天然气催化燃烧与气相燃烧烟气分布的研究.pdf

第 2 7卷 第 1 期 2 0 1 1年 3月 北京 建筑 工 程学 院 学报 J o u r n a l o f B e i j i n g U n i v e r s i t y o f Ci v i l E n g i n e e r i n g a n d Ar c h i t e c t u r e Vo 1 ． 27 No ．1 M a r ． 2 Oll 文章编号 1 0 0 4 6 0 1 1 2 0 1 1 0 1 0 0 4 6 0 5 天然气催化燃烧与气相燃烧烟气分布 的研究 张 世 红 ， 刘 征 ， 王智 华 北京建筑工程学 院 环境与能源工程学院 ， 北京1 0 0 0 4 4 摘 要 对催 化燃 烧 V型冷凝锅 炉催 化燃烧 及 空 白独 石 气相 燃烧情 况 下的烟 气排放 进行 了对 比研 究 ， 并对 强制排 烟式 燃 气热 水 器的烟 气及 燃 气灶 的烟 气分布 情 况做 了研 究．试验 证 明燃 气热 水器 排放 的烟 气及 燃 气灶 的烟 气都被 明显稀 释过 ， 但 污染物排放 浓度 仍然 比催化 燃烧 高 ， 空白独石 气相 燃 烧 污染物排放 也较 高．说 明 了催化 燃烧 比普通燃 烧 的优 越性 近零 污 染及 高燃 烧效 率． 关键 词 催化 燃烧 ； 冷 凝锅 炉 ；烟气分析 ；近零 污染物排 放 中图分类 号 T U 9 9 6；X3 8 2 文 献标志码 A Re s e a r c h o n Ex ha u s t Ga s Di s t r i b u t i o n o f Ca t a l y t i c Co mbu s t i o n a nd Ga s - p ha s e Co mbu s t i o n o f Na t u r a l Ga s Zh a ng S h i h o ng，L i u Zh e n g， W a n g Zh i hu a S c h o o l o f En v i r o n me n t a n d En e r g y En g i n e e r i n g，BUCEA，Be i j i n g ，1 0 0 0 4 4 Abs t r a c t I n t hi s p a p e r ，t h e e x h a u s t g a s e mi s s i o n s we r e c o mp a r e d b e t we e n t h e c o n v e n t i o n a l g a s - p h a s e c o mb u s t i o n i n t h e b l a n k mo n o l i t h a n d t h e c a t a l y t i c c o mbu s t i o n c o n d e n s i n g b o i l e r V．Al s o t h e e x h a us t g a s d i s t r i b u t i o n wa s s t ud i e d f o r f o r c e d e x h a u s t g a s c o n c e n t r a t i o n o f h o t wa t e r b u r n e r a n d t h e fla me o f c o o k i n g s t o v e o f n a t u r a l g a s ．Te s t pr o v e s t h a t t h e e x h a u s t g a s c o n c e n t r a t i o ns o f h o t wa t e r b u r n e r a n d c o o k i n g s t o v e h a v e b e e n s i g ni f i c a n t l y d i l u t e d，b u t t he c o n c e n t r a t i o n o f p o l l u t a n t e mi s s i o n s a r e s t i l l hi g h e r t h a n t ha t o f c a t a l y t i c c o mb u s t i o n ． T h e p o l l u t a n t e mi s s i o ns o f g a s p h a s e c o mb u s t i o n i n b l a n k mo n o l i t h b u r n e r a r e a l s o h i g h e r ．