CN104005816A - 催化燃料汽化器和燃料重整器组件 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种用于与稀燃NOx催化剂(LNC)一起使用的催化燃料汽化器和燃料重整器组件。外管与LNC相联。内管完全置于外管中。排气流在内管和外管之间分流。内管容纳催化燃料汽化器和催化燃料重整器，其将至少一部分喷入的烃类转换为氢气和一氧化碳，并且汽化烃类用于NOx还原。

Description

催化燃料汽化器和燃料重整器组件

背景技术

稀燃NOx催化剂(LNC)技术的操作通常是用烃类(HC)来还原氮氧化物(NOx)。有关LNC技术的研究还表明，在较低的废气温度下，氢气(H₂)有利于帮助LNC还原氮氧化物。

如图1所示，旁通阀结合燃料重整器用于为LNC生产氢气。诸如燃料注入器或电加热的汽化器之类的外部燃料源可以为LNC提供作为还原剂的HC。或者，电加热的汽化器装置结合燃料重整器可用于为LNC提供作为还原剂的H₂和HC，其可以在较低温度下提高NOx转化率，其中燃料重整器利用旁通阀向燃料重整器导入部分流体。使用燃料重整器或电加热的燃料汽化器装置向LNC单独或联合地引入还原剂用于NOx还原。

当燃料充足时，使用旁通阀来调节进入燃料重整器的排气流以控制燃料重整器的温度以及燃料与氧气之比，从而连续生成氢气。使用闭环控制旁通阀，同时监控进入重整器的排气流速。通过测量流体通过孔口的压降确定进入燃料重整器的流速。需要测量通过孔口进入的燃料重整器的流速，来计算为LNC生产足量的氢气所需的燃料注入量，从而以还原NOx。然而，流通孔口和旁通阀配置会受到如下的困扰：不准确、响应时间慢(例如，旁通阀响应时间慢)、对孔口附加压力监测的需要、和/或外形的挑战是图1所示配置的固有属性。

发明内容

在一个实施例中，组件例如包括外管和内管。内管完全置于外管内。排气流在内管和外管之间分流。内管容纳催化燃料重整器。

在另一个实施例中，一种方法提供内管催化燃料汽化器和燃料重整器以与LNC一起使用。该方法可包括例如以下操作中的一个或多个：提供完全置于外管内的内管，外管与LNC相联；在内管中设置催化燃料汽化器和燃料重整器；以及通过置于内管中的催化燃料汽化器和燃料重整器汽化烃类并生产氢气。

在另一个实施例中，在发动机的排气再循环(EGR)系统内使用一种组件。该组件包括例如外管和内管。外管与发动机相联(例如，发动机的EGR支路或环路)。内管完全置于外管内。排气流在内管和外管之间分流。内管容纳催化燃料汽化器和燃料重整器。

在另一个实施例中，一种组件与燃料电池一起使用。该组件包括例如外管和内管。内管完全置于外管内。废气流在内管和外管之间分流。内管容纳催化燃料汽化器、燃料重整器以及氢分离膜。

附图说明

图1是与稀燃NOx催化剂(LNC)一起使用的燃料重整器和旁通阀的常规配置。

图2是带有内管催化燃料汽化器和燃料重整器的排气组件的一个实施例。

图3A是内管催化燃料汽化器和燃料重整器的第一实施例的截面图。

图3B是内管催化燃料汽化器和燃料重整器的第二实施例的截面图。

图3C是内管催化燃料汽化器和燃料重整器的第三实施例的截面图。

图4是内管催化燃料汽化器和燃料重整器的一个实施例，示出了某些配置自由度。

图5是用于内管催化燃料汽化器和燃料重整器装置的燃料区域的一个实施例。

图6是不含催化燃料汽化器的内管燃料重整器的一个实施例。

图7A是在排气管内的内管重整器系统的一个实施例的图片。

图7B是图7A的内管催化燃料汽化器和重整器系统。

图8A是内管催化燃料汽化器和重整器的一个实施例的图片。

图8B是图8A的内管催化燃料汽化器和重整器的布局图。

图9示出了内管催化燃料汽化器和重整器在LNC配置中的布局的一个实施例。

图10是不同进料安排中在不同催化剂位置的内管系统温度图。

图11是在注入柴油燃料流速相同时不同进料安排下内管出口的气体组成的图表，该气体组成为：氢气，一氧化碳和烃类。

具体实施方式

目前的稀燃NOx催化剂(LNC)技术的操作利用了烃类(HC)来还原氮氧化物(NOx)。通过管内或缸内注射来引入烃类。氢气也用作还原剂来还原LNC上的NOx。特别是在较低的LNC温度下，氢气表现出优于HC。可引入重整器来产生氢气。内管催化燃料汽化器和燃料重整器的配置可为LNC提供HC和氢气以还原氮氧化物。

