在未來的某一天，也許路邊的燒烤攤上不會再見到煙熏火燎的狀況，烤串用的燒烤爐被一種封閉式的烤箱代替。鍋爐也不會再因為廢氣排放對大氣造成污染，危害人類的生命健康。而這一切，得益于一項新型的燃燒方式——催化燃燒的應(yīng)用。它的神奇之處就在于使超低濃度的燃料得到完全的燃燒氧化，轉(zhuǎn)化效率接近 100%。2013年第2期《前沿科學(xué)》發(fā)表了張世紅、Valerie Dupont 和Alan Williams的《天然氣低碳催化燃燒特性與應(yīng)用》一文，向我們介紹了天然氣催化燃燒的特性、理論和應(yīng)用。
天然氣催化燃燒的理論研究
催化燃燒的研究最早可以追溯到19世紀初。然而直到進入20世紀70年代，人們意識到催化燃燒能夠帶來巨大的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，才開始進行廣泛的研究和應(yīng)用開發(fā)。對催化劑的進一步開發(fā)和研究為催化燃燒的研究開辟了新的途徑。直到今天，催化燃燒的主要研究集中在催化劑及制備工藝和催化裝置及控制技術(shù)兩方面。
在對貧甲烷/氧氣/氮氣混合氣體燃燒進行的理論研究中，使用的是滯止點流動反應(yīng)器實驗裝置。內(nèi)部鋁支架的中間是固定在陶瓷框架里面的催化劑鉑金屬薄箔。在燃燒時，鉑元素與反應(yīng)物一起參與到反應(yīng)中去，形成熱循環(huán)，在反應(yīng)過后試驗氣體成為尾氣排放，鉑恢復(fù)原狀并繼續(xù)參與下一個這樣的循環(huán)。通過反復(fù)的試驗和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，因為有催化劑因素的存在，可燃氣體能在低濃度的情況下發(fā)生催化燃燒并完全氧化，不形成CO、氮氧化物和未完全燃燒的碳氫化合物，燃燒發(fā)生在常規(guī)氣相易燃極限之外，因此燃燒更加穩(wěn)定。催化劑表面的異相反應(yīng)抑制了氣相氧化反應(yīng)的程度，提高了單相點燃的表面溫度。
天然氣催化燃燒的開發(fā)應(yīng)用研究
張世紅研究團隊以催化燃燒機理和應(yīng)用研究為課題，對近零污染物排放，催化劑中毒特性和貧天然氣/空氣混合比如何調(diào)節(jié)等問題進行了深入的工業(yè)產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)化研究。開發(fā)研制了天然氣催化燃燒V型冷凝鍋爐、天然氣催化燃燒烤箱、天然氣催化燃燒爐窯。
在對天然氣催化燃燒V型冷凝鍋爐的研究中，燃燒爐采用催化燃燒的方式以后，可以避免火焰燃燒方式的諸多缺點。張世紅研究團隊通過對普通快速型燃氣熱水器和家用燃氣灶的煙氣進行了測量，發(fā)現(xiàn)燃氣熱水器及燃氣灶排放的煙氣雖然都被空氣明顯稀釋過，但污染物排放濃度仍然比催化燃燒高很多，因此證明催化燃燒貧 CH4的異相燃燒方式能夠產(chǎn)生節(jié)約燃料和減少環(huán)境污染的效果是十分明顯的。試驗數(shù)據(jù)表明，催化燃燒V型冷凝鍋爐的熱效率明顯比普通燃氣鍋爐要高。利用分析儀測量催化燃燒和氣相燃燒兩種情況下的煙氣成分及含量發(fā)現(xiàn)目前的催化燃燒幾乎已經(jīng)達到了燃燒完全的程度和近零污染物排放。
張世紅研究團隊的另一項成果催化燃燒烤箱更貼近于我們的生活。和普通烤箱相比，催化燃燒烤箱不僅節(jié)約了電能，而且由于催化燃燒器的輻射面積相比普通電烤爐的發(fā)熱管的面積要大，所以在催化燃燒烤箱中食物能夠更好地接受高溫輻射所傳來的能量。通過對普通烤箱和催化燃燒烤箱同時燒烤兩塊相同部位的牛肉比較，催化燒烤箱中烤出的牛肉口感鮮嫩，清爽，柔軟汁多，容易嚼爛 ，氣味更明顯，肉香味誘人。
在對天然氣催化燃燒爐窯研究中，張世紅研究團隊通過對爐窯設(shè)備的改進，使烤盤周邊溫度達到了850攝氏度左右，燒出的陶器特征明顯、形狀規(guī)則、表面光滑、無凸起坑洼現(xiàn)象。和普通電爐窯燒出的陶器相比，前者因為受熱均勻，其品質(zhì)更加細膩，顏色淡雅細致，更接近于自然本色，可以作為裝水的容器。
天然氣催化燃燒的應(yīng)用亟待推廣
張世紅教授認為，天然氣催化燃燒實現(xiàn)了真正意義上的低碳脫硝排放，煙氣經(jīng)過高溫而達到無菌且成分與新鮮空氣相同。天然氣催化燃燒在供熱、食品工業(yè)、化工和爐窯、部分冶金行業(yè)和農(nóng)業(yè)中因其燃燒的穩(wěn)定性、完全燃燒和近零污染可以發(fā)揮出普通燃燒不可代替的作用。
比如，天然氣催化燃燒V型冷凝鍋爐的研究結(jié)果為當前北京市的大氣污染治理提供了新的思路和途徑。天然氣催化燃燒爐窯研究的成果對未來的景觀設(shè)計、園林園藝工藝、藝術(shù)品制作和古建材料制作中具有重要的意義。
隨著人們對環(huán)保意識的不斷提升，這種無污染的燃燒方式將會有更廣泛的應(yīng)用推廣空間。
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