专利名称：水下弧光裂解制取氢碳单氧燃气的设备及制备工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种人工合成制取燃料的设备及制备工艺，尤其是涉及在水下用弧光裂解的方法来制取氢碳单氧燃料的的设备及制备工艺。
背景技术：
能源在国民经济和人类发展中具有特别重要的战略地位，但自1973年世界石油危机以来，人类承受着常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力。我国目前能源供需矛盾尖锐，结构不合理；能源利用效率低；能源的大量消费造成严重的环境污染。国务院近期发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006～2020年)》指出，能源是在国民经济、社会发展和国防安全中重点发展、亟待科技支撑的产业和行业重点领域之一，中国将在未来15年内把发展能源和水资源、环境等11个重点领域的技术放在优先位置，解决制约经济社会发展的重大瓶颈问题。未来15年，中国能源技术发展的主要方向是经济、高效、清洁利用和新型能源开发。氢能及燃料电池技术、分布式供能技术等将是今后重点发展的前沿技术。如何积极开发“新能源”，满足持续快速增长的能源需求和能源的清洁高效利用，对能源科技发展提出重大挑战。
燃料是工业生产和人们生活的必需品，随着社会工业化程度的提高，对燃料的需求日益增加，但常用的燃料资源大多数是不可再生的，都呈现出短缺的趋势，从石油、煤碳价格的上涨也可以看出这点，有一些可再生的燃料不是生产成本太高，就是最终产品使用的安全性等方面存在问题，如乙醇、氢、光电等，导致其前景并不乐观，水和碳是常用且十分丰富的资源，但现在没有一种利用水和碳来生产成本低、安全性好、实用性强，能取代现有多种常用燃料的新型燃料。
发明内容
1、发明目的本发明提供一种水下弧光裂解制取氢碳单氧燃气的设备及制备工艺，其目的是解决现有的不可再生的燃料资源短缺、造价高，而部分可制造的燃料成本高，制得的燃料产品使用安全性不好，而现在没有一种利用水和碳制造新型燃料的制备工艺等方面存在的问题。
2、技术方案本发明是通过以下技术方案来实现的一种水下弧光裂解制取氢碳单氧燃气的设备，其特征在于该设备主要由正极E1、负极E2、工作电阻器RL1和RL2、反应器和AC、DC电源自动转换器构成；正极E1采用在铜导架内设置与其内腔紧密接触的碳棒电极，负极E2采用镀铜的碳棒电极，正极E1与负极E2的对应端均露出碳棒电极，两个露出的碳棒电极相对设置构成产生电弧端，反应器内部为装水的容器，两个电极E1和E2设置在容器内，正极E1通过AC、DC电源自动转换器与主动力电源一端连接，负极E2通过并联的工作电阻器RL1和RL2及AC、DC电源自动转换器与主动力电源另一端连接。
电极E1和E2的放电端的间距为15～50毫米，工作电阻的RL1的阻值为0.08～0.01欧姆，RL2的阻值为0.08～0.01欧姆。
主动力电源为120VAC；经AC、DC电源自动转换器转换后，电极E1和E2的工作电压为直流25～35V，电流为300～3000A。
并联的工作电阻器RL1和RL2与AC、DC电源自动转换器之间通过数字电表连接。
上述电极E1和E2为直径18毫米、25毫米、50毫米，长380～430毫米的碳棒。
反应器为密封的真空反应室。
反应器上设有电极进料器，电极进料器由进料器和进料盒构成，进料盒内设置300支碳棒，其上设有出料口，出料口与设在反应器容器内正极的铜导架的内腔入口连通，铜导架内设置一根与其内腔紧密接触的碳棒，碳棒从铜导架前端的开口处伸出一部分，负极E2外表面镀铜，它的前端露出一部分碳棒，露出的碳棒部分与正极E1伸出的碳棒相对应形成产生电弧端。
