RU2046979C1

RU2046979C1 - System for utilizing heat of exhaust gases in internal combustion engine

Info

Publication number: RU2046979C1
Application number: SU925037595A
Authority: RU
Inventors: Василий Алексеевич Звонов; Виктор Иванович Черных; Виталий Юрьевич Баранов; Игорь Анатольевич Муза; Наталия Николаевна Ушакова
Original assignee: Луганский Машиностроительный Институт
Priority date: 1992-04-15
Filing date: 1992-04-15
Publication date: 1995-10-27

Abstract

FIELD: engine engineering. SUBSTANCE: heat is regenerated in a catalytic reactor- heat-exchanger for obtaining hydrogen containing gasified fuel from methanol. The heat utilization is complex. EFFECT: enhanced efficiency. 5 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к энергетике, в частности к конструкции систем утилизации теплоты отработавших газов двигателей внутреннего сгорания на электростанциях, и может быть использовано на электростанциях небольшой мощности в малых населенных пунктах или на предприятиях. The invention relates to energy, in particular to the design of systems for the utilization of heat of exhaust gases of internal combustion engines in power plants, and can be used in power plants of small capacity in small towns or enterprises.

Известна система утилизации теплоты отработавших газов двигателя внутреннего сгорания (карбюраторного дизеля или турбины), состоящая из двигателя и реактора, в котором в результате эндотермической реакции:
CH₃OH ->> CO + 2H₂ Q_y происходит конверсия метанола в водородсодержащее газовое топливо. В результате термокаталитического преобразования исходного топлива его низшая теплота сгорания увеличивается приблизительно на 12%
Использование продуктов конверсии метанола с высоким содержанием водорода в качестве топлива позволяет повысить эффективный КПД двигателя приблизительно на 12% и снизить токсичность отработавших газов. Такое повышение эффективного КПД эквивалентно утилизации теплоты отработавших газов путем ее термохимической регенерации в цикл.A known system for utilizing the heat of exhaust gases of an internal combustion engine (carburetor diesel or turbine), consisting of an engine and a reactor, in which as a result of an endothermic reaction:
CH ₃ OH - >> CO + 2H ₂ Q _y methanol is converted to hydrogen-containing gas fuel. As a result of the thermocatalytic conversion of the initial fuel, its lower calorific value increases by approximately 12%
The use of methanol conversion products with a high hydrogen content as a fuel makes it possible to increase the effective engine efficiency by approximately 12% and reduce the toxicity of exhaust gases. Such an increase in effective efficiency is equivalent to the utilization of the heat of the exhaust gases by means of its thermochemical regeneration into the cycle.

Недостатком данной системы утилизации теплоты отработавших газов двигателя является то, что только 30-40% теплоты, теряемой с отработавшими газами, возможно регенерировать в цикл, хотя потенциальная возможность регенерации составляет 60%
В качестве прототипа выбрана система утилизации теплоты отводимой от дизеля с жидкостным охлаждением, которая содержит два последовательно включенных теплообменника [1] В первый поступает нагретая жидкость из системы охлаждения двигателя, где дополнительно нагревается отработавшими газами и далее направляется во второй теплообменник. В нем происходит отдача теплоты воды из внешнего контура, подаваемой рециркуляционным насосом. При малой потребности в горячей воде часть нагретой охлаждающей жидкости из двигателя направляется вместо первого теплообменника к радиатору для охлаждения.The disadvantage of this engine exhaust heat recovery system is that only 30-40% of the heat lost with the exhaust gas can be regenerated in a cycle, although the potential regeneration is 60%
As a prototype, a system was selected for utilizing heat removed from a liquid-cooled diesel engine, which contains two heat exchangers connected in series [1]. The first is heated fluid from the engine cooling system, where it is additionally heated by exhaust gases and then sent to the second heat exchanger. In it, the heat of water is transferred from the external circuit supplied by the recirculation pump. With a low demand for hot water, part of the heated coolant from the engine is directed instead of the first heat exchanger to the radiator for cooling.

Недостатком данной системы утилизации теплоты отработавших газов, помимо значительных потерь тепла, является то, что токсичность выхлопа дизельных двигателей, работающих на топливе нефтяного происхождения, остается без изменений. The disadvantage of this exhaust gas heat recovery system, in addition to significant heat losses, is that the toxicity of exhaust from diesel engines using petroleum-derived fuels remains unchanged.

