CN204162674U - 一种制备高热值燃气的实施设备 - Google Patents
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- Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
Abstract
本实用新型涉及一种制备高热值燃气的实施设备，实施设备包括控制系统、水离子电解系统、碳氢化合重整系统，控制系统用于对时间、压力、温度、物料供给进行数据采集并进行自动管理，实施设备具有安全可靠、实施容易、控制方便的优点。所制备的高热值燃气不含硫S和氮N成分，热值可达11000～51000大卡(Kcal/m3)，相对常规燃料而言，节能和经济性均能节省50％以上，具有清洁环保、热值高的特点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种制备气体燃料的实施设备，尤其是涉及一种利用电解水产生质子水合物和氢氧根离子的混合物，再与烃烷进行重整后产生的高热值燃气的设备。
背景技术
随着经济的发展，世界各国的耗油量呈逐年攀升态势，据不完全统计，目前我国年耗油量已超过4.5亿吨。巨大的燃油消耗不仅对日益枯竭的石油能源形成巨大压力，同时燃油消耗所产生的浮炭、碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)、二氧化硫(SO2)等是环境污染的根源，严重影响着人们的生活质量和生命健康。
基于节能和环保等多方面的要求，许多国家都在积极研究改善燃油燃烧的新技术，并投入大量人力物力探寻新型替代能源，其中研究最多的是通过在燃油中加入各种化学物质以提高燃油品质，使其燃烧充分，减少尾气排放，但效果并不理想，无法达到根治目的；世界各国关注和开发最主要的可再生能源是氢能，目前全球每年实际使用氢气量已接近亿吨。一次性化石能源的快速减少和造成环境的严重污染，使原料丰富和清洁环保的氢能越来越受到重视。
目前，氢的生产制备方法主要有①由化石能源资源制氢；②生物质制氢和微生物制氢；③水分解制氢等，但因高额的成本和复杂的技术要求限制了氢能源的广泛应用，以电分解水制氢为例：可以用电能将水直接裂解为氢和氧，当安装了正负极的电解槽通入低压直流电时，正极上就会产生氧气，负极上会产生氢气，且纯水中加入适量的NaCl、KOH等电解质时，在理想状态下以1.47V的电压通过电解质水溶液，水分解成氢和氧的效率可达90％以上，但生产1kg的氢气约需要50～58KWH的电能，可见利用电解水制氢的成本比较高，从经济角度考虑与其他燃料相比没有成本优势。
同时，由于氢气是一种极易挥发、燃烧、爆炸的物质，不安全因素也是限制其应用的主要问题，实验表明，①在空气中氢气的燃烧极限很宽，按体积比氢气含量达到4％～70％就可燃烧，与汽油的燃烧极限1.3％～7.6％相比要宽的多；②点燃氢气最小能量只需要0.005mcal， 而且氢气燃烧时的火焰没有颜色不易发现；③高压氢气和低温液态氢很容易泄露，对储存要求较高。
由此可见，氢能在低成本生产、安全储存运输等技术方面目前还存在诸多问题，但氢能具有突出的优点：一是清洁环保；二是生产原料广泛，可以摆脱对于石化能源的依赖，所以，如何安全高效的制备、储运和应用氢能已成为世界各国技术人员急待攻关的难题。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种制备高热值燃气的实施设备，制备的高热值燃气具有安全可靠、清洁环保、热值高的优点。
本实用新型制备高热值燃气的实施设备，包括控制系统、水离子电解系统、碳氢化合重整系统，所述控制系统用于对时间、压力、温度、物料供给进行数据采集并进行自动管理，水离子电解系统与碳氢化合重整系统连通。
水离子电解系统包括水离子电解装置、气液分离装置、过滤装置、热交换装置、压力平衡分配装置；水离子电解装置设有进料口、第一连通口和第二连通口，气液分离装置设有第三连通口、第四连通口和第五连通口，压力平衡分配装置设有第六连通口和出料口；水离子电解装置与气液分离装置通过第一连通口和第三连通口使用管道连通，水离子电解装置和气液分离装置分别通过第二连通口和第四连通口使用管道与过滤装置连通，气液分离装置与压力平衡分配装置通过第五连通口和第六连通口使用管道连通，热交换装置与气液分离装置连通，出料口用于和碳氢化合重整系统连通。
热交换装置用于与气液分离装置中的液体部分进行热交换，将液体温度控制在-10°～+50°之间；气液分离装置中的液体经过滤装置除去杂质后回流到水离子电解装置继续电离；气态离子物被输送到压力平衡分配装置，压力平衡分配装置对气态离子物的气体输送压、微量水分子分离等的参数进行点检，并将点检合格的气态离子物输送到碳氢化合重整系统。
水离子电解装置包括外壳和设置于外壳内腔中的电解主体，外壳由左侧壁、右侧壁和设置于左侧壁与右侧壁之间的筒状周壁组成，左侧壁、右侧壁与筒状周壁由绝缘材料制成，左侧壁的右面镶嵌有第一电极板，右侧壁的左面镶嵌有第二电极板，第一电极板和第二电极板上分别设有用于与直流电源连接的接线柱；进料口和第二连通口设置在左侧壁上，第一连通口设置在右侧壁上，电解主体由1～1000付电解单元付组成，电解单元付是由第三电极板和第四电极板组合构成的电容，左侧壁、第三电极板、第四电极板和右侧壁彼此之间均设有隔离垫圈，第三电极板和第四电极板的周向边缘与筒状周壁的内侧贴合，第三电极板和第四电 极板的中心分别设有第一通孔，第一通孔用于通过穿入绝缘棒将第三电极板和第四电极板固定，第三电极板和第四电极板上还分别设有至少一个第二通孔。优选地，电解主体由10～500付电解单元付组成，第一电极板和第二电极板上的第二通孔分别沿第一电极板和第二电极板的周向均匀设置四个，第一电极板上的第二通孔与相邻位置的第二电极板上的第二通孔的相位差角度为45°时。
碳氢化合重整系统包括重整反应罐、第一重整微发生器、第二重整微发生器，重整反应罐设有罐体，罐体的内腔中设有重整触媒液n1和增溶固化填充层，增溶固化填充层至少设置两层并由固定在罐体内腔壁的支承架支承，罐体上设有出气口；第一重整微发生器设有第一进口、第二进口和第一出口，第二重整微发生器设有第三进口、第四进口和第二出口，第一重整微发生器的第二进口和第一出口分别与罐体的内腔连通，第二重整微发生器的第四进口和第二出口也分别与罐体的内腔连通，第二进口和第四进口与罐体内腔连通的位置设在最下层的增溶固化填充层的上部，第一出口和第二出口与罐体内腔的连通位置设在最下层的增溶固化填充层下部，第二进口和第四进口与罐体内腔连通的管路上分别设有流量控制泵，第一进口与水离子电解装置中的压力平衡分配装置上的出料口连通，用于向第一重整微发生器中通入水离子电解系统获得的气态离子物，第三进口用于向第二重整微发生器中通入重整催化剂n2；罐体上还设有安全控制阀、温度控制表、压力控制表，用于对罐体内腔中的压强、温度进行检测并控制。
第一重整微发生器和第二重整微发生器结构相同，第一重整微发生器和第二重整微发生器包括壳体和设置于壳体内腔中的1～30组重整微发生器组件，重整微发生器组件由左盖、右盖和设置于左盖与右盖之间的组件盘组合构成，左盖、右盖和组件盘均为圆盘状，左盖和右盖直径相等且大于组件盘的直径，左盖与右盖的中心分别设有贯通孔，壳体上设有用于调整左盖和右盖相对同轴转动的装置；左盖的右侧面边缘处设有向右凸起的第一凸起边沿，左盖的右侧面中部设有向右凸起的且与组件盘半径相等的短圆柱，短圆柱的周向圆周壁与第一凸起边沿的内侧壁之间设有间隙；短圆柱的右端面设有中心凹槽、圆形凹槽和半圆形凹槽，中心凹槽为一个且设置在短圆柱右端面中心位置，圆形凹槽设置在中心凹槽的外侧，半圆形凹槽设置在短圆柱的边缘；中心凹槽的边缘设有均匀分布的x个半圆形槽，x≥3，圆形凹槽的设置个数为x的倍数且沿以中心凹槽(1003)为中心的y个同心正x边形的各边均匀分布，y≥1，半圆形凹槽的设置个数等于最外侧正x边形各边上的圆形凹槽数之和，每个半圆形凹槽和相邻的圆形凹槽之间的最小距离均相等，且相邻的中心凹槽、圆形凹槽、半圆形凹槽相互之间的最小距离小于圆形凹槽的半径；右盖的左侧面边缘处设有向左凸起的且与左盖上的 第一凸起边沿对称的第二凸起边沿，组件盘与右盖通过连接柱固定连接，组件盘的右侧面与右盖的左侧面之间设有间隙，组件盘的周向圆周壁与右盖上的第二凸起边沿的内侧壁之间设有间隙；组件盘的左端面设有与短圆柱的右端面相同的凹槽结构。当左盖、组件盘和右盖组合成重整微发生器组件时，左盖上的第一凸起边沿与右盖上的第二凸起边沿密封贴合，短圆柱的右端面与组件盘的左端面密封贴合；作为一种优选结构，重整微发生器组件设置为2～8组，8≥x≥5，6≥y≥2。
