布朗氣（氫氧氣）的催化燃燒及其在危險廢物焚燒上的應用

摘要：本文介紹一種經專用設備電解水產生的布朗氣體（氫氧混合氣），并對其催化燃燒作用進行分析。將一定量的布朗氣加入到燃油燃燒器，應用于危險廢物焚燒助燃，具有突出的減排效果：1、空氣過量系數α<1.05；2、煙氣中CO排放降低18.0％；3、火焰溫度提高、高溫區面積增大，溫度型NOx排放提高17.2%。布朗氣催化燃燒技術可廣泛用于各種危險廢物焚燒爐。

1前言

布朗氣由澳大利亞科學家Yull Brown于1978年開發并定義為“一種利用特定方式水電解產生的氫氧混合氣體”。它與普通的氫氧混合氣具有本質區別，首先布朗氣通過電解水獲得，即產即用，混合氣體具有較高的能級和活性（時效性）；另一方面布朗氣體本身含有一定數量的水和離子態氫氧。

布朗氣技術原替代乙炔，用于金屬的焊（熔焊）割（熔割）、首飾加工、亞克力加工等，具有清潔無污染，火焰集中工效高的特點。隨著國際能源關系的緊張，韓國的KIMSANGNAM、E&E等先后開展布朗氣的催化燃燒研究，取得了一定的效果。中國兵器科學研究院作為國內最早開展布朗氣應用開發的研究機構，深入分析了布朗氣的催化燃燒作用，結合布朗氣燃燒、布朗氣復合燃料燃燒、布朗氣固體廢物催化燃燒三種技術，在醫療垃圾焚燒應用上取得了一定的效果。

2布朗氣的催化燃燒

2.1布朗氣催化燃燒機理

氫氣燃燒屬于典型的鏈鎖反應過程，當形成一個分子的水時，就得到兩個新的中間活性物H、OH。

O2＋2H2→H2O+H+OH

同樣一氧化碳的氧化反應（燃燒）是“復雜鏈鎖反應”：

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。當把除掉水分和氫的“干燥”一氧化碳和氧接觸，則在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，就會循環下去，即使停止送入布朗氣，反應還會維持，氫“參加了反應但最終回到原態”。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，從而減少排煙熱損失，提高燃燒系統的熱效率。

2.2二惡英抑制機理

布朗氣催化燃燒具有二惡英抑制作用。

（1）垃圾中常見的有機物不完全燃燒產生五氯酚，在爐膛尾部形成二惡英，引入布朗氣使碳黑和煙氣排放同步降低，減少了五氯酚生成帶來的二惡英排放和碳黑顆粒吸附的二惡英。

（2）由電解水產生的布朗氣帶有一定的堿性水溶液，堿的氧化性氣氛已有前人驗證對二惡英有抑制作用。

（3）二惡英的加氫熱解效果優于化學熱解，在350℃加熱1小時有99％的脫氯效果。固相二惡英的濃度是生成反應、解析反應和分解反應共同作用的結果，而加氫環境使得垃圾焚燒過程中二惡英的解析反應和分解反應占主導，具抑制二惡英生成效果。二惡英的光解實驗也得出同樣的結論，即溶劑越容易提供氫，二惡英在其中的光解速度越快。

（4）國外Vogg等、Ross等實驗表明，氧濃度小于2％時二惡英生成很少。布朗氣催化燃燒技術的α取到極小值1.01，煙氣中氧含量0.2～0.3％。

2.3布朗氣復合燃料燃燒器

燃燒器系統分為電源系統、檢測控制系統及人機界面、傳感檢測系統、電解系統、催化及燃燒系統五部分。

在上海工業鍋爐研究所（機械工業工業鍋爐及環保產品質量監督檢測中心，下稱檢測中心）的性能測試，采用OlympiaLT-61W燃燒器作比對，用于分析比較MT-60H布朗燃燒器的性能指標。實驗平臺采用檢測中心的1.56MW實驗臺。

