• 東營市寶澤能源科技有限公司2018年中秋聯歡會報道    • 主要產品包括改性瓜膠、聚季胺粘土穩定劑、原油降粘降凝劑、破乳助排劑    

——  水氫能源鍋爐  ——


產品介紹

專利技術,國內一流:
水蒸汽裂解氫燃燒方法是一項具有重要意義的高效清潔能源技術,其主要燃燒燃料是生物質燃料甲醇,借助蒸汽霧化技術及氫氣助燃技術,使得液體燃料的燃燒有非常高的效率。利用這項技術來加熱工業鍋爐中的水表明,相對于煤燃燒加熱,這一新的技術具有加熱快、燃料使用量少等特點;且所用燃料的總體成本相對于使用煤炭有所下降。最重要的是由于本技術使用的燃料是清潔燃料,因此基本沒有PM2.5 及其它粉塵的排放,大大改善了周圍和城市的環境,是一項值得在工業鍋爐、船舶及艦艇等方面大規模推廣的工業化高效清潔燃燒技術。該技術由重慶市永川區陳懷超發明(專利號:201210364826.7)
燃燒效率高:
水蒸汽裂解氫燃燒方法的原理是,通過使用含氫氣的水蒸汽來霧化液體甲醇燃料,并用水蒸汽中的氫氣促進甲醇的燃燒。由于霧化甲醇的比表面積大、與空氣中的氧氣接觸充分、因此,短時間內燃燒完全。同時,水蒸汽中的氫氣燃燒進一步加熱和汽化了甲醇,使甲醇的燃燒更徹底,燃燒溫度更高。因此。相對于燃煤鍋爐,水蒸汽裂解氫燃燒鍋爐具有更高的熱效率。
污染物排放低:
由于水蒸汽裂解氫燃燒方法使用的主要燃料為甲醇和氫氣,因此,燃燒后廢氣中的粉塵、二氧化硫及氮氧化物的濃度比燃煤鍋爐、燃油鍋爐及燃氣鍋爐的低很多。這一技術的推廣和應用將極大地改善城市的環境、減少霧霾天氣的出現。
技術推廣利用空間大、改造費用低:
水蒸汽裂解氫燃燒方法的裝置可在原有燃煤鍋爐的基礎上作簡單的改裝可完成,同時,改裝的成本也不高,因此,這一方法的推廣將沒有大的困難非常容易推廣。這一新的清潔燃燒技術可廣泛應用于我國中小型蒸汽鍋爐,同時也可用于大型船舶和艦艇等。由于目前我國甲醇行業的產能過剩,因此,這一新的燃燒技術也為我國甲醇工業的發展提供了機遇和出路,是一項利國利民的好技術。將來即使化石能源耗盡,但甲醇可通過可再生的生物質材料制取,因此,這一新的清潔燃燒技術在未來也不存在燃料枯竭的問題。
鍋爐系統介紹:
由于本技術的應用主要是相對于燃煤鍋爐有比較優勢,因此,我們首先來分析一下燃煤鍋爐的燃燒過程。雖然國內有些工業鍋爐采用先進的層燃工業鍋爐技術及煤粉和流化床工業鍋爐技術能部分提高鍋爐的熱效率,但在一些中小城市,大部分鍋爐為了節省成本還是采用一般的煤燃燒技術。由于煤炭是固體,因此,煤炭是放置在爐膛的底部進行燃燒,這樣其燃燒反應只發生在煤炭的上部表面部分,燃燒反應的面積有限。由于煤炭的主要成分是碳,因此,燃燒的主要反應方程式是
C + O2燃燒 CO2 ↑
當空氣與煤炭燃燒時會消耗空氣中的氧氣,因此,只有空氣有足夠的流動才能補充足夠的氧氣來維持煤炭的燃燒。然而只有底部的流動空氣中的氧氣參與燃燒,因此,流動空氣中氧氣的利用率低,需要快速的空氣流動才能維持煤的燃燒。我們知道流動的空氣會帶走很大一部分煤燃燒產生的熱量,由于煤燃燒需要快速的空氣流動,因此,空氣廢氣帶走的熱量很高,影響和降低了燃煤鍋爐的熱效率。
另一方面,煤炭的顆粒尺寸大部分處在毫米級別以上,因此,比表面積較小,進一步降低了煤炭燃燒反應面積,導致煤完全燃燒需要的時間長。由于煤完全燃燒需要的時間長,因此,散熱的時間也長,由此導致煤燃燒的熱量經周圍墻壁散熱損耗的量也大,降低了煤燃燒的熱效率。最后,煤顆粒燃燒的不完全性不僅影響煤炭和降低煤燃燒的有效熱效率,而且形成粉塵隨排出的廢氣散發到大氣中造成大氣污染,是形成霧霾天氣的原因之一。
