燃烧高粘度低热值的液体燃料的方法

专利名称：燃烧高粘度低热值的液体燃料的方法
技术领域：
本发明涉及燃烧高粘度液体燃料的方法。具体来说，本发明涉及一种清洁而高效
率地燃烧甘油的方法。
背景技术：
甘油是一种久为人知的化合物，其结构如下式所示
OH 甘油也被称为丙三醇或丙烷-l，2，3-三醇，是一类常规的多羟基化合物(即包含 多个羟基的化合物)，可以用于许多的领域。例如，甘油可以用于许多的医学、药物、个人 护理制品，例如润滑剂和保湿剂，作为有机合成结构嵌段，作为食品添加剂(例如作为保湿 剂，溶剂，甜味剂软化剂，填料或增稠剂)，作为动物食品组分，在塑料和玻璃纸中作为增塑 剂和软化剂，作为添加剂或者用于许多产品的制备，例如硝酸甘油，纱线，织物，清洁剂，防 腐剂，防冻剂，以及烟草产品。 在甘油可能是最广为人知的衍生物中，甘油形成甘油三酯的骨架，所述甘油三酯 是甘油与脂肪酸形成的酯。因此油脂(例如植物油和动物脂肪)成为甘油的一个很容易的 来源，可以通过皂化反应(例如在制造肥皂的工艺中)或者酯交换反应(例如在制备生物 燃料的工艺中)制得甘油。 从以上多种可能的用途可以看出，甘油属于很有市场的商品；但是近来随着废甘 油生产的增加，例如制备生物燃料的过程日益增长地提供更多的粗甘油，这些粗甘油并非 处于纯净形式，无法用于上述用途。必须对粗甘油进行精炼和其它纯化步骤，提供可以用于 商业用途的具有足够纯度的甘油，这些必须进行的处理经常会由于成本问题而无法实行。 结果目前生产的大部分粗甘油仅仅作为废产物弃去。 生物燃料正在越来越广地用作石油衍生燃料的替代品，随着原油以及基于原油的
燃料产品(例如汽油、柴油和航空燃料)价格升高，这一趋势更受到促进。生物柴油是广泛
用作基于石油的燃料的替代品的首选生物燃料之一。在通过对菜油、大豆油和棕榈油之类
的植物油进行酯交换反应而生产生物柴油的过程中，甘油作为副产物形成。例如，甘油三酯
(例如源自植物油或动物脂肪的甘油三酯)的酯交换反应通常依照以下所示反应进行
5<formula>formula see original document page 6</formula> 其中各R表示烃(例如长链脂肪酸)，FAME表示脂肪酸甲酯(即生物柴油分子)。 常规的碱催化剂是氢氧化钾和氢氧化钠。根据这些反应，每制备1吨的生物柴油，便会生成 约IOO千克的甘油。在大规模的生物柴油工厂中，每年产生的粗甘油产量可能是数以百万 加仑计的。尽管生物燃料具有环保优势和经济竞争能力而广受赞誉，但是甘油副产物也带 来日益严峻的问题。另外，随着工业化国家试图从化石燃料转向更具有可持续性的替代品， 全球范围内多余的粗甘油在持续增加。 在2007年预期美国的甘油平均生产量超过350， 000吨/年，预期欧洲的甘油产量 约为600， 000公吨/年。随着欧洲强制规定将少量生物燃料掺合入零售燃料中，预期甘油 的供应量还会继续增加。例如，EU官方文件2003/30/EC的目标是到2010年，生物燃料的 掺合率为5. 75%。因为甘油的供应量在增长，人们正在探索一种能够得到附加价值的手段 代替将甘油废弃的做法。 —种代替废弃的方法，特别是与生物燃料生产结合的方法，是将甘油作为生物燃 料生产本身的热源进行燃烧。人们已经描述了甘油的燃烧可以作为解决废甘油的极佳的方
案，但是这种想法无法良好地实施。之前人们使用废甘油作为加热燃料的尝试仅仅获得了 有限的成功，从成本上来说并不真的有利。例如，长久以来，人们一直害怕燃烧甘油会释放 出有毒的丙烯醛气体，要避免这一问题除非在足够高的温度下进行燃烧。另外，本领域的学 者从理论上论述，如果要甘油副产物完全而清洁地燃烧，则燃烧温度需要超过1， OO(TC以及 在燃烧室中的较长的平均停留时间。否则，一般需要将甘油与另外的燃料源混合以获得有 效的燃烧，例如，在可燃容器(例如空牛奶盒)中形成甘油与锯末的"段块"。之前的燃烧甘 油的尝试未能克服安全性问题和技术问题。 鉴于以上所述，本领域仍然需要一种方式来代替弃去废甘油(例如生物燃料生产 制得的甘油副产品)的做法。本发明解决了这一问题。

发明内容
本发明提供了对甘油之类的高粘度、低热值的液体燃料进行清洁而高效的燃烧。 具体来说，本发明提供了一种燃烧甘油的方法，用于该燃烧的设备，以及再循环作为来自分 离工艺的废物流的甘油、由所述甘油的燃烧产生能量的方法。可以将产生的能量再循环回 到制备甘油的起始工艺中，或者可以用于次要的目的，例如用于发电。 因此，在一个方面，本发明涉及一种燃烧高粘度、低热值的液体燃料的方法。本发 明的方法可以用于任何具有足够高热值、可用于燃料源的液体。具体来说，本发明的方法可 以用于任何具有以下性质的液体燃料其具有足够高的粘度和足够低的热值，因此妨碍其 在已知的液体燃料燃烧器中的燃烧。甘油是一种特别适合用来根据本发明进行燃烧的候选材料，这是因为甘油物流本身难以进行持续的燃烧，本领域已知甘油的燃烧存在一些局限 性，废甘油的供应在不断增加，特别是由于生物燃料产量的增加导致废甘油的供应不断增 加。 在一个实施方式中，本发明提供一种用来对高粘度低热值的液体燃料例如甘油进 行持续燃烧的方法，该方法包括以下步骤1)提供燃烧设备，该燃烧设备具有燃烧室；2)在 将所述高粘度、低热值的液体燃料引入燃烧室中之前，对燃烧室进行加热，使燃烧室的温度 至少约为370°C ;3)提供所述用来引入燃烧室的高粘度低热值液体燃料；4)任选对所述高 粘度、低热值的液体燃料进行处理，以减小其粘度；5)对所述高粘度、低热值的液体燃料进 行雾化，用来将其引入所述燃烧室；6)在燃烧室中将所述雾化的高粘度低热值的液体燃料 与空气进行混合，所述空气具有涡旋形的速度分布模式，在燃烧室中产生回流区。
由于甘油之类的高粘度低热值的液体燃料本身在燃烧效率和可持续燃烧方面存 在局限性，因此对于燃烧设备的选择就特别重要。例如，所述设备优选能够在极端温度(例 如最高约1， 200°C )下持续使用。另外，所述设备优选包括具有以下性质的燃烧室该燃烧 室能够提供辐射和对流反馈加热(即能够可靠地保持其操作温度)。 同样因为甘油(和类似的液体)本身在燃烧方面存在局限性，对燃烧器的甘油燃 烧室进行预热的步骤是特别重要的。在一个实施方式中，对燃烧室进行预热的操作可以包 括使得预热燃料源发生燃烧。所述预热燃料源可以是任意能够有效地加热燃烧室的燃料 源，而且能够很容易地将所述预热燃料源切换为所述高粘度低热值液体燃料源。非限制性 例子包括煤油、甲烷和丙烷。在另一个实施方式中，可以采用其它的方法对燃烧室进行预 热，例如采用电阻加热法。较佳的是，所述预热燃料源只需用于甘油燃烧设备最初的起始操 作。 一旦达到了所需的燃烧室温度，该方法可以将预热燃料源切换为甘油燃料源。在本发 明的一些实施方式中，所述燃烧法可以是连续的，只是周期性地关停以进行维护。因此，根 据本发明，只需使用有限的少量预热燃料。所述预热操作优选仅进行一段时间，只要足以将 燃烧室加热至至少等于所述高粘度低热值液体燃料的自燃温度的温度即可。但是，在一些 实施方式中，可能需要通过预热操作使得燃烧室达到至少60(TC、至少80(TC、或者甚至最 高达100(TC的起始燃烧室温度。在达到所需的温度之后，可以停止加入预热燃料，完全代之 以高粘度低热值液体燃料。所述预热燃料和高粘度低热值液体燃料之间的切换可以是逐渐 进行的，也可以是突变。 在具体实施方式
中，所述方法包括以下步骤对所述高粘度低热值的液体燃料进 行处理，以降低其粘度，该步骤可以包括将液体燃料的粘度降至低于指定的粘度。例如，可 以将甘油的粘度降低至约小于20厘斯(cSt)。在具体的实施方式中，所述处理液体燃料的
步骤包括进行加热。另外，以甘油为例，可以具体地将甘油加热至至少9rc，有益地将甘油
的粘度减至约小于20cSt。在另一个实施方式中，所述处理步骤包括将所述高粘度低热值的 液体燃料与能够降低粘度的液体混合，后者优选也是可燃的。 为了使得高粘度低热值的液体燃料(例如甘油)能够高效且可持续地燃烧，这要 特别取决于在燃烧室中提供特殊的空气流动形式。因此，在一些实施方式中，本发明方法的 混合步骤可包括提供空气动力学受到限制的空气流，使得所述雾化的高粘度低热值液体燃 料按照限定的流动形式与空气混和引入燃烧室。在一个具体的实施方式中，所述空气动力 学限制的空气流是用涡旋部件提供的。例如，这可通过以下方式进行沿着所述高粘度低热值液体燃料的流动方向的轴向以及与该流动方向正切的方向同时提供空气流。在具体的实 施方式中，可以对空气流进行特别的控制，以便使得可计数的涡旋数约等于或大于5。
