CN109678110A - 甲醇乙醇重整改质制备富氢混合燃料的方法与系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种甲醇乙醇重整改质制备富氢混合燃料的方法，该方法同时采用甲醇和乙醇作为原料，并且将其中的甲醇进行重整，产生富氢混合气，再将含有氢气的混合燃料提供给发动机。针对该方法，本发明设计了两套制备富氢混合燃料的系统，两套系统均包括甲醇储存装置、乙醇储存装置、催化重整装置、缓冲罐、供给泵和流量控制器，其中一套系统中甲醇储存装置、乙醇储存装置同时与催化重整装置相连，另一套系统中则只有甲醇储存装置与催化重整装置相连，乙醇储存装置则与缓冲罐相连。本发明所提供的方法和系统结合了甲醇、乙醇单独重整制富氢混合气的优势，克服了甲醇能量密度低、乙醇重整容易析碳的技术难题。

Description

甲醇乙醇重整改质制备富氢混合燃料的方法与系统
技术领域
本发明涉及一种发动机燃料供给系统，特别是指一种甲醇乙醇重整改质制备富氢混合燃料的方法与系统。
背景技术
近年来，环境和能源问题越来越突出，国家第六阶段机动车污染物排放标准的推出，成为推动内燃机发展的主要动力，节能减排成为发动机发展的主要方向。我国贫油和对外石油依存度高的现状，使得在发动机排放和燃料制备及成本上有优势的代用燃料，成为新的发展趋势。
在醇类燃料中，甲醇和乙醇燃料制备简单，原料来源广泛，价格便宜，是优质的代用燃料。潍柴、玉柴、AVL等柴油机厂商都在进行甲醇、乙醇内燃机方面的研究，这些研究对甲醇、乙醇在发动机上的应用进行了有益的探讨，但存在以下两方面的不足：1)对甲醇和乙醇的浓度要求高，相对于燃油成本优势低；2)因甲醇和乙醇自身特性，直接燃烧时火焰传播速度慢。如果将醇类燃料重整为富氢混合气，则可降低浓度要求，提高燃烧速度。
CN201310668754.X公开了一种利用汽车尾气余热进行甲醇重整制氢的装置，其利用汽车排气管排放的尾气余热，进行甲醇水蒸汽重整制氢反应，再将制出的氢气输入汽车内燃机与汽油燃料混合燃烧，可有效减少汽车尾气余热的能量浪费，提高汽油燃料的燃烧率，减少汽车的污染物排放，并节约石油化石燃料。
CN201610026448.X公开了一种乙醇水系统车载重整制氢方法，是将重量含量55～80％的乙醇水溶液加入2～5％的生物活性催化剂，混合均匀以后加到安装了醇解富氢发动机的车载装置，在进入发动机汽缸前裂解催化成富氢气体，在发动机负压状态下进入气缸燃烧，代替汽油作为汽车燃料提供动力。
上述方案将甲醇和乙醇中的一种重整为富氢混合气后供发动机燃烧，并由发动机的排气余热提供重整所需的热量。其优势主要有：1)可以直接应用于现有发动机，不需要很大的改动；2)对甲醇、乙醇的浓度要求不高，可以含水；3)重整生成的富氢混合气是良好的发动机燃料，氢的燃烧特性有助于发动机的燃烧；4)NOX和CO2排放在全转速范围内下降明显。
但上述方案同时也面临两个问题：1)单独采用甲醇作为燃料重整时，由于甲醇能量密度较低，发动机的动力性明显下降，经济性有所降低；2)单独采用乙醇作为燃料重整时，会在催化重整装置中产生析碳问题，影响催化重整装置性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种甲醇乙醇重整改质制备富氢混合燃料的方法与系统，以降低重整析碳，提高能量密度。
