一种多晶体功能材料及制备氢氧等离子体助燃的增燃系统

技术领域

本发明涉及等离子体助燃领域，具体为一种多晶体功能材料及制备氢氧等离子体助燃的增燃系统。

背景技术

目前碳氢类燃料包括汽油、柴油、重油、煤油、液化气及天然气等，其燃烧过程是燃料与空气中的氧气发生化学反应的过程，在理想状态下燃料燃烧后其产物是二氧化碳和水。但由于各种原因，碳氢燃料在锅炉、工业炉等燃烧器中都得不到充分燃烧，这样燃烧后的产物除了二氧化碳和水以外还有一氧化碳和碳氢化合物等副产物。燃料的不完全燃烧不仅浪费能源，而且也产生了污染排放。

发明内容

鉴于现有技术中所存在的问题，本发明公开了一种多晶体功能材料及制备氢氧等离子体助燃的增燃系统，通过氢氧等离子体与碳氢燃料混合后共同燃烧，提高热量利用率、降低碳氢燃料燃烧CO、HC、NOx、黑烟的排放。

本发明所涉及的多晶体功能材料是一种在电弧放电、辉光放电、激光、火焰或冲击波等外部激励条件下具有发射脉冲高能自由电子的多晶体功能材料，用于将水蒸汽分子解离为氢氧等离子体，与碳氢燃料混和燃烧，提高燃烧效率，改善燃烧工况；多晶材料是由很多个单晶颗粒与包围单晶颗粒的晶界构成，晶界具有散射电子的特性。

使用的多晶体功能材料采用的技术方案是，包括以下组分：

晶体基体、活化剂、敏化剂和矿化剂。

作为本发明的一种优选技术方案，各组分按重量份配比如下：

晶体基体85～90％、活化剂3～5％、敏化剂1～2％、矿化剂5～10％。

作为本发明的一种优选技术方案，所述晶体基体包括一种或多种过渡金属氧化物，过渡金属氧化物包括氧化锌、氧化铁、氧化钛、氧化镍、氧化锰、氧化钴等。过渡金属氧化物在较高的温度下，氧被逐出具有过剩金属原子、有缺陷的晶格，使该晶格缺少氧原子，产生电子和空穴，而且可以收集高密度电子。

作为本发明的一种优选技术方案，所述活化剂为专用纳米氧化镁，具有明显的小尺寸、大表面效应、量子尺寸效应和宏观隧道效应，在体系中有更好的分散性和更高的纳米活性，从而发挥了纳米氧化镁粒子的光、电、磁场、热、量子效应。专用纳米氧化镁运用到多晶体功能材料中，可使多晶体功能材料拥有更好的可逆放电能力，且体现出良好的循环性能。专用纳米氧化镁技术指标：纳米氧化镁纯度≥99.9％，平均粒径30-40nm，比表面积15-30m2/g，PH值8-11，氯化物<0.035％，电子级活化剂≤0.2％。

作为本发明的一种优选技术方案，所述敏化剂为介质材料敏化剂，这类介质材料一般是固体，在高频电磁波或微波场作用下，介质内部产生极化，其极化强度矢量落后于电场一个角度，从而导致与电场同相的电流产生，使介质材料内部的功率耗散转变为热能，通过体积加热，敏化剂可以吸收激发辐射然后把能量传给活化剂。这类介质材料有碳黑，导电碳黑，石墨以及有磁性的氧化铁黑(Fe

作为本发明的一种优选技术方案，所述矿化剂为Li

本发明还公开了多晶体功能材料的制备方法，具体步骤如下：

步骤1，将晶体基体、活化剂、敏化剂、矿化剂按配比混和，球磨2～10h制成粒径100-300目的粉末，加入10～15％水玻璃粘结剂和25～30％碳酸氢铵造孔剂，在4-5个大气压下压制成圆柱型；

步骤2，在中频炉中以1400-1600℃的温度烧结1～2h，上述粉末发生致密化和再结晶，制成蜂窝状多孔的多晶体功能材料。

本发明还公开了使用上述多晶体功能材料的制备氢氧等离子体助燃的增燃系统，采用的技术方案是，包括蒸汽发生器、等离子体制备装置、预混腔和燃烧器，所述蒸汽发生器上有进口和出口，进口通过管道连接有流体输送装置，出口连接所述等离子体制备装置的蒸汽入口，所述等离子体制备装置的出口连接所述预混腔后连接燃烧器；所述等离子体制备装置内填充有多晶体功能材料，蒸汽发生器产生的蒸汽在等离子体制备装置内制备出氢氧等离子体后，在预混腔内与燃料混合，进入燃烧器即可充分燃烧。

