CN220412890U - 一种利用内燃机余热的氨在线裂解制氢装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种利用内燃机余热的氨在线裂解制氢装置，包括氨裂解器(2)，变距螺旋管式氨换热器(3)，换热器端盖(21)、氨裂解器端盖(25)；换热器端盖(21)、变距螺旋管式氨换热器(3)、氨裂解器(2)和氨裂解器端盖(25)顺次串联固定从而形成氨换热器和氨裂解器装配体，其中变距螺旋管式氨换热器(3)设置在氨裂解器(2)的上游；换热器端盖(21)与上游的排气管连接，氨裂解器端盖(25)与下游的排气管连接；变距螺旋管式氨换热器(3)和换热器端盖(21)之间通过螺栓连接。该方案能够充分的利用排气余热用于提高氨气进入氨裂解气的初始温度，加快氨气裂解效率及氨气催化裂解制氢效率。
Description
技术领域
该实用新型涉及一种制氢装置，尤其涉及一种利用内燃机余热的氨在线裂解制氢装置。
背景技术
在内燃机燃烧的过程中，其所产生的热量部分通过热工转化对外输出有用功之外(大约35％)，很大一部分热量通过排气能量耗散在空气中(30～50％之间，大负荷甚至超过了50％)，造成了燃烧产生的热量的极大浪费，既对环境产生了影响，又造成了能源的浪费。目前尽管国内外在提高内燃机热效率和经济性方面已做了大量工作，但是其仍有较大的节能减排潜力提高。内燃机的余热能利用也是未来内燃机的关键技术，如能充分回收利用内燃机的排气能量，将有助于进一步提高内燃机热效率，改善内燃机燃油经济性，节约石油资源，带来巨大的社会效率和经济效益。目前余热能氨裂解制氢技术也处于持续发展中，同时氢氨燃料在内燃机中也具有天然的优势，内燃机对氢的纯度要求低，“粗氢”即可满足要求，但是由于氢气难以液化不易储存、运输困难，需要消耗大量的资金，而氨的毒性相对较小，且不易燃，是一种清洁的高能量密度氢载体；目前氨的运输体系以及存储体系能够很好的解决氢气的输运问题。本实用新型提供了一种内燃机排气能量高效回收利用的氨在线裂解制氢装置及控制方法，实用新型了特有的氨换热器结构，与氨裂解器相配合，并安装于内燃机的排气管上。氨换热器装置采用了变距螺旋式的多层结构，提高了氨换热器的换热面积，增大了氨换热器的热流密度，提高了氨换热的效率。氨气的高效换热可以尽量提高氨气进入氨裂解器的温度，降低后续氨气在氨裂解器中裂解时的活化能。此外，本装置还采用了前密后疏的变螺距式结构，使氨气在管内顺利流通，减少了材料的用量，提高了经济效益。而且，针对氨裂解器耦合内燃机排气管结构特性，设计了独特的双向流道，使得排气热量能够环绕氨裂解器，大大提高了氨裂解器及内部催化剂的温度，改善了氨裂解器内部催化剂温度分布，从而实现了氨气在氨裂解器中高效催化裂解制氢，提高了氨气裂解效率以及制氢速率，实现了内燃机排气余热的高效回收利用。
实用新型内容
为了高效率的利用内燃机的排气余热，实现排气能量的梯度回收利用，对低温氨气进行预热，回收氨裂解器后的排气温度，提高氨气进入氨裂解器之前的温度，有利于氨气催化裂解效率。
该实用新型的技术方案是提供了一种利用内燃机余热的氨在线裂解制氢装置，包括氨裂解器，变距螺旋管式氨换热器，换热器端盖、氨裂解器端盖；其特征在于：
换热器端盖、变距螺旋管式氨换热器、氨裂解器和氨裂解器端盖顺次串联固定从而形成氨换热器和氨裂解器装配体，其中变距螺旋管式氨换热器设置在氨裂解器的上游；换热器端盖与上游的排气管连接，氨裂解器端盖与下游的排气管连接；变距螺旋管式氨换热器和换热器端盖之间通过螺栓连接。
