具有電動機驅(qū)動的壓縮機的燃氣重整器的制造方法
【專利說明】具有電動機驅(qū)動的壓縮機的燃氣重整器
[0001]本發(fā)明涉及火花點火式燃氣發(fā)動機和用于運行火花點火燃氣發(fā)動機的方法，該火花點火式燃氣發(fā)動機具有廢氣管道和至少一個壓縮機以及熱重整器，該壓縮機用于將空氣-燃氣混合物裝載到燃燒室，該熱重整器根據(jù)下述反應(yīng)中的至少一個將由η個碳原子和m個氫原子組成的較高碳原子的HC轉(zhuǎn)換為重整燃氣一一氫氣(H2)和一氧化碳(CO):
[0002]-CnHffl+nH20?-?(ffl/2+n)H2+nC0,
_3] -CnHffl+(n/2)02?-?(ffl/2)H2+nCO,
[0004]-CnHffl+nC02?-?(ffl/2)H2+2nC0o
[0005]該方法使用催化氧化步驟(催化部分氧化一一CPO)和催化反應(yīng)的組合一一熱重整(TR)，以使用蒸汽或二氧化碳重整燃氣；因此，將C3H8(丙烷)或C4Hltl(丁烷)等較高碳原子的HC分解為C02、014和H 2的混合物，下文中稱作重整燃氣。
[0006]該反應(yīng)中，這種方法的優(yōu)點包括:
[0007]-CH4+H20?-?3H2+C0(3-1),
[0008]重整具有比能量+205KJ/mol的烴類(甲烷)
[0009]-CH4+l/202?-?2H2+C0 (3-2)，
[0010]部分氧化具有比能量-35.6KJ/mol的烴類(甲烷)
[0011 ] -CH4+C02?-?2H2+2C0 (3-3)，
[0012]二氧化碳重整具有比能量+247.4KJ/mol的烴類(甲烷)。
[0013]反應(yīng)(3-1)或(3-3)是吸熱反應(yīng)，與放熱反應(yīng)(3-2)偶合。由于較高碳原子HC的自動熱重整的溫度小于甲烷，通過額外使用廢氣的熱能，使用上述提及的反應(yīng)將較高碳原子HC分解為ch4、CO和4的混合物。
[0014]即使可用的天然氣質(zhì)量不穩(wěn)定，重整器也允許產(chǎn)生穩(wěn)定的燃氣質(zhì)量。另外，甲烷值可以在較小的范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，能夠燃燒良好。此外，因為氫氣具有催化效果，所以較高部分的氫氣會導(dǎo)致醛(即甲醛和氮氧化物)的低排放。在使用沼氣時，反應(yīng)(3-3)用于重整，即還原吸熱氣體二氧化碳。
[0015]僅使用烴類(甲烷)的吸熱部分氧化反應(yīng)的能量而不額外使用廢氣的熱能，這一過程稱為自熱重整(ATR)。
[0016]DE2056131A公開了一種使用汽油或燃料和添加氫氣來運行奧托發(fā)動機的方法。通過催化重整烴類產(chǎn)生氫氣。在這種情況下，用于生成氫氣的能量來自廢氣。
[0017]美國7，210，467B2公開了一種包括往復(fù)式內(nèi)燃機和熱化學(xué)換熱器的裝置，其中對燃料進行重整。來自往復(fù)式內(nèi)燃機的廢氣對熱化學(xué)換熱器進行加熱，同時，借助供水通過串聯(lián)設(shè)置的發(fā)動機潤滑油熱交換器、發(fā)動機冷卻系統(tǒng)熱回收系統(tǒng)和廢氣熱回收系統(tǒng)生成用于重整過程的蒸汽。該專利描述了已知的產(chǎn)生氫氣(H2)的幾種重整技術(shù)。例如自熱重整、部分氧化重整、等離子體重整和蒸汽重整。天然氣或其他烴類的重整產(chǎn)生氫氣(H2)富集產(chǎn)品，除了 H2，還可包括CO、CO2以及碳。
