CN116892471A - 一种适用于船用甲醇发动机的在线重整制氢与co2分离装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种适用于船用甲醇发动机的在线重整制氢与CO2分离装置，甲醇储存罐连接甲醇供给泵，水储存罐连接水供给泵，甲醇供给泵和水供给泵均连接混合装置，混合装置通过原料供给泵连接过热器，过热器、甲醇水蒸汽重整反应器、CO2催化分解反应器换热器依次连接，CO2催化分解反应器换热器通过换热器连接气液分离装置，气液分离装置分别连接混合装置和甲醇发动机的进气管，甲醇发动机的排气管连接余热利用装置，余热利用装置分别连接过热器、甲醇水蒸汽重整反应器和CO2催化分解反应器换热器。本发明基于甲醇重整制氢、CO2催化分解技术，能达到优化发动机燃烧过程降低船舶CO2排放的目的。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种甲醇重整制氢、CO2分离装置，具体地说是船舶甲醇重整制氢、CO2分离装置。
背景技术
2018年国际海事组织制定了航运业碳减排初步战略：到2030年，将每项运输工作的二氧化碳排放量平均减少40％，与2008年相比，力争到2050年减少70％；尽快实现国际航运温室气体排放峰值，并在2050年前将温室气体年总排放量比2008年减少至少50％。
甲醇应用到船舶上不仅能大幅减少船舶的硫氧化物SOx、氮氧化物NOx和颗粒物PM的排放，还能在一定程度上减少CO2的排放付建强.船用甲醇燃料现状及发展趋势[J].船舶物资与市场,2022,30(08):11-13.，可能是实现船舶减排目标的最佳替代性燃料[1]曲保智,杨溢,田宇.船舶减排技术的现状与发展趋势[J].中国水运,2022(03):18-22.。
甲醇内燃机掺烧氢气，能够改善缸内燃烧质量，降低CO2排放。然而氢气面临着储运、安全方面的问题，难以直接应用到内燃机上。
甲醇燃料具有较低的重整温度，有希望利用发动机的尾气余热辅助进行甲醇重整制氢，而不消耗额外的能量。主要的重整制氢方法有3种Garcia G,Arriola E,Chen W H,etal.A comprehensive review of hydrogen production from methanol thermochemicalconversion for sustainability[J].Energy,2021,217:119384.：水蒸汽重整150-350℃、部分氧化重整30-450℃、自热重整200-550℃。
虽然甲醇重整产生的氢气用于发动机燃烧能够优化发动机的燃烧过程，但是重整过程中也会产生CO2。将重整过程中产生的CO2脱除能进一步降低CO2排放。
在申请号为202110057274.4的专利《基于甲醇水蒸汽重整制氢的柴油机废气余热回收利用系统》中，主要公开了一种基于甲醇水蒸气重整制氢的船用柴油机废气余热回收与综合利用系统，该发明实现的废气余热的回收与利用，但是未涉及CO2的分离。
常见的CO2的分离技术张磊.化学吸收法碳捕集过程能量集成[D].大连理工大学,2020.主要有3种方式：化学法、吸附法和膜分离法。
然而目前基于化学法、吸附法和膜分离法的船用CO2分离系统或船用碳捕集系统一般相对复杂，在船舶上进行二氧化碳捕集会增加额外的能量消耗，并且会占据大量的船上空间。王立健,曹林,魏志威.船舶碳捕集技术应用前景与展望[J].中国船检,2020(11):66-71.
许多研究表明尖晶石结构铁酸盐用H2还原后均可分解CO2为C马令娟.铁酸盐的H2还原和CO2分解反应的研究[D].浙江大学,2008.。除此以外，一些研究人员认为非钙钛矿型金属氧化物比如SrFeCo0.5Ox催化分解CO2的潜力更大Kim S H,Jang J T,Sim J,etal.Carbon dioxide decomposition using SrFeCo0.5Ox,a nonperovskite-type metaloxide[J].Journal of CO2 Utilization,2019,34:709-715.。
综上所述，利用甲醇重整制氢产生的氢气能够优化发动机的燃烧过程，但是重整过程中仍会排放CO2，而直接催化CO2分解为C能够脱除这部分CO2。
发明内容
本发明的目的在于提供基于甲醇重整制氢、CO2催化分解技术，达到优化发动机燃烧过程降低船舶CO2排放等目的的一种适用于船用甲醇发动机的在线重整制氢与CO2分离装置。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种适用于船用甲醇发动机的在线重整制氢与CO2分离装置，其特征是：包括甲醇储存罐、水储存罐、过热器、甲醇水蒸汽重整反应器、CO2催化分解反应器换热器、气液分离装置、甲醇发动机、余热利用装置，甲醇储存罐连接甲醇供给泵，水储存罐连接水供给泵，甲醇供给泵和水供给泵均连接混合装置，混合装置通过原料供给泵连接过热器，过热器、甲醇水蒸汽重整反应器、CO2催化分解反应器换热器依次连接，CO2催化分解反应器换热器通过换热器连接气液分离装置，气液分离装置分别连接混合装置和甲醇发动机的进气管，甲醇发动机的排气管连接余热利用装置，余热利用装置分别连接过热器、甲醇水蒸汽重整反应器和CO2催化分解反应器换热器。
