催化燃燒技術(shù)在家用燃?xì)馊紵髦械膽?yīng)用

浙江師范大學(xué)化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院 方建麗 龔莉 羅孟飛

一、引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，環(huán)境以及能源短缺問題越來越受到關(guān)注。目前的低效燃燒方式，不但能源利用率不高，而且燃燒過程排放的污染物多，是造成霧霾天氣頻發(fā)的主要原因之一。因此，用高效、清潔的燃燒方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的低效燃燒方式，能有效提高能源的使用效率和減少有害物質(zhì)的排放。催化燃燒技術(shù)使燃料在較低的溫度下實(shí)現(xiàn)完全燃燒，改善燃燒過程、降低燃燒溫度、抑制有毒有害物質(zhì)的產(chǎn)生，是一種新型的節(jié)能減排技術(shù)[1]。本文通過與傳統(tǒng)有焰燃燒比較，詳細(xì)介紹催化燃燒原理和該技術(shù)在催化燃燒灶和催化燃燒熱水器方面的應(yīng)用。

二、有焰燃燒

燃?xì)夂涂諝庠谌紵b置中不預(yù)先進(jìn)行混合，而是分別將他們送進(jìn)燃燒室中，并在其中邊混合邊燃燒，燃燒產(chǎn)生的火焰較長(zhǎng)，并有鮮明的輪廓，因此被稱為有焰燃燒。有焰燃燒屬于擴(kuò)散燃燒。有焰燃燒由于活化能較高，燃燒速度慢，燃燒不完全，導(dǎo)致熱效率下降。此外，有焰燃燒火焰的氣體輻射量較小，以對(duì)流換熱為主要傳熱方式，降低能源利用率。有焰燃燒方式下，由于燃燒的不同部位與空氣接觸的差異，導(dǎo)致燃燒的完全程度和溫度也不同。高溫區(qū)，由于溫度高，導(dǎo)致空氣中的氧氣和氮?dú)夥磻?yīng)生成N O x污染物；低溫區(qū)，由于燃燒不完全，產(chǎn)生C O、碳?xì)浠衔锖徒褂偷扔泻ξ镔|(zhì)。

三、催化燃燒

1.催化燃燒的基本原理

催化燃燒是多相催化反應(yīng)中的完全氧化反應(yīng)，燃?xì)夂涂諝庠诖呋瘎┍砻孢M(jìn)行的非均相反應(yīng)。在催化燃燒過程中，催化劑的作用是降低燃料的起燃溫度，并加深其氧化程度，使有機(jī)物在較低的起燃溫度條件下發(fā)生無焰燃燒，并氧化分解為燃燒最終產(chǎn)物C O2和H2O，釋放出大量熱量，同時(shí)使反應(yīng)物分子富集于催化劑表面，以提高反應(yīng)速率、提高燃料利用率。

2.催化燃燒的特點(diǎn)

與火焰燃燒相比，催化燃燒有著以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)污染物排放水平低

催化燃燒是在催化劑的作用下發(fā)生的燃燒過程，這種燃燒具有燃燒充分、溫度均勻、催化燃燒面溫度大都在800～1000℃，因此產(chǎn)生的N O和C O明顯下降[2]。傳統(tǒng)的火焰燃燒的C O產(chǎn)生量為300m g/m3，催化劑燃燒的C O產(chǎn)生量為4m g/m3；傳統(tǒng)火焰燃燒的N O x產(chǎn)生量為200m g/m3，催化劑燃燒的N O x產(chǎn)生量為1m g/m3[3]。

(2)熱效率高

催化燃燒在催化劑的作用下，所需活化能僅為40～80k J/m o l，反應(yīng)速度快，起始溫度低。燃燒時(shí)，催化燃燒面溫度大都在800～1000℃，輻射出具非色散性、能量集中、熱效應(yīng)顯著的紅外線[4]。紅外線以電磁波傳遞能量，熱損失小。因此，相比傳統(tǒng)火焰燃燒，催化燃燒提高了熱效率。

(3)無焦油

催化燃燒采用紅外輻射釋放能量的方式對(duì)物體進(jìn)行加溫，無長(zhǎng)期火焰燃燒后遺留的黑色殘留物，便于清潔。

四、催化燃燒在家用燃?xì)鉅t中的應(yīng)用

1.催化燃燒灶

催化燃燒灶與傳統(tǒng)的燃?xì)庠畈煌氖?，在灶頭上增加了催化燃燒板。燃?xì)饨?jīng)過催化燃燒板，燃燒板溫度在850～950℃之間，同時(shí)將熱能部分轉(zhuǎn)化為紅外線，以紅外輻射傳遞為主的形式對(duì)鍋體進(jìn)行傳熱。催化燃燒板能保證燃?xì)獬浞秩紵?、熱效率高、有害物質(zhì)少、無焦油等。

