微通道內預混氫/空氣催化燃燒的實驗研究

石星宇，潘劍鋒，章銳，任慧敏

(江蘇大學能源與動力工程學院，江蘇 鎮江 212013)

作為微機電系統的核心裝置，微型燃燒器特征尺寸的減小使得其面容比增大，熱損失隨之增加，火焰很難在微燃燒器內穩定傳播[1]。因此，研究者們提出對燃燒室表面進行惰性化處理[2]、多孔介質燃燒[3]和催化燃燒[4-5]等方式以實現火焰的穩定燃燒。

不同于傳統的燃燒技術，作為穩燃方式之一的催化燃燒可以降低反應物分子的活化能，減少能源消耗，提高燃料的轉化效率，并且能夠有效解決微尺度下氣相燃燒不穩定和燃料燃燒不充分等問題。因而，探究微尺度催化燃燒的相關規律能為設計高效能的微燃燒室提供理論依據，具有重要意義。針對催化燃燒，Wierzbicki等[6]對帶有Pt和Rh催化劑的回熱型燃燒器內丙烷的催化燃燒進行了實驗研究，測試和分析了催化燃燒室和無催化燃燒室的熄火極限。Christopher等[7]通過在微燃燒室中添加催化劑鉑的方式降低化學反應活化能，縮短反應時間，增大反應速率，從而提升裝置的整體效率。Pan等[8]通過實驗研究了微通道內有/無催化條件下不同甲烷流量的可燃極限，以及入口流速和通道高度等重要參數對其燃燒特性的影響。結果表明，催化劑的添加可以提高燃燒的穩定性，提升燃料的轉化率并且使燃燒室外壁面溫度均勻。Chen等[9]通過二維數值模擬的方法對微催化燃燒室傳熱傳質特性進行了詳細研究，也分析了催化壁面在維持燃燒穩定性方面的作用。

國內外學者的研究表明，催化燃燒是一種較為理想的燃燒方式，值得深入研究。為了豐富微尺度催化燃燒的相關理論，本文加工了304不銹鋼微通道和鉑催化微通道，以氫氣為燃料，空氣為氧化劑，改變通道入口預混合氣進氣流速進行實驗，分析有/無催化條件下微通道內氫氣-空氣的燃燒特性。

1 實驗裝置

實驗中搭建的系統裝置示意圖見圖1，裝置包括氣體供給系統、流量控制系統和測試記錄系統。燃料和氧化劑由高壓氣瓶釋放后，經減壓閥減壓后分別經過流量控制系統進入預混合腔進行充分混合。流量控制系統主要包括流量計及其控制面板。采用的流量控制器為DSN系列，其精度高達±1%，響應時間不超過1 s。混合氣在微通道中被點燃并發生燃燒反應后，通過測試記錄系統收集實驗數據。測試記錄系統包括紅外熱像儀，K分度露端型鎧裝熱電偶和其它相關輔助設備。其中紅外熱像儀型號為ThermoVisionTM A40，需配合電腦使用，能對穩態燃燒時微通道外壁面的溫度進行測量，其溫度測量范圍為-40～+2 000 ℃，測量精度高達±2%，且成像質量較高，為320×240像素。K分度露端型鎧裝熱電偶固定在微通道出口處，對排氣溫度進行測量。

實驗使用的微通道實物圖如圖2所示，分別由304不銹鋼和Pt制成，通道內部尺寸為20 mm×10 mm×1 mm，不銹鋼微通道壁厚0.5 mm，發射率為0.85，鉑微通道壁厚0.5 mm，發射率為0.9。

圖1 實驗中搭建的系統裝置示意圖

圖2 微通道實物圖

2 實驗結果及討論

微通道內混合氣燃燒的快慢受進氣流速的影響，為了研究流速對微通道內燃燒特性的影響，混合氣當量比固定為1，設置微通道入口預混合氣的流速分別為0.5 m/s、0.7 m/s、0.9 m/s、1.0 m/s、1.1 m/s、1.3 m/s、1.5 m/s和2.0 m/s進行實驗。圖3是無催化微通道外壁面中心線溫度隨流速的變化。由圖3可知，微通道外壁面溫度隨流速的增加而不斷升高。因為單位時間內流速的增加會導致參與反應的燃料增多，因此燃燒反應放出的熱量也更多，更多熱量通過通道壁面向外傳遞，引起通道整體溫度上升。此外，微通道外壁面中心線溫度最高點位于微通道入口附近，原因在于，氫氣與空氣反應時，其反應速率非常快，在通道入口已經基本完全反應，即使流速增加，火焰向通道下游移動也不太明顯，導致高溫區集中在通道入口附近。在不同流速下，通道上游溫度曲線下降的斜率較大，即通道上游溫度比通道下游溫度下降的快。說明氫氣與空氣的燃燒反應大部分都發生在通道上游，而通道下游只有很小的一部分未反應完全的氫氣參與反應，其放熱低于通道上游的燃燒反應放熱。圖4為催化微通道外壁面中心線溫度隨流速的變化。由圖4可知，催化微通道外壁面溫度因流速增加而產生的變化趨勢與無催化微通道基本相同，溫度都在不斷升高，但與無催化微通道不同的是催化微通道外壁面中心線溫度最高點不在通道入口，而在距通道入口2 mm左右。這是因為，通道入口附近氣相燃燒受表面反應抑制，未反應完全的氫氣向通道下游繼續擴散并發生表面催化反應釋放熱量，因此通道外壁面最高溫度點向通道下游稍微移動。與無催化微通道不同，流速的變化對催化微通道下游溫度曲線斜率的影響很小，通道下游溫度曲線下降的斜率隨流速的變化基本保持一致，且催化微通道上下游溫差較無催化微通道小得多，溫度曲線下降的斜率也較小。其原因在于，催化劑的存在擴大了微通道內的反應區域，使氫氣可以向通道下游擴散進行催化反應，不同于無催化微通道，催化通道下游還可以使稀薄的燃燒繼續進行表面催化反應放出一定的熱量，使得催化微通道外壁面中心線溫度曲線下降的斜率較小，且上下游溫度差值比無催化微通道的小。

