CN102650247B - 发动机废热制氢装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机废热制氢装置，包括用于分解SO₃的第一反应器、用于分解硫酸的第二反应器、用于分解氢碘酸的第三反应器、酸液生成器和分离器，所述分离器通过弹性连接器与波纹管相连。本发明的各个反应器布置合理，因而使得发动机废气的热量得到充分利用，有效地回收了废气中的热量，提高了能量利用率。

Description

发动机废热制氢装置

技术领域

本发明涉及一种制取氢气的设备，尤其涉及一种安装在发动机上利用发动机尾气的废热的制氢装置。

背景技术

节能与新能源开发问题，一直是全球可持续发展的关键，尤其是石油能源危机已迫在眉睫，由此带来的各种社会冲突，已成为全球动荡的重要因素。节约现有石油资源，无疑是一条必由之路，也是控制大气和环境质量的重要手段。目前，内燃机作为最方便、实用的机动动力，其对石油资源消耗量占到50%以上，且对大气的有害物排放量也占到50%以上。而根据一般规律，发动机正常燃烧时，排放废气带走的热量占相当于耗油总热值的40～45%，因此合理回收发动机的废热是全球节能减排的一个主要途径，内燃机排气废热利用的主要手段，目前仍停留在废气涡轮增压和采暖技术，而且，废气涡轮增压在汽油机上也没普遍采用，采暖对排气废热的利用很有限。总的说来，排气废热利用率仅占消耗燃料总热量的3%-10%。

又有改进的技术，例如中国专利200910169578. 9公开了一种车载制氢装置，包括醇箱，醇箱的醇出曰通过醇管连接有加热器，加热器的醇汽出口通过醇管连接有反应器，反应器带有用于与车辆发动机连接的裂解气出口;所述的加热器一端带有用于与车辆发动机连接的尾气进口，另一端带有用于与消音器连接的尾气出口。该装置利用发动机的尾气热量的效率较低，并且制氢所需原材料不能循环利用，因此成本较高。

发明内容

为了解决现有发动机制氢技术中效率低成本高的问题，本发明提供一种发动机废热制氢装置

为了解决背景技术中所涉及的问题，本发明提供一种发动机废热制氢装置，包括用于分解SO₃的第一反应器、用于分解硫酸的第二反应器、用于分解氢碘酸的第三反应器、酸液生成器和分离器，所述第一反应器包括第一壳体，所述第一壳体内设有第一反应器芯，所述第一壳体上设有用于和发动机气缸盖上的排气道相连的第一进气口和第一排气口，所述气缸盖上的排气道外设有绝热隔套，所述第一排气口与设置在第二反应器上的第二进气口和设置在第三反应器上的第三进气口相通，所述第一排气口通过管道连接有SO₂发生器，所述酸液生成器、SO₂发生器、第二反应器和第三反应器均设有与排气管相通的出气口；

    所述第一反应器芯设有第一进料口和第一出料口，所述第一进料口与设置在第二反应器上的第二出料口相通，所述第一出料口与酸液生成器相通，所述第二反应器上设有与分离器相通的第二进料口，所述第三反应器上设有与酸液生成器相通的第三出料口以及与分离器相通的第三进料口，所述第二反应器和第三反应器上均设有水蒸气导流管，所述水蒸气导流管与酸液生成器相通，所述SO₂发生器与酸液生成器相通，所述分离器通过弹性连接器与波纹管相连，所述波纹管分别连接第二进料口和第三进料口，所述第一反应器芯外缠绕有用于加热的电阻丝。

第一反应器靠近发动机的机体安装，利用发动机的废气中的热量分解SO3，使之生产SO2和O2；第二反应器加热分解浓硫酸，生成SO3和H2O气体；第三反应器加热分解浓氢碘酸，生成I2和H2气体；在酸液生成器中完成了SO2、I2的吸收和溶解，并生成氢碘酸和硫酸，随后在分离器中分离，分离器通过弹性连接器与波纹管相连，由此分离器、弹性连接器与波纹管组成一个具有特定震动幅度和频率的系统，从而更有效地利用了发动机的高频震动，加速两种酸液的分层，从而提高制氢效率和生成物的纯度。气缸盖上的排气道外设有绝热隔套，可以提高发动机废气的温度，提高了废热利用率。而SO₂发生器可以有效地弥补工作过程中反应物的流失，使得反应效率较高。因此在本发明的装置中发动机废气中的热量被各个化学反应所吸收用于得到无污染高热值的H2气体和助燃剂O2，并且废气的循环较合理，使得各个反应器均能满足反应温度。

