CN114955994B - 一种醇类燃料裂解制氢装置以及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种醇类燃料裂解制氢装置以及系统，其中，醇类燃料裂解制氢装置包括从左到右依次固定连接的排气进口单元，醇类燃料裂解制氢单元和排气出口单元；醇类燃料裂解制氢单元整体呈中空柱体结构，并包括镍基催化剂微通道和铜基催化剂微通道，在垂直于醇类燃料裂解制氢单元中轴线的截面中，镍基催化剂微通道和/或铜基催化剂微通道呈非等距的圆形分布。本发明提供的装置、系统及控制方法能够解决单一催化剂结构的醇类燃料裂解制氢技术无法充分利用发动机高温排气，以及会对催化剂使用寿命产生不利影响的问题。
Description
技术领域
本发明属于醇类燃料裂解制氢技术领域，具体涉及一种非均匀微通道醇类燃料裂解制氢装置以及系统。
背景技术
21世纪是氢能社会，如何高效低成本制取氢气成为了目前急需解决的难题。目前，氢气制取有多种方式，包括传统化石燃料制氢、天然气制氢、煤制氢、电解水制氢以及可再生能源(风光水)电解水制氢。这些制氢方式各有利弊，化石燃料制氢是大规模制取，所需投资成本高，同时也是高污染高能耗。天然气制氢成本也高，天然气中主要成分是甲烷，而甲烷分子化学结构稳定，需要提高额外能量使甲烷分子结构断裂；尽管可以采用催化剂降低裂解所需的温度，但是超高温裂解对催化剂寿命影响非常大。煤制氢受国际煤炭价格影响较大，且对煤炭成分要求较高，煤炭中含硫等会使催化剂中毒，需要对煤炭进行脱硫处理；而且煤炭制氢是大规模装置，投入成本较高，也不利于移动式制氢。电解水制氢成本高，高品位的电能可以直接用于其他所需电能行业；如用工业用电电解水制氢，成本以及经济效益非常不划算。采用可再生能源电解水制氢能够减少制氢成本，但是受各种天气环境的影响，制氢是间歇性波动的；而且大规模可再生能源制氢需要场地，也不利于移动式制氢。
醇类燃料制氢可以采用撬装式设备制氢，非常灵活，有利于移动式制氢，而且可以耦合其他高温热源，为醇类燃料制氢催化剂提供能量，从而回收高温热源，提供系统的效率和经济性。发动机通过缸内燃烧以及热功转化过程，对外输出有用功。然而根据目前发动机热效率水平而言，在大部分工况下，发动机有30％的热量通过高温排气带着，直接释放在周边环境中，造成了能量的浪费。此外，发动机运行在大负荷工况时，高温排气带着的热量更多，甚至超过了总能量的50％，也就是说，燃油释放的能量有一半以上被高温排气带走，导致发动机热效率以及经济性低。
因此，对高温排气能量回收利用是提高燃料能量利用率以及提高发动机热效率的有效途径之一。为了充分利用发动机高温排气，采用余热回收装置回收高温排气。其中，采用醇类燃料裂解制氢装置回收高温排气能量是一种有前景的方式。但传统的单一催化剂结构对碳氢键或者碳碳键有选择，不能充分裂解醇类燃料，造成裂解效率低，甚至会影响催化剂载体，导致催化剂使用寿命下降。
发明内容
本发明提供一种醇类燃料裂解制氢装置，包括依次固定连接的排气进口单元，醇类燃料裂解制氢单元和排气出口单元，所述排气进口单元包括：排气进口，排气进口端固定部以及排气进口温度传感器；所述醇类燃料裂解制氢单元包括：蒸发器，镍基催化剂蒸气进口，镍基催化剂温度传感器，镍基催化剂微通道，镍基催化剂和铜基催化剂接口，铜基催化剂微通道，铜基催化剂温度传感器，铜基催化剂裂解气出口，裂解气电磁阀，铜基催化剂基体，镍基催化剂基体以及醇类蒸气出口；所述排气出口单元包括：排气出口，排气出口端固定部以及排气出口温度传感器；所述醇类燃料裂解制氢单元整体呈中空柱体结构，所述镍基催化剂微通道设置在所述镍基催化剂基体内部，所述镍基催化剂基体为所述镍基催化剂微通道提供支撑；所述铜基催化剂微通道设置在所述铜基催化剂基体内部，所述铜基催化剂基体为所述铜基催化剂微通道提供支撑；所述镍基催化剂微通道和所述铜基催化剂微通道作为醇类燃料在所述醇类燃料裂解制氢单元中的流通通道；在垂直于所述醇类燃料裂解制氢单元中轴线的截面中，所述镍基催化剂微通道和/或所述铜基催化剂微通道呈非等距的圆形分布。
可选地，所述铜基催化剂基体与所述排气进口单元连接，所述镍基催化剂基体与所述排气出口单元连接；所述镍基催化剂基体通过所述镍基催化剂和铜基催化剂接口与所述铜基催化剂基体连接。
可选地，所述排气进口端固定部和/或所述排气出口端固定部通过螺栓固定于发动机高温排气管上；发动机高温排气通过所述排气进口进入，为所述镍基催化剂基体、所述铜基催化剂基体和所述蒸发器提供高温热源，并通过排气出口排出到下游部件。
可选地，所述蒸发器包括蒸发器进口，蒸发器出口以及蒸发器连通管；所述蒸发器依次通过所述醇类蒸气出口和所述镍基催化剂蒸气进口与所述镍基催化剂基体连接；醇类燃料通过所述蒸发器进口进入所述蒸发器，在所述蒸发器中形成醇类蒸气，所述醇类蒸气通过所述蒸发器出口流出所述蒸发器；并依次通过所述醇类蒸气出口、所述镍基催化剂蒸气进口进入所述镍基催化剂微通道。
