布朗气（氢氧气）的催化燃烧及其在危险废物焚烧上的应用

布朗气（氢氧气）的催化燃烧及其在危险废物焚烧上的应用 布朗气(氢氧气)的催化燃烧及其在危险废物焚烧上的应用 梁宝明，王耀军 (中国兵器科学研究院宁波分院，浙江 宁波 315103) 摘要:本文介绍一种经专用设备电解水产生的布朗气体(氢氧混合气)，并对其催化燃烧作 用进行分析。将一定量的布朗气加入到燃油燃烧器，应用于危险废物焚烧助燃，具有突出的 减排效果:1、空气过量系数α<1.05;2、烟气中CO排放降低18.0,;3、火焰温度提高、 高温区面积增大，温度型NOx排放提高17.2%。布朗气催化燃烧技术可广泛用于各种危险废 物焚烧炉。 Catalytic Combustion of Brown Gas and It’s Application in Waste Incineration Liang Baoming， Wang Yaojun (Ningbo Branch of China Academy of Ordance Science, Ningbo 315103, China) Abstract:This paper presents a specialized brown gas made by water electrolysis, and analyze the catalytic combustion of the gas. By inputting a certain amount of brown gas into oil burner and applying it to waste incineration, some distinguish features reached:1,minimal air excessive coefficient reached:α<1.05. 2,emission of CO reduced 18.0,. 3,flame temperature improved, and high temperature area increased. Brown gas catalytic combustion technology can be widely used for various kind of waste incinerators. 1前言 布朗气由澳大利亚科学家Yull Brown于1978年开发并定义为“一种利用特 定方式水电解产生的氢氧混合气体”。它与普通的氢氧混合气具有本质区别，首 先布朗气通过电解水获得，即产即用，混合气体具有较高的能级和活性(时效性); 另一方面布朗气体本身含有一定数量的水和离子态氢氧。 布朗气技术原替代乙炔，用于金属的焊(熔焊)割(熔割)、首饰加工、亚 克力加工等，具有清洁无污染，火焰集中工效高的特点。随着国际能源关系的紧 【1】【2】张，韩国的KIM SANG NAM、E&E等先后开展布朗气的催化燃烧研究，取得了 一定的效果。中国兵器科学研究院作为国内最早开展布朗气应用开发的研究机 构，深入分析了布朗气的催化燃烧作用，结合布朗气燃烧、布朗气复合燃料燃烧、 布朗气固体废物催化燃烧三种技术，在医疗垃圾焚烧应用上取得了一定的效果。 2布朗气的催化燃烧 2.1布朗气催化燃烧机理 氢气燃烧属于典型的链锁反应过程，当形成一个分子的水时，就得到两个新的中间活性物H、OH。 O HO+H+OH ，2H222 同样一氧化碳的氧化反应(燃烧)是“复杂链锁反应”: O+CO CO 2 H+O OH+CO CO+H 22 一氧化碳与空气混合物的燃烧速度很小，在有含氢物质存在时，燃烧速度就会显著提高。当把除掉水分和氢的“干燥”一氧化碳和氧接触，则在700?以下是不会起反应的。一氧化碳的氧化链锁反应成立的条件是必须有H?和OH?等原子(团)组成的活化中心参与反应，由于OH+CO CO+H反应不断产生新的H，2 一旦反应启动，就会循环下去，即使停止送入布朗气，反应还会维持，氢“参加了反应但最终回到原态”。H及其燃烧产物HO对爆燃和火焰的辐射也有很强烈22 的影响。 由于氢对燃烧中间产物氧化反应的链锁推进，提高了CO、烃类等的氧化反应速度，可以在保持燃烧性能的前提下，大幅度降低空气过量系数，从而减少排烟热损失，提高燃烧系统的热效率。 2.2二恶英抑制机理 布朗气催化燃烧具有二恶英抑制作用。 (1)垃圾中常见的有机物不完全燃烧产生五氯酚，在炉膛尾部形成二恶英【3】，引入布朗气使碳黑和烟气排放同步降低，减少了五氯酚生成带来的二恶英排放和碳黑颗粒吸附的二恶英。 (2)由电解水产生的布朗气带有一定的碱性水溶液，碱的氧化性气氛已有前人验证对二恶英有抑制作用。 (3)二恶英的加氢热解效果优于化学热解，在350?加热1小时有99,的 【4,5】脱氯效果。固相二恶英的浓度是生成反应、解析反应和分解反应共同作用的结果，而加氢环境使得垃圾焚烧过程中二恶英的解析反应和分解反应占主导，具抑制二恶英生成效果。二恶英的光解实验也得出同样的结论，即溶剂越容易提供 【6】氢，二恶英在其中的光解速度越快。 【7】【8】(4)国外Vogg等、Ross等实验明，氧浓度小于2,时二恶英生成很少。