作为一种优选，所述第二反应器和第三反应器均设有浓缩段和分解段，所述浓缩段设有数根引流管，所述引流管连接有分解管。      

作为一种优选，所述引流管在其两端附近设有锥度方向相反的两个锥形引导段，所述分解管呈螺旋状，用以增加反应进行的空间。

作为一种优选，所述第二反应器和第三反应器均连接有与排气管相通的温度调节管路，所述温度调节管路上设有温控开关。

作为一种优选，所述第一反应器上设有用于检测第一反应器芯内温度的温度传感器。

作为一种优选，所述第三进料口通过管路与分离器相连，所述管路上设有温控开关。

作为一种优选，所述第二进料口通过管路与分离器相连，所述管路上设有温控开关。

作为一种优选，所述酸液生成器上设有用于排出氢气和氧气的出气管。      

作为一种优选，所述第一反应器芯呈螺旋状，用以增加反应进行的空间。

本发明还提供了一种发动机，包括如上所述的车载制氢装置，所述绝热隔套为耐热陶瓷制成。

综上所述，本发明具有以下优点：

本发明的各个反应器布置合理，因而使得发动机废气的热量得到充分利用，有效地回收了废气中的热量，提高了能量利用率。

附图说明

图1为本实施例中车载制氢装置的立体示意图；

图2为本实施例中车载制氢装置的又一视角的立体示意图；

图3为图1的主视图；

图4为图1中第三反应器的透视图。

具体实施方式

下面结合附图以实施例对本发明作进一步说明。

如图1至4所示，一种发动机废热制氢装置，包括用于分解SO₃的第一反应器1、用于分解硫酸的第二反应器2、用于分解氢碘酸的第三反应器3、酸液生成器4和分离器5，所述第一反应器1包括第一壳体11，所述第一壳体11内设有第一反应器芯，所述第一壳体11上设有用于和发动机气缸盖上的排气道相连的第一进气口111和第一排气口112，所述气缸盖上的排气道外设有绝热隔套，所述第一排气口112与设置在第二反应器2上的第二进气口21和设置在第三反应器3上的第三进气口31相通，所述第一排气口112通过管道连接有SO₂发生器6，所述酸液生成器4、SO₂发生器6、第二反应器2和第三反应器3均设有与排气管7相通的出气口；所述第一反应器芯设有第一进料口121和第一出料口122，所述第一进料口121与设置在第二反应器2上的第二出料口22相通，所述第一出料口122与酸液生成器4相通，所述第二反应器2上设有与分离器5相通的第二进料口23，所述第三反应器3上设有与酸液生成器4相通的第三出料口32以及与分离器5相通的第三进料口33，所述第二反应器2和第三反应器3上均设有水蒸气导流管，所述水蒸气导流管与酸液生成器4相通，所述SO₂发生器6与酸液生成器4相通，所述分离器5通过弹性连接器81与波纹管8相连，所述波纹管8分别连接第二进料口23和第三进料口33，所述第一反应器芯外缠绕有用于加热的电阻丝。所述第二反应器2和第三反应器3均设有浓缩段和分解段，所述浓缩段设有数根引流管2a，所述引流管2a连接有分解管2b。所述引流管2a在其两端附近设有锥度方向相反的两个锥形引导段2a1，所述分解管2b呈螺旋状分布，用以增加反应进行的空间。所述第二反应器2和第三反应器3均连接有与排气管7相通的温度调节管路3a，所述温度调节管路3a上设有温控开关3b。所述第一反应器1上设有用于检测第一反应器芯12内温度的温度传感器1a。所述第三进料口33通过管路与分离器5相连，所述管路上设有温控开关3b。所述第二进料口23通过管路与分离器5相连，所述管路上设有温控开关3b。所述酸液生成器4上设有用于排出氢气和氧气的出气管。所述第一反应器芯呈螺旋状分布，用以增加反应进行的空间。所述绝热隔套为耐热陶瓷制成。

本发明人利用本实施例中的制氢装置进行了如下试验：

本试验是在桑塔纳2000GSI发动机上进行，额定工况下，油耗10L/h,功率100kw。本实验在设定条件下，通过相同工艺参数和步骤让发动机工作一小时，并重复三次试验，制取的氢气量分别是：110克，123克，103克，平均为：112克/小时。

实验工艺步骤如下：

（1）将高纯度硫磺粉末放入SO₂发生器6中，并向其中通入氧气，利用低温排气废热加热SO₂发生器内部至250℃～300℃，将生成的SO₂导入酸液生成器4的水中（水温保持在80℃～100℃最佳），与过量碘和水混合后生成H₂SO₄和HI两种混合的酸溶液，其在分离器5内，通过适当频率的振动和过量碘的作用而分层，上层为密度小的H₂SO₄溶液，下层为密度大的HI溶液。将两种溶液分别导入第二反应器2和第三反应器3中；

（2）第二反应器2浓缩段保温在（250℃～300℃），先使H₂SO₄溶液浓缩，（将蒸发的水蒸气通入酸液生成器4），浓缩后的H₂SO₄溶液，靠自重流到第二反应器2的分解段（400℃～500℃），在此继续加热使其分解为SO₃和H₂O气体。

