在鍋爐中利用燃料的協同混合物產生能量並減少排放的方法與流程

2023-09-17 01:17:15

本發明涉及二級燃燒過程中的清潔燃燒雙燃料組合，其產生更多的熱輸出和減少的排放，還涉及其生產方法。

背景技術：

普遍使用固體燃料(煤、木材或生物炭)或液體燃料(油、LPG或天然氣)來在鍋爐中產生熱量。鍋爐排出熱量，並用該熱量產生用於廣泛應用的蒸汽。

燃燒這些燃料以產生用於廣泛應用的熱量導致了大量的一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)排放物，並且關於此種汙染對大氣和環境的影響已發表了大量文獻。一個此種影響是造成氣候變化並可能最終導致災難性氣候事件的「溫室氣體效應」。碳類燃料的燃燒和產生CO2時的氧(O2)消耗的另一後果是大氣中的氧耗竭，因為植物無法與過量的CO2產生保持同步。由這些燃料燃燒造成的排放物一般還包括一系列致癌物及其它的具有多種眾所周知的健康後果的有毒物質。

本發明的目的是通過提供能夠產生高水平的熱輸出並大幅減少CO和CO2排放的雙燃料來解決一些或全部以上問題。

磁分子燃氣(Magnegas)是如US 6,663,752中所描述並通過其中的方法形成的清潔燃燒燃料。此燃料由65％的氫構成，具有2800萬焦耳/立方米(MJ/m3)的發熱值和18,000kPa/瓶的壓力。

電磁分子(electromagnecule)是單個原子(例如H(氫)、C(碳)和O(氧))、稱為二聚體的分子部分(例如OH和CH)以及普通分子(例如CO和H-H-O)通過由於外圍原子電子軌道的電極化和磁極化產生的內部引力而結合在一起的穩定簇。

磁分子燃氣充當催化劑。分子價鍵被破壞，並且磁分子燃氣將來自一級燃料排放物中分子的原子轉化或牽引為電磁分子簇。這些分子包括排放物目標中的那些分子，例如CO和CO2。

磁分子燃氣的類型

甲醇磁分子燃氣是來源於美國佛羅裡達州Tarpon Springs的Magnegas Corporation的氫類燃料。這是在澳大利亞進行的所有試驗中使用的磁分子燃氣形式。除非另作規定，本文中對磁分子燃氣的任何提及都是指磁分子燃氣(甲醇)。乙二醇和油類磁分子燃氣是具有更高的發熱值(相比於甲醇)的燃料。在美國進行的試驗中使用了磁分子燃氣(甘醇)。在使用磁分子燃氣(甘醇)之處，進行了具體說明。

研究設備

在實驗中獲得、構建和使用的研究設備如下：

Testo分析儀數據

用testo 350分析儀在煙道氣中記錄排放物。該設備將來自煙道氣的數據記錄到分析儀中。將記錄的Testo數據轉移至計算機軟體程序中。來自流量計的數據也被記錄並與testo數據合併，從而利用Excel電子表格示出流速和煙道測量值。

流量計數據

特製用於測試不同氣體的Serra流量計被連接至累加器箱以改變混合速率。數據記錄設備收集來自累加器的脈衝，並將此數據下載到計算機上。Trendreader軟體收集來自鍋爐中所用數據記錄器的數據。隨後將數據在電子表格程序上進行分析。

技術實現要素：

根據本發明，來自一級燃燒過程的排放物被俘獲，冷卻(以避免在到達燃燒室之前的過早燃燒)，壓縮，與磁分子燃氣混合，並且隨後在溫度為至少140℃下在二級燃燒室中再燃燒。最有效的溫度範圍為140℃～220℃。圖1中示出了數據圖，其顯示了燃燒過程中用於磁分子燃氣加熱的最有效溫度。沒有提供Testo報告，因為對此試驗無法使用該機器。圖1A中示出了其它圖表，其顯示了磁分子燃氣(甘醇)的最有效溫度和排放物。在低於140℃的溫度下，燃燒不太有效，並且形成了較高水平的CO。

在上述條件下，將磁分子燃氣與排放物(來自這些傳統燃料)組合使用作為雙燃料，產生了高水平的能量輸入，並且與由傳統燃料所取得的相比，大幅減少了排放。

此雙燃燒不是簡單的燃料混合物。當將磁分子燃氣與排放物混合時，其與排放物結合，從而形成具有出乎意料的效果的結構化雙燃料組合。

孤立且未結合的原子的可用性是最重要的，因為這些原子隨後能夠在燃燒時重組並釋放大量的能量。電磁分子及其性質在6,663,752號美國專利，Santilli,RM和2005,Santilli RM,The New Fuels with Magnecular Structure中進行了解釋，將其內容通過引用併入。

