一种应用于天然气汽车上的优化处理模拟装置制造方法
【专利摘要】本实用新型为一种应用于天然气汽车上的优化处理模拟装置，该装置由气体混合配比器、前置活化器、反应炉、后置活化器和尾气分析仪通过管道依次串联组成；其中，气体混合配比器分别接甲烷气和空气；所述的前置活化器内部填充铁电气石；所述的后置活化器内部填充负载有LaCoO3活化陶瓷球。本装置模拟天然气汽车的进气、燃烧及尾气处理过程，其中，前置活化材料可以辐射恰好在甲烷吸收波段的红外线能量，对甲烷气进行活化处理，能够有效地提高甲烷的燃烧热值和燃烧热效率；后置活化器利用稀土催化材料对甲烷进行吸附、活化和催化作用，能够有效地减少尾气中CH污染物的排放。
【专利说明】—种应用于天然气汽车上的优化处理模拟装置
【技术领域】
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[0001]本实用新型属于节能环保领域，设计了一种可应用于天然气汽车的优化处理模拟装置，具体是通过前置活化器和后置活化器的设置，可以用于展示天然气汽车节约能源，降低排放新技术的实现方法。
【背景技术】
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[0002]天然气作为一种清洁型替代能源，具有热值高、燃烧效率高、污染小等特点，使用天然气作为汽车燃料可以缓解紧张的能源需求、调整汽车燃料结构、延长发动机的使用寿命。天然气汽车与汽油车相比，排气污染明显降低。但是目前的CNG车基本是在汽油车上增加CNG系统而成的两用燃料车，发动机的压缩比、点火系统、进气系统等均没有变动，使用CNG时的性能没有得到充分发挥；天然气的理论空燃比为10:1，在进入发动机时，天然气将占有约10%的体积空间，导致吸入发动机的空气量减少约10%，进气效率下降，从而引起动力性的下降；天然气性质稳定，燃烧速度慢，点燃需要更多的能量；与使用汽油相比，使用CNG时的动力性约下降15%。
[0003]同时，目前天然气汽车都是在定型的汽油车的基础上改装而成的，燃料系统没有进行专门的优化，特别是部分化油器类改装车对空燃比的控制不够准确，混合气中燃料浓度一般较高，导致尾气中的甲烷浓度大大高于国外车辆。甲烷具有很强的温室效应，它对大气的加热潜力是CO2的32倍；CH4分子结构稳定，其活化和转化非常困难。现有的尾气净化催化剂一般是针对汽油车的工况和排放特点设计的，不能很好的适应高空燃比汽车尾气中高浓度甲烷的净化。
[0004]美国专利USP20040056208A1研制了一种可以产生远红外辐射和负离子的活化装置，可用于活化天然气，促进燃气燃烧。其核心材料为生物陶瓷，以及氧化硅、氧化铝等氧化物烧结成的陶瓷制品，制备工艺复杂，成本较高。
[0005]中国专利CN102003254提出了一种用于天然气汽车的催化转化器，其包括前催化剂和后催化剂，天然气汽车排气一次经过前催化剂，后催化剂净化达到天然气汽车的排放要求。通过优化前后催化剂的组合方式能有效提高催化转化器的净化效率，降低催化转化器的贵金属用量和成本。前、后催化剂以堇青石蜂窝状陶瓷为载体、以活性氧化铝、铈锆固溶体、稀土氧化物、碱土金属氧化物、粘结剂和作为活性组分的过渡金属复合氧化物或过渡金属-稀土复合氧化物为涂层，最后在涂层上浸溃钼族金属活性组分，其制备工艺复杂，成本较高，且只针对于天然气汽车尾气的处理。
【发明内容】
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[0006]针对目前天然气汽车面临的问题和现有技术的不足，本实用新型为模拟天然气汽车燃气系统做出的一套测评装置，在原有汽车燃烧系统中加入了前置活化器和后置活化器，用以天然气预活化和促进尾气手机和转化，目的是可以方便展示一种提高燃气的利用率和天然气汽车整车动力性能的新技术的模拟装置。
[0007]本实用新型的技术方案为:
[0008]一种应用于天然气汽车上的优化处理模拟装置，该装置由气体混合配比器、前置活化器、反应炉、后置活化器和尾气分析仪通过管道依次串联组成；其中，气体混合配比器分别接甲烷气和空气；
[0009]所述的前置活化器为外径50mm，内径40mm的不锈钢管，内部填充活化材料为粒径2?6mm的铁电气石，用量为50?10g ；
