利用發動機尾氣余熱制氫的乙醇重整器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種利用發動機尾氣余熱制氫的乙醇重整器，包括筒形結構的反應殼體、前端蓋及后端蓋，熱介質出口通過若干個換熱管束與熱介質進口相連，反應殼體內腔中從前向后通過中間折流板將反應殼體內腔分成蒸發區域和催化反應區域；所述中間折流板一端固定在反應殼體內腔的內壁上，所述中間折流板另一端與反應殼體內腔內壁之間的缺口位置處設置催化劑載體。通過增加折流板，充分利用反應殼體的內部空間，延長含水乙醇的蒸發時間、以及為乙醇蒸汽和水蒸汽提供足夠的反應時間，克服了傳統蒸發和反應時間短、重整率低的問題；另外，在中間折流板和催化反應區域折流板的缺口處裝催化劑，乙醇蒸汽和水蒸汽多次經過催化劑，可進一步提高重整率。
【專利說明】
利用發動機尾氣余熱制氫的乙醇重整器
技術領域
[0001] 本實用新型屬于內燃機余熱應用領域，具體是指一種利用發動機尾氣余熱制氫的 乙醇重整器。
【背景技術】
[0002] 太陽能、風能、海洋能、地熱能和生物質能等可再生能源都是未來潛在的替代能 源。在目前的技術條件下，和其他可再生能源相比，生物質能中的生物酒精因其能量密度的 優勢更適于作為載運工具的替代燃料。生物乙醇作為車用替代燃料的技術最為成熟，乙醇 汽油已得到廣泛應用。但在現有發動機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發動機需做大的結構改造。而且乙醇汽油對乙醇的 純度要求高，必須是脫水酒精，體積濃度在99.5 %以上。
[0003] 現有的重整制氫裝置形式多樣。例如，一種乙醇重整器(游伏兵，含水酒精重整燃 料發動機研究，武漢理工大學博士論文)采用的是管殼式結構，該裝置用兩個腔室將乙醇水 溶液的蒸發部分和乙醇水蒸氣的催化反應部分隔開，在乙醇水溶液蒸發部分的管程中通入 含水乙醇，在乙醇水蒸氣反應部分的管程中通入含水乙醇蒸氣，并在該部分的管程中添加 催化劑，而整個殼程中則通入發動機尾氣。該重整器兩個腔室之間的密封比較困難，且在高 溫條件下經過長時間反應后，由于在催化劑表面形成積碳、燒結等原因造成催化劑中毒和 管程堵塞，嚴重影響了乙醇的轉化率和氫氣的選擇性，甚至導致重整器失效。
[0004] 另外，中國發明專利申請（公布號0價04555923六、公布日2015.04.29)公開了一種 車載含水乙醇低溫重整制氫方法及其裝置和應用系統，其重整器采用管殼式結構，在管程 中通入發動機尾氣，在殼程中通入乙醇，并且在管程和殼程之間添加了兩級蜂窩鈦網結 構，兩級催化的結構提高了乙醇的重整率，但是乙醇蒸汽在殼程中流動距離短，停留時間過 短，一定程度上縮短了反應時間，降低了重整率。

【發明內容】

[0005] 本實用新型的目的就是針對上述技術的不足，提供一種降低發動機排氣背壓、提 高發動機尾氣傳熱效率的利用發動機尾氣余熱制氫的乙醇重整器，從而增大乙醇蒸汽與水 蒸氣反應的時間和空間，進一步提高含水乙醇的重整率。