Известно, что при сжигании 1 кг дизельного топлива в атмосферу выбрасывается 40-50 г оксидов азота, до 15 г сажи, которая адсорбирует на своей поверхности канцерогенные вещества, а также оксиды серы, углерода и углеводороды. При этом надо учесть, что дизельные электростанции работают практически круглосуточно. It is known that when 1 kg of diesel fuel is burned, 40-50 g of nitrogen oxides are emitted into the atmosphere, up to 15 g of soot, which adsorbs carcinogens on its surface, as well as sulfur, carbon oxides and hydrocarbons. It should be borne in mind that diesel power plants operate almost around the clock.

Техническим результатом при осуществлении изобретения является снижение токсичных выбросов в атмосферу и экономия топлива нефтяного происхождения, а также более полное использование теплоты отработавших газов. The technical result in the implementation of the invention is to reduce toxic emissions into the atmosphere and fuel economy of petroleum origin, as well as a more complete use of the heat of the exhaust gases.

Для этого в системе утилизации теплоты отработавших газов, содержащей двигатели внутреннего сгорания с генераторами электроэнергии и последовательно включенные теплообменные аппараты для нагрева воды, предусмотрены следующие отличия: по меньшей мере один из теплообменников выполнен в виде реактора конверсии углеводородного топлива в водородсодержащий газ путем термохимической регенерации теплоты отработавших газов одного из двигателей. To do this, the following differences are provided in the exhaust gas heat recovery system containing internal combustion engines with electric power generators and successively connected heat exchangers for heating water: at least one of the heat exchangers is made in the form of a reactor for converting hydrocarbon fuel into a hydrogen-containing gas by thermochemical regeneration of exhaust heat gases of one of the engines.

Из теплового баланса двигателя известно, что с отработавшими газами уходит 30-40% тепла, внесенного с топливом. В результате термохимической регенерации теплоты отработавших газов низшая теплота сгорания исходного топлива (метанола) увеличивается на 12% для чего потребуется от 40 до 30% теплоты, уносимой с отработавшими газами. From the heat balance of the engine it is known that with exhaust gases 30-40% of the heat introduced with the fuel is consumed. As a result of thermochemical regeneration of the heat of the exhaust gases, the net calorific value of the initial fuel (methanol) increases by 12%, which will require from 40 to 30% of the heat carried away with the exhaust gas.

В то же время возможна утилизация до 60% тепла отработавших газов. Поэтому один двигатель с реактором конверсии метанола может обеспечить газовым водородсодержащим топливом себя и еще один двигатель (60/30 2). At the same time, it is possible to utilize up to 60% of the heat of the exhaust gases. Therefore, one engine with a methanol conversion reactor can provide itself with hydrogen gas fuel and one more engine (60/30 2).

Известно, что адиабатные двигатели теряют с отработавшими газами до 60% теплоты, вносимой с топливом. Это дает возможность обеспечить продуктами конверсии три двигателя (при этом для увеличения низшей теплоты сгорания исходного топлива на 12% для одного двигателя потребуется только 20% тепла, унесенного с отработавшими газами). It is known that adiabatic engines with exhaust gases lose up to 60% of the heat introduced with the fuel. This makes it possible to provide three engines with conversion products (in this case, to increase the lower calorific value of the initial fuel by 12%, only 20% of the heat carried out with the exhaust gases will be required for one engine).

Второе отличие заключается в том, что по меньшей мере один из двигателей, связанный выхлопом с каталитическим реактором конверсии углеводородного топлива, выполнен адиабатическим. The second difference is that at least one of the engines connected by the exhaust to the catalytic reactor for the conversion of hydrocarbon fuels is adiabatic.

Третье отличие заключается в том, что в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания используется водородсодержащий газ. The third difference is that hydrogen-containing gas is used as fuel for internal combustion engines.

Четвертое отличие заключается в том, что система снабжена теплообменником накопителем, связанным с каталитическим реактором и магистралью подачи проточной воды. The fourth difference is that the system is equipped with a heat exchanger drive associated with a catalytic reactor and a flow line for running water.

Пятое отличие заключается в том, что система снабжена баллонами со сжатым синтез-газом, подсоединенным к впускным патрубкам двигателя внутреннего сгорания. The fifth difference is that the system is equipped with compressed synthesis gas cylinders connected to the inlet pipes of the internal combustion engine.

На чертеже изображена схема системы утилизации теплоты отработавших газов двигателей внутреннего сгорания на электростанциях. The drawing shows a diagram of a system for utilizing the heat of exhaust gases of internal combustion engines in power plants.

