一种利用汽车尾气余热进行自热重整制氢的制氢反应器的制造方法

一种利用汽车尾气余热进行自热重整制氢的制氢反应器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用汽车尾气余热进行自热重整制氢的制氢反应器，包括依次连接的尾气进口管、汽化单元、反应单元、换热单元以及尾气出口管，所述换热单元包括外筒、内筒以及封堵在外筒和内筒两端的上端板和下端板，该换热单元内设有尾气流动通道、重整气流动通道以及液态碳氢化合物燃料流动通道；所述汽化单元包括外筒以及封堵在外筒两端的上端板和下端板，该汽化单元内设有液态碳氢化合物燃料输送管、碳氢化合物燃料流动通道以及尾气流动通道；所述反应单元包括外筒、内筒以及封堵在外筒和内筒两端的上端板和下端板，该反应单元内设有反应腔、液态碳氢化合物燃料输送管以及尾气流动通道。本发明具提高汽车燃油利用率的优点。
【专利说明】一种利用汽车尾气余热进行自热重整制氢的制氢反应器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种将碳氢化合物类燃料重整制备氢气的反应器，特别是涉及一种利用汽车尾气余热进行自热重整制氢的制氢反应器。
【背景技术】
[0002]在能源资源日益紧缺和全球气候加速变暖的大背景下，减少汽车尾气对环境的污染，降低汽车对石油的过度依赖，在全球范围内已达成共识。针对以上问题，当今汽车主要往两大方面发展，一方面是大力发展节能与新能源汽车，主要包括混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池车。另一方面，在大力发展新能源汽车的同时，不断优化和提升传统内燃机汽车结构与燃油经济性性能，以及降低汽车尾气排放和高效利用汽车尾气热量的研究工作也同等重要。
[0003]改造现有传统内燃机汽车以实现低能耗输出一直是当今汽车发展过程的一个重要课题，往汽油或柴油燃料中添加适当比例的少量氢气作为活化剂是一种可以明显降低燃油消耗和减少有害尾气排放的方法，并且氢气是一种可再生的清洁能源，该方法也不需要进行内燃机结构较大的变动，因此往汽油或柴油燃料中添加氢是一种易于实现并且环保的有效措施。
[0004]尽管氢气作为汽车内燃机燃料添加剂具有较理想的动力性、经济性和排放性能，但是往汽油或柴油燃料中添加氢作为活化剂的推广应用还需要一段时间，这是由于氢气沸点低且不易压缩和液化，不管以气态还是液态储存，都要占用大量的空间，并且氢气易燃易爆，导致运输和加注十分困难和危险，其关键在于解决供氢技术难题。
[0005]目前，氢能源的需求量在不断增大，制氢方法呈现多元化的格局。其中，将碳氢化合物类燃料(如甲醇，乙醇等)重整制备氢气的方法是研究的热点。将碳氢化合物类燃料重整制备氢气的方法一般有水蒸汽重整法、部分氧化重整法和自热重整法，其反应原理如下:
[0006]水蒸汽重整反应(StemReforming):
[0007]CmHn+mH20 — mCO+ (m+n) H2
[0008]部分氧化重整反应(PartialOxidation):
[0009]CmHn+m02 — mC0+nH2
[0010]自热重整反应(AutothermalReforming):
[0011] CmHn+mH20+m02 — mCO+ (m+n) H2
[0012]水蒸汽重整法，使用该方法容易制得纯度较高的氢，但水蒸汽重整为强吸热反应，需要外部热源并且热效率较低。部分氧化重整法，使用该方法制氢的产品气纯度较低，一氧化碳浓度过高。将水蒸汽重整和部分氧化重整结合在一起的自热重整是目前将碳氢化合物类燃料重整制备氢气的重要发展方向。
[0013]另一方面，传统内燃机汽车发动机工作过程中也会产生大量的热量，并且大部分的热能伴随尾气排放而损耗。现有传统内燃机汽车所排放的尾气温度高达600°C~700°C，巨大的汽车尾气排放量意味着巨大的热能浪费。如何将汽车尾气热量加以有效利用而提高能源使用率是汽车面临解决的问题，也是当前国家节能减排政策形势需求。
[0014]因此，若能将碳氢化合物类燃料自热重整制氢与汽车尾气余热利用集成在一起，将可显著提高汽车燃油利用率，但是现有技术中还没有出现相关的技术。

【发明内容】

[0015]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种利用汽车尾气余热进行自热重整制氢的制氢反应器，用以提高汽车燃油利用率。
[0016]本发明实现上述目的的技术方案为:
[0017]一种利用汽车尾气余热进行自热重整制氢的制氢反应器，其特征在于，包括依次连接的尾气进口管、汽化单元、反应单元、换热单元以及尾气出口管，其中:
[0018]所述换热单元包括外筒、内筒以及封堵在外筒和内筒两端的上端板和下端板，所述内筒和外筒之间的封闭空间构成尾气流动通道，所述内筒内设有由多根导流管连接而成的重整气流动通道，所述内筒与导流管之间的封闭空间构成液态碳氢化合物燃料流动通道;
