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中国工程热物理学会 姗烧学 第十届年会 编号:014116 催化重整反应在燃烧研究中的潜在应用 傅维标 (清华大学工程力学系，嫩烧研究室，100064) 摘要本文概述了催化重整反应的原理及它对碳氢燃料的着火、火焰传播及火焰稳定的影响，阐明了 氢对混合气嫩烧特性影响的机理。并进而说明了它在柴油机、汽油机、加力燃烧室的火焰稳定、低热 值煤气及煤嫩烧研究中的潜在应用。 一、前言 众所周知，燃料与水在一般温度下是不会反应的。然而，若在催化剂 (镍基催化剂) 的作用下，在催化剂表面上，在200C-500℃条件下，就可发生反应，使燃料和水中的 H,释放出来，这就是催化重整反应，即: CXHy+xH,O-1xC0+(x+y/z)Hz LH0 由于H，与。:的反应速率大，其扩散速率也大，发热量(单位质量)又高 着火热低 因此若H;参于嫩烧，则会显著地改善燃料的燃烧性能。而且在催化剂表面上还不易积 定，因为碳与水中的氧将生成co,它与一般贵金属的表面催化易积定的情况完全不同。 二、甲烷一水蒸汽催化重整反应 为了验证在催化剂表面上是否有H:产生，本文建立了如图乙所示的实验设备。实 验中碳氢燃料选用CH,，它的总体反应如下: CH,+HzO-1CO+3Hi CHI+2H,O--)CO:+4Hr 其中Hx.CO.CO:的生成速率见文献 1〔]。其实验及计算结果如图2所示。 由图2可知 实验中确是产生了H:气，而且与理论计算值符合得较好。H,含量随 CH,增加略有下降的原因是 由于CH,流量的增加，CH,在催化剂中的停留时间减小了。 本文在以后的CH;十水蒸汽的催化重整试验中，均按此计算方法来计算H:的生成量。 三、催化重整反应对碳氢燃料着火的影响 其实验系统见图3所示，所用的碳氢燃料有CH,，庚烷及正十二烷。 实验分两种情况进行，一是预催化着火方式，即徽料蒸汽、水蒸汽及空气预先经过 一反应炉，在其中进行催化重整反应，生成H,气。这样，就形成了撼料蒸汽、H,.CO, 空气及少量 co:的混合气，进人着火试验段后被一用不涂催化剂的热棒 (称其为非催 化性棒)点燃。这种着火方式称其为预催化着火方式;另一种着火方式为壁面催化重整 着火方式，即将催化剂涂在一棒的表面 (称其为催化性棒)，然后将催化性棒加热，并 用它将混合气点火燃。为了与无催化重整反应的着火试验进行比较，试验中保持水蒸汽 的流量相同。所有的试验都是在H:含量5s,的条件下进行的。试验结果见图4-74 由图4-7的实验结果可知 只要在混气中产生-5,的H:气。就可较大幅度地降低 着火温度(约降低100C-300`C)这是一个令人鼓舞的实验结果，它对内燃机油掺水燃 烧有着潜在的应用前景。 为什么少量的H:就能显著地降低燃料的着火温度呢?这是因为无论是预催化重整 反应还是表现催重整反应，它所生成的H:与。:的反应速率很快。例如对预催化重整反 710 应，虽然其空间的H:浓度不大 ‘但由于它的扩散速率很大，因此大量的H:通过扩向输 运到热壁处 在‘热壁处H:和。:在较低的温度下就可以反应，而且其反应速率又很大 ‘由 于H2的热值高，因此它所放出的热量足以使H:着火。H:的着火促进了嫌料的着火，使 燃料的着火温度下降。 四、催化重整反应对火焰传播速度的影响 层流火焰传播速度SL是反映火焰特性和理解燃烧的一个重要参数，它集中体现了 预混气的反应、扩散和放热等方面的性质，也有助于揭示燃烧现象的动力学机制。加氢 对火焰传播的影响早有人对它进行了研究。Milton等夕心重过定容嫩烧弹法测量了碳氢 然料加氢后与空气预混气的火焰传播速度与温度和压力的关系刃【.Yu等人运用一个轴对 称、绝热的对冲平面火焰，测定了加氢对火焰传速度的影响3:1。他们的实验结果表明， 少量的氢气的加人可显著地提高预混气的火焰传播速度。 前人都是将氢加人到燃料或预混气中。本文的研究澎西过预催化方法，使得甲烷和 水蒸汽在催化剂的作用下发生反应生成