СИСТЕМА УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОТЫ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F02G5/00 

Изобретение относится к энергетике, в частности к конструкции систем утилизации теплоты отработавших газов двигателей внутреннего сгорания на электростанциях, и может быть использовано на электростанциях небольшой мощности в малых населенных пунктах или на предприятиях.

Известна система утилизации теплоты отработавших газов двигателя внутреннего сгорания (карбюраторного дизеля или турбины), состоящая из двигателя и реактора, в котором в результате эндотермической реакции:
CH₃OH ->> CO + 2H₂ Q_y происходит конверсия метанола в водородсодержащее газовое топливо. В результате термокаталитического преобразования исходного топлива его низшая теплота сгорания увеличивается приблизительно на 12%
Использование продуктов конверсии метанола с высоким содержанием водорода в качестве топлива позволяет повысить эффективный КПД двигателя приблизительно на 12% и снизить токсичность отработавших газов. Такое повышение эффективного КПД эквивалентно утилизации теплоты отработавших газов путем ее термохимической регенерации в цикл.

Недостатком данной системы утилизации теплоты отработавших газов двигателя является то, что только 30-40% теплоты, теряемой с отработавшими газами, возможно регенерировать в цикл, хотя потенциальная возможность регенерации составляет 60%
В качестве прототипа выбрана система утилизации теплоты отводимой от дизеля с жидкостным охлаждением, которая содержит два последовательно включенных теплообменника [1] В первый поступает нагретая жидкость из системы охлаждения двигателя, где дополнительно нагревается отработавшими газами и далее направляется во второй теплообменник. В нем происходит отдача теплоты воды из внешнего контура, подаваемой рециркуляционным насосом. При малой потребности в горячей воде часть нагретой охлаждающей жидкости из двигателя направляется вместо первого теплообменника к радиатору для охлаждения.

Недостатком данной системы утилизации теплоты отработавших газов, помимо значительных потерь тепла, является то, что токсичность выхлопа дизельных двигателей, работающих на топливе нефтяного происхождения, остается без изменений.

Известно, что при сжигании 1 кг дизельного топлива в атмосферу выбрасывается 40-50 г оксидов азота, до 15 г сажи, которая адсорбирует на своей поверхности канцерогенные вещества, а также оксиды серы, углерода и углеводороды. При этом надо учесть, что дизельные электростанции работают практически круглосуточно.

Техническим результатом при осуществлении изобретения является снижение токсичных выбросов в атмосферу и экономия топлива нефтяного происхождения, а также более полное использование теплоты отработавших газов.

Для этого в системе утилизации теплоты отработавших газов, содержащей двигатели внутреннего сгорания с генераторами электроэнергии и последовательно включенные теплообменные аппараты для нагрева воды, предусмотрены следующие отличия: по меньшей мере один из теплообменников выполнен в виде реактора конверсии углеводородного топлива в водородсодержащий газ путем термохимической регенерации теплоты отработавших газов одного из двигателей.

Из теплового баланса двигателя известно, что с отработавшими газами уходит 30-40% тепла, внесенного с топливом. В результате термохимической регенерации теплоты отработавших газов низшая теплота сгорания исходного топлива (метанола) увеличивается на 12% для чего потребуется от 40 до 30% теплоты, уносимой с отработавшими газами.

В то же время возможна утилизация до 60% тепла отработавших газов. Поэтому один двигатель с реактором конверсии метанола может обеспечить газовым водородсодержащим топливом себя и еще один двигатель (60/30 2).

Известно, что адиабатные двигатели теряют с отработавшими газами до 60% теплоты, вносимой с топливом. Это дает возможность обеспечить продуктами конверсии три двигателя (при этом для увеличения низшей теплоты сгорания исходного топлива на 12% для одного двигателя потребуется только 20% тепла, унесенного с отработавшими газами).

Второе отличие заключается в том, что по меньшей мере один из двигателей, связанный выхлопом с каталитическим реактором конверсии углеводородного топлива, выполнен адиабатическим.

