CN1199133A - 备有气体燃料改质装置的燃气发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的备有气体燃料改质装置的燃气发动机,由燃料箱、触媒反应器、气体燃料供给装置、CO2供给装置和改质燃料供给装置构成。该燃气发动机,将CO2与CH4混合,将该混合气送入配置在排气通路上的触媒反应器,用废气的热能使其热分解而变换为改质燃料。CO2由CO2供给装置从废气中俘获并送入触媒反应器。该发动机把天然气的主成分CH4热分解成为改质燃料,提高发热量,减少废气中CO2的含量,并抑制NOX的产生。

Description

备有气体燃料改质装置的燃气发动机
本发明涉及备有气体燃料改质装置的燃气发动机，所说的气体燃料改质装置利用排出气体的热能对天然气等气体燃料改质，以提高热效率。
现有技术中，以天然气为主燃料的燃气发动机，作为废气发电系统被迅速开发。废气发电系统是用发电机将动力作为电能输出，在热交换器中利用排出气体所具有的热加热水，制成热水供使用。
以天然气为燃料的发动机，例如有日本特开平6-108865号公报、特开平6-101495号公报所揭示的形式。
特开平6-108865号公报揭示的废气发电型燃气发动机，使排气通过涡轮增压器、能量回收装置和蒸气发生装置，降低排出气体温度，将低温的排出气体供EGR使用，减少NOX。用隔热型燃气发动机的排出气体驱动涡轮增压器，由该涡轮增压器的排出气体驱动备有发动机的能量回收装置。该废气发电型燃气发动机，把能量回收装置的排出气体送入热交换器的蒸气发生装置，由该蒸气发生装置把水变换为蒸气，由该蒸气驱动汽轮机，作为电能回收。
特开平6-101495号公报揭示的多气缸燃气发动机，把各个点火顺序不连续的气缸分为2个气缸一组，在各组设置涡轮增压器，第1气缸和第4气缸与一方的排气歧管连接，第2气缸和第3气缸与另一方排气歧管连接。两排气歧管上设有喷射水的喷水咀。从喷水咀向排气歧管喷射的水，在排气通路蒸发而转化为蒸气，使气体流量增大，驱动涡轮增压器。
燃气发动机中，如果将燃烧室用陶瓷等材料做成为隔热构造，则空气的压缩温度上升到天燃气的自己点火温度以上，所以，不需要点火装置。另外，除了设有导入空气的主室外，还设有导入燃料的副室，在主室与副室之间设置控制阀，可提供由柴油循环作动的高效率废气发电用发动机。在把燃烧室做成为隔热构造时，燃气发动机的排出气体达到850℃以上的高温。从高温的排出气体中回收热能，可提高发动机的热效率。
众所周知，天然气的主要成分是甲烷CH4。燃料甲烷发热量大，在自然界存在有很多，所以，将来可期望作为代替石油的燃料。如果通过触媒使甲烷热分解而改质，则甲烷成为一氧化碳CO和氢H2，CO和H2的发热量比CH4的发热量大，用于发动机时，可提高热效率，节省能源，并能抑制CO2的排出。
甲烷CH4、一氧化碳CO和氢H2，这些燃料的发热量如下：
但是，如果采用触媒并利用排气所具有的热能，将CH4转化为改质燃料，则其发热量可增加。
本发明的目的是为了解决上述课题，提供一种备有天然气改质装置的燃气发动机，上述天然气改质装置能对天然气等气体燃料、特别是对CH4进行改质，将CO2混合到CH4中，在触媒作用下，利用排出气体的热能，改质为CO和H2，提高热效率，将排出气体中的CO2用于改质，减少CO2的排出量，同时，减少NOX的发生。
本发明的备有气体燃料改质装置的燃气发动机，由燃料箱、触媒反应器、气体燃料供给装置、CO2供给装置和改质燃料供给装置构成。燃料箱收容以CH4为主成分的天然气燃料。触媒反应器配置于排出燃烧室内的排出气体的排气通路上，用排出气体的热能对CH4和CO2的混合气进行热分解，将其变换为由CO和H2构成的改质燃料。气体燃料供给装置将天然气燃料从燃料箱供给到触媒反应器。CO2供给装置把从上述排出气体中分离的CO2送入触媒反应器。改质燃料供给装置向燃烧室供给改质燃料。
上述CO2供给装置由CO2溶解装置、CO2送出装置和循环泵构成；CO2溶解装置收容溶解冷却了的低温排出气体中的CO2的溶液；CO2送出装置配置在从燃烧室排出的高温排出气体流过的排气通路上，该CO2送出装置利用高温排出气体对在CO2溶解装置溶解了CO2的溶液加热，并收容使CO2放出的溶液，同时将放出的CO2送入触媒反应器；循环泵使上述溶液在CO2溶解装置与CO2送出装置之间循环。
吸收上述CO2溶解装置的排出气体中的CO2的溶剂是β-氨基乙醇，放出CO2送出装置中的CO2的溶液是β-羟乙基氨。或者，溶解CO2的溶剂也可以采用二乙醇胺。
