CN109179321B - 一种采用折流分离机构利用发动机尾气的在线甲醇重整器 - Google Patents

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Abstract

一种采用折流分离机构利用发动机尾气的在线甲醇重整器，包括分离段和重整器，分离段包括隔离板，隔离板水平装配于分离段壳体的内壁上，隔离板下方与分离段壳体内壁之间形成集液腔，隔离板上设置有若干个集液孔，分离段壳体内壁顶部固定装配有若干个上部冷却折流挡板，隔离板上表面固定装配有若干个下部冷却折流挡板，上部冷却折流挡板与下部冷却折流挡板间隔设置，上部冷却折流挡板与下部冷却折流挡板在分离段壳体内形成S形冷却分离通道，分离段壳体顶部的两侧分别设置有甲醇混合物进口和气态甲醇出口，分离段壳体的底部设置有液态甲醇出口，本发明可快速实现重整器排出的甲醇混合物的气液分离，提高了重整器的工作效率。

Description

一种采用折流分离机构利用发动机尾气的在线甲醇重整器
技术领域
本发明属于尾气余热利用技术技术领域，具体涉及一种采用折流分离机构利用发动机尾气的在线甲醇重整器。
背景技术
与汽油、柴油、天然气等传统化石燃料相比，氢气燃烧清洁，无颗粒、碳氢、一氧化碳等排放；若采用稀薄燃烧技术，氢气燃烧可进一步实现零排放。因此，氢气具有取代传统化石燃料、成为发动机主要燃料的巨大潜力。
然而，氢气在常温常压下为气态，运输及储存不易，使用时需采取加压的方法将其压缩为高压高密度的压缩氢气、并储存于高压容器中；同时，其分子量小、爆炸极限宽、燃烧速度快，在用作内燃机燃料时容易发生回火。这些性质导致使用氢气燃料的危险性很高，发动机的工作安全性及可靠性无法保证。
研究表明，采用在线重整技术可使甲醇发生裂解反应，生成富含氢气的可燃气体，可有效改善发动机的点火及燃烧性能，并降低排放；而且，甲醇在常温常压条件下为液体，储存及运输十分方便。因此，采用在线重整技术将甲醇重整为富氢气体、并实时供给发动机作为燃料，使得甲醇及其重整燃料具有在内燃机、航空发动机等领域应用的巨大潜力。
图1提供了一种利用汽车尾气余热进行甲醇重整制氢的装置(申请号：201310668754.X)。
如图所示，将工作空间隔离为蒸发空间和裂解空间两部分。由于工作空间大，因此无法保证甲醇与催化剂、甲醇与废气充分接触，因此其工作效率和速度较为低下。而且，由图1可看出该方案尺寸较大，用在车载、机载等领域受到空间及重量的限制，使用不便。
发明内容
为实现重整器排出的甲醇混合物的气液分离对甲醇燃料进行在线重整、并将甲醇燃料裂解为富氢可燃气体供应发动机，改善发动机的燃烧及排放性能，实现重整器排出的甲醇混合物的快速分离，提高重整器的工作效率，本发明技术方案如下：
一种采用折流分离机构利用发动机尾气的在线甲醇重整器，包括分离段和重整器，所述重整器包括重整甲醇出口，所述分离段包括上部冷却折流挡板、下部冷却折流挡板、分离段壳体、集液腔和隔离板，所述隔离板水平装配于分离段壳体的内壁上，隔离板下方与分离段壳体内壁之间形成所述集液腔，隔离板上设置有若干个集液孔，分离段壳体内壁顶部固定装配有若干个上部冷却折流挡板，隔离板上表面固定装配有若干个下部冷却折流挡板，上部冷却折流挡板与下部冷却折流挡板间隔设置，上部冷却折流挡板与下部冷却折流挡板在分离段壳体内形成S形冷却分离通道，分离段壳体顶部的两侧分别设置有甲醇混合物进口和气态甲醇出口，甲醇混合物进口与S形冷却分离通道的一端连通，气态甲醇出口与S形冷却分离通道的另一端连通，分离段壳体的底部设置有液态甲醇出口，液态甲醇出口与所述集液腔连通，甲醇混合物进口通过法兰与重整器的重整甲醇出口连通。
