“氫”發(fā)生器催化燃燒機理及功效

隨著世界石油資源的短缺、中國霧霾天氣的增加，政府對排放法規(guī)將日趨嚴格，做為動力之源的油品燃燒、煤炭燃燒必將成為環(huán)境治理的首要任務。如何在全新能源出現(xiàn)之前，在現(xiàn)有基礎之上解決油品和煤炭燃燒造成的環(huán)境污染、熱功效率低、能源浪費等現(xiàn)狀是各國爭先研究的課題。在眾多技術中，氫以“燃燒后無污染、存在廣、可再生”的特點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期與中國煤炭科學研究總院、清華大學及國外相關專家學者開展合作進行油品和煤炭的催化燃燒研究，近年已取得突破性進展，成功研制出“水解燃料”發(fā)生器，該裝置分大型機：用于工業(yè)窯爐煤粉的催化燃燒；中型機：用于中小型船舶或工程柴油機上柴油的催化燃燒；小型機：用于車用汽油或柴油機的催化燃燒?！八馊剂稀卑l(fā)生器其機理十分簡單，就是通過電解水產生氫氣和氧氣，其技術難點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，工業(yè)動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，在推動經濟發(fā)展的同時也造成了環(huán)境的污染，也因熱效率低造成能源浪費。隨著社會的進步各種催化燃燒技術開始涌現(xiàn)，其目的都是如何提高燃料的燃燒速率及熱力強度，在有效的空間和時間內將燃料燒盡，減少未燃盡碳粒及烴類物質造成環(huán)境污染和能源浪費。

在眾多技術中，“氫”催化燃燒以催化效率高和燃燒后無污染成為技術領先者。“氫”的催化機理是：氫氣燃燒屬于典型的鏈鎖反應過程，當形成一個分子水時，就得到兩個新的中間活性物H、OH。

O2 + 2H2 → H2O + H + OH

同樣一氧化碳CO的氧化（燃燒）反應也是“復雜的鏈鎖反應”：

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，在有含氫物質存在時，燃燒速度就會顯著提高。當把除掉水分的氫及一氧化碳和氧接觸，在700℃以下是不會起反應的。一氧化碳的氧化鏈鎖反應成立的條件是必須有H和OH等原子（團）組成的活化中心參與反應，由于OH+CO→CO2+H反應不斷產生新的H，一旦反應啟動，就會循環(huán)下去，即使停止送入氫氣和氧氣，反應還會維持，氫“參加了反應但最終回到原態(tài)”。H2及其燃燒產物H2O對爆燃和火焰的輻射也有很強烈的影響。

由于”氫”對燃燒中間產物氧化反應的鏈鎖推進，提高了CO、烴類等的氧化反應速度，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。

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

用于日產2500t/d水泥旋窯生產線的氫催化樣機設備已經完成組裝，正在廣東清遠廣英水泥廠進行生產測試。

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

市場前景，目前全國日產2500t/d水泥旋窯生產線折合有2200條，若該項技術能夠順利推廣，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。

二、內燃機加“氫”的催化燃燒

內燃機自問世以來，經過了百余年的發(fā)展和改進，已經被廣泛地應用于工業(yè)、農業(yè)、交通、軍事等各個領域，對推動人類文明的發(fā)展起到了重大的作用。到目前為止，燃燒汽油和柴油的內燃機仍是熱效率最高的熱力發(fā)動機，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力裝置的90％，在可預見的將來內燃機仍繼續(xù)在人類的生產生活中扮演重要角色。然而內燃機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)境污染日益嚴重，溫室效應導致全球災難性氣候頻繁發(fā)生，化石燃料的諸多負面影響引起了各國的重視。因此節(jié)約石油能源、降低內燃機有害物質排放成為了全球性的重要課題。

“氫”氣做為催化劑在內燃機中進行輔助燃燒具有以下特點：

(1) 著火界限寬廣：氫氣相對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，可以進行稀薄燃燒，能顯著改善點火性能，提高燃油經濟性并且使燃燒反應更加完全。

(2) 點火能量低：氫氣的最低點火能量只有0.02MJ，比汽油的0．24MJ低一個數(shù)量級。此特性保證了氫氣在稀薄情況下可以快速點燃并燃燒，使冷起動更加容易，怠速運行時更加平穩(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?，甚至可以達到活塞余隙，將進入活塞環(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)動機更接近理想等容熱力學循環(huán)，提高了熱效率，同時，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，提高了發(fā)動機運行穩(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?。簹錃鈫为毴紵粫a生H20和NOx，不會產生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和微細碳粉塵的排放。

1、汽油機加“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?，改善缸內燃燒，提高缸壓，有利于發(fā)動機做功。氫氣的高擴散性在缸內易于形成大強度的湍流和均勻的混和氣，加之較低的點火能量和快速的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，使得氫氣在缸內燃燒速度明顯快于汽油，導致燃燒持續(xù)期大幅縮短，傳熱損失大幅減少。

樣機已經在公司用車上使用二年，市場有需要可以隨時投入批量生產。

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

2、柴油機加“氫”的催化燃燒：

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

[Page]

柴油的分子式是C16H34及C16H32。柴油機“氫”催化燃燒的出發(fā)點是利用氫氣的高燃燒速率來縮短燃燒時間，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“氫”催化后著火滯燃期縮短，燃燒可在上止點附近完成，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)動機碳氫排放較高，特別是在低負荷工況下，“氫”催化燃燒可有效降低發(fā)動機的碳氫排放量使碳煙排放大幅減少，燃油消耗也同時降低，達到節(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：

(1) 氫氣密度小，擴散系數(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)動機具有較高的熱效率。

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

(3) 氫氣所需的點火能量低，這種性質有利于發(fā)動機在小負荷下工作。

(4) 在內燃機的燃燒中，氫的滯燃期最短，其點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)動機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)動機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，燃燒時只產生氮氧化物和水。

由于“氫”催化燃燒使柴油機轉速增加，使得缸內的氣流運動加劇，強烈的氣流運動有助于油束的擴散和混合氣的形成，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，高強度的渦流使得缸內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)動機內充分燃燒，大幅降低尾氣有害物質的排放量。

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

已經生產多臺樣機，建議在深圳市公交公司燃油車輛上測試。

“氫”催化燃燒柴油機在實際測試中，可降低油耗8%左右，減少尾氣排放達成50%。