为实现上述目的，本发明所提供的用于为发动机提供含氢燃料的甲醇乙醇重整改质制备富氢混合燃料的方法，它同时采用甲醇和乙醇作为原料，并且至少将其中的甲醇进行重整制氢产生富氢混合气，混合得到含有氢气的甲醇乙醇富氢混合燃料，再将甲醇乙醇富氢混合燃料提供给发动机。重整制氢所需热量优选由发动机尾气余热提供。
本发明进一步根据甲醇、乙醇重整及混合时机将该方法扩展为两种方案。
方案一是将甲醇和乙醇按比例混合后进行重整，制得甲醇、乙醇的富氢混合气，即为甲醇乙醇富氢混合燃料。该方案通过控制甲醇乙醇进入催化重整装置的比例，降低产生析碳的可能，同时保证能量密度不降低太多，其结构简单，便于控制，但随着发动机工况波动，还是有产生析碳的可能。
按方案一，甲醇和乙醇的比例优选为(35％～45％)：(55％～65％)。实验证明，在发动机2000转，排温500℃的条件下，乙醇比例高于67％就会开始析碳，上述比例能够在保证较高的能量密度的同时，最大限度降低产生析碳的可能。
按方案一，所述甲醇乙醇富氢混合燃料优选在缓冲罐内缓冲后再送入发动机。采用缓冲罐缓冲可防止发动机工况突然改变，导致燃料供应不足。
方案二则是将甲醇单独进行重整得到富氢混合气后，与未经重整的乙醇混合后，得到甲醇乙醇富氢混合燃料。该方案对乙醇不进行重整，故可避免由乙醇重整产生的析碳问题。同时相比单独采用甲醇重整，能量密度更高；相比直接燃烧乙醇，含富氢气体的甲醇乙醇富氢混合燃料燃烧更完全，对发动机的性能和排放都有正向作用。
按方案二，甲醇和乙醇的比例优选为(10％～15％)：(85％～90％)。该比例所得甲醇乙醇富氢混合燃料的能量密度高，能够很好的满足汽车发动机的动力性需求。
按方案二，甲醇重整所得富氢混合气优选在缓冲罐内缓冲并与喷入缓冲罐内的乙醇混合，得到甲醇乙醇富氢混合燃料。该方案中，缓冲罐缓除了防止发动机工况突然改变导致燃料供应不足的作用外，还可保证乙醇在较高温度的富氢混合气作用下蒸发为乙醇蒸汽，并与富氢混合气充分混合。
按方案二，乙醇优选采用高压喷嘴喷入缓冲罐中，乙醇在通过高压喷嘴时会形成良好的雾化，在缓冲罐中蒸发为乙醇蒸气，与富氢混合气混合，之后送入发动机。
针对方案一，本发明进一步提供了一种甲醇乙醇重整改质制备富氢混合燃料的系统，包括甲醇储存装置、乙醇储存装置、催化重整装置和缓冲罐；所述催化重整装置为换热器式结构，其包括可以进行换热的冷侧通道与热侧通道；所述冷侧通道内设置有重整制氢催化剂，重整制氢催化剂可以采用各类市售的醇类重整催化剂，如CuZnAlO类铜系催化剂或CuZn(Zr，Ce)AlO类铜系催化剂(后者效果更好)，负载的方式可以是填料或涂覆在通道上；所述冷侧通道的一端设置有醇入口，另一端设置有富氢混合气出口；所述热侧通道的一端设置有加热介质入口，另一端设置有加热介质出口；所述甲醇储存装置、乙醇储存装置分别通过甲醇供液管、乙醇供液管与催化重整装置的醇入口相连，所述甲醇供液管、乙醇供液管上均设置有供给泵和流量控制器，流量控制器优选采用质量流量计与控制阀的组合式结构；所述富氢混合气出口与缓冲罐的入口相连，所述缓冲罐的出口与发动机的燃料进口相连；所述加热介质入口与发动机的高温尾气出口相连，所述加热介质出口与尾气处理系统相连；所述流量控制器的通信信号端口连接至发动机的ECU，向ECU输入流量信息并受ECU控制对流量进行调整。
