CN109628164A - 一种采用纳米燃料的超临界水热燃烧方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用纳米燃料的超临界水热燃烧方法，包括纳米燃料制备、超临界水热燃烧、超临界水氧化反应和纳米粒子的回收和再生。本发明通过引入纳米粒子作为液体燃料填充物，提高燃料导热率，促进液体燃料升温、蒸发速度，从而解决传统液体燃料在超临界水热环境中燃烧火焰不稳定的问题，改善其燃烧特性；另外，本发明方法可有效降低液体燃料的熄火温度，从而降低所需燃料最低浓度，节省燃料消耗量，提高***运行经济性。

Description

一种采用纳米燃料的超临界水热燃烧方法
技术领域
本发明涉及超临界水热燃烧工艺中提高燃烧效率和水热火焰稳定性的方法，具体涉及一种采用纳米燃料的超临界水热燃烧方法。
背景技术
超临界水是指温度和压力均大于临界点(压力>22.1MPa，温度>374.2℃)的水，它具有特殊的物理化学性能，如小的介电常数、大的传热传质系数等。超临界水热燃烧技术是一种新型高效清洁燃烧技术，该技术使用液体辅助燃料乙醇、甲醇等在超临界水中形成水热燃烧区域，从而形成高温高压的水热反应环境。该技术为实现采用超临界水技术处理有机废水、分解生物质制氢和高效清洁燃烧煤基燃料等创造了条件，具有广阔发展前景。
目前已有大量关于水热火焰特性、水热燃烧反应器以及水热燃烧技术工程应用方面的研究。提高反应器内水热燃烧火焰的稳定性是决定该技术用于工程实际的关键问题，相关稳燃技术研究要点包括降低燃料熄火温度和提高反应器的蓄热能力等。但是，如何在超临界水热环境中维持稳定的燃烧火焰，依然是目前超临界水热燃烧领域的关键技术难题。因此，探索更为高效的水热燃烧工艺方法具有重要应用价值。
液体燃料的雾化、蒸发过程是燃烧过程中最重要的一个步骤，其传热传质效率被认为是控制燃烧的主要因素。为提高燃料液滴蒸发速率，必须提高液滴导热性能。但是，目前超临界水热燃烧工艺中使用的传统燃料导热性能较差。这是引起目前水热燃烧着火困难、火焰不稳定的主要原因。针对这一问题，本发明提出一种新型超临界水热燃烧工艺方法，将高导热率的金属或非金属纳米粒子稳定分散于传统液体燃料中，形成高导热纳米燃料，显著改善液体燃料在超临界水环境中的蒸发特性和着火特性，从而降低着火温度、提高水热燃烧的稳定性，形成超临界水热燃烧反应的新工艺。
发明内容
本发明的目的是为解决现有技术的不足，提供了一种采用纳米燃料的超临界水热燃烧方法，本发明方法将高导热率的金属或非金属纳米粒子稳定分散于传统液体燃料中，形成高导热纳米燃料，显著改善液体燃料在超临界水环境中的蒸发特性和着火特性，从而降低着火温度、提高水热燃烧的稳定性，形成超临界水热燃烧反应的新工艺。
为实现上述目的，本发明所设计的采用纳米燃料的超临界水热燃烧方法，包括纳米燃料制备、超临界水热燃烧、超临界水氧化反应和纳米粒子的回收和再生，具体步骤如下：
1)将固体纳米粒子和分散剂加入液体燃料中，首先采用机械搅拌至均匀，再采用超声振动，制得稳定的纳米燃料悬浮液；
2)将步骤1)制得的纳米燃料在常温下加压至反应器压力后通入超临界水热燃烧器中，再将经过预热和压缩的氧气通入超临界水热燃烧器中与纳米燃料混合，纳米燃料被氧气迅速加热发生燃烧反应，燃烧产生的热量迅速传递至整个超临界反应器，将加入超临界反应器内的待处理反应物料与经过加压的氧气加热至超临界状态23～30MPa，400～600℃，从而发生超临界水反应；
3)将步骤2)中的固体纳米粒子与液相反应产物一起排出反应器，经回热单元冷却后进入过滤装置进行分离回收；分离出的纳米粒子进入再生单元，进行纳米粒子再生以重复使用。
作为优选方案，所述固体纳米粒子的体积分数为0.5～5％，所述固体纳米粒子和分散剂的摩尔比为1:2～1:5。
作为优选方案，所述步骤1)中机械搅拌1～3h，超声振动2～5h。
作为优选方案，所述固体纳米粒子为金属氧化物、纳米金属或者碳纳米管中的一种；所述金属氧化物为氧化铜、三氧化二铝、氧化铁等，所述纳米金属为铜、铝和铁等。
作为优选方案，所述分散剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基溴化铵、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、烷基硫醇等中的一种。
作为优选方案，所述液体燃料的质量分数为20％～50％，所述液体燃料为甲醇、乙醇、丙醇、乙二醇等中的一种。
作为优选方案，所述高温氧气起始阶段可采用电加热或燃气加热炉加热，正常运行后可采用反应产物回热单元加热，不需外界供给热量。
作为优选方案，所述超临界水反应包括有机废水氧化处理和生物质气化制氢等。
作为优选方案，所述纳米粒子再生单元，对于初始纳米粒子成分为金属氧化物时，由机械研磨装置组成，将部分烧结团聚的纳米粒子经过机械研磨恢复为具有一定粒度的纳米粉体；如该纳米粒子为纳米金属粒子或碳纳米管时，可不设置再生装置。
本发明的有益效果是：
第一，本发明将高导热率的金属或非金属纳米粒子作为液体燃料的填充物稳定分散于传统液体燃料中，形成高导热纳米燃料，提高燃料导热率，促进液体燃料升温、蒸发速度，降低着火温度，显著改善了液体燃料在超临界水环境中的蒸发特性和着火特性，从而解决了传统液体燃料在超临界水热环境中燃烧火焰不稳定的问题，改善了其燃烧特性；
