一种轻烃/柴油燃料重整系统及重整方法与流程

本发明属于发动机技术领域，涉及一种发动机的供原料技术，具体涉及一种轻烃/柴油燃料重整系统及重整方法。

背景技术：

在能源危机以及保护环境的双重作用下，寻找替代能源和减少污染物排放成为内燃机研究领域的热门课题。单纯的柴油机虽然经济性相对汽油机好很多，但就柴油机本身而言其浪费也很严重，柴油的不完全燃烧不仅是对能源的浪费其排出的氮氧化物及硫化物也是对环境的威胁。对于天然气发动机，常采用低温稀薄燃烧技术，以抑制敲缸和氮氧化物(nox)排放。然而过高的空燃比会导致发动机失火、未燃碳氢(hc)和一氧化碳(co)排放物增加。已有台架实验和理论研究表明：天然气中添加氢气(h2)能提高燃烧速度缩短火焰淬熄距离，改善发动机失火问题以实现稳定的稀薄燃烧，从而降低hc、co和nox排放。轻烃/柴油燃料重整是指利用柴油机高温废气余热给重整装置加热，使水蒸气和气化柴油以及气化的轻烃燃料在高温低压的环境下，通过催化剂的催化作用发生重整反应，生成氢气、甲烷和一氧化碳的过程。目前重整方法主要采用电离法，高温低压重整法，利用高压电能为反应提供能量，或者利用高温电阻丝为重整气加热。不仅需要复杂而又繁琐的相关装置而且还要提供额外的能量来推动反应的进行，但是现有技术中还没有相关成套设备和技术。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种解决柴油机尾气排气温度过高所造成能源资源浪费问题的技术方案。具体是利用发动机尾气的高温余热设计一种轻烃/柴油重整系统及重整方法，提高燃烧效率，抑制敲缸和氮氧化物(nox)排放。

本发明解决上述具体问题所采用的具体方案为：

一种轻烃/柴油燃料重整系统，其特征在于：包括轻烃燃料供给装置、柴油供给装置、重整反应装置和气体混合器，所述气体混合器上设有载气进气管和水蒸气进气管，所述轻烃燃料供给装置用于供给雾化轻烃燃料，所述柴油供给装置用于供给雾化柴油，雾化轻烃燃料和柴油通过管道进入气体混合器内与载气、水蒸气一起形成混合气体，混合气体进入重整反应装置内进行重整反应，所述重整反应装置内产生的重整气通过管道送入发动机气缸的燃烧室内参与燃烧。

作为改进，所述重整反应装置设于气缸的尾气排气管内，通过柴油机尾气余热保持重整反应所需温度。

作为改进，所述轻烃燃料供给装置包括依次通过轻烃燃料输送管相连的轻烃燃料罐、轻烃燃料泵、轻烃流量控制阀和轻烃燃料雾化器，所述轻烃燃料雾化器出口通过管道连接到气体混合器内。

作为改进，所述柴油供给装置包括依次通过柴油输送管相连的柴油油箱、柴油泵、柴油流量控制阀和柴油雾化器，所述柴油雾化器出口通过管道连接到气体混合器内。

作为改进，所述柴油供给装置还包括高压燃油供给系统，所述高压燃油供给系统包括柴油增压装置和喷油器，所述柴油油箱内的柴油还通过柴油增压装置和喷油器直接送入气缸的燃烧室内参与燃烧。

作为改进，所述重整反应装置包括反应器壳体、重整反应器和重整催化剂，所述重整反应器为一端开口的筒体，筒体开口端与气体混合器的出口相连，筒体四周为蜂窝状出气孔结构，重整催化剂涂覆在重整反应器的筒体外表面，所述反应器壳体同时还是换热管壁。

作为改进，所述重整催化剂为pt/ceo2-al2o3催化剂，所述反应器壳体上设有换热翘片。

作为改进，所述反应器壳体内设有套设在重整反应器封闭端的回流筒，所述回流筒与重整反应器之间以及回流筒与反应器壳体之间设有供气流通过的间隙。

本发明还提供了一种轻烃/柴油燃料重整方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、轻烃燃料通过轻烃燃料供给装置雾化后进入气体混合器；

步骤2、柴油通过柴油供给装置雾化后进入气体混合器；

步骤3、载气和水蒸气分别通过进气管进入气体混合器；

步骤4、载气携带水蒸气和雾化轻烃燃料燃料及柴油进入重整反应装置内，在重整催化剂下反应得到重整气，重整气进入气缸的燃烧室内参与燃烧；

步骤5、所述重整反应装置设于气缸的尾气排气管内，通过柴油机尾气余热加热维持重整反应温度。

作为改进，所述载气为惰性气体，所述所述重整催化剂为pt/ceo2-al2o3催化剂。

目前重整方法主要采用电离法，高温低压重整法，利用高压电能为反应提供能量，或者利用高温电阻丝为重整气加热。不仅需要复杂而又繁琐的相关装置而且还要提供额外的能量来推动反应的进行，本发明直接利用发动机高温废气余热作为热源给重整反应装置加热至重整反应发生所需要的条件。

