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，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，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物體進(jìn)行加溫，無長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氖牵谠铑^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鍋體進(jìn)行傳熱。催化燃燒板能保證燃?xì)獬浞秩紵嵝矢?、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?，通過改變普通灶具的結(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，使用時灶面溫度很高，比普通爐具節(jié)時45%～55%以上；三是衛(wèi)生，因其燃燒充分，爐灶底不會出現(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，并提前對燃燒氣進(jìn)行充分預(yù)混，在工作時將化學(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)市場上就出現(xiàn)了遠(yuǎn)紅外燃?xì)庠?，但由于?dāng)時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，金屬以其鋼性強(qiáng)、脆性小等優(yōu)勢，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，而利用催化燃燒技術(shù)的熱水器較為罕見。

五、結(jié)論

相對于傳統(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。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，對社會的發(fā)展和環(huán)境的保護(hù)具有積極的意義。

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