罐体内腔中的重整触媒液n1由具有液化性质的有机溶剂组成，液体溶剂为量子碳素、石蜡、环状烃、芳香烃、醇类、酚类、醚类、酮类、酯类或者其中两种物质以上的组合体；作为量子碳素，粒径为0.6nm-100nm，量子碳素电动势为280mv-380mv，量子碳素pH值为1.5～2.2，量子碳素含量(重量百分比)≧0.1％；作为石蜡为正己烷、正庚烷、正辛烷、正壬烷、正癸烷、或者它们的异构体；作为环状烃为环戊烷、环己烷或甲基环己烷；作为芳香烃为苯、甲苯、乙苯、邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯、异丙基苯、萘、蒽或联苯；作为醇类为甲醇、乙醇、二乙二醇、1-丙醇、异丙醇、甘油、正丁醇、2-丁醇、异丁醇、叔丁醇、1-戊醇、2_甲基-1_丁醇、3-甲基-1_丁醇、2-甲基-2-丁醇、环己醇、二乙二醇、聚乙二醇或聚甘油；作为酚类为苯酚、邻甲酚、间甲酚或对甲酚；作为醚类为乙醚、乙丙醚或乙丁醚；作为酮类为丙酮、甲乙酮或二乙基酮；作为酯类为甲酸甲酯、甲酸乙酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯或丁酸甲酯；为了提高触媒催化效果，优选使用碳原子数为1～10的有机溶剂。
罐体内腔中的增溶固化填充层是由具有氧化作用的固体催化材料组成，固体催化材料为颗粒状，粒径为1mm～10mm，孔通率为50％～80％，并使用栅网或多孔板结构的支承架支承。优选地，固体催化材料的粒径为3mm～5mm，孔通率为60％～70％时，重整效果最好。
采用本实用新型制备高热值燃气的实施设备，水或电解液通过进料口进入水离子电解装置，液体被电离成质子水合物H3O+和氢氧根离子OH-，公式为电离后的质子水合物H3O+、氢氧根离子OH-和液体的混合体由水离子电解装置进入气液分离装置，液体部分通过热交换装置进行热交换，将液体温度控制在-10°～+50°之间，并经过滤装置除去杂质后回流到水离子电解装置继续电离，气态离子物部分被输送到压力平衡分配装置，由压力平衡分配装置对气态的参数进行点检，包括对气态离子物进行输送压控制、微量水分子分离等，经点检合格的气态离子物被输送到碳氢化合重整系统，经第一进口进入第一重整微发生器，并由定量控制泵从最底层的增溶固体催化层上部提供重整触媒液n1经第二进口输送到第一重整微发生器进行气液碳氢化合重整，定量控制泵从最底层的增溶固化填充层上部提取重整触媒液n1没有特定的层次限制，重整后的混合物从第一出口进入到反应釜罐体中。 同时，重整催化剂n2经第三进口输送到第二重整微发生器，并由另一定量控制泵从第底层的增溶固化填充层上部提供重整触媒液n1到第二重整微发生器与催化济进行气液碳氢化合重整，另一定量控制泵从最底层的增溶固化填充层上部提取重整触媒液n1也没有特定的层次限制，重整后的混合物同样从第二出口进入到反应釜罐体中。经过第一重整微发生器和第二重整微发生器的第一次气液碳氢化合重整后，碳氢化合物结构体在重整触媒液n1中再通过一层或多层增溶固化填充层并与增溶固化填充层中的固体催化剂进行第二次催化重整，即可获得高热值燃气。经压力控制表、温度控制表、安全控制阀进行数据采集处理后经出气口输送到燃烧装置或储备装置。
一种采用本实用新型所述的设备制备高热值燃气的方法，包括如下步骤：将水通入制备高热值燃气的设备中，在重整触媒液n1和重整催化剂n2的作用下，水电离得到的质子水合物H3O+和氢氧根离子HO-的混合物W，与重整触媒液n1和重整催化剂n2中的烷烃重整结合，生成高热值燃气；
所述质子水合物H3O+和氢氧根离子HO-的混合物W、重整触媒液n1和重整催化剂n2的体积比为1：0.001-0.5：0.1-1.5；
所述重整触媒液n1为化学式为CxHyOz或CnH2n+2的液体物质与含有量子碳素Cф的量子碳素液的混合物，其中x、y、z≧0，n>0，化学式为CxHyOz或CnH2n+2的物质与量子碳素液的体积比为0.001-0.5：0.0001-0.001；
所述重整催化剂n2为化学式为CaHbOc或CnH2n+2的液体物质与含有量子碳素Cф的量子碳素液的混合物，其中a、b、c≧0，n>0，化学式为CaHbOc或CnH2n+2的物质与量子碳素Cф的体积比为0.1-1.5：0.0001-0.001；
其中，量子碳素Cф包括粒径为0.6-100nm的碳素粒子，所述碳素粒子为单碳和/或石墨烯粒子，在所述碳素粒子的表层具有含有碳、氢、氧、氮的化合物，所述含有碳、氢、氧、氮的化合物包括稠环芳烃、含有碳氧单键的化合物、含有碳氧双键的化合物、含有碳氢键的化合物；
含有量子碳素Cф的量子碳素液为含有量子碳素的水溶液，浓度为0.1％-0.45％，所述量子碳素液的ORP为280mv-380mv、电导率σ为1-5ms/cm、电动势为280mv～380mv、pH值为1.5-3.2。
使用本实用新型所述的设备制备高热值燃气的方法，其中，0≤n≤30；所述重整触媒液n1中0≤x、y、z≤15，所述重整催化剂n2中0≤a、b、c≤12；所述量子碳素由如下质量百分比的碳素粒子构成：0.6≤粒径≤0.9nm的碳素粒子50％～95％、0.9＜粒径＜ 50.0nm的碳素粒子10％～50％、50≤粒径≤100nm的碳素粒子0％～20％；所述含有碳、氢、氧、氮的化合物为稠环芳烃、含有碳氧单键的化合物、含有碳氧双键的化合物、含有碳氢键的化合物的一种或几种的混合物，其中各元素比例为：C 45％～55％，H 0.2％～2.0％，N 0.1％～0.3％，O 45％～65％。
使用本实用新型所述的设备制备高热值燃气的方法，，其中，0≤n≤30；所述重整触媒液n1中0≤x、y、z≤15，所述重整催化剂n2中0≤a、b、c≤12；量子碳素Cф是由粒径为0.6-0.9nm的碳颗粒构成。
使用本实用新型所述的设备制备高热值燃气的方法，，其中，0≤n≤10；所述重整触媒液n1中x、y、z为1-9之间的正整数，且为奇数，所述重整催化剂n2中a、b、c为2-8之间的正整数，且为偶数；所述质子水合物H3O+和氢氧根离子HO-的混合物W、重整触媒液n1和重整催化剂n2的体积比为1：0.01-0.1：0.5-1.2；所述重整触媒液n1中，化学式为CxHyOz或CnH2n+2的液体物质与量子碳素液的体积比为0.01-0.1：0.001-0.01；所述重整催化剂n2中，化学式为CaHbOc或CnH2n+2的液体物质与量子碳素液的体积比为0.5-1.2：0.001-0.01。
使用本实用新型所述的设备制备高热值燃气的方法，其中，所述重整触媒液n1中化学式为CxHyOz或CnH2n+2的液体物质为石蜡、环状烃、芳香烃、醇类、酚类、醚类、酮类、酯类中的一种或几种的混合物。
使用本实用新型所述的设备制备高热值燃气的方法，其中，所述石蜡为正己烷、正庚烷、正辛烷、正壬烷、正癸烷、以及它们的异构体中的一种或几种的混合物；所述环状烃为环戊烷、环己烷、甲基环己烷中的一种或几种的混合物；所述芳香烃为苯、甲苯、乙苯、邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯、异丙基苯、萘、蒽、联苯中的一种或几种的混合物；所述醇类为甲醇、乙醇、二乙二醇、l-丙醇、异丙醇、甘油、正丁醇、2-丁醇、异丁醇、叔丁醇、1-戊醇、2-甲基-1-丁醇、3-甲基-1-丁醇、2-甲基-2-丁醇、环己醇、二乙二醇、聚乙二醇、聚甘油中的一种或几种的混合物；所述酚类，可以是苯酚、邻甲酚、间甲酚、对甲酚中的一种或几种的混合物；所述醚类为乙醚、乙丙醚、乙丁醚中的一种或几种的混合物；所述酮类为丙酮、甲乙酮、二乙基酮中的一种或几种的混合物；所述酯类为甲酸甲酯、甲酸乙酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、丁酸甲酯中的一种或几种的混合物。