[0006] 為實現上述目的，本實用新型所設計的利用發動機尾氣余熱制氫的乙醇重整器， 包括筒形結構的反應殼體、設置在反應殼體前端的前端蓋及設置在反應殼體后端的后端 蓋，所述前端蓋上設置有熱介質進口，所述后端蓋上設置有熱介質出口，所述熱介質出口通 過若干個換熱管束與熱介質進口相連，所述反應殼體內腔中從前向后通過中間折流板將反 應殼體內腔分成蒸發區域和催化反應區域，所述中間折流板開有穿過換熱管束的通孔，且 所述通孔的直徑與所述換熱管束的外徑相同；所述中間折流板一端固定在反應殼體內腔的 內壁上，所述中間折流板另一端與反應殼體內腔內壁之間的缺口位置處設置催化劑載體， 所述催化劑載體上分布有催化劑;位于所述蒸發區域前端的反應殼體上開設有含水乙醇進 口，位于催化反應區域末端的反應殼體上開設有富氫氣體出口。
[0007] 進一步地，所述蒸發區域內分布有至少一個蒸發區域折流板，每個蒸發區域折流 板開有穿過換熱管束的通孔，且所述通孔的直徑與所述換熱管束的外徑相同；每個蒸發區 域折流板一端均固定在反應殼體內腔的內壁上，每個蒸發區域折流板另一端與反應殼體內 腔內壁之間均有缺口，相鄰蒸發區域折流板的缺口均錯開布置，且與所述中間折流板相鄰 的所述蒸發區域折流板的缺口與所述中間折流板的缺口錯開布置。
[0008] 進一步地，所述催化反應區域內分布有至少一個催化反應區域折流板，每個催化 反應區域折流板開有穿過換熱管束的通孔，且所述通孔的直徑與所述換熱管束的外徑相 同；每個催化反應區域折流板一端均固定在反應殼體內腔的內壁上，每個催化反應區域折 流板另一端與反應殼體內腔內壁之間均有缺口，相鄰催化反應區域折流板的缺口均錯開布 置，且與所述中間折流板相鄰的所述催化反應區域折流板的缺口與所述中間折流板的缺口 錯開布置;每個催化反應區域折流板的缺口位置處均設置催化劑載體，催化劑載體上分布 有催化劑。
[0009] 進一步地，所述若干個換熱管束以所述反應殼體軸心為基準，對稱分布在反應殼 體內，且所述換熱管束的直徑為所述反應殼體內徑的1/9~1/7。
[0010]進一步地，所述換熱管束在水平方向和豎直方向上，相鄰換熱管束軸心間的距離 均為換熱管束直徑的2七倍。
[0011]進一步地，所述中間折流板和所述催化反應區域折流板與催化劑載體在豎直方向 上的高度比均為2:1~4:1。
[0012] 進一步地，所述含水乙醇進口和所述富氫氣體出口布置在所述反應殼體的上下兩 偵L且所述含水乙醇進口的直徑與所述富氫氣體出口的直徑比為3:5~4:5。
[0013]進一步地，所述反應殼體前端套裝有前支撐盤，所述反應殼體后端套裝有后支撐 盤，所述換熱管束的一端固定在前支撐盤上，且另一端固定在后支撐盤上。
[0014] 與現有技術相比，本實用新型具有以下優點：
[0015] 1、采用逆流式換熱，即采用換熱管束，乙醇蒸汽流動方向與尾氣流動方向相反，克 服了傳統將尾氣通入殼程中排氣背壓大；
[0016] 2、優化了反應殼體內腔的結構，通過增加折流板，充分利用反應殼體的內部空間， 延長含水乙醇的蒸發時間、以及為乙醇蒸汽和水蒸汽提供足夠的反應時間，克服了傳統蒸 發和反應時間短、反應通道易堵塞、反應空間小及重整率低的問題；
[0017] 3、在中間折流板和催化反應區域折流板的缺口處裝催化劑，乙醇蒸汽和水蒸汽 多次經過催化劑，可進一步提高重整率；
[0018] 4、本實用新型的乙醇重整器具有結構簡單、占用空間小、換熱系數高、多級催化的 特點，能夠充分利用發動機的尾氣余熱，進一步提高乙醇的重整率，具有很大的實用價值。
【附圖說明】
[0019] 圖1為本實用新型利用發動機尾氣余熱制氫的乙醇重整器的立體結構示意圖；
[0020] 圖2為圖1的主視不意圖；
[0021]圖3為圖2的側視不意圖；
[0022]圖4為圖2中催化劑載體結構示意圖。
