CN1134912A - 裂解制氢工艺及其专用设备氢发生器 - Google Patents

Abstract

裂解制氢工艺，利用发动机排气余热，采用沸点为40-200℃无铅低硫汽油(烃类)、氨、醇类为裂解制氢原料，首先对制氢原料进行催化裂解转化为富氢气体，然后使富氢气体与汽油在旋涡超声器的激活均匀混合进入发动机作为燃料，实现以氢代燃。为实施前述工艺专门设计的氢发生器，结构紧凑、升温速度快，燃耗成本低，达到节油14-30％，汽车排放污染物减少30-50％，柴油机排放炭烟净化率达62％以上，符合环保法规的要求。

Description

裂解制氢工艺及其专用设备氢发生器

本发明涉及裂解制氢工艺，尤其涉及广泛用于汽车、飞机、机车、轮船内燃机、燃汽涡轮发动机、电站、工业、民用锅炉等的裂解制氢工艺以及为实施该工艺而专门设计的专用设备氢发生器。

众所周知，人类为了减少对石油资源的依赖和减少汽车排放污染物，尤其是减少柴油机排放碳烟微粒对大气环境的污染，都在想尽办法寻找一种能够替代汽(柴)油的新能源；能够早日出现“生态-环保汽车”。科学家们通过三十多年的探索和研究，认定醇类、氢能和天然气(CNG)是符合人类生态环境要求的新能源和再生能源。联合国和国际汽车财团认为，醇氢代燃是二十一世纪的高科技产业热点和重点，大势所趋，势在必行。美国国会102-486和101-566号法案要求逐步减少对化石燃料的依赖，在20年内(美国)交通运输系统对石油的依赖减少50％；规定发展随车携带贮氢技术(在车上用甲醇重整裂解制氢)。并同时推进汽油-天然气双燃料汽车的生产。

但是，甲醇毒性、腐蚀和燃耗成本费用高是实用推广中的三大难题，近期很难与汽(柴)油市场竞争。天然气燃耗成本低，其排放污染物氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)仅为汽油车的1/25和1/20。可是基本投资巨大，天然气站和160个标准大气压的钢瓶设备，一直是天然气代燃技术产业化的障碍。

本发明的目的就是针对现有技术中存在的问题，发明一种氢发生器装置，利用排气余热，选用无铅低硫汽油(烃类)、醇类、碳氨类新能源燃料进行催化裂解制氢的工艺，以期缓解、避免上述新能源燃料在实施代燃过程中存在的难题，实现以氢代燃。同时本发明的目的还在于提供一种结构紧凑、重量轻、强度好、升温速度快、燃耗成本低、节能、利于保护环境的实现裂解制氢工艺的专用设备-氢发生器。

为了更好地理解本发明，现阐述本发明氢发生器的工作结构原理：本发明利用排气余热进行醇、油、氨燃料催化裂解。排气由消声管口进入，通过中间消声管(16)转向消声管(13)排出机外，排气在消声器内行进的通道中进行消声降噪，并同时预热气化过热室、反应室壳体外壁和穿孔列管等，当反应室中热电偶信号传输达到醇(油)(氨)催化裂解温度预定值时，自控仪表指令醇(油)(氨)泵起动，醇(油)(氨)燃料经由入口管进入气化室分流气化，在发动机进气管抽吸负压作用下，已经气化的燃料，经穿孔列管外壁逐步升温过热，并在振动簧片的作用下，成为激活超声燃料气，再经由联通管穿过金属丝网，进入反应室。醇(油)(氨)蒸汽一旦与催化剂接触并穿过催化床，经催化裂解，即转化为氢气(富氢气体，主要成分为H2、CO、CH4等)，在氢气贮气筒内降温、净化、稳压后，最后富氢气循管路进入混合器和进气管作为发动机燃料。为强化和改善汽油掺氢的燃烧效果，在混合器采用特别的旋涡式超声结构，通过旋涡器可以使汽油、氢气空气的分子激活超声化，混合均匀，从而提高了发动机的热效率和排气净化率。由于醇(油)(氨)裂解过程是吸热反应，需要耗用排气所携带的大量热量，降低排气温度和压力，从而进一步降低由排气所产生的噪音。当热电偶信号传输超过醇(油)(氨)裂解温度预定值时，自控仪表指令排气分流，此时为保护催化剂避免过热，高温排气转由分流排气管(7)进入排气尾管(37)后直接排出机外。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了如下技术方案：

