一种液相放电等离子体单一燃料甲醇在线改质共燃设备及方法

本发明涉及等离子体甲醇燃料改质与等离子体催化燃烧，尤其涉及一种液相放电等离子体单一燃料甲醇在线改质共燃设备及方法。

背景技术：

1、全球能源紧缺、环境污染问题日益突出，叠加“双碳”战略持续推进，以清洁能源替代传统化石燃料已成为内燃机、工业燃烧、热力发电领域重要发展方向。甲醇作为液态含氧清洁燃料，制备路径多元、原料来源广泛、硫含量极低、燃烧颗粒物排放少，兼具可再生潜力，相较于汽油、柴油、重油等化石燃料节能环保优势显著，是极具产业化前景的替代燃料，可适配车船发动机、工业窑炉、燃烧设备、分布式发电等多种工况。

2、但甲醇固有理化与燃烧特性存在短板：闪点、自燃温度高、十六烷值低、气化潜热大、火焰传播速度偏低。在发动机冷启动、低负荷怠速，以及工业装置低温燃烧、变负荷运行条件下，易出现燃烧滞后、火焰失稳、局部熄火、燃烧不完全等现象，造成燃烧效率下降，未燃甲醇、甲醛等非常规污染物升高，引发设备运行抖动、工况波动，难以直接满足各类燃烧装置稳定高效运行要求。

3、当前改善甲醇燃烧性能主要有两条路线：一是甲醇-柴油双燃料燃烧，依靠柴油引燃改善甲醇低温着火特性；二是通过重整改质将液态甲醇转化为富氢燃气，利用氢气燃烧速度快、点火性能优良的优势优化燃烧效果。主流甲醇重整技术分为高温催化重整、气相等离子体重重整两类，均可有效改善甲醇燃烧特性，但仍存在难以克服的应用瓶颈。

4、双燃料方案需要两套独立储供燃料系统，设备复杂、成本偏高。而现有重整工艺要求液态甲醇预先完全汽化，方可开展催化或裂解反应，系统需配套甲醇蒸发器、多级换热、气液分离、温度调控单元，设备数量多、集成度低、占用空间大，难以适配车载、小型工业装备等空间受限场景。同时甲醇汽化与高温重整持续消耗大量热能或电能，系统能耗高、能量利用率偏低；预热升温流程冗长，启动响应慢，无法支持快速启停。

5、此外，现有甲醇重整燃烧方案普遍设置多级气液分离、稳压缓冲、储气单元。如专利cn109455667a设置丝网分离机构对重整产物气液分离，液态甲醇回流、混合气供给发动机；cn119686873a采用产物分离储存后掺烧模式；cn115263535a增设储气罐稳定供气。多级预处理流程不仅造成热能与压力能损耗，进一步降低能效，燃气储存与稳压环节还增加运维难度与安全隐患。

6、综上，现有甲醇燃烧优化技术普遍存在系统结构繁杂、集成度差、运行能耗高、启动响应迟缓、动态工况适应性不足等问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种液相放电等离子体单一燃料甲醇在线改质共燃设备及方法，以克服上述问题。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

3、本发明一方面提供一种液相放电等离子体单一燃料甲醇在线改质共燃设备，包括通过管道依次连通的甲醇燃料供应装置、改质混合装置以及燃烧装置，其中：

4、所述改质混合装置包括液相放电等离子体重整装置、电极组件、供电单元以及混合单元；所述液相放电等离子体重整装置包括一工作腔体；所述工作腔体内部设置有可拆卸的电极组件；所述电极组件与供电单元电性连接，使得进入液相放电等离子体重整装置的甲醇燃料产生非热等离子体，生成气液混合态产物。

5、进一步地，所述甲醇燃料供应装置与液相放电等离子体重整装置之间的管道上依次安装有燃料输送泵和余热回收装置。

6、进一步地，所述余热回收装置包括第一换热通道和第二换热通道，所述第一换热通道的入口与所述燃烧装置连通，所述第一换热通道的出口通至外部；所述第二换热通道的入口与所述甲醇燃料供应装置连通，所述第二换热通道的出口与所述改质混合装置连通。

7、进一步地，所述第二换热通道的出口还连通有分流管路，所述分流管路的出口与所述混合单元连通。

8、进一步地，所述电极组件采用针-板、线-筒、板-孔-板或多针-环电极结构中的任意一种。

9、进一步地，所述液相放电等离子体重整装置的输出端还连通有过滤单元；所述过滤单元的输出端与所述混合单元连通，所述过滤单元的输出端与所述混合单元连通，所述混合单元的输出端与所述燃烧装置连通。

