CN209352552U - 一种发动机用含水乙醇耦合重整制氢装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种发动机用含水乙醇耦合重整制氢装置，壳体前端法兰、壳体法兰密封垫片、重整器前盖板采用螺栓紧固件连接，壳体后端法兰壳体法兰密封垫片重整区管路连接板、重整器后盖板采用螺栓紧固件连接，且重整器后盖板设有重整气出口管；重整器前盖板设有外丝螺纹孔，外丝螺纹孔与含水乙醇入口管采用内丝接头与密封填料函连接、密封；通过气态腔从前向后将重整器壳体内部空间分为蒸发区与重整区；发动机废气入口管与发动机废气出口管布置在重整器壳体的上下两侧。将乙醇的蒸发与重整耦合于一体，且内部折流板设置较为巧妙，具有结构紧凑，换热效果良好，内部结构与外部结构易于拆卸，内部管路清洗相对容易，催化剂易于更换的特点。

Description

一种发动机用含水乙醇耦合重整制氢装置

技术领域

本实用新型属于内燃机余热应用领域，具体涉及一种发动机用含水乙醇耦合重整制氢装置。

背景技术

氢气作为一种高效，清洁的能源，已被认为是解决21世纪人类社会能源危机的清洁能源之一。由于氢气的高热值和低排放，以及掺入氢气对内燃机燃烧的改善，使汽车获得了更高的热效率，希望能被广泛运用。但氢气存在着生产成本高、存储和运输困难等问题。目前采用的氢气制备方法以化石燃料重整和水电解为主。乙醇等低碳醇因其含氢量高、廉价、易储存、运输方便、来源广泛等特点，成为制氢研究的主要对象。乙醇作为一种可再生燃料，可从甘蔗、淀粉植物、野生植物中制取。而且，与甲醇相比，乙醇的比能量高且没有毒性；与汽油和柴油相比，乙醇结构简单，副产物少。但是由于乙醇热值较低，现今几乎所有的乙醇燃料应用多是在普通汽油里面掺烧一定比例的乙醇，并未摆脱对汽油等矿物资源的依赖，未能完全改善汽车排放污染。

近年来，随着科技的进步，运用乙醇重整制氢成为氢能汽车研究的一个新方向。现有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含水酒精从上部进入重整器，经过重整器内部管路，内部管路均采用U型管。内部U型管由蒸发区与反应区两部分组成，U型管外部通入发动机尾气。反应区U型管作为乙醇气体发生重整反应的场所，管内装填有重整所需催化剂，这也是整个重整器产氢的核心部位，当含水乙醇在蒸发区U型管蒸发为乙醇蒸汽后，通过下端的分流室进入反应区U型管进行重整。该反应器将乙醇蒸发与重整耦合于一体，能大大节省反应器所需要空间，但是由于U型管弯曲太多制造和内部清洗比较麻烦，而且催化剂的填装也存在一定的难度。另外，中国发明专利 CN104555923A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，该重整器也是利用发动机尾气余热对含水乙醇进行重整，同样采用管壳式结构。当内部热管达到设定温度时，含水乙醇进入重整装置蒸发腔进行蒸发，之后乙醇蒸气流经反应区进行重整制氢。该重整器的优点是，采用两级催化，实现了催化剂的相互协同作用，乙醇转化效率和氢气选择性高，同时解决了催化剂的烧结和积炭问题。但由于蒸发区与反应区在同一个腔室内，进入蒸发腔的一部分含水乙醇未经蒸发就进入了反应区，会造成一定量的催化剂泄露，对催化剂的寿命以及重整效果产生不利影响。

发明内容

本实用新型的目的在于克服上述不足，提供一种制造相对容易、结构紧凑、换热效果良好、催化剂易于装填的发动机用含水乙醇重整制氢装置。

为实现上述目的，本实用新型包括重整器壳体、焊接于重整器壳体的壳体前端法兰与壳体后端法兰、重整器前盖板、重整器后盖板、重整区管路连接板、重整气出口管。壳体前端法兰、壳体法兰密封垫片、重整器前盖板采用螺栓紧固件连接，壳体后端法兰、壳体法兰密封垫片、重整区管路连接板、重整器后盖板采用螺栓紧固件连接，且重整器后盖板设有重整气出口管；重整器前盖板设有外丝螺纹孔，外丝螺纹孔与含水乙醇入口管采用内丝接头与密封填料函连接、密封；通过气态腔从前向后将重整器壳体内部空间分为蒸发区与重整区。发动机废气入口管与发动机废气出口管布置在重整器壳体的上下两侧。

