CN111883805B - 一种基于尾气余热利用的小型甲醇重整制氢装置*** - Google Patents

一种基于尾气余热利用的小型甲醇重整制氢装置*** Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种基于尾气余热利用的小型甲醇重整制氢装置***，包括原料储罐、原料泵、第一调节阀、预热器、重整器、第三调节阀及尾气风机，重整器上设有温度计，重整器外侧设有换热夹层，预热器采用换热器结构；热尾气在尾气风机的牵引下依次通过重整器外侧的换热夹层和预热器的热通道进行加热，甲醇水溶液在原料泵的输送作用下通过预热器的冷通道被预热后进入重整器的重整催化剂床层内进行反应，重整器再排出反应产生的氢气产物。本申请的小型甲醇重整制氢装置***，可以作为便携式燃料电池电源***设计的重要组成部分，应用于车载氢燃料电池，通过甲醇的机载重整生产氢气用于氧化还原反应，可以解决氢气的运输难、储存难的问题。

Description

一种基于尾气余热利用的小型甲醇重整制氢装置***
技术领域
本申请涉及一种基于尾气余热利用的小型甲醇重整制氢装置***。
背景技术
氢能作为一种作为一种清洁能源，其广阔的应用及发展前景已引起国内外广大学者们的关注。全球对氢能的研究热度越来越高，而氢气不易储存、运输的特点是阻碍其继续发展的关键因素。因此，许多现场制氢技术应运而生。除电解水制氢以外，低碳有机物的重整制氢也是近年来研究的热点之一。甲醇催化制氢又因其原料低成本、低毒性、易于运输处理的特点而被广泛应用。甲醇催化制氢的四种途径中，又以甲醇水蒸气重整制氢应用较为广泛。
但是氢气常温常压下为气态、体积大且易燃易爆，若压缩为液态又提高了其储存和运输成本。因此，储存、运输困难是氢燃料电池未能广泛应用的关键。为了解决氢气的贮存和运输困难的问题，许多现场制氢手段不断被研究者们开发出来，然目前现场制氢手段仍在不懈研究中，暂时还未能成熟并大量投入生产，而这其中低碳有机物的重整制氢是这些年的制氢研究热点之一。
发明内容
针对现有技术存在的上述技术问题，本申请的目的在于提供一种基于尾气余热利用的小型甲醇重整制氢装置***。本申请的小型甲醇重整制氢装置***，可以作为便携式燃料电池电源***设计的重要组成部分，应用于车载氢燃料电池，通过甲醇的机载重整生产氢气用于氧化还原反应，可以解决氢气的运输难、储存难的问题。
所述的一种基于尾气余热利用的小型甲醇重整制氢装置***，其特征在于包括内部盛有甲醇水溶液的原料储罐、原料泵、第一调节阀、预热器、内部装填有重整催化剂床层的重整器、第三调节阀及尾气风机，重整器上设有用于检测其内部重整催化剂床层温度的温度计，重整器外侧设有换热夹层，所述预热器采用换热器结构；尾气风机通过第三调节阀与重整器的换热夹层进口由管路连接，重整器的换热夹层出口与预热器的热通道由管路连接，热尾气在尾气风机的牵引下依次通过重整器外侧的换热夹层和预热器的热通道进行加热；所述原料储罐依次通过原料泵、第一调节阀和预热器的冷通道与重整器连接，甲醇水溶液在原料泵的输送作用下通过预热器的冷通道被预热后进入重整器的重整催化剂床层内进行反应，重整器再排出反应产生的氢气产物。
所述的一种基于尾气余热利用的小型甲醇重整制氢装置***，其特征在于还包括第二调节阀、燃烧室、第四调节阀和空气风机，所述原料泵出口分为两路，一路通过第一调节阀和预热器的冷通道与重整器连接，以便将甲醇水溶液输送至重整器的重整催化剂床层内进行反应；另一路通过第二调节阀与燃烧室的原料液进口由管路连接，空气风机通过第四调节阀与燃烧室的空气进口由管路连接，燃烧室的气体出口再与重整器的换热夹层进口由管路连接，使得甲醇水原料和外部空气能够分别在原料泵和空气风机的作用下进入到燃烧室中进行燃烧反应，形成的热燃气依次通过重整器外侧的换热夹层和预热器的热通道进行加热。
所述的一种基于尾气余热利用的小型甲醇重整制氢装置***，其特征在于所述温度计通过PLC控制***与第一调节阀、第二调节阀、第三调节阀和第四调节阀信号连接；
