利用废气余热催化重整甲醇供氢的氢氨双燃料发动机系统
阅读说明：本技术 利用废气余热催化重整甲醇供氢的氢氨双燃料发动机系统 (Hydrogen-ammonia dual-fuel engine system for catalytically reforming methanol to supply hydrogen by waste gas waste heat ) 是由 冯立岩 卢耀 夏雨 曲文静 王自鑫 张东 方源 宋湄葭 于 2021-07-21 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种利用废气余热催化重整甲醇供氢的氢氨双燃料发动机系统,包括甲醇水溶液箱、甲醇泵、甲醇流量计、催化重整器、冷凝器、过滤器、气动增压泵、氢气流量计、氢气压力传感器、阻燃器、氢轨、氢气喷嘴、氨燃料发动机、电控单元ECU和废气驱动与排放机构；本发明将甲醇作为氢能源载体实现便给储运,并利用发动机的废气余热催化重整甲醇制氢实现氢气供给；根据发动机的具体工况提供实时、定量和恒压的在线氢气供给,无需额外的过量氢气储存装置；根据氨燃料发动机的具体工况调整氢气的喷射压力和喷射量,有效改善发动机在各种工况下的燃烧,减少NOx排放；丰富内燃机的无碳替代能源燃烧模式和供应方式,增加能源转型的方向与战略部署。(The invention relates to a hydrogen-ammonia dual-fuel engine system for catalytically reforming methanol to supply hydrogen by utilizing waste gas waste heat, which comprises a methanol aqueous solution tank, a methanol pump, a methanol flowmeter, a catalytic reformer, a condenser, a filter, a pneumatic booster pump, a hydrogen flowmeter, a hydrogen pressure sensor, a flame retardant device, a hydrogen rail, a hydrogen nozzle, an ammonia fuel engine, an Electronic Control Unit (ECU) and a waste gas driving and discharging mechanism, wherein the methanol aqueous solution tank is arranged in the methanol aqueous solution tank; the invention takes methanol as a hydrogen energy carrier to realize convenient storage and transportation, and utilizes the waste heat of the exhaust gas of the engine to catalyze and reform the methanol to produce hydrogen to realize hydrogen supply; the method provides real-time, quantitative and constant-pressure on-line hydrogen supply according to the specific working conditions of the engine, and an extra excessive hydrogen storage device is not needed; the injection pressure and the injection quantity of the hydrogen are adjusted according to the specific working conditions of the ammonia fuel engine, so that the combustion