基於低溫等離子體燃燒的燃料及方法和裝置與流程
2023-06-01 08:08:56 2
本發明屬於等離子體電化學及物理領域，具體涉及一種產生低溫等離子體變頻脈衝雙極性電磁場，利用等離子體與添加劑的協同作用完成甲醇水混合液的轉化，產生高密度高熱值碳氫合成汽燃料，應用於能源領域。
背景技術：
等離子體電化學與電磁物理經過幾十年的發展,現已形成了一門新興的多學科交叉的前沿分支學科體系，它集物理、化學、光化學、超聲波、電子電磁電解於一體。等離子體技術以其非常規的手段在化學工業中,給整個化工業帶來了新的生機,已成為傳統化工的一支生力軍。等離子體化工電磁已由最初的試錯法，向可控型發展,而且隨著檢測手段的不斷提高,焓變、相變、平衡常數等理論數據將逐漸完備,這將讓人們更好的認識等離子化工過程中的反應歷程,建立完善的傳遞模型,實現工業化或者更好的指導工業實踐。目前用於工業及民用的合成醇基燃料熱值普遍較低，局限於較小設備及燃燒熱值範圍，添加催化劑後雜質含量複雜，在燃燒過程中容易造成積碳，堵塞噴嘴損壞燃燒器。
技術實現要素：
為了解決現有技術中存在的問題，發明提供了一種基於低溫等離子體燃燒的裝置。本發明通過調配選用甲醇和水及燃料添加劑混合液，並提供一種利用燃燒器（燃燒室）自身的換熱裝置，甲醇水混合液通過燃燒室的高溫循環換熱汽化後，進入低溫等離子體裝置的變頻脈衝電暈反應，生產一種高密度能量的碳氫合成汽直接燃燒，有效的解決了上述所存在的缺陷，節能環保，提高了效益。本發明的技術方案是：一種基於低溫等離子體燃燒的燃料，其特徵是，燃料由甲醇、水及添加劑構成，添加劑是異丙醇、三乙醇胺、氫氧化鉀、烏洛託品、油酸鈉。上述添加劑無毒無臭無汙染，含微量雜質元素，避免了燃燒積碳問題。所述燃料由如下重量百分比的組份組成：55-65%甲醇、30-40%水、2.5-3.5%異丙醇、0.8-1.2%三乙醇胺、0.3-0.5%氫氧化鉀、0.2-0.4%烏洛託品、0.2-0.4%油酸鈉。優選方案，所述的燃料為60%甲醇、35%水、3%異丙醇、1%三乙醇胺、0.4%氫氧化鉀、0.3%烏洛託品、0.3%油酸鈉。本發明還公開了一種基於低溫等離子體燃燒的方法，其特徵是，按如下步驟：（1）將所述燃料加熱汽化；（2）汽化後的燃料汽體輸入到低溫等離子體的電離腔中形成高能碳氫合成燃料；（3）高能碳氫合成燃料燃燒，輸出熱量，其中，部分熱量用於步驟（1）中的加熱汽化。輸出熱量可用於工業等用途例如發電等。所述低溫等離子體所需的電源為雙極性變頻脈衝電源。步驟（1）中，加熱汽化的首次加熱，加熱汽化的熱能從啟動燃料加空氣燃燒獲得。等到所述燃料汽化電離能夠燃燒後，可以關閉啟動燃料和空氣。