催化燃烧技术

催化燃烧技术

背景资料 催化剂的类型及性能要求催化燃烧特点及机理催化燃烧技术应用 4 3 1 3 3 2 Contents

背景几十万年以前 18世纪现在发现氧气正确揭示燃烧的化学本质各方面都涉及到如何以燃料作为能量来源和合理组织燃烧过程的问题. 人类已掌握了用火的技术

燃烧 • 燃料的燃烧从其最终的结果来看,是物质间的一种能量转换过程.它是通过燃料和氧化剂在一定条件下所进行的具有放热和发光特点的剧烈氧化反应。 • 燃烧化学反应需要具有一定的反应条件,例如反应物的浓度和温度,这与气体运动,分子扩散,热量传递等物理因素有关.

燃料不能得到充分燃烧，造成能源的巨大浪费 传统燃烧的温度高，使空气中的氧气与氮气发生相互作用生成大量的 NOX废弃物，严重污染环境。火焰燃烧所散发出来的热量不能得到充分利用 a c b 传统燃烧传统的燃烧方式是火焰燃烧,火焰燃烧在人类进化和人类文明的发展中起着极其重要的作用. 存在的问题

新型燃烧技术 O2/CO2 燃烧脉动燃烧化学链燃烧燃烧新技术催化燃烧 MILD 燃烧

催化燃烧 • 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,以及放出大量的热量。 • 反应温度低于火焰燃烧温度。 • 实质：空气中的氧气被催化剂中的活性组分所活化,当活性氧与反应物分子接触时发生了能量的传递,反应物分子随之被活化,从而加快了氧化反应的反应速率。

催化燃烧 降低NOX排放因其氧化反应温度低,故大大地抑制了空气中的N2形成高NOx。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的氧化过程,使其多数形成分子氮(N2)。

催化燃烧的优势 1 2 3 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

催化燃烧的机理 催化剂的作用反应活性机理混合效应 O2分子的活化及活性

催化剂的作用 • 催化剂的作用像“气—固”反应一样，一种有机物RH在催化剂作用下完全氧化，一般需经以下步骤： • （1）反应物分子由气相扩散到催化剂表面； • （2）通过细孔由外表面向内表面扩散； • （3）克服气固界面膜的阻力被催化剂表面的活性部位吸附（至少吸附一种反应物）； • （4）被活化的吸附物与另一种活化的吸附物、或物理吸附物、或直接来自气相之间的反应物进行化学反应； • （5）反应产物从催化剂表面上脱附； • （6）脱附物通过细孔向催化剂外表面扩散； • （7）由外表面向气相扩散。

电子云分布状态及空间构不同 分子中所含元素成分不同催化剂表面活性中心性质要求各不相同催化剂表面活结构要求各不相同反应活性因此需要研制具有不同活性成分、表面性质及集团结构的催化剂与之相适应，以提高催化反应的实际效果。不同种类的反应物具有不同的反应活性。

混合效应 单一组分的氧化活性与混合组分的氧化活性往往有所不同竞争吸附大致的规律是：性质与结构类似的分子相互影响小，极性分子与非极性分子共存时有明显影响，含有孤对电子原子的分子对其他共存分子的反应一般都有一定程度的抑制作用，尤其是在较低温度时更为明显。

O2分子的活化及活性 燃烧反应中，氧是重要因素。 • O2分子首先在催化剂表面上活化形成不同类型的活性氧物种，其中有一类氧物种具有极高的氧化活性，在完全氧化反应中起主要作用。 • 这种“氧物种”是亲电性的，主要进攻反应物分子中电荷密度较大部位（例如不饱和键）。 • 活性较弱的氧物种也并非专管选择性反应，随温度升高、活性增强，亦起完全氧化作用。

催化剂的类型 1 2 3 贵金属催化剂铂、钯等贵金属对烃类及其衍生物的氧化都具有很高的催化活性过渡金属氧化物催化剂对甲烷等烃类和一氧化碳等物质具有较强的活性作用复氧化物催化剂钙钛矿型复氧化物和尖晶石型复氧化物，对芳烃类废气的低温氧化性能特佳。

催化燃烧对催化剂的基本要求 （1）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。（2）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。

催化燃烧法基本的形式 预热式催化燃烧法在处理有机废气中自身平衡式吸附—催化燃烧式

预热式 • 主要是适用有机废气温度在100°C以下,浓度比较低,热量无法自给的情况下

主要适用于有机废气的温度过高(300°C左右),高于启燃温度时,且有机物含量较高时,热交换器回收部分净化气体所产生的热量,在正常的操作下就能够维持热平衡,无需补充热量。主要适用于有机废气的温度过高(300°C左右),高于启燃温度时,且有机物含量较高时,热交换器回收部分净化气体所产生的热量,在正常的操作下就能够维持热平衡,无需补充热量。

采用固定床的吸附净化和催化燃烧相结合的原理,集吸附浓缩、脱附再生和催化燃烧于一体。采用固定床的吸附净化和催化燃烧相结合的原理,集吸附浓缩、脱附再生和催化燃烧于一体。

催化燃烧技术的应用 气体传感器燃气轮机发电领域应用水泥生产中的应用汽车尾气净化领域家居生活领域处理有机废气领域

燃气轮机发电领域的应用 现存问题：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。解决方案：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。

方案优势： （1）能够有效地抑制热效应NO生成反应的发生。（2）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。（3）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。

汽车尾气净化领域 • 汽车排气管尾部安装催化转化器,在精确空燃比(A/F=14.7±0.1)的条件下,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。 • 目前所用TWC的活性组分基本上是Pt、Rh混合物,或是将Pt沉积在高比表面积的Al2O3上。

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。 • 传统的有机废气净化处理方法：吸附法、冷凝法、直接燃烧法等 • 问题：易造成二次污染 • 催化燃烧法：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。

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。 • 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

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。

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9 0%。（1）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。家居生活领域

家居生活领域 • （2）家用天然气催化燃烧热水器 • 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%)。

重质燃油 燃烧中钢铁厂中降低烧结煤耗上的应用在锅炉中的应用在加热炉炉管烧焦上的应用其他应用

结束语 • 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 • 它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。

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