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更新时间：2017-05-31 10:25:23

水蒸汽裂解催化剂及其制法和水蒸汽裂解氢燃烧方法的推广可行性分析邓振炎教授上海大学（盖章） 2013 年 6 月目录一、摘要二、本项目技术的研究背景三、水蒸汽裂解催化剂及其制法四、水蒸汽裂解氢燃烧方法五、装置原理六、总体热过程及热效率…

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水蒸汽裂解催化剂及其制法和水蒸汽裂解氢燃烧方法的推广可行性分析

邓振炎教授

上海大学（盖章） 2013 年 6 月

目

录

一、摘要二、本项目技术的研究背景三、水蒸汽裂解催化剂及其制法四、水蒸汽裂解氢燃烧方法五、装置原理六、总体热过程及热效率分析七、本项目技术的环境影响分析八、本项目技术的成本及规模推广的可行性分析。九、结论十、附件

摘

要

化石能源燃烧所产生的环境问题已成为经济和社会发展的重要问题，去年冬季以来北京等我国北方城市出现的持续雾霾天气给我们敲响了警钟，说明经济的发展不注重环境的保护将产生严重的社会问题。分析表明雾霾的主要成分是悬浮在空气中的有毒 PM2.5 颗粒，而 PM2.5 颗粒主要来源于煤等化石能源的燃烧。因此，发展取代使用煤作为燃料的高效清洁燃烧技术是社会经济发展的迫切需求。由重庆市永川区陈怀超发明的水蒸汽裂解氢燃烧方法（专利号： 201210364826.7）是一项具有重要意义的高效清洁能源技术，其主要燃烧燃料是生物质燃料甲醇，借助蒸汽雾化技术及氢气助燃技术，使得液体燃料的燃烧有非常高的效率。利用这项技术来加热工业锅炉中的水表明，相对于煤燃烧加热，这一新的技术具有加热快、燃料使用量少等特点；且所用燃料的总体成本相对于使用煤炭有所下降。最重要的是由于本技术使用的燃料是清洁燃料，因此基本没有 PM2.5 及其它粉尘的排放，大大改善了周围和城市的环境，是一项值得在工业锅炉、船舶及舰艇等方面大规模推广的工业化高效清洁燃烧技术。本人从专业角度出发，对这一技术的原理、燃烧过程、热效率及其物理机理作了解析，并对这一燃烧技术所产生的副产物对环境的影响作了说明。同时，本文还给出了这一新的高效节能技术在规模推广过程中的成本计算。我们的研究表明这项新的技术不仅能极大地减少煤燃烧过程中的 PM2.5 颗粒排放，而且能够产生明显的经济和社会效益。

二、

本项目技术的研究背景随着出现人类文明以来，能源一直是我们社会生活的必须品。古代能源的

基础是木材的燃烧，其产生的二氧化碳通过光合作用重新转变为有机碳，成为新的木材，实现了能源和副产物的自循环。由于古代能源使用的总量有限，因此，能源的使用不会对环境造成影响。十八世纪英国工业革命开启了现代工业社会的新时代，大大地解放了人类的生产力，提高了生产效率，使人类社会在不到 300 年的时间里发展到现在的互联网信息时代。但与古代社会截然不同，现代社会的能源是以不可再生的经数千万年