本发明的方法特别认识到了为了使得甘油之类的高粘度低热值液体燃料发生可 持续且高效的燃烧，必须满足的条件的精确组合。这需要燃烧设备具有限定的特性，在燃烧 室中达到贮热性，尽最大可能地将颗粒保持在燃烧室内，精确地预热燃烧室以建立可持续 的燃烧，对空气流和燃料流进行控制，以进一步维持燃烧。本发明认识到通过适当地控制这 些变量以及其它必需的条件，可以使得甘油之类的高粘度低热值液体燃料发生高效的可持 续的燃烧。 根据本发明的另一个方面，本发明提供了一种燃烧设备，该设备特别适于高粘度 低热值液体燃料的燃烧。具体来说，所述设备可以用于环境条件下的粘度大于15cSt且热 值约为10-75MJ/kg的液体燃料的燃烧。 在一个实施方式中，本发明的设备包括以下组成1)外壳，其限定整个燃烧设备 的外部尺寸；2)燃烧室，其包括内表面，提供辐射和回流反馈加热，特别是燃烧温度可以约 为600-1， 200°C ;3)中心燃料管，其用来将高粘度低热值的液体燃料引入燃烧室中，所述中 心燃料管优选包括一个或多个用来将该中心燃料管中的液体燃料加热或保持在限定的温 度的部件；4)雾化器设备，其与所述中心燃料管相连，用来将所述高粘度低热值的液体燃 料雾化，然后将其引入所述燃烧室；5)位于外壳上的多个空气端口，用来向燃烧室内提供 空气流，所提供的空气流方向处于通过所述中心燃料管的液体燃料的流动方向的轴向和切 向中的一种或两种方向。 在另外的实施方式中，可以在本发明的设备中包括另外的部件。例如，所述设备还 可以包括排气装置，用来对燃烧室进行排气。在此实施方式中，优选所述排气装置包括用来 对从燃烧室排出的热流、空气流、或者热流和空气流进行限制的一个或多个部件。在具体的 实施方式中，所述排气装置可以包括位于排气装置中心上方的罩子，因此仅能在排气装置 周边提供开口。 在另外的实施方式中，所述设备还包括位于燃烧室、排气区段、或者这两个区段内 的另外的部件，这些部件用来使得热流、空气流或者热流和空气流从燃烧室的侧面偏转返 回燃烧室的中部。例如，在一个实施方式中，所述设备包括一个或多个气流隔板，所述气流 隔板可以是从燃烧室或者排气区段的壁水平伸出的金属板。单独的隔板可以绕设备的内部 圆周完整地延伸。 本发明的设备的特征是特别地使用各种部件，增加输送向燃烧室的必需的空气 流，并且在燃烧室内保持合适的热回流和空气回流。例如，所述设备可以包括一个或多个区 域限制器，改变设备的内部几何结构，以在雾化器的下游形成膨胀区。所述膨胀区可以特别 有效地用来提高以甘油为燃料的火焰的可持续性。上述所有的空气流动导向部件均可以特 别有益地在雾化器喷嘴上方、燃烧室内形成再回流区，使得燃烧室内的雾化的液体燃料颗 粒再回流，以改进全部燃料颗粒的整体燃烧，尽可能减少通过排气而损失的燃料颗粒。
本发明的设备可以具体包括用来将预热燃料引入设备的装置，由此在所述高粘度 低热值液体燃料开始流动之前对燃烧室进行预热。例如，可以通过与所述高粘度低热值液 体燃料所流经的相同路线提供所述预热燃料。或者所述设备可以包括第二根燃料管，其与 所述高粘度低热值液体燃料的供应管相独立，用来独立地提供预热燃料。当所述预热燃料
8为液体(例如煤油)的时候，这样做是特别有效的。在另一个实施方式中，所述设备可以包 括位于外壳上的一个或多个端口 ，用来提供预热燃料。具体来说，所述预热燃料端口可以位 于雾化器的上游。当所述预热燃料为气体(例如丙烷)的时候，这种结构是特别有效的。
还特别优选所述设备包括用来将高粘度低热值液体燃料引入燃烧室的装置。具体 来说，所述装置可以用来以具有均匀的液滴尺寸的极细薄雾的形式提供所述液体。在优选 的实施方式中，所述设备包括雾化器设备，该雾化器设备特别设计用来处理粘度较高的液 体。在一个特别的实施方式中，所述雾化器设备是虹吸型空气雾化器喷嘴。
还可在雾化之前对高粘度低热值的液体燃料进行加热，以降低其粘度。例如，本发 明的设备可以包括独立的加热器设备，用来在将高粘度低热值液体燃料引入中心燃料管之 前对其进行加热。类似的，所述设备还可以包括泵，用来泵抽高粘度低热值液体燃料通过中 心燃料管。 一般来说，优选本发明的设备包括各种所需的结构部件，使得本发明可以成功地 用于实施各种方法。 根据另一个方面，本发明提供了一种用来再循环废甘油，用于产生热量的方法。所 述废甘油可以由任意的来源制得，例如来自工业工艺(例如生物燃料生产工艺)。类似的， 该方法中产生的能量可以用于任意的目的。本发明的这个方面特别有效的益处在于，可以 将所述再循环工艺直接与产生甘油废物流的分离工艺相连。所述甘油废物流可以输送到本 发明的甘油再循环工艺，燃烧产生能量，可以将产生的能量送回起始的工艺，例如用于工艺 所需的加热。例如，一些生物燃料生产工艺可能需要输入热量，以促进各种反应。因为甘油 是许多生物燃料生产工艺的副产物，本发明可以完全消除产生废甘油带来的缺陷。具体来 说，生物燃料生产者可以不再由于处置废甘油造成成本的经济损失，而是使用本发明的方 法再循环废甘油，产生制备生物燃料的工艺所需的热量。因此，生物燃料生产者可以不再因 为处置废甘油而影响成本，而是提高生产工艺的效率，降低制备生物燃料的整体成本。另 外，这可以看作是一个连续的工艺，因为可以将废甘油作为废物流连续地从生物燃料工艺 移出，直接输送到甘油燃烧工艺，产生的能量连续地直接送回生物燃料生产工艺。应当理解 当与甘油燃烧工艺联用的时候，该工艺初始的启动需要另外的步骤，例如对燃烧设备进行 预热，而在再循环连续提供的甘油废物流的正常连续使用甘油燃烧工艺的时候则无需这一 步骤。 在一个实施方式中，所述再循环废甘油的方法包括以下步骤实施形成作为反应 副产物的甘油物流的反应工艺；回收所述甘油物流用作本文所述甘油燃烧工艺的甘油源； 使得甘油燃烧产生能量(例如热量)。可以将甘油燃烧产生的能量回收用于各种目的。在 某些实施方式中，所述方法还包括使用甘油燃烧产生的能量来提供进行独立的工艺所需的 至少部分反应能量。在一个具体的实施方式中，所述形成副产物甘油物流的生产工艺包括 生物燃料生产工艺。在其它的实施方式中，所述使用产生的能量的独立的工艺是生物燃料 生产工艺。例如，所述生物燃料生产工艺可能需要反应加热，使用来自甘油燃烧产生的能量 的步骤可包括将产生的能量用于生物燃料生产工艺。在另一个实施方式中，所述使用甘油 燃烧产生的能量的步骤包括使用燃烧产生的热量产生电能。
附图简要说明 以上概括地描述了本发明，下面将结合附图进行描述，附图不一定按照比例绘制， 其中
图IA是根据本发明一个实施方式的燃烧设备的侧视截面 图IB是根据本发明另一个实施方式的燃烧设备的侧视截面图； 图IC是根据本发明的燃烧设备的燃烧室的详图，图中显示了用来促进再回流的区域限制； 图2是根据本发明一个实施方式的燃烧设备的俯视截面图，其显示了通过侧面端口提供的切向的空气流； 图3是根据本发明一个实施方式适用的雾化喷嘴的侧视截面图； 图4是根据本发明另一个实施方式的燃烧设备的侧视截面图，提供了燃烧室的详
图； 图5是根据本发明一个实施方式的燃烧设备的示意图，其中包括可以用来向燃烧
设备输送用于进行燃烧的液体燃料的另外的部件。 发明详述 下面将通过各种实施方式更详细地描述本发明。通过这些实施方式使得说明透彻
而完整，能够向本领域技术人员完全地展示本发明的范围。实际上，本发明可以以许多不
同的形式实施，不应看作仅限于本文所述的实施方式；相反，这些实施方式用来使得本文的
揭示内容可以满足适用法律的要求。在本说明书和所附权利要求书中所用的单数形式"一
个"，"一种"和"该"包括多个指示物的情况，除非上下文中有明显的其他表示。 许多工业的工艺需要通过施加热量来进行各种反应，由于需要采用热源，经常会
导致原本经济的工艺的成本升高。因此，可能仅仅是由于例如进行反应需要加热，由此提高
了工艺成本，使得许多有用的产品的生产工艺在经济上变得不适用。类似的，许多工业工艺
除了会制得所需的产物以外，经常会制得大量的反应副产物。在一些反应中，制得有用的副
产物；但是在其它的反应中，，副产物没有用途，或者是有害或有毒的。即使所述反应副产物
是有用的产物，也可能需要对副产物进行繁杂的加工或纯化才能用于商业用途，因此降低
了副产物的实际商业化性能。许多制备生物燃料的工艺同时存在以上问题。 如前文所述，通过植物油(原始植物油和废弃植物油)的酯交换反应制备生物柴
油通常会制得大量的废甘油物流。另外，制备工艺通常需要至少对植物油进行温和的加热
(例如加热至至少约40°C )，随着工艺规模的增大，进行生物燃料生产所需的热量通常会增加。 类似的，由动物脂肪制备生物燃料的工艺也需要反应加热，会产生反应副产物甘油。由生物物质原料(例如动物脂肪)制备生物燃料(例如航空燃料，柴油和汽油)部分地包括将生物物质燃料原料中的甘油三酯水解转化为游离的脂肪酸。例如，多样化能量公司(DIVERSIFIEDENERGY Corporation)的CENTIATM工艺是由生物物质原料制备燃料的工艺，该工艺会产生副产物甘油。生物物质原料的转化可包括在存在水的条件下加热至大约25(TC，使得甘油三酯分子中脂肪酸链和甘油主链之间的键断开，通常导致生成游离脂肪酸和甘油的产物混合物。 由于人们对于更环保和可再生的燃料源的需求日益增加，人们非常需要克服上述与生物燃料制备工艺相关的生产难题，包括提供一种廉价而高效的燃料源，用于提供反应加热，以及处置甘油副产物。但是，直到进行本发明之前，本领域尚不知晓如何同时处置废甘油而且清洁和高效地提供能源。
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本发明还用来将甘油用作除了生物燃料生产以外的其它应用的燃料源。可以将纯甘油或废甘油用作需要产生能量的任意反应的燃料源。因此，本发明提供了为任何工业工艺的反应提供能量的方法。而且，根据本发明的方法产生的能量可以用作发电的替代能源。例如，可以利用甘油的燃烧驱动热力发动机进行发电。 工业工艺中的反应加热通常通过燃料燃烧来提供，例如在标准燃料油燃烧器中提供。所需的用于加热的燃料应当是经济的，而且能够提供合适的燃烧热，即焓。由于许多原因，作为反应工艺的副产物产生的废甘油可以作为经济的加热燃料源a)甘油是作为废产物在使用时产生的，因此可以看作〃 免费的〃 燃料源，无需将燃料输送到工厂；b)通过使用副产物甘油作为燃料，无需处置废材料；c)甘油的燃烧热适用于反应加热。迄今为止，由于甘油不易燃烧，即使其作为副产物产生，也尚未在工业工艺中用作燃料源。本发明解决了这一问题。 甘油的燃烧通常是依据以下反应进行的，
