用于較低成本、較小規模制造液體燃料的發動機重整器系統技術方案

公開了一種重整器-液體燃料制造系統，其利用發動機來生成富氫氣體。發動機在諸如2.5<φ<4.0的非常富余的條件下運行。這樣做時，其形成放熱反應，這導致合成氣的產生。此外，該系統利用來自放熱反應的能量來使軸旋轉且還利用在合成氣中的熱量來加熱反應物。機械動力設備與旋轉軸連通且根據需要可被用于產生氧氣、提供電力或運行壓縮器。富氫氣體被供應至化學反應器，其將氣體轉變成液體燃料、諸如甲醇。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】相關申請的交叉引用該申請要求2013年3月14日提交的美國專利申請序列No.?13/828,140以及2012年4月18日提交的美國臨時專利申請序列No.?61/635,041的優選權，這些申請的公開內容通過引用全文并入本文中。
技術介紹
傳統甲醇以及其它氣體至液體(GTL)的生產系統使用天然氣或其它烴氣體作為輸入燃料且生產液體諸如例如甲醇、汽油或柴油燃料。給料首先在燃料重整器中轉變成合成氣(氫氣和一氧化碳的組合，稱為“富氫氣體”)。這些重整器是催化反應器，其可使用例如蒸汽重整、干式重整(利用CO2)、部分氧化或自熱運行。這些技術包括放熱轉化反應(諸如部分氧化)或吸熱反應(諸如蒸汽重整或干式重整)。由于相當的規模經濟，這些系統典型地尺寸很大以便使成本最小化。商用制造設備傾向于“大型設備”的大小，在甲醇的情況中每年生產多于1百萬噸甲醇，或者在柴油的情況中多達100000桶/天。這些非常大的設備存在一些問題，包括長的建設周期，帶有相當大的成本超支(尤其對于生產柴油燃料的設備)和建設延遲，以及在長的建設周期內預測市場的困難性。此外，為了生產該數量的甲醇，設備必須被供應以相當大量的反應物。因此，商用設備典型地通過輸送必需的反應氣體的管線來供應或靠近具有相當大產量的天然氣井。對于運輸困難或昂貴的基于生物質(biomass)或天然氣的給料，不能使用傳統的商用制造設備。因此，可能期望制造較小的較低成本的重整器，以便使與采集地的運輸距離最小化。氣流包括天然氣(來自頁巖或其它來源)，其可能難以或不可能引入管線中。其它示例包括小規模的隔離的氣體生產、在近海鉆井設備中生成的天然氣以及從填埋場或從厭氧消化池中產生的沼氣。因此，需要較低成本、較小規模的重整器系統來用于從氣體到甲醇以及其它氣體到液體(GTL)產品的分布式轉變。該需要特別強烈以完全開拓低成本天然氣的增加的可用性。而且，為了使重整器以及整個GTL設備的成本最小化，可期望整合構件包括壓縮器、發電機和馬達、重整器、氣體凈化單元以及催化反應器用于制造燃料諸如甲醇或Fischer-Tropsch柴油。在一些實施例中，諸如部分氧化和其它類型的重整器，回收在該過程中產生的一部分能量也將是有吸引力的。該能量可被用于使該單元在能量方面自給自足，降低在GTL設備中其它子系統的成本或者轉變成電力用于外售。除了燃料生產之外，同一系統可被用于以類似方式生產其它化學品、諸如氨。
技術實現思路