所述冷却折流挡板弯折呈“＜”形或“＞”形，所有的冷却折流挡板的弯折方向一致。
所述重整器还包括废气进口、废气出口、重整器体、甲醇反应通道和重整产物通道，重整器体包括重整器外壳和废气通道，重整器外壳套设于废气通道外侧，废气通道的两端分别与废气出口和废气进口固定连接，甲醇反应通道为剖面为拱形的管状结构，其螺旋缠绕于废气通道的外表面，甲醇反应通道的拱顶采用选择性透过材料制成，甲醇反应通道的内壁设置有催化剂涂层，甲醇反应通道的拱顶与重整器外壳的内壁固定连接，甲醇反应通道的拱底与废气通道的外表面固定连接，重整器外壳内壁、废气通道外壁与甲醇反应通道外壁之间形成密封的重整产物通道，甲醇反应通道的一端连通有重整甲醇进口，甲醇反应通道的另一端连通有重整甲醇出口，重整产物通道的一端连通有扫气用尾气进口，重整产物通道的另一端连通有重整燃气出口。
所述重整器还包括第一热电偶，所述第一热电偶固定在废气进口扩张段上，且第一热电偶的偶丝延伸至废气通道内部。
所述废气进口包括废气进口法兰和废气进口扩张段，废气进口扩张段为一侧窄口另一侧宽口的筒体，其窄口一侧与废气进口法兰固定连接，其宽口一侧与废气通道固定连接；
所述废气出口包括废气出口法兰和废气出口收缩段，废气出口收缩段为一侧窄口另一侧宽口的筒体，其窄口一侧与废气出口法兰固定连接，其宽口一侧与废气通道固定连接。
所述废气进口扩张段还连通有燃气补气管。
还包括蒸发段，蒸发段包括蒸发段出口、蒸发段进口、甲醇蒸发管和蒸发段管体，蒸发段管体的两端分别与蒸发段出口和蒸发段进口固定连接，蒸发段出口与所述废气进口连通，甲醇蒸发管为剖面为拱形的管状结构，其螺旋缠绕于蒸发段管体的外表面，甲醇蒸发管的拱底与蒸发段管体的外表面固定连接，甲醇蒸发管的两端分别连通有甲醇蒸发管进口和甲醇蒸发管出口，甲醇蒸发管出口与重整甲醇进口连通。
所述蒸发段出口包括蒸发段出口法兰和蒸发段出口渐缩段，蒸发段出口渐缩段为一侧窄口一侧宽口的筒体，其窄口一侧与蒸发段出口法兰固定连接，其宽口一侧与蒸发段管体固定连接；
所述蒸发段进口包括蒸发段进口法兰和蒸发段进口渐扩段，蒸发段进口渐扩段为一侧窄口一侧宽口的筒体，其窄口一侧与蒸发段进口法兰固定连接，其宽口一侧与蒸发段管体固定连接。
所述蒸发段还包括第二热电偶，所述第二热电偶固定在蒸发段进口渐扩段上，且第二热电偶的偶丝延伸至蒸发段管体内部。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明通过设置分离段，分离段内设置由上部冷却折流挡板与下部冷却折流挡板形成的S形冷却分离通道，可快速实现重整器排出的甲醇混合物的气液分离，分离出的液态甲醇回流至甲醇箱进行储存，提高了重整器的工作效率。
2、通过弯折的上部冷却折流挡板和下部冷却折流挡板可进一步的增加S形冷却分离通道的通道长度，提高甲醇混合物的分离效率。
3、本发明通过剖面为拱形的甲醇反应通道螺旋缠绕于废气通道的外表面，可使甲醇反应通道内的液态甲醇与高温的废气通道充分接触，实现液态甲醇的快速蒸发，加快了甲醇裂解的反应速度，提高了工作效率。
4、本发明甲醇反应通道的拱顶采用选择透过性材料制成，且甲醇反应通道螺旋缠绕于废气通道的外表面，液态甲醇与其裂解生成的富氢混合气组成的气液混合物在甲醇反应通道内流动时产生离心力，从而使富氢混合气迅速的从气液混合物中分离，穿过甲醇反应通道的拱顶到达重整产物通道中，提高了富氢混合气的分离效率，从而提高工作效率。
