Устройство для генерирования тепла и водорода
Изобретение относится к устройству для генерирования тепла и водорода. Устройство содержит корпус (2), камеру (3) горения горелки, сформированную в корпусе (2), горелку (7), имеющую отверстие (9) впрыска топлива и отверстие (11) подачи воздуха для осуществления горения горелки в камере (3) горения горелки, устройство подачи топлива для подачи топлива к отверстию (9) впрыска топлива, устройство подачи воздуха для подачи воздуха к отверстию (11) подачи воздуха и катализатор (4) риформинга, который расположен в корпусе (2) и к которому подводятся газообразные продукты горения горелки, образованные в камере (3) горения горелки. При этом устройство подачи воздуха снабжено теплообменным элементом (13а) для нагревания воздуха, подаваемого в отверстие (11) подачи воздуха. Кроме того, устройство подачи воздуха снабжено переключающим устройством, выполненным с возможностью переключения пути воздушного потока для введения наружного воздуха в отверстие (11) подачи воздуха. При этом горелка (7), имеющая отверстие (9) впрыска топлива и отверстие (11) подачи воздуха, расположена в одной концевой части корпуса (2), а отверстие (25) для выпуска газа расположено в другой концевой части корпуса (2). Технический результат заключается в обеспечении отсутствия деградации катализатора риформинга. 1 з.п. ф-лы, 12 ил.
Настоящее изобретение относится к устройству для генерирования тепла и водорода.
В области техники известно устройство для генерирования тепла и водорода, снабженное горелкой, имеющее камеру горения горелки и отверстие впрыска топлива для осуществления впрыска топлива внутрь камеры горения горелки, устройство подачи воздуха для подачи воздуха внутрь камеры горения горелки и катализатор риформинга, и предназначенное для подачи газообразных продуктов горения горелки, образующихся в камере горения горелки, к катализатору риформинга, чтобы тем самым генерировать тепло и водород (см., например, «Application of a Diesel Fuel Reformer for Tier 2 Bin 5 Emissions» Delphi, 2006 DEER Conference, 21 Августа 2006, Детройт, Мичиган). В этом устройстве для генерирования тепла и водорода для того, чтобы вызвать реакцию риформинга с частичным окислением, воздух и топливо приводятся в реакцию в состоянии, в котором молярное отношение O2/С воздушно-топливной смеси поддерживается на уровне 0,5, и в результате этого вырабатываются тепло и водород.
В связи с этим, когда осуществляется реакция риформинга с частичным окислением топлива с использованием катализатора риформинга, температура катализатора риформинга, когда реакция риформинга с частичным окислением достигает равновесного состояния, т.е. равновесная температура реакции, меняется в зависимости от молярного отношения O2/С воздушно-топливной смеси. Например, когда молярное отношение О2/С составляет 0,5, температура катализатора риформинга, т.е. равновесная температура реакции, становится равной примерно 830°C. Однако, температура этого катализатора риформинга имеет это значение в случае, когда температура подаваемого воздуха составляет 25°C. Если температура подаваемого воздуха повышается, то температура катализатора риформинга повышается вместе с ней.
При этом, однако, в указанном выше устройстве для генерирования тепла и водорода подаваемый воздух постоянно нагревается газом, выходящим из катализатора риформинга. Поэтому, если нагревающее действие газа, выходящего из катализатора риформинга, приводит к повышению температуры подаваемого воздуха, то температура катализатора риформинга повышается. Если температура катализатора риформинга повышается, - температура газа, выходящего из катализатора риформинга растет, и температура подаваемого воздуха растет, так что температура подаваемого воздуха продолжает повышаться. В результате возникает проблема, заключающаяся в том, что температура катализатора риформинга становится выше, и катализатор риформинга деградирует из-за высокой температуры.
В соответствии с настоящим изобретением для решения этой проблемы предлагается устройство для генерирования тепла и водорода, содержащее корпус, камеру горения горелки, сформированную в корпусе, причем горелка имеет отверстие впрыска топлива и отверстие подачи воздуха для осуществления горения горелки в камере горения горелки, устройство подачи топлива для подачи топлива к отверстию впрыска топлива, устройство подачи воздуха для подачи воздуха к отверстию подачи воздуха, и катализатор риформинга, который расположен в корпусе и к которому подводятся газообразные продукты горения горелки, образующиеся в камере горения горелки, причем устройство подачи воздуха снабжено теплообменным элементом для нагревания воздуха, подаваемого в отверстие подачи воздуха, с помощью газообразных продуктов горения горелки, тепло и водород образуются в процессе горения горелки, при этом устройство подачи воздуха снабжено переключающим устройством, выполненным с возможностью переключения пути воздушного потока для введения наружного воздуха в отверстие подачи воздуха между путем высокотемпературного воздушного потока для введения наружного воздуха, поступающего в теплообменный элемент и нагреваемого в теплообменном элементе, в отверстие подачи воздуха, и путем низкотемпературного воздушного потока для подачи наружного воздуха, который не поступает в теплообменный элемент и, соответственно, имеет более низкую температуру, чем наружный воздух, нагреваемый в теплообменном элементе, к отверстию подачи воздуха.
Таким образом, согласно первому объекту настоящего изобретения создано устройство для генерирования тепла и водорода, содержащее: корпус, камеру горения горелки, сформированную в корпусе, горелку, имеющую отверстие впрыска топлива и отверстие подачи воздуха для осуществления горения горелки в камере горения горелки, устройство подачи топлива для подачи топлива к отверстию впрыска топлива, устройство подачи воздуха для подачи воздуха к отверстию подачи воздуха и катализатор риформинга, который расположен в корпусе и к которому подводятся газообразные продукты горения горелки, образованные в камере горения горелки, причем устройство подачи воздуха снабжено теплообменным элементом для нагревания воздуха, подаваемого в отверстие подачи воздуха, с помощью газообразных продуктов горения горелки, при этом тепло и водород образуются в процессе горения горелки, причем устройство подачи воздуха снабжено переключающим устройством, выполненным с возможностью переключения пути воздушного потока для введения наружного воздуха в отверстие подачи воздуха между путем высокотемпературного воздушного потока для введения наружного воздуха, поступающего в теплообменный элемент и нагреваемого в теплообменном элементе, в отверстие подачи воздуха, и путем низкотемпературного воздушного потока для подачи наружного воздуха, который не поступает в теплообменный элемент и, соответственно, имеет более низкую температуру, чем наружный воздух, нагреваемый в теплообменном элементе, к отверстию подачи воздуха, при этом горелка, имеющая отверстие впрыска топлива и отверстие подачи воздуха, расположена в одной концевой части корпуса, а отверстие для выпуска газа расположено в другой концевой части корпуса, причем катализатор риформинга расположен в корпусе между горелкой и отверстием для выпуска газа, при этом теплообменный элемент расположен в корпусе между катализатором риформинга и отверстием для выпуска газа, и воздух, подаваемый в отверстие подачи воздуха, нагревается с помощью газа, выходящего из катализатора риформинга.
Предпочтительно, имеется воздушный насос, и воздух, нагнетаемый из воздушного насоса, подается в отверстие подачи воздуха через любой один путь из пути высокотемпературного воздушного потока и пути низкотемпературного воздушного потока.
За счет обеспечения переключающего устройства, способного переключать путь воздушного потока между путем высокотемпературного воздушного потока и путем низкотемпературного воздушного потока по мере необходимости, можно вводить наружный воздух, который не протекает внутри теплообменного элемента и, соответственно, имеет более низкую температуру, чем наружный воздух, нагреваемый в теплообменном элементе, в отверстие подачи воздуха, благодаря чему не происходит деградации катализатора риформинга.