根据本实用新型所述的设备制备高热值燃气的方法得到的高热值燃气。
使用本实用新型所述设备制备的高热值燃气，由如下体积百分比的原料组成：H220.00～60.00％、O210.00～30.00％、N20.01～0.05％、CH42.00～12.00％、C2H60.50～5.00％、C3H88.00～30.00％、C3H60.01～5.00％、i-C4H100.01～5.00％、n-C4H101.00～10.00％、1-C4H10+ i-C4H100.01～5.00％、t-2-C4H100.01～5.00％、c-2-C4H100.01～5.00％、1,3-C4H60.01～5.00％、i-C5H121.00～15.00％、n-C5H121.00～15.00％、C原子数量≥6的烷烃5.00～30.00％；
其中，i-C4H10为异丁烷、n-C4H10为正丁烷、1-C4H8+i-C4H8为正丁烯何异丁烯的混合物，测量气体中，发现1-C4H8(1-丁烯)正丁烯和i-C4H8异丁烯不能分离，因此将两者之间用“+”表示、t-2-C4H8为反-2-丁烯、c-2-C4H8为顺-2-丁烯、i-C5H12为异戊烷、n-C5H12为正戊烷。
使用本实用新型所述设备制备的高热值燃气，由如下体积百分比的原料组成：H239.49％、O219.04％、N20.03％、CH44.05％、C2H60.50％、C3H811.59％、C3H60.04％、i-C4H100.55％、n-C4H102.68％、1-C4H10+i-C4H100.07％、t-2-C4H100.21％、c-2-C4H100.25％、1,3-C4H60.16％、i-C5H126.82％、n-C5H124.49％、C原子数量≥6的烷烃10.06％。
使用本实用新型所述设备制备的高热值燃气从气体成分的组成可知，气体的重整得到不同的分子团，没有硫S和氮N的成分。因此燃气燃烧时不会产生硫化物和氮氧化物。碳素属于低碳环保型；同时，水合氢离子的作用，氢有了载体，部分合成多种碳氢基团，部分由离子键附着其它分子团，氢的活性和燃烧极限被约束，混合气体的燃烧极限实验证明，新的多重碳氢结构体分子气体的性质接近于天然气气体性质；同时，对气体的热值测试表明，重整前的氢氧混合气体的热值较低，因此，直接电解氢氧气体的应用受到很大的限制。重整后，每立方重整混合气的热值为11000-51000大卡(Kcal/m3)。这证明，使用本实用新型所述设备制备高热值燃气充分利用水合氢离子的性质和在低碳素触媒催化作用下的重整，得到高热值混合气。所以，使用本实用新型所述设备制备的气体属于安全环保型的高热值燃气气体。本实用新型的高热值燃气和现有的任何常规燃料比较都有优秀的节能减排效果，从燃烧实绩可知，相对常规燃料而言，节能和经济性均能节省50％以上；有效控制NOX、SOX、CO2等有害气体的排放，燃烧排放均能减排60％以上。
下面结附图所示具体实施方式对本实用新型一种制备高热值燃气的设备及其制备方法作进一步详细说明：
附图说明
图1为本实用新型制备高热值燃气的实施设备的总装示意图；
图2为本实用新型制备高热值燃气的实施设备的水离子电解装置结构主视图；
图3为水离子电解装置中的第三电极板的左视示意图；
图4为水离子电解装置中的第四电极板的左视示意图；
图5为本实用新型制备高热值燃气的实施设备的碳氢化合重整系统结构示意图；
图6为重整微发生器结构主视示意图；
图7为重整微发生器组件第一种结构的左盖右视图；
图8为图7的A-A截面视图；
图9为重整微发生器组件第一种结构的组件盘左视图；
图10为图9的B-B截面视图；
图11为重整微发生器组件第一种结构的右盖左视图；
图12为图11的B-B截面视图；
图13为重整微发生器组件第一种结构当组件盘与右盖固定连接时的左视图；
图14为图13的B-B截面视图；
图15为重整微发生器组件第一种结构当左盖与组件盘处于对称位置时的剖视图；
图16为重整微发生器组件第一种结构当左盖相对组件盘和右盖旋转30度时的内部凹槽结构向右投影视示意图；
图17为重整微发生器组件第二种结构的左盖右视图；
图18为图7的A-A截面视图；
图19为重整微发生器组件第二种结构的组件盘左视图；
图20为图9的B-B截面视图；
图21为重整微发生器组件第二种结构的右盖左视图；
图22为图11的B-B截面视图；
图23为重整微发生器组件第二种结构当组件盘与右盖固定连接时的左视图；
图24为图13的B-B截面视图；
图25为重整微发生器组件第二种结构当左盖与组件盘处于对称位置时的剖视图；
图26为重整微发生器组件第二种结构当左盖相对组件盘和右盖旋转25度时的内部凹槽结构向右投影视示意图；
图27为重整微发生器组件第三种结构的左盖右视图；
图28为图7的A-A截面视图；
图29为重整微发生器组件第三种结构的组件盘左视图；
图30为图9的B-B截面视图；
图31为重整微发生器组件第三种结构的右盖左视图；
图32为图11的B-B截面视图；
图33为重整微发生器组件第三种结构当组件盘与右盖固定连接时的左视图；
图34为图13的B-B截面视图；
图35为重整微发生器组件第三种结构当左盖与组件盘处于对称位置时的剖视图；
图36为重整微发生器组件第三种结构当左盖相对组件盘和右盖旋转20度时的内部凹槽结构向右投影视示意图；
图37为重整微发生器组件第四种结构的左盖右视图；
图38为图7的A-A截面视图；
图39为重整微发生器组件第四种结构的组件盘左视图；
图40为图9的B-B截面视图；
图41为重整微发生器组件第四种结构的右盖左视图；
图42为图11的B-B截面视图；
图43为重整微发生器组件第四种结构当组件盘与右盖固定连接时的左视图；
图44为图13的B-B截面视图；
图45为重整微发生器组件第四种结构当左盖与组件盘处于对称位置时的剖视图；
图46为重整微发生器组件第四种结构当左盖相对组件盘和右盖旋转15度时的内部凹槽结构向右投影视示意图；
图47为电化学阳极氧化装置的阳极氧化合成反应过程；
图48为一张采用美国尼高力AVATAR 360 ESP FT-IR对量子碳素液进行红外光谱(IR)分析结果；
图49为另一张采用美国尼高力AVATAR 360 ESP FT-IR对量子碳素粒子进行红外光谱(IR)分析结果；
图50为采用气相色谱与质谱联用检测实施例2样品的结果；
图51为苯六甲酸国际标准红外吸收谱图；
图52为实施例3样品的红外吸收光谱分析结果；
图53石墨碳(carbon graphite)的XRD标准卡片图，卡片号为75-1621；
图54为采用日本理学Rigaku公司的Automated D/Max B型衍射仪对量子碳素液中的固体物质进行检测的结果图；
图55为量子碳素粒子X射线光电子能谱(XPS)分析图；
图56为对量子碳素粒子中的C 1s进行窄谱分析(电子能谱分析)图；
图57对量子碳素粒子中的O 1s进行窄谱分析(电子能谱分析)图。
附图中的英文与中文对照如下：
Digital Instruments NanoScope 纳米尺度数显仪器
Scan size 扫描尺寸范围 1.000um
Scan rate 扫描频率 1.969Hz
Number of samples 样品数量 256ml
Image Data 图像数据 取最大点
Data scale 数据比例尺度 2.000nm
View angle 视角
Light angle 光线角度
X 0.200 um/div X轴 0.200微米/刻度
Z 2.000 nm/div Z轴 2.000纳米/刻度
0 deg 0度
Section Analysis 截面分析
Spectrum 光谱
Surface distance 纵向距离
Horiz distance(L) 水平方向距离
Vert distance 垂直方向
Angle deg 角度 度
Spectral period DC 光谱周波 直流
Spectral freq 0Hz 光谱频率 0Hz
Spectral RMS amp 0nm 光谱RMS放大器 0纳米
％Transmittance 透射率％
Wavenumbers(cm-1) 周波数cm-1
