阅读说明：本技术 一种火焰中增加氧离子浓度的微尺度强化燃烧方法 (Micro-scale intensified combustion method for increasing oxygen ion concentration in flame ) 是由 曾小军 汪小憨 杨浩林 于 2019-11-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种火焰中增加氧离子浓度的微尺度强化燃烧方法。该微尺度强化燃烧方法,在微尺度燃烧器的燃烧区域设置固体金属氧化物材料层,所述的金属氧化物选自Zr<Sub>2</Sub>O、Al<Sub>2</Sub>O<Sub>3</Sub>、BaO、MgO、Y<Sub>2</Sub>O<Sub>3</Sub>、Dy<Sub>2</Sub>O<Sub>3</Sub>、CeO<Sub>2</Sub>、Sm<Sub>2</Sub>O<Sub>3</Sub>、TiO<Sub>2</Sub>、CuO、V<Sub>2</Sub>O<Sub>5</Sub>、MnO和La<Sub>2</Sub>O<Sub>3</Sub>中的一种或几种。本发明提出的火焰中增加氧离子浓度的微尺度强化燃烧方法,通过在燃烧器壁面设置固体金属氧化物材料增加微尺度火焰中的氧离子浓度,从而增加微尺度火焰的稳燃极限和燃烧强度。(The invention discloses a microscale intensified combustion method for increasing oxygen ion concentration in flame. The micro-scale intensified combustion method is characterized in that a solid metal oxide material layer is arranged in a combustion area of a micro-scale combustor, and the metal oxide is selected from Zr 2 O、Al 2 O 3 、BaO、MgO、Y 2 O 3 、Dy 2 O 3 、CeO 2 、Sm 2 O 3 、TiO 2 、CuO、V 2 O 5 MnO and La 2 O 3 One or more of them. The invention provides a microscale intensified combustion method for increasing oxygen ion concentration in flame, which increases oxygen ion concentration in microscale flame by arranging solid metal oxide material on the wall surface of a combustor, thereby increasing the stable combustion limit and combustion intensity of microscale flame。)

一种火焰中增加氧离子浓度的微尺度强化燃烧方法

技术领域

本发明涉及微尺度燃烧技术领域，具体涉及一种火焰中增加氧离子浓度的微尺度强化燃烧方法。

背景技术

现代科技的进步对移动设备、电子系统、无人机、单兵作战等小型化设备的能源动力系统提出了挑战，以微尺度燃烧为基础的微动力能源系统由于具有能量和功率密度高、续航时间长等优点成为最具有竞争力和前景的技术系统，而其中的微尺度燃烧则是为影响微能源系统性能的关键。微尺度燃烧的燃烧器尺寸在毫米或者厘米量级，直接燃烧碳氢化合物，功率可达数十瓦；与常规尺度燃烧相比其存在以下几个方面的挑战：1)燃烧室尺寸接近或小于燃料的淬熄距离，火焰不稳定性急剧增大。2)燃烧室表面积与体积的比值数量极大，散热损失更大易熄火。3)燃料的停留时间短，燃烧效率低，因此燃料吹熄极限和稳燃范围大大缩小。

针对微尺度燃烧的这些不足，国内外的科研人员进行了广泛的研究，主要通过壁面热回流、燃料催化等技术手段改善微尺度火焰的稳定性和可燃极限，但存在结构复杂、加工困难以及催化剂中毒和表面污染等问题，因此，新型高效的微尺度稳燃技术是开发微能源动力系统面临的首要问题。

发明内容

本发明提供了一种火焰中增加氧离子浓度的微尺度强化燃烧方法，本发明通过在燃烧器壁面设置固体金属氧化物材料层增加微尺度火焰中的氧离子浓度，从而增加微尺度火焰的稳燃极限和燃烧强度。

本发明的目的是提出了一种火焰中增加氧离子浓度的微尺度强化燃烧方法，在400K以上的燃烧区域内壁设置有固体金属氧化物材料层，所述的金属氧化物选自Zr₂O、Al₂O₃、BaO、MgO、Y₂O₃、Dy₂O₃、CeO₂、Sm₂O₃、TiO₂、CuO、V₂O₅、MnO和La₂O₃中的一种或几种。

