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天然气低碳催化燃烧特性和应用

放大字体  缩小字体 发布日期:2016-02-23
化石能源普通燃烧方式中的排放物(二氧化硫)SO2、(氮氧化物)NOx、(二氧化碳)CO2、(一氧化碳)CO和未完全燃烧的碳氢化合物(UHC)及石油和煤矿开采排放出的甲烷(CH4)等气体,是造成环境污染主要成分。 天然气主要应用于天然气发电、天然气锅炉供热、天然气发动机驱动热泵、燃气工业炉和燃气民用灶具等。但是天然气在普通火焰燃烧方式下,存在一些弊端。要真正实现天然气低碳时代的到来,需要研究一种新型燃烧方式,如催化燃烧。
天然气低碳催化燃烧特性和应用
张世红
            
化石能源普通燃烧方式中的排放物( 二 氧 化 硫)SO2、( 氮 氧 化 物)N O x、( 二 氧 化 碳)C O2、( 一 氧 化 碳)C O和未完全燃烧的碳氢化合物(UHC)及石油和煤矿开采排放出的甲烷(CH4)等气体,是造成环境污染主要成分。
天然气主要应用于天然气发电、天然气锅炉供热、天然气发动机驱动热泵、燃气工业炉和燃气民用灶具等。但是天然气在普通火焰燃烧方式下,存在一些弊端。要真正实现天然气低碳时代的到来,需要研究一种新型燃烧方式,如催化燃烧。
催化燃烧反应较低的活化能容许反应在贫碳氢化合物物浓度下发生,因此绝热反应的温度低于NOx形成的限制,并完全氧化,不形成CO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。根据分步化学机理方法模拟出的结果可以得出,铂表面的异相反应抑制了气相氧化反应的程度,并且提高了单相点燃的表面温度。在此理论的指导下,在北京建筑大学环能学院进行了多种天然气催化燃烧装置的设计和研究,催化燃烧过程可达到近零污染排放。
中国早在南北朝时期就在建筑上使用琉璃瓦件作为装饰物,流光溢彩的琉璃瓦是汉族传统建筑物件,通常施以金黄、翠绿、碧蓝等彩色铅釉,因材料坚固、色彩鲜艳、釉色光润,一直是建筑陶瓷材料中流芳百世的骄子。



如今故宫琉璃瓦很多釉质脱落,修缮工作需要大量瓦件。借此契机,该科研团队希望通过天然气低碳催化燃烧的方法获得相近质量的琉璃瓦,为琉璃瓦制造业的低污染低排放生产提供可能。

每一件琉璃活件都要经过两次烧制,第一遍是在塑形完成后,技师们会将琉璃瓦的泥坯放入“素窑”烧造定型,待上釉晾干后,还要再放入“色窑”进行二次烧制。琉璃活件要经原料粉碎、淘洗、配料、炼泥、制坯、修整、烘干、素烧、施釉、出窑、晾晒等二十多道工序,每一件都需要约十多天的时间。

遵循古法,该科研团队将经过10501200℃素烧后的琉璃瓦施釉后放入天然气低碳催化燃烧炉窑进行二次烧制,即釉的烧制。烧制过程中为保证温度均匀上升,需通过多次调解炉门开度和空气、燃气量,以获得釉质更加均匀的琉璃瓦。经过反复尝试,已经获得了美观的琉璃瓦样品。

总体来看,用天然气催化燃烧炉窑烧制的的琉璃瓦色泽均匀,富有光泽。经过阳光照耀,琉璃瓦闪闪发光,流光溢彩。

观查发现,天然气低碳催化燃烧炉窑烧制得到的琉璃瓦纹路细腻,清新透亮,且没有变形、开裂等现象,胎釉结合紧密,手感光滑,艺术气息强烈,极为美观,相比于故宫所用琉璃瓦,天然气催化燃烧炉窑所烧制的琉璃瓦在光泽度上也是光彩夺目。

由于传统烧制方法对能源的利用率很低,排放的烟气也有很大污染,且烧制过程中升温缓慢,效率很低,过程复杂,费时费力,而天然气催化燃烧几乎完全避免了硫化物的产生,同时NOxCO的排放量大大减少,因此天然气低碳催化燃烧炉窑在琉璃瓦烧制方面将会有很大的应用前景。

