CN1091645C - 通过α衰变净化排气的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用在内燃机或其它燃烧设备上的净化排气的方法，该方法包括：用天然放射性元素发出的α射线对流过发动机或设备空气进口的空气进行辐射，该放射性元素通过自身α衰变发射出0.001至0.6贝克勒尔的α射线，辐射使空气中的双原子氧转变成强氧化性的活性氧。同时使空气中部分氮通过裂变转变成单原子氧和单原子氢；向燃烧设备或内燃机供应含有活性氧、单原子氧和氢的空气，使排气中的有毒成份减少。本发明还提供一种用于内燃机或其它燃烧设备的排气净化装置，包括一些各由包含天然放射性元素的物质制成的部件，或者包括一个具有上述部件的构件，它们被布置在设备或发动机的空气进口、排气出口和燃料管处，以去除排气中的有毒成份。
Description
本发明涉及用于净化从燃烧设备排出的气体的方法和装置，所述燃烧设备包括锅炉、焚化炉等，内燃机包括汽油发动机，柴油发动机等。
内燃机(如汽油发动机、柴油发动机等)的排气包含多种有毒物质，为改善燃料消耗率、净化排气，提出了使用利用催化剂的排气净化器，通过对供给发动机的空气和燃料进行电子控制或采取其它方法使燃料完全燃烧。
为去除燃烧设备例如锅炉、焚化炉的排气中的有毒成份；已提出使用一种装置，该装置通过对炉内燃烧进行自动控制而使燃料完全燃烧，并配合燃烧设备装有烟气脱硫和脱氮设施、电沉降器等或采取其它方法去除排气中的有毒成份。
内燃机的排气包含一氧化碳(CO)、碳化氢(HC)。氮氧化物(NOX)、黑烟等。人们认为，这些有毒成份是由以下原因造成的：
(1)由于供给的空气不足导致不完全燃烧；
(2)在高温燃烧期间，二氧化碳(CO2)和水蒸汽(H2O)的离解热反应；
(3)不完全燃烧期间中间产物的生成。
燃烧设备例如锅炉、焚化炉等排烟时，一同排出的有从燃料例如油、煤或类似物中产生的大量硫氧化物(SOX)和氮氧化物(NOX)以及由于燃料不完全燃烧出现的粗颗粒和灰尘。
常规的排气净化器不能满意地去除有毒成份。如果不是将若干这样的净化器加以组合，排气中的毒物就不能有效去除。因此，用这种净化器需要大的安装空间并且费用高。
因此本发明目的是克服现有技术中的上述缺陷，提供一种净化排气的方法和装置，可在低费用下净化排气，并通过使燃料完全燃烧而改善燃料消耗率，该装置不需要大的安装空间并且极易安装。
上述目的是通过提供一种用于内燃机或其它燃烧设备的净化排气的方法而达到的。该方法包括的步骤为：用天然放射性元素发出的α射线对流过发动机或设备通道的空气进行辐射，该放射性元素通过自身α衰变发射出0.001至0.6贝克勒尔的α射线，辐射使空气中的双原子氧转变成强氧化性的活性氧，同时使空气中的部分氮通过裂变转变成单原子氧和单原子氢；向燃烧设备或内燃机供应含有活性氧，单原子氧和氢的空气，使排气中的有毒成份减少。
本发明还提供一种用于内燃机或其它燃烧设备的排气净化装置，上述装置包括一些各由天然放射性元素的物质制成的部件，该放射性元素通过自身α衰变发射出0.001到0.6贝克勒尔的α射线；或者包括一个具有上述部件的构件，它们被布置在设备或发动机的空气进口，排气出口和燃料管处，以去除排气中的有毒成份。
根据本发明，当受到α射线的辐射时，空气中的部分氮裂变成氧和氢，使空气中氧的浓度增加，而且空气中的氧转变成强氧化性的活性氧。
而且，α-射线β-射线和γ-射线时燃料中碳氢化合物的辐射促进了分解和形成桥键(bridging)反应，这是由于氢原子和碳原子的电离、激化等作用造成的。
由于上述活性氧使燃料充分燃烧，因此使排气中的有毒物质减少，这样排气得以净化。也就是说，这种净化排气的方法非常简单，净化装置只需要一个小的安装空间，可在低费用下净化排气，并有效改善了燃料消耗率。