在装置***启动阶段，PLC控制***控制第一调节阀和第三调节阀关闭，且第二调节阀和第四调节阀开启，甲醇水原料和外部空气分别在原料泵和空气风机的作用下进入到燃烧室中进行燃烧反应，形成的热燃气依次通过重整器外侧的换热夹层和预热器的热通道进行加热；直至温度计检测到重整器内重整催化剂床层温度升温至设定温度后，温度计将信号发送给PLC控制***，通过PLC控制***反馈并控制第二调节阀和第四调节阀关闭，且第一调节阀和第三调节阀开启；
接下来进入正式反应阶段，热尾气在尾气风机的牵引下依次通过重整器外侧的换热夹层和预热器的热通道进行加热，甲醇水溶液在原料泵的输送作用下通过预热器的冷通道被预热后进入重整器的重整催化剂床层内进行反应，重整器再排出反应产生的氢气产物；当温度计检测到重整器内重整催化剂床层温度高于或低于设定温度时，温度计将信号发送给PLC控制***，通过PLC控制***反馈并控制调低或调高第三调节阀的开度，以便将重整器内重整催化剂床层温度维持在反应温度。
所述的一种基于尾气余热利用的小型甲醇重整制氢装置***，其特征在于还包括三通阀，三通阀包括两个进口和一个出口，三通阀的其中一个进口通过第三调节阀与尾气风机由管路连接，三通阀的另一个进口与燃烧室的气体出口由管路连接，三通阀的出口与重整器的换热夹层进口由管路连接，以便燃烧室内燃烧形成的热燃气或经尾气风机输送的热尾气，通过三通阀依次通过重整器外侧的换热夹层和预热器的热通道进行加热。
本申请取得的有益效果是：
本申请的小型甲醇重整制氢装置***，可以作为便携式燃料电池电源***设计的重要组成部分，应用于车载氢燃料电池，通过甲醇的机载重整生产氢气用于氧化还原反应，可以解决氢气的运输难、储存难的问题。在装置***启动阶段，开启原料泵和空气风机以及相应的阀门，分别将甲醇水溶液和外部空气引入燃烧室进行燃烧反应，产生的热燃气给重整室和预热器进行加热，为重整制氢反应创造条件。再关闭空气风机和相应阀门，将甲醇水溶液预热后通入重整室进行反应得到氢气。制得的氢气产物可运用于车辆的氢燃料发动机，推动车辆运行，车辆燃烧氢产生的热尾气进行回收并利用其中的热量维持重整室的反应温度。
在本申请中，温度计通过PLC控制***与第一调节阀、第二调节阀、第三调节阀和第四调节阀信号连接，一旦温度达到设定的目标，就自行进行下一动作，更为方便的进行自动操控。相应地，如果温度发生异常，可进行报警和采取相应的反馈调节操作。
附图说明
图1为本申请小型甲醇重整制氢装置***的结构示意图；
图1中：1-原料储罐，2-原料泵，3-第一调节阀，4-预热器，5-重整器，6-第二调节阀，7-燃烧室，8-三通阀，9-第三调节阀，10-尾气风机，11-第四调节阀，12-空气风机。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例：对照图1
一种基于尾气余热利用的小型甲醇重整制氢装置***，包括内部盛有甲醇水溶液的原料储罐1、原料泵2、第一调节阀3、预热器4、内部装填有重整催化剂床层的重整器5、第三调节阀9及尾气风机10，重整器5上设有用于检测其内部重整催化剂床层温度的温度计，重整器5外侧设有换热夹层，所述预热器4采用换热器结构；尾气风机10通过第三调节阀9与重整器5的换热夹层进口由管路连接，重整器5的换热夹层出口与预热器4的热通道由管路连接，热尾气在尾气风机10的牵引下依次通过重整器5外侧的换热夹层和预热器4的热通道进行加热；所述原料储罐1依次通过原料泵2、第一调节阀3和预热器4的冷通道与重整器5连接，甲醇水溶液在原料泵2的输送作用下通过预热器4的冷通道被预热后进入重整器5的重整催化剂床层内进行反应，重整器5再排出反应产生的氢气产物。
进一步地，本申请的装置***还包括第二调节阀6、燃烧室7、第四调节阀11、空气风机12和三通阀8，三通阀8包括两个进口和一个出口。