Далее настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - общий вид устройства для генерирования тепла и водорода;
фиг.2 - диаграмма для пояснения реакций риформинга дизельного топлива;
фиг.3 - диаграмма, показывающая зависимость равновесной температуры ТВ реакции от молярного отношения О2/С;
фиг.4 - диаграмма, показывающая связь молярного отношения О2/С и числа молекул, образованных на один атом углерода;
фиг.5 - диаграмма, иллюстрирующая распределение температуры внутри катализатора риформинга;
фиг.6 - диаграмма, показывающая зависимость равновесной температуры ТВ реакции от молярного отношения О2/С при изменении температуры ТА подаваемого воздуха;
фиг.7 - временная диаграмма, показывающая регулирование образования тепла и водорода;
фиг.8A и 8B - диаграммы, показывающие рабочие области, осуществляющие операцию вторичного прогрева;
фиг.9 - диаграмма алгоритма регулирования образования тепла и водорода;
фиг.10 - диаграмма алгоритма регулирования образования тепла и водорода; и
фиг.11 - диаграмма алгоритма регулирования образования тепла и водорода.
На фиг.1 представлен общий вид устройства 1 для генерирования тепла и водорода. Это устройство 1 для генерирования тепла и водорода в целом имеет цилиндрическую форму. На фиг.1 позицией 2 обозначен цилиндрический корпус устройства 1 для генерирования тепла и водорода, позицией 3 - камера горения горелки, сформированная в корпусе 2, позицией 4 - катализатор риформинга, расположенный в корпусе 2, и позицией 5 - камера выпуска газа, сформированная в корпусе. В варианте осуществления, показанном на фиг.1, катализатор 4 риформинга расположен в центре корпуса 2 в продольном направлении, камера 3 горения горелки расположена в одной концевой части корпуса 2 в продольном направлении, и камера 5 выпуска газа расположена в другой концевой части корпуса 2 в продольном направлении. Как показано на фиг.1, в данном варианте осуществления вся внешняя поверхность корпуса 2 покрыта теплоизоляционным материалом 6.
Как показано на фиг.1, горелка 7, снабженная топливным инжектором 8, расположена в одной концевой части камеры 3 горения горелки. Конец топливного инжектора 8 расположен в камере 3 горения горелки, и отверстие 9 впрыска топлива сформировано на конце топливного инжектора 8. Кроме того, воздушная камера 10 сформирована вокруг топливного инжектора 8, и отверстие 11 подачи воздуха для эжектирования воздуха в воздушной камере 10 внутрь камеры 3 горения горелки сформировано вокруг конца топливного инжектора 8. В варианте осуществления, показанном на фиг.1, топливный инжектор 8 соединен с топливным баком 12, и топливо, находящееся внутри топливного бака 12, инжектируется из отверстия 9 впрыска топлива топливного инжектора 8. В варианте осуществления, показанном на фиг.1, это топливо состоит из дизельного топлива.
Воздушная камера 10 соединена с одной стороны, через канал 13 высокотемпературного воздушного потока, с воздушным насосом 15 с возможностью регулирования скорости нагнетания, и соединена с другой стороны, через канал 14 низкотемпературного воздушного потока, с воздушным насосом 15 с возможностью регулирования скорости нагнетания. Как показано на фиг.1, высокотемпературный воздушный клапан 16 и низкотемпературный воздушный клапан 17 расположены в канале 13 высокотемпературного воздушного потока и в канале 14 низкотемпературного воздушного потока, соответственно. Кроме того, как показано на фиг.1, канал 13 высокотемпературного воздушного потока оснащен теплообменным элементом, расположенным в камере 5 выпуска газа. Этот теплообменный элемент схематически показан на фиг.1 ссылочной позицией 13a. Следует отметить, что данный теплообменный элемент может быть сформирован после катализатора 4 риформинга по окружности корпуса 2, ограничивающего камеру 5 выпуска газа. Таким образом, предпочтительно, чтобы этот теплообменный элемент 13а был расположен или сформирован по месту, где осуществляется теплообмен с использованием тепла высокотемпературного газа, выходящего из камеры 5 выпуска газа. С другой стороны, канал 14 низкотемпературного воздушного потока не имеет теплообменного элемента 13а, осуществляющего теплообмен с использованием тепла высокотемпературного газа, выходящего из камеры 5 выпуска газа по этому пути.
Если высокотемпературный воздушный клапан 16 открывают и низкотемпературный воздушный клапан 17 закрыт, - наружный воздух подается через воздухоочиститель 18, воздушный насос 15, канал 13 высокотемпературного воздушного потока и воздушную камеру 10 в камеру 3 горения горелки из отверстия 11 подачи воздуха. В это время наружный воздух, т.е. воздух, направляется в теплообменную часть 13а. В противоположность этому, если низкотемпературный воздушный клапан 17 открывают и высокотемпературный воздушный клапан 16 закрыт, - наружный воздух, т.е. воздух, подается через воздухоочиститель 18, воздушный насос 15, канал 14 низкотемпературного воздушного потока и воздушную камеру 10 из отверстия 11 подачи воздуха. Таким образом, высокотемпературный воздушный клапан 16 и низкотемпературный воздушный клапан 17 образуют переключающее устройство, способное переключать канал воздушного потока для подачи воздуха через воздушную камеру 10 в отверстие 11 подачи воздуха между каналом 13 высокотемпературного воздушного потока и каналом 14 низкотемпературного воздушного потока.
В то же время, устройство 19 зажигания расположено в камере 3 горения горелки. В варианте осуществления, показанном на фиг.1, это устройство 19 зажигания состоит из запальной свечи. Эта запальная свеча 19 соединена через переключатель 20 с источником 21 питания. С другой стороны, в варианте осуществления, показанном на фиг.1, катализатор 4 риформинга состоит из окисляющей части 4a и части 4b риформинга. В примере, показанном на фиг.1, подложка катализатора 4 риформинга состоит из цеолита. На эту подложку в окисляющей части 4a нанесен в основном палладий Pd, в то время как в части 4b риформинга нанесен в основном родий Rh. Кроме того, температурный датчик 22 для определения температуры торцевой поверхности стороны входа окисляющей части 4a катализатора 4 риформинга расположен в камере 3 горения горелки, и температурный датчик 23 для определения температуры торцевой поверхности стороны выпуска части 4b риформинга катализатора 4 риформинга расположен в камере 5 выпуска газа. Кроме того, температурный датчик 24 для определения температуры воздуха, проходящего в канале 14 низкотемпературного воздушного потока, расположен в канале 14 низкотемпературного воздушного потока, находящемся снаружи теплоизолирующего материала 6.
Как показано на фиг.1, устройство 1 для генерирования тепла и водорода снабжено электронным блоком 30 управления. Данный электронный блок 30 управления состоит из цифрового компьютера, оснащенного, как показано на фиг.1, ПЗУ (постоянным запоминающим устройством) 32, ОЗУ (оперативным запоминающим устройством) 33, ЦП (микропроцессором) 34, портом 35 ввода и портом 36 вывода, которые связаны друг с другом посредством двунаправленной шины 31. Выходные сигналы температурных датчиков 22, 23 и 24 вводятся через соответствующие АЦП 37 в порт 35 ввода, соответственно. Кроме того, выходной сигнал, показывающий значение сопротивления запальной свечи 19, вводится через соответствующий АЦП 37 в порт 35 ввода. Кроме того, различные команды из блока 39 генерирования команд, создающего различные типы команд, вводятся в порт 35 ввода.
С другой стороны, порт 36 вывода соединен через соответствующие управляющие схемы 38 с топливными инжекторами 8, высокотемпературным воздушным клапаном 16, низкотемпературным воздушным клапаном 17 и переключателем 20. Кроме того, порт 36 вывода соединен с управляющей схемой 40 насоса, регулирующей скорость нагнетания воздушного насоса 15. Скорость нагнетания воздушного насоса 15 регулируется данной управляющей схемой 40 насоса для достижения заданного значения скорости нагнетания, которое выводится в порт 36 вывода.