C3H5 (0H) 3+3. 502 — 3C02+4H20+热量 燃烧热约为每千克甘油16MJ。因此，很明显甘油的燃烧需要提供甘油本身，以及能够维持燃烧所需量的氧(经常由环境空气提供)。但是，现有技术尚未认识到为了使得甘油清洁而高效地燃烧，从而直接回收作为工业工艺副产物流的甘油并将甘油副产物用作产生热量的燃料源，必须建立一些变量的组合。 人们尝试使用标准燃料燃烧设备例如煤油燃烧器燃烧甘油，但是结果是失败的，即使使用连续火花引燃源燃烧甘油也无法成功。实际上，即使在存在持续的火焰的情况下，甘油也无法均匀而高效地燃烧。这种工艺将丙烷焰炬置于甘油喷雾中。与用丙烷供给的火焰紧邻的甘油会发生燃烧，但是整个甘油喷雾不完全燃烧，在移走丙烷供给的焰炬之后，甘油燃烧无法依靠自身维持。这种燃烧甘油的方法也是潜在有害的，因为存在甘油流场的局部变化，其中甘油高于其热分解温度，但是低于自燃温度。这种环境会导致形成不希望出现的物质，例如丙烯醛。 已知丙烯醛是一种当加热至高于28(TC的时候生成的甘油的热分解产物。丙烯醛在极低浓度下(例如约2卯m)也具有毒性， 一些研究表明在最低至0. 09ppm的浓度下就会对人体健康有害。因为丙烯醛在这样的低浓度下也会带来危害，大部分生物柴油生产者建议不进行甘油的燃烧。但是丙烯醛在高温下稳定性降低，该化合物本身是高度可燃性的。因此，根据本发明，如果使得甘油高效地燃烧，实际上可以消耗任何生成的丙烯醛，然后再将燃烧气体排放到环境中。 —般来说，由于甘油具有高粘度，标准的燃料油燃烧器无法很容易地燃烧甘油。类似地，甘油的较高的自燃温度也降低了在标准油燃烧器中燃烧的能力。之前燃烧甘油的尝试都存在一些难题。例如，许多燃烧器无法在足够高的温度下燃烧，无法保持燃烧，因此会形成粘性的残余物，会堵塞燃烧器，使得燃烧自动熄灭。 许多人试图个人生产生物柴油，以应对燃料成本提高，促进可再生能源作为燃料储备的应用，但是反复地遇到上述的问题。随着生物柴油生产的发展，人们认识到，废甘油的处理已经成为一个很严重的问题。人们只需浏览生物柴油的网络论坛，便可知道在尝试燃烧废甘油的时候需要面对何等的难题。关于尝试燃烧甘油的报道指出，甘油极难燃烧，会在燃烧室中留下残余的橡胶状物质，只能依赖于生物柴油的主要燃烧产生的热量进行次要
11燃烧。换句话说，迄今不可能燃烧甘油作为自持燃料源。 与处理废甘油的工业中已知的问题形成对比，本发明提供了使得甘油可持续地、
清洁地、高效地燃烧的合适的方法。具体来说，根据本发明的甘油燃烧实现了对大量变量的
精确控制，使得甘油可以清洁而高效地燃烧，包括以下步骤 1)使用一种设备，该设备包括合适的甘油燃烧室； 2)适当地加热燃烧室，使得甘油燃烧，并且维持燃烧； 3)在设计用来最大程度提高甘油可燃性的状态下，将甘油引入燃烧室； 4)通过设计用来最大程度提高甘油的可燃性的路径提供空气。 尽管从表面上来看，物质的燃烧可能是很简单的事情，但是本发明理解尽管一种物质可能供应充足而且可以用作燃料源，但是如果要将此种物质实际用作自持燃料源，则不仅仅是将该物质置于火焰附近(甚至是温度非常高的火焰)。相反的，要以可持续的方式使得甘油清洁而高效地燃烧，需要对上述大量变量进行深入的研发和精确的控制。
具体来说，在现有技术中要实现甘油的可持续燃烧，有三个问题尚需解决1)甘油的热值低；2)甘油具有高粘度；3)甘油具有极高的自燃温度。只有根据本发明，才可以使用一些方法的组合，解决和克服这些问题。具体来说，通过在将甘油引入之前，对燃烧设备进行适当的加热，克服了高自燃温度的问题。可以通过使用适当的方式，充分地降低甘油的粘度，或者使用合适的设备，对较高粘度的材料进行必需的雾化，从而克服了高粘度的问题。通过在燃烧设备中产生复杂流场和热反馈条件，解决了低热值的问题。以下内容更详细地描述对甘油之类的高粘度液体燃料源进行可持续高效燃烧所需的特定条件。
以下结合甘油具体描述了本发明。但是应当理解，本发明不限于此。相反的，本发明的工艺和设备可以扩展到多种其它的材料，只要其燃烧热适合用作燃料源，但是由于其一种或多种物理性质(例如一些燃料具有以下性质中的一种或多种高粘度、高自燃温度，或低燃烧热)而使得可燃性有限即可，参见以下更详细的描述。例如，根据本发明，可以类似地使用其它的多元醇。简单地描述甘油作为优选实施方式。在某些实施方式中，本发明的特征在于，可以用于任何环境条件下的粘度为以下水平的液体燃料其粘度大于15cSt，大于20cSt，大于30cSt，大于40cSt，大于50cSt，大于60cSt，大于70cSt，大于80cSt，大于90cSt，大于100cSt，大于125cSt，大于150cSt，大于175cSt，大于200cSt，大于250cSt，大于300cSt，大于350cSt，大于400cSt，大于450cSt，或大于500cSt。在本文中，术语"环境条件下的粘度"表示在温度20°C、1个大气压的条件下的粘度。 在其它的实施方式中，本发明的方法可以使用任何具有低热值的液体材料。具体来说，本发明可以使用任何具有以下范围热值的液体材料热值范围约为10-75MJ/kg，约为12-60MJ/kg，约为15-50MJ/kg，约为12-50MJ/kg，约为12-40MJ/kg，或者约为12-30MJ/kg。因此，术语〃 低热值〃 液体燃料表示任何具有上述范围的热值的液体燃料。
适当的燃烧热环境的弓I发和保持 许多液体燃料燃烧器的工作原理是在存在氧的情况下，在引燃装置(例如火焰或者火花装置)区域之内，将燃料(例如煤油)的细小薄雾喷入燃烧区。但是，仅仅在存在氧的情况下将甘油喷入燃烧区，无法引燃。即使在甘油喷雾中心直接放置喷灯火焰，甘油会冒烟，但是不会引燃可持续的火焰。甘油的自燃温度约为37(TC (698° F)。作为比较，常规的燃料的自燃温度如下汽油(280°C );煤油(210°C );标准燃料油(约210_26(TC )。尽管不希望被理论所限制，但是甘油的高自燃温度(相对于已知的燃料)以及低热值，会导致甘油无法通过常规的手段引燃和维持甘油火焰。 通过上文可以很清楚地看到，将甘油引入"冷的"燃烧器是无效的，甘油会无法燃烧。但是，根据本发明发现，通过将甘油引入加热至远高于环境条件的燃烧室中，可以显著地促进甘油的燃烧。因此，在某些实施方式中，可以通过对设备的燃烧室进行预热来使得液体燃料燃烧。 可以采用任何能够有效地促进甘油清洁而高效地燃烧的温度的装置对甘油燃烧室进行预热。在特定的实施方式中，可以通过引入易于燃烧的预热燃料源来进行预热。较佳的是，在不存在甘油的情况下，将预热燃料源引入。例如，可以通过将包括煤油、丙烷、甲烷、或者任意其它常规的烃类燃料的预热燃料引入甘油燃烧室中，从而进行预热。在优选的实施方式中，预热燃料包括在环境条件下呈气态的燃料。这样的材料是有益的，因为其可以直接注入燃烧设备的喉部。但是，优选液体燃料，特别是由于液体燃料的可用性更高。可以将液体预热燃料泵抽通过用来输送甘油的相同喷嘴。例如，可以采用适当的管道系统使得预热燃料和甘油流至雾化喷嘴。 优选继续进行甘油燃烧室的预热，直至燃烧室达到适于进行可持续的清洁而高效的甘油燃烧的温度。较佳的是，进行预热，直至燃烧室达到所用液体燃料的自燃温度。在某些实施方式中，进行预热，直至燃烧室的温度达到至少约370°C。较佳的是，进行预热，直至温度至少约为400°C ，至少约为450°C ，至少约为500°C ，至少约为550°C ，至少约为600°C ，至少约为65(TC，至少约为70(TC，至少约为75(TC，至少约为80(TC，至少约为85(TC，至少约为90(TC，或至少约为950°C。以上温度是基于在环境压力下进行的燃烧，应当理解如果燃烧条件包括的压力高于环境，则温度可以降低。 如前文所述，甘油的燃烧在低于甘油自燃温度的温度下无法维持。对于任何燃料/氧化剂混合物的燃烧来说，通常如此。而甘油的燃烧则又受到甘油本身低热值(约16MJ/kg)的阻碍，该热值为常规的烃类燃料热值的三分之一。燃料的热值通常定义为一旦特定量的材料燃烧，燃烧产物回到基态温度(通常为25tO的时候，放出的热量。天然气和丙烷的热值分别约为42MJ/kg和48MJ/kg。因为这些材料燃烧释放的热量足以将燃烧区域周围的温度保持在高于该材料自燃温度，因此这些材料具有良好的自持燃烧性质。但是因为甘油的热值较低，如果燃烧区的温度接近甘油的自燃温度，则燃烧无法提供足够的热量来维持燃烧。因此，非常优选具有大热储(thermalreservoir)来维持甘油燃烧。较佳的是，甘油燃烧的热储将温度保持在远高于甘油的自燃温度，以维持甘油的燃烧。通常，如果燃烧室内的温度较高，则有益于甘油更清洁而更高效地燃烧。具体来说，较高的热储使得燃烧火焰更能够耐受燃烧中的流速的扰动和其它的扰动，这将在下文中进行描述。对于任何可以用于本发明的高粘性液体燃料来说，都是如此。在具体的实施方式中，因此将燃烧室预热至比该高粘度液体燃料的自燃温度高至少约50°C ，至少约IO(TC ，至少约200°C ，至少约300°C ，至少约400°C ，或者至少约500°C的温度。 —旦燃烧室内达到合适的温度，可以从预热燃料源切换至甘油。燃料源之间的切换可以是渐变或突变。例如，可以使用预热燃料源，直至甘油燃烧室达到最终所需的温度，此时停止预热燃料源的流动，开始甘油源的流动。当然，应当在引入燃料源的时候保留足够的重叠，使得甘油燃烧室内的燃烧不会中断。在另一个实施方式中，所述切换可以是更缓和
