CN103131460B - 一种热回收燃料催化裂解换热器 - Google Patents

Abstract

一种热回收燃料催化裂解换热器，包括热回收燃料催化裂解单元，热回收燃料催化裂解单元包括筒体型催化裂解器芯体、燃料进气段外壳和燃料排气段外壳，筒体型催化裂解器芯体内设有内腔，内腔两端均装有端盖，筒体壁内设有催化剂填充孔，催化剂填充孔均与筒体壁内外表面相连通，催化剂填充孔沿筒体轴线方向并列布置形成孔排，孔排沿筒体壁周线方向分散布置形成孔阵，相邻孔排之间均设有轴向热流体通道，轴向热流体通道与筒体的两端相连通，筒体型催化裂解器芯体上设有外环形隔断板，外环形隔断板将筒体型催化裂解器芯体分隔为燃料进气段和燃料排气段。本发明的燃料蒸汽流通断面积大，流动阻力小，催化反应空速小，转化率高，催化剂更换容易。

Description

一种热回收燃料催化裂解换热器

技术领域

本发明涉及一种热回收燃料催化裂解换热器，尤其是涉及一种利用发动机废气余热的燃料催化裂解换热器。

背景技术

提高发动机效率或开发清洁可替代发动机燃料对节约能源和保护环境均有重要的积极意义。回收发动机余热实现燃料裂解，可提升燃料热值、提高发动机效率，也有助于推动清洁可替代发动机燃料的开发利用。

发动机工作时排气温度常在300-700℃范围内，废气余热能量大，回收发动机余热对节能具有重要意义。

某些燃料可以在高温下吸热裂解，使燃料热值获得提升，是实现废气余热回收的一种有效途径。例如，甲醇在250℃以上的温度条件下吸收热量后可裂解为CO和氢气。甲醇燃料汽化并完全转化为CO和氢气后，燃料热值可增加约20%。并且，甲醇是一种可再生资源且来源丰富，故甲醇裂解可作为回收发动机废气余热一种有效方法。

发动机余热回收燃料（如甲醇）裂解换热装置一般包括燃料汽化部分和燃料蒸汽催化裂解部分。现有的发动机余热回收燃料裂解装置中，汽化部分由一组换热管组成，液体燃料在管内流动，排放的热废气扫掠管外，传递热量给液体燃料，使之汽化为燃料蒸汽；催化裂解部分也是由一组换热管组成，只是燃料蒸汽通过的管内需添加催化剂，燃料在催化剂和一定的温度条件下实现裂解。很多此类催化裂解装置中的换热管采用直管，还有的采用蛇形管，燃料蒸汽流通断面积小、流动阻力大，限制了催化剂的体积，催化反应空速大，转化率低；此外，催化剂更换困难，设备使用寿命短，维护成本高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种燃料蒸汽流通断面积大，流动阻力小，催化反应空速小，转化率高，催化剂更换容易的热回收燃料催化裂解换热器。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种热回收燃料催化裂解换热器，包括热回收燃料催化裂解单元，所述热回收燃料催化裂解单元包括筒体型催化裂解器芯体、燃料进气段外壳和燃料排气段外壳，所述筒体型催化裂解器芯体内设有内腔，所述内腔两端均装有端盖，所述筒体型催化裂解器芯体的筒体壁内设有催化剂填充孔，所述催化剂填充孔均与筒体壁内外表面相连通，所述催化剂填充孔沿筒体轴线方向并列布置形成孔排，所述孔排沿筒体壁周线方向分散布置形成孔阵，筒体壁内相邻孔排之间均设有轴向热流体通道，所述轴向热流体通道与筒体的两端相连通，筒体的一端为热流体入口端，筒体另一端为热流体出口端，所述筒体型催化裂解器芯体上设有外环形隔断板，所述外环形隔断板将筒体型催化裂解器芯体分隔为两段，一段为燃料进气段，另一段为燃料排气段，所述燃料进气段外壳与燃料进气段芯体、外环形隔断板围成的区域为燃料进气腔，所述燃料进气腔与燃料进气段芯体内孔阵相连通，所述燃料进气段外壳上设有燃料进气口，所述燃料进气口与燃料进气腔相连通，所述燃料排气段外壳与燃料排气段芯体、外环形隔断板围成的区域为燃料排气腔，所述燃料排气腔与燃料排气段芯体内孔阵相连通，所述燃料排气段外壳上设有燃料排气口，所述燃料排气口与燃料排气腔相连通。

