TWI679275B - 強化燃燒效率的方法及設備 - Google Patents
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Abstract
本發明揭露一種強化燃燒效率的方法及利用該方法的設備。該方法包
含步驟：(a)提供一催化助燃劑；(b)霧化該催化助燃劑；(c)將霧化後的該催化助燃劑與空氣混合以形成一混合霧氣；及(d)引導該混合霧氣進入一燃燒室維持在不低於攝氏300℃的燃燒溫度下與一燃料進行燃燒。
Description
本發明關於一種強化燃燒效率的方法及應用該方法的設備，特別是一種可強化現有燃燒設備，如鍋爐、引擎等之燃燒效率的方法及應用該方法的設備。
燃燒釋放能量，人類藉由學習控制燃燒而獲得動力，從工業革命至今不斷地改進生活水準。然而，利益興起，弊端亦隨之。生活環境中，大至燃煤發電機，小到汽機車的引擎，在提供便捷的電力或動力的同時，也增加了廢熱與廢氣的排放。理想上，燃燒的廢氣最好只有水蒸氣與二氧化碳，這樣對於環境與人體健康的破壞最小。但因機器老化、燃料成分、燃燒環境等因素，前述設備產生的廢氣常包含一些未完全燃燒物，如碳氫化合物(HC)與一氧化碳(CO)，以及有毒廢氣，如氮氧化物(NOx)與硫氧化物(SOx)。尤有甚者，這些排放廢氣還會夾帶一些重金屬或與空氣中塵埃結合，形成對人體氣管及肺部有害的細懸浮微粒(常聽見的PM2.5)。如果該些設備燃燒較有效率，因完全燃燒這些傷害人體及環境的物質也會產生的較少。
除了環境與健康，設備燃燒效率亦跟成本有關。舉例來說，軋鋼廠的一條產線一年所需要花費的重油，估算接近一億八千多萬。如果可以在
這個部份降低8%~20%的成本，一年計算下來將為企業節省1千4百4拾多萬到3千6百多萬。在微利時代中，這對於提升企業營收有著倍數以上的成長。因此，如何強化燃燒效率一直是相關產業致力研究的重點。
本段文字提取和編譯本發明的某些特點。其它特點將被揭露於後續段落中。其目的在涵蓋附加的申請專利範圍之精神和範圍中，各式的修改和類似的排列。
本發明的一目的在於提供一種強化燃燒效率的方法，可應用於現有需要進行燃燒以運作的設備，外燃機(如鍋爐、氧化爐、加熱爐等…(、與內燃機(如汽車引擎、船隻引擎(上，在不改動該些設備的硬體架構下，讓燃燒更完全，進而節省燃料成本與減少有害燃燒廢氣產生。為此，該強化燃燒效率的方法包含步驟：(a)提供一催化助燃劑；(b)霧化該催化助燃劑；(c)將霧化後的該催化助燃劑與空氣混合以形成一混合霧氣；及(d)引導該混合霧氣進入一燃燒室與一燃料進行燃燒，並維持該燃燒室的燃燒溫度不低於攝氏300度。其中，該催化助燃劑的劑量與該燃料的用量間的比率落於一特定比率區間內；該催化助燃劑包含：二氧化鈦(TiO2)0.9至1.1重量份；乙二醇(ethylene glycol)68至72重量份；水(Water)21至25重量份；介面活性劑1.8至2.2重量份；及沸石粉(Zeolite)3.6至4.4重量份。
最好，該介面活性劑可為十二烷基硫酸钠(Sodium Dodecyl Sulfate)。
依照本發明，若該燃料為重油，則該特定比率區間可為一公升催化助燃劑用於5,040公升至6,560公升重油。若該燃料為天然氣，則該特定比率區間可為一公升催化助燃劑用於5,040度至6,560度天然氣。若該燃料為煤，則該特定比率區間可為一公升催化助燃劑用於11.9公噸至13.1公噸煤。
本發明的另一目的在於依照前述的強化燃燒效率的方法，提供一種強化燃燒效率的設備。該設備包含：一催化助燃劑槽，用於裝盛一催化助燃劑；一霧化模組，與該催化助燃劑槽直接或間接連接，用以將該催化助燃劑槽內的催化助燃劑霧化，便與空氣混合以形成一混合霧氣；一傳輸氣管，傳輸該混合霧氣；及一燃燒室，包括：一入氣孔，與該傳輸氣管開口連接，用以接收該混合霧氣；一燃料入口，用以接收一燃料；一燃燒空間，該混合霧氣與該燃料在此處進行燃燒；及一排氣孔，用以將燃燒後廢氣排出燃燒室。其中，該燃燒室可維持燃燒溫度不低於攝氏300度；該催化助燃劑的劑量與該燃料的用量間的比率落於一特定比率區間內；該催化助燃劑包含：二氧化鈦0.9至1.1重量份；乙二醇68至72重量份；水21至25重量份；介面活性劑1.8至2.2重量份；及沸石粉3.6至4.4重量份。