针对方案一，本发明进一步提供了另一种甲醇乙醇重整改质制备富氢混合燃料的系统，包括甲醇储存装置、乙醇储存装置、催化重整装置和缓冲罐；所述催化重整装置为换热器式结构，其包括可以进行换热的冷侧通道与热侧通道；所述冷侧通道内设置有重整制氢催化剂，重整制氢催化剂可以采用各类市面上出售的醇类重整催化剂，如CuZnAlO类铜系催化剂或CuZn(Zr，Ce)AlO类铜系催化剂(后者效果更好)，负载的方式可以是填料或涂覆在冷侧通道上；所述冷侧通道的一端设置有醇入口，另一端设置有富氢混合气出口；所述热侧通道的一端设置有加热介质入口，另一端设置有加热介质出口；所述缓冲罐上设置有高压喷嘴；所述甲醇储存装置通过甲醇供液管与催化重整装置的醇入口相连；所述乙醇储存装置通过乙醇供液管与高压喷嘴的入口相连；所述甲醇供液管、乙醇供液管上均设置有供给泵和流量控制器，流量控制器优选采用质量流量计与控制阀的组合式结构；所述富氢混合气出口与缓冲罐的入口相连，所述缓冲罐的出口与发动机的燃料进口相连；所述加热介质入口与发动机的高温尾气出口相连，所述加热介质出口与尾气处理系统相连；所述流量控制器的通信信号端口连接至发动机的ECU，向ECU提供流量信息并受ECU控制对流量进行调整。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：1)所提供的方法和系统结合了甲醇、乙醇单独重整制氢的优势，克服了甲醇能量密度低、乙醇重整容易析碳的技术难题；2)重整生成的富氢混合气是良好的发动机燃料，氢的燃烧特性有助于发动机的燃烧，NOX和CO2排放在全转速范围内下降明显；3)对甲醇、乙醇的浓度要求不高，可以含水；4)本发明可以直接应用于现有汽车、船舶等发动机，不需要很大的改动，成本低，具有很好的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1所设计的甲醇乙醇重整改质制备富氢混合燃料的系统的结构示意图。
图2为本发明实施例2所设计的甲醇乙醇重整改质制备富氢混合燃料的系统的结构示意图。
其中：甲醇储存装置1、甲醇供液管1.1、乙醇储存装置2、乙醇供液管2.1、催化重整装置3、醇入口3.1、富氢混合气出口3.2、加热介质入口3.3、加热介质出口3.4、缓冲罐4、高压喷嘴4.1、供给泵5、流量控制器6、发动机7、尾气处理系统8、ECU 9
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
如图1所示，本实施例所提供的甲醇乙醇重整改质制备富氢混合燃料的系统，包括甲醇储存装置1、乙醇储存装置2、催化重整装置3和缓冲罐4。
催化重整装置3为管式换热器式结构，其包括可以进行换热的冷侧通道与热侧通道。冷侧通道内设置有重整制氢催化剂，重整制氢催化剂采用CuZn(Zr，Ce)AlO类铜系催化剂，负载在填料上，冷侧通道的一端设置有醇入口3.1，另一端设置有富氢混合气出口3.2。热侧通道的一端设置有加热介质入口3.3，另一端设置有加热介质出口3.4。
甲醇储存装置1、乙醇储存装置2分别通过甲醇供液管1.1、乙醇供液管2.1与催化重整装置3的醇入口3.1相连，甲醇供液管1.1、乙醇供液管2.1上均设置有供给泵5和流量控制器6，流量控制器6采用质量流量计与控制阀的组合式结构。供给泵5和流量控制器6也可采用计量泵，其与本发明没有本质区别，应视为本发明的等同方案。
