CN111417447B - 用于操作催化蒸发器的方法及该方法的用途 - Google Patents

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Abstract

描述一种用于操作催化蒸发器(1)的方法，该方法具有以下步骤：将燃料和氧化剂进料到催化蒸发器中，该方法的特征在于：(a)燃料的进料以脉冲进料进行，和/或(b)氧化剂的进料以脉冲进料进行。

Description

用于操作催化蒸发器的方法及该方法的用途
技术领域
本发明涉及一种用于操作催化蒸发器的方法及该方法的用途。
背景技术
已知使用催化蒸发器来调节内燃机的燃料性质。WO 2007/042246 A2描述了一种用于蒸发和重整液体燃料的方法，其中，在第一反应室中，燃料被蒸发并且随着空气供应被通过第一催化剂强烈地亚化学计量地氧化，在第二反应室中，蒸发的燃料与供应的空气混合，然后重整，第一反应室中供应的空气体积与第二反应室中供应的空气体积之比设定为30:70至70:30。
DE 10 2010 012 945 B4公开了一种用于蒸发液体燃料和/或可燃物的方法，其中将液体燃料和/或可燃物施加到吸收性材料上，并通过空气供应引入含氧的气体混合物或氧气，氧气/燃料比是亚化学计量的。可以使用一种装置来执行该方法，该装置包括：a)中央、轴向和径向可透气的空气供应件；b)催化剂系统，其在空气供应件的至少一部分长度上围绕该空气供应件同心地布置；c)围绕催化剂系统同心地布置的缓冲区；以及d)用于燃料分配的吸收材料，其围绕缓冲区同心地布置，其中在部件a)至d)之间装有至少一个气密的密封元件。
DE 10 2015 120 106 A1公开了一种用于调节燃料的点火性质的方法，该方法使用具有至少一个分配区、至少一个氧化区和至少一个转化区的单元。在该方法中，燃料被分配在具有分配结构的分配区中，至少部分燃料被至少一种氧化剂氧化，所述氧化剂在氧化区中的催化剂载体上的至少一种催化剂上，并且所分配的燃料和/或另外供应的燃料的至少部分在转化区内进行热和/或催化转化。该方法的特征在于，通过氧化剂中所含的氧气与可用燃料的完全氧化所需的氧气的摩尔比和/或单元中的压力和/或停留时间和/或温度来调节燃料的点火性质。
通常，本身已知的催化蒸发器可以用作例如均匀混合燃料和氧化剂(例如空气)的预备过程。同时，可以通过减少发动机内氮氧化物(NOx)和烟尘排放的方式来改变燃料性质。重整反应的反应产物(氢气(H2)和一氧化碳(CO))对于改变燃料性质特别有效。组分、氢气和一氧化碳在柴油氧化催化剂上的起燃温度远低于柴油的起燃温度，因此，当发动机冷启动时，排气系统会更快地达到操作温度。
此外，蒸发器还可用于同时加热废气后处理系统。
通过增加操作压力和增加空气比，可以实现由于催化蒸发法引起的燃料性质的变化。操作压力的增加受到内燃机增压的限制。空气比的增加会导致催化剂处的温度升高，因此不能任意增加。
发明内容
因此，从现有技术出发，本发明的目的是提供一种操作催化蒸发器的方法，该方法不具有现有技术中已知的缺点，特别是通过该方法可以相对于原始燃料的性质以有利的方式改变燃料性质。
根据本发明，提出了用于操作催化蒸发器的方法，该方法包括以下步骤：向催化蒸发器(1)供应燃料和氧化剂，其中
(a)燃料以脉冲添加供应，和/或
(b)氧化剂以脉冲添加供应。
在步骤(a)中，可以实现氧化剂的相应供应，并且在步骤(b)中，燃料的相应供应可以是连续的，特别是如果这些添加不设计为脉冲添加。
