CN116906230B - 一种提升甲醇发动机燃料经济性的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提升甲醇发动机燃料经济性的方法，包括：将甲醇燃料的第一部分送入甲醇发动机直接燃烧，将甲醇燃料的第二部分进行催化裂解生成氢气和一氧化碳，将所述裂解生成的氢气和一氧化碳与所述甲醇发动机的第一部分排气中的二氧化碳进行逆水煤气变换反应获得氢气和一氧化碳混合气再送入甲醇发动机直接燃烧。本发明还公开了包括甲醇存储器、甲醇裂解器和逆水煤气变换反应器等实现该方法的提升甲醇发动机燃料经济性的装置。本发明可提高甲醇的燃烧能量利用，提升经济性。
Description
技术领域
本发明涉及一种甲醇发动机燃烧技术，特别是涉及一种提升甲醇发动机燃料经济性的方法及装置。
背景技术
甲醇发动机以甲醇替代发动机的传统化石燃料，在发动机缸内可以直接燃烧甲醇。甲醇燃料由于具有较大的汽化潜热，在低温环境下很难形成浓度合适的可燃混合气，且甲醇十六烷值较低、自燃温度高，不易被压燃，以上特点制约着甲醇发动机的冷起动(即发动机从熄火的状态起动)性能，导致甲醇发动机冷起动困难。所以现有技术以解决甲醇冷启动问题的方案居多。公开号为CN110273790A的中国专利公开了一种甲醇制氢作为引燃剂的甲醇发动机系统及其操作方法，依靠甲醇反应产生氢气用做引燃剂，在不需要对发动机进行结构改动的情况下实现了甲醇对柴油燃料的完全替代。
甲醇燃料与空气在发动机中燃烧，产生热量。其中，对外输出的有用功大约只有30-40％，废气带走的热量大约是30％，冷却系统带走的热量大约是30％，摩擦和辐射传热带走剩余的热量。如何提高发动机对外输出的有用功，也就是提高发动机的热效率，是当前的一大问题。
发明内容
针对上述现有技术缺陷，本发明的任务在于提供一种提升甲醇发动机燃料经济性的方法，提高甲醇的燃烧能量利用，提升经济性。本发明的另一任务在于提供一种提升甲醇发动机燃料经济性的装置。
本发明技术方案如下：一种提升甲醇发动机燃料经济性的方法，包括：将甲醇燃料的第一部分送入甲醇发动机直接燃烧，将甲醇燃料的第二部分进行催化裂解生成氢气和一氧化碳，将所述裂解生成的氢气和一氧化碳与所述甲醇发动机的第一部分排气中的二氧化碳进行逆水煤气变换反应获得氢气和一氧化碳混合气再送入甲醇发动机直接燃烧。
进一步地，为了解决甲醇发动机的冷启动问题，在所述甲醇发动机的起动阶段，将所述裂解生成氢气和一氧化碳的一部分直接送入甲醇发动机进行燃烧。
进一步地，所述甲醇发动机的排气与所述甲醇燃料的第二部分进行热交换用于加热所述甲醇燃料的第二部分，所述甲醇燃料的第二部分被加热后再进行所述催化裂解。
进一步地，所述甲醇发动机的第一部分排气与所述甲醇燃料的第二部分进行热交换用于加热所述甲醇燃料的第二部分，所述热交换后的甲醇发动机的第一部分排气再进行所述逆水煤气变换反应。
进一步，为了控制甲醇发动机的碳排放，所述甲醇发动机的排气用于驱动涡轮机，所述涡轮机带动压气机转动对除所述第一部分排气外的甲醇发动机的排气中的二氧化碳进行压缩再由二氧化碳存储罐存储。