通过以下参考附图对本发明进行详细描述，本发明的这些目的和其它目的，特点，构思、优点将更加清楚。
图1显示安装在空气进口处的本发明活性氧发生器的结构；
图2是显示由包含天然放射性元素的物质制成的板件的简图，板件安装在内燃机的进口和燃料管处；
图3是显示在燃料管上安装板件的方法的立体图；
图4是显示安装在焚化炉中的板件的简图。
图1示出了安装在燃烧设备诸如锅炉，焚化炉或类似设备的空气进口处的活性氧发生器的结构。
如图所示，活性氧发生器具有壳体1，其内部布置隔板3形成空气通道2。包含放射性元素的物粒4分散地放在隔板3上。壳体1具有进口5和出口6。包含在从空气进口5进入壳体1内的供应空气中的氧受到从物粒4发出的α射线的辐射变成活性氧，同时，在供应空气中部分氮通过裂变成为单原子氧和氢。这样，含有活性氧，单原子氧和氢的空气从壳体1的出口6排出。
图2示出了安装在电点火燃烧发动机的空气进口和燃料管中的、由天然放射性元素的物质制成的板件。
如图所示，内燃机包括空气进口11，空气净化器12，空气净化元件(过滤器)13，进气管14，由气缸、气缸头、曲轴箱16构成的燃烧烧室15和排气出口17。空气从空气进口11进入，通过过滤器13，经进气管14进入燃烧室15中，燃烧室15中的燃气从排气出口17排出。
经活塞与密封环之间的间隙流进曲轴箱16的燃气通过漏气管(Blow-bygaspipe)18再循环至空气净化器12，以防止生成碳氢化合物。
如图2所示，由包含天然放射性元素的物质制成的板件201，至207，分别安装在空气进口11，空气净化器12的内顶部和内底部，进气管14靠近发动机的部分、漏气管18、燃料管19(进出发动机)和燃料过滤器21处。安装在燃料过滤器21处的板207，也可安装在过滤器21的内部。
这样，从进气管14吸进空气净化器12内的空气中的氧和来自漏气管18的再循环燃气中的氧受到板件发出的α射线的辐射变成活性氧，同时，在空气和燃气中的部分氮分别转化成单原子氧和氢，它们被吸进燃烧室15。
本发明的板件是由具有凝固剂、颗粒状或粉末状矿石的固形物制成，该矿石含有10到1000ppm的天然放射性元素，它们通过α衰变发出辐射能量。固形物制成板状。
本发明的排气净化装置包括一些由含有天然放射性元素的物质制成的分别安装在空气进口系统、排气系统和燃料管系统的一部分上的部件是可以由粉末或颗粒作为填料混合装在模压合成树脂，软合成树脂板、陶瓷、可渗透的纸封闭的过滤件或类似物等中。该物质也可以粉末状混合在涂料中使用，其中被分别安装在空气进口系统、排气系统和燃料管系统的所述部分上的部件被涂上涂料，而涂料中混合有能发出0.001至0.6贝克勒尔α射线的天然放射性元素物质的粉末。
下面将描述由天然放射性元素的α衰变发出的放射能量如何与空气作用。
天然放射性元素能自发地转变成其它元素，然后再转变成另一种元素，…同时释放辐射能例如α射线、β射线和γ射线，最终变成铅，以后就不再变化了。
当空气受到这样的由α衰变产生的辐射能的辐射后，空气中的双原子氧被负电子还原，转变成强氧化性的活性氧(·O2 -)，如下式：
空气中含氧约21％，含氮约78％。当受到α射线辐射后，原子序为14的氮原子将裂变成原子序为17的高反应性氧原子和原子序为1的氢原子，如下式：
考虑到上述结合，即供应空气中的部分氮转化成氧和氢以及空气中的双原子氧转化成强氧化性的氧将提高燃料的可点火性以及内燃机和燃烧设备的燃烧效率，因此减少了排气中的碳氢化合物和一氧化碳的量，这样使排气得到有效的净化，燃料燃烧率得到提高。
更具体地说，如下式所示，由氮的原子核转变而产生的单原子氧(8 17O)将与一氧化碳(CO)反应产生二氧化碳。换句话说，燃料将充分燃烧。
