专利名称：废热机载随行制氢装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种应用于运输动力机械的随行制氢装置，尤其是应用于各 种内燃机、燃气涡轮发动机、燃料电池机车及燃料电池移动发电的废热机载 随行制氢装置。
技术背景氢气发动机具有能量转换效率高、动力性能好和污染非常小的突出优 点。氢能将成为理想的清洁能源之一，并已引起极大的重视和广泛使用。但 氢能广泛利用的最大障碍在于其储存与配给的困难。其传统的工业制备方法 无法避免这一困难，解决这些问题的有效办法之一就是通过合适的具有高含 氢量的液体燃料的催化转化随行制取氢气。在众多的可能利用的液体燃料 中，低碳醇如甲醇、乙醇，其中甲醇含氢量高、价廉、易储存、运输方便、 供远大于求，来源非常丰富；生物质乙醇由于其燃烧后所释放的二氧化碳来 自植物生长过程中从大气摄取，使用乙醇燃料不会增加大气中二氧化碳的排 放量。因此，乙醇作为发动机的燃烧替代能源，是环保型的间接太阳能，具 有非常高的推广价值。目前，已有较多公知的燃料废热机载随行制氢技术，但这些技术都存在 不同程度或不同方面的缺陷或不足。典型的技术例如下US4059076需要专门的辅机提供甲醇裂解所必要的热量；GB1491138、 GB1485834、 DE2439873等需要空压机提供压力空气，以保证甲醇部分氧化所 需要的氧气。这些技术，不仅增加了能耗，热效率低，还需要更多的辅机或 压缩机空间，既增大了制造成本，又增加了对存量机车改造的难度。CN2050083U利用发动机排气废热为燃料裂解热源，降低了能耗，增大了 发动的热效率。但由于其燃料气化、过热器与催化反应腔互为独立，虽然保 证了传热的均匀，但需要较大的空间才能安装。这一缺陷，尤其对于存量发 动机的改造是一大瓶颈。ZL94116320. 2仍然利用发动机排气废热为甲醇裂解热源，具有热效率高 的优点，并将甲醇气化过热和混合氢气管置于同一装置中，具有占用空间少的优势，但其最大的不足是废热利用不充分，催化剂受热不均匀，易于老化，使用周期短，运行成本高；同时，由于催化剂受热不均匀，催化转化器的温度不易控制，制氢速率不稳定。发明内容为了克服现有公知燃料废热机载随行制氢技术或装置的不足，本发明提 供一种传热面足够、废热利用充分、传热均匀、制氢速率稳定，而且结构紧 凑、体积小、安装拆卸方便，充分利用各种内燃机、燃气涡轮发动机废热尾 气的随行制氢装置。本发明根据公知的液态醇(或烃)含氢燃料催化裂解、或和水蒸气重整、 或和部分氧化反应制氢的原理，以及公知的膜分离技术而设计。本发明的目的所采用技术方案是，包括有外筒的一端有尾气出气管，另 一端法兰与外筒端盖之间用螺栓连接，外筒端盖有尾气进气管，其中心管与 杯形的催化反应腔管的底部的中心孔之间焊接连接，催化反应腔管开口端端 面有催化反应腔端盖，催化反应腔端盖另一端面有支撑管，催化反应腔管的 底部与催化反应腔端盖之间，从中心管管外由内向外依次左套焊有蒸发器管 和中间管，进料管穿过密封螺栓的孔，与呈螺旋管状的预热器一端焊接连接， 预热器的另一端穿过和催化反应腔端盖的与中心管和蒸发器管之间的对应 部位焊接连接，呈螺旋管状的过热器的一端穿过和催化反应腔管的底部的与 中心管和蒸发器管之间的对应部位焊接连接，过热器的另一端穿过和催化反 应腔管的底部的与中间管和催化反应腔管之间的对应部位悍接连接，混合氢 气管的一端穿过与催化反应腔端盖的与中间管和催化反应腔管之间的对应 部位焊接连接，另一端穿过密封螺栓的孔，并穿出外筒端盖，催化反应腔端 盖上的支撑管的管壁有孔，密封螺栓的外螺纹与外筒端盖的孔内螺纹啮合， 催化反应腔管的外壁和外筒的内壁焊有凸块。