第二，本发明方法可有效降低液体燃料的熄火温度，从而降低所需燃料最低浓度，节省燃料消耗量，提高***运行经济性。
附图说明
图1为采用本发明纳米燃料的超临界水热燃烧方法处理有机废水的流程图。
具体实施例
下面结合附图及采用纳米燃料的超临界水热燃烧方法处理有机废水的具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
将体积分数为3％的氧化铜纳米粒子(<100nm)和十二烷基硫酸钠加入质量分数为30％的甲醇溶液中，机械搅拌1h，再超声振动3h，制得纳米粒子稳定悬浮的纳米燃料，其中氧化铜与十二烷基硫酸钠的摩尔比为1:3；将制得的纳米燃料在常温下通过高压泵加压至超临界反应压力23～30MPa，通入超临界水热燃烧器。氧气经压缩机加压和回热单元预热到温度为400～500℃后同时通入超临界水热燃烧器，二者迅速混合燃烧。燃烧产生的热量将超临界反应器内的有机废水和氧气加热至超临界反应状态23～30MPa、400～600℃，废水中的有机废物进而快速发生超临界水氧化反应，生成二氧化碳和水，有机废水处理效率可达99％以上。氧化铜粒子与超临界水氧化反应液相产物一起排出反应器；将包含氧化铜粒子的产物悬浮液经回热单元冷却后，再通过过滤器对氧化铜粒子进行分离回收。根据分离出固体粒子的XRD图谱分析和SEM分析，其成分99％以上为氧化铜，说明超临界水氧化反应对纳米粒子成分没有明显影响。纳米粒子呈多晶团聚物，说明纳米粒子在高温反应环境中发生了黏结，粒径约为150～200nm，单晶粒径约为30～50nm。将分离出的氧化铜经机械研磨装置研磨至初始粒径后，可回收再利用。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种采用纳米燃料的超临界水热燃烧方法，其特征在于：包括纳米燃料制备、超临界水热燃烧、超临界水氧化反应和纳米粒子的回收和再生，具体步骤如下：
1)将固体纳米粒子和分散剂加入液体燃料中，首先采用机械搅拌至均匀，再采用超声振动，制得稳定的纳米燃料悬浮液；
2)将步骤1)制得的纳米燃料在常温下加压至反应器压力后通入超临界水热燃烧器中，再将经过预热和压缩的氧气通入超临界水热燃烧器中与纳米燃料混合，纳米燃料被氧气迅速加热发生燃烧反应，燃烧产生的热量迅速传递至整个超临界反应器，将加入超临界反应器内的待处理反应物料与经过加压的氧气加热至超临界状态23～30MPa，400～600℃，从而发生超临界水反应；
3)将步骤2)中的固体纳米粒子与液相反应产物一起排出反应器，经回热单元冷却后进入过滤装置进行分离回收；分离出的纳米粒子进入再生单元，进行纳米粒子再生以重复使用。
2.根据权利要求1所述的一种采用纳米燃料的超临界水热燃烧方法，其特征在于：所述固体纳米粒子的体积分数为0.5～5％，所述固体纳米粒子和分散剂的摩尔比为1:2～1:5。
3.根据权利要求1所述的一种采用纳米燃料的超临界水热燃烧方法，其特征在于：所述步骤1)中机械搅拌1～3h，超声振动2～5h。
4.根据权利要求1所述的一种采用纳米燃料的超临界水热燃烧方法，其特征在于：所述固体纳米粒子为金属氧化物、纳米金属或者碳纳米管中的一种；所述金属氧化物为氧化铜、三氧化二铝、氧化铁等，所述纳米金属为铜、铝和铁等。
5.根据权利要求1所述的一种采用纳米燃料的超临界水热燃烧方法，其特征在于：所述分散剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基溴化铵、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、烷基硫醇等中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种采用纳米燃料的超临界水热燃烧方法，其特征在于：所述液体燃料的质量分数为20％～50％，所述液体燃料为甲醇、乙醇、丙醇、乙二醇等中的一种。
7.根据权利要求1～6任意一项所述的一种采用纳米燃料的超临界水热燃烧方法，其特征在于：所述高温氧气起始阶段可采用电加热或燃气加热炉加热，正常运行后可采用反应产物回热单元加热，不需外界供给热量。
8.根据权利要求1～6任意一项所述的一种采用纳米燃料的超临界水热燃烧方法，其特征在于：所述超临界水反应包括有机废水氧化处理和生物质气化制氢等。
9.根据权利要求1～6任意一项所述的一种采用纳米燃料的超临界水热燃烧方法，其特征在于：所述纳米粒子再生单元，对于初始纳米粒子成分为金属氧化物时，由机械研磨装置组成，将部分烧结团聚的纳米粒子经过机械研磨恢复为具有一定粒度的纳米粉体；如该纳米粒子为纳米金属粒子或碳纳米管时，可不设置再生装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN103934468A (zh) * 2014-04-02 2014-07-23 西安交通大学 纳米金属或纳米金属氧化物颗粒的超临界水热合成方法

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