CN205135784U - 一种热超导体裂解醇制氢的内燃机全代燃动力装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种热超导体裂解醇制氢的内燃机全代燃动力装置。所述内燃机全代燃动力装置包括：醇氢裂解器，其上端一侧连接甲醇箱，其上端另一侧连接内燃机；其下端一侧连接储氢罐的上端，其下端另一侧连接下尾气管道将尾气排出；所述内燃机，连接所述储氢罐下端；所述上尾气管道和下尾气管道之间还通过旁管连接；其中，所述醇氢裂解器的上设有热电偶，所述储氢罐一侧设有压力传感器；智能控制器，根据所述热电偶和压力传感器的信号，控制所述内燃机全代燃动力装置的温度、压力、制氢、输氢、甲醇输送。本实用新型所述热超导体裂解醇制氢的内燃机全代燃动力装置体积小、吸热效率高、产生醇氢气体燃料数量大、可操作性强、实用化程度高。

Description

一种热超导体裂解醇制氢的内燃机全代燃动力装置

技术领域

本实用新型涉及一种热超导体裂解醇制氢的内燃机全代燃动力装置，属于新能源技术领域。

背景技术

众所周知：石油是不可再生的一次性资源，采完就没有了。低碳醇基替代燃料是将甲醇或含水乙醇裂解或重整为含氢气、一氧化碳、甲烷等可燃气体与气态甲醇或乙醇共同输入点燃式或压燃式内燃机替代烷基燃料(汽、柴油)进行燃烧。内燃机是把燃料的热能转换成气缸的动能的机器，其转换率只有27％左右，有73％左右的热能从尾气和内燃机机体上浪费了。于是，人类发明了“醇氢能源技术”，以解决内燃机的燃料问题。“醇氢能源技术”的原理是：利用内燃机排出废气的余热，加热串联在内燃机排气管后面的醇氢转化装置，使装置中的甲醇蒸汽通过热催化剂，甲醇蒸汽就裂解成氢、一氧化碳、甲烷、碳氢化合物等可燃气体。因其中氢的含量达到60％以上，我们就把这种用裂解甲醇而变成的富含氢气的可燃气体称为“醇氢”。把“醇氢”输入内燃机代替汽油、柴油做燃料，降低燃料费，这就是“醇氢能源技术”。其价值在于：可以把各种废热能(包括内燃机排出的废气热能)转变成醇氢的化学能，变成财富。我国每年用于内燃机做燃料的汽油、柴油，有两亿多吨，如果使用甲醇裂解成醇氢代替，则每年可以为全国的内燃机派生产品例如汽车、船舶、拖拉机、推土机、汽、柴油内燃机的用户减少燃料费万亿元以上。

实施“醇氢能源技术”，使用甲醇裂解成醇氢代替汽油和柴油，首先，使用各种废热能，把甲醇裂解成醇氢，供给工业和民用，解决了内燃机的燃料问题，这就解决了主要的能源问题；第二，醇氢燃烧变成水和二氧化碳，不污染环境，解决了环保问题；第三，燃烧醇氢生成的二氧化碳比燃烧汽油、柴油生成的二氧化碳的减少量为：59.37％，解决了减排问题；第四，实施“醇氢能源技术”，必然带动甲醇产业、改装业、制造业及其相关的机械、电气、电子、钢铁、材料、化工、交通运输、服务等等行业的发展，这将提供很多就业岗位，将协助解决就业、扶贫问题。

