燃料重整装置和燃料重整方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及燃料重整装置和燃料重整方法。该燃料重整装置包括：氨罐(4)；重整器(5)，用于重整氨并产生氢含量至少为99％的高浓度氢气；混合罐(7)，用于混合氨和氢以进行临时储存；以及控制装置(10)，用于控制供应至混合罐(7)的氨和高浓度氢气的各自的供应量。控制装置(10)基于等式(1)计算混合气体相对于基准燃料的燃烧率系数C。等式(1)：S0＝S

【技术实现步骤摘要】
燃料重整装置和燃料重整方法
[0001]本申请是申请号为202080027372.7、申请日为2020年04月09日、专利技术名称为“燃料重整装置和燃料重整方法”的专利技术专利申请的分案申请。


[0002]本专利技术涉及一种通过分解氨产生氢并将含有氨和氢的气体作为燃料供应的燃料重整装置，以及使用此燃料重整装置的燃料重整方法。

技术介绍

[0003]为了减少二氧化碳排放而寻求使用氢能。然而，氢的生产和运输成本仍然很高，以氢为燃料的燃料电池发电仍然比使用其他类型能源发电昂贵。这些经济上的限制构成了阻碍氢能推广的因素。
[0004]对此，正在考虑在发电输出价格比燃料电池便宜的燃气发动机、燃气轮机、柴油发动机、汽油发动机等燃烧装置中使用氢作为燃料。然而，由于氢具有非常高的最大燃烧率和高热值，因此，将氢单独或将氢与空气的混合物应用于燃烧装置会带来许多问题。
[0005]例如，当将氢应用于发动机时，逆火的发生会成为问题。逆火是一种主要发生在往复式发动机中的现象，其中氢在燃料进气步骤中接触燃烧装置的高温部件并点燃，在被火花塞点燃前爆炸。专利文献1公开了一种避免逆火的技术，其中在低输出运行过程中，氢和空气在燃烧室内或外部预先混合，以产生预混合的空气
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燃料混合物，此预混合的空气
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燃料混合物由火花塞点燃并燃烧，获得输出功率，而在高输出运行过程中，氢被高压喷射到已点燃的预混合的空气
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燃料混合物中，且使用预混合的空气
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燃料混合物作为点火源点燃并燃烧，以获得输出功率。然而，有人指出，当在进气步骤中将氢以气体形式与空气混合时，发动机的容积效率降低，导致输出功率降低。
[0006]因此，正在尝试将氨和氢混合并燃烧混合物，以用作能源。由于氨的可燃性差，最大燃烧率为氢的1/50，因此，将氢与氨和空气分别按适当比例预先混合，可以提高可燃性并调整燃烧率。此外，通过调整燃气发动机和燃气轮机、柴油发动机和汽油发动机等负荷的氨/氢/空气的最佳混合比例，可以最大限度提高能源效率。
[0007]专利文献2公开了一种用于在氨和氢燃烧的发动机系统中提高燃烧控制的灵活性的技术。专利文献2的发动机系统通过燃料重整器将氨气部分地重整以产生氢气，并且通过加压液化来分离氨和氢。然后，通过用连接到不同的路径的喷射器将氨和氢喷射到进气管中，并使氨和氢燃烧，提高了控制的灵活性。在专利文献2中，通过从产生电磁波的电源向腔体提供微波以使等离子体放电，将供应至重整器的腔体的氨气重整为氨气和氢气。通过控制提供的微波的功率来控制要重整为氢气的氨气的比例。
[0008]专利文献3公开了一种使用氢作为燃烧改进剂的氨发动机。专利文献3的氨发动机使用氨裂解催化剂使氨裂解以产生氢，用于辅助氨的燃烧。由于氨裂解催化剂需要保持在290℃或更高的温度，因此专利文献3的氨发动机包括氨氧化装置，其促使氨与氧发生反应，以产生热量。
[0009]相关技术文献
[0010]专利文献
[0011]专利文献1：H7
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133731号日本未经审查的专利公开案
[0012]专利文献2：2009
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97421号日本未经审查的专利公开案
[0013]专利文献3：2010
‑
121509号日本未经审查的专利公开案