可选地，所述铜基催化剂基体通过所述铜基催化剂裂解气出口与所述裂解气电磁阀连接；醇类燃料通过所述镍基催化剂基体和所述铜基催化剂基体后，形成的裂解气依次通过所述铜基催化剂裂解气出口和所述裂解气电磁阀向下游流出。
可选地，所述镍基催化剂温度传感器分布安装在所述镍基催化剂基体内，并用于实时监测所述镍基催化剂基体的温度；所述铜基催化剂温度传感器分布安装在所述铜基催化剂基体内，并用于实时监测所述铜基催化剂基体的温度。
本发明还提供一种醇类燃料裂解制氢系统，其技术方案除包括前述的醇类燃料裂解制氢装置外，还包括发动机，电子控制单元，燃料供给单元以及裂解气存储单元；其中，所述电子控制单元用于接收发动机转速和发动机负荷；所述燃料供给单元，所述裂解气存储单元，所述醇类燃料裂解制氢装置中的排气进口温度传感器，排气出口温度传感器，镍基催化剂温度传感器，铜基催化剂温度传感器以及裂解气电磁阀分别与所述电子控制单元通讯连接。
可选地，所述燃料供给单元包括液位传感器，燃料加注口及泄压阀，放油阀，储醇类燃料箱，一个或多个燃油泵滤网，一个或多个燃油泵，一个或多个醇类燃料电磁阀以及一个或多个流量计；其中：所述液位传感器安装在所述储醇类燃料箱顶端，所述放油阀安装在所述储醇类燃料箱底部；所述一个或多个燃油泵滤网分布在所述储醇类燃料箱底部，并分别通过管道与所述一个或多个燃油泵的进口连接，每个所述燃油泵的出口分别通过管道与所述一个或多个醇类燃料电磁阀的进口连接，所述一个或多个醇类燃料电磁阀的出口分别通过管道与蒸发器的蒸发器进口连接，并实时控制管道内醇类燃料的通断；所述液位传感器，所述一个或多个燃油泵和所述一个或多个醇类燃料电磁阀分别与所述电子控制单元通讯连接。
可选地，所述裂解气存储单元包括裂解气存储总电磁阀，n个裂解气存储器，n个裂解气存储器出口阀以及n-1个裂解气存储分电磁阀，n为大于等于2的整数；裂解气电磁阀的出口通过管道与所述裂解气存储总电磁阀的进口连接，所述裂解气存储总电磁阀的出口通过管道与所述n个裂解气存储器中的第一个的进口连接；第n个裂解气存储器与第n-1个裂解气存储器之间分别通过管道连接，所述n-1个裂解气存储分电磁阀分别设置在所述第n个裂解气存储器与第n-1个裂解气存储器之间的管道上；所述n个裂解气存储器的出口分别通过管道与所述n个裂解气存储器出口阀的进口连接，所述n个裂解气存储器出口阀的出口分别与管道连接，进而向下游释放裂解气；所述裂解气电磁阀，所述裂解气存储总电磁阀，所述n个裂解气存储器出口阀以及所述n-1个裂解气存储分电磁阀分别与所述电子控制单元通讯连接。
可选地，一个或多个燃油泵滤网包括第一燃油泵滤网，第二燃油泵滤网和第三燃油泵滤网；一个或多个燃油泵包括第一燃油泵，第二燃油泵和第三燃油泵；一个或多个醇类燃料电磁阀包括第一醇类燃料电磁阀，第二醇类燃料电磁阀和第三醇类燃料电磁阀。
可选地，n个裂解气存储器包括低压裂解气存储器，中压裂解气存储器和高压裂解气存储器；n个裂解气存储器出口阀包括低压裂解气存储器出口阀，中压裂解气存储器出口阀和高压裂解气存储器出口阀；n-1个裂解气存储分电磁阀包括中压裂解气存储分电磁阀和高压裂解气存储分电磁阀。
本发明的有益效果如下：
1、采用双层催化剂结构，充分对醇类燃料进行裂解，促进醇类燃料裂解，制取氢气，同时能够减少催化剂积炭，延长催化剂的使用寿命。
2、催化微通道非均匀分布在装置内，形成中心密集分布，周向稀疏分布的形状，充分吸收发动机高温排气热量，使得催化效率提高。
3、通过设置电子控制单元实现对发动机工况状态的动态判断，并基于判断结果实现动态控制，进而实现对发动机排气热量的阶梯利用。
附图说明
图1是本发明实施例中醇类燃料裂解制氢装置、系统的示意图。
图2是本发明实施例中镍基催化剂基体端面示意图。
图3是本发明实施例中镍基催化剂基体立体结构俯视示意图。
图4是本发明实施例中镍基催化剂基体立体结构仰视示意图。
图5是本发明实施例中蒸发器示意图。
图6是本发明实施例中低负荷制氢控制示意图。
图7是本发明实施例中低负荷制氢立体结构示意图。
图8是本发明实施例中中负荷制氢控制示意图。
图9是本发明实施例中中负荷制氢立体结构示意图。
图10是本发明实施例中大负荷制氢控制示意图。
图11是本发明实施例中大负荷制氢立体结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