[0018]本發(fā)明的目的在于以這樣的方式配置和設(shè)置火花點火燃氣發(fā)動機以實現(xiàn)更高程度的效率。
[0019]根據(jù)本發(fā)明，通過以下方式實現(xiàn)上述目的:重整器被連接到廢氣管道的至少一部分，用于向重整器提供熱量，同時至少一個壓縮機是電動機驅(qū)動的，分別至少一個壓縮機不經(jīng)由廢氣渦輪機驅(qū)動。
[0020]根據(jù)本發(fā)明，通過所述方法實現(xiàn)上述目的，在所述方法中，從至少一部分廢氣流中對重整器供給熱量，并且其中至少一個壓縮機由電動機驅(qū)動。
[0021]為了獲得更高的效率，用于將空氣-燃氣混合物裝載到燃燒室的(渦輪增壓器的)壓縮機應(yīng)當(dāng)由電動機驅(qū)動而不是廢氣驅(qū)動；即燃氣經(jīng)由電動壓縮機而不使用廢氣渦輪機進行裝載。這允許廢氣保持在高于其熱能100°c -150°c，即約550°C -600°C的更高溫度，這可用于吸熱過程(3-1)和(3-3)。
[0022]功率為150kW且沒有熱重整的發(fā)動機組的效率因子大約為40%。增加熱重整，效率因子可以增加至43%。另外，通過使用電驅(qū)動的壓縮機，可以進一步將效率因子增加至43.
[0023]雖然需要驅(qū)動電動機的能量，但整個發(fā)動機的效率更高。一個原因是，事實上該重整過程的效率遠遠高于渦輪機的效率。
[0024]具有僅轉(zhuǎn)換較高碳原子的HC (CnHm)(具有至少兩個或三個碳原子，即η > = 2或η>=3)的重整器一一即僅轉(zhuǎn)換至少具有兩個或三個碳原子的較高碳原子的HC也可以是有利的。因此，不對需要更高溫度的甲烷進行重整。除此之外，如果甲烷直接在燃燒室中燃燒而不被重整為氫氣將是有利的。另一效率的增加通過廢氣渦輪機和至少一種附加發(fā)電機實現(xiàn)，該附加發(fā)電機經(jīng)由廢氣渦輪機機械地驅(qū)動，該渦輪機位于重整器的下游。為適應(yīng)于該方法，該發(fā)動機具有廢氣渦輪機和至少一個附加發(fā)電機，該附加發(fā)電機經(jīng)由廢氣渦輪機機械地驅(qū)動，該渦輪機位于重整器的下游。重整器下游的剩余的廢氣壓力用于發(fā)電以用于電驅(qū)動壓縮機。
[0025]尤其是為集成在熱電聯(lián)產(chǎn)KWK過程中的固定發(fā)動機供應(yīng)天然氣，這種重整是有利的，特別是考慮產(chǎn)生穩(wěn)定的燃氣質(zhì)量，即更好的燃燒。本發(fā)明的其它優(yōu)點和細節(jié)在權(quán)利要求和說明書中進行解釋并如附圖中所示，所述附圖顯示了具有重整器的發(fā)動機驅(qū)動型發(fā)電機組的供給鏈的示意圖。
[0026]圖1中的示意圖顯示了為火花點火式燃氣發(fā)動機I提供空氣-燃氣混合物的供給鏈與火花點火式燃氣發(fā)動機I的廢氣系統(tǒng)。
[0027]從燃氣混合器13 (其中環(huán)境空氣與燃燒氣體和重整燃氣混合)開始，空氣-燃氣管道8經(jīng)由壓縮機2和空氣燃氣冷卻器8.1被引導(dǎo)至火花點火式燃氣發(fā)動機I或火花點火式燃氣發(fā)動機I的燃燒室1.1o基于火花點火式燃氣發(fā)動機I的輸出控制的節(jié)流閥10被設(shè)置在緊接著火花點火式燃氣發(fā)動機I上游的空氣-燃氣管道8中。
[0028]壓縮機2由電動機15驅(qū)動。因此不需要廢氣渦輪機5。在廢氣進入下述重整器3時，具有100°c -150°C的更高的溫度。這種較高溫度有助于增強重整器3的運行。
[0029]火花點火式燃氣發(fā)動機I包括廢氣管道，其中燃氣的重整器3設(shè)置在火花點火式燃氣發(fā)動機I的下游。廢氣中的熱量經(jīng)由未示出的熱交換器，部分消散到重整器3。