本发明的另一技术方案是：一种提升甲醇发动机燃料经济性的装置，包括甲醇存储器、甲醇裂解器和逆水煤气变换反应器，所述甲醇存储器的出口端分别连接至甲醇发动机和所述甲醇裂解器的入口端，所述甲醇发动机的排气端通过管路连接至所述逆水煤气变换反应器的入口端将所述甲醇发动机的第一部分排气中的二氧化碳引入所述逆水煤气变换反应器，所述甲醇裂解器的出口端与所述逆水煤气变换反应器的入口端连接，所述逆水煤气变换反应器的出口端连接至所述甲醇发动机。
进一步地，所述甲醇裂解器的出口端通过单向阀连接至所述甲醇发动机。
进一步地，包括第一换热器，所述甲醇存储器的出口端与所述甲醇裂解器的入口端之间设置所述第一换热器，所述甲醇发动机的排气端与所述逆水煤气变换反应器的入口端之间设置所述第一换热器，所述第一换热器用于使甲醇发动机的排气与甲醇燃料热交换以加热所述甲醇燃料。通过换热器对甲醇发动机的排气的一部分热量进行利用，提升能量利用率。
进一步地，包括第一涡轮机、压气机和二氧化碳存储罐，所述第一涡轮机设置在所述甲醇发动机的排气端与所述第一换热器之间由所述甲醇发动机的排气驱动，所述第一压气机与所述第一涡轮机共轴设置，所述第一涡轮机驱动所述压气机，所述甲醇发动机的排气中的二氧化碳由所述压气机压缩再由所述二氧化碳存储罐存储。
进一步地，包括第二涡轮机，所述第二涡轮机与所述第一涡轮机共轴设置，所述第一涡轮机和所述第二涡轮机共同驱动所述压气机，所述甲醇发动机的排气在进入所述第一换热器前先进入所述第二涡轮机并驱动所述第二涡轮机转动。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明将一部分甲醇送入发动机正常燃烧，释放出CO2，而另一部分甲醇送入甲醇裂解器进行催化裂解，生成H2和CO。甲醇燃烧生成的一部分CO2又与甲醇裂解生成的H2进行逆水煤气变换反应，获得H2和CO的混合气。随后，H2和CO的混合气再次送入发动机进行燃烧。如此利用了甲醇发动机的部分排气所损失的能量，提高了甲醇发动机的燃油经济性。另外利用甲醇发动机的部分排气的动能对排气的CO2进行捕集，使CO2捕集与催化转化工艺相耦合，充分利用甲醇发动机排气的热量并实现甲醇发动机的低碳排放。
附图说明
图1为实施例的提升甲醇发动机燃料经济性的装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
请结合图1所示，本实施例所涉及的一种提升甲醇发动机燃料经济性的装置主要包括甲醇存储器1、甲醇裂解器2和逆水煤气变换反应器3。
甲醇存储器1用于存储甲醇以供甲醇发动机4燃烧。甲醇存储器1的出口端通过第一单向阀5连接至雾化器6，雾化器6再连接至甲醇发动机4。甲醇存储器1的出口端还通过第二单向阀7后连接至第一换热器8的冷媒入口，冷媒出口通过第三单向阀9连接至甲醇裂解器2的入口端。
甲醇裂解器2中设置Pt、Pd、Rh或Ru贵金属催化剂或者含Ce、Mn、Cu或Co的非贵金属催化剂用于甲醇裂解反应生成氢气和一氧化碳。甲醇裂解器2的出口分两路连接，一路通过第四单向阀10连接至逆水煤气变换反应器3的入口端，另一路只连接第五单向阀11。
逆水煤气变换反应器3的出口端通过第六单向阀12与甲醇裂解器2设置第五单向阀11的一路合并再通过第七单向阀13连接至甲醇发动机4，应当指出的是，逆水煤气变换反应器3的出口端也可以通过第六单向阀12单独连接至甲醇发动机4，同时甲醇裂解器2设置第五单向阀11的一路也单独连接至甲醇发动机4。
