微型燃燒器內甲烷催化燃燒特性數值研究及實驗.pdf

1、隨著微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術日新月異的發(fā)展，微器件對許多領域的影響日趨明顯，裝置的微型化與微型系統(tǒng)的研究已成為當今研究的重要課題。近年來，國內外科研機構相繼開展了微動力機電系統(tǒng)和微發(fā)動機的研究工作。它具有能量密度高、壽命長、體積小、重量輕、結構簡單等優(yōu)點。國內該領域的研究始于二十世紀九十年代中期，需要解決的科技難題還有很多。如微空間內可燃氣體的流動、燃燒時間、燃燒效率和穩(wěn)定性等可能與大空間內的燃燒有著完全不同的特性，這都需要進一步

2、深入研究。甲烷燃料容易獲得、價格低廉，在未來數十年內將是微型機電系統(tǒng)和氣體發(fā)動機的主要燃料。微型燃燒器的尺寸較小、散熱速率較大，可能使常規(guī)空間反應無法穩(wěn)定進行，因此，研究微型燃燒器內甲烷預混流動和催化燃燒特性，可為微型發(fā)動機碳氫燃料燃燒技術打下基礎。
　　本文針對微系統(tǒng)內流動與燃燒的研究現狀和存在問題，提出了微型燃燒器內碳氫燃料旋流預混催化重整燃燒技術，分析了微細尺度流動特性、催化重整及催化燃燒的反應機理。提出以燃料入口直徑，旋、

3、直流槽數量，次級燃料入口距離、數量等幾方面因素來研究提高微型燃燒器預混腔的預混效果。探討了了各參數變化時，各燃氣出口速度、燃氣出口速度分布均勻性、出口預混系數的變化規(guī)律，為設計快速高效的微型預混器提供理論依據。
　　對預混方式及微燃燒器結構進行優(yōu)化設計，增加了燃氣在燃燒器內的停留時間，得到了甲烷、水蒸氣在鎳催化劑作用下在預混腔發(fā)生催化重整、積碳特性的變化規(guī)律。得出了影響其特性變化的控制參數(如催化溫度、水碳比和質量流量)的適宜范圍

4、。針對不同的目的和催化反應，提出在微型燃燒器的預混腔和燃燒腔分別涂敷不同種類催化劑的催化燃燒策略。首次對滑移區(qū)內氣體的流動與傳熱特性與Kn數關系進行了研究。
　　提出可用反應對CO和CO2選擇性的指標，來輔助評價和分析各因素變化時甲烷催化燃燒效率和熱值利用率的高低。微細尺度條件下可以忽略空間反應對整個催化反應的影響。得到了催化壁面溫度、nCH4/O2摩爾比和質量流量變化時，甲烷催化燃燒效率、反應對CO和CO2選擇性、熱值利用率的影

5、響規(guī)律。對如何提高微細尺度下催化燃燒的燃燒效率和熱值利用率具有重要的參考價值。
　　首次考察了燃燒腔不同催化壁面、流動不均勻性、混合不均勻性對催化燃燒的影響。得到了在文中特定燃燒腔結構下，催化溫度、甲烷與氧氣摩爾比和甲烷質量流量各因素變化時，不同催化壁面對甲烷催化燃燒效率的貢獻情況。為了兼顧催化燃燒效率和催化成本，提出了催化劑在不同催化壁面的涂敷策略。得到了流動不均、混合不均以及氫氣量對甲烷催化燃燒和催化劑使用壽命的影響規(guī)律。為提

6、高微細尺度下催化燃燒效率和降低催化成本提出了有效的解決措施。
　　對微型燃燒器的預混腔和燃燒腔進行了結構優(yōu)化設計，采用電火花加工工藝加工微燃燒器，搭建了微型燃燒器實驗臺，優(yōu)化了系統(tǒng)，提高了微細尺度燃燒的穩(wěn)定性、燃燒效率和可操作性。對不同微孔、不同流量下甲烷的擴散和預混燃燒火焰進行了實驗研究。研究分析了不同工況下微火焰的形狀、分布和顏色的變化情況。實驗得到了火焰長度隨甲烷流量、微孔孔徑、微孔出口處雷諾數的變化規(guī)律。探討了吹熄速度、淬

7、熄速度、火焰的穩(wěn)燃范圍隨孔徑變化關系以及火焰長度/孔徑之比隨微孔出口雷諾數的變化規(guī)律。在實驗系統(tǒng)提供的穩(wěn)定高溫環(huán)境下，研究了催化溫度、CH4/O2摩爾比以及質量流量等不同因素對甲烷催化燃燒效率的影響，并分析了與數值模擬的異同。進一步揭示了散熱損失在微細尺度催化燃燒中的重要作用。為微細尺度下碳氫燃料催化燃燒特性的研究提供重要的參考價值和實驗基礎。
　　本文較系統(tǒng)地研究了微細尺度內流動、預混，催化重整及燃燒問題、研究分析了微孔燃燒火焰

8、形狀、結構及熄滅特性，微型燃燒器在穩(wěn)定的高溫環(huán)境中的催化燃燒等，提出了提高微細尺度預混、催化重整燃燒效率、充分利用微空間換熱、減少散熱損失的措施，并得到了相關影響因素的變化規(guī)律。有助于推進微細尺度催化燃燒特性的深入研究，充實和豐富了微細尺度催化燃燒的研究成果，也為相關技術（微旋流預混技術、微細尺度催化重整與燃燒等）的開發(fā)與應用提供了重要的參考依據。為微型發(fā)動機碳氫燃料燃燒技術打下基礎，對推動微型發(fā)電動力系統(tǒng)的發(fā)展，具有重要的學術價值和工