13的逐渐过程。例如，可以逐渐减小预热燃料源的流动，同时逐渐增大甘油源的流动，使得在限定的时间段内，燃料源同时包含预热燃料源和甘油燃料源，预热燃料含量逐渐减少，而甘油含量逐渐增加。在这些实施方式中，可以在甘油燃烧室处于较低温度的情况下开始引入甘油燃料源，因为持续存在预热燃料，使得甘油燃烧室可以持续预热，直至完全停止预热燃料源。 当使用预热燃料对甘油燃烧室进行预热的时候，需要对预热燃料和甘油的时间和流动进行精密的控制。在一些实施方式中，可以通过相同的喷嘴提供预热燃料和甘油。例如，当使用雾化器喷嘴的时候，如下文更详细所述，可以通过中心线路提供甘油，通过轴向空气流动线路提供预热燃料。 一旦完成了充分的预热，可以将预热燃料更换成单独的空气流。在特殊的实施方式中，预热燃料独立于甘油源进行控制，两种燃料优选具有专门的端口 ，用来将材料引入燃烧器。例如，可以提供两条中心线路， 一条用来提供甘油， 一条用来提供预热燃料。而且，可以根据使用的燃料的种类，使得预热燃料的输送模式发生变化。在一些实施方式中，预热燃料可以通过形成于燃烧设备侧面中的端口输送，优选所述端口位于燃烧室上游和/或将甘油雾化喷入燃烧室的喷嘴上游的一些位置。 在其它的实施方式中，可以使用其它加热方法进行甘油燃烧室的预热。实际上，本
领域了解的能够用来将燃烧室加热到限定温度的任何方法都可使用。例如，在一个实施方
式中，可以使用电阻加热法进行预热，由此可以对各种应用进行精确控制和直接加热。可以
采用直接电阻加热对任何导电性材料进行加热。另外，任何的材料，无论是固体或液体，均
可使用包封电阻加热器进行加热。包封电阻加热器通常包括被封装在外套中的电绝缘体包
围的电阻元件。外部覆盖材料提供了机械保护和化学保护。将加热器置于待加热的固体、
液体或蒸气中，电流通过电阻元件产生的热量通过对流和传导输送到工件。 还可使用电感应加热。在此方法中，围绕铁外壳的线圈中的高频电流在此铁外壳
中诱导产生涡电流，使其快速生热。 在某些实施方式中，优选用于持续的甘油燃烧的燃烧室温度在以下范围中约为600-1， 200 。C ，约为650-1， 150 。C ，约为700-1， 100 。C ，约为750-1， 050 。C ，或者约为800-1， OO(TC 。因此，不仅需要如上所述对燃烧室进行预热，而且还需要在停止预热之后保持热储，以保持所述燃烧室的温度。根据本发明还发现，通过首先建立一定的燃烧室温度，使得具有远超过甘油(或者具有较低热值的其它液体燃料)自燃温度的非常大的热储，可以更可靠地维持甘油的燃烧，因为甘油燃烧产生的热量足以保持过量的热储。因此，可以将以上提供的燃烧室温度范围称作为甘油提供自持燃烧所需的燃烧室温度(即〃 甘油自持燃烧温度范围〃 )。当然，如本发明更进一步描述的，达到该温度范围只是根据本发明实现真实的可维持的甘油燃烧的因素之一。 为了确保燃烧室保持在所述甘油自持燃烧温度范围内，优选使得预热燃料和甘油之间的切换以相对无间隙的形式进行。换而言之，在预热燃料停止和甘油开始流动之间的可能会造成燃烧室显著冷却的时间为零，或者极短。因此，优选一旦燃烧室达到了所需的预热水平，立刻将甘油流喷入燃烧室。 另外，根据本发明，特别需要为具有甘油燃烧室的燃烧器提供一种结构，该结构设计用来最大程度维持甘油的燃烧。例如，根据本发明即使在甘油燃烧室的初始预热之后，引入甘油作为原料源实际上会降低燃烧室的温度。在一个测试中，用煤油将用烟筒管形成的燃烧室预热至大约800-100(TC的温度。但是当开始将甘油喷入燃烧室的火焰中的时候，燃 烧室的温度会开始降低(使用热电偶进行监控)，当温度降至低于约60(TC之后，燃烧停止。 因此，很明显可以通过提供预热的环境促进甘油的燃烧，但是甘油液滴的蒸发和引燃实际 上会从整个体系移走能量。 为了克服这个问题，本发明揭示了通过使用一种或多种热量维持方法或结构，可 以特别有利于持续的甘油燃烧。例如，可以在绝热的金属烟筒中进行甘油燃烧，提供辐射和 回流反馈加热。可以使用其它种类的燃烧器结构进行这种加热。例如，可以使用陶瓷衬里 增加对甘油燃烧室的辐射热量反馈。在另一个实施方式中，可以在燃烧室的内表面上使用 反射材料促进燃烧器壁和反应物之间的热辐射传热。 在另一个实施方式中，需要至少部分地限制从燃烧室的排气，例如通过部分地覆 盖燃烧室的排气装置。例如，可以在排气装置使用金属板至少部分地封闭火焰区，促进燃烧 室内热量、空气和可燃物(例如燃料颗粒)的再回流。可以使用任意种类的流动障碍物延 长各种燃料颗粒在燃烧室最热的区段内的停留时间。这些障碍物能够增加各燃料颗粒完全 燃烧的机会，在甘油从燃烧室排出之前将热量传导回引入的蒸发的甘油。在下文将更详细 地描述到，所述设备可以使用大量空气流动引导部件提供热量、空气和可燃物在燃烧室内 的再回流，从而在燃烧室内形成有益的再回流区，最大程度延长所有必需的燃烧组分在燃 烧室内的停留时间。 另外，当在存在引入的空气的条件下进行燃烧的时候，优选燃烧室的形成和设置 方式能够最大程度提高将热量对流反馈到甘油燃烧室。因此，从引入空气的位置到排气或 者通风的位置处，并不优选空气流沿直线流过燃烧器。相反地，优选燃烧器能够提供传热介 质(例如空气)的再回流。 在下文将更详细地描述道，特别优选对燃烧设备进行设计，以最大程度地增加燃 烧室内的空气涡旋。尽管不希望被理论所限制，人们认为适当地引入涡旋对于在燃烧室内 通过膨胀转化为轴向涡度是很重要的。所述轴向涡度会显著延长甘油在燃烧室内的停留时 间，使得热的产物和游离基返回主要燃烧区，从而使得该低热值的燃料能够完全燃烧。
通过将通风造成的热量损失尽可能减少，可以最大程度增加甘油燃烧室内的热量 保持，这有助于将甘油燃烧室内的温度保持在高于甘油自燃温度的水平。另外，通过保持升 高的温度可以使得甘油"更清洁"地燃烧，避免燃烧器积炭以及产生其它最终会堵塞燃烧器 因而需要关闭系统进行清洁的其它材料。可以在燃烧设备中放置各种空气动力学障碍物， 以延长停留时间，增加向燃烧室内的反应物的热反馈，从而确保甘油完全燃烧。因此，所述 设备可以包括大量空气流动导向部件，例如排气罩，气流隔板，以及区域限制器。而且所述 燃烧设备本身的外壳的形状能够有利地用来引导热流和空气流。最大程度增加热反馈的方 法还可以包括将空气引入燃烧室的方法，这将在下文中更全面地进行讨论。
优选避免甘油燃烧发生中断，因为这需要在使得甘油重新发生燃烧之前再次对燃 烧器进行预热。相反地，本发明特别的特征在于，本发明特别适合用于连续工艺，例如生物 燃料生产线。因此，在一个实施方式中，可以直接将甘油燃烧工艺结合入整体的生物燃料生 产工艺中，使得可以将废甘油直接从生物燃料生产线引出，导入甘油燃烧设备，通过甘油燃 烧产生热量，用于促进生物燃料生产工艺中的反应。 一旦已经对甘油燃烧器进行了初始的 预热，则该燃烧器可以单独使用甘油作为燃料源。因此，在本发明的工艺中，仅在起始步骤
15进行预热，仅在该工艺的开始时刻进行预热。当然，如果需要的话，可以在甘油燃烧过程中 的任意时刻将其它的燃料与甘油混和。但是，本发明特别的优点在于，可以单独使用甘油本 身作为仅有的燃料源，用于自持燃烧。
用于燃烧的液体燃料的制备 根据本发明的甘油燃烧法可以包括在将甘油弓I入燃烧室之前，进行一个或多个步 骤。具体来说，所述方法可以包括通过一些方式对甘油进行处理，以制备用于燃烧的甘油。
甘油的高粘度会特别大地影响该物质的高效而可维持的燃烧。材料的有效燃烧通 常需要对材料进行雾化，以形成细小的喷雾或薄雾。由于需要进行雾化的物质的粘度，常规 的雾化装置，例如高压雾化装置受到限制。纯(100%)甘油在2(TC的粘度约为650厘斯 (cSt)，在38"的粘度约为175cSt。作为比较，煤油在2(TC的粘度约为2. 7cSt，水的粘度约 为lcSt，汽油的粘度约为0.4-0.9cSt。因此，甘油的高粘度使其难以以雾化状态引入燃烧 室中，以进行有效的燃烧(即无法形成小而均匀的液滴的细小喷雾)。因此，本发明可以包 括对甘油(或者其它高粘度液体燃料)进行处理，以减小其粘度。 在某些实施方式中，可以对甘油进行处理，以将其粘度降低到一定的水平，使得可 以用常规的雾化装置对甘油进行雾化。具体来说，可以对甘油进行处理，使其粘度减小到约 小于60cSt，约小于50cSt，约小于40cSt，约小于30cSt，约小于25cSt，或者约小于20cSt。 当使用标准的高压雾化喷嘴的时候，特别优选将甘油的粘度减小到小于约20cSt，约小于 16cSt，或者约小于14cSt。 根据本发明实施方式，可以采用任何能够用来充分地降低甘油粘度的处理。例如， 可以将甘油与另外的能够降低混合物总体粘度而且不会妨碍甘油燃烧性能的液体混合。较 佳的是，所述用来与甘油混合的液体也可以用来提高甘油的燃烧性能。在某些实施方式中， 所述用来混和的液体包括极性材料。在一个实施方式中，可以将甘油与甲醇、乙醇或其它醇 类之类的化合物混和。如果要与非极性材料混和，例如与常规的烃类燃料混和，可以进一步 包含表面活性剂或者其它的材料，用来促进极性材料和非极性材料的混和。这些混合物也 可用于以下情况甘油作为工业工艺的废副产物制得(例如在生物燃料生产工艺中)，制得 的废甘油的量不足以满足工业工艺的全部热量需求。此时可以将增量剂材料加入甘油中， 将甘油供应量增加到足够的程度，以满足工业工艺的加热需要，同时还可以充分地降低甘 油的粘度，使其可以在燃烧的时候适当地雾化。 令人吃惊的是，根据本发明已经发现，即使当甘油与大量的水混和的时候，也可以 高效而持续地燃烧。生物燃料生产工艺制得的废甘油经常包含一定量的水。尽管可以将 水与甘油分离，但是根据本发明，可以将水留在甘油中用作粘度减小组分。另外，可以将水 加入甘油中，对甘油进行处理，有效地减小其粘度。根据本发明进行测试发现，将最高约30 体积％浓度的水与甘油混合，都不会影响燃烧。因此，本发明包括甘油/水的混合浓度比约 为体积比约99. 9/0. 1至70/30，约99/1至75/25，约98/2至80/20，约95/5至80/20，或 者约90/10至85/15。实际上，将甘油与水混合可以有益地减少排放物。例如，根据本发明 进行测试表明，将甘油和水的体积比80/20的混合物进行燃烧，使得CO和C02的排放量减少 84%。在另一个实施方式中，可以在甘油雾化之前，或者在雾化的同时(即通过使用第二个 喷嘴将水雾喷入燃烧室)，将水与甘油混和。 在另一个实施方式中，通过在雾化之前对甘油进行加热，减小甘油的粘度。尽管甘
