CN1317536C - 布朗气体燃烧装置以及使用此装置的加热系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种布朗气体燃烧装置以及使用这种装置的加热系统，其中布朗气体发生器产生的布朗气体流入装有碳氢化合物体系的己烷(C₆H₁₄)的不漏水的熄火器，在布朗气体中混入少量的己烷气体，从而减慢燃烧速度，并根本防止闪火或回火。布朗气体燃烧装置包括被燃烧器直接加热并辐射热量的加热单元。加热系统包括竖直安装在其中的燃烧装置，其结构为从燃烧装置散射出来的高温水分子吸收从燃烧室内的红外线辐射元件辐射出的红外线，并通过自加热在超高温下振荡。如此得到的高温热量用于锅炉水管的热交换，并且储热罐中储存的热水用于加热或热水供应。使用这种燃烧装置作为布朗气体锅炉、加热器、炉子以及热风加热器的热源，可以获得无污染的清洁能量，并防止环境污染。

Description

布朗气体燃烧装置以及使用此装置的加热系统

技术领域

本发明涉及利用布朗气体(brown gas)特性的燃烧装置以及使用此燃烧装置的加热系统，更具体地，涉及燃烧装置和加热系统，其中使用布朗气体作为清洁燃料，而不是传统的化石燃料。

背景技术

布朗气体，在整个说明书中，是指一种混合气体，其中按下面化学式1表示的水电解产生的氢气和氧气按照2∶1的混合比例混合，如H₂和O。由于布朗气体中氢气和氧气的化学当量比为2∶1，满足最佳的燃烧条件，如同下面化学式2表示的，避免了传统燃烧系统中必须采用额外的空气供应设备以及烟囱或烟道。

燃烧化石燃料的典型燃烧室需要大量的空气用于燃烧，如下面的化学式3、4和5所示，燃烧产生的废气CO₂必须通过烟囱排出。一般地，燃烧过程中，约60％或更多的总能量供应在没有被利用的情况下损失了。

自从1833年出现水电解的法拉弟理论，水电解还没有明显的进步。也就是，没有人成功地将水电解得到的气体开发成商用的燃料，用于锅炉、加热器或加热炉。

这种状况的主要原因是，虽然在本技术领域内公知的是，电解是用水生产氢气的一个值得关注的过程，但忽略了布朗气体独有的内爆特性或热核反应特性。

另外，作为电解技术的核心，电解室的发展不能令人满意，其中的问题是当电解室连续工作时水从水炬尖端(torch tip)泄露。从而不可以使用水电解得到的气体作为燃料。

布朗气体的优点是可以得到高的能量效率，因为作为燃料用于加热系统的布朗气体不需要空气通风。而且，可以得到合适湿度的舒适环境，因为布朗气体在燃烧后变成蒸汽状态。

但是，传统技术没有找出一个适当的方法燃烧布朗气体，因为其热效率非常低，从而阻碍了布朗气体用作燃料。

造成这种状况的原因是布朗气体产生反闪(flash-back)或回火(back-fire)现象的可能性很高，因为其燃烧速度非常高。不漏水的熄火器(water-tightflame arrester)可以阻止这种现象，但是，由于每当出现反闪或回火时燃烧器的火焰熄灭，因此需要根本解决这种现象。

另外，在传统的方法和系统中，当通过水电解得到的氢气与空气一起燃烧时，难以获得足够的热量。

布朗气体的燃烧特性解释如下：

(1)完全无污染特性：布朗气体不产生任何的污染物，因为它是用水生产的并在燃烧后变成蒸汽状态。

(2)完全燃烧特性：布朗气体本身含有完全燃烧所需的恰当数量的氧气，因为它是氢气和氧气按混合比2∶1形成的混合物。

(3)内爆特性：这是布朗气体的一个特性，下面将参考图1进行解释。布朗气体发生器(BGG)可以从1升水中生成约1860升布朗气体，如下面的化学式6所示。相反，如图1中的曲线“a”所示，当1860升布朗气体在密闭的压力容器中被火星点燃时，一旦达到爆炸持续时间(ΔT)，即最大压力0.5MPa持续44微秒(μs)，就出现压力下降(这里，MPa是压力单位)，在上述压力下降时出现低压内爆，从而形成体积减小1/1860的真空状态。换言之，生成1升水，其余空间变成真空状态，如下面的化学式7所示。这可以称为“内爆”，如化学式9所示，这与化学式8以及图1中的曲线“b”所示的“爆炸”完全不同，图1的曲线“b”表示在压力容器中普通气体爆炸时引起的压力变化，如图1所示。

