CN109264669B - 利用尾气制取富氢气体的机载甲醇重整系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种利用尾气制取富氢气体机载甲醇重整系统，富氢混合气阀通过管路连接重整燃气出口和富氢混合气喷射器，富氢混合气喷射器安装在航空发动机上，高温尾气阀通过管路连接尾喷管和废气进口，甲醇流量阀通过管路连接重整甲醇进口和甲醇箱，扫气用废气阀的出口通过管路与扫气用尾气进口连接，扫气用废气阀的进口与废气进口和尾喷管之间管路上的任意一点连通，甲醇喷射器安装在航空发动机上，并通过管路与甲醇箱连接，重整甲醇出口通过管道与甲醇箱连通，废气出口与尾喷管连通，ECU分别与富氢混合气阀、扫气用废气阀、甲醇流量阀、高温尾气阀电连接，本发明实现了机载甲醇在线重整，改善航空发动机的燃烧及排放性能的目的。

Description

利用尾气制取富氢气体的机载甲醇重整系统及控制方法

技术领域

本发明属于航空发动机尾气余热利用技术领域，具体涉及利用尾气制取富氢气体的机载甲醇重整系统及控制方法。

背景技术

与汽油、柴油、天然气等传统化石燃料相比，氢气燃烧清洁，无颗粒、碳氢、一氧化碳等排放；若采用稀薄燃烧技术，氢气燃烧可进一步实现零排放。因此，氢气具有取代传统化石燃料、成为发动机主要燃料的巨大潜力。

然而，氢气在常温常压下为气态，运输及储存不易，使用时需采取加压的方法将其压缩为高压高密度的压缩氢气、并储存于高压容器中；同时，其分子量小、爆炸极限宽、燃烧速度快，在用作发动机燃料时容易发生回火。氢气的这些性质，决定了其作为发动机燃料使用时问题较多；尤其从安全性、可靠性及系统重量方面考虑，氢气无法直接用作航空发动机燃料。

研究表明，采用在线重整技术可使甲醇发生裂解反应，生成富含氢气的可燃气体，可有效改善航空发动机的点火及燃烧性能，并降低排放；而且，甲醇在常温常压条件下为液体，储存及运输十分方便。因此，可采用在线重整技术、将甲醇重整为富氢混合气作为辅助燃料供给航空发动机，使得甲醇及其重整燃料被用作航空动力燃料成为了可能。

然而，目前的在线重整技术其系统的尺寸及重量往往比较庞大。这直接导致现有技术不适用于航空发动机的在线重整。实际上，甲醇燃料十分适合航空发动机使用，而且通过在线重整得到的富氢可燃气体更能够提高航空发动机的点火及燃烧性能。但是，涉及到将甲醇在线重整用于航空发动机领域的技术还未见报道。

图1提供了一种利用汽车尾气余热进行甲醇重整制氢的装置(申请号：201310668754.X)。如图所示，将工作空间隔离为蒸发空间和裂解空间两部分。由于工作空间大，因此无法保证甲醇与催化剂、甲醇与废气充分接触，因此其工作效率和速度较为低下。而且，由图1可看出该方案尺寸较大，因此重量必定很大，所以该方案无法用在机载领域。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题,本发明提供利用尾气制取富氢气体的机载甲醇重整系统及控制方法，技术方案如下：

