專利名稱：微型預(yù)混催化重整燃燒器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微型高效燃燒器，尤其涉及一種預(yù)混空氣與燃氣同時進行催化重
整及催化燃燒的微型預(yù)混催化重整燃燒器。
背景技術(shù)：
隨著微型衛(wèi)星、微型飛行器、微型傳感器、微型移動設(shè)備、微型機器人、微型科學(xué)儀 器以及其它微型設(shè)備等高技術(shù)的迅猛發(fā)展，對微動力機電系統(tǒng)提出了更高的要求。其中，微 發(fā)動機、微渦輪機、微轉(zhuǎn)子發(fā)動機等是微動力機電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件和核心裝置，其共同特征 是利用氫、碳氫燃料，在一個微型燃燒器中燃燒放熱。這種以碳氫為燃料的微型燃燒裝置具 有能量密度高、壽命長、體積小、重量輕、成本低、環(huán)境污染小以及添加燃料方便等優(yōu)點，在 國防、軍事、航空航天、通訊、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。 由于微型燃燒器的燃燒空間極小，在燃燒腔內(nèi)燃料燃燒的駐留時間急劇縮短，易 出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定，點火困難、易熄火等現(xiàn)象，也難以保證燃料完全燃燒。此外隨著燃燒空間 的縮小，燃燒器面容比增大，熱量損失非常嚴重。如何在微空間內(nèi)使燃料保持穩(wěn)定高效燃 燒，采用何種措施提高微型燃燒器的熱量利用效率等，均給微型燃燒裝置的研究提出了挑 戰(zhàn)。目前的微型燃燒器多是在燃燒室外部預(yù)混以后，再通入燃燒器中進行燃燒。這樣造成 整個燃燒裝置相對較大，結(jié)構(gòu)也不緊湊。且微燃燒中氣體流速較低，基本屬于層流流動，空 氣與燃料氣的混合比較困難，不利于燃燒反應(yīng)的進行。另外，常規(guī)的火焰燃燒在微尺度下也 難以穩(wěn)定進行，同時相對于無焰燃燒來說，火焰燃燒的發(fā)光會損失更多的能量。燃燒效率不 高，燃燒產(chǎn)物中會含有更多的一氧化碳和甲烷，對環(huán)境也是一種污染。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)緊湊、實現(xiàn)高效燃燒、低污染 排放的微型預(yù)混催化重整燃燒器。 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的微型預(yù)混催化重整燃燒器包括燃燒器本體，所述燃 燒器本體從上至下依次設(shè)置進氣孔、預(yù)混腔、環(huán)形結(jié)構(gòu)的燃燒腔和排氣孔；所述進氣孔包括
空氣進氣孔和圍繞空氣進氣孔均布的燃氣進氣孔；所述空氣進氣孔和燃氣進氣孔分別與預(yù) 混腔連通，預(yù)混腔與燃燒腔連通，燃燒腔與排氣孔連通；所述燃燒器本體的底部還設(shè)有與燃 燒腔連通的點火孔，所述燃燒腔的頂部和底部分別設(shè)置相互錯位的環(huán)形筋板，所述燃燒腔 和環(huán)形筋板的表面涂覆PV Y _A1203催化劑層。 進一步，所述燃燒器本體的頂部還設(shè)有直徑大于空氣進氣孔的空氣連接孔和直徑 大于燃氣進氣孔的燃氣連接孔，所述空氣連接孔與空氣進氣孔連通，所述燃氣連接孔與燃 氣進氣孔連通； 進一步，圍繞所述燃燒腔設(shè)有預(yù)熱通道，所述預(yù)混腔通過預(yù)熱通道與燃燒腔連 通； 進一步，所述預(yù)混腔由中心向外發(fā)散的旋流槽和圍繞旋流槽設(shè)置的預(yù)混環(huán)形腔組成；所述空氣進氣孔和燃氣進氣孔分別與旋流槽的進氣口連通，旋流槽的出氣口與預(yù)混環(huán) 形腔連通，預(yù)混環(huán)形腔與預(yù)熱通道連通； 進一步，所述燃燒器本體包括進氣連接層、氣體入口層、預(yù)混腔層、燃燒腔層和氣