磁分子燃氣使排放物重新形成為清潔燃燒燃料。其也改變了分子的結構，使得重新形成的分子能在更高的溫度下燃燒。

具體實施方式

磁分子燃氣和煤

下面是優選的方法設計的實例圖，其中煤是100HP鍋爐中的一級燃料。

上述方法的描述如下：

以大約125kg/小時的速度將煤原料添加至一級燃燒室(此實例中為鍋爐)。使用氧在一級燃燒室中提供燃燒。煙道排放物為大約140℃至300℃。在添加磁分子燃氣時使用來自一級燃燒室的排放物，從而形成用於二級燃燒室的燃料。廢熱被俘獲並傳送至熱交換系統(此實例中為清潔循環發電機)。這可產生可用於電網的至多約125KWh的電力。

利用熱交換將來自鍋爐的排放物冷卻到約125℃～150℃的溫度。隨後將排放物在管中冷凝並壓縮，然後經由其它管將其輸送至後燃室。對排放物/原料添加磁分子燃氣。使用混合閥來控制進入後燃室的原料的流速。

在後燃室中進行燃料和排放物的點燃。該室的形狀考慮到了燃料在燃燒期間的膨脹。該室包括放大的圓筒，其一端具有用於注入原料的入口，而另一端具有用於釋放熱和剩餘排放物的出口。

傳統燃煤型鍋爐會排放以下排放物。在2012年9月21日進行的試驗結果在圖2(排放物數據圖表)和2A(煙道氣測量的Testo數據)中示出。結果來自澳大利亞昆士蘭Texas的Wyalla feedlot的燃煤型鍋爐。

下面詳細描述本發明的優選實施方式：

表1比較了由一級鍋爐燃燒系統產生的煤排放物(傳統燃煤型鍋爐排放物)和來自於本發明的後燃過程的排放物。

結果顯示，相比於一級燃燒過程中的煤，當在後燃過程中將來自一級燃燒過程的排放物與磁分子燃氣組合時，氧更高，並且一氧化碳、氮氧化物、一氧化氮和二氧化碳排放物皆減少。

在此情況中，沒有測量後燃過程的溫度，因為沒有為所達到的溫度設計溫度設備。

表1

此雙燃料滿足以下點：

1.與環境空氣中的二氧化硫、二氧化氮和氮氧化物的限值有關的歐洲共同體理事會指令1999/30EC。NO2的最大量為200mg/m3～98.7ppm。

2.超過歐洲共同體理事會指令2000/76EC所涉及的廢物焚燒(在高於850℃進行2秒)的最小值：針對6噸/小時以下的焚燒廠，NO和NO2低於400mg/m3～197ppm。對於超過6噸/小時的，極限為200mg/m3～98.7ppm。用磁分子燃氣同時滿足了這兩個極限。

將煤進給到一級燃燒室中並燃燒。此處，關閉通風口，並將煙道部分地關閉以使CO2增加到其最大值。我們需要排放物變得儘可能緻密。一旦CO2達到15％，則不允許大氣氧進入該過程，因為這會減少甚至停止後燃燒。置於一級燃燒室中的煤量為1千克/20分鐘。煤是高品位煤。不過，其也可以是低品位煤。

從一級燃燒室到後燃室的銅或不鏽鋼管厚1.6mm，直徑為100mm。由於該管相對較薄，故其使得熱的排放物可在熱交換中冷卻到120℃～140℃。需要冷卻以避免管中的過多的熱以及在到達燃燒室之前的過早反應。

從一級燃燒室下來的銅管被引導至含有水的熱交換過程中。將該管構建到熱交換室中，其在排放物流經該管時將該管冷卻。銅管是封閉的，沒有水與排放物混合。

隨後將銅管引導至壓縮機站中。壓縮機站是7英寸×3英寸直徑的風扇，其每小時移動410m3的空氣。來自一級燃燒室的排放物經過熱交換，使排放物冷凝到更小的管中，該管使排放物壓縮，這提高了排放物濃度(形成了更多煙)，以便於磁分子燃氣與經壓縮的排放物混合。

在壓縮機站之後，銅管從100mm減小至50mm(減少了50％)，然後到達2.5英寸的排放物控制閥，其控制排放物流經該管的速度並控制我們對最終後燃室傳送多少排放物。

從旋塞(tap)到後燃室的管為75mm，並且提供入口，經該入口將磁分子燃氣添加到排放物中。在180kpa的壓力下，進入管中的磁分子燃氣的流速為85標準升/分鐘。

後燃室是由耐火Fosico水泥製成的特製機器。該室提供有擴散器作用，其有助於使混合物打旋並將其混合。該室的中部大於端部，其在中間膨脹、之後在燃燒後收縮，這隨後對其提供推力。後燃室的測量是進入100mm椎體的75mm入口。

