CN1887691A - 一种利用内燃机余热的甲醇催化重整制氢装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用内燃机余热的甲醇催化重整制氢装置及控制方法，属于内燃机余热应用领域。该装置主要包括有设置在重整器壳体(5)的前部、中部和后部的甲醇水溶液气化腔(17)、催化反应腔(16)、重整气产物腔(15)。在重整器壳体(5)的中部为多孔蜂窝陶瓷(8)，多孔蜂窝陶瓷(8)的内部为催化反应腔(16)，在催化反应腔(16)的内壁设置有蜂窝状的小孔，小孔内壁涂敷了重整催化剂，换热管(7)轴向穿过多孔蜂窝陶瓷(8)。本装置将换热管(7)与多孔蜂窝陶瓷(8)制成一体，具有结构紧凑，换热效率高、换热均匀、反应面积大、反应速率快、产氢率高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用内燃机余热的甲醇催化重整制氢装置及控制方法，属于内燃机余热应用领域。
背景技术
环境保护和能源结构的变革是21世纪的两大主题，氢燃料以其在能源和环保两方面的独特优势将有望推动一个以它为标志的经济时代的到来。氢能以其清洁、高效、可再生被视为本世纪最具发展潜力的能源，而且现有燃烧石油燃料的汽车内燃机稍加改动就可以燃烧氢。此外，氢燃料用于汽车时也有诸多优点，例如，氢的单位质量发热量高于汽油；氢的火焰传播速度比石油燃料的火焰传播速度快得多。氢比汽油具有更宽的着火界限等。因此，氢能被认为是最具前景的汽车内燃机代用燃料。氢燃料的主要优点是点火能量小、易实现稀薄燃烧、可在宽广的工况内得到较好的燃油经济性，燃烧的主要产物是H2O和NOx，不产生CO和HC及硫化物，只需采取降低NOx排放的措施。
近年国内外针对氢燃料难以直接随车储存的特点，以甲醇代替氢气随车携带，并利用发动机排气余热将甲醇水溶液重整为氢，将甲醇重整气与汽油混合作为发动机燃料，较好地解决了氢燃料在汽车发动机上的储存、携带，使氢燃料在汽车发动机上的推广应用成为可能。汽车上即时发生的氢气还可以用来即时再生尾气处理器中的催化剂。车载制氢免去了氢能的储存与运输环节。
内燃机余热甲醇制氢方式产生的甲醇重整气，除含氢气以外还包含少量的CO、CO2、O2、N2等气体，如不做净化处理不能作为对氢纯度(99.99％以上)要求极高的燃料电池的氢源。但这种制氢方式产生的气体特别适合于内燃机混氢燃烧。富氢燃油混合气燃烧界限比纯燃油混合气宽得多，能够在不同混合比下实现稳定的超稀薄燃烧，得到较好的燃油经济性。氢在空气中的扩散速度和燃烧速度较快，有利于汽油和空气的均匀混合和快速燃烧，使得混氢内燃机排放减少、动力性提高、油耗降低并可替代5~10％的燃油。此外，回收部分尾气余热，较大程度降低了尾气排入大气的温度，减少了尾气的热污染和噪声污染。
甲醇重整制氢装置，目前多采用管式和板翅式结构。钢管式甲醇重整器(中国专利CN85109487B发明人：董银谈 赵帷智)由10～20根薄壁不锈钢细管焊接到2块端板上，钢管内部通燃烧气，用于加热换热管，钢管外部涂上重整催化剂用于催化甲醇和水蒸气，由于钢管外表面面积较小，催化剂涂敷面积有限，使得处于重整器空腔的未接触到催化剂的甲醇和水蒸气难以发生重整反应，导致产氢率低、甲醇转化率低。板翅式甲醇重整器(潘立卫，王树东，板翅式反应器中甲醇水蒸气重整制氢，化工学报，2005，56(3)：468～473)由波浪状不锈钢薄板和围板焊接而成，采用尽可能多的波浪是为了增大催化剂涂敷和换热表面积，该重整器分为内腔-燃烧气腔和外腔-甲醇和水蒸气反应腔，由于只能在波浪板表面涂敷催化剂，使得反应腔内远离波浪板表面的甲醇和水蒸气难以发生重整反应，直接从排气口排出，导致产氢率低、甲醇转化率低。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有的重整制氢装置的上述缺陷，提出了一种利用内燃机余热的甲醇催化重整制氢装置及控制方法。本发明能够在发动机排气温度达到300℃以上时，利用内燃机尾气余热将甲醇水溶液催化重整成氢气和一氧化碳，并将产生的重整气输送到进气管，然后进入汽缸燃烧掉。该方式可替代部分汽油并改善汽油的雾化、混合和燃烧，提高汽油机的热效率并降低排放。