16油在环境温度下具有较高的粘度，但是通过加热可以显著减小其粘度。具体来说，通过将纯 甘油加热至大约9rC，可以将纯甘油的粘度减小到约小于16cSt。认为该粘度是能够使用 常规装置进行有效雾化的粘度上限。可以在甘油雾化之前的任意时刻，使用任何能够加热 液体的方式对甘油进行加热。例如，甘油可以流过合适的热交换单元。或者，可以在甘油输 送线路周围缠绕线圈(例如铜管)，所述线圈中可以流过加热的液体，对甘油进行加热，优
选将甘油加热至大约ioo°c (或者高于约9rc的任意温度)。然后可以使得加热的(粘度
减小的)甘油移动通过输送线路，直接输送到燃烧室。在优选的实施方式中，所述输送线路 是绝热的，以保持甘油具有所需的升高的温度(以及减小的粘度)。在特别优选的实施方式 中，对所述输送线路进行进一步加热，以确保甘油在到达雾化喷嘴之前，其温度不会显著降 低。例如，可以使用电阻加热丝对甘油供应线路进行加热，所述电阻加热丝优选用绝热材料 包覆，例如使用陶瓷绝热材料。当然，应当理解可以使用单独的加热方法，从输送位点到雾 化位点对甘油进行加热。 在一个实施方式中，可以在无需外加热源的情况下对甘油进行预热。相反地，可以
使用再生热交换器，由产物气体的热量进行预热。例如，可以将甘油进料线路围绕在燃烧设 备(特别是燃烧室)周围，可以利用燃烧产生的热量对燃料源进行加热。当然，合适的设备
可以用来确保仅加热至所需的温度(即约低于IO(TC )。 在另一个实施方式中，特别是当甘油源是一种工业工艺的副产品的时候，由于所 述工艺，甘油已经进行了加热(因此具有减小的粘度)。例如，在甘油三酯酯交换生成生物 柴油的时候，可以将水、醇和甘油的混合物置于闪蒸器中，加热至大约IO(TC，闪蒸至低于大 气压的压力，将醇和水与甘油分离。使得醇冷凝，在酯交换工艺中再利用，水作为废物除去。 尽管甘油通常作为废物除去，根据本发明，甘油(已经在闪蒸工艺中进行了加热)可以直接 用于本发明的燃烧工艺。另外，如上所述，可以允许水残留在甘油中，用作粘度减小处理剂。 另外，可以利用燃烧设备中的残余少量热量将甘油加热至可使用常规雾化器进行合适雾化 所需的温度。 还可以采用甘油处理的组合。例如，可以将来自生物燃料制备工艺的加热的甘油 废物流通过供应线路输送到甘油燃烧室，所述供应管线进行绝热并且/或者通过任意已知 的加热方式进行加热，包括以前所述的那些。 较佳的是，将甘油加热至可以用于如上所述降低粘度的温度，最优选加热至能够 将甘油的粘度降低至等于或低于约20cSt的温度。在一个具体的实施方式中，通过将甘
油加热至至少约9rc，得到了所述减小的粘度。在此温度下，甘油的粘度会减小到约小
于20cSt，可以使用常规的高压雾化喷嘴将热甘油喷入燃烧室。在某些实施方式中，在雾 化之前对甘油进行的处理包括将甘油加热至至少约60°C，至少约65°C，至少约70°C，至少 约75°C ，至少约80°C ，至少约85°C ，至少约90°C ，至少约95°C ，或者至少约IO(TC 。在具体 的实施方式中，所述方法包括将甘油加热至大约70-120°C ，约75-115°C ，约80-110°C ，约 85-105°C ，或者约90-100°C 。 通过加热至所述温度一般还有益于燃烧工艺，因为由此可以减小对燃料进行蒸发 和氧化所需的焓。当然，应当理解根据甘油中存在的杂质的种类和含量，为使甘油达到所需 粘度的加热温度可以更低。例如，在上文所述的生物燃料实施例中，所述甘油包含醇馏分。 由于甘油中残留着醇馏分，甘油的粘度会减小，因此使得甘油达到所需粘度的加热温度可
17以显著降低。 对于燃烧过程的效率来说，很重要的是燃料和氧化剂组分在气相中混和。具体来 说，在氧化开始进行之前，必须将液体燃料汽化，因此通常将液体燃料雾化为极小的液滴， 以尽可能减少蒸发时间。为了使得甘油燃烧器具有极高的效率，可以产生具有极小的均匀 尺寸的液滴的喷雾。因此，在燃烧之前对甘油进行的处理还可以包括对甘油液体进行合适 的雾化，以形成细小的喷雾或薄雾。在本文中描述了用来形成液滴的某些具体实施方式
。当 然，可以根据本发明采用任意能够产生所述液滴的方法。 燃料油燃烧器大体可以分为喷枪类(雾化)燃烧器，罐类(汽化)燃烧器，或者旋 转型燃烧器。喷枪类燃烧器通常通过迫使油通过喷嘴，将其喷入枪型气流喷嘴中，使得燃料 油雾化。所述液体形成微小的颗粒或者小滴，使其良好混和并部分蒸发，然后在燃烧室内引 燃。在罐型燃烧器中，燃料蒸发入燃烧空气中，该燃烧器通常包括自然通风燃烧器，强迫通 风燃烧器，以及套管式燃烧器。旋转燃烧器使用圆盘，向其提供燃料油，圆盘的旋转以细小 喷雾的形式发射燃料油。尽管可以将任意所述种类的燃烧器用于本发明，但是特别优选使 用喷枪式燃烧器。由于甘油具有极低的蒸气压(在25t:约为0.001毫米汞柱)，使得汽化 式燃烧器不适合使用，之前所述的高粘度使得甘油不太适合用于旋转式燃烧器，因为为了 最大程度促进高效的燃烧，需要形成极细小的甘油薄雾。 根据本发明，特别优选使用燃料雾化的燃烧器。因此，可以根据本发明使用任意已 知的雾化设备。例如参见美国专利第4，783，008号，该文献参考结合入本文中。应当注意， 当使用常规的雾化装置的时候，应当通过例如上文所述的进一步的处理，减小液体燃料的 粘度。本领域技术人员了解本文揭示内容之后，应当能够根据所采用的雾化装置，决定是否 采用减小粘度的步骤。 在优选的实施方式中，如果需要，可以首先选择合适的雾化装置，然后进行减小粘 度的处理。例如，在一个实施方式中，可以使用鼓风喷嘴。该喷嘴具体设计成能喷射高粘度 流体，通过在液体燃料进料线路周围的环形区域内提供加压空气或气态燃料，使得加压空 气或气态燃料在喷嘴即将喷射的尖端处与液体燃料进料相遇。所述空气或气体燃料的压力 逼近液体燃料，使得液体燃料发生细小的雾化。如果根据本发明使用鼓风喷嘴，则需要对喷 嘴进行独立的空气供应，以引发雾化。例如，加压的空气可以以至少约5-10psig，优选至少 约10-20psig的压力，以至少约IOSLPM，优选至少约10-30SLPM的流速提供。通过使用鼓风 喷嘴可以有益地减少或消除首先对甘油进料进行减小粘度的操作的需要。但是，在一个特 别优选的实施方式中，可以对甘油进行加热，以至少部分地减小甘油的粘度，并且在鼓风喷 嘴中进行雾化。这在提供最优化的雾化和燃烧特征方面是特别有用的。
在一个优选的实施方式中，使用DELA V AN 虹吸型SNA空气雾化喷嘴(购自美 国北卡罗来纳州，夏洛特市，古德瑞奇公司(Goodrich Corporation, Charlotte, NC))进行 雾化。这些喷嘴使用高压空气对液体甘油燃料进行雾化，可以特别有效地用作雾化装置，适 当地对高粘度甘油进行雾化，而且无需进行初始的减小粘度的处理(即所述甘油可以"冷" 雾化)。当使用常规的燃料例如煤油的时候，喷嘴需要低空气压力(例如约3-5psi)，无需 燃料泵(高压空气吸入液体燃料)。对于高甘油粘度，可以优选使用独立的泵，使得甘油移 动通过雾化喷嘴。可以使用上文所述的空气流动压力和速度。
控制燃烧室空气流动
在本发明的一些实施方式中，可以通过一定的方式控制空气流(即氧源)，以促进 甘油的燃烧。另外，合适的空气流控制可以有益地改进甘油燃烧室内的操作温度保持。通 常沿直线从输入区传输到排气区的空气流会限制可燃性材料在燃烧室内的停留时间，使得 燃烧室内具有较低的热保持能力。根据本发明，已经发现促进高效、可维持的甘油燃烧的一 个因素在于确保甘油液滴在燃烧室中具有尽可能延长的停留时间，以确保完全氧化。因此， 本发明不是依赖于纯轴向空气流，而是优选提供空气动力学上受到限制的空气流，使得雾 化的甘油以限定的流动形式与空气混合物引入甘油燃烧室中。 空气动力学受到限制的空气流的一个例子包括使用涡流燃烧器。涡流喷射流(绕 喷射的轴)是优选的用于燃料/空气混和的方式，因为通过涡流提供了额外的火焰稳定性。 燃料/空气混和受到促进可以使得污染物排放量减少，提高效率。另外，适当的混和还有利 于提供更稳定的燃烧。使用涡流的另一个优点在于，可以縮短燃烧火焰的总长度。减小火 焰长度的特别有效之处在于，可以使用较小的燃烧室，这又会导致燃烧设备的基建成本和 维护成本降低。 根据本发明可以使用的两种已知的涡旋燃烧器是涡旋燃烧器和旋风燃烧室。在涡 旋燃烧器中，将涡旋空气注入燃烧室的上游，使得涡旋空气和同向流动的燃料进入燃烧室。 在旋风燃烧器中，将空气沿切向直接注入燃烧室，在此处其与燃料混和，发生燃烧。涡旋空 气提供的切向动量，特别是当其突然膨胀的时候，会转化为方位角涡度。所述方位角涡流在 燃料喷嘴紧邻的下游形成强烈的再回流区。有效的再回流区的形成是特别有益的，因为由 此可以促进足够大体积的热产物和游离基与冷的反应物混和，使得反应物温度升至高于自 燃温度，确保燃烧过程不中断地继续进行。可以根据本发明采取任意的方法为空气源提供 涡旋组分。 在一个优选的实施方式中，将空气注入根据本发明的燃烧设备中的时候，空气同 时沿液体燃料流动方向的轴向和切向注入。轴向空气流可以在雾化喷嘴上游的任意位置引 入，例如通过一个或多个上游端口引入。类似地，切向空气流可以通过多个侧面端口引入， 所述多个侧面端口可以位于雾化喷嘴的上游、下游(优选在燃烧室中接近喷嘴)，或者直接 位于雾化喷嘴的区域内。所述空气流混和形成涡流速度分布模式，绕中心燃料管流动。在 此实施方式中，所述流动可以用无量纲的涡流数(S)表示，其如下式定义
