TWI418701B - Method and use of direct flashing of superheated steam after treatment with water - Google Patents

Description

水經處理後直接閃蒸成過熱蒸汽的方法及用途

本發明水經處理後直接閃蒸成過熱蒸汽的方法及用途，涉及由水轉化成過熱蒸氣的能源領域，涉及水經處理後直接閃蒸成過熱蒸氣的管式氣爐法及用途。

由水轉化成蒸氣儘管所用能源不同，但基本上都是傳統的鍋爐方法。為了增加鍋爐的熱效率，傳統的方法主要有以下三種：一種是擴大與水的傳熱面積，設置鍋爐外管或鍋爐內管，如鍋筒式鍋爐；第二種是設置空氣預熱器，省煤器以回收餘熱，降低煙氣溫度；第三種是設置過熱器，將飽和蒸氣通過過熱器再次加熱形成不含水分的過熱蒸氣。傳統的鍋爐方法的原理是完全靠通過燃料燃燒放熱傳熱、吸熱來解決蒸氣所需要的溫度和壓力。靠近傳熱介質的水先變成蒸氣，蒸氣通過克服水分子的內能和鍋水的阻力而沸騰逸出，包含部分水分的蒸氣叫飽和蒸氣。再通過過熱器將其中的水分蒸發掉轉化成不含水分的過熱蒸氣。由於全部的水轉化成過熱蒸氣需要克服鍋爐的熱阻和吸熱損失，克服水分子的內能需要一段較長的時間，因此需要消耗大量的燃料。傳統的鍋爐模式只在提高燃料熱值達到完全燃燒和增加傳熱介質與水的接觸面積，餘熱儘量回收利用，鍋爐熱效率最高達70%左右。從來沒有考慮以改變水分子的狀態入手來採用管式氣爐方法通過提高水的霧化表面積來提高同傳熱介質接觸的傳熱面和傳熱速度達到提高熱效率和節能的目的。

本發明所要解決的技術問題之一在於針對傳統的鍋爐模式所存在的能耗高的問題提供一種水經處理後直接閃蒸成過熱蒸氣的管式氣爐法。

該方法是將水先經高壓靜電場或高梯度磁場進行處理(水的高壓靜電場處理和水的高梯度磁場處理是成熟公開技術，但處理的目的不同)，以減弱水分子的內能，減弱水分子互相結合的氫鍵和靜電引力，使水達到易於分散霧化、易於受熱轉化成過熱蒸氣的狀態。然後採用機械能即通過壓力水泵或液壓裝置、氣壓裝置加壓的方法，將處理後的水經噴嘴轉化成細小的霧滴分散相，以增加霧滴表面積的途徑來增加與傳熱介質接觸的面積。霧滴分散相再通過與熱源爐加熱熱管的冷凝放熱管束區域或有機熱載體管束區域進行熱交換，閃蒸成過熱蒸氣。處理時間非常短，為0.5秒～10秒。是傳統鍋爐的數十倍，這是節能的關鍵。

本發明所要解決的技術問題之二在於提供上述方法的應用。

作為本發明將水經處理後直接閃蒸成過熱蒸氣的管式氣爐法，是將水採用高壓靜電場或高梯度磁場處理，形成電場水或磁場水；目的是減弱水分子的內能，減弱水分子互相吸引的氫鍵鍵能和靜電吸引力，形成水分子容易霧化分散，容易轉化成蒸氣的狀態。然後將電場水或磁場水採用機械方法，即壓力水泵或液壓裝置、氣壓裝置的機械力，將水經噴嘴形成細小的霧滴分散相，目的是通過增加水的表面積來增加水同熱介質的傳熱面積，比鍋爐通過增加內管束或外管束來達到增加換熱面積要高出數十倍到數百倍，此即本發明新穎性之處。最後將所述的霧滴分散相噴至由熱源爐加熱熱管的冷凝放熱管束區域或有機熱載體管束區域內，使之直接快速接觸閃蒸成過熱蒸氣。閃蒸的速度要比鍋爐由水轉化成飽和蒸氣，再轉化成過熱蒸氣要快得多，只需要0.5秒～10秒，目的是提高熱效率和節能。此種方法稱做管式氣爐法。

上述將水採用高壓靜電場處理是將水用直流電壓為1kV～10kV、電流為微安級～毫安培級的高壓靜電場處理1～10min,處理時水溫控制在常溫～80℃；以往的目的是防止鍋爐水結垢或用於灌溉土壤，有利作物吸收。此時的目的使水內聚能量減弱，以達到易於霧化和產生過熱蒸氣。

