“氫”發(fā)生器催化燃燒機(jī)理及功效

隨著世界石油資源的短缺、中國(guó)霧霾天氣的增加，政府對(duì)排放法規(guī)將日趨嚴(yán)格，做為動(dòng)力之源的油品燃燒、煤炭燃燒必將成為環(huán)境治理的首要任務(wù)。如何在全新能源出現(xiàn)之前，在現(xiàn)有基礎(chǔ)之上解決油品和煤炭燃燒造成的環(huán)境污染、熱功效率低、能源浪費(fèi)等現(xiàn)狀是各國(guó)爭(zhēng)先研究的課題。在眾多技術(shù)中，氫以“燃燒后無污染、存在廣、可再生”的特點(diǎn)成為佼佼者脫穎而出。深圳市鑫九節(jié)能環(huán)?？萍加邢薰鹃L(zhǎng)期與中國(guó)煤炭科學(xué)研究總院、清華大學(xué)及國(guó)外相關(guān)專家學(xué)者開展合作進(jìn)行油品和煤炭的催化燃燒研究，近年已取得突破性進(jìn)展，成功研制出“水解燃料”發(fā)生器，該裝置分大型機(jī)：用于工業(yè)窯爐煤粉的催化燃燒；中型機(jī)：用于中小型船舶或工程柴油機(jī)上柴油的催化燃燒；小型機(jī)：用于車用汽油或柴油機(jī)的催化燃燒?！八馊剂稀卑l(fā)生器其機(jī)理十分簡(jiǎn)單，就是通過電解水產(chǎn)生氫氣和氧氣，其技術(shù)難點(diǎn)在于低電耗常溫常壓下制取并安全使用氫氣。

一、 工業(yè)窯爐上煤炭或重油的催化燃燒

在中國(guó)，工業(yè)動(dòng)力或熱力基本來源于煤炭和重油的燃燒，目前每年消耗煤炭約40億噸、消耗重油約8億噸，在推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)也造成了環(huán)境的污染，也因熱效率低造成能源浪費(fèi)。隨著社會(huì)的進(jìn)步各種催化燃燒技術(shù)開始涌現(xiàn)，其目的都是如何提高燃料的燃燒速率及熱力強(qiáng)度，在有效的空間和時(shí)間內(nèi)將燃料燒盡，減少未燃盡碳粒及烴類物質(zhì)造成環(huán)境污染和能源浪費(fèi)。

在眾多技術(shù)中，“氫”催化燃燒以催化效率高和燃燒后無污染成為技術(shù)領(lǐng)先者?！皻洹钡拇呋瘷C(jī)理是：氫氣燃燒屬于典型的鏈鎖反應(yīng)過程，當(dāng)形成一個(gè)分子水時(shí)，就得到兩個(gè)新的中間活性物H、OH。

O2 + 2H2 → H2O + H + OH

同樣一氧化碳CO的氧化（燃燒）反應(yīng)也是“復(fù)雜的鏈鎖反應(yīng)”：

H+O2 → O+CO → CO2

↘ OH + CO → CO2 + H

一氧化碳與空氣混合物的燃燒速度很小，在有含氫物質(zhì)存在時(shí)，燃燒速度就會(huì)顯著提高。當(dāng)把除掉水分的氫及一氧化碳和氧接觸，在700℃以下是不會(huì)起反應(yīng)的。一氧化碳的氧化鏈鎖反應(yīng)成立的條件是必須有H和OH等原子（團(tuán)）組成的活化中心參與反應(yīng)，由于OH+CO→CO2+H反應(yīng)不斷產(chǎn)生新的H，一旦反應(yīng)啟動(dòng)，就會(huì)循環(huán)下去，即使停止送入氫氣和氧氣，反應(yīng)還會(huì)維持，氫“參加了反應(yīng)但最終回到原態(tài)”。H2及其燃燒產(chǎn)物H2O對(duì)爆燃和火焰的輻射也有很強(qiáng)烈的影響。

由于”氫”對(duì)燃燒中間產(chǎn)物氧化反應(yīng)的鏈鎖推進(jìn)，提高了CO、烴類等的氧化反應(yīng)速度，可以在保持燃燒性能的前提下，大幅度降低空氣過量系數(shù)，從而減少排煙熱損失，提高燃燒系統(tǒng)的熱效率。

該產(chǎn)品已經(jīng)完成中試：在2013年9月于廣東英德英馬水泥廠進(jìn)行的試驗(yàn)中有5%以上的節(jié)能效果。

用于日產(chǎn)2500t/d水泥旋窯生產(chǎn)線的氫催化樣機(jī)設(shè)備已經(jīng)完成組裝，正在廣東清遠(yuǎn)廣英水泥廠進(jìn)行生產(chǎn)測(cè)試。