原料泵2出口分为两路，一路通过第一调节阀3和预热器4的冷通道与重整器5连接，以便将甲醇水溶液输送至重整器5的重整催化剂床层内进行反应；另一路通过第二调节阀6与燃烧室7的原料液进口由管路连接，空气风机12通过第四调节阀11与燃烧室7的空气进口由管路连接，燃烧室7的气体出口再与三通阀8的其中一个进口由管路连接。尾气风机10通过第三调节阀9与三通阀8的另一个进口由管路连接，三通阀8的出口再与重整器5的换热夹层进口由管路连接。
甲醇水原料和外部空气能够分别在原料泵2和空气风机12的作用下进入到燃烧室7中进行燃烧反应，形成的热燃气能够通过三通阀8依次进入重整器5外侧的换热夹层和预热器4的热通道进行加热。另外，热尾气在尾气风机10的牵引下，也能够通过三通阀8依次进入重整器5外侧的换热夹层和预热器4的热通道进行加热。
进一步地，所述温度计通过PLC控制***与第一调节阀3、第二调节阀6、第三调节阀9和第四调节阀11信号连接；
在装置***启动阶段，PLC控制***控制第一调节阀3和第三调节阀9关闭，且第二调节阀6和第四调节阀11开启，甲醇水原料和外部空气分别在原料泵2和空气风机12的作用下进入到燃烧室7中进行燃烧反应，形成的热燃气依次通过重整器5外侧的换热夹层和预热器4的热通道进行加热；直至温度计检测到重整器5内重整催化剂床层温度升温至设定温度后，温度计将信号发送给PLC控制***，通过PLC控制***反馈并控制第二调节阀6和第四调节阀11关闭，且第一调节阀3和第三调节阀9开启；
接下来进入正式反应阶段，热尾气在尾气风机10的牵引下依次通过重整器5外侧的换热夹层和预热器4的热通道进行加热，甲醇水溶液在原料泵2的输送作用下通过预热器4的冷通道被预热后进入重整器5的重整催化剂床层内进行反应，重整器5再排出反应产生的氢气产物；当温度计检测到重整器5内重整催化剂床层温度高于或低于设定温度时，温度计将信号发送给PLC控制***，通过PLC控制***反馈并控制调低或调高第三调节阀9的开度，以便将重整器5内重整催化剂床层温度维持在反应温度。
本申请的装置***在工作时：
在装置***启动阶段时，可对重整器5内重整催化剂床层用氢气进行还原，本申请的装置***可匹配连接有氢气输出***。PLC控制***控制第一调节阀3和第三调节阀9关闭，且第二调节阀6和第四调节阀11开启，甲醇水原料和外部空气分别在原料泵2和空气风机12的作用下进入到燃烧室7中进行燃烧反应，形成的热燃气依次通过重整器5外侧的换热夹层和预热器4的热通道进行加热。当重整器5内重整催化剂床层温度升温至200℃以上时，可通过氢气输出***向重整器5内重整催化剂床层通入H2进行还原，使得重整催化剂进行一定程度的活化。
直至温度计检测到重整器5内重整催化剂床层温度升温至设定温度后（设定温度可以为270℃的反应温度），关闭氢气输出***，同时接下来进入正式反应阶段。
在正式反应阶段，温度计将信号发送给PLC控制***，通过PLC控制***反馈并控制第二调节阀6和第四调节阀11关闭，且第一调节阀3和第三调节阀9开启。热尾气在尾气风机10的牵引下依次通过重整器5外侧的换热夹层和预热器4的热通道进行加热，甲醇水溶液在原料泵2的输送作用下通过预热器4的冷通道被预热后进入重整器5的重整催化剂床层内进行反应，重整器5再排出反应产生的氢气产物。在正式反应阶段过程中，当温度计检测到重整器5内重整催化剂床层温度高于或低于设定温度时，温度计将信号发送给PLC控制***，通过PLC控制***反馈并控制调低或调高第三调节阀9的开度，以便将重整器5内重整催化剂床层温度维持在反应温度。
其中重整器5排出的氢气产物应用于车载氢燃料电池，车辆在氢燃料电池作用下前进，产生的热尾气重新利用。车辆产生的热尾气可在尾气风机10的牵引下依次通过重整器5外侧的换热夹层和预热器4的热通道进行加热，为整个反应阶段提供能量。