[0019]所述汽化单元包括外筒以及封堵在外筒两端的上端板和下端板，所述外筒内设有液态碳氢化合物燃料输送管以及由多根导流管连接而成的碳氢化合物燃料流动通道，所述外筒与导流管之间的封闭空间构成尾气流动通道；
[0020]所述反应单元包括外筒、内筒以及封堵在外筒和内筒两端的上端板和下端板，所述内筒的内部空间为反应腔，所述内筒与外筒之间的封闭空间内设有液态碳氢化合物燃料输送管，所述外筒与内筒之间的封闭空间构成尾`气流动通道；所述反应腔的顶部设有气态碳氢化合物燃料进口，下部设有催化剂块，底部设有重整气出口，侧壁上设有氧气进口 ；
[0021]所述尾气进口管依次与汽化单元的尾气流动通道、反应单元的尾气流动通道、换热单元的尾气流动通道以及尾气出口管连通；所述换热单元的液态碳氢化合物燃料流动通道依次与反应单元的液态碳氢化合物燃料输送管、汽化单元的液态碳氢化合物燃料输送管、汽化单元的碳氢化合物燃料流动通道、反应单元的反应腔以及换热单元的重整气流动通道连通。
[0022]所述换热单元中，所述重整气流动通道由多组从内筒的中心向外布置的竖向导流管构成，其中，位于中心的一组包括一根导流管，其余各组包括多根沿圆周方向均匀排列的导流管；所述多组导流管之间沿上、下方向首尾依次连通构成重整气流动通道。
[0023]所述换热单元中，所述导流管分为五组，从中心向外分别为第一组~第五组；所述上端板上设有两个同心设置且互不连通的圆环形凹槽，每个圆环形凹槽的开口处设有圆环形封板；所述下端板的中心设有一个圆形凹槽，该圆形凹槽的开口处设有圆形封板，中心外设有两个同心设置且互不连通的圆环形凹槽，每个圆环形凹槽的开口处设有圆环形封板；所述第一组导流管的下端通过下端板上的圆形凹槽与第二组导流管的下端连通，所述第二组导流管的上端通过上端板内侧的圆环形凹槽与第三组导流管的上端连通，所述第三组导流管的下端通过下端板内侧的圆环形凹槽与第四组导流管的下端连通，第四组导流管的上端通过上端板外侧的圆环形凹槽与第五组导流管的上端连通，第五组导流管的下端与下端板外侧的环形凹槽连通，下端板外侧的环形凹槽与重整气出口连通。[0024]所述汽化单元中，所述碳氢化合物燃料流动通道由多组从外筒的中心向外布置的竖向导流管构成，其中，位于中心的一组包括一根导流管，其余各组包括多根沿圆周方向均匀排列的多根导流管；所述多组导流管之间沿上、下方向首尾依次连通构成碳氢化合物燃料流动通道。
[0025]所述汽化单元中，所述导流管分为五组，从中心向外分别为第一组~第五组；所述上端板的中心设有一个圆形凹槽，该圆环形凹槽的开口处设有圆形封板，中心外设有两个同心设置且互不连通的圆环形凹槽，每个圆环形凹槽的开口处设有圆环形封板；所述下端板上设有两个同心设置且互不连通的圆环形凹槽，每个圆环形凹槽的开口处设有圆环形封板；所述液态碳氢化合物燃料输送管的上端口通过上端板外侧的圆环形凹槽与第五组导流管的上端连通，所述第五组导流管的下端通过下端板外侧的圆环形凹槽与第四组导流管的下端连通，第四组导流管的上端通过上端板内侧的圆环形凹槽与第三组导流管的上端连通，第三组导流管的下端通过下端板内侧的圆环形凹槽与第二组导流管的下端连通，第二组导流管的上端通过上端板的圆形凹槽与第一组导流管的上端连通。
[0026]所述反应单元中，所述气态碳氢化合物燃料进口设置于上端板上，该气态碳氢化合物燃料进口具有开口朝下的锥形部分；所述重整气出口设置于下端板上，该重整气出口具有开口朝上的锥形部分。
[0027]所述反应单元中，所述外筒和内筒的下端还设有中间端板，该中间端板连接于外筒和内筒的下端与下端板之间，该中间端板的中央设有圆孔，所述催化剂块设置于该圆孔内。
[0028]所述换热单元中，所述重整气流动通道由在竖直平面内呈蜿蜒曲折状的导流管构成。
[0029]所述汽化单元中，所述碳氢化合物燃料流动通道由在竖直平面内呈蜿蜒曲折状的导流管构成。
[0030]所述汽化单元、反应单元以及换热单元中，所述的上端板和下端板均设置成法兰结构，每个上端板和下端板上分别设有与相应的尾气流动通道连通的尾气进口和尾气出□。
[0031]本发明与现有技术相比具有以下有益效果:
[0032](1)自热重整制氢产生的氢气纯度高且少量的，并且瞬时产生即时使用，难以达到爆炸的浓度，安全可靠，并解决了氢气的储存问题。
[0033](2)整个利用汽车尾气余热进行自热重整制氢的制氢反应器体积小，结构紧凑，可根据需要增加或减少各个单元的数量，扩大了本发明在其它场合的应用。
[0034](3)自热重整制氢与高温尾气相结合，充分利用尾气热量加热催化剂进行自热重整制氢反应，所制备的氢气作为活化剂加入到汽油或柴油发动机中，提高燃油利用率。
【专利附图】

【附图说明】
[0035]图1是本发明实施例1的利用汽车尾气余热进行自热重整制氢的制氢反应器的结构示意图。
[0036]图2是本发明实施例1的换热单元的结构示意图。