进一步地，裂解器包括氨裂解器封盖，氨裂解器催化剂，氨裂解器内流道，氨裂解器出口，氨裂解器进口，氨裂解器安装孔，氨裂解器外流道，氨裂解器封盖外孔，氨裂解器封盖内孔；氨裂解器温度传感器；
氨裂解器催化剂放置在氨裂解器圆柱形中间，通过氨裂解器封盖将氨裂解器催化剂密封在氨裂解器中；
氨裂解器中间有氨裂解器内流道和氨裂解器外流道，氨裂解器内流道和氨裂解器外流道形成的内外流道包裹着氨裂解器催化剂；
氨裂解器中的氨裂解器出口和氨裂解器进口用于氨气的进入以及裂解气的排出，形成的裂解气通过氨裂解器出口和气体喷嘴连接，进入内燃机的进气管中；
氨裂解器通过氨裂解器封盖外孔安装螺栓和变距螺旋管式氨换热器连接；
氨裂解器封盖通过氨裂解器封盖内孔安装螺栓，从而密封氨裂解器；
氨裂解器通过氨裂解器安装孔安装螺栓，从而和氨裂解器端盖连接，从而连通内燃机的排气管；
氨裂解器温度传感器安装在氨裂解器上。
进一步地，变距螺旋管式氨换热器包括变距螺旋管，氨换热器出口，氨换热器进口，氨换热器安装孔，氨换热器进口温度传感器，氨换热器出口温度传感器，氨裂解器端盖；
变距螺旋管安装在变距螺旋管式氨换热器中，变距螺旋管中的氨换热器出口和氨换热器进口用于氨气的进出；
氨换热器进口温度传感器安装在变距螺旋管式氨换热器上；氨换热器出口温度传感器安装在氨裂解器和变距螺旋管式氨换热器的连通管道上。
进一步地，氨储气罐通过高压耐腐蚀管道与阀门、压力调节器、氨流量计连接，然后通过高压耐腐蚀管道进入变距螺旋管式氨换热器该实用新型的有益效果是：
第一、提供了一种的氨裂解器与氨换热器一体化装置，能够充分的利用排气余热用于提高氨气进入氨裂解气的初始温度，加快氨气裂解效率及氨气催化裂解制氢效率。
第二、通过实时检测排气通过氨裂解器以及氨换热器的前后温度、氢气在不同状态点的温度变化，通过电子控制单元对氨气流量进行实时的反馈控制，进而控制氨气进入裂解器的流量，以及控制氨气裂解制氢的氢气流量，从而调控氨裂解效率，实现对内燃机排气能量高效回收利用。
附图说明
图1是氨换热器和氨裂解器装配示意图；
图2是氨换热器和氨裂解器装配剖面示意图；
图3是氨换热器示意图；
图4是氨换热器剖面示意图；
图5是氨裂解器整体示意图；
图6是氨裂解器示意图；
图7是氨裂解器剖面示意图；
图8是内燃机排气能量高效回收利用的氨在线裂解制氢装置示意图；
其中：1-内燃机，2-氨裂解器，2-1氨裂解器封盖，2-2氨裂解器催化剂，2-3氨裂解器内流道，2-4氨裂解器出口，2-5氨裂解器进口，2-6氨裂解器安装孔，2-7氨裂解器外流道，2-8氨裂解器封盖外孔，2-9氨裂解器封盖内孔，3-变距螺旋管式氨换热器，3-1变距螺旋管，3-2氨换热器出口，3-3氨换热器进口，3-4氨换热器安装孔，4-电力测功机，5-传动轴，6-内燃机燃料储气罐，7-阀门，8-压力调节器，9-换热器，10-流量计，11-电磁开关，12-阻火器，13-主控制系统，14-进气温度控制系统，15-氨裂解控制系统，16-氨流量计，17-压力调节器，18-阀门，19-氨储气罐，20-排气管，21-换热器端盖，22-氨换热器进口温度传感器、23-氨换热器出口温度传感器、24-氨裂解器温度传感器，25-氨裂解器端盖，26-气体喷嘴，27-进气管，28-空滤器，29安装基座。
具体实施方式
以下结合附图1-8对本实用新型的技术方案进行详细说明.