在布朗气体燃烧过程中保持的火焰表示内爆的持续过程。因此，此过程保持的火焰一般形成销钉尖端火焰(pin-point flame)，其中火焰的长度达到约400mm。

(4)热核反应：布朗气体是一种混合气体，其中水分解成原子态的氢和氧，而不是分子态，并且氢和氧按混合比例2∶1混合。

布朗气体燃烧过程中保持的火焰加热具有独特的性能，即原子态或分子态的氢和氧之间发生反应。原子态的氢和氧穿透到被加热物质的原子核。结果，通过氢和氧热核反应加热的物质受到的火焰加热温度高于氢气单独燃烧达到的温度。例如，布朗气体在700℃下稳定地熔化铝，甚至对于钨，布朗气体可以在6000℃的加热下将目标物质蒸发。由于布朗气体对于每种加热的物质具有不同的热核反应特性，因此甚至可以熔化和焊接块状的铁。

图2表示水的红外吸收率，其中吸收率峰值为3μm的中红外辐射通带，以及较高的6-11μm的远红外辐射通带。

即，当水分子与3μm通带的红外线碰撞时几乎彻底地吸收了红外线。这里，水分子受到激发，从而促进了分子碰撞，并放射出大量的能量用于加热。

如图3所示，利用布朗气体循环燃烧的燃烧装置用于产生大量的能量，其过程是通过如下的循环实现的：高温水分子被增强到超高温水分子，电离成H和O，重新结合，以及在具有布朗气体独特的燃烧特性的半密闭燃烧室(2)内原子态的氢和氧燃烧过程持续产生高温水分子时出现的自加热现象，吸收红外线。

发明内容

因此，本发明的目的是提供布朗气体燃烧装置，其中布朗气体在具有布朗气体特性的半密闭燃烧室中燃烧，从而减少能量消耗，不造成环境污染。

本发明的另一个目的是提供一种改进的加热系统，利用布朗气体燃烧装置，防止环境恶化以及资源的浪费。

为了达到本发明的上述目的，布朗气体燃烧装置的特征在于，半密闭的循环燃烧室，没有空气入口和烟囱，循环燃烧室的内部具有辐射大量红外线的材料，被布朗气体燃烧火焰直接加热的加热单元竖直安装。由于布朗气体的燃烧特性，加热单元在赤热状态下发热，其整体可以加热到1200℃或更高温度。布朗气体燃烧产生的蒸汽变成高温水分子，穿过赤热加热单元的内部。

重复这一过程，即赤热加热单元辐射红外线，高温水分子在穿过加热单元时通过吸收红外线温度升高到超高温水平，电离成H和O，重新结合，从而产生大量热量辐射到循环燃烧室。

附图说明

从下面优选实施方式的描述，并参考附图，可以更清楚本发明的其它特征和优点。在附图中：

图1是表示布朗气体燃烧的内爆特性的曲线；

图2是表示水分子红外线吸收率的曲线；

图3是表示密闭燃烧室内布朗气体燃烧特性的示意图；

图4是表示本发明一种实施方式的燃烧装置的示意图；

图5a和5b是表示本发明另一种实施方式的加热单元的分解透视图和剖视图；

图6a和6b是表示本发明又一种实施方式的加热单元的分解透视图和剖视图；

图6c是沿图6b中线A-A的剖视图；

图7是表示本发明一种实施方式的加热系统的剖视图；

图8是表示本发明实施方式的加热系统窥视孔管的部分剖视图；

图9是表示本发明实施方式的加热系统的螺旋水管的透视图。

具体实施方式

下面参考附图详细解释本发明。在整个说明书中，相同的元件具有相同的参考数字，因此省略其重复描述。

参看图4，为了解决上述问题，根据本发明实施方式的布朗气体燃烧装置，包括不漏水的熄火器13，通过气体浸水管(gas immersion tube)14与布朗气体发生器11相通，气体浸水管14上具有开/关阀12，允许少量的己烷(C₆H₁₄)以蒸汽状态与布朗气体发生器11产生的布朗气体混合；燃烧器18，通过气体供应管15与不漏水的熄火器相通，气体供应管15具有开/关阀16，燃烧器18燃烧从不漏水的熄火器流过的布朗气体；以及被燃烧器的火焰加热的加热单元19。

由布朗气体发生器11产生的布朗气体在开/关阀12的控制下通过气体浸水管14流入不漏水的熄火器13。布朗气体接着流过作为防止回火液体的己烷液体，在气体供应管15上的开/关阀16控制下供应到燃烧器18并在燃烧器18中燃烧，从而加热布朗气体加热单元19。

