CN111133183B - 作为从烃进料产生合成气的化学反应器的内燃发动机 - Google Patents

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Abstract

在富燃料的条件下通过调节一个或更多个操作参数来操作内燃发动机以维持特定的发动机速度和排气的温度，所述操作参数诸如例如节气门、点火定时、联接至发动机的负载、燃料压力、增压器的功率和预热器的功率。在这些条件下操作发动机允许发动机起到重整器的作用，产生包含氢气和一氧化碳的合成气。

Description

作为从烃进料产生合成气的化学反应器的内燃发动机
相关申请
本申请要求于2017年9月29日提交的、标题为“INTERNAL COMBUSTION ENGINE ASA CHEMICAL REACTOR TO PRODUCE SYNTHESIS GAS FROM HYDROCARBON FEEDS”的美国临时专利申请序号62/565,844的益处，该临时专利申请的内容通过引用以其整体并入本文。
联邦政府资助的研究或开发
本发明在基于由美国能源部授予的批准号DE-AR0000506的政府资助下做出。政府在本发明中具有某些权利。
技术领域
本发明总体上涉及合成气的产生，特别是使用内燃发动机作为合成气发生器的合成气的产生。
背景
许多工艺和操作产生轻质烃的气流。通常，这些气流处于低压，并且可能还包含多种污染物。因此，气流可能具有很小的内在价值，并且去除污染物和压缩气体(例如以增加压力以允许引入到天然气输送管道中)的成本可能过于昂贵。鉴于这些限制，气流通常通过点燃(flaring)、焚烧或排放(venting)来处置。
最近，对更有效地利用这些低品质的烃流已经存在增加的兴趣。一个这样的领域是在合成气(synthesis gas)(合成气(syngas))生产中使用烃流作为进料气体。合成气可以由有机原料(轻质烃、煤、石油焦、生物质、油)的部分燃烧产生，并且主要由氢气(H2)和一氧化碳(CO)组成。取决于起始原材料，合成气通常包含污染物(包括H2S、COS)。许多合成气生产工艺利用基于催化剂的重整器来部分地氧化有机原料。尽管催化剂可用于增加反应速率和降低反应温度，但是许多催化剂由昂贵的材料制成，易受由于气流中存在的硫的化合物引起的中毒，以及由烟灰和其他颗粒引起的堵塞。
合成气是用于生产多种化学品的起始材料。合成气还可以用于在燃气轮机或基于发动机的发生器(engine-based generator)中的功率产生(power production)。通过经由水煤气变换(WGS)工艺将CO和水蒸气转化为H2和二氧化碳(CO2)，合成气还可以用于生产H2。工艺气体的H2与CO比率通常需要仔细地调节，以满足下游应用需求。
最近，美国专利第9,169,773号(Bromberg等人)公开了利用发动机来产生富氢气体的重整器-液体燃料制造***。所公开的***以空气/燃料比率，当量比率(equivalenceratio)，操作。他们还公开了对于有效的基于发动机的重整器，人们可以使用均质充量压缩点火(homogenous charge compression ignition)(HCCI)、部分预混合压缩点火(partial pre-mixed compression ignition)(PCI)或反应控制压缩点火(reaction controlled compression ignition)(RCCI)。他们报告“In flowing burnerflames as well as in cylinder calculations,lower equivalence ratios result inhigher energy released in the conversion,higher peak in cylindertemperatures,lower selectivity to hydrogen and CO…(在流动的燃烧器火焰中以及在汽缸计算中，较低的当量比率导致在转化中释放的较高的能量、较高的汽缸温度峰值、对氢气和CO的较低的选择性……)”
美国专利第2,391,687号(Eastman等人)公开了用于产生合成气的发动机，其以90％或更高的纯O2运行，并且具有2.8-4.0的当量比率。
概述
为了全部或部分地解决前述问题和/或本领域技术人员可能已经观察到的其他问题，本公开内容提供了如在下文阐述的实施方式中通过实例的方式描述的方法、工艺、***、设备、仪器和/或装置。
