CN1081752A - 活性离子化燃料和其制造装置及其燃烧系统 - Google Patents

Abstract

以极其简单的结构，实现了使氮氧化物减少的活 性离子化燃料的制造和燃烧。液体燃料喷射阀25 及水喷射阀30一起向混合搅拌室31喷射液体燃料 及水。与此相对应，被喷射的液体燃料和水，在混合 搅拌室31内相互搅拌混合，从而，进行乳浊液化及活 性离子化。由于进行了乳浊液化及活性离子化，所以 容易燃烧，从而使排气中的氮氧化物变少。

Description

本发明涉及将水和液体燃料混合的活性离子化燃料、为制造这种活性离子化燃料的活性离子化燃料制造装置及该活性离子化燃料燃烧系统。更详细地说是涉及用特殊的方法将液体燃料和水进行混合搅拌，为制造活性离子化燃料的活性离子化燃料制造装置，和为实现由此所制造的活性离子化燃料的燃烧的低公害、燃烧效率高的燃烧系统。

燃料机械可以单独或与燃烧室组合使用，但是，作为最重要的机能，需要使所供给的燃料完全燃烧。也就是说，可能的极限燃烧率，最好接近100%。为此，燃烧时的火焰的大小、形状，需要适合于各种条件，另外，燃烧负荷率必须为适当的数值。根据情况不同，要求火焰的温度分布呈均一或所希望的分布。

另外，近年来，社会强烈要求，尽可能减少氮氧化物、烟尘、一氧化碳等的大气污染物的生成及噪音的发生。例如，在锅炉及窑炉用燃料中，使用B，C重油。但是，最近，排放气中的硫氧化物（SOx）和氮氧化物（NOx）正在成为问题，为此，有时也使用原油、轻油、煤油等。排放气中的SOx的量，与燃料中的硫的含量有关。

因而，随着对排放气中的SOx限制的强化，从而，使用了含硫量低的燃料。为了适应这种情况，实施了使用低硫原油、设置原油脱硫装置、设置排烟脱硫装置、燃料转换等措施。但是，原油的低硫化几乎达到了极限。另外，排放气中的NOx，主要是由燃烧生成的，燃料中的有机化合物和氨中的氮转化成NOx。这种转化率，在工业用燃烧装置中通常为30～60%。

另一方面，由为了燃烧所供给的空气中的氮，也能生成NOx。燃烧机械，一般由燃料供给系统和空气供给系统所构成。燃料供给系统的主要部分为燃料喷射机械，用适当的运动量喷射燃料，在液体燃料的场合，微粒化后使其分散。空气供给系统的主要部分是风量调节器，使燃烧用空气有效地混合到所喷射的燃料中，为了在气流中使火焰稳定化，同时控制燃烧特性，其具有限制及调整空气流的机能。也就是说，需要积极而且最适量地将空气输送到燃烧部位。

使液体燃料燃烧的燃烧器，一般叫做燃油器，分为喷雾型和蒸发型。喷雾型为了尽可能增大燃料的每单位容积的表面积也就是比表面积，是使燃料雾化成直径小的大量油滴群来进行燃烧的方法，燃烧负荷不可能太高，但是，即使是重质系的燃料也能使其燃烧。与此相反，蒸发型是利用高温物体表面使燃料蒸发的方式。

可是，近年来，由于对地球环境的关心增强，从而骤然增强了人们对减少氮氧化物的要求。使氮氧化物减少的方法，提出了各种方案，其中例如，在日本国专利公开昭61-91407号公报中，披露了下述方法，即将水和含有高浓度氧的空气或纯氧进行混合，再将其与烃系燃料的一部分或全部进行混合，然后供给到燃烧设备中的加入氧的乳浊液燃料供给方法。

这种系统需要供给纯氧或含高浓度氧的空气。另外，在使用空气的场合，由于空气中的氮的影响，氮氧化物增加，而且，系统也需要组装复杂的回路。仅将水或者蒸汽混合到燃料中的方法也提出了很多方案（日本国专利公开昭52-25807号、日本国专利公开昭63-148012号等许多专利）。另外，也有许多用水和油来制造乳浊液的方法的提案（例如，美国专利第4，416，610、美国专利第3，648，714）。用这些乳浊液制造装置所制造的乳浊液，既不是如下所述的离子化的燃料，而且装置也复杂。

