催化燃烧

催化燃烧可以使燃料在较低的温度下实现完全燃烧，对改善燃烧过程、降低反应温度、促进完全燃烧、抑制有毒有害物质的形成等方面具有

催化燃烧可以使燃料在较低的温度下实现完全燃烧，对改善燃烧过程、降低反应温度、促进完全燃烧、抑制有毒有害物质的形成等方面具有极为重要的作用，是一个环境友好的过程，其应用领域不断扩展，已广泛地应用在工业生产与日常生活的诸多方面。

背景

经济、社会的发展以及工业化的需求使得催化技术，特别是催化燃烧技术日益成为一种不可或缺的工业技术手段，并随着人们生活水平的提高与需求的增长，催化产业也将不断地走入千家万户，走进人们的生活。对催化燃烧的研究，最初是从发现铂对甲烷燃烧的催化作用而开始的。催化燃烧对于改善燃烧过程，降低反应温度，促进完全燃烧，抑制有毒有害物质的形成等方面有着极为重要的作用，并已广泛地应用在了工业生产与日常生活的诸多方面。

催化燃烧技术的产生及发展概况

我国古代以发酵的方法酿酒和制醋，成为人类利用生物催化剂或催化剂的开始。直到18世纪，才出现了有关非生物催化的应用与研究。1740年，英国医生Ward,J.用硫磺和硝石(硝酸钾)一起燃烧制硫酸;1746年，Roebuck,J.用铅室代替玻璃容器，对Ward的方法进行了改进，这是工业上采用CO催化剂的开始;1806年，法国的Clement,N.和Des-ormes,C.B.阐明了在氧化氮作用下，SO2转化成SO3的机理;1816年，英国著名化学家Davy,H.发现铂能促进甲烷和醇蒸汽在空气中的氧化。
1836年，贝采尼乌斯(J.J.Berzelius)首次提出了"催化"和"催化剂"的概念，于是人们对催化现象的观察和系统研究也于19世纪开始了。1895年奥斯特瓦尔德(W.Ostwald)从理论上推断出了"在可逆反应中，催化剂仅能加速化学反应，而不能改变化学平衡"而获得了1909年度的诺贝尔化学奖。20世纪初，催化合成氨技术的工业化，使催化原理的研究出现了一个高峰，也可以说是催化化学中的里程碑。
1913年哈伯(F.Haber)等人利用天然磁铁矿，发明了双促进熔铁氨合成催化剂，利用原料气循环使用的流程，实现了合成氨的大规模工业生产。在此后的半个多世纪，多相催化工业技术经历了40年代末至50年代初的石油炼制技术的大发展(如催化裂化、加氢裂解、催化重整和异构化等);70年代至80年代，是石油化工的大发展阶段(如新型择形ZSM-5分子筛催化剂用于异构化、歧化和芳烃烷基化过程等);特别是进入90年代以后，出现了环境催化技术的大发展，例如催化消除氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)、可挥发性有机组分(VOCs)的催化氧化。
汽油车排气催化净化性能的提高和柴油车排气及黑烟微粒的催化消除，氯氟烃类(CFCs)的催化分解和催化合成代用品，CO2的催化合成利用、催化传感器、燃料电池以及臭氧在低层大气中的催化消除等。因而，我们可以看到，催化技术在解决当前国际上普遍关心的地球环境问题将发挥着重要的作用，并且催化研究也将从最初的"以获取有用物质为目的的石油化工催化"的时期，而逐渐地转向了"以消除有害物质为目的的新的能源环保催化"时期。