一种利用尾气制取富氢气体的机载甲醇重整系统，包括航空发动机、重整器、富氢混合气阀、扫气用废气阀、高温尾气阀、甲醇流量阀、甲醇喷射器、富氢混合气喷射器、甲醇箱和ECU(Electronic Control Unit、电子控制单元)，所述航空发动机包括发动机头部和尾喷管，所述重整器设有废气进口、废气出口、重整甲醇进口、重整甲醇出口、扫气用尾气进口和重整燃气出口，富氢混合气阀用于控制富氢混合气流量，其通过管路连接重整燃气出口和富氢混合气喷射器，富氢混合气喷射器安装在航空发动机上，用于将重整后生成的富氢混合气喷射到发动机头部的进气口，高温尾气阀用于控制高温尾气流量，其通过管路连接尾喷管和废气进口，甲醇流量阀用于控制液态甲醇的流量，其通过管路连接重整甲醇进口和甲醇箱，扫气用废气阀具体为单向阀，用于将重整器内存留的富氢混合气排出，扫气用废气阀的出口通过管路与扫气用尾气进口连接，扫气用废气阀的进口与废气进口和尾喷管之间管路上的任意一点连通，甲醇喷射器安装在航空发动机上，并通过管路与甲醇箱连接，用于向发动机头部的燃烧室喷射甲醇燃料，重整甲醇出口通过管道与甲醇箱连通，废气出口与尾喷管连通，甲醇箱用于存储甲醇，所述ECU分别与富氢混合气阀、扫气用废气阀、甲醇流量阀、高温尾气阀电连接，用于控制各阀门的开闭及开度。

所述重整器还包括重整器体、甲醇反应通道和重整产物通道，重整器体包括重整器外壳和废气通道，重整器外壳套设于废气通道外侧，废气通道的两端分别与废气出口和废气进口固定连接，甲醇反应通道为剖面为拱形的管状结构，其螺旋缠绕于废气通道的外表面，甲醇反应通道的拱顶采用选择性透过材料制成，甲醇反应通道的内壁设置有催化剂涂层，甲醇反应通道的拱顶与重整器外壳的内壁固定连接，甲醇反应通道的拱底与废气通道的外表面固定连接，重整器外壳内壁、废气通道外壁与甲醇反应通道外壁之间形成密封的重整产物通道，甲醇反应通道的一端与重整甲醇进口连通，甲醇反应通道的另一端与重整甲醇出口连通，重整产物通道的一端与扫气用尾气进口连通，重整产物通道的另一端与重整燃气出口连通，甲醇反应通道内的甲醇与废气通道内的高温废气流向相反。

所述重整器还包括热电偶，所述热电偶固定在废气进口扩张段上，且热电偶的偶丝延伸至废气通道内部，热电偶与ECU电连接。

所述废气进口包括废气进口法兰和废气进口扩张段，废气进口扩张段为一侧窄口另一侧宽口的筒体，其窄口一侧与废气进口法兰固定连接，其宽口一侧与废气通道固定连接；

所述废气出口包括废气出口法兰和废气出口收缩段，废气出口收缩段为一侧窄口另一侧宽口的筒体，其窄口一侧与废气出口法兰固定连接，其宽口一侧与废气通道固定连接。

所述废气进口扩张段还连通有燃气补气管。

一种利用尾气制取富氢气体的机载甲醇重整控制方法，采用前述的一种利用尾气制取富氢气体的机载甲醇重整系统，包括以下步骤：

步骤1、航空发动机正常工作时，甲醇箱为甲醇喷射器供应液态甲醇，驱动航空发动机工作，ECU根据其内部的传感器信号判断航空发动机所在工况，当判定需要使用富氢混合气辅助燃烧时，ECU控制高温尾气阀打开，航空发动机的高温尾气从航空发动机尾喷管经废气入口进入重整器中，重整器进行预热；

步骤2、ECU读取重整器内热电偶的温度信号，当重整器内温度达到工作要求时，在ECU控制下甲醇流量阀打开，液体甲醇经甲醇箱流入重整甲醇进口，甲醇在重整器内发生裂解反应，未裂解的甲醇经重整甲醇出口流出，回到甲醇箱；

步骤3、液态甲醇裂解产生的富氢混合气从重整燃气出口流出，经富氢混合气阀流入富氢混合气喷射器，由富氢混合气喷射器将富氢混合气喷射到发动头部的进气口，富氢混合气阀的开度由ECU控制；