甲醇发动机4的排气分两路连接，其中一路连接至第二涡轮机14的入口，再由第二涡轮机14的出口连接至第一换热器8的热媒入口，第一换热器8的热媒出口通过第一净化装置15连接至逆水煤气变换反应器3的入口端。第一净化装置15可采用膜分离装置，主要用于分离出排气中的氮气和水，使高浓度的CO2进入逆水煤气变换反应器3。
甲醇发动机4的排气的另一路则连接至第一涡轮机16的入口，再由第一涡轮机16的出口连接至第二换热器17的热媒入口，第二换热器17的热媒出口通过第二净化装置18连接至第一压气机19。其中第一涡轮机16与第二涡轮机14及第一压气机19共轴，甲醇发动机4的排气可分别驱动第一涡轮机16和第二涡轮机14运作，同时由第一涡轮机16与第二涡轮机14共同驱动第一压气机19对排气进行压缩。第二净化装置18主要用于脱除排气中的水和甲醇蒸汽等杂质，使排气中的CO2浓度更高。应当指出的是，甲醇发动机4的排气的一路经过第一换热器8的目的是加热甲醇以便进行裂解反应，因此也可以将第一换热器8设置为两路热媒通路，由两路甲醇发动机4的排气共同对甲醇进行加热。
在第一压气机19后可通过第三换热器20对一次压缩的排气进行换热，再串联由车辆制动系统连接驱动的第二压气机21进行二级压缩。也可以理解的是，并不限制为两级压缩，可以根据所需CO2的压力确定多级压缩机组的级数。在第二压气机21后通过单向阀连接多个CO2存储罐，CO2存储罐为可拆卸式，且为多个CO2存储罐并联布置，可以根据车辆的实际空间来确定CO2存储罐的个数。另外第二压气机21后也可设置一个排空通路以直接排出CO2。本实施例中，第二压气机21的出口分别连接第八单向阀22和第九单向阀23，第八单向阀22后通过第十单向阀24连接第一CO2存储罐26，通过第十一单向阀25连接第二CO2存储罐27，第九单向阀23连接的则为排空通路。
上述提升甲醇发动机4燃料经济性的装置在提升甲醇发动机4燃料经济性的同时还可以对甲醇发动机4排气中CO2原位转化与捕集，具体的过程是这样的：
甲醇存储器1中的第一部分甲醇经过第一单向阀5、雾化器6后进入甲醇发动机4燃烧，生成富含CO2和H2O的排气，甲醇发动机4的第一部分排气(为甲醇发动机4排气中抽取一部分，具体抽取量可根据实际工况调节)经第二涡轮机14做功后从热媒入口进入第一换热器8换热再从第一换热器8的热媒出口排出。然后进入第一净化装置15脱除排气中的氮气和水，此时排气的主要成分是CO2和少量甲醇蒸汽，这些成分一起进入逆水煤气变换反应器3。
甲醇存储器1中的第二部分甲醇经过第二单向阀7后从冷媒入口进入第一换热器8，再第一换热器8中，甲醇被甲醇发动机4的第一部分排气所加热，然后经过第三单向阀9进入甲醇裂解器2，在催化剂的作用下裂解成H2和CO。甲醇裂解器2中的温度为200-800℃，压力由进入甲醇裂解器2内的甲醇蒸气的压力决定，通常是常压或者微正压。当甲醇发动机4处于冷启动时，甲醇裂解器2产生的H2和CO可以通过第五单向阀11和第七单向阀13通入甲醇发动机4作为引燃剂帮助甲醇稳定燃烧。在甲醇发动机4稳定状态下，甲醇裂解器2产生的H2和CO通过第四单向阀10进入逆水煤气变换反应器3。
逆水煤气变换反应器3中的催化剂为Pt、Pd、Rh或Ru贵金属催化剂或者含Ce、Mn、Cu或Co的非贵金属催化剂。进入逆水煤气变换反应器3的主要含有CO2和少量甲醇蒸汽的排气与甲醇裂解器2产生的H2和CO进行逆水煤气变换反应，逆水煤气变换反应器3的温度为400-800℃，压力由进入逆水煤气变换反应器3内的混合气体的压力决定，通常是常压或者微正压。其最终获得主要成分是H2和CO的混合气，这部分混合气经第六单向阀12和第七单向阀13再进入甲醇发动机4进行燃烧。