催化燃烧实质及催化剂要求

折叠催化燃烧的实质及其优势
催化燃烧是典型的气-固相催化反应，它借助催化剂降低了反应的活化能，使其在较低的起燃温度200~ 300℃下进行无焰燃烧，有机物质氧化发生在固体催化剂表面，同时产生CO2和H2O，并放出大量的热量，因其氧化反应温度低，所以大大地抑制了空气中的N2形成高温NOx。而且由于催化剂有选择性催化作用，有可能限制燃料中含氮化合物(RNH)的氧化过程，使其多数形成分子氮(N2)。
与传统的火焰燃烧相比,催化燃烧有着很大的优势:
(1)起燃温度低，能耗少，燃烧易达稳定，甚至到起燃温度后无需外界传热就能完成氧化反应。
(2)净化效率高，污染物(如NOx及不完全燃烧产物等)的排放水平较低。
(3)适应氧浓度范围大，噪音小，无二次污染，且燃烧缓和，运转费用低，操作管理也很方便。
折叠催化剂的类型及性能要求
目前国内外主要研究的催化剂基本上有两大类:一类为贵金属催化剂，这类催化剂的活性和稳定性好，技术较为成熟，但由于贵金属价格高，资源短缺，所以，未能将其产业化;另一类为非金属催化剂，主要集中在过渡金属氧化物催化剂、复氧化物催化剂(钙钛型复氧化物和尖晶石型复氧化物)的研究方面。目前，寻找来源丰富、价格低廉、性能相当的非贵金属催化剂，以替代传统的贵金属催化剂用于催化燃烧过程已成为了研究的一个重要方向。
催化燃烧对催化剂的基本要求是:既能抑制烧结、保持活性物质具有较大的比表面积及良好的热稳定性，又要具有一定的活性，可起到催化剂活性组分或助催化剂的作用。这在某种程度上是互相矛盾的，因为研究已经证明氧化物的活性和热稳定性成反比。同时，需有高的机械强度以及对燃料中所含毒素有高的耐腐蚀性。

