CN115163352A - 基于废气重整再循环的余热利用系统及发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于废气重整再循环的余热利用系统及发动机，可广泛应用于废气处理技术领域。本发明系统通过设置重整器、预热装置、中冷器和水箱，并将重整器的废气入口连接发动机的废气出口，将水箱的重整气出口与发动机的重整气入口连接，从而使得发动机的废气经过重整器重整后的重整气余热，还可以用于预热装置内甲烷的预热过程，从而有效提高废气余热的利用效率，接着将余热利用后的重整气发送到中冷器和水箱，使得最后进入发动机的重整气几乎不含有水蒸气，从而可以有效提高发动机气缸内的燃烧效果。
Description
技术领域
本发明涉及废气处理技术领域，尤其是一种基于废气重整再循环的余热利用系统及发动机。
背景技术
相关技术中，废气重整再循环技术是通过将废气再循环技术与掺氢燃烧相结合，不但能利用发动机废气余热催化重整部分废气与燃料，制取富氢重整气实现在线掺氢燃烧，提高发动机缸内燃烧过程的稳定性，还能改善传统EGR技术导致的发动机低热效率等问题，进一步降低LNG发动机气门重叠区造成的HC排放，提高燃料的利用。而经过重整后的富氢重整气仍有较高温度，且其中含有大量水蒸气，直接进入气缸会影响燃烧。并且，直接通过中冷器降低温度也会导致这一部分热量的损失。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于废气重整再循环的余热利用系统及发动机，能够有效降低热量损失，提高气缸内的燃烧效果。
一方面，本发明实施例提供了一种基于废气重整再循环的余热利用系统，包括：
重整器，所述重整器的废气入口用于连接发动机的第一废气出口；
预热装置，所述预热装置的重整气入口与所述重整器的重整气出口连接，所述预热装置的甲烷入口与甲烷储气瓶的甲烷出口连接，所述预热装置的甲烷出口与所述重整器的甲烷入口连接；
中冷器，所述中冷器的重整气入口与所述预热装置的重整气出口连接；
水箱，所述水箱的重整气入口与所述中冷器的重整气出口连接，所述水箱的重整气出口用于连接发动机的重整气入口。
在一些实施例中，所述系统还包括：
蒸发器，所述蒸发器的废气入口用于连接发动机的第二废气出口，所述蒸发器的入水口与所述水箱的出水口连接。
在一些实施例中，所述预热装置包括：
第一重整气导流部件，所述第一重整气导流部件的重整气入口与所述重整器的重整气出口连接，所述第一重整气导流部件的重整气出口与所述中冷器的重整气入口连接；
甲烷导流部件，所述甲烷导流部件的甲烷入口与甲烷储气瓶的甲烷出口连接，所述甲烷导流部件的甲烷出口与所述重整器的甲烷入口连接；所述第一重整气导流部件内的气体流向与所述甲烷导流部件内的气体流向相反。
在一些实施例中，所述中冷器包括：
第二重整气导流部件，所述第二重整气导流部件的重整气入口与所述第一重整气导流部件的重整气出口连接，所述第二重整气导流部件的重整气出口与所述水箱的重整气入口连接；
冷却水导流部件，所述冷却水导流部件内的冷却水流向与所述第二重整气导流部件内的气体流向相反。
在一些实施例中，所述系统还包括：
第一温度传感器，所述第一温度传感器设置于所述冷却水导流部件的冷却水入口；
第二温度传感器，所述第二温度传感器设置于所述冷却水导流部件的冷却水出口。
在一些实施例中，所述系统还包括：
第三温度传感器，所述第三温度传感器设置于所述甲烷导流部件的甲烷入口；
第四温度传感器，所述第四温度传感器设置于所述甲烷导流部件的甲烷出口。
在一些实施例中，所述系统还包括：
第一流量阀，所述第一流量阀设置于所述甲烷储气瓶的甲烷出口；
第二流量阀，所述第二流量阀设置于所述水箱的重整气出口。
在一些实施例中，所述系统还包括：
第三流量阀，所述第三流量阀设置于所述中冷器的冷却水入口。
在一些实施例中，所述系统还包括：
控制终端，所述控制终端分别与第一流量阀、所述第二流量阀和所述第三流量阀连接。
另一方面，本发明实施例提供了一种发动机，所述发动机的废气出气口与所述的一种基于废气重整再循环的余热利用系统连接。