BENZENEHEXACARBOXYLIC ACID 苯六甲酸
Relative Abundance 相对丰度
Time(min) 时间(秒)
m/z 质荷比
2-theta scale 2θ衍射角
Intensity 强度
Binding Energy(eV) 电子结合能(电子伏)
C/S 光电子的测量强度
具体实施方式
使用本实用新型制备的高热值燃气具有安全性高、环保性好、高热值的特点。如图1所示本实用新型制备高热值燃气的实施设备的第一种实施方式，设有控制系统1、水离子电解系统、碳氢化合重整系统，控制系统1用于对水离子电解系、碳氢化合重整系统和燃烧系统中的物料供给、运行时间、内部压力和温度等进行监测、控制；水离子电解系统主要对水或电解液进行电容电解产生水合氢离子H3O+和氢氧根离根离子OH-；碳氢化合重整系统使水离子电解系统产生的气态离子物在其中进行碳氢化合重整，并把重整得到的高热值燃气输送给燃烧装置使用或储存装置储备。
水离子电解系统包括水离子电解装置2、气液分离装置3、过滤装置4、热交换装置5、压力平衡分配装置6；水离子电解装置2设有进料口201、第一连通口202和第二连通口203，气液分离装置3设有第三连通口301、第四连通口302和第五连通口303，压力平衡分配装置6设有第六连通口601和出料口602；水离子电解装置2与气液分离装置3通过第一连通口202和第三连通口301使用管道连通，水离子电解装置2和气液分离装置3分别通过第二连通口203和第四连通口302使用管道与过滤装置4连通，气液分离装置3与压力平衡分配装置6通过第五连通口303和第六连通口601使用管道连通，热交换装置5与气液分离装置3连通，用于控制气液分离装置3中的介质温度，出料口602用于和碳氢化合重整系统连通。
如图2、图3和图4所示，水离子电解装置2采用电容电解的方法，水离子电解装置2包括外壳和电解主体，外壳由左侧壁、右侧壁和设置于左侧壁与右侧壁之间的筒状周壁组成，左侧壁、右侧壁与筒状周壁由绝缘材料制成，左侧壁的右面镶嵌有第一电极板204，右侧壁的左面镶嵌有第二电极板205，第一电极板204和第二电极板205上分别设有用于连接直流电源的接线柱，当一电极板204和第二电极板205分别与直流电源的正负极连接时，在第一电极板204和第二电极板205之间会产生电解所需的电压。
进料口201和第二连通口203设置在左侧壁，第一连通口202设置在右侧壁，电解主体设置在筒状周壁的内腔中，电解主体由1～1000付电解单元付组成，需要说明的是，电解单元付的设置付数不限于举例，可根据使用目的和制造成本进行调整，通常设置10～500付为宜；电解单元付是由第三电极板206和第四电极板207组合构成的电容，在左侧壁、第三电极板206、第四电极板207和右侧壁彼此之间设置隔离垫圈208，第三电极板206和第四电极板207的周向边缘与筒状周壁的内侧贴合，第三电极板206和第四电极板207的中心分别设有第一通孔210，第一通孔210用于通过穿入绝缘棒209将第三电极板206和第四电极板207 彼此连接固定，第三电极板206和第四电极板207还分别设有用于输送电解液和正负离子气态混合物的第二通孔211，第二通孔211最好沿周向均匀设置四个，其形状和大小可以相同也可以不同；第三电极板206和第二电极板207上的第二通孔211的通道位置最好不同，两者的第二通孔211对应的相位差角度设为45°时电解效率最高，需要说明的是，第二通孔211不限于举例，只要设置一个以上就能实现本实用新型目的。
第三电极板206和第四电极板207使用金属导电材质制成，金属导电材质可以为普通钢、SUS不锈钢、铜、镍、锰、铝、铅、锌，也可以上述金属作为基材并在基材左面电镀或塗镀镍、锰、钨、钌、铝等金属氧化物，在基材右面电镀或塗镀铂、铅、汞、铜、钌、硼化镧、钨等金属。
如图5所示，碳氢化合重整系统由重整反应罐7、第一重整微发生器8、第二重整微发生器9组成，重整反应罐7包括罐体701和设置于罐体701内腔中的重整触媒液n1 702和两层增溶固化填充层703，，增溶固化填充层703由固定在罐体701内腔壁上的支承架支承，需要说明的是，增溶固化填充层703不限于举例，可以设置两层或两层以上。第一重整微发生器8设有第一进口801、第二进口802和第一出口803，第二重整微发生器9设有第三进口901、第四进口902和第二出口903，第一重整微发生器8的第二进口802和第一出口803分别与罐体701的内腔连通，第二重整微发生器9的第四进口902和第二出口903也分别与罐体701的内腔连通，第二进口802和第四进口902与罐体7内腔连通的位置设在最下层的增溶固化填充层703的上部，第一出口803和第二出口903与罐体701内腔的连通位置设在最下层的增溶固化填充层703的下部，第二进口802和第四进口902与罐体7内腔连通的管路上分别设有流量控制泵，用于定量向第一重整微发生器8和第一重整微发生器9输送重整触媒液n1 702。
第一进口801与水离子电解装置2中的压力平衡分配装置6上的出料口602连通，用于向第一重整微发生器8中输送水离子电解系统获得的气态离子物，使气态离子物与重整触媒液n1 702在第一重整微发生器8中发生第一次碳氢化合重整，第三进口901用于向第二重整微发生器9中通入重整催化剂n2，使重整催化剂n2与重整触媒液n1 702在第二整微发生器9中也发生第一次碳氢化合重整。经过第一次碳氢化合重整后得到的混合分别通过第一出口803和第二出口903进入罐体701中，再与增溶固化填充层703中催化剂进行第二次碳氢化合重整后，即可得到本实用新型制备的高热值燃气。高热值燃气通过罐体701上设置的出气口704输送给燃烧装置或储备装置。为了安全和精确控制，罐体701上还可以设置安全控制阀705、温度控制表706和压力控制表707。
如图6至图16所示，为第一重整微发生器8和第二重整微发生器9结构示意图，包括壳体和设置于壳体内腔中的重整微发生器组件，重整微发生器组件设置5组，壳体上设有用于调整左盖10和右盖11相对同轴转动的装置(图中未示出)。需要说明的是，重整微发生器组设置的组数不限于举例，只要设置一组以上即可实现本实用新型目的，根据使用目的和制造成本及实施方便性，一般设置1～30组为宜，优选2～8组。重整微发生器组件由左盖10、右盖11和设置于左盖10与右盖11之间的组件盘12组合构成，左盖10、右盖11和组件盘12设为圆盘状，使左盖10和右盖11直径相等且大于组件盘12的直径，并在左盖10和右盖11的中心设有贯通孔，用于反应介质的进出。在左盖10的右侧面边缘处设置向右凸起的第一凸起边沿1001，在左盖10的右侧面中部设置与组件盘12半径相等的凸起短圆柱1002，使短圆柱1002的周向圆周壁与第一凸起边沿1001的内侧壁之间留有间隙。
短圆柱1002的右端面设有中心凹槽1003、圆形凹槽1004和半圆形凹槽1005，中心凹槽1003设有一个且设置在短圆柱1002右端面中心位置，圆形凹槽1004设置在中心凹槽1003的外侧，半圆形凹槽1005设置在短圆柱1002的边缘，中心凹槽1003的边缘设有均匀分布的6个半圆形槽，圆形凹槽1004设置12个且沿以中心凹槽(1003)为中心的正6边形的各边均匀分布，半圆形凹槽1005设置12个，使每个半圆形凹槽1005和相邻的圆形凹槽1004之间的最小距离均相等，并使相邻的中心凹槽1003、圆形凹槽1004、半圆形凹槽1005相互之间的最小距离要小于圆形凹槽1004的半径。
在右盖11的左侧面边缘处设有向左凸起的且与左盖10上的第一凸起边沿1001对称的第二凸起边沿1101。使用连接柱13把组件盘12与右盖11固定连接，连接柱13可以设置一个或多个，组件盘12的右侧面与右盖11的左侧面之间以及组件盘12的周向圆周壁与右盖11上的第二凸起边沿1101的内侧壁之间均留有间隙。在组件盘12的左端面设置与短圆柱1002的右端面相同的凹槽结构。当左盖10、组件盘12和右盖11组装成重整微发生器组件时，左盖10上的第一凸起边沿1001与右盖11上的第二凸起边沿1101实现密封贴合，短圆柱1002的右端面与组件盘12的左端面实现密封贴合。