至数亿年形成的化石能源为基础的，这些能源包括煤、石油及天然气等。由于社会经济的发展，全球化石能源的消耗逐渐增加，但我们地球所储存的化石能源有限，因此，在一定的时间内全球的化石能源将面临枯竭。相关数据表明，世界已探明可开采煤炭储量预计可供人类使用 112 年，石油储量可使用 54 年，天然气可使用 64 年，因此，发展新的可再生能源技术成为人类共同面临的问题。另一方面，化石能源的大量使用已带来很大的环境问题，如温室效应、酸雨及粉尘导致的雾霾天气等等。相关研究表明，在过去的约 100 年时间里地球表面的平均气温升高了近 1°C，导致北极和南极的冰融化及全球极端气候的平凡出现。由于占目前能源结构 80%的化石能源在我们的经济生活中将继续使用，因此，由二氧化碳导致的温室效应还会持续。同时，大量化石能源使用产生的粉尘已严重影响城市的环境和我们的日常生活，去年冬季以来在我国北方地区出现的持续雾霾天气就是最好的例证。分析表明，雾霾的主要成分是悬浮在空气中的有毒 PM2.5 颗粒（即粒径为 2.5 微米的粒子），而 PM2.5 颗粒来源主要有日常发电、工业生产、汽车尾气排放等过程中经过燃烧而排放的残留物。研究表明，北京市 PM2.5 约 60%来源于燃煤、机动车燃油、工业使用燃料等燃烧过程，23%来源于扬尘，17%来源于溶剂使用及其它。中国是一个能源消耗大国，但中国的能源储量相对不足。中国的煤炭储量位居美国、俄罗斯之后处于世界第三位，约占全世界储量的 12.6%；中国的石油储量约 60 亿吨位居世界第九位，与仅有约 600 万人口的利比亚的石油储量相当；中国的常规天然气储量位居全世界第 14 位。虽然我国的非常规天然气即页岩气的储量位居世界首位，但其大规模的开采技术中国还处于研发阶段。由于我国经

济的快速发展，能源需求和消耗量快速增加，2009 年中国已经超过美国成为世界最大的能源消耗国。2011 年中国煤炭消费量占到全球煤炭总消费量的 46.2%，部分煤炭需要进口；目前我国石油年消耗量约 5 亿吨，但我国全年原油产量只有 2 亿吨左右，超过 56%的原油依靠进口，这种态势还将继续攀升。同时，我国能源的利用效率不高，相关数据表明中国单位 GDP 的能耗是日本的 7 倍、美国的 6 倍，甚至是印度的 2.8 倍 (2012 年 9 月 4 日《新京报》)。因此，我国在发展新能源技术及厉行节约的同时，提高能源的利用效率可能更为重要。重庆市永川区陈怀超发明的水蒸汽裂解氢燃烧技术就是提高能源效率及节能方面的尝试例证（专利号：201210364826.7）。这一

技术是一项高效清洁能源技术，其主要燃烧燃料是可再生的生物质燃料甲醇，借助蒸汽雾化技术及氢气助燃技术，使得液体燃料的燃烧有非常高的效率。利用这项技术来加热工业锅炉中的水表明，相对于煤燃烧加热，这一新的技术具有加热快、燃料使用量少等特点；且所用燃料的总体成本相对于使用煤炭有所下降。由于这一技术使用的燃料是清洁燃料，因此基本没有 PM2.5 及其它粉尘的排放。这一新的技术可广泛应用于各型工业锅炉或大型船舶、军用舰艇等。目前，我国大约有工业锅炉约 50 多万台，其中容量小于 10 吨/小时的蒸汽锅炉占锅炉总数的 95%。在我国的工业锅炉中，总容量 85%以上的为燃煤锅炉，耗能大、热效率低、排放多成为我国与发达国家的差距。相关数据显示我国工业锅炉每年烟尘排放量约 600 万～800 万吨，占全国烟尘总排放量的 33%；SO2 排放量约 500～600 吨，占全国总排放量的 21%；CO2 排放量约 6 亿吨。因此，陈怀超发明的这项技术具有广泛的市场和应用前景，是一项值得规模推广的高效清洁能源技术。如果这一新的技术能够得到广泛应用，不仅可减少城市工业粉尘的排放，而且能够带来明显的经济和社会效益，是一项社会、企业和政府都受益的技术。以下将对这一技术的原理及工业应用的可行性进行系统的分析。

三、

水蒸汽裂解催化剂及其制法

水蒸汽裂解催化剂即能将水蒸汽（H2O）分解成氢气和氧气的催化材料，陈怀超发明的水蒸汽裂解催化剂已成功用于氢气的产生。我们的实验表明，用陈怀超发明的水裂解催化剂在一定温度下水能反应产生氢气。以下是使用陈怀超发明的水裂解催化剂后水在不同的温度条件下产氢特性随温度的变化曲线。

Amount of evolved hydrogen (μmol)

12000

500C

8000

400C

4000

0 0 2 4 6 8 10

Time (hours)

图 1 不同温度条件下水裂解催化剂作用下水分解反应产氢曲线

水在催化剂的作用下分解成氢气和氧气的可能反应方程式是

催化剂

2H2O

→

加热

2H2 ↑ + O2 ↑

(1)