Во время начала работы устройства 1 для генерирования тепла и водорода, топливо, впрыскиваемое из горелки 7, воспламеняется с помощью запальной свечи 19. Благодаря этому, топливо и воздух, которые подаются из горелки 7, вступают в реакцию в камере 3 горения горелки, и в результате этого начинается горение горелки. Если горение горелки начинается, температура катализатора 4 риформинга постепенно повышается. В этот момент времени горение горелки осуществляется при бедном воздушно-топливном отношении. Далее, если температура катализатора 4 риформинга достигает температуры, при которой возможен риформинг топлива, воздушно-топливное отношение переключается с бедного воздушно-топливного отношения на богатое воздушно-топливное отношение, и процесс риформинга топлива на катализаторе 4 риформинга начинается. Если процесс риформинга топлива начинается, - вырабатывается водород, и высокотемпературный газ, содержащий образованный водород, выпускается из отверстия 25 для выпуска газа камеры 5 выпуска газа.
Водород, образованный с помощью устройства 1 для генерирования тепла и водорода, используется, например, для прогрева катализатора очистки выхлопных газов транспортного средства. В этом случае устройство 1 для генерирования тепла и водорода, например, расположено внутри моторного отсека транспортного средства. Разумеется, водород, вырабатываемый устройством 1 для генерирования тепла и водорода, используется и для разных других применений. В любом случае, в устройстве 1 для генерирования тепла и водорода, водород вырабатывается путем риформинга топлива. Поэтому, сначала, со ссылкой на фиг.2, будут объяснены реакции риформинга в случае использования в качестве топлива дизельного топлива.
Позиции (а)-(с) на фиг.2 показывают формулу реакции, когда осуществляется реакция полного окисления, формулу реакции, когда осуществляется реакция риформинга с частичным окислением, и формулу реакции, когда осуществляется реакция парового риформинга, соответственно, в случае использования в качестве топлива обычно используемого дизельного топлива. Следует отметить, что теплотворная способность ΔH0 в формулах реакции представлена низшей теплотворной способностью (LHV). Итак, как следует из (b) и (с) на фиг.2, существует два способа генерирования водорода из дизельного топлива: способ осуществления реакции риформинга с частичным окислением и способ осуществления реакции парового риформинга. Реакция парового риформинга представляет собой способ добавления водяного пара в дизельное топливо и, как следует из (с) на фиг.2, данная реакция парового риформинга является эндотермической реакцией. Поэтому, чтобы вызвать реакцию парового риформинга, необходимо добавить тепло извне. В крупномасштабных установках для генерирования водорода, обычно, чтобы повысить эффективность образования водорода, в дополнение к реакции риформинга с частичным окислением применяется реакция парового риформинга, в которой образующееся тепло не сбрасывается, но используется для генерирования водорода.
В противоположность этому, в настоящем изобретении, для образования водорода и тепла, реакция парового риформинга, использующая образованное тепло для генерирования водорода, не используется. В настоящем изобретении для генерирования водорода используется только реакция риформинга с частичным окислением. Эта реакция риформинга с частичным окислением, как следует из (b) на фиг.2, является экзотермической реакцией. Соответственно, реакция риформинга протекает за счет собственного образованного тепла, даже без добавления тепла извне, и вырабатывается водород. В данном случае, как показано с помощью формулы реакции риформинга с частичным окислением в позиции (b) на фиг.2, реакция риформинга с частичным окислением осуществляется с помощью богатого воздушно-топливного отношения, когда молярное отношение O2/С, иллюстрирующее соотношение воздуха и топлива, которые вступают в реакцию, составляет 0,5. При этом образуются CO и H2.
На фиг.3 показана зависимость между равновесной температурой ТВ реакции, когда воздух и топливо вступают в реакцию на катализаторе риформинга и достигается равновесие, и молярным отношением O2/C воздушно-топливной смеси. Следует отметить, что сплошная линия на фиг.3 показывает теоретическое значение, когда температура воздуха равна 25°С. Как показано сплошной линией на фиг. 3, когда реакция риформинга с частичным окислением осуществляется при богатом воздушно-топливном отношении, т.е. при молярном отношении О2/С=0,5, равновесная температура ТВ реакции составляет практически 830°C. Следует отметить, что фактическая равновесная температура ТВ реакции в данном случае становится немного ниже 830°C, но ниже равновесная температура ТВ реакции будет описана для варианта осуществления по настоящему изобретению как значение, показанное сплошной линией на фиг.3.
С другой стороны, как следует из формулы реакции полного окисления, показанной позицией (а) на фиг.2, когда молярное отношение O2/C=1,4575, воздушно-топливное отношение становится стехиометрическим воздушно-топливным отношением. Как показано на фиг.3, равновесная температура ТВ реакции становится наиболее высокой, когда воздушно-топливное отношение становится стехиометрическим воздушно-топливным отношением. Когда молярное отношение О2/С находится между 0,5 и 1,4575, частично осуществляется реакция риформинга с частичным окислением, в тоже время частично осуществляется реакция полного окисления. В этом случае чем больше молярное отношение О2/С, тем больше отношение, при котором осуществляется реакция полного окисления, по сравнению с отношением, при котором осуществляется реакция риформинга с частичным окислением, поэтому чем больше молярное отношение O2/C, тем выше равновесная температура ТВ реакции.
С другой стороны, на фиг.4 показана зависимость между числом молекул (H2 и CO), образованных на один атом углерода, и молярным отношением O2/С. Как было объяснено выше, чем больше молярное отношение О2/С превышает 0,5, тем меньше отношение, при котором осуществляется реакция риформинга с частичным окислением. Таким образом, как показано на фиг. 4, чем больше молярное отношение О2/С превышает 0,5, тем меньше образование Н2 и СО. Следует отметить, что, хотя это и не показано на фиг.4, если молярное отношение О2/С становится больше, чем 0,5, за счет реакции полного окисления, показанной позицией (а) на фиг.2, образованные количества СО2 и Н2О увеличиваются. В этой связи, на фиг.4 показаны образованные количества Н2 и СО, если предположить, что реакция конверсии водяного газа, показанная на фиг.2(d), не происходит. Однако, в действительности, реакция конверсии водяного газа, показанная позицией (d) фиг.2, происходит за счет СО, образованного при реакции риформинга с частичным окислением, и H2O, образованной при реакции полного окисления, и водород образуется также и за счет этой реакции конверсии водяного газа.
Итак, как пояснено выше, чем больше молярное отношение О2/С превышает 0,5, тем меньше образованные количества Н2 и СО. С другой стороны, как показано на фиг.4, если молярное отношение О2/С становится меньше 0,5, избыточный углерод С, который не способен вступать в реакцию, возрастает. Этот избыточный углерод C осаждается в порах подложки катализатора риформинга, то есть происходит коксование. Если происходит коксование, способность осуществления риформинга катализатором риформинга заметно падает. Поэтому, чтобы избежать коксования, молярное отношение О2/С необходимо поддерживать на уровне не ниже 0,5. Далее, как следует из фиг.4, в диапазоне, где не происходит образования избыточного углерода, образованное количество водорода становится наибольшим, когда молярное отношение О2/С составляет 0,5. Следовательно, в варианте осуществления настоящего изобретения, когда реакция риформинга с частичным окислением осуществляется для образования водорода, чтобы избежать закоксовывания и предоставить возможность водороду образовываться наиболее эффективно, молярное отношение O2/C принципиально поддерживают на уровне 0,5.
С другой стороны, даже если молярное отношение О2/С установлено шире, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение с величиной молярного отношения О2/С=1,4575, осуществляется реакция полного окисления, однако, чем шире становится молярное отношение O2/C, тем большее количество воздуха должно иметь повышенную температуру. Соответственно, как показано на фиг.3, если молярное отношение О2/С становится больше, чем молярное отношение O2/C=1,4575, характеризующее стехиометрическое воздушно-топливное отношение, то чем больше становится молярное отношение О2/С, тем больше равновесная температура ТВ реакции будет падать. В этом случае, например, если молярное отношение О2/С установлено на уровне бедного воздушно-топливного отношения, равного 2,6, когда температура воздуха составляет 25°C, равновесная температура ТВ реакции становится примерно 920°C.
