“氢”发生器催化燃烧机理及功效

水泥深圳市鑫九节能环保科技有限公司赵楠 2015-04-22

随着世界石油资源的短缺、中国雾霾天气的增加，政府对排放法规将日趋严格，做为动力之源的油品燃烧、煤炭燃烧必将成为环境治理的首要任务。如何在全新能源出现之前，在现有基础之上解决油品和煤炭燃烧造成的环境污染、热功效率低、能源浪费等现状是各国争先研究的课题。在众多技术中，氢以“燃烧后无污染、存在广、可再生”的特点成为佼佼者脱颖而出。深圳市鑫九节能环保科技有限公司长期与中国煤炭科学研究总院、清华大学及国外相关专家学者开展合作进行油品和煤炭的催化燃烧研究，近年已取得突破性进展，成功研制出“水解燃料”发生器，该装置分大型机：用于工业窑炉煤粉的催化燃烧；中型机：用于中小型船舶或工程柴油机上柴油的催化燃烧；小型机：用于车用汽油或柴油机的催化燃烧。“水解燃料”发生器其机理十分简单，就是通过电解水产生氢气和氧气，其技术难点在于低电耗常温常压下制取并安全使用氢气。

一、工业窑炉上煤炭或重油的催化燃烧

在中国，工业动力或热力基本来源于煤炭和重油的燃烧，目前每年消耗煤炭约40亿吨、消耗重油约8亿吨，在推动经济发展的同时也造成了环境的污染，也因热效率低造成能源浪费。随着社会的进步各种催化燃烧技术开始涌现，其目的都是如何提高燃料的燃烧速率及热力强度，在有效的空间和时间内将燃料烧尽，减少未燃尽碳粒及烃类物质造成环境污染和能源浪费。

在众多技术中，“氢”催化燃烧以催化效率高和燃烧后无污染成为技术领先者。“氢”的催化机理是：氢气燃烧属于典型的链锁反应过程，当形成一个分子水时，就得到两个新的中间活性物H、OH。

O2 + 2H2 → H2O + H + OH

同样一氧化碳CO的氧化（燃烧）反应也是“复杂的链锁反应”：

H+O2 → O+CO → CO2

↘ OH + CO → CO2 + H

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。当把除掉水分的氢及一氧化碳和氧接触，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→CO2+H反应不断产生新的H，一旦反应启动，就会循环下去，即使停止送入氢气和氧气，反应还会维持，氢“参加了反应但最终回到原态”。H2及其燃烧产物H2O对爆燃和火焰的辐射也有很强烈的影响。

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。

该产品已经完成中试：在2013年9月于广东英德英马水泥厂进行的试验中有5%以上的节能效果。

用于日产2500t/d水泥旋窑生产线的氢催化样机设备已经完成组装，正在广东清远广英水泥厂进行生产测试。

我们的目标是为企业降低5%～8%的煤耗、提高水泥熟料产量3%～5%并提高水泥熟料质量，综合效益每天可为企业节约或创造2万元人民帀。

市场前景，目前全国日产2500t/d水泥旋窑生产线折合有2200条，若该项技术能够顺利推广，每天可为企业节约或创造约4,400万人民帀的收益。煤炭使用量的减少和燃烧热效率的提高，减少了污染物的排放直接为大气环境做出贡献。

二、内燃机加“氢”的催化燃烧

内燃机自问世以来，经过了百余年的发展和改进，已经被广泛地应用于工业、农业、交通、军事等各个领域，对推动人类文明的发展起到了重大的作用。到目前为止，燃烧汽油和柴油的内燃机仍是热效率最高的热力发动机，它消耗了世界上46％的石油资源，发出的功率占世界所有动力装置的90％，在可预见的将来内燃机仍继续在人类的生产生活中扮演重要角色。然而内燃机燃料的主要来源仍然是石油和天然气，伴随化石能源逐渐枯竭，化石燃料燃烧造成的环境污染日益严重，温室效应导致全球灾难性气候频繁发生，化石燃料的诸多负面影响引起了各国的重视。因此节约石油能源、降低内燃机有害物质排放成为了全球性的重要课题。

“氢”气做为催化剂在内燃机中进行辅助燃烧具有以下特点：

(1) 着火界限宽广：氢气相对于汽油或柴油燃料具有更加宽广的着火界限(空气中体积含量：4％～75％)，氢气做为辅助燃料，可以进行稀薄燃烧，能显著改善点火性能，提高燃油经济性并且使燃烧反应更加完全。

(2) 点火能量低：氢气的最低点火能量只有0.02MJ，比汽油的0．24MJ低一个数量级。此特性保证了氢气在稀薄情况下可以快速点燃并燃烧，使冷起动更加容易，怠速运行时更加平稳。