一种水下弧光裂解制取氢碳单氧燃气的制备工艺，其特征在于制备氢碳单氧燃气的工艺如下采用上述的设备制取氢碳单氧燃气，将主动力电源经AC、DC电源自动转换器转换后，使电极E1和E2接通25～35V的直流低电压及300A～3000A高电流，高电流使碳电极的顶端放电，产生白炽弧光，高温弧光使电极周围的水分解为氢离子、氧离子，并使碳从碳电极上分解下来，这促使在电弧周围产生由氢、碳、氧组成的大约3870℃高温的等离子区。在等离子区内或附近发生一系列的化学反应，使高浓度的氢、氧和碳离子结合产生气泡状的燃气，上浮水面，通过收集装置收集后即得氢碳单氧燃气。
水下电弧每分钟消耗38毫米碳棒，在连续工作48小时后更换电极进料器的进料盒，来保证电极E1和E2的连续工作，依次循环。
上述制得的氢碳单氧燃气中含有的51％H2，49％的CO。
3、优点及效果通过发明技术工艺方案的实现，能够很好地解决现有的不可再生的燃料资源短缺、造价高，而部分可制造的燃料成本高，制得的燃料产品使用安全性不好，而现在没有一种利用水和碳制造新型燃料的制备工艺等方面存在的问题。本发明利用雷电摩擦原理在碳电极之间分裂水分子，并进行氢碳结合，制取氢碳单氧燃料(气)，其燃料具有廉价、清洁、可再生、原料来源广泛和安全等优点。制得的可燃气体可以取代目前所用的常规燃料。两电极之间的距离及所通过电压、电流的大小是经发明人多年多次实验后得出的，这样可以达到最高效的水下裂解效果。本发明是经过长期研究后制得，利用本发明的设备及制备工艺可以生产出氢碳单氧燃气，并可实现大规模工业化生产，本发明是当今世界首创并具有世界先进水平，填补中国在该领域的空白。
四
附图1为本发明设备的结构示意图；附图2为电极进料盒及正极E1和负极E2的结构示意图；附图3为H2进样谱图；附图4为CO标准品谱图；
附图5为重复进样谱图；附图6为H2标准品两次进样谱图；附图7为N2标准品两次进样谱图。
五具体实施例方式
本发明利用雷电摩擦原理在碳电极之间分离水分子，在反应器内部的碳电极接通电源后，电极在水下产生电弧，其弧光温度高达5000～7000华氏温度(相当2760～3871℃)。电弧使水分离成氢和氧，同时再与电极中分解出的碳结合，结果生成氢碳单氧可燃气体，其燃气(料)具有廉价、清洁、可再生，原料来源广泛和安全等优点。
实施例1如图1、2所示，本发明是在水下弧光裂解制取氢碳单氧燃气的设备和制备工艺，该设备主要由工作电阻RL1和RL2、设在铜导架11内并与其内腔紧密接触的碳棒电极(石墨)作为正极E1、镀铜碳棒电极(石墨)作为负极E2、反应器1、水3、12OVAC的主动力电源、数字电表2和AC、DC电源自动转换器7构成。
该设备的反应器1内部为容器状，是密封的反应室，其内装有水3，两个电极E1和E2设置在水下，反应器1上设有电极进料器，电极进料器由进料器10和进料盒9构成，进料盒9内设置300支碳棒，其上设有出料口，出料口与设在反应器容器内正极E1的铜导架11的内腔入口连通，铜导架11内设置一根与其内腔紧密接触的碳棒8，碳棒8从铜导架11前端的开口处伸出一部分，负极E2外表面镀铜12，它的前端露出一部分碳棒，露出的一部分碳棒与正极E1伸出的碳棒8相对应形成产生电弧端，由于产生电弧使碳棒消耗，当铜导架11内的碳棒消耗后，进料器10将进料盒9内的碳棒补充入铜导架11内，正极E1通过AC、DC电源自动转换器7与主动力电源一端连接，负极E2通过并联的工作电阻器RL1和RL2及AC、DC电源自动转换器7与主动力电源另一端连接，电极E1和E2之间的放电端间距6为15～50毫米。
采用上述的本发明的水下弧光裂解制取氢碳单氧燃气设备的制备工艺如下将主动力电源经AC、DC电源自动转换器7转换后，使电极E1和E2接通25～35V的直流低电压及300A～3000A高电流，高电流使碳电极的顶端放电，产生白炽弧光，高温弧光使电极周围的水分解为氢离子、氧离子，并使碳从碳电极上分解下来，这促使在电弧周围产生由氢、碳、氧组成的大约3870℃高温的等离子区，在等离子区内或附近发生一系列的化学反应，如H2和O2分子的形成；C和O形成CO及其他一些反应，这些反应都放出大量的热量，使水里电弧发热，在水下所生成的易燃气体4上浮水面，并在水的出口附近冷却后通过收集装置收集，它即为氢碳单氧气体，该气体中含有51％H2，49％CO。