[0010]所述的后置活化器为外径55mm,内径45mm的不锈钢管，内部填充有20?40g负载有LaCoO3的活化陶瓷球，负载量为质量百分比10%。
[0011]所述的反应炉为型号为WFS-3015程序控制升温石英反应炉；
[0012]所述的尾气分析仪采用型号为HCX-9-CH4的甲烷分析仪；
[0013]所述的管道为外径40mm，内径30mm的不锈钢管。
[0014]本实用新型的特点是:
[0015](I)本装置模拟天然气汽车的进气、燃烧及尾气处理过程，其创新点是包含活化处理单元，其中，前置活化材料可以辐射恰好在甲烷吸收波段的红外线能量，对甲烷气进行活化处理，能够有效地提高甲烷的燃烧热值和燃烧热效率；后置活化器利用稀土催化材料对甲烷进行吸附、活化和催化作用，能够有效地减少尾气中CH污染物的排放。
[0016](2)采用前后活化器来模拟对天然气汽车整车进行性能提升的方式，成本低廉，安装简易，为提高天然气汽车动力性能，降低污染物的排放提供了一种可操作的模拟测试方法，利用本装置进行性能测试，结果显示，添加该活化装置后，甲烷起燃温度降低了 50°C，最终甲烷的净化效率达到96.98%。并且本装置具有很好展示性，有利于节能减排新技术的推广工作。
【专利附图】
【附图说明】
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[0017]图1为天然气汽车优化处理模拟装置示意图；
[0018]其中，1-甲烷进气，2-空气进气，3-气体混合器，4-流量计，5-进气管；6-前置活化器；7_反应炉；8_温控计，9-出气管，10-后置活化器，11-尾气分析仪。
[0019]图2为实施例一测得甲烷催化活性曲线；
[0020]图3为实施例二测得甲烷催化活性曲线；
[0021]图4为实施例三测得甲烷催化活性曲线；
【具体实施方式】
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[0022]本发明所述的电气石选用内蒙古产地生产的电气石；
[0023]活化陶瓷球为淄博博纳科技发展有限公司生产的活化陶瓷球，直径为5mm ；
[0024]本优化处理模拟装置由气体混合配比器3、反应炉7、模拟活化处理单元、甲烷催化剂、尾气分析仪及进出气管道组成。其中，模拟活化处理单元又包括前置活化器6和后置活化器10。各部分的组成及安装关系如图1所示，甲烷I和空气2分别通入气体混合配比器3的甲烷进气口和空气进气口，气体混合配比器3出口连接进气管道5，然后连接前置活化器6，再连接进气管道5到达反应炉7，反应炉尾气连接出气管9，后接后置活化器10，最后经出气管到达尾气分析仪11。
[0025]上述模拟活化处理单元中的前置活化器6所用材料为外径50mm，内径40mm的不锈钢管，内部填充活化材料为粒径2?6mm的铁电气石，用量为50?10g ;后置活化器10选用外径55mm，内径45mm的不锈钢管，内部填充的活性物质为活化陶瓷球负载LaCoO3,负载量为10% (wt/wt)，LaCoO3制备方法参见专利CN201210225535.X，负载于活化陶瓷球上的制备方法参见专利CN102407136A，后置活化器总用量为20?40g。
[0026]所述的反应炉为型号为WFS-3015程序控制升温石英反应炉；
[0027]所述的尾气分析仪采用型号为HCX-9-CH4的甲烷分析仪；
[0028]为便于展示，进气管道与出气管道均选用外径40mm，内径30mm的不锈钢管。
[0029]采用图1装置对活化处理模拟装置性能进行检测，其操作过程为，控制甲烷进气I和空气进气2，按一定比例(1:30?1:10)通入气体混合器中，总进气量为80mL/min。气体混合均匀后通入前置活化器进行活化处理，然后进入反应炉7，通过温控计8设置反应炉程序升温:0-2000C 30min，200°C保温1.5h后，以I。。/min升至600。。反应尾气经排气管9进入后置活化器10进行进一步尾气处理，最终尾气由尾气分析仪11分析得出甲烷的转化率，采集和记录方式为:200 V开始每50 V取样直至600 V反应结束。
[0030]实施例一:
