一种使用泡沫金属作催化剂结构基体的微小型催化燃烧器制造技术

本发明专利技术涉及一种使用泡沫金属作催化剂结构基体的微小型催化燃烧器，包括外侧套管、内侧套管A、内侧套管B三个部分。预混燃料先后通过反应物入口、反应物入口通道和催化燃烧反应室入口，进入催化燃烧反应室，在以泡沫金属作为结构基体的整体催化剂的表面上发生催化和燃烧反应，然后经过产物通道入口、产物通道、回热通道入口、回热通道、尾气出口。在产物混合物(高温烟气)流经回热通道的过程中，一方面将大部分热量传递给外侧套管表面的热电转换材料，完成将“热”转换成“电”的过程；另一方面，将部分热量传递给反应物入口通道中的预混反应物，提高微尺度燃烧的稳定性。用泡沫金属作整体催化剂的结构基体，提高催化剂的活性及燃烧稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种使用泡沫金属作催化剂结构基体的微小型催化燃烧器
：本专利技术涉及一种微小型的催化燃烧器，其内部的催化剂为使用泡沫金属作结构基体的整体催化剂。该装置可用于燃料型的微小热电能量系统，从而实现碳氢燃料的燃烧热向高品位电能的转换属于先进环境能源利用

技术介绍
：随着社会科技高速发展，各种系统和设备为便于携带逐步趋向小型化，于是作为便携式设备的直接驱动力、小型泵和风机、微型阀、微型传感器以及其他测试和测量仪器等。目前各种微型设备应用最多的能量供应系统是化学电池，它简单、可靠，但能量密度低，使用寿命短，已逐渐不能满足微小型设备的需求。因此，研制体积小、重量轻、能量密度高且使用寿命长的微型能量系统已成为各国科学家们关注的焦点。与传统的电池相比，碳氢燃料具有能量密度高、成本低、环保等优势，例如，碳氢燃料丁烷的能量密度比传统锂电池高两个数量级。目前最常用的锂离子电池的能量密度只有0.4～0.6MJ/kg，而碳氢燃料的能量密度在40～50MJ/kg之间，即使燃料型微小型能量系统的热电转换效率(化学能转化为电能)只有5％，碳氢燃料燃烧所能提供的能量仍是化学电池的5倍。因此，利用碳氢燃料燃烧获取能量的微型能量系统越来越受到人们的青睐，可以说微小型电源/动力系统将会成为未来不可或缺的能量供应系统。虽然基于微燃烧的微型动力系统以其便携性和高能量密度得到了广泛的关注，然而随着燃烧器尺度的减小，微小尺度燃烧也给人们带来了巨大的困难和挑战，这种不成熟的燃烧技术也同时制约了微型能量系统发展和实际应用。当燃烧器的尺寸缩小到毫米量级时，燃烧器外表面积与体积之比(S/V)大幅增大，壁面热损失显著增加，从而导致热熄火；同时尺寸变小后会使得燃烧室离火焰距离过近，容易引发自由基熄灭反应，导致基熄火。热损失和基熄火对燃烧均有非常不利的影响。将催化剂应用于微小尺度燃烧反应——微尺度催化燃烧，一方面可使燃料在较低温度下起燃并保持较低的燃烧温度，而且易维持，反应器壁面的温度也大幅降低，有效降低了燃烧器壁面和外部环境之间的热量传递，从而有效减少热量的损失，可以避免热熄火；另一方面催化燃烧是无焰燃烧，避免了基熄火效应。此外，催化燃烧可使燃料更加充分的燃烧，大大提高燃料的燃烧效率。大量实验研究也证明，在催化剂表面进行的微尺度燃烧反应确实能有效降低反应温度，扩大着火极限范围，拓宽燃料的稳定燃烧范围，提高微燃烧稳定性。目前公开的文献资料中，用于微小尺度催化燃烧器的催化剂，其结构基体的材料已逐渐由原来的堇青石陶瓷材料被具有高热传导系数的SiC和Al、Ni、铝合金等金属材料所替代，而且基体结构形式多样，有薄片状、蜂窝状和泡沫状。金属材质的结构基体因具有更好的物理和力学性能，比陶瓷材料更适合做催化剂的基体，而与传统蜂窝载体相比，泡沫金属基体更是具有无法比拟的优点：基体密度小，比表面积大，其独特的三维非规整孔道能明显促进流体和催化剂活性组分的有效接触，大大提高了传热传质效率。因而泡沫金属基体有着非常广阔的应用前景。但相对VOCs和甲烷重整等其他领域的研究，使用泡沫金属为基体制备整体催化剂在微小尺度燃烧中的研究鲜见报道。