<formula>formula see original document page 19</formula> 其中G(p是轴向空气的质量流量，G,是切向空气的质量流量，d是燃烧设备的内径。 当涡流数为0的时候，表示不存在涡流的常规同向流动燃烧器，涡流数为5的时候，表示较 高的涡流数。在一些实施方式中，空气流的提供方式使得涡流数至少约为3，至少约为4，至 少约为5，至少约为6，至少约为7，至少约为8，或者至少约为9。在具体的实施方式中，提 供的空气流的涡流数约为3-10，约为4-10，约为5-10，约为6-10，约为7-10，约为4_9，约为 4-8，或者约为4-7。 燃烧室中的空气流动还可以用雷诺数来限定，雷诺数是流动环境中动态压力和剪。具体来说，雷诺数是基于空气流速、燃烧室的直径、室温空气的粘度 计算的，可以用来确定流动是层状流、瞬变流或是湍流。在某些实施方式中，对工艺参数 进行控制，使得空气流动为层状流。在特别的实施方式中，在燃烧室中提供了空气流并且 /或者进行控制，使得雷诺数约小于3， 000，约小于2， 800，约小于2， 600，约小于2， 400，约 小于2， 300，约小于2， 200，或者约小于2， 100。在具体的实施方式中，空气流动使得雷诺 数约为1， 500至2， 400，约为1， 600-2， 300，约为1700-2， 200，约为1， 800-2， 200，或者约为 1， 900-2， 100。 空气流动可以部分地用燃料流速表示。在优选的实施方式中，需要燃烧反应的 总体化学计量关系为〃 稀薄〃 状态(即基于燃料流速，相对于燃烧所需的氧气，空气为过 量)。这种〃 稀薄〃 燃烧特别适合减少一氧化碳(C0)和其它污染物的排放。在操作中，空 气流速是固定的，可以对燃烧室的尺寸进行设计，以达到上述所需的雷诺数。然而，由于甘 油的热值较低，总化学计量关系中燃料的量不能过于稀薄，否则过量的空气会熄灭火焰。当 使用越来越多的过量空气使得甘油燃烧的时候，涡流数必须增大(因此热产物和游离基的 再回流量以及停留时间必须增加)。 在燃烧器的顶部，对甘油燃料进行喷雾(由雾化器喷雾)，将其与涡流空气混和， 从而进行燃烧。在一些实施方式中，可以对燃烧室的形状进行设计，以进一步控制空气流和 最大程度促进燃烧。例如，可以对燃烧室的内壁进行形状设计，或者可以包括另外的合适的 结构，使得在燃料喷雾区域中形成室的膨胀。在下文中将更完全地描述，室膨胀产生的几何 结构可以用来造成空气压力减小，使得空气流迅速膨胀，从而促进在燃烧火焰区域中形成 再回流区。在此再回流区中，可以将燃烧气体有效地从火焰外部区域抽回火焰中心。随着涡 流数增大，火焰高度会显著减小。这样可以类似地有益于减小燃烧设备所需的尺寸。当然， 如前文所述，还可以使用其它的空气流导向部件，进一步促进再回流区的形成和稳定化。
之所以能够根据本发明实现和维持甘油燃烧，部分是由于确定了所需的流体机械 机理，以促进燃烧室内出现必需的流动形式。如上所述，引入燃烧室的空气的角动量，特别 是由于引发的涡旋，导致沿着室的周边产生高压区，沿着室的中线产生低压区。空气的轴向 动量使得空气沿着周边向上移动，低压使得空气沿着中线往回移动。所述将涡旋(即切向 流)转化为轴向涡流的流体机械机理使得燃烧产生的热产物和游离基反复地回到燃烧区。 由此有效地延长了燃料分子在热燃烧区内的停留时间，连续不断的再回流使得燃料分子反 复地通过燃烧区，直至所有燃料分子燃烧。因此，本发明在燃烧室中形成动态再回流区，该 再回流区是通过按设计沿轴向和切向引入空气流以引发涡旋并通过引发的高压区和低压 区促进形成的，这可以通过反应器设计具体产生，在下文中将进一步进行描述。
燃烧设备和相关部件 在另一个方面，本发明提供了一种如上所述可以用来燃烧甘油的燃烧设备。所述 燃烧设备优选包括本文所述的各种可以用于甘油燃烧的部件。尽管本发明设备特别适合用 来燃烧甘油，但是本发明不限于此。所述燃烧设备可以用来燃烧任意的燃料，特别是通过其 它方式难以进行自持燃烧的燃料。 在

图1A中部分显示了根据本发明可以使用的燃烧设备的一个实施方式，其中具 体显示了设备中的空气流。可以看到，所述设备IO包括限定了设备10的外壳的外管110， 以及中心燃料管120，液体燃料(例如甘油)通过中心燃料管提供。通过设备的空气流可以
20是从底部沿轴向流动(箭头A所示)以及切向流动(箭头B所示)中的一种或两种。尽管 图中所示的设备是垂直设计的，但是本发明还包括其它的几何结构。 在一个具体的实施方式中，如图2的俯视图所示，提供了四个侧面端口 151,152， 153和154，用来沿箭头B提供切向空气流。如前文所述，特别优选提供轴向空气流和切向 空气流，以促进绕中心燃料管120产生涡旋速度分布模式，如图1A中的线条C所示。燃烧 设备10的位于中心燃料管120上方的部分也称作燃烧室185。这是燃烧设备10的一部分， 其中涡旋空气与液体燃料在一定的温度混合，促进液体燃料发生可维持的高效的燃烧。所 述燃烧室的尺寸可以根据整体设备设计变化。在某些实施方式中，尽可能减小燃烧室的尺 寸，以增加燃烧室内的热量保持。所述燃烧室也可称为火焰包围区域，因为整个设备中在此 部分有液体燃料在火焰中完全燃烧。 在燃烧室185上方是排气装置190。尽管燃烧设备的这些区域可以描述为是分开 的，但是它们作为单独的连续元件发挥作用。例如，根据本发明的燃烧设备可以简单地包括 一根金属管，该金属罐是绝热的，具有合适的内壁结构，可以耐受对流和反馈加热。在此实 施方式中，所述燃烧室可以简单地包括在液体燃料被雾化并释放用于燃烧的位置上方的管 区域。类似地，排气装置可以简单地为排出空气和热量的管的端部。当然，这两个区域可以 是物理隔开的，例如使用一个或多个隔板130隔开。 在图1A的实施方式中，所述中心燃料管120包括包围在中心燃料管周围的加热器 /绝热器设备310，用来对流过管的液体燃料进行加热，以确保液体燃料保持足够的热量， 使其具有适于雾化的低粘度。所述加热设备可以包括电阻加热丝，或者任意其它能够为管 提供恒定的加热的设备。所述加热器设备可以包括绝热层，以及一些材料，用来挤压绝热 层，使得绝热层与中心燃料管紧密贴合。例如，可以使用耐热带材。所述绝热层还可以用来 防止向上通过燃烧设备的涡旋空气受到加热。例如，较高温度的空气的密度低于较冷的空 气，这会影响之前讨论的涡旋数量计算。可以最大程度减小加热设备的厚度，以避免对燃烧 设备内的涡旋空气产生不希望出现的阻碍。 除了调节本发明燃烧设备的形状以促进对通过所述设备的气流进行设计，本发明 的燃烧设备还可以包括另外的元件，形成甘油燃烧必需的条件。例如，所述燃烧设备可以包 括一个或多个端口 ，用来输送起始燃料，用来对所述设备进行预热，以维持甘油燃烧温度。 如图1A的实施方式所示，在外管110的侧面提供了两个端口 182和184。较佳的是，这些 端口位于中心燃料管120的出口处的上游(例如雾化器上游处，或者略处于雾化器下方)。 所述起始燃料端口的尺寸可以根据用于对设备进行预热的起始燃料的种类而变化。例如， 当使用气态起始燃料(例如甲烷或丙烷)的时候，优选所述端口具有足够的尺寸，使得起始 燃料不会以能够熄灭火焰的高速进入火焰。为起始燃料提供独立的端口还可以同时使得起 始燃料和液体燃料(例如甘油)进行燃烧。设置在中心燃料管的出口处的上游位置还具有 以下优点可以用来在液体燃料到达出口处的时候帮助对中心燃料管中的液体燃料进行加 热，从而进一步降低液体燃料的粘度，进一步改进液体燃料的雾化。 在图1A所示的实施方式中，所述燃烧设备IO在中心燃料管120的出口处区域具 有区域限制器115和117。在图1A的截面图中，区域限制器被起始燃料端口 182和184沿 水平方向分开，但是实际上所述区域限制器是两个单独的块(即左边的块的右边的块)，燃 料端口从两块中延伸穿过。根据本发明的区域限制器是位于燃烧设备的任意限定区域的结构特征，其对设备的尺寸进行限制。在优选的实施方式中，区域限制器具有限定的形状，能 够提供特定的空气流动特征，促进空气压力增大或者减小。在图1A中，所述区域限制器115 和117是两个独立的块(左边的块和右边的块)。在其它的实施方式中，可以使用存在于外 管110的整个内部圆周上的单独的块。类似地，可以使用两个以上区域限制器，沿设备设置 在不同的水平高度。 所述区域限制器可以具有设计的几何结构，在从中心燃料管流出的甘油的流出点 下游(例如雾化器下游)形成室的膨胀，以有效地促进空气压力下降，由此可以使得空气流 迅速膨胀。在图1A中，在中心燃料管120的出口处区域，区域限制器115和117形成60° 的锥形。在其它的实施方式中，可以形成不同的几何结构，以改进本发明设备的空气流动或 者其它功能。例如，在本发明的某些实施方式中，可以形成燃烧设备，使得处于雾化器设备 紧邻下游的燃烧室的内壁具有成一定角度的部分，所述成一定角度的部分的角度约为20。 至80° ，所述角度是相对于与中心燃料管120(因此也是相对于燃料流动)垂直的直线测量 的。所述成一定角度的部分的具体角度必须在限定的参数范围内，以保持合适的空气流动。 如果该角度过小，会发生分流。如果该角度过大，会阻碍合适的涡流的形成。
