CN101737779A - 用于微型燃烧器的碳氢燃料重整燃烧方法及微型燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于微型燃烧器的碳氢燃料重整燃烧方法，将气体碳氢燃料和湿空气先经过置有γ-Al₂O₃催化剂的重整区，使之发生耦合自热重整反应，生成部分氢气；再将反应后的气体通入燃烧腔内燃烧；其中，所述气体碳氢燃料和湿空气的体积之比为1∶1.2～1∶1.6。同时，本发明还公开了一种实现该方法的装置。本发明采用在燃烧腔的前端设置重整区，向重整区内通入气体碳氢燃料与湿空气，气体碳氢燃料与湿空气在γ-Al₂O₃催化剂的作用下发生耦合自热重整反应(包括碳氢燃料与氧气的氧化反应和碳氢燃料与水蒸气的重整反应)，生成部分氢气，以此协助燃烧区内气体碳氢燃料和空气的高效稳定燃烧。

Description

用于微型燃烧器的碳氢燃料重整燃烧方法及微型燃烧器

技术领域

本发明涉及碳氢燃料的燃烧方法和所用微型燃烧装置，尤其涉及一种用于微型燃烧器的碳氢燃料重整燃烧方法及微型燃烧器。

背景技术

近年发展的以微型燃烧器作为前置能量转化单元的微型机电装置，如：微发动机、微涡轮机、微热电系统、微光电系统等，体积在1cm³左右，功率范围为10～100W，其共同特征是利用氢气或碳氢气体作为燃料，在微型燃烧器中燃烧放热，然后通过运动单元或热(光)电转换材料输出能量。

这种以氢、碳氢作为燃料的微型机电装置具有能量密度高、寿命长、体积小、重量轻、结构简单、成本低等显著优势。一般碳氢燃料的能量密度约为45MJkg^-1，而现在最好的化学电池(锂电池)的能量密度也仅为0.5MJ/kg^-1。若微型机电装置用于输出电能，即使其热电转化的效率只有10％，它仍具有比传统化学电池高1个数量级的能量密度。

微型机电装置中的微动力装置可以为微型汽车、微型飞行器、微型泵等微型机械提供动力，也可用于调控微型卫星姿态及导弹轨道控制；微发电系统则可以成为电池的替代器，为便携式笔记本电脑、移动仪器和设备等提供更为持久的电能。由于微型机电装置显著的优势与其在工业、国防等领域的广泛应用前景，因此具有巨大的发展潜力，受到各国研究机构的重视。

微型燃烧器作为能量的前置转换单元，是微型机电装置(微动力装置及微发电系统)的核心部件。燃烧器燃烧的稳定性及其燃烧效率直接影响到微型机电装置的性能，并且较大程度的决定了微型机电装置的尺寸和应用，因此高效、可靠的微燃烧技术及装置是发展微型机电装置迫切需要解决的问题。

由于装置的微型化，近年来发展的微型燃烧器普遍面临以下几个方面的问题：微结构尺寸中燃烧不稳定甚至不能起燃、燃料与氧化剂在反应器中极短的停留时间导致燃烧效率低下、高比表面积引起热量严重损失等。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是解决现有技术微型燃烧的燃料停留时间过短、热量损失严重、燃烧不稳定等问题，提供一种用于微型燃烧器的碳氢燃料重整燃烧方法。

本发明的另一个目的是为实现上述方法，同时克服现有微型燃烧装置的缺点，提供一种可延长燃料和空气在燃烧腔内的停留时间，提高燃烧效率，并且结构紧凑的微型燃烧器。

本发明提供的用于微型燃烧器的碳氢燃料重整燃烧方法，将气体碳氢燃料和湿空气先经过置有γ-Al₂O₃催化剂的重整区，使之发生耦合自热重整反应；再将反应后的气体通入燃烧腔内燃烧；其中，所述气体碳氢燃料和湿空气的体积之比为1∶1.2～1∶1.6。