按上述方案，所述蒸发区包括若干根内径为重整器壳体内径1/10～1/9薄壁不锈钢管，管路排列呈组合的排列方式，相邻管之间中心距为管外径的1.5倍；蒸发区管路前端与液态腔相连，后端与气态腔相连，且管路设有等距蒸发区折流板，间距为蒸发区管路总长的1/4～1/5，每个蒸发区折流板开有穿过换热管束的通孔，且通孔数目、大小、排列方式与蒸发区管路相同，通过通孔将蒸发区折流板焊接在蒸发区管路上；蒸发区折流板一端与重整器壳体内壁留有1～2mm 间隙，以利内部结构与重整器壳体安装，另一端与重整器壳体内壁留有缺口，缺口大小为重整器壳体内径的1/4～1/5，且相邻蒸发区折流板间缺口错开布置。

按上述方案，所述液态腔包括液态腔前盖板、液态腔腔体、液态腔后盖板、毛细管，外观呈现圆饼状，液态腔后盖板开有与蒸发区管路数目、大小、排列方式相同的通孔，蒸发区管路通过这些通孔与液态腔相连；液态腔前盖板与分液腔相连，且液态腔前盖板上开有与蒸发区管路数目、排列方式相同，外径与毛细管外径相同的通孔，通过这些通孔将毛细管一端焊接在液态腔前盖板上，另一端穿过液态腔腔体，按照排列方式依次放入蒸发区管路中；分液腔包括分液腔前端盖与分液腔腔体，分液腔腔体与液态腔前盖板相连，分液腔前端盖开有与含水乙醇入口管外径相同的通孔，通过通孔将含水乙醇入口管焊接在分液腔前端盖上，分液腔前端盖与液态腔前端盖外径之比为1：3。

按上述方案，所述重整区包括若干根内径为重整器壳体内径1/8～1/7薄壁不锈钢管，管路排列呈组合的排列方式，相邻管之间中心距为管外径的1.5倍；重整区管路前端与气态腔相连，后端与重整区管路连接板相连，且管路设有等距重整区折流板，间距为重整区管路的1/4～1/5，每个重整区折流板开有穿过换热管束的通孔，且通孔数目、大小、排列方式与重整区管路相同，通过通孔将重整区折流板焊接在重整区管路上；重整区折流板一端与重整器壳体内壁留有 1～2mm间隙，另一端与重整器壳体内壁留有缺口，缺口大小为壳体内径的 1/4～1/5，且相邻折流板间缺口错开布置。

按上述方案，所述气态腔包括气态腔前盖板、气态腔腔体、气态腔折流板、左滤网、气态腔后盖板，外形呈圆饼状，气态腔前端盖开有与蒸发区管路大小、数目、排列方式相同的通孔，通过这些通孔将蒸发区管路焊接在液态腔前盖板上，气态腔后盖板开有与重整区管路大小、数目、排列方式相同的通孔，在这些通孔的一面焊接左滤网，另一面焊接重整区管路，且气态腔前盖板、气态腔后盖板与液态腔前盖板、气态腔后盖板直径之比为3：2；气态腔折流板焊接于气态腔壳体上，一端与重整器壳体内壁留有1～2mm间隙，另一端与壳体内壁留有缺口，缺口大小为壳体内径的1/3～1/2。

按上述方案，所述重整区管路连接板开有与重整区管路大小、数目、排列方式相同的通孔，通过这些通孔将重整区管路焊接在重整区管路连接板上，在重整区管路连接板的另一面设有紧定螺钉孔，通过紧固螺钉将滤网压板固定在重整区管路连接板上；滤网压板由压板与右滤网组成，滤网压板开有与重整区管路大小、数目、排列方式相同的通孔，在通孔上焊有比通孔直径略大的右滤网。

