乙醇在微圆管内催化点火及燃烧特性研究

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随着微型机电装置的迅速普及,微型燃烧系统的易于携带、能量密度高等优点逐渐被关注。目前大多数学者主要研究氢气、甲烷等气体燃料,与气体燃料相比,液体燃料具有易于携带,能量密度高等优点,而乙醇作为一种可持续发展的可再生液体燃料,具有腐蚀性小,能量密度较高,H/C比高等优点,而且乙醇是一种氧化燃料,含有近35%的氧,可减少燃烧产生的微粒和氮氧化物排放,是一种前景乐观的汽油替代燃料。目前对于乙醇的微尺度燃烧这方面的研究很少。本文主要以乙醇为研究对象,围绕乙醇的氧化动力学特性、催化点火和燃烧特性等方面进行实验和数值模拟研究,为乙醇在微型动力系统的应用提供实验理论基础和实验参考数据。在内径为4mm的石英管燃烧器中进行了富氧条件下乙醇在Pt/ZSM-5上的催化完全氧化动力学实验,建立了Power-rate law模型和Langmuir-Hinshelwood模型来表征乙醇的低温深度氧化反应,获得了乙醇催化氧化动力学参数,发现乙醇在催化剂表面的吸附能力比氧气强。在壁面加热点火的方式下,研究不同当量比、进口流速等操作条件下对乙醇的着火温度、稳燃温度、着火位置和峰值反应区域、转化率和散热损失等特性。研究显示随着当量比的增加,乙醇的着火温度越高、乙醇稳定燃烧时的催化剂表面温度先增加之后降低(Φ=0.8时,稳燃温度最大)、乙醇稳定燃烧时的转化率越低;随着流量的增加,着火温度先降低后逐渐增大、乙醇稳定燃烧时催化剂表面温度先升高后逐渐降低、乙醇的转化率逐渐下降、散热率减小;随着流量的增加,首先着火的位置和峰值反应的位置向催化床出口端移动,着火位置并不等于峰值反应位置,在Φ=1,流量为300mL·min-1和600mL·min-1的工况下峰值反应区域在着火之后向上游移动。以已经获得Power-rate law的动力学参数为基础构建一步反应机理进行乙醇催化燃烧的数值模拟,将60mg的催化剂分别布置燃烧器A(催化床长度40mm)、燃烧器B(催化床长度30mm)和燃烧器C(催化床长度20mm),得到不同催化剂空间密度的燃烧器。研究在三种不同催化剂空间密度的燃烧器乙醇的稳燃范围、温度分布和壁面散热等燃烧特性。结果表明燃烧器A的催化床长度最大,燃料在催化床的停留时间较长,稳燃流速上限最大,温度分布最均匀,但是稳燃下限最大,反应强度较低,散热损失也比较大;燃烧器B催化剂长度适中,在高当量比的情况下,燃烧器B和A的流速上限比较相近,拥有和C相差无几的反应强度,当流速处于0.4-5m·s-1之间,燃烧器B的中心线最高温度最大,而且反应停留时间也比较长,散热损失也不是很大;燃烧器C的催化床长度最短,稳燃流速上限最小,燃烧的反应强度最高,温度分布最不均匀。
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