本发明，催化反应腔由中间管、催化反应腔管、催化反应腔底和催化反 应腔端盖构成的腔体组成，催化反应腔内装填催化剂。本发明，蒸发器由中心管、蒸发器管、催化反应腔底和催化反应腔端盖 构成的腔体组成。本发明，催化反应腔端盖在与中心管和中间管之间对应的环状部位分布有孔。催化反应腔底在与蒸发器管和中间管之间对应的环状部位分布有孔。 本发明，内置节温器，节温器由安装在中心管左端上的呈螺旋状的双金属片、 穿过中心管的管壁的轴和在中心管管内轴上的节气门等基本构件组成。本发明，在外筒端盖上开孔安装喷然器，以解决催化反应腔冷启动问题。 本发明，在催化反应腔底上与催化反应腔管和中间管之间对应的环状部 位开孔后，焊接连接空气导入管，空气导入管穿过密封螺栓伸出外筒底。安 装空气导入管后，可以在必要时，控制发生醇的部分氧化反应。本发明，在催化反应腔端盖的左面与中间管和催化反应腔管之间对应的 环状部位焊接环形槽状支撑体，并在环形槽状支撑体底上沿环状分布若干管 状分离膜(如钯-镍合金多空陶瓷支撑体复合分离膜等)，环形槽状支撑体与催化反应腔端盖之间的腔体构成分离纯化的氢气腔；氢气管与催化反应腔端 盖焊接连接，并与氢气腔连通；C02等废气管焊接穿过催化反应腔端盖与环 形槽状支撑体底焊接连接，并与催化反应腔腔连通。本发明的使用首先尾气进气管接上发动机排气管、尾气出气管直接排空或接消声器， 在催化反应腔管管内与中间管之间装载有催化剂(如铜一锌系、铜一铱系、 钴—锆系等)，燃料醇接通进料管，混合氢气管接通发动机燃料系统的混合 氢缓冲或储存罐内。发动机排气管排出的尾气从尾气进气管进入， 一部分从 中心管流向尾气出气管；另外一部分经支撑管的孔从外筒内壁与催化反应腔 管外壁之间的通道流出，最后由尾气出气管流出；再有一部分通过催化反应 腔管端盖的孔，流向中间管内壁与蒸发器管外壁之间通道，经催化反应腔底 的孔流出，最后从尾气出气管流出。燃料从进料管流入，进入呈螺旋状的预 热器内，受尾气加热作用，燃料温度升高，再进入蒸发器管与中心管之间通 道(蒸发器)，液态的燃料又一次受热，蒸发为饱和燃料蒸汽，然后进入过 热器，在呈螺旋管状的过热器内的饱和燃料蒸汽又一次吸热后，变成过饱和燃料蒸汽，iim和燃料蒸汽进入催化反应腔管内壁与中间管外壁之间的通道(催化反应腔)，过饱和燃料蒸汽在催化剂作用下，发生直接裂解、水蒸汽 重整、部分氧化(安装空气导入管时)反应，生成以氢气为主的富氢混合可燃气体，然后从中间管与蒸发器管之间的通道的混合氢气管流出。松动螺栓， 打开外筒端盖，可方便地取出催化反应腔端盖，即可装、卸催化剂。受尾气温度的影响，节温器的呈螺旋状的双金属片发生巻曲变化，而带 动轴旋转，而轴上的节气门也随之转动，使得经过中心管的尾气流量发生变 化，从而改变用于加热催化反应腔的排气流量，起到调节温度的作用。冷启动喷燃器只在燃料系统中混合氢气缓冲或储存罐中混合氢气 压力不足或根本没有时才启动。冷启动喷射器启动时，喷进的火焰将对预热 器、蒸发器、过热器和催化反应腔加热，当催化反应腔内的催化剂温度升至 设定值时，催化反应腔才能将液态燃料正常转化为氢气。