[0037]图3是本发明实施例1的换热单元上端板的俯视图。[0038]图4是本发明实施例1的汽化单元的结构示意图。
[0039]图5是本发明实施例1的汽化单元上端板的俯视图。
[0040]图6为本发明实施例1的反应单元的结构示意图。
[0041]图7是本发明实施例1的反应单元上端板的俯视图。
[0042]图8是本发明实施例2的利用汽车尾气余热进行自热重整制氢的制氢反应器的结构示意图。
[0043]图9是本发明实施例2的换热单元的结构示意图。
[0044]图10是本发明实施例2的汽化单元的结构示意图。
【具体实施方式】
[0045]下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0046]实施例1
[0047]参见图1，本实施例的利用汽车尾气余热进行自热重整制氢的制氢反应器由依次连接的尾气进口管4、汽化单元2、反应单元3、换热单元I以及尾气出口管5构成。其工作过程是:汽化单元2内液态碳氢化合物燃料Al通过与尾气C进行热交换使得液态碳氢化合物燃料Al汽化，所获得的气态燃料最后流入反应单元3内；反应单元3内气态碳氢化合物燃料在尾气C热量和催化剂共同作用下发生自热重整制氢反应产生氢气和少量的一氧化碳，富氢重整气B最终流入换热单元I内；换热单元I内尾气C和重整气B的热量共同传递给温度较低的液态碳氢化合物燃料Al进行预热，预热的混合液最终流入汽化单元3内；尾气进口管4和尾气出口管5分别为尾气C提供进口和出口。下面对各部分的具体结构作详细的描述。
[0048]参见图1、图2和图3，所述换热单元I包括外筒13、内筒14以及封堵在外筒13和内筒14两端的上端板11和下端板12，其中，所述上端板11和下端板12采用法兰结构，四周设有螺栓孔1110，用于与反应单元3和尾气出口管5的端板连接。所述内筒14和外筒13之间的封闭空间构成尾气流动通道16，用于尾气C的流动；所述上端板11和下端板12上分别设有与尾气流动通道16连通的尾气进口 1108和尾气出口(图中未显示)，所述尾气进口 1108和尾气出口均由四个沿圆周方向均匀分布的扇面形开口构成。所述内筒14内设有由多根导流管15连接而成的重整气流动通道，用于重整气B的流动。所述内筒14与导流管15之间的封闭空间构成液态碳氢化合物燃料流动通道17，用于液态碳氢化合物燃料的流动；该所述下端板12和上端板11上分别设有与液态碳氢化合物燃料流动通道17连通的液态碳氢化合物燃料进口 1210和液态碳氢化合物燃料出口 1109，该液态碳氢化合物燃料进口 1210和液态碳氢化合物燃料出口 1109呈180°分布。
[0049]参见2和图3，换热单元I中，所述重整气流动通道由五组从内筒14的中心向外布置的竖向导流管15构成，从中心向外分别为第一组~第五组，其中，位于中心的一组包括一根导流管15，其余各组包括多根沿圆周方向均匀排列的导流管15，并且，靠近中心的导流管15的直径大于靠近外侧的导流管15的直径。所述多组导流管15之间沿上、下方向首尾依次连通构成重整气流动通道，使得重整气B能够在竖直方向上来回流动，延长流动路径，实现充分换热。具体地，所述上端板11上设有两个同心设置且互不连通的圆环形凹槽1101、1102，两个圆环形凹槽1101、1102的开口处分别设有圆环形封板1105、1106，两个圆环形凹槽1101、1102的底部分别设有多个用于安装导流管15的通孔1103、1104，相应的导流管15的端部插入该通孔1103、1104内并焊接固定。所述下端板12的中心设有一个圆形凹槽1201，该圆形凹槽1201的开口处设有圆形封板1207，底部设有多个用于安装导流管15的通孔1204，相应的导流管15的端部插入该通孔内并焊接固定；下端板12的中心外设有两个同心设置且互不连通的圆环形凹槽1202、1203，两个圆环形凹槽1202、1203的开口处分别设有圆环形封板1208、1209，两个圆环形凹槽1202、1203的底部分别设有多个用于安装导流管15的通孔1205、1206，相应的导流管15的端部插入该通孔内并焊接固定。所述第一组导流管15的上端构成重整气进口 1107，下端通过下端板12上的圆形凹槽1201与第二组导流管15的下端连通，所述第二组导流管15的上端通过上端板11内侧的圆环形凹槽1101与第三组导流管15的上端连通，所述第三组导流管15的下端通过下端板12的圆环形凹槽1202与第四组导流管15的下端连通，第四组导流管15的上端通过上端板11的圆环形凹槽1102与第五组导流管15的上端连通，第五组导流管15的下端与下端板12的环形凹槽1203连通，下端板12外侧的环形凹槽1203与设在换热单元1底部的重整气出口1211连通，从而构成所述重整气流动通道。
