[科普中国]-氢燃烧

简介

在法国小说《神秋·岛》中有句话：“我相信，总有一天氢气和氧气会造成产生光和热的无尽源泉”。氧气助燃，氢气可以燃烧。地球上的物质66%是由氢组成的。最方便的是用水制氢，氢气燃烧作功或发电作功之后又还原成水，如此循环不止，取之不尽，用之不竭。因此，氢气也是人们可方便利用的一种新能源1。

燃烧分为预混合燃烧和扩散燃烧两种方式，扩散燃烧是燃烧和空气边混合边燃烧，反应过程取决于混合速度和燃烧速度；预混合燃烧是燃料和空气混合好以后才进入燃烧反应区，反应过程则只取决于燃烧速度。对于氢而言，其燃烧生成的污染物仅有热力型NOx，影响其生成的主要因素是燃烧区温度和氧浓度及燃烧停留时间。采用扩散燃烧将不可避免的出现局部高温区和局部氧过浓区，这对抑制热力型NOx的生成是极为不利的，而预混合燃烧则不同，在氢气和空气进入燃烧区之前已经混合好，故在燃烧区不会因化学当量比燃烧出现局部高温区，也不会产生局部的氧气过浓区，燃烧区内反应物浓度和温度的空间分布相对较均一，便于有效组织控制热力型NOx的生成2。

氢燃烧特点氢的发热值虽然比核燃料低，但却是所有的化石燃料，化工燃料和生物燃料中最高的，约1.4x105kJ/kg，是汽油发热值的3倍：氢的燃烧性好，点燃快，与空气混合时具有广泛的可燃范围，并且燃点高，燃烧速度快；燃烧后的产物是水，基本没有污染环境的问题，而且生成物是水，可以循环利用。氢属于洁净的燃料，其燃烧性能很特殊，故需研制相应的燃烧装置。此外如采用催化剂，还可以在无火焰状态下发出一般要求的任意温度。还可以考虑与其它燃料混合的方案。

氢燃烧也可以获取能量，但是存在着诸多缺陷，如能量品位低及由于较高的燃烧温度所产生的氮氧化物NOx污染等，传统的内燃机燃用氢气就具有很高的NOx排放．目前有一些可应用的方法来降低NOx的排放，如催化燃烧及低NOx燃烧器。还有一种方法是化学链无焰燃烧，很有发展前景。它包括两个反应：金属氧化物与氢气的还原反应和金属与加压空气的氧化反应。因为属于无焰燃烧，所以反应过程中不会有氮氧化物NOx生成。以往热动力装置所使用的能源一般为汽油、重油等化石碳化氢燃料，均属于有限资源，最近人们开始重视了以氢作内燃机燃料。系统图如图1.1所示。氢燃烧是氢能利用的一种有效方式，但是从环保角度而言，还有很多问题有待解决。化学链无焰燃烧显示出一定前景，但是系统装置设计仍有待完善。

氢气燃烧具有着火范围宽，火焰传播速度快和点火能量低等特性，故其燃烧效率比其他燃料要高。燃烧氢气的器具是氢燃烧的关键设备。氢气还是一种理想的洁净燃料，其优点在于燃烧后没有及烟尘等污染物生成。它可以代替生成上述污染物的化石燃料，在工业和人民生活中可以获得广泛应用。但是利用氢燃烧存在两个问题：如果采用通常的扩散火焰燃烧，则高温下与反应，燃烧产物中含有大量对人体有害的污染物；如果采用预混合火焰燃烧，产物中的生成量可以很大程度的降低，但是容易造成回火使燃烧器烧坏，而不能保证安全燃烧。日前有两种方法可以解决这一对矛盾：一种是改进空气吸入型燃烧器的结构，使空气由火焰内部和火焰外部两路供入，使得NOx生成量降低；这种燃烧器使用于高温(>12000C)和供热强度大的装置，但是在操作时需要很好的控制燃烧条件以免回火。另一种是采用催化燃烧器，使氢气与空气通过固体催化剂层进行催化无焰燃烧；此类燃烧安全，生成量少，使用于温度低(