因此，在根据本发明的方法中，燃料或氧化剂或两者一起以脉冲的形式添加，其中脉冲是时间受限制的部分。它们可以表示一系列相同类型的定期重复添加。在此，脉冲添加与连续添加的不同之处在于，脉冲添加包含无添加的暂停时间。用于燃料添加的脉冲和/或用于氧化剂添加的脉冲可以为相同或不同的长度。
在一些实施例中，燃料的脉冲添加(a)允许在第一时间段期间添加第一量的燃料和/或在第二时间段期间添加第二量的燃料和/或在第三时间段期间不添加燃料。
在一些实施例中，可以通过以下方式进行添加：
(i)在第一时间段期间添加第一量的燃料，并且在第三时间段期间不添加燃料，在第二时间段没有要求；或
(ii)在第一时间段期间添加第一量的燃料，在第二时间段期间添加第二量的燃料，并且在第三时间段期间不添加燃料；或
(iii)在第一时间段期间添加第一量的燃料，并且在第二时间段期间添加第二量的燃料，第三时间段没有要求。
名称“第一”、“第二”和“第三”不指示添加的顺序，而仅用于区分添加。术语“第一量”和“第二量”表示这些量彼此不同。
在一些实施例中，对于燃料供应，上述第一时间段可以是从约10ms到约10s；上述第二时间段可以是从约10ms到约10s，以及第三时间段可以是从约10ms至约10s。在本发明的其他实施例中，第一和/或第二和/或第三时间段可以是在约1s至约5s之间选择。
可以根据用于催化蒸发器的操作的各自的具体要求，例如通过以下参数来调节脉冲：脉冲中的燃料的量和/或脉冲的持续时间和/或两个脉冲之间的时间(对应于每次脉冲的频率)。本领域技术人员可以通过简单的实验来确定如何调节燃料添加的脉冲，以获得蒸发器的操作的特定要求和最佳结果。
令人惊讶是，发现通过以脉冲形式向催化蒸发器中添加燃料，可以增加空气比而不会超过催化剂的最高温度。以此方式，与原始使用的燃料相比，燃料的脉冲添加有助于改变燃料性质。最重要的是，燃料的脉冲添加改变了燃料性质，使得氢气和/或一氧化碳的占比显著增加。同时，操作的脉冲模式允许从最大输出到最小输出的较快切换。
可以用于根据本发明的方法的催化蒸发器可以提供燃料和氧化剂(例如空气)的均匀混合作为预备过程(preliminary process)。在废气后处理期间，可以用于根据本发明的方法中的催化蒸发器可以以本身已知的方式用于进行加热。通过根据本发明的方法，可以通过减少发动机内的氮氧化物(NOx)和烟尘排放的方式来改变燃料性质。根据本发明，实现了燃料性质朝向重整反应的反应产物(氢气(H2)和一氧化碳(CO))的量增加的特别有利和有效的转变。此外，在根据本发明的方法中，还可以有利地将蒸发器用于废气后处理系统的同时加热。此外，在根据本发明的方法中，组分、氢气和一氧化碳在柴油氧化催化剂上的起燃温度明显低于柴油的起燃温度，从而当发动机冷启动时，排气系统能更快地达到操作温度。
对于在发动机内部和在废气后处理系统中燃烧燃料油的燃气燃烧器以及自燃式内燃机或柴油发动机，根据本发明的方法具有显著的成本和功率优势。另外，根据本发明的方法在具有火花点火的内燃机的情况下在发动机内部使用时具有显著的成本和功率优势。
如上所述，燃料以脉冲添加的形式添加。当根据现有技术操作催化蒸发器时，燃料和氧化剂都以预定量连续添加，即氧化剂和燃料的添加量随时间保持恒定。在根据本发明的方法中，已经证明特别有利的是，在一定时间内添加预定量的燃料，随后是不添加燃料的时间段，即燃料添加设置为“零”的时间段。待添加的燃料量处于现有技术中先前使用的并且添加到现有技术中已知的催化蒸发器中的燃料的量的范围内。
在根据本发明的方法的替代方案(b)中，氧化剂的脉冲添加期间，可以在第一时间段期间添加第一量的氧化剂和/或在第二时间段期间添加第二量的氧化剂，以及在第三时间段期间不添加氧化剂。
在一些实施例中，添加可以以如下方式进行：