Третье отличие заключается в том, что в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания используется водородсодержащий газ.

Четвертое отличие заключается в том, что система снабжена теплообменником накопителем, связанным с каталитическим реактором и магистралью подачи проточной воды.

Пятое отличие заключается в том, что система снабжена баллонами со сжатым синтез-газом, подсоединенным к впускным патрубкам двигателя внутреннего сгорания.

На чертеже изображена схема системы утилизации теплоты отработавших газов двигателей внутреннего сгорания на электростанциях.

Предлагаемая система утилизации теплоты отработавших газов двигателей внутреннего сгорания на электростанциях состоит из двух или трех (если один из них адиабатный) двигателей 1-3, метанольного бака 4, насоса 5 для подачи метанола в реактор 6, накопителя 7 продуктов конверсии, теплообменника 8, баллонов высокого давления 9 и компрессора 10.

Система утилизации теплоты отработавших газов двигателей внутреннего сгорания на электростанциях работает следующим образом.

Для запуска двигателя 1 (простого или адиабатного) используются продукты конверсии метанола или синтез-газ метанольного производства из пакета баллонов 9.

Отработавшие газы от двигателя 1 поступают в реактор 6.

При достижении необходимой температуры катализатора в реактор 6 из бака 4 насосом 5 подается метанол, который в присутствии катализатора подвергается диссоциации на С и Н₂.

Количество подаваемого метанола соответствует количеству работающих двигателей (два обычных или три, если один из них адиабатный).

Продукты конверсии метанола поступают в накопитель 7, являющийся одновременно теплообменником, а затем поступают в двигатели 1-3. Снижение температуры продуктов конверсии способствует повышению коэффициента наполнения в двигателе.

Продукты конверсии охлаждаются в накопителе водой, которая затем направляется в теплообменник 8 и дополнительно нагревается там теплом отработавших газов от двигателей 2-3, после чего поступает потребителю (система парового отопления и т.д.).

Отработавшие газы, выходящие из теплообменника 8 и реактора 6, отдав большую часть тепла, выбрасываются в атмосферу.

Использование предлагаемой системы утилизации теплоты отработавших газов двигателей внутреннего сгорания на электростанциях обеспечивает по сравнению с прототипом следующие преимущества:
снижение выбросов токсических веществ с отработавшими газами за счет возможности создания малотоксичного рабочего процесса;
экономия нефтяного топлива за счет использования продуктов конверсии углеводородных топлив;
более полное использование теплоты отработавших газов ДВС, направленных на получение продуктов конверсии углеводородного топлива.

Сущность изобретения: более полное использование теплоты отработавших газов достигается путем термохимической регенерации теплоты отработавших газов одного из двигателей в каталитическом реакторе теплообменнике конверсии метанола и получения водородосодержащего газового топлива для двух трех двигателей. Новым в системе является комплексная утилизация тепла продуктов конверсии метанола перед поступлением в двигатель и греющего теплоносителя отработавших газов. 4 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. СИСТЕМА УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОТЫ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ на электростанциях, состоящая из нескольких двигателей внутреннего сгорания и теплообменников, отличающаяся тем, что по крайней мере один из теплообменников выполнен в виде каталитического реактора конверсии углеводородного топлива в водородсодержащий газ путем термохимической регенерации теплоты отработавших газов одного из двигателей. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере один из двигателей, связанный выхлопом с каталитическим реактором конверсии углеводородного топлива, выполнен адиабатным. 3. Система по п.1, отличающаяся тем, что в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания используется водородсодержащий газ. 4. Система по пп.1 3, отличающаяся тем, что она снабжена теплообменником-накопителем, связанным с каталитическим реактором и магистралью подачи проточной воды. 5. Система по пп.1 4, отличающаяся тем, что она снабжена баллонами со сжатым синтез-газом, подсоединенным к впускным патрубкам двигателя внутреннего сгорания.