燃烧器包括锅炉燃烧器、窑炉燃烧器、窑炉烧嘴，车辆、船舶、柴油发电机、工程机械等的内燃机的任一种；蒸汽发生器包括蒸汽锅炉、闪蒸缸、加热管等制取蒸汽装置的任一种。

作为本发明的一种优选技术方案，所述等离子体制备装置包括真空放电管、电容电极，所述真空放电管外壁两端分别装有两个所述电容电极，真空放电管中填充有所述多晶体功能材料，所述电容电极通过导线连接射频电源，通过射频电源、电容电极可向真空放电管内发射高频电磁波，激发多晶体功能材料释放高能电子与水蒸汽分子发生碰撞激发和电离产生氢氧等离子体；所述等离子体制备装置的进口端还通过管道连接有真空阀和真空泵。

作为本发明的一种优选技术方案，所述等离子体制备装置的等离子体出口通过管道依次连接比例阀、单向阀后连接所述预混腔的进口，所述预混腔上还有碳氢燃料进口，且所述预混腔还装有泄压管道，所述泄压管道上有泄压阀，所述预混腔的出口通过管道连接阻火器后连接所述燃烧器，所述燃烧器还连接有送风风机；所述比例阀和所述单向阀之间还装有放空管，所述放空管上有放空阀。

本发明还公开了一种使用多晶体功能材料制备氢氧等离子体的方法，包括以下步骤：

步骤a，将水通入蒸汽发生器产生100-110℃的蒸汽流；

步骤b，将所述步骤a中得到的100-110℃的蒸汽流通入等离子体制备装置中，由射频电源向真空放电管内发射高频电磁波，激发多晶体功能材料释放高能电子与水蒸汽分子发生碰撞激发和电离产生氢氧等离子体。

本发明的有益效果：本发明通过以多晶体功能材料制备氢氧等离子体与碳氢燃料预混后共同燃烧，其形成的优势如下：

(1)碳氢燃料中的大分子和氢氧等离子体中的高能电子发生非弹性碰撞而裂解生成小分子燃料，实现燃料的完全燃烧；

(2)氢氧等离子体活性粒子可以加速碳氢燃料燃烧的链式反应的进行，提高火焰传播速度；

(3)氢氧等离子体激励能对燃烧室流场进行扰动，促进燃料和空气的混合，增强燃烧稳定性；

(4)氢气燃烧的热值高达143MJ/Kg，每千克氢燃烧后的热量，约为汽油的3倍，天然气的1.6倍，且具有火焰传播速度快(2.75m/s)、燃烧温度高(在空气中当量燃烧时火焰温度为1430℃；在氧气中当量燃烧时火焰温度：2830℃)的特点，氢氧等离子体燃烧产生的高温高速火焰，保证炉内碳氢燃料充分燃烧，提高燃烧效率；

因此，利用零碳、高热值的氢氧等离子体增能高成本、高含碳的化石能源燃烧，克服了热效率低和燃尽率低的缺点，显著提高燃烧效率，改善燃烧工况，稳定燃烧过程，增加热量利用率，减少了碳氢燃料的使用量，节约了燃烧成本，降低碳氢燃料燃烧CO、HC、NOx、黑烟的排放，达到节能减排的功效。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明制备氢氧等离子体助燃的增燃系统结构示意图。

图中：1、进水阀；2、水泵；3、蒸汽发生器；4、等离子体制备装置；401、真空放电管；402、多晶体功能材料；403、电容电极；404、蒸汽入口；405、等离子体出口；5、射频电源；6、真空泵；7、真空阀；8、比例阀；9、单向阀；10、放空阀；11、预混腔；12、泄压阀；13、阻火器；14、燃烧器；15、送风风机；16、第一压力传感器；17、温度传感器；18、第二压力传感器；19、第三压力传感器。

具体实施方式

实施例1

本实施例公开了多晶体功能材料的第一种实施方式，采用的技术方案是，按重量份包括以下组分：

晶体基体：氧化锌85％

活化剂：纳米氧化镁5％

敏化剂：氧化铁黑(Fe

矿化剂：多孔碳酸钙8％。

本实施例还公开了上述多晶体功能材料的制备方法，具体步骤为：

步骤1，将晶体基体、活化剂、敏化剂、矿化剂按配比混和，球磨6h制成粒径100-300目的粉末，加入10％水玻璃粘结剂和30％碳酸氢铵造孔剂，在5个大气压下压制成圆柱型。

