CN103708418B - 利用汽车尾气余热进行甲醇重整制氢的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用汽车尾气余热进行甲醇重整制氢的装置。反应主体内外壳间加有绝热陶瓷棉，在反应主体下盖板上先层叠多层甲醇水蒸发层后，再交替层叠重整反应层和燃烧反应层，热电偶的一端***中间层的重整反应层中，另一端用温度信号线与电控单元相连；电控单元分别与甲醇泵、甲醇水溶液泵、空气泵、甲醇空气流量控制电磁阀和甲醇水溶液流量控制电磁阀电路相连，甲醇水溶液泵的一端接入甲醇水储存箱，另一端经控制电磁阀接入甲醇水蒸发层，甲醇泵的一端接甲醇储存箱，另一端经控制电磁阀接甲醇水蒸发层，上、下盖板开有多个废气流通孔。将产生的氢气通入发动机与汽油混合燃烧，提高了能量利用效率。本发明可安装在汽车发动机上。

Description

利用汽车尾气余热进行甲醇重整制氢的装置
技术领域
本发明涉及甲醇重整制氢装置，尤其是涉及安装在汽车上的一种利用汽车尾气余热进行甲醇重整制氢的装置。
技术背景
汽车工业的发展在全球经济发展具有重大的意义，然而汽车排出的大量废气已造成严重的污染，危害着我们人类的生存环境。此外，如今日益增多的汽车正在快速地消耗着石油资源，世界所有已探明的石油资源将在几十年之后枯竭，到时侯汽车靠什么动力驱动将是人类面临的一个重大难题。我国的石油储备更不容乐观，我国石油消费大部分要靠国外进口，能源已成为制约我国经济发展的关键所在。在石油能源短缺、环境污染的大背景下，汽车节能减排已经势在必行。
发动机内的燃油燃烧是汽车动力的来源，也是汽车产生污染物的主要场所。一方面，发动机燃烧排出的废气带走了一部分热量，造成了能量的损失，另一方面，发动机燃烧排出的废气造成了环境的污染。因此，回收发动机排放的废热提高汽车燃油经济性是汽车节能减排的一个重要途径。
中国发明专利(申请号 200920263376.6)介绍了一种用于汽车尾气余热回收的温差发电器，这种温差发电器包含多个温差发电组件串联组成，加入压缩式弹簧，可实现柔性联接，通过汽车尾气余热与冷却水之间的温差发电，有效的将汽车尾气余热回收。中国发明专利(申请号 201120314959.4)提出了一种利用汽车尾气制备液态CO2及供冷暖气的装置，该装置充分利用汽车尾气的余热，通过热交换回收尾气的余热，实现暖气的供给，并将尾气通过化学反应转化为CO2，降低汽车尾气污染的排放，提高能量利用效率。
汽车尾气能量回收及降低污染物的排放是未来汽车制造的发展方向之一，虽然汽车尾气余热回收、汽车尾气的降污处理的专利很多，但被广泛应用的不多，许多专利都是只是用于汽车尾气余热回收或者用于汽车尾气的降污处理。
发明内容
为解决背景技术中存在的问题，本发明提供一种利用汽车尾气余热进行甲醇重整制氢的装置。该制氢装置由尾气排放管、重整制氢反应层、燃烧反应层、甲醇水蒸发层、电控单元等组成，制氢装置利用发动机排出的废气中的热能加热，从而进行甲醇水蒸汽重整制氢，通过调节燃烧反应层的燃料供给，可使重整制氢反应在稳定的温度条件下工作。
本发明采用的技术方案是：
本发明包括：重整反应产物输出管、燃烧反应产物输出管、废气进口管外壳、反应主体上盖板、反应主体外壳、反应主体内壳、绝热陶瓷棉、重整反应层、燃烧反应层、热电偶、甲醇水蒸发层、反应主体下盖板、废气出口管外壳、温度信号线、燃烧反应燃料供应管、重整反应燃料供应管、电控单元、甲醇水储存箱、甲醇储存箱、甲醇泵、甲醇水溶液泵、空气泵、甲醇空气流量控制电磁阀、甲醇水溶液流量控制电磁阀、甲醇空气流路和甲醇水溶液流路；其中：