如图1-4所示，本发明的一个实施例提供了一种醇类燃料裂解制氢装置，包括从左到右依次固定连接的排气进口单元，醇类燃料裂解制氢单元和排气出口单元，其特征在于：排气进口单元包括：排气进口26，排气进口端固定部27以及排气进口温度传感器25；醇类燃料裂解制氢单元包括，蒸发器17，镍基催化剂蒸气进口18，镍基催化剂温度传感器19，镍基催化剂微通道20，镍基催化剂和铜基催化剂接口21，铜基催化剂微通道22，铜基催化剂温度传感器23，铜基催化剂裂解气出口24，裂解气电磁阀28，铜基催化剂基体29，镍基催化剂基体30以及醇类蒸气出口31；排气出口单元包括：排气出口33，排气出口端固定部32以及排气出口温度传感器34；醇类燃料裂解制氢单元整体呈中空柱体结构，镍基催化剂微通道20设置在镍基催化剂基体30内部，镍基催化剂基体30为镍基催化剂微通道20提供支撑；铜基催化剂微通道22设置在铜基催化剂基体29内部，铜基催化剂基体29为铜基催化剂微通道22提供支撑；镍基催化剂微通道20和铜基催化剂微通道22作为醇类燃料在醇类燃料裂解制氢单元中的流通通道；在垂直于醇类燃料裂解制氢单元中轴线的截面中，镍基催化剂微通道20和/或铜基催化剂微通道22呈非等距的圆形分布。
可选地，铜基催化剂基体29与排气进口单元连接，镍基催化剂基体30与排气出口单元连接；镍基催化剂基体30通过镍基催化剂和铜基催化剂接口21与铜基催化剂基体29连接。
可选地，排气进口端固定部27和/或排气出口端固定部32通过螺栓固定于发动机高温排气管上；发动机高温排气通过排气进口26进入，为镍基催化剂基体30、铜基催化剂基体29和蒸发器17提供高温热源，并通过排气出口33排出到下游部件。
结合图5可知，可选地，蒸发器17包括蒸发器进口17-1，蒸发器出口17-2以及蒸发器连通管17-3；蒸发器17依次通过醇类蒸气出口31和镍基催化剂蒸气进口18与镍基催化剂基体30连接；醇类燃料通过蒸发器进口17-1进入蒸发器17，在蒸发器17中形成醇类蒸气，醇类蒸气通过蒸发器出口17-2流出蒸发器17；并依次通过醇类蒸气出口31、镍基催化剂蒸气进口18进入镍基催化剂微通道20。
可选地，铜基催化剂基体29通过铜基催化剂裂解气出口24与裂解气电磁阀28连接；醇类燃料通过镍基催化剂基体30和铜基催化剂基体29后，形成的裂解气依次通过铜基催化剂裂解气出口24和裂解气电磁阀28向下游流出。
可选地，镍基催化剂温度传感器19分布安装在镍基催化剂基体30内，并用于实时监测镍基催化剂基体30的温度；铜基催化剂温度传感器23分布安装在铜基催化剂基体29内，并用于实时监测铜基催化剂基体29的温度。
同样如图1所示，本发明的另一个实施例提供了一种醇类燃料裂解制氢系统，除包括如前一个实施例的醇类燃料裂解制氢装置外，还包括电子控制单元，燃料供给单元以及裂解气存储单元；其中，电子控制单元3用于接收发动机转速1和发动机负荷2；燃料供给单元，裂解气存储单元，醇类燃料裂解制氢装置中的排气进口温度传感器25，排气出口温度传感器34，镍基催化剂温度传感器19，铜基催化剂温度传感器23以及裂解气电磁阀28分别与电子控制单元3通讯连接。
可选地，燃料供给单元包括液位传感器4，燃料加注口及泄压阀10，放油阀7，储醇类燃料箱46，一个或多个燃油泵滤网，一个或多个燃油泵，一个或多个醇类燃料电磁阀以及一个或多个流量计；其中：液位传感器4安装在储醇类燃料箱46顶端，放油阀7安装在储醇类燃料箱46底部；一个或多个燃油泵滤网分布在储醇类燃料箱46底部，并分别通过管道与一个或多个燃油泵的进口连接，每个燃油泵的出口分别通过管道与一个或多个醇类燃料电磁阀的进口连接，一个或多个醇类燃料电磁阀的出口分别通过管道与蒸发器17的蒸发器进口17-1连接，并实时控制管道内醇类燃料的通断；液位传感器4，一个或多个燃油泵和一个或多个醇类燃料电磁阀分别与电子控制单元3通讯连接。
可选地，裂解气存储单元包括裂解气存储总电磁阀37，n个裂解气存储器，n个裂解气存储器出口阀以及n-1个裂解气存储分电磁阀，n为大于等于2的整数；裂解气电磁阀28的出口通过管道与裂解气存储总电磁阀37的进口连接，裂解气存储总电磁阀37的出口通过管道与n个裂解气存储器中的第一个的进口连接；第n个裂解气存储器与第n-1个裂解气存储器之间分别通过管道连接，n-1个裂解气存储分电磁阀分别设置在第n个裂解气存储器与第n-1个裂解气存储器之间的管道上；n个裂解气存储器的出口分别通过管道与n个裂解气存储器出口阀的进口连接，n个裂解气存储器出口阀的出口分别与管道连接，进而向下游释放裂解气；裂解气电磁阀28，裂解气存储总电磁阀37，n个裂解气存储器出口阀以及n-1个裂解气存储分电磁阀分别与电子控制单元3通讯连接。
本发明的另一个实施例提供了一种醇类燃料裂解制氢系统的控制方法，用于实现对如前一个实施例的醇类燃料裂解制氢系统的控制，结合说明书附图1-11可知，该控制方法方法的具体步骤包括：电子控制单元3实时采集发动机转速1，发动机负荷2，以及排气进口温度传感器5和排气出口温度传感器34的信号，判断发动机工况状态；电子控制单元3实时采集镍基催化剂温度传感器19和铜基催化剂温度传感器23的温度状态，根据发动机工况状态和温度状态，控制一个或多个催化剂流量电磁阀，以调整进入催化剂基体的醇类蒸气流量；电子控制单元3实时采集n个裂解气存储器的压力状态，根据发动机工况状态和压力状态控制裂解气存储总电磁阀37，n个裂解气存储器出口阀以及n-1个裂解气存储分电磁阀，以实现对发动机排气热量的阶梯利用。