體出口層；所述空氣連接孔和燃氣連接孔設(shè)置在進氣連接層上，所述空氣進氣孔和燃氣進
氣孔設(shè)置在氣體入口層上；所述旋流槽和預(yù)混環(huán)形腔設(shè)置在預(yù)混腔層上；所述燃燒腔和預(yù)
熱通道設(shè)置在燃燒腔層上；所述排氣孔和點火孔設(shè)置在氣體出口層上； 進一步，所述預(yù)混腔的內(nèi)壁呈網(wǎng)格狀、波紋或凹坑結(jié)構(gòu)； 進一步，所述預(yù)混腔的內(nèi)壁上涂敷Ni基催化劑層； 進一步，所述燃燒腔和環(huán)形筋板的表面呈網(wǎng)格狀、波紋或凹坑結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的有益效果微型預(yù)混催化重整燃燒器與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點 1、本發(fā)明采用在燃燒腔內(nèi)設(shè)置相互錯位的環(huán)形筋板，延長氣體在燃燒腔內(nèi)燃燒時
間；增大燃燒腔內(nèi)的催化燃燒面積；充分利用微空間換熱實現(xiàn)熱量循環(huán)利用，降低散熱損
失，改善燃料的著火、提高燃燒穩(wěn)定性，使微燃燒更為完全、充分，從而實現(xiàn)高效燃燒、低污
染排放。 2、燃燒器本體的頂部還設(shè)有直徑大于空氣進氣孔的空氣連接孔和直徑大于燃氣 進氣孔的燃氣連接孔，解決并簡化了燃氣進氣孔、空氣進氣孔與氣源連接困難的問題。
3、燃氣與空氣進入不同的旋流槽內(nèi)，在旋流槽內(nèi)垂直交叉相遇，并形成旋轉(zhuǎn)流動， 提高了燃氣和空氣的混合質(zhì)量。 4、預(yù)混腔內(nèi)置，省去了外置式燃料和空氣的預(yù)混裝置，有利于減小微型燃燒器的 整體尺寸。 5、燃燒器本體中圍繞燃燒腔設(shè)置預(yù)熱通道，預(yù)熱通道既能延長燃料和空氣的預(yù)混 時間，使其充分均勻混合，提高氣體的混合效果，又可以回收燃燒腔內(nèi)燃氣燃燒產(chǎn)生的部分 熱量，提高混合氣體的溫度，增強燃燒腔內(nèi)燃氣和空氣的可起燃性，有利于保證燃燒的穩(wěn)定 和提高微型燃燒裝置的燃燒效率。


圖1為本發(fā)明的剖面視圖； 圖2為進氣連接層的主視圖； 圖3為圖2中沿A-A方向的剖面視圖； 圖4為氣體入口層的主視圖； 圖5為圖4中沿B-B方向的剖面視圖； 圖6為預(yù)混腔層的主視圖； 圖7為圖6中沿C-C方向的剖面視圖； 圖8為燃燒腔層的主視圖； 圖9為圖8中沿D-D方向的剖面視圖； 圖10為氣體出口層的主視圖； 圖11為圖10中沿E-E方向的剖面視圖。 附圖中的附圖標記所代表的結(jié)構(gòu)如下 1-預(yù)混腔2-燃燒腔3-排氣孔4-空氣進氣孔5-燃氣進氣孔6-點火孔7_環(huán)形筋板8-空氣連接孔9-燃氣連接孔10-預(yù)熱通道ll-旋流槽12-預(yù)混環(huán)形腔13-進氣 連接層14-氣體入口層15-預(yù)混腔層16-燃燒腔層17-氣體出口層18-螺栓孔19-燃氣 環(huán)形腔20-預(yù)混出氣孔