本发明者，提出了用嵌入磁铁的搅拌翼，制造乳浊液的装置的提案（PCT/JP91/00776）。但是，这种乳浊液制造装置，由于使用旋转翼、磁铁，所使用的能量不能有效地转化给燃料，也就是说，不能忽视燃料制造时损失能量的问题。本发明，用极其简单的结构实现了与上述专利中所提方案的乳浊液制造装置所制造的乳浊液大体上相同活性离子化燃料。

本发明的目的在于，提供结构极其简单，为使氮氧化物减少的活性离子化燃料的制造装置及其燃烧系统。

本发明的活性离子化燃料，是如下所述的一种燃料。

它是水与烃系液体燃料或固体燃料的乳浊液，它是由微细的上述液体燃料或固体燃料粒子和激发水所构成。其中，上述水的群集体在上述液体燃料或上述固体燃料的粒子的周围形成胶粒，从而成为亲液胶体，上述激发水是使上述水激发后产生作为自转运动的轴承式运动的水。

这种活性离子化燃料，由如下制造装置所制造。该活性离子化燃料制造装置由下述部分构成：用于贮藏液体燃料的液体燃料罐，和用于将上述液体燃料加压的液体燃料泵，和用于贮藏水的水罐，和用于将上述水加压的水泵，和由上述液体液体燃料罐及上述水罐供给上述液体燃料及上述水，而且被划分区间的混合搅拌室、设置在上述混合搅拌室的一端，将上述被加压的水喷射成雾状的水喷射阀和与上述水喷射咀相对应，设置在上述混合室的另一端，用于将上述被加压的液体燃料喷射的液体燃料喷射阀。

上述活性离子化燃料在下面的燃烧系统中进行燃烧。

该燃烧系统由下面部分所构成，它们分别是用于将活性离子化燃料进行加压的活性离子化燃料泵，该活性离子化燃料是用由上述混合搅拌室取出的上述液体燃料和上述水所制造的，和用于将由上述活性离子化燃料泵送来的上述活性离子化燃料微粒化，而后进行喷射的喷燃器。

最好由形成为了使从上述喷燃器来的燃料进行燃烧复数的缝隙，而且在内部具有空间的燃料罐所构成。

另外，上述燃烧罐也可以是在内部具有球形空间，而且，具有二层内外壁的。

本发明的效果是，可以用极其简单的结构制造活性离子化燃料。

本发明的其它效果是，在用本发明的活性离子化燃料制造装置所制造的活性离子化燃料进行燃烧的时候，由于无须积极地供给空气，所以可以实现NOx极少的燃烧气体。

本发明的另一个其它的效果是，基用本发明的燃烧系统，使这种活性离子化燃料燃烧时，由于在燃烧气体中蒸汽多，所以其导热率高。

液体燃料喷射阀、水喷射阀一起向混合室喷射液体燃料及水。对向喷射的液体燃料和水，在混合室内相互搅拌混合，进行活性离子化。泵由混合搅拌室吸引乳浊液化及活性离子化的活性离子化燃料，加压后送到喷燃器，喷燃器在内燃烧锅炉内进行雾化送出。由于内燃烧锅炉预先预热，所以通过这种预热使燃烧开始。在这种燃烧中，无须积极地进行空气送风。所谓两种液体乳浊液化及活性离子化，就是由于这种燃料具有进行离子化的能量，所以在使其燃烧的时候，成为容易燃烧的状态。