我們的目標(biāo)是為企業(yè)降低5%～8%的煤耗、提高水泥熟料產(chǎn)量3%～5%并提高水泥熟料質(zhì)量，綜合效益每天可為企業(yè)節(jié)約或創(chuàng)造2萬元人民帀。

市場(chǎng)前景，目前全國(guó)日產(chǎn)2500t/d水泥旋窯生產(chǎn)線折合有2200條，若該項(xiàng)技術(shù)能夠順利推廣，每天可為企業(yè)節(jié)約或創(chuàng)造約4,400萬人民帀的收益。煤炭使用量的減少和燃燒熱效率的提高，減少了污染物的排放直接為大氣環(huán)境做出貢獻(xiàn)。

二、內(nèi)燃機(jī)加“氫”的催化燃燒

內(nèi)燃機(jī)自問世以來，經(jīng)過了百余年的發(fā)展和改進(jìn)，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、軍事等各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)推動(dòng)人類文明的發(fā)展起到了重大的作用。到目前為止，燃燒汽油和柴油的內(nèi)燃機(jī)仍是熱效率最高的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，它消耗了世界上46％的石油資源，發(fā)出的功率占世界所有動(dòng)力裝置的90％，在可預(yù)見的將來內(nèi)燃機(jī)仍繼續(xù)在人類的生產(chǎn)生活中扮演重要角色。然而內(nèi)燃機(jī)燃料的主要來源仍然是石油和天然氣，伴隨化石能源逐漸枯竭，化石燃料燃燒造成的環(huán)境污染日益嚴(yán)重，溫室效應(yīng)導(dǎo)致全球?yàn)?zāi)難性氣候頻繁發(fā)生，化石燃料的諸多負(fù)面影響引起了各國(guó)的重視。因此節(jié)約石油能源、降低內(nèi)燃機(jī)有害物質(zhì)排放成為了全球性的重要課題。

“氫”氣做為催化劑在內(nèi)燃機(jī)中進(jìn)行輔助燃燒具有以下特點(diǎn)：

(1) 著火界限寬廣：氫氣相對(duì)于汽油或柴油燃料具有更加寬廣的著火界限(空氣中體積含量：4％～75％)，氫氣做為輔助燃料，可以進(jìn)行稀薄燃燒，能顯著改善點(diǎn)火性能，提高燃油經(jīng)濟(jì)性并且使燃燒反應(yīng)更加完全。

(2) 點(diǎn)火能量低：氫氣的最低點(diǎn)火能量只有0.02MJ，比汽油的0．24MJ低一個(gè)數(shù)量級(jí)。此特性保證了氫氣在稀薄情況下可以快速點(diǎn)燃并燃燒，使冷起動(dòng)更加容易，怠速運(yùn)行時(shí)更加平穩(wěn)。

(3) 淬熄距離短：氫氣的淬熄距離為0.64mm，僅為汽油的的1/3，較小的淬熄距離可以使火焰?zhèn)鞑ブ两咏鼩飧妆?，甚至可以達(dá)到活塞余隙，將進(jìn)入活塞環(huán)與缸壁縫隙的混合氣燃燒，使得燃燒更加完全。

(4) 放熱溫度高：氫氣的自燃溫度為858K，汽油為550K。所以氫催化燃燒可以快速提高油品的燃燒速率。

(5) 火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤欤簹錃獾幕鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣葹?37cm/s，比汽油的41.5cm/s快將近5倍，這意味著氫催化燃燒可以使發(fā)動(dòng)機(jī)更接近理想等容熱力學(xué)循環(huán)，提高了熱效率，同時(shí)，較快的火焰?zhèn)鞑ニ俣燃铀倭嘶旌蠚馊紵乃俣炔p小了循環(huán)變動(dòng)，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性。這在怠速混氫過程中體現(xiàn)的尤為明顯。

(6) 燃燒后污染排放?。簹錃鈫为?dú)燃燒只會(huì)產(chǎn)生H20和NOx，不會(huì)產(chǎn)生HC、CO、C02和碳煙排放，在稀薄燃燒情況下氫可以完全燃燒。用氫氣催化油品燃燒可大幅降低HC、CO和微細(xì)碳粉塵的排放。

1、汽油機(jī)加“氫”的催化燃燒：

氫氣混入汽油中可以明顯拓展混合氣的著火界限，加速火焰?zhèn)鞑ィ纳聘變?nèi)燃燒，提高缸壓，有利于發(fā)動(dòng)機(jī)做功。氫氣的高擴(kuò)散性在缸內(nèi)易于形成大強(qiáng)度的湍流和均勻的混和氣，加之較低的點(diǎn)火能量和快速的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，使得氫氣在缸?nèi)燃燒速度明顯快于汽油，導(dǎo)致燃燒持續(xù)期大幅縮短，傳熱損失大幅減少。

