CN102556965A - 一种液态碳氢燃料催化重整冷却高温部件的方法 - Google Patents
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Abstract
一种液态碳氢燃料催化重整冷却高温部件的方法，特别涉及一种高温部件冷却的工艺方法。本发明以液态碳氢燃料和水经掺混和预热后，蒸发为碳氢燃料蒸汽和水蒸汽的混合蒸汽，而后进入高温部件表面的催化重整反应冷却段，在催化剂表面发生重整吸热反应，降低高温部件表面温度；吸热反应的同时生成了富含氢气的可燃气体，经燃料喷嘴或收缩喷管喷出，形成燃烧所需的可燃气态混合燃料。该方法冷却量大，有效降低了高温部件表面温度，并缓解冷却通道结焦，有助于提升高温部件的冷却效果和改善燃料的特性。
Description
技术领域
本发明专利涉及一种高温部件的冷却(或热防护)新方法，特别涉及一种液态碳氢燃料催化重整冷却方法。
背景技术
在动力装置中，由于燃烧室释放大量热量，导致在发动机燃烧室壁面和燃气涡轮叶片表面等高温部件的温度不断升高，由于材料的耐热能力有限，往往需要采用燃料的再生冷却，即利用燃料的流动换热来降低壁面和叶片表面的温度，同时燃料利用壁面的热损失而升温能够有效提高热效率。
然而随着动力装置性能的不断提升，燃烧室温度的逐步升高，造成所携带传统的燃料再生冷却的吸热能力(热沉量)不足以冷却热端部件，因此有必要进一步发展提高吸热能力的新方法。
在高速高温空气的燃烧中，高温部件的冷却成为需要解决的关键难题，其冷却能力的大小完全取决于燃料热沉，燃料热沉又可分为物理热沉和化学热沉。物理热沉主要与燃料的蒸发潜热有关，化学热沉则与燃料的裂解、脱氢和催化反应过程有关。传统的碳氢燃料再生冷却方案是利用液态燃料在冷却通道中裂解脱氢吸热反应，其液态燃料在冷却通道中气化，然后再喷入燃烧室中燃烧。但该方案存在两大缺陷：一方面是热沉值有限，当所需冷却量较大时，往往需要携带额外的冷却剂，另外一方面是在高温下碳氢燃料热裂解会结焦析碳，碳的沉积形式和沉积量都会对传热燃烧过程产生很大影响，造成热传递的减弱并使得壁温升高，而且析出的碳还容易堵塞燃料和喷射器系统的一些细小管路。采用本发明的催化重整方案，可以解决上述问题，从而在冷却方面发挥重要作用，因此将有助于提升高温部件的冷却效果和改善燃料的特性。
发明内容
本发明的目的是针对目前液态碳氢燃料在高温壁面存在的冷却量不足和结焦问题，提供一种液态碳氢燃料催化重整冷却高温部件的方法，即利用碳氢燃料和水蒸汽在催化剂作用下吸热反应过程，将其应用在高温部件的再生冷却过程中；由于其物理和化学热沉均大于液态碳氢燃料本身的热沉值，另外在高温缺氧条件下的水煤气反应可以大大减轻碳氢燃料的结焦，因此能够起到加强冷却效果，并能够提高燃料的可燃气体比例，改善燃料的着火和燃烧特性。
本发明的技术方案如下：
一种液态碳氢燃料催化重整冷却高温部件的方法，其特征在于该方法按如下步骤进行：
1)将液态碳氢燃料和水分别送入掺混段，其中掺水质量百分比为5～50％，在在线乳化机作用下，液态碳氢燃料和水形成乳化燃料；
2)乳化燃料在高压泵作用下进入预热段，在100～300℃温度条件下，使乳化燃料蒸发为碳氢燃料蒸汽和水蒸汽的混合蒸汽；
3)混合蒸汽进入高温部件的催化重整反应冷却段，在重整反应段布置在需要冷却的高温部件表面，将催化剂喷涂在高温部件表面，催化重整反应段内的催化剂为含镍基过渡金属的化合物；在温度为400～800℃、压力为0.2～8MPa条件下，混合蒸汽在催化剂表面发生重整吸热反应，降低高温部件表面温度；吸热反应的同时生成了富含氢气的可燃气体，经燃料喷嘴或收缩喷管喷出，形成燃烧所需的可燃气态混合燃料。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：①碳氢燃料的催化重整反应本身具有较强的吸热反应特征，其热沉大于吸热型燃料的裂解和脱氢反应吸热量，对于以燃料为冷却介质的高温部件中，碳氢燃料的催化重整反应能够较大幅度地提高燃料的吸热冷却能力，对改善高温部件表面的冷却状态极为有利。②对于碳氢燃料的催化重整反应，由于水的存在，必然会在缺氧高温处发生水煤气反应，从而消耗一部分生成的碳黑，因此可降低冷却通道中的碳氢燃料的结焦。③利用碳氢燃料的催化重整反应产物特性改进燃料的组成，即在催化剂表面发生碳氢化合物与水蒸气的反应，产生少量的H2、CO和CH4等可燃气体成分，改变混合燃料的成分比例，从而降低燃料着火温度，提高燃烧稳定性。由于H2具有热值高、火焰传播速度快、燃烧活化能低、点火能低和易扩散等特点，因此它的参与燃烧，可大大改善燃料的燃烧性能。