利用发动机排气余热，首先对制氢原料进行催化裂解转化为富氢气体，然后使富氢气体与汽油混合进入发动机作为燃料的裂解制氢工艺。在本发明的裂解制氢专用设备氢发生器中，采用沸点为40-200℃无铅低硫汽油为裂解制氢原料，使用原料油比水为1比1-1.2重量比的配方，在含镍40-60、铂钯0.05-0.2、Pd，Ni，-2-K/AL2O3催化剂作用下，在氢发生器床温达300-760℃、压力达10-40个标准大气压条件下进行气化裂解反应，生产出富氢气体。配方优选采用汽油45比水55的重量比，在水中加入5％添加剂。

本发明另一种裂解制氢工艺是利用发动机排气余热，首先对制氢原料进行催化裂解转化为富氢气体，然后使富氢气体与汽油混合进入发动机作为燃料。在本发明的裂解制氢专用设备氢发生器中，采用沸点为65—80℃醇类为裂解制氢原料，使用原料醇比水为1比0.5-1.2重量比的配方，在CuO、ZnO、MnO2、Ni，K/AL2O3作用下，在氢发生器床温达300-760℃、压力达0.2-40个标准大气压条件下进行气化裂解反应，生产出富氢气体。配方优选采用甲醇或乙醇45比水55的重量比，在水中加入5％添加剂。

本发明另一种裂解制氢工艺是利用发动机排气余热，首先对制氢原料进行催化裂解转化为富氢气体，然后使富氢气体与汽油混合进入发动机作为燃料。在本发明的裂解制氢专用设备氢发生器中，采用沸点为40-65℃碳氨类为裂解制氢原料，使用原料碳氨比水为1比1-1.2重量比的配方，在含镍40-60、铂钯0.05-0.2、Pd，Ni，K/AL2O3催化剂作用下，在氢发生器床温达300-760℃、压力达0.2-40个标准大气压条件下进行气化裂解反应，生产出富氢气体。优选配方采用碳酸铵或碳酸氢铵45比水55的重量比。在水中加入5％添加剂。

本发明另外提供了为实现上述三种裂解制氢工艺专门设计的氢发生器(1)，氢发生器(1)直接串接在发动机(50)的排气管道(56)上，与发动机的排气消声器组合为一体。其内部结构由气化过热室(10)和反应室(19)经联通管(2)连接成U形结构，在其气化过热室(10)内壁两侧气流通道上设置几排梳状超声波振动簧片。氢发生器的供料系统由醇(水)箱(49)、阀(43a，b)、泵(36，46)、管道(28)组成，输送富氢气体系统由管路(31)、贮气筒(41)、阀(44)、燃料混合器(48)组成；为了强化汽油掺氢的燃烧状态，提高燃烧效率，燃料混合器采用专门设计的旋涡超声结构。发动机排气通道是循管路(56)，经排气分流阀(42)，然后进入氢发生器，由管路(37)排往大气。当温度达到设定值时，由热电偶温控器(58)指令电醇(水)泵启动，向氢发生器供料，当温度超过预定值时，由热电偶温控器(58)指令电磁阀使排气分流，循管路(7)排往大气。为了达到更好的效果，在氢发生器内部气流通道上设置几排梳状振动簧片。振动簧片材料可采用不锈钢或镍铬钢，厚度0.2mm-2.4mm。

