CN110836153B - 利用余热为hcng发动机动力系统供氢的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于掺氢天然气(HCNG)发动机应用领域，具体涉及一种利用余热为HCNG发动机动力系统高效精准供氢的方法及系统。本系统包括中高温固态金属氢化物储氢反应器、低温固态金属氢化物储氢反应器、燃料混合腔、火花塞点火式(SI)发动机。中高、低温固态金属氢化物储氢反应器通过回收利用HCNG发动机余热实现氢的高效释放。同时，双氢源可精准调控为天然气内燃机提供所需的掺混氢气，且能实现稳定供氢和掺氢燃烧。本系统利用HCNG发动机余热驱动固态双氢源系统实现高效精准稳定供氢，一方面提高了天然气发动机的综合热效率，另一方面可有效降低天然气发动机的污染排放量，达到天然气的清洁高效利用。
Description
技术领域
本发明设计一种利用余热为HCNG发动机动力系统供氢的方法及系统，尤其是中高、低温固态金属氢化物储氢反应器作为双氢源的供氢技术，属于发动机余热利用领域。
背景技术
与煤炭、石油相比，天然气由于具有更高的氢碳比，燃烧热值高，清洁环保，且价格便宜，被视为传统化石燃料中的清洁能源。然而，天然气在我国一次能源消费占比仅为6.4％，远低于世界平均水平23.7％。
稀燃天然气发动机经济性好且排放低，满足目前国IV法规要求，但进一步降低NOx排放和提高综合热效率难度很大。天然气的可燃范围窄(5～15％)，火焰传播速度慢(34cm/s)，燃烧时间长使发动机热效率低。鉴于氢气具有较宽的点火可燃范围(4～75％)和火焰传播速率快(275cm/s)，在天然气中混掺一定比例的氢，不仅可改善火花塞点火(SI)式发动机的燃料性能，提高燃烧效率，而且可降低HC、CO和NOx等污染气体的排放，清洁环保，达到天然气清洁高效利用的目的。
为了研究在天然气中掺入不同体积比氢气对发动机怠速性能的影响，针对一台6缸天然气发动机开展了不同体积掺氢比的氢气/天然气混合燃料(HCNG)的怠速性能试验研究。试验证实掺氢后热效率提高，要达到相同的怠速转速可减少怠速旁通阀开度；在怠速情况下，掺氢使CH4、CO、NMHC排放下降，NOx排放上升，可通过点火提前角推迟来有效降低怠速NOx排放；在天然气中掺入适量氢气后有利于改善发动机怠速燃烧从而增加怠速稳定性。在怠速条件下，掺氢后CO、CH4排放随转速升高先减小后增加；怠速转速升高，怠速稳定性变好。在天然气中掺入适量氢气后，发动机热效率提高，经济性改善。(内燃机学报,2008,26:296-301)
使用定容燃烧弹研究了不同初始压力下天然气-氢气-空气混合气的火焰传播规律，得到了初始压力、掺氢比和燃空当量比对无拉伸层流燃烧速率、质量燃烧流量的影响，结合高速纹影图片分析了影响火焰稳定性的因素(马克斯坦长度、火焰面两侧密度比和火焰厚度)。结果表明，掺氢天然气无拉伸层流燃烧速率以及火焰的不稳定性受掺氢比、初始压力和燃空当量比的综合影响。发现火焰的稳定性会随初始压力的增加而减小；在相同的燃空当量比和掺氢比下，初始压力对密度比的影响不大，但是对火焰厚度的影响比较明显。(燃烧科学与技术,2009,4:374-380)
评估由纯天然气，纯氢以及氢和天然气(HCNG)的不同混合物作为燃料的火花点火发动机的排放和性能。增加氢气分数会导致气缸压力和CO2排放量的变化。在这项研究中，使用基于热力学方程的燃烧模型，考虑燃烧和未燃烧气体的单独区域。结果表明，随着混合物中氢的比例增加，最大汽缸压力升高。混合物中氢的存在导致CO2排放减少。由于氢的特性，更精简的燃料-空气混合物可以与适当的火花正时一起使用，从而改善发动机排放而不损失性能。(Applied Energy,2013,101:112-120)