陳懷超發明的水蒸汽裂解氫燃燒方法相對于以上煤燃燒加熱鍋爐方法有明顯的優勢,水蒸汽裂解氫燃燒方法的主要燃料為甲醇混合燃料,其主要成分是液態甲醇,如果使用普通的噴嘴將液態甲醇噴出霧化燃燒,會有與煤燃燒一樣的問題,即燃燒不完全。這是因為普通噴嘴噴出霧化的液體其液滴尺寸仍然很大,由于這些液滴與周圍空氣中的氧氣接觸有限,因此,在短時間內完全燃燒存在困難。陳懷超使用的技術與普通噴嘴霧化技術不同,他的方法是用含氫氣的水蒸汽來霧化液體甲醇燃料,并用水蒸汽中的氫氣促進甲醇的燃燒。我們知道,甲醇有較低的沸點64.5°C,因此,使用160°C 高溫的水蒸汽很容易將液態甲醇汽化成氣態。由于氣態物質的比表面積遠遠大于液態霧化液滴的比表面積,因此,甲醇蒸汽與空氣中的氧氣接觸充分、短時間內燃燒完全。另一方面,水蒸汽中的氫氣燃燒可能進一步加熱和汽化甲醇,使甲醇的燃燒更完全,燃燒溫度更高。
2CH3OH + 3O2燃燒→ 2CO2 + 4H2O ↑
2H2 + O2燃燒→ 2H2O ↑
同時,水蒸汽中的氫氣和甲醇蒸汽的燃燒可能存在協同效應,使甲醇的完全燃燒時間更短,熱效率更高。陳懷超的實驗表明,如果沒有氫氣的存在甲醇的燃燒仍能不完全,產生的熱量不足于在短時間內加熱鍋爐,因此,氫氣的存在是甲醇霧化和完全燃燒的關鍵因素。我個人認為氫氣在促進甲醇快速完全燃燒過程中的作用目前還不十分清楚,還需要專業的實驗室作細致定量的研究才能解析其中的機理和奧秘。
另一方面,陳懷超發明的方法其燃燒的火焰位置容易調整,使其更接近鍋爐的底部,使燃燒產生的熱容易傳遞給鍋爐中的水,提高了熱效率。而燃煤鍋爐由于煤處于爐的底部及需要通風空間,因此,燃燒的火焰與鍋爐的底部有一定的距離,燃燒產生的熱不容易傳遞給鍋爐中的水,熱效率低。
總結起來,陳懷超發明的水蒸汽裂解氫燃燒方法相對于以上煤燃燒加熱鍋爐方法有以下優點:
(1) 陳懷超使用的技術其燃料的燃燒完全,而煤炭的燃燒不完全。
(2) 陳懷超使用的技術加熱的速度快,而煤炭的燃燒加熱的速度慢,因此,陳懷超的技術經周圍墻壁散熱的時間短,散熱量少,提高了熱效率。
(3) 陳懷超使用的技術可充分利用空氣中的氧氣,其空氣流動的速度慢,因此,抽風機的功率小,節省能源;同時,由廢氣帶走的熱量也少,提高了整體熱效率。而煤炭的燃燒空氣流動的速度快,因此,抽風機的功率大,浪費能源;同時,由廢氣帶走的熱量多,降低了整體熱效率。
(4) 陳懷超使用的技術其燃燒火焰的位置容易調整,使其更接近鍋爐的底部,提高了熱效率。而燃煤鍋爐由于煤處于爐的底部及需要通風空間,火焰與鍋爐的底部有一定的距離,熱效率低。
(5) 陳懷超使用的技術其燃料的燃燒基本沒有粉塵和SiO2 排放,而煤炭的燃燒粉塵和SiO2 排放嚴重。
(6) 陳懷超使用的技術燃料的燃燒可立刻終止,節省能源,而煤炭的燃燒要終止需要剩余的煤燒完,浪費能源。
綜合以上分析可知,陳懷超使用的技術用于加熱鍋爐其熱效率及節能方面明顯優于煤炭燃燒方法。
裝置原理:
由于陳懷超發展的水蒸汽裂解氫燃燒技術其目標是取代現在的燃煤鍋爐技術。燃煤鍋爐結構簡單,其主要結構有爐膛、盛水容器、蒸汽外輸系統、排廢氣用抽風機和管道等。使用陳懷超發明的水蒸汽裂解氫燃燒技術,其鍋爐的結構與燃煤鍋爐結構完全相同,如圖6 所示,只需要外加水蒸汽自循環系統、催化熱解裝置、燃料供應系統、熱蒸汽霧化甲醇噴頭等。因此,水蒸汽裂解氫燃燒鍋爐裝置可以在不改變燃煤鍋爐基本結構的基礎上通過簡單的改裝即外供蒸汽鍋爐,這非常有利于這一高效清潔燃燒技術的規模化推廣。
水蒸汽裂解氫燃燒鍋爐裝置在燃煤鍋爐基礎上增加的部分沒有貴重的部件和復雜的裝置,因此,改造成本不高。因此,從經濟的角度考慮,大規模推廣水蒸汽裂解氫燃燒鍋爐技術不存在困難。
 水氫鍋爐系統圖