本發明還公開了一種基於低溫等離子體燃燒的裝置，其特徵是，包括：殼體，前部設置有燃燒腔；外電極，呈圓環體，位於殼體內的中部，外電極被第一絕緣層包裹，外電極的中心形成等離子發生器的電離腔；內電極，呈管狀，兩端分別套有第二絕緣套、第三絕緣套，第二絕緣套與第一絕緣層聯接，第三絕緣套經支架固定在殼體，內電極的出口端連通等離子發生器的電離腔；噴嘴，位於殼體的燃燒腔內，連通電離腔；啟動燃料輸送管，穿過第二絕緣套，啟動燃料輸送管的出口位於電離腔，啟動燃料輸送管的進口經啟動燃料閥門、啟動燃料壓力泵連通啟動燃料存儲罐，啟動燃料能經電離腔、噴嘴後在燃燒腔燃燒，噴出火焰；空氣助燃管，穿過第二絕緣套，空氣助燃管的出口位於電離腔，空氣助燃管的進口經空氣助燃閥門、風機連通大氣，空氣能在電離腔與啟動燃料混合助燃；空氣助燃管和啟動燃料輸送管可以設置多根，兩者交叉固定；汽化桶，內為燃燒室，與燃燒腔連通；汽化管，環繞在汽化桶的內壁；汽化管的輸出口經第四絕緣套連通內電極的進口，汽化管的輸入口經燃料閥門、燃料壓力泵連通燃料存儲罐，燃料存儲罐用於存儲所述的燃料，啟動燃料燃燒後能將汽化管內的燃料汽化；需要說明的是，燃料可以是事先混合後存放在燃料存儲罐，也可以是通過多個計量泵多通道輸入到汽化管的輸入口。電源，向內電極、外電極供電。所述汽化管在汽化桶內壁環繞的形狀呈S形或螺旋形。所述燃燒腔位置的殼體內設置有耐高溫陶瓷，該耐高溫陶瓷的內壁呈圓弧狀。所述電源為雙極性變頻脈衝電源。啟動時，打開空氣助燃閥門、風機、啟動燃料閥門和啟動燃料壓力泵，啟動燃料加熱燃燒，火焰從噴嘴噴出，當汽化桶（安裝溫度傳感器）溫度達到預設的200℃時，啟動燃料燃燒轉到燃料燃燒，打開燃料閥門、燃料壓力泵，汽化管內的燃料加熱後汽化，經內電極噴出到電離腔電離，最後從噴嘴噴出燃燒，燃燒的火焰大部分用於輸出如發電等，小部分用於加熱汽化管，待燃料燃燒後可以關閉啟動燃料閥門和啟動燃料壓力泵。在電離腔內，燃料的分子鏈分解斷裂，部分汽體被電離，產生活性氧離子O及羥基自由基OH，部分氧離子及羥基自由基(·OH)很快與高能活性添加劑的不飽和環狀基團結合，形成甲基CH及COOH基團在內的混合汽。放電過程中雖然電子溫度很高，但重粒子溫度及整個體系呈現相對常溫常壓狀態。由於暗電場放電區的高溫（約5000K）作用下，新的活性中間體(如重粒子或自由基)重新組排聚合，從而轉化成高密度高熱值合成汽燃燒，主要成分有氫與碳氫元素，高溫等離子汽體從噴嘴噴出後，體積迅速膨脹，形成高溫高速火焰。絕緣材料可用耐高溫陶瓷板或聚四氟材料隔離。變頻脈衝低溫等離子技術是一種較有前途的高壓或常壓放電形式,低溫等離子體整體表現為低溫,其能量依然很高,提供的能量足以促使反應物分子激發、離解或電離,可使得反應體系保持較低的溫度，它易控制,在很寬的壓力和溫度範圍內,變頻脈衝電暈可以引發電子、自由基,激發分子,直接或間接通過自由基的影響可打碎元素分子,並進一步利用放電過程產生的自由基，形成新的活性中間體(如羥基自由基的氧化反應)，後者進一步聚合，可以獲得傳統聚合難以得到的高分子密度材料，如高能量的碳氫燃料。變頻脈衝電源可以有效地避免傳統能源大部分能量在系統中的振蕩損耗，從而可以有效提高能量注入，提高能量利用效率，節約電耗。本發明的有益效果是，燃料取材容易、成本低、對環境的汙染少，燃料裝置的燃燒效率高、節能效果顯著。附圖說明圖1為本發明的整體結構示意圖。具體實施方式一種基於低溫等離子體燃燒的燃料，燃料由甲醇、水及添加劑構成，添加劑是異丙醇、三乙醇胺、氫氧化鉀、烏洛託品、油酸鈉。