除了第一部分排气外的其余甲醇发动机4的排气则进入第一涡轮机16以驱动涡轮机转动，由第一涡轮机16排出的排气经过第二换热器17换热，再由第二净化器净化脱除排气中的H2O、甲醇蒸汽等杂质，获得高浓度CO2。高浓度的CO2通过第一压气机19压缩经过第三换热器20换热再进入第二压气机21压缩，然后向第一CO2存储罐、第二CO2存储罐存储。第二换热器17和第三换热器20吸收的热量可用于预热甲醇存储器1输出的甲醇。当一个CO2存储罐达到设定压力后，自动切换到下一个CO2存储罐，同时驾驶员可前往指定地点更换空CO2存储罐。如果所有CO2存储罐都达到了设定压力，第八单向阀22关闭，第九单向阀23打开，直接排入大气。
对上述过程经济性验证，假设甲醇存储器1中装有60mol甲醇，甲醇发动机4的热效率是40％，也就是甲醇或者H2和CO掺混的甲醇燃烧释放的能量中只有40％会转化成车辆的动能，排气带走的能量为甲醇燃烧释放总能量的30％。
现有技术方案中甲醇全部直接用于甲醇发动机4燃烧。产生以下反应
CH3OH+1.5O2→CO2+2H2OΔH＝-676.24kJ/mol
通过甲醇燃烧能转换为车辆的动能为：60×676.24×40％＝16229.8kJ。
采用本实施例的方法，甲醇存储器1中的部分甲醇进入甲醇发动机4进行燃烧，剩余甲醇进入甲醇裂解器2进行裂解成H2和CO，随后H2与CO2通过逆水煤气变换反应器3重整成CO，H2和CO最后进入甲醇发动机4燃烧。
假设甲醇存储器1中90％的甲醇进入甲醇发动机4，10％的甲醇进入甲醇裂解器2。
产生的所有反应如下
CH3OH+1.5O2→CO2+2H2OΔH＝-676.24kJ/mol
CH3OH→CO+2H2ΔH＝+90.242kJ/mol
H2+CO2→CO+H2OΔH＝+41.154kJ/mol
O2+2CO→2CO2ΔH＝-565.86kJ/mol
2H2+O2→2H2OΔH＝-483.552kJ/mol
通过甲醇燃烧能转换为车辆的动能为：60×90％×676.24×40％＝14606.8kJ，生成CO2：60×90％＝54mol。
10％的甲醇进入甲醇裂解器2，假设裂解效率是100％，则生成CO：60×10％＝6mol，生成H2：60×10％×2＝12mol，进行甲醇裂解反应需要输入的能量：60×10％×90.242＝541.5kJ。
H2和CO进入逆水煤气变换反应器3，与CO2发生逆水煤气变换反应，假设反应效率是90％，则生成CO：12×90％＝10.8mol，进行逆水煤气变换反应需要输入的能量：12×90％×41.154＝444.5kJ，需要输入CO2：12×90％＝10.8mol，该值远小于90％的甲醇进入甲醇发动机4燃烧所生成的CO2(～54mol)。
通过甲醇裂解器2和逆水煤气变换反应器3，最终可以获得CO：6+10.8＝16.8mol，最终可以获得H2：12-12×90％＝1.2mol，需要输入的能量：541.5+444.5＝986kJ，而90％的甲醇进入甲醇发动机4燃烧后，排气能带走的热量：60×90％×676.24×30％＝10955.1kJ，该数值远大于需要输入的能量。