实施例2本发明中生产制取氢碳单氧燃气的制备工艺也可以由两个电极和一个计算机控制的电极进料器组成。其中电极进料器是为了使电极能持续地在水中产生电弧，以保证电弧区域的稳定性。一个不漏水的电极容器提供有足够的水量浸没电极。一个AC、DC自动转换的电源供应满足在电极之间产生水下电弧，来产生一种易燃的、无污染物质的燃料。
密封的反应室能使生产出来的燃料流出，反应室上设有一个密封盖，其上设有收集气体的管道，管道上设有一个烘干机并通过它来除去燃料里多余的水分。为了电极的快速更换，反应室上利用了一种盒式的电极进料口器，来快速的填充位于反应室内铜导架内的碳电极；一个自动的液体填注装置通过压力传感器和电子阀门控制反应室内的水位深度，使水至少要淹没两个电极。
利用上述的制备工艺制取氢碳单氧燃气主要的过程如下电弧是由DC电源产生，以储能点焊方式，在低压(25～35V)和高电流(300A～3000A)下工作。高电流使碳电极的顶端放电，产生白炽弧光，高温弧光使电极周围的水分解为氢离子、氧离子，并使碳从碳电极上分解下来，这促使在电弧周围产生由氢、碳、氧组成的大约3870℃高温的等离子区，在等离子区内或附近发生一系列的化学反应，如H2和O2分子的形成；C和O形成CO及其他一些反应，这些反应都放出大量的热量，使水里电弧发热，在水下所生成的易燃气体4上浮水面，并在水的出口附近冷却后通过收集装置收集，它即为氢碳单氧气体。根据多个独立实验室的大量测量，这种由以上工艺生产的易燃气体中含有51％H2，49％CO。
本发明设备及制备工艺生产的易燃气体极好，因为完全燃烧后的排放物完全符合现在的EPA(美国环保署)的要求，无任何当前所使用的汽油、柴油、天然气和其他燃料在燃烧时产生的高致癌物。
该设备可使用30KWH电源输入，电极由直径约25毫米、长约380毫米固体碳棒构成，固体碳棒存入在一个装有300支碳棒的电极进料器中，也可以采用直径为15毫米或50毫米的。在持续的水下电弧每分钟约消耗38毫米碳棒，因此需要在工作48小时后更换一次电极进料器的进料盒。
本发明的设备及制备工艺能生产燃气110-280立方米/小时/30KWH。
(一).本发明制得的燃气成份如下H251％和CO49％。
(二).制备过程中发生的化学反应式如下1、C+O2＝CO2反应热量14000大卡2、C+H2O＝H2+CO反应热量4700大卡3、H2+CO＝CO2+H2O 反应热量18700大卡燃气中的O2/N2比率为0.19，少于可燃空气中的0.27。此种燃气轻于空气，是空气的0.144倍。
(三).制得燃气的热值为1.171大卡/立方英寸燃气；1立方英寸燃气燃烧后可获得1.171大卡的热量。
(四).制得燃气燃烧后排放物的成份及含量①.水蒸汽65％～70％；
②.氧气、二氧化碳6％～8％；(五).制得燃气的用途1、动力燃料可用于目前用燃料驱动的动力机组(汽车、电站、柴油机组等)；2、热源能量家居取暖、生火做饭、大棚增加温度、干燥；3、重工业替代乙炔，切割钢铁；4、用于应急军事移动式制造燃料；5、化工行业用于替代乙炔制造PVC塑料的原料；6、燃料电池。
发明人委托大连理工大学精细化工国家重点实验室对本发明制得的氢碳单氧燃气进行测定，其研究报告如下对制得的燃气组成成分鉴定及含量测定测试仪器日本岛津GC-7A气相色谱仪测试条件oven50℃；injet90℃，TCD80℃载气Ar(高纯)色谱柱分子筛13X色谱数据工作站图3为H2进样谱图，分析文件为06041312，样品进样量1000微升，其中各指标如下表1；
图4为CO标准品谱图；各指标见下表2
图5为重复进样谱图，其中分析文件06041314(CO，进样量1000微升)各指标见下表3
图6为H2标准品两次进样谱图，其中分析文件06041315(H2，进样量200、100微升)各指标见下表4
图7为N2标准品两次进样谱图，其中分析文件06041316(N2，进样量1000、100微升)各指标见下表5
