CN205668941U - 利用发动机尾气余热制氢的乙醇重整器 - Google Patents

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游伏兵
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Abstract

本实用新型公开了一种利用发动机尾气余热制氢的乙醇重整器，包括筒形结构的反应壳体、前端盖及后端盖，热介质出口通过若干个换热管束与热介质进口相连，反应壳体内腔中从前向后通过中间折流板将反应壳体内腔分成蒸发区域和催化反应区域；所述中间折流板一端固定在反应壳体内腔的内壁上，所述中间折流板另一端与反应壳体内腔内壁之间的缺口位置处设置催化剂载体。通过增加折流板，充分利用反应壳体的内部空间，延长含水乙醇的蒸发时间、以及为乙醇蒸汽和水蒸汽提供足够的反应时间，克服了传统蒸发和反应时间短、重整率低的问题；另外，在中间折流板和催化反应区域折流板的缺口处装催化剂，乙醇蒸汽和水蒸汽多次经过催化剂，可进一步提高重整率。

Description

利用发动机尾气余热制氢的乙醇重整器
技术领域
本实用新型属于内燃机余热应用领域，具体是指一种利用发动机尾气余热制氢的乙醇重整器。
背景技术
太阳能、风能、海洋能、地热能和生物质能等可再生能源都是未来潜在的替代能源。在目前的技术条件下，和其他可再生能源相比，生物质能中的生物酒精因其能量密度的优势更适于作为载运工具的替代燃料。生物乙醇作为车用替代燃料的技术最为成熟，乙醇汽油已得到广泛应用。但在现有发动机上使用乙醇汽油乙醇的含量不能大于10％，替代率低。若直接燃用高乙醇含量的乙醇汽油发动机需做大的结构改造。而且乙醇汽油对乙醇的纯度要求高，必须是脱水酒精，体积浓度在99.5％以上。
现有的重整制氢装置形式多样。例如，一种乙醇重整器(游伏兵，含水酒精重整燃料发动机研究，武汉理工大学博士论文)采用的是管壳式结构，该装置用两个腔室将乙醇水溶液的蒸发部分和乙醇水蒸气的催化反应部分隔开，在乙醇水溶液蒸发部分的管程中通入含水乙醇，在乙醇水蒸气反应部分的管程中通入含水乙醇蒸气，并在该部分的管程中添加催化剂，而整个壳程中则通入发动机尾气。该重整器两个腔室之间的密封比较困难，且在高温条件下经过长时间反应后，由于在催化剂表面形成积碳、烧结等原因造成催化剂中毒和管程堵塞，严重影响了乙醇的转化率和氢气的选择性，甚至导致重整器失效。
另外，中国发明专利申请(公布号CN104555923A、公布日2015.04.29)公开了一种车载含水乙醇低温重整制氢方法及其装置和应用系统，其重整器采用管壳式结构，在管程中通入发动机尾气， 在壳程中通入乙醇，并且在管程和壳程之间添加了两级蜂窝钛网结构，两级催化的结构提高了乙醇的重整率，但是乙醇蒸汽在壳程中流动距离短，停留时间过短，一定程度上缩短了反应时间，降低了重整率。
发明内容
本实用新型的目的就是针对上述技术的不足，提供一种降低发动机排气背压、提高发动机尾气传热效率的利用发动机尾气余热制氢的乙醇重整器，从而增大乙醇蒸汽与水蒸气反应的时间和空间，进一步提高含水乙醇的重整率。
为实现上述目的，本实用新型所设计的利用发动机尾气余热制氢的乙醇重整器，包括筒形结构的反应壳体、设置在反应壳体前端的前端盖及设置在反应壳体后端的后端盖，所述前端盖上设置有热介质进口，所述后端盖上设置有热介质出口，所述热介质出口通过若干个换热管束与热介质进口相连，所述反应壳体内腔中从前向后通过中间折流板将反应壳体内腔分成蒸发区域和催化反应区域，所述中间折流板开有穿过换热管束的通孔，且所述通孔的直径与所述换热管束的外径相同；所述中间折流板一端固定在反应壳体内腔的内壁上，所述中间折流板另一端与反应壳体内腔内壁之间的缺口位置处设置催化剂载体，所述催化剂载体上分布有催化剂；位于所述蒸发区域前端的反应壳体上开设有含水乙醇进口，位于催化反应区域末端的反应壳体上开设有富氢气体出口。
