阅读说明：本技术 顺流式lng发动机废气重整器 (Downflow type LNG engine exhaust reformer ) 是由 张尊华 吴仁民 李格升 龙焱祥 于 2019-08-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种LNG发动机废气重整器,包括分流管、套筒、中间体、废气排气管及重整气出气管,其中,套筒包括前端套筒、中间套筒及后端套筒。利用部分废气余热进行废气重整反应,将重整产生的氢气通入发动机中,实现天然气在线掺氢,有效提高燃料利用率和发动机效率,实现较大幅度的节能与减排；采用废气分流,部分废气重整,部分废气加热,对能量最大利用,顺流式的设计简化了装置的结构。(The invention discloses a kind of LNG engine exhaust reformers, including isocon, sleeve, intermediate, waste gas exhaust pipe and reformation gas escape pipe, wherein sleeve includes front end sleeve, intermediate sleeve and rear end sleeve.Exhaust gas reforming reaction is carried out using portion waste heat, the hydrogen generated will be reformed and be passed through in engine, the online hydrogen loading of natural gas is realized, effectively improve fuel availability and engine efficiency, realize energy conservation and emission reduction by a relatively large margin；It is shunted using exhaust gas, portion is reformed, and portion heating utilizes energy maximum, and the design of downflow type simplifies the structure of device.)

顺流式LNG发动机废气重整器

技术领域

本发明涉及利用LNG发动机余热的技术领域，具体涉及一种顺流式LNG发动机废气重整器。

背景技术

液化天然气(LNG)作为发动机的代用燃料，生命周期内温室气体排放量低，正受到国内外的广泛关注。但天然气中的主要成分甲烷燃烧速度慢，使纯天然气发动机燃烧定容度低，导致热效率不高，并且，天然气发动机在低负荷运行工况时易出现稀燃失火等问题，同时，在发动机气门重叠期，扫气过程存在天然气的逃逸，使得HC排放增加，这些问题成为天然气发动机的发展阻力。相比之下，氢气火焰传播速率快、稀释燃烧极限高，天然气掺氢燃烧能加快其火焰传播速度，缓解后燃现象，促使天然气完全燃烧。

研究表明，将天然气发动机结合废气重整再循环技术(REGR)技术，将还有未燃性甲烷气体的部分废气混合LNG燃料通过重整器产生富氢气体，重新引入发动机，可以实现天然气发动机的掺氢燃烧，从而提升发动机热效率，并减少HC排放。

发明内容

本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种结构简单、催化效率高的顺流式LNG发动机废气重整器。

为实现上述目的，本发明所设计的LNG发动机废气重整器，包括分流管、套筒、中间体、废气排气管及重整气出气管，其中，套筒包括前端套筒、中间套筒及后端套筒；

所述分流管包括总管、第一支管和第二支管，所述第一支管通过第一弧形管与总管连通，所述第二支管通过第二弧形管与总管连通，所述第一支管内通过阀门还连接有甲烷进气管；所述中间体包括前锥筒、后锥筒、一端***前锥筒前连接孔内且焊接在前锥筒上的前波纹管、一端***后锥筒前后连接孔内且焊接在后锥筒上的后波纹管、安装在前锥筒底面的前管板及安装在后锥筒底面的后管板，以及重整管束；所述前波纹管法兰穿过前端套筒与第一支管连通，所述后波纹管穿过后端套筒与废气排气管连通，所述第二支管与前端套筒连通，所述重整气出气管与后端套筒连通。

进一步地，所述后管板上开设有若干个管束孔，每相邻两个管束孔之间留有间隙，中间的管束孔的圆心位于后管板的中心位置，其余管束孔沿中间管束孔的圆周方向均匀布置且呈正多边形；对应地，前管板上的管束孔个数和布置方式与后管板上的管束孔一致。

进一步地，所述重整管束的长度为300～400mm。

进一步地，所述重整管束上沿重整管束的轴向方向布置有多个折流板，每个所述折流板为90°的扇形折流板，每个所述折流板的中间椭圆孔套置在管束单元上且折流板的轮廓与管束单元紧密贴合，多个所述折流板呈等间隔等角度螺旋排布，每个折流板所在平面的法线与套筒中间轴的夹角即螺旋角大于30°、小于50°，且第一块折流板的位置与加热废气的流入方向相对。