在高温条件下固体金属氧化物具有离子导电的特性，其中的金属离子具有易变价的特性，即在不同的氧化还原气氛中金属离子Rⁿ⁺和R^m+可以很容易地进行相互转化。在高温还原性气氛中，由于局部氧分压较低，固体金属氧化物材料中的金属离子容易得到电子，固体金属氧化物材料表面会很容易地向气相中释放氧离子而形成氧空缺，即部分氧化物状态由R_nO_m转化为R_2nO_2m-1，释放到气相中的O^2-增加了火焰中的局部氧离子浓度，而O^2-具有比O₂更强的氧化性和反应速率，可以很快速地和燃烧中间产物H₂、CO等发生下式的反应(1)和反应(2)，从而促进燃烧反应的进行，增加火焰燃烧强度：

H₂+O^2-→H₂O+2e- (1)

CO+O^2-→CO₂+2e- (2)

在高温氧化性气氛中，局部氧分压会升高，由于氧化物表面氧空缺的存在，固体金属氧化物材料中的金属离子容易失去电子而使气相O₂氧化为O^2-，而O^2-可以很容易地进入固体氧化物中的氧空缺填补空位，部分氧化物状态由R_2nO_2m-1转化为R_nO_m，此时由于氧空缺的吸附和燃料的氧化消耗，局部氧分压再次降低，从而在高温火焰区实现的氧离子的吸附-释放循环。固体金属氧化物材料表面的氧空缺成为一个动态的氧离子储备器，不断释放和补充高温火焰区域中消耗的氧离子浓度，从而增加火焰的燃烧强度和稳定性。在微尺度火焰燃烧区域，由于燃烧区域尺寸较小，固体金属氧化物材料和燃料、氧气可以很容易地实现接触，在尺寸方面保证了固体金属氧化物材料能够发挥最大的功效，从而强化微尺度燃烧反应的进行，微尺度燃烧反应的增强补偿了因为尺度效应带来的散热损失和反应停留时间短等不利影响，增加了微火焰的稳燃极限。

本发明所述的固体金属氧化物材料以涂层、烧结固体、晶体材料等形式附着于微尺度燃烧器内，材料结构按照燃烧器壁面结构可设计为圆形、矩形、多边形等整体式或分体式结构，以达到微尺度火焰增加氧离子浓度强化燃烧的最佳效果。固体金属氧化物材料在火焰高温下无挥发，物质状态稳定，可以少量添加高温粘结剂等增加壁面材料的强度，延长材料的使用寿命。

优选地，所述的微尺度燃烧器尺寸在厘米或毫米级别。

本发明还提出了上述的火焰中增加氧离子浓度的微尺度强化燃烧方法在微尺度燃烧器中的应用，所述的微尺度燃烧器内壁设置有固体金属氧化物材料层，所述的固体金属氧化物材料层的工作温度在400K以上，所述的金属氧化物选自Zr₂O、Al₂O₃、BaO、MgO、Y₂O₃、Dy₂O₃、CeO₂、Sm₂O₃、TiO₂、CuO、V₂O₅、MnO、和La₂O₃中的一种以上。

优选地，所述的固体金属氧化物材料层以成型材料或涂层安装于微尺度燃烧器的燃烧区域。

优选地，燃料和空气预混后通过喷嘴点燃并进入微尺度燃烧器的微燃烧腔，微燃烧腔内的火焰与固体金属氧化物材料层充分接触，通过固体金属氧化物材料表面形成的氧空缺来实现火焰高温区氧离子释放吸附的闭式循环。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明提出的火焰中增加氧离子浓度的微尺度强化燃烧方法，通过在燃烧器壁面设置固体金属氧化物材料增加微尺度火焰中的氧离子浓度，从而增加微尺度火焰的稳燃极限和燃烧强度。

(2)本发明提出的微尺度燃烧器设计加工安装简单，不会增加微尺度燃烧器的回热等额外部件和结构，由于固体氧化物材料高温下形成了氧离子的吸附-释放循环，氧化物材料本身不会被消耗，对比催化燃烧使得微燃烧器壁面材料的寿命得以改善，同时不会产生壁面材料中毒失效等情况的发生，是一种简单、高效的微尺度火焰强化燃烧技术。

附图说明

图1为本发明氧化物材料强化微尺度燃烧技术原理图。

具体实施方式

以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。

实施例1

一种火焰中增加氧离子浓度的微尺度燃烧器，采用方形微通道壁面、烧嘴、固定支架和壁面加热器等组成微通道燃烧系统，方形微通道壁面可移动，保证了燃烧火焰与壁面材料的紧密接触，方形微通道间距在2-6mm范围内可调；壁面材料为固体金属氧化物，金属氧化物选自Zr₂O、Al₂O₃、BaO、MgO、Y₂O₃、Dy₂O₃、CeO₂、Sm₂O₃、TiO₂、CuO、V₂O₅、MnO和La₂O₃中的一种或几种。