对于SI发动机中的压缩天然气(CNG)，在低负荷下会牺牲发动机效率，并且在不使用后处理设备的情况下不能解决高水平的碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)排放。少量氢气可提高CNG-SI发动机性能并减少废气排放。尤其是与CNG相比，使用HCNG混合物时，燃料消耗降低了25％以上。与单纯CNG相比，特定的H2-CNG混合物可以具有更快的点火和延迟的火焰控制，这可能意味着更快的燃烧和相当完全的燃烧。(Renewable and SustainableEnergy Reviews,2018,82:324-342)
由此可见，天然气发动机掺氢燃烧，可有效减低尾气CO、CO2、CH4、NOx等污染物的排放，并提高综合热效率，改善天然气发动机的综合性能。目前，SI发动机的供氢方式主要以高压氢源为主，虽操作简单，但其储氢体积密度小，造成所需氢源系统体积过大，且成本高，安全性能无法保障。此外，发动机的余热往往随尾气排放，造成能量浪费。
发明内容
为实现SI发动机动力设备的高效清洁燃烧，本发明的目的在于提供一种利用余热为HCNG发动机动力系统供氢的方法及系统，该方法利用中、低品位余热驱动中高、低温固态氢化物储氢反应器释氢，组成双氢源系统，并与天然气SI发动机耦合，为其提供定量的氢气且精准控制氢流量。该系统可以充分回收利用天然气SI发动机的余热，提高能量利用率，提升燃烧效率和减少污染尾气的排放，清洁环保。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种利用余热为HCNG发动机动力系统供氢的系统，包括中高温固态金属氢化物储氢反应器、低温固态金属氢化物储氢反应器、燃料混合腔与SI发动机；其中，中高温固态金属氢化物储氢反应器出口与燃料混合腔入口相连，低温固态金属氢化物储氢反应器出口与燃料混合腔入口相连，燃料混合腔出口与相连SI发动机入口相连，SI发动机的两个出口，一个出口与中高温固态金属氢化物储氢反应器入口相连，另一个出口与低温固态金属氢化物储氢反应器入口相连。
本发明进一步的改进在于，中高温固态金属氢化物储氢反应器出口处设置有第一阀门；低温固态金属氢化物储氢反应器出口处设置有第二阀门。
本发明进一步的改进在于，燃料混合腔出口设置第三阀门。
本发明进一步的改进在于，中高温固态金属氢化物储氢反应器中的固态金属氢化物为镁基氢化物、锂基氢化物、氨基氢化物或硼基氢化物。
本发明进一步的改进在于，低温固态金属氢化物储氢反应器中的固态金属氢化物为镧镍系AB5及其衍生物或钛铁系AB及其衍生物。
一种利用余热为HCNG发动机动力系统供氢的方法，在SI发动机运行过程中，其排放的高温烟气和水分别作为中、低品位余热供给中高温固态金属氢化物储氢反应器和低温固态金属氢化物储氢反应器，使其固态金属氢化物床层发生脱氢反应，释放的氢气量可以通过中高温固态金属氢化物储氢反应器1出口处的第一阀门和低温固态金属氢化物储氢反应器出口处的第二阀门进行调控掺氢量，然后进入燃料混合腔与天然气混合作为SI发动机的燃料，实现了SI发动机的掺氢燃烧。
本发明进一步的改进在于，第一阀门的掺氢量调控范围为0～30％，第二阀门的掺氢量调控范围为0～3％。
本发明进一步的改进在于，SI发动机排放的中高温烟气温度为200～400℃；SI发动机排放的的高温水温度为100℃以下。
本发明进一步的改进在于，当SI发动机在低温下启动或低负荷运行时，第一阀门关闭，第二阀门开启，SI发动机刚开始仅有少量余热，此时用于低温固态金属氢化物储氢反应器，驱动低温氢源供氢，加速天然气发动机中燃料的燃烧，起到预热作用，实现HCNG发动机的低温启动。