步骤4、当重整器停止工作时，ECU控制扫气用废气阀打开，少量高温尾气经扫气用尾气进口进入重整器，将剩余的富氢混合气经重整燃气出口带出，并输入至富氢混合气喷射器，确保重整器的工作安全。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明采用富氢混合气阀通过管路连接重整燃气出口和富氢混合气喷射器，高温尾气阀通过管路连接废气进口和尾喷管，甲醇流量阀通过管路连接重整甲醇进口和甲醇箱，扫气用废气阀的出口通过管路与扫气用尾气进口连接，扫气用废气阀的进口与尾喷管连通，ECU分别与富氢混合气阀、高温尾气阀、甲醇流量阀和扫气用废气阀电连接，用于控制各阀门的开闭及开度；实现了利用航空发动机高温尾气的热量，实现机载甲醇在线重整并将甲醇燃料裂解为富氢可燃气体供应航空发动机，改善航空发动机的燃烧及排放性能的目的。

2、本发明通过剖面为拱形的甲醇反应通道螺旋缠绕于废气通道的外表面，可使甲醇反应通道内的液态甲醇与高温的废气通道充分接触，实现液态甲醇的快速蒸发，加快了甲醇裂解的反应速度，提高了工作效率。

3、甲醇反应通道内的甲醇与废气通道内的高温废气流向相反，可使甲醇与高温废气之间始终保持最大温差，进一步提高换热效率。

4、本发明甲醇反应通道的拱顶采用选择透过性材料制成，且甲醇反应通道螺旋缠绕于废气通道的外表面，液态甲醇与其裂解生成的富氢混合气组成的气液混合物在甲醇反应通道内流动时产生离心力，从而使富氢混合气迅速的从气液混合物中分离，穿过甲醇反应通道的拱顶到达重整产物通道中，提高了富氢混合气的分离效率，从而提高工作效率。

5、富氢混合气生成后在离心力的作用下与甲醇反应通道内的液态甲醇发生对流，提高了气液混合物的混合均匀程度，使得液态甲醇与催化剂的接触面积增大，同时使液态甲醇与高温的废气通道之间的热交换效率提高，加快了甲醇裂解的反应速度，从而生成更多的富氢混合气，提高工作效率。

6、本发明结构简单、合理，系统小巧，且既可单独使用重整器、也可与蒸发段配合使用，可满足不同设备及工况的需求。

附图说明

图1为现有技术的方案结构示意图；

图2为本发明机载甲醇重整系统的结构示意图；

图3为本发明机载甲醇重整控制方法的流程图；

图4为本发明重整器的结构示意图；

图5为本发明甲醇反应通道的剖面结构示意图；

图6为本发明重整器的工作过程示意图。

其中：航空发动机1；重整器2；废气进口21；废气进口法兰211；废气进口扩张段212；废气出口22；废气出口法兰221；废气出口收缩段222；重整甲醇进口23；重整甲醇出口24；扫气用尾气进口25；重整燃气出口26；富氢混合气阀3；高温尾气阀4；甲醇流量阀5；扫气用废气阀6；甲醇喷射器7；富氢混合气喷射器8；甲醇箱9；ECU 10；发动机头部11；尾喷管12；重整器体13；重整器外壳131；废气通道132；甲醇反应通道14；拱顶141；催化剂涂层142；拱底143；重整产物通道15；热电偶16；燃气补气管17。