of the engine under various working conditions is effectively improved, and the NOx emission is reduced; the combustion mode and the supply mode of carbon-free alternative energy sources of the internal combustion engine are enriched, and the direction and the strategic deployment of energy transformation are increased.)
技术领域
本发明涉及内燃机
技术领域
，尤其涉及一种利用废气余热催化重整甲醇供氢的氢氨双燃料发动机系统。背景技术
近年来，化石能源的庞大消耗带来的能源危机和环境污染迫使人们寻求新的清洁替代能源。氢和氨由于不含碳特性，完全燃烧不会形成与碳有关的任何污染物，如CO、CO2和碳烟等，逐渐受到人们的重视。其中，氢气具有较宽的燃烧极限、较高的单位质量热值和扩散速度，一直被认为是内燃机中最有前景的燃料。然而，氢气的低密度需要特殊的高压或超低温容器存储，同时较低的点火能量使得在缸内燃烧时易引发早燃和回火等异常燃烧问题，限制了其运用范围。而相对而言，氨可以在室温条件下液化储运，现有的加油站完全可以满足液氨的加注需求而无需改造。同时，较高的辛烷值决定氨作为燃料时可运用更大的压缩比提高热效率且不会引发异常燃烧问题。此外，氨的工业化人工合成生产已有近百年历史，是目前除硫酸外产量最大的化工产品，在世界各地许多港口的生产、储存、运输和供应体系都比较完善，因此被认为是内燃机尤其是船舶发动机的理想替代燃料。在国际上，许多公司如荷兰C-Job Naval Architects和德国MAN Energy Solutions公司等已经开始研究氨在船舶上的应用。
然而，氨还具有较高着火点和较低的燃烧速度，在内燃机中尤其是在低速低负荷下存在燃烧不完全的问题。因此，氨作为燃料通常与另一种高活性燃料在内燃机中混合燃烧。由于大多数高活性燃料含碳而无法彻底消除碳排放，氢气成为氨燃料发动机的理想互补燃料。不仅如此，氢气具有无碳、低点火能量和高燃烧速度的特性，即使少量的加入也足以极大程度地克服氨的不足，从而改善缸内燃烧。
尽管氢气的供应对内燃机的运用尤其是船舶方面仍旧是较大的难题，但其一是氢氨双燃料发动机系统中对氢气的需求量相对较少，其二是可通过甲醇催化重整解决氢气的储供难题。甲醇和水的催化重整制氢目前是一项十分成熟的化工技术，该技术所需操作条件简单，转化过程简单高效、经济可行，能产生高体积比的氢气，其中重整温度达到150～300℃即可。而在内燃机的废气中蕴含约燃料三分之一的能量，因此利用废气余热催化重整甲醇制氢不仅能为氨燃料发动机提供一定量的氢气从而改善燃烧，还能减少内燃机废气中的热量排放，并且有效减少能量损失，提高内燃机的整体效率。综上，以甲醇替代氢气储运和制备，是目前氢气运用的较好选择，也是氢氨双燃料发动机系统中氢气储供的良好解决方案。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种利用废气余热催化重整甲醇供氢的氢氨双燃料发动机系统，将甲醇作为氢能源载体实现便给储运，并利用发动机的废气余热催化重整甲醇制氢实现氢气供给；同时，可根据发动机的具体工况提供实时、定量和恒压的在线氢气供给，而无需额外的过量氢气储存装置；能够根据氨燃料发动机的具体工况调整氢气的喷射压力和喷射量，有效地改善发动机在各种工况下的燃烧，减少NOx排放；此外，通过结合氢氨双燃料发动机系统，丰富内燃机的无碳替代能源燃烧模式和供应方式，增加能源转型的方向与战略部署。
本发明采用的技术方案如下：
本发明所提出的利用废气余热催化重整甲醇供氢的氢氨双燃料发动机系统，包括甲醇水溶液箱、甲醇泵、甲醇流量计、催化重整器、冷凝器、过滤器、气动增压泵、氢气流量计、氢气压力传感器、阻燃器、氢轨、氢气喷嘴、氨燃料发动机、电控单元ECU和废气驱动与排放机构；