天然气低碳催化燃烧处在稳定状态时,烟气中二氧化碳浓度在6%左右,污染物达到近零排放。

该科研团队通过实验研究分析对比了在普通大气环境下生长的鹅掌柴与短期通入催化燃烧烟气环境下的鹅掌柴的生长状况。


 

通过天然气低碳催化燃烧烟气对鹅掌柴的影响研究的结果显示,催化燃烧产生烟气经过短期多次的通入温室后,在催化燃烧烟气条件下生长的鹅掌柴植株,生长更加茂盛,有更多的新枝桠长出,催化燃烧烟气对植物的生长具有一定的促进作用。

而且其对环境几乎不造成污染,实验结束时的烟气均能达到近零污染物排放,符合目前绿色经济发展道路。

该科研团队也通过实验研究分析对比了天然气低碳催化燃烧产生的烟气与普通气相燃烧产生的烟气对CD-1雌性小鼠健康状况分别有何种程度的影响。如下学生在进行实验装置的调试。

 

在大气环境条件下,所有的小鼠均活动正常,没有任何的异常表现,经过4小时的吸入催化燃烧产生的烟气实验之后,记录数据,并将小鼠从染毒柜中放出。
观察前60分钟左右,小鼠健康状态始终保持良好状态,均活动正常,没有任何异常状态,从放入第90分钟左右开始,有部分小鼠出现呼吸急促等症状,并且相较之前的活动状态,在吸入90分钟烟气后活动量开始减少,而这种状态持续到180分钟左右,当实验时间进行到210分钟时,所有的小鼠均出现活动异常情况,呼吸变得急促,五只小鼠的活动状态都转为相对安静的休息状态,一直持续到实验结束为止没有小鼠出现死亡情况。由此可见,催化燃烧烟气对于小鼠的健康状况影响较为缓和,无严重的生理危害。
分析在四小时的试验时间内,染毒柜中的环境参数变化。由于在实验过程中,染毒柜中的CO及NOX气体浓度变化比较小,相对稳定。随着实验时间的增长,染毒柜中的环境温度不断攀升。这是由于我们此次实验所用的换热器中的冷却循环水随着燃烧时间增长而逐渐升温,导致换热器的换热效率不断减弱,因此排出的催化燃烧烟气的温度也不断上升,导致染毒柜内的温度不断上升。
染毒柜内的湿度随着实验的进行而不断上升。这是由于在催化燃烧反应过程中,不断会有水蒸气产生,水蒸气顺着管道随烟气通入到染毒柜内,导致染毒柜内的湿度在实验至240分钟时已经达到了近80%的湿度,而过高的湿度对于小鼠也是有一定影响的。
这四小时内的氧气及二氧化碳浓度变化。氧气的减少及二氧化碳的增多使导致小鼠呼吸急促、昏迷不振的主要原因,由于染毒柜内的氧气浓度远远低于外界空气环境中的氧气浓度,导致小鼠出现缺氧现象,对它们的影响最为严重,但是在这种较为缺氧的环境之下小鼠仍能存活。
在实验结束将小鼠取出染毒柜后,在外界空气条件下经过30分钟左右的时间,所有的小鼠均恢复到实验前的状态,实验时的异常状态并没有持续影响小鼠的健康。
启发性地提示学生进行小鼠吸入天然气全预混普通燃烧烟气的实验,小鼠的健康程度随着实验的进行而急剧衰减。实验进行到10分钟时,已经有小鼠死亡。普通燃烧烟气对于啮齿动物的危害极大,仅用短短10分钟的时间就可以造成小鼠的死亡。
根据实验结果直观表面,催化燃烧产生的烟气基本对CD-1雌性小鼠的健康不产生严重危害,而普通气相燃烧产生的烟气则会对小鼠的身体机能产生极其致命的危害。
通过催化燃烧与气相燃烧烟气成分的研究了解到,天然气催化燃烧方式具有高效的燃烧效率和近零污染排放的双重优势,这些对于发展低碳能源战略具有重要的意义。


 

 
 
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