本发明相比较现有的重整技术有以下优点：

1、利用轻烃燃料和柴油的化学反应优点，提供一种发动机轻烃/柴油燃料重整系统。本发明可直接利用发动机的高温尾气余热将发动机燃料与轻烃燃料、水蒸气发生多种重整反应(包括水蒸气重整、部分氧化重整、水煤气变换反应等)产生富含h2、co的重整气，减少了电阻丝加热环节，即降低了成本也大大降低了排气管内的废气温度，从而降低了氮氧化物的生成以及一氧化碳的排放，减轻了对自然环境的污染。

2、对重整反应装置进行设计并优化充分利用燃料的反应机理进行重整反应设计。本发明利用轻烃燃料和柴油以及水蒸气混合制氢气，其产生h2效率高，实现在线制取氢气；

3、各个装置方面的巧妙设置与连接，充分的应用了燃油供给装置和其他三大装置进行重整反应，充分利用发动机尾气的高温余热对重整反应装置进行加热以达到重整反应发生所需要的温度条件，避免提供额外的燃料存储装置或氢气储存罐，提高了安全性并且减小了整个系统的体积，降低了发动机的负载，既是对废气资源的利用又降低了燃烧成本和制造成本。

附图说明

图1为本发明的轻烃/柴油燃料重整系统的结构示意图。

图2为本发明的重整反应装置的结构示意图。

图中：1-柴油机尾气，2-气体混合器，3-水蒸气，4-惰性气体ar，5-雾化轻烃燃料，6-重整反应装置，7-雾化柴油，8-柴油雾化器，9-尾气排气管，10-轻烃燃料雾化器，11-柴油流量控制阀，12-轻烃流量控制阀，13-轻烃燃料泵，14-轻烃燃料罐，15-柴油，16-柴油泵，17-重整气，18-柴油油箱，19-柴油增压装置，20-喷油器，21-排气门，22-进气门，23-燃烧室，24-气缸，25-混合气体，26-重整反应器，27-反应器壳体，28-重整催化剂，29-回流筒，30-温度补偿器。

具体实施方式

如图1所示，本发明的轻烃燃料重整系统包括轻烃燃料供给装置、柴油供给装置、重整反应装置6、气体混合器2。气体混合器2设置在轻烃燃料供给装置之后，重整反应装置6设置在气体混合器2之后，柴油供给装置设置在柴油15发动机内，柴油机尾气1从排气门21排入到尾气排气管9给重整反应装置6加热后排入到大气，在不同工况下发动机尾气温度会有所不同，因此在重整反应装置6内部设置有温度补偿器30以满足不同工况下的反应温度，使重整反应正常发生。

轻烃燃料供给装置包括轻烃燃料罐14、轻烃燃料泵13、轻烃流量控制阀12和轻烃燃料雾化器10，轻烃燃料罐14、轻烃燃料泵13、轻烃流量控制阀12和轻烃燃料雾化器10依次通过轻烃燃料输送管相连。轻烃燃料供给装置向气体混合器2提供雾化轻烃燃料5，轻烃燃料罐14后设有轻烃燃料泵13和轻烃流量控制阀12，轻烃燃料雾化器10安装在轻烃燃料泵13之后，雾化轻烃燃料5通过轻烃燃料输送管输送到气体混合器2中。轻烃燃料雾化器10与气体混合器2的第一支进气管连通。

气体混合器2一端固定设置有与柴油油箱18相连接的第二支进气管，第二支进气管上设有柴油雾化器8，通过柴油雾化器8可以向气体混合器2通入少量雾化柴油7。气体混合器2另一端分别设有第三支进气管和第四支进气管，第三支进气管和第四支进气管分别为水蒸气3进气管和惰性气体ar4进气管。

柴油供给装置包括柴油油箱18、高压燃油供给系统、喷油器20、柴油泵16、柴油流量控制阀11和柴油15气化器，柴油泵16与柴油流量控制阀11依次通过管道相连设置在柴油油箱18上方，柴油流量控制阀11之后设有柴油雾化器8。柴油油箱18的柴油一路通过高压燃油供给系统直接供给给气缸24的燃烧室23，另一路通过柴油泵16和柴油流量控制阀11进入柴油雾化器8，进而进入气体混合器2内，所述高压燃油供给系统包括柴油增压装置19和喷油器20，本实施例中柴油增压装置19可以为柴油增压泵，柴油油箱18中的柴油15通过柴油增压泵增压后，经喷油器20喷入气缸24的燃烧室23，参与燃烧。