[0023] 圖中各部件標號如下:反應殼體1、前端蓋2、后端蓋3、熱介質進口 4、熱介質出口 5、 前支撐盤6、后支撐盤7、富氫氣體出口8、含水乙醇進口9、中間折流板10、缺口 11、催化反應 區域12、蒸發區域折流板13、蒸發區域14、催化反應區域折流板15、催化劑16、換熱管束17、 催化劑載體18。
【具體實施方式】
[0024] 下面結合附圖和具體實施例對本實用新型作進一步的詳細說明。
[0025] 如圖1所示的利用發動機尾氣余熱制氫的乙醇重整器，包括筒形結構的反應殼體 1、設置在反應殼體1前端的前端蓋2、套裝在反應殼體1前端的前支撐盤6、設置在反應殼體1 后端的后端蓋3及套裝在反應殼體1后端的后支撐盤7,結合圖2所示，前端蓋2上設置有熱介 質進口 4，后端蓋3上設置有熱介質出口 5，熱介質出口 5通過若干個換熱管束17與熱介質進 口 4相連，換熱管束17的一端固定在前支撐盤6上，且另一端固定在后支撐盤7上，使得發動 機尾氣從前端蓋2進入乙醇重整器，并分流進入換熱管束17,然后從后端蓋3流出。前支撐盤 6和后支撐盤7起支撐和定位反應殼體1內的換熱管束17,并將發動機尾氣與乙醇重整器內 腔隔開，迫使尾氣流入熱管;而換熱管束17是乙醇重整器的核心部件之一，它是熱量交換 的媒介，將發動機尾氣的熱量提供給酒精蒸發和反應。即反應殼體1、前支撐盤6、后支撐盤 7、換熱管束17、前端蓋2及后端蓋3形成內腔，內腔為含水乙醇的蒸發和催化反應提供了足 夠空間。
[0026] 本實施例的關鍵點在于:反應殼體1內腔中從前向后通過中間折流板10將反應殼 體1內腔分成蒸發區域14和催化反應區域12,位于蒸發區域14前端的反應殼體1上開設有含 水乙醇進口 9,位于催化反應區域12末端的反應殼體1上開設有富氫氣體出口 8。并且，本實 施例中含水乙醇進口 9和富氫氣體出口 8布置在反應殼體1的上下兩側，且含水乙醇進口 9的 直徑與富氫氣體出口 8的直徑比為3:5~4:5(由于氣體比液體體積大，含水乙醇進入重整器 后體積膨脹，因此，富氫氣體出口的直徑比含水乙醇進口的直徑稍大），優選為3:4。
[0027] 本實施例中蒸發區域14內分布有至少一個蒸發區域折流板13(如圖2所示，有一個 蒸發區域折流板13,充分利用乙醇重整器的內部空間，延長蒸發的路徑和時間），催化反應 區域12內分布有至少一個催化反應區域折流板15(如圖2所示，有兩個催化反應區域折流板 15,為乙醇蒸汽和水蒸汽提供足夠的反應時間，提高重整率）。結合圖3所示，所有蒸發區域 折流板13、所有催化反應區域折流板15及中間折流板10均開有穿過換熱管束17的通孔，且 通孔的直徑與換熱管束17的外徑相同。中間折流板10-端固定在反應殼體1內腔的內壁上， 中間折流板10另一端與反應殼體1內腔內壁之間有缺口 11，每個催化反應區域折流板15- 端均固定在反應殼體1內腔的內壁上，每個催化反應區域折流板15另一端與反應殼體1內腔 內壁之間均有缺口 11，相鄰催化反應區域折流板15的缺口 11均錯開布置，且與中間折流板 10相鄰的催化反應區域折流板15的缺口 11與中間折流板10的缺口 11錯開布置;并且，中間 折流板10的缺口 11和每個催化反應區域折流板15的缺口 11位置處均設置催化劑載體18,催 化劑載體18采用蜂窩陶瓷結構，如圖4所示，其催化劑載體18上分布有催化劑16(中間折流 板和催化反應區折流板均裝有催化劑，乙醇蒸汽和水蒸汽會多次經過催化劑，進一步提高 重整率），另外，本實施例中中間折流板10和催化反應區域折流板15與催化劑載體18在豎直 方向上的高度比均為2:1~4:1，優選為3:1。