根据一种实施方案，一种用于在富燃料的条件下使用内燃发动机的方法包括：使用具有初始燃料-空气当量比率的进料气体来启动发动机；递增地增加燃料-空气当量比率以产生富燃料的进料气体；以及在增加燃料-空气当量比率的同时，调节节气门、点火定时(ignition timing)、联接至发动机的负载、燃料压力、作用于进料气体的增压器(supercharger)的功率和作用于进料气体的预热器的功率中的一种或更多种，以维持约1.6至2.4的燃料-空气当量比率。在一种实施方案中，维持在约1000转每分钟(RPM)至2000转每分钟之间的发动机速度和低于约900℃的排气(exhaust gas)的温度。
根据另一种实施方案，一种用于在富燃料的条件下操作内燃发动机的方法包括：在发动机启动后，对于排气背压、进气歧管压力、发动机速度、点火定时、燃料气体的燃料-空气当量比率和燃料气体入口温度，维持一组初始条件；在维持燃料气体的燃料-空气当量比率的同时增加燃料气体入口温度，并且监测发动机排气的甲烷含量和氧气含量；以及响应于所监测到的甲烷含量和氧气含量来调节点火定时。
根据另一种实施方案，气体重整器***(gas reformer system)被配置成用于执行本文公开的任何方法。
根据另一种实施方案，气体重整器***包括：内燃发动机，所述内燃发动机包括燃料气体入口、排气出口、多于一个气缸、点火定时***、节气门、燃料气体预热器和增压器，其中内燃发动机被配置成用于以在约1.6和2.4之间的燃料气体的燃料-空气当量比率操作。
在检查以下附图和详述后，对于本领域的技术人员来说，本发明的其他装置、设备、***、方法、特征和优势将是明显的，或者将变成明显的。意图所有这样的另外的***、方法、特征和优势都被包括在本说明书中，都在本发明的范围内，并且都受所附权利要求的保护。
附图简述
通过参考以下附图可以更好地理解本发明。图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在例证本发明的原理上。在附图中，贯穿不同的图，相同的参考数字指示相应的零件(part)。
图1是根据一些实施方案的内燃发动机的示例性气缸的横截面示意图。
图2是根据一些实施方案的使用内燃发动机来产生合成气的***的示意图。
图3是根据一些实施方案的使用内燃发动机来产生合成气的***的示意图。
图4是根据一些实施方案的使用内燃发动机来产生合成气的***的示意图。
图5是根据一些实施方案的用于在富燃料的条件下启动发动机的方法的示例性流程图。
图6是根据一些实施方案的用于在富燃料的条件下操作发动机的方法的示例性流程图。
图7是根据一些实施方案的对于多种燃料-空气当量比率的燃料空气进气温度的图。
图8是根据一些实施方案的对于多种燃料-空气当量比率的H2与CO比率的图。
图9是根据一些实施方案的对于多种燃料-空气当量比率的天然气的分数转换率(fractional conversion)的图。
详述
如本文中使用的，术语“合成气(syngas)”指的是合成气(synthesis gas)。在本公开内容的上下文中，合成气是至少一氧化碳(CO)和双原子氢气(H2)的混合物。取决于实施方案，合成气可以另外包含其他组分，诸如例如水、空气、双原子氮气(N2)、双原子氧气(O2)、二氧化碳(CO2)、硫的化合物(例如硫化氢(H2S)、硫化羰(carbonyl sulfide)(COS)、氧化硫(SOx)等)、氮的化合物(例如氮氧化物(NOx)等)、羰基金属、烃(例如甲烷(CH4))、氨(NH3)、氯化物(例如氯化氢(HCl))、氰化氢(HCN)、微量金属和准金属(例如汞(Hg)、砷(As)、硒(Se)、镉(Cd)等)及其化合物、颗粒物质(PM)等。
如本文中所使用的，术语“低级烃”指的是低分子量的烃，包括但不限于甲烷、乙烷、丙烷和丁烷。
如本文中所使用的，术语“负载”可以意指电加热器、测力计、水浴等。通过增加或减少负载，发动机可以在输入条件变化时以恒定速度运行。还可以改变负载来改变发动机内的温度或输出组分比率。
如本文中所使用的，术语“天然气”指的是主要由甲烷和较少量高级烷烃组成的烃(HC)气体的混合物。取决于实施方案，天然气可以另外包含非HC物质，例如上文所述的那些中的一种或更多种，以及二硫化碳(CS2)和/或其他二硫化物，和硫醇(mercaptan)(硫醇(thiol))，例如甲硫醇(CH3SH)和乙硫醇(C2H5SH)、以及噻吩类例如噻吩(C4H4S)和其他有机硫化合物。
本公开内容提供了用于利用内燃发动机作为合成气发生器的方法。此外，该工艺可以与甲醇生产以及其他化学生产工艺结合使用。所公开的方法可以利用分散在全世界的多种烃源。例如，石油和天然气生产井位于美国的许多偏远地区，并且在井处的每个单独的井、压缩机、气动装置和储存容器可以产生烃排出流(hydrocarbon emission stream)。由于这些烃流的小体积、低压力和潜在污染，它们通常被点燃或排放。压缩和纯化这些不同的流以收集到天然气输送管道中可能过于昂贵。本公开内容的方法可以利用在特定条件下操作的大量生产的内燃发动机来部分地氧化这些烃并且产生可以具有较高价值的合成气，并且使得合成气的收集在经济上可行。