具体实施方式

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

如图2至图6所示，本发明提供了一种利用尾气制取富氢气体的机载甲醇重整系统，包括航空发动机1、重整器2、富氢混合气阀3、扫气用废气阀6、高温尾气阀4、甲醇流量阀5、甲醇喷射器7、富氢混合气喷射器8、甲醇箱9和ECU 10，所述航空发动机1包括发动机头部11和尾喷管12，所述重整器2设有废气进口21、废气出口22、重整甲醇进口23、重整甲醇出口24、扫气用尾气进口25和重整燃气出口26，富氢混合气阀3用于控制富氢混合气流量，其通过管路连接重整燃气出口26和富氢混合气喷射器8，富氢混合气喷射器8安装在航空发动机1上，用于将重整后生成的富氢混合气喷射到发动机头部11的进气口，高温尾气阀4用于控制高温尾气流量，其通过管路连接尾喷管12和废气进口21，甲醇流量阀5用于控制液态甲醇的流量，其通过管路连接重整甲醇进口23和甲醇箱9，扫气用废气阀6具体为单向阀，用于将重整器2内存留的富氢混合气排出，扫气用废气阀6的出口通过管路与扫气用尾气进口25连接，扫气用废气阀6的进口与废气进口21和尾喷管12之间管路上的任意一点连通，甲醇喷射器7安装在航空发动机1上，并通过管路与甲醇箱9连接，用于向发动机头部11的燃烧室喷射甲醇燃料，重整甲醇出口24通过管道与甲醇箱9连通，用于将未裂解的液态甲醇送回至甲醇箱9中，继续利用，废气出口22与尾喷管12连通，用于将利用后的尾气返回至排气管，甲醇箱9用于存储甲醇，所述ECU 10分别与富氢混合气阀3、扫气用废气阀6、甲醇流量阀5、高温尾气阀4电连接，用于控制各阀门的开闭及开度。

富氢混合气喷射器8具体为燃气喷射器，其与甲醇喷射器7均为现有技术，在此便不再详述。

所述重整器2还包括重整器体13、甲醇反应通道14和重整产物通道15，重整器体13包括重整器外壳131和废气通道132，重整器外壳131套设于废气通道132外侧，重整器外壳131与废气通道132之间通过甲醇反应通道14固定，废气通道132的两端分别与废气出口22和废气进口21固定连接，甲醇反应通道14为剖面为拱形的管状结构，其螺旋缠绕于废气通道132的外表面，甲醇反应通道14的拱顶141采用选择性透过材料制成，选择性透过材料采用聚四氟乙烯膜等可分离富氢混合气与液态甲醇的材料，甲醇反应通道14的内壁设置有催化剂涂层142，催化剂采用CuZnAl等可催化甲醇裂解反应的催化剂，甲醇反应通道14的拱顶141与重整器外壳131的内壁固定连接，甲醇反应通道14的拱底143与废气通道132的外表面固定连接，重整器外壳131内壁、废气通道132外壁与甲醇反应通道14外壁之间形成密封的重整产物通道15，甲醇反应通道14的一端与重整甲醇进口23连通，甲醇反应通道14的另一端与重整甲醇出口24连通，重整产物通道15的一端与扫气用尾气进口25连通，重整产物通道15的另一端与重整燃气出口26连通，甲醇反应通道14内的甲醇与废气通道132内的高温废气流向相反，可使甲醇与高温废气之间始终保持最大温差，进一步提高换热效率。

所述重整器2还包括热电偶16，所述热电偶16固定在废气进口扩张段212上，且热电偶16的偶丝延伸至废气通道132内部。

所述废气进口21包括废气进口法兰211和废气进口扩张段212，废气进口扩张段212为一侧窄口另一侧宽口的筒体，其窄口一侧与废气进口法兰211固定连接，其宽口一侧与废气通道132固定连接；

所述废气出口22包括废气出口法兰221和废气出口收缩段222，废气出口收缩段222为一侧窄口另一侧宽口的筒体，其窄口一侧与废气出口法兰221固定连接，其宽口一侧与废气通道132固定连接。

所述废气进口扩张段212还连通有燃气补气管17，设置燃气补气管17的目的在于控制废气通道132内的温度，如果热电偶16判断重整器2工作温度低于工作温度时，则可通过燃气补气管17通入少量高温燃气用以提高废气通道132内的温度。