在图1C中具体显示了详图。从图中可以看出，形成区域限制器117，使得其上部部 分相对于垂直于中心燃料管120的直线(水平虚线)优选成60度角。所示的区域限制器 115的顶部具有变化的角度e ，该角度相对于水平虚线在大约30-80度的范围内变化。在 其它的实施方式中，位于雾化器紧邻下游的燃烧室内壁所成的角度9约为45-75° ，约为 50-70° ，或者约为55-65° 。在一个实施方式中，e约为60° 。 在中心燃料管120出口处上方，通过区域限制器产生的低压区和涡旋空气流结合 起来，形成了再回流区250。所述再回流区位于燃烧室之内，所述再回流促进了液体燃料的 完全燃烧。 还可存在另外的元件，以促进燃烧设备内的热反馈。例如，所述燃烧室可以包括一 个或多个隔板130，阻碍气流直接流出燃烧室，促进热产物和游离基的再回流。所述燃烧设 备还可以包括罩子135，用来将热量保持在燃烧室之内。从图1A可以看出，罩子135居中 位于排气装置上方，使得空气流仅能绕排气装置的周边离开燃烧室。但是，作为罩子的代替 或补充，还可以使用其它的部件。例如，可以使用金属线圈，凹形或者凸形的金属板，金属丝 网，或者环行的板。可以使用任何能够用来减少热流、空气流、或者热流和空气流流出燃烧 室的结构。另外，不一定在燃烧室之外设置罩子或者类似的结构。相反地，可以将罩子结构 设置在室的排出口区域中。因此，所述罩子结构可以设置在燃烧室中，与燃烧火焰相距各种 高度。 如上所述使用罩子，有利于俘获和保持由引起的涡旋带来的轴向涡流，从而产生 强烈的再回流区。所述罩子的次要作用是将热量输送回燃烧火焰。该流体机理效果需要固 体表面。罩子的高度也很重要。如果罩子过于靠近雾化喷嘴，则无法形成本发明所述的涡 流；但是如果罩子过于远离雾化喷嘴，则罩子无法有效地俘获涡流。在一些实施方式中，所 述罩子与喷嘴的距离与燃烧室的直径成比例。例如，根据燃烧室的直径，所述罩子和雾化喷 嘴之间的距离可以约为直径的1-3倍，约为直径的1. 5-2. 5倍，或者约为直径的2倍。
图1B中显示了根据本发明的燃烧设备的另一种实施方式。可以看到，所述燃烧设 备10可以包括用来输送液体燃料的第一中心燃料管120以及用来输送起始燃料的第二中心燃料管125。 在中心燃料管120的端部设置了雾化器设备200。图3中显示了雾化器的一个具 体实施方式。从中可以看出，所述雾化器设备200包括供液体燃料通过的中心开口 210以 及供高压空气通过的环形开口 220。在一些实施方式中，所述环形开口可以用作预热燃料的 通道，用来对燃烧设备进行预热。所述雾化器设备200还包括用来提供高压空气(或预热 燃料)的侧面连接装置130，以及用来输送液体燃料的底部连接装置240。例如，所述中心 燃料管可以与底部连接装置相连。 图4中显示了本发明的燃烧设备的更详细的视图。同样，所述设备10包括限定了 设备10的外壳的外管110，以及中心燃料管120，液体燃料通过中心燃料管提供。雾化器设 备200位于中心燃料管120的端部，使得来自中心燃料管120的液体燃料通过雾化器设备 200中的中心开口 210，加压空气通过雾化器设备200中的环形开口 220。
在图4的实施方式中，所述燃烧设备10的再回流区250包括辐射屏蔽罩350。如 前文所述，这可以包括任何能够在燃烧设备内保持热量、促进热空气再回流、在设备中保持 必需的燃烧温度的材料。在一些实施方式中，所述区域限制器115和117可以由一些材料 形成，所述材料可以作为辐射屏蔽，进一步提高燃烧设备10的再回流区250内的热量保持。 另外，该实施方式还显示了使用围绕燃烧设备10的绝热层360。具体来说，所述绝热层位于 燃烧室区域周围，但是应当理解，绝热层可以对燃烧设备中更大或更小的部分进行封闭。
如图5所示，所述燃烧设备可以与另外的部件进行结合。具体来说，所述另外的部 件可以包括液体燃料供应装置410。其可以为图中所示的储存容器，或者可以是独立的工艺 的一个部件。例如，本发明的甘油燃烧法可以特别地与能够产生副产物甘油的生物燃料生 产工艺相结合。因此，可以将甘油燃烧设备结合在生物燃料生产工艺中，使得生物燃料生产 工艺中产生的甘油从生物燃料生产工艺连续地移出，提供给甘油燃烧设备。因此，所述液体 燃料供应装置410可以简单地是供应线路，或者可以是临时性储存容器。例如，所述液体燃 料供应装置410可以是临时性储存容器，包括用来除去其它工艺副产物(例如水或甲醇) 的分离装置。类似地，所述液体燃料供应装置410可以是临时性储存容器，其中甘油可以与 其它的燃料、燃料增量剂、或者减少燃料粘度的组分混和。 所述甘油可以经由燃料输送线路405输送通过各部件的组合，该线路405可以与 多个部件互连。对于较高粘度的甘油和其它可能的液体燃料，可以优选包括泵420以促进 甘油的传输。如图5所示，所述泵420置于加热装置的上游。但是，所述泵也可以位于流动 线路中的其它区域。另外，可以在输送线路的不同区域中使用多个泵。
在某些实施方式中，将液体燃料泵抽通过输送线路405，送到加热设备430。所述 加热设备可以包括任何种类的能够对甘油之类的液体燃料进行加热的加热器。在一些实 施方式中，所述加热设备是热交换器，可以包括一系列与输送线路405紧邻的管或管道，传 热液体从输送线路中流过，用来对甘油进行加热。在其它的实施方式中，所述加热设备430 可以包括一定长度的电阻加热带等，其直接为输送线路405提供热量，加热甘油。该加热带 可以在沿着输送线路405的任意区域使用。较佳的是，一旦对液体燃料进行了加热，至少对 输送线路进行绝热，以保持甘油的温度。在具体的实施方式中，可以使用特定的加热设备对 甘油进行加热，可以通过提供另外的加热方式对加热设备下游的输送线路进行进一步的加 热，以保持甘油的温度。例如，在离开加热设备之后，可以在输送线路之外包缠电阻加热带
23和绝热材料。当然，如上所述，所述加热设备任选取决于所用雾化装置的种类以及/或者所 用的替代的加热方法，例如再生加热法。 甘油从输送线路405加入燃烧设备IO，具体来说是输送到中心燃料管120。在具 体的实施方式中，所述输送线路可以与燃料管相连续。换而言之，所述输送线路可以与燃料 管属于同一个连续的部件。如上所述，可以沿着轴向以及/或者切向朝着燃烧设备输送空 气。例如，可以通过端口 161和163提供轴向空气流，可以通过端口 151和153提供切向空气流。 方法和设备的工业应用 所述燃烧设备可以用于本发明的方法，可以与各种工业工艺结合使用。在一个实 施方式中，本发明提供了一种用来对废甘油进行连续再循环、用来为生物燃料生产工艺提 供反应热的方法。 本文所述的甘油燃烧法可以用来将甘油作为燃料进行燃烧，所述甘油可以由任意 来源得到。但是在本发明中，如果甘油是作为工业工艺的废物流得到，而无法用于商业用途 的时候，本发明是特别有效的。如前文所述，纯甘油可以用于许多种用途。在工业工艺中作 为废产物制得的甘油通常包含杂质，需要通过一些加工处理才能得到一定程度的纯度，使 其可以在市场上用于大部分最终应用。根据本发明，废甘油通常表示"免费的"燃料源。
例如，在生物燃料生产工艺中会生成大量的废甘油；但是，对甘油进行纯化以用于 商业用途在经济上是不可行的。但是废甘油适合用作燃料。因此，根据本发明的甘油燃烧 设备可以结合入生物燃料生产设备中，所述生物燃料生产工艺中制得的废甘油可以从生物 燃料产物流中直接移出，引入本发明的设备中，用于进行甘油燃烧。在某些实施方式中，所 述生物燃料生产设备和甘油燃烧设备的组合可以包括能够用来制备甘油用于燃烧的部件。 例如，如果减小粘度的液体与甘油混和，则可以包括用来引入该液体的线路。类似地，可以 包括各种过滤器部件，用来除去污染物，例如残余的催化剂。另外，可以结合用来除去甘油 中的低沸点组分(例如水)的部件，用来闪蒸除去低沸点组分。这些组分本身可以适当地 返回生物燃料制备工艺(例如将醇再循环用于甘油三酯的酯交换工艺，或者用于甘油三酯 的水解工艺)。甘油燃烧产生的热量可以返回生物燃料生产工艺(例如通过加热以促进水 解反应)。在其它的实施方式中，所述热量可以用于其它的目的，例如用于发电。
本发明的一些实施方式的具体特征在于，可以提供连续工艺，该连续工艺仅需要 起始阶段。 一旦对甘油燃烧室进行加热之后，如上所述，可以将从生物燃料制备工艺连续移 出的甘油用于燃烧，产生的热量用于生物燃料制备工艺。因此，可以提供自持型热源。
实验 以下实施例更详细地显示了本发明，用来对本发明进行具体说明，本发明不限于此。 实施例1
甘油的燃烧 使用与图1A所示类似的燃烧设备完成甘油的可维持燃烧。首先，使用丙烷作为预 热燃料对所述设备的燃烧室进行预热。以30标准升/分钟(SLPM)的轴向流速和150SLPM 的切向流速提供丙烷，产生的计算得到的涡旋数为17. 6，雷诺数为2， 200。丙烷流开始的流 速为15-20SLPM，将燃料点燃。
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通过雾化喷嘴的空气流从0逐渐增大到18SLPM，避免提供会使得丙烷火焰熄灭的 空气流。用丙烷火焰对燃烧室进行加热，直至火焰包围区域的顶部发亮红色光，表明温度约 为800-1， 000°C。 将甘油泵抽通过雾化喷嘴，起初的流速约为1克/秒，将喷嘴空气流速增大到大约 30SLPM。停止丙烷流，单纯用甘油作为燃料供给，使得火焰继续燃烧。
实施例2