进一步，所述湿空气的含湿量为1250～1450g水蒸汽/kg干空气。；

进一步，所述γ-Al₂O₃催化剂的表面密度为1×10^-8mol/cm²～1×10^-10mol/cm²；

进一步，向重整区反应后的混合气体内加入含26％～32％氧气(体积比)的富氧，所述通入气体碳氢燃料和加入富氧的体积之比为1∶2.5～1∶3.5。

本发明还提供了一种微型燃烧器，包括燃烧器本体，所述燃烧器本体从上至下依次设置进气孔、预混腔、环形结构的燃烧腔和排气孔；所述进气孔包括湿空气进气孔和围绕湿空气进气孔均布的多个燃料进气孔，围绕所述燃烧腔设置有预热通道；所述湿空气进气孔和燃料进气孔分别与预混腔连通，预混腔通过预热通道与燃烧腔连通，燃烧腔与排气孔连通；所述燃烧器本体的底部还设有与燃烧腔连通的点火孔。

进一步，所述预混腔由中心向外发散的旋流槽和围绕旋流槽设置的环形腔组成；所述湿空气进气孔和燃料进气孔分别与旋流槽的进气口连通，旋流槽的出气口与环形腔连通，环形腔与预热通道连通；

进一步，在所述燃烧器本体上设有与预热通道连通的富氧进气孔；

进一步，所述燃烧腔的内壁上涂敷Pt催化剂层；

进一步，所述燃烧器本体包括顶盖板、预混腔板、预热燃烧板和底盖板；所述湿空气进气孔和燃料进气孔设置在顶盖板上；所述预混腔设置在预混腔板上；所述富氧进气孔、燃烧腔和预热通道设置在预热燃烧板上；所述排气孔和点火孔设置在底盖板上；

进一步，所述底盖板上围绕排气孔设置环形筋板，所述环形筋板伸进燃烧腔，且环形筋板远离预热通道。

本发明的有益效果：本发明采用在燃烧腔的前端设置重整区，向重整区内通入气体碳氢燃料与湿空气，气体碳氢燃料与湿空气在γ-Al₂O₃催化剂的作用下发生耦合自热重整反应(包括碳氢燃料与氧气的氧化反应和碳氢燃料与水蒸气的重整反应)，生成部分氢气，以此协助燃烧腔内气体碳氢燃料和空气的高效稳定燃烧，提高燃烧效率。微型燃烧器与现有技术相比还具有如下优点：

1、气体燃料与湿空气进入不同的旋流槽内，在旋流槽内垂直交叉相遇，并形成旋转流动，提高了气体碳氢燃料和湿空气的混合质量；

2、预混腔内置，省去了外置式燃料和湿空气的预混装置，有利于减小微型燃烧器的整体尺寸；

3、微型燃烧器本体中围绕燃烧腔设置预热通道，预热通道既能延长燃料和空气的预混时间，使其充分均匀混合，提高气体的混合效果，又可以回收燃烧腔内燃料燃烧产生的部分热量，提高混合气体的温度，增强燃烧腔内气体碳氢燃料和空气的可起燃性，利于保证燃烧的稳定和提高微型燃烧装置的燃烧效率；

4、采用环形肋板和均布的排气孔相结合，环形肋板和多个排气孔均匀布置的排气方式与其它的排气方式相比，可以延长燃料和空气在燃烧腔内的停留时间，保证充分燃烧；

5、通过富氧进气孔向重整区反应后的混合气体内二次加氧，使气体碳氢燃料充分燃烧，以提高燃烧温度和燃烧效率。

附图说明

图1为本发明的剖面视图；

图2为顶盖板的主视图；

图3为图2中沿A-A方向的剖面视图；

图4为预混腔板的主视图；

图5为图4中沿B-B方向的剖面视图；

图6为预热燃烧板的主视图；

图7为图6中沿C-C方向的剖面视图；

图8为底盖板的主视图；

图9为图8中沿D-D方向的剖面视图。

附图中的附图标记所代表的结构如下：

1-顶盖板 2-预混腔板 3-预热燃烧板 4-底盖板 5-湿空气进气孔6-燃料进气孔 7-预混腔 8-燃烧腔 9-排气孔 10-点火孔11-预热通道 12-环形筋板 13-旋流槽 14-环形腔 15-预混气出气孔16-螺纹孔 17-富氧进气孔