Итак, как пояснено выше, во время начала работы устройства 1 для генерирования тепла и водорода, показанного на фиг.1, топливо, впрыскиваемое из горелки 7, воспламеняется с помощью запальной свечи 19. Благодаря этому, внутри камеры 3 горения горелки топливо и воздух, инжектированные из горелки 7, вступают в реакцию, в результате чего начинается горение горелки. Если горение горелки начинается, температура катализатора 4 риформинга постепенно повышается. В этот момент времени горение горелки осуществляется при бедном воздушно-топливном отношении. Затем, если температура катализатора 4 риформинга достигает температуры, при которой возможен риформинг топлива, воздушно-топливное отношение переключается с бедного воздушно-топливного отношения на богатое воздушно-топливное отношение, и процесс риформинга топлива на катализаторе 4 риформинга начинается. Если процесс риформинга топлива начался, - образуется водород. На фиг.5 показано распределение температуры внутри окисляющей части 4a и части 4b риформинга катализатора 4 риформинга, когда реакция на катализаторе 4 риформинга достигает равновесного состояния. Следует отметить, что на фиг.5 показано распределение температуры в случае, когда температура наружного воздуха составляет 25°C, и этот наружный воздух подается через канал 14 низкотемпературного воздушного потока, показанный на фиг.1, из горелки 7 внутрь камеры 3 горения горелки.
Сплошная линия на фиг.5 показывает распределение температуры внутри катализатора 4 риформинга, когда молярное отношение O2/C воздуха и топлива, подаваемых из горелки 7, равно 0,5. Как показано на фиг.5, в этом случае в окисляющей части 4a катализатора 4 риформинга температура катализатора 4 риформинга повышается в направлении стороны выпуска благодаря теплоте реакции окисления из-за остающегося кислорода. Примерно тогда, когда газообразные продукты горения проходят внутри окисляющей части 4a катализатора 4 риформинга во внутреннюю часть 4b риформинга, остающийся кислород в газообразных продуктах горения расходуется, и осуществляется процесс риформинга топлива в части 4b риформинга катализатора 4 риформинга. Данная реакция риформинга является эндотермической реакцией. Поэтому температура внутри катализатора 4 риформинга падает по мере протекания процесса риформинга, то есть к стороне выпуска катализатора 4 риформинга. Температура торцевой поверхности стороны выпуска катализатора 4 риформинга в этот момент времени равна 830°C и совпадает с равновесной температурой ТВ реакции при молярном отношении O2/C=0,5, как показано на фиг.3.
С другой стороны, на фиг.5 пунктирной линией показано распределение температуры внутри катализатора 4 риформинга, когда молярное отношение O2/C воздуха и топлива, подаваемых из горелки 7, соответствует бедному воздушно-топливному отношению 2,6. В этом случае также температура внутри катализатора 4 риформинга повышается в направлении стороны выпуска катализатора 4 риформинга благодаря теплоте реакции окисления топлива внутри окисляющей части 4a катализатора 4 риформинга. С другой стороны, в этом случае процесс риформинга не осуществляется внутри части 4b риформинга катализатора 4 риформинга, благодаря чему температура катализатора 4 риформинга сохраняется постоянной в части 4b риформинга. Температура торцевой поверхности стороны выпуска катализатора 4 риформинга в этот момент времени равна 920°C и совпадает с равновесной температурой ТВ реакции при молярном отношении O2/C=2,6, как показано на фиг.3. Таким образом, равновесная температура ТВ реакции на фиг.3 показывает температуру торцевой поверхности стороны выпуска катализатора 4 риформинга, когда температура наружного воздуха составляет 25°C, и этот наружный воздух подается через канал 14 низкотемпературного воздушного потока, показанный на фиг.1, из горелки 7 внутрь камеры 3 горения горелки.
Далее, со ссылкой на фиг.6 будет пояснена равновесная температура ТВ реакции при изменении температуры воздуха, реагирующего с топливом в катализаторе риформинга. На фиг.6, как и на фиг.3, показана зависимость между равновесной температурой ТВ реакции, когда воздух и топливо вступают в реакцию на катализаторе риформинга при достижении равновесия, и молярным отношением O2/C воздушно-топливной смеси. Следует отметить, что на фиг.6 аббревиатура ТА обозначает температуру воздуха. На данной фиг.6 зависимость между равновесной температурой ТВ реакции и молярным отношением O2/С, показанная на фиг.3 сплошной линией, снова показана сплошной линией. На фиг.6 пунктирными линиями также показаны зависимости между равновесной температурой ТВ реакции и молярным отношением O2/C при изменении температуры ТА воздуха до 225°C, 425°C и 625°C. Из фиг.6 следует, что равновесная температура ТВ реакции становится выше в целом, независимо от молярного отношения О2/С при повышении температуры ТА воздуха.
С другой стороны, подтверждается, что катализатор 4 риформинга, используемый в варианте осуществления настоящего изобретения, не сильно ухудшается из-за высокой температуры, если температура катализатора составляет 950°C или менее. Таким образом, в варианте осуществления настоящего изобретения, 950°C является допустимой температурой TX катализатора, позволяющей избежать термической деградации катализатора 4 риформинга. Эта допустимая температура ТХ катализатора показана на фиг.3, фиг.5 и фиг.6. Как видно из фиг.5, когда температура ТА воздуха равна 25°C, если молярное отношение O2/C равно 0,5 или молярное отношение O2/C равно 2,6, - температура катализатора 4 риформинга при достижении реакцией в катализаторе 4 риформинга равновесного состояния становится допустимой температурой ТХ катализатора на всех участках катализатора 4 риформинга. Соответственно, в этом случае можно продолжать использовать катализатор 4 риформинга, не опасаясь термической деградации на практике.
С другой стороны, как следует из фиг.3, даже в том случае, когда температура ТА воздуха равна 25°C, если молярное отношение О2/С становится немного выше 0,5, температура торцевой поверхности стороны выхода катализатора 4 риформинга, при достижении реакцией в катализаторе 4 риформинга равновесного состояния, т.е. равновесной температуры ТВ реакции, будет в конечном счете превышать допустимую температуру ТХ катализатора. Если молярное отношение О2/С становится немного ниже 2,6, - температура торцевой поверхности стороны выхода катализатора 4 риформинга, при достижении реакцией в катализаторе 4 риформинга равновесного состояния, будет в конечном счете превышать допустимую температуру ТХ катализатора.
Поэтому, например, когда реакция в катализаторе 4 риформинга находится в равновесном состоянии, когда происходит реакция риформинга с частичным окислением, молярное отношение О2/С может быть больше 0,5, однако возможный диапазон расширения молярного отношения O2/C ограничен.
С другой стороны, как следует из фиг.6, если температура ТА воздуха становится более высокой, когда реакция в катализаторе 4 риформинга достигает равновесного состояния, даже если молярное отношение O2/C составляет 0,5, - температура торцевой поверхности стороны выпуска катализатора 4 риформинга при достижении реакцией в катализаторе 4 риформинга равновесного состояния становится выше, чем допустимая температура ТХ катализатора, и, соответственно, катализатор 4 риформинга будет ухудшаться из-за теплоты. Таким образом, когда температура ТА воздуха становится высокой, если реакция в катализаторе 4 риформинга достигает равновесного состояния, - молярное отношение O2/C не может быть установлено равным 0,5. Таким образом, в варианте осуществления настоящего изобретения, когда реакция в катализаторе 4 риформинга достигает равновесного состояния, температура ТА воздуха устанавливается низкой, примерно 25°C, и молярное отношение О2/С устанавливается равным 0,5 в состоянии для поддержания температуры ТА воздуха на уровне примерно 25°C.
Далее, со ссылкой на фиг.7, будет объяснен вкратце способ для генерирования тепла и водорода с помощью устройства 1 для генерирования тепла и водорода, показанного на фиг.1. Следует отметить, что на фиг.7 показаны рабочее состояние запальной свечи 19, количество воздуха, подаваемое из горелки 7, количество топлива, впрыскиваемое из горелки 7, молярное отношение O2/С вступающей в реакцию воздушно-топливной смеси, температура воздуха, подаваемого из горелки 7, и температура TC торцевой поверхности стороны выхода катализатора 4 риформинга. Следует отметить, что различные целевые значения для температуры TC торцевой поверхности стороны выхода катализатора 4 риформинга, показанные на фиг.7 и т.д., и различные целевые значения температуры катализатора 4 риформинга являются теоретическими значениями. В варианте осуществления по настоящему изобретению, как было объяснено выше, например, фактическая равновесная температура ТВ реакции становится немного ниже, чем целевая температура 830°C. Эти целевые температуры изменяются в зависимости от конструкции устройства 1 для генерирования тепла и водорода и т.д. Поэтому на практике необходимо осуществлять эксперименты, чтобы предварительно установить оптимальные целевые температуры, соответствующие конструкции устройства 1 для генерирования тепла и водорода.