进一步，还设有热回收燃料汽化器、热流体入口连接管道和热流体出口连接管道，所述热回收燃料汽化器位于在热流体出口连接管道内，液体燃料侧的进口端与供油管路的分液管相连，出口端通过集管、连接管道与热回收燃料催化裂解单元的燃料进气口相连，所述热流体出口连接管道的热流体入口端通过热流体连接管道与热回收燃料催化裂解单元的热流体出口端相连通，所述热流体出口连接管道上设有热流体排出口，所述热流体入口连接管道上设有热流体入口， 所述热流体入口连接管道的出口端与热回收燃料催化裂解单元的热流体入口端相连通。

进一步，还设有电辅助加热器，所述电辅助加热器的一端与集管相连，另一端与连接管道相连。

进一步，所述燃料进气段芯体的外表面处设有透气挡圈Ⅰ，所述燃料排气段芯体的外表面处设置透气挡圈Ⅱ，所述筒体型催化裂解器芯体的内表面处设有透气挡圈Ⅲ，所述透气挡圈Ⅰ、透气挡圈Ⅱ、透气挡圈Ⅲ均是可拆卸的。

进一步，所述筒体型催化裂解器芯体的轴向热流体通道内还设有强化换热扩展表面结构，所述强化换热扩展表面结构可以是由轴向热流体通道表面上伸出的伸展体，也可以是轴向热流体通道内的插入物。

进一步，所示热回收燃料催化裂解单元内筒体型催化裂解器芯体的个数≥2，优选2-4个。

进一步，所述热回收燃料催化裂解单元的个数≥2，优选2-4个，可以按照并联方式、串联方式或混合方式连接。

工作时，来自供油管路的液体燃料首先经分液管流入热回收燃料汽化器，在热回收燃料汽化器中与低温热流体进行非接触式的热交换，回收低温热流体中的余热，使液体燃料被加热甚至汽化，被热流体预热后的燃料从热回收燃料汽化器中流出后，经集管、连接管道流向电辅助加热器，在启动工况和其它低负荷运行工况下，如果经预热后的燃料未完全汽化，可开启电辅助加热器的加热功能，使燃料完全汽化，汽化后的燃料进一步流向热回收燃料催化裂解单元，在热回收燃料催化裂解单元内，燃料先经燃料进气口流入燃料进气腔，再经燃料进气腔分流进入燃料进气段芯体内孔阵，由燃料进气段芯体内孔阵流出的裂解燃料在筒体型催化裂解器芯体的内腔中汇合，通过内腔分流后又进入燃料排气段芯体内孔阵，然后由燃料排气段芯体内孔阵流出至燃料排气腔，最后由燃料排气口排出，排出的裂解燃料将送至喷嘴、汽缸或燃烧器等末端装置；筒体型催化裂解器芯体孔阵中填充催化剂，燃料在催化剂填充孔内流动，通过与轴向热流体通道内的热流体进行非接触式的热交换而获得加热，并在催化剂的作用下加速裂解；与此同时，高温热流体从热回收燃料催化裂解单元的热流体入口流入，经热流体入口连接管道分流后流入燃料催化裂解器芯体内的轴向热流体通道，并与催化裂解器芯体孔阵内的燃料蒸汽进行非接触式的热交换，接着经热流体连接管道流向热回收燃料汽化器，低温热流体进入热回收燃料汽化器后与液体燃料进行非接触式的热交换，进一步释放热流体中的余热，使液体燃料获得预热甚至汽化，低温热流体从热回收燃料汽化器流出后经热流体出口连接管道和热流体排出口排出。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1）设计筒体型催化裂解器芯体及其上并列设置催化剂填充孔阵，孔的数目多，使燃料蒸汽并行流过孔阵时具有较大的流通面积，同时，孔阵以及筒体型燃料进、排气室和内腔可以承受高气压，为实现高效能量回收和催化裂解创造了有利条件，高承压能力允许燃料在高压下汽化和裂解，从而使燃料经过催化裂解换热器后不仅获得热能和化学能，还可获得很高的压能，其中，压能的大部分可以通过膨胀直接转化为发动机的输出功；催化剂总体积提高，可以降低空速，提高催化反应的效率，即燃料催化裂解过程的转化率，提高能量回收效率，在满足催化剂总体积要求的前提下，大的燃料蒸汽流通面积可降低流速、缩短流程，从而降低流动阻力、减少压能损失，同样有助于提高能量回收效益和发动机的输出功；