某些实施例不使用电加热装置为LNC汽化燃料。某些实施例不使用图1所示结合燃料重整器的旁通阀。

某些实施例提供了内管催化燃料汽化器和催化燃料重整器的结构，该结构允许一部分废气流进入重整催化剂，而另一部分废气流(例如，来自发动机的废气流的剩余部分)绕过重整器，而不使用旁通阀。

某些实施例使用内管催化燃料汽化器，以汽化喷入到排气管中的柴油燃料，从而减小了系统的外形尺寸。

某些实施例使用内管燃料重整催化剂，以为LNC生产氢气。

在某些实施例中，当与其它后处理技术、例如LNC结合时，使用内管催化燃料汽化器和燃料重整器作为后处理装置，以辅助还原NOx。

如图2所示，排气组件100包括内管催化燃料汽化器和燃料重整器110、注入器120和LNC130。图2所示的实施例不使用图1中所使用的旁通阀、额外的外部管道和电加热燃料汽化器。

内管催化燃料汽化器和燃料重整器110位于LNC130之前，例如，作为车辆排气管140的一部分。LNC130前的排气管包括内管150(例如，内管道)和外管160(例如，外管道)。内管150在外管160的内部(例如，完全在内部)。内管150容纳内管催化燃料汽化器和燃料重整器110。此外，注入器120作为燃料定量给料器，并且只向内管催化燃料汽化器和燃料重整器110所在的内管150中注入燃料。燃料定量给料器位于内管催化燃料汽化器和燃料重整器110的催化燃料汽化器的上游。也在图2中示出的是位于内管150中的基板155。在基板155上施加例如燃料汽化催化剂和/或燃料重整催化剂的涂层。

图3A-C示出了在外管160中的内管150的几个可能的位置和尺寸。可将注入器120配置成垂直于内管150和/或外管160表面。在另一个实施例中，将注入器120配置为相对于内管150和/或外管160呈大约90度以外的角度。例如，注入器120配置为相对于内管150和/或外管160呈约45度的角度。例如，约4-5英寸的管道可用作内管催化燃料汽化器和燃料重整器110的壳体。在一个实施例中，外管160或内管150直径可以是常见的卡车排气管直径。容纳内管催化燃料汽化器和燃料重整器110的内管的长度由燃料汽化器和重整器的催化剂尺寸决定，该催化剂是由特殊的NOx还原技术以产生足够量的H₂和汽化的HC所需。内管150的直径(例如，内管式直径)可根据其尺寸而变化，以满足特定应用场合(例如，燃料电池应用场合，LNC应用场合，稀燃NOx捕集(LNT)应用场合，废气再循环(EGR)应用场合以及其他的应用场合)所需的H₂和HC。

也是在图3A-C中所示，多孔板位置170位于外管160之内且在内管150之外。在多孔板位置170处设置的多孔板提供背压，从而例如在内管150和外管160之间获得固定的分支流速，其中内管中有燃料汽化和燃料重整催化剂，外管中有空隙体积中。

图6示出了一个实施例，其中内管150包括不带催化燃料汽化器的燃料重整器。内管催化燃料重整器可与催化燃料汽化器一起作用或不与催化燃料汽化器一起作用。例如，带或不带燃料汽化器的内管燃料重整器都可以生产氢气。

在某些实施例中，催化燃料汽化器用作汽化燃料的一种方式，从而允许缩小外形尺寸。

在某些实施例中，电加热燃料点火器位于催化燃料重整器的上游。电加热燃料点火器也可以在内管150内部或是其一部分，或者在内管150的上游。

如图4，示出了关于内管催化燃料汽化器和燃料重整器装置200的某些配置自由度。内管催化燃料汽化器和燃料重整器装置200包括，例如，催化燃料汽化器180和催化燃料重整器190(例如，燃料重整催化剂)。内管催化燃料汽化器和燃料重整器装置200容纳在外管160内部的内管150中。