上述CO2溶解装置，使排气中的CO2溶解到溶剂中成为溶液，把排出气体中的N2、H2O气体(100℃以上的水蒸气)排放到大气中。因此，只将排出气体中的N2、H2O排放到大气中，排出气体极为清洁，可减少对大气的污染，有利于环境。另外，燃料中含有大量的CO2，可抑制NOX的产生。
或者，上述CO2供给装置，用配置在低温排出气体流过的排气通路上的CO2分离膜，把从排出气体中分离出的CO2供给触媒反应器。上述CO2分离膜，由聚四氟化乙烯膜构成，或者，由结合了乙二胺、提高CO2的俘获的聚四氟化乙烯膜构成。或者，上述CO2分离膜是由氧化铝、硅、沸石类多孔质陶瓷构成的无机分离膜。
上述触媒反应器用的触媒是Ni或Pt，使CH4和CO2反应，热分解成CO和H2。上述触媒反应器由配置在排气通路上的热交换器构成，上述热交换器由排出气体流过的排气通路和收容着多孔质部件的气体燃料通路构成，该多孔质部件表面被触媒复盖，该触媒配入排气通路的隔壁的内侧。
该燃气发动机中，在触媒反应器尾气气流的排气通路上，设有涡轮增压器，在该涡轮增压器尾气气流的排气通路上，设有以尾气气体和/或水蒸气作为驱动源的能量回收涡轮，在该能量回收涡轮尾气气流的排气通路上，设有产生蒸气的热交换器。
从燃烧室排出的排出气体温度，在触媒反应器中是900℃～800℃左右，被涡轮增压器回收后，约降低150℃，接着，被能量回收涡轮回收，又降低约200℃左右，最后被热交换器回收，再降低350℃左右。因此，吹入CO2溶解装置的排气温度，可降至100℃左右。在CO2溶解装置中，β-氨基乙醇能使CO2良好地溶解。
上述燃烧室由陶瓷部件做成隔热构造。用陶瓷部件制作燃烧室的壁面，在其外侧形成隔热层，将燃烧室做成隔热构造。该燃气发动机中，从燃烧室排出的排出气体是约900℃的高温排气，将该高温排出气体从燃烧室排出到排气通路，这样，CH4和CO2的混合气体在触媒作用下热分解，变换为CO和H2，可提高热效率。
该燃气发动机中，如上所述，将CO2与天然气的主成分CH4混合，借助于触媒，用排出气体的热能使其热分解，转化为改质燃料CO和H2，所以，272100/212800＝2.8，能将发热量提高3成，由此提高热效率。
将天然气转化为改质燃料时的发热量换算为每1kg·W时，如下式：
甲烷气体(CH4)，在镍(Ni)或铂(Pt)等触媒作用下，利用排出气体的热能与二氧化碳(CO2)反应，热分解成为一氧化碳(CO)和氢(H2)。在上述分解反应中，利用废气的热能可进行热分解，得到发热量大的燃料CO和H2。即，上述分解反应，是将甲烷气体通过Ni或Pt等触媒，加热至约800℃以上时产生热分解的反应。二氧化碳分解为一氧化碳，甲烷分解为CO和H2。
该燃气发动机，如上所述，将天然气的主成分CH4与废气中含有的CO2混合，将该混合气体通过触媒，利用废气的热能变成800℃以上的高温并热分解，将CH4变换为CO和H2，提高发热量。从燃气发动机排放到大气中的排气，由于去除了CO2，成为N2和H2O气体，所以，不污染大气，有利于环境。
废气的热能用于CH4的热分解后，由设在排气通路上的涡轮增压器、能量回收涡轮和热交换器回收。即，燃气发动机中，用废气的热能驱动涡轮增压器，该涡轮增压器的涡轮排出的废气驱动备有发电机的能量回收涡轮，该能量回收涡轮排出的废气的热能由热交换器产生蒸气，该蒸气驱动能量回收涡轮的汽轮机，由发电机作为电力回收。
该燃气发动机，与现有的以天然气为燃料的燃气发动机相比，在理论上可提高热效率28％，设采用天然气的燃气发动机的热效率为42％，则可提高热效率54％。另外，该燃气发动机，在排气通路上设有由废气能量驱动的涡轮增压器和能量回收涡轮，可确保约62％的热效率。与现有的燃气发动机相比，可大幅度提高热效率。
或者，本发明的备有天然气改质装置的燃气发动机，由燃料箱、触媒反应器、改质燃料供给装置、涡轮增压器、第1级热交换器、汽轮机、冷凝器、第2级热交换器和CO2供给装置构成；燃料箱内收容以CH4为主成分的天然气燃料；触媒反应器配置在排气通路上，用从燃烧室排出的废气对从燃料箱供给的CH4进行热分解而将其变换为改质燃料；改质燃料供给装置将上述改质燃料供给燃烧室；涡轮增压器设在触媒反应器尾气气流的排气通路上；第1级热交换器设在涡轮增压器尾气气流的排气通路上；汽轮机被第1级热交换器产生的蒸气驱动；冷凝器将汽轮机排出的水蒸气变换为水；第2级热交换器设在第1级热交换器尾气气流的排气通路上，把从冷凝器送出的水变换为蒸气，将该蒸气供给第1级热交换器；CO2供给装置用设在第2级热交换器尾气气流的排气通路上的CO2分离膜从排气中分离CO2，并将该CO2供给触媒反应器。