步骤2，在中频炉中以1400℃的温度烧结1h，上述粉末发生致密化和再结晶，制成蜂窝状多孔的多晶体功能材料。

在射频冲击波激励下，多晶体功能材料产生的脉冲电子密度≥1.5×10

多晶体功能材料产生氢氧等离子体的工作原理：晶体基体在中频炉中1400-1600℃烧结下，氧被逐出具有过剩金属原子、有缺陷的晶格，使该晶格缺少氧原子，产生电子和空穴，而且可以收集高密度电子；在射频冲击波激励下，介质材料敏化剂吸收激发辐射然后把能量传给活化剂,活化剂和矿化剂与晶体基材共同作用而使晶格活化，增强反应能力，瞬间释放出大量高能电子，同时活化剂可使多晶体功能材料拥有更好的可逆放电能力，且体现出良好的循环性能。

如图1所示，实施例还公开了使用上述多晶体功能材料的制备氢氧等离子体助燃的增燃系统，采用的技术方案是，包括蒸汽发生器3、等离子体制备装置4、预混腔11和燃烧器14，蒸汽发生器3上有进口和出口，进口通过管道依次连接水泵2和进水阀1，进水阀1通过进水管连接水源，出口连接等离子体制备装置4的蒸汽入口404，为了便于对蒸汽的质量进行控制，在蒸汽发生器3出口和蒸汽入口404之间的连接管道上还装有第一压力传感器16和温度传感器17，等离子体制备装置4包括真空放电管401、电容电极403，真空放电管401外壁两端分别装有两个电容电极403，真空放电管401中填充有圆柱型蜂窝状多孔多晶体功能材料402，电容电极403通过导线连接射频电源5；等离子体制备装置4的进口端还通过管道连接有真空阀7和真空泵6，用于将真空放电管401抽真空，等离子体制备装置4的等离子体出口405通过管道依次连接比例阀8、单向阀9后连接预混腔11的进口，预混腔11上还有燃料进口，碳氢燃料能够从燃料进口进入预混腔11与氢氧等离子预混，以便后续进入燃烧器14共同燃烧，且预混腔11上还装有泄压管道和第三压力传感器19，泄压管道上有泄压阀12，预混腔11的出口通过管道连接阻火器13后连接燃烧器14，阻火器13的设置能够防止回火，保证燃烧安全，燃烧器14还连接有送风风机15，在预混腔11内的燃料输入燃烧器14后，送风风机15将助燃风输入燃烧器14，确保氧气充足，燃烧充分；比例阀8和单向阀9之间还装有放空管，放空管上有放空阀10；所述比例阀8前端装有第二压力传感器18。

本技术方案还设置有控制装置，进水阀1、真空阀7、比例阀8、放空阀10、泄压阀12均为电磁阀，控制装置采用PLC控制器，PLC控制器与进水阀1、水泵2、蒸汽发生器3、射频电源5、真空泵6、真空阀7、比例阀8、放空阀10、泄压阀12、送风风机15、第一压力传感器16、温度传感器17、第二压力传感器18、第三压力传感器19电性相连。

本实施例还公开了使用多晶体功能材料制备氢氧等离子体的方法，包括以下步骤：

步骤a，将水通入蒸汽发生器3产生100-110℃的蒸汽流；

步骤b，将所述步骤a中得到的100-110℃的蒸汽流通入等离子体制备装置4中，由电压1KV-2KV、频率1KHz-1MHz的射频电源5向真空放电管401内发射高频电磁波，伴随着向真空放电管中添加电子。在射频冲击波激励下，多晶体功能材料释放出大量高能电子，高能电子和水蒸汽分子发生碰撞激发，打断水蒸汽分子连接键，水分子瞬间解离成氢氧等离子体。

使用射频放电制备氢氧等离子体的工作原理：水蒸汽自身蕴含着巨大的分子能量，使水分子结构呈现不稳定状态，高温下互相撞击，再通过射频电源发射高频电磁波，激发多晶体功能材料释放大量高能电子，打断水蒸汽分子连接键，这样产生的电子在电场中加速时会获得高能量，并与周围的分子或原子发生碰撞，结果使分子和原子中又激发出电子，加速形成链式反应，从而使水蒸汽分子瞬间被电离并解离成氢和氧自由基,在大空间范围内产生氢氧等离子体活性粒子。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，多晶体功能材料按照重量份配比组成如下：