所述將水採用高梯度磁場處理，處理時間1～10min；其中高梯度磁場的磁場強度為1000高斯-5000高斯，磁場方向N-S或S-N改變次數為5次-15次。水經電場或磁場處理的目的是減弱水分子結合的內能，鬆動水分子互相結合的氫鍵，減弱靜電吸引力。以往的目的同樣是為了防止鍋爐結垢和用於灌溉，此時的目的是使水易於分散霧化和易於產生過熱蒸氣。

本發明形成高梯度磁場的磁極為加工成對應的尖端鋸齒狀，其中尖端鋸齒狀每一齒的齒頂角為30°～90°，齒高為3mm～10mm，齒間距為4mm～10mm。

所述磁鐵為永久磁鐵或電磁鐵。

所述細小的霧滴分散相採用壓力水泵式或液壓裝置、氣壓裝置推動噴嘴噴霧形成，所述噴嘴的噴霧角為30°～90°。

所述細小的霧滴分散相中霧滴直徑為50微米～300微米。

本發明採用機械方法形成細小的霧滴分散相的壓力0.1Mpa。

本發明所述熱管內採用純水、萘、導熱姆-A、非金屬鉀、鈉、硝酸鈉和亞硝酸鈉混合物中的一種作為傳熱工質，有機熱載體管內採用導熱油或聯苯類，已是成熟公開技術。

本發明所述熱管的冷凝放熱管束區域或有機熱載體管束區域為一組或多組管束，總累積長度為10m～50m。

所述熱管的冷凝放熱管區域或有機熱載體管區域皆為管束式。所佔據累積總容積同產生過熱蒸氣管束式所占的總容積之比為1：1─8。

本發明所述熱管的蒸發段用於加熱的熱源爐的燃料為燃煤、燃油、燃氣、燃生物質廢棄物或電能、太陽能集熱熱能中的一種或兩種以上所產生的熱源。

作為本發明將水經處理後直接閃蒸成過熱蒸氣的管式氣爐方法的應用，可用於各種形式的用過熱蒸氣的用戶和通過過熱蒸氣進行熱交換，用各種形式的熱源通過換熱器換熱和傳統鍋爐改造成管式氣爐。鍋爐的承壓部分主要是鍋管和鍋筒，管式氣爐承壓部分為管束。管束的承壓要比管、鍋筒的承壓要大得多、安全得多，金屬材料的消耗要少50%以上。

由於採用了如上的技術方案，本發明採用熱管進行相變吸熱、傳熱、放熱，熱管中的工質在蒸發段受熱相變，由液態蒸發到氣態，並快速傳熱到冷凝放熱段相變成液態放出相變潛熱，其傳熱速度為銅的20多倍。熱管技術已經是成熟公開技術，有機熱載體中的導熱油沸騰點為340℃，經常使用的溫度為250℃-300℃，很安全。250℃產生的對應壓力應為3.8Mpa，但傳統的有機熱載體鍋爐的壓力却為0.5Mpa-1.2Mpa。管式氣爐的壓力能達到4.0Mpa或更高，且很安全。本發明利用機械能，即壓力水泵或液壓裝置、氣壓裝置，將經過高壓靜電場或高梯度磁場處理後的水經噴嘴形成具有一定壓力的細小霧滴分散相直接快速噴至熱管的冷凝放熱管束區域或有機熱載體管束區域內，不經飽和蒸氣階段就能直接形成過熱蒸氣。產生過熱蒸氣的速度非常快，為0.5秒～10秒。形成過熱蒸氣的膨脹壓力是由機械裝置的霧化壓力和過熱蒸氣形成的膨脹壓力所構成。而通過調節細小霧滴分散相的壓力即可調節過熱蒸氣的溫度和壓力。打破了過去蒸氣產生的溫度和壓力只靠鍋爐吸熱、傳熱、放熱產生溫度和增加蒸氣能量密度產生壓力的傳統模式。本發明採用管式氣爐形成過熱蒸氣所消耗的能量總和要比傳統鍋爐同等規模產氣消耗的能量減少了50%以上，顯著節能。同時本發明水經高壓靜電場或高梯度磁場處理後用機械能，即壓力水泵或液壓裝置、氣壓裝置經噴嘴霧化再直接快速接觸熱管束區域放熱端或有機熱載體管束區域能閃速產生過熱蒸氣，比鍋爐形成的過熱蒸氣的速度要高出數十倍之多，因此採用本發明的管式氣爐法要比傳統鍋爐體積減小到50%以上。