圖3 無催化微通道外壁面中心線溫度隨進氣流速的變化

圖4 催化微通道外壁面中心線溫度隨進氣流速的變化

圖5為不同流速下的微通道外壁面紅外熱像圖，對應的進氣流速分別為0.5 m/s、0.9 m/s、1.3 m/s和2.0 m/s。圖5中明亮區域表示微通道外壁面高溫區，在后處理軟件上調節溫度顯示的范圍一致，可以看出隨著流速的增加，紅外照片變化的趨勢較為明顯，無催化微通道和催化微通道外壁面溫度相應增加，且高溫范圍都逐漸擴大，高溫區域逐漸向下游擴散。這是因為隨著流速的增加，微通道內燃燒反應強度增強，熱量向下游擴散的速度相應加快，導致高溫區域擴大。催化和無催化微通道外壁面的紅外熱像圖在流速0.5 m/s時的差別較大。該流速下無催化微通道上下游溫度差值較大，紅外熱像圖顏色分布不均勻，高溫區集中在通道上游，通道下游溫度較低，且紅外熱像圖呈現較暗的顏色。而催化微通道外壁面的紅外熱像圖卻明顯不同，其顏色分布較均勻，表明催化燃燒發生在整個催化壁面上，同樣說明了催化劑的存在可以擴大反應區域，使微通道外壁面溫度分布變均勻。此外，隨著流速增加，無催化微通道的紅外熱像圖中有明顯的溫度界限，而催化微通道中的溫度界限卻不是很明顯。這是因為，無催化微通道中只發生氣相反應，高溫區即是火焰區域，沒有其它反應的干擾，微通道中的火焰形狀呈現到外壁面的紅外熱像圖就是明顯的高溫區。催化微通道中的反應比較復雜，除了氣相反應外，催化劑表面還存在催化反應，在表面反應與氣相反應的共同作用下，導致微通道外壁面的紅外熱像圖中高溫區與非高溫區的界限不是很明顯，用紅外熱像儀對微通道壁面溫度分布進行拍攝的同時，將熱電偶安裝在通道出口中心處對微通道出口排氣溫度進行測量。由于熱電偶的探針較小，且置于通道出口，不會對微通道內的氣體產生擾動。測量得到不同流速下催化和無催化微通道出口排氣溫度分布，微通道出口排氣溫度隨流速的變化如圖6所示。由圖6可知，在兩種類型的微通道內，隨著入口混合氣流速的增加，微通道出口排氣溫度都呈線性逐漸增加，且增加的斜率較為一致。因為隨著流速的增加，熱量向下游擴散速度加快，導致通道出口排氣溫度也隨之上升。在不同流速下，催化微通道出口排氣溫度明顯高于無催化微通道。這是因為，無催化微通道的高溫區集中在通道入口處，熱量向下游傳播的距離較遠，熱量傳播過程中由于周圍環境的自然對流及輻射換熱作用，導致熱量損失較大，傳播到通道出口處排氣溫度明顯下降。而在催化微通道內，高溫區向通道下游稍微偏移，熱量向通道出口處傳播的距離小于無催化微通道，此外由于催化劑的存在，也擴大了反應區域，通道下游部分催化反應存在放出的熱量可以補償微通道的一部分散熱損失，導致催化微通道出口排氣溫度明顯高于無催化微通道。

圖5 不同流速下的微通道外壁面紅外熱像圖

圖6 微通道出口排氣溫度隨流速的變化

3 結語

對無催化的304不銹鋼微通道和Pt催化微通道內氫氣-空氣的燃燒特性進行了實驗研究，通過紅外熱像儀和熱電偶獲得了一些關鍵實驗數據，通過分析數據得出的主要結論有：

1) 無催化微通道外壁面溫度隨流速的增加而逐漸升高，最高溫度點在通道入口附近，隨著距通道入口距離的變化，外壁面溫度逐漸下降。不同流速下，通道上游溫度曲線下降的斜率較大，燃燒反應主要發生在通道上游。而催化微通道外壁面最高溫度點在距通道入口2 mm左右，催化劑擴大了通道內的反應區域。不同流速下催化微通道外壁面中心線溫度曲線下降的斜率較一致，且催化微通道上下游溫差較無催化微通道小得多，溫度曲線下降的斜率較小。

2)有/無催化微通道出口排氣溫度都隨流速的增加而逐漸升高，同時催化微通道出口排氣溫度高于無催化微通道。