微尺度催化着火与燃烧中表面/气相反应的相互作用及加氢对着火的热与化学影响

In this project, two main scientific problems are studied by systematic experiments and chemical kinetics analysis: (1) the interaction between gas phase reaction and surface catalytic reaction in the process of micro-scale catalytic combustion of n-butane/air mixture; (2) the thermal and chemical effects of hydrogen on hydrogen-assisted catalytic ignition of n-butane. The full experimental system of catalytic ignition and combustion of n-butane is constructed during the research period; the detailed gas phase and surface catalytic reaction mechanisms are made up to describe the catalytic ignition and combustion of n-butane/air mixture with or without hydrogen. The interaction of the gas-phase/surface catalytic reactions during micro-scale catalytic combustion and the thermal/chemical effects of hydrogen on hydrogen-assisted catalytic ignition are demonstrated by chemical kinetics analysis. The influence of interaction among physics, chemistry, transport and flow on the characteristics of n-butane catalytic ignition and combustion are systematic investigated using the CFD coupled with homogeneous and heterogeneous chemical kinetics. The effect of scale, the operation conditions of stable combustion and the characteristics of n-butane catalytic ignition and combustion are determined. This study supplies scientific basis for the design of micro-scale catalytic combustor and expands the theory of micro-scale catalytic combustion.

本项目将通过系统的实验和化学反应动力学分析研究两个科学问题：(1)正丁烷/空气混合物微尺度催化燃烧过程中表面催化反应与空间均相反应之间的相互作用;（2）氢气添加对其催化着火过程的热与化学作用。通过本项目的研究，将建立完整的正丁烷催化着火与燃烧的实验研究系统，构建用于描述正丁烷及其加氢混合物的催化着火与燃烧过程的详细表面和气相反应动力学机理模型。通过详细的化学反应动力学分析，揭示微尺度催化着火与燃烧过程中表面/气相反应的相互作用机制和氢气对催化着火的热与化学作用机制。通过多相/均相反应动力学与CFD的耦合，系统研究物理、化学与输运、流动过程的相互作用，及其对催化着火与燃烧的影响，确定尺度效应和运行工况条件对上述作用机制的影响和正丁烷微尺度催化着火与燃烧特性、以及稳定燃烧的合理工况参数范围，为微尺度催化燃烧器的设计提供科学依据，丰富微尺度催化燃烧理论。

为了解决微尺度催化燃烧中的着火与燃烧问题，本项目通过实验和化学反应动力学分析等方法开展了正丁烷/空气混合物在微尺度反应器中的催化着火与燃烧过程的研究，重点分析、讨论了添加氢气对混合物催化着火的热作用与化学作用，以及催化燃烧时表面催化反应与空间均相反应的相互作用。研究结果表明，氢气有助于丁烷的催化着火与燃烧，而且可以提高燃烧的稳定性，扩大燃烧的可燃极限。实验研究和动力学分析均发现，氢气对丁烷催化着火过程的影响随着氢气添加量的不同而不同，并存在一个临界氢气添加量。当氢气量小于临界值时，氢气对丁烷的催化着火表现为热作用。此时，丁烷的催化着火温度保持和无氢气时的催化着火温度一样；当氢气添加量大于临界值时，氢气的影响表现为化学作用。此时，丁烷的催化着火温度远远低于无氢气时的催化着火温度。在管式流动反应器中对正丁烷/空气混合物的催化氧化过程的实验研究表明，根据反应温度的高低，催化氧化反应分为三个区域：低温催化反应控制区，高温气相反应控制区和中温气相-表面反应联合作用区。综合利用详细气相反应和表面催化反应机理完成的化学动力学分析表明，在低温催化反应控制区，只启动催化反应，且只发生完全氧化的催化反应过程，而没有气相反应发生；在气相反应控制区，主要发生不完全氧化的气相反应过程，以及气相热解过程，而表面催化反应比较弱；在气相-表面反应联合控制区，随着温度的升高，表面反应和气相反应发生此消彼长的转换过程：向低温方向发展时，由于发生在表面的启动反应C4H10+Pt(s)→C4H10(s)优先开始，并抑制了气相反应，导致气相反应更难发生；但是向高温方向发展时，气相反应逐渐占主导地位。