排放物测试 对上述实施例1的甘油燃烧产生的排放物进行收集和测试，以测定各种排放物组 分的浓度。使用DNPH(2，4-二硝基苯基-肼)药筒和高效液相色谱(HPLC)测得存在丙烯 醛和其它醛类。测试药筒包含购自供应商的DWH多孔塞。实际上，对甘油燃烧的排放物进 行收集，迫使其在低空气压力下通过DNPH药筒。测试表明废气中包含的任何酮类或醛类化 合物会与DNPH反应，保留在药筒塞中。所述DNPH塞用乙腈进行洗脱，对溶液进行HPLC分 析，对特定的DNPH衍生物进行定量。将HPLC分析测得的醛类的质量与通过药筒的废气体 积相比，计算得到醛类的浓度。 由于DWH药筒包括塑性部件，需要首先收集甘油燃烧产生的废气，然后对废气进 行冷却。这使用装有橡胶塞的烧瓶和两根各自具有球阀的管子完成。烧瓶/管子设备的总 体积为1. l升。当球阀打开的时候，一根管子置于甘油燃烧废气中，另一根管子与真空相 连。在进行4-6分钟的收集之后，同时关闭两个球阀，在烧瓶中俘获固定体积的废气。使用 压縮空气将烧瓶设备中的废气"挤出"，使其通过DNPH药筒。 进行了多次测试，检测到的最高丙烯醛浓度为17. 5ppb，这远低于有害于人类健康 的水平，即大约90卯b。 通过阅读以上说明书，本领域技术人员可以想到本发明的许多改良和其它的实施 方式。因此，应当理解本发明不仅限于本发明所述的具体实施方式
，以上各种改良和其它的 实施方式也包括在所附权利要求书限定的范围之内。尽管在本发明中使用了具体的术语， 但是这些术语仅仅是大致的说明的目的，不会对本发明构成限制。
2权利要求
一种对高粘度低热值的液体燃料进行可维持的燃烧的方法，所述液体燃料在环境条件下的粘度大于15cSt，热值约为10-75MJ/kg，所述方法包括提供燃烧设备，所述设备包括燃烧室；在将所述高粘度低热值的液体燃料引入燃烧室之前，对燃烧室进行加热，使得燃烧室温度至少约为370℃；提供所述用于引入燃烧室的高粘度低热值液体燃料；对所述用于引入甘油燃烧室的高粘度低热值液体燃料进行雾化；在燃烧室中将所述雾化的高粘度低热值液体燃料与空气混合，所述空气具有涡旋速度分布模式，能够在燃烧室中产生再回流区，从而达成所述高粘度低热值的液体燃料的可维持的燃烧。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加热燃烧室的步骤包括使得预热燃料 在所述燃烧室中燃烧一段足够的时间，以将燃烧室加热至所需的温度，然后停止所述预热 燃料的燃烧，所述预热燃料不同于所述高粘度低热值液体燃料。
3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述预热燃料选自煤油、甲烷、丙烷、以及它 们的组合。
4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加热燃烧室的步骤包括电阻加热。
5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述空气用空气力学受到限制的空气流提 供，为在燃烧室内再回流的空气提供轴向涡流。
6. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括在相对于甘油流动方向的轴 向和切向提供空气流。
7. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述空气流的涡旋速度分布模式定义为涡 旋数至少约为5。
8. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述空气流的涡旋速度分布模式定义为雷 诺数约为1500-2400。
9. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加热步骤包括将燃烧室加热至至少约 600°C。
10. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加热步骤包括将燃烧室加热至至少约 800°C。
11. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在雾化步骤之前，对所述 高粘度低热值的液体燃料进行处理，将所述高粘度低热值的液体燃料的粘度减小到约小于 20厘斯。
12. 如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述处理步骤包括对所述高粘度低热值 液体燃料进行加热。
13. 如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述处理步骤包括将所述高粘度低热值 液体燃料与减小粘度的液体混合。
14. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高粘度低热值的液体燃料包括甘油。
15. —种对高粘度低热值的液体燃料进行燃烧的燃烧设备，所述液体燃料在环境条件 下的粘度大于15cSt，热值约为10-75MJ/kg，所述设备包括外壳；燃烧室，其具有内表面，用来在大约600-120(TC的燃烧温度范围提供辐射和对流反馈 加热；中心燃料管，用来将所述高粘度低热值液体燃料引入燃烧室；雾化设备，其与所述中心燃料管相连，用来在将所述高粘度低热值液体燃料引入燃烧 室之前，对所述高粘度低热值液体燃料进行雾化；位于所述外壳上的多个空气端口 ，用来提供空气流，所述空气流的方向是沿着相对于 通过所述中心燃料管的高粘度低热值液体燃料流动方向的轴向和切向的一种或两种。
16. 如权利要求15所述的设备，其特征在于，所述设备还包括排气装置，用来对燃烧室 进行排气，所述排气装置包括一个或多个用来限制热流、空气流、或者热流和空气流从燃烧 室流出的部件。
17. 如权利要求16所述的设备，其特征在于，所述排气装置包括位于排气装置中心上 方的罩子，因此仅能在排气装置周边提供开口。
18. 如权利要求17所述的设备，其特征在于，所述罩子位于与雾化器相距一段距离的 位置，所述距离等于所述燃烧室直径的1. 5-2. 5倍。
19. 如权利要求16所述的设备，其特征在于，所述设备包括连接在燃烧室内表面上的 一个或多个气流隔板，用来将热流、空气流、或者热流和空气流从燃烧室的侧面折回燃烧室 的中心部分。
20. 如权利要求15所述的设备，其特征在于，所述设备还包括一个或多个区域限制器， 用来改变设备的内部几何结构，以在雾化器的下游形成膨胀区。
21. 如权利要求15所述的设备，其特征在于，所述设备还包括用来提供预热燃料的第二燃料管。
22. 如权利要求15所述的设备，其特征在于，所述设备还包括位于外壳上的一个或多 个端口，用来提供预热燃料。
23. 如权利要求22所述的设备，其特征在于，所述一个或多个预热燃料端口位于雾化 器的上游。
24. 如权利要求15所述的设备，其特征在于，所述雾化器设备是虹吸型空气雾化喷嘴。
25. 如权利要求15所述的设备，其特征在于，其还包括独立的加热器设备，用来在将高 粘度低热值液体燃料弓I入中心燃料管之前对所述液体燃料进行加热。
26. 如权利要求15所述的设备，其特征在于，其还包括泵，用来泵抽高粘度低热值液体 燃料通过中心燃料管。
27. 如权利要求15所述的设备，其特征在于，所述中心燃料管还包括一个或多个部件， 用来对中心燃料管内的所述高粘度低热值液体燃料进行加热或将其保持在限定的温度。
28. —种用来对废甘油进行连续再循环、用于产生能量的方法，所述方法包括a. 实施一种能够产生甘油物流作为反应副产物的工艺；b. 取出甘油物流，用作甘油燃烧工艺的甘油源；c. 使得所述甘油燃烧以产生能量。
29. 如权利要求28所述的方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤d. 使用所述甘油燃烧产生的能量提供实施一种工艺所需的至少一部分热能。
30. 如权利要求29所述的方法，其特征在于，所述能量用来提供步骤(a)的工艺所需的至少一部分热能。
31. 如权利要求28所述的方法，其特征在于，所述能量用来产生电能。
32. 如权利要求28所述的方法，其特征在于，所述燃烧甘油的步骤包括i. 提供燃烧设备，所述设备包括燃烧室；ii. 对粘度减小的甘油进行雾化，用来引入甘油燃烧室；iii. 在燃烧室中将雾化的甘油与空气混合，所述空气具有涡旋速度变化模式，能够在 燃烧室中产生再回流区，达成甘油在甘油燃烧室内的可维持的燃烧，以提供热量。
33. 如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述生产工艺包括生物燃料生产工艺。
全文摘要
本发明涉及一种用于高粘性液体燃料例如甘油的清洁而方便的燃烧的方法，以及可以用来实施所述方法的设备。在某些实施方式中，本发明提供了一种甘油燃烧方法，该方法包括提供燃烧设备(10)，所述设备包括能够促进反射加热的燃烧室(185)，对所述甘油燃烧室进行预热，对粘度减小的甘油进行雾化，在甘油燃烧室中将雾化的甘油与空气混合，从而使得甘油完全燃烧。在一个实施方式中，例如当使用高压雾化喷嘴(200)的时候，本发明的方法还包括对甘油进行处理，以减小甘油的粘度。
文档编号F23D11/44GK101755168SQ200880025613
公开日2010年6月23日 申请日期2008年6月5日 优先权日2007年6月6日
发明者B·梅茨格, T·L·特纳, W·L·罗伯茨 申请人:北卡罗来纳州立大学