[发明专利]用于提供燃料和氧化剂的均匀混合物的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于提供燃料和氧化剂的均匀混合物的装置，包括：用于将液体燃料供送到蒸发器的装置，用于将气体氧化剂供送到蒸发器下游的混合区域的装置，和位于混合区域下游的反应区域。

本发明还涉及一种用于提供燃料和氧化剂的均匀混合物的方法，包括下列步骤：将液体燃料供送到蒸发器，将气体氧化剂和蒸发的燃料供送到蒸发器下游的混合区域中，在混合区域中使氧化剂和燃料混合，并且将已经在混合区域中实现的(materialized)混合物导入反应区域中。

背景技术

目前，液体燃料例如柴油、燃料油、汽油和煤油代表了用于产生热量、机械功和电流的最重要的能量源，这同样例如用在汽车发动机燃烧和独立于发动机的加热和家用燃烧器中。相反，在燃料电池系统中，液体碳氢化合物没有被完全燃烧，而是通过部分氧化反应被转化成氢气。对于这两种类型的反应来说共同的是液体燃料首先需要被转化成气态，并且在然后在反应室中被转化之前在混合室中与空气混合。对于这种技术，努力实现最佳的均匀燃料/空气混合物，因为通过增加均匀性，例如碳烟、NO_X和CO形式的有害的排放物的比率可以降低。作为反应产物的CO在反应产物的范围中是需要的，但是作为燃烧过程的产物，它是有害的。

在现代类型的燃烧器和氧化反应器中，混合室和反应室通常通过回火密封件(mol seal)彼此分开，从而当使用自燃燃料时，氧化反应不会在混合室内已经开始而带来负面影响。

使液体燃料蒸发可以通过多种方法实现：

从德国专利DE3914611C2可以得知，例如，燃料在车辆加热器中在无纺金属纤维垫(mating)的表面上或类似结构的表面如编织表面上被蒸发，从而液体燃料被施加到热的无纺金属纤维垫，在其处，它被分布并且然后被蒸发。蒸发之后，燃料与空气在混合室中混合并且被均匀化。在这种装置中，供应空气用于在燃烧室中进行燃烧在多个步骤中通过燃烧室壁中的多个进气口发生，在其处，会形成火焰，并且由于热传导、辐射和对流，需要的热量最终可用于进行(receiving)蒸发过程。

然而，通过无纺金属纤维垫来蒸发燃料具有缺点。柴油燃料的蒸发中的测量表明，在无纺金属纤维垫上产生非常高的表面温度(高达1100℃)，即特别高于400℃，在这样的温度下，发生显著程度的裂化反应(crack reaction)，造成碳烟形成(sooting up)。这里的缺点在于燃料仅在无纺垫的表面处与空气接触，并且因此可以氧化。另外，由于分级的空气供应，大部分燃烧空气主要是在无纺垫上的蒸发之后被供应。无纺垫的表面处相对应低的空气比导致在蒸发器上形成沉积物，这使得难以稳定操作，并且使得使用寿命变短。存在与蒸气裂化中的反应条件相当的反应条件，导致系统中碳烟形成，下面简单描述。

蒸汽裂化是在蒸汽、石脑油(naptha)、轻汽油馏分(fraction)存在的情况下在石油化学中使用的热裂化的方法，通常利用大约800-1400℃蒸汽在外部用火加热的(fired)裂化螺旋管内被无催化剂地(non-catalytically)裂化，以产生乙烯和丙烯的活性低分子化合物。另外，技术上感兴趣的所形成的副产品包括：芳烃(aromate)(苯、甲苯、二甲苯)等。蒸汽裂化的目的是制造在化学工业中需要的短链烯烃。如图4所示，直到获得了高温，这些才形成。利用乙烷形成乙烯在超过大约700℃的温度时变得较容易，并且利用乙烯形成乙炔发生在1200℃以上的温度。这是为何可以理解为了制造乙烯和丙烯，使用800到900℃的温度(中等温度热解)，同时形成乙炔在超过1300℃的温度进行(高温热解)。同样从图4可见，碳氢化合物容易分离成元素碳(碳烟)和H。为了减少这些不希望的连续(knock-on)反应的程度，在最佳反应时间(0.2到0.5秒)之后，混合物需要被尽可能快地(0.1秒)充分冷却，从而这些不希望的产物形成率接近零，导致产品合成没有被热动力平衡抑制，而是通过减缓动力(kinetic)。

然而，在蒸汽裂化中主要存在的操作条件下，所述化合物是高度活性的，并且容易发生缩合反应和聚合反应，最后导致碳烟形成，使反应线圈积炭，损害相对应的热量通过量(throughput)，并且因此需要定期更换裂化线圈。蒸汽被加入以通过使局部压力变小确保线圈中热量的良好的径向分布，以促进裂化产物的形成，同时确保之前形成的、不希望的较高分子的化合物(焦炭)的转化。