上述CO2分离膜是由氧化铝、硅、沸石类多孔质陶瓷构成的无机分离膜。上述CO2分离膜由在陶瓷部件上形成细小孔的、耐热性好的多孔体膜构成。例如，利用CO2的分子直径小于N2、O2分子直径这一特性，利用分子筛分效果，可从废气中分离CO2，由于使用温度高达350℃，所以可有效地适用于本发明。上述CO2分离膜，在300℃的温度时最活性化，能良好地从废气中分离CO2。
未参与CH4的热分解的CO2，与改质燃料一起供给燃烧室。在燃烧室中，由于CH4、CO、H2、CO2的混合气被导入燃烧室的副室，所以，控制阀开放后，副室的混合气与燃烧室主室的压缩空气混合而燃烧时，由于CO2的存在而抑制NOX的产生，可将NOX的产生抑制在100ppm以下。
上述第1级热交换器由蒸气通路和排气通路构成；蒸气通路内配置着多孔质陶瓷部件，被配置在第1箱体内的第2级热交换器加热了的蒸气流过该多孔质陶瓷部件；排气通路配置在蒸气通路内且配置着多孔质陶瓷部件，供上述废气流过。
上述第2级热交换器由能储留水的水—蒸气通路和排气通路构成；水—蒸气通路配置在与第1箱体相邻的第2箱体内，配置着供蒸气流过的多孔质陶瓷部件；排气通路配置在上述水—蒸气通路周围，配置着供第1级热交换器出来的废气流过的多孔质陶瓷部件。
在第1级热交换器上游侧的排气通路上，设有燃料喷咀，该燃料喷咀喷射来自触媒反应器的改质燃料。
在第1级热交换器上游侧的排气通路上，由于设有喷射来自触媒反应器的改质燃料之一部分的燃料喷咀，所以，从该燃料喷咀喷射的少量燃料被排气中含有的O2燃烧、发热并送入第1级热交换器，所以，排气的热函增加，可提高汽轮机的效率。
从隔热构造的燃烧室排出的废气的温度，例如，在触媒反应器中是900℃～800℃，足够使CH4热分解，接着，被涡轮增压器回收，降低150℃左右，再被第1级热交换器回收，又降低200℃左右，最后，被第2级热交换器回收，再降低约200℃。因此，向CO2分离装置供给温度降至约350℃～250℃的废气，在CO2分离装置中，能良好地从废气中分离CO2。
由第1级热交换器和第2级热交换器产生的高温蒸气，驱动汽轮机，所以，与现有由燃气轮机构成的能量回收装置相比，不必象汽轮机那样要提高第1级热交换器的入口压力。即，汽轮机入口压力的上升，在往复运动型发动机的排气冲程中会提高背压，而产生较大损失。
该燃气发动机，由于采用汽轮机，所以不提高背压，用废气能量产生高压蒸气，变换为电能，所以能提高热效率。汽轮机做成为径流式汽轮机时，与轴流式汽轮机相比，体积小，造价低。
该燃气发动机，将CO2混合到天然气主成分CH4中，在触媒作用下，用废气热能使其热分解，变换为改质燃料CO和H2，所以，能将发热量提高3.8成，提高发动机的热效率。上述分解反应，是将CH4和CO2的混合气通过Ni或Pt等的触媒，加热到约800℃以上时产生热分解的反应。CO2分解成为一氧化碳，CH4分解为CO和H2。另外，由于将燃烧室做成隔热构造，从燃烧室出来的排气为高温状态，排气温度为800℃以上，可以使上述热分解反应顺利进行。
该燃气发动机，设用柴油机循环的燃气发动机的热效率为42％时，由备有发电机的涡轮增压器将热效率约提高8％，汽轮机的热效率约提高5％，将CH4热分解为CO和H2产生的发热量为1.38倍，所以，设CH4的热分解率为50％，则整个燃气发动机的热效率可望达到65.5％。
该燃气发动机，废气的热能用于CH4的热分解后，由设在排气通路上的涡轮增压器、第1级热交换器和第2级热交换器回收。即，燃气发动机中，用废气的热能驱动涡轮增压器，从该涡轮增压器的涡轮排出的废气由第1级热交换器和第2级热交换器产生蒸气，由该蒸气驱动汽轮机，驱动该汽轮机后，由发电机作为电力输出。
图1是本发明的备有燃料改质装置的燃气发动机一实施例的说明图；
图2是组装入图1所示燃气发动机中的涡轮增压器的说明图；
图3是组装入图1所示燃气发动机中的能量回收涡轮的说明图；
图4是本发明的备有燃料改质装置的燃气发动机另一实施例的说明图；
图5是本发明的备有燃料改质装置的燃气发动机又一实施例的说明图；
图6是组装入图5所示燃气发动机中的汽轮机的说明图。
下面，参照附图说明本发明的备有气体燃料改质装置的燃气发动机的各实施例。
先参照图1说明本发明的备有气体燃料改质装置的燃气发动机的第1实施例。
第1实施例是使用天然气等气体燃料的燃气发动机1，例如，是适用于废气发电系统的单气缸或多气缸的副室式燃气发动机。燃烧室由主室1A和副室1B构成，主室1A形成于气缸内，副室1B形成在气缸盖43上，通过连通口46与主室1A连通。气体燃料被改质后的改质燃料供给到副室1B，该副室1B通过控制阀44开放连通口46而与主室1A连通。在该燃气发动机中，设在副室1B上的燃料阀45开放燃料供给口47时，从改质燃料供给路9向副室1B供给改质燃料。接着，由控制阀44开放连通口46，从主室1A吹入副室1B的空气与改质燃料混合，混合气在副室1B点火燃烧，火焰、未燃烧混合气等气体从副室1B向主室1A喷出，完成二次燃烧，由燃烧气体推下活塞51，驱动燃气发动机1。