活性的单原子氢(1 1H)容易与碳结合并如下所示与碳化氢(HC)反应，生成甲烷。
HC+3H→CH4
活性氧(O2)与甲烷反应，获得完全燃烧。
更具体地说，由于不完全燃烧产生的碳化氢(HC)与单原子氢作用变成碳氢化合物(CnHm)，而这类化合物(CnHm)可作为燃料继续燃烧。
在空气进口的下游通道中，碳氢化合物将如下式所述燃烧。
在空气中，各元素处于激发状态，在这种状态中可进行强氧化反应。而且，因为使用了可进行强氧化反应的活性氧，所以可防止不完全燃烧，这样提高了内燃机的燃烧效率。
在不完全燃烧期间，燃料和空气的混合受气缸中蒸汽的影响，产生中间产物例如甲酸和类似物。中间产物(HNO3、H2SO4、HCOOH等)对气缸产生腐蚀或磨蚀。但是，对燃料和空气进行辐射的辐射能量使燃料接近完全燃烧，这就解决了气缸腐蚀和磨蚀的问题。
通常，需要大型设备和较多的费用来生产单原子氧和氢。然而天然放射性元素的辐射能的有效利用可使汽车排气在低费用下得以净化，并改善了燃料消耗率。
图3示意地显示根据本发明在燃料管上安装板件的方法，燃料通过上述燃料管供至燃烧设备或内燃机。如图示，根据本发明，由包含天然放射性元素的物质制成的板件206(以后称之为“净化件”)利用粘合剂紧密贴在燃料管19的外表面上，使净化件206和燃料管19之间不存在空气。
净化件206由包含天然放射性元素的物质制成。
紧密贴在燃料管19外表面上的净化件206能够有效地净化排气，这将在以下的实施例描述中一目了然。已知净化件206的净化效果是由于促进燃料中碳氢化合物(CnHm)的分解和形成桥键(bridging)反应而达到的，该反应是当燃料受到由α衰变引起的辐射能的辐射(α-β-和γ-射线)而使氢原子和氧原子电离和激化时产生的。
用于制成净化件206的包含天然放射性元素的物质应当具有比内燃机使用寿命长的放射性半衰期，其放射强度不太大，使暴露于放射性元素的放射之中没有任何问题。也就是说，净化件206可以是一种用极少量放射性物质制成的元件。
在本发明的该实施例中，净化件206安装在燃料管19的外表面上，当然，也可将其安装在燃料管19的内表面，或燃料管19本身的一部分就是由净化件206制成。
图4显示由天然放射性元素制成的净化件的例子，该净化件安装在焚化炉的空气供应系统，排气系统和燃料供应系统中。
如图所示，从强制通风扇26通过气道27供进焚化炉25中的空气和从安装在焚化炉25中的燃烧器32供入的燃料在焚化炉25内相混合。产生的高温燃气经过排气管28、NOX和SOX去除器29和类似部件，从烟囱30排出。
由包含天然放射性元素的物质制成的净化件208至2010分别安装在燃料系统31、空气通道27和排气通道28处。从空气通道27供进焚化炉25中的空气由α衰变产生的辐射能所激化，而且从燃烧器32通过燃料系统31供入的燃料中的碳氢化合物也由α衰变引起的辐射能(α-，β-和γ-射线)而促进其燃烧。
另外，通过排气通道28的燃气也由α衰变引起的辐射能所激化，促进了NOX和SOX去除器29中的化学反应。
实验例1
根据图3所示的实施例的净化件206。被安装在燃料管19靠近发动机的部分，该发动机为1994型HONDA Integra(注册商标)的1600-CC发动机。净化件206由占重量百分比70％的砂矿石、占重量百分比30％的硅、PVC和其它料制成的凝固剂制成。汽车运行一周后，测量排气中的CO和HC。
CO(一氧化碳) 0.5％(净化件安装前)
0％(净化件安装后)
HC(碳化氢) 100ppm(净化件安装前)
0ppm(净化件安装后)
应当注意的是，当净化件206安装在燃料管19上时，发动机低速工况下的速度增加。调整低速工况的速度后，测量发动机空转时的排气(通常所有实验都这么做)。
例2