5、富氢混合气生成后在离心力的作用下与甲醇反应通道内的液态甲醇发生对流，提高了气液混合物的混合均匀程度，使得液态甲醇与催化剂的接触面积增大，同时使液态甲醇与高温的废气通道之间的热交换效率提高，加快了甲醇裂解的反应速度，从而生成更多的富氢混合气，提高工作效率。
6、本发明结构简单、合理，系统小巧，且既可单独使用重整器、也可与蒸发段配合使用，可满足不同设备及工况的需求。
附图说明
图1为现有技术的方案结构示意图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为本发明重整器的结构示意图；
图4为本发明与蒸发段配合使用的结构示意图；
图5为本发明甲醇反应通道的剖面结构示意图；
图6为本发明重整器的工作过程示意图；
图7为本发明重整器与蒸发段配合使用的工作过程示意图。
其中：废气出口法兰1；废气进口法兰2；重整器体3；扫气用尾气进口31；重整燃气出口32；重整器外壳33；废气通道34；甲醇反应通道4；重整甲醇进口41；重整甲醇出口42；拱顶43；催化剂涂层44；拱底45；燃气补气管5；重整产物通道6；第一热电偶7；废气出口收缩段8；废气进口扩张段9；蒸发段10；蒸发段出口法兰101；蒸发段进口法兰102；蒸发段出口渐缩段103；蒸发段进口渐扩段104；蒸发段管体105；甲醇蒸发管进口1051；甲醇蒸发管出口1052；甲醇管路接口法兰106；甲醇蒸发管107；第二热电偶108；分离段11；上部冷却折流挡板111；下部冷却折流挡板112；分离段壳体113；集液腔114；隔离板115；集液孔116；S形冷却分离通道117；甲醇混合物进口118；气态甲醇出口119；液态甲醇出口12。
具体实施方式
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
如图2至图7所示，本发明提供了一种利用发动机尾气热量制取富氢气体的在线甲醇重整器，包括分离段11和重整器，重整器包括重整甲醇出口42，分离段包括上部冷却折流挡板111与下部冷却折流挡板112、分离段壳体113、集液腔114和隔离板115，隔离板115水平装配于分离段壳体113的内壁上，隔离板115下方与分离段壳体113内壁之间形成集液腔114，隔离板115上设置有若干个集液孔116，甲醇混合物中分离出的液态甲醇通过集液孔116流至集液腔114中，分离段壳体113内壁顶部固定装配有若干个上部冷却折流挡板111，隔离板115上表面固定装配有若干个下部冷却折流挡板112，上部冷却折流挡板111与下部冷却折流挡板112间隔设置，具体的，在本实施例中，上部冷却折流挡板111设置有四个，下部冷却折流挡板112设置有三个，通过实际需要，可以适当增加或减少上部冷却折流挡板111和下部冷却折流挡板112的数量，上部冷却折流挡板111与下部冷却折流挡板112在分离段壳体113内形成S形冷却分离通道117，分离段壳体113顶部的两侧分别设置有甲醇混合物进口118和气态甲醇出口119，甲醇混合物进口118与S形冷却分离通道117的一端连通，气态甲醇出口119与S形冷却分离通道117的另一端连通，分离段壳体113的底部设置有液态甲醇出口12，液态甲醇出口12与集液腔114连通，甲醇混合物进口118通过法兰与重整器的重整甲醇出口42连通。