I t i n d i c a t e d t h e a d v a n t a g e s o f t h e c a t a l y t i c c o mb u s t i o n o f n e a r z e r o p o l l u t i o n a n d h i g h c o mb us t i o n e ffi c i e nc y ． Ke y wo r d sc a t a l y t i c c o mb u s t i o n；c o n d e n s i ng b o i l e r ；e x h a u s t g a s a na l y s i s；ne a r z e r o p o l l u t a n t e mi s s i o n s 催 化燃 烧是 一种高 效清 洁 的燃烧 技术 ．通过 催 化剂 改变燃 料燃 烧 反应 的途 径 ， 使燃 料 在 低温 环 境 中就 能充分 燃烧 ， 催 化 剂表 面 的异相 反 应 抑制 了气 相 氧化 的程 度 ， 并 降低 了反应 的活化 能 ， 使 燃烧 温度 降低并控制在 1 2 0 0 q C以下 ， 这样减少 了热力型 氮氧化 物 的产 生 ； 并且催 化燃烧 的燃烧 效率 非常 高 ， 可 以达 到 9 9 ． 9 ％ 3 3 ， 接 近 完 全 氧 化 ， 基 本 不 形 成 C O和未 完全燃 烧 的碳氢化 合物 ， 所 以催 化燃烧 可 以 达 到近零 污染排 放． 国内在 贵金 属 和稀 土 材料 催 化剂 、 催 化 剂制 备 及 涂层技术 、 C H 催 化燃 烧实 验 、 催化 应用探 索及 催 化热水器的研制方面进行 了广泛的研究．由于我 国 天然气 的用 量在逐 年增加 ， 逐 步取代 了燃煤 ， 这 对于 降低 s 0 ， 和粉 尘污染 会起 到决定 性作用 ．催化 燃 收稿 日期 2 0 1 0 0 8一O 2 基金项 目北京市供热 、 供燃气 、 通风 与空调 工程重 点实验 室基金 K F 2 0 1 0 0 2 ；北 京市 属市管 高等学 校人 才强 教深化 计划 资助 项 目 PHR2 0 1 0 0 71 2 7 作者简介 张世红 1 9 6 4 一 ， 女 ，教授，博士 ， 研究方 向 贫天然气 、 空气混合物 的催化燃烧理论和应用． 第 1 期 张世红等 天然气催化燃烧与气相燃烧烟气分 布的研究 4 7 烧 对 于改善 燃烧 过 程 ， 抑 制 有 毒 有 害 物质 的形 成 等 方 面有 着极 为重 要 的 作用 ， 并 已广 泛地 应 用 在 了工 业 生产 与 日常生 活 的诸多 方 面 ． 本 文 通 过对 催 化 燃烧 现 有 研 究 成果 的分 析 ， 对 催 化燃烧 V型冷凝 锅 炉分 别装 有催 化 独石 和空 白独 石 燃烧 产生 的烟 气 分 布进 行 了对 比分 析 ， 并 测 试 了 燃气 热水 器及 燃气 灶 的一些 烟 气分 布情 况来 说 明催 化燃 烧 V型冷 凝锅 炉 的优 劣 ； 同 时也 对 催 化 燃 烧 Ⅶ 型炉 的烟 气进 行 了测 试 ， 为 大 型催 化 燃 烧 装 置 的优 化及 催化 燃烧 的应 用普 及提 供 实验数 据 ． 1 实验装置与步骤 催 化 燃 烧 V型锅 炉 燃 烧 换热 系统 如 图 1所 示 ， 该燃烧 器 采用 全 预混 燃 烧 方 式 ， 燃 烧 面 是 两块 堇青 石蜂 窝 陶瓷 ， 内部 表 面 镀 着 钯 P d 催 化 剂 ， 独 石 采 用 正方 形截 面 尺寸 为 1 5 0 mm1 5 0 ．