废气进口管外壳和反应主体上盖板通过螺栓连接，废气出口管外壳和反应主体下盖板通过螺栓连接；反应主体外壳、反应主体内壳为套筒结构，两者之间加有绝热陶瓷棉，反应主体外壳和反应主体内壳安装在反应主体上盖板和反应主体下盖板之间；在反应主体下盖板上先层叠多层甲醇水蒸发层后，再在甲醇水蒸发层上交替层叠重整反应层和燃烧反应层，以上所有的层与层之间均加有密封垫片，废气进口管外壳、反应主体上盖板、反应主体下盖板和废气出口管外壳在紧固螺栓和螺母的压力下密封；热电偶的一端***中间层的重整反应层中，热电偶的另一端用温度信号线与电控单元相连。
电控单元分别与甲醇泵、甲醇水溶液泵、空气泵、甲醇空气流量控制电磁阀和甲醇水溶液流量控制电磁阀电路相连，甲醇水溶液泵的一端接入甲醇水储存箱，甲醇水溶液泵的另一端经甲醇水溶液流量控制电磁阀、甲醇水溶液流路和重整反应燃料供应管接入甲醇水蒸发层，甲醇泵的一端接入甲醇储存箱，甲醇泵的另一端经甲醇空气流量控制电磁阀、甲醇空气流路和燃烧反应燃料供应管接入甲醇水蒸发层；反应主体上盖板和反应主体下盖板开有多个废气流通孔。
所述的重整反应层为圆形薄板结构，开有多个废气流通孔，孔的位置和大小和反应主体上盖板、反应主体下盖板的孔一致，所述的重整反应层的一面开有一菱形凹槽，菱形的两锐角上开有两个甲醇和水蒸汽的通道孔，对称地，在重整反应层上还开有两个甲醇和空气的通道孔，凹槽内加工有微凸台阵列，每个微凸台上负载有甲醇水蒸汽重整催化剂。
所述的燃烧反应层为圆形薄板结构，开有多个废气流通孔，孔的位置和大小和反应主体上盖板、反应主体下盖板的孔一致，所述的燃烧反应层的一面开有一菱形凹槽，该菱形凹槽与重整反应层的错开，菱形的两锐角上开有两个甲醇和空气的通道孔，对称地，在燃烧反应层上还开有两个甲醇和水蒸汽的通道孔，凹槽内加工有微凸台阵列，每个微凸台上负载有甲醇燃烧催化剂。
所述的甲醇水蒸发层为圆形薄板结构，开有多个废气流通孔，孔的位置和大小和反应主体上盖板、反应主体下盖板的孔一致，所述的甲醇水蒸发层的一面开有一菱形凹槽，菱形的两锐角上开有两个甲醇和水蒸汽的通道孔，对称地，在甲醇水蒸发层上还开有两个甲醇和空气的通道孔。
本发明具有的有益效果：
(1) 利用汽车排气管排放的尾气余热，进行甲醇水蒸汽重整制氢反应，减少汽车尾气余热的能量浪费，提高能量利用效率。
(2) 采用温度监控装置测出重整制氢反应器的温度，智能调节燃烧反应器的燃料供给，可使重整制氢反应器在稳定的温度条件下工作。
(3) 将制出的氢气输入汽车内燃机与汽油燃料混合燃烧，可有效提高汽油燃料的燃烧率，减少汽车的污染物排放，并节约石油化石燃料。
(4) 本发明布置合理，安装和拆卸方便易行，结构紧凑，可安装在汽车发动机上。
附图说明
图1是本发明的制氢装置结构示意图。
图2是本发明的制氢装置在热电偶处的截面示意图。
图3是本发明的重整反应层的结构示意图。
图4是本发明的燃烧反应层的结构示意图。
图5是本发明的蒸发层的结构示意图。
图中：1、废气进口法兰盘，2、废气进口管，3、重整反应产物输出管，4、燃烧反应产物输出管，5、废气进口管外壳，6、反应主体上盖板，7、反应主体外壳，8、反应主体内壳，9、绝热陶瓷棉，10、重整反应层，11、燃烧反应层，12、热电偶，13、甲醇水蒸发层，14、反应主体下盖板，15、废气出口管外壳，16、废气出口法兰盘，17、废气出口管，18、温度信号线，19、燃烧反应燃料供应管，20、重整反应燃料供应管，21、电控单元， 22、甲醇水储存箱，23、甲醇储存箱，24、甲醇泵，25、甲醇水溶液泵，26、空气泵，27、甲醇空气流量控制电磁阀，28、甲醇水溶液流量控制电磁阀，29、甲醇空气流路，30、甲醇水溶液流路，31、紧固螺栓，32、密封垫片，33、平垫片，34、螺母。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