技术实现思路

[0014]本专利技术要解决的问题
[0015]当向燃烧装置供应含有氨和氢的气体作为燃料时，需要根据燃烧装置的工作条件优化氨和氢的供应量和混合比例。然而，对于传统的重整器，很难精确管理由氨产生的氢的比例，这使得优化燃料变得困难。在燃烧装置的启动或低负荷运行过程中提供最佳组成的燃料尤为困难。
[0016]本专利技术是鉴于上述现状而提出的，其目的在于提供一种能够优化氨和氢的混合比例和供应量并将它们作为燃料提供给燃烧装置的燃料重整装置和燃料重整方法。
[0017]用于解决问题的手段
[0018]本专利技术涉及一种向燃烧装置供应含有氨和氢的燃料气体的燃料重整装置。
[0019]所述燃料重整装置包括：氨罐；重整器，被配置为重整氨并产生氢含量为99％或更高的高浓度氢气；混合罐，被配置为将氨和氢混合，以进行临时储存；以及控制装置，被配置为控制供应至所述混合罐的氨和高浓度氢气的各自的供应量。根据本专利技术的燃料重整装置的控制装置存储所述燃烧装置中所用的基准燃料、氢以及氨的燃烧率，并基于等式(1)计算混合气体相对于基准燃料的燃烧率系数C。
[0020][数学式1][0021]等式(1)：S0＝SH
×
C+SA
×
(1
‑
C)
[0022]其中，S0为基准燃料的燃烧率，SH为氢的燃烧率，SA为氨的燃烧率，C为混合气体的燃烧率系数。此外，根据本专利技术的燃料重整装置的控制装置基于等式(2)确定供应至混合罐的氨和氢的体积分数。
[0023][数学式2][0024]等式(2)：C＝1
‑
exp(
‑
A
×
MB)
[0025]其中，M为混合气体中氢的体积分数，且A、B为常数。
[0026]专利技术人发现了上述等式(2)中作为混合气体的燃烧率相对于基准燃料的燃烧率的比例的燃烧率系数C与氢的体积分数M之间的关系，并最终优化混合气体的混合比例。此外，根据本专利技术的燃料重整装置的控制装置存储燃烧装置中所用的基准燃料、氢以及氨的高热值，并且基于混合气体的高热值与基准燃料的高热值的比例，根据等式(3)和等式(4)确定混合气体相对于基准燃料的供应量的流速分数。
[0027][数学式3][0028]等式(3)：Hm＝HH
×
M+HA
×
(1
‑
M)
[0029]等式(4)：Wm＝Hm/H0
[0030]其中，Hm为混合气体的高热值，HH为氢的高热值，HA为氨的高热值，H0为基准燃料的高热值，且Wm为混合气体相对于基准燃料的重量流速分数。
[0031]控制装置接收来自燃烧装置的基准燃料的燃料请求速度，并且可以基于等式(5)和等式(6)确定将由混合罐供应至燃烧装置的混合气体的供应量。
[0032][数学式4][0033]等式(5)：mw＝2
×
M+17
×
(1
‑
M)
[0034]等式(6)：Fm＝(W0
×
Wm
×
1000)/mw
×
22.4
[0035]其中，mw是混合燃料的分子量，W0是燃烧装置请求的基准燃料的燃料请求速度，且Fm是向燃烧装置供应的混合气体的供应量。
[0036]根据本专利技术的燃料重整装置的重整器优选地包括：等离子体反应容器，用于分解氨并将其转化为等离子体；等离子体发生电源；以及氢分离膜，布置在所述等离子体反应容器内，所述氢分离膜从氨的等离子体中分离出氢，并将氢作为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料重整装置，用于向燃烧装置供应含有氨和氢的燃料气体，所述燃料重整装置包括：氨罐；重整器，其被配置为重整氨并产生高浓度氢气；混合罐，其被配置为临时储存混合后的分解氨或氨的一部分而产生的低浓度氢气和所述高浓度氢气的混合气体并将所述混合气体作为燃料气体供应至所述燃烧装置；以及控制装置，其被配置为控制供应至所述混合罐的氨或所述低浓度氢气、和所述高浓度氢气的各自的供应量，以及供应至所述燃烧装置的混合气体的量。2.一种燃料重整装置，用于向燃烧装置供应含有氨和氢的燃料气体，所述燃料重整装置包括：氨罐；重整器，其被配置为重整氨并产生高浓度氢气，具有氢分离膜；混合罐，其被配置为临时储存混合后的氨和所述高浓度氢气的混合气体并将所述混合气体作为燃料气体供应至所述燃烧装置；以及控制装置，其被配置为控制供应至所述混合罐的氨和所述高浓度氢气的各自的供应量，以及供应至所述燃烧装置的混合气体的量。3.根据权利要求1或2所述的燃料重整装置，其中，在所述重整器与所述混合罐之间包括高浓度氢罐。4.根据权利要求1所述的燃料重整装置，其中，所述重整器包括：等离子体反应容器，其用于分解氨并将其转化为等离子体；等离子体发生电源；以及氢分离膜，其布置在所述等离子体反应容器内，所述氢分离膜从氨的等离子体中分离出氢，并将氢作为高浓度氢气输送至所述混合罐侧的出口，其中，所述控制装置控制所述等离子体发生电源的电压和来自所述氨罐的氨流速，以控制所述高浓度氢气的产生量。5.根据权利要求1所述的燃料重整装置，进一步包括：氨分解催化剂反应器，其产生所述低浓度氢气；以及低浓度氢罐，其临时储存产生的低浓度氢气，并将所述低浓度氢气供应至所述混合罐。6.根据权利要求5所述的燃料重整装置，其中，所述控制装置控制：第一阀门，其控制由所述氨罐供应至所述重整器的氨的供应量，第二阀门，其控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：神原信志，三浦友规，田中裕弥，池田達也，
申请(专利权)人：泽藤电机株式会社，
类型：发明
国别省市：