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天然氣低碳催化燃燒特性和應用

放大字體  縮小字體 發布日期:2019-03-27
天然氣低碳催化燃燒特性和應用張世紅 化石能源普通燃燒方式中的排放物(二氧化硫)SO2、(氮氧化物)NOx、(二氧化碳)CO2、(一氧化碳)CO和未完
 天然氣低碳催化燃燒特性和應用

張世紅

            

化石能源普通燃燒方式中的排放物(二氧化硫)SO2、(氮氧化物)NOx、(二氧化碳)CO2、(一氧化碳)CO和未完全燃燒的碳氫化合物(UHC)及石油和煤礦開采排放出的甲烷(CH4)等氣體,是造成環境污染主要成分。

天然氣主要應用于天然氣發電、天然氣鍋爐供熱、天然氣發動機驅動熱泵、燃氣工業爐和燃氣民用灶具等。但是天然氣在普通火焰燃燒方式下,存在一些弊端。要真正實現天然氣低碳時代的到來,需要研究一種新型燃燒方式,如催化燃燒。

催化燃燒反應較低的活化能容許反應在貧碳氫化合物物濃度下發生,因此絕熱反應的溫度低于NOx形成的限制,并完全氧化,不形成CO和未完全燃燒的碳氫化合物,燃燒發生在常規氣相易燃極限之外,因此燃燒更加穩定。根據分步化學機理方法模擬出的結果可以得出,鉑表面的異相反應抑制了氣相氧化反應的程度,并且提高了單相點燃的表面溫度。在此理論的指導下,在北京建筑大學環能學院進行了多種天然氣催化燃燒裝置的設計和研究,催化燃燒過程可達到近零污染排放。

 

中國早在南北朝時期就在建筑上使用琉璃瓦件作為裝飾物,流光溢彩的琉璃瓦是漢族傳統建筑物件,通常施以金黃、翠綠、碧藍等彩色鉛釉,因材料堅固、色彩鮮艷、釉色光潤,一直是建筑陶瓷材料中流芳百世的驕子。


如今故宮琉璃瓦很多釉質脫落,修繕工作需要大量瓦件。借此契機,該科研團隊希望通過天然氣低碳催化燃燒的方法獲得相近質量的琉璃瓦,為琉璃瓦制造業的低污染低排放生產提供可能。

每一件琉璃活件都要經過兩次燒制,第一遍是在塑形完成后,技師們會將琉璃瓦的泥坯放入素窯燒造定型,待上釉晾干后,還要再放入色窯進行二次燒制。琉璃活件要經原料粉碎、淘洗、配料、煉泥、制坯、修整、烘干、素燒、施釉、出窯、晾曬等二十多道工序,每一件都需要約十多天的時間。

遵循古法,該科研團隊將經過10501200素燒后的琉璃瓦施釉后放入天然氣低碳催化燃燒爐窯進行二次燒制,即釉的燒制。燒制過程中為保證溫度均勻上升,需通過多次調解爐門開度和空氣、燃氣量,以獲得釉質更加均勻的琉璃瓦。經過反復嘗試,已經獲得了美觀的琉璃瓦樣品。

總體來看,用天然氣催化燃燒爐窯燒制的的琉璃瓦色澤均勻,富有光澤。經過陽光照耀,琉璃瓦閃閃發光,流光溢彩。

觀查發現,天然氣低碳催化燃燒爐窯燒制得到的琉璃瓦紋路細膩,清新透亮,且沒有變形、開裂等現象,胎釉結合緊密,手感光滑,藝術氣息強烈,極為美觀,相比于故宮所用琉璃瓦,天然氣催化燃燒爐窯所燒制的琉璃瓦在光澤度上也是光彩奪目。

由于傳統燒制方法對能源的利用率很低,排放的煙氣也有很大污染,且燒制過程中升溫緩慢,效率很低,過程復雜,費時費力,而天然氣催化燃燒幾乎完全避免了硫化物的產生,同時NOxCO的排放量大大減少,因此天然氣低碳催化燃燒爐窯在琉璃瓦燒制方面將會有很大的應用前景。