发动机和催化反应 腔正常运行时冷启动喷燃器停止工作。在催化反应腔冷启动或发动机处于低负荷工况时，空气导入管受控导入 定量空气，使催化反应腔内的燃料被催化裂解或重整(均为吸热反应)为氢 气的同时，部分燃料发生部分氧化反应(放热反应)，从而起到快速启动或 弥补发动机排气废热量不足的作用。本发明设置管状分离膜时，催化反应腔内产生的富氢混合气体(氢气、 二氧化碳等)中的氢气，吸附在管状膜的表面并溶入膜相体中，在氢浓度差 及来自燃料泵(附图未示出)的压力推动下，氢在相体中向膜的另一侧扩散，扩散至管状膜的内表面的氢进行脱附，并通过管状膜的内侧，汇集到氢气腔； 分离提纯的氢气通过氢气管导出，富氢混合气体中的二氧化碳等非透过成分 二氧化碳等废气，通过废气管导出。选择不同的催化剂，本发明可以使用醇、醚和烃类等多种燃料，甚至低 碳糖等碳水化合物。使用本发明的有益结果是其一，借助于尾气的废热为热源，来实现燃料催化反应来将低热值的醇 燃料转化为高热值的氢气，大大提高了燃料的热效率，达到节能降耗的目的； 其二，中心管、蒸发器管、中间管、催化反应腔管和外筒为同轴结构，使得 整体结构紧凑、大大縮小了装置的体积，并获得大外径、薄催化剂层的催化转化(裂解、重整、部分氧化)装置结构，使得催化剂装载量多，单位受热面积大，传热均匀，并可装载整体催化剂，完全避免了颗粒催化剂因相互摩擦儿产生的粉末化问题；其三，燃料从进入装置，到催化反应成可燃性的以 氢气为主的混合气体的整个过程，按四个有序的阶段进行，有效地防止了燃 料因局部过热引起的碳化和深度裂解；其四，内置双金属节温器时，无需外 源性的控制手段即可实现装置内部温度的自动调节；其五，加装了冷启动喷 燃器时，可以有效地解决随行发生器的冷启动问题；其六，加装了空气导入 管时，可以控制发生部分氧化反应，利用部分氧化反应的放热作用，可以使 催化反应腔快速启动和克服当发动机处于低负荷工况时排气废热量不足的 影响。
下面结合附图进一步说明本发明。 图1是本发明实施例1的剖视结构示意图。 图2是本发明实施例2的剖视结构示意图。 图3是本发明的节温器结构示意图。 图4是本发明实施例3的剖视结构示意图。 图5是本发明实施例4的剖视结构示意图。 图6是本发明实施例6的剖视结构示意图。图7是本发明管状分离膜与环形槽状支撑体底的剖视结构及工作原理示 意图。图中卜外筒2-中心管3-过热器 4-尾气出气管5-催化反应腔 底6-催化反应腔管7-中间管8-蒸发器管9-凸块10-预热器ll-法 兰12—密封螺栓13-混合氢气管1301-(分离提纯)氢气管1302-(C02 等)废气管14-尾气进气管15-进料管16-外筒端盖17-螺栓18-支 撑管19-催化反应腔端盖1901-环形槽状支撑体20-双金属片2卜节 气门22-轴A-节温器B-冷启动喷燃器C-空气导入管m-管状分离膜实施例l如图1所示，包括有外筒1的一端有尾气出气管5、另一端法兰11与外 筒端盖16之间用螺栓17连接，外筒端盖16有尾气进气管14，其中心管2与催化反应腔底5的中心孔之间焊接连接，催化反应腔管6开口端端面有催 化反应腔端盖19，催化反应腔端盖19另一端面有支撑管18,催化反应腔底 5与催化反应腔端盖19之间，从中心管2管外由内向外依次左套焊有蒸发器 管8和中间管7，进料管15穿过密封螺栓12的孔，与呈螺旋管状的预热器 