CN106495097A - 一种利用内燃机尾气余热高效重整制氢的装置及使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用内燃机尾气余热高效重整制氢的装置及使用方法。装置包括内燃机排气系统、尾气流动通道、重整产物输出管、重整制氢器外壳、重整反应层、催化剂和金属蜂窝载体、绝热陶瓷棉、重整制氢器内壳、换热层、蒸发层、重整反应燃料供应管、重整燃料流路、尾气温度检测装置、尾气温度信号线、电控单元、重整燃料泵、重整燃料储存箱。内燃机排气系统和燃料重整制氢装置通过尾气流动通道串联连接在一起，重整燃料先后经过蒸发层、换热层和催化反应层后生成富氢气体；所述换热层包括尾气流动通道、多级平板热管环形阵列及梯形的导热翅片阵列。所述装置解决了重整反应器设计中换热效率较差的问题，提高了能量利用率，同时实现了汽车在线掺混富氢气体燃烧的目的，并降低汽车有害物质的排放。本发明可安装在汽车上随车在线制氢。

Description

一种利用内燃机尾气余热高效重整制氢的装置及使用方法
技术领域
本发明属于内燃机领域，涉及一种利用内燃机尾气余热高效重整制氢的装置及使用方法。
背景技术
随着化石能源的不断消耗和大气污染的日趋严重，内燃机代用燃料、高效能量回收和转换的相关技术逐渐成为了内燃机领域的研究热点之一。其中，尾气的余热利用作为汽车节能的一个有效途径，受到人们越来越多的关注。
对于内燃机而言，由于燃料在气缸内雾化、蒸发以及与空气混合的速率有限，汽油、柴油等普通燃料无法在极短的时间内完全燃烧，从而导致内燃机热效率低、排放差和排气温度高。作为一种理想的内燃机代用燃料，氢气具有热值高、火焰传播速度快、点火能量低和扩散系数大等很多优势。在内燃机中掺混少量氢气，可以改善燃油的雾化和蒸发，促进油气混合，可以实现改善缸内燃烧的目的。
然而氢燃料作为一种小分子气态燃料存在体积能量密度小、车载储存困难、制造成本高，并具有一定的安全风险等问题，这大大制约了氢气在汽车上的大规模推广应用。近年来，随着科技的进步，车载燃料重整制氢成为内燃机余热利用的一个研究方向。利用燃料重整反应器回收内燃机尾气余热，使得重整原料在高温和催化剂的条件下发生反应，在线产生富氢气体送回内燃机气缸与燃油混合燃烧。这样做在保证氢气供应的同时，解决了氢气储存与运输问题。同时，由于掺混氢气，内燃机缸内燃烧情况得到改善，最高燃烧温度和排气温度降低，并减少了污染物的排放，并有效利用了内燃机排气余热，达到节能减排的目的。
现有的重整装置形式多样。例如(中国发明专利CN 104555923A)公开了一种车载含水乙醇低温重整制氢方法及其装置和应用系统，在均匀布置的多个管程中通入发动机尾气，利用管壁的传热进行均匀加热含水乙醇，利用两级蜂窝钛网产生较大的催化剂接触面积。该结构虽然加热较为均匀、催化剂附着面积较大，但是排气管材料的传热系数较低，无法满足较快的重整气生成速率和较高的燃料转化率，同时，泵入的重整燃料很容易积聚在重整器底部，无法较快被加热蒸发成重整蒸汽进行重整反应。
发明内容
本发明的目的在于提出的一种利用内燃机尾气余热高效重整制氢的装置及使用方法及其使用方法，以解决现有重整器技术中因换热效率较低而导致的重整效率低、重整燃料转化率低的问题，以提高内燃机的余热综合利用，并通过向内燃机进气中掺入生成的重整混合气，实现了汽车在线掺混富氢气体燃烧的目的，提高化石燃料在内燃机中的燃烧效率，并降低汽车有害物质的排放。
针对上述技术的不足之处，本发明提供一种利用内燃机尾气余热高效重整制氢的装置及使用方法，包括内燃机排气系统、尾气流动通道、重整产物输出管、重整制氢器外壳、重整反应层、绝热陶瓷棉、重整制氢器内壳、换热层、蒸发层、重整反应燃料供应管、重整燃料流路、尾气温度检测装置、尾气温度信号线、电控单元、重整燃料泵、重整燃料储存箱。
反应器主体内外壳间加有绝热陶瓷棉，所述的重整反应燃料供应管设在重整制氢装置侧面，重整产物输出管设在重整制氢装置顶部。
所述蒸发层包括尾气流动通道、重整制氢器内壳底部和换热层底部导热翅片。
