CN107401841B - 一种磁控化学链燃烧反应的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁控化学链燃烧反应的装置与方法，属于化学链燃烧领域。种磁控化学链燃烧反应装置：所述装置包括：燃料反应通道；空气反应通道；旋风分离器；三个磁场发生器，所述磁场发生器的主体为一个腔体，腔体两端缠绕励磁线圈；磁场发生器以水平方向设置，且所述燃料反应管道从全部磁场发生器的腔体中穿过，被磁场发生器划分为有磁场段a和无磁场段b，旋转磁场发生装置，所述旋转磁场发生装置，利用磁力作用使燃料反应通道内被还原的磁性载氧体快速进入空气反应通道。与传统的化学链CH₄气体燃料燃烧装置相比，本发明解决了载氧体团聚的问题，且使脱氧载体在反应装置内自动化的、可控的、高效的进行运动及反应。

Description

一种磁控化学链燃烧反应的装置与方法

技术领域

本发明涉及一种磁控化学链燃烧反应的装置与方法，属于化学链燃烧领域。

背景技术

化学链燃烧技术是一种革命性新型的燃烧方式，它将传统的燃料与空气直接反应的燃烧借助于载氧剂的作用分解为2个气-固反应。从热力学角度上看，燃烧过程是热力系统工质(载氧体)是做功能耗损失大的过程。解决能源利用和环境问题最大的潜能是燃烧过程，而化学链燃烧打破传统的燃烧技术，是一种新型、洁净的燃烧技术。

化学链燃烧反应器分为空气反应器和燃料反应器。在燃料反应器内多孔载体流动的的基本特点是在反应器内形成一个中心区气流与多孔载氧体向上运动，而四周近壁环形区颗粒团向下沉降的强烈内循环运动。这种运动行为造成了多孔载氧体颗粒分布不均匀，从而降低非磁性多孔载氧体和磁性多孔载氧体的有效转化，此外，被还原的磁性载体不能及时分离导致气体燃料不能跟参与还原的载氧体充分接触，降低气体燃料燃烧效率。

综上，急需开发一种载氧体运动行为可精准控制，提高非磁性向磁性载氧体还原效率和分离效率的--磁控化学链燃烧装置。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供了一种间歇磁场耦合旋转磁场控制化学链还原反应的燃料燃烧装置和磁场设计，目的是通过磁场实现未被完全还原的半铁磁性多孔载氧体形成磁链，在反应器内均匀分布，增加气固接触，同时通过间歇磁场来实现磁性多孔载氧体输运至出料口附近功能；出料口旁置旋转磁场能迅速分离被完全还原的铁磁性多孔载氧体。

一种磁控化学链燃烧反应的装置，所述装置包括：

燃料反应通道，所述燃料反应通道以沿重力的方向设置；气体燃料由下至上通入与载氧体发生反应，且所述燃料反应通道顶端接收来自旋风分离器的载氧体；

空气反应通道，所述空气反应通道以竖直向上的方向的设置；所述空气反应通道接收来自燃料反应通道的被还原的载氧体，且被还原的载氧体与空气在其内发生反应，重新转化为载氧体；

旋风分离器，所述旋风分离器接收来自空气反应通道顶部的气固混合物，且将载氧体与空气分离；进而将载氧体输运至燃料反应通道；

三个磁场发生器，所述磁场发生器的主体为一个腔体，腔体两端缠绕励磁线圈；磁场发生器以水平方向设置，且所述燃料反应管道从全部磁场发生器的腔体中穿过，被磁场发生器划分为有磁场段a和无磁场段b，

旋转磁场发生装置，所述旋转磁场发生装置，利用磁力作用使燃料反应通道内被还原的磁性载氧体进入空气反应通道；

其中，所述载氧体为本身不具有磁性但是被还原后具有铁磁性的载氧体。

本发明所述化学链燃烧反应装置中，所述燃料反应通道用于在其内进行燃料和非磁性载氧体的化学反应，该化学反应使载氧体被还原为磁性载氧体，同时使燃料气体，如甲烷等发生氧化反应后生产二氧化碳和水。进一步地，本发明所述燃料反应通道具有长形筒体结构。

