СИСТЕМА ТЕРМОКАТАЛИТИЧЕСКОЙ КОНВЕРСИИ МЕТАНОЛА В СИНТЕЗ-ГАЗ ДЛЯ АВТОНОМНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Техническое решение относится к двигателестроению, а, в частности, к системе термокаталитической конверсии метанола в синтез-газ, в которой для конверсии используется энергия отработавших газов двигателя внутреннего сгорания.
Из уровня техники известны различные системы конверсии углеводородов в синтез-газ, используемый для питания двигателя внутреннего сгорания.
Например, в патенте US № 2013/0071317 (С01В 3/32, F02B 43/10, опубл. 23.03.2012) описан способ некаталитической конверсии метанола в синтез-газ, который заключается в реакции разложения метанола в присутствии воды при нагреве до сверхкритических температур, для чего может быть использована система выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания. При этом исходное сырье для конверсии не должно содержать примесей, таких как бензин, дизельное топливо, этанол или растительные масла, присутствие которых вызывает побочные реакции пиролиза, гидрирования, дегидрирования и рекомбинации, что значительно изменяет состав полученного синтез-газа.
Однако для осуществления некаталитической конверсии метанола в синтез-газ необходим не только нагрев до сверхкритических температур, что труднодостижимо при использовании тепловой энергии отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, но и повышение давления в реакторной зоне до десятков атмосфер, что создает дополнительные энергозатраты, что нецелесообразно для автономных энергетических систем.
Для обеспечения более мягких условий протекания химических реакций конверсии метанола в синтез-газ предложены различные каталитические системы.
Например, в патенте РФ № 2213691 (С01В 3/38, B01J 23/40, B01J 23/48, B01J 23/72, опубл. 10.10.2003) предложен реактор с двумя фиксированными слоями катализатора. В качестве катализатора первого слоя используют катализатор, содержащий в качестве активного компонента металл 16 группы Периодической системы (медь, серебро, золото) и/или благородный металл, выбранный из группы, состоящей из платины, палладия, рутения, родия, иридия, нанесенный на графитоподобный углеродный носитель, катализатор первого слоя содержит активный компонент в количестве не менее 0,05 мас.%. В качестве катализатора второго слоя используют катализатор, содержащий металл VIII группы Периодической системы, выбранный из группы, состоящей из никеля, платины, палладия, рутения, родия, иридия.
К недостаткам данного решения можно отнести не только высокую стоимость используемых каталитических комплексов, но и необходимость подачи кислорода во второй каталитический слой, что, в условиях автономной энергетической системы, значительно усложняет конструкцию.
Более близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является рассмотренный в патенте на полезную модель CN 201991593 (С01В 3/22, F01N 5/02, F02M 25/12, опубл. 28.09.2011) реактор конверсии спиртов в синтез-газ, расположенный непосредственно в выпускном коллекторе двигателя внутреннего сгорания. При этом спирт в жидком состоянии подается в выпускной коллектор, где испаряется и разлагается до синтез-газа, который подается во впускной коллектор, что позволяет интегрировать данную систему в любой двигатель внутреннего сгорания при минимальных изменениях его конструкции.
Основным недостатком данной полезной модели является малоэффективная передача тепла от отработавших газов двигателя внутреннего сгорания к спиртам, подаваемым в реактор конверсии, что обусловлено его неоптимальной конструкцией.
Эти недостатки устраняются предлагаемой полезной моделью.
Задача полезной модели состоит в улучшении экологических и экономических параметров двигателя внутреннего сгорания путем создания перспективной системы термокаталитической конверсии метанола в синтез-газ с утилизацией энергии отработавших газов.
Технический результат - более эффективная утилизация энергии отработавших газов двигателя внутреннего сгорания и, как следствие, высокая производительность системы термокаталитической конверсии метанола в синтез-газ для автономных энергетических систем.
Технический результат достигается тем, что система термокаталитической конверсии метанола в синтез-газ для автономных энергетических систем, содержащая реактор конверсии метанола в синтез-газ, расположенный непосредственно в выпускном коллекторе двигателя внутреннего сгорания, дополнительно снабжена емкостью для хранения метанола, подающим насосом, обратными клапанами, кожухотрубной конструкцией реактора и системой подачи синтез-газа во впускную систему двигателя внутреннего сгорания, размещенными непосредственно на двигателе внутреннего сгорания в составе автономной энергетической системы.