在配置内管催化燃料汽化器和燃料重整器装置200时，有配置自由度，以将内管催化燃料汽化器和燃料重整器装置200设置在外管160(例如，导向LNC130的外管道)管壳内任何地方。此外，在配置内管催化燃料汽化器和燃料重整器装置200时，有配置自由度，以设定催化燃料汽化器180和催化燃料重整器190的尺寸。例如，可以设置催化燃料汽化器180和催化燃料重整器190的直径和长度以提供指定量的HC和H₂。

设计、实施和/或制作用于LNC应用场合的内管催化燃料汽化器和燃料重整器装置200的实施例的步骤包括，例如以下操作中的一个或多个：(1)确定用于特定的发动机应用场合的LNC130所需的或特定的NOx还原量；(2)确定和设计(例如，配置)催化燃料汽化器180和催化燃料重整器190以产生足够的氢气，并有足够的汽化HC，以转化定量的NOx(例如，定量的NOx还原)；(3)设计(例如，配置)内管设备以容纳催化燃料汽化器180和催化燃料重整器190；以及(4)利用贫/富调制操作来产生H₂和汽化HC。

如图5示出了用语内管催化燃料汽化器和燃料重整器装置200的燃料区。注入器120仅向催化燃料汽化器180和/或燃料重整器催化剂190所在的内管150注入燃料(例如，柴油燃料)。注入器120可以许多不同的配置方式定位，以向内管催化燃料汽化器和燃料重整器装置200输送燃料。虽然图示为与内管150的轴向对准，注入器120也可以垂直于内管150的轴线，或者与内管150的轴线成角度设置。

如图7A和7B示出了内管催化燃料汽化器和燃料重整器系统的一个实施例。内管催化燃料汽化器和燃料重整器系统包括，例如排气管210和位于排气管210内的内管220。内管系统230包括，例如内管220、孔板240和两个测压孔250，260。孔板240和两个测压孔250，260可以配置为测量通过内管220的排气流速。燃料注入器270安装在排气管210上，而其喷雾喷嘴在内管220中。内管220包含反应器部件：静态燃料混合器和催化燃料汽化器280、燃烧催化反应器290、重整催化反应器300、以及、在某些应用场合中的水-气变换催化反应器310。为了使柴油燃料重整器更耐柴油发动机废气流中的烟尘，串联布置第一和第二催化剂支承件320，330。第一支承件320更接近入口并具有单体结构，该单体结构在流动方向上是均匀的。所述第二支支承件330有改动的单体式结构，该单体结构在流动方向上是不均匀的。在某些实施例中，第一支承件320具有直通道；并且第二支支承件330在它的长度上具有周期性间隔的内部导流边缘以破碎流体。此外，第一和第二支承件320，330的结构可方便地按指定的改动以为了安全操作，并输送预定量的氢气和烃。第一支承件320具有催化剂涂层，其中包括至少一种氧化催化剂。第二支承件330具有包括至少一种蒸汽重整催化剂的催化剂涂层。内管中包含的用于某些应用场合的附加部件可能包括：例如位于催化燃料重整器下游的水注入器340，为重整添加蒸汽，以取代水-气变换平衡；以及热传输翅片350和360，用以向主排气管的废气散热。阀370(例如，蝶阀)允许控制内管与主排气管之间的分流比。在一个实施例中，阀370设置在外管中而外管中不存在多孔板。

图8A和图8B示出了内管催化燃料汽化器和重整器的一个实施例的图片及布局图，其中包括：例如，牺牲孔(sacrificial orifice)380、静压测点390和400、燃料汽化器410、燃烧催化剂420、重整催化剂430和样品管线440。

图9示出了内管催化燃料汽化器和重整器在LNC配置中布局的一个实施例。如图9所示，内管重整器位于LNC130上游，而LNC130则位于柴油微粒过滤器(DPF)450的上游。