1.空氣噴嘴 2.燃?xì)鈬娮?3.風(fēng)門 4.氣體混合室5.引射器 6.燃器主腔 7.催化燃燒板 8.鍋支架

催化燃燒灶實(shí)例圖

國外，負(fù)載鈣鈦礦型催化劑L a M n O 3的合金纖維板家用天然氣預(yù)混催化燃?xì)鉅t已研制成功，其在燃燒性能、煙氣排放等方面優(yōu)點(diǎn)顯著[5]，加拿大、法國等也相繼推出了采用貴金屬燃燒催化劑（如鉑P t、銠R h、鈀P d等）的催化燃燒器。

國內(nèi)，山東萊州市東升燃具廠研制出一種燃?xì)獯呋紵睿ㄟ^改變普通灶具的結(jié)構(gòu)，使空氣與燃?xì)獬浞?、均勻混合，加快了燃燒速度。其?yōu)勢(shì)體現(xiàn)為：一是高效節(jié)能，節(jié)能45%～55%以上，即1罐液化氣可相當(dāng)于原來的2罐來燒；二是節(jié)時(shí)，使用時(shí)灶面溫度很高，比普通爐具節(jié)時(shí)45%～55%以上；三是衛(wèi)生，因其燃燒充分，爐灶底不會(huì)出現(xiàn)黑色，并消除了廚房的膠狀物；四是C O排放量低，僅為0.006%，低于國際標(biāo)準(zhǔn)90%[6]。在我國，第一臺(tái)采用稀土催化燃燒器的催化燃?xì)庠钭?000年10月投入家庭使用，使用4年后其熱效率仍為67.3%（我國灶具行業(yè)國標(biāo)的熱效率為50～55%[7]），排放量C O為60p p m，N O x為4p p m，且催化劑表面無碳結(jié)現(xiàn)象。2009年，華帝推出聚能灶，以金屬蜂窩體燃燒器為工作主體，并提前對(duì)燃燒氣進(jìn)行充分預(yù)混，在工作時(shí)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成高能紅外線輻射，其火焰短（近乎無焰燃燒），具有燃燒充分、能效高（68.5%）、煙氣量少等優(yōu)點(diǎn)[8]。萬邦紅外線燃?xì)庠?01C 2采用新一代猛火加強(qiáng)型紅外線爐頭，節(jié)能環(huán)保。

十幾年前，國內(nèi)市場(chǎng)上就出現(xiàn)了遠(yuǎn)紅外燃?xì)庠睿捎诋?dāng)時(shí)燃燒輻射板制作工藝尚未成熟，因此燃燒灶在精度、燃燒效果、壽命方面存在缺陷。然而，近年來，由于陶瓷板制作工藝的大幅進(jìn)步，陶瓷中堇青石含量的提高（90%以上），陶瓷板的耐裂性大幅提高，使得陶瓷遠(yuǎn)紅外燃?xì)庠畎l(fā)展迅速。與此同時(shí)，金屬以其鋼性強(qiáng)、脆性小等優(yōu)勢(shì)，也逐步成為催化燃燒板的載體之一，增加了燃?xì)庠畹臒釓?qiáng)度、熱流量以及壽命，降低其維修成本。因此，遠(yuǎn)紅外燃?xì)庠钪饾u被眾多廠家及消費(fèi)者所接受[9]。

對(duì)于催化燃燒的改進(jìn)工作也有了新進(jìn)展，從催化燃燒爐I型到如今的催化燃燒V型冷凝鍋爐，V型熱效率明顯比普通燃?xì)忮仩t要高，其在節(jié)能、減排方面也更顯優(yōu)越[10]。

2.家用天然氣催化燃燒熱水器

催化燃燒熱水器利用紅外輻射方式（無可見光能量損失)，提高熱效率，降低了污染物排放量。此外，火焰燃燒燃?xì)鉄崴鞔蠖嘁蛉紵鹧娴暮魢[聲具有噪音，對(duì)人體有害，而采用催化燃燒技術(shù)的熱水器基本上不產(chǎn)生噪音，符合生態(tài)建設(shè)要求[11]。