本发明还可以包括：
1、甲醇水蒸汽重整反应器进行甲醇的水蒸汽重整反应产生富氢合成气H2+CO2，发生的反应包括：
CH3OH→CO+2H2
CH3OH+H2O→3H2+CO2。
2、CO2催化分解反应器将CO2催化分解为碳，发生的反应包括：
2Fe2+→2Fe3++2e-
CO2+2e-→CO+O2-
CO+2e-→C+O2-。
本发明的优势在于：
1、将甲醇水蒸汽重整制氢技术和CO2催化分解技术相结合，降低了制氢过程的CO2排放，并且理想情况下CO2排放为零。
2、利用高温尾气进行甲醇水蒸汽重整和CO2催化分解，理想情况下不需要额外的能量输入，实现了尾气的余热利用。
3、采用CO2催化分解进行CO2分离，与传统的CO2分离系统相比船上安装的空间需求更小。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1，本发明主要包括：甲醇储存罐1、水储存罐2、甲醇供给泵3、水供给泵4、混合装置5、原料供给泵6、过热器7、甲醇水蒸汽重整反应器8、CO2催化分解反应器9、换热器10、余热利用装置11、气液分离装置12、发动机排气管13、发动机进气管14、甲醇发动机15。
甲醇储存罐1在船上储存甲醇。水储存罐2在船上储存水。甲醇供给泵3为所述混合装置5提供甲醇。水供给泵4为所述混合装置5提供水。混合装置5将所述甲醇供给泵3、水供给泵4和气液分离装置12提供的甲醇和水等原料进行充分混合。原料供给泵6，将所述混合装置5混合充分的原料泵送至所述过热器7。过热器7利用所述余热利用装置11提供的热量将液态原料加热至气态。
甲醇水蒸汽重整反应器8进行甲醇的水蒸汽重整反应产生富氢合成气H2+CO2，发生的主要反应包括：
CH3OH→CO+2H2 (1-1)
CH3OH+H2O→3H2+CO2 (1-3)
CO2催化分解反应器9将CO2催化分解为碳，发生的主要反应包括：
2Fe2+→2Fe3++2e- (2-1)
CO2+2e-→CO+O2- (2-2)
CO+2e-→C+O2- (2-3)
换热器10对来自所述CO2催化分解反应器9的混合气体进行降温。
余热利用装置11回收利用尾气余热，并为所述过热器7、甲醇水蒸汽重整反应器8、CO2催化分解反应器9提供反应所需的热量。
气液分离装置12将未反应的水和甲醇与H2分离。
发动机排气管13为所述甲醇发动机15的排气管。
发动机进气管14为所述甲醇发动机15的进气管。
甲醇发动机15为燃用甲醇燃料的发动机。
本发明通过下述方法实现：第一步，甲醇燃料在进入发动机前重整为富氢合成气H2+CO2；第二步，分离CO2和H2，CO2以固体碳的形式储存在船上，H2用作发动机的燃料。
第一步是这样实现的：
甲醇储存罐1和水储存罐2分别将甲醇和水储存在船上，甲醇供给泵3和水供给泵4分别将适量的甲醇和水泵送至混合装置5，甲醇和水在混合装置5中进行充分混合，混合后的液态混合物由原料供给泵6泵送至过热器7，过热器7利用余热利用装置11提供的热量将液态混合物加热至气态混合物，随后气态混合物由过热器7进入甲醇水蒸汽重整反应器8，随后甲醇水蒸汽重整反应器8利用余热利用装置11提供的热量产生富氢合成气H2+CO2。
第二步是这样实现的：
甲醇水蒸汽重整反应器8产生的富氢合成气H2+CO2进入CO2催化分解反应器9，CO2催化分解反应器9利用余热利用装置11提供的热量将CO2催化分解为C，随后分离CO2之后的合成气进入换热器10，分离CO2之后的合成气在换热器10中进行降温，然后气液分离装置12将未反应的甲醇和水分离至混合装置5，最后H2入发动机进气管14。
Claims (3)
1.一种适用于船用甲醇发动机的在线重整制氢与CO2分离装置，其特征是：包括甲醇储存罐、水储存罐、过热器、甲醇水蒸汽重整反应器、CO2催化分解反应器换热器、气液分离装置、甲醇发动机、余热利用装置，甲醇储存罐连接甲醇供给泵，水储存罐连接水供给泵，甲醇供给泵和水供给泵均连接混合装置，混合装置通过原料供给泵连接过热器，过热器、甲醇水蒸汽重整反应器、CO2催化分解反应器换热器依次连接，CO2催化分解反应器换热器通过换热器连接气液分离装置，气液分离装置分别连接混合装置和甲醇发动机的进气管，甲醇发动机的排气管连接余热利用装置，余热利用装置分别连接过热器、甲醇水蒸汽重整反应器和CO2催化分解反应器换热器。
2.根据权利要求1所述的一种适用于船用甲醇发动机的在线重整制氢与CO2分离装置，其特征是：甲醇水蒸汽重整反应器进行甲醇的水蒸汽重整反应产生富氢合成气H2+CO2，发生的反应包括：
CH3OH→CO+2H2
CH3OH+H2O→3H2+CO2。
3.根据权利要求1所述的一种适用于船用甲醇发动机的在线重整制氢与CO2分离装置，其特征是：CO2催化分解反应器将CO2催化分解为碳，发生的反应包括：
2Fe2+→2Fe3++2e-
CO2+2e-→CO+O2-
CO+2e-→C+O2-。
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