如图1-7所示，该实施例提供一种利用内燃机余热的氨在线裂解制氢装置，包括氨裂解器2，变距螺旋管式氨换热器3，换热器端盖21、氨裂解器端盖25；换热器端盖21、变距螺旋管式氨换热器3、氨裂解器2和氨裂解器端盖25顺次串联固定从而形成氨换热器和氨裂解器装配体，其中变距螺旋管式氨换热器3设置在氨裂解器2的上游；换热器端盖21与上游的排气管连接，氨裂解器端盖25与下游的排气管连接。
换热器端盖21通过螺栓和内燃机1的排气管20连接；
变距螺旋管式氨换热器3和换热器端盖21之间通过螺栓连接；
氨裂解器2通过螺栓和变距螺旋管式氨换热器3以及氨裂解器端盖25通过螺栓连接，氨裂解器端盖25通过螺栓和内燃机1的下游排气管20连接；
氨裂解器2包括氨裂解器封盖2-1，氨裂解器催化剂2-2，氨裂解器内流道2-3，氨裂解器出口2-4，氨裂解器进口2-5，氨裂解器安装孔2-6，氨裂解器外流道2-7，氨裂解器封盖外孔2-8，氨裂解器封盖内孔2-9，氨换热器进口温度传感器22、氨换热器出口温度传感器23；
氨裂解器2通过氨裂解器封盖外孔2-8安装螺栓，从而和变距螺旋管式氨换热器3连接；
氨裂解器封盖2-1通过氨裂解器封盖内孔2-9安装螺栓，从而密封氨裂解器2。
氨裂解器2通过氨裂解器安装孔2-6安装螺栓，从而和氨裂解器端盖25连接，从而连通内燃机1的排气管20。
氨裂解器催化剂2-2放置在氨裂解器2圆柱形中间，通过氨裂解器封盖2-1将氨裂解器催化剂2-2密封在氨裂解器2中。
氨裂解器2中的氨裂解器出口2-4和氨裂解器进口2-5用于氨气的进入以及裂解气的排出，从而实现氨气在氨裂解器2裂解，形成的裂解气通过氨裂解器出口2-4和气体喷嘴26连接，进入内燃机1的进气管27中。
氨裂解器2中间有氨裂解器内流道2-3和氨裂解器外流道2-7，氨裂解器内流道2-3和氨裂解器外流道2-7形成的内外流道包裹着氨裂解器催化剂2-2，能够最大效率的和内燃机1的排气管20进行热交换，提高氨裂解器催化剂2-2温度，从而提高氨气裂解效率。
变距螺旋管式氨换热器3包括变距螺旋管3-1，氨换热器出口3-2，氨换热器进口3-3，氨换热器安装孔3-4，氨裂解器温度传感器24，氨裂解器端盖25，气体喷嘴26，进气管27；
变距螺旋管3-1安装在变距螺旋管式氨换热器3中，形成疏密程度不一致的管道，有利于氨气和排气能量热交换，增大传热量，从而提高氨气进入氨裂解器2的温度。变距螺旋管3-1中的氨换热器出口3-2和氨换热器进口3-3用于氨气的进出，通过变距螺旋管式氨换热器3后，提高氨气的温度。
氨换热器进口温度传感器22安装在变距螺旋管式氨换热器3上；氨换热器出口温度传感器23安装在氨裂解器2和变距螺旋管式氨换热器3的连通管道上；氨裂解器温度传感器24安装在氨裂解器2上；氨换热器进口温度传感器22、氨换热器出口温度传感器23、氨裂解器温度传感器24用于实时监测氨气和裂解之后的温度变化。
氨储气罐19通过高压耐腐蚀管道与阀门18、压力调节器17、氨流量计16连接，然后通过高压耐腐蚀管道进入变距螺旋管式氨换热器3。
如图附8所示，内燃机1包括基本的曲轴、活塞、连杆结构以及进排气门及气门配气机构，实现内燃机正常的吸气、压缩、做功、排气过程，完成做功过程。
内燃机1通过安装基座29安装在实验室基座上。
电力测功机4通过传动轴5与内燃机1相连，控制内燃机的运行速度和负荷。