另外本申请的装置***还可包括异常反馈调节过程，异常反馈调节过程为：在工作过程中的异常工况主要为重整器5内温度过高，该异常工况将导致反应条件不适宜，反应速率下降，反应产物H2浓度达不到要求。当监测到重整器5中的温度达到设定的临界异常温度时，可通过PLC控制***进行反应调节，原料泵2暂时关闭，第三调节阀9的开度调低，空气风机12打开，向重整器5中通入室温空气，迅速降低重整器5的温度。当重整器5内温度降低至反应温度时，可重新恢复PLC控制***在正式反应阶段中的控制过程。

Claims (1)

1.一种基于尾气余热利用的小型甲醇重整制氢装置***，其特征在于包括内部盛有甲醇水溶液的原料储罐（1）、原料泵（2）、第一调节阀（3）、预热器（4）、内部装填有重整催化剂床层的重整器（5）、第三调节阀（9）及尾气风机（10），重整器（5）上设有用于检测其内部重整催化剂床层温度的温度计，重整器（5）外侧设有换热夹层，所述预热器（4）采用换热器结构；尾气风机（10）通过第三调节阀（9）与重整器（5）的换热夹层进口由管路连接，重整器（5）的换热夹层出口与预热器（4）的热通道由管路连接，热尾气在尾气风机（10）的牵引下依次通过重整器（5）外侧的换热夹层和预热器（4）的热通道进行加热；所述原料储罐（1）依次通过原料泵（2）、第一调节阀（3）和预热器（4）的冷通道与重整器（5）连接，甲醇水溶液在原料泵（2）的输送作用下通过预热器（4）的冷通道被预热后进入重整器（5）的重整催化剂床层内进行反应，重整器（5）再排出反应产生的氢气产物；
还包括第二调节阀（6）、燃烧室（7）、第四调节阀（11）和空气风机（12），所述原料泵（2）出口分为两路，一路通过第一调节阀（3）和预热器（4）的冷通道与重整器（5）连接，以便将甲醇水溶液输送至重整器（5）的重整催化剂床层内进行反应；另一路通过第二调节阀（6）与燃烧室（7）的原料液进口由管路连接，空气风机（12）通过第四调节阀（11）与燃烧室（7）的空气进口由管路连接，燃烧室（7）的气体出口再与重整器（5）的换热夹层进口由管路连接，使得甲醇水原料和外部空气能够分别在原料泵（2）和空气风机（12）的作用下进入到燃烧室（7）中进行燃烧反应，形成的热燃气依次通过重整器（5）外侧的换热夹层和预热器（4）的热通道进行加热；
所述温度计通过PLC控制***与第一调节阀（3）、第二调节阀（6）、第三调节阀（9）和第四调节阀（11）信号连接；
在装置***启动阶段，PLC控制***控制第一调节阀（3）和第三调节阀（9）关闭，且第二调节阀（6）和第四调节阀（11）开启，甲醇水原料和外部空气分别在原料泵（2）和空气风机（12）的作用下进入到燃烧室（7）中进行燃烧反应，形成的热燃气依次通过重整器（5）外侧的换热夹层和预热器（4）的热通道进行加热；直至温度计检测到重整器（5）内重整催化剂床层温度升温至设定温度后，温度计将信号发送给PLC控制***，通过PLC控制***反馈并控制第二调节阀（6）和第四调节阀（11）关闭，且第一调节阀（3）和第三调节阀（9）开启；
接下来进入正式反应阶段，热尾气在尾气风机（10）的牵引下依次通过重整器（5）外侧的换热夹层和预热器（4）的热通道进行加热，甲醇水溶液在原料泵（2）的输送作用下通过预热器（4）的冷通道被预热后进入重整器（5）的重整催化剂床层内进行反应，重整器（5）再排出反应产生的氢气产物；当温度计检测到重整器（5）内重整催化剂床层温度高于或低于设定温度时，温度计将信号发送给PLC控制***，通过PLC控制***反馈并控制调低或调高第三调节阀（9）的开度，以便将重整器（5）内重整催化剂床层温度维持在反应温度；
还包括三通阀（8），三通阀（8）包括两个进口和一个出口，三通阀（8）的其中一个进口通过第三调节阀（9）与尾气风机（10）由管路连接，三通阀（8）的另一个进口与燃烧室（7）的气体出口由管路连接，三通阀（8）的出口与重整器（5）的换热夹层进口由管路连接，以便燃烧室（7）内燃烧形成的热燃气或经尾气风机（10）输送的热尾气，通过三通阀（8）依次通过重整器（5）外侧的换热夹层和预热器（4）的热通道进行加热。
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