可选地，一个或多个燃油泵滤网包括第一燃油泵滤网6，第二燃油泵滤网8和第三燃油泵滤网9；一个或多个燃油泵包括第一燃油泵5，第二燃油泵36和第三燃油泵35；一个或多个醇类燃料电磁阀包括第一醇类燃料电磁阀14，第二醇类燃料电磁阀15和第三醇类燃料电磁阀16。
可选地，第一燃油泵滤网6，第二燃油泵滤网8，第三燃油泵滤网9分布放置在储醇类燃料箱46底部，并通过管道分别与第一燃油泵5，第三燃油泵35，第二燃油泵36连接，管道与储醇类燃料箱46通过焊接固定连接，防止储醇类燃料箱46内醇类蒸气泄露。第一燃油泵5，第三燃油泵35，第二燃油泵36通过管道分别与第一醇类燃料电磁阀14，第二醇类燃料电磁阀15，第三醇类燃料电磁阀16连接。而第一醇类燃料电磁阀14，第二醇类燃料电磁阀15，第三醇类燃料电磁阀16通过管道与蒸发器17连接，第一醇类燃料电磁阀14，第二醇类燃料电磁阀15，第三醇类燃料电磁阀16实时控制管道内醇类燃料的通断，且配合第一燃油泵5，第三燃油泵35，第二燃油泵36工作状态，决定蒸发器17内的高、中、低不同醇类流量，实时调节17-蒸发器内的醇类燃料。
可选地，醇类燃料通过蒸发器17的蒸发器进口进入17-1，在蒸发器中形成醇类蒸气燃料，然后通过蒸发器出口17-2出来；而蒸发器17通过蒸发器进口17-1和蒸发器出口17-2与管道焊接，将蒸发器17固定在装置上；发动机排气道内高温热量通过蒸发器17，将热量实时传递给液体醇类燃料，促进液体醇类燃料蒸发，形成醇类蒸气。醇类蒸气通过醇类蒸气出口31进入镍基催化剂蒸气进口18，从而进入镍基催化微通道20。由于发动机排气管内的温度是圆管中心高，排气管壁温度低，因此，温度在排气管内是非均匀分布。为了充分利于发动机排气管内的高温气体，数百个镍基催化微通道20和铜基催化剂微通道22分布于铜基催化剂基体29和镍基催化剂基体30内部，镍基催化微通道20和铜基催化剂微通道22分别呈圆形分布装置内；且圆形分布的催化微通道是非等距分布在装置内，即圆形分布的催化微通道是非均匀分布在装置内，形成非均匀微通道，形成中心密集分布，周向稀疏分布的形状；从而有利于充分吸收发动机高温排气热量，加快醇类蒸气裂解速率，提高裂解效率。
可选地，n个裂解气存储器包括低压裂解气存储器44，中压裂解气存储器42和高压裂解气存储器40；n个裂解气存储器出口阀包括低压裂解气存储器出口阀45，中压裂解气存储器出口阀43和高压裂解气存储器出口阀41；n-1个裂解气存储分电磁阀包括中压裂解气存储分电磁阀38和高压裂解气存储分电磁阀39。
可选地，裂解后的气体通过管道与裂解气电磁阀28和裂解气存储总电磁阀37连接，而后通过管道与低压裂解气存储器44焊接连接，裂解后的气体首先存储在低压裂解气存储器44中，低压裂解气存储器44与中压裂解气存储器42通过中压裂解气存储分电磁阀38连接，中压裂解气存储器42与高压裂解气存储器40，通过高压裂解气存储分电磁阀39连接；而高压裂解气存储器40，中压裂解气存储器42和低压裂解气存储器44分布通过高压裂解气存储器出口阀41，中压裂解气存储器出口阀43和低压裂解气存储器出口阀45连接，将储存的裂解气供给下游管道。当低压裂解气存储器44储存裂解气压力达到一定值时，中压裂解气存储分电磁阀38打开，低压裂解气存储器44中部分裂解气将进入中压裂解气存储器42；当中压裂解气存储器42的裂解气压力达到一定值时，高压裂解气存储分电磁阀39打开中压裂解气存储器42中部分裂解气将进入高压裂解气存储器40。
可选地，发动机转速1、发动机负荷2、排气进口温度传感器25、排气出口温度传感器34通过信号线与电子控制单元3连接，电子控制单元3实时采集发动机转速1、发动机负荷2、排气进口温度传感器25和排气出口温度传感器34的信号，判断发动机处于工况状态，即低负荷工况，中负荷工况，大负荷工况。镍基催化剂温度传感器19和铜基催化剂温度传感器23通过信号线与电子控制单元3连接，电子控制单元3实时采集镍基催化剂温度传感器19和铜基催化剂温度传感器23的信号，电子控制单元3实时计算，判断催化剂基体的温度状态，从而为调整进入催化剂基体的醇类蒸气流量，以达到镍基催化剂微通道20和铜基催化剂微通道22最佳裂解状态。第一燃油泵5，第一流量计11，第二流量计12，第三流量计13，第一醇类燃料电磁阀14，第二醇类燃料电磁阀15，第三醇类燃料电磁阀16，裂解气电磁阀28、第三燃油泵35、第二燃油泵36和裂解气存储总电磁阀37通过信号线与电子控制单元3连接，电子控制单元3根据发动机转速1、发动机负荷2、排气进口温度传感器25、排气出口温度传感器34的信号，判断发动机具体工况，然后控制第一燃油泵5，第一流量计11，第二流量计12，第三流量计13，第一醇类燃料电磁阀14，第二醇类燃料电磁阀15，第三醇类燃料电磁阀16，第三燃油泵35和第二燃油泵36的开启或者关闭，即决定蒸发器进口17-1，蒸发器出口17-2，蒸发器连通管17-3的流动状态，实现对不同的醇类燃料流量的检测，满足不同工况下非均匀微通道醇类燃料裂解制氢装置对醇类燃料流量需求。
