催化燃燒技術

催化燃燒是典型的氣-固相催化反應，它借助催化劑降低了反應的活化能，使其在較低的起燃溫度200~ 300℃下進行無焰燃燒，有機物質氧化發(fā)生在固體催化劑表面，同時產生CO2和H2O，并放出大量的熱量，因其氧化反應溫度低，所以大大地抑制了空氣中的N2形成高溫NOx。而且由于催化劑有選擇性催化作用，有可能限制燃料中含氮化合物(RNH)的氧化過程，使其多數(shù)形成分子氮(N2)。

與傳統(tǒng)的火焰燃燒相比,催化燃燒有著很大的優(yōu)勢:

(1)起燃溫度低，能耗少，燃燒易達穩(wěn)定，甚至到起燃溫度后無需外界傳熱就能完成氧化反應。

(2)凈化效率高，污染物(如NOx及不完全燃燒產物等)的排放水平較低。

(3)適應氧濃度范圍大，噪音小，無二次污染，且燃燒緩和，運轉費用低，操作管理也很方便。

目前國內外主要研究的催化劑基本上有兩大類:一類為貴金屬催化劑，這類催化劑的活性和穩(wěn)定性好，技術較為成熟，但由于貴金屬價格高，資源短缺，所以，未能將其產業(yè)化;另一類為非金屬催化劑，主要集中在過渡金屬氧化物催化劑、復氧化物催化劑(鈣鈦型復氧化物和尖晶石型復氧化物)的研究方面。目前，尋找來源豐富、價格低廉、性能相當?shù)姆琴F金屬催化劑，以替代傳統(tǒng)的貴金屬催化劑用于催化燃燒過程已成為了研究的一個重要方向。

催化燃燒對催化劑的基本要求是:既能抑制燒結、保持活性物質具有較大的比表面積及良好的熱穩(wěn)定性，又要具有一定的活性，可起到催化劑活性組分或助催化劑的作用。這在某種程度上是互相矛盾的，因為研究已經證明氧化物的活性和熱穩(wěn)定性成反比。同時，需有高的機械強度以及對燃料中所含毒素有高的耐腐蝕性。

催化燃燒氣體傳感器是一種用于檢測因催化劑接觸燃燒作用而產生的燃燒熱的一種氣體傳感器。當可燃氣體一旦與預先加熱了的傳感器相接觸，在傳感器表面就發(fā)生了催化燃燒現(xiàn)象，使傳感器溫度上升，這種溫度變化可通過白金線圈的電阻變化進行檢測。該設備可用于監(jiān)測工業(yè)燃燒爐的燃燒及控制情況，檢測汽車尾氣中未完全燃燒物的含量，用于環(huán)境監(jiān)測及可燃氣體泄漏報警，礦井、車船、倉庫等可燃氣體危險品的檢測以及用于催化動力學的研究等方面。

在水泥工業(yè)中，水泥熟料的煅燒是通過煤的燃燒來實現(xiàn)的，煤的燃燒狀況直接影響到水泥熟料的燃燒效果。煤在催化劑作用下，加速氧化物放氧，使煤炭迅速燃燒，提高燃燒的強度。給水泥煅燒提供了足夠熱能，同時也提高了水泥煅燒熱動力，加速熱傳遞，促進質點、固相、氣相、液相反應，提高了物質擴散速度和相間反應速度。目前已有研究表明，"CHCT"催化劑在水泥熟料煅燒過程中通過對煤炭的催化燃燒可有效促進固相反應、液相反應以及熟料急冷。另有實驗表明，MnO2的催化效果也較好,其最佳添加量為8%~ 16%，且對水泥熟料的性能不會產生影響。

將催化燃燒技術應用于家用熱水器已基本研制成功。其催化劑是以Fe2O3、Co3O4、MnO2為活性組分，Al2O3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。實驗測試表明，在熱交換器沒有充分吸熱的情況下，其熱效率已達83.5%，超過了國家標準(η≥80%);另外，NOx的排放量的體積分數(shù)僅為24×10- 6，低于國家標準(< 80× 10- 6),CO含量為0.02%，達到國家標準(0.02%)。

山東萊州市東升燃具廠已成功研制出屬于我國的燃氣催化燃燒灶。該燃燒灶改變了普通灶具的結構，使空氣與燃氣充分、均勻混合，加快了燃燒速度。其優(yōu)勢體現(xiàn)為:一是高效節(jié)能，節(jié)能45%~ 55%以上，即一罐液化氣可頂原來的兩罐來燒;二是節(jié)時，使用時灶面溫度高達999~ 1200℃ ，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，并解除了廚房的膠狀物;四是CO排放量低，僅為0.006%，低于國際標準90%。