但是，现有的甲醇裂解制氢全代燃或部分代燃的“醇氢能源技术”存在以下问题：

1、由于用现有材料如铝、铜、铁或不锈钢制造的裂解器，由于导热系数较低，使内腔前后温度相差100℃以上，导致甲醇不能完全裂解成醇氢。

这是因为催化剂的裂解温度必须在一定的范围内，如果催化剂的温度低于裂解温度的下限，则甲醇蒸汽就不会裂解，如果催化剂的温度高于裂解温度的上限，则催化剂就被烧坏了，就会失去活性，同样不能裂解甲醇。而现有的“醇氢能源技术”的裂解器，其甲醇蒸汽进入裂解器的方向与热废气流过裂解器的方向重合，裂解器的头尾温差将近100℃，头部的催化剂的温度在催化剂裂解温度范围内了，尾部的催化剂的温度还没有达到催化剂裂解温度范围内，尾部的催化剂的温度在催化剂裂解温度范围内了，头部的催化剂的温度已经超过催化剂裂解温度范围的上限了，则催化剂就被烧坏了，就会失去活性，不能裂解甲醇，因此，现有的技术不能把甲醇完全裂解成醇氢。

2、现有技术不能实现真正意义上的全代燃。

这是因为利用现有的常规技术和常规材料制造的醇氢转化器无法充分利用内燃机尾气热能，致使甲醇无法完全裂解。

(1)、内燃机排放的热量，很不稳定，致使催化剂不能稳定工作，甚至失效。从而造成裂解效果差，向内燃机供应的燃料热值不稳定。

(2)、热废气进入裂解器，传统材料和技术由于导热性差，热量无法被充分吸收，尾气热量的利用率低。

(4)、没有合理的保温措施，部件表面散热，浪费热能。

(5)、市面所售传统催化剂空速比(即每升催化剂在单位时间内能将甲醇裂解成氢气和一氧化碳的比率)只有0.8至1.0，由于受传统醇氢裂解催化剂裂解率的限制，要想达到用醇氢气体全部替代汽/柴油目的，裂解器必须做得极大，否则无法产生足够的氢气和一氧化碳等可燃气体来实现全部替代汽、柴油燃烧的目的。而如果裂解器体积太大就完全没有实用价值。而用高效甲醇裂解催化剂，则裂解器只需原有的五分之一即可，真正具有实用价值。

实用新型内容

为解决现有技术无法利用甲醇裂解制氢实现全代燃内燃机实用化的问题，解决全代燃技术的可行性、实用性问题，本实用新型的目的提供一种热超导体裂解醇制氢的内燃机全代燃动力装置。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种热超导体裂解醇制氢的内燃机全代燃动力装置，包括：

醇氢裂解器，其上端一侧通过甲醇输送管连接甲醇箱，其上端另一侧通过上尾气管道连接内燃机；所述醇氢裂解器下端一侧通过氢气输送管连接储氢罐的上端，所述醇氢裂解器下端另一侧连接下尾气管道将尾气排出；

所述内燃机，通过氢气输送管连接所述储氢罐下端；

所述上尾气管道和下尾气管道之间还通过旁管连接；

其中，所述醇氢裂解器的上设有热电偶，所述储氢罐一侧设有压力传感器；所述醇氢裂解器从上到下依次设有进口、预热室A、催化裂解室、预热室B和出口，所述醇氢裂解器外部还设有外壳，所述催化裂解室内设有热超导管尾气通道；