10 —端焊接连接，预热器10的另一端穿过和催化反应腔端盖19的与中心管 2和蒸发器管8之间的对应部位焊接连接，呈螺旋管状的过热器3的一端穿 过和催化反应腔底5的与中心管2和蒸发器管8之间的对应部位焊接连接， 过热器3的另一端穿过和催化反应腔底5的与中间管7和催化反应腔管6之 间的对应部位焊接连接，混合氢气管13的一端穿过与催化反应腔端盖19的 与中间管7和催化反应腔管6之间的对应部位焊接连接，另一端穿过密封螺 栓12的孔，并穿出外筒端盖16。催化反应腔端盖19上的支撑管18的管壁有 孔，密封螺栓12的外螺纹与外筒端盖16的孔内螺纹啮合，催化反应腔管6的 外壁和外筒1的内壁焊有凸块9。本实施方案中，由于没有内置节温器A，催化反应腔需要外援性的控制 手段来控制其温度。实施例2图2、 3所示，包括有外筒1的一端有尾气出气管5另一端法兰11与外 筒端盖16之间用螺栓17连接，外筒端盖16有尾气进气管14，其中心管2 与催化反应腔底5的中心孔之间焊接连接，催化反应腔管6开口端端面有催 化反应腔端盖19，催化反应腔端盖19另一端面有支撑管18，催化反应腔底 5与催化反应腔端盖19之间，从中心管2管外由内向外依次左套焊有蒸发器 管8和中间管7，进料管15穿过密封螺栓12的孔，与呈螺旋管状的预热器 10 —端焊接连接，预热器10的另一端穿过和催化反应腔端盖19的与中心管 2和蒸发器管8之间的对应部位焊接连接，呈螺旋管状的过热器3的一端穿 过和催化反应腔底5的与中心管2和蒸发器管8之间的对应部位焊接连接， 过热器3的另一端穿过和催化反应腔底5的与中间管7和催化反应腔管6之 间的对应部位焊接连接，混合氢气管13的一端穿过与催化反应腔端盖19的 与中间管7和催化反应腔管6之间的对应部位焊接连接，另一端穿过密封螺栓12的孔,并穿出外筒端盖16，催化反应腔端盖19上的支撑管18的管壁有 孔，密封螺栓12的外螺纹与外筒端盖16的孔内螺纹啮合，催化反应腔管6的 外壁和外筒1的内壁焊有凸块9，在中心管2管上装有节温器A，节温节4的 呈螺旋状的双金属片20的中心连接轴22，轴22穿过中心管2的管壁孔，在 中心管2管内的轴22上有节气门21。本实施方案中，因内置节温器A，催化反应腔无需外援性的控制手段既 可自动调节温度。实施例3如图4所示，包括有外筒1的一端有尾气出气管5、另一端法兰11与外 筒端盖16之间用螺栓17连接，外筒端盖16有尾气进气管14，其中心管2 与催化反应腔底5的中心孔之间焊接连接，催化反应腔管6开口端端面有催 化反应腔端盖19，催化反应腔端盖19另一端面有支撑管18，催化反应腔底 5与催化反应腔端盖19之间，从中心管2管外由内向外依次左套焊有蒸发器 管8和中间管7，进料管15穿过密封螺栓12的孔，与呈螺旋管状的预热器 10 —端焊接连接，预热器10的另一端穿过和催化反应腔端盖19的与中心管 2和蒸发器管8之间的对应部位焊接连接，呈螺旋管状的过热器3的一端穿 过和催化反应腔底5的与中心管2和蒸发器管8之间的对应部位焊接连接， 过热器3的另一端穿过和催化反应腔底5的与中间管7和催化反应腔管6之 间的对应部位焊接连接，混合氢气管13的一端穿过与催化反应腔端盖19的 与中间管7和催化反应腔管6之间的对应部位焊接连接，另一端穿过密封螺 栓12的孔，并穿出外筒端盖16，催化反应腔端盖19上的支撑管18的管壁有 孔，密封螺栓12的外螺纹与外筒端盖16的孔内螺纹啮合，催化反应腔管6的 外壁和外筒1的内壁焊有凸块9，在外筒端盖16上开孔安装有冷启动喷燃器 B。