[0030]在重整器3的下游，廢氣渦輪機5設(shè)置有聯(lián)接到其上的發(fā)電機4。廢氣的進一步擴張產(chǎn)生了也可用于電動機15的電力。
[0031]位于廢氣渦輪機5之后是熱交換器或過熱器19和蒸發(fā)器18，以用于下述水回路12。在廢氣被帶到在此未示出的廢氣系統(tǒng)之前，下游設(shè)置了一種廢氣熱交換器11。
[0032]設(shè)置水回路或水管道12用于向重整器3供應(yīng)水蒸氣以產(chǎn)生重整燃氣。首先，水回路或水管道中攜帶的水通過聯(lián)接于空氣-燃氣管道8的水熱交換器12.1進行預(yù)熱，其中，熱量從壓縮的廢氣-燃氣混合物中被帶走。然后，在上述蒸發(fā)器18中加熱水，并且在下游的過熱器19中，水蒸氣在其返回到重整器3之前相應(yīng)地過熱。
[0033]在蒸發(fā)器18與過熱器19之間設(shè)置有燃氣-蒸汽混合點17，用于將燃燒氣體添加至水蒸氣中。該混合點17經(jīng)由用于燃氣的閥16.1連接到燃氣管道16。
[0034]在重整過程中產(chǎn)生的重整燃氣被送入空氣燃氣-燃氣混合器13，并因此以重新形成空氣-燃氣混合物，用于經(jīng)由重整燃氣管道14和冷凝器14.1在火花點火式燃氣發(fā)動機I中燃燒。
[0035]另外，火花點火式燃氣發(fā)動機I包括具有發(fā)動機熱交換器9.1的冷卻回路9，以用于冷卻火花點火式燃氣發(fā)動機I。該冷卻回路9也連接至油熱交換器7。
[0036]上文所描述的用于重整器3的措施極大地改善了火花點火式燃氣發(fā)動機組1-發(fā)電機10的效率。
[0037]附圖標記列表
[0038]I火花點火式燃氣發(fā)動機
[0039]1.1燃燒室
[0040]2壓縮機
[0041]3重整器
[0042]4附加發(fā)電機
[0043]5廢氣渦輪機
[0044]6廢氣管道
[0045]7油熱交換器
[0046]8空氣燃氣管道
[0047]8.1空氣燃氣冷卻器
[0048]9冷卻系統(tǒng)/冷卻回路
[0049]9.1發(fā)動機熱交換器
[0050]10節(jié)流閥
[0051]11廢氣熱交換器
[0052]12水回路，水管道
[0053]12.1水熱交換器
[0054]13空氣燃氣-重整燃氣混合器
[0055]14重整燃氣管道
[0056]14.1 冷凝器
[0057]15電動機
[0058]16燃氣管道
[0059]16.1燃氣閥門
[0060]17混合燃氣/蒸汽點
[0061]18蒸發(fā)器
[0062]19過熱器
[0063]20電力發(fā)電機
【主權(quán)項】
1.一種火花點火式燃氣發(fā)動機(I)，具有廢氣管道(6)和至少一個壓縮機(2)以及熱重整器(3)，所述壓縮機(2)用于將空氣-燃氣混合物裝載到所述燃燒室(1.1)，所述熱重整器(3)根據(jù)下述反應(yīng)中的至少一個將由η個碳原子和m個氫原子組成的較高碳原子的HC轉(zhuǎn)換為氫氣(H2):_CnHm+nH20 << - >> (m/2+n)H2+nCO， "CnH111+ (n/2) O2 < < - > > (m/2) H2+nC0，-CnHm+nC02<<->> (m/2)H2+2nC0， 其特征在于，所述熱重整器(3)被連接到所述廢氣管道(6)的至少一部分，用于向所述熱重整器(3)供應(yīng)熱量，并且所述至少一個壓縮機(2)由電動機(15)驅(qū)動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有熱重整器(3)的火花點火式燃氣發(fā)動機(I)，所述熱重整器(3)僅轉(zhuǎn)換具有至少兩個或三個碳原子的較高碳原子的HC。