在这个实验中，净化件206被同样使用在1988型TOYOTA Crown RoyalSaloon(注册商标)的2000CC发动机上。测得排气中CO和HC的量在净化件安装之前和之后有如下变化：
CO … 0.5％→0.05％
HC … 240ppm→0ppm
例3
将净化件206 同样用于1992型DAIHATSU Mira(注册商标)的660CC发动机上。测得排气中CO和HC的量在净化件安装之前和之后有如下变化：
CO … 1.6％→0.05％
HC … 300ppm→30ppm
例4
将净化件206类似地使用在1991型TOYOTA Estima(注册商标)的2400CC发动机上。测得排气中CO和HC的量在净化件安装之前和之后有如下变化：
CO … 0.04％→0.03％
HC … 10ppm→0ppm
例5
将净化件206类似地使用在1994型NISSAN Premela(注册商标)的1840CC发动机上。测得排气中CO和HC的量在净化件安装之前和之后有如下变化：
CO … 0.09％→0.02％
HC … 130ppm→0ppm
在例1-5中每辆汽车都有汽油发动机，然而对于柴油发动机汽车，净化件也具有使排气净化的效果。另外还发现使用本发明净化件的柴油发动机，其噪音减少了。再者，该净化件还被试着用于水泥搅拌车和翻斗车的发动机。实验结果证明，从水泥搅拌车发动机冒出的黑烟从23％减少到1％，翻斗车发动机冒出的黑烟从43％减少到1％。从安装净化件的这些发动机的排气中没有检测到HC和CO。
表1是在Kantetsu汽车工业有限公司的Tsuchiura Works中测试的一片净化件(尺寸为300×300×2mm)的辐射能。辐射能(贝克勒尔/cm2)α射线 0.01-0.02β射线 0.3-0.5γ射线 0.2-0.26
在实验中，使用具有1800cc汽油发动机的MITSUBISHI Gallant(注册商标)汽车，该车一直使用，行驶距离超过100000km。净化件板固定在汽油发动机的空气进口处的箱体上。在板件安装之前和安装之后的发动机空转期间测量CO和HC。下面是装上这种板件后并驱动大约10分钟后测出的CO和HC的量：
CO … 1.78％(板件刚装上后)
0.03％(驱动10分钟后)
HC … 358ppm(板件刚装上后)
0ppm(驱动10分钟后)
使用具有2000cc发动机的TOYOTA Cresta(注册商标)汽车来测量上述板件的性能，该车行驶距离已超过40000km。下面是板件刚装上后和驱动大约10分钟后测出的CO和HC的量：
CO … 0.68％(板件刚装上后)
0.04％(驱动10分钟后)
HC … 358ppm(板件刚装上后)
0ppm(驱动10分钟后)
使用具有3000cc发动机的TOYOTA Crown(注册商标)汽车来测量上述板件的性能，该车行驶距离超过26000km。下面是板件刚装上后和驱动大约10分钟后测出的CO和HC的量：
CO … 0.3％(板件刚装上后)
0.03％(驱动10分钟后)
HC … 200ppm(板件刚装上后)
0ppm(驱动10分钟后)
另外，对于Kantetsu汽车有限公司的Tsuchiura Works，the Nankanihoncollage of Automobiles对具有与安装在上述实验中特性相同的板件进行了测试。安装上述板件的汽车发动机的特性如下：
汽车制造厂 Nissan
发动机类型 L18(汽油)
气缸内径和冲程 85×78mm
压缩比 8.5
最大输出 105/6000ps/rpm
最大扭矩 15.0/3600kgfm/rpm
燃料消耗 210/3200g/ps.h
板件安装前后所测量的发动机负荷和排气(CO和HC)如表2所示
表2
发动机载荷 板件安装前 板件安装后