由布朗气体发生器11产生的布朗气体流入装有碳氢化合物己烷(C₆H₁₄)的不漏水的熄火器13，在布朗气体中混入少量的己烷气体，从而减慢燃烧速度。这可以根本地防止闪火或回火。

不漏水的熄火器的原理是防止逆行火焰通过己烷液体。在燃烧诸如LPG或LNG的现有气体的传统系统中，爆炸产生的较大的瞬间压力对防止回火的液体造成冲击，使其不可能采用不漏水的熄火系统。与上述传统系统不同，布朗气体的燃烧由于内爆特性形成瞬时真空状态，对布朗气体的流动以及防止回火的液体的影响很小。

另外，布朗气体燃烧过程中的己烷燃烧用于补充热量，从而提高热效率。但是，由于组成布朗气体的氧气通过自燃烧而消耗，因此由于缺少用于燃烧以蒸汽状态混合的己烷的氧气，一部分布朗气体燃烧器没有燃烧。为了解决这个问题，本发明允许加热单元垂直地竖立安装，从而空气可以平稳地从较低部分进入，并流向加热单元的较高部分，因此使己烷得到彻底燃烧。

如图5a和5b所示，根据本发明另一种实施方式的布朗气体燃烧装置的加热单元19包括：中空的圆柱形第二加热元件22，在其外圆周上具有多个辐射孔22a，并且第二加热元件22安装在基板29上；围绕第二加热元件22外圆周的纤维增强金属(FRM)23；第一加热元件21，安装在第二加热元件内，第一加热元件与第二加热元件的底表面通过设置在第一加热元件下端的倒置的锥形加热部分21a间隔开；以及位于第一加热元件21和第二加热元件22顶部的盖24。

燃烧器装在基板中央部分的燃烧器孔28a上，并具有点火装置28c。

第二加热元件通过支撑元件29a牢固地连接在基板29上。

这种结构的燃烧装置的特点在于，第一加热元件下端的加热部分21a直接被含有少量蒸汽状态己烷的布朗气体火焰28b加热，第一加热元件的上部以及加热部分21a在布朗气体热核反应特性的作用下赤热发热，从而辐射高温热量。

这里，由于热释放被第一和第二加热元件上部的盖24阻挡，因此第一加热元件21辐射的热量用于加热第二加热元件。同时，布朗气体燃烧产生的高温蒸汽穿过围绕在第二加热元件22外围的纤维增强金属23，通过第二加热元件上以规则间距形成的辐射孔22a，从加热单元19向外散发。通过此过程，纤维增强金属23相应地赤热发热。结果，本发明布朗气体燃烧装置的加热单元19整体赤热发热，释放出大量热量。

其详细解释如下：由于布朗气体的火焰本身保持内爆，热量集中在一个点上，稳定地形成销钉尖端火焰，火焰不发散，从而不产生横向热量。

这样，采用热核反应，使加热元件直接被布朗气体火焰加热，从而产生大量热量。

作为构成加热单元的材料，可以使用镍铬合金、铝铬合金或氧化铝陶瓷，其耐热可以达到1300℃或更高温度。

如图6a、6b和6c所示，根据本发明另一种实施方式，布朗气体燃烧装置的加热单元19包括：中空的圆柱形第二加热元件35，在其外圆周上具有多个上孔36a和36b以及下孔36c，第二加热元件35安装在基板29上；第一加热元件31，具有矩形的插入部分33以及从插入部分33的上外圆周向外突出的圆形突起32；矩形插入部分33和圆形突起32形成一个整体；第一加热元件31具有多个侧火焰引导槽34b，从插入部分33朝向圆形突起33下部的侧面，并具有沿第一加热元件的轴向穿孔的中心火焰引导孔34a；圆形突起32装在第二加热元件35上，与第二加热元件35的底面之间具有预定的间距。

当供给燃烧器18的布朗气体由点火装置28c点燃时，形成的火焰28a拉长。加热第一加热元件31的火焰28a沿中心火焰引导孔34a和侧火焰引导槽34b向上流动。第一加热元件31被加热时，第一加热元件31的下端首先赤热发热，随后第二加热元件35赤热发热，这样加热单元19整体被加热到1200℃或更高温度。这里，蒸汽经过中心火焰引导孔34a和侧火焰引导槽34b时变成高温的水分子，再吸收红外线升高到超高温，再散射出去。

第二加热元件35的上孔36a和36b射出火焰，而下孔36c吸入空气。

作为构成加热单元的材料，可以使用压制和成形的高铝质陶瓷。

参看图7，根据本发明实施方式的加热系统包括布朗气体发生器11，加热单元19，循环燃烧室40和锅炉体50。布朗气体发生器11产生的布朗气体沿气体供应管15流入不漏水的熄火器13，并按预定的混合比与己烷气体混合。