（2）筒体型催化裂解器芯体内任一两相邻孔排之间均设置轴向热流体通道，有助于强化传热，以强化换热的方式提高催化裂解过程的转化率和能量回收效益；催化剂填充孔排与热流体通道的相间交替布置方式减小了热流体通道表面与催化剂填充孔表面间的平均距离和固壁内的导热热阻，同时允许以增加催化剂填充孔和废气通道数目的方式减小孔径和热流体通道当量直径，降低了催化剂填充孔内和热流体通道内的传热阻力，提高了传热能力，也就提高了燃料催化裂解过程的转化率和能量回收效果；

（3）通过在催化裂解器芯体的轴向热流体通道内加插入物或伸展体可强化对流换热，进一步减小废气通道内的传热阻力，使之与催化剂填充孔内的传热能力相匹配，以实现各传热环节优化匹配的方式强化整个传热过程的传热能力，同样可以提高燃料催化裂解过程的转化率和能量回收效果；

（4）所述燃料催化裂解换热器为模块化结构，可以包含多个燃料催化裂解单元，所述多个燃料催化裂解单元可以按照并联方式、串联方式或混合方式连接，同一个燃料催化裂解单元内也可以设置多个燃料催化裂解器芯体，通过模块化的系统结构和灵活的单元设计，可实现不同催化裂解的效率或满足不同的功率或流量要求，也使得催化裂解器具有较好的空间布局适应性，为目标整机的优化设计创造了更宽松的条件；

（5）催化裂解器芯体表面处所设置的可拆卸透气挡圈Ⅰ、透气挡圈Ⅱ、透气挡圈Ⅲ既能阻挡催化剂颗粒的滑落与飘散，又方便催化剂颗粒的装卸，可延长设备的使用寿命。

附图说明

图1 为本发明实施例1的结构示意图；

图2 为图1所示实施例的筒体型催化裂解器芯体的结构放大示意图；

图3 为沿图2中A-A线的剖视图；

图4 为沿图2中B-B线的剖视图；

图5 为设有强化换热扩展表面结构的筒体型催化裂解器芯体的结构放大示意图；

图6 为本发明实施例2的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

参照图1-图5，本实施例包括热回收燃料汽化器3、电辅助加热器7和热回收燃料催化裂解单元；所述热回收燃料催化裂解单元包括筒体型催化裂解器芯体14、燃料进气段外壳9和燃料排气段外壳16，所述筒体型催化裂解器芯体14内设有内腔（筒状），所述内腔两端均装有端盖12，所述筒体型催化裂解器芯体14的筒体壁内设有催化剂填充孔14a，所述催化剂填充孔14a均与筒体壁内外表面相连通，所述催化剂填充孔14a沿筒体轴线方向并列布置形成孔排，所述孔排沿筒体壁周线方向分散布置形成孔阵，筒体壁内相邻孔排之间均设有轴向热流体（如发动机排放的废气）通道14b，所述轴向热流体通道14b与筒体的两端相连通，筒体的一端为热流体入口端，筒体另一端为热流体出口端，所述筒体型催化裂解器芯体14上设有外环形隔断板14f，所述外环形隔断板14f将筒体型催化裂解器芯体14分隔为两段，一段为燃料（F）进气段，另一段为燃料（F）排气段，所述燃料进气段外壳9与燃料进气段芯体、外环形隔断板14f围成的区域为燃料进气腔，所述燃料进气腔与燃料进气段芯体内孔阵相连通，所述燃料进气段外壳9上设有燃料进气口10，所述燃料进气口10与燃料进气腔相连通，所述燃料排气段外壳16与燃料排气段芯体、外环形隔断板14f围成的区域为燃料排气腔，所述燃料排气腔与燃料排气段芯体内孔阵相连通，所述燃料排气段外壳16上设有燃料排气口17，所述燃料排气口17与燃料排气腔相连通， 所述热回收燃料催化裂解单元的热流体入口端通过燃料排气段外壳16与热流体入口连接管道18相连，所述热流体入口连接管道18上设有热流体入口19；所述热回收燃料汽化器3位于在热流体出口连接管道1内，所述热流体出口连接管道1上设有热流体排出口2，所述热流体出口连接管道1的热流体入口端通过热流体连接管道8、燃料进气段外壳9与热回收燃料催化裂解单元的热流体出口端相连通，所述热回收燃料汽化器3的液体燃料侧的进口端与供油管路的分液管4相连，出口端通过集管5、连接管道6与电辅助加热器7的一端相连，所述电辅助加热器7的另一端通过连接管道6与热回收燃料催化裂解单元的燃料进气口10相连通。