内燃发动机已经被开发和利用持续数十年，以产生通常用于推进交通工具、驱动机械装置或发电的功率。在这些用途中的每一种中，焦点一直集中在燃料的有效和完全燃烧上，以最大化所产生的功率。然而，内燃发动机具有对于其他应用感兴趣的特性。诸如来自冷却剂和散热器***的用于控制发动机温度的热量管理、在气缸中产生高压的能力、在气缸中短停留时间的功能以及阀压力的控制的特性都可以在用于化学转化的工艺中使用，其中发动机将充当化学反应器。在这种应用中，焦点变成控制发动机参数以最大化期望的化学转化率，而不是功率产生(power generation)。在某些情况下，化学反应可以产生功率。可选择地，在其他情况下，可以通过在外部转动轴来增加功率。任何在短停留时间内操作并且利用上面列出的特性的化学反应都可以潜在地适于将发动机用作化学反应器。此处，我们描述了一种用于将轻质烃转化为合成气的这样的应用。
图1图示了根据多种实施方案的内燃发动机100的一个气缸105的横截面示意图。发动机100还可以包括在气缸105内的燃烧室110。活塞115可以被定位在气缸105内，并且在气缸105中上下移动，从而界定燃烧室110的可变容积。当活塞115在气缸105中处于其最高位置(被称为上止点(TDC))时，燃烧室110处于其最小容积，并且当活塞115在气缸105中处于其最低位置(被称为下止点(BDC))时，燃烧室110处于其最大容积。活塞115可以通过连杆125被联接至曲轴120。发动机100还可以包括被联接至气缸105的顶部的头部130。头部130可以容纳一个或更多个进气阀135和一个或更多个排气阀140。每个进气阀135可以用于打开或关闭进气端口145，而每个排气阀140可以用于打开或关闭排气端口150。进气端口145可以与燃烧室110流体连通，以允许燃料和氧化剂的混合物(被称为装料(charge))流入到燃烧室110中。排气端口150也可以与燃烧室110流体连通，以允许排气流出燃烧室110。头部130还可以包括一个或更多个火花塞155，火花塞155可以至少部分地延伸到燃烧室110中，并且为装料提供点火源。
尽管在图1中未示出，但发动机100还可以包括预热器和增压器，所述预热器在燃料和氧化剂之一或两者进入进气端口145之前增加其温度，所述增压器在燃料和氧化剂之一或两者进入进气端口145之前增加其压力。预热器可以包括热交换器，以提取例如来自发动机100的排气的热的一部分。可选择地，预热器可以通过本领域已知的其他工艺来获得热能，例如从电力加热器(electrically powered heater)、二次燃料的燃烧或来自另一工艺的清除热来获得热能。增压器可以包括涡轮以从发动机100的排气中提取能量。可选择地，增压器可以由本领域已知的其他工艺来提供功率，例如电动机或来自另一工艺的清除能量。
在某些非限制性实施方案中，发动机100可以适于使用四冲程过程来操作。例如，四冲程过程可以以活塞115处于TDC开始，并且然后开始向下移动。进气阀135向下移动，从而使进气端口145与燃烧室110流体连通。活塞115向下移动，允许装料进入燃烧室110。当活塞115到达BDC时，进气阀135关闭。活塞115然后向上移动，压缩装料。随着活塞115接近TDC，火花塞155产生对装料点火的火花。在多种实施方案中，如下文进一步讨论的，火花可以在活塞115到达TDC之前产生。随着装料燃烧，燃烧室110内的压力增加，并且迫使活塞115向下。当活塞115到达BDC时，排气阀140向下移动，从而使排气端口150与燃烧室110流体连通。随着活塞115向TDC移动，来自燃烧的装料的燃烧气体被迫使离开排气端口150。当活塞115到达TDC时，排气阀140关闭，并且循环重复。
尽管本文没有描述每个过程的细节，但是多种实施方案中的发动机100可以被配置成根据两冲程过程、五冲程过程、六冲程过程、压缩点火过程(例如柴油机)、喷气发动机、涡轮、旋转发动机或本领域已知的任何其他发动机类型来操作。由于四冲程过程的普遍性和容易获得性，本公开内容集中于四冲程过程，但是不应推断出对本公开内容的范围的限制。
通常，烃和氧气分别是在发动机100中燃烧的燃料和氧化剂。对于烃在氧气中燃烧的一般化学计量化学方程式由方程式1给出：
因此，对于化学计量的完全燃烧，所有的烃和氧气反应以形成二氧化碳和水。因此，对于化学计量的完全燃烧，需要一定的燃料与空气比率。如何将实际的燃料与空气比率与化学计量的燃料与空气比率比较的一个量度是当量比率(被表示为φ)。当量比率通过将实际的燃料与空气比率除以化学计量的燃料与空气比率来计算。大于1的当量比率值表示富燃料的条件。
