基于催化燃烧的应急取暖器的研发综述

刘千汇 王钢 王欢 王秋爽 张建伟

摘要：随着社会的发展，人类对于生活环境舒适度的要求也在逐步提升，但室内供暖方式仍然存在不足。尤其在战疫期间，建筑室内供暖体系依然有待提升，传染病医院内为避免病毒通过中央空调传播导致供暖系统停用;多个严寒地区和寒冷地区在室外开展了全民核酸检测，无法保证人的正常生理活动等等。因此，为了人类能够生活在更好的、舒适的环境中，研发一种可作为无电应急热源、同时满足室内清洁度和人体舒适度且节能环保的便携移动取暖器在国内外都成为了热点问题。

关键词：催化燃烧;应急取暖器;供暖;无焰燃烧

前言：

随着社会与科学技术的发展、人们生活水平的不断提高与需求的增长人们对于经济和环保方面的要求也不断增加。催化燃烧自然而然地走进了大众的视野并被广泛应用在人们的生活中。催化燃烧与直接燃烧相比具有起燃温度低、节约能源、污染少、操作安全等诸多优势是一种对环境有好的资源利用方式，现已逐步用于工业化设施当中。1973年我国开始使用催化燃烧技术处理有机废气。我国相对于国外催化燃烧技术的使用起步较晚但在此之后我国催化燃烧相关技术一直在不断地进步。催化燃烧技术也越来越成熟并用于生活中。催化燃烧技术也需要继续研究更加先进，使这种技术得到普及，这样环境污染问题也会得到改善。当某些突发性的自然灾害如地震、洪涝、暴雪等给人们生活带来极大危害的情况发生时或面对突然来临的疫情而建立的方舱医院，在天气寒冷且电力供应不足时，人们应该如何拥有快速且有效取暖设施则是一个重要的问题。这时采用催化燃烧方式的应急取暖器则会为人们的取暖方面提供极大的帮助，可以及时的帮助人们拥有一个温暖的环境。基于催化燃烧的应急取暖器也更加的绿色环保也更加安全。而取暖器除了需要满足人们的对于取暖的需求外也需要考虑人们在使用此类取暖器时热舒适性的相关问题。

1.催化燃烧技术的历史发展

通过资料，我们了解到催化燃烧技术是在较低的温度下，使燃料达到燃烧阈值，从而进行燃烧，其对于燃烧进程的改善、燃烧反应温度的控制、对燃烧过程中形成的污染物抑制等方面有着至关重要的作用。我国对催化燃烧的概念引进最先要追溯到以发酵方法的酿造工艺，代表着人类最先利用生物催化的开始。18世纪，对催化剂的研究逐渐形成。在1740年，英国医生Ward，J.用硫磺和硝石（硝酸钾）一起燃烧制硫酸;19世纪中旬，“催化”和“催化剂”的概念被贝采尼乌斯（J.J.Berzelius）首次提出，标志着催化的研究和观察正式进入系统研究。随着研究的深入，奥斯特瓦尔德（W.Ostwald）推断出“在可逆反应中，催化剂会加速反应的进程，但不影响反应平衡”由此将催化燃烧推进了更高的台阶。

而催化燃烧与应急安全相结合的理念至今在国内外的研究较少，亟待进一步提高。杜娟、田成文[1]的催化燃烧技术研究中，在对催化燃烧技术研究基础上，重点介绍了该技术在国内外工业和各大类工业企业及智能应急家居的各项应用。将应急处置技术与环境友好发展紧密结合，使催化剂燃烧更好的实现在节能、低碳、环保的发展产业之中。庞小峰[2]将ATP分子的水解释放能量传递应用到生物学研究中，通过哈密顿化模型，和量子模型求出其振动能谱，最后将生物能量蛋白质分子的传递与生物组织的健康生长相结合，体现出了利用非生物的热效应在催化方向的生物医疗功能。

综合来看，采用贵金属催化剂的应急取暖器，有着高效节能、安全卫生等优点，所采用的贵金属催化剂各项指标均达到了国际水平。用于新冠疫情等重大突发事件发生时，与传统供暖方式相比较，它具备独立供暖、无需安装，采用辐射加热，升温更加的平稳、迅速。使用催化燃烧不产生明火，更加符合国家的节能减排政策，同时由于采用催化燃烧，相比传统的燃气供暖方式更加的安全且不会由于集中的空调供暖在医院等特殊环境中造成交叉感染，能为病人提供更加舒适的室内热环境、更加洁净的空气环境和安全病房的需求。

但是，目前的应急取暖器任然存在以下问题：

其一：在工作时其表面温度不均匀，表面温差过大。经检测，取暖器的发光板的不同位置上温差过大，这也就意味着取暖器的实际的供热面积远大于有效的供热面积。

其二：使用时频繁的更换燃气瓶，影响使用，且易造成安全问题。同时通过实验过程中反馈的数据分析，当燃气瓶壁温处于-5.2℃时，发光板上下温差为0，但是随着使用温差急剧升高，因此证明了现阶段应急取暖器不适用于我国所有的气候区使用。

其三：不可用于封闭环境中。从理论分析上可知，在催化燃烧的反应中当不存在TVOC等物质，但通过实验测量分析，在使用后会产生超量的TVOC和CO₂对人体产生危害且与理论分析的结论不服。因此需要确认物质的来源。