上述技术方案中，所述燃料反应通道以沿重力的方向设置，进一步地，所述燃料反应通道底端设有用于向其内通入燃料气体的气体入口，所述燃料反应通道顶端设有用于向外排放产物中气体的气体出口。

上述技术方案中，所述燃料反应通道的顶端连接旋风分离器，用于接收来自旋风分离器的非磁性载氧体。

进一步地，所述燃料反应通道底端与第一个磁场发生器间设有排出被还原的载氧体(磁性载氧体)的出料口，所述出料口连接出料管道，出料管道的另一端连通空气反应通道；在出料管道外侧设有旋转磁场发生装置。

上述技术方案中，空气反应通道以竖直向上的方向的设置，磁性载氧体由下方进入，向上运动。在空气反应通道中磁性载氧体与空气中的氧气发生反应，磁性载氧体被氧化为非磁性载氧体。

更进一步地，所述旋转磁场发生装置由减速电机驱动的可无级变速的中心轴、外伸杆，钕铁硼永磁体组成，沿中心轴截面圆周均匀设置若干外伸杆，所述永磁体固定在外伸杆的端部。

进一步地，所述气体入口处设有布风板，所述布风板用于承载固态载氧体并使燃料气体均匀地进入燃料反应通道。

本发明化学链燃烧反应装置中，包含三个磁场发生器，该三个磁性发生器具有相同结构，并以相同的间隔距离设置于燃料反应通道的顶端和底端之间，由上之下分别为上部磁场发生器，中部磁场发生器和下部磁场发生器。所述磁场发生器的主体为一个腔体，腔体两端缠绕励磁线圈，燃料反应管道从三个磁场发生器的腔体中穿过，被磁场发生器划分为有磁场段a和无磁场段b。

进一步地，磁场发生器配置有多路输出稳流直流电源。

本发明所述装置适用于载氧体本身不具有磁性，但是被还原的载氧体具有磁性的载氧体，以典型Fe₂O₃(无磁性)完全还原为Fe₃O₄(铁磁性)为代表。如果过程中同时存在Fe₂O₃+Fe₃O₄，本文定义为半铁磁性。

进一步地，所述载氧体优选为现有技术公开的可用于化学链燃烧反应的Fe₂O₃；进一步地，优选为多孔Fe₂O₃颗粒，其目的是增加反应接触面积，提高反应速率；更进一步地，优选其粒度为0.5mm。

本发明的另一目的是提供利用上述装置进行化学链燃烧的工艺，所述工艺包括下述工艺步骤：

在布风板上放置载氧体，并在其下部引入甲烷气体使载氧体充分流化；开启三个磁场发生器和旋转磁场发生装置，

其中，磁场发生器的开启方式如下：首先，上部磁场发生器运行2s后关闭；开启中部磁场发生器，运行2s后关闭；开启下部磁场发生器运行2s后关闭；再开启上部磁场发生器，如此循环。

为保证流化，优选引入甲烷气体速度不低于1m/s。

优选地，开启多路输出稳流直流电源，向燃料反应通道布风板上部区域加入一定量的多孔无磁性载氧体，通过风机将CH₄引入燃料反应通道底部布风板处；调节多路输出稳流直流电源的输出电流和通电时间，得到沿燃料反应通道竖直方向的间歇式磁场，同打开旋转磁场发生装置，间歇磁场具有纵向的磁场梯度；载氧体在曳力作用下向上运动，并发生还原反应，铁磁性载氧体和半铁磁性载氧体运至上部第一段磁场位置时产生磁排列结构，在间歇磁场作用下向下运动至出料口附近，旋转磁场产生的拉力大于间歇磁场对多孔载氧体的束缚力，磁性载氧体被分离出去进入空气反应通道中.