智能控制器，根据所述热电偶和压力传感器的信号，控制所述内燃机全代燃动力装置的温度、压力、制氢、输氢、甲醇输送、甲醇混合氢气燃烧。

进一步的，包括泄露监测装置，用于监测可燃气体的泄露。

进一步的，所述内燃机为点燃式内燃机或压燃式内燃机。

进一步的，所述甲醇输送管上设有甲醇喷嘴，并通过所述甲醇喷嘴将甲醇输入所述醇氢裂解器。

进一步的，所述氢气输送管设有氢气喷嘴，并通过所述氢气喷嘴将氢气输入所述内燃机。

进一步的，所述甲醇箱和所述甲醇喷嘴之间设有甲醇滤清器。

进一步的，所述储氢罐和所述氢气喷嘴之间设有电磁阀。

进一步的，所述的热超导体裂解醇制氢的内燃机全代燃动力装置还包括工作指示灯和电源指示灯，由所述智能控制器控制。

进一步的，所述的热超导体裂解醇制氢的内燃机全代燃动力装置还包括甲醇泵，其与所述甲醇箱连接。

一种使用所述热超导体裂解醇制氢的内燃机全代燃动力装置全代燃的方法，包括以下步骤：

步骤1，内燃机的高温尾气通过上尾气管道进入所述醇氢裂解器并加热所述醇氢裂解器；

步骤2，所述热电偶将所述醇氢裂解器的温度指数传递给智能控制器，达到350-400℃，甲醇箱中的冷甲醇输入到所述醇氢裂解器的预热室A；

步骤3，在所述预热室A中，将冷甲醇加热成甲醇蒸汽；

步骤4，所述甲醇蒸汽进入所述催化裂解室中，被加热成温度为400-450℃的过热甲醇蒸汽，在所述催化裂解室中催化剂的作用下，过热甲醇蒸汽裂解成高温富氢气体；

步骤5，高温尾气经过被醇氢裂解器吸热后，成为中温尾气进入预热室B，预热冷甲醇；高温富氢气体进入预热室B，预热冷甲醇；

步骤6，被吸热后的富氢气体存入所述储氢罐，所述储氢罐中的富氢气体通过所述氢气输送管输入所述内燃机。

进一步的，所述催化裂解室中催化剂的组分为：氧化铜≤21.5％，氢氧化锰≤38.0％，氯化锑≤16.5％，五氧化二钒≤0.05％，金属铂≤0.05％，二氧化钛≤28.9％。

进一步的，所述甲醇蒸汽与高温尾气在所述催化裂解室内的流动方向垂直。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型可利用氢气燃烧完全、快速的特点掺烧甲醇。本实用新型使输入内燃机的掺烧甲醇完全燃烧，控制甲醇掺烧后尾气中产生的甲醛含量接近零排放，大大低于国五标准。本实用新型能使尾气中有害物质的排放在原有基础降低95％以上。本实用新型包括对氢气、一氧化碳可燃气体泄漏监测系统，保证在发生泄漏时自动关闭制氢系统和甲醇输入系统。本实用新型包括甲醇冷启动技术，能保证在零下20℃时瞬间启动。本实用新型利用ECU对整个过程进行全程控制。ECU智能控制器自动调整富氢气体输入量，当富氢气体输入量不足时，ECU将自动开启甲醇直输系统，让甲醇进内燃机辅助燃烧，保证内燃机正常运行。本实用新型中ECU自动调控全代燃可燃气体输入压力和储存压力，在最大化利用汽车排气管余热裂解制氢的同时保证使用的安全性和运行的可靠性、稳定性。

本实用新型所述热超导体裂解醇制氢的内燃机全代燃动力装置体积小、吸热效率高、产生醇氢气体燃料数量大、可操作性强、实用化程度高。

本实用新型使用高效甲醇(或乙醇)裂解制氢催化剂，该种高效催化剂的空速比(单位体积催化率)是常规甲醇裂解催化剂的10倍以上。

附图说明

图1为本实用新型所述热超导体裂解醇制氢的内燃机全代燃动力装置的结构示意图；

图2为本实用新型所述醇氢裂解器的结构示意图；

图3为本实用新型所述醇氢裂解器的剖面结构示意图；

其中，1-内燃机，2-醇氢裂解器，3-储氢罐，4-电磁阀，5-甲醇箱，6-热电偶，7-甲醇喷嘴，8-甲醇滤清器，9-压力传感器，10-甲醇输送管，11-内燃机，12-氢气输送管，13-氢气喷嘴，14-智能控制器，15-进口，16-预热室A，17-催化裂解室，18-热超导管尾气通道，19-外壳，20-预热室B，21-出口。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施方式和附图，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，一种热超导体裂解醇制氢的内燃机全代燃动力装置，包括：