当左盖10和组件盘12上的各凹槽处于对称位置时，左盖10和组件盘12上的各凹槽配合形成多个封闭的射流腔，左盖10中部的贯通孔与右盖11中部的贯通孔因射流腔封闭不连通，当左盖10和右盖11相对旋转一定角度时，如30度，左盖10右侧面的各凹槽和组件盘12左侧面的对应凹槽相互错开，由于各凹槽之间的距离小于圆形凹槽1004的半径，使各微型反应釜罐腔相互连通，并通过右盖11和左盖10与组件盘12之间因设有间隙形成的通道，使左盖10中部的贯通孔与右盖11中部的贯通孔这间通过形成有效通路，参与反应的液态介 质和气态介质由左盖10中部的贯通孔进入重整微发生器组件并在各射流腔中进行碳氢化合重整，重整后的介质经组件盘12与左盖10和右盖11之间形成的通道由右盖11中部的贯通孔，进入下一重整微发生器组件或流出重整微发生器。需要说明的是，通过调整左盖10和组件盘12同轴旋转的相对角度、介质的流量、液压、温度及运动粘度等技术参数，可有效控制碳氢化合重整的效果，使其符合使用目的。通常使用情下，液体介质压力范围为0.01Mpa～100Mpa，优选0.02Mpa～10Mpa；液体介质流量范围为0.01升/分钟～100升/分钟，优选0.1升/分钟～30升/分钟；液体介质运动粘度范围：0.20mm2/s～180.00mm2/s，优选0.50mm2/s～180.00mm2/s；气体介质运动粘度范围为1.00mm2/s～110.00mm2/s，优选1.20mm2/s～30.00mm2/s。
重整触媒液n1 702可以是具有液化性质的碳氢化合物的链烷烃，但不限于此，液体溶剂也没有限定，作为实施例，可以是量子碳素、石蜡、环状烃、芳香烃、醇类、酚类、醚类、酮类、酯类以及它们的组合体，作为量子碳素CΦ，溶质粒径为0.6nm～100nm，溶质粒子含量≧0.1％，溶液ORP为280mv～380mv，电导率σ为1～5ms/cm，pH值为1.5～3.2；作为石蜡，可以是正己烷、正庚烷、正辛烷、正壬烷、正癸烷以及它们的异构体；作为环状烃，可以是环戊烷、环己烷、甲基环己烷；作为芳香烃，可以是苯、甲苯、乙苯、邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯、异丙基苯、萘、蒽、联苯；作为醇类，可以是甲醇、乙醇、二乙二醇、1-丙醇、异丙醇、甘油、正丁醇、2-丁醇、异丁醇、叔丁醇、1-戊醇、2_甲基-1_丁醇、3-甲基-1_丁醇、2-甲基-2-丁醇、环己醇、二乙二醇、聚乙二醇、聚甘油；作为酚类，可以是苯酚、邻甲酚、间甲酚、对甲酚；作为醚类，可以是乙醚、乙丙醚、乙丁醚；作为酮类，可以是丙酮、甲乙酮、二乙基酮；作为酯类，可以是甲酸甲酯、甲酸乙酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、丁酸甲酯。为了提高触媒催化效果，优选使用碳原子数为1～10的有机溶剂，可以是正辛烷、正壬烷、正癸烷等石蜡类溶剂以及苯、甲苯、二甲苯、萘等芳香族类溶剂，其中优选碳原子数为1～5的醇以及碳原子数为5～10的芳香烃，最优选1-丁醇和二甲醚，特别是通过使用二甲醚能够进一步提高本实用新型制备高热值燃气的产率和热值，且溶剂可以循环利用。
增溶固化填充层703是由具有氧化作用的固体催化材料组成，作为实施例，图5中设置两层，也可以设置多层，所使用的固体催化材料没有限定，作为实施例可以使用量子碳素、钛、铁、铝、硅、锆、锰、钻、镍、钨、铜、铈、银、铂、钯、铑、金、铱、钌其中的一种或几种，或者由它们的金属化合物组成。增溶固化填充层703采用的固体催化剂最好为粒状并用支撑架支承，支撑架的结构没有限定，以能够支撑粒状固定催化剂使气体和液体可以进行双向流动即可。在能够在支承填充物的前提下，支撑架的开口率越大越好，这样既能支撑 填充物，又能减少对气液的阻力。支撑架的结构可以使用格子状的栅网、多孔板、波形多孔板等，理想状态下的固体催化剂粒径为1mm～10mm，孔通率50％-80％，最佳粒径为3mm～5mm，孔通率为60％-70％。
如图17至图26所示，作为本实用新型制备高热值燃气的实施设备的第二种实施方式，与第一种实施方式不同的是重整微发生器组件的结构不同，本实施方式在第一种实施方式的基础上，左盖10与组件盘12上的圆形凹槽1004设置为36个，并让圆形凹槽1004沿以中心凹槽1003为中心的2个同心正6边形的各边均匀分布，同时把半圆形凹槽1005设置为18个，同样使每个半圆形凹槽1005和相邻的圆形凹槽1004之间的最小距离均相等，并使相邻的中心凹槽1003、圆形凹槽1004、半圆形凹槽1005相互之间的最小距离均小于圆形凹槽1004的半径，这种结构设计增加了左盖10和组件盘12组合形成的射流腔个数，使碳氢化合重整效果进一步增强。进一步的，还可继续增设圆形凹槽1004的个数，使其沿以中心凹槽1003为中心的多个同心正6边形的各边均匀分布，并相应的增设半圆形凹槽1005的数量，使其与最外侧正6边形各边上的圆形凹槽1004数的各相等。
如图27至图36所示，作为本实用新型制备高热值燃气的实施设备的第三种实施方式，与第二种实施方式不同的是，重整微发生器组件的左盖10和组件盘12上的中心凹槽1003边缘的半圆形槽均匀设置5个，左盖10与组件盘12上的圆形凹槽1004设置为25个，并让圆形凹槽1004沿以中心凹槽1003为中心的2个同心正5边形的各边均匀分布，同时把半圆形凹槽1005设置为15个，同样使每个半圆形凹槽1005和相邻的圆形凹槽1004之间的最小距离均相等，使相邻的中心凹槽1003、圆形凹槽1004、半圆形凹槽1005相互之间的最小距离均小于圆形凹槽1004的半径。进一步的，还可继续增设圆形凹槽1004的个数，使其沿以中心凹槽1003为中心的多个同心正5边形的各边均匀分布，并相应的增设半圆形凹槽1005的数量，使其与最外侧正5边形各边上的圆形凹槽1004数的各相等。
如图37至图46所示，为本实用新型制备高热值燃气的实施设备的第四种实施方式，与前三种种实施方式不同的是，重整微发生器组件的左盖10与组件盘12上的中心凹槽1003边缘的半圆形槽均匀设置7个，左盖10与组件盘12上的圆形凹槽1004设置为35个，并让圆形凹槽1004沿以中心凹槽1003为中心的2个同心正7边形的各边均匀分布，同时把半圆形凹槽1005设置为21个，同样使每个半圆形凹槽1005和相邻的圆形凹槽1004之间的最小距离均相等，使相邻的中心凹槽1003、圆形凹槽1004、半圆形凹槽1005相互之间的最小距离均小于圆形凹槽1004的半径。进一步地也可以继续增设圆形凹槽1004的个数，使其沿以中心凹槽1003为中心的多个同心正7边形的各边均匀分布，并相应的增设半圆形凹槽1005的 数量，使其与最外侧正7边形各边上的圆形凹槽1004数的各相等。
本实用新型制备高热值燃气的实施设备中的重整微发生器组件的凹槽结构设计不限于上述举例，可以把左盖10和组件盘12上的中心凹槽1003的边缘设计成均匀分布的x个半圆形槽，x≥3，相应的，圆形凹槽1004的设置个数为x的倍数，并使其沿以中心凹槽1003为中心的y个同心正x边形的各边均匀分布，y≥1，半圆形凹槽1005的设置个数等于最外侧正x边形各边上的圆形凹槽1004数之和，并使每个半圆形凹槽1005和相邻的圆形凹槽1004之间的最小距离均相等，相邻的中心凹槽1003、圆形凹槽1004、半圆形凹槽1005相互之间的最小距离均小于圆形凹槽1004的半径。另外，重整微发生器组件的左盖10、右盖11和组件盘12的形状也不限于圆盘状，也可以设计成其他类似结构，只要能够在左盖10相对于右盖11和组件盘12同轴旋动时，使左盖10和组件盘12上的各凹槽组合形成的射流腔相互连通就可实现本实用新型目的。
使用本实用新型制备高热值燃气使用的水可以是纯净水、自来水，也可以是加入定量KOH或NaOH的电解液，电解液浓度保持在1％～35％之间。水或电解液通过进料口进入水离子电解装置2进行水离子化电离，水或电解液被电离成为质子水合物H3O+和氢氧根离子OH-，质子水合物H3O+和氢氧根离子OH-和液体的混合体进入气液分离装置3中，液体部分通过热交换装置5进行热交换，将液体温度控制在-10°～+50°之间，并经过滤部分4除去杂质后回流到水离子电解装置2中继续电离，气态离子物部分被输送到压力平衡分配装置6中对气态的参数进行点检，包括气体输送压控制、微量水分子分离等，点检合格的气态离子物经压力平衡分配装置6被输送到碳氢化合重整系统。