[0050]参见图2和图3，上述换热单元1的工作过程为:一方面，经反应单元3自热重整制氢反应获得的氢气和一氧化碳等混合的重整气B经上端板11上的重整气进口 1107进入，经第一组导流管15流入下端板12中心的圆形凹槽1201，然后经第二组导流管15流回上端板11的环形凹槽1101，经第三组导流管15又重新流到下端板12的环形凹槽1202，接着经第四组导流管15重新流到上端板11的环形凹槽1102，最后经第五组导流管15流入下端板12的环形凹槽1203内，最后经重整气出口 1211流出，重整气B在换热单元1内的流动路径为k—1—m — n — o — p — q ;与此同时，液态碳氢化合物燃料A1从换热单元1下端的液态碳氢化合物燃料进口 1210进入液态碳氢化合物燃料流动通道17，由于所述导流管15浸泡在液态碳氢化合物燃料A1中，以使流经导流管15内的高温重整气B热量传递给温度较低的液态碳氢化合物燃料A1进行预热，为后续在汽化单元2内的汽化做准备，最后温度较高的液态碳氢化合`物燃料A1从液态碳氢化合物燃料出口 1109流出，液态碳氢化合物燃料A1的流动路径为a — b — c。另一方面，尾气C经尾气进口 1108流入，穿过尾气流动通道16，并且把热量经内筒14传递给液态碳氢化合物燃料A1，最后经尾气出口(图中未标出)流出。
[0051]参见图1、图4和图5，所述汽化单元1包括外筒23以及封堵在外筒23两端的上端板21和下端板22，其中，所述上端板21和下端板22采用法兰结构，四周分别设有螺栓孔2112和2209，用于与尾气进口管4和反应单元3的端板连接。所述外筒23内设有液态碳氢化合物燃料输送管25,用于让液态碳氢化合物燃料A1的输送，所述上端板21和下端板22上分别设有液态碳氢化合物燃料输送管进口 2208和液态碳氢化合物燃料输送管进口2110。所述外筒23内设有由多根导流管24连接而成的碳氢化合物燃料流动通道。所述外筒23与导流管24、液态碳氢化合物燃料输送管25之间的封闭空间构成尾气流动通道26，用于尾气的流动；所述上端板21和下端板22上分别设有与尾气流动通道26连通的尾气进口 2111和尾气出口(图中未显示)，所述尾气进口 2111和尾气出口均由四个沿圆周方向均匀分布的扇面形开口构成。[0052]参见图4和图5，所述汽化单元2中，所述碳氢化合物燃料流动通道由五组从外筒23的中心向外布置的竖向导流管24构成，从中心向外分别为第一组~第五组，其中，位于中心的一组包括一根导流管24，其余各组包括多根沿圆周方向均匀排列的多根导流管24，并且，靠近中心的导流管24的直径大于靠近外侧的导流管24的直径。所述多组导流管24之间沿上、下方向首尾依次连通构成碳氢化合物燃料流动通道。具体地，所述上端板21的中心设有一个圆形凹槽2101，该圆环形凹槽2101的开口处设有圆形封板2107，底部设有多个用于安装导流管24的通孔2104，相应的导流管24的端部插入该通孔2104内并焊接固定；所述上端板21的中心外设有两个同心设置且互不连通的圆环形凹槽2102、2103，两个圆环形凹槽2102、2103的开口处分别设有圆环形封板2108、2109，两个圆环形凹槽2102、2103的底部分别设有多个用于安装导流管24的通孔2105、2106，相应的导流管24的端部插入该通孔2105、2106内并焊接固定。所述下端板22上设有两个同心设置且互不连通的圆环形凹槽2202、2203，两个圆环形凹槽2202、2203的开口处分别设有圆环形封板2206、2207，两个圆环形凹槽2202、2203的底部分别设有多个用于安装导流管24的通孔2204、2205，相应的导流管24的端部插入该通孔2204、2205内并焊接固定。所述液态碳氢化合物燃料输送管进口 2110通过上端板21外侧的圆环形凹槽2103与第五组导流管24的上端连通，所述第五组导流管24的下端通过下端板22的圆环形凹槽2203与第四组导流管24的下端连通，第四组导流管24的上端通过上端板21的圆环形凹槽2102与第三组导流管24的上端连通，第三组导流管24的下端通过下端板22的圆环形凹槽2202与第二组导流管24的下端连通，第二组导流管24的上端通过上端板21的圆形凹槽2101与第一组导流管24的上端连通，第一组导流管24的下端形成气态碳氢化合物燃料出口 2201。 [0053]参见图4和图5，汽化单元2的工作过程如下:高温尾气C经上端板21上的尾气进口 2111流入，穿过尾气流动通道26，最后经下端板22上的尾气出口(图中未标出)流出。与此同时，经过换热单元I预热的液态碳氢化合物燃料Al从下端板22中的液态碳氢化合物燃料输送管进口 2208流入，经液态碳氢化合物燃料输送管25流到上端板21的液态碳氢化合物燃料输送管出口 2110，然后流入上端板21的环形凹槽2103，然后经第五组导流管24流到下端板22的环形凹槽2203，经第四组导流管24又重新流到上端板21的环形凹槽2102，接着经第三组导流管24重新流到下端板22的环形凹槽2202，最后经第二组导流管24流入上端板21中心的圆形凹槽2101内，最后经第一组导流管24并通过下端板22的气态碳氢化合物燃料出口 2201流出；液态碳氢化合物燃料Al在导流管24内流动过程中不断吸收高温尾气的热量，最终以气态流出。液态碳氢化合物燃料Al在汽化单元2内的流动路径为 d — e — f — g — h— i — j。
