LNG发动机废气重整装置的制作方法

本实用新型属于LNG发动机余热应用领域，具体涉及一种LNG发动机废气重整装置。

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、稀薄燃烧极限高，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，将含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。

技术实现要素：

本实用新型的目的就是针对上述技术的不足，提供一种结构简单、易操作且催化效果好的LNG发动机废气重整装置。

为实现上述目的，本实用新型所设计的LNG发动机废气重整装置，包括筒形反应外壳、设置在所述筒形反应外壳前端的中空前端盖、设置在所述筒形反应外壳后端的中空后端盖、安装在所述中空前端盖中心位置进气孔的进气管、安装在所述中空后端盖中心位置出气孔的废气排气管及内置在所述筒形反应外壳空腔中的反应管束；还包括安装在所述中空前端盖内腔中的半球形前套、安装在所述中空后端盖内腔中的半球形后套、衬在所述半球形前套前气腔内的前管板及衬在所述半球形后套后气腔内的后管板；

所述前气腔内的中间位置处轴向布置有将前气腔分割成进气腔和排气腔的隔板；所述反应管束包括一级反应管束和二级反应管束，所述一级反应管束的一端插入所述前管板且位于所述隔板上方的管孔中，所述一级反应管束的另一端插入所述后管板上部的管孔中，所述二级反应管束的一端插入所述前管板且位于所述隔板下方的管孔中，所述二级反应管束的另一端插入所述后管板下部的管孔中；

所述筒形反应外壳空腔内轴向布置有至少两个环形折流板，且每个所述环形折流板的外径与所述筒形反应外壳的内径相等，所述一级反应管束和所述二级反应管束均穿过每个所述环形折流板；

所述进气管的外管与所述中空前端盖内腔连通，所述进气管的内管穿过所述进气孔直至所述内管插入所述半球形前套的前气腔内，且所述内管位于所述隔板的上方；天然气加气管和水蒸气加气管均穿过所述外管直至插入所述内管内；

重整气排气管的端部穿过所述中空前端盖直至插入所述半球形前套的前气腔内，且所述重整气排气管位于所述隔板的下方。

进一步地，还包括穿过所述中空后端盖底部直至插入所述半球形后套后气腔内的空气补充管。

进一步地，所述反应管束的每个管内堆积有均匀涂覆有重整制氢催化剂Ni的氧化铝颗粒物，每个所述管外周缘上涂覆有DOC催化剂，所述管内堆积的均匀涂覆有重整制氢催化剂Ni的氧化铝颗粒物中间留有防止堵塞的通孔；且所述管的内径与涂覆有重整制氢催化剂Ni的氧化铝颗粒物的外径比为2～3倍。

进一步地，所述一级反应管束为多根管堆叠成多层结构的一级反应管束，所述二级反应管束为多根管堆叠成多层结构的二级反应管束，且每相邻所述管之间均留有间隙。

进一步地，所述一级反应管束与所述二级反应管束之间的间隙为1.2～1.7倍。

进一步地，所述环形折流板的个数为两个，且两个所述环形折流板最小间距为所述筒形反应外壳内径的1/3～1/2，两个所述环形折流板最大间距为所述管外径的171倍的0.7～0.76方。

进一步地，两个所述环形折流板之间布置有盘形折流板，所述盘形折流板上开有供所述反应管束的管穿过的通孔，且通孔的内径与所述管的外径相等。

进一步地，所述中空前端盖通过前连接法兰固定安装在所述筒形反应外壳的前端，所述中空后端盖通过后连接法兰固定安装在所述筒形反应外壳的后端。

进一步地，所述进气管的端部设置有用于调节所述内管废气进入量的REGR阀。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：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；并且采用了双管程，提高传热系数，从而提高重整的效率；另外，反应管束采用管式固定床结构，结构简单，热效率大，催化剂可反复使用，温度敏感且转化率高。

附图说明

图1为本实用新型LNG发动机废气重整装置的整体结构示意图；

图2为图1中前端结构示意图；

图3为图1中后端结构示意图；

图4为图1中反应管束结构示意图；

图5为图4的横截面示意图；

图6为图4中均匀涂覆有重整制氢催化剂Ni的氧化铝颗粒物示意图；

图7为图6的横截面示意图。

图中各部件标号如下：筒形反应外壳101、中空前端盖102(其中：进气孔102a)、中空后端盖103(其中：出气孔103a)、前连接法兰104、后连接法兰105、进气管106(其中：外管106a、内管106b)、废气排气管107、环形折流板108、REGR阀109、天然气加气管110、水蒸气加气管111、空气补充管112、重整气排气管113、管孔114、前管板115、隔板116、半球形前套117、半球形后套118、后管板119、反应管束120(其中：一级反应管束120a、二级反应管束120b)、均匀涂覆有重整制氢催化剂Ni的氧化铝颗粒物121(其中：通孔121a)、管122、前气腔123(其中：进气腔123a、排气腔123b)、后气腔124、盘形折流板125。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

