微小圓管中碳氫及含氧燃料的催化燃燒和強化機制.pdf

1、為提高微燃燒系統(tǒng)的能量密度和品質(zhì)，碳氫燃料及含氧替代燃料的微尺度燃燒成為微型能源系統(tǒng)發(fā)展的突破方向之一。然而目前國內(nèi)外關(guān)于液體燃料微尺度燃燒的研究尚未形成完整的理論體系。碳氫燃料和含氧燃料在微尺度環(huán)境下的催化燃燒性能，燃料理化特性和分子結(jié)構(gòu)特性與其微尺度催化燃燒特性的關(guān)聯(lián)，以及微型縮放噴管結(jié)構(gòu)強化燃燒的機理，這些問題仍待求解。
　　圍繞以上科學問題，本文通過實驗和CFD模擬的方式對氫氣、甲烷、甲醇、乙醇、二甲醚等燃料在微圓管填充式

2、催化燃燒器和微型縮放噴管中的燃燒開展了以下研究：探討了甲烷微尺度催化燃燒空間尺度和時間尺度的協(xié)同作用；獲取了甲烷、甲醇、乙醇、二甲醚的微尺度催化燃燒特性，并對比了燃料分子中OH官能團、碳鏈差異和醚鍵與催化燃燒特性差異的關(guān)聯(lián)；分析了乙醇和二甲醚這對同分異構(gòu)燃料導致催化劑失活的作用機制；揭示了微尺度縮放噴管強化燃燒的機理。
　　對比了甲烷在有效活性位密度分別為1.47×10-8、2.94×10-8、5.88×10-8 mol site

3、/mm3的40、20、10 mm長度催化床上的燃燒。流量較小時，40 mm催化床的穩(wěn)燃范圍最小，因為活性位空間密度低，熱量被分散；流量較大時，10 mm催化床穩(wěn)燃范圍最小，因為停留時間不足，反應(yīng)放熱不完全。20 mm催化床較好地平衡了活性位空間密度和停留時間，因此穩(wěn)燃范圍最廣、燃燒效率最高。
　　在Pt/ZSM-5催化劑上燃燒時，甲醇和乙醇中OH官能團的存在削弱了臨位C-H鍵能，與甲烷相比貧燃穩(wěn)燃范圍更廣，燃燒效率更高；乙醇中增加

4、的 C-C鍵使得甲基中C-H鍵的斷裂比甲醇中C-H鍵斷裂困難，導致乙醇的貧燃范圍比甲醇窄。盡管在當量比為1.0時乙醇轉(zhuǎn)化率較高，但是由于碳鏈變長致使反應(yīng)路徑復雜，乙醇燃燒的 CO2選擇性較低，其釋熱效率反而比甲醇低。雖為同分異構(gòu)體，但醚鍵導致二甲醚中C-H鍵能比乙醇中C-H鍵能小，二甲醚最高轉(zhuǎn)化率比乙醇高4％。隨輸入功率Qin的增大，乙醇的燃燒效率從Qin超過10 W開始減小，而二甲醚的燃燒效率在Qin超過25 W時才開始明顯下降。

5、r>　　48 h連續(xù)燃燒后，二甲醚和乙醇的燃燒效率分別降低了18%和26%。實驗結(jié)果表明，催化劑的失活主要歸因于Pt顆粒團聚、表面積碳和Pt的氧化。燃燒過乙醇的催化劑表面 Pt顆粒產(chǎn)生了嚴重的團聚。燃燒過二甲醚的催化劑表面存在兩種積碳，分別在498 K和618 K被氧化；催化劑表面O?C=O比例增加；2.66%的Pt從Pt0和Pt2+被氧化成Pt4+。而燃燒過乙醇的催化劑只存在氧化溫度較低的這一種積碳；催化劑表面 C?H/C?C比例增加

6、；1.23%的 Pt從 Pt0氧化成 Pt2+和Pt4+。
　　建立了二甲醚在 Pt/ZSM-5上低溫燃燒的 Power rate law和Langmuir-Hinshelwood動力學模型。兩個模型的活化能分別為99.35 kJ/mol和109.30 kJ/mol。二甲醚和O2的反應(yīng)級數(shù)分別為0.28和2.30。兩個模型都能較好地預測423 K以下DME在Pt/ZSM-5上的燃燒速率。反應(yīng)級數(shù)和吸附常數(shù)的對比表明，低溫下Pt/Z