燃气发动机1备有涡轮增压器3、CO2送出装置4、能量回收涡轮5、热交换器6、汽轮机27和CO2溶解装置7。涡轮增压器3由从主室1A通过排气通路8排出的废气的热能驱动。CO2送出装置4构成设在涡轮增压器3尾气气流的排气通路8A上的CO2供给装置。能量回收涡轮5备有由从涡轮增压器3的涡轮23排出的废气热能驱动的涡轮28，以废气和水蒸气作为驱动源。热交换器6用能量回收涡轮5的涡轮28的废气热能产生高温蒸气。汽轮机27设在由热交换器6的蒸气驱动的能量回收涡轮5内。CO2溶解装置7构成可将能量回收涡轮5的废气吹入的CO2供给装置。
燃气发动机1，备有燃料箱11、触媒反应器2、天然气供给泵12、CO2供给装置和加压燃料泵13。燃料箱11内收容以CH4为主成分的天然气燃料。触媒反应器2配置在排出主室1A的废气的排气通路8上，利用废气的热能对CH4和CO2的混合气进行热分解，变换为由CO和H2构成的改质燃料。天然气供给泵12作为气体燃料供给装置，把天然气燃料从燃料箱11供给到触媒反应器2中。CO2供给装置分离废气中含有的CO2并将其送入触媒反应器2。加压燃料泵13是改质燃料供给装置，向主室1A供给改质燃料。
燃气发动机1是多气缸发动机，为了排出主室1A的废气，备有向排气歧管31和主室1A供给吸入气体的吸气歧管32。从吸气通路10吸入的空气通过吸气歧管32供给到各气缸的主室1A，各主室1A的废气由排气歧管31集合并向排气通路8排出。把供给主室1A的天然气改质了的改质燃料，借助加压燃料泵13，并通过改质燃料供给路9供给到各主室1A。
CO2供给装置由CO2溶解装置7、CO2送出装置4和循环泵14构成。CO2溶解装置7收容着溶液，该溶液用于溶解排气通路8D排出的低温废气中的CO2。CO2送出装置4配置于高温废气流过的排气通路8A中，用高温废气对在CO2溶解装置7溶解了CO2的溶液加热，收容使CO2放出的溶液，同时，将放出的CO2送入触媒反应器2。循环泵14使溶液在CO2溶解装置7与CO2送出装置4之间循环。
溶解配置在废气低温区域的CO2溶解装置7中的CO2的溶剂，是β-氨基乙醇(2HOC2H4NH2)，放出配置在废气高温区的CO2送出装置4中的CO2的溶液，是碳酸β-羟乙基氨〔(HOC2H4NH3)2CO3〕。
CO2供给装置中的化学反应式如下：
上面的化学反应式中，反应时，在低温吸收CO2，进入右侧(β-氨基乙醇)，在高温放出CO2，进入左侧(碳酸β-羟乙基氨)。β-氨基乙醇(溶剂)在低温吸收CO2而成为碳酸β-羟乙基氨(溶液)。该溶液由循环泵14将其送入CO2送出装置4，成为高温而从溶液中放出CO2，放出了CO2后的溶液，即β-氨基乙醇和H2O，再回收到CO2溶解装置7。
CO2送出装置4是一种气相—液相热交换器，在溶液中配置有排气通路，该溶液中收容有加热时放出CO2的溶剂。CO2送出装置4内的排气通路中流过排出的废气，这样，溶液被加热成高温而放出CO2。放出的CO2通过CO2供给路17送入触媒反应器2。另外，放出了CO2的溶剂，通过溶剂回收通路16一边被冷却一边回收到CO2溶解装置7。
CO2溶解装置7，使排气中的CO2溶解到溶剂中而成为溶液37，将废气中的N2和H2O(100℃以上的水蒸气)通过排气口36排放到大气中。在进入CO2溶解装置7内的溶液37中，通过排气通路8D的开口，把废气吹入溶液37。废气被吹入溶液37后，CO2溶解到溶剂中，N2和H2O气体不溶解于溶剂，从排气口36排放到大气中。因此，该燃气发动机排放到大气中的废气，几乎不含有CO2，不污染大气。另外，溶解了CO2的溶液37，由循环泵14通过含CO2的溶液供给路15送入CO2送出装置4。
在触媒反应器2中，触媒是采用Ni或Pt。触媒反应器2配置在排气歧管31的集合部，从主室1A排出的废气变成约为900℃这样的800℃以上的高温状态。触媒反应器2内，在废气流过的排气通路35中，配置着气体燃料通路33，该气体燃料通路33内充填着供气体燃料流过的Ni或Pt触媒34，构成一种气相—气相热交换器。触媒反应器2由配置在排气通路8上的热交换器构成，热交换器由气体燃料通路33构成，该气体燃料通路33收容着表面被触媒34覆盖的多孔质部件，该触媒34配入废气流过的通路间的隔壁内侧。
