一种火焰合成纳米颗粒的燃烧器发明专利

专利名称：一种火焰合成纳米颗粒的燃烧器

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202011494048.4

专利申请（专利权）人：华中科技大学
权利人地址：湖北省武汉市洪山区珞喻路1037号

专利发明（设计）人：赵海波,徐祖伟

专利摘要：本发明属于纳米材料合成相关技术领域，其公开了一种火焰合成纳米颗粒的燃烧器，燃烧器为协流扩散燃烧器，其包括燃烧器基座、第一圆管、第二圆管、第三圆管及第四圆管，第一圆管设置在所述第二圆管内，所述第二圆管设置在所述第三圆管内，所述第三圆管设置在所述第四圆管内，所述第一圆管的一端、所述第二圆管的一端、所述第三圆管的一端均穿过所述第四圆管的底面后连接于所述燃烧器基座；所述第一圆管内形成有前驱体流道，所述第一圆管与所述第二圆管之间形成环形的第一燃气流道，所述第二圆管与所述第三圆管之间形成环形的第二燃气流道，所述第三圆管与所述第四圆管之间形成环形的鞘气流道。本发明实现了灵活调控，扩宽了调控空间。

主权利要求：
1.一种火焰合成纳米颗粒的燃烧器，其特征在于：
所述燃烧器为协流扩散燃烧器，其包括燃烧器基座、第一圆管、第二圆管、第三圆管及第四圆管，所述第一圆管设置在所述第二圆管内，所述第二圆管设置在所述第三圆管内，所述第三圆管设置在所述第四圆管内，所述第一圆管的一端、所述第二圆管的一端、所述第三圆管的一端均穿过所述第四圆管的底面后连接于所述燃烧器基座；
所述第一圆管内形成有前驱体流道，所述第一圆管与所述第二圆管之间形成环形的第一燃气流道，所述第二圆管与所述第三圆管之间形成环形的第二燃气流道，所述第三圆管与所述第四圆管之间形成环形的鞘气流道；所述前驱体流道用于供前驱体蒸汽通过，所述第一燃气流道及所述第二燃气流分别用于供燃气或者助燃气通过，以实现正扩散及反扩散的火焰模式；所述鞘气流道用于供鞘气通过，以稳定和保护火焰、以及对烟气进行稀释冷却；
所述第一燃气流道、所述第二燃气流道及所述鞘气流道内分别设置有预定长度的第一多孔材料、第二多孔材料及第三多孔材料，以分别用于对流出的气体进行均流及整流；所述燃烧器还包括前驱体入口管、第一燃气入口管、第二燃气入口管及鞘气入口管，所述鞘气入口管设置在所述第四圆管的管壁上，其与所述鞘气流道相连通；所述第二燃气入口管设置在所述第三圆管的管壁上，且其位于所述第四圆管的外部；所述第二燃气入口管与所述第二燃气流道相连通；所述第一燃气入口管的一端穿过所述第三圆管后设置于所述第二圆管的管壁上，且所述第一燃气入口管与所述第一燃气流道相连通；所述前驱体入口管的一端穿过所述燃烧器基座后连接于所述第一圆管的一端，其与所述前驱体流道相连通。
2.如权利要求1所述的火焰合成纳米颗粒的燃烧器，其特征在于：所述第一圆管的中心轴、所述第二圆管的中心轴、所述第三圆管的中心轴及所述第四圆管的中心轴重合。
3.如权利要求1所述的火焰合成纳米颗粒的燃烧器，其特征在于：所述第一圆管的材料、所述第二圆管的材料、所述第三圆管的材料及所述第四圆管的材料均为耐热、耐腐蚀不锈钢；所述第一圆管、所述第二圆管及所述第三圆管均为通管，所述第四圆管为桶状，且所述第一圆管的内径、所述第二圆管的内径、所述第三圆管的内径及所述第四圆管的内径依次增大。
4.如权利要求1‑3任一项所述的火焰合成纳米颗粒的燃烧器，其特征在于：所述鞘气为氮气、氩气或者空气。
5.如权利要求1‑3任一项所述的火焰合成纳米颗粒的燃烧器，其特征在于：所述第二燃气流道内通入助燃气，所述第一燃气流道内通入燃气，使得所述燃烧器实现正扩散火焰模式；所述第二燃气流道内通入燃气，所述第一燃气流道内通入助燃气，使得所述燃烧器实现反扩散火焰模式。