如图1所示的LNG发动机废气重整装置，包括筒形反应外壳101、通过前连接法兰104固定安装在筒形反应外壳101前端的中空前端盖102、通过后连接法兰105固定安装筒形反应外壳101后端的中空后端盖103、安装在中空前端盖102中心位置进气孔102a的进气管106、安装在中空后端盖103中心位置出气孔103a的废气排气管107及内置在筒形反应外壳101空腔中的反应管束120，其中，中空前端盖102为中空圆台形前端盖，同理，中空后端盖103为中空圆台形后端盖。

为了降低筒形反应外壳101空腔内换热废气中污染物的排放量，反应管束120的每个管122内均堆积有均匀涂覆有重整制氢催化剂Ni的氧化铝颗粒物121(如图6所示)，同时，每个管122外周缘上涂覆有DOC催化剂，减少了换热废气中的一氧化碳和碳氢化物的排放，并且，管122的内径与涂覆有重整制氢催化剂Ni的氧化铝颗粒物121的外径比为2～3倍，优选为2.5倍，可加大重整面积，提高重整效率。本实施例中，管122内堆积的均匀涂覆有重整制氢催化剂Ni的氧化铝颗粒物121中间留有通孔121a，防止堵塞，如图7所示。(DOC催化剂(DOC＝diesel oxidation catalyst)指安装在柴油车排气系统中，能通过各种物理化学作用来降低排气中污染物排放量的装置。DOC的载体有陶瓷和金属之分，通常陶瓷是堇青石的，金属的种类较多，铁、铜、黄铜等；由于DOC与汽油车排气催化转化器的氧化性功能相同，也用于降低气态CO、THC以及颗粒物中的SOF成分)。

结合图2所示，中空前端盖102内腔中嵌入有半球形前套117，半球形前套117的前气腔123内焊接有前管板115，前管板115的外径不大于半球形前套117的内径，使得前管板115径向衬在半球形前套117的前气腔123内，同理，结合图3所示，中空后端盖103内腔中嵌入有半球形后套118，半球形后套118的后气腔124内焊接有后管板119，后管板119的外径不大于半球形后套118的内径，使得后管板119径向衬在半球形后套118的后气腔124内；同时，前气腔123内的中间位置处轴向布置有将前气腔123分割成进气腔123a和排气腔123b的隔板116，即隔板116的边沿与半球形前套117前气腔123内壁和前管板115表面贴合。

再次如图2、图3所示，进气管106的外管106a与中空前端盖102内腔连通，进气管106的内管106b穿过进气孔102a直至内管106b插入半球形前套117的前气腔123内，且内管106b位于隔板116的上方，同时，进气管106的端部设置有用于调节内管重整废气进入量的REGR阀109(REGR阀由一个用于使环开启运动同步把手和阻尼的同步板组成，通过旋转把手控制同步板与进气管的角度以控制进入一级反应管束的重整废气量)；重整气排气管113的端部穿过中空前端盖102直至重整气排气管113的端部插入半球形前套117的前气腔123内，且重整气排气管113位于隔板116的下方。而天然气加气管110和水蒸气加气管111均穿过外管106a直至天然气加气管110和水蒸气加气管111均插入内管106b内，且与内管106b连通，给重整反应提供燃料和水。

结合图4所示，本实施例中反应管束120包括平行布置的一级反应管束120a和二级反应管束120b。一级反应管束120a和二级反应管束120b均穿过至少两个环形折流板108，本实施例中采用两个环形折流板108，即一个环形折流板108套置在反应管束120的一侧，另一个环形折流板108套置在反应管束120的另一侧，并且，每个环形折流板108的外径与筒形反应外壳101的内径相等，使得每个环形折流板108径向固定在筒形反应外壳101的空腔内，从而将反应管束120固定安装在筒形反应外壳101的空腔内，通过反应管束120固定安装使得半球形前套117和半球形后套118分别固定在中空前端盖102和中空后端盖103内腔中；同时，在两个环形折流板108之间布置有盘形折流板125，盘形折流板125上开有供反应管束的管穿过的通孔，且通孔的内径与管的外径相等。另外，本实施例中，两个环形折流板108最小间距为筒形反应外壳101内径的1/3～1/2(一般不小于50mm)，且两个环形折流板108最大间距为管122外径的171倍的0.7～0.76方(优选0.74方)。因此，环形折流板108和盘形折流板125一方面起到对反应管束120的支撑，另一方面，增加筒形反应外壳101流体的流速，加强筒形反应外壳101与管122内之间的换热，从而提高筒形反应外壳101的重整效率。

