催化燃烧技术在家用燃气燃烧器中的应用

浙江师范大学化学与生命科学学院 方建丽 龚莉 罗孟飞

一、引言

随着经济发展，环境以及能源短缺问题越来越受到关注。目前的低效燃烧方式，不但能源利用率不高，而且燃烧过程排放的污染物多，是造成雾霾天气频发的主要原因之一。因此，用高效、清洁的燃烧方式代替传统的低效燃烧方式，能有效提高能源的使用效率和减少有害物质的排放。催化燃烧技术使燃料在较低的温度下实现完全燃烧，改善燃烧过程、降低燃烧温度、抑制有毒有害物质的产生，是一种新型的节能减排技术[1]。本文通过与传统有焰燃烧比较，详细介绍催化燃烧原理和该技术在催化燃烧灶和催化燃烧热水器方面的应用。

二、有焰燃烧

燃气和空气在燃烧装置中不预先进行混合，而是分别将他们送进燃烧室中，并在其中边混合边燃烧，燃烧产生的火焰较长，并有鲜明的轮廓，因此被称为有焰燃烧。有焰燃烧属于扩散燃烧。有焰燃烧由于活化能较高，燃烧速度慢，燃烧不完全，导致热效率下降。此外，有焰燃烧火焰的气体辐射量较小，以对流换热为主要传热方式，降低能源利用率。有焰燃烧方式下，由于燃烧的不同部位与空气接触的差异，导致燃烧的完全程度和温度也不同。高温区，由于温度高，导致空气中的氧气和氮气反应生成N O x污染物；低温区，由于燃烧不完全，产生C O、碳氢化合物和焦油等有害物质。

三、催化燃烧

1.催化燃烧的基本原理

催化燃烧是多相催化反应中的完全氧化反应，燃气和空气在催化剂表面进行的非均相反应。在催化燃烧过程中，催化剂的作用是降低燃料的起燃温度，并加深其氧化程度，使有机物在较低的起燃温度条件下发生无焰燃烧，并氧化分解为燃烧最终产物C O2和H2O，释放出大量热量，同时使反应物分子富集于催化剂表面，以提高反应速率、提高燃料利用率。

2.催化燃烧的特点

与火焰燃烧相比，催化燃烧有着以下优点：

(1)污染物排放水平低

催化燃烧是在催化剂的作用下发生的燃烧过程，这种燃烧具有燃烧充分、温度均匀、催化燃烧面温度大都在800～1000℃，因此产生的N O和C O明显下降[2]。传统的火焰燃烧的C O产生量为300m g/m3，催化剂燃烧的C O产生量为4m g/m3；传统火焰燃烧的N O x产生量为200m g/m3，催化剂燃烧的N O x产生量为1m g/m3[3]。

(2)热效率高

催化燃烧在催化剂的作用下，所需活化能仅为40～80k J/m o l，反应速度快，起始温度低。燃烧时，催化燃烧面温度大都在800～1000℃，辐射出具非色散性、能量集中、热效应显著的红外线[4]。红外线以电磁波传递能量，热损失小。因此，相比传统火焰燃烧，催化燃烧提高了热效率。

(3)无焦油

催化燃烧采用红外辐射释放能量的方式对物体进行加温，无长期火焰燃烧后遗留的黑色残留物，便于清洁。

四、催化燃烧在家用燃气炉中的应用

1.催化燃烧灶

催化燃烧灶与传统的燃气灶不同的是，在灶头上增加了催化燃烧板。燃气经过催化燃烧板，燃烧板温度在850～950℃之间，同时将热能部分转化为红外线，以红外辐射传递为主的形式对锅体进行传热。催化燃烧板能保证燃气充分燃烧、热效率高、有害物质少、无焦油等。

1.空气喷嘴 2.燃气喷嘴 3.风门 4.气体混合室5.引射器 6.燃器主腔 7.催化燃烧板 8.锅支架

催化燃烧灶实例图

国外，负载钙钛矿型催化剂L a M n O 3的合金纤维板家用天然气预混催化燃气炉已研制成功，其在燃烧性能、烟气排放等方面优点显著[5]，加拿大、法国等也相继推出了采用贵金属燃烧催化剂（如铂P t、铑R h、钯P d等）的催化燃烧器。

国内，山东莱州市东升燃具厂研制出一种燃气催化燃烧灶，通过改变普通灶具的结构，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1罐液化气可相当于原来的2罐来烧；二是节时，使用时灶面温度很高，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，并消除了厨房的胶状物；四是C O排放量低，仅为0.006%，低于国际标准90%[6]。在我国，第一台采用稀土催化燃烧器的催化燃气灶自2000年10月投入家庭使用，使用4年后其热效率仍为67.3%（我国灶具行业国标的热效率为50～55%[7]），排放量C O为60p p m，N O x为4p p m，且催化剂表面无碳结现象。2009年，华帝推出聚能灶，以金属蜂窝体燃烧器为工作主体，并提前对燃烧气进行充分预混，在工作时将化学能转化成高能红外线辐射，其火焰短（近乎无焰燃烧），具有燃烧充分、能效高（68.5%）、烟气量少等优点[8]。万邦红外线燃气灶601C 2采用新一代猛火加强型红外线炉头，节能环保。