6.如权利要求1‑3任一项所述的火焰合成纳米颗粒的燃烧器，其特征在于：第一燃气流道及第二燃气流道内通入燃气和助燃气的流量比例超过燃气完全燃烧的化学计量比，以实现富燃燃烧；燃气和助燃气的流量比例低于燃气完全燃烧的化学计量比，以实现贫燃燃烧。 说明书 : 一种火焰合成纳米颗粒的燃烧器技术领域[0001] 本发明属于纳米材料合成相关技术领域，更具体地，涉及一种火焰合成纳米颗粒的燃烧器。背景技术[0002] 火焰合成是一种制备纳米颗粒的气相化学方法，与湿化学合成方法相比，最具有吸引力的优势是能够连续化生产、一步合成高纯度且粒径均匀的纳米颗粒，而且不产生废水及废渣。在大规模工业化生产过程中，一般采用扩散燃烧的方式以确保系统的安全、稳定运行包括协流扩散、对吹扩散等。协流扩散燃烧器与其他类型的燃烧器相比具有更多可调节的参数，能够在一个较宽的操作区间内控制火焰形态和流场，进而调控颗粒产物的特性，而且便于放大设计和加工。[0003] 协流扩散燃烧有不同的火焰模式，包括正扩散(燃气在内部，助燃剂在外部)、反扩散(燃气在外部，助燃剂在内部)、层流燃烧、湍流燃烧、贫燃燃烧、富燃燃烧等。在应用于火焰合成过程中，火焰模式的不同会影响着前驱体的反应路径和纳米颗粒的产品特性。相应地，本领域存在着发展一种能够调控颗粒尺寸、形貌和组分的火焰合成纳米颗粒的燃烧器的技术需求。发明内容[0004] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种火焰合成纳米颗粒的燃烧器，所述燃烧器通过对各个流道气体的流速及流量进行调节，实现不同的燃烧状态，如可以实现层流燃烧和湍流燃烧、贫燃燃烧和富燃燃烧、以及正扩散和反扩散的火焰模式，达到较宽的纳米颗粒产量和性能调控区间。[0005] 为了实现上述目的，本发明提供了一种火焰合成纳米颗粒的燃烧器，所述燃烧器为协流扩散燃烧器，其包括燃烧器基座、第一圆管、第二圆管、第三圆管及第四圆管，所述第一圆管设置在所述第二圆管内，所述第二圆管设置在所述第三圆管内，所述第三圆管设置在所述第四圆管内，所述第一圆管的一端、所述第二圆管的一端、所述第三圆管的一端均穿过所述第四圆管的底面后连接于所述燃烧器基座；[0006] 所述第一圆管内形成有前驱体流道，所述第一圆管与所述第二圆管之间形成环形的第一燃气流道，所述第二圆管与所述第三圆管之间形成环形的第二燃气流道，所述第三圆管与所述第四圆管之间形成环形的鞘气流道；所述前驱体流道用于供前驱体蒸汽通过，所述第一燃气流道及所述第二燃气流分别用于供燃气或者助燃气通过，以实现正扩散及反扩散的火焰模式；所述鞘气流道用于供鞘气通过，以稳定和保护火焰、以及对烟气进行稀释冷却。[0007] 进一步地，所述第一圆管的中心轴、所述第二圆管的中心轴、所述第三圆管的中心轴及所述第四圆管的中心轴重合。[0008] 进一步地，所述第一圆管的材料、所述第二圆管的材料、所述第三圆管的材料及所述第四圆管的材料均为耐热、耐腐蚀不锈钢；所述第一圆管、所述第二圆管及所述第三圆管均为通管，所述第四圆管为桶状，且所述第一圆管的内径、所述第二圆管的内径、所述第三圆管的内径及所述第四圆管的内径依次增大。[0009] 进一步地，所述鞘气为氮气、氩气或者空气。[0010] 进一步地，所述第二燃气流道内通入助燃气，所述第一燃气流道内通入燃气，使得所述燃烧器实现正扩散火焰模式；所述第二燃气流道内通入燃气，所述第一燃气流道内通入助燃气，使得所述燃烧器实现反扩散火焰模式。[0011] 进一步地，第一燃气流道及第二燃气流道内通入燃气和助燃气的流量比例超过燃气完全燃烧的化学计量比，以实现富燃燃烧；燃气和助燃气的流量比例低于燃气完全燃烧的化学计量比，以实现贫燃燃烧。[0012] 进一步地，所述第一燃气流道、所述第二燃气流道及所述鞘气流道内分别设置有预定长度的第一多孔材料、第二多孔材料及第三多孔材料，以分别用于对流出的气体进行均流及整流。[0013] 进一步地，所述燃烧器还包括前驱体入口管、第一燃气入口管、第二燃气入口管及鞘气入口管，所述鞘气入口管设置在所述第四圆管的管壁上，其与所述鞘气流道相连通；所述第二燃气入口管设置在所述第三圆管的管壁上，且其位于所述第四圆管的外部；所述第二燃气入口管与所述第二燃气流道相连通；所述第一燃气入口管的一端穿过所述第三圆管后设置于所述第二圆管的管壁上，且所述第一燃气入口管与所述第一燃气流道相连通；所述前驱体入口管的一端穿过所述燃烧器基座后连接于所述第一圆管的一端，其与所述前驱体流道相连通。