其中，所述的铁磁性载氧体为Fe₃O₄，半铁磁性载氧体为Fe₂O₃+Fe₃O₄混合物，无磁性多孔载氧体为Fe₂O₃，其粒度为0.5mm；电流的调节范围为5A～30A，所述的通电时间为2s。

与现有技术相比，本发明的特点和效果：

本发明的间歇磁场耦合旋转磁场控制化学链还原反应的燃料燃烧装置和磁场设计中设有若干个个磁场发生器，每个磁场发生器都包括一对励磁线圈，励磁线圈和多路稳流电源相连，通过调节多路直流电源的电流强度和通电时间，来实现磁性多孔载体输运。在反应器旁置有旋转磁场发生装置，用于分离被还原的磁性多孔载体。

本发明对传统的化学链燃料反应器进行改进，创造性地提供一种间歇磁场和旋转磁场耦合作用来改善多孔载体的浓度分布、实现铁磁性载氧体Fe₃O₄输运和分离的燃烧装置。一方面，半铁磁性载氧体在磁力线的作用下形成磁链状结构，有效的提高了半铁磁性多孔载氧体与气体燃料的接触，间歇磁场将铁磁性载氧体Fe₃O₄运送至出料口处；另一方面旋转磁场的加入能迅速分离铁磁性载氧体Fe₃O₄，半铁磁性载氧体与气体燃料充分接触以及实现多孔磁性载体的有效循环。

传统的化学链CH₄气体燃料燃烧反应器内载氧体颗粒会发生颗粒团聚、发生完全还原反应的载氧体未能有效分离、受热不均、反应不充分等不良现象。与传统的化学链CH₄气体燃料燃烧装置相比，不仅解决了以上问题，同时也可以通过调节磁场的频率来控制磁性多孔载体的运动，使脱氧载体在反应装置内自动化的、可控的、高效的进行运动及反应。

附图说明

图1为本发明实施例中磁控化学链燃烧反应的装置示意图；

图2为磁控化学链燃烧反应装置部分示意图；

图3为图2中A-A处的截面图；

图4为图2中B-B处的截面图；

其中，1-CH₄气体；2-燃料反应通道；3-三路输出稳流直流电源；4-出料管道；5-磁场发生器；6-冷却风机；7-CO₂和H₂O；8-旋转磁场发生装置；9-励磁线圈；10-布风板；a-有磁段；b-无磁段；

具体实施方式

下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

下述实施例中以载氧体为多孔Fe₂O₃为例，所述多孔Fe₂O₃是以公开号为CN103418233A，发明名称为《一种高效多孔氧化铁脱硫剂的制备方法》的中国专利中记载的方法制得。

实施例1

本发明实施例以具有三个磁场发生器的脉冲磁场耦合旋转磁场控制化学链还原反应的燃烧装置为例进行说明，其结构如图1～4所示，所述装置包括一条燃料反应通道2，在所述的燃料反应通道2底部布置有布风板10，左部设有出料管道4，出料管道4下端置有旋转磁场分离装置8。燃料反应通道2的前端和末端之间设有3个磁场发生装置5，所述的每个磁场发生器5包括一个腔体，燃料反应器管道2从腔体中间穿过，燃料反应通道2被磁场发生器5划分为a有磁场段和b无磁场段，腔体两端缠绕励磁线圈9，励磁线圈9与三路输出稳流直流电源3相连，腔体两端还设有冷却风机6。燃料反应通道2与空气反应通道11通过出料管道4相连，空气反应通道11上部与旋风分离器12相连用于输送被氧化的载氧体进入燃料反应通道2中，实现整个循环。

本实施例中燃料反应通道的内径为180mm、外径200mm，长度2m，每个磁场发生器垂直方向的长度为240mm，所选用多孔载氧体为Fe₂O₃，多孔载氧体的孔隙率为ε＝50％，以CH₄为气体燃料。还原反应方程式为CH₄+12Fe₂O₃→CO₂+2H₂O+8Fe₃O₄。

本实施例中脉冲磁场耦合旋转磁场控制化学链还原反应的燃烧装置按照以下步骤进行：

在布风板10上部区域加17kg多孔载氧体Fe₂O₃，在其下部引入甲烷气体(速度为1m/s)使载氧体Fe₂O₃充分流化。开启三路输出直流电源3，上部励磁线圈9产生竖直方向的均匀的磁场。多孔载氧体Fe₂O₃在气泡作用下向上运动至物料流化后所形成的物料床层表面，在此过程中，有少量的半铁磁性载氧体(Fe₂O₃+Fe₃O₄混合物)生成。气泡到达床层表面时，气泡破碎，被携带的载氧体分散到床层表面的上部空间。由于磁场的作用，生成的铁磁性载氧体和半铁磁性载氧体形成磁链结构，均匀排列。