由于通过电感耦合等离子体发射光谱法（ICP）分析得出的水裂解催化剂成分含有 Al、Zn、Fe、P、Na 等（具体成分分析结果见附件），因此，以上氢气的产生一部分也可能是高温下金属(Me)与水的水解反应产氢。 2Me + 2H2O → 2MeOH + H2 ↑ (2)

由于陈怀超发明的水裂解催化剂具体成分目前还是商业秘密，因此，具体的物理化学过程以及准确的产氢反应还需要进一步的确认。但无论如何，依据方程(1)， 1 kg 水最多只能产生 0.11 kg 氢气。

金属、合金、无机盐、氧化物等混合球磨高温反应烧结高温热处理裂解催化剂

图 2 水裂解

催化剂制备工艺的基本流程图

图 2 是陈怀超发明的水裂解催化剂制备工艺的基本流程图，目前该工艺已可实现工业化生产，工业化工艺的产量可满足大规模推广该技术的需要。

四、

水蒸汽裂解氢燃烧方法由于本技术的应用主要是相对于燃煤锅炉有比较优势，因此，我们首先来

分析一下燃煤锅炉的燃烧过程。虽然国内有些工业锅炉采用先进的层燃工业锅炉技术及煤粉和流化床工业锅炉技术能部分提高锅炉的热效率，但在一些中小城市，大部分锅炉为了节省成本还是采用一般的煤燃烧技术。

火焰空气煤炭空气

图 3 煤炭燃烧示意图

图 3 为采用一般的煤燃烧技术的情况下锅炉中煤炭燃烧的示意图。由于煤炭是固体，因此，煤炭是放置在炉膛的底部进行燃烧，这样其燃烧反应只发生在煤炭的上部表面部分，燃烧反应的面积有限。由于煤炭的主要成分是碳，因此，燃烧的主要反应方程式是 C + O2 → CO2 ↑

燃烧

(3)

当空气与煤炭燃烧时会消耗空气中的氧气，因此，只有空气有足够的流动才能补充足够的氧气来维持煤炭的燃烧。然而只有底部的流动空气中的氧气参与燃烧，因此，流动空气中氧气的利用率低，需要快速的空气流动才能维持煤的燃烧。我们知道流动的空气会带走很大一部分煤燃烧产生的热量，由于煤燃烧需要快速的空气流动，因此，空气废气带走的热量很高，影响和降低了燃煤锅炉的热效率。另一方面，煤炭的颗粒尺寸大部分处在毫米级别以上，因此，比表面积较小，进一步降低了煤炭燃烧反应面积，导致煤完全燃烧需要的时间长。由于煤完全燃烧需要的时间长，因此，散热的时间也长，由此导致煤燃烧的热量经周围墙壁散热损耗的量也大，降低了煤燃烧的热效率。最后，煤颗粒燃烧的不完全性不仅影响

和降低煤燃烧的有效热效率，而且形成粉尘随排出的废气散发到大气中造成大气污染，是形成雾霾天气的原因之一。陈怀超发明的水蒸汽裂解氢燃烧方法相对于以上煤燃烧加热锅炉方法有明显的优势，图 4 为水蒸汽裂解氢燃烧过程示意图。

火焰．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．空气氢气+水蒸汽空气甲醇混合燃料

雾化

图 4 水蒸汽裂解氢燃烧方法示意图

陈怀超的水蒸汽裂解氢燃烧方法的主要燃料为甲醇混合燃料，其主要成分是液态甲醇，如果使用普通的喷嘴将液态甲醇喷出雾化燃烧，会有与煤燃烧一样的问题，即燃烧不完

全。这是因为普通喷嘴喷出雾化的液体其液滴尺寸仍然很大，由于这些液滴与周围空气中的氧气接触有限，因此，在短时间内完全燃烧存在困难。陈怀超使用的技术与普通喷嘴雾化技术不同，他的方法是用含氢气的水蒸汽来雾化液体甲醇燃料，并用水蒸汽中的氢气促进甲醇的燃烧。我们知道，甲醇有较低的沸点 64.5°C，因此，使用 160°C 高温的水蒸汽很容易将液态甲醇汽化成气态。由于气态物质的比表面积远远大于液态雾化液滴的比表面积，因此，甲醇蒸汽与空气中的氧气接触充分、短时间内燃烧完全。另一方面，水蒸汽中的氢气燃烧可能进一步加热和汽化甲醇，使甲醇的燃烧更完全，燃烧温度更高。 2CH3OH + 3O2 → 2CO2 + 4H2O ↑ 2H2 + O2 → 2H2O ↑