结论(1)、该气体为氢气和一氧化碳的混合物，是大约等量的混合物，氢气略多一些；(2)、其中含有一些氮气和氧气，推测为取样过程中混入；(3)、对两个样进行分析，氢气和一氧化碳的比例一致，但是氮气和氧气的量有变化，这进一步证明了氮气和氧气为取样过程中混入(2)的结论的正确性；(4)、体系中没有发现甲烷，也没有发现CO2。
权利要求
1.一种水下弧光裂解制取氢碳单氧燃气的设备，其特征在于该设备主要由正极E1、负极E2、工作电阻器RL1和RL2、反应器(1)和AC、DC电源自动转换器(7)构成；正极E1采用在铜导架(11)内设置与其内腔紧密接触的碳棒电极，负极E2采用镀铜的碳棒电极，正极E1与负极E2的对应端均露出碳棒电极，两个露出的碳棒电极相对设置构成产生电弧端，反应器(1)内部为装水(3)的容器，两个电极E1和E2设置在容器内，正极E1通过AC、DC电源自动转换器(7)与主动力电源一端连接，负极E2通过并联的工作电阻器RL1和RL2及AC、DC电源自动转换器(7)与主动力电源另一端连接。
2.根据权利要求1所述的水下弧光裂解制取氢碳单氧燃气的设备，其特征在于电极E1和E2的放电端的间距为15～50毫米，工作电阻的RL1的阻值为0.08～0.01欧姆，RL2的阻值为0.08～0.01欧姆。
3.根据权利要求1所述的水下弧光裂解制取氢碳单氧燃气的设备，其特征在于主动力电源为1 20VAC；经AC、DC电源自动转换器(7)转换后，电极E1和E2的工作电压为直流25～35V，电流为300～3000A。
4.根据权利要求1所述的水下弧光裂解制取氢碳单氧燃气的设备，其特征在于并联的工作电阻器RL1和RL2与AC、DC电源自动转换器(7)之间通过数字电表(2)连接。
5.根据权利要求1所述的水下弧光裂解制取氢碳单氧燃气的设备，其特征在于上述电极E1和E2为直径18毫米、25毫米、50毫米，长380～430毫米的碳棒。
6.根据权利要求1所述的水下弧光裂解制取氢碳单氧燃气的设备，其特征在于反应器(1)为密封的真空反应室。
7.根据权利要求1所述的水下弧光裂解制取氢碳单氧燃气的设备，其特征在于反应器(1)上设有电极进料器，电极进料器由进料器(10)和进料盒(9)构成，进料盒(9)内设置300支碳棒，其上设有出料口，出料口与设在反应器容器内正极的铜导架(11)的内腔入口连通，铜导架(11)内设置一根与其内腔紧密接触的碳棒(8)，碳棒(8)从铜导架(11)前端的开口处伸出一部分，负极E2外表面镀铜(12)，它的前端露出一部分碳棒，露出的碳棒部分与正极E1伸出的碳棒(8)相对应形成产生电弧端。
8.一种水下弧光裂解制取氢碳单氧燃气的制备工艺，其特征在于制备氢碳单氧燃气的工艺如下采用权利要求1所述的设备制取氢碳单氧燃气，将主动力电源经AC、DC电源自动转换器转换后，使电极E1和E2接通25～35V的直流低电压及300A～3000A高电流，高电流使碳电极的顶端放电，产生白炽弧光，高温弧光使电极周围的水分解为氢离子、氧离子，并使碳从碳电极上分解下来，这促使在电弧周围产生由氢、碳、氧组成的大约3870℃高温的等离子区。在等离子区内或附近发生一系列的化学反应，使高浓度的氢、氧和碳离子结合产生气泡状的燃气，上浮水面，通过收集装置收集后即得氢碳单氧燃气。
9.根据权利要求8所述的水下弧光裂解制取氢碳单氧燃气的制备工艺，其特征在于水下电弧每分钟消耗38毫米碳棒，在连续工作48小时后更换电极进料器的进料盒，来保证电极E1和E2的连续工作，依次循环。
10.根据权利要求8所述的水下弧光裂解制取氢碳单氧燃气的制备工艺，其特征在于上述制得的氢碳单氧燃气中含有的51％H2，49％的CO。
全文摘要
本发明涉及一种水下弧光裂解制取氢碳单氧燃气的设备及制备工艺，该设备由正极E
文档编号C25B1/04GK101082006SQ20061004672
公开日2007年12月5日 申请日期2006年5月29日 优先权日2006年5月29日
发明者邢亚萍, 罗伯特·摩根 申请人:邢亚萍, 罗伯特·摩根