考虑瞬态传热传质过程的内燃机余热裂解甲醇的机理研究及热力学优化

Using of alternative fuels, improving in-cylinder combustion process, and waste heat recovery are the most promising technologies for internal combustion (IC) engine energy saving and emission reduction. The project team proposed a new combined thermodynamic cycle integrated IC engine waste heat recovery and improvement of alternative fuels, which is expected to effectively solve the problems of the direct application of methanol on IC engine and get better combustion and emissions performances as well as higher thermal efficiency..This project focuses on solving the core issues of the new combined thermodynamic cycle - catalytic dissociating of methanol by IC engine exhaust heat, which involves several key scientific problems: (1) The effects of IC engine transient exhaust boundary conditions on methanol catalytic dissociating process. (2) The optimization method of the heat and mass transfer process in methanol cracker. (3) The chemical reaction kinetics mechanism and thermodynamics optimization of methanol catalytic dissociating in low temperature condition..This project proposes a technical route combined test with simulation, which carries out research on methanol endothermic pyrolysis process from the perspective of thermodynamics and chemical reaction kinetics, explores the law and influencing factors of catalytic dissociating of methanol in low temperature condition, proposes a method to improve the efficiency of methanol dissociating and regulate the ingredient and proportion of pyrolysis products, so as to realize the goal that the leading reaction of methanol dissociation can be controlled and predicted. The research results will not only provide theoretical and technical support for dissociated methanol engine, but also promote the development of hydrogen production from methanol, methanol/hydrogen fuel cells and other related technologies.

应用代用燃料、改善缸内燃烧过程、回收余热是最被看好的几种内燃机节能减排技术。项目组前期提出一种集内燃机余热回收与改良代用燃料于一体的新型联合热力循环，有望解决甲醇在内燃机上直接应用的难题，并获得更好的燃烧排放性能和更高的热效率。本项目致力于解决该新型联合热力循环的核心环节—内燃机余热催化裂解甲醇涉及的几个关键科学问题：（1）内燃机瞬态排气边界条件对甲醇裂解过程的影响；（2）裂解器内传热传质过程优化方法；（3）甲醇低温催化裂解的化学反应动力学机理及热力学优化。本项目提出一套联合试验与仿真的技术路线，从热力学和化学反应动力学的角度开展对甲醇吸热裂解的过程机理研究，探索甲醇低温催化裂解规律及影响因素，提出改善甲醇裂解效率和裂解产物组分及比例的方法，实现对裂解主反应的调控和预测。本项目研究成果不仅可以为甲醇裂解气内燃机提供理论和技术支持，还可以促进甲醇制氢及甲醇/氢燃料电池等相关技术的发展。

我国机动车保有量逐年递增对石油能源造成了巨大压力。采用甲醇等替代燃料可缓解石油能源紧缺的压力，优化我国能源结构。但甲醇直接作为内燃机替代燃料会带来一系列问题，如冷启动性能差，喷油雾化不良等。为解决上述难题，本项目提出内燃机排气余热催化裂解甲醇的联合热力循环，并致力于解决内燃机余热裂解甲醇涉及的几个关键科学问题：（1）内燃机瞬态排气边界条件对甲醇裂解过程的影响；（2）甲醇裂解器内传热传质过程的优化方法；（3）甲醇低温催化裂解的化学反应动力学机理及热力学优化。本项目从热力学和化学反应动力学的角度开展对甲醇裂解过程的机理研究，探索甲醇低温催化裂解规律及其影响因素。本项目的主要研究内容以及取得的成果概括如下：.（1）设计了一种新型甲醇裂解器，换热效率接近0.7，最大排气阻力在2.7kpa以下，换热器综合性能高于现有水平。提出了GT-Power和Fluent耦合优化计算方法，可解决不同工况下甲醇裂解器的实时性能计算和分析。.（2）开展了多工况下内燃机余热裂解甲醇的试验研究，甲醇裂解率最高达到90%。以MAP图的形式建立了“内燃机工况-排气参数-系统工作参数-裂解气组分和浓度”的内在关联。.（3）采用ChemKin软件建立了甲醇裂解反应动力学模型并对不同温度和压力条件下的甲醇低温催化裂解过程进行了模拟，得出各种内燃机工况下甲醇催化裂解的反应机理及其影响因素。.（4）对不同工况下甲醇裂解器内的瞬态传热传质过程进行了CFD模拟，揭示了瞬态排气边界以及系统工作参数对甲醇裂解器内的传热传质过程的影响，提出了强化传热过程方法和换热器优化设计方法。.（5）开发了甲醇裂解气成分参数的性能数据库，扩充了最新的组成气体P-v-T关系式以及比热等参数数据，拓展了甲醇裂解化学平衡常数的工作范围。并且开展了甲醇裂解过程的热力学分析和评价，得到了各种工况下的最佳工作参数。.本项目研究成果不仅可以为甲醇裂解气内燃机提供理论和技术支持，还可以促进甲醇制氢及甲醇/氢燃料电池等相关技术的发展。