布朗气催化燃烧技术的α取到极小值1.01，烟气中氧含量0.2,0.3,。 2.3布朗气复合燃料燃烧器 燃烧器系统分为电源系统、检测控制系统及人机界面、传感检测系统、电解系统、催化及燃烧系统五部分。 在上海工业锅炉研究所(机械工业工业锅炉及环保产品质量监督检测中心，下称检测中心)的性能测试，采用Olympia LT-61W燃烧器作比对，用于分析比较MT-60H布朗燃烧器的性能指标。实验平台采用检测中心的1.56MW实验台。 测量项目 采用仪器 精度厂家 仪器编号 燃烧器测试 1.56MW试验台 / 上海工业锅炉 平台 研究所 进油流量 椭圆齿轮流量计 0.5级 上海光华仪表 厂 S-03 烟气成份分析 德图350烟气分析仪 1 级 / F-200 炉膛温度 WBR-130 0.5级上海自仪三厂 S-07 表 1 测试用主要仪器 除由温度的升高，温度型NO排放有所上升外，其余各项指标都有不同程度x 的改善，其中空气过量系数的改善效果显著。 项 燃油体 输出 空气过 炉膛 CO NO烟气Ox 2 目 分 组 积流量 功率 量系数α 温度T 含量含量 含量 1 LT -61W 52.70 527.78 1.18 720.5 128 1363.3 MT-60H 52.10 521.431.01 733.8 90159 0.2 2LT-61W 47.3 473.12 1.22 687.8 64 138 3.8 MT-60H 47.6 476.50 1.01 711.8 60 1620.3 表 2 不同体积流量下的检测数据 2.3.1空气过量系数 为保证燃烧充分，必须具有足够的空气量，即大的空气过量系数。但增大空气过量系数，也相应增加空气中不参与燃烧的氮气量，使燃烧后烟气量显著增加，带来两方面不利影响: (1)烟气量增多，烟气处理成本及难度增强。 (2)排烟热损失增大，燃烧温度下降，影响燃烧效率。 因此控制燃烧空气量，即控制空气过量系数是节约工业炉能源的又一措施。在保证燃料完全燃烧的前题下，这是提高热效率最经济简便的方法。在排烟温度 为300?时，空气过量系数α,1.01和1.25相比较，热效率从84.5%降至82%，随着排烟温度的升高，这部分变化更明显。 燃料种类 煤、焦炭煤粉 液体燃料 气体燃料 空气过量 1.05, 1.15 1.2,1.5 1.2 ,1.25 1.15 ,1.25 系数取值 【】9表 3 各种燃料通常采用的空气过量系数 图 1 炉的排烟温度和热效率 在实际工程应用中，在保证燃烧稳定充分、排放合格的条件下，尽可能采用 【10】较低的空气过量系数。通常，炉子和液体燃料燃烧器的空气过量系数α控制在1.15,1.25之间。 通过以外混方式加入定量配比的布朗气，利用布朗气成份中氢氧的链锁反应，燃油反应催化加速，在检测中心的测试结果表面:空气过量系数突破了燃油燃烧器的平均水平，取得极低值:α,1.01。 2.3.2烟气CO含量 燃料燃烧完全与否通过烟气中CO浓度间接反映。由于一氧化碳的氧化反应属于“链锁反应”，在布朗气的富氢环境下，提高了CO的氧化率，从而降低了CO排放。MT-60H布朗燃烧器的CO排放平均较Olympia LT-61W降低18.0,。 2.3.3火焰温度 燃烧过程中NO排放反映火焰温度高低。布朗燃烧器相比Olympia燃油燃烧x 器，炉膛温度平均提高18.4?，同时带来的不利影响是NO排放增加了17.2,。x 说明火焰温度提高、高温区面积增大，该排放变化属于温度型NO增加，可通过x控制炉子的温度实现NO排放控制。 x 3医疗废弃物焚烧应用 南京净之杰固体废物处理有限公司拥有上海、南京、无锡和昆山四个垃圾焚烧场，是国家环保总局择定的二恶英类POPs控制与减排BAT/BET全国3家医疗废物焚烧行业示范备选企业之一。 将布朗气催化燃烧技术应用于该公司设计处理能力为2800t/y的两台QNK-15控气式热裂解焚烧炉，通过对该控气炉的布朗气催化工艺改造，进行焚烧医疗废弃物的生产性试验。经过6个月的使用，取得了良好的效果。 (1)布朗气使控气式焚烧炉中CO的氧化反应速度明显加快，CO转化为CO2的反应活化温度降低了150?左右，焚烧炉的燃烧效率显著提高。 (2)布朗气的加入总量与焚烧炉的烟气量之比即使小于万分之一，亦可明显改变焚烧炉的燃烧状态和降低烟气排放水平;同时布朗气对炉壁有吸附作用，其滞后效果明显。 (3)在实际医疗垃圾焚烧生产过程中，采用布朗催化燃烧技术可使烟气排放总量减少约三分之一。 4结论 布朗气催化燃烧技术具有如下特点: (1)气体催化剂，效果好; (2)清洁高效、不产生二次污染; (3)抑制二恶英生成; (4)空气加入方式，设备改造简单，安全、低成本、广泛适用性。 该技术改变了传统的燃烧方式，使燃料消耗大幅度降低，完全符合循环经济的理念，其减量化、再使用、资源化的特征和效果十分显著，是一项创新的能源技术，可广泛应用于危险废物焚烧、城市垃圾焚烧、热电生产和工业加热炉等领域，具有广阔的市场前景。 1[] KIM SANG NAM. 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