[0054]参见图1、图6和图7，所述反应单元3包括外筒34、内筒35、封堵在外筒34和内筒35上端的上端板31以及封堵在外筒34和内筒35下端的中间端板32以及下端板33，所述上端板31、中间端板32以及下端板33均采用法兰结构，四周分别设有螺栓孔3105、3203、3303，用于与汽化单元2和换热单元I的端板连接，外筒34和内筒35分别与上端板31和中间端板35焊接，中间端板32和下端板33之间放置垫片41用于密封，并通过螺栓固定连接(图中未标出)。所述内筒35与外筒34之间的封闭空间内设有液态碳氢化合物燃料输送管36，该液态碳氢化合物燃料输送管36的上端和下端分别与上端板31上的孔3104和中间端板32上的孔3202连接并焊接在一起，下端板33上设有与中间端板32上的孔3202连通的孔3302，进而与液态碳氢化合物燃料输送管36连通。
[0055]参见图6和图7，所述外筒34与内筒35之间的封闭空间构成尾气流动通道37，用于尾气的流动；所述上端板31上设有尾气进口 3102，中间端板32以及下端板33上设有尾气出口(图中未显示)，所述尾气进口 3102和尾气出口均由四个沿圆周方向均匀分布的扇面形开口构成。
[0056]所述内筒35的内部空间为反应腔38，该反应腔38的顶部设有气态碳氢化合物燃料进口 3101，该气态碳氢化合物燃料进口 3101设置于上端板31上，该气态碳氢化合物燃料进口 3101具有开口朝下的锥形部分，以有利于气态碳氢化合物燃料A2流入时能迅速分散使其均匀流过催化剂块39 ;该锥形部分上设有氧气进口 3103，用于氧气流入，以使得气态碳氢化合物燃料A2与氧气混合以发生自热重整反应。反应腔38的底部设有重整气出口3301，该重整气出口 3301设置于下端板33上，该重整气出口 3301具有开口朝上的锥形部分，有利于重整反应所获得的重整气B能迅速收集并流出。所述反应腔38的中部还设有安装孔40，用于安装热电偶以便实时测量和控制反应温度。所述反应腔38的下部设有催化剂块39，该催化剂块39设置于中间端板32中央的圆孔3201上，所述下端板33上的重整气出口 3301上部的直径小于催化剂块39的直径，以便能够支撑催化剂块39。
[0057]参见图6和图7，所述反应单元的工作过程是:气态碳氢化合物燃料A2从气态碳氢化合物燃料进口 3101进入反应腔38，与从氧气进口 3103进入的氧气充分混合，流过催化剂块39 ;与此同时，尾气经上端板31上的尾气进口 3102流入，穿过尾气流动通道37，最后经中间端板32和下端板33上的尾气出口(图中未标出)流出，流动过程中热量传递给内筒35和催化剂块39 ;在温度和催化剂的共同作用下，气态碳氢化合物燃料A2和氧气发生自热重整反应产生氢气和少量的一氧化碳，所获得的重整气B经下端板33的重整气出口3301流出。另一方面，液态碳氢化合物燃料A1从下端板33上的孔3302流入到液态碳氢化合物燃料输送管36，最终经上端 板31上的孔3104流出。
[0058]参见图1，所述尾气进口管4包括管体41，该管体41的下端设有端板42，该端板42设置成法兰结构，四周设有用于与汽化单元2连接的螺栓孔421。所述尾气出口管5包括管体51，该管体51的上端设有端板52，该端板52设置成法兰结构，四周设有用于与换热单元1连接的螺栓孔521。
[0059]参见图1~图7，组成本实施例的利用汽车尾气余热进行自热重整制氢的制氢反应器中，所述尾气进口管4依次与汽化单元2的尾气流动通道26、反应单元3的尾气流动通道37、换热单元1的尾气流动通道16以及尾气出口管5连通；所述换热单元1的液态碳氢化合物燃料流动通道17依次与反应单元3的液态碳氢化合物燃料输送管36、汽化单元2的液态碳氢化合物燃料输送管25、汽化单元2的碳氢化合物燃料流动通道、反应单元3的反应腔38以及换热单元1的重整气流动通道连通，具体地，各个单元的叠合关系和对齐方式如下:
[0060]尾气入口管4安装于汽化单元2的上面，尾气入口管4的表面4b与汽化单元2的上端板21的表面2a重叠在一起，并且尾气入口管4上的多个螺栓孔421分别与汽化单元2的上端板21上的螺栓孔2112对齐连通，用于连接螺栓(图中未标出)锁紧两单元。
[0061]汽化单元2安装于尾气入口管4和反应单元3之间，汽化单元2的下端板22的表面2b与反应单元3的上端板31的表面3a重叠在一起，并且汽化单元2的下端板22上的气态碳氢化合物燃料出口 2201与反应单元3的上端板31上的气态碳氢化合物燃料进口 3101对齐连通；同时汽化单元2的下端板22上的液态碳氢化合物燃料输送管进口 2208与反应单元3的上端板31上的孔3104对齐连通；汽化单元2的下端板22上的多个螺栓孔2209与反应单元3的上端板31上的螺栓孔3105对齐连通，用于连接螺栓(图中未标出)锁紧两单元。