本发明实施例提供的一种基于废气重整再循环的余热利用系统，具有如下有益效果：
本实施例通过设置重整器、预热装置、中冷器和水箱，并将重整器的废气入口连接发动机的废气出口，将水箱的重整气出口与发动机的重整气入口连接，从而使得发动机的废气经过重整器重整后的重整气余热，还可以用于预热装置内甲烷的预热过程，从而有效提高废气余热的利用效率，接着将余热利用后的重整气发送到中冷器和水箱，使得最后进入发动机的重整气几乎不含有水蒸气，从而可以有效提高发动机气缸内的燃烧效果。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：
图1为本发明实施例的一种基于废气重整再循环的余热利用系统的结构示意图；
图2为本发明实施例的一种预热装置、中冷器和水箱连接的结构示意图；
图3为本发明实施例的一种预热装置的截面示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
随着工业化进程的推进和环境问题之间的矛盾冲突日益增加，大气污染的排放需要得到控制，其成因之一的发动机尾气越来越受到重视。与传统化石燃料相比，液化天然气(LNG)可以大幅度降低发动机排放，在发动机替代物燃料中具有较好的应用前景。
液化天然气(LNG)的主要成分为甲烷，其储量仅次于煤和石油，并且碳氢比率低，且几乎不含硫。若将LNG应用到船用发动机可有效减少CO2、PM和SOx等排放，对从源头减少新增船舶的污染物排放具有重要意义，也使得LNG逐步成为船舶主机的重要替代燃料，然而，LNG作为发动机燃料也存在功率低和HC排放高等问题，制约了LNG作为燃料在发动机中的广泛应用。
氢气具有燃烧热值大、产物是水且不会产生二次污染等优点，因此，是一种理想的二次能源，其在空气中燃烧具有可燃界限宽、点火能量小以及火焰传播速度快等优点，在LNG发动机中掺烧氢气能有效弥补LNG燃烧过程存在的不足。研究也证实，向发动机缸内掺氢燃烧能有效改善其燃烧及排放特性，并指出掺氢燃烧可以减少火焰持续期，增加LNG燃烧稳定性。然而，由于氢气的生产成本、运输和储备等方面的问题，导致氢气作为直接掺烧燃料受到了极大的限制。
废气重整再循环(REGR)技术通过将废气再循环(EGR)技术与掺氢燃烧相结合，不但能利用发动机废气余热催化重整部分废气与燃料，制取富氢重整气实现在线掺氢燃烧，提高发动机缸内燃烧过程的稳定性，还能改善传统EGR技术导致的发动机低热效率等问题，进一步降低LNG发动机气门重叠区造成的HC排放，提高燃料的利用率。
经过重整后的富氢重整气仍有较高温度，且其中含有大量水蒸气，直接进入气缸会影响燃烧。而直接通过中冷器降低温度会导致这一部分热量的损失。
基于此，参照图1，本发明实施例提供了一种基于废气重整再循环的余热利用系统，该系统包括重整器100、预热装置200、中冷器300和水箱400。具体地，如图1所示，发动机500的第一废气出口与所述重整器100的废气入口连接、所述重整器100的重整气出口与所述预热装置200的重整气入口与连接，所述预热装置200的甲烷入口与甲烷储气瓶600的甲烷出口连接，所述预热装置200的甲烷出口与所述重整器100的甲烷入口连接，所述预热装置200的重整气出口与所述中冷器300的重整气入口连接，所述中冷器300的重整气出口与所述水箱400的重整气入口连接，所述水箱400的重整气出口与发动机500的重整气入口。
在本申请实施例的工作过程中，发动机发出来的废气一部分进入到重整器中，作为原料参与重整器内重整反应，重整器重整之后得到的重整气还包含大量余热，此时将该重整气输出到预热装置，以利用该部分重整气携带的余热对预热装置内的甲烷进行加热，加热的甲烷通过预热装置输出到重整器，作为另一种原料参与重整器内的重整反应，从而可以有助于重重整器内反应的进行，从而提升产氢率。同时，经过预热装置后的重整气在对甲烷进行预热后，进入到中冷器内进行冷却，使得重整气中的水蒸气在冷却后冷凝成水流进入水箱。在水箱内，密度较高的水沉入底部、密度较低的重整气从水箱上部出口排出到发动机，使得发动机得到的重整气体几乎不含有水，从而提高发动机上气缸的燃烧效率。