樣機(jī)已經(jīng)在公司用車上使用二年，市場(chǎng)有需要可以隨時(shí)投入批量生產(chǎn)。

“氫”催化燃燒會(huì)顯著縮短燃燒持續(xù)期，使燃料在缸內(nèi)充分燃燒并燒盡，提高燃燒熱效率和做功能力，經(jīng)多年使用測(cè)試可降低油耗15%左右，減少汽車尾氣排放50%以上。

2、柴油機(jī)加“氫”的催化燃燒：

“氫”在柴油機(jī)上的燃燒特性與汽油機(jī)的點(diǎn)火機(jī)理不同，氫氣是依靠柴油壓燃多點(diǎn)點(diǎn)火的，屬于預(yù)混合燃燒，由于氫氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣容^快，在柴油壓燃著火后，預(yù)混合氫氣燃燒的火焰面前進(jìn)速度會(huì)快于柴油擴(kuò)散燃燒的火焰面，與純柴油相比，柴油的擴(kuò)散燃燒階段的燃燒過程將會(huì)發(fā)生較大改變。

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柴油的分子式是C16H34及C16H32。柴油機(jī)“氫”催化燃燒的出發(fā)點(diǎn)是利用氫氣的高燃燒速率來縮短燃燒時(shí)間，提高熱效率和降低燃油消耗率，在使柴油充分燃燒后減少CO和碳煙等污染物的排放。

柴油機(jī)“氫”催化后著火滯燃期縮短，燃燒可在上止點(diǎn)附近完成，著火滯燃期受混合氣中氧影響不大，從而為采用廢氣再循環(huán)降低氮氧化物排放創(chuàng)造了條件。柴油/天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)碳?xì)渑欧泡^高，特別是在低負(fù)荷工況下，“氫”催化燃燒可有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)的碳?xì)渑欧帕渴固紵熍欧糯蠓鶞p少，燃油消耗也同時(shí)降低，達(dá)到節(jié)能減排效果。

如表所示氫氣與天然汽、柴油等燃料相比具有以下特點(diǎn)：

(1) 氫氣密度小，擴(kuò)散系數(shù)大，形成的混合氣均勻一致，燃燒速度快，有利于氫氣和空氣的快速混合和燃燒。因此，加“氫”后發(fā)動(dòng)機(jī)具有較高的熱效率。

(2) 氫氣與空氣的燃燒范圍最寬，故氫氣在氣缸內(nèi)的燃燒濃限和稀限兩側(cè)都較天然汽的為寬，所以加“氫”后發(fā)動(dòng)機(jī)具有較強(qiáng)的稀燃能力。

(3) 氫氣所需的點(diǎn)火能量低，這種性質(zhì)有利于發(fā)動(dòng)機(jī)在小負(fù)荷下工作。

(4) 在內(nèi)燃機(jī)的燃燒中，氫的滯燃期最短，其點(diǎn)火提前角可以用到最小。由于其燃燒速度快，在放熱速度、壓力升高速度等方面都是常用燃料中最快的，所以燃燒等容度最好，過后燃燒最少，排氣溫度較低。

(5) 氫氣的自燃溫度高，因此加“氫”后發(fā)動(dòng)機(jī)可以采用較大的壓縮比，從而使其有較高的熱效率和功率。

(6) 氫氣的稀薄燃燒特性使得氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)可以采用較大的廢氣再循環(huán)。

(7) “氫”自身燃燒具有良好的排放特性，燃燒時(shí)只產(chǎn)生氮氧化物和水。

由于“氫”催化燃燒使柴油機(jī)轉(zhuǎn)速增加，使得缸內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)加劇，強(qiáng)烈的氣流運(yùn)動(dòng)有助于油束的擴(kuò)散和混合氣的形成，減少了局部缺氧的區(qū)域，減少了燃燒的異相性，使燃燒室內(nèi)局部地區(qū)混合氣過濃或者過稀的區(qū)域減少，改善了燃燒。另外，高強(qiáng)度的渦流使得缸內(nèi)的溫度和壓力都有所升高，加速了已有一氧化碳CO和碳煙的氧化，促使一氧化碳CO和碳煙在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)充分燃燒，大幅降低尾氣有害物質(zhì)的排放量。

如圖所示，加“氫”催化柴油機(jī)在平均有效壓力為0．7MPa時(shí)，一氧化碳CO的排放量隨轉(zhuǎn)速的增加而減小。加“氫”催化柴油機(jī)加入氫氣后，一氧化碳CO的排放量降低至0．01％以下。

已經(jīng)生產(chǎn)多臺(tái)樣機(jī)，建議在深圳市公交公司燃油車輛上測(cè)試。

“氫”催化燃燒柴油機(jī)在實(shí)際測(cè)試中，可降低油耗8%左右，減少尾氣排放達(dá)成50%。