美國在20世紀末最后10年里，天然氣電廠以每年6000MW裝機容量的速率逐年遞增。隨著"西氣東輸"世紀工程的啟動，我國天然氣發(fā)電領域也逐漸與世界接軌，因此對該領域中存在的應用技術問題的探索已是刻不容緩。天然氣燃燒中的環(huán)境問題是由于天然氣的熱值較高，使得燃燒室溫度高達1800℃ ，助燃空氣中的N2發(fā)生高溫氧化，造成NOx污染。它以催化燃燒代替?zhèn)鹘y(tǒng)的火焰燃燒方式,燃燒室溫度被降至1500℃以下,能夠有效地抑制熱效應NOx生成反應的發(fā)生。工業(yè)領域對催化燃燒技術的興趣還在于,催化劑能夠穩(wěn)定貧燃火焰,進行高空燃比燃燒,增大了燃料的利用率;另外，催化劑促進的無焰燃燒,產生的熱流溫度適中，無須冷卻空氣進行稀釋,可直接驅動燃氣輪機,從而提高熱效。因此，催化燃燒應用于燃氣輪機發(fā)電不僅能夠降低對環(huán)境的破壞，還大大提高了燃氣輪機的效率。

汽車尾氣催化凈化劑其應用原理是在汽車排氣管尾部安裝催化轉化器，CO、HC和NOx借助燃燒催化劑的作用,發(fā)生氧化還原反應而轉化為無毒的CO2、H2O和N2。所用催化劑為通常所說的三效催化劑,既有把NOx還原的功能,同時又有把CO和烴類氧化的功能。在大量過剩氧氣的存在下，具備原位NOx還原能力催化劑的發(fā)展，是對于下一代燃油經濟型發(fā)動機的最大挑戰(zhàn)。如果這一點能夠順利實現(xiàn),商業(yè)化的發(fā)動機可以節(jié)約燃油25%以上。汽車制造商開發(fā)的部分雜合貧燃發(fā)動機,是將在貧油狀態(tài)下產生的NOx儲存在內置于TWC中的一種堿土金屬氧化物(如BaO)中,周期地快速強化空氣-燃油比，將儲存的NOx在TWC上還原。其基本要求為必須使用含硫量低的燃油,以防止SOx吸附于催化劑上而導致催化劑的活性中心中毒。隨著新材料的應用,以及低硫含量(<50μg/g)汽油的推廣生產，這種技術在21世紀具有強大的市場前景。

石油化工、油漆、電鍍、印刷、涂料、輪胎制造等工業(yè)的生產過程中都涉及到有機揮發(fā)化合物的使用和排放。有害的有機揮發(fā)物通常是烴類化合物、含氧有機化合物、含氯、硫、磷及鹵素有機化合物，這些揮發(fā)性有機物如不經處理直接排入大氣會造成嚴重的環(huán)境污染。傳統(tǒng)的有機廢氣凈化處理方法(如吸附法、冷凝法、直接燃燒法等)均存在缺陷,如易造成二次污染等。為了克服傳統(tǒng)有機廢氣處理方法的缺陷,人們采用催化燃燒方法來對有機廢氣進行凈化處理。

催化燃燒方法是一種實用簡便的有機廢氣凈化處理技術，該技術是將有機物分子在催化劑表面作用發(fā)生深度氧化轉化為無害的二氧化碳和水的方法,又稱為催化完全氧化或催化深度氧化方法。一種發(fā)明為工業(yè)苯廢氣的催化燃燒技術，應用的是低成本的非貴金屬催化劑，催化劑基本由CuO、MnO2、銅錳尖晶石、ZrO2、CeO2、鋯、鈰固溶體構成，可大大降低催化燃燒的反應溫度，提高催化活性，還可以大幅度延長催化劑壽命。一種發(fā)明為催化燃燒催化劑，用于有機廢氣凈化處理的催化燃燒催化劑，由塊狀的蜂窩陶瓷載體骨架與涂覆其上的涂層以及貴金屬活性組分組成。該催化劑的涂層由Al2O3、SiO2和一種或幾種堿土金屬氧化物共同形成的復合氧化物組成，因而具有良好的耐高溫性能，貴金屬活性組分以浸漬法擔載，其有效利用率高。

石油化工中的結焦不僅會使爐管傳熱系數(shù)降低、造成局部過熱現(xiàn)象、縮短爐管壽命，而且會降低裝置處理量，嚴重制約裝置的正常運轉，因此需要定期燒焦。計算機控制下蒸汽-空氣在線燒焦是目前國內采用的較為先進的技術，但其存在的較大問題是燒焦時間過長。如果在石油化工裝置燒焦過程中，加入一種燒焦助燃劑，就可以通過降低燒焦反應的活化能，大幅度提高燒焦反應速度，就能夠在較低的溫度下，達到縮短燒焦時間的目的。這一技術的研究有了一些突破性的進展。