实施例4如图5所示，包括有外筒1的一端有尾气出气管5、另一端法兰11与外 筒端盖16之间用螺栓17连接，外筒端盖16有尾气进气管14，其中心管2与催化反应腔底5的中心孔之间焊接连接，催化反应腔管6开口端端面有催 化反应腔端盖19，催化反应腔端盖19另一端面有支撑管18，催化反应腔底 5与催化反应腔端盖19之间，从中心管2管外由内向外依次左套焊有蒸发器 管8和中间管7，进料管15穿过密封螺栓12的孔，与呈螺旋管状的预热器 10 —端焊接连接，预热器10的另一端穿过和催化反应腔端盖19的与中心管 2和蒸发器管8之间的对应部位焊接连接，呈螺旋管状的过热器3的一端穿 过和催化反应腔底5的与中心管2和蒸发器管8之间的对应部位焊接连接， 过热器3的另一端穿过和催化反应腔底5的与中间管7和催化反应腔管6之 间的对应部位焊接连接，混合氢气管13的一端穿过与催化反应腔端盖19的 与中间管7和催化反应腔管6之间的对应部位焊接连接，另一端穿过密封螺 栓12的孔，并穿出外筒端盖16，催化反应腔端盖19上的支撑管18的管壁有 孔，密封螺栓12的外螺纹与外筒端盖16的孔内螺纹啮合，催化反应腔管6的 外壁和外筒1的内壁焊有凸块9，在催化反应腔底上的与催化反应腔管6和 中间管7之间对应的环状部位开孔后，焊接连接空气导入管B，空气导入管 C穿过密封螺栓12伸出外筒1底，该密封螺栓12的外螺纹与外筒1底的内螺 纹啮合。实施例5如图6、 7所示，包括有外筒1的一端有尾气出气管5、另一端法兰11 与外筒端盖16之间用螺栓17连接，外筒端盖16有尾气进气管14，其中心 管2与催化反应腔底5的中心孔之间焊接连接，催化反应腔管6开口端端面 有催化反应腔端盖19，催化反应腔端盖19另一端面有支撑管18，催化反应 腔底5与催化反应腔端盖19之间，从中心管2管外由内向外依次左套焊有 蒸发器管8和中间管7，进料管15穿过密封螺栓12的孔，与呈螺旋管状的 预热器10 —端焊接连接，预热器10的另一端穿过和催化反应腔端盖19的 与中心管2和蒸发器管8之间的对应部位焊接连接，呈螺旋管状的过热器3 的一端穿过和催化反应腔底5的与中心管2和蒸发器管8之间的对应部位焊 接连接，过热器3的另一端穿过和催化反应腔底5的与中间管7和催化反应 腔管6之间的对应部位焊接连接，混合氢气管13的一端穿过与氢气发生器端盖19的与中间管7和催化反应腔管6之间的对应部位焊接连接，另 一端穿过密封螺栓12的孔，并穿出外筒端盖16。催化反应腔端盖19上的支 撑管18的管壁有孔，密封螺栓12的外螺纹与外筒端盖16的孔内螺纹啮合， 催化反应腔管6的外壁和外筒1的内壁焊有凸块9。在催化反应腔端盖19的左面与中间管7和催化反应腔管6之间对应的 环状部位焊接环形槽状支撑体1901，并在环形槽状支撑体1901底上沿环状 分布若干管状分离膜m，环形槽状支撑体1901与催化反应腔端盖19之间的 腔体构成分离纯化的氢气腔；氢气管1301与催化反应腔端盖19焊接连接， 并与氢气腔连通；C02等废气管1302焊接穿过催化反应腔端盖19与环形槽 状支撑体1901底焊接连接，并与催化反应腔腔连通。
权利要求