本发明提供的上述氢发生器可用在电站、工业、民用锅炉，也可广泛用于汽车、飞机、机车、轮船内燃机、燃汽涡轮发动机中。

本发明的技术方案具有以下突出的优点：

1、使用的氢发生器结构为蜂窝状的园柱形或椭园形，该结构紧凑，耗材少，重量减轻50％，催化剂装填量增加三倍，强度好，受热、传热均匀，升温速度快。

2、本发明的燃料混合器为盘形旋转超声混合器结构，混合均匀，便于与现有汽车发动机组合安装，易实现发动机稀薄燃烧，掺氢节能；易实现发动机增压，提高功率和提高尾气净化率。末采用旋涡超声器结构之前，在东风EQ-140型汽油车上实施醇-氢代燃时，当平均代燃量为30-50％(重量比)，醇-氢对汽油的替代比率≤1，并保证在原机动力性、经济性的基础上，节油(能)6-18％，尾气排放净化率与国家限排标准相比，一氧化碳降低30％，碳氢化合物降低14-30％；尾气净化率：一氧化碳降低50-80％，碳氢化合物降低30-50％。

3、本发明利用排气余热，从现有发动机排气管引出，对现有技术不需作任何改动，安装使用都十分方便；排气分流，催化床恒温由热敏元件自控，也可以利用排档机械联动，实现催化床恒温自控。

4、本发明的富氢气体掺量为0-85％，并可以在0-85％的范围内随机可调，当无氢气供料时，仍可以纯汽油为燃料，其性能与原机相同。

5、本发明装置氢发生器可适应多种裂解制氢原料，与现有各种代燃技术比较具有明显的经济性和实用性。

(1)汽油掺水裂解制氢和一般油掺水(乳化油)代燃技术比较，有明显的14-30％节能和排污效果，并且避免了油水分层的难题。经检测本发明的汽油掺水裂解气成分为：氢16％、甲烷62％、一氧化碳0.6％、二氧化碳21.4％，其中还含有未裂解的油水蒸气占投料量的12-18％(此油水蒸气可与富氢气体一起进入气缸参与燃烧和再裂解)。就以裂解气成分和天然气成分比较，两种气体均含有富甲烷气，但天然气缺少氢气，不具备汽油掺氢的燃烧特性，同时天然气站和160个标准大气压的钢瓶加压设备一直是天然气代燃技术实用化的障碍。

(2)醇(氨)裂解制氢不仅解决了国际醇类代燃技术存在的甲醇毒性、腐蚀和燃耗成本高三大难题。而且通过汽车营运和检测具有较好社会经济效益。醇裂解气成分为：氢64.29％、一氧化碳31.61％、甲烷1.13％、二氧化碳2.24％、氮(NOx)0.62％、氧0.16％。(碳酸铵裂解气成分为：氢64-67％、一氧化碳28％、二氧化碳8％)。以富氢气体实施代燃时，当平均代燃量为30-50％(重量比)，醇(氢)对汽油的替代比率≤1，并保证在原机动力性、经济性的基础上，节油(能)14-30％。

6、有利于环境保护。本发明对汽油机排放污染物含量与国家限排标准相比，一氧化碳降低50％、碳氢化合物降低30％，柴油机排放炭烟微粒净化率为62％以上。达到环保法规技术指标的要求。

7、由于本发明在氢发生器的气化过热室设置了几排振动簧片，起到激活超声化的作用，从而使油(醇)(氨)裂解制氢的反应效果提高了一倍以上。未装之前，甲醇裂解量为每小时5公斤，装了振动簧片以后，甲醇裂解量达每小时11.5公斤。裂解效率由85％提高到95％以上。