氨气在氨裂解器2中催化裂解之后，通过管道和气体喷嘴26连接，最后进入内燃机1的进气管27中。
氨流量计16、氨换热器进口温度传感器22、氨换热器出口温度传感器23、氨裂解器温度传感器24、气体喷嘴26和氨裂解控制系统15连接，氨裂解控制系统15根据氨流量计16、氨换热器进口温度传感器22、氨换热器出口温度传感器23、氨裂解器温度传感器24的信号，控制氨气流量的大小，从而控制了氨气裂解之后氢气流量大小，最后通过气体喷嘴26进入内燃机1的进气管27中。
如图附1、2、3、6、7和8所示，低温的氨气从氨储气罐19中出来，经过阀门18、压力调节器17、氨流量计16之后，进入变距螺旋管式氨换热器3，变距螺旋管式氨换热器3耦合内燃机1的排气管20。
安装在变距螺旋管式氨换热器3中的疏密程度不一致的变距螺旋管3-1将提高和排气管20中的传热。
氨气从氨换热器进口3-3进入，进入变距螺旋管式氨换热器3中，吸收热量后的氨气从氨换热器出口3-2，从而提高氨气的温度，回收一部分排气余热。
进而提高后的氨气通过氨裂解器2的氨裂解器进口2-5进入，氨气在氨裂解器催化剂2-2作用下，裂解为氢气和氮气，该裂解反应为吸热反应，而内燃机1的排气热量能够为氨气的裂解反应提供源源不断的热量，从而实现内燃机排气能量高效回收利用。
主控制系统13通过实时监测和控制内燃机1的节气门、转速，流量计10、电磁开关11的信号，控制燃气喷射量，从而控制内燃机1的负荷和转速。
氨裂解控制系统15实时检测氨流量计16、氨换热器进口温度传感器22、氨换热器出口温度传感器23、氨裂解器温度传感器24、气体喷嘴26的信号，氨裂解控制系统15根据氨流量计16、氨换热器进口温度传感器22、氨换热器出口温度传感器23、氨裂解器温度传感器24的信号，控制氨气流量的大小，从而控制了氨气裂解之后氢气流量大小，最后通过气体喷嘴26进入内燃机1的进气管27中。
内燃机燃料储气罐6出口管道上依次通过高压管道连接阀门7、压力调节器8、换热器9、流量计10、电磁开关11、阻火器12，通过喷嘴喷射进内燃机1的进气管27，为内燃机1提供稳定的燃料供应。
进气温度控制系统14、空滤器28、进气管27通过管道与内燃机1连接，为内燃机1提供新鲜的空气。
内燃机1的节气门信号、转速信号、流量计10、电磁开关11和主控制系统13连接，主控制系统13通过实时监测和控制内燃机1的流量计10、电磁开关11，控制燃气喷射量，从而控制内燃机1的负荷和转速。
为实现内燃机排气热量的梯度回收和高效利用，将内燃机排气管与变距螺旋管式氨换热器和氨裂解器相耦合；氨储气罐中的低温氨气在变距双螺旋管式换热器高效的热量交换，一方面提高了提高氨气进入氨裂解器的温度，另一方面也部分回收了氨裂解器温度。提高温度的氨气进入氨裂解器中，在内外排气流道作用下的氨裂解器催化剂中高效裂解，进一步回收排气余热能，将低品位的氨气转变为高品位的氢气。此外，氨换热器及氨裂解器前后温度传感器实时检测氨气进出口的温度变化，通过氨裂解控制系统动态调控氨气进入氨换热器以及氨裂解器裂解后气体进入内燃机的流量，从而实现氨换热器及氨裂解器与排气热量的高效换热，最终实现内燃机排气余热的高效梯度回收利用以及氨在线裂解制氢。
