微型预混催化重整燃烧器 【技术领域】
本发明涉及一种微型高效燃烧器，尤其涉及一种预混空气与燃气同时进行催化重整及催化燃烧的微型预混催化重整燃烧器。
背景技术
随着微型卫星、微型飞行器、微型传感器、微型移动设备、微型机器人、微型科学仪器以及其它微型设备等高技术的迅猛发展，对微动力机电系统提出了更高的要求。其中，微发动机、微涡轮机、微转子发动机等是微动力机电系统的关键部件和核心装置，其共同特征是利用氢、碳氢燃料，在一个微型燃烧器中燃烧放热。这种以碳氢为燃料的微型燃烧装置具有能量密度高、寿命长、体积小、重量轻、成本低、环境污染小以及添加燃料方便等优点，在国防、军事、航空航天、通讯、医疗卫生等领域有广阔的应用前景。
由于微型燃烧器的燃烧空间极小，在燃烧腔内燃料燃烧的驻留时间急剧缩短，易出现燃烧不稳定，点火困难、易熄火等现象，也难以保证燃料完全燃烧。此外随着燃烧空间的缩小，燃烧器面容比增大，热量损失非常严重。如何在微空间内使燃料保持稳定高效燃烧，采用何种措施提高微型燃烧器的热量利用效率等，均给微型燃烧装置的研究提出了挑战。目前的微型燃烧器多是在燃烧室外部预混以后，再通入燃烧器中进行燃烧。这样造成整个燃烧装置相对较大，结构也不紧凑。且微燃烧中气体流速较低，基本属于层流流动，空气与燃料气的混合比较困难，不利于燃烧反应的进行。另外，常规的火焰燃烧在微尺度下也难以稳定进行，同时相对于无焰燃烧来说，火焰燃烧的发光会损失更多的能量。燃烧效率不高，燃烧产物中会含有更多的一氧化碳和甲烷，对环境也是一种污染。
【发明内容】
针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种结构紧凑、实现高效燃烧、低污染排放的微型预混催化重整燃烧器。
本发明的目的是这样实现的：微型预混催化重整燃烧器包括燃烧器本体，所述燃烧器本体从上至下依次设置进气孔、预混腔、环形结构的燃烧腔和排气孔；所述进气孔包括空气进气孔和围绕空气进气孔均布的燃气进气孔；所述空气进气孔和燃气进气孔分别与预混腔连通，预混腔与燃烧腔连通，燃烧腔与排气孔连通；所述燃烧器本体的底部还设有与燃烧腔连通的点火孔，所述燃烧腔的顶部和底部分别设置相互错位的环形筋板，所述燃烧腔和环形筋板的表面涂覆Pt/γ-Al2O3催化剂层。
进一步，所述燃烧器本体的顶部还设有直径大于空气进气孔的空气连接孔和直径大于燃气进气孔的燃气连接孔，所述空气连接孔与空气进气孔连通，所述燃气连接孔与燃气进气孔连通；
进一步，围绕所述燃烧腔设有预热通道，所述预混腔通过预热通道与燃烧腔连通；
进一步，所述预混腔由中心向外发散的旋流槽和围绕旋流槽设置的预混环形腔组成；所述空气进气孔和燃气进气孔分别与旋流槽的进气口连通，旋流槽的出气口与预混环形腔连通，预混环形腔与预热通道连通；
进一步，所述燃烧器本体包括进气连接层、气体入口层、预混腔层、燃烧腔层和气体出口层；所述空气连接孔和燃气连接孔设置在进气连接层上，所述空气进气孔和燃气进气孔设置在气体入口层上；所述旋流槽和预混环形腔设置在预混腔层上；所述燃烧腔和预热通道设置在燃烧腔层上；所述排气孔和点火孔设置在气体出口层上；
进一步，所述预混腔的内壁呈网格状、波纹或凹坑结构；
进一步，所述预混腔的内壁上涂敷Ni基催化剂层；
进一步，所述燃烧腔和环形筋板的表面呈网格状、波纹或凹坑结构。
本发明的有益效果：微型预混催化重整燃烧器与现有技术相比具有如下优点：
1、本发明采用在燃烧腔内设置相互错位的环形筋板，延长气体在燃烧腔内燃烧时间；增大燃烧腔内的催化燃烧面积；充分利用微空间换热实现热量循环利用，降低散热损失，改善燃料的着火、提高燃烧稳定性，使微燃烧更为完全、充分，从而实现高效燃烧、低污染排放。
2、燃烧器本体的顶部还设有直径大于空气进气孔的空气连接孔和直径大于燃气进气孔的燃气连接孔，解决并简化了燃气进气孔、空气进气孔与气源连接困难的问题。
3、燃气与空气进入不同的旋流槽内，在旋流槽内垂直交叉相遇，并形成旋转流动，提高了燃气和空气的混合质量。
4、预混腔内置，省去了外置式燃料和空气的预混装置，有利于减小微型燃烧器的整体尺寸。
5、燃烧器本体中围绕燃烧腔设置预热通道，预热通道既能延长燃料和空气的预混时间，使其充分均匀混合，提高气体的混合效果，又可以回收燃烧腔内燃气燃烧产生的部分热量，提高混合气体的温度，增强燃烧腔内燃气和空气的可起燃性，有利于保证燃烧的稳定和提高微型燃烧装置的燃烧效率。
【附图说明】
图1为本发明的剖面视图；
图2为进气连接层的主视图；
图3为图2中沿A-A方向的剖面视图；
图4为气体入口层的主视图；
图5为图4中沿B-B方向的剖面视图；
图6为预混腔层的主视图；
图7为图6中沿C-C方向的剖面视图；
图8为燃烧腔层的主视图；
图9为图8中沿D-D方向的剖面视图；
图10为气体出口层地主视图；
图11为图10中沿E-E方向的剖面视图。
附图中的附图标记所代表的结构如下：