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細地說明。 圖1為本發(fā)明的剖面視圖，如圖所示微型預(yù)混催化重整燃燒器包括燃燒器本體， 燃燒器本體從上至下依次設(shè)置進氣連接層13、氣體入口層14、預(yù)混腔層15、燃燒腔層16和 氣體出口層17，進氣連接層13、氣體入口層14、預(yù)混腔層15、燃燒腔層16和氣體出口層17 的四角均設(shè)有螺栓孔18，把螺栓依次穿過進氣連接層13、氣體入口層14、預(yù)混腔層15、燃 燒腔層16和氣體出口層17上的螺紋孔18并與螺母旋緊，可將進氣連接層13、氣體入口層 14、預(yù)混腔層15、燃燒腔層16和氣體出口層17連接成為一體。在進氣連接層13的中心設(shè) 有空氣連接孔8，圍繞空氣連接孔8均布設(shè)有三個燃氣連接孔9，在燃氣連接孔9的底部設(shè) 置與其連通的且向內(nèi)延伸的燃氣環(huán)形腔19(如圖2和如圖3所示)。在氣體入口層14的 中心部位設(shè)置空氣進氣孔4，圍繞空氣進氣孔4均布設(shè)置六個燃氣進氣孔5 (如圖4和如圖 5所示)，空氣進氣孔4與空氣連接孔8連通，燃氣進氣孔5通過燃氣環(huán)形腔19與燃氣連接 孔9連通。在預(yù)混腔層15上設(shè)置由中心向外發(fā)散的旋流槽11和圍繞旋流槽11設(shè)置的預(yù) 混環(huán)形腔12組成的預(yù)混腔l，本實施例中，旋流槽11為六個，六個旋流槽11對應(yīng)的中心部 位與空氣進氣孔4對應(yīng)并連通，六個旋流槽11的氣體入口與六個燃氣進氣孔5相對應(yīng)并連 通，預(yù)混環(huán)形腔12的底部圓周上均布十二個預(yù)混氣出氣孔20(如圖6和如圖7所示)。在 燃燒腔層16上設(shè)置環(huán)形結(jié)構(gòu)的燃燒腔2，圍繞燃燒腔2均布設(shè)置預(yù)熱通道IO，本實施例中， 預(yù)熱通道10為四個(如圖8和如圖9所示)，四個預(yù)熱通道10的頂部與十二個預(yù)混氣出氣 孔20對應(yīng)并連通，底部與燃燒腔2連通，燃燒腔2的頂部依次固定設(shè)置三層等距的環(huán)形筋 板。在氣體出口層17上均布設(shè)置與燃燒腔2連通的四個的排氣孔3和一個點火孔6(如圖 10和如圖11所示)，點火孔6位于排氣孔3的外側(cè)，在排氣孔3與點火孔6之間固定設(shè)置 三層等距的環(huán)形筋板。燃燒腔2頂部的三層環(huán)形筋板和氣體出口層17上的三層環(huán)形筋板 錯位分布，在上下環(huán)形筋板之間形成燃燒通道。 燃燒腔2和環(huán)形筋板7的表面呈網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，也可采用波紋或凹坑結(jié)構(gòu)，燃燒腔2 和環(huán)形筋板7的表面涂覆Pt/ y -A1203催化劑。該結(jié)構(gòu)形狀的燃燒腔2與單一結(jié)構(gòu)的燃燒 腔相比，大大增加燃燒腔的催化反應(yīng)的催化表面積，延長催化燃燒的反應(yīng)時間，提高了燃燒 效率；同時增強擾動與強化傳熱，從而提高燃燒效率和穩(wěn)定性。 預(yù)混腔l的內(nèi)壁呈網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，也可采用波紋或凹坑結(jié)構(gòu)，預(yù)混腔l的內(nèi)壁上涂敷 Ni基催化劑?？諝馀c燃氣分別進入旋流槽，在旋轉(zhuǎn)流動中混合預(yù)熱并在Ni基催化劑作用下 發(fā)生重整反應(yīng)。該結(jié)構(gòu)形狀的預(yù)混腔1既增加催化表面積，又起著強化傳熱、增強預(yù)混的作用。 空氣連接孔8的直徑大于空氣進氣孔4的直徑，燃氣連接孔9的直徑大于燃氣進 氣孔5的直徑。微型燃燒器的進氣孔均比較小，與氣源連接困難，因此采用與空氣進氣孔4 連通的直徑較大的空氣連接孔8和與燃氣進氣孔5連通的直徑較大的燃氣連接孔9與氣源 連接，有效地解決并簡化了燃氣進氣孔、空氣進氣孔與氣源連接困難的問題。