燃烧燃烧

(4) (5)

同时，水蒸汽中的氢气和甲醇蒸汽的燃烧可能存在协同效应，使甲醇的完全燃烧时间更短，热效率更高。陈怀超的实验表明，如果没有氢气的存在甲醇的燃烧仍能不完全，产生的热量不足于在短时间内加热锅炉，因此，氢气的存在是甲醇雾化和完全燃烧的关键因素。我个人认为氢气在促进甲醇快速完全燃烧过程中的作用目前还不十分清楚，还需要专业的实验室作细致定量的研究才能解析其中的机理和奥秘。另一方面，陈怀超发明的方法其燃烧的火焰位置容易调整，使其更接近锅炉的底部，使燃烧产生的热容易传递给锅炉中的水，提高了热效率。而燃煤锅炉由于煤处于炉的底部及需要通风空间，因此，燃烧的火焰与锅炉的底部有一定的距离，燃烧产生的热不容易传递给锅炉中的水，热效率低。总结起来，陈怀超发明的水蒸汽裂解氢燃烧方法相对于以上煤燃烧加热锅炉方法有以下优点：（1）陈怀超使用的技术其燃料的燃烧完全，而煤炭的燃烧不完全。（2）陈怀超使用的技术加热的速度快，而煤炭的燃烧加热的速度慢，因此，陈怀超的技术经周围墙壁散热的时间短，散热量少，提高了热效率。（3）陈怀超使用的技术可充分利用空气中的氧气，其空气流动的速度慢，因此，抽风机的功率小，节省能源；同时，由废气带走的热量也少，提高了整体热效率。而煤炭的燃烧空气流动的速度快，因此，抽风机的功率大，浪费能源；同时，由废气带走的热量多，降低了整体热效率。（4）陈怀超使用的技术其燃烧火焰的位置容易调整，使其更接近锅炉的底部，提高了热效率。而燃煤锅炉由于煤处于炉的底部及需要通风空间，火焰与锅炉的底部有一定的距离，热效率低。而煤炭的（5）陈怀超使用的技术其燃料的燃烧基本没有粉尘和 SiO2 排放，燃烧粉尘和 SiO2 排

放严重。（6）陈怀超使用的技术燃料的燃烧可立刻终止，节省能源，而煤炭的燃烧要终止需要剩余的煤烧完，浪费能源。综合以上分析可知，陈怀超使用的技术用于加热锅炉其热效率及节能方面明显优于煤炭燃烧方法。

五、

装置原理

由于陈怀超发展的水蒸汽裂解氢燃烧技术其目标是取代现在的燃煤锅炉技术，因此为了对比，图 5 给出了燃煤锅炉装置的示意图。

燃烧废气抽风机外供蒸汽

蒸汽

火焰煤炭

锅炉空气

图 5 燃煤锅炉装置原理示意图

从图 5 可以看出燃煤锅炉结构简单，其主要结构有炉膛、盛水容器、蒸汽外输系统、排废气用抽风机和管道等。使用陈怀超发明的水蒸汽裂解氢燃烧技术，其锅炉的结构与燃煤锅炉结构完全相同，如图 6 所示，只需要外加水蒸汽自循环系统、催化热解装置、燃料供应系统、热蒸汽雾化甲醇喷头等。因此，水蒸汽裂解氢燃烧锅炉装置可以在不改变燃煤锅炉基本结构的基础上通过简单的改装即

可实现，这非常有利于这一高效清洁燃烧技术的规模化推广。

燃烧废气抽风机外供蒸汽

自循环蒸汽

控制阀

蒸汽引燃剂火焰．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．锅炉空气

催化热解装置

图 6 水蒸汽裂解氢燃烧锅炉装置原理示意图

从图 6 可以看到，水蒸汽裂解氢燃烧锅炉装置在燃煤锅炉基础上增加的部分没有贵重的部件和复杂的装置，因此，改造成本不高。陈怀超的计算表明，一台 4 吨/小时的燃煤蒸汽锅炉改造成水蒸汽裂解氢燃烧锅炉其成本在 2 万人民币以内，一台 10 吨/小时的燃煤蒸汽锅炉改造成水蒸汽裂解氢燃烧锅炉其成本不超过 5 万人民币。因此，从经济的角度考虑，大规模推广水蒸汽裂解氢燃烧锅炉技术不存在困难。