从主室1A出来的高温废气流过触媒反应器2的排气通路35时，充填着Ni或Pt触媒34的气体燃料通路33被加热。流过约成为800℃以上高温气体燃料通路33的CH4和CO2的混合气体与触媒接触，CH4热分解成为CO和H2，CO2被热分解为CO，变换为CO和H2的改质燃料。接着，从天然气被变换后的改质燃料由加压燃料泵13通过改质燃料供给路9从吸气歧管32供给各自气缸的主室1A。
燃气发动机1的主室1A是用陶瓷部件和隔热层做成为隔热构造，所以，从主室1A通过排气歧管31排出的废气是约900℃～800℃的高温气体。燃气发动机1中，在触媒反应器2利用废气的热能进行热分解后，将该热能由涡轮增压器3、能量回收涡轮5和热交换器6回收。
燃气发动机1中，涡轮增压器3设在触媒反应器2尾气气流的排气通路8上。在涡轮增压器3的涡轮23的尾气气流的排气通路8A上，配置着构成CO2供给装置的CO2送出装置4。在CO2送出装置4尾气气流的排气通路8B上设有能量回收涡轮5。能量回收涡轮的涡轮28尾气气流的排气通路8C上，设有用于产生蒸气的热交换器6。
涡轮增压器3如图2所示，由被废气驱动的涡轮23、通过轴26与涡轮23连接并被涡轮23驱动的压缩机24、设在轴26上的发电—电动机25构成。压缩机24由涡轮23驱动，将空气加压而形成压缩空气，通过吸气通路10将该压缩空气从吸气歧管32供给各气缸的主室1A。发电—电动机25将涡轮23的旋转力作为电力输出，并回收废气能量。
能量回收涡轮5如图3所示，由被废气驱动的涡轮28、被热交换器6产生的蒸气驱动的汽轮机27和设在轴30上的发电机29构成。因此，废气能量驱动涡轮28，蒸气能量驱动汽轮机27，它们的旋转力由发电机29作为电力回收。设在排气通路8C上的热交换器6，是气相—液相热交换器，借助废气能量产生高温蒸气，该高温蒸气通过蒸气通路19送入汽轮机27，驱动汽轮机27。驱动汽轮机27后的蒸气成为水与低温蒸气的流体，通过流体通路21放排到冷凝器20中，在冷凝器20内变成为高温水，通过水通路22再送入热交换器6。通过热交换器6的废气，成为热能几乎全被回收的低温废气(100℃左右)后，被吹入CO2溶解装置7的溶液37内。
溶解CO2的溶解装置中的CO2的溶剂，除了上述的β-氨基乙醇外，也可以用二乙醇胺。二乙醇胺〔(HOCH2CH2)NH〕与β-氨基乙醇同样地，具有在低温吸收CO2、在高温放出CO2的特性。采用二乙醇胺时也与上述同样地，在CO2送出装置4放出CO2并送入触媒反应器2，在触媒反应器2中，在触媒的催化作用下，把天然气中的CH4和CO2的混合气热分解为CO和H2。废气被吹入有二乙醇胺溶剂的CO2溶解装置7，借此废气在CO2溶解装置7中，成为排除了CO2的N2和H2O气体(100以上的水蒸气)组成的极清洁的气体状态，排放到大气中。
下面，参照图4说明本发明备有气体燃料改质装置的燃气发动机的第2实施例。
第2实施例与第1实施例相比，除了CO2的输出系统不同外，其余构造基本相同。具有相同功能的部件，注以相同标记，其说明从略。
第2实施例的燃气发动机1，与第1实施例相比，仅CO2供给装置不同。CO2供给装置由配置在低温废气流过的排气通路8D上的、收容CO2分离膜40的CO2分离装置38构成。从排气通路8D送入CO2分离装置38的废气，被CO2分离膜40从废气中分离CO2，分离的CO2借助CO2供给泵42，通过CO2供给通路17供给到触媒反应器2。安置在CO2分离装置38内的CO2分离膜40，由聚四氟乙烯膜构成，或者是由氧化铝、硅、沸石类多孔质陶瓷构成的无机分离膜。CO2分离膜40是一种过滤膜，由该过滤膜构成过滤器，利用分子通过高分子材料的链间隙的作用，使分子直径大的N2和H2O(水蒸气)不能通过，使分子直径小的CO2通过，借助泵42，将该CO2通过CO2供给通路17送入触媒反应器2。
CO2分离装置38中，不能通过分离膜40的N2和H2O气体，从排气通路8E排出到大气中。在排气通路8E上设有压力调节阀39，由压力调节阀39调节向大气中排放的废气压力，CO2分离装置38中的CO2分离膜40对CO2的俘获进行调节。
为了提高CO2的分离性，CO2分离膜40可以是在透过性好的聚四氟乙烯膜上，结合着具有促进CO2输送特性的乙二胺的分离膜。乙二胺与CO2的化学反应式如下所示，加大了CO2向CO2分离膜40的输入。
下面，参照图5说明本发明的备有天然气改质装置的燃气发动机的第3实施例。第3实施例与第1实施例相比，采用了燃气发动机和涡轮增压器具有相同构造的结构，所以，相同的部件注以相同标记，省略重复说明。
