[发明专利]甲醇脱氢反应应用于吸热燃料的新途径方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于高超声速飞行器热防护系统的降温方法，采用甲醇催化脱氢反应可大幅提高现有碳氢燃料的可用热沉，能够有效移除高速飞行过程中产生的废热，是一种新型的吸热燃料技术解决方案。 

背景技术

高超声速飞行器在高速飞行过程中会遭遇热障问题，未经冷却的发动机蒙皮温度高达数千度，这超过了目前绝大多数金属或陶瓷的承受温度。采用吸热碳氢燃料进行主动冷却是目前解决“热障”问题最可行和最具有应用前景的实现方案。美国专利USP5176814和美国专利USP5151171提出，碳氢燃料既可作为飞行器的推进剂，同时也可作为冷却剂有效吸收高速飞行产生的废热，并且高温裂解气相产物易于点火和燃烧，着火延迟期短，有利于提高燃料的整体燃烧性能。 

热沉利用和结焦抑制是吸热燃料的两个关键技术，现有的相关专利也对多针对这两个关键技术提出解决方案。为提高吸热碳氢燃料的热沉，美国专利USP5176814首次提出采用催化剂加速燃料裂解速率；中国专利申请号CN200710058969.4提出采用ZSM-5分子筛涂层工艺提高吸热碳氢燃料的裂解转化率和改善产物分布情况，该技术能够有效提高碳氢燃料的吸热能力，但存在催化剂涂层容易失活、热阻较大、难以实现再生的缺陷。针对催化剂涂层的热阻和失活问题，中国专利200910068024提出了纳米可溶分子筛用于吸热碳氢燃料的催化方法，该方法通过“溶解”技术消除催化剂相界面存在的传热、传质问题，同时分子筛的纳米小颗粒也缓解了结焦前驱体的团聚现象。然而纳米分子筛存在高温结构不稳定的缺陷，长链接枝高温下会发生断裂反应，导致催化剂产生“团聚”现象而析出。高超声速飞行器冷却通道内流体温度在600℃以上，这对现有纳米可溶分子筛技术提出了极大挑战。吸热碳氢燃料的结焦抑制问题也同样受到关注。中国专利申请号CN200710058969.4提出使用涂层催化裂解技术，即将负载贵金属的沸石分子筛膜通过物理化学的方法涂覆于换热管壁内侧，并在一定温度下催化裂解燃料。该技术能够有效隔绝材质中具有催化生焦作用的Fe，Ni等金属，从而抑制金属催化生焦，但是由于催化剂本身存在的酸性会催化生焦，同时热裂解缩合聚合过程产生的焦炭也会导致催化剂快速失活。鉴于目前高速飞行器换热系统的催化剂还难以实现在线再生，因此催化剂的寿命问题 是目前亟待解决的问题。中国专利200910229034.7提出采用分子筛涂层和供氢剂协同使用技术来提高喷气燃料裂解和安定性能，该方法解决了燃料热裂解转化率不高和存在较大结焦倾向的问题，裂解催化剂的使用寿命延长。现有专利中关于提高碳氢燃料裂解转化率和抑制结焦的解决方案，使得石油基碳氢燃料的吸热能力已经能够满足飞行Ma 5～7的超燃冲压发动机的热管理需要。对于Ma7以上超燃冲压发动机热管理系统，现有煤油基吸热碳氢燃料，如JP-8，JP-7等在发动机冷却过程中将会面临严重困难，一方面是由于石油基煤油裂解吸热性能接近极限，可提高空间已经不大；另一方面高温高转化率条件下碳氢燃料的结焦速率大大加快，急剧增加的结焦会堵塞冷却通道，严重时会导致冷却失效，甚至飞行失败。 

为解决Ma7以上高超声速飞行器的热障问题，必须开展吸热燃料新途径研究。甲醇在理想状态下发生脱氢反应可完全转化为CO和H₂，此过程具有吸热能力大和结焦量少的优点，是吸热燃料热沉提供的理想技术。经理论计算，750℃下甲醇完全转化为CO和H₂的理想热沉值高达5.9MJ/kg，比现有传统煤油型碳氢燃料的可用热沉值(约3.5MJ/kg)高出约68％，完全能够满足未来Ma＞7高超声速飞行器对吸热燃料的热沉要求，是一种十分有应用前途的吸热燃料热沉利用新途径。尽管甲醇制烯烃、甲醇脱氢制甲醛技术在学术界和工业界研究得较多，并且形成了一系列文献、报告和专利，但相关技术应用于吸热燃料热沉利用方面的研究较少，未见国内外相关专利对此项技术进行报道。 

发明内容

本发明目的在于提供一种应用于Ma＞7高超声速飞行器吸热燃料热沉利用的新途径方法，可以克服现有吸热燃料技术中可用热沉少，副产物积碳多的缺陷，该方法可以大幅提高现有吸热燃料的可用热沉，有效改善燃料使用过程中的抗结焦性能。 

本发明提供的一种提高吸热燃料热沉和抗结焦性能的方法包括的步骤： 

将催化剂涂覆于冷却通道内表面，甲醇在温度大于600℃，压力大于或等于2MPa的超临界条件下进行催化脱氢反应。