這使顆粒物適當地混合和燃燒。化學副產物包括C0顆粒物碳、CO、NOx、SOx、重金屬、O2和NO2。隨後將磁分子燃氣與煤煙道排放物混合，然後將其點燃。廢氣為7％的CO2、11％的O2、40ppm的NOx。NOx和O2將為參照物。沒有發現系統中混入了空氣，否則CO會增加。

當關閉控制閥時，火焰顏色變藍。當實驗正確地進行時(例如，當CO2裂解時)，火焰為亮橙色，並且幾乎沒有煙霧。當添加磁分子燃氣時，其撕裂NOx、SOX和CO等分子。其現已成為結構化燃料或結合的燃料。當正確混合(每分鐘使用85升磁分子燃氣)時，煤排放物的量正確。

後燃室：75mm增大至100mm，然後其形成錐體，而後在背側變回75mm的倒錐體。該倒轉使所述室的直徑(100)與長度(500)比為1:5，使得氣體膨脹並隨後燃燒。反應時間管需要被冷卻，磁分子中構建的鍵非結構化，新的磁分子燃氣燃料(H4)可能不需要如此多的冷卻。沒有硝酸鹽。

來自化學反應過程的排放物為CO、顆粒物(碳)、NOx、SOx、各種重金屬、CO2、O2、NO2和NO，添加氫和CO並點燃。記錄的結果為：7％的CO2、11％的O2、46ppm的NOx，並且被釋放的且支持燃燒過程的O2增加。碳提供熱能而不是形成CO。顆粒物有所減少。

煤和磁分子燃氣以及煤排放物數據

於2012年8月4日進行的後燃試驗的詳細描述如下：

將來自澳大利亞昆士蘭Acland礦山的高品位煤在一級燃燒室中燃燒。在燃燒室之前，向排放物中添加磁分子燃氣。試驗從17:08進行到17:50，並且我們具有Testo350分析儀(www.testo.com)，將此數據引入以秒鐘間隔進行記錄的計算機中。在文件「20120804Coal Magnegas Post Combustion test 2.xlsx」中記錄以下排放物：O2、CO、NOX、NO、NO2、CO2。此試驗的磁分子燃氣流速為79.9升/分鐘～84.4升/分鐘(參見「20120804Magnegas and Coal Post Combustion Flow rate of fuel.xlsx」的「Magnegas Flow Rate」一欄)。

此試驗的過程為：將煤添加至一級燃燒室並使其燃燒，反覆重複這一過程，並且在圖表上示出我們開啟煙道以添加更多煤或增旺一級燃燒爐的時間或者我們檢查煙道的時間。此過程的實例可見於230秒～460秒的秒運行線上。另一實例為，在678秒～792秒時，發生相同的事件。這在整個試驗中定期地發生，並且是氧氣(藍線)。同時，CO2(紅線)和NOX(紫線)減少並恢復非活性水平。還在此時，CO(淡紫色線)也減少。

當機器以接近全容量運行時，可利用最大量的排放物來進行處理。其實例可見於467秒～673秒的秒運行線上。另一實例在1153秒～1388秒。在後燃室中進行的測量顯示，在此事件中，CO2(深紫紅色線)和NOX(紫線)減少，同時O2(藍線)增加。這在實驗中自始至終發生。

CO2的減少和O2的增加是成反比的。然而，來自NO2、NO和CO的其它氧原子也可作為氧獲得，並且其增加了氧讀數。這允許更多的燃燒，並增加了後燃室中的熱量。圖表2和3顯示了O2的增加和CO2的減少。

推力—後燃室製造了與推力發動機相似的鼓風噪音，並產生熱量。由於原料中氫的水平高，故從該室中排出的火焰僅在低光中可見。火焰末端實際是清楚的，其從該室的末端處延伸約1米。試驗在傍晚進行，由此可以觀察、拍攝並記錄火焰。在Testo350分析儀陶瓷測量設備的陶瓷尖發出亮橙色時，廢氣離開所述後燃室處的溫度達到3,000℃。在該室中點燃顆粒物時，無法檢測到煙霧。