进一步地，所述蒸发区域内分布有至少一个蒸发区域折流板，每个蒸发区域折流板开有穿过换热管束的通孔，且所述通孔的直径与所述换热管束的外径相同；每个蒸发区域折流板一端均固定在反应壳体内腔的内壁上，每个蒸发区域折流板另一端与反应壳体内腔内壁之间均有缺口，相邻蒸发区域折流板的缺口均错开布置，且与所述中间折流板相邻的所述蒸发区域折流板的缺口与所述中间折流板的缺口错开布置。
进一步地，所述催化反应区域内分布有至少一个催化反应区域 折流板，每个催化反应区域折流板开有穿过换热管束的通孔，且所述通孔的直径与所述换热管束的外径相同；每个催化反应区域折流板一端均固定在反应壳体内腔的内壁上，每个催化反应区域折流板另一端与反应壳体内腔内壁之间均有缺口，相邻催化反应区域折流板的缺口均错开布置，且与所述中间折流板相邻的所述催化反应区域折流板的缺口与所述中间折流板的缺口错开布置；每个催化反应区域折流板的缺口位置处均设置催化剂载体，催化剂载体上分布有催化剂。
进一步地，所述若干个换热管束以所述反应壳体轴心为基准，对称分布在反应壳体内，且所述换热管束的直径为所述反应壳体内径的1/9～1/7。
进一步地，所述换热管束在水平方向和竖直方向上，相邻换热管束轴心间的距离均为换热管束直径的倍。
进一步地，所述中间折流板和所述催化反应区域折流板与催化剂载体在竖直方向上的高度比均为2:1～4:1。
进一步地，所述含水乙醇进口和所述富氢气体出口布置在所述反应壳体的上下两侧，且所述含水乙醇进口的直径与所述富氢气体出口的直径比为3:5～4:5。
进一步地，所述反应壳体前端套装有前支撑盘，所述反应壳体后端套装有后支撑盘，所述换热管束的一端固定在前支撑盘上，且另一端固定在后支撑盘上。
与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
1、采用逆流式换热，即采用换热管束，乙醇蒸汽流动方向与尾气流动方向相反，克服了传统将尾气通入壳程中排气背压大；
2、优化了反应壳体内腔的结构，通过增加折流板，充分利用反应壳体的内部空间，延长含水乙醇的蒸发时间、以及为乙醇蒸汽和水蒸汽提供足够的反应时间，克服了传统蒸发和反应时间短、反应通道易堵塞、反应空间小及重整率低的问题；
3、在中间折流板和催化反应区域折流板的缺口处装催化剂，乙 醇蒸汽和水蒸汽多次经过催化剂，可进一步提高重整率；
4、本实用新型的乙醇重整器具有结构简单、占用空间小、换热系数高、多级催化的特点，能够充分利用发动机的尾气余热，进一步提高乙醇的重整率，具有很大的实用价值。
附图说明
图1为本实用新型利用发动机尾气余热制氢的乙醇重整器的立体结构示意图；
图2为图1的主视示意图；
图3为图2的侧视示意图；
图4为图2中催化剂载体结构示意图。
图中各部件标号如下：反应壳体1、前端盖2、后端盖3、热介质进口4、热介质出口5、前支撑盘6、后支撑盘7、富氢气体出口8、含水乙醇进口9、中间折流板10、缺口11、催化反应区域12、蒸发区域折流板13、蒸发区域14、催化反应区域折流板15、催化剂16、换热管束17、催化剂载体18。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。
如图1所示的利用发动机尾气余热制氢的乙醇重整器，包括筒形结构的反应壳体1、设置在反应壳体1前端的前端盖2、套装在反应壳体1前端的前支撑盘6、设置在反应壳体1后端的后端盖3及套装在反应壳体1后端的后支撑盘7，结合图2所示，前端盖2上设置有热介质进口4，后端盖3上设置有热介质出口5，热介质出口5通过若干个换热管束17与热介质进口4相连，换热管束17的一端固定在前支撑盘6上，且另一端固定在后支撑盘7上，使得发动机尾气从前端盖2进入乙醇重整器，并分流进入换热管束17，然后从后端盖3流出。前支撑盘6和后支撑盘7起支撑和定位反应壳体1内的换热管束17，并将发动机尾气与乙醇重整器内腔隔开，迫使尾气流入热管；而换热管束17是乙醇重整器的核心部件之一，它是热量 交换的媒介，将发动机尾气的热量提供给酒精蒸发和反应。即反应壳体1、前支撑盘6、后支撑盘7、换热管束17、前端盖2及后端盖3形成内腔，内腔为含水乙醇的蒸发和催化反应提供了足够空间。