按上述方案，所述的含水乙醇入口管与重整气出口管内径之比为1：3。

按上述方案，所述的壳体法兰密封垫片材质为紫铜。

本实用新型具有以下优点：

1.将含水乙醇的蒸发与乙醇蒸气的重整耦合于一体，含水乙醇可以完全蒸发后进行重整，不需要设置额外的蒸发器；

2.蒸发区与重整区管路均采用直管，制造相对简单，适用于大批量生产制造；

3.含水乙醇入口管出采用内丝接头与重整器前盖板连接，拆卸方便，内部管路清洗相对容易；

4.含水乙醇入口管末端设置分液腔，通过毛细管将含水乙醇均匀分至蒸发区，使蒸发区换热更加均匀，大幅度提高蒸发区换热效率；

5.重整区管路首尾两端均设有滤网，能够较好防止催化剂的泄露；

6.滤网压板与重整区管路连接板采用紧定螺钉连接，拆卸较为方便，催化剂的更换、填装相对方便。

附图说明

图1为本实用新型的剖视结构示意图；

图2为本实用新型的侧视结构示意图；

图3为图1中的A-A剖视结构示意图。

图中：1.发动机废气入口管，2.气态腔,3.气态腔折流板,4.蒸发区管路,5. 壳体前端法兰,6.重整器前盖板,7.壳体法兰密封垫片,8.螺栓紧固件,9.毛细管,10.支座,11.分液腔,12.含水乙醇入口管,13.密封填料函,14.内丝接头,15. 外丝螺纹孔,16.液态腔,17.发动机废气出口管,18.蒸发区折流板,19.重整器壳体,20.重整区折流板,21.重整区管路,22.壳体后端法兰,23.重整区管路连接板,24.重整器后盖板,25.重整气出口管,26.右滤网,27.滤网压板,28.紧固螺钉，29.左滤网。

具体实施方式

以下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、图2所示，本实用新型包括重整器壳体19、焊接于重整器壳体19 的壳体前端法兰5与壳体后端法兰22、重整器前盖板6、重整器后盖板24、重整区管路连接板23、重整气出口管25。壳体前端法兰5、壳体法兰密封垫片7、重整器前盖板6采用螺栓紧固件8连接，壳体后端法兰22、壳体法兰密封垫片 7、重整区管路连接板23、重整器后盖板24采用螺栓紧固件8连接。在重整器壳体19上下两侧布置有发动机废气入口管1与发动机废气出口管17。通过气态腔2从前向后将重整器壳体19内部空间分为蒸发区与重整区，依次为焊接的含水乙醇入口管12、分液腔11、液态腔16、蒸发区管路4、气态腔2、重整区管路21。在重整器前端，重整器前盖板6的外表面设有外丝螺纹孔15，外径略大于含水乙醇入口管12，含水乙醇入口管12穿过外丝螺纹孔15，外部通过内丝接头14紧固连接，管间间隙采用密封填料函13密封，且重整器前盖板6的内表面设有支座10，分液腔11通过支座10进行固定；在重整器的后端，重整区管路连接板23、壳体后端法兰22、重整器后盖板24采用壳体法兰密封垫片7、螺栓紧固件8连接密封，壳体法兰密封垫片7材质为紫铜，螺栓紧固件8数目不低于10个。当重整制氢装置进行内部管路清洗时，首先应对重整器后盖板24、重整器前盖板6上用于连接的螺栓紧固件8进行拆卸，之后对内丝接头14进行拆卸，最后将内部结构与外部结构进行分离即可；当重整制氢装置进行催化剂填装时，在将内部结构与外部结构进行分离后，还应该对滤网压板27进行拆卸，滤网压板27通过紧固螺钉28与重整区管路连接板23相连，且在滤网压板27 上有与重整区管路21数目、大小、排列相同的通孔，在这些通孔上焊有比通孔孔径略大的右滤网26，右滤网26的设置能较好的防止催化剂泄露引起后端重整气输送管路堵塞。

蒸发区管路4与重整区管路21排管方式均为组合式排列，蒸发区管路4的内径为重整器壳体19内径的1/10～1/9，重整区管路21内径为重整器壳体19内径的1/8～1/7，且相邻管之间中心距为管外径的1.5倍。在蒸发区管路4与重整区管路21上设有蒸发区折流板18与重整区折流板20，蒸发区折流板18与重整区折流板20间呈等距布置，间距约为管长的1/4～1/5，蒸发区折流板18与重整区折流板20的一端与重整器壳体内壁留有1～2mm间隙，以利内部结构与重整器壳体19安装，另一端与重整器壳体19内壁留有缺口，缺口大小为重整器壳体 19内径的1/4～1/5，且相邻蒸发区折流板间缺口错开布置。蒸发区折流板18前端以发动机废气出口管17为界，布置的第一块蒸发区折流板18不能影响到发动机废气出口工作，尾端以气态腔折流板3为界，布置的最后一块蒸发区折流板18与气态腔折流板间距为蒸发区折流板18板间距；重整区折流板20前端以气态腔折流板3为界，布置的第一块重整区折流板20与气态腔折流板3板间距为重整区折流板20板间距，尾端以发动机废气入口管1为界，布置的最后一块重整区折流板20不能影响发动机废气入口1的工作。

