.根据权利要求1所述的用于铝粉或镁粉燃烧与其产物回收的系统，其特征在于：所述燃料管道包括支流管道和汇流管道；所述压缩空气罐和所述燃料罐分别通过所述支流管道连接于所述汇流管道，所述汇流管道的末端延伸至所述燃烧罐内，并设置有喷头；所述汇流管道上还设置有单通阀；所述燃烧罐内设置有点火器，所述点火器与所述控制器电气连接。
5.根据权利要求4所述的用于铝粉或镁粉燃烧与其产物回收的系统，其特征在于：所述汇流管道的末端还设置有若干支流管道，所述支流管道分别设置有所述喷头。
6.根据权利要求1所述的用于铝粉或镁粉燃烧与其产物回收的系统，其特征在于：所述燃气储存罐与所述内燃机之间的连接管道上依次设置有粉尘过滤器、压力传感器和压力控制阀。
7.根据权利要求1所述的用于铝粉或镁粉燃烧与其产物回收的系统，其特征在于：所述燃烧罐和所述燃气储存罐与产物收集装置之间的连接管道上分别设有第一阀门和第二阀门。
8.根据权利要求1所述的用于铝粉或镁粉燃烧与其产物回收的系统，其特征在于：所述内燃机为汽轮机、汽油机或柴油机中的任意一种。
9.根据权利要求1所述的用于铝粉或镁粉燃烧与其产物回收的系统，其特征在于：所述压缩空气罐内的压强(Pk)大于所述燃气储存罐的压强(Pr)。
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