六、

总体热过程及热效率分析

从上面的分析可知水蒸汽裂解氢燃烧锅炉相对于一般的燃煤蒸汽锅炉有比较高的热效率，即燃料燃烧产生的热被锅炉中的水吸收的比例高。

锅炉中水吸收的热量 ΔQ水吸收

通过周围环境散发掉的热量 ΔQ散发

燃料燃烧产生的总热量 ΔQ总

图 7 燃料燃烧产生的热量分配示意图

图 7 是燃料燃烧产生的热分配示意图，可以看到燃料燃烧产生的热(ΔQ 总)一部分被锅炉中的水吸收(ΔQ 水吸收)，使锅炉中的水温度升高，另一部分通过废气和周围的墙壁等散发掉了，这部分热属于浪费掉的热量。蒸汽锅炉的热效率可定义为：

η=

ΔQ水吸收 ΔQ 总

(6)

因此，锅炉中的水吸收的热量比例越高，锅炉的热效率越高。

表 1 容量为 4 吨/小时的蒸汽

锅炉用煤燃烧和用水蒸汽裂解氢燃烧加热实验数据对比锅炉水量煤燃烧水蒸汽裂解氢燃烧 3吨 3吨水初温 24°C 24°C 水终温 100°C 100°C 燃料量煤 200 千克甲醇 54 千克外来蒸汽量 0 40 千克

*实验数据经重庆市永川区经济和信息化委员会现场见证（见附件），煤燃烧实验数据由陈怀超直接提供。

表 1 为容量为 4 吨/小时的蒸汽锅炉用煤燃烧和用水蒸汽裂解氢燃烧加热

的实验数据。为了计算煤燃烧和水蒸汽裂解氢燃烧锅炉的热效率，我们首先讨论煤和甲醇的热值： (1) 煤的热值约为：U 煤 = 5000 kcal/kg ≈ 21 MJ/kg (2) 甲醇的热值约为：U 甲醇 = 4500 kcal ≈ 19 MJ/kg (3) 水的比热容为：C = 4.2 kJ/kg•°C (4) 氢气的热值：U 氢 = 142 MJ/kg 1、表 1 中加热 3 吨水所需要的热量为： ΔQ 水吸收 = mC(T2 – T1) = 3000 × 4.2 × 10-3 × (100 – 24) = 960 MJ 2、表 1 中煤燃烧产生的总热值： ΔQ 煤总 = 200 × 21 = 4200 MJ 3、甲醇和氢气的总热值：由方程(1)和表 1 可知，1 kg 水分解最多只能产生 0.11 kg 氢气，假定 40 千克蒸汽有 1 千克水蒸汽参与分解，那么产生的氢气量为： m 氢 =1 × 0.11 = 0.11 kg 因此，水蒸汽裂解氢燃烧过程中甲醇和氢气的总热值为： ΔQ 甲醇+氢 = 54 × 19 + 0.11 × 142 ≈ 1042 MJ 由方程(6)可计算燃煤锅炉和水蒸汽裂解氢燃烧锅炉的热效率，结果列于表 2。