[0062]反应单元3安装于汽化单元2和换热单元I之间，反应单元3的下端板33的表面3b与换热单元I的上端板11的表面Ia重叠在一起，并且反应单元3的下端板33上的孔3301与换热单元I的上端板11上的孔1107对齐连通；同时反应单元3的下端板33上的孔3302与换热单元I的上端板11上的液态碳氢化合物燃料出口 1109对齐连通；反应单元3的下端板33上的多个螺栓孔3303与换热单元I的上端板11上的螺栓孔1110对齐连通，用于连接螺栓(图中未标出)锁紧两单元。
[0063]换热单元I位于反应单元3和尾气出口管5之间，换热单元I的下端板12的表面Ib与尾气出口管5的表面5a重叠在一起，并且换热单元I的下端板12的多个螺栓孔1212与尾气出口管5上的螺栓孔521对齐连通，用于连接螺栓(图中未标出)锁紧两单元。
[0064]上述利用汽车尾气余热进行自热重整制氢的制氢反应器的连接方式如下:在各个单元之间放上密封片(图中未标出)，然后在两单元之间的螺栓孔用螺栓(图中未标出)锁紧。该连接方式还可以通过在各个单元接触的表面先涂上熔点低于各单元的焊料，然后通过加温使焊料融化，冷凝后各个单元形成紧固的一体。
[0065]参见图1~图7，利用汽车尾气余热进行自热重整制氢的制氢反应器的工作方式如下: [0066]首先尾气C从尾气进口管4进入，先后经过汽化单元2的尾气流动通道26、反应单元3的尾气流动通道37和换热单元I的尾气流动通道16，最后从尾气出口管5喷出。如图1所示，尾气经过的路径为:1 — II — III — IV —V —VI，其中经过I1、II1、IV以及V时，分别环绕汽化单元2的导流管、反应单元3和换热单元I于四周通过，充分利用了尾气的热量。本发明的所有单元都有尾气从中流过。
[0067]实施时，一定比例的液态碳氢化合物燃料Al从换热单元I的液态碳氢化合物燃料进口 1210送进并充满换热单元I的内筒17(路径a);换热单元I的导流管15浸泡在液态碳氢化合物燃料Al中，以使后续流经换热单元I的导流管15内的重整气B的热量传递给温度较低的液态碳氢化合物燃料Al (路径b);接着液态碳氢化合物燃料Al在换热单元I的上端板11内的液态碳氢化合物燃料出口 1109处汇集然后，通过反应单元3的下端板33上的孔3302 (路径c)，进入输送管36，越过反应单元3，并通过汽化单元2的下端板22上的液态碳氢化合物燃料输送管进口 2208进入(路径d);在汽化单元2中，液态碳氢化合物燃料Al首先在上端板21中的环形凹槽2103分流，流入部分的导流管24 (与尾气进行换热，路径e)进入下端板22进一步被其中的环形凹槽2203分流(路径f)，流入部分的导流管24 (与尾气进行换热)，经过如此循环几次(路径g、h、i)，使得液态碳氢化合物燃料Al与炙热的尾气C充分换热；经汽化后的碳氢化合物燃料A2经过反应单元3的上端板31上的孔3101进入反应腔38 (路径j)，此时氧气从反应单元的氧气进口 3103进入反应腔38内，与气态碳氢化合物燃料A2充分混合后，流过圆形催化剂块39，在尾气C热量(由尾气流动通道37中的尾气提供)下发生自热重整制氢反应产生氢气和少量的一氧化碳；炙热的重整气B经过反应单元3的下端板33的重整气出口 3301流入换热单元1的上端板11的重整气进口 1107(路径k);经中间导流管15流入下端板12内，被环形凹槽1201分流后又经部分细管15流入上端板11 (路径1)，在上端板11中被再一次分流进入导流管15到达下端板12 (路径m)，如此循环几次(路径n、o)，使得充满换热单元1内空腔17的温度较低的液态碳氢化合物燃料A1和炙热的重整气B充分换热，以提高液态碳氢化合物燃料A1的温度，利于其在汽化单元1中汽化。最后换热之后的重整气B从换热单元1的导流管15流入下端板12(路径p)后通过重整气出口 1211流出(路径q);流出的气体通过其他的辅助装置去除一氧化碳得到一定浓度的氢气，将氢气作为催化剂加入到柴油或汽油发动机中，以此提高燃油的利用效率。最初的液态碳氢化合物燃料A1到最终的重整气B所经过的路径如图
1中:a — b — c — d—e — f—g — h— i — j — k— 1 — m — n — o — p — q。
[0068]实施例2
[0069]参见图8，本实施例的利用汽车尾气余热进行自热重整制氢的制氢反应器的基本构成与实施例1基本相同，由依次连接的尾气进口管4A、汽化单元2A、反应单元3A、换热单元1A以及尾气出口管5A构成。
