丙烷燃烧(丙烷在燃烧器内的催化辅助点火及其燃烧特性研究)

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摘要：近几年来,随着微型机电装置的快速发展,轻质量、小尺寸的低功率设备向社会呈现了强烈的渴求度,微尺度燃烧也呈现了快速发展的态势。传统的充电—蓄电的供电方式由于其充电时间和蓄电容量限制,无法完全满足此类设备需求。但直到如今,微尺度催化燃烧的研究依然存在一些挑战,例如催化点火特性、燃烧的稳定性、燃烧效率、催化反应和气相反应的相互作用关系等都不够明确。本文主要针对上述问题开展了丙烷在微小型圆管中点火/燃烧的催化特性实验研究,获得了两种点火方式下燃烧器所需的最小点火能量,以及在不同当量比、催化剂长度、混合气体流速的情况下燃料的点火和燃烧特性(点火能量、温升曲线、壁面温度分布、燃料转化率等)。实验采用Pt/ZSM-5作为催化剂丙烷燃烧,在定壁温条件下通过管式炉对壁面加热进行丙烷的催化点火实验。揭示了着火温度随当量比、流速和催化剂长度的变化规律。在Φ=1,v=0.4m/s时,获得丙烷的着火温度为143℃。在壁面加热点火实验中,当量比Φ从0.6增大至2.2过程中,着火温度从156℃降低到130℃,着火温度出现了明显的下降;流速v与催化剂长度L对着火温度影响较弱,流速v在0.2-2.3m/s范围内变化时,着火温度Tb的最大差值为9℃;催化剂长度L影响着火温度Tb的最大差值仅为3℃。为了验证点火特性的可靠性与探究壁面温度对点火/燃烧特性的的影响,采用电火花点火器进行点火实验。实验表明电火花点火可以在室温下对混合气体进行点火,点火能量受当量比和流速的影响较大,受催化剂长度的影响可忽略不计;燃烧器最低点火能量也是处于流速v=0.4-0.6m/s的工况下,与壁面加热点火规律一致;在燃烧器燃烧稳定时,有无壁面加热对于燃料的转化效率和尾气成分影响较小。在催化床长度为20mm,自稳燃烧条件下,部分工况发生了催化/气相耦合反应。该反应发生在催化剂末端、气流下游10-30mm处,且稳定出现气相反应的参数区间较小,集中在Φ=1,v=1.0-1.6m/s和Φ=1.2,v=1.2-1.6m/s两个范围内。在气相反应发生时,石英玻璃管外壁面温度轴向沿程分布出现两个峰值(催化剂处和气相反应处);气相反应可以增加燃烧器5%-10%的燃料燃烧效率丙烷燃烧,对微尺度催化燃烧中提升燃烧器转化效率具有重要意义。

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