对 催 化燃 烧 采 用 镀催 化剂 的蜂 窝 独 石 和 空 白独 石 的组 合 体 ， 而对 单 相气 相燃 烧采 用 双层 空 白独石 的组合 体 ．蜂 窝独 石 通道 截 面尺寸 为 1 m m 1 mm， 壁 厚 为 0 ． 1 8 mm， 软 化温 度 为 1 3 8 0℃． 图 1 催 化 燃 烧 V型 锅 炉 燃 烧 换 热 系统 图 图 2是催 化燃 烧 Ⅶ型 炉 装 置 图 ， 催 化 燃 烧 Ⅶ型 炉是 在催 化燃 烧 V型炉 的 基础 上增 大 了燃烧 器 的输 入功 率 ，Ⅶ型 炉燃烧 器 的 表面 由 2 0块 独石 组 成 ， 每 块镀 催化 剂 的 蜂 窝 独 石 能 够 承 受 的 最 大 功 率 是 5 k W．系统 中采用 变频 控制 器 来 控 制风 机 转 速 ， 手 动 控制 天然 气流 量 ， 采 用 质量 流 量计 测 量 空 气 和 天 然 气 的 流 量 ， 并 采 用 双 路 稳 压 稳 流 电源 2 4～2 2 0 V 催 化 燃 烧 器 底 座 图 2催 化 燃 烧 Ⅷ 型 炉 装 置 图 风 机 为流量 计供 电． 利 用 烟气 分析 仪分 别测 量 V型锅 炉在 催化 燃烧 和气相 燃烧 两 种情 况 下 的烟 气 成 分 及含 量 ， 并 将 各 成 分所 得结 果 相 比较 ．实 验所 用 主要 仪 器包 括 催化 燃 烧 V 型 炉 、 催 化 燃 烧 Ⅶ 型 炉 、 空 气 质 量 流 量 计 C MG 4 0 0 A 0 8 0 1 0 0 0 0 0 、 燃 气 质 量 流 量 计 C MS 0 0 5 0 一 B S R N 2 0 0 0 0 0 、 烟气 分析 采 用 N O N O 一 N O 热 电分 析 仪 、 C O ／ C O ， 热 电分析 仪 和碳氢 化合 物热 电分 析仪 ． 实 验 中测 量 了 V型 锅 炉 分 别 在催 化 燃 烧 和气 相 燃烧 条 件 下 的 烟 气 成 分 和 含 量 ， 对 烟 气 的 测 量 内容 主要 包 括 N O 、 C O、 C O 、 C H 分 别 所 占的 比 例 ．催 化燃 烧 的过 量 空气 系数 为 2 ． 0左 右 ， 而 气 相 燃 烧 的过 量 空 气 系数 为 1 ． 3左 右 ， 在 这 两 种 情 况 下进 行 烟 气 测 量 时 ， 必 须 等 到 燃 烧 器 达 到 稳 定 的 状态 ， 在燃烧器 的排 烟 口处 用石 棉将其 封堵 住来 对换 热 后 的 烟 气 进 行 封 闭 式 测 量 ， 观 察 烟 气 分 析 仪的监测屏幕 ， 待数值 达到稳定后对其进行记 录． 依次 改 变 燃 气 流量 并 分 别 记 录烟 气 分 析 仪 所 显 示 的结 果 ． 4 8 北 京 建 筑 工 程 学 院 学 报 2 0 1 1 焦 2实验 结 果 与讨 论 2 ． 1 催 化燃 烧 V型冷 凝锅 炉 及 大型 催 化燃 烧Ⅶ 炉 烟 气成 分的分 析 对 催化燃 烧 V型冷凝 锅炉 分别装 有催 化独石 和 空 白独 石 的烟气进 行 收集 分 析 ， 该 实 验 中 收集 到 的 烟气是 在密 闭条件 下 进 行 的 ， 基本 上 没 有被 大 气 稀 释．图 3显示 了 V型炉催 化燃 烧 与气 相燃 烧 在不 同 燃气 流量下 烟气成 分分布 对 比 图．燃 烧 的化 学反 应 式可 以按照 以下方 程式进 行 天 然 气流量 ／ L ra i n 。 。 a 烟气巾甲烷 含量刘比 天然气流量 ／ L ra i n “ - 炯气中 C O含量对比 C H42 02 N2 一 C 022 H2 0 2 1 按照 催 化 燃 烧 与 气 相 燃 烧 的 过 量 空 气 系 数 ， 以及 反应 方 程 式 计 算 烟 气 中 C O 的 浓 度 应 该 分 别 为 5 ％ 和 7 ％ 左 右 ， 而 由 图 3 d 所 示 其 C O 的浓 度 完 全符合理论数值 ， 而 且其烟气浓 度没有 被空气 稀 释过 ， 能够 代表 燃 烧产 生 的 实 际烟 气 含量 ．