同理，每個蒸發區域折流板13-端均固定在固 定在反應殼體1內腔的內壁上，每個蒸發區域折流板13另一端與反應殼體1內腔內壁之間均 有缺口 11，相鄰蒸發區域折流板13的缺口 11均錯開布置，且與中間折流板10相鄰的蒸發區 域折流板13的缺口 11與中間折流板10的缺口 11錯開布置。
[0028]本實施例中的折流板為乙醇蒸汽在乙醇重整器中的流動導向，并將乙醇重整器分 成多個腔室（如本實施例中四個折流板分成五個小腔室），前面兩個小腔室供含水乙醇蒸 發，后面三個小腔室加裝催化劑，供乙醇蒸汽和水蒸汽反應。含水乙醇從含水乙醇進口流入 乙醇重整器，在高溫條件下，在前兩個小腔室中迅速蒸發成乙醇蒸汽和水蒸汽，并沿著折流 板在后面三個小腔室中流動，并發生三級催化反應，生成富氫混合氣，從富氫氣體出口流 出。在催化劑作用下，乙醇蒸汽和水蒸汽會發生比較復雜的化學反應，最終產物有H 2、CH4、 co、c2h4等，以及沒有反應完的乙醇蒸汽，該混合氣可通入發動機進氣管，供發動機直接燃 燒，并能改善發動機排放。
[0029] 另外，結合圖3所示，本實施例中若干個換熱管束17以反應殼體1軸心為基準，對稱 分布在反應殼體1內，能充分提高換熱;且換熱管束17的直徑為反應殼體內徑的1/9~1/7， 優選為1/8,且換熱管束17在水平方向和豎直方向上，相鄰換熱管束軸心間的距離均為換熱 管束直徑的2Vi倍。發動機尾氣從換熱管束中流過，將熱量傳遞給覆蓋在換熱管束周圍的 含水乙醇，阻力小，可明顯降低發動機的排氣背壓。
[0030] 本實用新型的乙醇重整器采用逆流式換熱，即采用換熱管束，乙醇蒸汽流動方向 與尾氣流動方向相反，克服了傳統將尾氣通入殼程中排氣背壓大;優化了反應殼體內腔的 結構，通過增加折流板，充分利用反應殼體的內部空間，延長含水乙醇的蒸發時間、以及為 乙醇蒸汽和水蒸汽提供足夠的反應時間，克服了傳統蒸發和反應時間短、反應通道易堵塞、 反應空間小及重整率低的問題；另外，在中間折流板和催化反應區域折流板的缺口處裝催 化劑，乙醇蒸汽和水蒸汽多次經過催化劑，可進一步提高重整率。
[0031] 綜上所述，本實用新型的乙醇重整器具有結構簡單、占用空間小、換熱系數高、多 級催化的特點，能夠充分利用發動機的尾氣余熱，進一步提高乙醇的重整率，具有很大的實 用價值。
【主權項】
1. 一種利用發動機尾氣余熱制氫的乙醇重整器，包括筒形結構的反應殼體（1)、設置在 反應殼體（1)前端的前端蓋(2)及設置在反應殼體（1)后端的后端蓋(3)，所述前端蓋(2)上 設置有熱介質進口（4)，所述后端蓋(3)上設置有熱介質出口（5)，所述熱介質出口（5)通過 若干個換熱管束（17)與熱介質進口（4)相連，其特征在于:所述反應殼體（1)內腔中從前向 后通過中間折流板(10)將反應殼體內腔分成蒸發區域(14)和催化反應區域(12)，所述中間 折流板(10)開有穿過換熱管束（17)的通孔，且所述通孔的直徑與所述換熱管束（17)的外徑 相同;所述中間折流板(1 〇)-端固定在反應殼體(1)內腔的內壁上，所述中間折流板（10)另 一端與反應殼體（1)內腔內壁之間的缺口（11)位置處設置催化劑載體（18)，所述催化劑載 體（18)上分布有催化劑（16);位于所述蒸發區域（14)前端的反應殼體（1)上開設有含水乙 醇進口（9)，位于催化反應區域(12)末端的反應殼體(1)上開設有富氫氣體出口（8)。