國外，C e r r i等使用負(fù)載鈣鈦礦型催化劑L a M n O 3的合金纖維板研制了家用天然氣預(yù)混熱水器原型機(jī)表現(xiàn)出良好的性能，煙氣質(zhì)量明顯改善，G a s t e c等使用金屬蜂窩整體式催化劑設(shè)計(jì)了完全催化燃燒的天然氣熱水器，實(shí)現(xiàn)了煙氣污染物(H C，C O，N O)的零排放。

國內(nèi)，將催化燃燒技術(shù)應(yīng)用于家用熱水器已基本研制成功。其 催 化 劑 是 以 F e 2O 3、C o 3O 4、M n O 2為活性組分，A l 2O 3為載體，催化劑被制成漿液，涂覆在適用于家用熱水器燃燒室大小的整體式堇青石蜂窩陶瓷上。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，在熱交換器沒有充分吸熱的情況下，其熱效率已達(dá)83.15%,超過了國家標(biāo)準(zhǔn)(80%)；另外，N O x的排放量的體積分?jǐn)?shù)僅為24×10-6，低于國家標(biāo)準(zhǔn)(<80×10-6)，C O含量為0.02%，達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)(0.02%)。

2008年，萬和成功將全預(yù)混催化燃燒技術(shù)和冷凝換熱技術(shù)應(yīng)用于熱水器，以V 107為例，其熱效率最高可達(dá)107%以上，節(jié)能減排效果更佳[12]。迄今，在國內(nèi)，太陽能熱水器及冷凝式燃?xì)鉄崴髡紦?jù)較大市場(chǎng)，而利用催化燃燒技術(shù)的熱水器較為罕見。

五、結(jié)論

相對(duì)于傳統(tǒng)的火焰燃燒，催化燃燒具有高效、節(jié)能、減排等多種優(yōu)勢(shì)。催化燃?xì)馊紵詈腿細(xì)鉄崴髦?，打破了傳統(tǒng)火焰燃燒的可燃界限，大幅度提高燃?xì)庠畹娜紵屎蜔嵝?，?jié)省燃料，減少有害物質(zhì)的排放。因此，大力推進(jìn)催化燃燒技術(shù)的研究工作，積極推廣催化燃燒技術(shù)在家用燃?xì)馊紵髦械膽?yīng)用，對(duì)社會(huì)的發(fā)展和環(huán)境的保護(hù)具有積極的意義。

[1]田凌燕,蔡烈奎,汪軍平等.催化燃燒技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展[J].節(jié)能,2010,2:15-39.

[2]向漢江.稀土(復(fù)合)氧化物在天然氣催化燃燒中的作用[J].荊門職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2005,20(3):88-91.

[3]張世紅,王祺,周琦.催化燃燒爐特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].北京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),2003,19(3):1-4.

[4]董慶珊,張世紅,周琦.催化燃燒爐的節(jié)能性分析[J].建筑節(jié)能,2007,35(6):50-53.

[5]杜小春.甲烷催化燃燒的應(yīng)用研究[D].四川大學(xué),2005.

[6]馬溫亮.催化燃燒技術(shù)進(jìn)展及其應(yīng)用的研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2006(1):175.

[7]張艷明.“持續(xù),穩(wěn)定,高端,節(jié)能”燃?xì)庠钍袌?chǎng)發(fā)展的主旋律[J].家用電器,2011(001):88-88.

[8]曾旭杰.燃?xì)庠罹吖?jié)能技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢(shì)[J].現(xiàn)代家電,2011(14):40-41.

[9]連小衛(wèi).節(jié)能燃?xì)庠罹呙婷嬗^[J].現(xiàn)代家電,2010(023):62-63.

[10]張世紅,何林,李寧.天然氣催化燃燒V型冷凝鍋爐熱效率研究[J].北京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),2009,25(3):11-13.

[11]周紹雷.萬和“全預(yù)混催化燃燒技術(shù)和冷凝換熱技術(shù)在熱水器上的應(yīng)用”獲獎(jiǎng)[J].現(xiàn)代家電,2009(8):61-61.

[12]張曉玉,劉志敏,魏振玲,等.高性能甲烷催化燃燒催化劑的制備及其在天然氣催化燃燒熱水器上的應(yīng)用[J].催化學(xué)報(bào),2006,27(9):823-826.