10、本发明另一方面还提供一种液相放电等离子体单一燃料甲醇在线改质共燃方法，包括如下步骤：

11、s1：燃料供应，甲醇水溶液由甲醇燃料供应装置输送至液相放电等离子体重整装置；

12、s2：液相放电改质，供电单元向电极组件施加高压脉冲电压，在液相甲醇溶液中引发非热等离子体放电，使甲醇溶液在线改质为主要含甲醇、氢气、一氧化碳、甲烷及二元烃的气液混合态产物；

13、s3：过滤与混合，改质后的气液混合态产物经过滤单元过滤碳颗粒后进入混合单元，形成微细气泡均匀分散于液相中的气液混合物；

14、s4：直供共燃，将所述气液混合物直接通入燃烧装置的点火区并完成燃烧反应；

15、s5：余热回收，将燃烧装置产生的高温气体排出至余热回收装置的第一换热通道，对进入第二换热通道中的甲醇水溶液进行预热，以降低系统整体能耗。

16、进一步地，s2中所述气液混合态产物包括合成气和液态甲醇，所述合成气中全氢气体积分数为60-65%。

17、进一步地，s3中所述微细气泡的直径在10-300 nm。

18、进一步地，s5中所述甲醇水溶液在进入等离子体重整装置之前被预热至20-60℃。

19、本发明的有益效果是：

20、1、通过浸没在甲醇溶液里的电极组件，液相放电直接引发非热等离子体，常温下实现甲醇溶液的原位改质，避免了气化和高温催化过程，降低系统能耗并简化结构；

21、2、改质产物以气液混合态形式直接供给燃烧设备，避免气液分离和中间储存环节，减少能量损失并降低安全风险；

22、3、可以根据燃烧装置负荷变化实时改变改质产物与未改质甲醇溶液的供给比例，适用于发动机变工况和快速动态响应场景。

23、4、通过余热回收对燃料进行预热，提高系统整体能效并增强运行安全性。

1.一种液相放电等离子体单一燃料甲醇在线改质共燃设备，其特征在于，包括通过管道依次连通的甲醇燃料供应装置（1）、改质混合装置（2）以及燃烧装置（3），其中：

2.根据权利要求1所述的一种液相放电等离子体单一燃料甲醇在线改质共燃设备，其特征在于，所述甲醇燃料供应装置（1）与液相放电等离子体重整装置（21）之间的管道上依次安装有燃料输送泵（5）和余热回收装置（4）。

3.根据权利要求2所述的一种液相放电等离子体单一燃料甲醇在线改质共燃设备，其特征在于，所述余热回收装置（4）包括第一换热通道和第二换热通道，所述第一换热通道的入口与所述燃烧装置（3）连通，所述第一换热通道的出口通至外部；所述第二换热通道的入口与所述甲醇燃料供应装置（1）连通，所述第二换热通道的出口与所述改质混合装置（2）连通。

4.根据权利要求3所述的一种液相放电等离子体单一燃料甲醇在线改质共燃设备，其特征在于，所述第二换热通道的出口还连通有分流管路，所述分流管路的出口与所述混合单元（24）连通。

5.根据权利要求1所述的一种液相放电等离子体单一燃料甲醇在线改质共燃设备，其特征在于，所述电极组件（22）采用针-板、线-筒、板-孔-板或多针-环电极结构中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的一种液相放电等离子体单一燃料甲醇在线改质共燃设备，其特征在于，所述液相放电等离子体重整装置（21）的输出端还连通有过滤单元（25）；所述过滤单元（25）的输出端与所述混合单元（24）连通，所述混合单元（24）的输出端与所述燃烧装置（3）连通。

7.一种液相放电等离子体单一燃料甲醇在线改质共燃方法，其特征在于，采用权利要求1-6任意一项所述的在线改质共燃设备，包括如下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种液相放电等离子体单一燃料甲醇在线改质共燃方法，其特征在于，s2中所述气液混合态产物包括合成气和液态甲醇，所述合成气中全氢气体积分数为60-65%。

9. 根据权利要求7所述的一种液相放电等离子体单一燃料甲醇在线改质共燃方法，其特征在于，s3中所述微细气泡的直径在10-300 nm。

10. 根据权利要求7所述的一种液相放电等离子体单一燃料甲醇在线改质共燃方法，其特征在于，s5中所述甲醇水溶液在进入等离子体重整装置（21）之前被预热至20-60 ℃。