Если работа устройства 1 для генерирования тепла и водорода начинается, запальная свеча 19 включается. Далее, воздух подается через канал 13 высокотемпературного воздушного потока внутрь камеры 3 горения горелки. В данном случае, как показано с помощью пунктирной линии на фиг.7, также можно включить запальную свечу 19 после того, как воздух подан через канал 13 высокотемпературного воздушного потока внутрь камеры 3 горения горелки. Далее, топливо впрыскивается из горелки 7. Если топливо, впрыскиваемое из горелки 7, воспламеняется запальной свечой 19, количество топлива увеличивается, молярное отношение O2/С вступающей в реакцию воздушно-топливной смеси снижается с 4,0 до 3,0, и горение горелки начинается внутри камеры 3 горения горелки. В период времени от момента начала подачи топлива до момента воспламенения топлива воздушно-топливное отношение поддерживается на уровне бедного воздушно-топливного отношения, чтобы в максимально возможной степени снизить количество образующихся НС.
Далее, горение горелки продолжается при бедном воздушно-топливном отношении. Благодаря этому температура катализатора 4 риформинга постепенно повышается. С другой стороны, если горение горелки начинается, температура газа, прошедшего через катализатор 4 риформинга и поступившего в камеру 5 выпуска газа, постепенно повышается. Следовательно, температура воздуха, нагретого в теплообменном элементе 13а с помощью этого газа, постепенно повышается. В результате, температура воздуха, подаваемого из канала 13 высокотемпературного воздушного потока внутрь камеры 3 горения горелки, постепенно повышается. Благодаря этому, прогрев катализатора 4 риформинга ускоряется. Прогрев катализатора 4 риформинга, осуществляемый при бедном воздушно-топливном соотношении таким путем в варианте осуществления настоящего изобретения, как показано на фиг.7, называется «первичным прогревом». Следует отметить, что в примере, показанном на фиг.7, во время этого первичного прогрева количество подаваемого воздуха и количество топлива увеличиваются.
Эта операция первичного прогрева продолжается до тех пор, пока не станет возможным риформинг топлива в катализаторе 4 риформинга. В варианте осуществления настоящего изобретения, если температура торцевой поверхности стороны выхода катализатора 4 риформинга становится равной 700°C, считается, что риформинг топлива становится возможным в катализаторе 4 риформинга. Таким образом, как показано на фиг.7, в варианте осуществления настоящего изобретения, операция первичного прогрева продолжается до тех пор, пока температура TC торцевой поверхности стороны выхода катализатора 4 риформинга не станет равной 700°C. Следует отметить, что в варианте осуществления настоящего изобретения, с момента начала работы устройства 1 генерирования водорода до конца операции первичного прогрева катализатора 4 риформинга, как показано на фиг.7, молярное отношение O2/C вступающей в реакцию воздушно-топливной смеси устанавливается от 3,0 до 4,0. Конечно, при этом температура катализатора 4 риформинга значительно ниже, чем допустимая температура ТХ катализатора, так что молярное отношение O2/С вступающей в реакцию воздушно-топливной смеси может быть установлено на уровне молярного отношения O2/C, близкого к стехиометрическому воздушно-топливному отношению, такому как от 2,0 до 3,0.
Далее, если температура торцевой поверхности стороны выхода катализатора 4 риформинга становится равной 700°C, считается, что риформинг топлива становится возможным в катализаторе 4 риформинга, и начинается реакция риформинга с частичным окислением для образования водорода. В варианте осуществления настоящего изобретения, в это время, как показано на фиг.7, сначала осуществляется операция вторичного прогрева, и когда операция вторичного прогрева завершается, - осуществляется штатный режим работы. Данная операция вторичного прогрева осуществляется для дополнительно повышения температуры катализатора 4 риформинга при образовании водорода. Эта операция вторичного прогрева продолжается до тех пор, пока температура TC торцевой поверхности стороны выхода катализатора 4 риформинга не достигает равновесной температуры ТВ реакции, и когда температура TC торцевой поверхности стороны выхода катализатора 4 риформинга достигает равновесной температуры ТВ реакции, работа переходит в штатный режим. На фиг. 8А рабочая область GG устройства 1 для генерирования тепла и водорода, в которой осуществляется эта операция вторичного прогрева, показана заштрихованной областью, окруженной сплошными линиями GL, GU и GS. Следует отметить, что на фиг.8А по оси ординат показано молярное отношение O2/С вступающей в реакцию воздушно-топливной смеси, тогда как по оси абсцисс показана температура TC торцевой поверхности стороны выхода катализатора 4 риформинга.
Как объяснялось со ссылкой на фиг.4, если молярное отношение O2/С вступающей в реакцию воздушно-топливной смеси становится меньше 0,5, - происходит коксование. Сплошной линией GL на фиг.8А показана граница молярного отношения О2/С применительно к возникновению коксования, и коксование происходит в области, где молярное отношение О2/С ниже, чем данная граница GL. Следует отметить, что если температура катализатора 4 риформинга становится ниже, даже если молярное отношение О2/С становится шире, то есть даже если степень обогащения воздушно-топливного отношения падает, углерод C осаждается в порах подложки катализатора риформинга без окисления, и происходит коксование. Таким образом, как показано на фиг. 8A, граница GL молярного отношения О2/С, при котором происходит коксование, становится выше, чем ниже температура катализатора 4 риформинга. Поэтому, чтобы избежать возникновения коксования, реакцию риформинга с частичным окислением, то есть операцию вторичного прогрева и работу в штатном режиме устройства 1 для генерирования тепла и водорода осуществляют на границе GL этого молярного отношения O2/C или выше границы GL.
С другой стороны, на фиг.8А сплошной линией GU показан верхний предел ограничивающего значения молярного отношения О2/С для предотвращения превышения температурой катализатора 4 риформинга допустимой температуры ТХ катализатора во время операции вторичного прогрева устройства 1 для генерирования тепла и водорода, в то время как сплошной линией GS показан верхний предел ограничивающего значения температуры TC торцевой поверхности стороны выхода катализатора 4 риформинга для предотвращения превышения температурой катализатора 4 риформинга допустимой температуры ТХ катализатора во время операции вторичного прогрева устройства 1 для генерирования тепла и водорода. После начала операции вторичного прогрева молярное отношение О2/С устанавливается равным 0,5. Если температура TC торцевой поверхности стороны выхода катализатора 4 риформинга достигает равновесной температуры ТВ реакции при молярном отношении О2/С=0,5, работа переходит в штатный режим, и водород продолжает вырабатываться в состоянии, когда температура TC торцевой поверхности стороны выхода катализатора 4 риформинга поддерживается на уровне равновесной температуры ТВ реакции.
На фиг.8В показан один пример регулирования вторичного прогрева до перехода в штатный режим. В примере, показанном на фиг.8B, как показано с помощью стрелок, если температура торцевой поверхности стороны выхода катализатора 4 риформинга становится равной 700°C, для ускорения вторичного прогрева катализатора 4 риформинга, реакция риформинга с частичным окислением начинается при молярном отношении О2/C=0,56. Далее, до тех пор, пока температура торцевой поверхности стороны выхода катализатора 4 риформинга не станет равной 830°C, реакция риформинга с частичным окислением продолжается при молярном отношении О2/C=0,56. Далее, если температура торцевой поверхности стороны выхода катализатора 4 риформинга становится равной 830°C, молярное отношение О2/С уменьшается до величины О2/С=0,5. Далее, если молярное отношение О2/С становится равным 0,5, - реакция риформинга в катализаторе 4 риформинга достигает равновесного состояния. Далее, молярное отношение О2/С поддерживается на уровне 0,5, и работа переходит в штатный режим.