(i)在第一时间段期间添加第一量的氧化剂，并且在第三时间段期间不添加氧化剂，第二时间段没有要求；或
(ii)在第一时间段期间添加第一量的氧化剂，在第二时间段期间添加第二量的氧化剂，而在第三时间段期间不添加氧化剂；或
(iii)在第一时间段期间添加第一量的氧化剂，并且在第二时间段期间添加第二量的氧化剂，第三时间段没有要求。
名称“第一”、“第二”和“第三”不指示添加的顺序，而仅用于区分添加。术语“第一量”和“第二量”在此表示这些量彼此不同。
在一些实施例中，在关于氧化剂的添加的替代方案(b)中，上述第一时间段可以为约10ms至约10s；上述的第二时间段可以是约10ms至约10s，以及另一时间段可以是约10ms至约10s。在其他实施例中，在关于氧化剂的添加的替代方案(b)中，上述第一时间段可以为约1s至约5s；上述第二时间段可以是约1s至约5s，以及另一时间段可以是约1s至约5s。
通过如上所述的与燃料的脉冲添加相关的氧化剂的脉冲添加，可以实现相同的优点，因此在这方面可以完全参考上述说明。
现有技术本身已知的催化蒸发器可以用在根据本发明的方法中。本领域技术人员原则上也知道它们如何操作。
在DE 10 2015 120 106 A1中描述了一种特别有利的催化蒸发器，在设计细节和操作模式方面对其进行全面参考。用于设置至少一种燃料的点火性质的装置包含：
·至少一个燃料入口和至少一个氧化剂入口，
·用于分配燃料的至少一个分配区，具有至少一个用于燃料的分配结构，
·用于燃料的至少部分氧化的至少一个氧化区，包含带有至少一种催化剂的至少一种催化剂载体，
·用于燃料的至少部分催化和/或热转化的至少一个转化区，以及
·至少一个燃料的出口，所述燃料具有调整后的点火性质，
其中氧化剂入口，催化剂载体和分配区布置并设计为使得在氧化区中产生的热量可以传递到流入分配区和/或转化区的气体或气体混合物中。
在一些实施例中，用在根据本发明的方法中的催化蒸发器可以具有催化剂，该催化剂可以被施加到例如载体上。可以将具有催化剂的载体引入反应容器中，使得在反应容器的内表面和催化剂表面之间形成中间空间。
上述催化蒸发器的操作方式在下文以举例的方式进行描述。反应物形成良好的混合物有利于许多化学过程的稳定和有效操作。特别是在氧化过程中，例如燃烧中，均匀混合减少了排放并防止了烟尘的形成。为此，液体燃料可以转化为气相。混合优势已在多种应用(燃烧器、颗粒过滤器、重整器)中得到证明。与发动机的连接特别重要。目的是使蒸发器适于发动机内部的使用，并验证发动机测试台上氮氧化物和烟尘排放的减少。
例如，当操作催化蒸发器时，可以将液体燃料添加到催化蒸发器的反应器壁的内侧，同时在催化剂侧添加空气。一小部分燃料在催化剂上氧化，产生的热量用于完全蒸发燃料。热量主要通过热辐射从热催化剂表面传递到燃料膜表面。在其上供入燃料的反应器壁始终比燃料本身冷。因此，不会形成沉积物或结垢。
燃料是一种化学物质，其存储的能量可以通过燃烧转化为可用能量。这样的一个例子是在内燃机中被转化成动力的燃料。在一些实施例中，燃料可以选自汽油、柴油、生物油、热解油、生物柴油、重燃油、醇、费托燃料(Fischer-Tropsch fuels)、甲醚、乙醚、甲醛醚、酯、醛、芳族化合物、胺、羧酸、烷烃、天然气、露营气(camping gas)、液化石油气、火炬气(flare gases)、垃圾填埋气、沼气以及这些燃料中至少两种的混合物。特别地，液体燃料可以使用在根据本发明的方法中。通过这些燃料，以特别有利的方式实现了上述优点。
在一些实施例中，氧化剂可包含氧气或含氧气的介质，特别是空气或具有残留氧气的废气。因此，上述优点能以特别有利的方式实现。