重整器2的工作原理如下：

如图6所示，首先，航空发动机1高温尾气经由废气进口法兰211进入废气通道132内；经热电偶16测得废气通道132内的温度达到工作温度时，甲醇箱9内的液态甲醇开始由重整甲醇进口23以一定速度通入甲醇反应通道14。

废气通道132内的高温尾气的热量经由废气通道132侧壁传递给甲醇反应通道14内的液态甲醇，液态甲醇迅速蒸发为气态；气液混合的甲醇继续向甲醇反应通道14的下游流动，由于甲醇反应通道14的内壁涂有催化剂，甲醇在高温及催化剂的作用下发生裂解反应，生成富氢混合气；同时，由于甲醇反应通道14的拱顶141由选择性透过性材料制成，所生成的富氢混合气在离心力及透过性材料的作用下，经由甲醇反应通道14的拱顶141进入重整产物通道15内，且在离心力的作用下，液态甲醇位于富氢混合气外侧，富氢混合气与液态甲醇在重力的作用下对流，富氢混合气向上运动，同时一部分液态甲醇下行接触高温表面，提高了液态甲醇的蒸发效率，从而提高了加快了甲醇裂解的反应速度。

一种利用尾气制取富氢气体的机载甲醇重整控制方法，采用前述的一种利用尾气制取富氢气体的机载甲醇重整系统，包括以下步骤：

步骤1、航空发动机1正常工作时，甲醇箱9为甲醇喷射器7供应液态甲醇，驱动航空发动机1工作，ECU 10根据其内部的传感器信号判断航空发动机1所在工况，当判定需要使用富氢混合气辅助燃烧时，ECU 10控制高温尾气阀4打开，航空发动机1的高温尾气从航空发动机1尾喷管12经废气入口进入重整器2中，重整器2进行预热；

步骤2、ECU 10读取重整器2内热电偶16的温度信号，当重整器2内温度达到工作要求时，在ECU 10控制下甲醇流量阀5打开，液体甲醇经甲醇箱9流入重整甲醇进口23，甲醇在重整器2内发生裂解反应，未裂解的甲醇经重整甲醇出口24流出，回到甲醇箱9；

步骤3、液态甲醇裂解产生的富氢混合气从重整燃气出口26流出，经富氢混合气阀3流入富氢混合气喷射器8，由富氢混合气喷射器8将富氢混合气喷射到发动头部的进气口，富氢混合气阀3的开度由ECU 10控制；

步骤4、当重整器2停止工作时，ECU 10控制扫气用废气阀6打开，少量高温尾气经扫气用尾气进口25进入重整器2，将剩余的富氢混合气经重整燃气出口26带出，并输入至富氢混合器喷射器8，确保重整器2的工作安全。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种利用尾气制取富氢气体的机载甲醇重整系统，其特征在于，包括航空发动机、重整器、富氢混合气阀、扫气用废气阀、高温尾气阀、甲醇流量阀、甲醇喷射器、富氢混合气喷射器、甲醇箱和ECU，所述航空发动机包括发动机头部和尾喷管，所述重整器设有废气进口、废气出口、重整甲醇进口、重整甲醇出口、扫气用尾气进口和重整燃气出口，富氢混合气阀用于控制富氢混合气流量，其通过管路连接重整燃气出口和富氢混合气喷射器，富氢混合气喷射器安装在航空发动机上，用于将重整后生成的富氢混合气喷射到发动机头部的进气口，高温尾气阀用于控制高温尾气流量，其通过管路连接尾喷管和废气进口，甲醇流量阀用于控制液态甲醇的流量，其通过管路连接重整甲醇进口和甲醇箱，扫气用废气阀具体为单向阀，用于将重整器内存留的富氢混合气排出，扫气用废气阀的出口通过管路与扫气用尾气进口连接，扫气用废气阀的进口与废气进口和尾喷管之间管路上的任意一点连通，甲醇喷射器安装在航空发动机上，并通过管路与甲醇箱连接，用于向发动机头部的燃烧室喷射甲醇燃料，重整甲醇出口通过管道与甲醇箱连通，废气出口与尾喷管连通，甲醇箱用于存储甲醇，所述ECU分别与富氢混合气阀、扫气用废气阀、甲醇流量阀、高温尾气阀电连接，用于控制各阀门的开闭及开度；