[0070]参见图9，换热单元1A包括两个位于上下端的上端板11A和下端板12A、一个外筒13A和内筒14A，上端板11A和下端板12A采用法兰机构，四周设有螺栓孔1110AU212A。所述内筒14A和外筒13A之间的封闭空间构成尾气流动通道16A，并且上端板11A和下端板12A端面分别开有与实施例1的换热单元1的上端板11和下端板12相同结构和分布的尾气进口和尾气出口(图中未标出)，用`于尾气C的流入和流出。所述内筒14A与导流管15A之间的封闭空间构成液态碳氢化合物燃料流动通道17A，上端板11A和下端板12A上分别设有与液态碳氢化合物燃料流动通道17A连通的液态碳氢化合物燃料进口 1210A和液态碳氢化合物燃料出口 1109A。本实施例的换热单元1A与实施例1的主要不同之处在于，所述重整气流动通道由在竖直平面内呈蜿蜒曲折状的导流管15A形成，该导流管15A的上端设有位于上端板11A上的重整气进口 1107A，下端设有位于下端板12A上的重整气出口 1211A。
[0071]本实施例的换热单元1A的工作过程如下:一方面，重整气B经上端板11A上的重整气进口 1107A进入，然后在蜿蜒曲折的导流管15A内流动，最后到达下端板12A上的重整气出口 1211A流出，重整气B在换热单元1A内的流动路径为p — q — r — s — t — u — v — w — X — y — z。与此同时,液态碳氢化合物燃料A1从下端板12A内的液态碳氢化合物燃料进口 1210A进入内筒14A和导流管15A所形成的液态碳氢化合物燃料流动通道17A中，由于导流管15A浸泡在液态碳氢化合物燃料A1中，以使流经导流管15A内的高温重整气B热量传递给温度较低的液态碳氢化合物燃料A1进行预热，为下一步在汽化单元2A的汽化做准备，最后温度较高的液态碳氢化合物燃料A1从上端板11A内的液态碳氢化合物燃料出口 1109A流出，液态碳氢化合物燃料A1的流动路径为a — b — c ;另一方面，尾气C经上端板11A上的尾气进口(图中未标出)流入，穿过尾气流动通道16A，并且把热量经内筒14A传递给液态碳氢化合物燃料A1，最后经下端板12A上的尾气出口(图中未标出)流出。
[0072]参见图10，汽化单元2A包括外筒23A和两个位于上下端的上端板21A和下端板22A，上端板21A和下端板22A采用法兰机构，四周设有螺栓孔2112A、2209A。所述外筒23A内设有尾气流动通道26A，上端板21A和下端板22A端面分别开有与实施例1的汽化单元2的上端板21和下端板22相同结构和分布的尾气进口和尾气出口(图中未标出)，用于尾气的流入和流出。本实施例的汽化单元与实施例1的主要不同之处在于，所述碳氢化合物燃料流动通道由在竖直平面内呈蜿蜒曲折状的导流管24A形成，该导流管的两端连接于下端板22k上，分别形成液态碳氢化合物燃料进口 2208A和气态碳氢化合物燃料出口 2201A。
[0073]本实施例的汽化单元2A的工作过程如下:高温尾气C经上端板21A上的尾气进口(图中未标出)流入，穿过尾气流动通道26A，最后经下端板22A上的尾气出口(图中未标出)流出。与此同时，经过预热的液态碳氢化合物燃料Al从下端板22A中的液态碳氢化合物燃料进口 2208A流入，在导流管24A内流动过程中不断吸收高温尾气C的热量，最终以气态在下端板22A中的气态碳氢化合物燃料出口 2201A流出。液态碳氢化合物燃料Al在汽化单元2A内的流动路径为d—e — f — g — h—i — j — k—I — m — η — O。
[0074]本实施例中，组成利用汽车尾气余热进行自热重整制氢的制氢反应器的各个单元之间具有与实施例1中的各个单元相同的叠合关系、对齐方式和连接方式。
[0075]本实施例中，尾气C从尾气进口管4Α进入，经过汽化单元2Α的尾气流动通道26Α、反应单元3Α的尾气流动通道37Α和换热单元IA的尾气流动通道16Α，最后从尾气出口管5Α喷出。尾气经过的路径为:1 — II — III — IV —V —VI，与实施例1中尾气流动路径相同。
[0076]实施时，一定比例的液态碳氢化合物燃料Al从换热单元IA的液态碳氢化合物燃料进口 1210Α送进并充满换热单元的内筒17Α(路径a);换热单元IA的导流管15A内的重整气B热量传递给温度较低的液态碳氢化合物燃料Al (路径b);接着液态碳氢化合物燃料Al在换热单元IA的上端板IlA内的液态碳氢化合物燃料出口 1109A处汇集然后通过反应单元3A的下端板33A (路径c)，进入输送管36A，越过反应单元3A并通过汽化单元2A的下端板22A的液态碳氢化合物燃料进口 2208A进入(路径d)，然后通过导流管24A (路径e、f、g、h、1、j、k、1、m、`η)，使得液态碳氢化合物燃料Al与炙热的尾气C充分换热；获得的气态碳氢化合物燃料进入反应单元3Α的反应腔38Α (路径ο),此时氧气进入反应单元3Α的反应腔38Α内，与气态碳氢化合物燃料充分混合后，流过圆形催化剂块，在尾气C的热量下发生自热重整制氢反应产生氢气和少量的一氧化碳；所获得炙热的重整气B经过反应单元3Α下端板33Α整流后流入换热单元IA中的导流管15Α (路径ρ);随后流过导流管15Α (路径q、r、s、t、u、v、w、x、y),使得充满换热单元IA的液态碳氢化合物燃料流动通道17A的温度较低的液态碳氢化合物燃料Al和炙热的重整气B充分换热，以提高液态碳氢化合物燃料Al的温度，利于其后续在汽化单元2A中汽化。