[发明专利]利用余热为HCNG发动机动力系统供氢的方法及系统

说明书

本发明属于掺氢天然气(HCNG)发动机应用领域，具体涉及一种利用余热为HCNG发动机动力系统高效精准供氢的方法及系统。本系统包括中高温固态金属氢化物储氢反应器、低温固态金属氢化物储氢反应器、燃料混合腔、火花塞点火式(SI)发动机。中高、低温固态金属氢化物储氢反应器通过回收利用HCNG发动机余热实现氢的高效释放。同时，双氢源可精准调控为天然气内燃机提供所需的掺混氢气，且能实现稳定供氢和掺氢燃烧。本系统利用HCNG发动机余热驱动固态双氢源系统实现高效精准稳定供氢，一方面提高了天然气发动机的综合热效率，另一方面可有效降低天然气发动机的污染排放量，达到天然气的清洁高效利用。

技术领域

本发明设计一种利用余热为HCNG发动机动力系统供氢的方法及系统，尤其是中高、低温固态金属氢化物储氢反应器作为双氢源的供氢技术，属于发动机余热利用领域。

背景技术

与煤炭、石油相比，天然气由于具有更高的氢碳比，燃烧热值高，清洁环保，且价格便宜，被视为传统化石燃料中的清洁能源。然而，天然气在我国一次能源消费占比仅为6.4％，远低于世界平均水平23.7％。

稀燃天然气发动机经济性好且排放低，满足目前国IV法规要求，但进一步降低NOx排放和提高综合热效率难度很大。天然气的可燃范围窄(5～15％)，火焰传播速度慢(34cm/s)，燃烧时间长使发动机热效率低。鉴于氢气具有较宽的点火可燃范围(4～75％)和火焰传播速率快(275cm/s)，在天然气中混掺一定比例的氢，不仅可改善火花塞点火(SI)式发动机的燃料性能，提高燃烧效率，而且可降低HC、CO和NOx等污染气体的排放，清洁环保，达到天然气清洁高效利用的目的。

为了研究在天然气中掺入不同体积比氢气对发动机怠速性能的影响，针对一台6缸天然气发动机开展了不同体积掺氢比的氢气/天然气混合燃料(HCNG)的怠速性能试验研究。试验证实掺氢后热效率提高，要达到相同的怠速转速可减少怠速旁通阀开度；在怠速情况下，掺氢使CH₄、CO、NMHC排放下降，NO_x排放上升，可通过点火提前角推迟来有效降低怠速NO_x排放；在天然气中掺入适量氢气后有利于改善发动机怠速燃烧从而增加怠速稳定性。在怠速条件下，掺氢后CO、CH₄排放随转速升高先减小后增加；怠速转速升高，怠速稳定性变好。在天然气中掺入适量氢气后，发动机热效率提高，经济性改善。(内燃机学报,2008,26:296-301)

使用定容燃烧弹研究了不同初始压力下天然气-氢气-空气混合气的火焰传播规律，得到了初始压力、掺氢比和燃空当量比对无拉伸层流燃烧速率、质量燃烧流量的影响，结合高速纹影图片分析了影响火焰稳定性的因素(马克斯坦长度、火焰面两侧密度比和火焰厚度)。结果表明，掺氢天然气无拉伸层流燃烧速率以及火焰的不稳定性受掺氢比、初始压力和燃空当量比的综合影响。发现火焰的稳定性会随初始压力的增加而减小；在相同的燃空当量比和掺氢比下，初始压力对密度比的影响不大，但是对火焰厚度的影响比较明显。(燃烧科学与技术,2009,4:374-380)

评估由纯天然气，纯氢以及氢和天然气(HCNG)的不同混合物作为燃料的火花点火发动机的排放和性能。增加氢气分数会导致气缸压力和CO₂排放量的变化。在这项研究中，使用基于热力学方程的燃烧模型，考虑燃烧和未燃烧气体的单独区域。结果表明，随着混合物中氢的比例增加，最大汽缸压力升高。混合物中氢的存在导致CO₂排放减少。由于氢的特性，更精简的燃料-空气混合物可以与适当的火花正时一起使用，从而改善发动机排放而不损失性能。(Applied Energy,2013,101:112-120)