本发明的一种利用汽车尾气余热进行甲醇重整制氢的装置。如图1、图2所示，包括：废气进口法兰盘1、废气进口管2、重整反应产物输出管3、燃烧反应产物输出管4、废气进口管外壳5、反应主体上盖板6、反应主体外壳7、反应主体内壳8、绝热陶瓷棉9、重整反应层10、燃烧反应层11、热电偶12、甲醇水蒸发层13、反应主体下盖板14、废气出口管外壳15、废气出口法兰盘16、废气出口管17、温度信号线18、燃烧反应燃料供应管19、重整反应燃料供应管20、电控单元21、甲醇水储存箱22、甲醇储存箱23、甲醇泵24、甲醇水溶液泵25、空气泵26、甲醇空气流量控制电磁阀27、甲醇水溶液流量控制电磁阀28、甲醇空气流路29、甲醇水溶液流路30、紧固螺栓31、密封垫片32、平垫片33和螺母34。
废气进口管外壳5和反应主体上盖板6通过螺栓连接，废气出口管外壳15和反应主体下盖板14通过螺栓连接；反应主体外壳7、反应主体内壳8为套筒结构，两者之间加有绝热陶瓷棉9以减少热量损失；在反应主体下盖板14上先层叠多层甲醇水蒸发层13后，再在甲醇水蒸发层13上交替层叠重整反应层10和燃烧反应层11，所有的层与层之间均加有密封垫片32，废气进口管外壳5、反应主体上盖板6、反应主体下盖板14和废气出口管外壳15用紧固螺栓31、平垫片33和螺母34的压力下密封；热电偶12的一端***中间层的重整反应层10中，热电偶12的另一端用温度信号线18与电控单元21相连；
电控单元21分别与甲醇泵24、甲醇水溶液泵25、空气泵26、甲醇空气流量控制电磁阀27和甲醇水溶液流量控制电磁阀28电路相连，甲醇水溶液泵25的一端接入甲醇水储存箱22，甲醇水溶液泵25的另一端经甲醇水溶液流量控制电磁阀28、甲醇水溶液流路30和重整反应燃料供应管20接入甲醇水蒸发层13，甲醇泵24的一端接入甲醇储存箱23，甲醇泵24的另一端经甲醇空气流量控制电磁阀27、甲醇空气流路29和燃烧反应燃料供应管19接入甲醇水蒸发层13；反应主体上盖板6和反应主体下盖板14开有多个贯通的孔给汽车的废气流通。
如图3所示，重整反应层10为圆形薄板结构，开有多个贯通的孔给汽车的废气流通，孔的位置和大小和反应主体上盖板6、反应主体下盖板14的孔一致，所述的重整反应层10的一面开有一菱形凹槽，菱形的两锐角上开有两个甲醇和水蒸汽的通道孔，对称地，在重整反应层10上还开有两个甲醇和空气的通道孔，凹槽内加工有微凸台阵列，每个微凸台上负载有甲醇水蒸汽重整反应的铜基催化剂CuO/ZnO/Al2O3；
如图4所示，燃烧反应层11为圆形薄板结构，开有多个贯通的孔给汽车的废气流通，孔的位置和大小和反应主体上盖板6、反应主体下盖板14的孔一致，所述的燃烧反应层11的一面开有一菱形凹槽，该菱形凹槽与重整反应层10的错开，菱形的两锐角上开有两个甲醇和空气的通道孔，对称地，在燃烧反应层11上还开有两个甲醇和水蒸汽的通道孔，凹槽内加工有微凸台阵列，每个微凸台上负载有甲醇燃烧反应的铂基催化剂Pt/γ-Al2O3；
如图5所示，甲醇水蒸发层13为圆形薄板结构，开有多个贯通的孔给汽车的废气流通，孔的位置和大小和反应主体上盖板6、反应主体下盖板14的孔一致，所述的甲醇水蒸发层13的一面开有一菱形凹槽，菱形的两锐角上开有两个甲醇和水蒸汽的通道孔，对称地，在甲醇水蒸发层13上还开有两个甲醇和空气的通道孔。
电控单元21其核心为DSP，集成了信号采集模块和控制输出模块，可根据热电偶12测得的温度信息调节燃烧反应层11的燃料进给量，从而使重整反应层10在稳定的温度下进行反应。
本发明的工作原理如下：
1、发动机排出的废气经废气进口法兰盘1、废气进口管2进入制氢装置，从反应主体上盖板6的孔进入反应层主体，从反应主体下盖板14的孔洞流出，最后经废气出口管17、废气出口法兰盘16流出，废气中的热能直接加热反应装置。
2、热电偶12读取反应装置的温度信息，通过电控单元21调节甲醇和空气的量进入燃烧反应层11进行燃烧反应，产生热量，使反应装置保持在一定温度范围内（230℃~260℃），达到最佳的重整制氢反应温度，燃烧反应的产物经燃烧反应产物输出管4排出。