表 2 容量为 4 吨/小时的蒸汽锅炉用煤燃烧和水蒸汽裂解氢燃烧的热效率燃料类型燃煤锅炉水蒸汽裂解氢燃烧锅炉热效率（η） 23% 92%

从表 2 的数据可以看到，水蒸汽裂解氢燃烧锅炉的热效率达到 92%，远高于燃煤锅炉的热效率。表 2 中燃煤锅炉的热效率为 23%，这一数据与普通一般燃煤

锅炉的热效率~50%的数据相比有些低，因此，燃煤锅炉的热效率比较测定实验还需要进一步的实验加于证实和确认。

表 3 容量为 4 吨/小时的蒸汽锅炉用煤燃烧和用水蒸汽裂解氢燃烧时废气抽风机的功率燃料类型燃煤锅炉水蒸汽裂解氢燃烧锅炉废气抽风机的功率 20 kW 5kW

表 3 给出了容量为 4 吨/小时的蒸汽锅炉用煤燃烧和水蒸汽裂解氢燃烧时废气抽风机的功率。由于水蒸汽裂解氢燃烧方法的燃料为蒸汽雾化的甲醇，因此，燃料与空气中的氧气能够充分接触，其需要空气流动的速度慢，因此，抽风机的功率小。而煤炭的燃烧要求空气流动的速度快，因此，抽风机的功率大。表 3 表明，如果工业用电的价格为毎度 0.8 元，一台容量为 4 吨/小时的蒸汽锅炉使用陈怀超的技术其废气抽风机的电费相对于燃煤可节省 12 元，一天可节省近 300 元，如满负荷工作一年可节省约 10 万元。因此，陈怀超的水蒸汽裂解氢燃烧锅炉技术相对于燃煤

锅炉技术在节能和提高锅炉的热效率方面都成效显著。

七、

本项目技术的环境影响分析

前面的分析表明，陈怀超发明的水蒸汽裂解氢燃烧方法其主要燃料是工业甲醇及由水蒸汽裂解产生的氢气，因此，燃烧的产物主要为二氧化碳和水(见方程 (4)和(5))，没有粉尘污染物的排放。为了证明水蒸汽裂解氢燃烧方法是一项清洁的燃烧方法，陈怀超委托中国原子能科学研究院对所使用的水蒸汽裂解催化剂样品作了放射性性能测试(见附件)，并委托重庆市永川区环境监测站对水蒸汽裂解氢燃烧方法加热锅炉产生的废气进行了粉尘、二氧化硫及氮氧化物的监测(见附件)，相关数据列于表 4 和表 5。

表 4 水蒸汽裂解催化剂 300g 样品放在探测器表面测量 25 小时的伽马放射性检查数据伽马射线能量，keV 238.6 295.3 352.1 583.5 609.6 放射性计数/1000 秒 11 4 6 2 6

表 5 水蒸汽裂解氢燃烧方法加热锅炉产生的废气监测数据锅炉类别水蒸汽裂解氢燃烧锅炉燃煤锅炉（一类区）燃油锅炉（一类区）燃气锅炉烟(粉)尘(mg/m3) 9.4(实测) 80 80 50 二氧化硫(mg/m3) 3.5(实测) 900 500 100 氮氧化物(mg/m3) 8.44(实测) / 400 400

从表 4 可以看出陈怀超使用的水蒸汽裂解催化剂样品的放射性为微量天然铀的放射性，与土壤样品的天然放射性基本一致，没有发现人工放射性或者放射性污染，因此，不存在放射性污染环境问题。表 5 同时还列出了一类地区燃煤锅炉、燃油锅炉和燃气锅炉的粉尘、二氧化硫及氮氧化物的最高排放浓度。图 8 是根据表 5 的数据绘制的四种锅炉产生的污染物对比图。从表 5 和图 8 可以看出，水蒸汽裂解氢燃烧方法加热锅炉产生的废气中以上三种污染物的浓度远远低于

燃煤锅炉、燃油锅炉和燃气锅炉污染物的排放浓度。因此，陈怀超发明的水蒸汽裂解氢燃烧方法用于加热锅炉对于减少粉尘、二氧化硫及氮氧化物等污染物的排放具有重要的作用。如果这一技术能够推广，将对我国城市环境的改善发挥作用。

900

污染物排放浓度(mg/m3)

粉尘二氧化硫氮氧化物

600

300

水蒸汽裂解氢燃烧锅炉

燃煤锅炉

燃油锅炉

燃气锅炉

图 8 不同类型的锅炉三种主要污染物排放溶度比较

八、

本项目技术的成本及规模推广的可行性分析。

上面的分析表明，陈怀超发明的水蒸汽裂解氢燃烧锅炉相对于燃煤锅炉、燃油锅炉及燃气锅炉在污染物排放方面有明显的优势。以下首先就水蒸汽裂解氢燃烧锅炉与燃煤锅炉的成本作一比较。以表 1 加热 3 吨的水至 100°C 所需要的成本为例，计算如下： 1、燃煤锅炉由于煤的价格不同的地方和不同的时间价格有变动，到达目