为了达到上述目的，本发明采取了如下技术方案。该装置主要包括有设置有测温口2的前端盖1、重整器壳体5、设置有测温口13的后端盖12，前端盖1和后端盖12分别与重整器壳体5连接，重整器壳体5的前部、中部和后部分别为甲醇水溶液气化腔17、催化反应腔16、重整气产物腔15，在重整器壳体5上设置的甲醇水溶液入口6、重整气出口10连通重整器产物腔15，产生的重整气通过重整气出口10进入发动机进气管，其特征在于：在重整器壳体5的中部为多孔蜂窝陶瓷8，多孔蜂窝陶瓷8的内部为催化反应腔16，在催化反应腔16的内壁设置有蜂窝状的小孔，小孔内壁涂敷了重整催化剂，换热管7轴向穿过多孔蜂窝陶瓷8并把发动机余热均匀传给多孔蜂窝陶瓷8。
本发明将管式重整器的换热管7轴向穿过一个多孔陶瓷蜂窝载体，陶瓷载体的小孔内充满了甲醇和水蒸气，多孔蜂窝陶瓷8的小孔内壁涂敷了重整催化剂，由于多孔蜂窝陶瓷8的小孔数量众多，导致绝大部分反应气不但受热均匀且均能与催化剂充分接触，导致甲醇转化率高、产氢率高。由于蜂窝陶瓷可以用很小的体积产生很大的蜂窝表面积，进而形成很大且分布均匀的催化表面积，使得该种管-蜂窝式甲醇重整器可以实现小型化，有利于未来车载使用。
利用本装置进行重整制氢时，电控单元21根据发动机冷却水温度信号18、发动机转速信号19、节气门开度信号20和重整器入口温度信号28来控制本装置的工作状态，具体控制方法如下：
当电控单元21检测到的发动机冷却水温大于85℃、发动机转速大于1000rpm、发动机节气门开度大于20％时，
1)电控单元21再检测重整器入口排气温度传感器28传入的重整器入口温度，当重整器入口温度在300℃～400℃时，电控单元21给甲醇泵23通电，同时打开甲醇水溶液流量控制电磁阀24至1/2开度，延时90s后打开重整气流量控制电磁阀25。
2)当电控单元21检测到的重整器入口温度为400℃～500℃时，打开甲醇水溶液流量控制电磁阀24至3/4开度。
3)当电控单元21检测到的重整器入口温度大于500℃时，打开甲醇水溶液流量控制电磁阀24至全开。
4)当电控单元21检测到的重整器入口温度小于300℃时，关闭甲醇水溶液流量控制电磁阀24和重整气流量控制电磁阀25并给甲醇泵23断电。
只有发动机冷却水温大于85℃、发动机转速大于1000rpm、发动机节气门开度大于20％这三个条件同时满足且重整器入口温度大于300度时，整个余热重整系统才开始工作，任一条件不满足，电控单元21则立即关闭电磁阀24和25并给甲醇泵23断电。并且电控单元21实时检测重整器入口温度，根据检测结果发出相应的控制指令。
本实用新型的工作过程：电控单元21根据接收到的发动机冷却水温信号18、发动机转速信号19、发动机节气门开度信号20、重整器入口排气温度传感器28输入的重整器入口温度信号来控制甲醇泵23、甲醇水溶液流量控制电磁阀24和重整气流量控制电磁阀25动作，进行甲醇重整过程。甲醇水溶液被甲醇泵23从甲醇水溶液箱22泵出，通过电磁阀24泵到甲醇水溶液气化腔17(图1)内，气化后的甲醇蒸汽和水蒸汽，在催化反应腔16(图1)内进行反应，生成的重整气(主要成分为氢气和一氧化碳)进入产物腔15(图1)，产生的重整气经重整气流量控制电磁阀25送至发动机进气管。
本发明针对汽油甲醇混合燃料在内燃机上直接燃烧出现的，诸如腐蚀性、产生醛类排放、能量密度低、甲醇气化潜热大导致低负荷发动机易失火等问题，采用内燃机排气余热使甲醇水溶液在催化剂作用下发生重整反应生成氢气和一氧化碳，再送入汽缸燃烧，不但解决了甲醇直接燃烧存在的问题，还部分利用了内燃机尾气余热，降低了内燃机的排气温度和噪声，而且混氢燃烧后，内燃机的油耗和排放得到降低。