重整器反应剩余的甲醇气液混合物经重整甲醇出口42流入甲醇混合物进口118，进入分离段11中，甲醇混合物通过S形冷却分离通道117，部分甲醇混合物在S形冷却分离通道118的通道壁上冷凝为液态甲醇，液态甲醇由于重力向下流动，经集液孔116流至集液腔114中，最后经液态甲醇出口12排出，回流至甲醇箱进行储存，未冷凝的气态甲醇经气态甲醇出口119排出，直接输出发动机进行燃烧或通过管路重回至重整器进行反应。
上部冷却折流挡板111和下部冷却折流挡板112均弯折呈“＜”形或“＞”形，上部冷却折流挡板111和下部冷却折流挡板112的弯折方向一致，通过弯折的上部冷却折流挡板111和下部冷却折流挡板112可进一步的增加S形冷却分离通道117的通道长度，提高甲醇混合物的分离效率。
重整器还包括废气进口、废气出口、重整器体3、甲醇反应通道4和重整产物通道6，重整器体3包括重整器外壳33和废气通道34，重整器外壳33套设于废气通道34外侧，重整器外壳33与废气通道34之间通过甲醇反应通道4固定，废气通道34的左右两端分别与废气出口和废气进口固定连接，甲醇反应通道4为剖面为拱形的管状结构，其螺旋缠绕于废气通道34的外表面，甲醇反应通道4的拱顶43采用选择性透过材料制成，选择性透过材料采用聚四氟乙烯膜等可分离富氢混合气与液态甲醇的材料，甲醇反应通道4的内壁设置有催化剂涂层44，催化剂采用CuZnAl等可催化甲醇裂解反应的催化剂，甲醇反应通道4的拱顶43与重整器外壳33的内壁固定连接，甲醇反应通道4的拱底45与废气通道34的外表面固定连接，重整器外壳33内壁、废气通道34外壁与甲醇反应通道4外壁之间形成密封的重整产物通道6，甲醇反应通道4的右端连通有重整甲醇进口41，甲醇反应通道4的左端连通有重整甲醇出口42，重整产物通道6的右端连通有扫气用尾气进口31，重整产物通道6的左端连通有重整燃气出口32。
重整器还包括第一热电偶7，第一热电偶7固定在废气进口扩张段9上，且第一热电偶7的偶丝延伸至废气通道34内部。
废气进口包括废气进口法兰2和废气进口扩张段9，废气进口扩张段9为一侧窄口另一侧宽口的筒体，其窄口一侧与废气进口法兰2固定连接，其宽口一侧与废气通道34固定连接。
废气出口包括废气出口法兰1和废气出口收缩段8，废气出口收缩段8为一侧窄口另一侧宽口的筒体，其窄口一侧与废气出口法兰1固定连接，其宽口一侧与废气通道34固定连接。
废气进口扩张段9还连通有燃气补气管5，设置燃气补气管5的目的在于控制废气通道34内的温度，如果第一热电偶7判断重整器工作温度低于工作温度时，则可通过燃气补气管5通入少量高温燃气用以提高废气通道34内的温度。
一种利用发动机尾气热量制取富氢气体的在线甲醇重整器，还包括蒸发段10，蒸发段10包括蒸发段出口、蒸发段进口、甲醇蒸发管107和蒸发段管体105，蒸发段管体105的两端分别与蒸发段出口和蒸发段进口固定连接，蒸发段出口与废气进口连通，甲醇蒸发管107为剖面为拱形的管状结构，其螺旋缠绕于蒸发段管体105的外表面，甲醇蒸发管107的拱底45与蒸发段管体105的外表面固定连接，甲醇蒸发管107的两端分别连通有甲醇蒸发管进口1051和甲醇蒸发管出口1052，甲醇蒸发管出口1052通过甲醇管路接口法兰106与重整甲醇进口41连通。
蒸发段出口包括蒸发段出口法兰101和蒸发段出口渐缩段103，蒸发段出口渐缩段103为一侧窄口一侧宽口的筒体，其窄口一侧与蒸发段出口法兰101固定连接，其宽口一侧与蒸发段管体105固定连接。