Предлагаемая система утилизации теплоты отработавших газов двигателей внутреннего сгорания на электростанциях состоит из двух или трех (если один из них адиабатный) двигателей 1-3, метанольного бака 4, насоса 5 для подачи метанола в реактор 6, накопителя 7 продуктов конверсии, теплообменника 8, баллонов высокого давления 9 и компрессора 10. The proposed exhaust gas heat recovery system for internal combustion engines in power plants consists of two or three (if one of them is adiabatic) engines 1-3, methanol tank 4, pump 5 for supplying methanol to reactor 6, storage 7 of conversion products, heat exchanger 8, cylinders high pressure 9 and compressor 10.

Система утилизации теплоты отработавших газов двигателей внутреннего сгорания на электростанциях работает следующим образом. The system for utilizing the heat of exhaust gases of internal combustion engines in power plants works as follows.

Для запуска двигателя 1 (простого или адиабатного) используются продукты конверсии метанола или синтез-газ метанольного производства из пакета баллонов 9. To start the engine 1 (simple or adiabatic), methanol conversion products or methanol synthesis gas from a package of cylinders 9 are used.

Отработавшие газы от двигателя 1 поступают в реактор 6. The exhaust gases from the engine 1 enter the reactor 6.

При достижении необходимой температуры катализатора в реактор 6 из бака 4 насосом 5 подается метанол, который в присутствии катализатора подвергается диссоциации на С и Н₂.When the required temperature of the catalyst is reached, methanol is pumped into the reactor 6 from the tank 4 by the pump 5, which in the presence of the catalyst undergoes dissociation into C and H ₂ .

Количество подаваемого метанола соответствует количеству работающих двигателей (два обычных или три, если один из них адиабатный). The amount of methanol supplied corresponds to the number of working engines (two conventional or three if one of them is adiabatic).

Продукты конверсии метанола поступают в накопитель 7, являющийся одновременно теплообменником, а затем поступают в двигатели 1-3. Снижение температуры продуктов конверсии способствует повышению коэффициента наполнения в двигателе. Methanol conversion products enter the accumulator 7, which is also a heat exchanger, and then enter the engines 1-3. Lowering the temperature of the conversion products increases the fill factor in the engine.

Продукты конверсии охлаждаются в накопителе водой, которая затем направляется в теплообменник 8 и дополнительно нагревается там теплом отработавших газов от двигателей 2-3, после чего поступает потребителю (система парового отопления и т.д.). The conversion products are cooled in the drive with water, which is then sent to the heat exchanger 8 and is additionally heated there with exhaust gas heat from engines 2-3, after which it is supplied to the consumer (steam heating system, etc.).

Отработавшие газы, выходящие из теплообменника 8 и реактора 6, отдав большую часть тепла, выбрасываются в атмосферу. The exhaust gases leaving the heat exchanger 8 and the reactor 6, having given up most of the heat, are released into the atmosphere.

Использование предлагаемой системы утилизации теплоты отработавших газов двигателей внутреннего сгорания на электростанциях обеспечивает по сравнению с прототипом следующие преимущества:
снижение выбросов токсических веществ с отработавшими газами за счет возможности создания малотоксичного рабочего процесса;
экономия нефтяного топлива за счет использования продуктов конверсии углеводородных топлив;
более полное использование теплоты отработавших газов ДВС, направленных на получение продуктов конверсии углеводородного топлива.Using the proposed system for utilizing the heat of exhaust gases of internal combustion engines in power plants provides the following advantages compared to the prototype:
reduction of emissions of toxic substances with exhaust gases due to the possibility of creating a low-toxic working process;
saving fuel oil through the use of hydrocarbon fuel conversion products;
fuller use of the heat of exhaust gases of internal combustion engines aimed at obtaining the products of the conversion of hydrocarbon fuels.

Claims

1. SYSTEM OF DISPOSAL OF THE HEAT OF EXHAUST GASES OF THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE in power plants, consisting of several internal combustion engines and heat exchangers, characterized in that at least one of the heat exchangers is made in the form of a catalytic reactor for converting hydrocarbon fuel into a hydrogen-containing gas by means of a hydrogen-containing gas using hydrogen-containing gas from engines.

2. The system according to claim 1, characterized in that at least one of the engines connected by the exhaust to the catalytic conversion reactor of hydrocarbon fuel is made adiabatic.

3. The system according to claim 1, characterized in that a hydrogen-containing gas is used as fuel for internal combustion engines.

4. The system according to PP.1 to 3, characterized in that it is equipped with a heat exchanger-drive associated with a catalytic reactor and a flow line for running water.

5. The system according to claims 1 to 4, characterized in that it is equipped with cylinders with compressed synthesis gas connected to the inlet pipes of the internal combustion engine.