本发明提供了7幅附图，图面说明如下：

图1是本发明的氢发生器的结构示意图；

图2是图1所示装置的主视图；

图3是图1所示装置的俯示图；

图4是图1中的A-A剖视图；

图5是图2中的B-B剖视图，主要标出氢发生器振动簧片

   结构；

图6是图2中的C-C剖视图；

图7是氢发生器与发动机相匹配的流程示意图；

图8是本发明燃料混合器旋涡超声结构示意图；

图9是图8中的D—D剖视图；

图10是混合器套子的结构示意图；

下面对照附图来阐述本发明的实施例，但本发明的内容不限于附图和实施例所述。

实施例1：

先结合附图1-7说明本发明的氢发生器的静置结构。

氢发生器(1)，联通管(2)，前封板(3)，排气管(4)，套管(5)，穿孔管(6)，分流排气管(7)，预热室前封板(8)，套管(9)，气化过热室(10)，预热室后封板(11)，隔板(12)，消声尾管(13)，隔板(14、15)，中间消声管(16)，隔板(17)，反应器前封板(18)，反应室(19)，套管(20)，反应器后封板(21)，反应器穿孔管(22)，法兰(23)，封盖(24)，螺钉(25)，热电偶接头(26)，后封板(27)，醇(油)(氨)燃料输入管(28)，醇(油)(氨)液气化分流板(29)，富氢气体输出口(30)，富氢气体输出管(31)，面板开口(32)，汽油管(33 34)，醇(水)供料管(35)，醇(水)泵(36)，排气尾管(37)，氢气和空气混合器(38)，热电偶线路(39)，富氢气体输气管(40)，富氢气体贮气筒(41)，排气分流阀(42)，原料阀(43a，b)，气阀(44)，汽油箱(45)，油泵(46)，化油器(47)，混合器(48)，醇(水)箱(49)，发动机(50)。振动簧片(51、52)，混合器接头(53)，旋涡器外壳(54)，旋涡器内壁(55)，排气总管(56)，旋涡器空腔(57)，热电偶温控仪(58)，旋涡器出口(59)。

东风汽油车EQ-140型生产营运，实载额定5吨，高原三级路面。利用上述本发明的制氢设备-氢发生器实施醇—氢代燃，代燃量50％，节油(能)14-25％。采用的裂解制氢原料配方为：甲醇(或乙醇)64公斤，水30公斤，添加剂(优选用重量为总重量3-5％的碳酸铵、碳酸氢铵或碳酸钠为添加剂)6公斤，用于下述裂解制氢工艺：

汽车在行驶中，当氢发生器(1)中热电偶信号催化剂床温达280℃时，电路接通甲醇泵(36)起动，此时油路切断，阀43b处于关闭状态，醇箱(49)中的含水甲醇经管路进入氢发生器进行预热、气化、过热裂解制氢过程，产生的富氢气体通过存贮器(41)稳压、降温、净化后进入进气管与来自化油器(47)的汽油在旋涡超声器激活均匀混合后一起进入气缸作为发动机燃料。

上述的醇裂解制氢工艺条件为：温度250-420℃，压力0.2-40个标准大气压，催化剂用Cu-Zn，Ni，K/AL2O3或市售甲醇合成催化剂)。

经上述工艺裂解后的甲醇裂解气成分为：氢69.9％、一氧化碳19.9％、甲烷0.2％、二氧化碳10.0％，裂解率为90.03％。

尾气检测成分为：一氧化碳0.1％(GB3842-83标准≤5％)、碳氢化合物(HC)1200ppm(GB3842-83)标准≤2500ppm)、氮氧化物(NOx)微量。

实施例2：东风汽油车EQ-140型生产营运，发动机台架验证，利用实施例一中的本发明的制氢设备-氢发生器实施汽油掺水裂解制氢，代燃量50％，节油(能)14-30％。采用的制氢配方为：汽油45公斤，水55公斤，添加剂(优选用重量为总重量3％-5％的碳酸铵、碳酸氢铵或碳酸钠为添加剂)5公斤，用于下述制氢工艺：