其四：由于追求便携性而导致了有效供暖面积不符合人体的生理需求，导致当设备处于低温环境时给人体的热感觉与热舒适度不达标，不及传统的电取暖。

2.催化燃烧技术的现状

新型冠状病毒肺炎（COVID-19）2019年12月在湖北省武汉市发现，很快在国内传播流行。方舱医院在新冠疫情的防控方面发挥了重要的作用。但是随着病毒的不断变异，其传播率也更大。传统中央空调采暖设备存在交叉感染的风险。因此催化燃烧取暖器的研发更加具有价值。

目前较为常见的燃烧方式有：直接燃烧，多孔介质燃烧，催化燃烧，多孔介质催化燃烧，后三者燃烧效率较高，污染少，热效率高。而对于燃料来说，燃料纯度越高，燃烧越好。比如甲烷在和空气在多孔介质燃烧中燃烧时，可以达到80%燃烧效率，但要是再加入氢气，甚至会达到90%以上，甚至99%。燃烧器的形状也是导致燃烧效率不同的关键，合理的燃烧器形状的设计可能会有40%左右的偏差。

催化燃燒在我国已经应用在多种领域之中，如本项技术应用于家用热水器之中已经实现;以及在汽车及其他机动车领域也得到了发展，大大降低了汽车尾气中污染物的排放降低了温室效应。

由此可以看出，此种类型的加热方式有如下优势：1.在方舱医院类应急场所能够发挥最大的优势，为突发情况提供更加便利、更加有效的取暖方式。2.响应国家“碳达峰”、“碳中和”的号召，实现了天然气的高效利用且不对环境造成污染，该项技术被认为是最有效的途径。3.在无电或缺电条件下依然可以正常燃烧对于应急情况下有着重要作用。4.可以应用于单兵作战环境中，为我国国防建设贡献力量。5.采用的无焰燃烧避免产生明火，大大降低了火灾隐患提高了安全性能。

上世纪70年代外国学者Pfefferle[3]将两种反应产生的现象相结合，提出了催化燃烧的概念。外国众多学者同时对空气在贵金属催化剂中的反应进行了研究，借助实验等多种方法得出，反应无CO、NOX以及CH4污染氣体的排放，是一种清洁燃烧的方式。燃气催化燃烧红外加热技术在加热领域已有较多的研究和应用实例。早在1916年，法国就成功开发了催化红外加热装置应用于飞机发动机[4]。1999年，Vulcan Catalytic Systems公司将其用于塑料制品的热成型[5]，Advanced Catalyst Systems公司将天然气通过催化燃烧红外辐射技术应用于制造家用烤炉和加热器。红外辐射采暖系统由美国先推出，到目前为止，在美国、加拿大、澳大利亚等国家广泛使用。

我国学者也利用红外辐射加热与热风循环两者相结合的方式，对涂层进行烘干固化。国内首家燃气辐射自主品牌为山东东旭热能工程科技有限发展公司，公司成立于2010，此前红外辐射采暖系统一直由国外知名大企业垄断经营生产。虽然近几年国内红外辐射采暖技术有所发展，但燃气催化红外加热技术多被设计用于大空间建筑采暖，因其安装条件及使用场所限制，不能将现有设备简单用于方舱医院等应急场所。燃气催化燃烧红外加热器具有其独特的优点，如温度响应快、热效率高、耗电量少等，这使得燃气红外供暖可简单有效的用于冬季传染病类医院的采暖。同时，以燃气催化燃烧红外加热技术为依托，专门设计用于应急场所的分布式取暖设备，在国内尚未出现，应急场所采暖成为红外供暖的又一极具潜力的发展方向。

3.催化燃烧技术的未来展望

根据目前技术的进展以及待解决的问题，在未来上存在以下几个方面亟待研究：1.应急取暖器发光板表面温度不均匀，这可能与生产工艺、安装方式、燃气的管路设计和排列方式有关。供暖的基础是发热体的表面应该热量分布均匀，分析及排除问题将有助于取暖器的优化。2.应急取暖器在燃气供应充足的条件下可以满足基础供暖，但在低温环境条件下液化气将不再适用该设备因此，因此在接下来的研究中，除优化取暖器本身构造外，还要优化取暖器的燃气供应使其满足我国的各大气候区不同的气候条件也使其更加的安全。3.当前应急取暖器的发光板面积过小导致测试人舒适度降低，但增大发光板的面积势必会导致供气均匀性、燃烧产物的排放等一系列问题。因此，研究发光板内部传热传质原理，将供气量、供气速度、气路走势、发光板面积和温度量化是解决该问题的方法之一。4.在实测中，未能考虑到我国广大的气候区以及相差过大的气候条件，因此为探究应急取暖器的普及性和广泛性。应追加中国不同气候区的测量，并增加不同年龄段、不同工作环境的测试。

参考文献：

[1]杜娟、田成文、范庆伟.催化燃烧技术研究进展及其应用

[2]庞小峰.生命体吸收的红外光的非热生物效应的研究

[3]L. D. Pefrrerie， W. C. Pefeffrie. Catalysis in combustion [J]. Catalysis Reviews-Science and Engineering， 1987， 29 （2-3）： 219-267.

[4]Andrey J. Zarur，Jackie Y. Ying. Reverse microemulsion synthesis of nanostructured complex oxides for catalytic combustion[J]. Nature Publishing Group UK，2000，403（6765）.

[5]Marcus F. M. Zwinkels，  Sven G. Jarås，  P. Govind Menon， et al. Catalytic Materials for High-Temperature Combustion[J]. Catalysis reviews. Science and engineering， 1993， 35（3）：319-358.

作者简介：

刘千汇（2001-），女，汉族，吉林通化人，吉林建筑大学本科在读，建环方向。

基金项目：

2021年吉林省大学生实践创新训练项目“基于催化燃烧的应急取暖器的研发及其热舒适研究”（202110191126）。