最好，該介面活性劑可為十二烷基硫酸钠。
依照本發明，若該燃料為重油，則該特定比率區間可為一公升催化助燃劑用於5,040公升至6560公升重油。若該燃料為天然氣，則該特定比率區間可為一公升催化助燃劑用於5,040度至6560度天然氣。若該燃料為煤，則該特定比率區間可為一公升催化助燃劑用於11.9公噸至13.1公噸煤。
依照本發明，由於催化助燃劑的負氧作用、富氧作用、原子空軌域填補作用與遠紅外線分解作用，於攝氏300度以上、380nm可見光照的環
境，以及控制催化助燃劑的劑量與燃料的用量間的比率，燃燒室內的燃燒就能較沒有使用本發明前更有效率。
10‧‧‧催化助燃劑槽
12‧‧‧催化助燃劑連通管
100‧‧‧催化助燃劑
120‧‧‧外部空氣
140‧‧‧混合霧氣
160‧‧‧廢氣
20‧‧‧霧化模組
22‧‧‧進量控制馬達
24‧‧‧霧化器
30‧‧‧抽氣模組
32‧‧‧傳輸氣管
32a‧‧‧開口
40‧‧‧燃燒室
42‧‧‧入氣孔
44‧‧‧燃料入口
46‧‧‧燃燒空間
48‧‧‧排氣孔
50‧‧‧燃料槽
52‧‧‧燃料連通管
500‧‧‧燃料
圖1為依照本發明實施例的一種強化燃燒效率的方法之流程圖；圖2為依照本發明的另一實施例的一種強化燃燒效率的設備之示意圖；圖3為依照本發明的又一實施例的一種強化燃燒效率的設備之示意圖。
本發明將藉由參照下列的實施方式而更具體地描述。
請見圖1，該圖為依照本發明實施例的一種強化燃燒效率的方法之流程圖。這裡，強化燃燒效率是要讓燃料在不變動燃燒空氣供應的方式下(比如空氣壓縮以增加單位體積含氧量)讓燃料燃燒得更完全，更接近燃燒後元素為水與二氧化碳的目的。該方法首先提供一催化助燃劑(S01)。催化助燃劑是本方法的核心要素，以下茲將其成份與用途進行說明。
整體而言，經過無數次的試驗及修改配比，催化助燃劑的成分可包含：二氧化鈦(TiO2)0.9至1.1重量份；乙二醇(ethylene glycol)68至72重量份；水(Water)21至25重量份；介面活性劑1.8至2.2重量份；及沸石粉(Zeolite)3.6至4.4重量份。一個比較好的實施態樣是二氧化鈦1重量份、乙二醇70重量份、水23重量份、介面活性劑2重量份及沸石粉4重量份。其它比例的配方，只要落在前述的範圍內，都可以達到強化燃燒效率的目的而為本發明所主張。實作上，介面活性劑可以使用十二烷基硫酸钠(Sodium Dodecyl Sulfate)。
由於催化助燃劑具有上述的成分，因此可以在協助燃料(可以是固態的，比如煤、是液態的，比如重油或汽油，甚至是氣態的，比如天然氣)燃燒時，增加氧氣含量，藉以強化燃燒效率。催化助燃劑增加氧氣含量以強化燃燒效率主要藉由以下幾種作用。
第一、負氧作用。二氧化鈦為
種光觸媒原子，在燃燒室內經380nm可見光照射後(一般燃燒都會產生380nm的可見光)，電子電洞對(原子)中的電子(帶負電)吸收能量而穿越3.2eV之能隙至導電帶，因電子的光還原(Photo Reduction)作用，使氧變成帶負電之活潑性很高的氧，即活性氧(Activated Oxygen)，留在原地(價電帶)之電洞(帶正電)，因為電洞的光氧化(Photo Oxidation)作用(汽態)，電洞會和二氧化鈦表面上的OH反應(氧化)，生成氧化性很高的OH-自由基。活潑的OH-自由基和帶負電之活潑性很高的氧，會把有機物(碳氫化合物)分解，重新降解成為二氧化碳和水。
第二、富氧作用。空氣的組成主要是由78%的氮氣、21%的氧氣及1%的稀有氣體和雜質組成的混合物。一般的自然燃燒狀態下，氧氣濃度為21%。如果用比自然狀態下，含氧量高的空氣作為助燃空氣時，即為富氧燃燒。由負氧作用得知帶負電之活潑性很高的氧會與碳氫化合物完全燃燒降解成二氧化碳和水，另電極板效應(水的電解電位為1.23V)又將水(汽態)還原為H+與OH-，如此周而復始循環。依實驗得知，可增加2%~5%的含氧量，此即所謂的富氧作用。此外，伴隨著富氧作用，理論空氣需要量減少，且可提升燃燒時的火焰溫度。此亦為強化燃燒效率之因子。