根据化学计量的完全燃烧操作的发动机100通常***作以提取有用的功和热。然而，多种实施方案可以包括在除了化学计量条件之外操作发动机100，以便将发动机100用作化学反应器。某些实施方案可以利用富燃料的条件(即，小于化学计量量的氧气来燃烧所有的烃)以部分地氧化烃。不意图受限于特定的作用机制，在某些条件下，发动机100可以作为重整器操作，以根据由方程式2给出的化学反应产生包含氢气(H2)和一氧化碳(CO)的合成气(合成气)：
如果烃是甲烷(CH4)，那么部分氧化反应由方程式3给出：
CH4+0.5O2→CO+2H2 方程式3
此外，也设想可能发生的其他反应，例如完全燃烧(方程式1)、重整反应例如方程式4和方程式5(关于甲烷所示出的)，以及其他这样的已知的重整和燃烧反应。
2CH4+O2+CO2→3CO+3H2+H2O 方程式4
4CH4+O2+2H2O→4CO+10H2 方程式5
图2是根据多种实施方案的过程200的示意图，其中内燃发动机100可以被用作化学反应器以产生例如合成气。如先前所讨论的，发动机100的装料可以包括氧化剂和燃料。氧化剂可以包括空气、富氧空气(enriched air)或含有足够氧气的气体。氧化剂可以穿过过滤器205以去除微粒和其他固体污染物，以及液体或气体污染物，例如水。氧化剂流可以由节气门210来控制。节气门210可以包括本领域已知的任何流量调节装置，并且可以手动地控制或电子控制。氧化剂的压力可以通过增压器215来增加。增压器215充当压缩机以增加压力，从而允许更多的氧气被递送至发动机100的每个气缸105。增压器215可以由电动机驱动，或者可以以其他方式来提供功率，例如通过利用发动机100的排气流中或另一工艺流中的剩余能量。氧化剂还可以在进入发动机100之前穿过空气加热器220，以增加氧化剂的温度。空气加热器220可以利用电力加热线圈，或者从工艺流例如发动机100的排气流中提取能量的热交换器(参见例如图4)。燃料也可以穿过过滤器225以去除固体、液体或气体污染物，并且穿过流量调节器230。燃料流的温度可以通过与空气加热器220类似地操作的气体加热器235来增加。混合器240可以以期望的比率混合氧化剂和燃料，以形成被递送至发动机100的每个气缸105的装料。发动机100然后可以部分地氧化装料，如先前所描述的，这在排气流中产生合成气。发动机100的操作还可以产生机械功率和热。
在多种实施方案中，过程200还可以包括中央处理单元(未示出)。中央处理单元可以与过程200的一个或更多个单独的部件通信，并且能够激活和控制过程200的一个或更多个单独的部件。中央处理单元可以能够存储和执行计算机代码，以响应于发动机100的监测的操作条件和对由发动机100产生的合成气的分析来开始过程200的操作。例如，可以监测发动机100的排气流中的H2与CO的比率，并且中央处理单元可以响应于监测到的H2与CO比率来调节过程200的一个或更多个单独的部件。另外，中央处理单元可以响应于发动机100的监测到的参数来调节过程200的一个或更多个单独的部件，所述监测到的参数例如一个或更多个气缸105中的燃烧温度、入口压力、排气压力及类似参数。
图3是根据多种实施方案的过程300的示意图，其中内燃发动机100可以被用作化学反应器以产生例如合成气。图3图示了发动机100可以被联接至发电机305，以将由发动机100产生的机械功率转换成电功率。电功率可以用于给空气加热器220、气体加热器235或任何其他目的提供功率。
图4是根据多种实施方案的过程400的示意图，其中内燃发动机100可以被用作化学反应器以产生例如合成气。在过程400中，合成气中的残余热量可以用于加热氧化剂和燃料。空气加热器220和气体加热器235可以包括热交换器，以便将热从合成气传递到氧化剂流和燃料流。热交换器可以是本领域中已知的任何类型，例如壳管式、板壳式以及板翅式，并且可以以例如并流配置、逆流配置或错流配置操作。
在富燃料的条件下操作的发动机100可能容易受到被称为爆燃(detonation)或爆震(knocking)的异常燃烧的影响。爆震在一袋装料在由火花产生的火焰前缘的外部点火时发生，并且可以导致气缸105内的压力上升超过设计限值。这种压力的增加具有撕裂活塞115或头部130中的孔的可能，导致发动机100的灾难性故障。
多种实施方案包括启动发动机100以达到在富燃料的条件的操作并且随后在没有(或具有最小)爆震的稳态条件下操作的方法。图5图示了用于启动发动机100以达到在富燃料的条件下操作的方法500的多种实施方案的总体流程图。在步骤505，发动机100可以使用具有初始燃料-空气当量比率的进料气体来启动。在步骤510，燃料-空气当量比率可以递增地增加，以产生富燃料的进料气体。在步骤515，在增加燃料-空气当量比率的同时可以调节以下中的一种或更多种以维持在约1000RPM至2000RPM之间的发动机速度以及低于约900℃的排气的温度：节气门210、点火定时、联接至发动机100的负载、燃料压力、作用于进料气体的增压器215的功率，以及作用于进料气体的空气加热器220、气体加热器235的功率。