技术实现思路
：本专利技术提出一种使用泡沫金属作为催化剂载体的微型催化燃烧器，以克服微燃烧器内均相燃烧热损失大、易熄火等困难，同时改善以堇青石蜂窝陶瓷为催化剂载体的催化燃烧器内部流动阻力大、传热效果差、有效催化面积小等特点。并可以用于热电转换、热光伏、热力发动机等各种类型的微型能量系统。本专利技术所述的一种使用泡沫金属作催化剂结构基体的微小型催化燃烧器，其结构主要包括：外侧套管、内侧套管A和内侧套管B。所述的外侧套管由一个内部空腔的圆柱形壳体1和两个尾气出口2、3组成。所述的圆柱形壳体1，其一侧的端口为开口形式。所述的两个尾气出口2和3均匀分布在圆柱形壳体1的圆周侧面上，并靠近圆柱形壳体1的开口侧。所述的内侧套管A由反应物入口通道4、催化燃烧反应室6和催化燃烧连接密封件5组成。所述的反应物入口通道4的内径和外径均小于催化燃烧反应室6的内外直径，且反应物入口通道4的长度与催化燃烧反应室6长度之比为5︰1。所述的催化燃烧反应室6外形尺寸与所用整体式催化剂尺寸相符合，使其可正好置于反应室6中。催化燃烧反应室6主要用于填充以泡沫金属为结构基体的整体式催化剂和提供燃料催化反应的空间，它是与反应物入口通道4连接为一个实体的，二者之间的内部腔体相通并形成一个带有突扩截面的通道。所述的催化燃烧连接密封件5是固定于反应物入口通道4上的，其轴向位置靠近反应物入口侧的一端。所述的内侧套管B由连接密封件7和产物通道8组成。所述的产物通道8位于催化燃烧反应室6的下游方向，并通过连接密封件7与催化燃烧反应室6相连接，它的通道内外径分别与反应物通道4相同。所述的连接密封件7的功能是连接内侧套管A和内侧套管B，它将产物通道8的一端与催化燃烧反应室6相连接。所述的内侧套管A与内侧套管B通过连接密封件7连接，使反应物通道4、催化燃烧反应室6和产物通道8形成一个贯通的、带有一定突扩段的气体通道，完成混合燃料气体的进入、催化燃烧反应和产物从燃烧反应室离开的过程。连接好的内侧套管再通过催化燃烧连接密封件5与外侧套管相连接，于是在外侧套管与内侧套管之间形成一个夹层通道，用于从产物通道8中流出的尾气通过，再从两个尾气出口流出微型催化燃烧器。所述的整体式催化剂14由三部分组成：金属基体，载体涂层，活性组分。多孔介质采用孔隙率为95％的泡沫金属。载体涂层为Al2O3溶胶，利用涂覆法进行涂覆，其负载量为10％-30％。催化剂活性组分可以为贵金属，或是钙钛矿型氧化物催化剂、六铝酸盐型催化剂等，其负载量为不超过2％，可以为1-1.5％。整体式催化剂14置于6处。燃料气体流经此处，多孔介质实现燃料气体的充分混合，降低其燃烧温度，提高其燃烧效率。所述整体式催化剂外形尺寸为8㎜×10㎜×1㎜。本专利技术具有下列主要技术优点：(1)结构简单、易于装配、易于密封；(2)使用泡沫金属作为结构基体，制备负载型整体式催化剂，催化活性组分可以是贵金属，也可以是钙钛矿型氧化物催化剂、或者六铝酸盐型催化剂。