本发明提出的氧化物材料强化微尺度燃烧技术原理图如图1所示。在微尺度燃烧器正常工作时，从喷嘴管喷入碳氢燃料C_xH_y和氧气O₂的预混气，点火后在微燃烧器内形成火焰，此时高温火焰和壁面氧化物材料在微燃烧器内充分接触；在火焰高温的作用下，固体金属氧化物材料壁面的离子导电性能逐渐增强，其中的金属离子具有易变价的特性，以CeO₂为例，在不同的氧化还原气氛中金属离子Ce³⁺和Ce⁴⁺氧化还原对可以很容易地进行相互转化，在固体氧化物材料中分别以CeO₂及Ce₂O₃状态存在。在高温火焰区域，由于燃料对氧气的消耗，导致局部氧分压降低，此时属于还原性气氛，CeO₂可以很容易地得到电子并释放出氧离子O^2-而形成Ce₂O₃，并在材料中形成氧空缺，由于O^2-具有比O₂更强的氧化性和反应速率，释放到火焰中的O^2-可以很容易地和燃烧中间产物及未燃碳氢燃料发生反应，从而增加微尺度火焰的燃烧强度。

随着燃烧反应过程的进行，高温火焰区的燃料及氧气的预混气源源不断地被补充，使得局部氧分压得以提高，此时材料中的固体氧化物Ce₂O₃可以很容易地失去电子而使气相中的O₂被氧化为氧离子O^2-，O^2-被微燃烧器壁面的固体氧化物氧空缺吸附，固体氧化物Ce₂O₃转化为CeO₂，从而在微尺度燃烧器燃烧区域形成了氧离子的释放—吸附循环，增加了微尺度火焰中的氧离子浓度，微尺度火焰强度得以增强，火焰稳定性大大改善。

在本实施例中，优选微通道壁面材料由质量分数为10％的氧化铈和质量分数为90％的氧化锆的复合材料组成。

实施例2

与实施例1相同，不同之处在于：微通道壁面材料由质量分数为15％的氧化钇和质量分数为85％的氧化锆的复合材料组成。

对比例1

与实施例1相同，不同之处在于：采用不锈钢304作为微尺度燃烧器的微通道壁面材料。

将实施例2和对比例1的壁面材料得到的微尺度燃烧器进行试验，测试工况和火焰的稳燃极限如下：

工况1：燃料为甲烷和空气的预混气，燃料流速0.6m/s，燃料当量比0.6。壁面温度200℃～600℃，壁面材料：不锈钢304(对比例1)、质量分数为15％的氧化钇和质量分数为85％的氧化锆复合氧化物材料(实施例2)，各壁面温度下火焰的稳燃极限(即能保证火焰稳定燃烧的最小壁面距离，单位：mm)结果如表1所示：

表1

壁面温度	对比例1	实施例2
			200℃	3.50mm	2.80mm
300℃	3.25mm	2.50mm
			400℃	2.80mm	2.25mm
500℃	2.75mm	2.0mm

实施例3

与实施例2相同，不同之处在于：微通道壁面材料由氧化铝组成。

对比例2

与实施例3相同，不同之处在于：采用不锈钢304作为微尺度燃烧器的微通道壁面材料。

将实施例3和对比例2的壁面材料得到的微尺度燃烧器进行试验，测试工况和火焰的稳燃极限如下：

工况2：燃料为丁烷和空气的预混气，燃料流速0.6m/s，燃料当量比0.6。壁面温度200℃～600℃，壁面材料：不锈钢304(对比例2)、氧化铝(实施例3)，各壁面温度下火焰的稳燃极限结果如表2所示：

表2

壁面温度	对比例2	实施例3
			200℃	2.60mm	2.20mm
300℃	2.25mm	1.90mm
			400℃	1.95mm	1.55mm
600℃	1.85mm	1.30mm

从表1和表2的实验测试结果看，对比不锈钢304材料，实施例2和实施例3采用的氧化物壁面材料在不同燃料燃烧时均提高了微尺度火焰稳燃极限，也即达到了强化微尺度燃烧的目的。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。