图10是不同进料安排下不同位置的内管系统温度图。该图标出为内管孔口入口气体温度、内管燃烧表面温度、内管重整表面温度和内管的排气温度与时间的函数。

在图10中示出了在不同进料安排下，沿组件100从入口端220至出口端不同位置测得的温度。曲线380的位置是在燃烧催化剂元件320内。曲线390的位置是在重整催化剂元件330内。曲线400的位置是在重整催化剂元件330下游的内管220内。节流孔入口气体温度曲线410的位置是在催化汽化器元件280上游的内管220内。如图10所示，在不同的进料安排下，沿组件100的不同位置处，组件100能够保持稳定的温度。

图11是在注入柴油燃料流速相同时不同进料安排下内管出口的气体组分数据图。该图以进料周期的函数标出了内管出口气体的组分：氢气、一氧化碳和烃类(Cl为基准)。

图11中，在恒定的燃料流速下，在重整催化剂元件330下游的内管220内测得的氢气、一氧化碳和烃类的浓度与进料安排关联。由图11所示，组件100能够产生重整产品(例如，氢气和一氧化碳)并且通过改变进料安排来改变重整产品的烃类比率。

某些实施例提供了控制系统(例如，电子控制系统)引起燃料注入器120在贫与富之间调制，为LNC130提供足够数量的HC和H₂。在某些实施例中，这样的策略是基于以下一个或多个已知的因素，例如包括：排气流速、氧浓度、以及HC和H₂的LNC选择性。用于催化燃料汽化器180和催化燃料重整器190的排气流速可直接从发动机的进气和发动机燃料供给中获得，因为分流比应该在进入到催化剂、或通过多孔板的流速之间固定。

某些实施例提供了从传统组件拆下附加的部件，例如：在使用了内管催化燃料汽化器和重整器系统的情况下拆下电加热汽化器和/或用于燃料重整器190的旁通阀。

某些实施例提供了内管催化燃料汽化器和燃料重整器组合用于稀燃NOx催化剂的连续运行。

某些实施例提供了一种具有低起燃温度的燃料重整器190，并且除了烃类以外还为LNC130提供氢气以还原NOx。氢气可以帮助LNC130在较低的排气温度下转化更多的NOx。

某些实施例提供了一种低起燃的燃料重整器190，其可提供额外的热量用于提高LNC的砖体温度，它可以提高NOx转化率。

某些实施例提供了一种催化燃料汽化器180，可用于汽化LNC130所使用的燃料，以还原NOx，并可以缩小燃料重整催化剂190的混合长度。

某些实施例提供了：将催化燃料汽化器和燃料重整器110设置为只将少量的燃料转化成氢气，并且只燃烧足够的燃料以产生热量(例如，足够的或必须的热量)，以汽化LNC130所使用的燃料。

某些实施例不需要使用尿素和/或柴油机排出流体(DEF)。

某些实施例减少了LNC催化剂的结焦问题。不是使用电加热汽化器在较低温度下汽化烃，例如，约300℃以下，或其它特定的温度，该温度下结焦是一个问题。催化燃料汽化器和燃料重整器110可允许较大的LNC操作窗口并减少结焦问题。

某些实施例满足美国和外国当局(如欧洲，日本等)的政府排放法规。

某些实施例可用于柴油发动机、混合动力电动发动机、嵌入式混合动力电动发动机或其它类型的发动机结合。

某些实施例中考虑将内管催化燃料汽化器和燃料重整器设置用于LNC130以外的应用程序。

例如，某些实施例中使用内管催化燃料汽化器和燃料重整器与稀燃NOx捕集器(LNT)配套。内管催化燃料汽化器和燃料重整联接到LNT上游。例如，图2中的LNC可由LNT替换。LNT在稀薄环境下操作以捕获NOx。例如，LNT从部分的稀燃汽油发动机和柴油发动机中捕获NOx。内管催化燃料汽化器和燃料重整器可以通过向LNT提供一氧化碳和氢气来再生LNT。再生的LNT可以随后存储NOx。滑过催化燃料汽化器和燃料重整器的HC也可用作还原剂再生LNT。内管催化燃料汽化器和燃料重整器可以连续操作以再生LNT。LNT可以在循环模式(例如，NOx存储/还原剂再生LNT)或在连续模式使用。在连续操作模式中，在稀燃条件下以连续的短周期注入预定浓度的HC。