(kgfm/rpm) CO(％) HC(ppm) CO(％) HC(ppm)
10/1500 0.05 170 0.03 110
10/2000 0.06 100 0.05 80
15/1500 0.04 140 0.02 120
15/2000 0.05 110 0.04 100
值得注意的是，使用在焚化炉的燃料管19和空气进口处的与上述板件相似的净化件206。表明排气净化和燃烧消耗率均得到改善。例如，在汽车空气净化器箱体上装有净化件与不使用净化件相比，汽车每升油耗可多跑20-60％的距离。这种改善是由于供应空气中氧的激化使燃料完全燃烧、活性单原子氢和氧使HC和CO分别得到净化而造成的。
还测试了用于在常规路面上驱动的汽车上的净化件，测试方法与结果如表3所示。
表3试验日期 1994.11.3(天气：晴)做试验用的汽车 TOYOTA Corona 2000 EF1，TR-X自动型燃料消耗率 12.0kg/liter(10.15型)方法 贺川省高松市20.2km距离的普通路面，汽车在相同
的路面上行驶，在10km处返回。该车在加油站的同
一位置完全准备好以便启动，车内有三人乘坐试验结果 板件安装前 燃料消耗 1.8liters
燃料消耗率 11.22km/liter
板件安装后 燃料消耗 1.13lites
燃料消耗率 17.87km/liter
燃料消耗减少 59.29％
在表4所示的各种车辆上安装板件后，有数据显示改善了燃料消耗率。
表4汽车 立方容积 燃料消耗率 (km/liter)
(CC) 板件安装前 板件安装后Benz 2000 5.4 9.8Cadillac 6000 2.0 8.0Mitsubishi Mirage 1300 8.0 10.7SUBARU Impressor 1800 7.79 10.11TOYOTA Celcio 4000 5.95 7.74TOYOTA Cresta 2500 6.75 9.43ISUZU，diesel 2770 10.65 13.8HINO，diesel 7000 3.5 4.97
Claims (4)
1.一种用在内燃机或其它燃烧设备上的净化排气的方法，包括下述步骤：
用天然放射性元素发出的α射线对流过发动机或设备空气进口的空气进行辐射，该放射性元素通过自身α衰变发射出0.001至0.6贝克勒尔的α射线，辐射使空气中的双原子氧转变成强氧化性的活性氧，同时使空气中的部分氮通过裂变转变成单原子氧和单原子氢；
向燃烧设备或内燃机供应含有活性氧。单原子氧和氢的空气，使排气中的有毒成份减少。
2.一种用于内燃机或其它燃烧设备的排气净化装置，包括一些各由包含天然放射性元素的物质制成的部件，该放射性元素通过自身α衰变发射出0.001至0.6贝克勒尔的α射线；或者包括一个具有上述部件的构件，它们被布置在设备或发动机的空气进口、排气出口和燃料管处，以去除排气中的有毒成份。
3.一种排气净化装置，包括一些各由包含天然放射性元素的物质制成的部件，放射性元素发射出0.001至0.6贝克勒尔的α射线，它们被布置在向内燃机或燃烧设备供应燃料的燃料管和燃料过滤器上。
4.如权利要求2和3中任一项所述的装置，其中分别安装在空气进口系统、排气系统和燃料管系统的一部分上的部件是模压合成树脂、软合成树脂板、陶瓷或封装在可渗透纸内的过滤件或类似物，它们包含能发出0.001至0.6贝克勒尔α射线的天然放射性元素物质的粉末或颗粒状填料；
其中分别安装在空气进口系统、排气系统和燃料管系统所述部分上的部件被涂以涂料，涂料中混合有能发出0.001至0.6贝克勒尔α射线的天然放射性元素物质的粉末。
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