本發明產生過熱蒸氣的管式氣爐要比鍋爐單純靠放熱、傳熱、吸熱提高蒸氣的能量密度達到一定溫度和壓力形成過熱蒸氣容易得多，安全得多，操作成本也低得多。

有關本發明之詳細說明及技術內容，現配合圖式說明如下：

請參閱第1圖所示，圖中見悉，係本發明水經處理後直接閃蒸成過熱蒸汽的方法及用途處理流程示意圖，該方法是將水槽10中的水先經高壓靜電場12或高梯度磁場11進行處理(水的高壓靜電場處理和水的高梯度磁場處理是成熟公開技術，但處理的目的不同)，以減弱水分子的內能，減弱水分子互相結合的氫鍵和靜電引力，使水達到易於分散霧化、易於受熱轉化成過熱蒸氣的狀態。然後採用機械能即通過高壓水泵或液壓裝置、氣壓裝置20加壓的方法，將處理後的水經噴嘴霧化30成細小的霧滴分散相，以增加霧滴表面積的途徑來增加與傳熱介質接觸的面積。霧滴分散相再通過與熱源換熱系統40的熱管束或有機熱載體管束區或熱管或有機熱管體進行熱交換，其中熱源係由燃煤、燃油、燃氣、燃生物質廢棄物、電能或太陽能集熱熱能402等提供，形成燃燒爐燃料或熱源放熱401，使熱源換熱器系統40做動，而於熱源換熱器系統40所產生之過熱蒸氣50，其處理時間非常短，為0.5秒～10秒。是傳統鍋爐的數十倍，這是節能的關鍵，以提供用熱設備60所使用。

為了使本發明實現的技術手段、創新特徵、達成目的與功效易於清楚明瞭，下面結合具體實施方式，進一步闡述本發明。

實施例1：

該實施例的水經處理後直接閃蒸成過熱蒸氣的管式氣爐法，是將水採用直流電壓為3000V、電流為100微安培的高壓靜電場處理10min，處理時水溫控制在60℃，形成電場水；本實施例的高壓靜電場，電耗很少，電費很低。然後將電場水採用機械方法經噴霧角為45°的噴嘴噴出形成霧滴直徑為150微米的霧滴分散相，其中機械方法可以用水泵的推動力、液壓系統的推動力、氣壓系統的推動力等常規機械增壓方法來實現，技術成熟，比常規鍋爐通過放熱、傳熱、吸熱增加蒸氣的能量密度來達到增溫增壓所付出的代價要小得多，操作靈活、壓力可調。水泵的推動力、液壓系統的推動力、氣壓系統的推動力的動力可以由變頻電機來實現，推動力可以通過調整變頻電機轉速來實現。該實施例採用高壓水泵來產生推動力，高壓水泵的壓力為2.5Mpa,噴嘴流速為30m/s。如果處理1噸水轉化成過熱蒸氣，水泵電機功率為2.5KW。用5000大卡/Kg煤做燃料，每產生一頓過熱蒸氣耗煤113.2Kg比鍋爐節煤50%以上。

該實施例水泵的推動力加形成過熱蒸氣形成的膨脹力即為過熱蒸氣的出口壓力，傳統鍋爐過熱蒸氣的出口壓力完全靠鍋爐傳熱放熱所產生的壓力。傳統鍋爐過熱蒸氣的出口壓力低壓為0.1Mpa-1.6Mpa，中壓為1.6Mpa-3.82Mpa，高壓為9.8Mpa以上，超高壓為13.7Mpa以上。由於水的臨界壓力為22.13Mpa，接近于水的臨界壓力為亞臨界壓力，大於此數值為超臨界壓力，該實施例的過熱蒸氣的出口壓力可以達4.0Mpa。出口溫度為250℃，熱管內工質為純水。

