阅读说明：本技术 废气-燃料催化重整与催化剂再生的天然气发动机试验系统及控制方法 (Natural gas engine test system for catalytic reforming of exhaust gas-fuel and regeneration of catalyst and control method ) 是由 李格升 龙焱祥 张尊华 吴仁民 钱航 于 2019-08-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种废气-燃料催化重整与催化剂再生的天然气发动机试验系统及控制方法,利用部分废气余热进行废气重整制氢反应,将重整产生的富氢气混合气通入发动机中探究重整器工作参数对发动机性能与排放的影响规律,实现重整器与发动机性能匹配。同时,针对重整器内催化剂失活问题,能在线进行催化剂还原；此外,台架能在实验结束后将N<Sub>2</Sub>充入重整器中,形成惰性氛围保护催化剂,避免降温过程重整器内部残留的废气氧化造成催化剂失活的问题。(The invention discloses a natural gas engine test system for catalytic reforming of waste gas-fuel and regeneration of a catalyst and a control method thereof. Meanwhile, aiming at the problem of catalyst deactivation in the reformer, the catalyst can be reduced on line; in addition, N2 can be filled into the reformer by the rack after the experiment is finished, an inert atmosphere is formed to protect the catalyst, and the problem that the catalyst is inactivated due to oxidation of residual waste gas in the reformer in the temperature reduction process is solved.)

废气-燃料催化重整与催化剂再生的天然气发动机试验系统 及控制方法

技术领域

本发明涉及天然气发动机试验技术领域，具体涉及一种废气-燃料催化重整与催化剂再生的天然气发动机试验系统及控制方法。

背景技术

废气-燃料重整技术通过废气-燃料重整器，利用发动机高温废气余热催化少量燃料与部分废气产生富氢重整气。重整气中包含H₂、CH₄和CO等，通入发动机中能改善发动机燃烧，降低污染物排放。

目前大多数废气燃料重整器所用催化剂为Ni-Rh/Al₂O₃等，在实际台架试验中，经过长时间催化重整试验，存在催化剂烧结、积碳或活性位点被氧化等现象，导致催化剂活性降低。同时台架试验完成后，此时重整器内不再加入燃料，在降温过程中催化剂仍然具有较高的活性，容易被残留在重整器内废气中的氧气所氧化，催化剂活性进一步降低。此外，重整试验过程操作不当，如燃料供给量不足导致碳氧比过低等，也会造成催化剂失活问题。

当催化剂活性降低过多，此时需要更换重整器中催化剂才能继续进行试验。由于催化剂通常安装于重整器内部的管束中，不易拆除更换；一方面，重整器工作时通常处于高温状态，反应器表面以及内部的催化剂温度很高，此时需要很长的时间等待其冷却才能将催化剂取出，更换新的催化剂，费时费力；另一方面，制备的重整催化剂通常价格不菲，此时更换新催化剂所需成本较高。

发明内容

本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种催化剂再生、重复利用催化剂及缩短试验研究所需时间的废气-燃料催化重整与催化剂再生的天然气发动机试验系统及控制方法。

为实现上述目的，本发明所设计的废气-燃料催化重整与催化剂再生的天然气发动机试验系统，包括重整器、发动机、混合器、中冷器、三通管、气罐、流量调节阀、H₂罐及N₂罐；所述重整器的反应气入口通过第一排气支管与发动机排气管相连，所述重整器的废气入口通过第二排气支管与发动机排气管相连，所述重整器的重整器出气口与三通管的入口a相连，所述三通管的出口b通过重整气旁通管依次与中冷器和混合器串联，所述混合器通过发动机进气管与发动机的进气口相连；所述重整器的废气出口通过通大气管路与大气相连，所述三通管的出口c通过通大气阀与大气管路相连通；所述第一排气支管通过混合气供给管与流量调节阀组相连，所述气罐通过燃料管路与流量调节阀组相连，所述H₂罐通过H₂管路与流量调节阀组相连，所述N₂罐通过N₂管路与流量调节阀组。

进一步地，所述第一排气支管上设置有REGR前端阀。

进一步地，所述重整气旁通管上设置有REGR后端阀。

进一步地，所述通大气管路上设置有大气阀。

进一步地，所述气罐通过燃料管路与流量调节阀组的第一电控蝶阀相连，所述H₂罐通过H₂管路与流量调节阀组的第二电控蝶阀相连，所述N₂罐通过N₂管路与流量调节阀组的第三电控蝶阀相连。

还提供一种如上述所述废气-燃料催化重整与催化剂再生的天然气发动机试验系统的控制方法。

当进行废气燃料催化重整试验时，具体过程为：

输出阀门开度0°对应的电压信号关闭REGR后端阀，输出阀门开度90°对应的电压信号开启大气阀；输出阀门开度不大于5°对应的电压信号调节流量调节阀组的第一电控蝶阀；输出阀门开度90°对应的电压信号开启REGR后端阀，同时输出阀门开度0°对应的电压信号关闭大气阀；输出阀门开度0～90°对应的电压信号调节REGR前端阀和流量调节阀组第一电控蝶阀的来改变进入重整器重整管内的废气流量和天然气流量，获取重整器内空速和碳氧比对LNG发动机的性能影响；

