天然气催化燃烧技术在汽车发动机中的应用探讨

天然气催化燃烧技术在汽车发动机中的应用探讨

摘要：本文从环境保护和节约能源的角度出发，提出天然气汽车和普通化石燃料发电相比所具有的一些优势。

关键词：天然气汽车，催化燃烧，低碳节能。

1 前言：

化石能源在我国占据着不可动摇的地位，而由此产生的环境污染以及所造成的温室效应对全球产生了负面效应，如何减少污染以及减轻温室效应已是迫在眉睫。据此提出的低碳经济已是大势所趋，所谓的低碳经济即是以低排放，低消耗为基础的经济发展模式，其实质是追求洁净能源，能源高效利用，追求绿色GDP[1]。低碳经济具有能源消耗与碳排放比重下降和能源利用率提高的特征。

二氧化碳是全球温室效应的罪魁祸首。化石燃料中，以煤炭的含碳量最高，石油次之，天然气最少，因此用天然气逐步取代煤炭和石油是实现低碳经济的可行方法。而天然气不仅仅具有含碳量低减轻温室效应的优势，而且其属于高热值燃料，而且与液体和固体燃料相比，更易于和空气混合，碳氢比小，因此燃烧效率更高。煤炭燃烧过程中产生大量的二氧化硫，氮氧化合物，和粉尘，对大气环境造成了严重破坏，损害人类的健康，而天然气不会产生大量的污染物，用天然气替代煤炭后可节约能量11%-73%, 减排二氧化碳47%-84%, 氮氧化物44%-95%, 二氧化硫和粉尘近100%[2]。而与石油相比较，天然气较低窄的爆炸极限（5%-15%），以及与空气比重低于1的特点使得它在泄漏时易于被空气稀释消散，因此安全性较石油及其附属产品高（液化石油气比重大于1）。因此，大力发展天然气行业成为实现低碳经济，减少大气污染，提高能源利用率的可行方法。

2 天然气汽车的发展优势：

发展天然气汽车是基于目前汽车尾气排放造成空气环境污染的这一重要因素，目前世界上汽车燃料主要为汽油，汽车尾气的危害程度主要取决于汽油的成分。其主要有害成分为：未燃烧或燃烧不完全的CH、NOx、CO、CO2、SO2、H2S以及微量的醛、酚、过氧化物、有机酸和含铅、磷汽油所形成的铅、磷污染等。其中对人危害最大的有一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、铅的化合物及颗粒物。主要危害为：

一氧化碳：一氧化碳和人体红血球中的血红蛋白有很强的亲合力，它的亲合力比氧强几十倍，亲合后生成碳氧血红蛋白，从而消弱血液向各组织输送氧的功能，造成感觉、反应、理解、记忆力等机能障碍，重者危害血液循环系统，导致生命危险。

氮氧化物：氮氧化物主要是指NO、NO2，都是对人体有害的气体，特别是对呼吸系统有危害。

碳氢化合物：目前还不清楚它对人体健康的直接危害。但是HC和NOx在大气环境中受强烈太阳光紫外线照射后，产生一种复杂的光化学反应，生成一种新的污染物——光化学烟雾。

因此用天然气代替石油制品成为汽车发动机燃料将大大减少污染物的排放，更不会存在颗粒物的排放。尽管天然气用以取代常规能源的方法是在治理污染和提高能源利用率方面前进了一大步，但是常规的气相（或火焰）燃烧方法仍然造成了能源的浪费和污染物的排放。每年国内总有多起天然气热水器洗澡中毒造成多人伤亡的事件很好的说明了其燃烧产生的CO所具有的危害性，而氮氧化合物以及未燃烧的天然气(UHC)也能造成对环境和人体健康的损害。由此可见，天然气的气相燃烧方法并不完善，在燃烧过程中也存在着污染物排放和能源的浪费。正是基于天然气气象燃烧方法存在污染排放和燃烧不充分（燃烧中存在CO和UHC足以说明其燃料未能完全燃烧，说明燃料未能利用，燃烧不充分），我们提出了催化燃烧的概念。