醇氢裂解器2，由PCI传热材料制成。

相变抑制(PCI)传热是在专门设计的密封槽道腔内注入特配工质，当其受热时，普遍存在的沸腾现象便受到抑制，从而呈现热的高效传热现象。该现象被李居强先生在2005年发现。PCI传热具有如下特点：a、适应温度范围宽，可以在-40℃～1300℃范围内工作。b、传热速度快：用1000W或更高功率的电弧火炬作为热源对准2mm厚PCI器件表面1cm²或更小面积区域喷烧加热，热源刚撤出，人手就可立即触摸器件背面；传热速率为毫秒级。c、传热密度高：利用薄膜加热器或大功率火炬喷烧加热PCI器件，实际测量可以达到传热密度为100-1000W/CM²，是一般热管传热密度的十倍以上。d、热载能力大。e、传热耗损小。f、传热/散热结构一体。g、均温性好。h、良好的器件方位适应性：可以实现反重力传热和马鞍型传热。i、易于制造、调整和维护。

PCI与其他传热方式对比：

铝材薄板型PCI高效传热器以大规模量产并应用于航空航天、高铁、太阳能集热和采暖散热片等诸多领域。同时，正在向大功率微处理器散热、LED背投电视和IGBT等器件及各种电子器件散热领域拓展运用。目前又将PCI技术应用于生产全代燃醇氢动力系统中。

在PCI醇氢裂解器中，如果装入传统的甲醇裂解制氢催化剂，要想实现一辆1.8升排量汽车的全代燃，必须装15升催化剂才能产生足够的富氢气体。因此必须做一个巨大的氢发生器才能装得下15升催化剂，根本没有实用性和可行性。本实用新型所使用的高效催化剂的空速比比传统催化剂高10倍，即1升催化剂可裂解10升甲醇。若采用本实用新型所述的高效催化剂则只须装2升—3升催化剂在一个暖水瓶大小的醇氢裂解器里就足够了。

由于传热密度极高，可以使高温尾气直通。高温尾气从醇氢裂解器2的上端进入，从醇氢裂解器2的下端流出，甲醇过热蒸汽迂回曲折，其流动方向与高温尾气的流动方向垂直，甲醇蒸汽从进入催化裂解室17的头到富氢气体离开催化裂解室17的尾，都保证可以处于同一加热温度面上，误差控制在±5℃。这样甲醇蒸汽在同一加热温度面裂解十分完全。醇氢裂解器2上端一侧通过甲醇输送管10连接甲醇箱5，其上端另一侧通过上尾气管道连接内燃机1。其中，所述甲醇箱5是由汽油箱经防腐处理后，盛放裂解所需的甲醇或乙醇；其配套的甲醇泵由ECU智能控制器控制，根据系统的温度、压力的变化甲醇开关泵，使甲醇进入醇氢裂解器2和内燃机。所述甲醇输送管10上设有甲醇喷嘴7，并通过所述甲醇喷嘴7将甲醇输入所述醇氢裂解器2，所述甲醇箱5和所述甲醇喷嘴7之间设有甲醇滤清器8，用以过滤甲醇。

所述内燃机1为点燃式内燃机或压燃式内燃机。

所述醇氢裂解器2下端一侧通过氢气输送管12连接储氢罐3的上端，所述醇氢裂解器2下端另一侧连接下尾气管道。其中，所述储氢罐3为低压容器，压力≤1.0Mpa，存储甲醇裂解制氢时产生的富氢气体，可保证供气的压力均匀。

如图2所示，所述醇氢裂解器2从上到下依次设有甲醇进口15、预热室A16、催化裂解室17、预热室B20和氢气出口21，所述醇氢裂解器2外部还设有外壳19，所述催化裂解室17内设有热超导管尾气通道18，用以尾气流通。