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的火花點火式燃氣發(fā)動機(I)，其具有廢氣渦輪機(5)和至少一個附加發(fā)電機(4)，所述附加發(fā)電機(4)經(jīng)由所述廢氣渦輪機(5)機械地驅(qū)動，所述廢氣渦輪機(5)位于所述熱重整器(3)的下游。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的火花點火式燃氣發(fā)動機(I)，其中，所述發(fā)動機是固定的。
5.用于運行火花點火式燃氣發(fā)動機(I)的方法，所述火花點火式燃氣發(fā)動機(I)產(chǎn)生廢氣流，同時所述火花點火式燃氣發(fā)動機(I)具有至少一個壓縮機(2)和熱重整器(3)，所述壓縮機(2)用于將空氣-燃氣混合物裝載到所述燃燒室(1.1)，所述熱重整器(3)根據(jù)下述反應(yīng)中的至少一個將由η個碳原子和m個氫原子組成的較高碳原子的HC轉(zhuǎn)換為氫氣:_CnHm+nH2< < - > > (m/2+n)H2+nC0， "CnH111+ (n/2) O2 < < - > > (m/2) H2+nC0，-CnHm+nC02<<->> (m/2)H2+2nC0， 其特征在于，所述熱重整器(3)由所述廢氣流的至少一部分供應(yīng)熱量，并且所述至少一個壓縮機是電驅(qū)動的。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中僅轉(zhuǎn)換具有至少兩個或三個碳原子的較高碳原子的HC。
7.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的方法，其中，所述火花點火式燃氣發(fā)動機(I)具有廢氣渦輪機(5)和用于發(fā)電的至少一個附加發(fā)電機(4)，所述附加發(fā)電機(4)經(jīng)由所述廢氣渦輪機(5)機械地驅(qū)動，所述廢氣渦輪機(5)位于所述熱重整器(3)的下游。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種火花點火式燃氣發(fā)動機(1)，火花點火式燃氣發(fā)動機(1)具有廢氣管道(6)和至少一個壓縮機(2)以及熱重整器(3)，壓縮機(2)用于將空氣-燃氣混合物裝載到燃燒室(1.1)，熱重整器(3)根據(jù)下述反應(yīng)中的至少一個將由n個碳原子和m個氫原子組成的較高碳原子的HC轉(zhuǎn)換為氫氣(H2)：-CnHm+nH2O<<->>(m/2+n)H2+nCO，-CnHm+(n/2)O2<<->>(m/2)H2+nCO，-CnHm+nCO2<<->>(m/2)H2+2nCO，而熱重整器(3)被連接到廢氣管道(6)的至少一部分，用于向熱重整器(3)供應(yīng)熱量，并且至少一個壓縮機(2)是電驅(qū)動的。
【IPC分類】F02M27-02, F01N5-02, F02M25-12
【公開號】CN104736832
【申請?zhí)枴緾N201280076032
【發(fā)明人】米歇爾·希里羅
【申請人】卡特彼勒能源方案有限公司
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2012年10月2日
【公告號】EP2904257A1, US20150275827, WO2014053169A1