本发明进一步的改进在于，当SI发动机在高负荷运行时，第一阀门和第二阀门都开启，SI发动机排出的高温烟气经过第一阀门将余热供给中高温固态金属氢化物储氢反应器，高温水经过第二阀门将余热供给低温固态金属氢化物储氢反应器，产生的氢气进入燃料混合腔中与天然气混合，再由第三阀门调控进入SI发动机中燃烧。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该系统将由中高温固态金属氢化物储氢反应器、低温固态金属氢化物储氢反应器构成的双氢源与天然气发动机耦合，利用发动机的余热驱动储氢反应器的脱氢反应，调高了燃料的燃烧效率，增加了能量利用率。同时，双氢源可精准调控为天然气内燃机提供所需的掺混氢气，且能实现稳定供氢和掺氢燃烧。本系统利用HCNG发动机余热驱动固态双氢源系统实现高效精准稳定供氢，一方面提高了天然气发动机的综合热效率，另一方面可有效降低天然气发动机的污染排放量，达到天然气的清洁高效利用。
进一步的，由储氢反应器脱氢产生的氢气进入燃料混合腔与天然气混合，且通过储氢反应器精准调控掺氢量，混合燃料再进入发动机中燃烧，氢的掺燃使得CNG在发动机燃烧室中更加充分燃烧，有效减少了有害废气的排放，清洁环保。
进一步的，设置中高温、低温固态金属储氢反应器双氢源系统，通过不同阀门调控，实现0～30％大范围和0.5％高精度的掺氢量调控。
进一步的，虽然在SI发动机动力系统中加入了双氢源系统，但是由于所用固态金属氢化物体积储氢密度大，所需氢源反应器系统体积较小，一方面不会大幅度增大动力系统的体积，另一方面也不会大幅增加动力系统的重量。
在SI发动机运行过程中，其排放的高温烟气和水分别作为中、低品位余热供给中高温固态金属氢化物储氢反应器和低温固态金属氢化物储氢反应器，使其固态金属氢化物床层发生脱氢反应，释放的氢气量可以通过中高温固态金属氢化物储氢反应器的第一阀门和低温固态金属氢化物储氢反应器的第二阀门进行调控掺氢量，然后进入燃料混合腔与天然气混合作为SI发动机的燃料，实现了天然气发动机的掺氢燃烧。
进一步的，当SI发动机低温启动时只产生少量余热，可通过利用此余热驱动低温氢源中固态金属氢化物脱氢反应以供氢，加速发动机中燃料燃烧，起到预热作用，实现HCNG发动机动力系统的低温启动功能。
进一步的，当SI发动机在高负荷运行时，第一阀门和第二阀门都开启，其中SI发动机排出的高温烟气经过第一阀门将余热供给中高温固态金属氢化物储氢反应器，高温水经过第二阀门将余热供给低温固态金属氢化物储氢反应器，产生的氢气进入燃料混合腔中与天然气混合，再由第三阀门调控进入SI发动机中燃烧。
附图说明
图1为一种利用余热为HCNG发动机动力系统高效精准供氢的系统原理图。
图中，1为中高温固态金属氢化物储氢反应器，2为低温固态金属氢化物储氢反应器，3为燃料混合腔，4为SI发动机，5为第一阀门，6为第二阀门，7为第三阀门。
图中实线代表燃料流的流动方向，虚线代表热流的流动方向。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
本发明提出了一种余热利用为HCNG发动机动力系统高效精准供氢的方法及系统，具有综合热效率高、排放少、供氢稳定且精准可控、所需的氢源系统体积小、安全性能好等优点。
参见图1，一种利用余热为HCNG发动机动力系统高效精准供氢的系统，包括中高温固态金属氢化物储氢反应器1、低温固态金属氢化物储氢反应器2、燃料混合腔3与SI(火花塞点火式)发动机4。
中高温固态金属氢化物储氢反应器1和低温固态金属氢化物储氢反应器2出口设置第一阀门5和第二阀门6。在燃料混合腔3出口设置第三阀门7。
中高温固态金属氢化物储氢反应器1出口经第一阀门5与燃料混合腔3入口相连，低温固态金属氢化物储氢反应器2出口经第二阀门6与燃料混合腔3入口相连，燃料混合腔3出口经第三阀门7与相连SI发动机4入口相连，SI发动机4的两个出口，一个出口与中高温固态金属氢化物储氢反应器1入口相连，另一个出口与低温固态金属氢化物储氢反应器2入口相连。
所述的低温固态金属氢化物储氢反应器(2)中的固态金属氢化物为镧镍系AB5及其衍生物、钛铁系AB及其衍生物等经典低温金属氢化物，储氢量较低，一般低于3wt％，反应容易进行，用于发动机低负荷运转；中高温固态金属氢化物储氢反应器1中的固态金属氢化物为镁基氢化物、锂基氢化物、氨基氢化物或硼基氢化物等轻金属氢化物。