在该实施例中，重整器在进行重整反应时，需要水蒸气为重整反应提供氢元素。而液态水变成气态，需要对液态水进行加热。如图1所示，本实施例通过设置蒸发器610，并将蒸发器610的废气入口连接发动机500的第二废气出口，所述蒸发器610的入水口与所述水箱400的出水口连接。在工作过程中，发动机产生的另一部分废气排出到蒸发器内，蒸发器利用该部分上的余热对液态水进行加热后得到水蒸气，进一步提高废气余热利用率，并将水蒸气排出到重整器中，作为另一种原来参与重整器的重整反应，从而重整器的重整反应提供氢元素。
在本申请实施例中，如图2所示，所述预热装置包括第一重整气导流部件210和甲烷导流部件220。其中，所述第一重整气导流部件210的重整气入口与所述重整器的重整气出口连接，所述第一重整气导流部件210的重整气出口与所述中冷器的重整气入口连接；所述甲烷导流部件220的甲烷入口与甲烷储气瓶的甲烷出口连接，所述甲烷导流部件220的甲烷出口与所述重整器的甲烷入口连接。如图2所示，重整气从预热装置的左边入口流入后，从预热装置的左边出口流向中冷器，同时，预热装置的甲烷入口则设置在右上方，预热装置的甲烷出口则设置左下方，甲烷从预热装置的右上方流入后，再从左下方流出，使得第一重整气导流部件内的气体流向与所述甲烷导流部件内的气体流向相反，从而可以更加充分的利用重整气携带的余热。如图3所示，若干个第一重整气导流部件210设置在甲烷导流部件220内，当重整气流入第一重整气导流部件后，重整气的热量从第一重整气导流部件的壳体上导出到甲烷导流部件内，对甲烷导流部件内的甲烷进行加热。
在本申请实施例中，如图2所示，所述中冷器包括第二重整气导流部件310和冷却水导流部件320。其中，所述第二重整气导流部件310的重整气入口与所述第一重整气导流部件210的重整气出口连接，所述第二重整气导流部件310的重整气出口与所述水箱400的重整气入口410连接；所述冷却水导流部件320内的冷却水流向与所述第二重整气导流部件310内的气体流向相反。如图2所示，经过预热装置后的重整气从中冷器的左边进入，从中冷器的右边流入水箱；而中冷器内的冷却水则是从中冷器的右上方流入，再从中冷器的左下方流出，从而对重整气内的水分进行冷却，以提高水蒸气变成液态水的转化率。冷却后的重整气通过水箱400的重整气入口410进入到水箱内，在水箱内，密度较大的液态水沉入水箱底部，当水量达到预设水量时，则可以从水箱的液态水出口430将液态水排出到蒸发器，而密度较小的重整气，则可以通过水箱上部的重整气出口420排出到发动机，参与发动机的制动过程。在该实施例中，第二重整气导流部件和冷却水导流部件的关系也可以采用图3所示的第一重整气导流部件和甲烷导流部件布设关系，在此不在赘述。
在本申请实施例中，如图1和图2所示，所述系统还包括第一温度传感器710、第二温度传感器720、第三温度传感器730和第四温度传感器740。其中，所述第一温度传感器710设置于所述冷却水导流部件320的冷却水入口，以检测进入中冷器的冷却水的实时温度；所述第二温度传感器720设置于所述冷却水导流部件320的冷却水出口，以检测流出中冷器的冷却水的实时温度；所述第三温度传感器730设置于所述甲烷导流部件220的甲烷入口，用于检测进入甲烷导流部件的甲烷实时温度；所述第四温度传感器740设置于所述甲烷导流部件220的甲烷出口，以检测加热后的甲烷温度。
在本申请实施例中，如图1所示，所述系统还包括第一流量阀810、第二流量阀820和第三流量阀830。其中，所述第一流量阀810设置于所述甲烷储气瓶600的甲烷出口，用于控制甲烷储气瓶流出甲烷的气体量；所述第二流量阀820设置于所述水箱400的重整气出口，用于控制流入发动机的重整气的气体量；所述第三流量阀830设置于所述中冷器300的冷却水入口，用于控制流入中冷器的冷却水量。
在本申请实施例中，如图1所示，所述系统还包括控制终端900，所述控制终端900分别与第一流量阀810、所述第二流量阀820和所述第三流量阀830连接，使得工作人员可以通过控制终端远程控制各个流量阀的工作状态。