通过CO和H2燃烧能转换为车辆的动能为：(16.8×0.5×565.86+1.2×0.5×483.552)×40％＝2017.3kJ。
通过90％甲醇燃烧和10％甲醇转换成CO和H2燃烧能转换为车辆的动能为：14606.8+2017.3＝16624.1kJ。
由上述计算可只，实施例方法能够转换的动能(～16624.1kJ)大于现有技术全部直接燃烧能够转换的动能(～16229.8kJ)，因此采用本发明可以增加甲醇发动机4的燃料经济性，提高燃油里程数。
Claims (7)
1.一种提升甲醇发动机燃料经济性的方法，其特征在于，包括：将甲醇燃料的第一部分送入甲醇发动机直接燃烧，将甲醇燃料的第二部分进行催化裂解生成氢气和一氧化碳，将所述裂解生成的氢气和一氧化碳与所述甲醇发动机的第一部分排气中的二氧化碳进行逆水煤气变换反应获得氢气和一氧化碳混合气再送入甲醇发动机直接燃烧，所述甲醇燃料的第二部分被加热后再进行所述催化裂解，所述甲醇发动机的第一部分排气与所述甲醇燃料的第二部分进行热交换用于加热所述甲醇燃料的第二部分，所述热交换后的甲醇发动机的第一部分排气再进行所述逆水煤气变换反应。
2.根据权利要求1所述的提升甲醇发动机燃料经济性的方法，其特征在于，在所述甲醇发动机的起动阶段，将所述裂解生成氢气和一氧化碳的一部分直接送入甲醇发动机进行燃烧。
3.根据权利要求1所述的提升甲醇发动机燃料经济性的方法，其特征在于，所述甲醇发动机的排气用于驱动涡轮机，所述涡轮机带动压气机转动对除所述第一部分排气外的甲醇发动机的排气中的二氧化碳进行压缩再由二氧化碳存储罐存储。
4.一种提升甲醇发动机燃料经济性的装置，其特征在于，包括甲醇存储器、甲醇裂解器、第一换热器和逆水煤气变换反应器，所述甲醇存储器的出口端分别连接至甲醇发动机和所述甲醇裂解器的入口端，所述甲醇发动机的排气端通过管路连接至所述逆水煤气变换反应器的入口端将所述甲醇发动机的第一部分排气中的二氧化碳引入所述逆水煤气变换反应器，所述甲醇裂解器的出口端与所述逆水煤气变换反应器的入口端连接，所述逆水煤气变换反应器的出口端连接至所述甲醇发动机，所述甲醇存储器的出口端与所述甲醇裂解器的入口端之间设置所述第一换热器，所述甲醇发动机的排气端与所述逆水煤气变换反应器的入口端之间设置所述第一换热器，所述第一换热器用于使甲醇发动机的排气与甲醇燃料热交换以加热所述甲醇燃料。
5.根据权利要求4所述的提升甲醇发动机燃料经济性的装置，其特征在于，所述甲醇裂解器的出口端通过单向阀连接至所述甲醇发动机。
6.根据权利要求4所述的提升甲醇发动机燃料经济性的装置，其特征在于，包括第一涡轮机、压气机和二氧化碳存储罐，所述第一涡轮机设置在所述甲醇发动机的排气端与所述第一换热器之间由所述甲醇发动机的排气驱动，所述第一压气机与所述第一涡轮机共轴设置，所述第一涡轮机驱动所述压气机，所述甲醇发动机的排气中的二氧化碳由所述压气机压缩再由所述二氧化碳存储罐存储。
7.根据权利要求6所述的提升甲醇发动机燃料经济性的装置，其特征在于，包括第二涡轮机，所述第二涡轮机与所述第一涡轮机共轴设置，所述第一涡轮机和所述第二涡轮机共同驱动所述压气机，所述甲醇发动机的排气在进入所述第一换热器前先进入所述第二涡轮机并驱动所述第二涡轮机转动。
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