天然气低碳催化燃烧——开辟化石能源无污染燃烧新途径

　　在未来的某一天，也许路边的烧烤摊上不会再见到烟熏火燎的状况，烤串用的烧烤炉被一种封闭式的烤箱代替。锅炉也不会再因为废气排放对大气造成污染，危害人类的生命健康。而这一切，得益于一项新型的燃烧方式——催化燃烧的应用。它的神奇之处就在于使超低浓度的燃料得到完全的燃烧氧化，转化效率接近 100%。2013年第2期《前沿科学》发表了张世红、Valerie Dupont 和Alan Williams的《天然气低碳催化燃烧特性与应用》一文，向我们介绍了天然气催化燃烧的特性、理论和应用。

　　天然气催化燃烧的理论研究

　　催化燃烧的研究最早可以追溯到19世纪初。然而直到进入20世纪70年代，人们意识到催化燃烧能够带来巨大的经济效益和环境效益，才开始进行广泛的研究和应用开发。对催化剂的进一步开发和研究为催化燃烧的研究开辟了新的途径。直到今天，催化燃烧的主要研究集中在催化剂及制备工艺和催化装置及控制技术两方面。

　　在对贫甲烷/氧气/氮气混合气体燃烧进行的理论研究中，使用的是滞止点流动反应器实验装置。内部铝支架的中间是固定在陶瓷框架里面的催化剂铂金属薄箔。在燃烧时，铂元素与反应物一起参与到反应中去，形成热循环，在反应过后试验气体成为尾气排放，铂恢复原状并继续参与下一个这样的循环。通过反复的试验和数值模拟发现，因为有催化剂因素的存在，可燃气体能在低浓度的情况下发生催化燃烧并完全氧化，不形成CO、氮氧化物和未完全燃烧的碳氢化合物，燃烧发生在常规气相易燃极限之外，因此燃烧更加稳定。催化剂表面的异相反应抑制了气相氧化反应的程度，提高了单相点燃的表面温度。

　　天然气催化燃烧的开发应用研究

　　张世红研究团队以催化燃烧机理和应用研究为课题，对近零污染物排放，催化剂中毒特性和贫天然气/空气混合比如何调节等问题进行了深入的工业产品和产业化研究。开发研制了天然气催化燃烧V型冷凝锅炉、天然气催化燃烧烤箱、天然气催化燃烧炉窑。

　　在对天然气催化燃烧V型冷凝锅炉的研究中，燃烧炉采用催化燃烧的方式以后，可以避免火焰燃烧方式的诸多缺点。张世红研究团队通过对普通快速型燃气热水器和家用燃气灶的烟气进行了测量，发现燃气热水器及燃气灶排放的烟气虽然都被空气明显稀释过，但污染物排放浓度仍然比催化燃烧高很多，因此证明催化燃烧贫CH4的异相燃烧方式能够产生节约燃料和减少环境污染的效果是十分明显的。试验数据表明，催化燃烧V型冷凝锅炉的热效率明显比普通燃气锅炉要高。利用分析仪测量催化燃烧和气相燃烧两种情况下的烟气成分及含量发现目前的催化燃烧几乎已经达到了燃烧完全的程度和近零污染物排放。

　　张世红研究团队的另一项成果催化燃烧烤箱更贴近于我们的生活。和普通烤箱相比，催化燃烧烤箱不仅节约了电能，而且由于催化燃烧器的辐射面积相比普通电烤炉的发热管的面积要大，所以在催化燃烧烤箱中食物能够更好地接受高温辐射所传来的能量。通过对普通烤箱和催化燃烧烤箱同时烧烤两块相同部位的牛肉比较，催化烧烤箱中烤出的牛肉口感鲜嫩，清爽，柔软汁多，容易嚼烂，气味更明显，肉香味诱人。

　　在对天然气催化燃烧炉窑研究中，张世红研究团队通过对炉窑设备的改进，使烤盘周边温度达到了850摄氏度左右，烧出的陶器特征明显、形状规则、表面光滑、无凸起坑洼现象。和普通电炉窑烧出的陶器相比，前者因为受热均匀，其品质更加细腻，颜色淡雅细致，更接近于自然本色，可以作为装水的容器。

　　天然气催化燃烧的应用亟待推广

　　张世红教授认为，天然气催化燃烧实现了真正意义上的低碳脱硝排放，烟气经过高温而达到无菌且成分与新鲜空气相同。天然气催化燃烧在供热、食品工业、化工和炉窑、部分冶金行业和农业中因其燃烧的稳定性、完全燃烧和近零污染可以发挥出普通燃烧不可代替的作用。

　　比如，天然气催化燃烧V型冷凝锅炉的研究结果为当前北京市的大气污染治理提供了新的思路和途径。天然气催化燃烧炉窑研究的成果对未来的景观设计、园林园艺工艺、艺术品制作和古建材料制作中具有重要的意义。

　　随着人们对环保意识的不断提升，这种无污染的燃烧方式将会有更广泛的应用推广空间。