(3) 淬熄距离短：氢气的淬熄距离为0.64mm，仅为汽油的的1/3，较小的淬熄距离可以使火焰传播至接近气缸壁，甚至可以达到活塞余隙，将进入活塞环与缸壁缝隙的混合气燃烧，使得燃烧更加完全。

(4) 放热温度高：氢气的自燃温度为858K，汽油为550K。所以氢催化燃烧可以快速提高油品的燃烧速率。

(5) 火焰传播速度快：氢气的火焰传播速度为237cm/s，比汽油的41.5cm/s快将近5倍，这意味着氢催化燃烧可以使发动机更接近理想等容热力学循环，提高了热效率，同时，较快的火焰传播速度加速了混合气燃烧的速度并减小了循环变动，提高了发动机运行稳定性。这在怠速混氢过程中体现的尤为明显。

(6) 燃烧后污染排放小：氢气单独燃烧只会产生H20和NOx，不会产生HC、CO、C02和碳烟排放，在稀薄燃烧情况下氢可以完全燃烧。用氢气催化油品燃烧可大幅降低HC、CO和微细碳粉尘的排放。

1、汽油机加“氢”的催化燃烧：

氢气混入汽油中可以明显拓展混合气的着火界限，加速火焰传播，改善缸内燃烧，提高缸压，有利于发动机做功。氢气的高扩散性在缸内易于形成大强度的湍流和均匀的混和气，加之较低的点火能量和快速的火焰传播速度，使得氢气在缸内燃烧速度明显快于汽油，导致燃烧持续期大幅缩短，传热损失大幅减少。

样机已经在公司用车上使用二年，市场有需要可以随时投入批量生产。

“氢”催化燃烧会显著缩短燃烧持续期，使燃料在缸内充分燃烧并烧尽，提高燃烧热效率和做功能力，经多年使用测试可降低油耗15%左右，减少汽车尾气排放50%以上。

2、柴油机加“氢”的催化燃烧：

“氢”在柴油机上的燃烧特性与汽油机的点火机理不同，氢气是依靠柴油压燃多点点火的，属于预混合燃烧，由于氢气的火焰传播速度较快，在柴油压燃着火后，预混合氢气燃烧的火焰面前进速度会快于柴油扩散燃烧的火焰面，与纯柴油相比，柴油的扩散燃烧阶段的燃烧过程将会发生较大改变。

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柴油的分子式是C16H34及C16H32。柴油机“氢”催化燃烧的出发点是利用氢气的高燃烧速率来缩短燃烧时间，提高热效率和降低燃油消耗率，在使柴油充分燃烧后减少CO和碳烟等污染物的排放。

柴油机“氢”催化后着火滞燃期缩短，燃烧可在上止点附近完成，着火滞燃期受混合气中氧影响不大，从而为采用废气再循环降低氮氧化物排放创造了条件。柴油/天然气双燃料发动机碳氢排放较高，特别是在低负荷工况下，“氢”催化燃烧可有效降低发动机的碳氢排放量使碳烟排放大幅减少，燃油消耗也同时降低，达到节能减排效果。

如表所示氢气与天然汽、柴油等燃料相比具有以下特点：

(1) 氢气密度小，扩散系数大，形成的混合气均匀一致，燃烧速度快，有利于氢气和空气的快速混合和燃烧。因此，加“氢”后发动机具有较高的热效率。

(2) 氢气与空气的燃烧范围最宽，故氢气在气缸内的燃烧浓限和稀限两侧都较天然汽的为宽，所以加“氢”后发动机具有较强的稀燃能力。

(3) 氢气所需的点火能量低，这种性质有利于发动机在小负荷下工作。

(4) 在内燃机的燃烧中，氢的滞燃期最短，其点火提前角可以用到最小。由于其燃烧速度快，在放热速度、压力升高速度等方面都是常用燃料中最快的，所以燃烧等容度最好，过后燃烧最少，排气温度较低。

(5) 氢气的自燃温度高，因此加“氢”后发动机可以采用较大的压缩比，从而使其有较高的热效率和功率。

(6) 氢气的稀薄燃烧特性使得氢气发动机可以采用较大的废气再循环。

(7) “氢”自身燃烧具有良好的排放特性，燃烧时只产生氮氧化物和水。

由于“氢”催化燃烧使柴油机转速增加，使得缸内的气流运动加剧，强烈的气流运动有助于油束的扩散和混合气的形成，减少了局部缺氧的区域，减少了燃烧的异相性，使燃烧室内局部地区混合气过浓或者过稀的区域减少，改善了燃烧。另外，高强度的涡流使得缸内的温度和压力都有所升高，加速了已有一氧化碳CO和碳烟的氧化，促使一氧化碳CO和碳烟在发动机内充分燃烧，大幅降低尾气有害物质的排放量。