1-预混腔 2-燃烧腔 3-排气孔 4-空气进气孔 5-燃气进气孔6-点火孔 7-环形筋板 8-空气连接孔 9-燃气连接孔 10-预热通道11-旋流槽 12-预混环形腔 13-进气连接层 14-气体入口层 15-预混腔层16-燃烧腔层 17-气体出口层 18-螺栓孔 19-燃气环形腔 20-预混出气孔
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。
图1为本发明的剖面视图，如图所示：微型预混催化重整燃烧器包括燃烧器本体，燃烧器本体从上至下依次设置进气连接层13、气体入口层14、预混腔层15、燃烧腔层16和气体出口层17，进气连接层13、气体入口层14、预混腔层15、燃烧腔层16和气体出口层17的四角均设有螺栓孔18，把螺栓依次穿过进气连接层13、气体入口层14、预混腔层15、燃烧腔层16和气体出口层17上的螺纹孔18并与螺母旋紧，可将进气连接层13、气体入口层14、预混腔层15、燃烧腔层16和气体出口层17连接成为一体。在进气连接层13的中心设有空气连接孔8，围绕空气连接孔8均布设有三个燃气连接孔9，在燃气连接孔9的底部设置与其连通的且向内延伸的燃气环形腔19(如图2和如图3所示)。在气体入口层14的中心部位设置空气进气孔4，围绕空气进气孔4均布设置六个燃气进气孔5(如图4和如图5所示)，空气进气孔4与空气连接孔8连通，燃气进气孔5通过燃气环形腔19与燃气连接孔9连通。在预混腔层15上设置由中心向外发散的旋流槽11和围绕旋流槽11设置的预混环形腔12组成的预混腔1，本实施例中，旋流槽11为六个，六个旋流槽11对应的中心部位与空气进气孔4对应并连通，六个旋流槽11的气体入口与六个燃气进气孔5相对应并连通，预混环形腔12的底部圆周上均布十二个预混气出气孔20(如图6和如图7所示)。在燃烧腔层16上设置环形结构的燃烧腔2，围绕燃烧腔2均布设置预热通道10，本实施例中，预热通道10为四个(如图8和如图9所示)，四个预热通道10的顶部与十二个预混气出气孔20对应并连通，底部与燃烧腔2连通，燃烧腔2的顶部依次固定设置三层等距的环形筋板。在气体出口层17上均布设置与燃烧腔2连通的四个的排气孔3和一个点火孔6(如图10和如图11所示)，点火孔6位于排气孔3的外侧，在排气孔3与点火孔6之间固定设置三层等距的环形筋板。燃烧腔2顶部的三层环形筋板和气体出口层17上的三层环形筋板错位分布，在上下环形筋板之间形成燃烧通道。
燃烧腔2和环形筋板7的表面呈网格状结构，也可采用波纹或凹坑结构，燃烧腔2和环形筋板7的表面涂覆Pt/γ-Al2O3催化剂。该结构形状的燃烧腔2与单一结构的燃烧腔相比，大大增加燃烧腔的催化反应的催化表面积，延长催化燃烧的反应时间，提高了燃烧效率；同时增强扰动与强化传热，从而提高燃烧效率和稳定性。
预混腔1的内壁呈网格状结构，也可采用波纹或凹坑结构，预混腔1的内壁上涂敷Ni基催化剂。空气与燃气分别进入旋流槽，在旋转流动中混合预热并在Ni基催化剂作用下发生重整反应。该结构形状的预混腔1既增加催化表面积，又起着强化传热、增强预混的作用。
空气连接孔8的直径大于空气进气孔4的直径，燃气连接孔9的直径大于燃气进气孔5的直径。微型燃烧器的进气孔均比较小，与气源连接困难，因此采用与空气进气孔4连通的直径较大的空气连接孔8和与燃气进气孔5连通的直径较大的燃气连接孔9与气源连接，有效地解决并简化了燃气进气孔、空气进气孔与气源连接困难的问题。
使用该燃烧器时，在预混腔1内壁上涂刷Ni基催化剂，通过空气连接孔8向空气进气孔4内通入空气，通过燃气连接孔9向燃气进气孔5内通入燃气，进入旋流槽11内的两股气体垂直交叉相遇，并形成旋转流动，提高空气和燃气混合，随后进入预混环形腔12内进一步混合，与此同时，预混腔1内的气体在Ni基催化剂的作用下发生自热重整反应生成少量氢气；预混腔1内的混合气体和少量氢气通过预混气出气孔20进入预热通道10内，再通过预热通道10进入燃烧腔2内；采用点火装置在点火孔6点火，燃烧腔2内的少量氢气首先燃烧，随后在Pt/γ-Al2O3催化剂的作用下促进燃烧腔2内的混合气体完全燃烧；最后，燃烧后的气体从排气孔3排出。
在恒温环境中，对CH4和湿空气的预混催化重整燃烧研究表明，当甲烷、氧气与水蒸气的摩尔比CH4/O2为1∶2∶3，环境温度为1000K，甲烷质量流量为1g/h时，本发明微型预混催化重整燃烧器的燃烧效率可达到85％以上，燃烧产物中CH4含量仅为5％，大大减少了污染物的排放，提高了燃料的利用率。可广泛应用于微型燃烧设备中燃料气体的燃烧，随着技术的进一步成熟，可为微型机电系统(MEMS)、微型动力系统、微型机器人、微小卫星、微型火箭、微型飞机等微型设备提供微动力或电源，有广阔的应用前景。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。