图1为表示本发明的燃烧系统的概要的功能方块图。

图2为混合搅拌机构的主要部位的剖面图。

图3为内燃烧锅炉的外观图。

图4为内燃烧锅炉的分解图。

图5为图3中用Ⅴ-Ⅴ剖断线剖断时的剖面图。

图6为将内燃烧锅炉球形作成双层壁的炉芯的其它实施例。

燃烧系统的概况

以下，根据图来说明本发明的实施例。图1为表示燃烧系统的概况的方块图。第1液体燃料罐1是用来贮藏在预热下面所述的内燃料锅炉16时所使用的液体燃料的罐。这种液体燃料是通过阀门18a输送到喷燃器15内的活性离子化燃料泵（图中未示出）内，活性离子化燃料泵将这种液体燃料加压后，输送到燃料喷射阀18。

在第2液体燃料罐2中，贮藏着燃烧用的液体燃料。水罐3是用来贮藏用下述方法与由第2液体燃料罐2来的液体燃料进行混合搅拌的水的罐。液体燃料罐2内的液体燃料，由管道通过液体燃料泵4、流量调节阀5、流量计6供给到混合搅拌机构7。

液体燃料泵4，是用于将液体燃料加压的。流量调节阀5，用于调节输送到燃料混合搅拌机构7中的液体燃料的量。流量计6是用于计量液体燃料的流量的。水罐3中的水，由管道通过水泵8、流量调节阀9、流置计10供给到混合搅拌机7中。

水泵8是用于将水罐3中的水加压的。流量调节阀9，是用于调节输送到燃料混合搅拌机构7中的水的流量的阀。流量计10，是用于计量水的流量的。供给到燃料混合搅拌机构7的第2液体燃料罐2的液体和水罐3中的水，采用如下所述的手段进行混合搅拌，从而使其乳浊液化及活性离子化。被乳化液化及活性离子化后的水和液体燃料，通过阀门11用泵12由燃料混合搅拌机构7吸引后，进行加压供给到喷燃器15，用燃料喷射阀19喷射到燃烧室17中。

压力计13，是用于计量、监视活性离子化燃料泵12的排输压力，以便使其保持一定的测量仪表。流量计14，是用于计量由活性离子化燃料泵12向喷燃器15所供应的被乳浊液化及活性离子化的燃料的流量的。喷燃器15，装设了靠燃料的压力使液体燃料从孔板高速喷出，来进行微粒化的燃料喷射阀18、19和鼓风机。

喷燃器15的结构是众所周知的，故在此不详述其结构。在本实施例中，装设了预热用的燃料喷射阀18和燃烧用的燃料喷射阀19两个阀。预热用的燃料喷射阀和鼓风机，只在预热内燃烧锅炉16时使用。通过燃料喷射阀19而被微粒化的活性离子化燃料，在内燃烧锅炉内进行燃烧，从而加热外燃烧室17。

燃料混合搅拌机构7

图2为燃料混合搅拌机构7的剖面图。燃料混合搅拌机构7，其本体20为园筒形状，该园筒的直径和长度大体相同。在本体20的一端，将螺塞21拧入到本体20中。在螺塞21的后端，拧入管接头23。在螺塞21的法兰22和本体22的端面上，装设O形密封圈24，以便将螺塞21和本体22之间进行密封。在螺塞21的前端拧入燃料喷射阀。

同样，在本体20的另一端面，将螺塞26拧入到本体20中。在螺塞26的后端，拧入管接头28。在螺塞26的法兰27和本体20的端面上，装设O形密封圈29，以便将螺塞26和本体20之间进行密封。在螺塞26的前端拧入水喷射阀30。

在本体20内的燃料喷射阀25和水喷射阀30所包围的空间，区划出园筒状的混合室31。在本体20的中间的周围位置上，在半径方向设置用于排输被活性离子化的活性离子化燃料的排输口32。在排输口32上，连接有管接头33。液体燃料喷射阀25、水喷射阀30，一起向混合搅拌室同时喷射液体燃料及水。

另外，本体20、螺塞21、26、燃料喷射阀25、水喷射阀30及和接头23、28等可以用磁性材料制造，但希望最好是陶瓷、不锈钢等非磁性材料。液体燃料喷射阀25、水喷射阀30的喷射角θ，最好为约30°～60°型的。另外，其喷射时的加压压力，最好为5～10公斤/厘米²的范围。