所述内燃机1，通过氢气输送管12连接所述储氢罐3下端；所述氢气输送管12设有氢气喷嘴13，并通过所述氢气喷嘴13将氢气输入所述内燃机1的汽缸以代替汽、柴油燃烧。

所述上尾气管道和下尾气管道之间还通过旁管11连接；旁管11有三通与上尾气管道相联，当醇氢裂解器2温度高于预设值时，ECU就打开排气旁管11，使从醇氢裂解器2中流过的热废气停止，反之亦然，这样就可以把醇氢裂解器2内催化裂解室17的温差调整控制在预定温度范围内。整个催化裂解室17内催化剂的温差可以控制在±5℃以内，完全达到催化剂对温差的要求。

其中，所述醇氢裂解器2的上设有两支热电偶6，测定醇氢裂解器前、后端的温度，并将信号输入ECU智能控制器14，所述储氢罐3一侧设有压力传感器9；测量所述储氢罐3的压力。

智能控制器14，与原车CPU联网，根据热电偶与压力传感器的信号对整个热超导体裂解醇制氢的内燃机全代燃动力装置的温度、压力、制氢、输氢、甲醇输送、甲醇混合氢气燃烧进行控制。

一种使用所述的热超导体裂解醇制氢的内燃机全代燃动力装置全代燃的方法，包括以下步骤：

步骤1，内燃机的高温尾气通过上尾气管道进入所述醇氢裂解器(2)并加热所述醇氢裂解器(2)；

步骤2，所述醇氢裂解器(2)的温度达到350-400℃，所述甲醇箱(5)中的冷甲醇输入到所述醇氢裂解器(2)的预热室A；

步骤3，在所述预热室A16中，将冷甲醇加热成甲醇蒸汽；

步骤4，所述甲醇蒸汽进入所述催化裂解室17中，被加热成温度为400-450℃的过热甲醇蒸汽，在所述催化裂解室17中催化剂的作用下，过热甲醇蒸汽裂解成高温富氢气体；

步骤5，高温尾气经过被醇氢裂解器2吸热后，成为中温尾气进入预热室B，预热冷甲醇；高温富氢气体进入预热室B20，预热冷甲醇；

步骤6，被吸热后的富氢气体存入所述储氢罐(3)，所述储氢罐(3)中的富氢气体通过所述氢气输送管(12)输入所述内燃机(1)。

所述催化裂解室中催化剂的组分为：氧化铜≤21.5％，氢氧化锰≤38.0％，氯化锑≤16.5％，五氧化二钒≤0.05％，金属铂≤0.05％，二氧化钛≤28.9％。

所述甲醇蒸汽与高温尾气在所述催化裂解室17内的流动方向垂直。

本实用新型中，甲醇裂解制氢的化学分子式为：CH₃OH→2H₂↑+CO↑

其中CH₃OH是甲醇分子式；一分子甲醇裂解后产生2分子H₂和一分子CO。由于是新生态的氢分子和一氧化碳分子，十分活跃，我们叫他新生态富氢气体。富氢气体的准确组成成份如下表：

富氢气体的空燃比为0.1～7.1，范围远大于汽、柴油，因此可以实现稀薄燃烧。由于甲醇的热值(21MJ/kg)只相当于汽油热值(44MJ/kg)的48％，而氢的热值(132MJ/kg)是汽油热值(44MJ/kg)的3倍。氢的燃烧速度是汽油的7倍多，富氢气体的辛烷值为120，远高于97#汽油，而且点火提前角推迟，因此在实现等容燃烧的同时，可提高内燃机压缩比，提高燃烧效率5～12％。同时甲醇在PCI传热材料制作的醇氢裂解器中，又吸收了内燃机被浪费的73％左右的34％以上的热能之后转化成为醇氢。因此，汽缸热效率实际上提高了46％。清华大学“汽车安全与节能国家重点实验室”检测证明：等量醇氢的热值大于等量汽油，醇氢在内燃机中做燃料时，与等量的汽油对比，扭矩提高了5％，热效率提高10％。