3、反应装置温度稳定后，电控单元21控制甲醇水溶液进入甲醇水蒸发层13，蒸发后的甲醇水蒸汽通入重整反应层10进行重整制氢反应，生成的氢气产物经重整反应产物输出管3排出，输送到发动机进气口。

Claims (2)

1.一种利用汽车尾气余热进行甲醇重整制氢的装置，其特征在于，包括：重整反应产物输出管（3）、燃烧反应产物输出管（4）、废气进口管外壳（5）、反应主体上盖板（6）、反应主体外壳（7）、反应主体内壳（8）、绝热陶瓷棉（9）、重整反应层（10）、燃烧反应层（11）、热电偶（12）、甲醇水蒸发层（13）、反应主体下盖板（14）、废气出口管外壳（15）、温度信号线（18）、燃烧反应燃料供应管（19）、重整反应燃料供应管（20）、电控单元（21）、甲醇水储存箱（22）、甲醇储存箱（23）、甲醇泵（24）、甲醇水溶液泵（25）、空气泵（26）、甲醇空气流量控制电磁阀（27）、甲醇水溶液流量控制电磁阀（28）、甲醇空气流路（29）和甲醇水溶液流路（30）；其中：
废气进口管外壳（5）和反应主体上盖板（6）通过螺栓连接，废气出口管外壳（15）和反应主体下盖板（14）通过螺栓连接；反应主体外壳（7）、反应主体内壳（8）为套筒结构，两者之间加有绝热陶瓷棉（9），反应主体外壳（7）和反应主体内壳（8）安装在反应主体上盖板（6）和反应主体下盖板（14）之间；在反应主体下盖板（14）上先层叠多层甲醇水蒸发层（13）后，再在甲醇水蒸发层（13）上交替层叠重整反应层（10）和燃烧反应层（11），以上所有的层与层之间均加有密封垫片（32），废气进口管外壳（5）、反应主体上盖板（6）、反应主体下盖板（14）和废气出口管外壳（15）在紧固螺栓（31）和螺母（34）的压力下密封；热电偶（12）的一端***中间层的重整反应层（10）中，热电偶（12）的另一端用温度信号线（18）与电控单元（21）相连；
电控单元（21）分别与甲醇泵（24）、甲醇水溶液泵（25）、空气泵（26）、甲醇空气流量控制电磁阀（27）和甲醇水溶液流量控制电磁阀（28）电路相连，甲醇水溶液泵（25）的一端接入甲醇水储存箱（22），甲醇水溶液泵（25）的另一端经甲醇水溶液流量控制电磁阀（28）、甲醇水溶液流路（30）和重整反应燃料供应管（20）接入甲醇水蒸发层（13），甲醇泵（24）的一端接入甲醇储存箱（23），甲醇泵（24）的另一端经甲醇空气流量控制电磁阀（27）、甲醇空气流路（29）和燃烧反应燃料供应管（19）接入甲醇水蒸发层（13）；反应主体上盖板（6）和反应主体下盖板（14）开有多个废气流通孔；
所述的重整反应层（10）为圆形薄板结构，开有多个废气流通孔，孔的位置和大小和反应主体上盖板（6）、反应主体下盖板（14）的孔一致，所述的重整反应层（10）的一面开有一菱形凹槽，菱形的两锐角上开有两个甲醇和水蒸汽的通道孔，对称地，在重整反应层（10）上还开有两个甲醇和空气的通道孔，凹槽内加工有微凸台阵列，每个微凸台上负载有甲醇水蒸汽重整催化剂；
所述的燃烧反应层（11）为圆形薄板结构，开有多个废气流通孔，孔的位置和大小和反应主体上盖板（6）、反应主体下盖板（14）的孔一致，所述的燃烧反应层（11）的一面开有一菱形凹槽，该菱形凹槽与重整反应层（10）的错开，菱形的两锐角上开有两个甲醇和空气的通道孔，对称地，在燃烧反应层（11）上还开有两个甲醇和水蒸汽的通道孔，凹槽内加工有微凸台阵列，每个微凸台上负载有甲醇燃烧催化剂。
2.根据权利要求1所述的一种利用汽车尾气余热进行甲醇重整制氢的装置，其特征在于：所述的甲醇水蒸发层（13）为圆形薄板结构，开有多个废气流通孔，孔的位置和大小和反应主体上盖板（6）、反应主体下盖板（14）的孔一致，所述的甲醇水蒸发层（13）的一面开有一菱形凹槽，菱形的两锐角上开有两个甲醇和水蒸汽的通道孔，对称地，在甲醇水蒸发层（13）上还开有两个甲醇和空气的通道孔。
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