第三、原子空軌域填補作用。氮的電子序為7，以學理的角度進行說明。1S2S2P在第二層應該要有4個軌域、8個電子，而氮氣含有7個電子(亦及第
層有2個電子、第二層有5個電子)。但以第二層的軌域數來看，應該要達到8個電子才會穩定，但卻少掉3個電子(即所稱的空軌域)。本發明可
利用所產生的電子，將原先空軌域進行填補，使氮達到穩定的狀態，而不與氧氣結合，進而減少NOx產生的機率。但因本發明尚有富氧的效果，因此除了空軌域的機制之外，在氧氣足夠的前提之下，還可降低進風量，減少過多的氮氣，以增進燃燒效率。
第四、遠紅外線分解作用。本發明的催化助燃劑，在電解出氧氣的同時，亦會產生遠紅外線，利用碳分子膨脹係數不同的特性產生磨擦，進而將燃燒室內的結焦與結渣，溫和的進行分解並參與燃燒，以增進燃燒效率。
由以上的說明，可以很清楚知道催化助燃劑的功能。從而，為了最佳化催化助燃劑的使用，本發明提出的強化燃燒效率的方法的第二個步驟是霧化該催化助燃劑(S02)。霧化的方式很多元，比如以高週波對催化助燃劑液面進行震盪以產生霧化效果、採用傳統霧化噴嘴進行霧化，或是利用加熱的方式進行霧化，都是可行的方式。重點是要能讓催化助燃劑霧化後有效散佈於空氣中。接著，將霧化後的該催化助燃劑與空氣混合以形成一混合霧氣(S03)。最終，引導該混合霧氣進入一燃燒室與一燃料進行燃燒，並維持該燃燒室的燃燒溫度不低於攝氏300度，其維持燃燒溫度不低於攝氏300度的目的是要讓二氧化鈦在奈米結構下，能順利進行光觸媒反應。
另外，催化助燃劑的劑量與該燃料的用量間的比率落於一特定比率區間內，也就是使用的催化助燃劑的劑量有一定的限制，過多或太少都不會強化燃燒效率。藉由實驗的結果可知，該特定比率區間因燃料的不同而異。舉例來說，若燃料為重油，則該特定比率區間為一公升催化助燃劑用於5,040公升至6,560公升重油；燃料為天然氣，則該特定比率區間為一公升催化助燃劑用於5,040度至6,560度天然氣；若該燃料為煤，則該特定比率區間為一公升催化助燃劑用於11.9公噸至13.1公噸煤。
本發明另提出一種強化燃燒效率的設備。請見圖2，該圖為該設備的實施例的之示意圖。該強化燃燒效率的設備包含了：一催化助燃劑槽10、一霧化模組20、一抽氣模組30、一燃燒室40、一燃料槽50、連接催化助燃劑槽10與霧化模組20的一催化助燃劑連通管12、連接抽氣模組30與燃燒室40的一傳輸氣管32，及連接燃料槽50與燃燒室40的一燃料連通管52。
催化助燃劑槽10，顧名思義，用於裝盛催化助燃劑100。催化助燃劑100的流動可以靠重力，也可以加壓為之。霧化模組20與該催化助燃劑槽10靠催化助燃劑連通管12間接連接。實作上，兩者也可以直接相連。霧化模組20可用以將催化助燃劑槽10內的催化助燃劑100霧化，並與空氣混合以形成一混合霧氣。霧化模組20可進一步包含兩元件：一進量控制馬達22與一霧化器24。進量控制馬達22可以控制單位時間被霧化的催化助燃劑100的量，也就是維持前一實施例中所說的催化助燃劑100的劑量與燃料的用量間的比率落於一特定比率區間內。霧化器24則執行霧化，並將霧化後的催化助燃劑100受傳輸氣管32內的負壓而向傳輸氣管32的一開口32a移動，以便與傳輸氣管32一方來的空氣(細空心箭號)混合形成混合霧氣(開口32a旁之雲霧狀)。
抽氣模組30可以是任何一種有負壓的設備(例如：抽風機、鼓風機、吸風口等)，將設備的外部空氣120(粗空心箭號)引入輸氣管32中，以傳送到燃燒室40中與燃料500進行燃燒。傳輸氣管32過了開口32a，用以傳輸該混合霧氣140(細空心虛箭號)。
燃燒室40包括了一入氣孔42、一燃料入口44、燃燒空間46及一排氣孔48。入氣孔42與傳輸氣管32的開口連接，用以接收該混合霧氣140。燃料入口44用以接收燃料500。在本例中，燃料500是靠燃料連通管52來接收的，燃料500的流動是靠重力或壓力則不限定。燃燒空間46(虛線框所繪示)是燃燒發生的場所，燃料500與混合霧氣140經初步混合後即在此處進行燃燒。當