主控制系统13通过实时监测和控制内燃机1的节气门、转速，流量计10、电磁开关11的信号，控制燃气喷射量，从而控制内燃机1的负荷和转速，维持发动机正常运行。氨裂解控制系统15实时检测氨流量计16、氨换热器进口温度传感器22、氨换热器出口温度传感器23、氨裂解器温度传感器24、气体喷嘴26的信号，氨裂解控制系统15根据氨流量计16、氨换热器进口温度传感器22、氨换热器出口温度传感器23、氨裂解器温度传感器24的信号，控制氨气流量的大小。当氨换热器出口温度传感器23低于某一值时，氨裂解控制系统15通过调控氨流量计16内的氨气流量，减少进入变距螺旋管式氨换热器3的氨气流量，在一定排气热量作用下，氨气流量减少，有利于提高变距螺旋管式氨换热器3中氨气的温度，有利于促进内燃机1的排气道20中排气热量与变距螺旋管式氨换热器3高效热交换，提高氨气出口温度，加快后续氨气在氨裂解器2中的裂解效率。反之，当氨换热器出口温度传感器23高于某一值时，氨裂解控制系统15通过调控氨流量计16内的氨气流量，增加进入变距螺旋管式氨换热器3的氨气流量，在一定排气热量作用下，氨气流量增加，有利于降低变距螺旋管式氨换热器3中氨气的温度，有利于稳定变距螺旋管式氨换热器3中的压力，维持氨气出口温度在一定值，有利于稳定氨裂解器2中的压力。
对于氨裂解器2，经变距螺旋管式氨换热器3后的氨气进入到氨裂解器2中进行催化裂解，在此过程中氨裂解控制系统15将继续通过氨换热器进口温度传感器22、氨换热器出口温度传感器23、氨裂解器温度传感器24的温度变化，与变距螺旋管式氨换热器3的反馈调节相似，根据氨裂解控制系统15中所反馈的氨裂解器2进出口的温度数据。当氨裂解器2出口温度高于设定值时，说明氨气流量小，在排气热量一定的情况下，导致氨气升温较高，导致氨换热及氨裂解的效率较高，此时氨裂解控制系统15适当增加氨流量计16内的氨气流量，从而减少变距螺旋管式氨换热器3出口氨气温度，从而降低氨气在氨裂解器2中裂解效率，维持。当氨裂解器2出口温度低于设定值时，说明氨气流量大，在排气热量一定的情况下，导致氨气升温较低，导致氨换热及氨裂解的效率较慢，此时氨裂解控制系统15适当减少氨流量计16内的氨气流量，从而提高变距螺旋管式氨换热器3出口氨气温度，从而提高氨气在氨裂解器2中裂解效率。
因此，通过控氨裂解控制系统15对氨裂解器2和变距双螺旋管式换热器3进出口温度在线检测，判断氨气在其中的运行状况，控制氨流量计16的氨气流量，适当调整进入氨换热器中氨气的流量以及裂解器气中催化裂解效率，做到系统的闭环调控，实现内燃机排气余热高效回收利用以及氨在线裂解制氢。
以上所述的仅是本实用新型的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (4)
1.一种利用内燃机余热的氨在线裂解制氢装置，包括氨裂解器(2)，变距螺旋管式氨换热器(3)，换热器端盖(21)、氨裂解器端盖(25)；其特征在于：
换热器端盖(21)、变距螺旋管式氨换热器(3)、氨裂解器(2)和氨裂解器端盖(25)顺次串联固定从而形成氨换热器和氨裂解器装配体，其中变距螺旋管式氨换热器(3)设置在氨裂解器(2)的上游；换热器端盖(21)与上游的排气管连接，氨裂解器端盖(25)与下游的排气管连接；变距螺旋管式氨换热器(3)和换热器端盖(21)之间通过螺栓连接。