 

總體熱過程及熱效率分析:
從上面的分析可知水蒸汽裂解氫燃燒鍋爐相對于一般的燃煤蒸汽鍋爐有比較高的熱效率,即燃料燃燒產生的熱被鍋爐中的水吸收的比例高。
燃料燃燒產生的熱(ΔQ 總)一部分被鍋爐中的水吸收(ΔQ 水吸收),使鍋爐中的水溫度升高,另一部分通過廢氣和周圍的墻壁等散發掉了,這部分熱屬于浪費掉的熱量。蒸汽鍋爐的熱效率可定義為:
鍋爐中水吸收的熱值在燃燒產生的總熱量中的比重。
因此,鍋爐中的水吸收的熱量比例越高,鍋爐的熱效率越高。
下表為容量為4 噸/小時的蒸汽鍋爐用煤燃燒和用水蒸汽裂解氫燃燒加熱實驗數據對比的實驗數據。

  鍋爐水量 水初溫 水終溫 燃料量 外來蒸汽量
煤燃燒 3 噸 24°C 100°C 煤200千克 0
水蒸汽裂解氫燃燒 3 噸 24°C 100°C 甲醇54 千克 40 千克
*實驗數據經重慶市永川區經濟和信息化委員會現場見證,煤燃燒實驗數據由陳懷超直接提供。
為了計算煤燃燒和水蒸汽裂解氫燃燒鍋爐的熱效率,我們首先討論煤和甲醇的熱值:
(1) 煤的熱值約為:U 煤= 5000 kcal/kg ≈ 21 MJ/kg
(2) 甲醇的熱值約為:U 甲醇 = 4500 kcal ≈ 19 MJ/kg
(3) 水的比熱容為:C = 4.2 kJ/kg•°C
(4) 氫氣的熱值:U 氫 = 142 MJ/kg
1、表中加熱3 噸水所需要的熱量為:
ΔQ 水吸收 = mC(T2 – T1)
= 3000 × 4.2 × 10-3 × (100 – 24)
= 960 MJ
2、表中煤燃燒產生的總熱值:
ΔQ 煤總 = 200 × 21
             = 4200 MJ
3、甲醇和氫氣的總熱值:
1 kg 水分解最多只能產生0.11 kg 氫氣,假定40千克蒸汽有1千克水蒸汽參與分解,那么產生的氫氣量為:
m氫 =1 × 0.11
       = 0.11 kg
因此,水蒸汽裂解氫燃燒過程中甲醇和氫氣的總熱值為:
ΔQ 甲醇+氫 = 54 × 19 + 0.11 × 142
                   ≈ 1042 MJ
可計算燃煤鍋爐和水蒸汽裂解氫燃燒鍋爐的熱效率,結果列于表2。
下表為容量為4 噸/小時的蒸汽鍋爐用煤燃燒和水蒸汽裂解氫燃燒的熱效率
燃料類型 熱效率(η)
燃煤鍋爐 23%
水蒸汽裂解氫燃燒鍋爐 92%