蒸发段进口包括蒸发段进口法兰102和蒸发段进口渐扩段104，蒸发段进口渐扩段104为一侧窄口一侧宽口的筒体，其窄口一侧与蒸发段进口法兰102固定连接，其宽口一侧与蒸发段管体105固定连接。
蒸发段10还包括第二热电偶108，第二热电偶108固定在蒸发段进口渐扩段104上，且第二热电偶108的偶丝延伸至蒸发段管体105内部。
第一热电偶7和第二热电偶108均与ECU(Electronic Control Unit)电子控制单元(图略)电连接，分别用以监测废气通道34和蒸发段管体105内的温度。
本发明重整器的工作原理如下：
当仅使用重整器时：其工作过程如图6所示，首先，发动机高温尾气经由废气进口法兰2进入废气通道34内；经第一热电偶7测得废气通道34内的温度达到工作温度时，甲醇燃料箱(图略)内的液态甲醇开始由重整甲醇进口41以一定速度通入甲醇反应通道4。
废气通道34内的高温尾气的热量经由废气通道34侧壁传递给甲醇反应通道4内的液态甲醇，液态甲醇迅速蒸发为气态；气液混合的甲醇继续向甲醇反应通道4的下游流动，由于甲醇反应通道4的内壁涂有催化剂，甲醇在高温及催化剂的作用下发生裂解反应，生成富氢混合气；同时，由于甲醇反应通道4的拱顶43由选择性透过性材料制成，所生成的富氢混合气在离心力及透过性材料的作用下，经由甲醇反应通道4的拱顶43进入重整产物通道6内，且在离心力的作用下，液态甲醇位于富氢混合气外侧，富氢混合气与液态甲醇在重力的作用下对流，富氢混合气向上运动，同时一部分液态甲醇下行接触高温表面，提高了液态甲醇的蒸发效率，从而提高了加快了甲醇裂解的反应速度。
富氢混合气经由重整燃料出口流出，输入到发动机燃油喷嘴、进气门、头部等需要该气体的位置；而未反应的液态甲醇经由重整甲醇出口42流出、回到甲醇燃料箱；
最后，在ECU电子控制单元的控制下，一小部分发动机尾气经由扫气用尾气进口31流入，用以将残存在甲醇反应通道4中的富氢可燃混合气体推出，保证系统安全性。在此期间，热电偶随时监测废气通道34内的温度，并据此控制高温尾气流量。
当重整器与蒸发段10配合使用时：其工作过程如图7所示，首先，发动机高温尾气经由蒸发段进口法兰102进入蒸发段10内部；经第二热电偶108测得蒸发段10内部的温度达到工作温度时，液态甲醇开始由甲醇蒸发管进口1051进入甲醇蒸发管107。
蒸发段管体105内的高温尾气的热量经由蒸发段管体105侧壁传递给甲醇蒸发管107内的液态甲醇，液态甲醇迅速蒸发为气态；气态甲醇经甲醇蒸发管出口1052进入重整甲醇进口41，在甲醇反应通道4内直接发生裂解反应，进一步提高了甲醇裂解反应的速度，同时，可通过调整进入蒸发段10内部的发动机高温尾气量、保证有足够量的气态甲醇经甲醇蒸发管出口1052进入重整甲醇进口41。
其余步骤与仅使用重整器时一致，在此便不再赘述。
以上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 (7)

1.一种采用折流分离机构利用发动机尾气的在线甲醇重整器，其特征在于，包括分离段和重整器，所述重整器包括重整甲醇出口，所述分离段包括上部冷却折流挡板、下部冷却折流挡板、分离段壳体、集液腔和隔离板，所述隔离板水平装配于分离段壳体的内壁上，隔离板下方与分离段壳体内壁之间形成所述集液腔，隔离板上设置有若干个集液孔，分离段壳体内壁顶部固定装配有若干个上部冷却折流挡板，隔离板上表面固定装配有若干个下部冷却折流挡板，上部冷却折流挡板与下部冷却折流挡板间隔设置，上部冷却折流挡板与下部冷却折流挡板在分离段壳体内形成S形冷却分离通道，分离段壳体顶部的两侧分别设置有甲醇混合物进口和气态甲醇出口，甲醇混合物进口与S形冷却分离通道的一端连通，气态甲醇出口与S形冷却分离通道的另一端连通，分离段壳体的底部设置有液态甲醇出口，液态甲醇出口与所述集液腔连通，甲醇混合物进口通过法兰与重整器的重整甲醇出口连通；