当结束废气-燃料催化重整试验时，具体过程为：

关闭LNG发动机后，输出阀门开度0°对应的电压信号关闭REGR前端阀和REGR后端阀；输出阀门开度15°～25°对应的电压信号调节流量调节阀组的第三电控蝶阀，为重整器反应气入口持续通入N₂气流；一段时间后，输出阀门开度0°对应的电压信号关闭流量调节阀组的第三电控蝶阀和大气阀，形成封闭的惰性气体氛围避免催化剂降温过程中被氧化而降低活性。

进一步地，催化剂还原具体过程为：

开启LNG发动机后，维持在正常工况运行，排气温度稳定在400℃；输出阀门开度0°对应的电压信号关闭REGR前端阀和REGR后端阀；输出阀门开度90°对应的电压信号开启大气阀；分别输出阀门开度15°～25°和60°～80°对应的电压信号调节流量调节阀组的第二电控蝶阀和第三电控蝶阀，为重整器反应气入口持续通入H₂和N₂混合物；发动机运行一段时间后，关闭发动机，分别输出阀门开度为0°和15°～25°电压信号关闭流量调节阀组内的第二电控蝶阀并调节第三电控蝶阀，为重整器反应气入口持续通入N₂；一段时间后，输出阀门开度0°对应的电压信号关闭流量调节阀组内的第三电控蝶阀和大气阀，形成封闭的惰性气体氛围。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：本发明利用部分废气余热进行废气重整制氢反应，将重整产生的富氢气混合气通入发动机中探究重整器工作参数对发动机性能与排放的影响规律，实现重整器与发动机性能匹配。同时，针对重整器内催化剂失活问题，能在线进行催化剂还原；此外，台架能在实验结束后将N₂充入重整器中，形成惰性氛围保护催化剂，避免降温过程重整器内部残留的废气氧化造成催化剂失活的问题。

附图说明

图1为本发明废气-燃料催化重整与催化剂再生的天然气发动机试验系统流程框图；

图2为重整器接口简图。

具体实施方式

如图1所示废气-燃料催化重整与催化剂再生的天然气发动机试验系统包括重整器1、发动机2、混合器9、中冷器8、三通管10、气罐3、流量调节阀4、控制器22、H₂罐11及N₂罐12；其中，重整器1的反应气入口1A通过第一排气支管21A与发动机排气管14相连，且第一排气支管21A上设置有REGR前端阀5，重整器1的废气入口1B通过第二排气支管21B与发动机排气管14相连，发动机排气管14与发动机的排气口相连，重整器1的重整器出气口1C与三通管10的入口a相连，三通管10的出口b通过重整气旁通管16依次与中冷器8和混合器9串联(重整气旁通管16上设置有REGR后端阀6，REGR后端阀6控制进入到发动机进气管13中的重整气量)，混合器9通过发动机进气管13与发动机2的进气口相连；重整器1的废气出口1D通过通大气管路15与大气相连；同时，三通管10的出口c通过通大气阀7与大气管路15相连通，大气阀7能改变重整器1重整气出口1C与大气的连通状态；第一排气支管21A通过混合气供给管18与流量调节阀组4相连，气罐3通过燃料管路17与流量调节阀组4的第一电控蝶阀相连，H₂罐11通过H₂管路19与流量调节阀组4的第二电控蝶阀相连，N₂罐12通过N₂管路20与流量调节阀组4的第三电控蝶阀相连；另外，控制器22位于流量调节阀组4上，控制器22分别与流量调节阀组4、REGR前端阀5、REGR后端阀6和大气阀7电连。

本实施例中，REGR前端阀5和REGR后端阀6为电控蝶阀，通过外部电压信号控制阀门开度；控制器为编程逻辑控制器，控制器22读取流量调节阀4、REGR前端阀5、REGR后端阀6和大气阀7的阀门开度输出电压信号，并与控制器内部预设阀门开度信号进行对比，相应的增加或减少电压信号控制流量调节阀4、REGR前端阀5、REGR后端阀6和大气阀7的阀门开度，达到预设阀门开度。

本发明天然气发动机试验系统工作原理如下：

LNG发动机运行产生的含未燃碳氢废气分成两路通过第一排气支管21A和第二排气支管21B分别进入重整器1的反应器入口1A和废气入口1B，控制器通过电压信号控制流量调节阀4，分别为重整器1的反应器入口1A提供天然气、H₂/N₂混合气(H₂体积分数为20％)或N₂。重整器1工作时，废气与天然气混合进入重整器1内发生催化重整反应制取富氢重整气，重整器产生的重整气经过三通阀10、REGR后端阀6和中冷器8循环进入发动机参与燃烧；在催化剂还原过程中，H₂/N₂混合气进入重整器1内还原被氧化失活的催化剂；在结束催化重整试验后，N₂进入重整器1内形成惰性气体氛围。