的地的附加运费各地也不一样，因此，我们取煤的平均价格为每吨 800 元人民币，这样煤的成本为： 800 × 0.2 = 160 (元) 从表 3 我们可计算排放废气的抽风机 1 小时的用电成本为： 20 × 0.8 = 16 (元) 总的成本为： 160 + 16 = 176 元 2、水蒸汽裂解氢燃烧锅炉 2013 年 4 月，我国市场上甲醇的价格在每吨 2400 ~ 2500 元，内蒙古、新疆等地的甲醇价格在每吨 2000 ~ 2100 元。我们取其平均价格为每吨 2300 元，那么消耗甲醇的成本为 54 × 2.3 ≈ 124 元从表 3 我们可计算排放废气的抽风机 1 小时的用电成本为： 5 × 0.8 = 4 (元) 催化剂及蒸汽的费用成本估计： 30 元总的成本为： 124 + 4 + 30 = 158 元因此，如果不比较以上两种燃烧方法的人工及其它成本，水蒸汽裂解氢燃烧锅炉与燃煤锅炉的成本比为 158 ÷ 176 = 90 % 即水蒸汽裂解氢燃烧锅炉的成本约为燃煤锅炉的 90%。事实上，燃煤锅炉操作所需人工成本可能比水蒸汽裂解氢燃烧锅炉的高，如果考虑燃煤锅炉污染物排放产

生的社会成本，陈怀超发明的水蒸汽裂解氢燃烧锅炉相对于燃煤锅炉有更多的成本优势。对于燃油锅炉和燃气（天然气）锅炉，其产生蒸汽的成本远高于燃煤锅炉。我们综合目前的数据分析，取燃油锅炉和燃气锅炉一相对比较公认的成本值，即燃油锅炉的成本是燃煤锅炉的 4 倍，燃气锅炉的成本是燃煤锅炉的 2 倍。表 6 和图 9 列出了不同类型锅炉产生蒸汽成本的比较

表 6 不同类型锅炉产生蒸汽成本的比较锅炉类型相对成本水蒸汽裂解氢燃烧锅炉 0.9 燃煤锅炉 1.0 燃气锅炉 2.0 燃油锅炉 4.0

*以上假定燃煤锅炉产生蒸汽的成本为 1

相对成本

水蒸汽裂解氢燃烧锅炉

燃煤锅炉

燃油锅炉

燃气锅炉

图 9 不同类型的锅炉相对成本比较

由于燃气锅炉需要铺设天然气管道至蒸汽锅炉，因此，燃气锅炉的成本还将提高。在我国许多中小型城市，特别是很多县级市或县城，目前还没有天然气供应，因此，燃气锅炉的使用会受到限制。而陈怀超发明的水蒸汽裂解氢燃烧锅炉其使用不受地域的限制，因此，其应用将更广泛。最近陈怀超使用 10 吨的天然气锅炉与水蒸汽裂解氢燃烧锅炉作对比实验（见表 7）也进一步证实了我们以上的分析。

表 7 使用 10 吨天然气锅炉与水蒸汽裂解氢燃烧锅炉对比实验数据锅炉水量天然气燃烧水蒸汽裂解氢燃烧 10 吨 10 吨产出蒸气量 9吨 9吨燃料量天然气 800 m3 甲醇 380 千克成本约 2800 元约 1140 元