上部磁场运行时间为2s时关闭，中部励磁线圈9通电流产生竖直方向的均匀磁场。相较上部位置的磁场，中部位置的磁场有较小气泡产生，这是磁力线对气泡的抑制作用。从上部磁场位置中出来的铁磁性载氧体Fe₃O₄在无磁场段b沿边壁下落至中部线圈位置有磁段a，此时形成的垂直磁场对上部下滑的铁磁性载氧体Fe₃O₄和下部上升的半铁磁性载氧体作用，形成磁链。这个时间段，磁力线上磁性多孔载体数目Fe₃O₄与半铁磁性载氧体数目大致相同。

中部磁场运行时间为2s时关闭，下部励磁线圈9通电流产生竖直方向的均匀磁场。从中部位置中出来的大量的磁性多孔载氧体Fe₃O₄在曳力和重力作用下向上运动一点距离后沿边壁下滑落入到下部线圈产生的磁场，由于该位置磁场强度较大，磁性多孔载氧体Fe₃O₄发生团聚，被旁置的旋转磁场发生装置8分离至空气反应通道11中，形成有效循环。该时间段的磁场运行时间为2s。

进入空气反应通道11的Fe₃O₄与空气反应后，被氧化为Fe₂O₃，含有Fe₂O₃的气体在旋风分离器12中分离后重新进入燃料反应通道2中，如此循环。

Claims (7)

1.一种磁控化学链燃烧反应装置，其特征在于：所述装置包括：

燃料反应通道，所述燃料反应通道以沿重力的方向设置；气体燃料由下至上通入与载氧体发生反应，且所述燃料反应通道顶端接收来自旋风分离器的载氧体；

空气反应通道，所述空气反应通道以竖直向上的方向的设置；所述空气反应通道接收来自燃料反应通道的被还原的载氧体，且被还原的载氧体与空气在其内发生反应，重新转化为载氧体；

旋风分离器，所述旋风分离器接收来自空气反应通道顶部的气固混合物，且将载氧体与空气分离；进而将载氧体输运至燃料反应通道；

三个磁场发生器，所述磁场发生器的主体为一个腔体，腔体两端缠绕励磁线圈；磁场发生器以水平方向设置，且所述燃料反应管道从全部磁场发生器的腔体中穿过，被磁场发生器划分为有磁场段a和无磁场段b，

旋转磁场发生装置，所述旋转磁场发生装置，利用磁力作用使燃料反应通道内被还原的磁性载氧体进入空气反应通道；

其中，所述载氧体为本身不具有磁性但是被还原后具有铁磁性的载氧体。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述燃料反应通道底端设有用于向其内通入燃料气体的气体入口；所述燃料反应通道顶端设有用于向外排放产物中气体的气体出口。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述燃料反应通道底端与第一个磁场发生器间设有排出被还原的载氧体的出料口，所述出料口连接出料管道，出料管道的另一端连通空气反应通道；在出料管道外侧设有旋转磁场发生装置。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述旋转磁场发生装置由减速电机驱动的可无级变速的中心轴、外伸杆，钕铁硼永磁体组成，沿中心轴截面圆周均匀设置若干外伸杆，所述永磁体固定在外伸杆的端部。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述气体入口处设有布风板，所述布风板用于承载固态载氧体并使燃料气体均匀地进入燃料反应通道。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述载氧体为多孔Fe₂O₃。

7.利用权利 要求5所述装置进行化学链燃烧的工艺，其特征在于：

在布风板上放置载氧体，并在其下部引入甲烷气体使载氧体充分流化；开启三个磁场发生器和旋转磁场发生装置，其中，磁场发生器的开启方式如下：首先，上部磁场发生器运行2s后关闭；开启中部磁场发生器，运行2s后关闭；开启下部磁场发生器运行2s后关闭；再开启上部磁场发生器，如此循环。