有利地，如上所述，燃料性质以有利的方式变化。因此，根据本发明的方法最适合改变燃料性质，以减少排放。此外，根据本发明的方法可以用于蒸发器，以降低内燃机，特别是乘用车的柴油机的废气后处理系统中的起燃温度。此外，根据本发明的方法适于产生用于存储催化剂的还原剂。这可以根据US 7,386,977 B2来完成。在本专利公开中，CO和H2由甲烷产生用于再生。通过本发明，可以以类似于US 7,386,977 B2的方式由柴油产生CO和H2。
附图说明
下面将通过附图更详细地解释本发明，而不限制本发明的一般性概念，其中
图1示出了可以用作示例的催化蒸发器的视图。
图2示出了图1的催化蒸发器的作用方式的原理。
图3a至3e示出了根据本发明的催化蒸发器的连续作用模式和各种脉冲操作模式的比较，其中以脉冲方式添加燃料。
图4a至4d示出了氧化剂的各种脉冲添加。
图5a-5d示出了根据图3a和3b中的操作模式获得的燃料成分。
具体实施方式
图1示出了可用于根据本发明的方法的催化蒸发器1。催化蒸发器具有施加到金属网3的催化剂2。催化剂2和金属网3可以由现有技术中已知的材料制成。具有催化剂2的金属网3可以存在于反应容器4中。为了清楚起见，图1示出了从反应容器4中拉出的催化剂2和金属网3。如果催化剂2和金属网3一起插入反应容器中，则在反应容器4的内表面5和金属网3上的催化剂2的表面之间形成中间空间。
图2示意性地示出了图1中所示的催化蒸发器的作用模式。反应物形成良好的混合物有利于许多化学过程的稳定和有效操作。特别是在氧化过程中，例如燃烧，均匀混合可减少排放并防止烟尘形成。在催化蒸发器的操作期间，液体燃料被转化为气相。混合优势已在多种应用(燃烧器、颗粒过滤器、重整器)中得到证明。与发动机的连接特别重要。蒸发器可以适于内燃机的使用，并且在发动机测试台上已证明了氮氧化物和烟尘排放的减少。
将液体燃料添加到反应容器4的内表面，同时将空气添加到催化剂侧。一小部分燃料在催化剂2上氧化，在此过程中产生的热量用于完全蒸发燃料。热量主要通过热辐射从催化剂2的热表面传递到燃料膜的表面。在其上施加燃料的反应容器4的壁在此可以比燃料本身更冷。因此，不会形成沉积物或结垢。
图3a和3b示出了氧化剂(此处为空气)的添加量和燃料的添加量的曲线。在图3a所示的正常(即连续)操作模式中，在操作期间内以恒定量连续添加氧化剂和燃料。与此相反(参见图3b)，在根据本发明的方法中，燃料的添加实施为脉冲添加。另一方面，氧化剂的添加不实施为脉冲添加，而是如从现有技术中已知的那样为连续添加的形式。在脉冲添加燃料的情况下，在添加燃料(在示例中为16.9g/min)的时间段之后为没有燃料供应(0g/min)的时间段。在图3b所基于的示例中，有燃料供应和无燃料供应的时间段分别设置为3秒。
图3c至3e示出了脉冲添加燃料的其他实施例。在图3b中，在第一时间段中添加第一量的燃料，紧接着是第二时间段，在第二时间段中添加较少的第二量的燃料。随后是另一时间段，其中没有燃料被引入催化蒸发器。
图3d示出了两种不同量的燃料的脉冲添加以及不添加燃料的时间段，如图3c所示，在每次添加燃料之间设有不添加燃料的时间段。
图3e示出了两种不同量的燃料的脉冲添加，没有不添加燃料的时间段。
图4a至图4d示出了与燃料的连续添加相对应的氧化剂的脉冲添加，该添加对应于图3b至图3e，因此关于结果完全参考以上说明，其也适用于图4a至图4d。
图5a至5d比较了在图3a所示的正常操作(图5a和5b)和图3b所示的根据本发明的脉冲操作(图5c和5d)期间燃料成分的变化。因为在根据本发明的方法中不连续地供应燃料，所以可以运行高于0.2的空气比而不会使催化剂过热。这些高的空气比显著增加了一氧化碳(CO)和氢气(H2)的比例。因此可以将CO的占比提高三倍，将H2的占比提高九倍。调整催化蒸发器的工作模式使其可以用于动态应用，例如汽车发动机。