如图2所示，重整反应装置6包括重整反应器26、反应器壳体27、重整催化剂28和回流筒29，重整反应装置6的作用是产生重整气17，重整反应装置6的入口与气体混合器2的出口相连接，混合气体进入到重整反应装置6内部，在重整反应器26上利用废气余热和重整催化剂28发生重整反应生成重整气17，重整气17从重整反应器26的出气孔出来经过回流筒29折流后，与重整反应器26表面的重整催化剂28充分反应，最后越过回流筒29开口端，从回流筒29与反应器壳体27之间间隙输出到气缸24参与燃烧。重整反应装置6整体设置在尾气排气管9内部，反应器壳体27同时也是换热管壁，以便于直接利用高温废气对重整反应器26进行加热以达到混合气体发生重整反应所需要的温度和压力，且重整反应装置6内设有温度补偿器30，温度补偿器30包括辅助加热器和温度传感器，当发动机尾气预热不足时，可以通过辅助加热器给重整反应器26加热维持反应温度，所述温度传感器用于监测重整反应器26内温度，并通过控制器启动辅助加热器，以满足不同工况下的重整反应器26内部温度，使重整反应器26内部温度维持在400℃以上使重整反应正常发生。本发明实施例中，重整反应器26为一端开口的筒体，筒体开口端与气体混合器2的出口相连，筒体四周为蜂窝状出气孔结构，重整催化剂28涂覆在重整反应器的筒体外表面，所述回流筒也为一端开口的筒体，回流筒的内径大于重整反应器26的外径，将回流筒套设在重整反应器26的封闭端，混合气体从重整反应器26的蜂窝孔出来后与重整催化剂28接触发生重整反应，形成重整气，重整气碰到回流筒套无法直接从重整反应装置的出口送出，特别靠近重整反应器26封闭端出来的混合气体，通过回流筒折流作用沿着回流筒开口端运动，有效的增加了重整气与重整催化剂28接触时间，提高了重整反应效率，之后气流通过回流筒外侧与反应器壳体内部之间间隙流向整反应装置的出口。

重整反应装置6的出口尾端与柴油15机的进气门22相通，气缸24的排气门21与尾气排气管9相通，重整反应器26外部被换热管壁包围，通过回流筒29使得反应和热交换更加充分。

本发明的轻烃燃料重整方法，包括以下步骤：

一、轻烃燃料从轻烃燃料罐14经轻烃燃料泵13，轻烃流量控制阀12以0.2l/h的流速进入轻烃燃料雾化器10产生雾化轻烃燃料5，进而进入到气体混合器2中。

二、柴油15从柴油油箱18一路经柴油泵16，柴油流量控制阀11以1l/h的流速进入柴油雾化器8产生雾化柴油7，进而进入气体混合器2中。另一路通过高压燃油供给系统的喷油器20喷入气缸24为柴油15机提供柴油15。

三、从气体混合器2的另一加料管通入足量的水蒸气3。

四、温度高达550摄氏度的柴油机尾气1通过尾气排气管9排放，利用其高温余热给重整反应器26加热以达到重整反应所需要的温度400℃左右。重整反应器26上设有温度补偿器30，温度补偿器30包括辅助加热器和温度传感器，以满足不同工况下的重整反应器26内部温度，使重整反应器26内部温度维持在400℃以上使重整反应正常发生。

五、从气体混合器2的最上面的加料管通入适量的惰性气体ar4，用以推动全部混合气体向下运动进入到重整反应装置6中，惰性气体ar4、水蒸气3、雾化柴油7和雾化轻烃燃料5形成混合气体25。

六、雾化轻烃燃料5、惰性气体ar4、雾化柴油7与水蒸气3形成的混合气体25在重整反应装置6内高温和重整催化剂pt/ceo2-al2o3的作用下发生重整反应，重整反应为：水蒸气3+雾化轻烃燃料5+雾化柴油7在400℃高温下以及催化剂的作用下生成含氢气、一氧化碳以及甲烷的重整气17。

七、本装置的重整反应主要包括耦合蒸汽重整和自热重整。耦合蒸汽重整发生的化学反应方程式为：chx+柴油+h2o＝ch4+co(g)+h2，ch4(g)+h2o(g)＝co(g)+3h2(g)此反应发生在重整反应装置内的重整反应器26表面，条件为高温。自热重整为柴油和轻烃与氧气发生反应其化学方程式为chx+柴油+o2＝co+h2o+h2，此反应也在重整反应装置6内部进行，发生的条件为高温。

八、重整气17直接输送到气缸24并参与气缸24内的燃烧，燃烧后的柴油机尾气1通过排气口进入到尾气排气管9，利用其高温余热给重整反应器26加热以达到重整反应所需要的温度。

九、以上步骤进行循环。