在启动发动机100之前，初始操作条件可以被设置成使得燃料压力是通常低于环境压力的值，节气门210被部分地打开到预定值，通常小于50％，点火定时被设置到第一预定值，并且负载被联接至发动机100。在多种实施方案中，点火定时确定火花何时由火花塞155产生，并且当活塞115处于TDC时相对于曲轴120的旋转位置来测量。通常，点火定时可以被提前，以在活塞115到达TDC之前产生火花。提前点火定时允许在其中活塞115到达TDC的点附近完成装料的燃烧(或期望量的部分燃烧)。点火定时通常被表示为在活塞115到达TDC之前曲轴120的旋转运动的度数，或者简单地被表示为度数上止点前(BTDC)。在多种实施方案中，第一预定点火定时值可以是约8度BDTC，或者约5度BDTC至约15度BDTC。在其他实施方案中，第一预定点火定时值可以高达约30度BDTC。
在开始启动发动机100并允许发动机100翻转(turn over)持续短时间段直到发动机点火之后，燃料压力通常可以增加到接近环境压力，以允许发动机100自行运行。在启动后应当监测发动机速度。点火定时可以被逐渐地提前到第二预定值，同时增加负载以将发动机速度维持在约1000RPM至2000RPM之间。第二预定点火定时值可以是约16度BTDC。在其他实施方案中，第二预定点火定时值可以在从约8度BTDC至约28度BTDC的范围内，优选地在约10度BTDC和约20度BTDC之间的范围内。
如先前所讨论的，增压器215在某些实施方案中可以由电动机提供功率。在这样的实施方案中，增压器215可以最初被提供功率，并且然后功率可以被递增地增加，同时递增地增加燃料压力，以将发动机速度维持在约1000RPM至2000RPM之间。在多种实施方案中，增压器215最初可以以初始预定值被提供功率，所述初始预定值通常是供应类似于自然吸气发动机的空气的设置值，并且以在这些设置值之间的范围的约10％至15％的增量递增地增加至第二预定值。在多种实施方案中，燃料压力可以以约0.1英寸H2O(in.H2O)递增地增加，尽管可以使用更大的增量。
节气门210可以使用从1％增加到高达10％的增量从初始设置值递增地增加，直到达到约90％打开的最终节气门位置。在增加节气门210的同时，可以增加燃料压力，以便将发动机速度维持在约1000RPM至2000RPM之间。如果发动机100的性能在增加燃料压力的同时迅速地下降，那么燃料-空气混合物可能太富集(rich)。在这种情况下，可以降低燃料压力，并且使用负载来控制发动机速度。排气的温度还可以被监测，并且应当通过改变燃料压力、节气门210和发动机负载中的一种或更多种来维持在低于900℃。
空气加热器220、气体加热器235可以最初被提供功率，使得空气加热器220、气体加热器235将装料在进入进气端口145之前的温度维持在约200℃。然后，点火定时可以是进一步提前的BTDC。如本领域中已知的，最佳点火定时和用于提前点火定时的具体过程将取决于许多因素，包括而不限于燃料条件(温度、压力、污染物的存在等)、燃料喷射的定时、点火***的类型和条件、发动机速度、发动机负载和所使用的发动机的具体类型。增压器215的功率可以被递增地增加，以增加空气进料速率。随着增压器功率的增加以及随着空气加热器220、气体加热器235的加热，通过调节燃料压力和负载，发动机速度可以被维持在约1000RPM至2000RPM之间。一旦达到期望的发动机吞吐量(engine throughput)，可以停止增压器功率的增加。
一旦空气加热器220、气体加热器235达到约200℃，预热器温度可以以预定的增量增加，通常不超过设置值的15％，以避免超过设置温度。如本领域中已知的，自动控制***的使用可以允许较大的温度增量，而不会增加超过设置温度的风险。当预热器温度增加时，可以调节燃料压力以将发动机速度维持在约1000RPM至2000RPM之间。一旦获得期望的燃料-空气当量比率，可以停止预热器温度的进一步增加。在多种实施方案中，期望的燃料-空气当量比率可以是约1.6至2.4。
如果发动机100在增加预热器温度的同时突然失去稳定性，则气缸105内的操作温度对于在当前歧管压力的当前燃料与空气比率可能过高。在这种情况下，空气加热器220、气体加热器235的电源(power)可以关闭，直到稳定性恢复，并且然后空气加热器220、气体加热器235的电源可以重新打开，并且预热器温度和燃料压力的斜坡上升(ramping up)可以重新开始。
虽然空气经常用于供应装料中的氧化剂，但是在多种实施方案中可以使用富氧空气(例如，高达约按体积计35％的O2)。使用富氧空气可以增加发动机吞吐量，降低每单位吞吐量的下游成本，以及改善液体产品收集和催化剂活性。还可以使用加湿的空气或添加到气体进料中的蒸气。增加湿度或添加另外的蒸气增加了汽缸中的水蒸气浓度，使得能够通过如在上文的方程式5中描述的蒸气重整反应实现较高的氢气产量。