公開了一種重整器系統，其使用發動機來生成富氫氣體用于液體燃料生產。該發動機在非常濃的條件下運行，諸如2.5<φ<4.0，其中φ是當量比。這樣做時，其產生放熱反應，這導致產生富氫氣體。此外，該系統利用來自放熱反應的能量來使軸旋轉且還利用合成氣中的熱量來加熱反應物，同時為在重整器下游制造液體燃料的反應器提供熱重整。機械動力設備與旋轉軸連通且可根據需要被用于產生氧氣、提供電力或操作壓縮器。富氫氣體被供應到化學反應器，其將氣體轉變成液體燃料、諸如甲醇。附圖說明為了更好地理解本公開，參考附圖，其通過引用并入本文中且其中：圖1A-C示出了根據一個實施例的多區HCCI計算；圖2A-C示出了根據另一實施例的多區HCCI計算；圖3A-C示出了根據另一實施例的多區HCCI計算；圖4A-C示出了根據另一實施例火焰傳播以及C2濃度的計算；圖5A-C示出了根據另一實施例的多區HCCI計算，包括煙粒的產生和消滅；圖6A-C示出了根據另一實施例的多區HCCI計算；圖7示出了發動機重整器的實施例；圖8示出了根據一個實施例的可以是機械動力設備的部分的各種構件；圖9示出了根據另一實施例的重整器系統；圖10示出了根據另一實施例的重整器系統；圖11示出了根據另一實施例的重整器系統；圖12示出了用于生成O2和H2的電解器；圖13示出了使用基于發動機的重整器的燃料制造設備；圖14示出了在10巴下作為未燃燒燃料溫度以及當量比的函數的在甲烷/氧氣中的層流焰特性；圖15示出了在20巴下作為未燃燒燃料溫度以及當量比的函數的在富含甲烷/氧氣的空氣中的層流焰特性；圖16示出了在20巴下在氧氣中作為未燃燒燃料溫度和當量比的函數的對于甲烷和一些殘留物的層流焰特性；圖17示出了作為未燃燒燃料溫度和當量比的函數的在沼氣中的層流焰特性；圖18示出了對于不同的當量比在入口閥關閉時作為缸內溫度變化的函數的峰值壓力，其中壓力的較大增加是由于爆震；圖19示出了對于若干當量比在入口閥關閉時作為平均缸內溫度的函數的對于1巴的入口歧管壓力在HCCI運行中的峰值溫度；圖20示出了對于若干當量比在入口閥關閉時作為平均缸內溫度的函數的在1巴的入口歧管壓力的情況下甲烷的轉化；圖21示出了對于圖19-20的條件合成氣的H2/CO比率。圖22示出了對于一個發動機運行條件作為燃料中H2濃度的函數的合成氣的H2/CO比率；圖23示出了對于一個發動機運行條件作為燃料中H2O濃度的函數的合成氣的H2/CO比率；以及圖24示出了對于一個發動機運行條件作為燃料中CO2濃度的函數的合成氣的H2/CO比率。具體實施方式往復式發動機可提供顯著降低非常小規模的重整器-液體燃料生產系統的成本的手段。如果燃料在往復式發動機中重整，可實現大量消除系統構件。對于生產甲醇的系統，成本降低的百分比最大。這些單元可尤其適合于非常小規模的應用。這些重整器稱為“發動機重整器”。雖然在過去已嘗試發動機重整，但是其對于生成合成氣以制造燃料不實用，因為條件不適合于生成足夠質量的合成氣。為了生成合成氣，發動機的條件使得常規發動機運行不可能。對于部分氧化，反應產物是氫氣和一氧化碳，生成極少CO2和水，如以下所示。CmHn+??m?O2?->?m?CO+??n?H2，或者CmHn+?m?H2O?->?m?CO?+?(m?+??n)?H2為了實現這些反應，用于合成氣生產的燃料/空氣比除以用于燃料完全燃燒的空氣/燃料比(即當量比或φ)需要非常高(對于天然氣，φ>3)，而在常規火花點火發動機中火焰從著火點將不傳播。在柴油發動機的情況中，擴散火焰的過程將完全燃燒燃料，生成大量的水和CO2，對于液體燃料生產是不期望的。雖然在過去已建議基于發動機的重整器，但是其僅被用于氫氣的車載生成，用于改進車輛性能，諸如降低排放，或改進效率。未建議過將基于發動機的重整器集合到燃料制造設備中，也未公開過對于具有接近部分氧化條件的燃料/氧化劑比的高效重整所需的條件和特征。已使用發動機探索過天然氣的熱裂解，作為將天然氣升級到C2化合物的手段，但是先前的工作未探索過制造合成氣的可能性。