本实施例的关键点在于：反应壳体1内腔中从前向后通过中间折流板10将反应壳体1内腔分成蒸发区域14和催化反应区域12，位于蒸发区域14前端的反应壳体1上开设有含水乙醇进口9，位于催化反应区域12末端的反应壳体1上开设有富氢气体出口8。并且，本实施例中含水乙醇进口9和富氢气体出口8布置在反应壳体1的上下两侧，且含水乙醇进口9的直径与富氢气体出口8的直径比为3:5～4:5(由于气体比液体体积大，含水乙醇进入重整器后体积膨胀，因此，富氢气体出口的直径比含水乙醇进口的直径稍大)，优选为3:4。
本实施例中蒸发区域14内分布有至少一个蒸发区域折流板13(如图2所示，有一个蒸发区域折流板13，充分利用乙醇重整器的内部空间，延长蒸发的路径和时间)，催化反应区域12内分布有至少一个催化反应区域折流板15(如图2所示，有两个催化反应区域折流板15，为乙醇蒸汽和水蒸汽提供足够的反应时间，提高重整率)。结合图3所示，所有蒸发区域折流板13、所有催化反应区域折流板15及中间折流板10均开有穿过换热管束17的通孔，且通孔的直径与换热管束17的外径相同。中间折流板10一端固定在反应壳体1内腔的内壁上，中间折流板10另一端与反应壳体1内腔内壁之间有缺口11，每个催化反应区域折流板15一端均固定在反应壳体1内腔的内壁上，每个催化反应区域折流板15另一端与反应壳体1内腔内壁之间均有缺口11，相邻催化反应区域折流板15的缺口11均错开布置，且与中间折流板10相邻的催化反应区域折流板15的缺口11与中间折流板10的缺口11错开布置；并且，中间折流板10的缺口11和每个催化反应区域折流板15的缺口11位置处均设置催化剂载体18，催化剂载体18采用蜂窝陶瓷结构，如图4所示，其催化剂载体18上分布有催化剂16(中间折流板和催化反应区折流板均装有催 化剂，乙醇蒸汽和水蒸汽会多次经过催化剂，进一步提高重整率)，另外，本实施例中中间折流板10和催化反应区域折流板15与催化剂载体18在竖直方向上的高度比均为2:1～4:1，优选为3:1。同理，每个蒸发区域折流板13一端均固定在固定在反应壳体1内腔的内壁上，每个蒸发区域折流板13另一端与反应壳体1内腔内壁之间均有缺口11，相邻蒸发区域折流板13的缺口11均错开布置，且与中间折流板10相邻的蒸发区域折流板13的缺口11与中间折流板10的缺口11错开布置。
本实施例中的折流板为乙醇蒸汽在乙醇重整器中的流动导向，并将乙醇重整器分成多个腔室(如本实施例中四个折流板分成五个小腔室)，前面两个小腔室供含水乙醇蒸发，后面三个小腔室加装催化剂，供乙醇蒸汽和水蒸汽反应。含水乙醇从含水乙醇进口流入乙醇重整器，在高温条件下，在前两个小腔室中迅速蒸发成乙醇蒸汽和水蒸汽，并沿着折流板在后面三个小腔室中流动，并发生三级催化反应，生成富氢混合气，从富氢气体出口流出。在催化剂作用下，乙醇蒸汽和水蒸汽会发生比较复杂的化学反应，最终产物有H2、CH4、CO、C2H4等，以及没有反应完的乙醇蒸汽，该混合气可通入发动机进气管，供发动机直接燃烧,并能改善发动机排放。
另外，结合图3所示，本实施例中若干个换热管束17以反应壳体1轴心为基准，对称分布在反应壳体1内，能充分提高换热；且换热管束17的直径为反应壳体内径的1/9～1/7，优选为1/8，且换热管束17在水平方向和竖直方向上，相邻换热管束轴心间的距离均为换热管束直径的倍。发动机尾气从换热管束中流过，将热量传递给覆盖在换热管束周围的含水乙醇，阻力小，可明显降低发动机的排气背压。
本实用新型的乙醇重整器采用逆流式换热，即采用换热管束，乙醇蒸汽流动方向与尾气流动方向相反，克服了传统将尾气通入壳程中排气背压大；优化了反应壳体内腔的结构，通过增加折流板，充分利用反应壳体的内部空间，延长含水乙醇的蒸发时间、以及为乙醇蒸汽和水蒸汽提供足够的反应时间，克服了传统蒸发和反应时间短、反应通道易堵塞、反应空间小及重整率低的问题；另外，在中间折流板和催化反应区域折流板的缺口处装催化剂，乙醇蒸汽和水蒸汽多次经过催化剂，可进一步提高重整率。
综上所述，本实用新型的乙醇重整器具有结构简单、占用空间小、换热系数高、多级催化的特点，能够充分利用发动机的尾气余热，进一步提高乙醇的重整率，具有很大的实用价值。

