[發明專利]一種采用納米燃料的超臨界水熱燃燒方法

有效

• 申請號: 201811380085.5
• 申請日: 2018-11-20
• 公開（公告）號: CN109628164B
• 公開（公告）日: 2021-01-08
• 發明（設計）人: 周璐;馬紅和;趙翊帆
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: C10L1/02
• 分類號: C10L1/02;C10L1/12;C10L1/30;F23K5/08
• 代理公司: 太原晉科知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 14110
• 代理人: 任林芳

本發明公開了一種采用納米燃料的超臨界水熱燃燒方法，包括納米燃料制備、超臨界水熱燃燒、超臨界水氧化反應和納米粒子的回收和再生。本發明通過引入納米粒子作為液體燃料填充物，提高燃料導熱率，促進液體燃料升溫、蒸發速度，從而解決傳統液體燃料在超臨界水熱環境中燃燒火焰不穩定的問題，改善其燃燒特性；另外，本發明方法可有效降低液體燃料的熄火溫度，從而降低所需燃料最低濃度，節省燃料消耗量，提高系統運行經濟性。

技術領域

本發明涉及超臨界水熱燃燒工藝中提高燃燒效率和水熱火焰穩定性的方法，具體涉及一種采用納米燃料的超臨界水熱燃燒方法。

背景技術

超臨界水是指溫度和壓力均大于臨界點(壓力22.1MPa，溫度374.2℃)的水，它具有特殊的物理化學性能，如小的介電常數、大的傳熱傳質系數等。超臨界水熱燃燒技術是一種新型高效清潔燃燒技術，該技術使用液體輔助燃料乙醇、甲醇等在超臨界水中形成水熱燃燒區域，從而形成高溫高壓的水熱反應環境。該技術為實現采用超臨界水技術處理有機廢水、分解生物質制氫和高效清潔燃燒煤基燃料等創造了條件，具有廣闊發展前景。

目前已有大量關于水熱火焰特性、水熱燃燒反應器以及水熱燃燒技術工程應用方面的研究。提高反應器內水熱燃燒火焰的穩定性是決定該技術用于工程實際的關鍵問題，相關穩燃技術研究要點包括降低燃料熄火溫度和提高反應器的蓄熱能力等。但是，如何在超臨界水熱環境中維持穩定的燃燒火焰，依然是目前超臨界水熱燃燒領域的關鍵技術難題。因此，探索更為高效的水熱燃燒工藝方法具有重要應用價值。

液體燃料的霧化、蒸發過程是燃燒過程中最重要的一個步驟，其傳熱傳質效率被認為是控制燃燒的主要因素。為提高燃料液滴蒸發速率，必須提高液滴導熱性能。但是，目前超臨界水熱燃燒工藝中使用的傳統燃料導熱性能較差。這是引起目前水熱燃燒著火困難、火焰不穩定的主要原因。針對這一問題，本發明提出一種新型超臨界水熱燃燒工藝方法，將高導熱率的金屬或非金屬納米粒子穩定分散于傳統液體燃料中，形成高導熱納米燃料，顯著改善液體燃料在超臨界水環境中的蒸發特性和著火特性，從而降低著火溫度、提高水熱燃燒的穩定性，形成超臨界水熱燃燒反應的新工藝。

發明內容

本發明的目的是為解決現有技術的不足，提供了一種采用納米燃料的超臨界水熱燃燒方法，本發明方法將高導熱率的金屬或非金屬納米粒子穩定分散于傳統液體燃料中，形成高導熱納米燃料，顯著改善液體燃料在超臨界水環境中的蒸發特性和著火特性，從而降低著火溫度、提高水熱燃燒的穩定性，形成超臨界水熱燃燒反應的新工藝。

為實現上述目的，本發明所設計的采用納米燃料的超臨界水熱燃燒方法，包括納米燃料制備、超臨界水熱燃燒、超臨界水氧化反應和納米粒子的回收和再生，具體步驟如下：

1)將固體納米粒子和分散劑加入液體燃料中，首先采用機械攪拌至均勻，再采用超聲振動，制得穩定的納米燃料懸浮液；

2)將步驟1)制得的納米燃料在常溫下加壓至反應器壓力后通入超臨界水熱燃燒器中，再將經過預熱和壓縮的氧氣通入超臨界水熱燃燒器中與納米燃料混合，納米燃料被氧氣迅速加熱發生燃燒反應，燃燒產生的熱量迅速傳遞至整個超臨界反應器，將加入超臨界反應器內的待處理反應物料與經過加壓的氧氣加熱至超臨界狀態23～30MPa，400～600℃，從而發生超臨界水反應；

3)將步驟2)中的固體納米粒子與液相反應產物一起排出反應器，經回熱單元冷卻后進入過濾裝置進行分離回收；分離出的納米粒子進入再生單元，進行納米粒子再生以重復使用。

作為優選方案，所述固體納米粒子的體積分數為0.5～5％，所述固體納米粒子和分散劑的摩爾比為1:2～1:5。

作為優選方案，所述步驟1)中機械攪拌1～3h，超聲振動2～5h。

作為優選方案，所述固體納米粒子為金屬氧化物、納米金屬或者碳納米管中的一種；所述金屬氧化物為氧化銅、三氧化二鋁、氧化鐵等，所述納米金屬為銅、鋁和鐵等。