一种火焰中增加氧离子浓度的微尺度强化燃烧方法技术

本发明专利技术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

A micro scale enhanced combustion method for increasing oxygen ion concentration in flame

【技术实现步骤摘要】
一种火焰中增加氧离子浓度的微尺度强化燃烧方法
本专利技术涉及微尺度燃烧
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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Rm+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RnOm转化为R2nO2m-1，释放到气相中的O2-增加了火焰中的局部氧离子浓度，而O2-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+O2-→H2O+2e-(1)CO+O2-→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O2-，而O2-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R2nO2m-1转化为RnOm，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。本专利技术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。本专利技术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，本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术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)本专利技术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为本专利技术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专利技术的进一步说明，而不是对本专利技术的限制。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。本专利技术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CxHy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O2-而形成Ce2O3，并在材料中形成氧空缺，由于O2-具有比O2更强的氧化性和反应速率，释放到火焰中的O2-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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种火焰中增加氧离子浓度的微尺度强化燃烧方法，其特征在于，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

【技术特征摘要】
1.一种火焰中增加氧离子浓度的微尺度强化燃烧方法，其特征在于，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Zr2O、Al2O3、BaO、MgO、Y2O3、Dy2O3、CeO2、Sm2O3、TiO2、CuO、V2O5、MnO和La2O3中的一种或几种。


2.根据权利要求1所述的火焰中增加氧离子浓度的微尺度强化燃烧方法，其特征在于，所述的微尺度燃烧器尺寸在厘米或毫米级别。


3.权利要求1所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...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾小军，汪小憨，杨浩林，
申请(专利权)人：中国科学院广州能源研究所，
类型：发明
国别省市：广东;44