富氢混合气出口3.2与缓冲罐4的入口相连，缓冲罐4的出口与发动机7的燃料进口相连。加热介质入口3.3与发动机7的高温尾气出口相连，加热介质出口3.4与尾气处理系统8相连。
流量控制器6的通信信号端口连接至发动机7的ECU 9，向ECU 9输入流量信息并受ECU 9控制对流量进行调整。
本实施例同时提供了采用该重整制氢系统为发动机提供燃料的方法，该方法将甲醇和乙醇按35％：65％的比例混合后送入催化重整装置3中进行重整，重整制氢所需热量由发动机7尾气余热提供，重整制得的富氢混合气，即为改质后的甲醇乙醇富氢混合燃料，再将甲醇乙醇富氢混合燃料经缓冲罐4内缓冲后提供给发动机7作为燃料。
实施例2
如图2所示，本实施例所提供的甲醇乙醇重整改质制备富氢混合燃料的系统，包括甲醇储存装置1、乙醇储存装置2、催化重整装置3和缓冲罐4。
催化重整装置3为管式换热器式结构，其包括可以进行换热的冷侧通道与热侧通道。冷侧通道内设置有重整制氢催化剂，本实施例采用CuZnAlO类铜系催化剂，负载在冷侧通道避免上。冷侧通道的一端设置有醇入口3.1，另一端设置有富氢混合气出口3.2。热侧通道的一端设置有加热介质入口3.3，另一端设置有加热介质出口3.4。
缓冲罐4上设置有高压喷嘴4.1。
甲醇储存装置1通过甲醇供液管1.1与催化重整装置3的醇入口3.1相连。乙醇储存装置2通过乙醇供液管2.1与高压喷嘴4.1的入口相连。
甲醇供液管1.1、乙醇供液管2.1上均设置有供给泵5和流量控制器6。流量控制器6由一个质量流量计与一个控制阀构成，二者形成连锁控制。供给泵5和流量控制器6也可采用计量泵，其与本发明没有本质区别，应视为本发明的等同方案。
富氢混合气出口3.2与缓冲罐4的入口相连，缓冲罐4的出口与发动机7的燃料进口相连。加热介质入口3.3与发动机7的高温尾气出口相连，加热介质出口3.4与尾气处理系统8相连。
流量控制器6的通信信号端口连接至发动机7的ECU 9，向ECU 9提供流量信息并受ECU 9控制对流量进行调整。
本实施例同时提供了采用该重整制氢系统为发动机提供燃料的方法，该方法将甲醇单独送入催化重整装置3进行重整得到富氢混合气，重整制氢所需热量由发动机7的尾气余热提供。再将甲醇重整得到的富氢混合气送入缓冲罐4，在缓冲罐4内与经高压喷嘴4.1喷入的乙醇混合，甲醇和乙醇的为比例为15％：85％。乙醇在通过高压喷嘴时会形成良好的雾化，在缓冲罐中蒸发为乙醇蒸气，与富氢混合气混合得到改质后的甲醇乙醇富氢混合燃料，再将甲醇乙醇富氢混合燃料提供给发动机7。

Claims (10)

1.一种甲醇乙醇重整改质制备富氢混合燃料的方法，用于为发动机(7)提供含氢燃料，其特征在于：该方法同时采用甲醇和乙醇作为原料，并且至少将其中的甲醇进行重整产生富氢混合气，混合得到含有氢气的甲醇乙醇富氢混合燃料，再将甲醇乙醇富氢混合燃料提供给发动机(7)。
2.根据权利要求1所述的甲醇乙醇重整改质制备富氢混合燃料的方法，其特征在于：该方法将甲醇和乙醇按比例混合后进行重整，制得甲醇、乙醇的富氢混合气，即为甲醇乙醇富氢混合燃料。
3.根据权利要求2所述的甲醇乙醇重整改质制备富氢混合燃料的方法，其特征在于：甲醇和乙醇的比例为(35％～45％)：(55％～65％)。
4.根据权利要求2所述的甲醇乙醇重整改质制备富氢混合燃料的方法，其特征在于：所述甲醇乙醇富氢混合燃料在缓冲罐(4)内缓冲后再送入发动机(7)。
