基于尾气余热利用的氨催化裂解重整装置及发动机控制方法
基于尾气余热利用的氨催化裂解重整装置及发动机控制方法，目的是解决氨的燃烧惰性问题，提高系统的能量利用率。装置包括：内管，环隙，外管，温度传感器及压力传感器。燃料气从环隙流过，吸收来自尾气的热量。已知燃料气的热量需求量，可以得出所需的尾气热量供给量。通过两管程传递的热量得到所需的换热面积，并得出装置的长度。由于装置的效率会降低，设计时应提供冗余。该利用尾气余热对氨进行催化裂解重整产生部分氢气的装置利用了尾气的热量，并与发动机集成，根据发动机工况协同控制氨气和氢气的混合比例，最终实现仅携带氨燃料和少量的氢燃料，在全工况条件下发动机能够实现稳定功率的输出，提高系统的能量利用率。
发明专利
CN202311242843.8
2023-09-25
CN117345475A
2024-01-05
F02M21/02(2006.01)
北京工业大学
汪硕峰;赵为民
100124 北京市朝阳区平乐园100号
北京思海天达知识产权代理有限公司
刘萍
北京;11
1.基于尾气余热利用的氨催化裂解重整装置，其特征在于：包括：内管(1)，环隙(2)，外管(3)，温度传感器(4)及压力传感器(5)； 内管(1)内通发动机的尾气；尾气沿着管程流过装置，并给热于内管壁内侧； 外管(3)与内管(1)之间的部分为环隙(2)，发动机的燃料气从环隙(2)流过；热量由内管壁内侧传导至内管壁外侧，管壁外侧给热于燃料气； 基于内燃机尾气余热利用的氨催化裂解重整装置的氨氢发动机包括：进气系统(P1)，其上依次串联有空气流量传感器(6)、节气门(7)、空气滤清器(8)；氨气供给系统(P2)，其上依次串联有氨气瓶(9)、氨气减压阀(10)、氨气流量传感器(11)、氨气喷射器(12)；氢气供应系统(P3)，其上依次串联有氢气瓶(13)、氢气减压阀(14)、氢气流量传感器(15)、阻火器(16)、氢气喷射器(17)；电控系统(P4)，主要为ECU(18)和氧传感器(19)； ECU(18)分别与氢气减压阀(14)、氢气流量传感器(15)、氢气喷射器(17)、氨气减压阀(10)、氨气流量传感器(11)、氨气喷射器(12)有信号交互； ECU(18)通过导线与节气门(7)和空气流量传感器(6)相连接，并通过发出节气门(7)控制信号控制节气门(7)开度，空气流量传感器(6)监测空气流量并将信号反馈给ECU(18)，以调节进入发动机气缸的进气量； ECU(18)通过导线与氢气减压阀(14)相连接，并根据节气门(7)控制信号调节氢气减压阀(14)，以调节氢气喷射器(17)处的喷射压力； ECU(18)通过导线与氢气流量传感器(15)和氢气喷射器(17)相连，ECU(18)根据节气门(7)控制信号调节氢气喷射器的喷射时刻和喷射脉宽，并通过氢气流量传感器(15)的反馈信号进行修正，以保证过量空气系数稳定； ECU(18)通过导线与氨气减压阀(10)相连接，并根据节气门(7)控制信号调节氨气减压阀(10)，以调节氨气喷射器(12)处的喷射压力； ECU(18)通过导线与氨气流量传感器(11)和氨气喷射器(12)，ECU(18)根据节气门(7)控制信号调节氨气喷射器的喷射时刻和喷射脉宽，并通过氨气流量传感器(11)的反馈信号进行修正，以保证过量空气系数稳定； ECU(18)通过导线与温度传感器(4)相连接，接收来自温度传感器(4)的信号，并控制氢气喷射器和氨气喷射器的喷射时刻和喷射脉宽； ECU(18)通过导线与氧传感器(19)相连接，接收来自氧传感器(19)的信号，检测过量空气系数。 2.控制如权利要求1所述的基于尾气余热利用的氨催化裂解重整装置，其特征在于：其特征在于： (1)利用尾气余热对氨进行催化裂解重整产生部分氢气的装置结构设计 当氨气掺氢体积比为10％时，发动机的效率最高；氨气受热会分解为氮气和氢气， 2NH3＝N2↑+3H2↑ΔH＝+91.8kJ/mol ΔH为氨分解的反应热 求出氨气掺氢体积比为10％时氨气的转化率γ与掺氢比的关系 已知燃料气中氨气的质量流量空气的质量流量/>和氨气的摩尔质量/>由氨气分解的燃烧热ΔH求得氨气分解所需热量Q 根据氨气分解所需热量Q，氨气的质量流量空气的质量流量/>氨气的比热容和空气的比热容/>求得燃料气所需总热量Q0 根据燃料气所需总热量Q0，燃料气的混合气体比热容C1和燃料气入口温度T1计算出燃料气出口温度T2 由燃料气热量需求量得出所需的尾气提供热量Q1 Q1＝Q0 (5) 由所需的尾气提供热量Q1，尾气的混合气体比热容C2，氨气的质量流量空气的质量流量/>和尾气入口温度T1′计算尾气出口温度T2′ 由燃料气入口温度T1，燃料气出口温度T2，尾气入口温度T1′，尾气出口温度T2′ 计算传热时的平均温度差Δtm 因为内管(1)要与发动机尾气管相通，所以由发动机尾气管直径作为内管(1)内径d，根据《工艺管道安装设计手册》中推荐外径作为内管(1)外径D；同时，按照《工艺管道安装手册》中相邻直径系列，选取外管(3)内径d′和外管(3)外径D′； 