催化燃烧技术应用

折叠制作催化燃烧式气体传感器
催化燃烧气体传感器是一种用于检测因催化剂接触燃烧作用而产生的燃烧热的一种气体传感器。当可燃气体一旦与预先加热了的传感器相接触，在传感器表面就发生了催化燃烧现象，使传感器温度上升，这种温度变化可通过白金线圈的电阻变化进行检测。该设备可用于监测工业燃烧炉的燃烧及控制情况，检测汽车尾气中未完全燃烧物的含量，用于环境监测及可燃气体泄漏报警，矿井、车船、仓库等可燃气体危险品的检测以及用于催化动力学的研究等方面。
折叠水泥生产中的应用
在水泥工业中，水泥熟料的煅烧是通过煤的燃烧来实现的，煤的燃烧状况直接影响到水泥熟料的燃烧效果。煤在催化剂作用下，加速氧化物放氧，使煤炭迅速燃烧，提高燃烧的强度。给水泥煅烧提供了足够热能，同时也提高了水泥煅烧热动力，加速热传递，促进质点、固相、气相、液相反应，提高了物质扩散速度和相间反应速度。目前已有研究表明，"CHCT"催化剂在水泥熟料煅烧过程中通过对煤炭的催化燃烧可有效促进固相反应、液相反应以及熟料急冷。另有实验表明，MnO2的催化效果也较好,其最佳添加量为8%~ 16%，且对水泥熟料的性能不会产生影响。
折叠家用天然气催化燃烧热水器
将催化燃烧技术应用于家用热水器已基本研制成功。其催化剂是以Fe2O3、Co3O4、MnO2为活性组分，Al2O3为载体，催化剂被制成浆液，涂覆在适用于家用热水器燃烧室大小的整体式堇青石蜂窝陶瓷上。实验测试表明，在热交换器没有充分吸热的情况下，其热效率已达83.5%，超过了国家标准(η≥80%);另外，NOx的排放量的体积分数仅为24×10- 6，低于国家标准(< 80× 10- 6),CO含量为0.02%，达到国家标准(0.02%)。
折叠燃气催化燃烧灶
山东莱州市东升燃具厂已成功研制出属于我国的燃气催化燃烧灶。该燃烧灶改变了普通灶具的结构，使空气与燃气充分、均匀混合，加快了燃烧速度。其优势体现为:一是高效节能，节能45%~ 55%以上，即一罐液化气可顶原来的两罐来烧;二是节时，使用时灶面温度高达999~ 1200℃ ，比普通炉具节时45%~ 55%以上;三是卫生，因其燃烧充分，炉灶底不会出现黑色，并解除了厨房的胶状物;四是CO排放量低，仅为0.006%，低于国际标准90%。
折叠催化燃烧应用在燃气轮机发电领域
美国在20世纪末最后10年里，天然气电厂以每年6000MW装机容量的速率逐年递增。随着"西气东输"世纪工程的启动，我国天然气发电领域也逐渐与世界接轨，因此对该领域中存在的应用技术问题的探索已是刻不容缓。天然气燃烧中的环境问题是由于天然气的热值较高，使得燃烧室温度高达1800℃ ，助燃空气中的N2发生高温氧化，造成NOx污染。它以催化燃烧代替传统的火焰燃烧方式,燃烧室温度被降至1500℃以下,能够有效地抑制热效应NOx生成反应的发生。工业领域对催化燃烧技术的兴趣还在于,催化剂能够稳定贫燃火焰,进行高空燃比燃烧,增大了燃料的利用率;另外，催化剂促进的无焰燃烧,产生的热流温度适中，无须冷却空气进行稀释,可直接驱动燃气轮机,从而提高热效。因此，催化燃烧应用于燃气轮机发电不仅能够降低对环境的破坏，还大大提高了燃气轮机的效率。
折叠催化燃烧应用在汽车尾气净化领域
汽车尾气催化净化剂其应用原理是在汽车排气管尾部安装催化转化器，CO、HC和NOx借助燃烧催化剂的作用,发生氧化还原反应而转化为无毒的CO2、H2O和N2。所用催化剂为通常所说的三效催化剂,既有把NOx还原的功能,同时又有把CO和烃类氧化的功能。在大量过剩氧气的存在下，具备原位NOx还原能力催化剂的发展，是对于下一代燃油经济型发动机的最大挑战。如果这一点能够顺利实现,商业化的发动机可以节约燃油25%以上。汽车制造商开发的部分杂合贫燃发动机,是将在贫油状态下产生的NOx储存在内置于TWC中的一种碱土金属氧化物(如BaO)中,周期地快速强化空气-燃油比，将储存的NOx在TWC上还原。其基本要求为必须使用含硫量低的燃油,以防止SOx吸附于催化剂上而导致催化剂的活性中心中毒。随着新材料的应用,以及低硫含量(<50μg/g)汽油的推广生产，这种技术在21世纪具有强大的市场前景。
折叠催化燃烧应用在处理有机废气领域
石油化工、油漆、电镀、印刷、涂料、轮胎制造等工业的生产过程中都涉及到有机挥发化合物的使用和排放。有害的有机挥发物通常是烃类化合物、含氧有机化合物、含氯、硫、磷及卤素有机化合物，这些挥发性有机物如不经处理直接排入大气会造成严重的环境污染。传统的有机废气净化处理方法(如吸附法、冷凝法、直接燃烧法等)均存在缺陷,如易造成二次污染等。为了克服传统有机废气处理方法的缺陷,人们采用催化燃烧方法来对有机废气进行净化处理。
催化燃烧方法是一种实用简便的有机废气净化处理技术，该技术是将有机物分子在催化剂表面作用发生深度氧化转化为无害的二氧化碳和水的方法,又称为催化完全氧化或催化深度氧化方法。一种发明为工业苯废气的催化燃烧技术，应用的是低成本的非贵金属催化剂，催化剂基本由CuO、MnO2、铜锰尖晶石、ZrO2、CeO2、锆、铈固溶体构成，可大大降低催化燃烧的反应温度，提高催化活性，还可以大幅度延长催化剂寿命。一种发明为催化燃烧催化剂，用于有机废气净化处理的催化燃烧催化剂，由块状的蜂窝陶瓷载体骨架与涂覆其上的涂层以及贵金属活性组分组成。该催化剂的涂层由Al2O3、SiO2和一种或几种碱土金属氧化物共同形成的复合氧化物组成，因而具有良好的耐高温性能，贵金属活性组分以浸渍法担载，其有效利用率高。
折叠催化燃烧在加热炉炉管烧焦上的应用
石油化工中的结焦不仅会使炉管传热系数降低、造成局部过热现象、缩短炉管寿命，而且会降低装置处理量，严重制约装置的正常运转，因此需要定期烧焦。计算机控制下蒸汽-空气在线烧焦是目前国内采用的较为先进的技术，但其存在的较大问题是烧焦时间过长。如果在石油化工装置烧焦过程中，加入一种烧焦助燃剂，就可以通过降低烧焦反应的活化能，大幅度提高烧焦反应速度，就能够在较低的温度下，达到缩短烧焦时间的目的。这一技术的研究有了一些突破性的进展。
克罗地亚的INOSd.O.O(Zagreb,Croatia)开发了一种适用于烃油加热炉炉管的催化烧焦方法。可用来取代传统的使用蒸汽+空气的炉管烧焦方法。新方法是在蒸汽中混入催化剂，使烧焦反应热大大减少,故其烧焦速度比传统热烧焦方法快3倍。由于烧焦时间大大缩短，也即减少了停工时间，因而提高了炉子开工率。所用催化剂是一种不含重金属的无毒化合物，以水溶液形式被注入通入炉管的蒸汽流中，炉温可由燃烧器控制稳定。因烧焦速度快，又不存在超温过热的危险，所以使炉管的烧焦操作很容易控制。
折叠催化燃烧在重质燃油燃烧中的应用
重质燃料由于含沥青质、胶质、大分子磷质较多,因而流动性差、粘稠,造成使用时油压高，燃烧不充分。燃烧效率低，污染环境，同时油中还含有一定量的硫、钒化合物，对窑炉、机件的腐蚀也较严重。为了节约能源,更好更广泛地使用重质燃油,由浙江省湖州埭溪化工厂、湖州市节能中心及绍兴瓷厂等单位协作研制成功了W型重质燃油助燃剂,取得了良好效果[12]。助燃剂是一种高度浓缩 的燃烧促进剂,在燃烧过程中起催化作用。在燃烧区与碳元素作用,以防止游离碳的生成。同时它重质燃油有强扩散渗透作用,减少油泥的积沉,增加流动性,使燃油雾化状态良好，燃烧效率提高,节约能源。在防腐方面由于它有呈微碱性，可以抑制硫酸形成，并能防止钒对窑体等的腐蚀，减少环境污染。
折叠催化燃烧在钢铁厂中降低烧结煤耗上的应用
钢铁工业是能源消耗大户，而烧结工序能耗约占钢铁生产总能耗的10%。我国1990年重点钢铁企业烧结能耗比国外烧结能耗(标煤55kg/t)高11~ 27kg/t。若按全国烧结产量1亿t及生产能耗下降2%，其节煤(焦)总量相当于一个大中型煤矿一年的产量。酒钢(集团)钢铁研究院、安徽工业大学与酒钢(集团)河西堡铁厂根据河西堡铁厂烧结用煤和烧结工艺技术特点，提出在河西堡铁厂烧结原料和技术条件下进行添加催化助燃剂强化烧结的工业性试验。此次工业性试验结果表明，往焦粉中添加焦量0.137%左右的催化助燃剂每吨烧结矿可节约焦5.35kg，即节焦约8.06%。烧结机利用系数增加3.63%，成品率提高3.44个百分点，烧结矿的质量略有改善。催化燃烧技术用于烧结生产，不仅节能效益显著，而且产出强度好、FeO含量低的烧结矿，有利于高炉生产，其技术和添加设备并不复杂，投资少，具有很好的应用价值。
折叠催化燃烧在锅炉中的应用
燃煤锅炉对大气的污染已得到公认，某些地区也已对燃煤锅炉进行了改造，但目前的改造只是将燃煤锅炉改为燃气锅炉，并没有改变燃气锅炉的传统火焰燃烧方式。催化燃烧实现了贫燃料的燃烧过程，打破了传统火焰燃烧的可燃界限,能进一步提高燃气炉的燃烧效率和热效率，符合我国"十一五"规划低排放、高效率增长方式的要求,是一种很有发展前景的燃烧技术。