表1測試用主要儀器 

除由溫度的升高，溫度型NOx排放有所上升外，其余各項指標都有不同程度的改善，其中空氣過量系數的改善效果顯著。 

表2不同體積流量下的檢測數據

2.3.1空氣過量系數 

為保證燃燒充分，必須具有足夠的空氣量，即大的空氣過量系數。但增大空氣過量系數，也相應增加空氣中不參與燃燒的氮氣量，使燃燒后煙氣量顯著增加，帶來兩方面不利影響： 

（1）煙氣量增多，煙氣處理成本及難度增強。 

（2）排煙熱損失增大，燃燒溫度下降，影響燃燒效率。 

因此控制燃燒空氣量，即控制空氣過量系數是節約工業爐能源的又一措施。在保證燃料完全燃燒的前題下，這是提高熱效率最經濟簡便的方法。在排煙溫度為300℃時，空氣過量系數α＝1.01和1.25相比較，熱效率從84.5%降至82%，隨著排煙溫度的升高，這部分變化更明顯。 

表3各種燃料通常采用的空氣過量系數【g】 

圖1爐的排煙溫度和熱效率

在實際工程應用中，在保證燃燒穩定充分、排放合格的條件下，盡可能采用較低的空氣過量系數【 】。通常，爐子和液體燃料燃燒器的空氣過量系數α控制在1.15～1.25之間。

通過以外混方式加入定量配比的布朗氣，利用布朗氣成份中氫氧的鏈鎖反應，燃油反應催化加速，在檢測中心的測試結果表面：空氣過量系數突破了燃油燃燒器的平均水平，取得極低值：α＝1.01。

2.3.2煙氣CO含量

燃料燃燒完全與否通過煙氣中CO濃度間接反映。由于一氧化碳的氧化反應屬于“鏈鎖反應”，在布朗氣的富氫環境下，提高了CO的氧化率，從而降低了CO排放。MT-60H布朗燃燒器的CO排放平均較OlympiaLT-61W降低18.0％。

2.3.3火焰溫度

燃燒過程中NOx排放反映火焰溫度高低。布朗燃燒器相比Olympia燃油燃燒器，爐膛溫度平均提高18.4℃，同時帶來的不利影響是NOx排放增加了17.2％。說明火焰溫度提高、高溫區面積增大，該排放變化屬于溫度型NOx增加，可通過控制爐子的溫度實現NOx排放控制。

3醫療廢棄物焚燒應用

南京凈之杰固體廢物處理有限公司擁有上海、南京、無錫和昆山四個垃圾焚燒場，是國家環保總局擇定的二惡英類POPs控制與減排BAT/BET全國3家醫療廢物焚燒行業示范備選企業之一。

將布朗氣催化燃燒技術應用于該公司設計處理能力為2800t/y的兩臺QNK-15控氣式熱裂解焚燒爐，通過對該控氣爐的布朗氣催化工藝改造，進行焚燒醫療廢棄物的生產性試驗。經過6個月的使用，取得了良好的效果。

（1）布朗氣使控氣式焚燒爐中CO的氧化反應速度明顯加快，CO轉化為CO2的反應活化溫度降低了150℃左右，焚燒爐的燃燒效率顯著提高。

（2）布朗氣的加入總量與焚燒爐的煙氣量之比即使小于萬分之一，亦可明顯改變焚燒爐的燃燒狀態和降低煙氣排放水平；同時布朗氣對爐壁有吸附作用，其滯后效果明顯。

（3）在實際醫療垃圾焚燒生產過程中，采用布朗催化燃燒技術可使煙氣排放總量減少約三分之一。

4結論

布朗氣催化燃燒技術具有如下特點：

（1）氣體催化劑，效果好；

（2）清潔高效、不產生二次污染；

（3）抑制二惡英生成；

（4）空氣加入方式，設備改造簡單，安全、低成本、廣泛適用性。

該技術改變了傳統的燃燒方式，使燃料消耗大幅度降低，完全符合循環經濟的理念，其減量化、再使用、資源化的特征和效果十分顯著，是一項創新的能源技術，可廣泛應用于危險廢物焚燒、城市垃圾焚燒、熱電生產和工業加熱爐等領域，具有廣闊的市場前景。