催化燃烧技术是指可燃气体在固体催化剂表面上进行的燃烧，是可燃气体与空气在固体表面上进行的催化燃烧反应，属于多相催化燃烧反应中的完全氧化反应(即深度氧化)。催化燃烧技术是借助催化剂的催化作用，改变燃烧反应速度和反应路径，使可燃性气体分子完全破坏，直接生成最终产物二氧化碳和水，同时释放出热量[3，4]。与传统的气相燃烧反应相比，几乎不产生CO和UHC（未完全燃烧的碳氢化合物），因此燃烧效率极高，可达99.9%，而且产生氮氧化物的含量极低，能实现节能和减排的双重目的。并且其燃烧是在固体催化剂陶瓷孔板上进行的无焰燃烧，其防火防风安全性能都比较优越，而且能实现贫燃料燃烧，即在过量空气系数为2时可正常运行，而且其过量空气系数可以更高。这一技术与汽车尾气催化净化技术不同，后者实在在燃烧完毕以后对尾气（含大量污染物）采取催化氧化法、催化还原法、三元催化法进行净化，前者实在燃烧过程中就将污染物排除，其燃烧产物中的污染物含量接近于零。

尽管催化燃烧技术由于其较高的燃烧效率，极低的污染而有着极大的应用前景，但是目前催化燃烧的研究内容主要着眼于催化剂的制备，应用研究也是着眼于模拟其燃烧特性，催化燃烧由于需要催化剂，而在燃烧过程中由于反应温度较高（超过1000℃），这使得催化剂不能承受如此高温而出现催化剂失活，烧结堵塞等一系列问题，因此研制高温催化剂迫在眉睫；

催化燃烧启动时间问题，从刚开始燃烧到完全催化燃烧这段时间称之为启动时间，启动时间关系着催化剂的使用寿命，其实催化剂的寿命90%以上都是由于在启动时间内的温度冲击而折损，但是目前国际通行的启动时间实在7-15分钟，这一时间若能大幅度缩短当能大大延长催化剂的使用寿命；

由于催化燃烧目前在国内知名度并不较高，除了业内人士，外界人员几乎是闻所未闻，因此催化燃烧技术的宣传推广也是其面临的一个难题。

而且催化燃烧技术应用于汽车发动机领域时还会遇到以下问题：

以往的催化燃烧技术均是在连续不断稳定工况下下进行，而汽车发动机由于结构特殊，燃烧工况为间接式燃烧，不像其它燃烧器燃烧工况为连续燃烧，而且汽车发动机工况多变，会根据路况的不同以及载重量的不同导致燃烧工况的不同，其工况极不稳定，因此如何在这种多变工况下依然能保持燃烧的正常进行将是未来这一技术能否应用成功的关键。而且汽车发动机燃烧室较小，催化剂涂层该如何安装也是一个难题。

下面就是催化燃烧技术应用于汽车发动机领域的一些相关建议：

（1）对于汽车发动机燃烧特性，其间断式的燃烧特性可将其视为脉冲燃烧对待，考虑能否结合脉冲燃烧与催化燃烧的优点。脉冲燃烧器的工作原理与内燃机比较相似，就是在一个空间中将燃料与空气混合之后燃烧，利用燃烧产生的高压把废气高速排出，之后再吸入新鲜空气和燃料进行下一轮的燃烧。

（2）针对催化剂涂层的安装问题，可考虑在汽缸壁，活塞顶部涂抹一定当量的催化剂。而且国内已有涂于活塞顶部催化剂的燃烧模拟。

（3）催化燃烧的启动时间的缩短，考虑从燃烧器尺寸以及出口状态参数上进行试验，以期能达到缩短启动时间的目的。

结束语：

天然气催化燃烧技术由于其独特的燃烧方式导致较高的燃烧效率，以及其燃烧产物中CO，NOx污染物的含量大大降低，因此其是属于低碳节能的燃烧方式，而且由于目前国内城市环境由于汽车尾气的污染已经严重影响了城市居民的身心健康，因此这一技术应用于汽车发动机领域是应运而生的，如何大力推广这一低污染燃烧技术将对未来城市环境有着重要的影响。而且尽管这一技术目前并不成熟，但是并不能阻止我们继续研究的决心，这一技术的实际应用将极大的改善国内城市的大气环境，将为未来低碳经济，低碳城市的形成做出巨大的贡献。

参考文献：

[1]杨恩源.低碳经济对中国天然气行业的影响[J].能源研究与信息.2011,21（2）：63-66

[2]张晓霞.天然气应用与节能减排[J].河北工程大学学报2010.3. 27（1）:31-32

[3]王智华气相燃烧烟气分布及催化燃烧瞬态行为规律的研究[D]2012.3

[4]李宁催化燃烧冷凝锅炉热效率及节能特性研究[D] 北京建筑工程学院2011年15-18