[0014] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的火焰合成纳米颗粒的燃烧器主要具有以下有益效果：[0015] 1.所述燃烧器为协流扩散燃烧器，如此易于放大和加工，燃烧不会回火、安全稳定。[0016] 2.所述第一燃气流道、所述第二燃气流道及所述鞘气流道内分别设置有预定长度的第一多孔材料、第二多孔材料及第三多孔材料，如此对流出的气体进行均流和整流，使火焰流场均匀稳定。[0017] 3.所述鞘气流道用于供鞘气通过，以稳定和保护火焰，并对烟气进行稀释冷却；燃气和助燃气的位置交换可以分别实现正扩散和反扩散火焰模式，在一定程度上调控前驱体的反应路径。[0018] 4.对各流道内气体的流速进行调节，可以实现层流燃烧、湍流燃烧；对各流道气体的流量进行调节，可以实现贫燃燃烧、富燃燃烧等，调控纳米颗粒的产率、形貌、尺寸、化学组分等。附图说明[0019] 图1是本发明提供的火焰合成纳米颗粒的燃烧器的平面示意图；[0020] 图2是图1中的火焰合成纳米颗粒的燃烧器沿另一个角度的示意图；[0021] 图3是实施例1合成的TiO2纳米颗粒电镜图；[0022] 图4是实施例2合成的TiO2纳米颗粒电镜图。[0023] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1‑前驱体流道，2‑第一燃气流道，3‑第二燃气流道，4‑鞘气流道，5‑第一多孔材料，6‑第二多孔材料，7‑第三多孔材料，8‑前驱体入口管，9‑第一燃气入口管，10‑第二燃气入口管，11‑鞘气入口管，12‑燃烧器基座。具体实施方式[0024] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。[0025] 请参阅图1及图2，本发明提供的火焰合成纳米颗粒的燃烧器，所述燃烧器为协流扩散燃烧器，其包括燃烧器基座12、前驱体入口管8、第一燃气入口管9、第二燃气入口管10、鞘气入口管11、第一圆管、第二圆管、第三圆管及第四圆管。所述第一圆管设置在所述第二圆管内，所述第二圆管设置在所述第三圆管内，所述第三圆管设置在所述第四圆管内，且所述第一圆管的中心轴、所述第二圆管的中心轴、所述第三圆管的中心轴及所述第四圆管的中心轴重合。本实施方式中，所述第一圆管的材料、所述第二圆管的材料、所述第三圆管的材料及所述第四圆管的材料均可以为耐热、耐酸不锈钢，以防止高温氧化及腐蚀。[0026] 其中，所述第一圆管的一端、所述第二圆管的一端、所述第三圆管的一端均穿过所述第四圆管的底面后连接于所述燃烧器基座12。本实施方式中，所述第一圆管、所述第二圆管及所述第三圆管均为通管，所述第四圆管为桶状，且所述第一圆管的内径、所述第二圆管的内径、所述第三圆管的内径及所述第四圆管的内径依次增大。[0027] 所述第一圆管内形成有前驱体流道1，所述第一圆管与所述第二圆管之间形成环形的第一燃气流道2，所述第二圆管与所述第三圆管之间形成环形的第二燃气流道3，所述第三圆管与所述第四圆管之间形成鞘气流道4。[0028] 其中，所述前驱体流道1用于通入前驱体蒸汽，以惰性气体作为载气。所述第一燃气流道2用于通入燃气或者助燃气，所述第二燃气流道3用于通入助燃气或者燃气；所述鞘气流道4用于通入鞘气，所述鞘气可以为氮气、氩气、空气等，以能够稳定和保护火焰，及对烟气继续进行稀释冷却。[0029] 所述第一燃气流道2及所述第二燃气流道3通入燃气(甲烷、氢气、丙烷等)或助燃气(氧气、空气等)，可以实现正扩散和反扩散的火焰模式。正扩散火焰时，所述第二燃气流道3内通入助燃气，所述第一燃气流道2内通入燃气；反扩散火焰时，所述第二燃气流道3内通入燃气，所述第一燃气流道2内通入助燃气。