圖13示出了燃料制造設備10，其使用基于發動機的重整器20?；诎l動機的重整器20包括一個或多個缸體，每個具有帶有布置在其中的往復式活塞的腔?；钊c旋轉軸30連通。基于發動機的重整器接收氣態烴燃料21本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于生產液體燃料的重整器系統，其包括發動機，其包括：多個缸體，各具有布置在其中的往復式活塞，在那里活塞中的每個與可旋轉的軸連通，排氣歧管，以及入口歧管，烴燃料和氧化劑被供應到其中；其中，所述發動機通過在所述缸體中的至少一個中部分燃燒生產富氫氣體，且從所述部分燃燒釋放的能量被用于使所述軸旋轉；與旋轉軸連通的機械動力設備；以及與所述排氣歧管連通的化學反應器，其利用所述富氫氣體來生產所述液體燃料。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2012.04.18 US 61/635041;2013.03.14 US 13/8281401.?一種用于生產液體燃料的重整器系統，其包括發動機，其包括：
多個缸體，各具有布置在其中的往復式活塞，在那里活塞中的每個與可旋轉的軸連通，
排氣歧管，以及
入口歧管，烴燃料和氧化劑被供應到其中；其中，所述發動機通過在所述缸體中的至少一個中部分燃燒生產富氫氣體，且從所述部分燃燒釋放的能量被用于使所述軸旋轉；
與旋轉軸連通的機械動力設備；以及
與所述排氣歧管連通的化學反應器，其利用所述富氫氣體來生產所述液體燃料。
2.?根據權利要求1所述的重整器系統，其中，所述機械動力設備包括空氣分離單元，其產生氧氣以被用作在所述入口歧管中的所述氧化劑。
3.?根據權利要求1所述的重整器系統，其中，所述機械動力設備包括壓縮器以壓縮所述氧化劑、所述烴燃料和所述富氫氣體中的至少一個。
4.?根據權利要求1所述的重整器系統，其中，所述烴燃料的壓縮通過促動在所述缸體中的排氣閥來控制，且所述排氣閥使用可變閥正時。
5.?根據權利要求1所述的重整器系統，其中，所述烴燃料的壓縮通過在所述入口歧管處所述烴燃料的溫度和壓力來控制。
6.?根據權利要求1所述的重整器系統，其中，所述烴燃料包括甲烷。
7.?根據權利要求1所述的重整器系統，其中，所述發動機是渦輪增壓的且使用大于12的壓縮比。
8.?根據權利要求1所述的重整器系統，其中，所述發動機是火花點火。
9.?根據權利要求8所述的重整器系統，其中，所述發動機包括類似柴油機的引燃火花點火、DME點火、預燃室或增強的點火源。
10.?根據權利要求9所述的重整器系統，其中，所生產的所述液體燃料包括甲烷；且其中，DME由所述甲烷來生產。
11.?根據權利要求1所述的重整器系統，其還包括換熱器，其中,所述氧化劑和所述烴燃料中的至少一個在引入所述發動機之前被預熱。
12.?根據權利要求11所述的重整器系統，其中，所述換熱器包括金屬泡沫加熱器。
13.?根據權利要求1所述的重整器系統，其中，所述發動機包括HCCI發動機。
14.?根據權利要求1所述的重整器系統，其中，稀釋劑被加到缸體中以控制在所述缸體內的熱釋放速率和峰值壓力。
15.?根據權利要求11所述的重整器系統，其中，所述稀釋劑選自水、合成氣、尾氣、氮氣和氬氣。
16.?根據權利要求1所述的重整器系統，其中，所述液體燃料包括甲醇或FT柴油，且所述重整器系統能夠位于滑橇或...

【專利技術屬性】
技術研發人員：L布羅姆伯格，WH格林，A薩波克，DR科恩，A賈蘭，
申請(專利權)人：麻省理工學院，
類型：發明
國別省市：美國;US