2.根据权利要求1所述的利用内燃机余热的氨在线裂解制氢装置，其特征在于：氨裂解器(2)包括氨裂解器封盖(2-1)，氨裂解器催化剂(2-2)，氨裂解器内流道(2-3)，氨裂解器出口(2-4)，氨裂解器进口(2-5)，氨裂解器安装孔(2-6)，氨裂解器外流道(2-7)，氨裂解器封盖外孔(2-8)，氨裂解器封盖内孔(2-9)；氨裂解器温度传感器(24)；
氨裂解器催化剂(2-2)放置在氨裂解器(2)圆柱形中间，通过氨裂解器封盖(2-1)将氨裂解器催化剂(2-2)密封在氨裂解器(2)中；
氨裂解器(2)中间有氨裂解器内流道(2-3)和氨裂解器外流道(2-7)，氨裂解器内流道(2-3)和氨裂解器外流道(2-7)形成的内外流道包裹着氨裂解器催化剂(2-2)；
氨裂解器(2)中的氨裂解器出口(2-4)和氨裂解器进口(2-5)用于氨气的进入以及裂解气的排出，形成的裂解气通过氨裂解器出口(2-4)和气体喷嘴(26)连接，进入内燃机(1)的进气管(27)中；
氨裂解器(2)通过氨裂解器封盖外孔(2-8)安装螺栓和变距螺旋管式氨换热器(3)连接；
氨裂解器封盖(2-1)通过氨裂解器封盖内孔(2-9)安装螺栓，从而密封氨裂解器(2)；
氨裂解器(2)通过氨裂解器安装孔(2-6)安装螺栓，从而和氨裂解器端盖(25)连接，从而连通内燃机(1)的排气管(20)；
氨裂解器温度传感器(24)安装在氨裂解器(2)上。
3.根据权利要求1所述的利用内燃机余热的氨在线裂解制氢装置，其特征在于：变距螺旋管式氨换热器(3)包括变距螺旋管(3-1)，氨换热器出口(3-2)，氨换热器进口(3-3)，氨换热器安装孔(3-4)，氨换热器进口温度传感器(22)，氨换热器出口温度传感器(23)，氨裂解器端盖(25)；
变距螺旋管(3-1)安装在变距螺旋管式氨换热器(3)中，变距螺旋管(3-1)中的氨换热器出口(3-2)和氨换热器进口(3-3)用于氨气的进出；
氨换热器进口温度传感器(22)安装在变距螺旋管式氨换热器(3)上；氨换热器出口温度传感器(23)安装在氨裂解器(2)和变距螺旋管式氨换热器(3)的连通管道上。
4.根据权利要求1所述的利用内燃机余热的氨在线裂解制氢装置，其特征在于：氨储气罐(19)通过高压耐腐蚀管道与阀门(18)、压力调节器(17)、氨流量计(16)连接，然后通过高压耐腐蚀管道进入变距螺旋管式氨换热器(3)。
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| CN202320899581.1U CN220412890U (zh) | 2023-04-20 | 2023-04-20 | 一种利用内燃机余热的氨在线裂解制氢装置 |
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Cited By (1)
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| CN116374952A (zh) * | 2023-04-20 | 2023-07-04 | 中南大学 | 一种利用内燃机余热的氨在线裂解制氢装置 |
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2023
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