實施例2：

上述亞臨界壓力、超臨界壓力、超超臨界壓力都有對應的過熱蒸氣溫度，其中水的臨界溫度為374.15℃，過熱蒸氣的亞臨界溫度為538℃，超臨界溫度為566℃，超超臨界溫度達到593℃-600℃或更高。在這個範圍內過熱蒸氣溫度每提高10℃，機組的熱耗就可下降0.25%-0.30%。雖然用常規鍋爐方式達亞臨界溫度、超臨界溫度、超超臨界溫度發電，熱效率高，熱耗低，發電率也高。但該實施例採用同實施例1相同的電磁場資料處理加機械力水泵霧化加熱管技術的管式氣爐法在達到超臨界溫度發電的代價要比傳統鍋爐小得多，熱管中工質用鉀或鈉高溫常壓就能使熱管放熱束管區域溫度很輕鬆達到800℃-900℃，用35MPa的液壓裝置就可將水霧化分散相噴到熱管。冷凝放熱管束區域產生高溫600℃-700℃過熱蒸氣，出口壓力達50MPa，操作成本也會大大降低，節能效果顯著。

將霧滴分散相噴至放熱管的冷凝放熱，管束區域內直接快速接觸閃蒸成過熱蒸氣。本實施例形成過熱蒸氣需要熱管可以為多根，組成一個管束系統，熱管積累總長度為30m，所佔據累積總容積同產生過熱蒸氣所占的總容積之比為1：7。熱管的吸熱蒸發段用於加熱的熱源為油、氣混合做燃料所產生的熱源，油氣比為1：2，油氣燃燒形成的火焰噴入燃燒室，使置於燃燒室上部的熱管下部的受熱段加熱，受熱段溫度控制在800℃以上。

本實施例的管式氣爐法可以改造各種各樣的鍋爐為管式氣爐，利用不同能源的鍋爐，使之節能50%以上，包括超臨界發電鍋爐和核發電鍋爐，比傳統鍋爐節能50%以上。

實施例3：

本實施例的水採用磁場強度為2000高斯的高梯度磁場處理10min，形成高梯度磁場的磁極為10對，N-S、S-N一正一反佈置，高梯度磁場磁場方向N-S或S-N改變次數為10次。磁極加工成對應的尖端鋸齒狀，其中尖端鋸齒狀每一齒的齒頂角為45°，齒高為位5mm，齒間距為6mm。產生的磁場可以是永久磁鐵也可以是電磁鐵。本實施例採用永久磁鐵。應用電磁鐵改變磁場方向選用可逆換向開關通過改變電流方向來達到改變磁場方向的目的。然後將磁場水採用機械力方法經噴霧角為60°的噴嘴噴出形成霧滴直徑為100nm的霧滴分散相，其中機械方法可以用水泵的推動力、液壓系統的推動力、氣壓系統的推動力等常規機械增壓方法來實現，技術成熟，比常規鍋爐通過放熱、傳熱、吸熱來增加蒸氣的能量密度所付出的代價要小得多，操作靈活耳壓力可調。水泵的推動力、液壓系統的推動力、氣壓系統的推動力可以由變頻電機來實現，推動力可以通過調整變頻電機的頻率來調速實現。該實施例採用高壓水泵來產生推動力，高壓水泵的壓力為2.5Mpa,噴嘴流速為50m/s。

將霧滴分散相噴至熱源爐的電加熱導熱油管束的溫度為350℃，同霧滴分散相接觸的導熱油管束區域溫度為300℃，直接快速閃蒸成過熱蒸氣。本實施例形成過熱蒸氣需要導熱油管束累積總長為30m，組成一個管束區域系統，積累總長度30m，組成一個管束區域系統，所佔據累積總容積同產生過熱蒸氣所占的總容積之比為1：4。加熱的熱源為380V、50赫茲的三相電所產生的熱能，使置於導熱油管的下部受熱段加熱，受熱段溫度控制在350℃±10℃以上。

本實施例有機熱載體管內的工質為導熱油(沸點為340℃)，導熱油放熱區域內的溫度為300℃±10℃。耗電為250KW，傳統電鍋爐為750KW。本實施例形成每小時1噸的過熱蒸氣，過熱蒸氣的溫度為250℃±10℃，壓力為4.5Mpa。

綜此，前述說明書中，本發明以特定具體實施例為參考來描述，然而顯然各種的修正與改變都不脫離本創作之寬廣的精神與範圍。而該對應之說明與圖示係用來加以說明而非限制本發明之範疇。因此，表示本發明應涵蓋所有出現在本發明之附加的申請專利範圍與其相等項之修正與變化。