可选地，本实施例中还给出了低负荷低流量需求、中负荷低流量需求和大负荷低流量需求的控制策略，具体地：
在低负荷低流量需求下：
如图1、2、3、6、7，根据采集信号，电子控制单元3实时计算与判断，发动机处于低负荷状态时，即发动机排气温度低，为了实现非均匀微通道醇类燃料裂解制氢装置效率最高，同时充分利于发动机排气热量；因此，电子控制单元3根据预存指令，控制第一燃油泵5、第一流量计11、第一醇类燃料电磁阀14、裂解气电磁阀28和裂解气存储总电磁阀37工作，而关闭第二流量计12、第三流量计13、第二醇类燃料电磁阀15、第三醇类燃料电磁阀16、第三燃油泵35和第二燃油泵36，即处于关闭工作状态，此时非均匀微通道醇类燃料裂解制氢装置只有一个燃油泵工作，第一燃油泵5提供较低流量的液态醇类燃料；醇类燃料由第一燃油泵5启动下，从储醇类燃料箱46的第一燃油泵滤网6中抽吸液体醇类燃料，通过第一流量计11和第一醇类燃料电磁阀14后，进入蒸发器17的蒸发器进口17-1(如附图6和7所示)，左右蒸发器17通过蒸发器连通管17-3连接，液态醇类燃料从左边蒸发器进入右边蒸发器，液态醇类燃料在蒸发器17中不断从发动机排气能量中吸收热量，液态醇类燃料不断蒸发；由于蒸发器17弯曲结构，内表面积非常大，从而促进液态醇类燃料全部形成醇类蒸气燃料，低流量的醇类蒸气通过蒸发器出口17-2和醇类蒸气出口31进入镍基催化剂蒸气进口18中，醇类蒸气沿着非均匀分布的镍基催化剂微通道20流动；而镍基催化剂微通道20在吸收发动机排气热量的情况下，达到催化剂工作稳定，从而促进醇类燃料中的碳碳键断裂，镍基催化剂对碳碳键断裂活性非常高，有利于多碳醇类燃料碳碳键断裂，形成单碳分子燃料。随后，单碳分子燃料通过镍基催化剂21和铜基催化剂接口，进入铜基催化剂基体29中，沿着铜基催化剂微通道22继续流动，而铜基催化剂微通道22在吸收发动机排气热量的情况下，达到催化剂工作稳定，从而促进单碳分子燃料碳氢键断裂，铜基催化能有效断裂碳氢键，使单碳分子燃料的碳氢键完成断裂，在双催化剂作用下，醇类蒸气燃料完成裂解，形成氢气和一氧化碳裂解气。形成的裂解气通过裂解气电磁阀28和裂解气存储总电磁阀37后进入低压裂解气存储器44中存储；当电子控制单元3监测到低压裂解气存储器44中压力达到一定程度时，电子控制单元3控制中压裂解气存储分电磁阀38打开，裂解气从低压裂解气存储器44进入中压裂解气存储器42中存储。当需要将储存在低压裂解气存储器44和中压裂解气存储器42的裂解气给下游使用，电子控制单元3首先控制低压裂解气存储器出口阀45打开，因而从低压裂解气存储器44向下游释放裂解气；当电子控制单元3监测到低压裂解气存储器44流量不够时，电子控制单元3控制中压裂解气存储器出口阀43打开，从因而从中压裂解气存储器42向下游释放裂解气；最终从而实现梯级利用发动机排气热量用于裂解醇类燃料，获得高品位的氢气和一氧化碳裂解气，实现发动机排气热量回收，提高发动机热效率和经济效益。
在中负荷低流量需求下：
如图附1、2、3、8和9所示，根据采集信号，电子控制单元3实时计算与判断，发动机处于中负荷状态时，即发动机排气温度适中，为了实现非均匀微通道醇类燃料裂解制氢装置效率最高，同时充分利于发动机排气热量；因此，电子控制单元3根据预存指令，控制第一燃油泵5、第二燃油泵36、第一流量计11、第二流量计12、第一醇类燃料电磁阀14、第二醇类燃料电磁阀15、裂解气电磁阀28和裂解气存储总电磁阀37工作，而关闭第三流量计13、第三醇类燃料电磁阀16和第三燃油泵35，即处于关闭工作状态，此时非均匀微通道醇类燃料裂解制氢装置有两个燃油泵工作；醇类燃料由第一燃油泵5和第二燃油泵36启动下，第一燃油泵5和第二燃油泵36提供中流量的液态醇类燃料，从储醇类燃料箱46的第一燃油泵滤网6和第二燃油泵滤网8抽吸液体醇类燃料，通过第一流量计11、第二流量计12、第一醇类燃料电磁阀14和第二醇类燃料电磁阀15后，分别进入蒸发器17的蒸发器进口17-1(如附图8和9所示)，左右蒸发器17通过蒸发器连通管17-3连接，液态醇类燃料从左边蒸发器进入右边蒸发器，液态醇类燃料在蒸发器17中不断从发动机排气能量中吸收热量，液态醇类燃料不断蒸发；由于蒸发器17弯曲结构，内表面积非常大，从而促进液态醇类燃料全部形成醇类蒸气，中流量的醇类蒸气通过蒸发器出口17-2和醇类蒸气出口31进入镍基催化剂蒸气进口18中，醇类蒸气沿着非均匀分布的镍基催化剂微通道20流动；而镍基催化剂微通道20在吸收发动机排气热量的情况下，达到催化剂工作稳定，从而促进醇类燃料中的碳碳键断裂，镍基催化剂对碳碳键断裂活性非常高，有利于多碳醇类燃料碳碳键断裂，形成单碳分子燃料。