液态腔16包括液态腔前盖板、液态腔腔体、液态腔后盖板、毛细管9，外观呈现圆饼状，液态腔后盖板开有与蒸发区管路4数目、大小、排列方式相同的通孔，蒸发区管路4通过这些通孔与液态腔16相连；液态腔前盖板与分液腔 11相连，且液态腔前盖板上开有与蒸发区管路数目、排列方式相同，外径与毛细管9外径相同的通孔，通过这些通孔将毛细管9一端焊接在液态腔前盖板上，另一端穿过液态腔腔体，按照排列方式依次放入蒸发区管路4中；分液腔11包括分液腔前端盖与分液腔腔体，分液腔腔体与液态腔前盖板相连，分液腔前端盖开有与含水乙醇入口管12外径相同的通孔，通过通孔将含水乙醇入口管12 焊接在分液腔前端盖上，分液腔前端盖与液态腔前端盖外径之比为1：3。

如图3所示，本实施例中气态腔折流板3焊接于气态腔2，所焊接成的一个整体起到了折流板的部分作用，气态腔折流板3一端与重整器壳体19内壁留有 1～2mm间隙，另一端与重整器壳体19内壁留有缺口，缺口大小为重整器壳体19 内径的1/3～1/2，与气态腔2所构成的整体与重整器壳体19间的间隙与蒸发区折流板18、重整区折流板20相当。气态腔2前端与蒸发区管路4相连，后端与重整区管路21相连，在与重整区管路连接的后端盖板，一面用于焊接重整区管路21，另一面焊有比重整区管路21外径略大的左滤网29，能很好的防止催化剂泄露进入气态腔2。

实例：

本实用新型采用75％含水乙醇进行试验，得到以下结论：

1.设定含水乙醇流量为2.5kg/h，发动机排气温度为570℃，此时含水乙醇的重整率(参与重整的含水乙醇占总含水乙醇的质量分数)为32.1％，该装置具有换热效果良好的特点。

2.在试验过程中，未出现催化剂以及发动机废气泄露等情况，在保证结构紧凑的情况下，具有较好的密封性。

Claims (8)

1.一种发动机用含水乙醇耦合重整制氢装置，其特征在于：包括重整器壳体(19)、焊接于重整器壳体(19)的壳体前端法兰(5)与壳体后端法兰(22)、重整器前盖板(6)、重整器后盖板(24)、重整区管路连接板(23)、重整气出口管(25)；壳体前端法兰(5)、壳体法兰密封垫片(7)、重整器前盖板(6)采用螺栓紧固件(8)连接，壳体后端法兰(22)、壳体法兰密封垫片(7)、重整区管路连接板(23)、重整器后盖板(24)采用螺栓紧固件(8)连接，且重整器后盖板(24)设有重整气出口管(25)；重整器前盖板(6)设有外丝螺纹孔(15)，外丝螺纹孔(15)与含水乙醇入口管(12)采用内丝接头(14)与密封填料函(13)连接、密封；通过气态腔(2)从前向后将重整器壳体(19)内部空间分为蒸发区与重整区；发动机废气入口管(1)与发动机废气出口管(17)布置在重整器壳体(19)的上下两侧。

2.根据权利要求1所述的发动机用含水乙醇耦合重整制氢装置，其特征在于：所述蒸发区包括若干根内径为重整器壳体内径1/10～1/9薄壁不锈钢管，管路排列呈组合的排列方式，相邻管之间中心距为管外径的1.5倍；蒸发区管路前端与液态腔(16)相连，后端与气态腔(2)相连，且管路设有等距蒸发区折流板(18)，间距为蒸发区管路总长的1/4～1/5，每个蒸发区折流板(18)开有穿过换热管束的通孔，且通孔数目、大小、排列方式与蒸发区管路相同，通过通孔将蒸发区折流板(18)焊接在蒸发区管路(4)上；蒸发区折流板(18)一端与重整器壳体(19)内壁留有1～2mm间隙，以利内部结构与重整器壳体(19)安装，另一端与重整器壳体(19)内壁留有缺口，缺口大小为重整器壳体(19)内径的1/4～1/5，且相邻蒸发区折流板(18)间缺口错开布置。