虽然甲烷在本文中被用于描述主要燃料，但是在多种实施方案中可以使用多种烃燃料组合物。在许多情况下，***的操作将利用从天然气管道中获取的甲烷、来自油井的伴生气、通常将被点燃的废气流、沼气流和其他这样的气态轻质烃流。管道天然气主要由甲烷组成，但将具有在1％至6％之间的乙烷水平，以及微量的其他烃、二氧化碳、氮气和其他分子。同样，来自油井的伴生气将具有高浓度的乙烷和高级烃，通常指的是天然气液体(natural gas liquids)，例如丙烷、丁烷、戊烷和己烷。在一些情况下，在剩余天然气被收集用于管道、被利用或被点燃之前，天然气液体被收集。通过调整操作参数以维持转化率并且避免烟灰产生，发动机产生合成气的操作可以在去除天然气液体或不去除天然气液体的情况下使用这种燃料来运行。用于发动机的另一种燃料流可以是来自各种化学工艺、制造工艺或工业工艺或存储***的作为废物或副产物的气流，并且这样的燃料可以具有多种轻质烃。当这些流具有足够高的燃料浓度(取决于燃料组成)或者可以被处理以实现这样的浓度时，可以设想这些将是用于利用这些流产生合成气的潜在燃料源。此外，存在许多沼气源，这些沼气源可以被用作用于利用发动机产生合成气的燃料。为了本发明的目的，沼气被定义为由生物质材料的降解产生的气态流，所述生物质材料主要包含甲烷和二氧化碳以及沼气领域中已知的其他微量组分。沼气源的实例为垃圾填埋场、用于处理动物废物的场所和废水处理厂。在沼气的使用中，可能需要预处理以从燃料中去除一些二氧化碳(取决于浓度)，以有效地操作发动机，尽管发动机操作不需要完全去除。发动机操作通常耐受二氧化碳的存在。如在天然气组成中所描述的，乙烷通常存在于天然气流中。其他实施方案可以使用另外的乙烷作为燃料或者与天然气混合作为燃料。在一些实施方案中，向燃料流中添加氢气还可以为多种燃料组合物提供益处。这种氢气可以从外部源获得，或者从发动机操作或下游工艺中再循环。一种实施方案将是再循环从发动机排气中选择性地去除的氢气或者再循环发动机排气的一部分。
一旦启动发动机100以达到富燃料的条件被实现(例如通过实施例如上文参考图5描述的方法)，图6图示了用于在富燃料的条件下发动机100的持续操作的方法600的多种实施方案的另一个总体流程图。在步骤605，在发动机100启动之后，可以对于排气背压、进气歧管压力、发动机速度、点火定时、燃料气体的燃料-空气当量比率和燃料气体入口温度维持初始的一组操作条件。在步骤610，可以通过在维持燃料-空气当量比率的同时增加预热器的功率来增加燃料气体入口温度。可以监测排气的甲烷含量和氧气含量(假设甲烷是燃料中的烃)。在步骤615，可以响应于所监测到的甲烷含量和氧气含量来调节点火定时。
在多种实施方案中，初始操作排气背压可以在约环境压力至5巴绝对压力之间，初始操作进气歧管压力可以在约环境压力至2巴绝对压力之间，初始操作发动机速度可以在约1000-2000RPM之间，初始操作点火定时可以在约25度BTDC至35度BTDC之间，初始操作燃料-空气当量比率可以在约1.6至2.4之间，并且初始燃料气体温度可以在约200℃和270℃之间。图7图示了对于在从1至2的范围的燃料-空气当量比率的近似燃料气体温度范围。
在多种实施方案中，响应于所监测到的甲烷和氧气调节点火定时包括监测甲烷滑移(methane slippage)和氧气滑移(即，穿过发动机100的未反应的甲烷和氧气)。如果排气中的甲烷含量或排气中的氧气含量超过可接受的水平，则点火定时可以提前以减少滑移。可以在提前点火定时的同时监测排气温度，使得排气温度保持在图7中指定的范围内。在多种实施方案中，不是等同地提前发动机100的所有气缸105的点火定时，而是可以对于每个气缸105单独地调节点火定时，使得每个单独的气缸105的排气的温度的可变性在约75℃的范围内。
在基本上稳态的操作条件下，图8图示了对于给定的燃料-空气当量比率在排气中H2与CO的预期比率。因此，发动机100可以被调节以产生如下游工艺所需的期望的H2与CO比率。图9图示了对于给定的燃料-空气当量比率，作为用于发动机100的燃料的天然气的分数转换率。根据多种实施方案，图8可以用于确定产生期望的H2与CO比率所需的燃料-空气当量比率，并且然后图9可以用于确定在选择的燃料-空气当量比率下可以发生的燃料的预期的分数转换率。
实施例