此外，如果在供给水的管接头28的旁边设置永磁发电机，则活性离子化燃料的制造效率就会更高。

内燃烧锅炉16

用由燃料混合搅拌机构7所供给的燃料和水制造的活性离子化燃料，用活性离子化燃料泵12吸引并且进行加压，而后供给到喷燃器15的燃料喷射阀19中。喷燃器15，将活性离子化燃料雾化成雾状吹入内燃烧锅炉16内。图3为表示内燃烧锅炉16的外观的图。图4为内燃烧锅炉16的分解图。图5为图3中用Ⅴ-Ⅴ剖断线剖断时的剖面图。内燃烧锅炉16，具有外侧燃料锅炉40和内侧燃烧锅炉41的双层锅炉的构造。

外侧锅炉40和内侧锅炉41，做成筒状的形状，在其外周沿园周面分别开设了数条缝隙42。由于外侧燃烧锅炉40的内径比内侧燃烧锅炉41的外径大，所以，在两者之间便形成了空隙42。活性离子化燃料，在这个空隙42和外侧燃烧锅炉40的外部即作为燃烧锅炉的外燃烧室17中进行燃烧。

操作

如上所述的活性离子化燃料制造装置和活性离子化燃料燃烧系统，按如下操作进行使用。首先，由液体燃料罐1通过阀18a将液体燃料供应到喷燃器15内的内藏泵（图中未示出）。在本实施例中，这种燃料使用市售的煤油。喷燃器15内的内藏泵，将液体燃料加压后输送到燃料喷射阀18中。该燃料喷射阀18，将加压供给的液体燃料雾化后输送到内燃烧锅炉16。内燃烧锅炉16内的雾化的液体燃料，通过点火手段（图中未示出）进行点火燃烧。

液体燃料，依靠由鼓风机输送来的空气开始燃烧，通过这种燃烧热，使燃烧锅炉16充分地预热。通过这种预热使燃烧锅炉16加热后，则阀门18a关闭，由液体燃料罐1来的液体燃料的供给停止。然后，在阀门18a关闭之前泵5、8起动。液体燃料喷射阀25、水喷射阀30一起向混合搅拌室31内同时喷射液体燃料及水。与此相适应，被喷射的液体燃料和水，在混合搅拌室31内相互搅拌混合，从而进行乳浊液化和离子化。

在阀门18a关闭后，阀门11打开，活性离子化燃料泵12吸引由被乳浊液化及活性离子化的水和燃料所制造的活性离子化燃料，并进行加压（在本实施例中，约为8公斤/厘米²）输送到喷燃器15。被输送到喷燃器15的活性离子化燃料，被雾化后输送到内燃烧锅炉16的内侧燃烧锅炉41内。由于内燃烧锅炉16被预先预热，所以，通过这种预热燃烧很容易开始。在这种燃烧中，不需要通过鼓风机积极地输送空气，可以采用自然通风。

所谓两种液体被活性离子化，也可以说是由于具有离子化能量，所以，使其在燃烧的时候是容易燃烧的状态。另外，这种活性离子化燃料，由于水和油的分子作为胶体粒子或比其小的粒子进行分散而成的乳液状，所以，成为容易完全燃烧的状态。因而，即使不积极地向燃烧锅炉16内供给空气，利用自然通风也可以连续燃烧。

燃烧原理

这种连续燃烧原理，如下所述那样进行推断。

H₂O（水）如众所周知的那样，是偶极子（dipole），到各电荷的长度以氧原子为中心到e-（电子）是0.99埃，到核质子（proton）也是0.99埃两者保持平衡。

〔化学式1〕

众所周知，氧元素（O）与氢原子（H）进行共价键结合，而进行共价键结合的二个氢原子（H）所形成的角度为105°3′。

群集体（cluster），叫做在多粒子系中一部分粒子局部处于相关的状态。水的动态分子集团结构（即cluster之一）以10^-12秒的速率，重复地进行着离散和形成过程。给水的动态分子集团结构以电荷，一旦提高二价的氧离子（氧原子）的电荷，则质子（proton）就能够吸引e-（电子），从而使上面所述的二电子的角度变成大于105°3′。