因此，即利用部分废气余热进行废气重整制氢反应，将重整产生的富氢气混合气通入发动机中探究重整器工作参数对发动机性能与排放的影响规律，实现重整器与发动机性能匹配。同时，针对重整器内催化剂失活问题，能在线进行催化剂还原；此外，台架能在实验结束后将N₂充入重整器中，形成惰性氛围保护催化剂，避免降温过程重整器内部残留的废气氧化造成催化剂失活的问题。

本发明废气-燃料催化重整与催化剂再生的天然气发动机试验系统的控制方法如下：其中阀门开度0°对应全关状态，阀门开度90°对应全开状态；

当进行废气燃料催化重整试验时，具体过程为：

控制器22输出阀门开度0°对应的电压信号关闭REGR后端阀6，输出阀门开度90°对应的电压信号开启大气阀7；控制器22输出阀门开度不大于5°对应的电压信号调节流量调节阀组4的第一电控蝶阀；控制器22输出阀门开度90°对应的电压信号开启REGR后端阀6，同时输出阀门开度0°对应的电压信号关闭大气阀7；控制器22输出阀门开度0～90°(例如0°、10°、20°、30°、40°、45°、50°、60°、70°、80°、90°)对应的电压信号调节REGR前端阀5和流量调节阀组4第一电控蝶阀来改变进入重整器重整管内的废气流量和天然气流量，获取重整器内空速和碳氧比对LNG发动机的性能影响。

当结束废气-燃料催化重整试验时，具体过程为：

关闭LNG发动机后，控制器22输出阀门开度0°对应的电压信号关闭REGR前端阀5和REGR后端阀6；控制器22输出阀门开度15°～25°(如20°)对应的电压信号调节流量调节阀组4的第三电控蝶阀，为重整器反应气入口1A持续通入N₂气流；一段时间后(如10分钟后)，控制器22输出阀门开度0°对应的电压信号关闭流量调节阀组4的第三电控蝶阀和大气阀7，形成封闭的惰性气体氛围避免催化剂降温过程中被氧化而降低活性。

当催化剂工作时间过长或操作不当时，催化剂会失去活性，此时需要进行催化剂还原，具体过程为：

开启LNG发动机后，维持在正常工况运行，排气温度稳定在400℃；控制器22输出阀门开度0°对应的电压信号关闭REGR前端阀5和REGR后端阀6；控制器22输出阀门开度90°对应的电压信号开启大气阀7；控制器22分别输出阀门开度15°～25°(如20°)和60°～80°(如70°)对应的电压信号调节流量调节阀组4的第二电控蝶阀和第三电控蝶阀(即第二电控蝶阀的阀门开度为15°～25°，第三电控蝶阀的阀门开度为60°～80°)，为重整器反应气入口1A持续通入N₂和H₂混合物(N₂和H₂的体积分数之比为4:1)；发动机运行一段时间后(如1.5小时后)，关闭发动机，控制器分别输出阀门开度为0°和15°～25°(如20°)电压信号关闭流量调节阀组内的第二电控蝶阀并调节第三电控蝶阀，为重整器反应气入口1A持续通入N₂；一段时间后(如10分钟后)，控制器22输出阀门开度0°对应的电压信号关闭流量调节阀组4内的第三电控蝶阀和大气阀7，形成封闭的惰性气体氛围。如后续还需进行试验则按照前述废气-燃料催化重整试验方法进行试验，如无需继续试验则关闭LNG发动机。

REGR前端阀可控制进入重整器的重整废气流量，结合流量调节阀组内的第一电控蝶阀，可柔性控制重整反应过程中碳氧比和空速，进而控制重整气的H₂含量以及产量，以满足发动机不同工况下对重整气的需求，实现重整器与发动机匹配；

废气重整器长时间运行后，内部催化剂存在失活现象，降低催化重整制氢效率，此时可在线进行催化剂还原。在发动机运行过程中，系统关闭REGR前端阀和REGR后端阀，开启大气阀，调节流量调节阀组内的电控蝶阀为重整器提供一定流速的H₂/N₂混合气(H₂体积分数为20％)，在该条件下还原失活催化剂，随后能继续开展试验。

完成重整器性能试验后，系统关闭REGR前端阀和REGR后端阀，开启大气阀；调节流量调节阀组内的电控蝶阀为重整器提供一定流速的N₂；一段时间后关闭大气阀，在重整器内形成惰性气体保护环境，避免降温过程中高温催化剂被氧化失活；

中冷器能调节重整气旁通管出口温度，并且还具有集水功能，能对重整气进行冷却的过程中冷凝析出的水收集，避免循环管路积水进入气缸，影响发动机稳定运行，此外中冷器中水位过高会排出积水，维持系统的稳定运行。