所述的低温固态金属氢化物储氢反应器2储氢量低，但反应容易进行，用于发动机低负荷运转；中高温固态金属氢化物储氢反应器1储氢量高，高于7wt％，但反应常需在中高温下进行，用于发动机中高负荷运转。
火花塞点火式(SI)发动机4的换热流体采用高温烟气和水。以天然气为燃料的SI发动机4中的高温水低品位余热(温度在100℃以下)给低温固态金属氢化物储氢反应器2提供热量以实现低温氢源中氢的释放，发动机中高温烟气中品位余热(温度在200～400℃)供给中高温固态金属氢化物储氢反应器(1)，使其稳定供氢，
本系统的运行方法如下：在SI发动机4运行过程中，其排放的高温烟气和水分别作为中、低品位余热供给中高温固态金属氢化物储氢反应器1和低温固态金属氢化物储氢反应器2，使其固态金属氢化物床层发生脱氢反应，释放的氢气量可以通过中高温固态金属氢化物储氢反应器1的第一阀门5和低温固态金属氢化物储氢反应器2的第二阀门6进行调控掺氢量，然后进入燃料混合腔3与天然气混合作为SI发动机4的燃料，实现了天然气发动机的掺氢燃烧。
特别的，本发明所述的一种利用余热为HCNG发动机动力系统高效精准供氢的系统中，所设置的双氢源系统可以精准调控燃料掺氢量，分别在中高温固态金属氢化物储氢反应器1和低温固态金属氢化物储氢反应器2出口设置第一阀门5和第二阀门6，在双氢源为燃料混合腔3供氢过程中，通过第一阀门5对供氢量进行粗调(释氢量大)，调控范围为0～30％掺氢量，精度低，通过第二阀门6对供氢量进行精调(释氢量小)，调控范围为0～3％掺氢量。掺氢量的调控精度可达0.5％，此外在燃料混合腔4出口设置第三阀门7，对SI发动机4的整体燃料供应进行调控。
特别的，本发明所述的一种利用余热为HCNG发动机动力系统高效精准供氢的方法中，含有两种换热流体(中高温烟气和水)和两种流动气体(氢气和混合燃料气)。SI发动机4排放的中高温烟气温度为200～400℃，供给中高温固态金属氢化物储氢反应器1；高温水温度在100℃以下供给低温固态金属氢化物储氢反应器2，中高温固态金属氢化物储氢反应器1和低温固态金属氢化物储氢反应器2释放的氢气进入燃料混合腔3中与天然气混合后的混合燃料气作为SI发动机4的燃料进行燃烧。
当SI发动机4在低温下(零下温度)启动或低负荷运行时，SI发动机4刚开始仅有少量余热，此时可先用于低温固态金属氢化物储氢反应器2，驱动低温氢源供氢，加速天然气发动机中燃料的燃烧，起到预热作用，实现HCNG发动机的低温启动。具体的，此时第一阀门5关闭，第二阀门6开启，余热供给低温固态金属氢化物储氢反应器2，驱动低温氢源供氢，一方面给燃料掺氢加速SI发动机4中燃料的燃烧，另一方面由于反应放热，这部分热量供给中高温固态金属氢化物储氢反应器1，驱动中高温氢源供氢，最终实现HCNG发动机的低温启动和低负荷运行。
当SI发动机4在高负荷运行时，第一阀门5和第二阀门6都开启，其中SI发动机4排出的高温烟气经过第一阀门5将余热供给中高温固态金属氢化物储氢反应器1，高温水经过第二阀门6将余热供给低温固态金属氢化物储氢反应器2，产生的氢气进入燃料混合腔3中与天然气混合，再由第三阀门7调控进入SI发动机4中燃烧。
SI发动机4负荷发生大幅度变动时，余热出现温度波动，此时，可通过低温固态金属氢化物储氢反应器2的放氢反应调控余热温度，减少负荷变动对中高温固态金属氢化物储氢反应器1的供氢温度以及供氢量的影响，中高温固态金属氢化物储氢反应器1的高容量稳定供氢，可实现双氢源系统对SI发动机4的稳定供氢。
Claims (9)