5.根据权利要求1所述的甲醇乙醇重整改质制备富氢混合燃料的方法，其特征在于：该方法将甲醇单独进行重整得到富氢混合气后，与未经重整的乙醇混合后，得到甲醇乙醇富氢混合燃料。
6.根据权利要求5所述的甲醇乙醇重整改质制备富氢混合燃料的方法，其特征在于：甲醇和乙醇的比例为(10％～15％)：(85％～90％)。
7.根据权利要求5所述的甲醇乙醇重整改质制备富氢混合燃料的方法，其特征在于：甲醇重整所得富氢混合气在缓冲罐(4)内缓冲并与喷入缓冲罐(4)的乙醇混合，得到甲醇乙醇富氢混合燃料。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的甲醇乙醇重整改质制备富氢混合燃料的方法，其特征在于：重整制氢所需热量由发动机(7)尾气余热提供。
9.一种甲醇乙醇重整改质制备富氢混合燃料的系统，其特征在于：包括甲醇储存装置(1)、乙醇储存装置(2)、催化重整装置(3)和缓冲罐(4)；
所述催化重整装置(3)为换热器式结构，其包括可以进行换热的冷侧通道与热侧通道；所述冷侧通道内设置有重整制氢催化剂，所述冷侧通道的一端设置有醇入口(3.1)，另一端设置有富氢混合气出口(3.2)；所述热侧通道的一端设置有加热介质入口(3.3)，另一端设置有加热介质出口(3.4)；
所述甲醇储存装置(1)、乙醇储存装置(2)分别通过甲醇供液管(1.1)、乙醇供液管(2.1)与催化重整装置(3)的醇入口(3.1)相连，所述甲醇供液管(1.1)、乙醇供液管(2.1)上均设置有供给泵(5)和流量控制器(6)；
所述富氢混合气出口(3.2)与缓冲罐(4)的入口相连，所述缓冲罐(4)的出口与发动机(7)的燃料进口相连；所述加热介质入口(3.3)与发动机(7)的高温尾气出口相连，所述加热介质出口(3.4)与尾气处理系统(8)相连；
所述流量控制器(6)的通信信号端口连接至发动机(7)的ECU(9)，向ECU(9)输入流量信息并受ECU(9)控制对流量进行调整。
10.一种甲醇乙醇重整改质制备富氢混合燃料的系统，其特征在于：包括甲醇储存装置(1)、乙醇储存装置(2)、催化重整装置(3)和缓冲罐(4)；
所述催化重整装置(3)为换热器式结构，其包括可以进行换热的冷侧通道与热侧通道；所述冷侧通道内设置有重整制氢催化剂，所述冷侧通道的一端设置有醇入口(3.1)，另一端设置有富氢混合气出口(3.2)；所述热侧通道的一端设置有加热介质入口(3.3)，另一端设置有加热介质出口(3.4)；
所述缓冲罐(4)上设置有高压喷嘴(4.1)；
所述甲醇储存装置(1)通过甲醇供液管(1.1)与催化重整装置(3)的醇入口(3.1)相连；
所述乙醇储存装置(2)通过乙醇供液管(2.1)与高压喷嘴(4.1)的入口相连；
所述甲醇供液管(1.1)、乙醇供液管(2.1)上均设置有供给泵(5)和流量控制器(6)；
所述富氢混合气出口(3.2)与缓冲罐(4)的入口相连，所述缓冲罐(4)的出口与发动机(7)的燃料进口相连；
所述加热介质入口(3.3)与发动机(7)的高温尾气出口相连，所述加热介质出口(3.4)与尾气处理系统(8)相连；
所述流量控制器(6)的通信信号端口连接至发动机(7)的ECU(9)，向ECU(9)提供流量信息并受ECU(9)控制对流量进行调整。
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