然，這裡所謂的燃燒，其程度較劇烈者可能以爆炸形式呈現。排氣孔48可將燃燒後的廢氣160排出燃燒室40。實作上，燃燒室40的形式可能是個鍋爐、引擎等需要燃燒燃料運作的裝置。
如同前一實施例所介紹，燃燒室40可維持燃燒溫度不低於攝氏300度。催化助燃劑100的劑量與燃料500的用量間的比率也落與前述的特定比率區間內。催化助燃劑100包含：二氧化鈦0.9至1.1重量份；乙二醇68至72重量份；水21至25重量份；介面活性劑1.8至2.2重量份；及沸石粉3.6至4.4重量份。該介面活性劑最好是十二烷基硫酸钠。
以上的實施例中揭露的強化燃燒效率的設備適用於內燃機，比如車子的引擎；若要應用於外燃機，比如鍋爐上，強化燃燒效率的設備元件可以改為如圖3所示一般。相較於圖2，圖3中的傳輸氣管32沒有開口32a，霧化器24也不再連接開口32a。取而代之的是霧化器24開口直接對上抽氣模組30，霧化的催化助燃劑利用抽氣模組30與設備的外部空氣120混合，之後再送入燃燒室40。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
Claims (9)
- 一種強化燃燒效率的方法，包含步驟：(a)提供一催化助燃劑；(b)霧化該催化助燃劑；(c)將霧化後的該催化助燃劑與空氣混合以形成一混合霧氣；及(d)引導該混合霧氣進入一燃燒室與一燃料進行燃燒，並維持該燃燒室的燃燒溫度不低於攝氏300度；其中，該催化助燃劑的劑量與該燃料的用量間的比率落於一特定比率區間內；該催化助燃劑包含：二氧化鈦(TiO2)0.9至1.1重量份；乙二醇(ethylene glycol)68至72重量份；水(Water)21至25重量份；介面活性劑1.8至2.2重量份；及沸石粉(Zeolite)3.6至4.4重量份，該介面活性劑為十二烷基硫酸钠(Sodium Dodecyl Sulfate)。
- 如申請專利範圍第1項所述的強化燃燒效率的方法，其中若該燃料為重油，則該特定比率區間為一公升催化助燃劑用於5,040公升至6,560公升重油。
- 如申請專利範圍第1項所述的強化燃燒效率的方法，其中若該燃料為天然氣，則該特定比率區間為一公升催化助燃劑用於5,040度至6,560度天然氣。
- 如申請專利範圍第1項所述的強化燃燒效率的方法，其中若該燃料為煤，則該特定比率區間為一公升催化助燃劑用於11.9公噸至13.1公噸煤。
- 一種強化燃燒效率的設備，包含：一催化助燃劑槽，用於裝盛一催化助燃劑；一霧化模組，與該催化助燃劑槽直接或間接連接，用以將該催化助燃劑槽內的催化助燃劑霧化，便與空氣混合以形成一混合霧氣；一傳輸氣管，傳輸該混合霧氣；及一燃燒室，包括：一入氣孔，與該傳輸氣管開口連接，用以接收該混合霧氣；一燃料入口，用以接收一燃料；一燃燒空間，該混合霧氣與該燃料在此處進行燃燒；及一排氣孔，用以將燃燒後廢氣排出燃燒室；其中，該燃燒室可維持燃燒溫度不低於攝氏300度；該催化助燃劑的劑量與該燃料的用量間的比率落於一特定比率區間內；該催化助燃劑包含：二氧化鈦0.9至1.1重量份；乙二醇68至72重量份；水21至25重量份；介面活性劑1.8至2.2重量份；及沸石粉3.6至4.4重量份。
- 如申請專利範圍第5項所述的強化燃燒效率的設備，其中該介面活性劑為十二烷基硫酸钠。
- 如申請專利範圍第5項所述的強化燃燒效率的設備，其中若該燃料為重油，則該特定比率區間為一公升催化助燃劑用於5,040公升至6,560公升重油。
- 如申請專利範圍第5項所述的強化燃燒效率的設備，其中若該燃料為天然氣，則該特定比率區間為一公升催化助燃劑用於5,040度至6,560度天然氣。
- 如申請專利範圍第5項所述的強化燃燒效率的設備，其中若該燃料為煤，則該特定比率區間為一公升催化助燃劑用於11.9公噸至13.1公噸煤。
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