Кроме того, еще отличия состоят в том, что:
- в качестве катализатора используется платина, стабилизированная на оксиде алюминия, либо оксид меди на оксиде алюминия, модифицированном оксидом цинка, нанесенные на высокопористый проницаемый ячеистый пенометалл;
- для подачи жидкого метанола к реактору термокаталитической конверсии используется подающий насос, регулируемый системой управления автономной энергетической установки.
Предложенная полезная модель иллюстрируется чертежами, на которых представлены:
фиг.1 - принципиальная схема системы термокаталитической конверсии метанола в синтез-газ для автономных энергетических систем;
фиг.2 - конструкция реактора термокаталитической конверсии метанола, входящего в данную систему.
Система термокаталитической конверсии метанола в синтез-газ включает двигатель внутреннего сгорания 1, реактор 2 термокаталитической конверсии метанола в синтез-газ, расположенный непосредственно в выпускном коллекторе двигателя внутреннего сгорания, емкость для хранения жидкого метанола 3, подающий насос 4, обратные клапаны 5 и систему подачи синтез-газа 6 во впускную систему двигателя внутреннего сгорания 1.
Реактор 2 термокаталитической конверсии метанола в синтез-газ представляет собой кожухотрубный теплообменный аппарат, внешний корпус которого состоит из тонкостенного кожуха 7, верхней 8 и нижней 9 пластин, а также трубок 10, предназначенных для пропуска отработавших газов. Внутри кожуха реактора расположены слои высокопористого ячеистого пенометалла 11, на которые нанесен катализатор. При этом каждый слой пенометалла 11 разделен лабиринтными перегородками 12, установленными перпендикулярно пучку труб. Большая площадь поверхности проницаемого пенометалла 11, контактирующей с газовой средой, обеспечивает увеличение селективности реактора. Лабиринтные перегородки 12 изменяют продольное обтекание трубок 10 отработавшими газами на поперечное, что позволяет повысить теплоотдачу и увеличить эффективность утилизации тепловой энергии отработавших газов.
Для подвода метанола к реактору и отвода от него полученного синтез-газа предусмотрены подводящая 13 и, соответственно, отводящая 14 трубки.
Предложенное размещение реактора 2 позволяет значительно увеличить эффективность теплообмена благодаря использованию высокопотенциальной тепловой энергии отработавших газов. При удаленном расположении реактора 2 температура отработавших газов, проходящих через реактор, будет ниже, что снизит эффективность теплообмена. Кроме того, данное размещение реактора позволяет компактно разместить основные элементы системы, что положительно сказывается на ее массогабаритных характеристиках.
Система термокаталитической конверсии метанола в синтез-газ работает следующим образом.
После запуска двигателя внутреннего сгорания 1, работающего на традиционном нефтяном топливе, и его прогрева до рабочей температуры, из емкости для хранения 3 с помощью подающего насоса 4 через обратный клапан 5 жидкий метанол подается в реактор 2 термокаталитической конверсии. Продолжительность и фаза подачи жидкого метанола определяются подающим насосом 4, регулируемым системой управления автономной энергетической установки, что позволяет поддерживать заранее заданные режимы работы реактора для более эффективной утилизации тепловой энергии отработавших газов.
Отработавшие газы двигателя внутреннего сгорания 1, тепловая энергия которых используется для поддержания реакции термокаталитической конверсии метанола в синтез-газ, проходят через трубки 10. Жидкий метанол через трубку подачи 13 поступает в первый слой пенометала 11, где происходит его нагрев до 64,7°C и испарение. Пары метанола поступают в вышележащие слои пенометалла 11, где происходит их нагрев до температуры диссоциации.
Процесс термокаталитической конверсии метанола в синтез-газ можно описать следующим выражением:
3
2
СНОН→СО+2Н
Полученный в результате термокаталитической конверсии метанола синтез-газ через трубку 14 и второй обратный клапан 5 отводится в систему подачи синтез-газа 6 во впускную систему двигателя внутреннего сгорания.
Применение системы термокаталитической конверсии метанола в синтез-газ для двигателя внутреннего сгорания в составе автономной энергетической энергоустановки позволяет достигнуть следующих результатов:
- снижение потребления традиционного топлива двигателем внутреннего сгорания;
- снижение содержания вредных веществ в отработавших газах;
- объемное содержание водорода в получаемом синтез-газе не менее 60%,
- температуру синтез-газа на выходе из реактора конверсии не более 340°C;
- аэродинамическое сопротивление, создаваемое в системе выпуска отработавших газов, не более 4000 Па.