与实施例1同，所不同的是醇箱(49)中存的是水，阀43a和阀43b同时开启。

上述的制氢工艺条件为：温度300-760℃，压力10-40个标准大气压，催化剂用含镍40-60、铂钯0.05-0.2、Pd，Ni，K/AL2O3经上述工艺裂解后的成分为：氢16％、一氧化碳0.6％、甲烷62％、二氧化碳21.4％，裂解率为82-88％。

环保检测：一氧化碳1.5％(GB3842-83标准≤5％)、碳氢化合物(HC)800ppm(GB3842-83)标准≤2500ppm)、氮氧化物(NOx)微量。

实施例3：东风柴油机(增压)，台架实验，利用上述实施例1中本发明的制氢设备-氢发生器实施醇—氢代燃，在保证原机动力性、经济性的基础上，代燃量50％，节油(能)14-30％。采用的裂解制氢原料配方为：甲醇45公斤，水55公斤，添加剂(优选用重量为总重量3％-5％的碳酸铵、碳酸氢铵或碳酸钠为添加剂)5公斤，用于下述裂解制氢工艺：

汽车在行驶中，当氢发生器(1)中热电偶信号催化剂床温达280℃时，电路接通甲醇泵(36)起动，此时油路切断，阀43b处于关闭状态，醇箱(49)中的含水甲醇经管路进入氢发生器进行预热、气化、过热裂解制氢过程，产生的富氢气体通过存贮器(41)稳压、降温、净化后进入进气管与来自空滤器的空气在旋涡超声器里混合一起进入气缸作为发动机燃料。

上述的醇裂解制氢工艺条件为：温度250-420℃，压力0.2-10个标准大气压，催化剂用Cu-Zn，Ni，K/AL₂O₃。

经上述工艺裂解后的甲醇裂解气成分为：氢72％、一氧化碳2.4％、甲烷3.0％、二氧化碳22.6％，裂解率为99％以上。

尾气检测成分为：炭烟微粒净化率为62％以上，达到环保法规技术指标的要求。

实施例4：东风汽油车EQ-140型生产营运，实载额定5吨，高原三级路面。利用上述本发明的制氢设备-氢发生器实施醇-氢代燃，代燃量50％，节油(能)12-25％以上。采用的裂解制氢原料配方为：碳酸铵45公斤，水55公斤，用于下述裂解制氢工艺。

汽车在行驶中，当氢发生器(1)中热电偶信号催化剂床温达280℃时，电路接通碳氨液泵(36)起动，此时油路切断，阀43b处于关闭状态，碳氨箱(49)中的含水碳氨经管路进入氢发生器进行预热、气化、过热裂解制氢过程，产生的富氢气体通过存贮器(41)稳压、降温、净化后进入进气管与来自化油器(47)的汽油在旋涡超声器里均匀混合一起进入气缸作为发动机燃料。

上述的碳氨裂解制氢工艺条件为：温度300-700℃，压力0.2-10个标准大气压，催化剂用Cu-Zn，Ni，K/AL2O3。

经上述工艺裂解后的碳氨裂解气成分为：氢64％、一氧化碳28％、二氧化碳8％，裂解率为99％以上。

尾气检测成分为：一氧化碳0.1％(GB3842-83标准≤5％)、碳氢化合物(HC)1200ppm(GB3842-83)标准≤2500ppm)、氮氧化物(NOx)微量。

实施例5：解放牌141型汽车生产营运，发动机台架验证，利用实施例一中的本发明的制氢设备-氢发生器实施油水裂解制氢代燃，代燃量52％，节油(能)18-25％。采用的裂解制氢配方为：汽油50公斤，水60公斤，添加剂(优选用重量为总重量3％-5％的碳酸铵或碳酸钠为添加剂)6公斤，用于下述裂解制氢工艺：

与实施例1同，所不同的是醇箱(49)中存的是水，阀43a和阀43b同时开启。

上述的制氢工艺条件为：温度300-760℃，压力10-40个标准大气压，催化剂用含镍40-60、铂钯0.05-0.2、Pd，Ni，K/AL2O3。经上述工艺裂解后的成分为：氢21％、一氧化碳0.8％、甲烷55％、二氧化碳23.2％，裂解率为82-88％。