10．．．水槽

11．．．高梯度磁場

12．．．高壓靜電場

20．．．高壓水泵、液壓裝置、氣壓裝置

30．．．噴嘴霧化

40．．．熱源換熱系統

402．．．燃煤、燃油、燃氣、燃生物質廢棄物、電能或太陽能集熱熱能

401．．．燃燒爐燃料或熱源放熱

40．．．熱源換熱器系統

50．．．過熱蒸氣

60．．．用熱設備

第1圖：係本發明水經處理後直接閃蒸成過熱蒸汽的方法及用途處理示意圖。

10．．．水槽

11．．．高梯度磁場

12．．．高壓靜電場

20．．．高壓水泵、液壓裝置、氣壓裝置

30．．．噴嘴霧化

40．．．熱源換熱系統

402．．．燃煤、燃油、燃氣、燃生物質廢棄物、電能或太陽能集熱熱能

401．．．燃燒爐燃料或熱源放熱

40．．．熱源換熱器系統

50．．．過熱蒸氣

60．．．用熱設備

Claims (13)

1. 一種水經處理後直接閃蒸成過熱蒸汽的方法，其特徵是：將水採用高壓靜電場或高梯度磁場處理，形成電場水或磁場水；然後將所述電場水或磁場水採用機械方法形成細小的霧滴分散相，最後將霧滴分散相噴至熱管的冷凝放熱管區域或有機熱載體管區域內，直接閃蒸成過熱蒸氣。
2. 如申請專利範圍第1項所述之水經處理後直接閃蒸成過熱蒸汽的方法，其特徵在於，所述將水採用高壓靜電場處理是用直流電壓為1kV~10kV、電流為微安級~毫安培級的高壓靜電場處理1~10min，處理時水溫控制在常溫~80℃。
3. 如申請專利範圍第1項所述之水經處理後直接閃蒸成過熱蒸汽的方法，其特徵在於，所述將水採用高梯度磁場處理，時間為1~10min；其中高梯度磁場的磁場強度為1000高斯-5000高斯，磁場方向N-S或S-N改變次數為5次-15次。
4. 如申請專利範圍第3項所述之水經處理後直接閃蒸成過熱蒸汽的方法，其特徵在於，形成高梯度磁場的磁極為加工成對應的尖端鋸齒狀，其中每一齒的齒頂角為30°~90°，齒高3mm~10mm，齒間距為4mm~10mm。
5. 如申請專利範圍第3項所述之水經處理後直接閃蒸成過熱蒸汽的方法，其特徵在於，所述磁鐵為永久磁鐵或電磁鐵。
6. 如申請專利範圍第1項所述之水經處理後直接閃蒸成過熱蒸汽的方法，其特徵在於，所述細小的霧滴分散相採用壓力水泵或液壓裝置、氣壓裝置推動噴嘴形成，所述噴嘴的噴霧角為30°~90°。
7. 如申請專利範圍第1項所述之水經處理後直接閃蒸成過熱蒸汽的方法，其特徵在於，所述細小的霧滴分散相中霧滴直徑為50微米~300微。
8. 如申請專利範圍第1項所述之水經處理後直接閃蒸成過熱蒸汽的方法，其特徵在於，採用機械方法形成細小的霧滴分散相的壓力0.1Mpa。
9. 如申請專利範圍第1項所述之水經處理後直接閃蒸成過熱蒸汽的方法，其特徵在於，所述熱管內採用純水、萘、導熱姆-A、非金屬鉀、鈉、硝酸鈉和亞硝酸鈉混合物中的一種作為傳熱工質，所述有機熱載體管內採用導熱油或聯苯類。
10. 如申請專利範圍第1項所述之水經處理後直接閃蒸成過熱蒸汽的方法，其特徵在於，所述熱管的冷凝放熱管束區域或有機熱載體管束區 域總累積長度分別為10m~50m。
11. 如申請專利範圍第3項所述之水經處理後直接閃蒸成過熱蒸汽的方法，其特徵在於，所述熱管的冷凝放熱管束區域或有機熱載體管束區域皆為多根管組合稱管束式，所佔據累積總容積同產生過熱蒸氣管束式所占的總容積之比為1：1-8。
12. 如申請專利範圍第1項所述之水經處理後直接閃蒸成過熱蒸汽的方法，其特徵在於，所述熱管的吸熱蒸發段用於加熱的熱源爐的燃料為燃煤、燃油、燃氣、燃生物質廢棄物或電能、太陽能集熱能中的一種或兩種以上所產生的熱源。
13. 如申請專利範圍第1項所述之水經處理後直接閃蒸成過熱蒸汽的方法，其應用適用於直接利用過熱蒸氣供熱，通過過熱蒸氣做熱源發電和通過熱交換器換熱，還適用於各種形式的鍋爐改造成管式氣爐。