[0031]采用图1装置对活化处理模拟装置性能进行检测，甲烷空气流量配比为1:30。前置活化器选择粒径为6mm电气石，用量为50g，后置活化器材料用量为20g。操作过程为:通入甲烷气和空气，经气体混合气混合后经前置活化器到达反应炉，控制反应炉程序升温0-2000C 30min，200°C保温1.5h后，以1°C /min升至600°，所得尾气经后置活化器到达尾气分析仪，200°C开始每50°C在分析仪中取样直至600°C反应结束。由分析仪记录并计算取样点甲烷的转化率，得到甲烷的起燃温度(T5tl)和完全转化温度(T9tl)。反应结束依次关闭气瓶，反应炉，尾气分析仪，最后关闭电源(该组结果记为Al)。对比试验将前置和后置活化器中的活化物质换为同等质量和粒径的活化陶瓷球(该组结果记为BI)，其他条件同实验组相同。
[0032]实验结果如图2，由图可以看出对比试验(BI)中甲烷起燃温度T5tl为485°C，完全转化温度T9tl为590°C，添加活化装置组(Al)开始转化温度T5tl为450°C，完全转化温度T9q为485°C，分别比未添加活化装置提高了 35°C和25°C。且甲烷最终净化率BI为91.94%,Al为95.00%，说明该装置能够有效降低甲烷的起燃温度，促进甲烷转化。
[0033]实施例二
[0034]实施例二和实施例一的不同之处在于通入的甲烷和空气混合气(体积比1:20)。前置活化器选择粒径为4mm电气石，用量为80g，后置活化器材料用量为30g。操作过程同实施例一相同(该组结果记为A2)。对比试验将前置和后置活化器中的活化物质换为同等质量和粒径的活化陶瓷球(该组结果记为B2)，其他条件同实验组相同。
[0035]试验结果如图3，由图可以看出对比试验(B2)中甲烷起燃温度T5tl为495°C，完全转化温度T9tl为595 °C，添加活化装置组(A2)开始转化温度T5tl为445 °C，完全转化温度Tw为530°C，分别比未添加活化装置提高了 50°C和65°C。甲烷最终净化率B2为92.87%, A2为96.00%，说明该装置能够有效降低甲烷的起燃温度，促进甲烷转化。
[0036]实施例三
[0037]实施例三和实施例一的不同之处在于通入的甲烷和空气混合气(体积比1:10)。前置活化器选择粒径为2_电气石，用量为100g，后置活化器材料用量为40g。操作过程同实施例一相同(该组结果记为A3)。对比试验将前置和后置活化器中的活化物质换为同等质量和粒径的活化陶瓷球(该组结果记为B3)，其他条件同实验组相同。
[0038]试验结果如图4，由图可以看出对比试验(B3)中甲烷起燃温度T5tl为495°C，完全转化温度T9tl为590°C，添加活化装置组(A3)开始转化温度T5tl为450°C，完全转化温度T9q为495°C，分别比未添加活化装置提高了 45°C和40°C。且最终甲烷净化率A3为96.98%,BI为91.86%，说明该装置能够有效降低甲烷的起燃温度，促进甲烷转化。
【权利要求】
1.一种应用于天然气汽车上的优化处理模拟装置，其特征为该装置由气体混合配比器、前置活化器、反应炉、后置活化器和尾气分析仪通过管道依次串联组成；其中，气体混合配比器分别接甲烷气和空气； 所述的前置活化器为外径50mm，内径40mm的不锈钢管，内部填充活化材料为粒径2?6mm的铁电气石，用量为50?10g ； 所述的后置活化器为外径55mm,内径45mm的不锈钢管，内部填充有20?40g负载有LaCoO3的活化陶瓷球，负载量为质量百分比10%。
2.如权利要求1所述的应用于天然气汽车上的优化处理模拟装置，其特征为所述的反应炉为型号为WFS-3015程序控制升温石英反应炉。
3.如权利要求1所述的应用于天然气汽车上的优化处理模拟装置，其特征为所述的尾气分析仪采用型号为HCX-9-CH4的甲烷分析仪。
4.如权利要求1所述的应用于天然气汽车上的优化处理模拟装置，其特征为所述的管道为外径40mm,内径30mm的不锈钢管。
【文档编号】F02M27/06GK203925807SQ201420339754
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年6月24日 优先权日:2014年6月24日
【发明者】王赛飞, 赵嘉欣, 姜雅楠, 薛刚, 梁金生 申请人:河北工业大学