接着，混合气体输送到气体燃烧器18。气体供应管15具有用于控制气体数量的气体供应控制阀16，以及自动供应或切断气体的电磁阀17。

通过点火装置28，加热系统自动点燃或关闭。

加热系统包括不漏水的熄火器13，通过气体浸水管14与布朗气体发生器11相通，气体浸水管14具有开/关阀12，不漏水的熄火器13允许少量的蒸汽状态的己烷(C₆H₁₄)与布朗气体发生器11产生的布朗气体混合；燃烧器18，通过气体供应管15与不漏水的熄火器相通，气体供应管15具有开/关阀16，燃烧器18燃烧流过不漏水的熄火器的布朗气体；被燃烧器火焰加热的加热单元19；循环燃烧室40，由远红外辐射元件41形成，并围绕着加热单元19，二者之间隔开预定的间距；螺旋地包围着循环燃烧室40外圆周的水管51；储热罐52，包围着水管51的外圆周围，二者之间具有空气流动通道42，并且其上部分与排气管46相通；以及围绕储热罐52的绝热元件53。

加热单元19由参考图5a、5b、6a和6b所讨论的第一加热元件21和31以及第二加热元件22和35组成。

图8是表示与本发明加热系统循环燃烧室40上部分相通的窥视孔管43的详细剖视图。窥视孔管43安装在锅炉体50上，与循环燃烧室40的上部分相通并穿过远红外辐射元件41和储热罐52。窥视孔管43可用作排气管，防止循环燃烧室40内部和空气流动通道42内部在加热系统工作的早期阶段结露。位于排气管末端的盖44由耐热玻璃45制成，从而使窥视孔管作为观察装置，用于监视循环燃烧室40的内部。

生产热水的锅炉体50安装在中空的基板29上，并具有水管51，从而形成吸收热量的大面积传热表面。水管51位于远红外辐射元件41的外侧，包围远红外辐射元件41的储热罐52由绝热元件53隔热，从而储存热水。

在这种结构中，在储热罐52和远红外辐射元件41之间自然地形成空间。这样形成的空间作为空气流动通道42，通过循环燃烧室40内形成的高温空气流的稳定循环，将热量供应到水管51和储热罐52的内表面。

由于远红外辐射元件41向内侧辐射远红外线，即向循环燃烧室40辐射远红外线；也向外辐射远红外线，即向空气流动通道42辐射远红外线，因此水管51通过循环燃烧室40形成的空气流动交换热量，并通过远红外线进行加热，这样达到双重加热效果。

循环燃烧室40中形成的空气流穿过空气流动通道42并向上流动，从而加热水管。随后，低温的空气流逐渐从排气管46中排出。

图9是表示本发明加热系统水管51的透视图。本发明的加热系统在远红外辐射元件41或燃烧室40的顶部具有最高的温度。因此，本发明加热系统的水管51形成线圈的形状，水管51的末端51a足以覆盖其自身的圆柱形顶部。这种结构具有最大的热交换效率。

尽管很多材料可以作为远红外辐射元件41的材料，但考虑到远红外辐射元件的体积以及加热系统，优选地使用等离子喷涂的薄铁板。

另外，本发明的布朗气体锅炉具有储热罐52，以便利用午夜的电能服务。也可以设计锅炉具有足够数量的内部喷水，具有控制热水温度的自动控制器，将热水温度保持在40℃到90℃。这种结构当加热系统工作在40℃或更高温度时防止燃烧室内部以及空气流动通道42的内部结露。

储存在储热罐52中的热水分别沿加热管和热水管供给。使用循环泵，以便沿管线稳定地提供热水，并且热水通过三通阀供给加热线圈，从而执行室内范围加热功能。另外，根据装在锅炉体上的给水罐水位传感器的检测结果，控制器控制热的补充。

这种功能与普通的加热系统相同，这里省略其详细描述。水管51的入口和出口部分也省略了。

如上所述，使用水电解得到的布朗气体的布朗气体燃烧装置以及使用布朗气体燃烧装置的加热系统，用于实现利用水作为燃料的理想系统和方法。

本发明的燃烧装置是一项关键技术，可以用于所有使用布朗气体作为燃料的设备。使用这种燃烧装置作为布朗气体锅炉、加热器、炉子以及热风加热器的热源，可以获得无污染的清洁能量，同时防止环境污染。