上部冷却折流挡板和下部冷却折流挡板均弯折呈“＜”形或“＞”形，上部冷却折流挡板和下部冷却折流挡板的弯折方向一致；
所述重整器还包括废气进口、废气出口、重整器体、甲醇反应通道和重整产物通道，重整器体包括重整器外壳和废气通道，重整器外壳套设于废气通道外侧，废气通道的两端分别与废气出口和废气进口固定连接，甲醇反应通道为剖面为拱形的管状结构，其螺旋缠绕于废气通道的外表面，甲醇反应通道的拱顶采用选择性透过材料制成，甲醇反应通道的内壁设置有催化剂涂层，甲醇反应通道的拱顶与重整器外壳的内壁固定连接，甲醇反应通道的拱底与废气通道的外表面固定连接，重整器外壳内壁、废气通道外壁与甲醇反应通道外壁之间形成密封的重整产物通道，甲醇反应通道的一端连通有重整甲醇进口，甲醇反应通道的另一端连通有重整甲醇出口，重整产物通道的一端连通有扫气用尾气进口，重整产物通道的另一端连通有重整燃气出口。
2.根据权利要求1所述的一种采用折流分离机构利用发动机尾气的在线甲醇重整器，其特征在于，所述重整器还包括第一热电偶，所述第一热电偶固定在废气进口扩张段上，且第一热电偶的偶丝延伸至废气通道内部。
3.根据权利要求2所述的一种采用折流分离机构利用发动机尾气的在线甲醇重整器，其特征在于，所述废气进口包括废气进口法兰和废气进口扩张段，废气进口扩张段为一侧窄口另一侧宽口的筒体，其窄口一侧与废气进口法兰固定连接，其宽口一侧与废气通道固定连接；
所述废气出口包括废气出口法兰和废气出口收缩段，废气出口收缩段为一侧窄口另一侧宽口的筒体，其窄口一侧与废气出口法兰固定连接，其宽口一侧与废气通道固定连接。
4.根据权利要求3所述的一种采用折流分离机构利用发动机尾气的在线甲醇重整器，其特征在于，所述废气进口扩张段还连通有燃气补气管。
5.根据权利要求4所述的一种采用折流分离机构利用发动机尾气的在线甲醇重整器，其特征在于，还包括蒸发段，蒸发段包括蒸发段出口、蒸发段进口、甲醇蒸发管和蒸发段管体，蒸发段管体的两端分别与蒸发段出口和蒸发段进口固定连接，蒸发段出口与所述废气进口连通，甲醇蒸发管为剖面为拱形的管状结构，其螺旋缠绕于蒸发段管体的外表面，甲醇蒸发管的拱底与蒸发段管体的外表面固定连接，甲醇蒸发管的两端分别连通有甲醇蒸发管进口和甲醇蒸发管出口，甲醇蒸发管出口与重整甲醇进口连通。
6.根据权利要求5所述的一种采用折流分离机构利用发动机尾气的在线甲醇重整器，其特征在于，所述蒸发段出口包括蒸发段出口法兰和蒸发段出口渐缩段，蒸发段出口渐缩段为一侧窄口一侧宽口的筒体，其窄口一侧与蒸发段出口法兰固定连接，其宽口一侧与蒸发段管体固定连接；
所述蒸发段进口包括蒸发段进口法兰和蒸发段进口渐扩段，蒸发段进口渐扩段为一侧窄口一侧宽口的筒体，其窄口一侧与蒸发段进口法兰固定连接，其宽口一侧与蒸发段管体固定连接。
7.根据权利要求6所述的一种采用折流分离机构利用发动机尾气的在线甲醇重整器，其特征在于，所述蒸发段还包括第二热电偶，所述第二热电偶固定在蒸发段进口渐扩段上，且第二热电偶的偶丝延伸至蒸发段管体内部。
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