由氨气的质量流量空气的质量流量/>尾气的混合气体密度ρ1和内管(1)内径d计算内管(1)内侧的气体流速u1 由尾气的混合气体密度ρ1，内管的气体流速u1，内管(1)内径d和尾气的混合气体动力粘度μ1计算尾气的雷诺数Re1 由尾气的混合气体比热容Cp1，尾气的混合气体动力粘度μ1和尾气的热传导系数λ1计算尾气的普朗特数Pr1 由尾气的雷诺数Re1，普朗特数Pr1，尾气的热传导系数λ1和内管(1)内径d计算内管(1)内侧的给热系数α1 由内管(1)内侧的给热系数α1，内管(1)内径d和内管(1)外径D得到内管(1)的热阻R1 由氨气的质量流量空气的质量流量/>燃料气的混合气体密度ρ2，外管(3)内径d′和内管(1)外径D计算环隙(2)的气体流速u2 由燃料气的混合气体密度ρ2，环隙(2)的气体流速u2，外管(3)内径d′，内管(1)外径D和燃料气的混合气体动力粘度μ2计算燃料气的雷诺数Re2 由燃料气的混合气体比热容Cp2，燃料气的混合气体动力粘度μ2和燃料气的热传导系数λ2计算燃料气的普朗特数Pr2 由燃料气的雷诺数Re2，普朗特数Pr2，燃料气的热传导系数λ2，外管(3)内径d′和内管(1)外径D计算环隙(2)的给热系数α2 由环隙(2)的给热系数α2得到环隙(2)的热阻R2 查询《化工工艺设计手册》得燃料气的结垢热阻R4和尾气的结垢热阻R5 由内管(1)内径d，内管(1)外径D和装置(P5)材料的热导率λ求出装置(P5)的壁厚热阻R3 由内管(1)内侧的热阻R1，环隙(2)的热阻R2，装置(P5)的壁厚热阻R3，燃料气的结垢热阻R4和尾气的结垢热阻R5计算装置(P5)的换热系数K 由所需的尾气提供热量Q1，装置(P5)的换热系数K，传热时的平均温度差Δtm和内管(1)内径d得出装置(P5)长度l 由于在使用过程中，装置(P5)的效率会衰减，考虑为其提供换热冗余；提出冗余系数并设为c，则提供冗余的装置(P5)的长度l′ l′＝(1+c)×l (21) 核算环隙(2)燃料气的压力降Δp 由外管(3)的绝对粗糙度ε，外管(3)内径d′和内管(1)外径D，计算外管(3)的相对粗糙度∈ 由燃料气的雷诺数Re2，外管(3)的相对粗糙度∈查《工程流体力学》书中莫迪图得到燃料气的摩擦系数λ′ 由燃料气的摩擦系数λ′，提供冗余的装置(P5)的长度l′，外管(3)内径d′和内管(1)外径D计算燃料气的阻力系数 由燃料气的阻力系数燃料气的混合气体密度ρ2和环隙(2)的气体流速u2，计算环隙(2)燃料气的压力降Δp 若压力降Δp过大，则选取更大直径系列作为外管(3)内径与外径，再进行上述步骤，直到压力降Δp较小，所取管径合适； (2)使用氨催化裂解重整装置的发动机控制策略 冷启动时，发动机尾气温度远低于氨气催化重整所需温度，ECU(18)接受来自温度传感器(4)的信号，采取纯氢策略启动发动机，ECU(18)控制氢气减压阀(14)，氢气喷射器(17)和节气门(7)，调节氢气的供给量和空气量，并根据氢气流量传感器(15)的反馈信号进行修正，保证过量空气系数等于1，该过程的目的在于迅速启动发动机并保持稳定 发动机部分负荷时，燃料气的温度低于T1，此时需要使用氢气和氨气催化重整混合气共同供给的策略；ECU(18)接受来自温度传感器(4)和氧传感器(19)的信号，并控制氢气减压阀(14)和氨气减压阀(10)，以控制氢气和氨气的供给量； (1)当重整气温度低于T2时，ECU(18)控制氢气减压阀(14)开度和氨气减压阀(10)开度，并接受来自氢气流量传感器(15)和氨气流量传感器(11)的信号，使氢气和氨气的体积比保持1:1，当氨气或氢气的流量大于或小于所需要的流量时，ECU(18)降低或者增大氨减压阀(10)和氢减压阀(14)的开度，并始终将氢气和氨气的体积比控制在1：1； (2)当重整气温度达到T2时，ECU(18)控制氢气减压阀(14)开度和氨气减压阀(10)开度，并接受来自氢气流量传感器(15)和氨气流量传感器(11)的信号使氢气和氨气体积比保持在1:3，当氨气或氢气的流量大于或小于所需要的流量时，ECU(18)降低或者增大氨减压阀(10)和氢减压阀(14)的开度，并始终将氢气和氨气的体积比控制在1：3； 发动机全负荷工况时，此时使用氨气催化重整混合气；ECU(18)接受来自温度传感器(4)和氧传感器(19)的信号，并控制氨气减压阀(10)，当氨气的流量大于或小于所需流量时，ECU(18)降低或者增大氨气减压阀(10)的开度，以控制氨气的供给量；此时，发动机节气门(7)保持全开状态，并通过氧传感器(19)监控过量空气系数；根据油门踏板的开度，ECU(18)控制氨气减压阀(10)和氨气喷射器(12)，调整氨气的喷射量，进而调整过量空气系数等于1，通过调整过量空气系数调节发动机的功率输出，实现质调节。