天然氣低碳催化燃燒處在穩定狀態時,煙氣中二氧化碳濃度在6%左右,污染物達到近零排放。

該科研團隊通過實驗研究分析對比了在普通大氣環境下生長的鵝掌柴與短期通入催化燃燒煙氣環境下的鵝掌柴的生長狀況。


 

通過天然氣低碳催化燃燒煙氣對鵝掌柴的影響研究的結果顯示,催化燃燒產生煙氣經過短期多次的通入溫室后,在催化燃燒煙氣條件下生長的鵝掌柴植株,生長更加茂盛,有更多的新枝椏長出,催化燃燒煙氣對植物的生長具有一定的促進作用。

而且其對環境幾乎不造成污染,實驗結束時的煙氣均能達到近零污染物排放,符合目前綠色經濟發展道路。

該科研團隊也通過實驗研究分析對比了天然氣低碳催化燃燒產生的煙氣與普通氣相燃燒產生的煙氣對CD-1雌性小鼠健康狀況分別有何種程度的影響。如下學生在進行實驗裝置的調試。

 

 

在大氣環境條件下,所有的小鼠均活動正常,沒有任何的異常表現,經過4小時的吸入催化燃燒產生的煙氣實驗之后,記錄數據,并將小鼠從染毒柜中放出。

觀察前60分鐘左右,小鼠健康狀態始終保持良好狀態,均活動正常,沒有任何異常狀態,從放入第90分鐘左右開始,有部分小鼠出現呼吸急促等癥狀,并且相較之前的活動狀態,在吸入90分鐘煙氣后活動量開始減少,而這種狀態持續到180分鐘左右,當實驗時間進行到210分鐘時,所有的小鼠均出現活動異常情況,呼吸變得急促,五只小鼠的活動狀態都轉為相對安靜的休息狀態,一直持續到實驗結束為止沒有小鼠出現死亡情況。由此可見,催化燃燒煙氣對于小鼠的健康狀況影響較為緩和,無嚴重的生理危害。

分析在四小時的試驗時間內,染毒柜中的環境參數變化。由于在實驗過程中,染毒柜中的CONOX氣體濃度變化比較小,相對穩定。隨著實驗時間的增長,染毒柜中的環境溫度不斷攀升。這是由于我們此次實驗所用的換熱器中的冷卻循環水隨著燃燒時間增長而逐漸升溫,導致換熱器的換熱效率不斷減弱,因此排出的催化燃燒煙氣的溫度也不斷上升,導致染毒柜內的溫度不斷上升。

染毒柜內的濕度隨著實驗的進行而不斷上升。這是由于在催化燃燒反應過程中,不斷會有水蒸氣產生,水蒸氣順著管道隨煙氣通入到染毒柜內,導致染毒柜內的濕度在實驗至240分鐘時已經達到了近80%的濕度,而過高的濕度對于小鼠也是有一定影響的。

這四小時內的氧氣及二氧化碳濃度變化。氧氣的減少及二氧化碳的增多使導致小鼠呼吸急促、昏迷不振的主要原因,由于染毒柜內的氧氣濃度遠遠低于外界空氣環境中的氧氣濃度,導致小鼠出現缺氧現象,對它們的影響最為嚴重,但是在這種較為缺氧的環境之下小鼠仍能存活。

在實驗結束將小鼠取出染毒柜后,在外界空氣條件下經過30分鐘左右的時間,所有的小鼠均恢復到實驗前的狀態,實驗時的異常狀態并沒有持續影響小鼠的健康。

啟發性地提示學生進行小鼠吸入天然氣全預混普通燃燒煙氣的實驗,小鼠的健康程度隨著實驗的進行而急劇衰減。實驗進行到10分鐘時,已經有小鼠死亡。普通燃燒煙氣對于嚙齒動物的危害極大,僅用短短10分鐘的時間就可以造成小鼠的死亡。

根據實驗結果直觀表面,催化燃燒產生的煙氣基本對CD-1雌性小鼠的健康不產生嚴重危害,而普通氣相燃燒產生的煙氣則會對小鼠的身體機能產生極其致命的危害。

通過催化燃燒與氣相燃燒煙氣成分的研究了解到,天然氣催化燃燒方式具有高效的燃燒效率和近零污染排放的雙重優勢,這些對于發展低碳能源戰略具有重要的意義。


 

 

 


 
 
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