由于泡沫金属优良的热传导性、低的流通阻力以及高的比表面积，可以大幅度提高催化剂的活性；(3)具有预热功能的“回热”通道，能够将高温烟气的热量传递给入口通道的反应物气体，增加反应物的热晗，提高微尺度燃烧反应的稳定性；(4)催化燃烧反应室既提供给整体催化剂足够的安置空间，又在流体通道内形成一种截面突变的“突扩”结构，促使燃料反应前后形成回流，进一步预热未燃反应物；附图说明：图1为微型催化燃烧器的外侧套管；图2为微型催化燃烧器的内侧套管A；图3为微型催化燃烧器的内侧套管B；图4为微型催化燃烧器结构示意图。图中：1、圆柱形壳体；2、第一尾气出口；3、第二尾气出口；4、反应物入口通道；5、催化燃烧连接密封件；6、催化燃烧反应室；7、连接密封件；8、产物通道；9、反应物入口；10、催化燃烧反应室入口；11、产物通道入口；12、回热通道入口；13、回热通道；14、整体式催化剂。具体实施方式：下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步详细的说明。如图4所示，本专利技术提供的一种使用泡沫金属作为催化剂载体的微型催化燃烧器包括以下结构：反应物入口9本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使用泡沫金属作催化剂结构基体的微小型催化燃烧器，其特征在于：包括外侧套管、内侧套管A、内侧套管B，圆柱形壳体(1)，尾气出口(2)和(3)，反应物入口通道(4)，连接密封件(5)，催化燃烧反应室(6)，连接密封件(7)，产物通道(8)，反应物入口(9)，催化燃烧反应室入口(10)，产物通道入口(11)，回热通道入口(12)，回热通道(13)，整体式催化剂(14)；外侧套管由圆柱形壳体(1)和尾气出口组成，尾气出口分布在圆柱形壳体(1)的圆周侧面靠近圆柱形壳体(1)的开口一侧；入口通道(4)、催化燃烧反应室(6)和连接密封件(5)组成内侧套管A，与反应物入口通道(4)连接的催化燃烧反应室(6)填充以泡沫金属为结构基体的整体式催化剂(14)；连接密封件(7)和产物通道(8)组成内侧套管B，产物通道(8)通过连接密封件(7)与催化燃烧反应室(6)相连接；内侧套管A与内侧套管B通过连接密封件(7)连接，反应物通道(4)、催化燃烧反应室(6)和产物通道(8)形成突扩段的气体通道。

【技术特征摘要】
1.一种使用泡沫金属作催化剂结构基体的微小型催化燃烧器，其特征在于：包括外侧套管、内侧套管A、内侧套管B，圆柱形壳体(1)，尾气出口(2)和(3)，反应物入口通道(4)，催化燃烧连接密封件(5)，催化燃烧反应室(6)，连接密封件(7)，产物通道(8)，反应物入口(9)，催化燃烧反应室入口(10)，产物通道入口(11)，回热通道入口(12)，回热通道(13)，整体式催化剂(14)；外侧套管由圆柱形壳体(1)和尾气出口组成，尾气出口分布在圆柱形壳体(1)的圆周侧面靠近圆柱形壳体(1)的开口一侧；入口通道(4)、催化燃烧反应室(6)和催化燃烧连接密封件(5)组成内侧套管A，与反应物入口通道(4)连接的催化燃烧反应室(6)填充以泡沫金属为结构基体的整体式催化剂(14)；连接密封件(7)和产物通道(8)组成内侧套管B，产物通道(8)通过连接密封件(7)与催化燃烧反应室(6)相连接；内侧套管A与内侧套管B通过连接...

【专利技术属性】
技术研发人员：李艳霞，武彤冉，刘中良，骆潮明，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11