另一方面目前国内甲醇的高产能也为水蒸汽裂解氢燃烧锅炉技术的推广提供了契机。自 2005 年以来，我国甲醇的生产能力就一直保持快速增长的态势

。 2005 ~ 2012 年，全国甲醇生产能力年均增长率达到 54%，平均每年新增产能 600 余万吨。 2010 年全国甲醇产能达到 4200 万吨， 2011 年产能达到 4900 万吨， 2012 年全国甲醇产能突破 5000 万吨大关，达到创纪录的 5300 万吨。预计 2013 年，我国甲醇的产能还将增加约 600 万吨，总产能将达到 5900 万吨。近年来，随着我国经济的持续发展，国内市场甲醇的需求量一直在稳步上升，但是需求量的增长远远赶不上生产能力的高速增长。2005 ~ 2011 年，我国市场上甲醇的需求量从 700 万吨增加到 3100 万吨， 7 年时间增加了 2400 万吨，年均增长率约为 21%。而在 2005 ~ 2012 年间，我国甲醇生产能力从 1100 万吨增加到 5300 万吨，年均增长率约达到了 56%，远远高于需求量的增长。在我国市场甲醇供需严重失衡的情况下，国外大量低价甲醇又大举进军我国市场，更加加重了我国市场的供需矛盾。2009 年，我国甲醇的进口量约为 520 万吨，而同期国内市场甲醇的需求总量为 1600 万吨，进口货占据了国内近三分之一的市场份额。进口甲醇大多来自中东地区，该地区天然气价格低廉，甲醇装置规模大，生产成本仅为国内企业的一半多，有的用油田伴生气为原料，成本更低，具有绝对的竞争优势。而且从中东到中国的海运费每吨 300 元左右，而我国煤制甲醇装置大多集中在西北地区，运到华东地区仅铁路运费就达每吨 600 元左右，公路的运费价格更高。国内甲醇在生产成本、物流等方面都竞争不过国外产品。近年来国内甲醇市场价格也是一直处于低迷状况。2008 年 5 月，我国市场上甲醇的价格为每吨 4800 元人民币，以后便一路下滑，到 2009 年，价格已跌至每吨 1700 元人民币。后来，由于国际市场石油价格不断走高，化工原料、人力成本等也逐渐上升，甲醇价格随之回升，2010 年我国市场的甲醇平均价格在每

吨 2300 ~ 2500 元。近年来，虽然许多化工原料都随着市场整体价格上涨而升高，但是甲醇价格却一直在低位徘徊。2013 年 4 月，我国市场上甲醇的价格在每吨 2400 ~ 2500 元，内蒙古、新疆等地的甲醇价格在每吨 2000 ~ 2100 元。因此，从以上的分析我们看到，陈怀超发明的水蒸汽裂解氢燃烧锅炉技术不仅是一项具有经济和社会效益的清洁能源技术，同时，其大规模推广也为我国甲醇工业的发展提供了机遇和出路，是一项利国利民的好技术。

九、

结论

通过对陈怀超发明的水蒸汽裂解氢燃烧方法的原理、环境污染物及成本分析后，我们得出如下结论； (1) 陈怀超发明的水蒸汽裂解氢燃烧方法的原理是，通过使用含氢气的水蒸汽来雾化液体甲醇燃料，并

用水蒸汽中的氢气促进甲醇的燃烧。由于雾化甲醇的的比表面积大、与空气中的氧气接触充分、因此，短时间内燃烧完全。同时，水蒸汽中的氢气燃烧进一步加热和汽化了甲醇，使甲醇的燃烧更彻底，燃烧温度更高。因此。相对于燃煤锅炉，水蒸汽裂解氢燃烧锅炉具有更高的热效率。 (2) 放射性实验表明，陈怀超发明的水蒸汽裂解催化剂没有放射性污染物质。由于水蒸汽裂解氢燃烧方法使用的主要燃料为甲醇和氢气，因此，燃烧后废气中的粉尘、二氧化硫及氮氧化物的浓度比燃煤锅炉、燃油锅炉及燃气锅炉的低很多。这一技术的推广和应用将极大地改善城市的环境、减少雾霾天气的出现。 (3) 陈怀超发明的水蒸汽裂解氢燃烧方法相对于燃煤锅炉具有更低的成本，这一新的清洁燃烧技术的成本也远低于燃油锅炉和燃气锅炉。 (4) 由于陈怀超发明的水蒸汽裂解氢燃烧方法的装置可在原有燃煤锅炉的基础上作简单的改装即可完成，同时，改装的成本也不高，因此，这一方法的推广将没有大的困难，非常容易推广。这一新的清洁燃烧技术可广泛应用于我国中小型蒸汽锅炉，同时也可用于大型船舶和舰艇等。由于目前我国甲醇行业的产能过剩，因此，这一新的燃烧技术也为我国甲醇工业的发展提供了机遇

和出路，是一项利国利民的好技术。将来即使化石能源耗尽，但甲醇可通过可再生的生物质材料制取，因此，这一新的清洁燃烧技术在未来也不存在燃料枯竭的问题。

十、附件一

附件

附件二

附件三

附件四

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