Далее, когда осуществляемая таким образом реакция риформинга в катализаторе 4 риформинга становится равновесной, если температура ТА воздуха, вступающего в реакцию с топливом, является высокой, как объяснено со ссылкой на фиг.6, равновесная температура ТВ реакции повышается. В результате, температура катализатора 4 риформинга становится выше, чем даже допустимая температура ТХ катализатора, благодаря чему катализатор 4 риформинга деградирует под действием тепла. Таким образом, в варианте осуществления настоящего изобретения когда молярное отношение О2/С поддерживается на уровне 0,5, и реакция риформинга в катализаторе 4 риформинга достигает равновесного состояния, подача высокотемпературного воздуха из канала 13 высокотемпературного воздушного потока внутрь камеры 3 горения горелки останавливается, и низкотемпературный воздух подается из канала 14 низкотемпературного воздушного потока внутрь камеры 3 горения горелки. В это время температура TC торцевой поверхности стороны выхода катализатора 4 риформинга поддерживается на уровне 830°C, следовательно, температура катализатора 4 риформинга поддерживается на уровне допустимой температуры ТХ катализатора или ниже. Таким образом, становится возможно избежать деградации катализатора 4 риформинга из-за теплоты при одновременном образовании водорода с помощью реакции риформинга с частичным окислением.
Следует отметить, что когда операция вторичного прогрева осуществляется в рабочей области GG, показанной на фиг.8А и фиг.8В, поскольку реакция риформинга в катализаторе 4 риформинга не достигает равновесного состояния, даже если температура ТА воздуха является высокой, температура катализатора 4 риформинга не будет возрастать, как показано на фиг.6. Однако, данная операция вторичного прогрева осуществляется в состоянии, когда температура катализатора 4 риформинга является высокой, поэтому существует опасность того, что по той или иной причине температура катализатора 4 риформинга окажется выше, чем допустимая температура ТХ катализатора. Таким образом, в варианте осуществления настоящего изобретения для предотвращения повышения температуры катализатора 4 риформинга над допустимой температурой ТХ катализатора, в то время, когда начинается вторичный прогрев, подача высокотемпературного воздуха из канала 13 высокотемпературного воздушного потока внутрь камеры 3 горения горелки останавливают, и низкотемпературный воздух подается из канала 14 низкотемпературного воздушного потока внутрь камеры 3 горения горелки. То есть, как показано на фиг.7, температура подаваемого воздуха снижается. После этого низкотемпературный воздух продолжают подавать из канала 14 низкотемпературного воздушного потока внутрь камеры 3 горения горелки до окончания работы в штатном режиме.
Как объяснено выше, когда температура ТА воздуха, вступающего в реакцию с топливом, составляет 25°C, равновесная температура ТВ реакции при молярном отношении О2/C=0,5 становится равной 830°С. Следовательно, в общем случае, когда температура воздуха, вступающего в реакцию с топливом, равна ТА°C, равновесная температура ТВ реакции при молярном отношении О2/C=0,5 становится равной (ТА+805°С). Таким образом, в варианте осуществления настоящего изобретения когда температура воздуха, вступающего в реакцию с топливом, равна ТА, после начала операции вторичного прогрева, реакция риформинга с частичным окислением продолжается с помощью молярного отношения О2/С=0,56 до тех пор, пока температура TC торцевой поверхности стороны выхода катализатора 4 риформинга не станет равной (TA+805°C). Далее, когда температура TC торцевой поверхности стороны выхода катализатора 4 риформинга становится равной (TA+805°C), молярное отношение О2/С снижают до величины О2/С=0,5. Далее, если молярное отношение О2/С становится равным 0,5, - молярное отношение О2/С поддерживают на уровне 0,5.
Следует отметить, что, вышеуказанная температура ТА воздуха, вступающего в реакцию с топливом, является температурой воздуха, используемой при расчете равновесной температуры ТВ реакции, показанной на фиг.3, при этом температура воздуха не зависит от теплоты реакции горения горелки внутри камеры 3 горения горелки. Например, воздух, подаваемый из отверстия 11 подачи воздуха, или воздух внутри воздушной камеры 10 оказывается под воздействием теплоты реакции горения горелки и нагревается за счет поглощения тепловой энергии реакции горения горелки. Поэтому температура этого воздуха иллюстрирует температуру воздуха, уже находящегося в процессе реакции, но не является температурой воздуха при расчете равновесной температуры ТВ реакции.
В связи с этим, равновесная температура ТВ реакции должна рассчитываться, когда осуществляется реакция риформинга с частичным окислением, то есть, когда низкотемпературный воздух подается из канала 14 низкотемпературного воздушного потока внутрь камеры 3 горения горелки. Таким образом, в варианте осуществления настоящего изобретения для определения температуры воздуха, не зависящей от теплоты реакции горения горелки внутри камеры 3 горения горелки, температурный датчик 24 помещается в канале 14 низкотемпературного воздушного потока, находящемся снаружи теплоизолирующего материала 6, как показано на фиг.1. Температура, определяемая этим температурным датчиком 24, используется в качестве температуры ТА воздуха при расчете равновесной температуры ТВ реакции.
С другой стороны, если подается команда остановки, подача топлива останавливается, как показано на фиг.7.
Если подача воздуха прекращается в это время, топливо, остающееся внутри устройства 1 для генерирования тепла и водорода, может вызвать закоксовывание катализатора 4 риформинга. Таким образом, в варианте осуществления настоящего изобретения для сжигания топлива, остающегося в устройстве 1 для генерирования тепла и водорода, воздух продолжает подаваться в течение некоторого времени после того, как подана команда остановки, как показано на фиг.7.
Таким образом, в варианте осуществления настоящего изобретения, для предотвращения повышения температуры катализатора 4 риформинга над допустимой температурой ТХ катализатора, в то время, когда начинается вторичный прогрев, подача высокотемпературного воздуха из канала 13 высокотемпературного воздушного потока внутрь камеры 3 горения горелки останавливается, и низкотемпературный воздух подается из канала 14 низкотемпературного воздушного потока внутрь камеры 3 горения горелки. Иными словами, в это время путь воздушного потока для подачи воздуха в камеру 3 горения горелки переключается с пути высокотемпературного воздушного потока для подачи высокотемпературного воздуха на путь низкотемпературного воздушного потока для подачи низкотемпературного воздуха. Для обеспечения возможности переключения пути воздушного потока в камеру 3 горения горелки между путем высокотемпературного воздушного потока и путем низкотемпературного воздушного потока данным образом, в варианте осуществления настоящего изобретения предусмотрено переключающее устройство, состоящее из высокотемпературного воздушного клапана 16 и низкотемпературного воздушного клапана 17. В этом случае, в варианте осуществления настоящего изобретения путь воздушного потока из воздухоочистителя 18 через канал 13 высокотемпературного воздушного потока в отверстие 11 подачи воздуха соответствует пути высокотемпературного воздушного потока, тогда как путь воздушного потока из воздухоочистителя 18 через канал 14 низкотемпературного воздушного потока в отверстие 11 подачи воздуха соответствует пути низкотемпературного воздушного потока.
Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением устройство 1 для генерирования тепла и водорода содержит корпус 2, камеру 3 горения горелки, сформированную в корпусе 2, горелку 7, имеющую отверстие 9 впрыска топлива и отверстие 11 подачи воздуха для осуществления горения горелки в камере 3 горения горелки, устройство подачи топлива для подачи топлива к отверстию 9 впрыска топлива, устройство подачи воздуха для подачи воздуха к отверстию 11 подачи воздуха, и катализатор 4 риформинга, который расположен в корпусе 2 и к которому подводятся газообразные продукты горения горелки, образующиеся в камере 3 горения горелки. Устройство подачи воздуха снабжено теплообменным элементом 13а для нагревания воздуха, подаваемого в отверстие 11 подачи воздуха, с помощью газообразных продуктов горения горелки, и тепло и водород образуются в процессе горения горелки. Устройство подачи воздуха снабжено переключающим устройством, выполненным с возможностью переключения пути воздушного потока для введения наружного воздуха в отверстие 11 подачи воздуха между путем высокотемпературного воздушного потока для введения наружного воздуха, поступающего в теплообменный элемент 13а и нагреваемого в теплообменном элементе 13а, в отверстие 11 подачи воздуха, и путем низкотемпературного воздушного потока для подачи наружного воздуха, который не поступает в теплообменный элемент 13а и, соответственно, имеет более низкую температуру, чем наружный воздух, нагреваемый в теплообменном элементе 13а, к отверстию 11 подачи воздуха.
В данном случае, в варианте осуществления настоящего изобретения горелка 7, имеющая отверстие 9 впрыска топлива и отверстие 11 подачи воздуха, расположена в одной концевой части корпуса 2, и отверстие 25 для выпуска газа предусмотрено в другой концевой части корпуса 2. В дополнение к этому, катализатор 4 риформинга расположен в корпусе 2 между горелкой 7 и отверстием 25 для выпуска газа. Благодаря расположению данным образом горелки 7, имеющей отверстие 9 впрыска топлива и отверстие 11 подачи воздуха, в одной концевой части корпуса 2, можно подавать тепло газообразных продуктов горения равномерно ко всему катализатору 4 риформинга. В дополнение к этому, в варианте осуществления настоящего изобретения теплообменный элемент 13a расположен в корпусе 2 между катализатором 4 риформинга и отверстием 25 для выпуска газа. Благодаря расположению таким образом теплообменного элемента 13a в корпусе 2 между катализатором 4 риформинга и отверстием 25 для выпуска газа, можно эффективно нагревать воздух, поступающий в теплообменный элемент 13а, с помощью высокотемпературного газа, выходящего из катализатора 4 риформинга.
С другой стороны, в варианте осуществления настоящего изобретения, предусмотрен воздушный насос 15, и воздух, нагнетаемый из воздушного насоса 15, подается в отверстие 11 подачи воздуха через любой один путь из пути высокотемпературного воздушного потока и пути низкотемпературного воздушного потока. Таким образом, можно селективно подавать высокотемпературный воздух и низкотемпературный воздух в камеру 3 горения горелки с помощью только одного воздушного насоса 15. В дополнение к этому, в варианте осуществления настоящего изобретения, воздушный насос 15 выполнен в виде насоса с возможностью регулирования скорости нагнетания. Соответственно, можно регулировать количество высокотемпературного воздуха, поданное из пути высокотемпературного воздушного потока, и количество низкотемпературного воздуха, поданное из пути низкотемпературного воздушного потока, с помощью регулирования скорости нагнетания воздушного насоса 15.
Далее будет пояснена процедура регулирования образования тепла и водорода, показанная на фиг.9-11. Эта процедура регулирования образования тепла и водорода осуществляется, когда выдается команда запуска регулирования образования тепла и водорода в блоке 39 генерирования команд, показанном на фиг.1. В этом случае, например, данная команда запуска регулирования образования тепла и водорода выдается, когда включают пусковой переключатель устройства 1 для генерирования тепла и водорода. Кроме того, когда устройство 1 для генерирования тепла и водорода используется для прогрева катализатора очистки выхлопных газов транспортного средства, данная команда запуска регулирования образования тепла и водорода выдается при включении ключа зажигания.
Если выполняется процедура регулирования образования тепла и водорода, сначала, на этапе 100 фиг.9, оценивается на основе выходного сигнала температурного датчика 22 является ли температура TD торцевой поверхности стороны впуска катализатора 4 риформинга температурой, при которой может происходить реакция окисления на торцевой поверхности стороны впуска катализатора 4 риформинга, например, 300°C или выше. Если температура TD торцевой поверхности стороны впуска катализатора 4 риформинга равна 300°C или менее, процедура переходит к этапу 101, на котором включается запальная свеча 19. Затем, на этапе 102 оценивается, прошел ли фиксированный период времени с момента включения запальной свечи 19. Если фиксированный период времени прошел, процедура переходит к этапу 103.
На этапе 103 воздушный насос 15 приводится в действие, и воздух подается в камеру 3 горения горелки через канал 13 высокотемпературного воздушного потока. Следует отметить, что когда работу устройства 1 для генерирования тепла и водорода останавливают, высокотемпературный воздушный клапан 16 открывается, и низкотемпературный воздушный клапан 17 закрывается. Таким образом, когда устройство 1 для генерирования тепла и водорода приводится в действие, воздух подается в камеру 3 горения горелки через канал 13 высокотемпературного воздушного потока. Далее, на этапе 104, вычисляется температура TG запальной свечи 19 исходя из значения сопротивления запальной свечи 19. Затем, на этапе 105 оценивается, превышает ли температура TG запальной свечи 700°С. Если установлено, что температура запальной свечи 19 не превышает 700°С, процедура возвращается к этапу 103. В противоположность этому, если установлено, что температура TG запальной свечи 19 превышает 700°С, делается вывод, что возможно воспламенение, и процедура переходит к этапу 106.
На этапе 106 топливо впрыскивается из горелки 7 в камеру 3 горения горелки. Далее, на этапе 107 определяется температура TD торцевой поверхности стороны впуска катализатора 4 риформинга на основе выходного сигнала температурного датчика 22. Затем, на этапе 108 оценивается по выходному сигналу температурного датчика 22 воспламенилось ли топливо. Если топливо воспламенилось, температура TD торцевой поверхности стороны впуска катализатора 4 риформинга мгновенно увеличивается. Таким образом, можно определять, воспламеняется ли топливо по выходному сигналу температурного датчика 22. Если на этапе 108 определено, что топливо не воспламеняется, процедура возвращается к этапу 106, в то время как если на этапе 108 определено, что топливо воспламеняется, процедура переходит на этап 109, на котором запальная свеча 19 выключается. Затем процедура переходит к этапу 110 фиг.10. Следует отметить, что если топливо воспламеняется, то температура TD торцевой поверхности стороны впуска катализатора 4 риформинга мгновенно становится температурой, при которой может происходить реакция окисления на торцевой поверхности стороны впуска катализатора 4 риформинга, например, 300°C или выше. С другой стороны, даже когда на этапе 100 определено, что температура TD торцевой поверхности стороны впуска катализатора 4 риформинга равна 300°C или более, процедура переходит к этапу 110.
На этапе 110 и этапе 111 осуществляется операция первичного прогрева. То есть скорость нагнетания воздушного насоса 15 регулируется на этапе 110, и количество впрыскиваемого топлива из горелки 7 регулируется на этапе 111, благодаря чему молярное отношение О2/С становится равным 3,0. Следует отметить, что в варианте осуществления настоящего изобретения, когда осуществляется данная операция первичного прогрева, количество подаваемого воздуха и количество впрыскиваемого топлива увеличиваются на этапах, как показано на фиг.7. Далее, на этапе 112, определяется на основе выходного сигнала температурного датчика 23 превышает ли температура TC торцевой поверхности стороны выхода катализатора 4 риформинга 700°C. Если установлено, что температура TC торцевой поверхности стороны выхода катализатора 4 риформинга не превышает 700°С, процедура возвращается к этапу 110, на котором операция первичного прогрева продолжает выполняться. В противоположность этому, если установлено, что температура TC торцевой поверхности стороны выхода катализатора 4 риформинга превышает 700°С, процедура переходит на этап 113, на котором начинается реакция риформинга с частичным окислением. То есть начинается операция вторичного прогрева.
Если начинается реакция риформинга с частичным окислением, т.е. если начинается операция вторичного прогрева на этапе 113, низкотемпературный воздушный клапан 17 открывается, и на этапе 114 высокотемпературный воздушный клапан 16 закрывается. Таким образом, в это время воздух подается через канал 14 низкотемпературного воздушного потока в камеру 3 горения горелки. Далее, на этапе 115 получают требуемое значение количества выходного тепла (кВт). Например, когда устройство 1 для генерирования тепла и водорода используется для прогрева катализатора очистки выхлопных газов транспортного средства, требуемое значение этого количества выходного тепла составляет количество тепла, необходимое для подъема температуры катализатора очистки выхлопных газов до температуры активации.