当然，也可省去电辅助加热器7，而液体燃料侧的出口端通过集管5、连接管道6直接与热回收燃料催化裂解单元的燃料进气口10相连。

所述燃料进气段芯体的外表面处设有透气挡圈Ⅰ11，所述燃料排气段芯体的外表面处设置透气挡圈Ⅱ15，所述筒体型催化裂解器芯体14的内表面处设有透气挡圈Ⅲ13，用于阻挡催化剂颗粒的滑落与飘散。所述透气挡圈Ⅰ11、透气挡圈Ⅱ15、透气挡圈Ⅲ13均是可拆卸的，通过止退环肋Ⅰ14g和止退环肋Ⅱ14h实现轴向定位，便于装卸。

所述筒体型催化裂解器芯体14的轴向热流体通道14b内还可以设置强化换热扩展表面结构，如图5所示，使热流体侧的基准面换热系数提高，使热流体侧与燃料侧的热阻相匹配，从而使整个传热过程的传热得到强化。所述强化换热扩展表面结构可以是由轴向热流体通道14b表面上伸出的伸展体，也可以是轴向热流体通道14b内的插入物。伸展体或插入物的形状可以是规则的（如强化换热扩展表面结构Ⅰ14c、强化换热扩展表面结构Ⅱ14d），也可以是不规则的（如强化换热扩展表面结构Ⅲ14e）。

所述热回收燃料催化裂解单元内也可设置多个催化裂解器芯体14，便于扩展催化剂体积，增加流动断面积，提高催化裂解的功率或流通量。

工作时，来自供油管路的液体燃料（LF）首先经分液管4流入热回收燃料汽化器3，在热回收燃料汽化器3中与低温热流体（EG）进行非接触式的热交换，回收低温热流体（EG）中的余热，使液体燃料被加热甚至汽化；被热流体预热后的燃料从热回收燃料汽化器3中流出后经集管5、连接管道6流向电辅助加热器7，在热流体温度较低时（如在发动机的启动工况和其它低负荷运行工况条件下），如果经预热后的燃料未完全汽化，可开启电辅助加热器7的加热功能，使燃料完全汽化；汽化后的燃料（F）进一步流向热回收燃料催化裂解单元，在热回收燃料催化裂解单元内，燃料（F）先经燃料进气口10流入燃料进气腔，再经燃料进气腔分流进入燃料进气段芯体内孔阵，由燃料进气段芯体内孔阵流出的裂解燃料（F）在筒体型催化裂解器芯体的内腔中汇合，通过内腔分流后又进入燃料排气段芯体内孔阵，然后由燃料排气段芯体内孔阵流出至燃料排气腔，最后由燃料排气口17排出，排出的裂解燃料（F）将送至喷嘴、汽缸或燃烧器等末端装置；筒体型催化裂解器芯体孔阵中填充催化剂，燃料在催化剂填充孔内流动，通过与轴向热流体通道14b内的热流体进行非接触式的热交换而获得加热，并在催化剂的作用下加速裂解；与此同时，高温热流体（EG）从热回收燃料催化裂解单元的热流体入口19流入，经热流体入口连接管道18分流后流入燃料催化裂解器芯体内的轴向热流体通道14b，并与催化裂解器芯体孔阵内的燃料蒸汽进行非接触式的热交换，接着经热流体连接管道8流向热回收燃料汽化器3，低温热流体（EG）进入热回收燃料汽化器3后与液体燃料进行非接触式的热交换，进一步释放热流体中的余热，使液体燃料获得预热甚至汽化，低温热流体（EG）从热回收燃料汽化器3流出后经热流体出口连接管道1和热流体排出口2排出。