1.一种利用余热为HCNG发动机动力系统供氢的系统，其特征在于，包括中高温固态金属氢化物储氢反应器(1)、低温固态金属氢化物储氢反应器(2)、燃料混合腔(3)与SI发动机(4)；其中，中高温固态金属氢化物储氢反应器(1)出口与燃料混合腔(3)入口相连，低温固态金属氢化物储氢反应器(2)出口与燃料混合腔(3)入口相连，燃料混合腔(3)出口与相连SI发动机(4)入口相连，SI发动机(4)的两个出口，一个出口与中高温固态金属氢化物储氢反应器(1)入口相连，另一个出口与低温固态金属氢化物储氢反应器(2)入口相连；在SI发动机(4)运行过程中，其排放的高温烟气和水分别作为中、低品位余热供给中高温固态金属氢化物储氢反应器(1)和低温固态金属氢化物储氢反应器(2)，使其固态金属氢化物床层发生脱氢反应，释放的氢气量可以通过中高温固态金属氢化物储氢反应器( 1) 出口处的第一阀门(5)和低温固态金属氢化物储氢反应器(2)出口处的第二阀门(6)进行调控掺氢量，然后进入燃料混合腔(3)与天然气混合作为SI发动机(4)的燃料，实现了SI发动机(4)的掺氢燃烧；
当SI发动机(4)在低温下启动或低负荷运行时，第一阀门(5)关闭，第二阀门(6)开启，SI发动机(4)刚开始仅有少量余热，此时用于低温固态金属氢化物储氢反应器(2)，驱动低温氢源供氢，加速天然气发动机中燃料的燃烧，起到预热作用，实现HCNG发动机的低温启动。
2.根据权利要求1所述的一种利用余热为HCNG发动机动力系统供氢的系统，其特征在于，中高温固态金属氢化物储氢反应器(1)出口处设置有第一阀门(5)；低温固态金属氢化物储氢反应器(2)出口处设置有第二阀门(6)。
3.根据权利要求1所述的一种利用余热为HCNG发动机动力系统供氢的系统，其特征在于，燃料混合腔(3)出口设置第三阀门(7)。
4.根据权利要求1所述的一种利用余热为HCNG发动机动力系统供氢的系统，其特征在于，中高温固态金属氢化物储氢反应器(1)中的固态金属氢化物为镁基氢化物、锂基氢化物、氨基氢化物或硼基氢化物。
5.根据权利要求1所述的一种利用余热为HCNG发动机动力系统供氢的系统，其特征在于，低温固态金属氢化物储氢反应器(2)中的固态金属氢化物为镧镍系AB5及其衍生物或钛铁系AB及其衍生物。
6.一种利用余热为HCNG发动机动力系统供氢的方法，其特征在于，在SI发动机(4)运行过程中，其排放的高温烟气和水分别作为中、低品位余热供给中高温固态金属氢化物储氢反应器(1)和低温固态金属氢化物储氢反应器(2)，使其固态金属氢化物床层发生脱氢反应，释放的氢气量可以通过中高温固态金属氢化物储氢反应器( 1) 出口处的第一阀门(5)和低温固态金属氢化物储氢反应器(2)出口处的第二阀门(6)进行调控掺氢量，然后进入燃料混合腔(3)与天然气混合作为SI发动机(4)的燃料，实现了SI发动机(4)的掺氢燃烧；当SI发动机(4)在低温下启动或低负荷运行时，第一阀门(5)关闭，第二阀门(6)开启，SI发动机(4)刚开始仅有少量余热，此时用于低温固态金属氢化物储氢反应器(2)，驱动低温氢源供氢，加速天然气发动机中燃料的燃烧，起到预热作用，实现HCNG发动机的低温启动。
7.根据权利要求6所述的一种利用余热为HCNG发动机动力系统供氢的方法，其特征在于，第一阀门(5)的掺氢量调控范围为0～30％，第二阀门(6)的掺氢量调控范围为0～3％。
8.根据权利要求6所述的一种利用余热为HCNG发动机动力系统供氢的方法，其特征在于，SI发动机(4)排放的中高温烟气温度为200～400℃；SI发动机(4)排放的高温水温度为100℃以下。
9.根据权利要求6所述的一种利用余热为HCNG发动机动力系统供氢的方法，其特征在于，当SI发动机(4)在高负荷运行时，第一阀门(5)和第二阀门(6)都开启，SI发动机(4)排出的高温烟气经过第一阀门(5)将余热供给中高温固态金属氢化物储氢反应器(1)，高温水经过第二阀门(6)将余热供给低温固态金属氢化物储氢反应器(2)，产生的氢气进入燃料混合腔(3)中与天然气混合，再由第三阀门(7)调控进入SI发动机(4)中燃烧。
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