综上可知，本实施例实现废气-甲烷重整制氢系统的能量循环利用，利用重整气的高温余热对参与重整反应的甲烷进行加热，完成正反馈循环，利用冷凝水加入重整反应，完成水循环利用，提高重整反应效率和资源利用率；并且，用外接控制终端的方式调控控制循环系统的各部分进量，提高各组资源利用率和效率；同时，本实施例将甲烷预热装置与中冷器一体化，可单独拆卸组装，也可单独使用且不影响其正常运行，可根据具体需求选择性使用。
此外，本发明实施例提供了一种发动机，所述发动机的废气出气口与图1所示的一种基于废气重整再循环的余热利用系统连接。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
Claims (10)
1.一种基于废气重整再循环的余热利用系统，其特征在于，包括：
重整器，所述重整器的废气入口用于连接发动机的第一废气出口；
预热装置，所述预热装置的重整气入口与所述重整器的重整气出口连接，所述预热装置的甲烷入口与甲烷储气瓶的甲烷出口连接，所述预热装置的甲烷出口与所述重整器的甲烷入口连接；
中冷器，所述中冷器的重整气入口与所述预热装置的重整气出口连接；
水箱，所述水箱的重整气入口与所述中冷器的重整气出口连接，所述水箱的重整气出口用于连接发动机的重整气入口。
2.根据权利要求1所述的一种基于废气重整再循环的余热利用系统，其特征在于，所述系统还包括：
蒸发器，所述蒸发器的废气入口用于连接发动机的第二废气出口，所述蒸发器的入水口与所述水箱的出水口连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于废气重整再循环的余热利用系统，其特征在于，所述预热装置包括：
第一重整气导流部件，所述第一重整气导流部件的重整气入口与所述重整器的重整气出口连接，所述第一重整气导流部件的重整气出口与所述中冷器的重整气入口连接；
甲烷导流部件，所述甲烷导流部件的甲烷入口与甲烷储气瓶的甲烷出口连接，所述甲烷导流部件的甲烷出口与所述重整器的甲烷入口连接；所述第一重整气导流部件内的气体流向与所述甲烷导流部件内的气体流向相反。
4.根据权利要求3所述的一种基于废气重整再循环的余热利用系统，其特征在于，所述中冷器包括：
第二重整气导流部件，所述第二重整气导流部件的重整气入口与所述第一重整气导流部件的重整气出口连接，所述第二重整气导流部件的重整气出口与所述水箱的重整气入口连接；
冷却水导流部件，所述冷却水导流部件内的冷却水流向与所述第二重整气导流部件内的气体流向相反。
5.根据权利要求4所述的一种基于废气重整再循环的余热利用系统，其特征在于，所述系统还包括：
第一温度传感器，所述第一温度传感器设置于所述冷却水导流部件的冷却水入口；
第二温度传感器，所述第二温度传感器设置于所述冷却水导流部件的冷却水出口。
6.根据权利要求3所述的一种基于废气重整再循环的余热利用系统，其特征在于，所述系统还包括：
第三温度传感器，所述第三温度传感器设置于所述甲烷导流部件的甲烷入口；
第四温度传感器，所述第四温度传感器设置于所述甲烷导流部件的甲烷出口。
7.根据权利要求1所述的一种基于废气重整再循环的余热利用系统，其特征在于，所述系统还包括：
第一流量阀，所述第一流量阀设置于所述甲烷储气瓶的甲烷出口；
第二流量阀，所述第二流量阀设置于所述水箱的重整气出口。
8.根据权利要求7所述的一种基于废气重整再循环的余热利用系统，其特征在于，所述系统还包括：
第三流量阀，所述第三流量阀设置于所述中冷器的冷却水入口。
9.根据权利要求8所述的一种基于废气重整再循环的余热利用系统，其特征在于，所述系统还包括：
控制终端，所述控制终端分别与第一流量阀、所述第二流量阀和所述第三流量阀连接。
10.一种发动机，其特征在于，所述发动机的废气出气口与权利要求1-9任一项所述的一种基于废气重整再循环的余热利用系统连接。
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