本装置将换热管7与多孔蜂窝陶瓷8制成一体，具有结构紧凑，换热效率高、换热均匀、反应面积大、反应速率快、产氢率高等优点。
附图说明
图1内燃机余热甲醇催化重整制氢装置结构图
图2本发明的工作原理图
图中：1、前端盖，2、前端盖测温口，3、前紧固螺钉，4、换热器前端板，5、重整器壳体，6、甲醇水溶液入口，7、换热管，8、多孔蜂窝陶瓷，9、后紧固螺钉，10、重整气出口，11、换热器后端板，12、后端盖，13、后端盖测温口，14、换热管紧固密封螺母，15、重整气产物腔，16、催化反应腔，17、甲醇水溶液气化腔，18、发动机冷却水温度信号，19、发动机转速信号，20发动机节气门开度信号，21、电控单元，22、甲醇水溶液储箱，23、甲醇泵，24、甲醇水溶液流量控制电磁阀，25、重整气流量控制电磁阀，26、至发动机进气管，27、发动机排气，28、重整器入口排气温度传感器。
具体实施实例
下面结合图1、图2说明本发明的具体实施例。重整器前端盖1通过前紧固螺钉3与重整器壳体5相连，在前端盖1和重整器壳体5之间设置有换热器前端板4。重整器壳体5通过后紧固螺钉9与换热器后端版11和重整器后端盖12相连。换热管7穿过多孔蜂窝陶瓷8，换热管7的一端与换热器前端板4焊接，另一端与换热器后端板11用紧固螺母14紧固密封。甲醇水溶液通过重整器壳体5上的甲醇水溶液入口6进入甲醇水溶液气化腔17，在换热管7内流过的发动机排气温度的作用下气化成甲醇水蒸气，然后进入多孔蜂窝陶瓷的催化反应腔16。存贮在催化反应腔16的各个小孔内的甲醇水蒸气在排气温度和催化剂的共同作用下发生重整反应生成重整气-氢气和一氧化碳，然后这些重整产物进入重整气产物腔15，通过重整气出口10至发动机进气管26。
电控单元21根据重整器入口排气温度传感器28传入的温度信号对甲醇泵23、甲醇水溶液流量控制电磁阀24、重整气流量控制电磁阀25对该装置进行控制，具体控制方法如下：当电控单元21检测到的发动机冷却水温大于85℃、发动机转速大于1000rpm、发动机节气门开度大于20％时，
1)电控单元21再检测重整器入口排气温度传感器28传入的重整器入口温度，当重整器入口温度在300℃～400℃时，电控单元21给甲醇泵23通电，同时打开甲醇水溶液流量控制电磁阀24至1/2开度，延时90s后打开重整气流量控制电磁阀25。
2)当电控单元21检测到的重整器入口温度为400℃～500℃时，打开甲醇水溶液流量控制电磁阀24至3/4开度。
3)当电控单元21检测到的重整器入口温度大于500℃时，打开甲醇水溶液流量控制电磁阀24至全开。
4)当电控单元21检测到的重整器入口温度小于300℃时，关闭甲醇水溶液流量控制电磁阀24和重整气流量控制电磁阀25并给甲醇泵23断电。
利用上述装置在491电控汽油机上做了试验，试验过程如下：
实验1：实验发动机为491电控汽油机，发动机水温为90℃，发动机转速为1500rpm，节气门开度为22％，排气温度为350℃，采用DiGas 4000排放分析仪测量发动机的排放。通过电控单元21给甲醇泵23通电，同时打开电磁阀24至1/2开度，延时90s后打开电磁阀25，通过一个分配器把重整气送入各个汽缸的进气道，减少汽油的喷射量使混氢燃烧后的发动机功率与相同运行工况的纯汽油机一致，发动机稳定运行十分钟后，测量比油耗和排放。与相同条件下的汽油机相比，混氢汽油机比油耗降低8.6％，HC降低48％，CO降低33％，NOx降低12％。