参 照 图 3 b 、 图 3 c ， 对 比催 化 燃 烧 和 气 相 燃 烧 的烟 气 成分 可 以看 出气 相 火 焰 燃 烧 在 N O ， C O 的排 放 量 上远 高 于 催 化 燃 烧 ， 由 此 可 见 催 化 燃 烧 相 比气 相 燃烧 在 污 染 物 的 排 放 量 上 是 具 有 优 势 的 ， 接 近 零 污染 排 放 ． 天然气流量 ／ L ra i n 1 烟气中 N O 含餐对比 天然气流量 ／ L ra i n - { 炯气中c 含量对比 图 3 V型 炉 催 化 燃 烧 与气 相燃 烧 烟 气 成 分 分 布 对 比 曲线 图 目前 的催化 燃烧几 乎 已经达到 了燃烧 完全 的程 度 ， 天然气 所含能 量 的释放率 接近 1 0 0 ％ ．本实 验 中 气相燃 烧 的燃烧 效率 较 低 ， 燃 烧 不够 充 分 因此 生 成 了大 量 的 C O， 这 会导 致燃 料 能量 的浪 费 “ 。 ．如 图 3 a 所 示 ， 气 相 燃 烧 状 态 下 ， 烟 气 中 未 参 加 反 应 的 C H 含 量也是 远 高于催 化 燃烧 状 态下 的 C H 含 量 ， 这说明了催化燃烧的节能特性．催化燃烧 V型冷凝 锅炉 的燃烧 器与 独石 之 间要 用 防火 石棉 塞 严 ， 这 会 导致极 少量 的 甲烷从 缝 隙处 滑移 ， 这 也 是催 化 燃 烧 器 目前 有待 解决 的一个 问题 ， 但 这并 不是 甲烷泄 露． 因为实验 中烟气 含 量是 在 密 封器 出 口测量 的 ， 当在 催化燃烧器独石通道内进行测量时 ， 发现 甲烷 的含 量 近乎是 0． 大 型催 化燃 烧 Ⅶ型炉独 石通 道 中烟 气也达 到近 零污 染物排 放 ， 基 本检 测不 到氮氧化 物 和 C O． 2 ． 2对快速 型热水 器 、 家用燃 气灶烟 气扩 散稀 释程 度 的分 析 为 了进 一 步验证 气相燃 烧过程 中是 否有大 量污 染物的产生 ， 又对快速型燃气热水 器和家用燃气灶 的烟气进行了分析．实验前用烟气分析仪测量了实 验室 空 气 中 各 种 成 分 的含 量 N O 0 ． 0 3 2 11 0 mo 1 ／m0 l ， CO 4 ． 2 7 1 0一mo l ／mo l ， CO，0 ． 0 5 2 1 0 v ／v，CH4 4． 5 01 0～ mo l ／ mo 1 ． 图 4为燃气快速型热水器结构简 图， 在天然气 第 1期 张世 红等 天然气催化燃烧 与气 相燃 烧烟气分布 的研究 4 9 进气 管线 上 加 装 燃 气 流 量 计 以便 随 时 记 录 燃 气 流 量 ， 然后将 烟气 采 集 管 的 吸气 口放 在 热 水 器 的 燃烧 器上 方 火 焰 位 置处 ， 测 得 烟气 的实 验 数 据 如 下 图 5 所示 ．可 以看 到烟 气 中 C 0 ，的浓 度最 大 为 2 ． 2 ％ 左 右 ， 由于实 验 中该快 速 型 热 水 器 燃 烧 时过 量 空气 系 数是 1 ． 3左 右 ， 所 以 以这 个 过 量 空气 系数 计 算 C O 的浓度 应该 在 7 ％ 附 近 ．由于 所 测 的 快 速 型 热水 器 的排烟 方式 为强 制式 风 机 排 风 ， 烟道 内 的烟 气 浓 度 已经被 大 气所 稀 释 ， 所 以导 致 C O 的 浓度 降低 ．但 就 在烟 气被稀 释 后 的 条件 下 ， N O ， C O， C H 的 浓 度 仍 高于 催化燃 烧 时 的浓 度 ， 所 以测 量 快 速 型 热 水 器 的烟气数 据证 明 了气相 燃 烧 的 确有 大 量 的 N O ， C O 生成 ， 而且也存在着有部分 C H 没有被完全利用． 在家 用燃 气灶 进气 管线 上也 装上 燃气 流量 计用 来记 录燃 气流 量 ， 将 燃气 灶 调整 到最佳 燃烧 状态 ， 在 火焰 中心 正上 方选 取 三 个 点 进行 测 量 ， 将 收集 烟 气 三 圣 托 一 ． j 芦兰I 蓦 ＼ E 手 l二 如 ； 每 0至 } 上 三 要 天然气 l 燃烧器 l l l l l l l l 申 鎏 计 f 『 执 ， k ㈡ 图 4燃气 快速型热水器结构简 图 图 5燃 气 热 水 器 的 烟 气 分 布 的 吸 口调 到离 燃气 灶 喷嘴 中心 点正 上方 5 c m 处 ， 此 处 为火焰外 焰 的正 上方 ， 作 为第 一个 测量 点 ， 依次 在 不 同燃 气 流量 下进行 燃烧 并 测 量 烟 气 ； 在 高度 为 l 0 c m 和 1 5 c m 两点 处 重复 上述 实 验 ， 测 出烟气 分 布情 况 如 图 6所 示 ． 