1、一种废热机载随行制氢装置，包括有外筒(1)的一端有尾气出气管(5)，另一端法兰(11)与外筒端盖(16)之间用螺栓(17)连接，外筒端盖(16)有尾气进气管(14)，其特征在于中心管(2)与催化反应腔底(5)的中心孔之间焊接连接，催化反应腔管(6)开口端端面有催化反应腔端盖(19)，催化反应腔端盖(19)另一端面有支撑管(18)，催化反应腔底(5)与催化反应腔端盖(19)之间，从中心管(2)管外由内向外依次左套焊有蒸发器管(8)和中间管(7)，进料管(15)穿过密封螺栓(12)的孔，与呈螺旋管状的预热器(10)一端焊接连接，预热器(10)的另一端穿过和催化反应腔端盖(19)的与中心管(2)和蒸发器管(8)之间的对应部位焊接连接，呈螺旋管状的过热器(3)的一端穿过和催化反应腔底(5)的与中心管(2)和蒸发器管(8)之间的对应部位焊接连接，过热器(3)的另一端穿过和催化反应腔底(5)的与中间管(7)和催化反应腔管(6)之间的对应部位焊接连接，混合氢气管(13)的一端穿过与催化反应腔端盖(19)的与中间管(7)和催化反应腔管(6)之间的对应部位焊接连接，另一端穿过密封螺栓(12)的孔，并穿出外筒端盖(16)，催化反应腔端盖(19)上的支撑管(18)的管壁有孔，密封螺栓(12)的外螺纹与外筒端盖(16)的孔内螺纹啮合，催化反应腔管(6)的外壁和外筒(1)的内壁焊有凸块(9)。
2、 根据权利要求1所述的废热机载随行制氢装置，其特征在于在中心 管(2)管上装有节温器(A)，节温器(A)的呈螺旋状的双金属片(20)的 中心连接轴(22)，轴(22)穿过中心管(2)的管壁孔，在中心管(2)管 内的轴(22)上有节气门(21)。
3、 根据权利要求1所述的废热机载随行制氢装置，其特征在于在外筒 端盖(16)上开孔安装有冷启动喷燃器(B)。
4、 根据权利要求1所述的废热机载随行制氢装置，其特征在于在催化 反应腔底(5)上的与催化反应腔管(6)和中间管(7)之间对应的环状部 位开孔后，焊接连接空气导入管(C)，空气导入管(C)穿过密封螺栓(12)伸 出外筒(1)底，该密封螺栓(12)的外螺纹与外筒(1)底的内螺纹啮合。
5、 根据权利要求1所述的废热机载随行制氢装置，其特征在于在催化反应腔端盖(19)的左面与中间管(7)和催化反应腔管(6)之间对应的环 状部位焊接环形槽状支撑体(1901),并在环形槽状支撑体(1901)底上沿 环状分布若千管状分离膜(m)，环形槽状支撑体(1901)与催化反应腔端盖 (19)之间的腔体构成分离纯化的氢气腔；氢气管(1301)与催化反应腔端 盖(19)焊接连接，并与氢气腔连通；C02等废气管(1302)焊接穿过催化 反应腔端盖(19)与环形槽状支撑体(1901)底焊接连接，并与催化反应腔 腔连通。
全文摘要
一种能装载整体催化剂、结构紧凑、传热均匀、制氢速率稳定，并可内置节温器、冷启动喷燃器、空气导入管和分离提纯氢气的管状分离膜的废热机载随行制氢装置。所采用技术方案是，中心管(2)、蒸发器管(8)、中间管(7)、催化反应腔管(6)、外筒(1)为同轴结构；过热器(3)和预热器(10)呈螺旋管状；管状分离膜(m)位于焊接在催化反应腔端盖(19)上的环形槽状支撑体(1901)上。
文档编号C01B3/00GK101259953SQ20081008333
公开日2008年9月10日 申请日期2008年3月4日 优先权日2007年4月11日
发明者李钢坤 申请人:李钢坤