实施例2

参照图6，本实施例与实施例1的区别在于：所示热回收燃料催化裂解单元为两个，即为第一热回收燃料催化裂解单元和第二热回收燃料催化裂解单元，所述第一热回收燃料催化裂解单元与第二热回收燃料催化裂解单元串联连接，即第一热回收燃料催化裂解单元的热流体出口与第二热回收燃料催化裂解单元的热流体入口相连接，而第二热回收燃料催化裂解单元的燃料排气口与第一热回收燃料催化裂解单元的燃料进气口相连接。

本实施例工作原理与特征与实施例1的基本相同，但催化裂解效率能得到提高。

当然，所述热回收燃料催化裂解单元也可为三个或者三个以上，可以按照并联、串联或混合方式连接，所述热回收燃料催化裂解单元也可以包含多个筒体型催化裂解器芯体，以满足实现不同催化裂解效率、功率或流量的要求，在此不再赘述。

Claims (7)

1. 一种热回收燃料催化裂解换热器，包括热回收燃料催化裂解单元，其特征在于：所述热回收燃料催化裂解单元包括筒体型催化裂解器芯体、燃料进气段外壳和燃料排气段外壳，所述筒体型催化裂解器芯体内设有内腔，所述内腔两端均装有端盖，所述筒体型催化裂解器芯体的筒体壁内设有催化剂填充孔，所述催化剂填充孔均与筒体壁内外表面相连通，所述催化剂填充孔沿筒体轴线方向并列布置形成孔排，所述孔排沿筒体壁周线方向分散布置形成孔阵，筒体壁内相邻孔排之间均设有轴向热流体通道，所述轴向热流体通道与筒体的两端相连通，筒体的一端为热流体入口端，筒体另一端为热流体出口端，所述筒体型催化裂解器芯体上设有外环形隔断板，所述外环形隔断板将筒体型催化裂解器芯体分隔为两段，一段为燃料进气段，另一段为燃料排气段，所述燃料进气段外壳与燃料进气段芯体、外环形隔断板围成的区域为燃料进气腔，所述燃料进气腔与燃料进气段芯体内孔阵相连通，所述燃料进气段外壳上设有燃料进气口，所述燃料进气口与燃料进气腔相连通，所述燃料排气段外壳与燃料排气段芯体、外环形隔断板围成的区域为燃料排气腔，所述燃料排气腔与燃料排气段芯体内孔阵相连通，所述燃料排气段外壳上设有燃料排气口，所述燃料排气口与燃料排气腔相连通。

2.根据权利要求1所述的热回收燃料催化裂解换热器，其特征在于：还设有热回收燃料汽化器、热流体入口连接管道和热流体出口连接管道，所述热回收燃料汽化器位于在热流体出口连接管道内，液体燃料侧的进口端与供油管路的分液管相连，出口端通过集管、连接管道与热回收燃料催化裂解单元的燃料进气口相连，所述热流体出口连接管道的热流体入口端通过热流体连接管道与热回收燃料催化裂解单元的热流体出口端相连通，所述热流体出口连接管道上设有热流体排出口，所述热流体入口连接管道上设有热流体入口， 所述热流体入口连接管道的出口端与热回收燃料催化裂解单元的热流体入口端相连通。

3.根据权利要求2所述的热回收燃料催化裂解换热器，其特征在于：还设有电辅助加热器，所述电辅助加热器的一端与集管相连，另一端与连接管道相连。

4.根据权利要求1-3任一权利要求所述的热回收燃料催化裂解换热器，其特征在于：所述燃料进气段芯体的外表面处设有透气挡圈Ⅰ，所述燃料排气段芯体的外表面处设置透气挡圈Ⅱ，所述筒体型催化裂解器芯体的内表面处设有透气挡圈Ⅲ，所述透气挡圈Ⅰ、透气挡圈Ⅱ、透气挡圈Ⅲ均是可拆卸的。

5.根据权利要求1-3任一权利要求所述的热回收燃料催化裂解换热器，其特征在于：所述筒体型催化裂解器芯体的轴向热流体通道内还设有强化换热扩展表面结构，所述强化换热扩展表面结构为由轴向热流体通道表面上伸出的伸展体或轴向热流体通道内的插入物。

6.根据权利要求1-3任一权利要求所述的热回收燃料催化裂解换热器，其特征在于：所述热回收燃料催化裂解单元内筒体型催化裂解器芯体的个数≥2。

7.根据权利要求1-3任一权利要求所述的热回收燃料催化裂解换热器，其特征在于：所述热回收燃料催化裂解单元的个数≥2，按照并联方式、串联方式或混合方式连接。