從上表的數據可以看到,水蒸汽裂解氫燃燒鍋爐的熱效率達到92%,遠高于燃煤鍋爐的熱效率。表中燃煤鍋爐的熱效率為23%,這一數據與普通一般燃煤鍋爐的熱效率~50%的數據相比有些低,因此,燃煤鍋爐的熱效率比較測定實驗還需要進一步的實驗加于證實和確認。

燃料類型 廢氣抽風機的功率
燃煤鍋爐 20kW
水蒸汽裂解氫燃燒鍋爐 5kW

上表中給出了容量為4 噸/小時的蒸汽鍋爐用煤燃燒和水蒸汽裂解氫燃燒時廢氣抽風機的功率。由于水蒸汽裂解氫燃燒方法的燃料為蒸汽霧化的甲醇,因此,燃料與空氣中的氧氣能夠充分接觸,其需要空氣流動的速度慢,因此,抽風機的功率小。而煤炭的燃燒要求空氣流動的速度快,因此,抽風機的功率大。表3表明,如果工業用電的價格為毎度0.8 元,一臺容量為4 噸/小時的蒸汽鍋爐使用陳懷超的技術其廢氣抽風機的電費相對于燃煤可節省12 元,一天可節省近300元,如滿負荷工作一年可節省約10 萬元。因此,陳懷超的水蒸汽裂解氫燃燒鍋爐技術相對于燃煤鍋爐技術在節能和提高鍋爐的熱效率方面都成效顯著。
本項目技術的環境影響分析:
前面的分析表明,陳懷超發明的水蒸汽裂解氫燃燒方法其主要燃料是工業甲醇及由水蒸汽裂解產生的氫氣,因此,燃燒的產物主要為二氧化碳和水沒有粉塵污染物的排放。為了證明水蒸汽裂解氫燃燒方法是一項清潔的燃燒方法,陳懷超委托中國原子能科學研究院對所使用的水蒸汽裂解催化劑樣品作了放射性性能測試(見附件),并委托重慶市永川區環境監測站對水蒸汽裂解氫燃燒方法加熱鍋爐產生的廢氣進行了粉塵、二氧化硫及氮氧化物的監測,相關數據列于下表。
水蒸汽裂解催化劑300g 樣品放在探測器表面測量25 小時的伽馬放射性檢查數據

伽馬射線能量keV 放射性計數/1000 秒
238.6 11
295.3 4
352.1 6
583.5 2
609.6 6

水蒸汽裂解氫燃燒方法加熱鍋爐產生的廢氣監測數據

鍋爐類別 煙(粉)塵(mg/m3) 二氧化硫(mg/m3) 氮氧化物(mg/m3)
水蒸汽裂解氫燃燒鍋爐 9.4(實測) 3.5(實測) 8.44(實測)
燃煤鍋爐(一類區) 80 900 /
燃油鍋爐(一類區) 80 500 400
燃氣鍋爐 50 100 400
從上表可以看出陳懷超使用的水蒸汽裂解催化劑樣品的放射性為微量天然鈾的放射性,與土壤樣品的天然放射性基本一致,沒有發現人工放射性或者放射性污染,因此,不存在放射性污染環境問題。表5 同時還列出了一類地區燃煤鍋爐、燃油鍋爐和燃氣鍋爐的粉塵、二氧化硫及氮氧化物的最高排放濃度。圖8是根據表5 的數據繪制的四種鍋爐產生的污染物對比圖。從上表可以看出,水蒸汽裂解氫燃燒方法加熱鍋爐產生的廢氣中以上三種污染物的濃度遠遠低于燃煤鍋爐、燃油鍋爐和燃氣鍋爐污染物的排放濃度。因此,陳懷超發明的水蒸汽裂解氫燃燒方法用于加熱鍋爐對于減少粉塵、二氧化硫及氮氧化物等污染物的排放具有重要的作用。如果這一技術能夠推廣,將對我國城市環境的改善發揮作用。


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