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。

一种用于微型燃烧器的碳氢燃料重整燃烧方法，将气体碳氢燃料(如甲烷、乙烷、丙烷或乙炔)和湿空气先经过置有γ-Al₂O₃催化剂的重整区，使之发生耦合自热重整反应；再将反应后的气体通入燃烧腔内燃烧；其中，气体碳氢燃料和湿空气的体积之比为1∶1.2～1∶1.6。气体碳氢燃料与湿空气在γ-Al₂O₃催化剂的作用下发生耦合自热重整反应(包括碳氢燃料与氧气的氧化反应和碳氢燃料与水蒸气的重整反应)，生成部分氢气，气体碳氢燃料和湿空气的体积之比为1∶1.2～1∶1.6可有效的保证混合气体的产氢量≥3％，以此降低燃料着火温度约200℃，协助燃烧区内气体碳氢燃料和空气的高效稳定着火、燃烧，提高燃烧效率。若气体碳氢燃料和湿空气的体积之比＜1∶1.2，则产氢量较少，达不到降低着火温度的要求，在燃烧腔内点火困难；若气体碳氢燃料和湿空气的体积之比＞1∶1.6，湿空气吸热量大，导致进入燃烧腔的混合气体温度过低，同样不利于点火与燃烧。

湿空气的含湿量为1250～1450g水蒸汽/kg干空气。气体碳氢燃料和湿空气的体积之比为1∶1.2～1∶1.6，发生耦合的重整反应发出的热量与湿空气中水蒸气吸收的热大致相当，既利于产氢，又可避免温度过低；同时也利于燃烧腔内气体点火与着火，气体碳氢燃料和空气的高效稳定燃烧。

γ-Al₂O₃催化剂的表面密度为1×10^-8mol/cm²～1×10^-10mol/cm²。一定表面密度的γ-Al₂O₃催化剂既保证了涂刷在重整区内γ-Al₂O₃催化剂层自身的强度，又增大与气体的接触面积，有利于催化加速气体碳氢燃料和湿空气耦合重整反应产氢。

向重整区反应后的混合气体内加入含26％～32％氧气(体积比)的富氧，所述通入气体碳氢燃料和加入富氧的体积之比为1∶2.5～1∶3.5，其目的主要向燃烧腔内二次通入氧气，提高燃烧温度，使气体碳氢燃料充分燃烧，提高燃烧效率。

图1为本发明的剖面视图，如图所示：微型燃烧器包括燃烧器本体，燃烧器本体从上至下依次包括顶盖板1、预混腔板2、预热燃烧板3和底盖板4。在顶盖板1的中心部位设置湿空气进气孔5，围绕湿空气进气孔5均布设置多个燃料进气孔6，本实施例中的燃料进气孔6为六个(如图2和如图3所示)。在预混腔板2上设置由中心向外发散的旋流槽13和围绕旋流槽13设置的环形腔14组成的预混腔7，本实施例中的旋流槽13为六个，六个旋流槽13对应的中心部位与湿空气进气孔5对应并连通，六个旋流槽13的气体入口与六个燃料进气孔6相对应并连通，在预混腔板2上并位于环形腔14的底部圆周上均布十二个预混气出气孔15(如图4和如图5所示)。在预热燃烧板3的下部设置环形结构的燃烧腔8，围绕燃烧腔8均布设置预热通道11，本实施例中的预热通道11为四个(如图6和如图7所示)，四个预热通道11的顶部与十二个预混气出气孔15对应并连通，底部与燃烧腔8连通。在底盖板4上均布设置多个与燃烧腔8的底部连通的排气孔9，本实施例中的排气孔9为十二个(如图8和如图9所示)，在底盖板4上靠排气孔9的外侧还设有一个与燃烧腔8连通的点火孔10。把螺栓依次穿过顶盖板1、预混腔板2、预热燃烧板3和底盖板4上的螺纹孔16并与螺母旋紧，可将顶盖板1、预混腔板2、预热燃烧板3和底盖板4连接成为一体。

在预热燃烧板3的上部横向设有与预热通道11连通的富氧进气孔17，通过富氧进气孔17向燃烧腔内通入氧气，使气体碳氢燃料充分燃烧，提高燃烧效率。

在底盖板4上围绕排气孔9设置环形筋板12，环形筋板12伸进燃烧腔8，且环形筋板12远离预热通道11。采用环形肋板和均布的排气孔相结合，环形肋板和十二个排气孔均匀布置的排气方式与其它的排气方式相比，可以延长燃料和空气在燃烧腔内的停留时间，保证充分燃烧。