发动机***被配置成利用源自当地公用事业天然气管道的天然气来产生合成气。市售的8缸、8.8L火花点火发动机(spark-ignited engine)被配置在***中，以在富氧操作(rich operation)的情况下产生合成气。空气获取周围环境，并且增压器被用于将压力提升至接近2巴的进气歧管压力。天然气从符合美国管道天然气的正常规范的公用事业管道递送。在所描述的运行过程(length of the run)中，典型的组成是95体积％甲烷(CH4)、4体积％乙烷(C2H6)、1体积％二氧化碳(CO2)和未测量的微量组分。空气和天然气混合物在混合前被加热到超过200℃。混合的进料然后通过进气歧管被进料到发动机气缸中。借助于火花点火，进料在气缸中被转化为合成气。发动机以1500RPM的速度操作，并且排气温度被维持在低于900℃。产生的合成气通过排气歧管被收集，并且通过使用下游压力调节被维持在4巴至5巴之间的压力。
表1呈现了在根据本公开内容的操作发动机100的情况下来自本实施例的合成气组成(四次运行的平均值)。
表1.合成气组成
合成气组分 体积百分比(干的)
H2 22.3
CO 14.5
O2 0.15
CO2 2.9
CH4 1.3
N2 58.9
上述实施例仅用于说明目的，并且不将本发明限制于实施例中使用的工艺。
通常，术语例如“连通(communicate)”和“与……连通(in...communicationwith)”(例如，第一部件“与(communicates with)”或“与(is in communication with)”第二部件“连通”)在本文中被用于表示在两个或更多个部件或元件之间的结构关系、功能关系、机械关系、电关系、信号关系、光学关系、磁性关系、电磁关系、离子关系或流体关系。因此，一个部件被称为与第二部件连通的事实不意图排除另外的部件可以存在于第一部件和第二部件之间和/或与第一部件和第二部件可操作地关联或接合的可能性。
将理解的是，在不偏离本发明的范围的情况下可以改变本发明的多个方面或细节。此外，前面的描述仅仅是为了说明的目的，并且不是为了限制的目的—本发明由权利要求限定。
本申请还提供了以下项目：
1.一种用于在富燃料的条件下使用内燃发动机作为反应器的方法，包括：
使用具有初始燃料-空气当量比率的进料气体来启动所述发动机；
递增地增加燃料-空气当量比率以产生富燃料的进料气体；以及
在增加所述燃料-空气当量比率的同时，调节节气门、点火定时、联接至所述发动机的负载、燃料压力、作用于所述进料气体或部分所述进料气体的增压器的功率和作用于所述进料气体的预热器的功率中的一种或更多种，以将燃料-空气当量比率维持为约1.6至2.4。
2.如项目1所述的方法，其中所述进料气体包含烃化合物和含氧流。
3.如项目1所述的方法，还包括在启动所述发动机之前将初始条件设置为预定的燃料压力、部分地打开的节气门、第一预定点火定时值和联接至所述发动机的负载中的至少一种。
4.如项目3所述的方法，其中设置所述部分地打开的节气门包括将所述节气门设置在低于50％的预定设置值。
5.如项目3所述的方法，其中设置所述第一预定点火定时值包括将所述点火定时设置为从约5度上止点前(BTDC)至约12度上止点前。
6.如项目1所述的方法，其中启动所述发动机包括将所述燃料压力设置为约0英寸H2O表压并且允许所述发动机启动。
7.如项目1所述的方法，其中维持在约1000转每分钟(RPM)至2000转每分钟之间的发动机速度和低于约900℃的排气的温度。
8.如项目1所述的方法，其中调节所述点火定时包括将所述点火定时提前到第二预定值，同时增加发动机负载，以将发动机速度维持在约1000RPM至2000RPM之间。
9.如项目8所述的方法，其中所述点火定时的第二预定值在约8度BTDC和约28度BTDC之间。
10.如项目1所述的方法，其中调节所述增压器的功率包括最初给所述增压器提供功率。
11.如项目10所述的方法，还包括在增加所述燃料压力的同时增加所述增压器的功率，以将发动机速度维持在约1000RPM至2000RPM之间。
12.如项目1所述的方法，其中调节所述节气门包括在增加所述燃料压力和发动机负载的同时增加所述节气门，以将发动机速度维持在约1000RPM至2000RPM之间。
13.如项目1所述的方法，还包括监测排气温度并且修改所述燃料压力、所述节气门和发动机负载中的一种或更多种，以将所述排气温度维持在低于约900℃。
14.如项目1所述的方法，其中调节所述预热器的功率包括最初给所述预热器提供功率。
15.如项目14所述的方法，还包括将所述预热器设置为初始温度，并且当预热器温度增加时升高所述燃料压力，同时将发动机速度维持在约1000RPM至2000RPM之间。
16.如项目15所述的方法，其中所述预热器的初始温度是约200℃。
17.如项目1所述的方法，还包括将所述点火定时调节到第三预定值。
18.如项目17所述的方法，其中所述点火定时的第三预定值是从约20度BTDC至约30度BTDC。
19.如项目11所述的方法，还包括在调节所述燃料压力和发动机负载的同时增加所述增压器的功率，以将所述发动机速度维持在约1000RPM至2000RPM之间，直到达到期望的发动机容积吞吐量。