进一步地，每个折流板所在平面的法线与套筒中间轴的夹角即螺旋角为40°。

进一步地，所述总管、第一支管和第二支管相互平行布置，且所述第一弧形管和第二弧形管的弧度均为120°。

进一步地，所述前端套筒的开口端焊接有前端法兰，所述后端套筒的开口端焊接有后端法兰，所述中间套筒前开口端焊接有前中间法兰，所述中间套筒后开口端焊接有后中间法兰，所述中间套筒的前中间法兰与前端套筒的前端法兰对合连接，所述中间套筒的后中间法兰与后端套筒的后端法兰对合连接。

进一步地，所述第一支管的开口端焊接有第一支管法兰，所述第二支管的开口端焊接有第二支管法兰；所述前端套筒的前端盖上开有第一通孔和第二通孔，所述第一通孔的边缘开有一圈第一螺栓通孔，所述前法兰的一端焊接在第二通孔内，所述后端套筒的后端盖上开设有第三通孔，所述第三通孔的边缘开有一圈第二螺栓通孔；所述前波纹管的另一端焊接有前波纹管法兰，所述后波纹管的另一端焊接有后波纹管法兰；所述前波纹管的前波纹管法兰伸入第一通孔后第一支管法兰、前端套筒的前端盖第一螺栓通孔和前波纹管法兰通过螺栓连接，所述分流管的第二支管法兰与前法兰对合后通过螺栓连接；所述后波纹管的后波纹管法兰伸入第三通孔后同时废气排气管的一端***第三通孔后波纹管法兰、第二螺栓通孔和废气排气管上的法兰通过螺栓连接。

进一步地，所述后端套筒的后端盖上还开设有第四通孔，重整气出气管焊接在第四通孔处。

进一步地，所述前波纹管法兰和后波纹管法兰上的螺栓孔均为盲孔，法兰连接时均加塞紫铜垫片。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明利用部分废气余热进行废气重整反应，将重整产生的氢气通入发动机中，实现天然气在线掺氢，有效提高燃料利用率和发动机效率，实现较大幅度的节能与减排；采用废气分流，部分废气重整，部分废气加热，对能量最大利用，顺流式的设计简化了装置的结构；并且采用了可拆装式结构，使得重整器可以拆卸清理，有利于提高反应速率，而且保证了气密性，整个装置操作方便结构简单，便于实行；另外，反应管束采用管式固定床结构，结构简单，热效率大，在管束两端焊接锥筒，既增加了催化剂的堆积体积又减少了重整器的尺寸，管板与锥筒焊接起来有效地简化了结构，催化剂可反复使用，温度敏感且转化率高。