2. 根據權利要求1所述的利用發動機尾氣余熱制氫的乙醇重整器，其特征在于:所述蒸 發區域(14)內分布有至少一個蒸發區域折流板（13)，每個蒸發區域折流板(13)開有穿過換 熱管束（17)的通孔，且所述通孔的直徑與所述換熱管束（17)的外徑相同；每個蒸發區域折 流板（13) -端均固定在反應殼體（1)內腔的內壁上，每個蒸發區域折流板（13)另一端與反 應殼體(1)內腔內壁之間均有缺口（11)，相鄰蒸發區域折流板(13)的缺口（11)均錯開布置， 且與所述中間折流板（10)相鄰的所述蒸發區域折流板（13)的缺口（11)與所述中間折流板 (10)的缺口（11)錯開布置。3. 根據權利要求1所述的利用發動機尾氣余熱制氫的乙醇重整器，其特征在于:所述催 化反應區域（12)內分布有至少一個催化反應區域折流板（15)，每個催化反應區域折流板 (15)開有穿過換熱管束（17)的通孔，且所述通孔的直徑與所述換熱管束（17)的外徑相同； 每個催化反應區域折流板（15) -端均固定在反應殼體（1)內腔的內壁上，每個催化反應區 域折流板（15)另一端與反應殼體（1)內腔內壁之間均有缺口（11)，相鄰催化反應區域折流 板(15)的缺口（11)均錯開布置，且與所述中間折流板(10)相鄰的所述催化反應區域折流板 (15)的缺口（11)與所述中間折流板（10)的缺口（11)錯開布置;每個催化反應區域折流板 (15)的缺口（11)位置處均設置催化劑載體(18)，催化劑載體(18)上分布有催化劑(16)。4. 根據權利要求1或2或3所述的利用發動機尾氣余熱制氫的乙醇重整器，其特征在于： 所述若干個換熱管束（17)以所述反應殼體（1)軸心為基準，對稱分布在反應殼體（1)內，且 所述換熱管束(17)的直徑為所述反應殼體(1)內徑的1/9~1/7。5. 根據權利要求1或2或3所述的利用發動機尾氣余熱制氫的乙醇重整器，其特征在于： 所述換熱管束（17)在水平方向和豎直方向上，相鄰換熱管束（17)軸心間的距離均為換熱管 束(17)直徑的2·^倍。6. 根據權利要求1或2或3所述的利用發動機尾氣余熱制氫的乙醇重整器，其特征在于： 所述中間折流板（10)和所述催化反應區域折流板（15)與催化劑載體（18)在豎直方向上的 高度比均為2:1~4:1。7. 根據權利要求1或2或3所述的利用發動機尾氣余熱制氫的乙醇重整器，其特征在于： 所述含水乙醇進口（9)和所述富氫氣體出口（8)布置在所述反應殼體（1)的上下兩側，且所 述含水乙醇進口（9)的直徑與所述富氫氣體出口（8)的直徑比為3:5~4:5。8. 根據權利要求1或2或3所述的利用發動機尾氣余熱制氫的乙醇重整器，其特征在于： 所述反應殼體（1)前端套裝有前支撐盤(6)，所述反應殼體（1)后端套裝有后支撐盤(7)，所 述換熱管束(17)的一端固定在前支撐盤(6)上，且另一端固定在后支撐盤(7)上。
【文檔編號】F02G5/02GK205668941SQ201620482695
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年5月25日
【發明人】吳偉, 張新塘, 游伏兵, 李格升, 王亮, 涂登磊, 王桀
【申請人】武漢理工大學