〔化学式2〕

质子（proton）受e-（电子）的电荷量左右，不断地进行微小的振动后复原。也就是说，给水施加外力，由于电荷提高，所以，偶极子能率提高，水被激发（excitation），动态分子集团结构（群集体）被分割成最小单位，变成高密度，形成离散，速度快于10^-12秒，呈现布朗运动（Brownian movement）。

这种被激发的

〔化学式3〕

与（链）烯（烃）系不饱和烃（oil）用物理的微小混合（microblend）即上述的燃料混合搅拌机构7进行混合，就进行

〔化学式4〕

的反应。这种反应与（链）烯（烃）等不饱和烃（oil）和臭氧化物即在具有乙烯键的化合物的双键部分上加上了臭氧的化合物的反应是相同的，碳和氧进行离子键结合，该RCH₂OCH₂R是具有以氧为中心的烃的结构。

这种被激发的

〔化学式3〕，

以烃的三十二分之一的力被质子吸引。也就是说，在油分子的周围，水的偶极子按照规正的极性，成为微细的群集体（动态分子集团结构），成为通过上述燃料混合搅拌机构7所产生的回转运动，即本说明书所说的轴承式运动的状态，即成为激发水。

这种被激发的水的群集体，在油分子的周围振荡，从而形成最小的胶粒（micelle）。也就是说，这种胶粒，多数（一般由数个到数十个）的小分子靠分子间的力结合起来产生亲液胶体粒子，成为如下化学结构的活性离子化燃料。

〔化学式5〕

包围油分子的激发水的偶极子的旋转速度，约为10^-6秒数量级，仅仅被吸引的部分比最外壳的群集体旋转速度慢。在其外侧保持规正的方向性的水的群集体，同样成为轮壳。其旋转速度约为10^-9秒。另外，在其外轮附近产生同样的情况，该完全不受质子影响的激发的水分子，在胶粒外进行布朗运动，即由于热所引起的不规则运动。

〔化学式6〕

这种中核的（链）烯（烃）不饱和烃（oil）与被激发的

〔化学式3〕

相结合，以下列的反应生成1摩尔有机物。

〔化学式7〕这种所生成的有机物，按如下反应进行燃烧。

〔反应式8〕

一方面，外壳进行轴承式运动的激发水（Bea  ring  movement  of  Active-water  cluster）在位于中核的油燃烧的时候，引起水蒸汽爆发（Detonation  of  setam），因而微细化的水的群集体分解成氢和氧，使未燃烧的油完全燃烧，故此，即使燃烧时的空气的供给量减少到通常燃烧时的三十分之一（见后述），也可以燃烧，而且，排放气中的氮氧化物（NOx）减少到三十分之一以下，氧化硫（SOx）减少到三分之一以下。

通过加入55%的水的这种活性离子化燃料，保持燃烧效率（节约实质效率）40%。不做轴承式运动的原来的乳浊液，如用显微镜观察，则水在油中成为5～50微米的水滴，仅在乳化点形成胶体。另外，过去的乳浊液在燃烧时的水滴蒸汽泡的大小，为60～600微米，蒸发热损失相对于水的添加量1%，热损失为0.08%，如加5%的水，乳浊液的燃烧热损失就是0.4%。因此，过去的乳浊液，水的添加量超过5%是不理想的。此外，过去的乳浊液，既没有轴承式运动，也未与丁烯的双键相结合，由于加入了55%的水，因而不能燃烧。

如以上所详述的那样，本发明的新颖的活性离子化燃料，按照与过去的乳浊液完全不同的燃烧理论，即使加入了如上所述的55%的水，炉内的温度也上升40%，是划时代的燃烧方法。