附图说明

图1为本发明LNG发动机废气重整器结构示意图；

图2为图1的中间体结构示意图；

图3为图1中前端套筒结构示意图；

图4为图1中中间套筒结构示意图；

图5为图1中后端套筒结构示意图；

图6为图1中分流管结构示意图；

图7为图2中后锥筒结构示意图；

图8为图2中重整管束结构示意图；

图9为图7的左视示意图；

图10为催化剂颗粒球堆积长度变化对甲烷重整率和反应器出口氢气摩尔分数曲线图；

图11为催化剂颗粒球堆积长度变化对温度影响曲线图；

图12为重整管束为正方形布置的温度场分布云图；

图13为重整管束为环形布置的温度场分布云图；

图14为重整管束为正多变形布置的温度场分布云图；

图15为壳程换热系数与压降在不同挡板下的关系曲线图；

图16为不同螺旋角下的周期性模型的壳程单位压降传热系数与质量流量的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1、图2所示本发明LNG发动机废气重整器包括分流管1、套筒、中间体4及废气排气管6，其中，套筒包括前端套筒2、中间套筒3及后端套筒5。结合图3所示，前端套筒2为圆柱筒，相比于传统的圆球壳它能保证高温下的密封，平面的面密封效果更好，另外加工简单；在前端套筒2的前端盖21上开有第一通孔22和第二通孔，第一通孔22的边缘开有一圈第一螺栓通孔23，前法兰24的一端焊接在第二通孔内，且前端套筒2的开口端焊接有前端法兰25。结合图4所示，中间套筒3前开口端焊接有前中间法兰31，中间套筒3后开口端焊接有后中间法兰32。结合图5所示，后端套筒5与前端套筒相同也为圆柱筒，相同地，后端套筒5的后端盖51上开设有第三通孔52和第四通孔，第三通孔52的边缘开有一圈第二螺栓通孔53，后端套筒5的开口端焊接有后端法兰54。安装时，中间套筒3的前中间法兰31与前端套筒2的前端法兰25对合通过螺栓连接，中间套筒3的后中间法兰32与后端套筒5的后端法兰54对合通过螺栓连接，即前端套筒2、中间套筒3和后端套筒5对合连接后形成供中间体4安装的空腔，重整气出气管7焊接在第四通孔处，使得重整气出气管7焊接在后端套筒5的后端盖51的上部，重整气排出后通过中冷装置进入发动机的燃烧气缸。

结合图6所示，分流管1包括总管11、第一支管12和第二支管13，第一支管12通过第一弧形管14与总管11连通，第二支管13通过第二弧形管15与总管11连通，总管11、第一支管12和第二支管13相互平行布置，且第一弧形管14和第二弧形管15的弧度均为120°，另外，第一支管12的开口端焊接有第一支管法兰16，第二支管13的开口端焊接有第二支管法兰17。第一支管12内通过(REGR)阀门18还连接有甲烷进气管19，废气与甲烷在第一支管12内混合后进入中间体4进行重整制氢，然后经过重整气出气管7排出；而第二支管13只进废气，进入重整区域环形腔内用于重整反应的加热和保温，最后经过废气排气管6排出大气。所以，发动机废气经分流管分流为两部分，第一支管12内的废气用于重整，第二支管13内的废气用于加热，高温废气能用于加热是由于两个原因：一是重整废气和甲烷混合后温度下降，二是重整反应中的水蒸气重整吸收热量。

结合图2、图7所示，中间体4为重整器的关键部分，包括前锥筒41、后锥筒42、一端***前锥筒41前连接孔内且焊接在前锥筒41上的前波纹管43、一端***后锥筒42前后连接孔内且焊接在后锥筒42上的后波纹管44、安装在前锥筒41底面的前管板(图中未示出，跟后管板421结构是一样的)及安装在后锥筒42底面的后管板421，以及重整管束47，其中，前波纹管43的另一端焊接有前波纹管法兰45，后波纹管44的另一端焊接有后波纹管法兰46。前波纹管43的前波纹管法兰45伸入第一通孔22后第一支管法兰16、前端套筒2的前端盖21第一螺栓通孔23和前波纹管法兰45通过螺栓连接，同时，分流管1的第二支管法兰12与前法兰24对合后通过螺栓连接；同理，后波纹管44的后波纹管法兰46伸入第三通孔52后同时废气排气管6的一端***第三通孔52后后波纹管法兰46、第二螺栓通孔53和废气排气管6上的法兰通过螺栓连接。分流管1、前端套筒2、中间套筒3、后端套筒5及中间体4之间通过法兰连接，拆装方便，便于催化剂的装填及重整管束的清洗；另外，本实施例中前波纹管法兰45和后波纹管法兰46上的螺栓孔均为盲孔，法兰连接时均加塞紫铜垫片，通过波纹管的挤压保证高温下的密封性。