正扩散火焰中，前驱体和助燃气(氧化剂)之间被燃气分隔开，前驱体的氧化反应受到抑制，更有利于含氢燃料燃烧产生的水蒸气与前驱体进行水解反应。而反扩散火焰中，前驱体和助燃气(氧化剂)能够直接接触，前驱体优先发生氧化反应。不同的反应机理对纳米颗粒尺寸、形貌、晶相等有显著影响。[0030] 对各通道气体的流速、流量进行调节，可以实现不同的燃烧状态，包括层流燃烧、湍流燃烧、贫燃燃烧、富燃燃烧等。气体流动的状态依据雷诺数来判断，层流一般是低流速、小剪切的流动，也就是各流道的气体流速较小、速度差也较小；湍流一般是高流速、大剪切，也就是各流道的气体流速较高、速度差较大。层流燃烧适合于火焰合成的启动阶段和低负荷运行阶段，湍流燃烧适合于火焰合成的大负荷、高产率运行。贫燃、富燃燃烧主要是调节燃料和助燃气的化学反应当量比，在贫燃状态下，氧气过量，火焰是氧化性的；在富燃状态下，燃气过量，火焰是还原性的，火焰的氧化/还原性可以影响纳米颗粒产物的化学组成。[0031] 所述第一燃气流道2、所述第二燃气流道3及所述鞘气流道4内分别设置有预定长度的第一多孔材料5、第二多孔材料6及第三多孔材料7，以分别用于对流出的气体进行均流及整流。本实施方式中，所述第一多孔材料5、所述第二多孔材料6及所述第三多孔材料7可以相同或者不同，且三者均可以为泡沫陶瓷或者蜂窝陶瓷。[0032] 所述鞘气入口管11设置在所述第四圆管的管壁上，其与所述鞘气流道4相连通。所述第二燃气入口管10设置在所述第三圆管的管壁上，且其位于所述第四圆管的外部。所述第二燃气入口管10与所述第二燃气流道3相连通。所述第一燃气入口管9的一端穿过所述第三圆管后设置于所述第二圆管的管壁上，且所述第一燃气入口管9与所述第一燃气流道2相连通。所述前驱体入口管8的一端穿过所述燃烧器基座12后连接于所述第一圆管的一端，其与所述前驱体流道1相连通。[0033] 协流扩散火焰合成TiO2纳米颗粒，采用TiCl4作为前驱体、载气为氮气、燃气为甲烷、助燃气为氧气、鞘气为氮气。燃烧器的第一圆管、第二圆管、第三圆管及第四圆管的材料使用耐热不锈钢316L(022Cr17Ni12Mo2)，第一圆管、第二圆管、第三圆管及第四圆管的尺寸规格(外径×壁厚，mm)由外到内依次为80×2、36×2、21×1.5、10×1，流道内填充的多孔材料采用孔隙率为80％的泡沫陶瓷。在这个燃烧器上进行了两个实施例，为了减少或避免TiCl4与O2反应产生Cl2(TiCl4+O2→TiO2+2Cl2)以及甲烷不充分燃烧产生炭残留，两个实施例均是正扩散火焰(甲烷在氧气和前驱体之间，有利于甲烷燃烧产生水蒸气与TiCl4进行水解反应，TiCl4+2H2O→TiO2+4HCl)、贫燃燃烧。[0034] 实施例1[0035] 燃气甲烷流量为1.20NL/min，氧气流量为2.88NL/min，氧气过量系数为1.2，鞘气氮气流量为20.0NL/min，载气氮气的流量为0.60NL/min，前驱体TiCl4蒸气分压约为0.1bar。[0036] 该实施例中，产生的TiO2纳米颗粒的透射电镜图像如图3所示，产物为较紧凑的分型结构团聚体，有明显的“烧结颈”，团聚体内初级颗粒近似于球形，平均粒径约为30nm。[0037] 实施例2[0038] 燃气甲烷流量为1.20NL/min，氧气流量为3.60NL/min，氧气过量系数为1.5，鞘气氮气流量为20.0NL/min，载气氮气的流量为0.60NL/min，前驱体TiCl4蒸气分压约为0.1bar。[0039] 该实施例中，产生的TiO2纳米颗粒的透射电镜图像如图4所示，颗粒产物为软团聚体，初级颗粒的形貌呈现出有棱角的多面体，平均粒径约为50nm。[0040] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

专利地区：湖北

专利申请日期：2020-12-17

专利公开日期：2024-07-26

专利公告号：CN112503524B