難燃?xì)怏w或液體燃料的微小型多段催化燃燒器及燃燒方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及催化燃燒技術(shù)，旨在提供一種難燃?xì)怏w或液體燃料的微小型多段催化燃燒器及燃燒方法。該催化燃燒器具有多段式結(jié)構(gòu)：在與主燃燒室連通的燃料進(jìn)口末段部分中設(shè)有多孔介質(zhì)和一段催化劑，一段催化劑與主燃燒室相接處設(shè)輔助點(diǎn)火器；主燃燒室依次分為點(diǎn)火段、主燃燒段和燃盡段，設(shè)于主燃燒室壁上的進(jìn)風(fēng)口與一段催化劑之間為點(diǎn)火段；在與燃盡段連通的排氣通道起始段部分中設(shè)有二段催化劑，進(jìn)風(fēng)口與二段催化劑之間依次為主燃燒段和燃盡段。本發(fā)明專利技術(shù)采用富燃料進(jìn)入燃燒室，有助于燃料的點(diǎn)火。一段催化劑起到重整和部分氧化燃料的作用，使得難燃的燃料分子轉(zhuǎn)化為易燃的小氣體分子，并放出熱量，利于著火。二段催化劑提供燃燒效率，降低污染物排放。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及一種催化燃燒技術(shù)，具體涉及一種難燃?xì)怏w或液體燃料的微小型多段催化燃燒器及燃燒方法。
技術(shù)介紹
目前，隨著微電機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展，微型供能系統(tǒng)因其體積小、質(zhì)量輕、易便攜、能量密度高、供能時間長等優(yōu)點(diǎn)逐漸受到重視。微燃燒器又是基于燃料燃燒的微型供能系統(tǒng)的核心，因此發(fā)展適用不同種類燃料的微小型燃燒技術(shù)是極其必要的。但是微燃燒器的小特征尺度使得比表面積增大，散熱速率大大提高，尤其在尺度小于熄火直徑時，很難被點(diǎn)燃；此外嚴(yán)重的熱損失又使得火焰難以穩(wěn)定，易發(fā)生熄火現(xiàn)象；同時，尺寸的減小，導(dǎo)致燃料和空氣在燃燒器中停留時間短，不能保證燃料的充分燃燒，在燃燒器尾部易產(chǎn)生一氧化碳、碳?xì)浠衔锏炔煌耆紵奈廴疚铩Ｒ虼耍_保燃料穩(wěn)定點(diǎn)火和保證燃料的充分燃燒是微型燃燒器首要解決的難題。采用催化燃燒的方式可以使點(diǎn)火溫度降低。燃料在催化劑表面發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生熱量，提高了氣體溫度，促進(jìn)氣相反應(yīng)的發(fā)生，從而提高了燃燒效率。合理布置催化劑是微小型燃燒器常用的一種燃燒強(qiáng)化方法。在微小型燃燒器中，往往是在燃燒室整個壁面涂覆催化劑，或是采用小顆粒催化劑或多孔介質(zhì)載體催化劑組成一段催化劑填充床布置在整個燃燒室。這兩類微小型催化燃燒器，都是將燃料氣與空氣完全混合后再進(jìn)行催化點(diǎn)火燃燒，不僅造成催化劑用量大、催化效果不集中，而且填充床阻力大、窗內(nèi)流速大、催化燃燒時間短，從而影響到燃燒性能。本專利技術(shù)提出的微小型多段催化燃燒器及燃燒方法，能夠更加有效地利用催化劑、實現(xiàn)難燃燃料更大范圍的穩(wěn)定著火和高效燃燒。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)中微小型燃燒器存在的不易點(diǎn)火、燃燒不穩(wěn)定和燃燒不完全等問題，提出了一種適用于難燃?xì)怏w或液體燃料的微小型多段催化燃燒技術(shù)。