使用該燃燒器時，在預(yù)混腔1內(nèi)壁上涂刷Ni基催化劑，通過空氣連接孔8向空氣 進氣孔4內(nèi)通入空氣，通過燃氣連接孔9向燃氣進氣孔5內(nèi)通入燃氣，進入旋流槽11內(nèi)的 兩股氣體垂直交叉相遇，并形成旋轉(zhuǎn)流動，提高空氣和燃氣混合，隨后進入預(yù)混環(huán)形腔12 內(nèi)進一步混合，與此同時，預(yù)混腔l內(nèi)的氣體在Ni基催化劑的作用下發(fā)生自熱重整反應(yīng)生 成少量氫氣；預(yù)混腔l內(nèi)的混合氣體和少量氫氣通過預(yù)混氣出氣孔20進入預(yù)熱通道10內(nèi)， 再通過預(yù)熱通道10進入燃燒腔2內(nèi)；采用點火裝置在點火孔6點火，燃燒腔2內(nèi)的少量氫 氣首先燃燒，隨后在PV Y _A1203催化劑的作用下促進燃燒腔2內(nèi)的混合氣體完全燃燒；最 后，燃燒后的氣體從排氣孔3排出。 在恒溫環(huán)境中，對CH4和濕空氣的預(yù)混催化重整燃燒研究表明，當甲烷、氧氣與水
蒸氣的摩爾比CH4/02為1 : 2 : 3，環(huán)境溫度為IOOOK，甲烷質(zhì)量流量為lg/h時，本發(fā)明微
型預(yù)混催化重整燃燒器的燃燒效率可達到85%以上，燃燒產(chǎn)物中C仏含量僅為5%，大大減
少了污染物的排放，提高了燃料的利用率。可廣泛應(yīng)用于微型燃燒設(shè)備中燃料氣體的燃燒，
隨著技術(shù)的進一步成熟，可為微型機電系統(tǒng)(MEMS)、微型動力系統(tǒng)、微型機器人、微小衛(wèi)星、
微型火箭、微型飛機等微型設(shè)備提供微動力或電源，有廣闊的應(yīng)用前景。 最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較
佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，可以對本發(fā)明的技
術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本
發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。
權(quán)利要求
一種微型預(yù)混催化重整燃燒器，包括燃燒器本體，所述燃燒器本體從上至下依次設(shè)置進氣孔、預(yù)混腔(1)、環(huán)形結(jié)構(gòu)的燃燒腔(2)和排氣孔(3)；所述進氣孔包括空氣進氣孔(4)和圍繞空氣進氣孔(4)均布的燃氣進氣孔(5)；所述空氣進氣孔(4)和燃氣進氣孔(5)分別與預(yù)混腔(1)連通，預(yù)混腔(1)與燃燒腔(2)連通，燃燒腔(2)與排氣孔(3)連通；所述燃燒器本體的底部還設(shè)有與燃燒腔(2)連通的點火孔(6)，其特征在于所述燃燒腔(2)的頂部和底部分別設(shè)置相互錯位的環(huán)形筋板(7)，所述燃燒腔(2)和環(huán)形筋板(7)的表面涂覆Pt/γ-Al2O3催化劑層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型預(yù)混催化重整燃燒器，其特征在于所述燃燒器本體的頂部還設(shè)有直徑大于空氣進氣孔(4)的空氣連接孔(8)和直徑大于燃氣進氣孔(5)的燃氣連接孔(9)，所述空氣連接孔(8)與空氣進氣孔(4)連通，所述燃氣連接孔(9)與燃氣進氣孔(5)連通。