如图7所示，后管板421上开设有若干个管束孔422，每相邻两个管束孔422之间留有间隙，管束孔422的排布方式如图9所示，中间管束孔422的圆心位于后管板421的中心位置，其余管束孔422沿中间管束孔的圆周方向均匀布置且呈正多边形；同理，前管板上的管束孔个数和布置方式与后管板上的管束孔一致。如图8所示，重整管束47包括个数与管束孔422若干个管束单元471，每根管束单元471的一端***前管板的管束孔中，另一端***后管板的管束孔中，每根管束单元471与前管板和后管板焊接起来，通过前波纹管和后波纹管向前锥筒、后锥筒和重整管束内倾倒小颗粒的催化剂，在锥筒和重整管束里面填充催化剂，混合气在堆有催化剂的空间里面发生重整反应。重整管束47采用管式固定床结构，结构简单、热效率大，在重整管束两端焊接锥筒，既增加了催化剂的堆积体积又减少了重整器的尺寸，管板与锥筒焊接有效地简化了结构，催化剂可反复使用，温度敏感且转化率高。

对于管式固定床反应器，壳内管系的布置将会直接影响到冷热流体间换热和流动性能。对于管束重整反应器，管外的高温废气为管内的重整反应提供热量，这方面就需要换热面积越大越好，即管径越小越好，另一方面要考虑管径对压降的影响，管径越小，压降越大，影响发动机尾气的排放，这就需要管径不能太小也不能太小。综合考虑这两方面原因，通过模拟比较不同数目的管束来优化管束的数目及其排列方式。

固定床废气重整反应器内催化颗粒球随机堆积长度将会影响进入反应器废气-燃料的空速比，从而影响着固定床内重整反应特性，因此有必要对管内的颗粒球堆积长度进行探究。由图10可以看出，随着颗粒球堆积长度增加，甲烷重整率迅速上升，在达到50％时逐渐趋于稳定值。反应器出口的氢气摩尔分数随颗粒球堆积长度增加也是先迅速增加，后缓慢上升，基本稳定在0.2，这是由于进气的质量流率保持不变时，质量颗粒球堆积长度增加后，废气-燃料在固定床反应器内与催化剂接触的时间更长，促使了反应后半程中的甲烷与水蒸气以及二氧化碳的吸热反应，产生的氢气随之增加，当达到饱和状态时，即使增加催化剂颗粒球堆积的长度，甲烷的重整率和产氢量也不会有较大增加。图11显示随着颗粒球堆积长度的增加，反应器区域的最高温度保持在950K不变，而反应器出口的温度则不断下降，这有利于重整气后续的冷却。从图中可以得到，大约在300mm后甲烷重整率和反应器出口氢气的摩尔分数变化趋于很小，反应器出口的温度变化也趋于很小。所以催化剂的堆机长度不能小于300mm，优选为300mm，既能达到最大的催化效率，又能节省成本。考虑到催化剂的氧化和老化，同时在反应管的两端的锥筒既可用来导气又可用来装填催化剂，使得催化剂足量。

为了确定重整器空间内管系布置形式，将对不同管系布置方案的换热性能进行仿真分析。根据对LNG发动机废气能量及重整器空速范围的计算，确定重整器换热面积，根据催化剂颗粒堆积长度对重整反应特性的模拟，确定重整管束的长度L为300～400mm(优选为300mm)，利用换热面积公式A＝nπd·L进行结构参数设计，确定了二维分布的设计参数nd为一定值，根据管系的布置形式布置壳体内径，设计方案如表1。

表1管系布置设计方案(管长L＝0.3m，nd＝0.32m)

如图12、图13、14所示，分析三种不同结构(正方形、环形以及正多边形)形式的温度场分布情况，可知对无对流传热存在的封闭腔体，正方形布置的结构靠近壁面的温度场分布存在较大梯度，不满足催化温度条件的区域较多，而且正方形布置的流体在管束间的扰流效果小，大部分流体直接通过管系中间空隙区，与周边管系的换热很少。而另两种结构形式温度场分布在中间位置分布较均匀，虽然靠近壁面也存在温度较大的温度梯度，但相比于正方形布置形式下的低温区域要小得多。对于正多边形结构布置形式，由图可知流体在经过前一层管的阻挡作用后，交叉流向第二层管道与管壁面进行换热，扰流作用明显，传热边界层薄，所以传热作用明显；对环形结构布置形式，从速度场分布可知其流场分布和正多边形布置形式存在相似，入口流体流动也受管壁扰动，整个温度场分布受流场影响较大，从环形布置形式的流场分布情况可知，环形结构布置的管系角度与正多边形存在差异，实际的流动强化换热机理类似。但是，当采用环形结构的管系布置时，外环的管距较小，不利于后期的流程形式优化设计以及后期的拆装维护。故选用正多边形。