由于富氢气体在内燃机腔体内燃烧温度高、辛烷值高、火焰传播速度快，因此在输入富氢气体的同时，可以输入部分甲醇混合燃烧，使甲醇在富氢气体燃烧的帮助下能充分燃烧，安全燃烧。ECU智能控制器自动调整富氢气体输入量，当富氢气体输入量不足时，ECU将自动开启甲醇直输系统，让甲醇进内燃机辅助燃烧，保证内燃机正常运行。混合燃烧所产生的尾气中污染物接近零排放，可达到下表：

项目	CO	NOX	HC
				国标排放	≤1.2％	≤1350×10-6	19×10-6
实际排放	≤0.05％	≤20×10-6	10×10-6

由于汽油是含4～12个碳原子组成的复杂烃类混合物，柴油是由9～18个碳原子组成的烃烷混合物，而甲醇及其裂解产生的富氢气体中只含1个碳原子，因此，根据清华大学测试同样克分子数的富氢气体燃烧后产生的二氧化碳将比汽、柴油燃烧减少30％以上，是典型的低碳型环保替代燃料。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种热超导体裂解醇制氢的内燃机全代燃动力装置，其特征在于，包括：

醇氢裂解器(2)，其上端一侧通过甲醇输送管(10)连接甲醇箱(5)，其上端另一侧通过上尾气管道连接内燃机(1)；所述醇氢裂解器(2)下端一侧通过氢气输送管(12)连接储氢罐(3)的上端，所述醇氢裂解器(2)下端另一侧连接下尾气管道；

所述内燃机(1)，通过氢气输送管(12)连接所述储氢罐(3)下端；

所述上尾气管道和下尾气管道之间还通过旁管(11)连接；

其中，所述醇氢裂解器(2)上设有热电偶(6)，所述储氢罐(3)一侧设有压力传感器(9)；所述醇氢裂解器(2)从上到下依次设有进口(15)、预热室A(16)、催化裂解室(17)、预热室B(20)和出口(21)，所述醇氢裂解器(2)外部还设有外壳(19)，所述催化裂解室(17)内设有热超导管尾气通道(18)，所述热超导管尾气通道(18)包括横向尾气通道和纵向尾气通道；

智能控制器(14)，根据所述热电偶(6)和压力传感器(9)的信号，控制所述内燃机全代燃动力装置的温度、压力、制氢、输氢、甲醇输送、甲醇混合氢气燃烧。

2.根据权利要求1所述的热超导体裂解醇制氢的内燃机全代燃动力装置，其特征在于，还包括泄露监测装置，用于监测可燃气体的泄露。

3.根据权利要求1所述的热超导体裂解醇制氢的内燃机全代燃动力装置，其特征在于，所述内燃机(1)为点燃式内燃机或压燃式内燃机。

4.根据权利要求1所述的热超导体裂解醇制氢的内燃机全代燃动力装置，其特征在于，所述甲醇输送管(10)上设有甲醇喷嘴(7)，并通过所述甲醇喷嘴(7)将甲醇输入所述醇氢裂解器(2)。

5.根据权利要求1所述的热超导体裂解醇制氢的内燃机全代燃动力装置，其特征在于，所述氢气输送管(12)设有氢气喷嘴(13)，并通过所述氢气喷嘴(13)将氢气输入所述内燃机(1)。

6.根据权利要求4所述的热超导体裂解醇制氢的内燃机全代燃动力装置，其特征在于，所述甲醇箱(5)和所述甲醇喷嘴(7)之间设有甲醇滤清器(8)。

7.根据权利要求5所述的热超导体裂解醇制氢的内燃机全代燃动力装置，其特征在于，所述储氢罐(3)和所述氢气喷嘴(13)之间设有电磁阀(4)。

8.根据权利要求1所述的热超导体裂解醇制氢的内燃机全代燃动力装置，其特征在于，还包括工作指示灯和电源指示灯，由所述智能控制器(14)控制。

9.根据权利要求1所述的热超导体裂解醇制氢的内燃机全代燃动力装置，其特征在于，还包括甲醇泵，其与所述甲醇箱(5)连接。