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微型預(yù)混催化重整燃燒器，其特征在于圍繞所述燃燒腔(2)設(shè)有預(yù)熱通道(IO)，所述預(yù)混腔(1)通過預(yù)熱通道(10)與燃燒腔(2)連通。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的微型預(yù)混催化重整燃燒器，其特征在于所述預(yù)混腔(1)由中心向外發(fā)散的旋流槽(11)和圍繞旋流槽(11)設(shè)置的預(yù)混環(huán)形腔(12)組成；所述空氣進氣孔(4)和燃氣進氣孔(5)分別與旋流槽(11)的進氣口連通，旋流槽(11)的出氣口與預(yù)混環(huán)形腔(12)連通，預(yù)混環(huán)形腔(12)與預(yù)熱通道(10)連通。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的微型預(yù)混催化重整燃燒器，其特征在于所述燃燒器本體包括進氣連接層(13)、氣體入口層(14)、預(yù)混腔層(15)、燃燒腔層(16)和氣體出口層(17);所述空氣連接孔(8)和燃氣連接孔(9)設(shè)置在進氣連接層(13)上，所述空氣進氣孔(4)和燃氣進氣孔(5)設(shè)置在氣體入口層(14)上；所述旋流槽(11)和預(yù)混環(huán)形腔(12)設(shè)置在預(yù)混腔層(15)上；所述燃燒腔(2)和預(yù)熱通道(10)設(shè)置在燃燒腔層(16)上；所述排氣孔(3)和點火孔(6)設(shè)置在氣體出口層(17)上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微型預(yù)混催化重整燃燒器，其特征在于所述預(yù)混腔(1)的內(nèi)壁呈網(wǎng)格狀、波紋或凹坑結(jié)構(gòu)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微型預(yù)混催化重整燃燒器，其特征在于所述預(yù)混腔(1)的內(nèi)壁上涂敷Ni基催化劑層。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微型預(yù)混催化重整燃燒器，其特征在于所述燃燒腔(2)和環(huán)形筋板(7)的表面呈網(wǎng)格狀、波紋或凹坑結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微型預(yù)混催化重整燃燒器，燃燒器本體從上至下設(shè)置進氣孔、預(yù)混腔、燃燒腔和排氣孔；進氣孔包括空氣進氣孔和圍繞空氣進氣孔均布的燃氣進氣孔；空氣進氣孔和燃氣進氣孔分別與預(yù)混腔連通，預(yù)混腔與燃燒腔連通，燃燒腔與排氣孔連通；燃燒器本體的底部設(shè)有與燃燒腔連通的點火孔，燃燒腔的頂部和底部分別設(shè)置相互錯位的環(huán)形筋板，燃燒腔和環(huán)形筋板的表面涂覆Pt/γ-Al2O3催化劑。本發(fā)明在燃燒腔內(nèi)設(shè)置相互錯位的環(huán)形筋板，延長氣體在燃燒腔內(nèi)燃燒的時間，增大燃燒腔內(nèi)的催化燃燒面積；充分利用微空間換熱實現(xiàn)熱量循環(huán)利用，降低散熱損失，改善燃料的著火、提高燃燒穩(wěn)定性，使微燃燒更為充分，從而實現(xiàn)高效燃燒、低污染排放。
文檔編號F23D14/58GK101737780SQ20091019195
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月16日
發(fā)明者張力, 李麗仙, 蒲舸, 閆云飛 申請人:重慶大學(xué)