晶体基体：氧化锌60％、氧化镍25％

活化剂：纳米氧化镁5％

敏化剂：氧化铁黑(Fe

矿化剂：多孔碳酸钙8％。

按照此配比采用与实施例1相同的制备方法制成的多晶体功能材料，在射频冲击波激励下，多晶体功能材料产生的脉冲电子密度≥1.5×10

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于，多晶体功能材料按照重量份配比组成如下：

晶体基体：氧化锌60％、氧化铁25％

活化剂：纳米氧化镁5％

敏化剂：氧化铁黑(Fe

矿化剂：多孔碳酸钙8％。

按照此配比采用与实施例1相同的制备方法制成的多晶体功能材料，在射频冲击波激励下，多晶体功能材料产生的脉冲电子密度≥1.5×10

实施例4

本实施例与实施例1的区别在于，多晶体功能材料按照重量份配比组成如下：

晶体基体：氧化锌40％、氧化镍20％、氧化铁25％

活化剂：纳米氧化镁5％

敏化剂：氧化铁黑(Fe

矿化剂：多孔碳酸钙8％。

按照此配比采用与实施例1相同的制备方法制成的多晶体功能材料，在射频冲击波激励下，多晶体功能材料产生的脉冲电子密度≥1.5×10

实施例5

本实施例与实施例1的区别在于，多晶体功能材料按照重量份配比组成如下：

晶体基体：氧化锌40％、氧化铁20％、氧化锰15％、氧化钴10％

活化剂：纳米氧化镁5％

敏化剂：氧化铁黑(Fe

矿化剂：多孔碳酸钙8％。

按照此配比采用与实施例1相同的制备方法制成的多晶体功能材料，在射频冲击波激励下，多晶体功能材料产生的脉冲电子密度≥1.5×10

通过以上实施例对比表明，过渡金属氧化物作为晶体基体在高温焙烧下具有产生电子和空穴、收集高密度电子的属性，金属活性相近的氧化物作为晶体基体无明显差异。一般来讲，金属活性从强到弱：钾>钙>钠>镁>铝>铍>锰>锌>铁>钴>镍>锡>铅>(氢)>铜>汞>银>铂>金，元素的金属活性越强，它的电负性就越小，吸引最外层电子的能力也越弱，它的原子越容易失去电子，高温焙烧下越容易形成共晶或金属间化合物产生电子和空穴。

对比试验

将未加装增燃系统的燃烧装置与加装增燃系统的燃烧装置进行对比测试：

测试基础：

锅炉型号：WNS4-1.25-Q；

锅炉出口介质：饱和蒸汽；

额定出力：4000kg/h；

设计热效率：90.59％；

额定压力：1.25MPa；

设计燃料：天然气；

燃烧方式：火室燃烧；

燃烧设备：燃天然气燃烧器；

设计排烟温度：165℃；

采用同一品质天然气燃料进行测试。

能效项对比-碳氢燃料消耗量

测试依据：

1、TSG G0002-2010《锅炉节能技术监督管理规程》；

2、TSG G0003-2010《工业锅炉能效测试与评价规则》；

3、双方签订的合同中有关技术要求。

测试性质：运行工况燃料消耗量测试

测试方法：燃料消耗量简单测试

测试结果：在同等工况下，未加装增燃系统情况下天然气消耗量204.1m

能效项对比-锅炉运行出力

测试依据：

1、TSG G0002-2010《锅炉节能技术监督管理规程》；

2、TSG G0003-2010《工业锅炉能效测试与评价规则》；

3、双方签订的合同中有关技术要求。

测试性质：运行工况热效率测试

测试方法：热效率简单测试

测试结果：在同等工况下，未加装增燃系统情况下锅炉出力2,859kg/h，锅炉热效率90.62％；加装增燃系统情况下锅炉出力3,051kg/h，锅炉热效率94.09％。加装增燃系统后锅炉出力提高了6.29％，热效率提高了3.83％。

环保项对比-锅炉烟气排放

测试仪器：烟气分析仪型号：Testo350

测试项目：烟气成分

测试结果：未加装增燃系统情况下排烟处CO含量3.4×10

附表：

未加装增燃系统情况下

加装增燃系统情况下

通过以上对比可知，将氢氧等离子体与碳氢燃料混合燃烧，克服了热效率低和燃尽率低的缺点，显著提高燃烧效率，增加热量利用率，减少了碳氢燃料的使用量，节约了燃烧成本，降低碳氢燃料燃烧CO、HC、NOx、黑烟的排放，达到节能减排的功效。

上述虽然对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，而不具备创造性劳动的修改或变形仍在本发明的保护范围以内。