设计、实施和/或制作与LNT一起使用的内管催化燃料汽化器和燃料重整器的实施例的某些步骤包括，例如：确定用于特定的发动机应用场合的LNT所需的NOx还原量，同时，例如使LNT体积最小，以减小贵金属负载；确定并设计(例如，配置)燃料汽化器催化剂和燃料重整器催化剂，其可以产生一定量HC和重整产品(例如，H₂和CO)以在LNT上转化NOx；设计(例如，配置)内管设备以适配小型燃料汽化器和燃料重整器催化剂；以及利用贫/富调制来连续操作以产生HC和重整产品(例如，H₂和CO)。控制系统会引发燃料注入器在贫和富之间连续调制，从而为LNT提供足够量的烃类和氢气，并且控制催化组分的温度。可以使用排气的流速和氧气浓度来进行实施。排气流速可直接从发动机的进气和发动机燃料供应中获得，因为流入燃料汽化器和重整器催化剂以及流入外管之间的分流比是已知的。

某些用于LNT的实施例提供了具有低起燃温度的重整器。由于相对于内嵌重整器，该重整器的尺寸小，从成本的角度来看，催化剂上用于降低起燃温度的更多贵金属负载是可以接受的。某些实施例给出了重整器可以为LNT砖提供热量并增加LNT砖的活性。某些实施例给出，催化燃料汽化器允许在燃料重整器上游设置紧凑的气体混合区，并简化后处理系统的外形。此外，该系统不需要使用尿素或DEF。某些实施例中，如果催化燃料汽化器和燃料重整器连续操作，可以显着地降低LNT体积，它可以降低LNT上负载的贵金属成本。此外，可以有效地控制LNT NOx还原，同时管理燃料损耗。

某些实施例中使用内管催化燃料汽化器和燃料重整器与排气再循环(EGR)设置在一起。向内燃室内部引入氢气减少了不完全燃烧产物(例如，排气中未燃烧的HC和CO)、颗粒物和NOx。内管催化燃料汽化器和燃料重整器可置于柴油内燃机组件的EGR支路上，例如为燃烧室提供氢气。内管催化燃料汽化器和燃料重整器足够小，例如，以适配于柴油发动机的EGR循环回路中。可以在催化燃料汽化器上游设置一个可选的燃料定量给料器，并只向催化燃料汽化器和燃料重整所在的内管注入燃料。燃料也可以来自发动机的后期周期注入，以产生氢气。

设计、实施和/或制作与EGR一起使用的内管催化燃料汽化器和燃料重整器的某些实施例的某些步骤包括例如：确定要引入到燃烧室以达到目标废气排放水平的所需氢气量；确定并配置燃料汽化催化剂和燃料重整器催化剂，以产生所需量的氢气；设计(例如，配置)内管设备以适配小型燃料汽化器和燃料重整器催化剂；以及不连续地操作EGR燃料注入，以产生所需的氢气水平。可以使用EGR支路的排气流速和氧气浓度来进行实施。

某些与EGR系统一起使用的实施例可以降低不完全燃烧产物。某些实施例提供小型和紧凑外形，可以容纳在EGR管内。此外，该系统不需使用尿素或DEF。

某些实施例使用内管催化燃料汽化器和燃料重整器，用于强化被动的DPF再生。被动的DPF技术的目的之一是从发动机的排气中除去颗粒物质。被动的DPF再生技术使用柴油氧化催化剂(DOC)，以促进将NO氧化成NO₂，可以有效地使用它，以方便DPF的再生。由于DOC上NO向NO₂的氧化在较高的催化剂温度下有利，内管催化燃料汽化器和燃料重整器可以用来为DOC将排气温度提升到最佳的温度，以促进的NO到NO₂氧化。内管催化燃料汽化器和燃料重整可联接到DOC的上游，而DOC则联接于DPF的上游。例如，可以使用内管催化燃料汽化器和燃料重整器作为柴油燃料的燃烧器，为DOC产生热量，并且提高DOC操作效率，以促进NO到NO₂的转换。燃料定量给料器可以位于催化燃料汽化器的上游，并可以只向催化燃料汽化器和燃料重整器所在的内管注入燃料。注入的燃料可以为DOC提高排气温度以有效地运作。