燃气发动机1，备有天然气改质装置，触媒反应器52设在排气通路8上，该触媒反应器52利用从主室1A通过排气通路8排出的废气的热能，以及利用CO2的存在，将天然气中的CH4变换为改质燃料。在触媒反应器52尾气气流的排气通路8上，设有被废气驱动的涡轮增压器3。燃气发动机1备有燃料箱61、燃料加压泵13、第1级热交换器54、汽轮机55、第2级热交换器56和CO2供给装置57。燃料箱61收容以CH4为主成分的天然气燃料。燃料加压泵13构成向燃烧室的副室1B供给改质燃料的改质燃料供给装置。第1级热交换器54设在涡轮增压器3尾气气流的排气通路8A上。汽轮机55由第1级热交换器54产生的蒸气驱动。第2级热交换器56设在第1级热交换器54尾气气流的排气通路58B上，把从汽轮机55排出的流体(低温蒸气和水)变换为蒸气，将该蒸气供给第1级热交换器54。CO2供给装置57把从废气中分离出的CO2供给触媒反应器52。CO2供给装置57由分离膜87和供给泵88构成。分离膜87设在第2热交换器56尾气气流的排气通路58C上，从废气中分离CO2。供给泵88把从废气中分离出的CO2供给触媒反应器52。
燃气发动机1中，从CO2供给装置57向大气排出的废气，是CO2含量少的N2气体等，不会造成大气污染而使环境恶化。触媒反应器52所用的触媒是Ni或Pt，使CH4与CO2产生反应而热分解为CO和H2。触媒反应器52配置在排气歧管31的集合部，从燃烧室的主室1A排出的废气，为约900℃～800℃的高温状态，所以，CH4的热分解改质是在很高温度下进行。触媒反应器52是具有热交换作用的触媒装置，由废气流过的排气通路和气体燃料通路构成，构成一种气相—气相热交换器。上述气体燃料通路在排气通路隔壁的内侧，收容着表面被Ni或Pt触媒83复盖着的多孔质部件。触媒反应器52配置在排气通路8上，例如，由废气流过的排气通路和收容着多孔质部件的气体燃料通路构成，上述多孔质部件的表面由配入排气通路的隔壁内侧的触媒83覆盖。
从主室1A出来的高温废气流过触媒反应器52的排气通路，由此对充填着Ni或Pt触媒83的气体燃料通路进行加热。经过成为约800℃以上高温气体燃料通路而流动的CH4和CO2混合气体与触媒83接触，CH4被热分解成为CO和H2，CO2被热分解成为CO，这样，变换为CO和H2的改质燃料。接着，从天然气变换的改质燃料，由燃料加压泵13通过改质燃料供给路9，从吸气歧管32供给到各气缸的副室1B。
燃气发动机1中的燃烧室的主室1A和副室1B，用陶瓷部件和隔热层做成为隔热构造，所以，从主室1A通过排气歧管31排出的废气，是约900℃～800℃的高温气体。燃气发动机1中，在触媒反应器52将废气的热能用于热分解后，该热能由涡轮增压器3、第1级热交换器54和第2级热交换器56回收。
第3实施例中，涡轮增压器3采用图2所示结构，这里省略对其重复说明。
第1级热交换器54，由蒸气通路85和排气通路78构成。蒸气通路85内配置着多孔质陶瓷部件，被配置在第2箱体内的第2级热交换器56加热了的蒸气流过该蒸气通路85内的多孔质陶瓷部件。排气通路78配置在蒸气通路85周围，内配置有供废气流过的多孔质陶瓷部件。第2热交换器56由能储留水的水—蒸气通路86和排气通路79构成。水—蒸气通路86配置在与第1箱相邻设置的第2箱内，并且配置着供蒸气流过的多孔质陶瓷部件。排气通路79配置在水—蒸气通路86的周围，内配置着供来自第1级热交换器54的废气流过的多孔质陶瓷部件。
在涡轮增压器3尾气气流且在第1热交换器54上游侧的排气通路8A上，设有燃料喷咀74，该燃料喷咀74喷射来自触媒反应器52的改质燃料。改质燃料从触媒反应器52通过辅助燃料供给路73供给燃料喷咀74。
如图6所示，汽轮机55由涡轮69和发电机70构成。涡轮69由第1级热交换器54产生的蒸气驱动，发电机70设在轴71上。因此，蒸气能量驱动涡轮69，其旋转力被发电机70作为电力输出。设在排气通路58B上的第2级热交换器56，是气相—液相热交换器，由排气能量产生蒸气，该蒸气通过蒸气通路91送入第1级热交换器54。驱动了汽轮机55后的蒸气，成为低温蒸气(含水分蒸气)流体，通过流体通路77排到冷凝器64，在冷凝器64中变成为高温水，由水泵62通过水通路76再送入第2级热交换器56。通过了第2级热交换器56的废气，其热能几乎全被回收而成为低温废气(例如约200℃左右)，再被送入CO2供给装置57。