随后，单碳分子燃料通过镍基催化剂和铜基催化剂接口21，进入铜基催化剂基体29中，沿着铜基催化剂微通道22继续流动，而铜基催化剂微通道22在吸收发动机排气热量的情况下，达到催化剂工作稳定，从而促进单碳分子燃料碳氢键断裂，铜基催化能有效断裂碳氢键，使单碳分子燃料的碳氢键完成断裂，在双催化剂作用下，醇类蒸气燃料完成裂解，形成氢气和一氧化碳裂解气。形成的裂解气通过裂解气电磁阀28和裂解气存储总电磁阀37后进入低压裂解气存储器44中存储；当电子控制单元3监测到低压裂解气存储器44中压力达到一定程度时，电子控制单元3控制中压裂解气存储分电磁阀38打开，裂解气从低压裂解气存储器44进入中压裂解气存储器42中存储；当电子控制单元3监测到中压裂解气存储器42中压力达到一定程度时，电子控制单元3控制高压裂解气存储分电磁阀39打开，裂解气从中压裂解气存储器42进入高压裂解气存储器40中存储。当需要将储存在低压裂解气存储器44、中压裂解气存储器42和高压裂解气存储器40的裂解气给下游使用，电子控制单元3首先控制低压裂解气存储器出口阀45打开，因而从低压裂解气存储器44向下游释放裂解气；当电子控制单元3监测到低压裂解气存储器44流量不够时，电子控制单元3控制中压裂解气存储器出口阀43打开，从因而从中压裂解气存储器42向下游释放裂解气；当电子控制单元3监测到低压裂解气存储器44流量不够时，电子控制单元3控制高压裂解气存储器出口阀41打开，从因而从高压裂解气存储器40向下游释放裂解气；最终从而实现梯级利用发动机排气热量用于裂解醇类燃料，获得高品位的氢气和一氧化碳裂解气，实现发动机排气热量回收，提高发动机热效率和经济效益。
在大负荷低流量需求下：
如图附1、2、3、10和11所示：根据采集信号，电子控制单元3实时计算与判断，发动机处于大负荷状态时，即发动机排气温度高，为了实现非均匀微通道醇类燃料裂解制氢装置效率最高，同时充分利于发动机排气热量；因此，电子控制单元3根据预存指令，控制第一燃油泵5、第二燃油泵36、第三燃油泵35、第一流量计11、第二流量计12、第三流量计13、第一醇类燃料电磁阀14、第二醇类燃料电磁阀15、第三醇类燃料电磁阀16、裂解气电磁阀28和裂解气存储总电磁阀37工作，此时非均匀微通道醇类燃料裂解制氢装置有三个燃油泵工作；醇类燃料由第一燃油泵5、第二燃油泵36和第三燃油泵35启动下，第一燃油泵5、第二燃油泵36和第三燃油泵35提供大流量的液态醇类燃料，从储醇类燃料箱46的第一燃油泵滤网6、第二燃油泵滤网8和第三燃油泵滤网9抽吸液体醇类燃料，通过第一流量计11、第二流量计12、第三流量计13、第一醇类燃料电磁阀14、第二醇类燃料电磁阀15和第三醇类燃料电磁阀16后，分别进入蒸发器17的蒸发器进口17-1(如附图10和11所示)，左右蒸发器通过17蒸发器连通管17-3连接，液态醇类燃料从左边蒸发器进入右边蒸发器，液态醇类燃料在蒸发器17中不断从发动机排气能量中吸收热量，液态醇类燃料不断蒸发；由于蒸发器17弯曲结构，内表面积非常大，从而促进液态醇类燃料全部形成醇类蒸气燃料，大流量的醇类蒸气通过蒸发器出口17-2和醇类蒸气出口31进入镍基催化剂蒸气进口18中，醇类蒸气沿着非均匀分布的镍基催化剂微通道20流动；而镍基催化剂微通道20在吸收发动机排气热量的情况下，达到催化剂工作稳定，从而促进醇类燃料中的碳碳键断裂，镍基催化剂对碳碳键断裂活性非常高，有利于多碳醇类燃料碳碳键断裂，形成单碳分子燃料。随后，单碳分子燃料通过镍基催化剂和铜基催化剂接口21，进入铜基催化剂基体29中，沿着铜基催化剂微通道22继续流动，而铜基催化剂微通道22在吸收发动机排气热量的情况下，达到催化剂工作稳定，从而促进单碳分子燃料碳氢键断裂，铜基催化能有效断裂碳氢键，使单碳分子燃料的碳氢键完成断裂，在双催化剂作用下，醇类蒸气燃料完成裂解，形成氢气和一氧化碳裂解气。形成的裂解气通过裂解气电磁阀28和裂解气存储总电磁阀37后进入低压裂解气存储器44中存储；当电子控制单元3监测到低压裂解气存储器44中压力达到一定程度时，电子控制单元3控制中压裂解气存储分电磁阀38打开，裂解气从低压裂解气存储器44进入中压裂解气存储器42中存储；当电子控制单元3监测到中压裂解气存储器42中压力达到一定程度时，电子控制单元3控制高压裂解气存储分电磁阀39打开，裂解气从中压裂解气存储器42进入高压裂解气存储器40中存储。当需要将储存在低压裂解气存储器44、中压裂解气存储器42和高压裂解气存储器40的裂解气给下游使用，电子控制单元3首先控制低压裂解气存储器出口阀45打开，因而从低压裂解气存储器44向下游释放裂解气；当电子控制单元3监测到低压裂解气存储器44流量不够时，电子控制单元3控制中压裂解气存储器出口阀43打开，从因而从中压裂解气存储器42向下游释放裂解气；当电子控制单元3监测到低压裂解气存储器44流量不够时，电子控制单元3控制高压裂解气存储器出口阀41打开，从因而从高压裂解气存储器40向下游释放裂解气；最终从而实现梯级利用发动机排气热量用于裂解醇类燃料，获得高品位的氢气和一氧化碳裂解气，实现发动机排气热量回收，提高发动机热效率和经济效益。