设计、实施和/或制作与增强的被动式DPF再生一起使用的内管催化燃料汽化器和燃料重整器的一个实施例的某些步骤包括例如：根据发动机排量所给定的预期流速来确定所需热量，以将排气温度提高到有利于DOC的温度，其中排气温度只需为某些低流量和温度条件而增加；确定并配置的催化燃料汽化器和燃料重整器，其产生所需的热量，并在低温下熄灭；设计一个内管设备以适配小的燃料汽化器和燃料重整催化剂；以及操作管内燃料注入，以提高排气温度。

某些与增强被动的DPF再生一起使用的实施例可以减少来自发动机的不完全燃烧产物。某些实施例提供可以安装在DPF管内的小型且紧凑的外形。

某些实施例将内管催化燃料汽化器和燃料重整器与燃料电池结合使用。例如，内管催化燃料汽化器和燃料重整器产生氢气。然后通过同轴的氢分离膜将氢气从排气主流中分离并送入燃料电池，以用于发电。例如，市售的同轴的氢分离膜可以位于内管催化燃料汽化器和燃料重整器的内管出口处。发动机和燃料电池的组合操作通过将发动机排气中包含的一些能量转换成有用的电能来增加了特定电源的整体效率。

Claims (15)

1.一种组件，包括：

外管；和

完全设置在外管内的内管，

其中，排气流在内管和外管之间分流，并且，

其中，内管容纳催化燃料重整器。

2.如权利要求1的组件，其中，内管容纳催化燃料汽化器和催化燃料重整器，并且，外管与以下中的一个或多个相联：稀燃NOx催化剂(LNC)和稀燃NOx捕集器(LNT)。

3.如权利要求1的组件，其中，内管容纳催化燃料汽化器和催化燃料重整器。

4.如权利要求1的组件，其中，内管容纳催化燃料汽化器、催化燃料重整器、水注入器、热交换器和水-气变换催化剂。

5.如权利要求3的组件，其中，催化燃料重整器包括第一催化剂支承件和第二催化剂支承件，其中，所述第一催化剂支承件具有单体结构，该单体结构在流动方向上是均匀的，以及其中，第二催化剂支承件具有改动的单体结构，该改动的单体结构在流动方向上是非均匀的。

6.如权利要求1的组件，其中，燃料注入到内管中，并且其中，燃料包括下列中的一种或多种：烃类和含氧化合物。

7.如权利要求6的组件，其中，烃类包括下列中的一种或多种：汽油，甲烷和柴油。

8.根据权利要求6的组件，其中，所述含氧化合物包括下列中的一种或多种：乙醇和甲醇。

9.如权利要求1的组件，包括位于催化剂燃料重整器上游的燃料点火器，其中，该组件不包括电加热的燃料汽化器。

10.如权利要求1的组件，包括：

联接于内管的注入器，其中，注入器将燃料注入到内管中，以及其中，在贫/富之间调制注入器，为LNC提供足够量的烃类和氢气。

11.如权利要求1的组件，其中，催化燃料汽化器和催化燃料重整器汽化烃类并产生氢气和一氧化碳，用于转换NOx，以及其中，该组件是后处理系统。

12.如权利要求1的组件，其中，包括位于内管外以及外管内的多孔板或蝶阀。

13.一种提供与稀燃NOx催化剂(LNC)一起使用的内管催化燃料汽化器和燃料重整器的方法，包括：

提供完全置于外管内的内管，外管与LNC相联；

在内管中设置催化燃料汽化器和燃料重整器；以及

通过设置在内管中的催化燃料汽化器和燃料重整器汽化烃类并生产氢气。

14.一种在发动机的排气再循环(EGR)系统内使用的组件，包括：

联接到发动机的外管；和

完全置于外管内的内管，

其中，排气流在内管和外管之间分流，以及

其中，内管容纳催化燃料汽化器和燃料重整器。

15.一种与燃料电池一起使用的组件，包括：

外管；和

完全置于外管内的内管，

其中，排气流在内管和外管之间分流，以及

其中，内管容纳催化燃料汽化器、燃料重整器和氢分离膜。