CO2供给装置57，例如配置在低温废气流过的排气通路58C上，收容着若干个杆状CO2分离膜87。从排气通路58C送入CO2供给装置57的废气，通过了CO2分离膜87使CO2从废气中分离，不能通过CO2分离膜87的N2、O2、H2O等，绕过分离膜87向排气通路排出。分离了的CO2借助CO2供给泵88，通过CO2供给通路72供给到触媒反应器52中。收容在CO供给装置57内的CO2分离膜87是陶瓷多孔体，该陶瓷多孔体由氧化铝、硅、沸石类多孔质陶瓷构成的无机分离膜，是一种过滤膜，分子直径大的N2、O2、H2O(水蒸气)不能通过，分子直径小的CO2能通过，借助CO2吸引供给泵88，将该CO2通过CO2供给通路72送入触媒反应器52内。
在CO2供给装置57中，不能通过CO2分离膜87的N2、H2O(水蒸气)，从排气通路58D排放到大气中。在排气通路58D上，例如设有压力调节阀92，向大气排放的废气压力由该压力调节阀92调节，由CO2吸引供给泵88的CO2俘获量通过CO2供给装置57中的CO2分离膜87进行调节。
备有该天然气改质装置的燃气发动机，具有上述构造，其动作如下。
在控制阀44的关闭状态，打开吸气阀(图未示)时，来自涡轮增压器3的压缩机24的空气通过吸气通路10从吸气歧管32供给到主室1A。主室1A的空气因控制阀44的关闭状态而在压缩冲程中被压缩。天然气燃料从燃料箱61通过天然气供给通路84供给触媒反应器52，将天然气变换为改质燃料，同时，在控制阀44的关闭状态下打开燃料阀45，燃料加压泵13动作，来自触媒反应器52的改质燃料通过改质燃料供给路9供给到副室1B。在压缩冲程上死点附近，打开控制阀44，使主室1A的压缩空气流入副室1B，改质燃料与压缩空气混合而点火燃烧，然后移至膨张冲程，活塞51做功。
在排气冲程中，主室1A和副室1B的废气通过排气通路8排出。高温的废气在通过触媒反应器52时，其热能将天然气变换为改质燃料，然后送出到涡轮增压器3中。在涡轮增压器3中，驱动涡轮23，其旋转力由发电—电动机25变换为电能，同时驱动压缩机24。由发电—电动机25得到的电力蓄存在电池内或者用于驱动辅机而消费掉。压缩机24具有将空气通过吸气通路10供给燃烧室的主室1A的功能。通过涡轮增压器3的涡轮23，废气通过排气通路8A被送入第1级热交换器54。
在排气通路8A上设燃料喷咀74，该燃料喷咀74把从触媒反应器52通过辅助燃料供给路73送入的改质燃料的一部分喷射到排气通路8A内。由于流过排气通路8A的废气中含有多量O2，所以，从燃料喷咀74喷射的改质燃料点火燃烧，增加排气的热函。送入第1级热交换器54中的废气，通过排气通路78，再通过排气通路58B被送入第2级热交换器56。废气通过排气通路78时，与从第2级热交换器56通过蒸气通路91送入蒸气通路85内的蒸气进行热交换，加热成高温。
在第1级热交换器54中被加热成高温的蒸气，通过高温蒸气通路75送入汽轮机55，驱动涡轮69。涡轮69的驱动使发电机70发电。发电机70产生的电力，蓄存在电池内或者用于驱动辅机而消费掉。高温蒸气驱动了汽轮机55后，变换为低温蒸气或水构成的流体，该流体通过流体通路77送入冷凝器64而变成水，该水借助于水泵62的驱动通过水通路76送入第2级热交换器56的水—蒸气通路86。
从第1级热交换器54送入第2级热交换器56的废气，通过第2级热交换器56的排气通路79送出到排气通路58C。排气在通过排气通路79时，用热交换将通过水—蒸气通路86的水变换为蒸气。往排气通路58C送出的废气，由触媒反应器52、涡轮增压器3、第1级热交换器54和第2级热交换器56回收热能，例如，降低到约200℃的温度，所以，即使向CO2供给装置7送出，也不会损伤CO2分离膜87。送进CO2供给装置57的废气，通过CO2分离膜87后，CO2从废气中分离。分离出的CO2借助CO2吸引供给泵88，从CO2供给装置57通过CO2供给通路72送入触媒反应器52。通过CO2分离膜87，把CO2分离，分离了CO2后的废气，成为CO2含有量少的N2、H2O等，从排气通路58D排放到大气中。

Claims (21)

1.备有气体燃料改质装置的燃气发动机，其特征在于，由燃料箱、触媒反应器、气体燃料供给装置、CO2供给装置和改质燃料供给装置构成；燃料箱收容以CH4为主成分的天然气燃料；触媒反应器配置在排出燃烧室内废气的排气通路上，利用排气热能将CH4和CO2的混合气体热分解而变换为由CO和H2构成的改质燃料；气体燃料供给装置将天然气燃料从燃料箱供给触媒反应器；CO2供给装置把从废气中分离出的CO2送入触媒反应器；改质燃料供给装置将改质燃料供给燃烧室。