圖3提供了顯示2012年8月4日進行的煤和磁分子燃氣的後燃試驗的結果的圖表。這些結果數據在圖3A(Testo煙道氣測量)和3B(磁分子燃氣流速)中示出。

圖4示出了顯示燃燒室中流速的圖表。圖5示出了NOx和CO的記錄結果的細節。圖6示出了煙道中O2和CO2的記錄結果的細節(O2增加且CO2減少)。

圖7示出了顯示煤和磁分子燃氣(甘醇)的後燃試驗結果的圖表。圖8示出了Testo數據結果。與此相關，重要的是注意該燃料是與早先在澳大利亞進行的試驗中所用燃料(甲醇原料)不同的磁分子燃氣(甘醇)。煤品位低於源自昆士蘭Acland的澳大利亞煤的品位。後燃室是來自汽車的排氣管，並且不是在澳大利亞使用的定製後燃室。結果是相似的，不同之處在於：大概是因為設備的代用性質，在排氣管中有大量未燃燒的燃料，並且記錄到了更高的CO和H2排放物。重要地是，結果表明了SO2減少。

磁分子燃氣與瀝青

於2012年8月25日對磁分子燃氣和瀝青進行了試驗。圖9示出了磁分子燃氣和瀝青雙燃料的試驗結果圖表。圖10示出了煙道氣測量值，並且圖11示出了流速。

磁分子燃氣與橡膠

於2013年2月21日對磁分子燃氣和橡膠進行了試驗。圖12示出了磁分子燃氣和橡膠雙燃料的試驗結果圖表。圖13示出了煙道氣測量值。

磁分子燃氣與LPG

於2012年5月21日對磁分子燃氣和LPG進行了試驗。圖14示出了磁分子燃氣和LPG雙燃料的對O2、CO2和溫度、燃料使用和溫度、CO和NOX記錄的試驗結果圖表。圖15示出了煙道氣測量值。圖16示出了O2、CO和CO2測量值。Testo數據為秒鐘間隔形式，而磁分子燃氣的流量計數據為分鐘形式。圖17示出了數據結合在一起的其它圖表。

上述試驗結果是針對與LPG摻合(混合)的磁分子燃氣，其作為雙燃料。在鍋爐中溫度達到580℃的情況下，磁分子燃氣以2.25升/分鐘運行，而LPG以1升/分鐘運行。在我們將2.9升/分鐘的磁分子燃氣與0.65升/分鐘的LPG混合時，達到了470℃的更低溫度。利用此雙燃料組合，實現了出人意料的高溫輸出。

還提供了於2012年5月29日進行的磁分子燃氣與LPG摻合(混合)的其它試驗結果的細節。這些結果的圖表在圖18中示出。圖19示出了煙道氣測量值，並且圖20示出了排放物和流速。

當磁分子燃氣流速升高時發生O2的增加，使得CO2減少。在第一頁底部，由於裂解，NO2少於NO。實際上，CO2、CO、NO2在使用磁分子燃氣的燃燒期間都裂解。這些排放物在使用磁分子燃氣時減少。

腔室設計

圖21示出了後燃室設計的優選形式的圖。優選地，該室由在該室進氣側上的鋼或銅管制成。此情況中，燃燒圓筒由鍋爐工業中所用的耐火水泥類產品製造。該室具有圓柱形狀，且包含入口端和出口端。該室在出口端逐漸變細。優選地，該室兩端都逐漸變細。該室具有入口，並且優選地，進入該室的入口呈約30度角。這將流動引導至發生燃燒的更大比例的腔室中。此角度確保了強制所有排放物進入該室的中心以便進行燃燒。在二級燃燒室中沒有該角度的情況下，冷卻的空氣被困，其在燃燒火焰之前循環。這使火焰和腔室中的溫度降低。這降低了CO2及其它排放物的裂解的有效性。

來自一級燃燒室的排放物被俘獲、冷卻並壓縮。在混合室中注入磁分子燃氣並使其與排放物混合，然後將其傳送至二級燃燒室，從而確保磁分子燃氣和排放物在二級燃燒之前恰當結合。這需要發生在進給到二級燃燒室中之前至少1米處。優選地，其在進給到二級燃燒室中之前大約1米處。

對該系統不添加額外的大氣氧，並用磁分子燃氣進行第二次燃燒。入口和腔室被連接且封閉，從而避免額外的氧氣進入後燃室中。

優選地，所述入口為漏鬥狀，以便提供擴散器作用並協助將混合物打旋。在燃燒期間，於所述室中發生圓周運動。

所述室在點燃時排出排放物。由逸出的燃燒產生推力噪音。一些燃燒發生在所述室的外面。部分不可見的氫火焰形成部分燃燒。

來自一級燃燒過程的顆粒物和小碳片在二級燃燒過程中被點燃。這些餘燼落在二級燃燒室裡面和外面。

系統設計

圖22示出了顯示二級燃燒雙燃料系統的優選形式的概要的圖。此圖包括了二級燃燒室的設計。

圖23示出了設計用於磁分子燃氣和LPG的雙燃料系統的另一優選形式的圖。