点检合格的气态离子物经第一进口801第一重整微发生器8，并通过第二进口802由流量控制泵从反应釜罐体7的内腔中提取重整触媒液n1 702输送到整微发生器8中，使气态离子物与重整触媒液n1 702进行第一次气液碳氢化合重整，重整后的介质混合物从第一出口803进入到反应釜罐体7的内腔中；同时，从第三进口输送重整催化剂n2到第二重整微发生器9中，并由另一定量控制泵从反应釜罐体7的内腔中提取重整触媒液n1 702输送到整微发生器9中，使重整催化剂n2与重整触媒液n1 702进行第一次碳氢化合重整，重整后的介质混合物从第二出口903进入到反应釜罐体7的内腔中。经过第一重整微发生器8和第二重整微发生器9的第一次的气液碳氢化合重整后，重整后的碳氢化合物结构体在反应釜罐体7中再通过一层或多层增溶固化填充层702与其中的固体催化剂进行第二次催化重整，即可获得本实用新型制备的高热值燃气。经压力控制表706、温度控制表705、安全控制阀704进行数据采集处理后可由出气口输送到燃烧装置或储备装置。
众所周知，水合氢离子指的是氢原子在失去电子后，剩余由1个质子构成的核，即氢离子。氢离子是“裸露”的质子，半径很小，易被水分子吸引生成水合氢离子H3O+，也称质子水合物。水合氢离子的通式为[H(H3O)n]+式中n为正整数，要单纯地使H+从酸分子中电离出来，需要巨大的能量，因此，H+在水溶液里总是以H3O+形式存在，H+和H2O结合成H3O+离子，可放出巨大能量695KJ/mol，这些巨大的水合能量补偿了H+从酸分子中电离出来所需的能量，而使酸的电离成为可能。它随溶液的酸度和温度而变酸度越大，水化H3O+离子迅速饱和，而使n值下降；同样，温度越高，质子传递速度越快，便没有足够的时间来形成较完全的水化H3O+离子，因而，n值也随之下降。使用本实用新型所述设备制备高热值燃气充分利用水合氢离子性质，将电离出的质子水合物H3O+和氢氧根离子OH-进行化合重整，通过重整触媒催化，制备出安全高效高热值的新型燃气。其制备原理：
水的电离子：
电离出的H3O++HO-质子水合物和氢氧根离子的混合物质与烃烷结合重整：
链烷烃，其通式为CnH2n+2(n>＝1)，n为碳原子数，在常温下，含有1～4个碳原子的烷烃为气体；含有5～8个碳原子的烷烃为液体。重整化合是复杂的反应过程。不同的碳素参与重整得到不同的结构体。本实施例中重整气体的发生和燃烧体制的结果举例如下：
本实施例中重整触媒液n1和重整催化剂n2分别选用n＝3和n＝6的碳氢化合物。量子碳素Cф作为触媒催化作用，反应如下：
得到新型结构体。当n＝3时：
当n＝6时：
(Cф)表示上述反应均是在含有量子碳素Cф的量子碳素液作为触媒催化剂存在的情况下进行的，同时让两个反应得到的结构体进行再混合重整得到：
电离子混合气体重整的发生和燃烧体制如图47说明。
从混合气体的分子式可以得知，氢及水合氢离子被安定的重整合成，形成新的多重碳氢结构体分子气体。按本实施例中制备的多重碳氢结构体分子气体进行了气体成分分析。如表1所示：
表1.按本实施例制备的多重碳氢结构体分子气体成分分析表
| 成分 | 重整前电离气体％ | 重整混合气体％ | 备注 |
| H2 | 66.39 | 39.49 | |
| O2 | 33.55 | 19.04 | |
| N2 | 0.06 | 0.03 | |
| CH4 | ND | 4.05 | |
| CO | ND | ND | 没有检出 |
| CO2 | ND | ND | 没有检出 |
| C2H6 | ND | 0.50 | |
| C3H8 | ND | 11.59 | |
| C3H6 | ND | 0.04 | |
| i-C4H10 | ND | 0.55 | |
| n-C4H10 | ND | 2.68 | |
| 1-C4H8+i-C4H8 | ND | 0.07 | 分子团结合紧密 |
| t-2-C4H8 | ND | 0.21 | |
| c-2-C4H8 | ND | 0.25 | |
| 1,3-C4H6 | ND | 0.16 | |
| i-C5H12 | ND | 6.82 | |
| n-C5H12 | ND | 4.49 | |
| C6up | ND | 10.06 | |
| 合计％ | 100.00 | 100.00 | |
| 燃值Kcal/m3 | 2263 | 31000 |
其中，i-C4H10为异丁烷、n-C4H10为正丁烷、1-C4H8+i-C4H8为正丁烯何异丁烯的混合物，测量气体中，发现1-C4H8(1-丁烯)正丁烯和i-C4H8异丁烯不能分离，因此将两者之间用“+”表示、t-2-C4H8为反-2-丁烯、c-2-C4H8为顺-2-丁烯、i-C5H12为异戊烷、n-C5H12为正戊烷。
从气体成分的组成可知，气体的重整得到不同的分子团，没有硫S和氮N的成分。因此燃气燃烧时不会产生硫化物和氮氧化物。碳素属于低碳环保型。同时，水合氢离子的作用，氢有了载体，部分合成多种碳氢基团，部分由离子键附着其它分子团。氢的活性和燃烧极限被约束。本实用新型制备的混合气体的燃烧极限实验证明，新的多重碳氢结构体分子气体的性质接近于天然气气体性质。同时，对气体进行了热值测试，结果表明，重整前的氢氧混合气体的热值较低。因此，直接电解氢氧气体的应用受到很大的限制。重整后，每立方重整混合气的热值为31000大卡(Kcal/m3)。这证明，本实用新型所述设备制备高热值燃气充分利用水合氢离子的性质和在低碳素触媒催化作用下的重整，得到高热值混合气。所以，使用本实用新型所述的设备制备的气体属于安全环保型的高热值燃气气体。
本实用新型的高热值燃气对于其它类型的燃料，进行了热值的对比以及二氧化碳排放量相对削减程度。如表2所示：
表2.不同燃料的热值以及二氧化碳排放量比较
| 燃料种类 | 数量KG | 热值Kcal | CO2减排量％ |
| LPG | 1 | 11000 | 20 |
| 重油 | 1 | 10000 | 75 |
| 柴油 | 1 | 9600 | 60 |
| 煤炭 | 1 | 5000 | 90 |
| 电能 | 1KW | 860 | 折算 |
| 天然气 | 1 | 8000 | 20 |
| 制备的混合气 | 1 | 31000 | 小于5％ |
表中显示制备的混合气的热值高于现有大量应用中的常规燃料的热值。废气排放量也是大幅度的削减。
本实用新型制备的混合气不限于上述举例(重整触媒催化剂选用n＝3和n＝6的碳氢化合物)。不同的应用对象和需求，采纳不同的n值，得到不同的气体性质和热值。
n值范围为：0≤n≤30；最佳值：1≤n≤10。
重整触媒催化剂参与重整比例为：
电解离子气体(W)、触媒(n1)、催化剂(n2)
W:n1：n2＝1：0.001～0.5:0.1～1.5
最佳值：W:n1：n2＝1：0.01～0.1:0.5～1.2
使用本实用新型的设备制备的重整气体为安全性高，环保性好，高热值燃气。制备过程是通过控制系统及PLC，对电解水离子进行二次重整，并定量提供触媒1和触媒2的重整反应，得到新型燃气。
一种采用本实用新型的设备制备高热值燃气的方法，包括如下步骤：将水通入权利要求1的高热值燃气设备中，在重整触媒液n1和重整催化剂n2的作用下，水电离得到的质子水合物H3O+和氢氧根离子HO-的混合物W，与重整触媒液n1和重整催化剂n2中的烷烃重整结合，生成高热值燃气；
质子水合物H3O+和氢氧根离子HO-的混合物W、重整触媒液n1和重整催化剂n2的体积比为1：0.001-0.5：0.1-1.5；
重整触媒液n1为化学式为CxHyOz或CnH2n+2的液体物质与含有量子碳素Cф的量子碳素液的混合物，其中x、y、z≧0，n>0，化学式为CxHyOz或CnH2n+2的物质与量子碳素液的体积比为0.001-0.5：0.0001-0.001；
重整催化剂n2为化学式为CaHbOc或CnH2n+2的液体物质与含有量子碳素Cф的量子碳素液的混合物，其中a、b、c≧0，n>0，化学式为CaHbOc或CnH2n+2的物质与量子碳素Cф的体 积比为0.1-1.5：0.0001-0.001；