另外，单位压降下传热系数大是螺旋导流板重整器的明显特征。以壳程单位压降下传热系数的大小(h/ΔP)作为衡量重整器的综合评判标准，螺旋导流板明显要优于弓形折流板。图为呈螺旋排布导流板和弓形折流板换热系数于压力降关系曲线示意图如图15所示。当流速到达一定值后，呈螺旋排布的导流板换热器的换热效率高，压力损失小的特点就会明显显示出来。所以在设计重整器时采用呈螺旋排布的扇形导流板来提高换热。

因此，重整管束47上沿重整管束的轴向方向布置有多个折流板48，每个折流板48为90°的扇形折流板，每个折流板48的中间椭圆孔套置在管束单元471上且折流板48的轮廓与管束单元471紧密贴合，多个折流板48呈等间隔等角度螺旋排布，且每个折流板48所在平面的法线与套筒中间轴的夹角即螺旋角大于30°、小于50°，优选为40°，第一块折流板的位置与加热废气的流入方向相对，迎接流入的加热废气。另外，套筒内径如图9所示，即折流板短轴长即为套筒内径，套筒外壁与折流板贴合。

通过使用Fluent进行数值模拟，图16显示了不同螺旋角下的周期性模型的壳程单位压降传热系数与质量流量的关系。单位压降传热系数综合考虑了换热和压降两方面的因素，从图中可以看出，在不同质量流量下，相对于30°和50°的螺旋折流板，40°螺旋角的折流板其单位压降传热系数最大，因此在设计时采用40°螺旋角的折流板，有效的提高换热和减小压降，减小了重整器的尺寸也使发动机的排气改善。

扇形折流板的目的是在保证换热的条件下最大的降低进出口废气的压降，减少对发动机排气的影响。相比于弓形折流板，在相同工况下，这样的螺旋排布的扇形折流板可减少压降45％左右，而总传热系数可提高20％～30％，在相同热负荷下，可大大减小换热器尺寸，同时，减少的压降大大降低了对发动机排气的影响。

螺旋折流板为由一系列的扇形平面板在壳侧形成近似螺旋面，使流体产生近似连续螺旋状流动，本实施例中在300mm的管长内设置4块折流板48，相邻折流板48间隔相同距离，分布在四个象限呈螺旋状排列。

本发明分流管的第一支管11内的废气用于重整，第二支管12内的废气用于加热，这种顺流的方式极大地简化了重整器的结构；并在锥筒和重整管束47里面都堆催化剂，相比只在重整管束里面堆催化剂使得重整管束的长度减小，管板的焊接连接相比法兰连接使得重整器圆筒的直径也减小了，所以顺流式大大简化了重整器的结构，也减小了它的尺寸。

LNG发动机运行产生的含CH₄废气分为重整废气和换热废气，重整废气、天然气预混合后进入重整管束，通过催化剂进行重整，而加热废气通过Y型管下端管进入套筒中，给重整管束重整提供热量，换热后的换热废气最终从废气排气管6排出；重整后的重整气由重整气出气管7排出。

利用部分废气余热进行废气重整反应，将重整产生的氢气通入发动机中，实现天然气在线掺氢，有效提高燃料利用率和发动机效率，实现较大幅度的节能与减排；采用废气分流，部分废气重整，部分废气加热，对能量最大利用，顺流式的设计简化了装置的结构；并且采用了可拆装式结构，使得重整器可以拆卸清理，有利于提高反应速率，而且保证了气密性，整个装置操作方便结构简单，便于实行；另外，反应管束采用管式固定床结构，结构简单，热效率大，在管束两端焊接锥筒，既增加了催化剂的堆积体积又减少了重整器的尺寸，管板与锥筒焊接起来有效地简化了结构，催化剂可反复使用，温度敏感且转化率高。