所述重整器还包括重整器体、甲醇反应通道和重整产物通道，重整器体包括重整器外壳和废气通道，重整器外壳套设于废气通道外侧，废气通道的两端分别与废气出口和废气进口固定连接，甲醇反应通道为剖面为拱形的管状结构，其螺旋缠绕于废气通道的外表面，甲醇反应通道的拱顶采用选择性透过材料制成，甲醇反应通道的内壁设置有催化剂涂层，甲醇反应通道的拱顶与重整器外壳的内壁固定连接，甲醇反应通道的拱底与废气通道的外表面固定连接，重整器外壳内壁、废气通道外壁与甲醇反应通道外壁之间形成密封的重整产物通道，甲醇反应通道的一端与重整甲醇进口连通，甲醇反应通道的另一端与重整甲醇出口连通，重整产物通道的一端与扫气用尾气进口连通，重整产物通道的另一端与重整燃气出口连通。

2.根据权利要求1所述的一种利用尾气制取富氢气体的机载甲醇重整系统，其特征在于，甲醇反应通道内的甲醇与废气通道内的高温废气流向相反。

3.根据权利要求2所述的一种利用尾气制取富氢气体的机载甲醇重整系统，其特征在于，所述重整器还包括热电偶，所述热电偶固定在废气进口扩张段上，且热电偶的偶丝延伸至废气通道内部。

4.根据权利要求3所述的一种利用尾气制取富氢气体的机载甲醇重整系统，其特征在于，所述废气进口包括废气进口法兰和废气进口扩张段，废气进口扩张段为一侧窄口另一侧宽口的筒体，其窄口一侧与废气进口法兰固定连接，其宽口一侧与废气通道固定连接；

所述废气出口包括废气出口法兰和废气出口收缩段，废气出口收缩段为一侧窄口另一侧宽口的筒体，其窄口一侧与废气出口法兰固定连接，其宽口一侧与废气通道固定连接。

5.根据权利要求4所述的一种利用尾气制取富氢气体的机载甲醇重整系统，其特征在于，所述废气进口扩张段还连通有燃气补气管。

6.一种利用尾气制取富氢气体的机载甲醇重整控制方法，采用如权利要求3所述的一种利用尾气制取富氢气体的机载甲醇重整系统，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、航空发动机正常工作时，甲醇箱为甲醇喷射器供应液态甲醇，驱动航空发动机工作，ECU根据其内部的传感器信号判断航空发动机所在工况，当判定需要使用富氢混合气辅助燃烧时，ECU控制高温尾气阀打开，航空发动机的高温尾气从航空发动机尾喷管经废气入口进入重整器中，重整器进行预热；

步骤2、ECU读取重整器内热电偶的温度信号，当重整器内温度达到工作要求时，在ECU控制下甲醇流量阀打开，液体甲醇经甲醇箱流入重整甲醇进口，甲醇在重整器内发生裂解反应，未裂解的甲醇经重整甲醇出口流出，回到甲醇箱；

步骤3、液态甲醇裂解产生的富氢混合气从重整燃气出口流出，经富氢混合气阀流入富氢混合气喷射器，由富氢混合气喷射器将富氢混合气喷射到发动头部的进气口，富氢混合气阀的开度由ECU控制；

步骤4、当重整器停止工作时，ECU控制扫气用废气阀打开，少量高温尾气经扫气用尾气进口进入重整器，将剩余的富氢混合气经重整燃气出口带出，并输入至富氢混合气喷射器，确保重整器的工作安全。

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