悬浮纳米颗粒催化剂辅助的甲烷点火及燃烧特性研究

本项目拟将纳米颗粒催化剂均匀悬浮于可燃混合气中进行燃烧，这种新型的悬浮纳米颗粒催化剂辅助的燃烧方式不需要任何催化剂负载介质，可以用于各种燃烧装置中。其在改善气相的燃烧特性、降低可燃气的点火温度、减少点火延迟时间和污染物的排放等方面都有很大的应用潜力。本项目拟对悬浮纳米颗粒催化剂辅助的甲烷点火和燃烧过程进行实验和数值研究，以一维滞止点预混燃烧以及对撞射流扩散燃烧为研究对象，研究在不同流场应变率和当量比下悬浮纳米颗粒剂辅助的预混燃烧点火和火焰传播特性，以及在不同流场应变率下混合过程对悬浮纳米颗粒剂辅助的扩散燃烧点火和燃烧特性的影响。同时该项目还将对该点火及燃烧过程的数值建模以及均相与非均相反应的耦合机理等相关理论问题进行研究。

催化燃烧具有点火温度低、火焰稳定性好、污染物排放低等优点。采用气溶胶方法可实时产生纳米颗粒催化剂，并将其均匀分布于CH4/Air可燃预混气中，利用非均相的催化反应和均相气相反应之间的耦合促进机理，加快可燃预混气的点火速度，提高气相燃烧的稳定性，减少污染物排放，该方法有望被用于多种燃烧装置例如超音速燃烧器的点火过程中。本项目以均匀搅拌反应器、层流通道式反应器、滞止点反应器等燃烧装置作为研究对象，分析不同催化剂、催化剂大小及分布等参数对可燃预混气点火温度、点火延迟时间、稳定性等的影响，研究该催化点火及燃烧过程中非均相催化反应与均相气相反应之间的相互作用机理。研究结果表明低温催化反应放出的热量能够加快高温气相反应的发生，从而减少气相点火延迟时间，扩展燃烧极限，提高火焰稳定性。对于钯、铂、镍三种催化剂，其改善CH4/Air预混气气相点火的性能为Pd>>Pt>Ni，使用Pd纳米颗粒催化剂，只需很少的剂量就能大大改善预混气的点火特性，有效缩短点火延迟时间2~3个数量级，而采用Pt和Ni催化剂则需要很大的比表面积才能改善CH4/Air预混气的点火特性。由于在线生成钯催化剂的成本极为昂贵，从节省成本和实际应用出发，本项目考虑使用镍或铂催化剂，同时利用泡沫陶瓷多孔介质大的比表面积和强蓄热能力，将多孔介质燃烧与催化燃烧两者的优势结合起来，发展多孔介质催化燃烧技术，研究一种新型的多孔介质催化燃烧辐射器，结果表明，这种新型燃烧辐射器能进一步提高火焰稳定性和辐射热效率，拓展预混气贫燃极限，减少污染物排放。目前本项目已发表论文4篇，其中SCI收录2篇，EI收录3篇，另有2篇已投稿，正在审稿中。