3.根据权利要求2所述的发动机用含水乙醇耦合重整制氢装置，其特征在于：所述液态腔(16)包括液态腔前盖板、液态腔腔体、液态腔后盖板、毛细管(9)，外观呈现圆饼状，液态腔后盖板开有与蒸发区管路数目、大小、排列方式相同的通孔，蒸发区管路(4)通过这些通孔与液态腔(16)相连；液态腔前盖板与分液腔(11)相连，且液态腔前盖板上开有与蒸发区管路(4)数目、排列方式相同，外径与毛细管(9)外径相同的通孔，通过这些通孔将毛细管(9一端焊接在液态腔前盖板上，另一端穿过液态腔腔体，按照排列方式依次放入蒸发区管路(4)中；分液腔(11)包括分液腔前端盖与分液腔腔体，分液腔腔体与液态腔前盖板相连，分液腔前端盖开有与含水乙醇入口管(12)外径相同的通孔，通过通孔将含水乙醇入口管(12)焊接在分液腔前端盖上，分液腔前端盖与液态腔前端盖外径之比为1：3。

4.根据权利要求1所述的发动机用含水乙醇耦合重整制氢装置，其特征在于：所述重整区包括若干根内径为重整器壳体内径1/8～1/7薄壁不锈钢管，管路排列呈组合的排列方式，相邻管之间中心距为管外径的1.5倍；重整区管路(21)前端与气态腔(2)相连，后端与重整区管路连接板(23)相连，且管路设有等距重整区折流板(20)，间距为重整区管路(21)的1/4～1/5，每个重整区折流板(20)开有穿过换热管束的通孔，且通孔数目、大小、排列方式与重整区管路(21)相同，通过通孔将重整区折流板(20)焊接在重整区管路(21)上；重整区折流板(20)一端与重整器壳体(19)内壁留有1～2mm间隙，另一端与重整器壳体(19)内壁留有缺口，缺口大小为重整器壳体(19)内径的1/4～1/5，且相邻重整区折流板(20)间缺口错开布置。

5.根据权利要求1或4所述的发动机用含水乙醇耦合重整制氢装置，其特征在于：所述气态腔(2)包括气态腔前盖板、气态腔腔体、气态腔折流板(3)、左滤网(29)、气态腔后盖板；外形呈圆饼状，气态腔前端盖开有与蒸发区管路(4)大小、数目、排列方式相同的通孔，通过这些通孔将蒸发区管路(4)焊接在液态腔前盖板上，气态腔后盖板开有与重整区管路(21)大小、数目、排列方式相同的通孔，在这些通孔的一面焊有比通孔孔径略大的左滤网(29)，另一面焊接重整区管路(21)，且气态腔前盖板、气态腔后盖板与液态腔前盖板、气态腔后盖板直径之比为3：2；气态腔折流板(3)焊接于气态腔腔体上，一端与重整器壳体(19)内壁留有1～2mm间隙，另一端与重整器壳体(19)内壁留有缺口，缺口大小为重整器壳体(19)内径的1/3～1/2。

6.根据权利要求5所述的发动机用含水乙醇耦合重整制氢装置，其特征在于：所述重整区管路连接板(23)开有与重整区管路(21)大小、数目、排列方式相同的通孔，通过这些通孔将重整区管路(21)焊接在重整区管路连接板(23)上，在重整区管路连接板(23)的另一面设有紧固螺钉孔，通过紧固螺钉(28)将滤网压板(27)固定在重整区管路连接板(23)上；滤网压板(27)由压板与右滤网(26)组成，滤网压板(27)开有与重整区管路大小、数目、排列方式相同的通孔，在通孔上焊有比通孔直径略大的右滤网(26)。

7.根据权利要求1所述的发动机用含水乙醇耦合重整制氢装置，其特征在于：所述的含水乙醇入口管(12)与重整气出口管(25)内径之比为1：3。

8.根据权利要求1所述的发动机用含水乙醇耦合重整制氢装置，其特征在于：所述的壳体法兰密封垫片(7)材质为紫铜。