2.如权利要求1所述的燃气发动机，其特征在于，上述CO2供装置由CO2溶解装置、CO2送出装置和循环泵构成；CO2溶解装置收容溶解冷却了的低温废气中的CO2的溶液；CO2送出装置配置在从燃烧室排出的高温废气流过的排气通路上，该CO2送出装置利用高温废气对在CO2溶解装置溶解了CO2的溶液加热，并收容使CO2放出的溶液，同时将放出的CO2送入触媒反应器；循环泵使上述溶液在CO2溶解装置与CO2送出装置之间循环。
3.如权利要求2所述的燃气发动机，其特征在于，吸收上述CO2溶解装置中废气中的CO2的溶剂是β-氨基乙醇，放出CO2送出装置中的CO2的溶液是β-羟乙基氨。
4.如权利要求2所述的燃气发动机，其特征在于，溶解上述CO2溶解装置中的CO2的溶剂是二乙醇胺。
5.如权利要求1所述的燃气发动机，其特征在于，上述CO2溶解装置，使废气中的CO2溶解在溶剂中成为溶液，把废气中的N2、H2O排放到大气中。
6.如权利要求1所述的燃气发动机，其特征在于，上述CO2供给装置，用配置在低温废气流过的排气通路上的CO2分离膜分离废气中的CO2，并把从废气中分离出的CO2供给触媒反应器。
7.如权利要求6所述的燃气发动机，其特征在于，上述CO2供给装置中的CO2分离膜，由聚四氟乙烯膜构成。
8.如权利要求6所述的燃气发动机，其特征在于，上述CO2供给装置中的CO2分离膜，由结合了乙二胺、提高CO2俘获的聚四氟乙烯膜构成。
9.如权利要求6所述的燃气发动机，其特征在于，上述CO2分离膜是由氧化铝、硅、沸石类多孔质陶瓷构成的无机分离膜。
10.如权利要求1所述的燃气发动机，其特征在于，上述触媒反应器中用的触媒是Ni或Pt。
11.如权利要求1所述的燃气发动机，其特征在于，上述触媒反应器由配置在排气通路上的热交换器构成，上述热交换器由废气流过的排气通路和收容着多孔质部件的气体燃料通路构成，该多孔质部件表面被触媒覆盖，该触媒配入排气通路的隔壁的内侧。
12.如权利要求1所述的燃气发动机，其特征在于，在触媒反应器尾气气流的排气通路上，设有涡轮增压器，在该涡轮增压器尾气气流的排气通路上，设有能量回收涡轮，在该能量回收涡轮尾气气流的排气通路上，设有产生蒸气的热交换器。
13.如权利要求1所述的燃气发动机，其特征在于，上述燃烧室由陶瓷部件做成隔热构造。
14.备有天然气改质装置的燃气发动机，其特征在于，由燃料箱、触媒反应器、改质燃料供给装置、涡轮增压器、第1级热交换器、汽轮机、冷凝器、第2级热交换器和CO2供给装置构成；燃料箱内收容以CH4为主成分的天然气燃料；触媒反应器配置在排气通路上，用从燃烧室排出的废气对从燃料箱供给的CH4进行热分解而将其变换为改质燃料；改质燃料供给装置将上述改质燃料供给燃烧室；涡轮增压器设在触媒反应器尾气气流的排气通路上；第1级热交换器设在涡轮增压器尾气气流的排气通路上；汽轮机被第1级热交换器产生的蒸气驱动；冷凝器将汽轮机排出的水蒸气变换为水；第2级热交换器设在第1级热交换器尾气气流的排气通路上，把从冷凝器送出的水变换为蒸气，将该蒸气供给第1级热交换器；CO2供给装置用设在第2级热交换器尾气气流的排气通路上的CO2分离膜从废气中分离CO2，并将该CO2供给触媒反应器。
15.如权利要求14所述的燃气发动机，其特征在于，上述CO2分离膜是由氧化铝、硅、沸石类多孔质陶瓷构成的无机分离膜。
16.如权利要求14所述的燃气发动机，其特征在于，上述触媒反应器用Ni或Pt作为触媒，使CH4和CO2反应，热分解为CO和H2。
17.如权利要求14所述的燃气发动机，其特征在于，上述触媒反应器是具热交换作用的触媒装置，由废气流过的排气通路和气体燃料通路构成，该气体燃料通路内收容着表面被触媒覆盖着的多孔质部件，触媒配入排气通路的隔壁的内侧。
18.如权利要求14所述的燃气发动机，其特征在于，上述第1级热交换器由蒸气通路和排气通路构成；蒸气通路内配置着多孔质陶瓷部件，被配置在第2箱体内的第2级热交换器加热了的蒸气流过该多孔质陶瓷部件；排气通路配置在蒸气通路周围且配置着多孔质陶瓷部件，供上述废气流过。
19.如权利要求14所述的燃气发动机，其特征在于，上述第2级热交换器由能储留水的水—蒸气通路和排气通路构成；水—蒸气通路配置在与第1箱体相邻的第2箱体内，配置着供蒸气流过的多孔质陶瓷部件；排气通路配置在上述水—蒸气通路周围，配置着供第1级热交换器出来的废气流过的多孔质陶瓷部件。
20.如权利要求14所述的燃气发动机，其特征在于，在第1级热交换器上游侧的排气通路上，设有燃料喷咀，该燃料喷咀喷射来自触媒反应器的改质燃料的一部分。
21.如权利要求14所述的燃气发动机，其特征在于，上述燃烧室用陶瓷部件做成为隔热构造。
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