為解決技術(shù)問題，本專利技術(shù)的解決方案是：提供一種難燃?xì)怏w或液體燃料的微小型多段催化燃燒器，包括依次相連的燃料進(jìn)口、主燃燒室和排氣通道；所述催化燃燒器具有下述的多段式結(jié)構(gòu)：在與主燃燒室連通的燃料進(jìn)口末段部分中設(shè)有多孔介質(zhì)和一段催化劑，一段催化劑與主燃燒室相接處設(shè)輔助點(diǎn) 火器；主燃燒室依次分為點(diǎn)火段、主燃燒段和燃盡段，設(shè)于主燃燒室壁上的進(jìn)風(fēng)口與一段催化劑之間為點(diǎn)火段；在與燃盡段連通的排氣通道起始段部分中設(shè)有二段催化劑，進(jìn)風(fēng)口與二段催化劑之間依次為主燃燒段和燃盡段。本專利技術(shù)中，所述多孔介質(zhì)是多孔陶瓷、多孔氧化鋁或分子篩；所述一段催化劑是由不銹鋼網(wǎng)包裹的催化劑固體顆粒，二段催化劑是涂覆了金屬氧化物的蜂窩式鐵絲網(wǎng)。本專利技術(shù)中，所述點(diǎn)火段和燃盡段的壁面上分別涂覆了催化劑層。本專利技術(shù)中，所述進(jìn)風(fēng)口至少有兩個，呈環(huán)向、等間距布置于主燃燒室的壁面上，且出風(fēng)方向與燃料進(jìn)口的方向相互垂直。本專利技術(shù)中，所述主燃燒室具有以燃料進(jìn)口為軸向的對稱形狀，其軸向剖面是下述任意一種形狀：長方形、正方形、園形、橢圓形、鼓形。本專利技術(shù)中，所述催化燃燒器為耐高溫陶瓷材料的燃燒器，其長度為10～15cm；主燃燒室的壁厚為2mm，內(nèi)徑2～3cm；一段催化劑和二段催化劑的長度分別為2～5mm。本專利技術(shù)還進(jìn)一步提供了利用前述催化燃燒器實現(xiàn)難燃?xì)怏w或液體燃料多段催化燃燒的方法，包括下述步驟：將難燃?xì)怏w或經(jīng)氣化的液體燃料與空氣組成預(yù)混氣后送入燃料進(jìn)口，流經(jīng)多孔介質(zhì)和一段催化劑后進(jìn)入主燃燒室進(jìn)行燃燒；預(yù)混氣燃盡所需的剩余空氣由進(jìn)風(fēng)口送入，并與已穩(wěn)定著火的混合氣流混合，在主燃燒室內(nèi)持續(xù)穩(wěn)定燃燒；燃燒后的混合氣體流經(jīng)二段催化劑，自排氣通道排出；其中，所述多孔介質(zhì)是多孔陶瓷、多孔氧化鋁或分子篩；所述一段催化劑是由不銹鋼網(wǎng)包裹的催化劑固體顆粒，該催化劑固體顆粒是以分子篩為載體的Pt/ZSM-5或Pd/Al2O3催化劑；所述二段催化劑是涂覆了金屬氧化物的蜂窩式鐵絲網(wǎng)，該金屬氧化物是CuO/γ-Al2O3或MnOx/TiO2)；本專利技術(shù)中，所述預(yù)混氣處于貧氧氣富燃料的狀態(tài)，難燃?xì)怏w或液體燃料與空氣的化學(xué)當(dāng)量比為1.4～3；控制進(jìn)風(fēng)口的空氣引入量，使難燃?xì)怏w或液體燃料與空氣的最終化學(xué)當(dāng)量比為1。本專利技術(shù)中，在主燃燒室的點(diǎn)火段的壁面上涂覆催化劑Pt/ZSM-5或Pd/Al2O3。本專利技術(shù)中，在主燃燒室的燃盡段的壁面上涂覆催化劑CuO/γ-Al2O3或MnOx/TiO2。專利技術(shù)原理描述：本專利技術(shù)中所述難燃?xì)怏w可選用甲烷或丁烷氣體，而難燃只是針對微燃燒器而言，因為著火點(diǎn)高或難以燃盡，所以稱之為難燃?xì)怏w。液體燃料則可選用二甲醚、庚烷或生物柴油等，在與空氣預(yù)混前應(yīng)先進(jìn)行氣化。