實施例1：燃料由如下重量百分比的組份組成：65%甲醇(CH3OH)、2.5%異丙醇（C3H8O)、0.8%三乙醇胺(C6H15O3N)、0.3%氫氧化鉀(KOH)、0.2%烏洛託品（C6H12N4)、0.2%油酸鈉(C17H33CO2Na)，其餘的為水。實施例2：燃料由如下重量百分比的組份組成：55%甲醇(CH3OH)、3.5%異丙醇（C3H8O)、1.2%三乙醇胺(C6H15O3N)、0.5%氫氧化鉀(KOH)、0.4%烏洛託品（C6H12N4)、0.4%油酸鈉(C17H33CO2Na)，其餘的為水。實施例3：燃料由如下重量百分比的組份組成：60%甲醇、35%水、3%異丙醇（C3H8O)、1%三乙醇胺(C6H15O3N)、0.4%氫氧化鉀(KOH)、0.3%烏洛託品（C6H12N4)、0.3%油酸鈉(C17H33CO2Na)。一種基於低溫等離子體燃燒的方法，按如下步驟：（1）將實施例中的燃料加熱汽化；（2）汽化後的燃料汽體輸入到低溫等離子體的電離腔中形成高能碳氫合成燃料；（3）高能碳氫合成燃料燃燒，輸出熱量，其中，部分熱量用於步驟（1）中的加熱汽化。低溫等離子體所需的電源為雙極性變頻脈衝電源。步驟（1）中，加熱汽化的首次加熱，加熱汽化的熱能從啟動燃料加空氣燃燒獲得。啟動燃料可選用天然氣供能燃燒。現結合附圖對本發明作進一步的說明：如圖1所示，一種基於低溫等離子體燃燒的裝置，包括：殼體2，前部設置有燃燒腔30；殼體可選用鈦鎳合金製造。外電極61，呈圓環體，位於殼體2內的中部，外電極61被第一絕緣層41包裹，外電極61的中心形成等離子發生器的電離腔33；內電極62，呈管狀，兩端分別套有第二絕緣套42、第三絕緣套43，第二絕緣套42與第一絕緣層41聯接，第三絕緣套43經支架21固定在殼體2，內電極62的出口端連通等離子發生器的電離腔33；噴嘴32，位於殼體2的燃燒腔30內，連通電離腔33，啟動燃料輸送管51，穿過第二絕緣套42，啟動燃料輸送管51的出口位於電離腔33，啟動燃料輸送管51的進口經啟動燃料閥門、啟動燃料壓力泵連通啟動燃料存儲罐，啟動燃料能經電離腔33、噴嘴32後在燃燒腔30燃燒，噴出火焰；空氣助燃管52，穿過第二絕緣套42，空氣助燃管52的出口位於電離腔33，空氣助燃管52的進口經空氣助燃閥門、風機連通大氣，空氣能在電離腔33與啟動燃料混合助燃；汽化桶1，與燃燒腔30連通；汽化桶1的長度為150-200mm。汽化管11，環繞在汽化桶1的內壁；汽化管11的輸出口經第四絕緣套44連通內電極62的進口63，汽化管11的輸入口經燃料閥門、燃料壓力泵連通燃料存儲罐，燃料存儲罐用於存儲實施例中或其它組份的燃料，啟動燃料燃燒後能將汽化管11內的燃料汽化；電源，向內電極62、外電極61供電。汽化管11在汽化桶1內壁環繞的形狀呈S形，還可以是螺旋形。燃燒腔30位置的殼體2內設置有耐高溫陶瓷31，該耐高溫陶瓷31的內壁呈圓弧狀。電源為雙極性變頻脈衝電源。變頻脈衝電源的頻率範圍2kHz-20kHz。