实验2：实验发动机为491电控汽油机，发动机水温为90℃，发动机转速为1500rpm，节气门开度为33％，排气温度为430℃，采用DiGas 4000排放分析仪测量发动机的排放。打开电磁阀24至3/4开度，通过一个分配器把重整气送入各个汽缸的进气道，减少汽油的喷射量使混氢燃烧后的发动机功率与相同运行工况的纯汽油机一致，发动机稳定运行十分钟后，测量比油耗和排放。与相同条件下的汽油机相比，混氢汽油机比油耗降低7.7％，HC降低37％，CO降低26％，NOx降低8％。
实验3：实验发动机为491电控汽油机，发动机水温为90℃，发动机转速为1500rpm，节气门开度为42％，排气温度为520℃，采用DiGas 4000排放分析仪测量发动机的排放。打开电磁阀24至全开，通过一个分配器把重整气送入各个汽缸的进气道，减少汽油的喷射量使混氢燃烧后的发动机功率与相同运行工况的纯汽油机一致，发动机稳定运行十分钟后，测量比油耗和排放。与相同条件下的汽油机相比，混氢汽油机比油耗降低6.8％，HC降低31％，CO降低19％，NOx增加4％。
由此可见，内燃机余热甲醇重整制氢-汽油混合燃料发动机比原汽油机具有更低的比油耗和排放，在低负荷效果更明显，原因是低负荷发动机燃烧状况较差。本发明提供的内燃机余热甲醇重整制氢装置和控制方法能够有效降低发动机的油耗和排放，为甲醇燃料的高效、低污染利用提供了一条可行的技术路线。
Claims (2)
1、一种利用内燃机余热的甲醇催化重整制氢装置，该装置主要包括有设置有第一测温口(2)的前端盖(1)、重整器壳体(5)、设置有第二测温口(13的后端盖(12)，前端盖(1)和后端盖(12)分别与重整器壳体(5)连接，重整器壳体(5)的前部、中部和后部分别设置有甲醇水溶液气化腔(17)、催化反应腔(16)、重整气产物腔(15)，在重整器壳体(5)上设置的甲醇水溶液入口(6)、重整气出口(10)分别连通甲醇水溶液气化腔(17)、重整器产物腔(15)；其特征在于：在重整器壳体(5)的中部为多孔蜂窝陶瓷(8)，多孔蜂窝陶瓷(8)的内部为催化反应腔(16)，在催化反应腔(16)的内壁设置有蜂窝状的小孔，小孔内壁涂敷了重整催化剂，换热管(7)轴向穿过多孔蜂窝陶瓷(8)；甲醇水溶液入口(6)通过甲醇水溶液流量控制电磁阀(24)与甲醇泵(23)相连，重整气出口(10)通过重整气流量控制电磁阀(25)与进气管连通；与第二测温口(13)相连的重整器入口排气温度传感器(28)、重整气流量控制电磁阀(25)、甲醇泵(23)、甲醇水溶液流量控制电磁阀(24)分别与电控单元(21)相连；电控单元(21)还接收发动机冷却水温度信号(18)、发动机转速信号(19)和发动机节气门开度信号(20)。
2、权利要求1所述的一种利用内燃机余热的甲醇催化重整制氢装置的控制方法，其特征在于，电控单元(21)根据重整器入口排气温度传感器(28)传入的温度信号对甲醇泵(23)、甲醇水溶液流量控制电磁阀(24)、重整气流量控制电磁阀(25)对该装置进行控制，具体控制方法如下：当电控单元(21)检测到的发动机冷却水温大于85℃、发动机转速大于1000rpm、发动机节气门开度大于20％时，
1)电控单元(21)再检测重整器入口排气温度传感器(28)传入的重整器入口温度，当重整器入口温度在300℃～400℃时，电控单元(21)给甲醇泵(23)通电，同时打开甲醇水溶液流量控制电磁阀(24)至1/2开度，延时90s后打开重整气流量控制电磁阀(25)。
2)当电控单元(21)检测到的重整器入口温度为400℃～500℃时，打开甲醇水溶液流量控制电磁阀(24)至3/4开度。
3)当电控单元(21)检测到的重整器入口温度大于500℃时，打开甲醇水溶液流量控制电磁阀(24)至全开。
4)当电控单元(21)检测到的重整器入口温度小于300℃时，关闭甲醇水溶液流量控制电磁阀(24)和重整气流量控制电磁阀(25)并给甲醇泵(23)断电。
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