本发明为最大化的回收发动机高温排气热量，充分利于发动机高温热量实现液体醇类燃料蒸发，并在非均匀微通道醇类燃料裂解制氢装置中实现裂解制氢，且利用相应的控制策略，使非均匀微通道醇类燃料裂解制氢装置运行在最佳的状态，在不同负荷工况下实现梯级回收发动机高温热量进一步提高燃料能量、发动机热效率和经济性，降低尾气排放，实现低碳清洁高效燃烧等目标。
在本发明中，术语“连接”“存储”“释放”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是直接连接，也可以是间接连接；对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
附图中的各个部件的形状均是示意性的，不排除与其真实形状存在一定差异，附图仅用于对发明的原理进行说明，并非意在对本发明的进行限制。
尽管参考附图详地公开了本发明的具体实施方式，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本发明的应用。本发明的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本发明保护范围和精神的情况下针对本发明所作的各种变型、改型及等效方案。
Claims (10)
1.一种醇类燃料裂解制氢装置，其特征在于：包括依次固定连接的排气进口单元，醇类燃料裂解制氢单元和排气出口单元，其特征在于：
所述排气进口单元包括：排气进口(26)，排气进口端固定部(27)以及排气进口温度传感器(25)；
所述醇类燃料裂解制氢单元包括：蒸发器(17)，镍基催化剂蒸气进口(18)，镍基催化剂温度传感器(19)，镍基催化剂微通道(20)，镍基催化剂和铜基催化剂接口(21)，铜基催化剂微通道(22)，铜基催化剂温度传感器(23)，铜基催化剂裂解气出口(24)，裂解气电磁阀(28)，铜基催化剂基体(29)，镍基催化剂基体(30)以及醇类蒸气出口(31)；
醇类蒸气沿着非均匀分布的镍基催化剂微通道(20)流动，形成单碳分子燃料；单碳分子燃料通过镍基催化剂和铜基催化剂接口(21)，进入铜基催化剂基体(29)中，沿着铜基催化剂微通道(22)继续流动，使单碳分子燃料的碳氢键完成断裂，在双催化剂作用下，醇类蒸气燃料完成裂解，形成氢气和一氧化碳裂解气；所述排气出口单元包括：排气出口(33)，排气出口端固定部(32)以及排气出口温度传感器(34)；
所述醇类燃料裂解制氢单元整体呈中空柱体结构，所述镍基催化剂微通道(20)设置在所述镍基催化剂基体(30)内部，所述镍基催化剂基体(30)为所述镍基催化剂微通道(20)提供支撑；所述铜基催化剂微通道(22)设置在所述铜基催化剂基体(29)内部，所述铜基催化剂基体(29)为所述铜基催化剂微通道(22)提供支撑；
所述镍基催化剂微通道(20)和所述铜基催化剂微通道(22)作为醇类燃料在所述醇类燃料裂解制氢单元中的流通通道；在垂直于所述醇类燃料裂解制氢单元中轴线的截面中，所述镍基催化剂微通道(20)和/或所述铜基催化剂微通道(22)呈非等距的圆形分布，即圆形分布的催化微通道是非均匀分布在装置内，形成中心密集分布，周向稀疏分布的形状。
2.根据权利要求1所述的一种醇类燃料裂解制氢装置，其特征在于：所述铜基催化剂基体(29)与所述排气进口单元连接，所述镍基催化剂基体(30)与所述排气出口单元连接；所述镍基催化剂基体(30)通过所述镍基催化剂和铜基催化剂接口(21)与所述铜基催化剂基体(29)连接。
3.根据权利要求2所述的一种醇类燃料裂解制氢装置，其特征在于：所述排气进口端固定部(27)和/或所述排气出口端固定部(32)通过螺栓固定于发动机高温排气管上；发动机高温排气通过所述排气进口(26)进入，为所述镍基催化剂基体(30)、所述铜基催化剂基体(29)和所述蒸发器(17)提供高温热源，并通过排气出口(33)排出。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种醇类燃料裂解制氢装置，其特征在于：
所述蒸发器(17)包括蒸发器进口(17-1)，蒸发器出口(17-2)以及蒸发器连通管(17-3)；