十几年前，国内市场上就出现了远红外燃气灶，但由于当时燃烧辐射板制作工艺尚未成熟，因此燃烧灶在精度、燃烧效果、寿命方面存在缺陷。然而，近年来，由于陶瓷板制作工艺的大幅进步，陶瓷中堇青石含量的提高（90%以上），陶瓷板的耐裂性大幅提高，使得陶瓷远红外燃气灶发展迅速。与此同时，金属以其钢性强、脆性小等优势，也逐步成为催化燃烧板的载体之一，增加了燃气灶的热强度、热流量以及寿命，降低其维修成本。因此，远红外燃气灶逐渐被众多厂家及消费者所接受[9]。

对于催化燃烧的改进工作也有了新进展，从催化燃烧炉I型到如今的催化燃烧V型冷凝锅炉，V型热效率明显比普通燃气锅炉要高，其在节能、减排方面也更显优越[10]。

2.家用天然气催化燃烧热水器

催化燃烧热水器利用红外辐射方式（无可见光能量损失)，提高热效率，降低了污染物排放量。此外，火焰燃烧燃气热水器大多因燃烧火焰的呼啸声具有噪音，对人体有害，而采用催化燃烧技术的热水器基本上不产生噪音，符合生态建设要求[11]。

国外，C e r r i等使用负载钙钛矿型催化剂L a M n O 3的合金纤维板研制了家用天然气预混热水器原型机表现出良好的性能，烟气质量明显改善，G a s t e c等使用金属蜂窝整体式催化剂设计了完全催化燃烧的天然气热水器，实现了烟气污染物(H C，C O，N O)的零排放。

国内，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 F e 2O 3、C o 3O 4、M n O 2为活性组分，A l 2O 3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83.15%,超过了国家标准(80%)；另外，N O x的排放量的体积分数仅为24×10-6，低于国家标准(<80×10-6)，C O含量为0.02%，达到国家标准(0.02%)。

2008年，万和成功将全预混催化燃烧技术和冷凝换热技术应用于热水器，以V 107为例，其热效率最高可达107%以上，节能减排效果更佳[12]。迄今，在国内，太阳能热水器及冷凝式燃气热水器占据较大市场，而利用催化燃烧技术的热水器较为罕见。

五、结论

相对于传统的火焰燃烧，催化燃烧具有高效、节能、减排等多种优势。催化燃气燃烧灶和燃气热水器中，打破了传统火焰燃烧的可燃界限，大幅度提高燃气灶的燃烧效率和热效率，节省燃料，减少有害物质的排放。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在家用燃气燃烧器中的应用，对社会的发展和环境的保护具有积极的意义。

[1]田凌燕,蔡烈奎,汪军平等.催化燃烧技术的应用进展[J].节能,2010,2:15-39.

[2]向汉江.稀土(复合)氧化物在天然气催化燃烧中的作用[J].荆门职业技术学院学报,2005,20(3):88-91.

[3]张世红,王祺,周琦.催化燃烧炉特性的实验研究[J].北京建筑工程学院学报,2003,19(3):1-4.

[4]董庆珊,张世红,周琦.催化燃烧炉的节能性分析[J].建筑节能,2007,35(6):50-53.

[5]杜小春.甲烷催化燃烧的应用研究[D].四川大学,2005.

[6]马温亮.催化燃烧技术进展及其应用的研究[J].科技创新导报,2006(1):175.

[7]张艳明.“持续,稳定,高端,节能”燃气灶市场发展的主旋律[J].家用电器,2011(001):88-88.

[8]曾旭杰.燃气灶具节能技术应用现状及未来发展趋势[J].现代家电,2011(14):40-41.

[9]连小卫.节能燃气灶具面面观[J].现代家电,2010(023):62-63.

[10]张世红,何林,李宁.天然气催化燃烧V型冷凝锅炉热效率研究[J].北京建筑工程学院学报,2009,25(3):11-13.

[11]周绍雷.万和“全预混催化燃烧技术和冷凝换热技术在热水器上的应用”获奖[J].现代家电,2009(8):61-61.

[12]张晓玉,刘志敏,魏振玲,等.高性能甲烷催化燃烧催化剂的制备及其在天然气催化燃烧热水器上的应用[J].催化学报,2006,27(9):823-826.