所述催化重整器具有废气入口、废气出口、原料入口和重整气出口四个通路；所述甲醇水溶液箱依次通过甲醇泵和甲醇流量计与催化重整器的原料入口连通；所述催化重整器的重整气出口与冷凝器的入口连通；所述气动增压泵具有驱动气体入口、驱动气体出口、增压气体入口和增压气体出口四个通路；所述冷凝器出口经过滤器与气动增压泵的增压气体入口连通；所述气动增压泵的增压气体出口依次通过氢气流量计和阻燃器与氢轨相连；所述气动增压泵的增压气体出口管路上还设有氢气压力传感器；所述氢轨上设有多个氢气喷嘴，用于向发动机喷射氢气；
所述氨燃料发动机排气总管通过废气驱动与排放机构分别与催化重整器的废气入口、废气出口以及气动增压泵的驱动气体入口、驱动气体出口相连通；
所述甲醇泵、甲醇流量计、氢气流量计、氢气压力传感器、氢气喷嘴、氨燃料发动机和废气驱动与排放机构分别与电控单元ECU相连。
进一步的，所述废气驱动与排放机构包括排气主管路、废气调节阀、排气旁通支路、气动压力阀、温度传感器、驱动废气支路、废气压力传感器和废气出口总管；所述排气主管路一侧与氨燃料发动机排气总管相连，另一侧通过废气调节阀与废气出口总管相连；所述催化重整器的废气入口通过排气旁通支路与排气主管路相连通；所述催化重整器的废气出口通过气动压力阀与废气出口总管连通；所述温度传感器设置在催化重整器的废气出口；所述驱动废气支路设置在催化重整器废气出口的一侧且位于气动压力阀之前；所述驱动废气支路与气动增压泵的驱动气体入口连通；所述气动增压泵的驱动气体出口与废气出口总管连通；所述废气压力传感器设置在驱动废气支路上；所述废气调节阀、气动压力阀、温度传感器和废气压力传感器分别与电控单元ECU相连接。
进一步的，所述甲醇泵为一种泵送流量可调的电磁泵。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明通过利用废气余热催化重整甲醇制氢，为氢气的便给储运提供了良好的解决方案；
2、根据氨燃料发动机各种工况下对氢气的不同需求量，在线实时控制甲醇水溶液的催化重整量，达到按需供给氢气；
3、通过向氨燃料发动机中根据工况注入不同比例的氢气，有效地改善了发动机的燃烧状况，降低了NOx排放，提高了热效率，并且丰富了内燃机的无碳替代能源燃烧模式和供应方式；
4、通过利用废气驱动氢气增压，不仅可通过恒定氢气压力实现氢气喷射量的精确控制，还能根据不同使用条件(如对不同功率或不同工况的发动机进行性能和排放优化时相应调节氢气的喷射压力和喷射量；或根据不同的需求运用进气道喷射和缸内直喷方式等)在一定范围内调整氢气的喷射压力，而无需额外的能量消耗；
5、通过利用废气热量和压力，在一定程度上提高了能源利用率和内燃机整体效率，减少了热量排放。
附图说明
图1为本发明的系统整体结构示意图；
图2为本发明的系统概念示意图。
其中，附图标记：1-甲醇水溶液箱；2-甲醇泵；3-甲醇流量计；4-催化重整器；5-冷凝器；6-过滤器；7-气动增压泵；8-氢气流量计；9-氢气压力传感器；10-阻燃器；11-氢轨；12-氢气喷嘴；13-氨燃料发动机；14-排气主管路；15-电控单元ECU；16-废气调节阀；17-排气旁通支路；18-气动压力阀；19-温度传感器；20-驱动废气支路；21-废气压力传感器；22-废气出口总管。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“一侧”、“另一侧”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。
参见附图1和2，给出了本发明所提出的利用废气余热催化重整甲醇供氢的氢氨双燃料发动机系统的一个实施例的具体结构。
所述系统包括甲醇水溶液箱1、甲醇泵2、甲醇流量计3、催化重整器4、冷凝器5、过滤器6、气动增压泵7、氢气流量计8、氢气压力传感器9、阻燃器10、氢轨11、氢气喷嘴12、氨燃料发动机13、电控单元ECU15和废气驱动与排放机构。
所述催化重整器4通过利用废气热量将甲醇水溶液催化重整为富氢混合气；所述催化重整器4具有废气入口、废气出口、原料入口和重整气出口四个通路；所述甲醇水溶液箱1依次通过甲醇泵2和甲醇流量计3与催化重整器4的原料入口连通；本实施例中，所述甲醇泵2为一种泵送流量可调的电磁泵；所述冷凝器5具有入口和出口两个通路，用于祛除重整气中的水分；所述催化重整器4的重整气出口与冷凝器5的入口连通；所述气动增压泵7具有驱动气体入口、驱动气体出口、增压气体入口和增压气体出口四个通路；所述气动增压泵7主要通过气体实现增压，无需电源，不产生热量，不会有火花和火焰危险，非常适合用于氢气等易燃气体的增压；所述冷凝器5得出口经过滤器6与气动增压泵7的增压气体入口连通；所述气动增压泵7的增压气体出口依次通过氢气流量计8和阻燃器10与氢轨11相连；所述气动增压泵7的增压气体出口管路上还设有氢气压力传感器9；所述氢轨11上设有多个氢气喷嘴12，用于向发动机喷射氢气；所述氢轨11和氢气喷嘴12可以布置在发动机的进气道上用于进气道喷射氢气，也可以布置在气缸盖上用于缸内直喷氢气。