所述换热层包括尾气流动通道、平板热管及导热翅片组成的多级平板热管环形阵列；其中，所述平板热管环形阵列由一定数量平板热管以30°～45°范围内某一角度A在水平方向上环形均匀排列而成；每级平板热管环形阵列结构完全一致，下一级平板热管环形阵列相对于上一级阵列在水平方向上旋转一定角度(该角度小于平板热管间的角度A)，从而使得重整蒸汽流经的换热空间实现最大化。
所述平板热管蒸发段插入尾气流动通道，冷凝段设在尾气流动通道与重整制氢器内壳之间的空腔中，每片平板热管冷凝段阵列一定数量的导热翅片，导热翅片的厚度为0.8～3mm，相邻导热翅片间隔为3～6mm；导热翅片阵列呈梯形分布，相邻梯形导热翅片阵列的间距为1～4mm，这样可以尽可能的增大翅片的换热面积，以增强换热效果。
所述平板热管及导热翅片阵列同时作为一级催化反应的催化剂载体。
所述重整反应层布置在换热层与重整反应器顶部之间，包括催化剂和金属蜂窝载体。其中，金属蜂窝载体作为进行重整反应的催化剂载体。
尾气温度检测装置一端插入内燃机排气系统中，另一端通过尾气温度信号线与电控单元相连；所述重整燃料泵分别与电控单元和重整反应燃料供应管相连。
本发明的有益效果在于：
(1)利用汽车尾气余热进行燃料重整制氢反应生成富氢气体，减少汽车尾气余热的能量浪费，提高能量利用率。
(2)制出的富氢气体可参与发动机内燃料混合燃烧，可以改善缸内燃烧条件，减少汽车的污染物排放，并节约了车辆燃料。
(3)换热层采用多级平板热管组成的环形阵列且平板热管冷凝段布置梯形导热翅片阵列，大大增加了重整燃料制氢系统的换热面积，提高了重整器的换热效率，并进而增强了重整制氢的效果。
(4)本发明布置合理，结构紧凑，重量较轻，便于安装。
附图说明
图1为本发明的燃料重整制氢装置结构示意图；
图2为图1中换热层(9)的结构示意图；
图3为本发明实施例装置的结构示意图；
图4为实施例A-A处剖视结构示意图；
图5为实施例B-B剖视结构示意图。
图中：1-内燃机排气系统、2-尾气流动通道、3-重整产物输出管、4-重整制氢器外壳、5-重整反应层、6-催化剂和金属蜂窝载体、7-绝热陶瓷棉、8-重整制氢器内壳、9-换热层、10-蒸发层、11-重整反应燃料供应管、12-重整燃料流路、13-尾气温度检测装置、14-尾气温度信号线、15-电控单元、16-重整燃料泵、17-重整燃料储存箱、18-多级环形平板热管阵列、19-导热翅片阵列、20-平板热管、21-导热翅片、22-一级平板热管环形阵列、23-二级平板热管环形阵列。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例
如图1～2所示，本发明的利用内燃机尾气余热高效重整制氢的装置，包括内燃机排气系统(1)、尾气流动通道(2)、重整产物输出管(3)、重整制氢器外壳(4)、重整反应层(5)、催化剂和金属蜂窝载体(6)、绝热陶瓷棉(7)、重整制氢器内壳(8)、换热层(9)、蒸发层(10)、重整反应燃料供应管(11)、重整燃料流路(12)、尾气温度检测装置(13)、尾气温度信号线(14)、电控单元(15)、重整燃料泵(16)、重整燃料储存箱(17)；
重整制氢器内外壳间加有绝热陶瓷棉(7)，对装置进行保温；所述的重整反应燃料供应管(11)设在重整制氢装置侧面，重整产物输出管(3)设在重整制氢装置顶部。
所述蒸发层(10)包括尾气流动通道(2)、重整制氢器内壳(8)底部和一级平板热管环形阵列(22)。
所述换热层(9)包括尾气流动通道(2)、二级平板热管环形阵列(23)及一级平板热管环形阵列(22)；其中，两级平板热管环形阵列结构完全一致，二级平板热管环形阵列相对于一级阵列在水平方向上旋转15°(如图5所示)，从而使得重整蒸汽流经的换热空间实现最大化。
平板热管环形阵列由12片平板热管环形阵列而成，相邻平板热管间的角度为30°；每片平板热管冷凝段布置5片导热翅片，导热翅片(21)的厚度为2mm，相邻导热翅片间隔为5mm；导热翅片(21)呈梯形阵列分布，相邻梯形导热翅片阵列的间距为2mm，这样可以尽可能的增大翅片的换热面积，以增强换热效果。