所述蒸发器(17)依次通过所述醇类蒸气出口(31)和所述镍基催化剂蒸气进口(18)与所述镍基催化剂基体(30)连接；
醇类燃料通过所述蒸发器进口(17-1)进入所述蒸发器(17)，在所述蒸发器(17)中形成醇类蒸气，所述醇类蒸气通过所述蒸发器出口(17-2)流出所述蒸发器(17)；并依次通过所述醇类蒸气出口(31)和所述镍基催化剂蒸气进口(18)进入所述镍基催化剂微通道(20)。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的一种醇类燃料裂解制氢装置，其特征在于：所述铜基催化剂基体(29)通过所述铜基催化剂裂解气出口(24)与所述裂解气电磁阀(28)连接；
醇类燃料通过所述镍基催化剂基体(30)和所述铜基催化剂基体(29)后，形成的裂解气依次通过所述铜基催化剂裂解气出口(24)和所述裂解气电磁阀(28)向下游流出。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的一种醇类燃料裂解制氢装置，其特征在于：所述镍基催化剂温度传感器(19)分布安装在所述镍基催化剂基体(30)内，并用于实时监测所述镍基催化剂基体(30)的温度；所述铜基催化剂温度传感器(23)分布安装在所述铜基催化剂基体(29)内，并用于实时监测所述铜基催化剂基体(29)的温度。
7.一种醇类燃料裂解制氢系统，包括如权利要求1-6中任一所述的醇类燃料裂解制氢装置，其特征在于：还包括电子控制单元(3)，燃料供给单元以及裂解气存储单元；其中，
所述电子控制单元(3)用于接收发动机转速(1)和发动机负荷(2)；
所述燃料供给单元，所述裂解气存储单元，所述醇类燃料裂解制氢装置中的排气进口温度传感器(25)，排气出口温度传感器(34)，镍基催化剂温度传感器(19)，铜基催化剂温度传感器(23)以及裂解气电磁阀(28)分别与所述电子控制单元(3)通讯连接。
8.根据权利要求7所述的一种醇类燃料裂解制氢系统，其特征在于：所述燃料供给单元包括液位传感器(4)，燃料加注口及泄压阀(10)，放油阀(7)，储醇类燃料箱(46)，一个或多个燃油泵滤网，一个或多个燃油泵，一个或多个醇类燃料电磁阀以及一个或多个流量计；其中：
所述液位传感器(4)安装在所述储醇类燃料箱(46)顶端，所述放油阀(7)安装在所述储醇类燃料箱(46)底部；
所述一个或多个燃油泵滤网分布在所述储醇类燃料箱(46)底部，并分别通过管道与所述一个或多个燃油泵的进口连接，每个所述燃油泵的出口分别通过管道与所述一个或多个醇类燃料电磁阀的进口连接，所述一个或多个醇类燃料电磁阀的出口分别通过管道与蒸发器(17)的蒸发器进口(17-1)连接，并实时控制管道内醇类燃料的通断；
所述液位传感器(4)，所述一个或多个燃油泵和所述一个或多个醇类燃料电磁阀分别与所述电子控制单元(3)通讯连接。
9.根据权利要求8所述的一种醇类燃料裂解制氢系统，其特征在于：所述裂解气存储单元包括裂解气存储总电磁阀(37)，n个裂解气存储器，n个裂解气存储器出口阀以及n-1个裂解气存储分电磁阀，n为大于等于2的整数；
裂解气电磁阀(28)的出口通过管道与所述裂解气存储总电磁阀(37)的进口连接，所述裂解气存储总电磁阀(37)的出口通过管道与所述n个裂解气存储器中的第一个的进口连接；第n个裂解气存储器与第n-1个裂解气存储器之间分别通过管道连接，所述n-1个裂解气存储分电磁阀分别设置在所述第n个裂解气存储器与第n-1个裂解气存储器之间的管道上；
所述n个裂解气存储器的出口分别通过管道与所述n个裂解气存储器出口阀的进口连接，所述n个裂解气存储器出口阀的出口分别与管道连接，进而向下游释放裂解气；
所述裂解气电磁阀(28)，所述裂解气存储总电磁阀(37)，所述n个裂解气存储器出口阀以及所述n-1个裂解气存储分电磁阀分别与所述电子控制单元(3)通讯连接。
10.根据权利要求9所述的一种醇类燃料裂解制氢系统，其特征在于：
所述一个或多个燃油泵滤网包括第一燃油泵滤网(6)，第二燃油泵滤网(8)和第三燃油泵滤网(9)；所述一个或多个燃油泵包括第一燃油泵(5)，第二燃油泵(35)和第三燃油泵(36)；所述一个或多个醇类燃料电磁阀包括第一醇类燃料电磁阀(14)，第二醇类燃料电磁阀(15)和第三醇类燃料电磁阀(16)；
所述n个裂解气存储器包括低压裂解气存储器(44)，中压裂解气存储器(42)和高压裂解气存储器(40)；所述n个裂解气存储器出口阀包括低压裂解气存储器出口阀(45)，中压裂解气存储器出口阀(43)和高压裂解气存储器出口阀(41)；所述n-1个裂解气存储分电磁阀包括中压裂解气存储分电磁阀(38)和高压裂解气存储分电磁阀(39)。
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