本实施例的关键点在于：一级反应管束120a的一端插入前管板115且位于隔板116上方的管孔114中，一级反应管束120a的另一端插入后管板119上部的管孔114中，使得一级反应管束120a位于隔板116的上方位置处；同理，二级反应管束120b的一端插入前管板115且位于隔板116下方的管孔114中，二级反应管束120b的另一端插入后管板119下部的管孔114中，使得二级反应管束120b位于隔板116的下方位置处，从而形成两级重整反应；并且，管孔114的直径等于管122的外径，使得重整废气只能流入反应管束中。然而当进行二级重整时，由于一级反应管束120a反应时已经吸收了换热废气的热量，导致二级管束120b反应时的热量和反应物均不够，因此，位于废气排气管117下方且穿过中空后端盖110底部直至插入半球形后套118后气腔124内的空气补充管112，通过空气补充管112向二级反应管束120b通入空气，从而给二级反应管束120b提供足够的热量。

甲烷作为LNG燃料的主要成分，在废气重整反应管内发生了复杂的重整过程，其中主要反应如下：

CH₄+H₂O→CO+3H₂(ΔH^θ＝+206KJ/mol)

CH₄+2H₂O→CO₂+4H₂(ΔH^θ＝+165KJ/mol)

CH₄+0.5O₂→CO+2H₂(ΔH^θ＝-36KJ/mol)

CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O(ΔH^θ＝-802KJ/mol)

CH₄+CO₂→2CO+2H₂(ΔH^θ＝+247KJ/mol)

CO+H₂O→CO₂+H₂(ΔH^θ＝-41KJ/mol)

2CO→C+CO₂(ΔH^θ＝-172KJ/mol)

CH₄→C+2H₂(ΔH^θ＝+75KJ/mol)

因此，制氢反应为强吸热反应，废气中主要有甲烷、CO、水蒸气和N₂，可回收废气中的废热和甲烷的氧化反应作为热量来源。

结合图5所示，一级反应管束120a为多根管堆叠成多层结构的一级反应管束，本实施例中采用22根管122堆叠成两个正三角形和一个倒三角形。其中，每个正三角形由6根管堆叠而成，即第一层3根管、第二层2根管、第三层1根管，且每相邻两根管的中心距为管外径的1.25倍；倒三角形由10根管堆叠而成，即第一层1根管、第二层2根管、第三层3根管、第四层4根管，且每相邻两根管的中心距为管外径的1.25倍。倒三角形布置在两个正三角形之间，且两个正三角形的第一层管与倒三角形的第一层管在同一平面上，同样，两个正三角形的第二层管和第三层管分别与倒三角形的第二层管和第三层管在同一平面上，且位于两个正三角形内侧的管与位于倒三角外侧的管之间的中心距均为管外径的2.5倍。

同理，二级反应管束120b也为多根管122堆叠成多层结构的一级反应管束，本实施例中采用22根管堆叠成两个倒三角形和一个正三角形。其中，每个倒三角形由6根管堆叠而成，即第一层1根管、第二层2根管、第三层3根管，且每相邻两根管的中心距为管外径的1.25倍；正三角形由10根管堆叠而成，即第一层4根管、第二层3根管、第三层2根管、第四层1根管，且每相邻两根管的中心距为管外径的1.25倍。正三角形布置在两个倒三角形之间，且两个倒三角形的第一层管与正三角形的第一层管在同一平面上，同样，两个倒三角形的第二层管和第三层管分别与正三角形的第二层管和第三层管在同一平面上，且位于两个倒三角形内侧的管与位于正三角外侧的管之间的中心距均为管外径的2.5倍。

且一级反应管束120a的第一层管与二级反应管束120b的第四层管之间的间隙为管外径的1.2～1.7倍，优选1.5倍，即一级反应管束的第一层管与二级反应管束的第四层管之间的中心距为2.5倍，利于反应管束的清洗和拆装。

工作原理：LNG发动机运行产生的含CH₄废气分为重整废气和换热废气，通过REGR阀109调节内管重整废气进入内管106b的进入量，天然气和水蒸气分别通过天然气加气管110和水蒸气加气管111流入内管106b中，重整废气、天然气和水蒸气重整废气预混合后进入一级反应管束120a，通过催化剂进行重整，而换热废气通过外管106a、中空前端盖102直接进入筒形反应外壳101中，给一级反应管束120a重整提供热量，换热后的换热废气最终从废气排气管107排出；重整后的重整气进入后气腔124，与后气腔124连通的空气补充管112通入空气，空气中的O₂会与CH₄发生氧化反应，产生热量，为后续二级反应管束120b重整提供热量，一级反应管束120a流出的重整气经过后气腔后通入二级反应管束120b进行二级重整，重整后到达排气腔123b，最后从与排气腔123b连接的重整气排气管113排出。

本实用新型的LNG发动机废气重整装置，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；并且采用了双管程，提高传热系数，从而提高重整的效率；另外，反应管束采用管式固定床结构，结构简单，热效率大，催化剂可反复使用，温度敏感且转化率高。