燃烧腔8的内壁上涂敷Pt催化剂层。促进进入燃烧腔8内的混合气体(主要成分为：甲烷、空气、少量的水蒸气及氢气、微量的其它气体组分)完全燃烧。

使用该装置时，将预混腔7作为重整区，在重整区内壁上涂刷γ-Al₂O₃催化剂，然后向湿空气进气孔5内通入湿空气，向燃料进气孔6内通入碳氢燃料，进入旋流槽内的两股气体垂直交叉相遇，并形成旋转流动，提高湿空气和碳氢燃料混合，随后进入环形腔14内进一步混合，与此同时，在预混腔7内的气体在γ-Al₂O₃催化剂的作用下发生自热重整反应生成少量氢气。在富氧进气孔17通入富氧气体，预混腔7内的混合气体和少量氢气通过预混气出气孔15进入预热通道11内与富氧气体混合，再通过预热通道11进入燃烧腔8内。采用点火装置在点火孔10点火，燃烧腔8内的少量氢气首先燃烧，随后在Pt催化剂层的作用下促进燃烧腔8内的混合气体完全燃烧，预热通道11吸收预混腔7内燃烧产生的部分热量，提高了湿空气和碳氢燃料的混合温度，有利于提高燃烧腔8内混合气体的燃烧效率和燃烧稳定性。最后，燃烧后的气体从十二个排气孔9排出。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种用于微型燃烧器的碳氢燃料重整燃烧方法，其特征在于：将气体碳氢燃料和湿空气先经过置有γ-Al₂O₃催化剂的重整区，使之发生耦合自热重整反应；再将反应后的气体通入燃烧腔内燃烧；其中，所述气体碳氢燃料和湿空气的体积之比为1∶1.2～1∶1.6。

2.根据权利要求1所述的用于微型燃烧器的碳氢燃料重整燃烧方法，其特征在于：所述湿空气的含湿量为1250～1450g水蒸汽/kg干空气。

3.根据权利要求1或2所述的用于微型燃烧器的碳氢燃料重整燃烧方法，其特征在于：所述γ-Al₂O₃催化剂的表面密度为1×10^-8mol/cm²～1×10^-10mol/cm²。

4.根据权利要求3所述的用于微型燃烧器的碳氢燃料重整燃烧方法，其特征在于：向重整区反应后的混合气体内加入含26％～32％氧气(体积比)的富氧，所述通入气体碳氢燃料和加入富氧的体积之比为1∶2.5～1∶3.5。

5.一种微型燃烧器，其特征在于：包括燃烧器本体，所述燃烧器本体从上至下依次设置进气孔、预混腔(7)、环形结构的燃烧腔(8)和排气孔(9)；所述进气孔包括湿空气进气孔(5)和围绕湿空气进气孔(5)均布的多个燃料进气孔(6)，围绕所述燃烧腔(8)设有预热通道(11)；所述湿空气进气孔(5)和燃料进气孔(6)分别与预混腔(7)连通，预混腔(7)通过预热通道(11)与燃烧腔(8)连通，燃烧腔(8)与排气孔(9)连通；所述燃烧器本体的底部还设有与燃烧腔(8)连通的点火孔(10)。

6.根据权利要求5所述的微型燃烧器，其特征在于：所述预混腔(7)由中心向外发散的旋流槽(13)和围绕旋流槽(13)设置的环形腔(14)组成；所述湿空气进气孔(5)和燃料进气孔(6)分别与旋流槽(13)的进气口连通，旋流槽(13)的出气口与环形腔(14)连通，环形腔(5)与预热通道(11)连通。

7.根据权利要求5或6所述的微型燃烧器，其特征在于：在所述燃烧器本体上设有与预热通道(11)连通的富氧进气孔(17)。

8.根据权利要求5或6所述的微型燃烧器，其特征在于：所述燃烧腔(8)的内壁上涂敷Pt催化剂层。

9.根据权利要求7所述的微型燃烧器，其特征在于：所述燃烧器本体包括顶盖板(1)、预混腔板(2)、预热燃烧板(3)和底盖板(4)；所述湿空气进气孔(5)和燃料进气孔(6)设置在顶盖板(1)上；所述预混腔(7)设置在预混腔板(2)上；所述富氧进气孔(17)、燃烧腔(8)和预热通道(11)设置在预热燃烧板(3)上；所述排气孔(9)和点火孔(10)设置在底盖板(4)上。

10.根据权利要求9所述的微型燃烧器，其特征在于：所述底盖板(4)上围绕排气孔(9)设置环形筋板(12)，所述环形筋板(12)伸进燃烧腔(8)，且环形筋板(12)远离预热通道(11)。

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