环保检测：一氧化碳2.3％(GB3842-83标准≤5％)、碳氢化合物(HC)850ppm(GB3842-83)标准≤2500ppm)、氮氧化物(NOx)微量。

Claims (9)

1、一种裂解制氢工艺，利用发动机排气余热，首先对制氢原料进行催化裂解转化为富氢气体，然后使富氢气体与汽油混合进入发动机作为燃料，其特征是在裂解制氢专用设备氢发生器中，采用沸点为40-200℃无铅低硫汽油为裂解制氢原料，使用油比水为1比1-1.2重量比的配方，在含镍40-60、铂钯0.05-0.2、Pd，Ni，K/AL2O3催化剂作用下，在氢发生器传温达300-760℃、压力达10-40个标准大气压条件下进行气化裂解反应，生产出富氢气体。

2、根据权利要求1所述工艺，其特征是采用汽油45比水55的重量比，在水中加入5％添加剂。

3、一种裂解制氢工艺，利用发动机排气余热，首先对制氢原料进行催化裂解转化为富氢气体，然后使富氢气体与汽油混合进入发动机作为燃料，其特征是在裂解制氢专用设备氢发生器中，采用沸点为40-80℃醇类为裂解制氢原料，使用醇比水为1比0.5-1.2重量比的配方，在CuO、ZnO、MnO2、Ni，K/Al2O3催化剂作用下，在氢发生器床温达160-760℃，压力达0.2-40标准大气压条件下进行气化裂解反应，生产出富氢气体。

4、根据权利要求3所述工艺，其特征是采用甲醇或乙醇45比水55的重量比，在水中加入5％添加剂。

5、一种裂解制氢工艺，利用发动机排气余热，首先对制氢原料进行催化裂解转化为富氢气体，然后使富氢气体与汽油混合进入发动机作为燃料，其特征是在裂解制氢专用设备氢发生器中，采用沸点为40-65℃碳氨类为裂解制氢原料，使用原料碳氨比水为1比1-1.2重量比的配方，在含镍40-60、铂钯0.05-0.2，Pd，Ni，K/AL2O3催化剂作用下，在氢发生器床温达300-760℃、压力达0.2-40个标准大气压条件下进行气化裂解反应，生产出富氢气体。

6、根据权利要求5所述工艺，其特征是采用碳酸铵或碳酸氢铵45比水55的重量比，在水中加入5％添加剂。

7、为实现权利要求1或3或5的裂解制氢工艺专门设计的氢发生器(1)，其特征是所说氢发生器直接串接在发动机(50)的排气管道(56)上，与发动机的排气消声器组合为一体，其内部结构由气化过热室(10)和反应室(19)经联通管(2)连接成U形结构，在气化过热室(10)内壁两侧气流通道上设置几排梳状超声振动簧片，氢发生器的供料系统由醇(水)箱(49)、阀(43a，b)、泵(36，46)、管道(28)组成，输送富氢气体系统由管路(31)、贮气筒(41)、阀(44)、燃料混合器(48)组成，其中燃料混合器(48)为旋涡超声器结构，发动机排气通道是循管路(56)，经排气分流阀(42)，然后进入氢发生器，由管路(37)排往大气，当温度达到设定值时，由热电偶温控器(58)指令电醇(水)泵启动，向氢发生器供料，当温度超过预定值时，由热电偶温控器(58)指令电磁阀使排气分流，循管路(7)排往大气。

8、根据权利要求7所述的氢发生器，其特征是所说气化过热室(10)中的振动簧片材料用不锈钢或镍铬钢片，厚度为0.2-2.4mm。振动频率为8000-24000千周。

9、根据权利要求7所述的氢发生器，其特征是所说的燃料混合器(48)是旋涡超声器结构，出气口是在涡壳内壁下沿处。

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