多孔介質(zhì)段采用比熱容較高的材料如多孔陶瓷、分子篩，起到預(yù)熱來流氣、霧化液體燃料和加強(qiáng)燃料與空氣混合的作用。在多孔介質(zhì)后布入由不銹鋼網(wǎng)包裹的以分子篩為載體的Pt/ZSM-5或Pd/Al2O3催化劑固體顆粒。不銹鋼網(wǎng)包裹的催化劑以顆粒狀呈現(xiàn)，燃料與催化劑的接觸面積大，可以有效的促進(jìn)著火，預(yù)熱燃料促進(jìn)燃料的裂解并產(chǎn)生活性基團(tuán)，而且可以防止著火時的回火現(xiàn)象。富燃預(yù)混氣(當(dāng)量比為1.4～3)難燃?xì)怏w或經(jīng)氣化的液體燃料通過多孔介質(zhì)與催化劑充分接觸，此時經(jīng)輔助點(diǎn)火器點(diǎn)火，由于入口燃料為富燃，加上催化作用，燃料極易著火。點(diǎn)火段壁面涂覆催化劑Pt，可以進(jìn)一步起到輔助點(diǎn)火和穩(wěn)燃作用。在主燃燒室的壁上環(huán)向、等間距設(shè)置2個或多個進(jìn)風(fēng)口。由于入口燃料為富燃，經(jīng)催化劑助燃的來流氣體中有大量攜帶熱量的已燃產(chǎn)物、未燃?xì)怏w、裂解氣體、活性基團(tuán)。這些來流與進(jìn)風(fēng)成90°對沖混合，一方面預(yù)熱進(jìn)風(fēng)，另一方在主燃燒室中充分混合燃燒。布置在排氣通道上游的二段催化劑采用蜂窩式鐵絲網(wǎng)載體式布置，并在蜂窩式鐵絲網(wǎng)載體上涂覆金屬氧化物做催化劑，不完全燃燒而產(chǎn)生的一氧化碳、碳?xì)浠衔锱c催化劑充分接觸生成二氧化碳和水，有效改善了尾氣污染物的排放并促進(jìn)了燃盡。同時燃盡段壁面可以涂覆催化劑CuO/γ-Al2O3，起到提高燃盡度、降低污染物排放作用。主燃燒室的壁面都采用導(dǎo)熱系數(shù)小的耐高溫陶瓷材料，有助于減小熱損失。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)的有益效果是：1、本專利技術(shù)采用富燃料進(jìn)入燃燒室，有助于燃料的點(diǎn)火。2、本專利技術(shù)采用多段催化劑布置，一段催化劑Pt/ZSM-5起到重整和部分氧化燃料的作用，使得難燃的燃料分子轉(zhuǎn)化為易燃的小氣體分子，并放出熱量，利于著火。二段催化劑MnOx/TiO2催化氧化未燃盡的CO、CH4、C2H6等物質(zhì)，提供燃燒效率，降低污染物排放。3、本專利技術(shù)入口一段催化劑前端為多孔介質(zhì)段，采用比熱容較高的材料如多孔陶瓷、分子篩，起到預(yù)熱來流氣、霧化液體燃料和加強(qiáng)燃料與空氣混合的作用。4、本專利技術(shù)點(diǎn)火段壁面涂覆催化劑Pt，起到輔助點(diǎn)火和穩(wěn)燃作用。燃盡段壁面涂覆催化劑CuO/γ-Al2O3，起到提高燃盡度、降低污染物排放作用。5、本專利技術(shù)采用環(huán)形進(jìn)風(fēng)，經(jīng)催化劑助燃的來流氣體與進(jìn)風(fēng)成90度對沖混合，一方面預(yù)熱進(jìn)風(fēng)，另一方在主燃燒室中充分混合完全燃燒。附圖說明圖1為實施例1中催化燃燒器的剖面示意圖；圖2為實施例2中催化燃燒器的剖面示意圖。附圖標(biāo)記：燃料進(jìn)口1，多孔介質(zhì)2，一段催化劑3，輔助點(diǎn)火器4，進(jìn)風(fēng)口5，二段催化劑6，主燃燒室7，排氣通道8，點(diǎn)火段壁面9，主燃燒段壁面10，燃盡段壁面11。具體實施方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本專利技術(shù)作進(jìn)一步詳細(xì)地說明。