虽然以实施方式的形式用多个实例图解和描述了采用本发明燃烧装置的加热系统，但应该理解的是，在不偏离本发明范围的条件下，燃烧装置可以应用于垃圾焚化炉，从而高效地处理垃圾。

尽管参考附图描述了本发明的优选实施方式，但应该理解的是，本发明并不限制于这些精确的实施方式，在不偏离所附权利要求限定的本发明精神和范围的条件下，本领域的一般技术人员能做出不同的变化和修改。

Claims (7)

1.一种使用布朗气体作为燃料的布朗气体燃烧装置，包括：

不漏水的熄火器，通过气体浸水管与布朗气体发生器相通，所述气体浸水管具有开/关阀，所述不漏水的熄火器允许少量蒸汽状态的己烷(C₆H₁₄)与所述布朗气体发生器产生的布朗气体混合；

燃烧器，通过气体供应管与所述不漏水的熄火器相通，所述气体供应管具有开/关阀，所述燃烧器燃烧流过所述不漏水的熄火器的布朗气体；以及

被所述燃烧器的火焰加热的加热单元。

2.如权利要求1所述的布朗气体燃烧装置，其中所述加热单元包括：

中空的圆柱形第二加热元件，在其外圆周具有多个辐射孔，所述第二加热元件安装在基板上；

包围所述第二加热元件外围的纤维增强金属(FRM)；

第一加热元件，安装在所述第二加热元件内部，所述第一加热元件与所述第二加热元件的底面通过设置在第一加热元件下端的倒置圆锥形加热部分间隔开；以及

位于所述第一加热元件和第二加热元件顶部的盖。

3.如权利要求1所述的布朗气体燃烧装置，其中所述加热单元包括：

中空的圆柱形第二加热元件，在其外圆周具有多个上孔和下孔，所述第二加热元件安装在所述基板上；以及

第一加热元件，具有矩形插入部分以及从所述插入部分的上部外圆周向外突出的圆形突起；所述矩形插入部分和所述圆形突起整体形成；所述第一加热元件具有多个从所述插入部分朝向所述圆形突起下部分的侧面形成的侧火焰引导槽和沿第一加热元件的轴向穿孔的中心火焰引导孔；所述圆形突起安装到所述第二加热元件上，与所述第二加热元件的底面间隔预定的距离。

4.一种使用布朗气体作为燃料的加热系统，包括：

不漏水的熄火器，其通过气体浸水管与布朗气体发生器相通，所述气体浸水管具有开/关阀，所述不漏水的熄火器允许少量蒸汽状态的己烷(C₆H₁₄)与所述布朗气体发生器产生的布朗气体混合；

燃烧器，其通过气体供应管与所述不漏水的熄火器相通，所述气体供应管具有开/关阀，所述燃烧器燃烧流过所述不漏水的熄火器的布朗气体；

被所述燃烧器火焰加热的加热单元；

循环燃烧室，由包围所述加热单元的远红外辐射元件形成，所述加热单元与所述远红外辐射元件之间具有预定的间距；

螺旋地包围所述循环燃烧室外圆周的水管；

包围所述水管外围的储热罐，所述水管与所述储热罐之间形成空气流动通道，所述储热罐的上部分与排气管相通；以及

包围所述储热罐的绝热元件。

5.如权利要求4所述的加热系统，其中所述循环燃烧室在其顶部具有窥视孔管与其相通，用于观察所述循环燃烧室的内部，并通过打开盖防止所述加热系统工作的早期阶段结露。

6.如权利要求4或5中任一项所述的加热系统，其中所述加热单元包括：

中空的圆柱形第二加热元件，在其外圆周具有多个辐射孔，所述第二加热元件安装在基板上；

包围所述第二加热元件外围的纤维增强金属(FRM)；

第一加热元件，安装在所述第二加热元件内部，所述第一加热元件与所述第二加热元件的底面通过设置在第一加热元件下端的倒置圆锥形加热部分间隔开；以及

位于所述第一加热元件和第二加热元件顶部的盖。

7.如权利要求4或5中任一项所述的加热系统，其中所述加热单元包括：

中空的圆柱形第二加热元件，在其外圆周具有多个上孔和下孔，所述第二加热元件安装在所述基板上；以及

第一加热元件，具有矩形插入部分以及从所述插入部分的上部外圆周向外突出的圆形突起；所述矩形插入部分和所述圆形突起整体形成；所述第一加热元件具有多个从所述插入部分朝向所述圆形突起下部分的侧面形成的侧火焰引导槽和沿第一加热元件的轴向穿孔的中心火焰引导孔；所述圆形突起安装到所述第二加热元件上，与所述第一加热元件间隔预定的距离。

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