催化燃燒技術(shù)催化燃燒實(shí)質(zhì)及催化劑要求

催化燃燒是典型的氣-固相催化反應(yīng)，它借助催化劑降低了反應(yīng)的活化能，使其在較低的起燃溫度200~ 300℃下進(jìn)行無焰燃燒，有機(jī)物質(zhì)氧化發(fā)生在固體催化劑表面，同時(shí)產(chǎn)生CO2和H2O，并放出大量的熱量，因其氧化反應(yīng)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(shì):

(1)起燃溫度低，能耗少，燃燒易達(dá)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(yīng)。

(2)凈化效率高，污染物(如NOx及不完全燃燒產(chǎn)物等)的排放水平較低。

(3)適應(yīng)氧濃度范圍大，噪音小，無二次污染，且燃燒緩和，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低，操作管理也很方便。

目前國內(nèi)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(shù)較為成熟，但由于貴金屬價(jià)格高，資源短缺，所以，未能將其產(chǎn)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(fù)氧化物催化劑(鈣鈦型復(fù)氧化物和尖晶石型復(fù)氧化物)的研究方面。目前，尋找來源豐富、價(jià)格低廉、性能相當(dāng)?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(gè)重要方向。

催化燃燒對(duì)催化劑的基本要求是:既能抑制燒結(jié)、保持活性物質(zhì)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?yàn)檠芯恳呀?jīng)證明氧化物的活性和熱穩(wěn)定性成反比。同時(shí)，需有高的機(jī)械強(qiáng)度以及對(duì)燃料中所含毒素有高的耐腐蝕性。

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

催化燃燒氣體傳感器是一種用于檢測(cè)因催化劑接觸燃燒作用而產(chǎn)生的燃燒熱的一種氣體傳感器。當(dāng)可燃?xì)怏w一旦與預(yù)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(jìn)行檢測(cè)。該設(shè)備可用于監(jiān)測(cè)工業(yè)燃燒爐的燃燒及控制情況，檢測(cè)汽車尾氣中未完全燃燒物的含量，用于環(huán)境監(jiān)測(cè)及可燃?xì)怏w泄漏報(bào)警，礦井、車船、倉庫等可燃?xì)怏w危險(xiǎn)品的檢測(cè)以及用于催化動(dòng)力學(xué)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(shí)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(qiáng)度。給水泥煅燒提供了足夠熱能，同時(shí)也提高了水泥煅燒熱動(dòng)力，加速熱傳遞，促進(jìn)質(zhì)點(diǎn)、固相、氣相、液相反應(yīng)，提高了物質(zhì)擴(kuò)散速度和相間反應(yīng)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(duì)煤炭的催化燃燒可有效促進(jìn)固相反應(yīng)、液相反應(yīng)以及熟料急冷。另有實(shí)驗(yàn)表明，MnO2的催化效果也較好,其最佳添加量為8%~ 16%，且對(duì)水泥熟料的性能不會(huì)產(chǎn)生影響。

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(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)83.5%，超過了國家標(biāo)準(zhǔn)(η≥80%);另外，NOx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),CO含量為0.02%，達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)(0.02%)。

美國在20世紀(jì)末最后10年里，天然氣電廠以每年6000MW裝機(jī)容量的速率逐年遞增。隨著"西氣東輸"世紀(jì)工程的啟動(dòng)，我國天然氣發(fā)電領(lǐng)域也逐漸與世界接軌，因此對(duì)該領(lǐng)域中存在的應(yīng)用技術(shù)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(dá)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(yīng)NOx生成反應(yīng)的發(fā)生。工業(yè)領(lǐng)域?qū)Υ呋紵夹g(shù)的興趣還在于,催化劑能夠穩(wěn)定貧燃火焰,進(jìn)行高空燃比燃燒,增大了燃料的利用率;另外，催化劑促進(jìn)的無焰燃燒,產(chǎn)生的熱流溫度適中，無須冷卻空氣進(jìn)行稀釋,可直接驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī),從而提高熱效。因此，催化燃燒應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電不僅能夠降低對(duì)環(huán)境的破壞，還大大提高了燃?xì)廨啓C(jī)的效率。