其中，量子碳素Cф包括粒径为0.6-100nm的碳素粒子，碳素粒子为单碳和/或石墨烯粒子，在碳素粒子的表层具有含有碳、氢、氧、氮的化合物，含有碳、氢、氧、氮的化合物包括稠环芳烃、含有碳氧单键的化合物、含有碳氧双键的化合物、含有碳氢键的化合物；
含有量子碳素Cф的量子碳素液为含有量子碳素的水溶液，浓度为0.1％-0.45％，量子碳素液的ORP为280mv-380mv、电导率σ为1～5ms/cm、电动势为280mv～380mv、pH值为1.5-3.2。
一种的制备高热值燃气的方法，其中，0≤n≤30；重整触媒液n1中0≤x、y、z≤15，重整催化剂n2中0≤a、b、c≤12；量子碳素由如下质量百分比的碳素粒子构成：0.6≤粒径≤0.9nm的碳素粒子50％～95％、0.9＜粒径＜50.0nm的碳素粒子10％～50％、50≤粒径≤100nm的碳素粒子0％～20％；含有碳、氢、氧、氮的化合物为稠环芳烃、含有碳氧单键的化合物、含有碳氧双键的化合物、含有碳氢键的化合物的一种或几种的混合物，其中各元素比例为：C 45％～55％，H 0.2％～2.0％，N 0.1％～0.3％，O 45％～65％。
元素分析结果采用美国EAI公司CE-440型快速元素分析仪得到的，分析精度：0.15％，分析准确度：0.15％，比例关系可以看出，量子碳素粒子整体上含氧基团的数目很高。
更优选的是，稠环芳烃结构中的碳元素content 0.433，结构式如下(不限于以下结构式)：
优选的是，碳氧单键结构中的碳元素结构式content 0.335如下(不限于以下结构式)：
优选的是，碳氧双键结构中的碳元素结构式content 0.232如下，(不限于以下结构式)：
量子碳素中的各元素比例为：C 50.19％，H 0.42％，N 0.22％，O 49.17％时。量子碳素中的碳元素是稠环芳烃结构碳，质量百分比为43.3％，碳氧单键结构中的碳元素质量百分比为33.5％，碳氧双键结构中的碳元素质量百分比为23.2％。碳氧单键结构中的氧元素质量百分比为54.3％，碳氧双键结构中的氧元素质量百分比为45.7％。量子碳素液的特性指标为：ORP为360mv、电导率σ为2.0ms/cm、pH值为2.2、浓度为0.40％。
纯净的碳粒子表面应该是碱性的，因为其的微晶表面是由巨大的芳香稠环结构组成的，这是路易斯碱，在水中易吸收氢离子而使周围液体呈碱性，酸性只是在表面键合氧到一定程度抵消路易斯碱性后出现的，pH值就是碳纳米粒子表面含氧量的标志，pH值的高低主要取决于碳纳米粒子表面含氧基团的数目。
图47为电化学阳极氧化装置的阳极氧化合成反应过程，从中可以看出液体水在纳米微泡的作用下有大量的O2氧原子基团以及H+、OH-离子等基团产物，石墨碳在电化学阳极氧化过程中，产生碳碳键断裂形成大量的碳悬键，在于液态中的原子以及离子基团结合时，形成了图中示意的碳烯表面各基团的化学修饰图。
图48为一张采用美国尼高力AVATAR 360ESP FT-IR仪器量子碳素液进行红外光谱(IR)分析结果，发现红外谱图与纯水的谱图基本一致，这表明碳纳米的水悬浮液中除水外不含其他溶剂；
图49为另一张采用美国尼高力AVATAR 360ESP FT-IR对量子碳素粒子进行红外光谱(IR)分析结果，发现3434cm-1处的峰应为吸附水中的羟基－OH吸收峰；1701cm-1处的吸收峰在表面羧基上的C＝O基的特征吸收峰；1449cm-1和861cm-1是碳碳双键C＝C的吸收区域；1232cm-1处是表面羧基中的-OH Rocking bending变形振动吸收峰；
图50为采用气相色谱与质谱联用检测实施例2样品的结果，气相色谱和质谱的共同联用分析，色谱检测的成分只有一种(色谱只有一个峰)，对照两种检测物出现峰的时间可知，样品的主要成分一样，再根据质谱分析，可知主要成分是正辛烷C8H18；
图51为苯六甲酸的国际标准红外吸收谱图；
图52为实施例3样品的红外吸收光谱分析结果，与苯六甲酸的国际标准吸收谱对照可知样品的成分结构为苯六甲酸物质。
图53石墨碳(carbon graphite)的XRD标准卡片图，卡片号为75-1621。
图54为采用日本理学Rigaku公司的Automated D/Max B型衍射仪对量子碳素液中的固体物质进行检测的结果图，X射线衍射分析(XRD)分析中可以看出，XRD标准卡片得知量子碳素液中的物质为石墨。
图55为量子碳素粒子X射线光电子能谱(XPS)分析图，日本真空(ULVAC-PHI)公司扫描成像、X射线光电子能谱(PHI Quantera)结果中可以看出对于表面碳氧相对含量的分析采用原子灵敏度因子法测量，可算出量子碳素粒子表面的碳和氧的质量百分比为59.8％和40.2％；
图56为对量子碳素粒子中的C 1s进行窄谱分析(电子能谱分析)图；从中可以看出，碳元素主要以稠环芳烃结构碳(代号1)存在，质量百分比为43.3％，碳氧单键结构(代号2)中的碳元素质量百分比为33.5％，碳氧双键结构(代号3)中的碳元素质量百分比为23.2％。
图57对量子碳素粒子中的O 1s进行窄谱分析(电子能谱分析)图；量子碳素中的所有氧元素中，碳氧单键结构(代号1)中的氧元素质量百分比为54.3％，碳氧双键结构(代号2)中的氧元素质量百分比为45.7％。
优选的是，0≤n≤30；重整触媒液n1中0≤x、y、z≤15，重整催化剂n2中0≤a、b、c≤12。
更优选的是，0≤n≤10；重整触媒液n1中x、y、z为1-9之间的正整数，且为奇数，重整催化剂n2中a、b、c为2-8之间的正整数，且为偶数；质子水合物H3O+和氢氧根离子HO-的混合物W、重整触媒液n1和重整催化剂n2的体积比为1：0.01-0.1：0.5-1.2；重整触媒液n1中，化学式为CxHyOz或CnH2n+2的物质与量子碳素Cф的体积比为0.01-0.1：0.001-0.01；重整催化剂n2中，化学式为CaHbOc或CnH2n+2的物质与量子碳素Cф的体积比为0.5-1.2：0.001-0.01。
试验证明，上述数值范围均符合要求，试验结果都得到了与具体实例相似的结论。
优选的是，重整触媒液n1中化学式为CxHyOz或CnH2n+2的物质为石蜡、环状烃、芳香烃、醇类、酚类、醚类、酮类、酯类中的一种或几种的混合物。
更优选的是，石蜡为正己烷、正庚烷、正辛烷、正壬烷、正癸烷、以及它们的异构体中的一种或几种的混合物；环状烃为环戊烷、环己烷、甲基环己烷中的一种或几种的混合物； 芳香烃为苯、甲苯、乙苯、邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯、异丙基苯、萘、蒽、联苯中的一种或几种的混合物；醇类为甲醇、乙醇、二乙二醇、l-丙醇、异丙醇、甘油、正丁醇、2-丁醇、异丁醇、叔丁醇、1-戊醇、2-甲基-1-丁醇、3-甲基-1-丁醇、2-甲基-2-丁醇、环己醇、二乙二醇、聚乙二醇、聚甘油中的一种或几种的混合物；酚类，可以是苯酚、邻甲酚、间甲酚、对甲酚中的一种或几种的混合物；醚类为乙醚、乙丙醚、乙丁醚中的一种或几种的混合物；酮类为丙酮、甲乙酮、二乙基酮中的一种或几种的混合物；酯类为甲酸甲酯、甲酸乙酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、丁酸甲酯中的一种或几种的混合物。
试验证明，上述物质均符合要求，试验均得到了相似的结论。
使用本实用新型的设备制备的高热值燃气和重油燃料进行燃烧节能以及CO2排放比较如表3和表4所示，在某农场10000m2温室进行同等条件下运行供热得到如下对比数据：
表3.制备的高热值燃气和重油燃料进行燃烧节能比较
表4.制备的高热值燃气和重油燃料进行CO2排放比较
注：本表CO2排放系数是采用国家IPCC二氧化碳排放系数标准
本实用新型所述设备制备的高热值燃气和重油燃料进行燃烧比较如表5和表6所示，在某温泉度假村，用两种燃料进行同等条件下运行供热得到如下对比数据：
表5.制备的高热值燃气和重油燃料进行燃烧节能比较
表6.制备的型高热值燃气和重油燃料进行CO2排放比较
注：本表CO2排放系数是采用国家IPCC二氧化碳排放系数标准