Claims (8)

1.一种利用发动机尾气余热制氢的乙醇重整器，包括筒形结构的反应壳体(1)、设置在反应壳体(1)前端的前端盖(2)及设置在反应壳体(1)后端的后端盖(3)，所述前端盖(2)上设置有热介质进口(4)，所述后端盖(3)上设置有热介质出口(5)，所述热介质出口(5)通过若干个换热管束(17)与热介质进口(4)相连，其特征在于：所述反应壳体(1)内腔中从前向后通过中间折流板(10)将反应壳体内腔分成蒸发区域(14)和催化反应区域(12)，所述中间折流板(10)开有穿过换热管束(17)的通孔，且所述通孔的直径与所述换热管束(17)的外径相同；所述中间折流板(10)一端固定在反应壳体(1)内腔的内壁上，所述中间折流板(10)另一端与反应壳体(1)内腔内壁之间的缺口(11)位置处设置催化剂载体(18)，所述催化剂载体(18)上分布有催化剂(16)；位于所述蒸发区域(14)前端的反应壳体(1)上开设有含水乙醇进口(9)，位于催化反应区域(12)末端的反应壳体(1)上开设有富氢气体出口(8)。
2.根据权利要求1所述的利用发动机尾气余热制氢的乙醇重整器，其特征在于：所述蒸发区域(14)内分布有至少一个蒸发区域折流板(13)，每个蒸发区域折流板(13)开有穿过换热管束(17)的通孔，且所述通孔的直径与所述换热管束(17)的外径相同；每个蒸发区域折流板(13)一端均固定在反应壳体(1)内腔的内壁上，每个蒸发区域折流板(13)另一端与反应壳体(1)内腔内壁之间均有缺口(11)，相邻蒸发区域折流板(13)的缺口(11)均错开布置，且与所述中间折流板(10)相邻的所述蒸发区域折流板(13)的缺口(11)与所述中间折流板(10)的缺口(11)错开布置。
3.根据权利要求1所述的利用发动机尾气余热制氢的乙醇重整器，其特征在于：所述催化反应区域(12)内分布有至少一个催化反应区域折流板(15)，每个催化反应区域折流板(15)开有穿过换热管束(17)的通孔，且所述通孔的直径与所述换热管束(17)的 外径相同；每个催化反应区域折流板(15)一端均固定在反应壳体(1)内腔的内壁上，每个催化反应区域折流板(15)另一端与反应壳体(1)内腔内壁之间均有缺口(11)，相邻催化反应区域折流板(15)的缺口(11)均错开布置，且与所述中间折流板(10)相邻的所述催化反应区域折流板(15)的缺口(11)与所述中间折流板(10)的缺口(11)错开布置；每个催化反应区域折流板(15)的缺口(11)位置处均设置催化剂载体(18)，催化剂载体(18)上分布有催化剂(16)。
4.根据权利要求1或2或3所述的利用发动机尾气余热制氢的乙醇重整器，其特征在于：所述若干个换热管束(17)以所述反应壳体(1)轴心为基准，对称分布在反应壳体(1)内，且所述换热管束(17)的直径为所述反应壳体(1)内径的1/9～1/7。
5.根据权利要求1或2或3所述的利用发动机尾气余热制氢的乙醇重整器，其特征在于：所述换热管束(17)在水平方向和竖直方向上，相邻换热管束(17)轴心间的距离均为换热管束(17)直径的倍。
6.根据权利要求1或2或3所述的利用发动机尾气余热制氢的乙醇重整器，其特征在于：所述中间折流板(10)和所述催化反应区域折流板(15)与催化剂载体(18)在竖直方向上的高度比均为2:1～4:1。
7.根据权利要求1或2或3所述的利用发动机尾气余热制氢的乙醇重整器，其特征在于：所述含水乙醇进口(9)和所述富氢气体出口(8)布置在所述反应壳体(1)的上下两侧，且所述含水乙醇进口(9)的直径与所述富氢气体出口(8)的直径比为3:5～4:5。
8.根据权利要求1或2或3所述的利用发动机尾气余热制氢的乙醇重整器，其特征在于：所述反应壳体(1)前端套装有前支撑盘(6)，所述反应壳体(1)后端套装有后支撑盘(7)，所述换热管束(17)的一端固定在前支撑盘(6)上，且另一端固定在后支撑盘(7)上。
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