当然，本发明不限于附图所示的实施例。因此，以上描述不应被认为是限制性的，而是说明性的。所附权利要求应被理解为使得在本发明的至少一个实施例中具有所述特征。这并不排除存在其他特征。如果说明书或权利要求书定义了“第一”和“第二”特征，则该名称用于区分两个相似的特征而不是确定排名顺序。

Claims (10)

1.一种用于操作催化蒸发器(1)的方法，用 于以降低内燃机的废气后处理系统的起燃温度，所述方法包括以下步骤：
向所述催化蒸发器(1)供应燃料和氧化剂，
其中，
(a)所述燃料以脉冲添加供应，和/或
(b)所述氧化剂以脉冲添加供应，
其中，所述脉冲添加是定期重复的。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述燃料的脉冲添加(a)中，在第一时间段期间添加第一量的燃料和/或在第二时间段期间添加第二量的燃料和/或在第三时间段期间不添加燃料。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，
(i)在第一时间段期间添加第一量的燃料，并且在第三时间段期间不添加燃料；或
(ii)在第一时间段期间添加第一量的燃料，在第二时间段期间添加第二量的燃料，并且在第三时间段期间不添加燃料；或
(iii)在第一时间段期间添加第一量的燃料，并且在第二时间段期间添加第二量的燃料。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，所述第一时间段为10ms至10s，或所述第二时间段为10ms至10s，或所述第三时间段为10ms至10s。
5.根据权利要求2所述的方法，其中，在所述氧化剂的脉冲添加(b)中，在第一时间段期间添加第一量的氧化剂和/或在第二时间段期间添加第二量的氧化剂和/或在第三时间段期间不添加氧化剂。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，
(i)在第一时间段期间添加第一量的氧化剂，并且在第三时间段期间不添加氧化剂；或
(ii)在第一时间段期间添加第一量的氧化剂，在第二时间段期间添加第二量的氧化剂，并且在第三时间段期间不添加氧化剂；或
(iii)在第一时间段期间添加第一量的氧化剂，并且在第二时间段期间添加第二量的氧化剂。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，所述第一时间段为10ms至10s和/或所述第二时间段为10ms至10s和/或另一时间段为10ms至10s，或所述第一时间段为1s至5s和/或第二时间段为1s至5s和/或另一时间段为1s至5s。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述燃料选自汽油、柴油、生物油、热解油、生物柴油、重燃油、醇、费托燃料、甲醚、乙醚、甲醛醚、酯、醛、芳族化合物、胺、羧酸、烷烃、天然气、露营气、液化石油气、火炬气、垃圾填埋气、沼气以及这些燃料中至少两种的混合物。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述氧化剂包含氧气或含氧气的介质。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述氧化剂包含空气或具有残留氧气的废气。
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