从 图 6中可 以发现 N O ， C O， C O 的浓 度 随着测 量 高度 的增 加而 减 小 ， 由于 燃 气 灶 在 大气 中为 扩 散 式气相燃烧 ， 所 以烟气浓度被大气逐渐稀释．尽管 烟气被大气所稀释 ， 但污染物 的排放仍然高于催化 燃烧．在 5 c m处时测得 甲烷 含量较低 ， 但在 1 0 c m 和 1 5 c m处 甲烷含量要高于大气 中甲烷 的含量 ， 这 说 明在气 相 燃 烧 的 条 件 下 有 部 分 C H 在 燃 烧 的 过 程 中没有 被利 用 就被 排 放 了 ， 可 以看 出气 相 燃 烧 方 式存 在能 源上 的浪 费 ． 5 0 北 京建 筑 工程 学院 学 报 图 6燃 气 灶 的 烟气 分 布 所 以相 比于燃 气 热水 器 和 家 用燃 气 灶 ， 催 化燃 烧有很 高 的燃 烧效 率 和 近零 污 染 排放 的优 越 性 ， 但 催化燃烧炉 的结构还存 在一定 的问题 ， 需要 进一步 的 改进 ， 这样可 以更好的利用燃料燃烧时产生的热能． 3 结 论 1 从 V型炉 镀 催化 剂 独 石催 化 燃 烧 和 空 白独 石气相燃 烧 的烟气 对 比可 以看 出 ， 催 化燃 烧 跟 气相 燃烧 比起 来 甲 烷 基 本 完 全 反 应 ， 燃 料 利 用 率 接 近 1 0 0 ％ ， 生成 的污 染物极 其微少 ． 2 燃 气 热水 器 及 燃 气 灶 排 放 的烟 气 都 被 明显 稀 释过 ， 但 污染 物排放 浓度 仍然 比催化燃 烧 高 ， 这是 因为催化 燃烧 贫 C H 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 ， 所 以催 化燃 烧 V型 冷凝 锅炉 每单位 甲烷燃 烧产 生 的污 染物要 比燃 气热 水器 和家用 燃气 灶少很 多 ． 参考 文献 [ 1 ]D u p o t V， Z h a n g S H， Wi l l i a m s A ．E x p e r i m e n t s a n d s i m u l a t i o n o f me t h a n e o x i d a t i o n o n a p l a t i n u m s u r f a c e [ J ] ． Ch e mi c a l Eng i n e e r i n g Sc i e n c e， 2 0 01， 5 6 2 6 592 6 70 [ 2 ] 张世红 ， 闫征 ， 刘雪 莲 ， 等． 催化燃 烧炉 近零 污染排 放 和高辐 射 效 率 利 用 的研 究 [ J ] ． 节 能技 术 ， 2 0 0 5 ， 2 3 5 3 8 73 8 9 [ 3] Oh S H，Mt c h e l l R J ．C a t a l y t i c c o n t r o l o f a i r p o l l u t i o n [ A ] ．A C S S y m p o s i u m S e r i e s ， 1 9 9 2 ， 1 2 4 9 5 [ 4 ] 张世红 ，V a l e r i e D u p o n t ， 周琦 ， 等．天然气催化燃烧近 零污燃物 排放 机理 和应 用 [ M] ． 北 京 科学 出 版社 ， 2 0 08 [ 5 杜娟 ， 田成文 ， 范庆伟 ． 催化燃烧 技术研 究进展及其 应 用 [ J ] ． 节能 ， 2 0 0 6 ， 2 3 7 3 9 [ 6 ] 张世红 ， D u p o n t V a l e r i e ，Wi l l i a m s A l a n ， 等．硫化物存 在时天然气催化燃烧 机理 和应用 [ M] ．北京 科学 出 版 社 ， 2 0 1 0 [ 责任编 辑 王克黎 ]