克羅地亞的INOSd.O.O(Zagreb,Croatia)開發(fā)了一種適用于烴油加熱爐爐管的催化燒焦方法?？捎脕砣〈鷤鹘y(tǒng)的使用蒸汽+空氣的爐管燒焦方法。新方法是在蒸汽中混入催化劑，使燒焦反應熱大大減少,故其燒焦速度比傳統(tǒng)熱燒焦方法快3倍。由于燒焦時間大大縮短，也即減少了停工時間，因而提高了爐子開工率。所用催化劑是一種不含重金屬的無毒化合物，以水溶液形式被注入通入爐管的蒸汽流中，爐溫可由燃燒器控制穩(wěn)定。因燒焦速度快，又不存在超溫過熱的危險，所以使爐管的燒焦操作很容易控制。

重質燃料由于含瀝青質、膠質、大分子磷質較多,因而流動性差、粘稠,造成使用時油壓高，燃燒不充分。燃燒效率低，污染環(huán)境，同時油中還含有一定量的硫、釩化合物，對窯爐、機件的腐蝕也較嚴重。為了節(jié)約能源,更好更廣泛地使用重質燃油,由浙江省湖州埭溪化工廠、湖州市節(jié)能中心及紹興瓷廠等單位協(xié)作研制成功了W型重質燃油助燃劑,取得了良好效果[12]。助燃劑是一種高度濃縮 的燃燒促進劑,在燃燒過程中起催化作用。在燃燒區(qū)與碳元素作用,以防止游離碳的生成。同時它重質燃油有強擴散滲透作用,減少油泥的積沉,增加流動性,使燃油霧化狀態(tài)良好，燃燒效率提高,節(jié)約能源。在防腐方面由于它有呈微堿性，可以抑制硫酸形成，并能防止釩對窯體等的腐蝕，減少環(huán)境污染。

鋼鐵工業(yè)是能源消耗大戶，而燒結工序能耗約占鋼鐵生產總能耗的10%。我國1990年重點鋼鐵企業(yè)燒結能耗比國外燒結能耗(標煤55kg/t)高11~ 27kg/t。若按全國燒結產量1億t及生產能耗下降2%，其節(jié)煤(焦)總量相當于一個大中型煤礦一年的產量。酒鋼(集團)鋼鐵研究院、安徽工業(yè)大學與酒鋼(集團)河西堡鐵廠根據河西堡鐵廠燒結用煤和燒結工藝技術特點，提出在河西堡鐵廠燒結原料和技術條件下進行添加催化助燃劑強化燒結的工業(yè)性試驗。此次工業(yè)性試驗結果表明，往焦粉中添加焦量0.137%左右的催化助燃劑每噸燒結礦可節(jié)約焦5.35kg，即節(jié)焦約8.06%。燒結機利用系數(shù)增加3.63%，成品率提高3.44個百分點，燒結礦的質量略有改善。催化燃燒技術用于燒結生產，不僅節(jié)能效益顯著，而且產出強度好、FeO含量低的燒結礦，有利于高爐生產，其技術和添加設備并不復雜，投資少，具有很好的應用價值。

燃煤鍋爐對大氣的污染已得到公認，某些地區(qū)也已對燃煤鍋爐進行了改造，但目前的改造只是將燃煤鍋爐改為燃氣鍋爐，并沒有改變燃氣鍋爐的傳統(tǒng)火焰燃燒方式。催化燃燒實現(xiàn)了貧燃料的燃燒過程，打破了傳統(tǒng)火焰燃燒的可燃界限,能進一步提高燃氣爐的燃燒效率和熱效率，符合我國"十一五"規(guī)劃低排放、高效率增長方式的要求,是一種很有發(fā)展前景的燃燒技術。

經濟、社會的發(fā)展以及工業(yè)化的需求使得催化技術，特別是催化燃燒技術日益成為一種不可或缺的工業(yè)技術手段，并隨著人們生活水平的提高與需求的增長，催化產業(yè)也將不斷地走入千家萬戶，走進人們的生活。對催化燃燒的研究，最初是從發(fā)現(xiàn)鉑對甲烷燃燒的催化作用而開始的。催化燃燒對于改善燃燒過程，降低反應溫度，促進完全燃燒，抑制有毒有害物質的形成等方面有著極為重要的作用，并已廣泛地應用在了工業(yè)生產與日常生活的諸多方面。