另外，作为使水激发的手段，在本实施例中，采用了上述活性离子化燃料制造装置，但是，其它手段也可以。例如，在使水受60～90Hz超声波的物质性的振动的同时，由于用电场、磁场、放电、光电板、电子枪等向水注入e-（电子），从而增强激发偶极子能率，使其成为活性状态，变成离子水。另外，上述实施例是使液体燃料燃烧的例子，但是，只要是烃系煤等固体燃料也可以。此时，数微米的单位最好是使用粉碎成5微米以下的粒子的微小的物质。将这种离子水通过物理的外力，例如超声波、压力、ミクロレンダ-（商标名）与（链）烯（烃）进行混合。

在固体燃料的情况下，也可以用上述的活性离子化燃料制造装置，按同样的方法进行制造。在这种情况下是使固体燃料分散到水中，也就是说，是在制成为悬浮液后使用。在这种情况下如果混合适当的稳定剂会更好。

实验数据

使用煤油和用本发明的系统所制造的活性离子化燃料进行实际燃烧，然后，测定排放气中的氮氧化物（NOx）和硫氧化物（SOx）。以下，示出其实验数据。

燃烧锅炉（以下称炉芯）16是外径270毫米、长550毫米的园筒状。材料使用铬钼钢（日本工业标准，SCM415）。燃烧室（以下称炉内）为高1000毫米、进深950毫米、宽1100毫米。炉的外壁用耐火砖进行绝热。

〔表1〕

在燃烧实验中，先安装密闭空气进入口的导管，然后测定流经该导管内的空气流量。其结果为，①煤油燃烧时，空气量为2.2米³/分钟，②在活性离子化燃料燃烧时，空气量为0.07米³/分钟。

从而，在假设煤油的燃烧空气量为100%的情况下，则在活性离子化燃料燃烧时所使用的空气量仅为3.3%，根据上述表1所示的值，排放气中的氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SOx），使用活性离子化燃料时，比使用煤油时，实际上减少到了三十分之一。

另外，这个数值是由表1的测定结果与排放气中的排气量计算的，是包含误差的。

燃烧锅炉的实施例2

图6是将燃烧锅炉80做成球状，而且是双层壁式的炉芯的例子。设置内壁81和外壁82（约300毫米直径），在各自的外圆周面上分别设置多个火焰放射口85。活性离子化燃料的供给，由内壁81的外周，通过具有60度的喷射角的喷咀84来进行。向喷咀84的活性离子化燃料的供给，通过输油管83来进行。另外，此时的喷咀84的喷射位置及角度，最好是以尽可能大的角度而且向内壁81的中心来进行喷射。

【化1】

【化2】

Claims (5)

1、一种活性离子化燃料，它是水和烃系液体燃料或固体燃料的乳浊液，它是由微细的上述液体燃料或固体燃料粒子和激发水所构成。其中，上述水的群集体在上述液体燃料或上述固体燃料粒子的周围，形成胶粒，从而成为亲液胶体(lyophilic  colloid)，上述激发水是使上述水激发后产生作为自转运动的轴承式运动的水。

2、一种活性离子化燃料制造装置，它由下列几部分构成：用于贮藏液体燃料或固体燃料悬浮液燃料的燃料罐，和用于将上述燃料加压的燃料泵，和用于贮藏水的水罐，用于将上述水加压的水泵，和由上述燃料罐及上述水罐来供给上述燃料及上述水，而且具有被划分了空间的混合搅拌室，和用于将上述被加压的水喷射成雾状、装设在上述混合搅拌室的一端的水喷射阀，和用于喷射被加压的上述燃料、与上述水喷射阀相对应地装设在上述混合搅拌室的另一端的燃料喷射阀。

3、权利要求1或2所述的活性离子化燃料的燃烧系统，其特征在于：它由用于将上述活性离子化燃料加压的活性离子化燃料泵，和将由上述活性离子化燃料泵供给的上述活性离子化燃料微粒化而后进行喷射的喷咀所构成。

4、权利要求3所述的活性离子化燃料的燃烧系统，其特征在于：它由形成为使由上喷咀喷出燃料进行燃烧的缝隙，而且，在内中具有空间的燃烧锅炉所构成。

5、权利要求5所述的活性离子化燃料的燃烧系统，其特征在于：上述锅炉在内部个有球形空间，而且，具有双层内外壁。

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