上述三个方面可有效结合，即碳氢燃料在高温壁面附近发生催化重整反应，可以一边吸收高温降低壁面温度，同时发生水煤气反应，减少积碳量，一边发生催化重整产生可燃气体，使液体碳氢燃料成为气态的易燃燃料，从而构成完整的碳氢燃料催化重整冷却方法。
附图说明
图1为液态碳氢燃料催化重整冷却高温部件的工艺流程示意图。
图2为利用本发明方法冷却燃烧室实施例的示意图。
图中：1-掺混段；2-预热段；3-催化重整段；4-高温部件；5-冷却通道入口；6-催化剂；7-喷嘴；8-燃烧室
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的原理和具体实施过程作进一步说明。
本发明提出的液态碳氢燃料催化重整冷却高温部件的新方法，其基本原理是利用碳氢燃料与水蒸汽在催化剂作用下发生吸热反应，用于冷却高温部件表面，冷却后的碳氢燃料同时在催化剂表面反应生成含有多种可燃气体成分的气态易燃燃料，并能减轻通道内的结焦。
图1为本发明提供的碳氢燃料催化重整冷却高温部件的工艺流程示意图，包括掺混段1、预热段2以及催化重整段3；催化重整段设置在高温部件4表面的通道中；其具体工艺流程步骤：
1)将液态碳氢燃料和水分别送入掺混段1，掺混段1为催化重整反应产物提供了良好掺混，其中掺水质量百分比为5～50％，在在线乳化机作用下，液态碳氢燃料和水形成乳化燃料；
2)乳化燃料在高压泵作用下进入预热段2，在100～300℃温度条件下，使乳化燃料蒸发为碳氢燃料蒸汽和水蒸汽的混合蒸汽；该预热段可以采用电加热，也可利用高温部件的燃气余热进行换热，为下一阶段催化重整反应提供反应物。
3)重整反应段3布置在需要冷却的高温部件4表面通道内，混合蒸汽进入高温部件4的催化重整反应冷却段3，将催化剂喷涂在高温部件表面，厚度一般为0.1～1mm，催化剂采用含镍基过渡金属的化合物；在温度为400～800℃、压力为0.2～8MPa条件下，混合蒸汽在催化剂表面发生重整吸热反应，将高温部件表面温度降低，高温下的水煤气反应可还原部分由于碳氢反应裂解形成的碳，同时生成富含氢气、一氧化碳和甲烷等可燃气体，经燃料喷嘴或收缩喷管喷出，形成燃烧所需的可燃气态混合燃料。
图2为高温部件是燃烧室时催化重整冷却的方案。乳化燃料经冷却通道入口5，进入催化重整反应段3。该催化重整反应段同时也是冷却通道，在冷却通道内表面(即燃烧室8外壁面)喷涂上催化剂6。在冷却通道中流动的燃料是燃烧室燃烧的燃料，同时也是作为催化反应的重整反应物。在燃烧室内燃烧产生接近2000℃的高温，燃烧室壁面温度一般可达700-800℃，甚至更高，因此在通道壁附近的重整反应较为剧烈。反应后的重整产物作为燃烧室的燃料经喷嘴7喷入燃烧室内。利用本高温部件实施以下实例：
实施例1：
以煤油为碳氢燃料，在3MPa压力、掺水比例30％条件下，壁温400℃时总热沉(吸热量)为2.2MJ/kg，相比无催化重整反应的纯煤油总热沉增加1MJ/kg；催化后的反应产物中氢气体积含量在壁温400℃时达到80％，壁温800℃达到20％。
实施例2：
以十二烷为碳氢燃料，在8MPa压力、掺水比例50％条件下，壁温800℃时总热沉达到4.5MJ/kg，催化后的反应产物中氢气体积含量达到15％。在相同壁面热流密度条件下，有催化段的高温部件表面温度降低200℃。
实施例3：
以柴油为碳氢燃料，在0.2MPa，掺水5％条件下，壁温420℃时总热沉为2MJ/kg，催化后的反应产物中氢气体积含量达到85％。
Claims (2)
1.一种液态碳氢燃料催化重整冷却高温部件的方法，其特征在于该方法按如下步骤进行：
1)将液态碳氢燃料和水分别送入掺混段，其中掺水质量百分比为5～50％，在在线乳化机作用下，液态碳氢燃料和水形成乳化燃料；
2)乳化燃料在高压泵作用下进入预热段，在100～300℃温度条件下，使乳化燃料蒸发为碳氢燃料蒸汽和水蒸汽的混合蒸汽；
3)混合蒸汽进入高温部件的催化重整反应段，重整反应段布置在需要冷却的高温部件表面，将催化剂喷涂在高温部件表面，在温度为400～800℃、压力为0.2～8MPa条件下，混合蒸汽在催化剂表面发生重整吸热反应，降低高温部件表面温度；吸热反应的同时生成了富含氢气的可燃气体，经燃料喷嘴或收缩喷管喷出，形成燃烧所需的可燃气态混合燃料。
2.按照权利要求1所述的一种液态碳氢燃料催化重整冷却高温部件的方法，其特征在于：催化重整反应段内的催化剂为含镍基过渡金属的化合物。
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