Далее, на этапе 116 рассчитывают требуемое количество впрыскиваемого топлива для генерирования требуемого значения количества выходного тепла (кВт).
Далее, на этапе 117, топливо инжектируют в требуемом количестве, рассчитанном на этапе 116, и скорость нагнетания воздушного насоса 15 регулируют таким образом, чтобы молярное отношение О2/С стало равным 0,56. В это время осуществляется реакция риформинга с частичным окислением, и образуется водород. Далее, на этапе 118, определяют, достигла ли температура TC торцевой поверхности стороны выхода катализатора 4 риформинга суммы (TA+805°C) температуры ТА воздуха, определенной с помощью температурного датчика 24, и 805°C. Как было объяснено выше, данная температура (TA+805°C) показывает равновесную температуру ТВ реакции, когда температура воздуха равна TA°C, и реакция риформинга с частичным окислением осуществляется при молярном отношении О2/С=0,5. Таким образом, на этапе 118, определяется, достигла ли температура TC торцевой поверхности стороны выхода катализатора 4 риформинга равновесной температуры ТВ реакции (TA+805°C).
Если установлено, что температура TC торцевой поверхности стороны выхода катализатора 4 риформинга не достигает равновесной температуры реакции (TA+805°C), процедура возвращается к этапу 117, на котором скорость нагнетания воздушного насоса 15 продолжает регулироваться таким образом, чтобы молярное отношение О2/C стало равным 0,56. В противоположность этому, если на этапе 118 установлено, что температура TC торцевой поверхности стороны выхода катализатора 4 риформинга достигает равновесной температуры реакции (TA+805°C), процедура переходит к этапу 119, на котором скорость нагнетания воздушного насоса 15 поддерживается постоянной, и количество впрыскиваемого топлива постепенно увеличивается. В результате, молярное отношение O2/C постепенно снижается. Затем, на этапе 120, оценивается, стало ли молярное отношение O2/C равным 0,5. Если установлено, что молярное отношение O2/C не стало равным 0,5, процедура возвращается на этап 119. В противоположность этому, когда на этапе 120 установлено, что молярное отношение О2/С стало равным 0,5, считается, что вторичный прогрев завершен. Есть ли определено, что вторичный прогрев завершен, процедура переходит на этап 121 фиг.11, на котором осуществляется работа в штатном режиме.
В варианте осуществления настоящего изобретения, в качестве режимов работы во время работы в штатном режиме могут быть выбраны режим работы с генерированием тепла и водорода и режим работы с генерированием тепла, т.е. два рабочих режима. Режим работы с генерированием тепла и водорода представляет собой рабочий режим, осуществляющий реакцию риформинга с частичным окислением при молярном отношении О2/С=0,5. В данном режиме работы с генерированием тепла и водорода вырабатываются тепло и водород. С другой стороны, режим работы с генерированием тепла представляет собой рабочий режим, осуществляющий реакцию полного окисления, например, при молярном отношении О2/С=2,6. В этом режиме работы с генерированием тепла водород не образуется. Образуется только тепло. Эти режим работы с генерированием тепла и водорода и режим работы с генерированием тепла используются выборочно в соответствии с необходимостью.
Теперь, обращаясь снова к фиг.11, на этапе 121 оценивается, является ли режимом работы с генерированием тепла и водорода. Если на этапе 121 установлено, что режим является режимом работы с генерированием тепла и водорода, процедура переходит к этапу 122, на котором осуществляется реакция риформинга с частичным окислением при молярном отношении O2/C=0,5. В это время образуются тепло и водород. Далее, процедура переходит к этапу 124. С другой стороны, если на этапе 121 установлено, что режим не является режимом работы с генерированием тепла и водорода, т.е., когда установлено, что режим является режимом работы с генерированием тепла, процедура переходит к этапу 123, на котором осуществляется реакция полного окисления при молярном отношении O2/C=2,6. В это время образуется только тепло. Далее, процедура переходит к этапу 124.
На этапе 124 оценивается, подана ли команда о прекращении работы устройства 1 для генерирования тепла и водорода. Команда о прекращении работы устройства 1 для генерирования тепла и водорода подается в блоке 39 генерирования команд, показанном на фиг.1. Если команда о прекращении работы устройства 1 для генерирования тепла и водорода не подана, процедура возвращает на этап 121. В противоположность этому, если на этапе 124 установлено, что команда о прекращении работы устройства 1 для генерирования тепла и водорода подана, процедура переходит к этапу 125, на котором впрыск топлива из горелки 7 останавливается. Далее, на этапе 126, для замены остающегося топлива воздухом, небольшое количество воздуха подается из воздушного насоса 15. Затем, на этапе 127 оценивается, прошел ли фиксированный период времени. Если установлено, что фиксированный период времени не прошел, процедура возвращается на этап 126.
В противоположность этому, когда на этапе 127 установлено, что фиксированный период времени прошел, процедура переходит на этап 128, на котором останавливаются работа воздушного насоса 15 и подача воздуха внутрь камеры 3 горения горелки. Далее, на этапе 129 низкотемпературный воздушный клапан 17 закрывается, и на этапе 130 высокотемпературный воздушный клапан 16 открывается. Далее, в то время как работа устройства 1 для генерирования тепла и водорода остановлена, низкотемпературный воздушный клапан 17 продолжает закрываться, и высокотемпературный воздушный клапан 16 продолжает открываться.
1. Устройство для генерирования тепла и водорода, содержащее:
корпус (2),
камеру (3) горения горелки, сформированную в корпусе (2),
горелку (7), имеющую отверстие (9) впрыска топлива и отверстие (11) подачи воздуха для осуществления горения горелки в камере (3) горения горелки,
устройство подачи топлива для подачи топлива к отверстию (9) впрыска топлива,
устройство подачи воздуха для подачи воздуха к отверстию (11) подачи воздуха и
катализатор (4) риформинга, который расположен в корпусе (2) и к которому подводятся газообразные продукты горения горелки, образованные в камере (3) горения горелки,
причем устройство подачи воздуха снабжено теплообменным элементом (13а) для нагревания воздуха, подаваемого в отверстие (11) подачи воздуха, с помощью газообразных продуктов горения горелки, при этом тепло и водород образуются в процессе горения горелки, причем устройство подачи воздуха снабжено переключающим устройством, выполненным с возможностью переключения пути воздушного потока для введения наружного воздуха в отверстие (11) подачи воздуха между путем высокотемпературного воздушного потока для введения наружного воздуха, поступающего в теплообменный элемент (13а) и нагреваемого в теплообменном элементе (13а), в отверстие (11) подачи воздуха, и путем низкотемпературного воздушного потока для подачи наружного воздуха, который не поступает в теплообменный элемент (13а) и, соответственно, имеет более низкую температуру, чем наружный воздух, нагреваемый в теплообменном элементе (13а), к отверстию (11) подачи воздуха;
при этом горелка (7), имеющая отверстие (9) впрыска топлива и отверстие (11) подачи воздуха, расположена в одной концевой части корпуса (2), а отверстие (25) для выпуска газа расположено в другой концевой части корпуса (2), причем катализатор (4) риформинга расположен в корпусе (2) между горелкой (7) и отверстием (25) для выпуска газа;
при этом теплообменный элемент (13a) расположен в корпусе (2) между катализатором (4) риформинга и отверстием (25) для выпуска газа, и воздух, подаваемый в отверстие (11) подачи воздуха, нагревается с помощью газа, выходящего из катализатора (4) риформинга.
2. Устройство для генерирования тепла и водорода по п.1, в котором имеется воздушный насос (15), и воздух, нагнетаемый из воздушного насоса (15), подается в отверстие (11) подачи воздуха через любой один путь из пути высокотемпературного воздушного потока и пути низкотемпературного воздушного потока.