实际例子表明，使用本实用新型的设备制备的的高热值燃气清洁能源和现有的任何常规燃料比较都有十分优秀的节能减排效果。从燃烧实绩可知，相对常规燃料而言，节能和经济性均能节省50％以上；有效控制NOX、SOX、CO2等有害气体的排放，燃烧排放均能减排60％以上。本实用新型不限于上述举例，可适用于燃烧领域所有应用。如，常规商用燃烧；高压燃料储罐；液化储运等等。
以上的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种制备高热值燃气的实施设备，其特征在于：包括控制系统、水离子电解系统、碳氢化合重整系统，所述控制系统用于对时间、压力、温度、物料供给进行数据采集并进行自动管理，水离子电解系统与碳氢化合重整系统连通。
2.根据权利要求1所述的制备高热值燃气的实施设备，其特征在于：所述水离子电解系统包括水离子电解装置(2)、气液分离装置(3)、过滤装置(4)、热交换装置(5)、压力平衡分配装置(6)；所述水离子电解装置(2)设有进料口(201)、第一连通口(202)和第二连通口(203)，气液分离装置(3)设有第三连通口(301)、第四连通口(302)和第五连通口(303)，压力平衡分配装置(6)设有第六连通口(601)和出料口(602)；水离子电解装置(2)与气液分离装置(3)通过第一连通口(202)和第三连通口(301)使用管道连通，水离子电解装置(2)和气液分离装置(3)分别通过第二连通口(203)和第四连通口(302)使用管道与过滤装置(4)连通，气液分离装置(3)与压力平衡分配装置(6)通过第五连通口(303)和第六连通口(601)使用管道连通，热交换装置(5)与气液分离装置(3)连通用于控制气液分离装置(3)中的介质温度，出料口(602)用于和碳氢化合重整系统连通。
3.根据权利要求1所述的制备高热值燃气的实施设备，其特征在于：所述碳氢化合重整系统包括重整反应罐(7)、第一重整微发生器(8)、第二重整微发生器(9)，重整反应罐(7)设有罐体(701)，罐体(701)的内腔中设有重整触媒液n1(702)和增溶固化填充层(703)，增溶固化填充层(703)至少设置两层并由固定在罐体(701)内腔壁的支承架支承，罐体(701)上设有出气口(704)；
第一重整微发生器(8)设有第一进口(801)、第二进口(802)和第一出口(803)，第二重整微发生器(9)设有第三进口(901)、第四进口(902)和第二出口(903)，第一重整微发生器(8)的第二进口(802)和第一出口(803)分别与罐体(701)的内腔连通，第二重整微发生器(9)的第四进口(902)和第二出口(903)分别与罐体(701)的内腔连通，第二进口(802)和第四进口(902)与罐体(7)内腔连通的位置设在最下层的增溶固化填充层(703)的上部，第一出口(803)和第二出口(903)与罐体(701)内腔的连通位置设在最下层的增溶固化填充层(703)的下部，第二进口(802)和第四进口(902)与罐体(7)内腔连通的管路上分别设有流量控制泵；第一进口(801)与水离子电解装置(2)中的压力平衡分配装置(6)上的出料口(601)连通，第三进口(901)用于向第二重整微发生器(9)中通入重整催化剂n2；
罐体(701)上还设有安全控制阀(705)、温度控制表(706)、压力控制表(707)。
4.根据权利要求2所述的制备高热值燃气的实施设备，其特征在于：所述水离子电解装置(2)包括外壳和设置于外壳内腔中的电解主体，外壳由左侧壁、右侧壁和设置于左侧壁与右侧壁之间的筒状周壁组成，左侧壁、右侧壁与筒状周壁由绝缘材料制成，左侧壁的右面镶嵌有第一电极板(204)，右侧壁的左面镶嵌有第二电极板(205)，第一电极板(204)和第二电极板(205)上分别设有用于与直流电源连接的接线柱；进料口(201)和第二连通口(203)设置在左侧壁上，第一连通口(202)设置在右侧壁上；电解主体由1～1000付电解单元付组成，电解单元付是由第三电极板(206)和第四电极板(207)组合构成的电容，左侧壁、第三电极板(206)、第四电极板(207)和右侧壁彼此之间均设有隔离垫圈(208)，第三电极板(206)和第四电极板(207)的中心分别设有用于穿入绝缘棒(209)的第一通孔(210)，绝缘棒(209)用于将第三电极板(206)和第四电极板(207)固定，第三电极板(206)和第四电极板(207)上还分别设有至少一个第二通孔(211)。
5.根据权利要求4所述的制备高热值燃气的实施设备，其特征在于：所述电解主体包括10～500付电解单元付，所述第三电极板(206)和第二电极板(207)上的第二通孔(211)分别沿第三电极板(205)和第二电极板(207)的周向均匀设置四个，第三电极板(206)上的第二通孔(211)与相近的第四电极板(207)上的第二通孔(211)的相位差角度为45°
6.根据权利要求3所述的制备高热值燃气的设备，其特征在于：所述第一重整微发生器(8)和第二重整微发生器(9)结构相同，第一重整微发生器(8)和第二重整微发生器(9)包括壳体和设置于壳体内腔中的1～30组重整微发生器组件，所述重整微发生器组件由左盖(10)、右盖(11)和设置于左盖(10)与右盖(11)之间的组件盘(12)组合构成，左盖(10)、右盖(11)和组件盘(12)均为圆盘状，左盖(10)和右盖(11)直径相等且大于组件盘(12)的直径，左盖(10)与右盖(11)的中心均设有贯通孔，壳体上设有用于调整左盖(10)和右盖(11)相对同轴转动的装置；
左盖(10)的右侧面边缘处设有向右凸起的第一凸起边沿(1001)，左盖(10)的右侧面中部设有向右凸起的与组件盘(12)半径相等的短圆柱(1002)，短圆柱(1002)的周向圆周壁与第一凸起边沿(1001)的内侧壁之间设有间隙，短圆柱(1002)的右端面设有中心凹槽(1003)、圆形凹槽(1004)和半圆形凹槽(1005)，中心凹槽(1003)设置一个且设置在短圆柱(1002)右端面中心位置，圆形凹槽(1004)设置在中心凹槽(1003)的外侧，半圆形凹槽(1005)设置在短圆柱(1002)的边缘，中心凹槽(1003)的边缘设有均匀分布的x个半圆形槽，x≥3，圆形凹槽(1004)的设置个数为x的倍数且沿以中心凹槽(1003)为中心的y个同心正x边形的各边均匀分布，y≥1，半圆形凹槽(1005)的设置个数等于最外侧正x边形各边上的圆形凹槽(1004)数之和，每个半圆形凹槽(1005)和相邻的圆形凹槽(1004)之间的最小距离均相等，相邻的中心凹槽(1003)、圆形凹槽(1004)、半圆形凹槽(1005)相互之间的最小距离小于圆形凹槽(1004)的半径；
右盖(11)的左侧面边缘处设有向左凸起且与左盖(10)上的第一凸起边沿(1001)对称的第二凸起边沿(1101)，组件盘(12)与右盖(11)通过连接柱(13)固定连接，组件盘(12)的右侧面与右盖(11)的左侧面之间设有间隙，组件盘(12)的周向圆周壁与右盖(11)上的第二凸起边沿(1101)的内侧壁之间设有间隙；
组件盘(12)的左端面设有与短圆柱(1002)的右端面相同的凹槽结构；左盖(10)上的第一凸起边沿(1001)与右盖(11)上的第二凸起边沿(1101)密封贴合，短圆柱(1002)的右端面与组件盘(12)的左端面密封贴合。
7.根据权利要求6所述的制备高热值燃气的实施设备，其特征在于：8≥x≥5，6≥y≥2。
8.根据权利要求7所述的制备高热值燃气的实施设备，其特征在于：所述重整触媒液n1(702)由具有液化性质的有机溶剂组成，有机溶剂为量子碳素、石蜡、环状烃、芳香烃、醇类、酚类、醚类、酮类、酯类或者其中两种物质以上的组合体，有机溶剂的碳原子数为1～10；所述重整微发生器组件为2～8组。
9.根据权利要求8所述的制备高热值燃气的实施设备，其特征在于：所述支承架为栅网或多孔板，所述增溶固化填充层(703)由具有氧化作用的固体催化材料组成，固体催化材料为颗粒状，粒径为1mm～10mm，孔通率为50％～80％。
10.根据权利要求9所述的制备高热值燃气的实施设备，其特征在于：所述固体催化材料的粒径为3mm～5mm，孔通率为60％～70％。
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