[科普中国]-催化燃烧技术

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。2

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。2

催化燃烧实质及催化剂要求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。1

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。2

催化燃烧技术应用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。2

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。2

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(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%。2

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。1

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(