汽車尾氣催化凈化劑其應(yīng)用原理是在汽車排氣管尾部安裝催化轉(zhuǎn)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(yīng)而轉(zhuǎn)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(shí)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(duì)于下一代燃油經(jīng)濟(jì)型發(fā)動(dòng)機(jī)的最大挑戰(zhàn)。如果這一點(diǎn)能夠順利實(shí)現(xiàn),商業(yè)化的發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī),是將在貧油狀態(tài)下產(chǎn)生的NOx儲(chǔ)存在內(nèi)置于TWC中的一種堿土金屬氧化物(如BaO)中,周期地快速強(qiáng)化空氣-燃油比，將儲(chǔ)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(dǎo)致催化劑的活性中心中毒。隨著新材料的應(yīng)用,以及低硫含量(<50μg/g)汽油的推廣生產(chǎn)，這種技術(shù)在21世紀(jì)具有強(qiáng)大的市場(chǎng)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(chǎn)過程中都涉及到有機(jī)揮發(fā)化合物的使用和排放。有害的有機(jī)揮發(fā)物通常是烴類化合物、含氧有機(jī)化合物、含氯、硫、磷及鹵素有機(jī)化合物，這些揮發(fā)性有機(jī)物如不經(jīng)處理直接排入大氣會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。傳統(tǒng)的有機(jī)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(jī)廢氣處理方法的缺陷,人們采用催化燃燒方法來對(duì)有機(jī)廢氣進(jìn)行凈化處理。

催化燃燒方法是一種實(shí)用簡(jiǎn)便的有機(jī)廢氣凈化處理技術(shù)，該技術(shù)是將有機(jī)物分子在催化劑表面作用發(fā)生深度氧化轉(zhuǎn)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(shù)，應(yīng)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(gòu)成，可大大降低催化燃燒的反應(yīng)溫度，提高催化活性，還可以大幅度延長(zhǎng)催化劑壽命。一種發(fā)明為催化燃燒催化劑，用于有機(jī)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(fù)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(dān)載，其有效利用率高。

石油化工中的結(jié)焦不僅會(huì)使?fàn)t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(huì)降低裝置處理量，嚴(yán)重制約裝置的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，因此需要定期燒焦。計(jì)算機(jī)控制下蒸汽-空氣在線燒焦是目前國內(nèi)采用的較為先進(jìn)的技術(shù)，但其存在的較大問題是燒焦時(shí)間過長(zhǎng)。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(yīng)的活化能，大幅度提高燒焦反應(yīng)速度，就能夠在較低的溫度下，達(dá)到縮短燒焦時(shí)間的目的。這一技術(shù)的研究有了一些突破性的進(jìn)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(yīng)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(shí)間大大縮短，也即減少了停工時(shí)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(xiǎn)，所以使?fàn)t管的燒焦操作很容易控制。

重質(zhì)燃料由于含瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、大分子磷質(zhì)較多,因而流動(dòng)性差、粘稠,造成使用時(shí)油壓高，燃燒不充分。燃燒效率低，污染環(huán)境，同時(shí)油中還含有一定量的硫、釩化合物，對(duì)窯爐、機(jī)件的腐蝕也較嚴(yán)重。為了節(jié)約能源,更好更廣泛地使用重質(zhì)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(zhì)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(jìn)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(shí)它重質(zhì)燃油有強(qiáng)擴(kuò)散滲透作用,減少油泥的積沉,增加流動(dòng)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(duì)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(jié)工序能耗約占鋼鐵生產(chǎn)總能耗的10%。我國1990年重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)燒結(jié)能耗比國外燒結(jié)能耗(標(biāo)煤55kg/t)高11~ 27kg/t。若按全國燒結(jié)產(chǎn)量1億t及生產(chǎn)能耗下降2%，其節(jié)煤(焦)總量相當(dāng)于一個(gè)大中型煤礦一年的產(chǎn)量。酒鋼(集團(tuán))鋼鐵研究院、安徽工業(yè)大學(xué)與酒鋼(集團(tuán))河西堡鐵廠根據(jù)河西堡鐵廠燒結(jié)用煤和燒結(jié)工藝技術(shù)特點(diǎn)，提出在河西堡鐵廠燒結(jié)原料和技術(shù)條件下進(jìn)行添加催化助燃劑強(qiáng)化燒結(jié)的工業(yè)性試驗(yàn)。此次工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)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(jié)礦可節(jié)約焦5.35kg，即節(jié)焦約8.06%。燒結(jié)機(jī)利用系數(shù)增加3.63%，成品率提高3.44個(gè)百分點(diǎn)，燒結(jié)礦的質(zhì)量略有改善。催化燃燒技術(shù)用于燒結(jié)生產(chǎn)，不僅節(jié)能效益顯著，而且產(chǎn)出強(qiáng)度好、FeO含量低的燒結(jié)礦，有利于高爐生產(chǎn)，其技術(shù)和添加設(shè)備并不復(fù)雜，投資少，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

燃煤鍋爐對(duì)大氣的污染已得到公認(rèn)，某些地區(qū)也已對(duì)燃煤鍋爐進(jìn)行了改造，但目前的改造只是將燃煤鍋爐改為燃?xì)忮仩t，并沒有改變?nèi)細(xì)忮仩t的傳統(tǒng)火焰燃燒方式。催化燃燒實(shí)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(jìn)一步提高燃?xì)鉅t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(zhǎng)方式的要求,是一種很有發(fā)展前景的燃燒技術(shù)。