所述平板热管(20)及导热翅片(21)同时作为一级催化反应催化剂的载体。
所述重整反应层(5)布置在换热层(9)与重整反应器顶部之间，包括催化剂和金属蜂窝载体(8)。其中，金属蜂窝载体作为进行催化反应的催化剂载体。
尾气温度检测装置(13)一端插入内燃机排气系统(1)中，另一端通过尾气温度信号线(14)与电控单元(15)相连；所述重整燃料泵(16)分别与电控单元(15)和重整燃料流路(12)、重整反应燃料供应管(11)相连。
本装置的使用方法：内燃机排气系统(1)排出的高温尾气进入尾气流动通道(2)，经装置换热层(9)的多级换热利用后排出。换热层(9)所回收的热量用于加热重整燃料，使其蒸发为重整燃料蒸汽并达到重整反应的温度。
尾气温度检测装置(13)将检测到的尾气温度信号通过尾气温度信号线(14)传递给电控单元(15)。当检测到尾气温度不小于某一温度(如300℃)时，电控单元(15)控制重整燃料泵(16)将重整燃料泵入重整制氢系统中；泵入的重整燃料在经过多级平板热管环形阵列时被快速加热并蒸发成蒸汽，未及时蒸发的液态燃料聚集在蒸发层(10)中进一步加热蒸发。其中，一部分的重整燃料蒸汽在多级环形平板热管阵列(18)上催化剂的作用下，发生重整反应；未及时发生重整反应的燃料蒸汽进入重整反应层(5)中进一步充分反应，产生的富氢气体经重整产物输出管(3)排出装置进行储存或送入内燃机气缸中燃烧。
当检测到尾气温度小于某一温度(如300℃)时，重整燃料泵(16)停止输送重整燃料，重整制氢系统停止工作。
重复实验结果表明，在相同内燃机排气温度下，本发明装置的燃料重整转化率比现有的普通管壳式重整反应器提高约25％-30％，是一种利用内燃机尾气余热高效重整制氢的装置。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种利用内燃机尾气余热高效重整制氢的装置，其特征在于，包括内燃机排气系统(1)、尾气流动通道(2)、重整产物输出管(3)、重整制氢器外壳(4)、重整反应层(5)、催化剂和金属蜂窝载体(6)、绝热陶瓷棉(7)、重整制氢器内壳(8)、换热层(9)、蒸发层(10)、重整反应燃料供应管(11)、重整燃料流路(12)、尾气温度检测装置(13)、尾气温度信号线(14)、电控单元(15)、重整燃料泵(16)、重整燃料储存箱(17)，其中：
所述内燃机排气系统(1)和燃料重整制氢装置通过尾气流动通道(2)串联连接在一起；
所述的重整反应燃料供应管(11)设在重整制氢装置侧面，重整产物输出管(3)设在重整制氢装置顶部；
所述蒸发层(10)包括尾气流动通道(2)、重整制氢器内壳(8)底部和换热层底部导热翅片阵列(19)；
所述换热层(9)布置在蒸发层(10)和重整反应层(5)之间，包括重整制氢器内壳(8)、尾气流动通道(2)、平板热管(20)、导热翅片(21)组成的多级平板热管环形阵列(18)；
所述重整反应层(5)布置在换热层(9)与重整制氢器顶部之间，包括重整制氢器内壳(8)、催化剂和金属蜂窝载体(6)；其中，金属蜂窝载体作为进行重整反应的催化剂载体。
2.根据权利要求1所述的利用内燃机尾气余热高效进行燃料重整制氢的装置，其特征在于，所述多级平板热管环形阵列由一定数量平板热管(20)以30°～45°范围内某一角度A在水平方向上环形均匀排列而成；每级平板热管环形阵列结构完全一致，下一级平板热管环形阵列相对于上一级阵列在水平方向上旋转一定角度,该角度小于上述角度A。
3.根据权利要求1所述的利用内燃机尾气余热高效进行燃料重整制氢的装置，其特征在于，所述平板热管(20)，平板热管蒸发段插入尾气流动通道(2)，冷凝段设在尾气流动通道(2)与重整制氢器内壳(8)之间的空腔中，每片平板热管冷凝段阵列一定数量的导热翅片(21)，导热翅片的厚度为0.8～3mm，相邻导热翅片间隔为3～6mm；导热翅片呈梯形阵列分布，相邻梯形导热翅片阵列的间距为1～4mm。
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