折叠

展望

催化燃烧不但可以使燃料得到充分利用，而且无论是从能源利用角度还是从环境保护角度考虑，其技术进步都会对社会发展产生重大影响。对催化燃烧技术的研究不应只停留在理论及实验室水平上，更具有现实意义的是应该让催化剂成为一种产业走进我们的生活。
目前，催化燃烧技术的研究与应用已经进入一个快速发展的阶段，它的作用也越来越被人们所重视。例如,汽车及其他机动车中由于引入了催化燃烧技术，节省了燃料，降低了废弃物的排放，使环境污染的程度大大降低。应用在锅炉燃煤中,实现了贫燃料的燃烧过程，打破了传统火焰燃烧的可燃界限，能进一步提高燃气炉的燃烧效率和热效率。另外，催化燃烧技术也已成功应用于其他领域，例如家用燃气的催化燃烧，水泥熟料的煅烧,但进一步的深入研究仍是非常必要的，例如石油化工企业中加热炉炉管烧焦技术上的应用研究等等。可见，催化燃烧领域的应用之广，意义之大，在未来的社会发展中，它具有举足轻重的地位，对节能降耗，合理利用资源和保护环境上都具有重要的推动作用。因此，大力推进催化燃烧技术的研究工作，积极推广催化燃烧技术的应用，对社会的发展和环境的保护具有深刻积极地意义。