本專利技術(shù)中所述難燃?xì)怏w或液體燃料的微小型多段催化燃燒器，包括依次相連的燃料進(jìn)口1、主燃燒室7和本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種難燃?xì)怏w或液體燃料的微小型多段催化燃燒器，包括依次相連的燃料進(jìn)口、主燃燒室和排氣通道；其特征在于，所述催化燃燒器具有下述的多段式結(jié)構(gòu)：在與主燃燒室連通的燃料進(jìn)口末段部分中設(shè)有多孔介質(zhì)和一段催化劑，一段催化劑與主燃燒室相接處設(shè)輔助點(diǎn)火器；主燃燒室依次分為點(diǎn)火段、主燃燒段和燃盡段，設(shè)于主燃燒室壁上的進(jìn)風(fēng)口與一段催化劑之間為點(diǎn)火段；在與燃盡段連通的排氣通道起始段部分中設(shè)有二段催化劑，進(jìn)風(fēng)口與二段催化劑之間依次為主燃燒段和燃盡段。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種難燃?xì)怏w或液體燃料的微小型多段催化燃燒器，包括依次相連的燃料進(jìn)口、主燃燒室和排氣通道；其特征在于，所述催化燃燒器具有下述的多段式結(jié)構(gòu)：在與主燃燒室連通的燃料進(jìn)口末段部分中設(shè)有多孔介質(zhì)和一段催化劑，一段催化劑與主燃燒室相接處設(shè)輔助點(diǎn)火器；主燃燒室依次分為點(diǎn)火段、主燃燒段和燃盡段，設(shè)于主燃燒室壁上的進(jìn)風(fēng)口與一段催化劑之間為點(diǎn)火段；在與燃盡段連通的排氣通道起始段部分中設(shè)有二段催化劑，進(jìn)風(fēng)口與二段催化劑之間依次為主燃燒段和燃盡段。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的催化燃燒器，其特征在于，所述多孔介質(zhì)是多孔陶瓷、多孔氧化鋁或分子篩；所述一段催化劑是由不銹鋼網(wǎng)包裹的催化劑固體顆粒，二段催化劑是涂覆了金屬氧化物的蜂窩式鐵絲網(wǎng)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的催化燃燒器，其特征在于，所述點(diǎn)火段和燃盡段的壁面上分別涂覆了催化劑層。4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任意一項中所述的催化燃燒器，其特征在于，所述進(jìn)風(fēng)口至少有兩個，呈環(huán)向、等間距布置于主燃燒室的壁面上，且出風(fēng)方向與燃料進(jìn)口的方向相互垂直。5.根據(jù)權(quán)利要求1至3任意一項中所述的催化燃燒器，其特征在于，所述主燃燒室具有以燃料進(jìn)口為軸向的對稱形狀，其軸向剖面是下述任意一種形狀：長方形、正方形、園形、橢圓形、鼓形。6.根據(jù)權(quán)利要求1至3任意一項中所述的催化燃燒器，其特征在于，所述催化燃燒器為耐高溫陶瓷材料的燃燒器，其長度為10～15cm；主燃燒...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：楊衛(wèi)娟，王智化，周俊虎，劉建忠，何勇，張彥威，朱燕群，岑可法，周志軍，程軍，黃鎮(zhèn)宇，
申請(專利權(quán))人：浙江大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：浙江;33