所述甲醇泵2、甲醇流量计3、氢气流量计8、氢气压力传感器9、氢气喷嘴12、氨燃料发动机13和废气驱动与排放机构分别与电控单元ECU15相连接。
其中，所述废气驱动与排放机构包括排气主管路14、废气调节阀16、排气旁通支路17、气动压力阀18、温度传感器19、驱动废气支路20、废气压力传感器21和废气出口总管22；所述排气主管路14一侧与氨燃料发动机13的排气总管相连，另一侧通过废气调节阀16与废气出口总管22相连；所述催化重整器4的废气入口通过排气旁通支路17与排气主管路14相连通，且连接处位于废气调节阀16之前；所述催化重整器4的废气出口通过气动压力阀18与废气出口总管22连通；所述温度传感器19设置在催化重整器4的废气出口；所述驱动废气支路20连通在催化重整器4废气出口的一侧且位于气动压力阀18之前；所述驱动废气支路20与气动增压泵7的驱动气体入口连通；所述气动增压泵7的驱动气体出口与废气出口总管22连通；所述废气压力传感器21设置在驱动废气支路20上。
所述废气调节阀16、气动压力阀18、温度传感器19和废气压力传感器21分别与电控单元ECU15相连接。
所述催化重整器4利用氨燃料发动机13的废气热量催化重整甲醇水溶液为氢气，氢气经水分和杂质去除后经气动增压泵7加压后供给给氨燃料发动机13，所述气动增压泵7由废气驱动，所述电控单元ECU 15根据使用情况调节氨燃料发动机13的工况并根据工况确定氢气的需求量，所述电控单元ECU 15同时接收甲醇水溶液泵送至催化重整器4的输送量，并根据氢气的需求量反馈调节甲醇水溶液的输送量。
本发明的控制原理如下：
当系统处于未气动状态时，所述废气调节阀16默认处于打开状态，所述气动压力阀18默认处于关闭状态。
当开始启用系统时，提前运行氨燃料发动机13，关闭废气调节阀16并打开气动压力阀18，所述氨燃料发动机13运行产生的废气先后经过排气主管路14和排气旁通支路17流向催化重整器4，再从催化重整器4的废气出口经废气出口总管22排向大气，并将部分热量传递给催化重整器4。
所述电控单元ECU 15接收来自温度传感器19的信号，当监测到催化重整器4的废气出口温度达到催化重整反应的初始预设温度时，所述电控单元ECU 15开启甲醇泵2的电源，关闭气动压力阀18，将甲醇水溶液箱1内的甲醇水溶液按照初始预设输送流量泵送至催化重整器4内；所述催化重整器4将甲醇水溶液催化重整为富氢混合气，并从重整气出口先后流经冷凝器5和过滤器6，再进入气动增压泵7内；所述冷凝器5将富氢混合气中的水分去除，所述过滤器6可根据需求去除富氢混合气中的杂质或其他气体；流经催化重整器4的废气经废气出口流向气动增压泵7，驱动气动增压泵7加压氢气，并经废气出口总管22排向大气。
所述电控单元ECU 15接收来自甲醇流量计3、氢气流量计8和氢气压力传感器9的信号，并根据氨燃料发动机13的工况并结合氢气压力传感器9测得的氢气压力按照预先标定结果开启氢气喷嘴12，恒压定量地向氨燃料发动机13中喷入一定比例的氢气；同时，所述电控单元ECU 15根据氢气需求反馈控制甲醇泵2，调整泵送给催化重整器4的甲醇水溶液流量；所述电控单元ECU 15还根据氨燃料发动机13的工况匹配经标定的氢气预设压力，通过氢气压力传感器9测得的氢气压力，通过废气压力传感器21测得的废气压力实时调节气动压力阀18的开口大小，以调节进入气动增压泵7内的驱动废气压力，从而调节氢气增压压力。
当电控单元ECU 15监测到温度传感器19的温度超过甲醇的催化重整最高预设温度时，所述电控单元ECU 15控制废气调节阀16的开口大小，将部分废气通过废气出口总管22直接排向大气。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
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