20.如项目15所述的方法，还包括当所述预热器达到所述初始温度时，增加所述预热器温度，同时调节所述燃料压力，以将所述发动机速度维持在约1000RPM至2000RPM之间，直到所述燃料-空气当量比率达到约1.6至2.4。
21.如项目1所述的方法，其中燃料气体的初始燃料-空气当量比率是约1。
22.一种用于在富燃料的条件下操作内燃发动机的方法，包括：
在所述发动机启动后，对于排气背压、进气歧管压力、发动机速度、点火定时、燃料气体的燃料-空气当量比率和燃料气体入口温度，维持一组维护操作条件；
在维持所述燃料气体的燃料-空气当量比率的同时增加所述燃料气体入口温度，并且监测发动机排气的甲烷含量和氧气含量；以及
响应于所监测到的甲烷含量和氧气含量来调节点火定时。
23.如项目22所述的方法，其中初始操作排气背压在环境压力至5巴绝对压力之间。
24.如项目22所述的方法，其中操作进气歧管压力在约环境压力至2巴绝对压力之间。
25.如项目22所述的方法，其中初始操作发动机速度在约1000转每分钟(RPM)至2000转每分钟之间。
26.如项目22所述的方法，其中初始操作点火定时在约25度上止点前(BTDC)至35度上止点前之间。
27.如项目22所述的方法，其中操作燃料气体的燃料-空气当量比率是约1.6至2.4。
28.如项目22所述的方法，其中初始操作燃料气体入口温度在约200℃和270℃之间。
29.如项目22所述的方法，其中响应于所监测到的甲烷含量和氧气含量来调节所述点火定时包括如果所监测到的甲烷含量或氧气含量增加超过可接受的水平，则提前所述点火定时。
30.如项目22所述的方法，还包括监测来自所述发动机的每个气缸的排气温度。
31.如项目30所述的方法，还包括单独地调节每个气缸的点火定时，以将每个气缸的所述排气温度的可变性降低到约75℃的范围内。
32.如项目22所述的方法，其中排气包括氢气(H2)、一氧化碳(CO)、氮气(N2)、水蒸气(H2O)、二氧化碳(CO2)和微量组分中的至少两种的组合。
33.一种气体重整器***，被配置为用于执行前述项目中任一项所述的方法。
34.如项目33所述的气体重整器***，其中所述气体重整器***被配置成产生合成气。
35.如项目34所述的气体重整器***，其中所述合成气包括氢气(H2)和一氧化碳(CO)。
36.一种气体重整器***，包括：
内燃发动机，所述内燃发动机包括燃料气体入口、排气出口、多于一个气缸、点火定时***、节气门、燃料气体预热器和增压器；
其中所述内燃发动机被配置成用于以在约1.6和2.4之间的燃料气体的燃料-空气当量比率操作。
37.如项目36所述的气体重整器***，其中所述内燃发动机被配置成用于单独地调节燃料气体的燃料-空气当量比率、燃料气体入口温度、入口歧管压力、点火定时、发动机速度、排气歧管压力和排气温度，以便以在约1.6和2.4之间的燃料气体的燃料-空气当量比率操作。
38.如项目36所述的气体重整器***，其中所述内燃发动机被配置成产生包含氢气(H2)和一氧化碳(CO)的排气。

Claims (10)

1.一种用于在富燃料的条件下操作内燃发动机的方法，包括：
在所述发动机启动后，对于排气背压、进气歧管压力、发动机速度、点火定时、燃料气体的燃料-空气当量比率和燃料气体入口温度，维持一组维护操作条件；
在维持所述燃料气体的燃料-空气当量比率的同时增加所述燃料气体入口温度，并且监测发动机排气的甲烷含量和氧气含量；以及
响应于所监测到的甲烷含量和氧气含量来调节点火定时，
其中操作燃料气体的燃料-空气当量比率是1.6至2.4，
其中初始操作点火定时在25度上止点前至35度上止点前之间，
其中响应于所监测到的甲烷含量和氧气含量来调节所述点火定时包括如果所监测到的甲烷含量或氧气含量增加超过可接受的水平，则提前所述点火定时；并且
其中所述方法还包括单独地调节每个气缸的点火定时，以将每个气缸的排气温度的可变性降低到75℃。
2.如权利要求1所述的方法，其中初始操作排气背压在环境压力至5巴绝对压力之间。
3.如权利要求1所述的方法，其中操作进气歧管压力在环境压力至2巴绝对压力之间。
4.如权利要求1所述的方法，其中初始操作发动机速度在1000转每分钟至2000转每分钟之间。
5.如权利要求1所述的方法，其中初始操作燃料气体入口温度在200℃和270℃之间。
6.如权利要求1所述的方法，还包括监测来自所述发动机的每个气缸的排气温度。
7.如权利要求1所述的方法，其中排气包括氢气、一氧化碳、氮气、水蒸气和二氧化碳中的至少两种的组合。
8.一种气体重整器***，被配置为用于执行权利要求1-7中任一项所述的方法。
9.如权利要求8所述的气体重整器***，其中所述气体重整器***被配置成产生合成气。
10.如权利要求9所述的气体重整器***，其中所述合成气包括氢气和一氧化碳。
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