（3）第一反应器1保温在850℃～950℃，将SO₃气体导入第一反应器1，使其在固体催化剂的作用下分解为SO₂和O₂两种气体。

（4）将分解出的SO₂和O₂两种气体一并通入酸液生成器4的SO₂吸收器，SO₂被水吸收，而O₂从酸性水溶液中析出，并收集在氧气瓶中，用于发动机的富氧燃烧。

（5）第三反应器3浓缩段保温在（250℃～300℃），先使HI溶液浓缩（将蒸发的水蒸气通入酸液生成器4内），浓缩后的HI溶液，靠自重流到第三反应器3下部的分解段（350℃～500℃），在此继续加热，并在固体催化剂的作用下，使其分解为I₂和H₂气体。

（6）将H₂和I₂两种气体一并通入酸液生成器4内，I₂被水吸收，H₂从酸性水溶液中析出，并收集在氢气瓶中，用于发动机的加氢燃烧。

通过本实施例的发动机废热制氢装置安装在车辆上，使得发动机油耗下降2.7%，主要比较制取的氢气热值与发动机单位小时内油耗热值，在一小时内，回收排气有效废热=所制取的氢气热值-实验消耗的附加热值（0.53L－0.26L）×0.73kg/L×44000kj/kg=8.67×103kj，占发动机一小时耗油总热量的百分比：8.67×103kj÷（0.73×10×44000）=2.7%，即：氢气参与循环后，发动机油耗下降2.7%。另外，制取的氧气用于富氧燃烧，使机内燃烧更充分，也使热效率得到了进一步提高。制取的氢气和氧气用于发动机加氢和富氧燃烧后，可有效遏制发动机有害物排放量。因此本发明的发动机废热制氢装置不仅可以有效降低发动机油耗，并且可以降低发动机尾气中的有害物质的排放。

以上说明仅仅是对本发明的解释，使得本领域普通技术人员能完整的实施本方案，但并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，这些都是不具有创造性的修改。但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (9)

1.一种发动机废热制氢装置，包括用于分解SO₃的第一反应器（1）、用于分解硫酸的第二反应器（2）、用于分解氢碘酸的第三反应器（3）、酸液生成器（4）和分离器（5），其特征在于：所述第一反应器（1）包括第一壳体（11），所述第一壳体（11）内设有第一反应器芯，所述第一壳体（11）上设有用于和发动机气缸盖上的排气道相连的第一进气口（111）和第一排气口（112），所述气缸盖上的排气道外设有绝热隔套，所述第一排气口（112）与设置在第二反应器（2）上的第二进气口（21）和设置在第三反应器（3）上的第三进气口（31）相通，所述第一排气口（112）通过管道连接有SO₂发生器（6），所述酸液生成器（4）、SO₂发生器（6）、第二反应器（2）和第三反应器（3）均设有与排气管（7）相通的出气口；

    所述第一反应器芯设有第一进料口（121）和第一出料口（122），所述第一进料口（121）与设置在第二反应器（2）上的第二出料口（22）相通，所述第一出料口（122）与酸液生成器（4）相通，所述第二反应器（2）上设有与分离器（5）相通的第二进料口（23），所述第三反应器（3）上设有与酸液生成器（4）相通的第三出料口（32）以及与分离器（5）相通的第三进料口（33），所述第二反应器（2）和第三反应器（3）上均设有水蒸气导流管，所述水蒸气导流管与酸液生成器（4）相通，所述SO₂发生器（6）与酸液生成器（4）相通，所述分离器（5）通过弹性连接器（81）与波纹管（8）相连，所述波纹管（8）分别连接第二进料口（23）和第三进料口（33），所述第一反应器芯外缠绕有用于加热的电阻丝；

所述第二反应器（2）和第三反应器（3）均设有浓缩段和分解段，所述浓缩段设有数根引流管（2a），所述引流管（2a）连接有分解管（2b）。

2.根据权利要求1所述的一种发动机废热制氢装置，其特征在于：所述引流管（2a）在其两端附近设有锥度方向相反的两个锥形引导段（2a1），所述分解管（2b）呈螺旋状，用以增加反应进行的空间。

3.根据权利要求1至2任一所述的一种发动机废热制氢装置，其特征在于：所述第二反应器（2）和第三反应器（3）均连接有与排气管（7）相通的温度调节管路（3a），所述温度调节管路（3a）上设有温控开关（3b）。

4.根据权利要求1至2任一所述的一种发动机废热制氢装置，其特征在于：所述第一反应器（1）上设有用于检测第一反应器芯（12）内温度的温度传感器（1a）。

5.根据权利要求3所述的一种发动机废热制氢装置，其特征在于：所述第三进料口（33）通过管路与分离器（5）相连，所述管路上设有温控开关（3b）。

6.根据权利要求4所述的一种发动机废热制氢装置，其特征在于：所述第二进料口（23）通过管路与分离器（5）相连，所述管路上设有温控开关（3b）。

7.根据权利要求5或6所述的一种发动机废热制氢装置，其特征在于：所述酸液生成器（4）上设有用于排出氢气和氧气的出气管。    

8.根据权利要求7所述的一种发动机废热制氢装置，其特征在于：所述第一反应器芯呈螺旋状，用以增加反应进行的空间。

9.一种发动机，其特征在于：包括如权利要求1至8任一所述的发动机废热制氢装置，所述绝热隔套为耐热陶瓷制成。

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