最后换热之后的重整气B从换热单元IA的重整气出1211A流出(路径z);流出的气体通过其他的辅助装置去除一氧化碳得到一定浓度的氢气，将氢气作为催化剂加入到柴油或汽油发动机中，以此提高燃油的利用效率。最初的液态碳氢化合物燃料Al到最终的重整气B所经过的路径:a — b — c — d — e — f—g — h—i—j — k— I — m — n — o — p — q — r—s — t — u — v — w — x — y — Z0
[0077]上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种利用汽车尾气余热进行自热重整制氢的制氢反应器，其特征在于，包括依次连接的尾气进口管、汽化单元、反应单元、换热单元以及尾气出口管，其中: 所述换热单元包括外筒、内筒以及封堵在外筒和内筒两端的上端板和下端板，所述内筒和外筒之间的封闭空间构成尾气流动通道，所述内筒内设有由多根导流管连接而成的重整气流动通道，所述内筒与导流管之间的封闭空间构成液态碳氢化合物燃料流动通道； 所述汽化单元包括外筒以及封堵在外筒两端的上端板和下端板，所述外筒内设有液态碳氢化合物燃料输送管以及由多根导流管连接而成的碳氢化合物燃料流动通道，所述外筒与导流管之间的封闭空间构成尾气流动通道； 所述反应单元包括外筒、内筒以及封堵在外筒和内筒两端的上端板和下端板，所述内筒的内部空间为反应腔，所述内筒与外筒之间的封闭空间内设有液态碳氢化合物燃料输送管，所述外筒与内筒之间的封闭空间构成尾气流动通道；所述反应腔的顶部设有气态碳氢化合物燃料进口，下部设有催化剂块，底部设有重整气出口，侧壁上设有氧气进口 ； 所述尾气进口管依次与汽化单元的尾气流动通道、反应单元的尾气流动通道、换热单元的尾气流动通道以及尾气出口管连通；所述换热单元的液态碳氢化合物燃料流动通道依次与反应单元的液态碳氢化合物燃料输送管、汽化单元的液态碳氢化合物燃料输送管、汽化单元的碳氢化合物燃料流动通道、反应单元的反应腔以及换热单元的重整气流动通道连通。
2.根据权利要求1所述的利用汽车尾气余热进行自热重整制氢的制氢反应器，其特征在于，所述换热单元中，所述重整气流动通道由多组从内筒的中心向外布置的竖向导流管构成，其中，位于中心的一组包括一根导流管，其余各组包括多根沿圆周方向均匀排列的导流管；所述多组 导流管之间沿上、下方向首尾依次连通构成重整气流动通道。
3.根据权利要求2所述的利用汽车尾气余热进行自热重整制氢的制氢反应器，其特征在于，所述导流管分为五组，从中心向外分别为第一组~第五组；所述上端板上设有两个同心设置且互不连通的圆环形凹槽，每个圆环形凹槽的开口处设有圆环形封板；所述下端板的中心设有一个圆形凹槽，该圆形凹槽的开口处设有圆形封板，中心外设有两个同心设置且互不连通的圆环形凹槽，每个圆环形凹槽的开口处设有圆环形封板；所述第一组导流管的下端通过下端板上的圆形凹槽与第二组导流管的下端连通，所述第二组导流管的上端通过上端板内侧的圆环形凹槽与第三组导流管的上端连通，所述第三组导流管的下端通过下端板内侧的圆环形凹槽与第四组导流管的下端连通，第四组导流管的上端通过上端板外侧的圆环形凹槽与第五组导流管的上端连通，第五组导流管的下端与下端板外侧的环形凹槽连通，下端板外侧的环形凹槽与重整气出口连通。
4.根据权利要求1所述的利用汽车尾气余热进行自热重整制氢的制氢反应器，其特征在于，所述汽化单元中，所述碳氢化合物燃料流动通道由多组从外筒的中心向外布置的竖向导流管构成，其中，位于中心的一组包括一根导流管，其余各组包括多根沿圆周方向均匀排列的多根导流管；所述多组导流管之间沿上、下方向首尾依次连通构成碳氢化合物燃料流动通道。
5.根据权利要求4所述的利用汽车尾气余热进行自热重整制氢的制氢反应器，其特征在于，所述导流管分为五组，从中心向外分别为第一组~第五组；所述上端板的中心设有一个圆形凹槽，该圆环形凹槽的开口处设有圆形封板，中心外设有两个同心设置且互不连通的圆环形凹槽，每个圆环形凹槽的开口处设有圆环形封板；所述下端板上设有两个同心设置且互不连通的圆环形凹槽，每个圆环形凹槽的开口处设有圆环形封板；所述液态碳氢化合物燃料输送管的上端口通过上端板外侧的圆环形凹槽与第五组导流管的上端连通，所述第五组导流管的下端通过下端板外侧的圆环形凹槽与第四组导流管的下端连通，第四组导流管的上端通过上端板内侧的圆环形凹槽与第三组导流管的上端连通，第三组导流管的下端通过下端板内侧的圆环形凹槽与第二组导流管的下端连通，第二组导流管的上端通过上端板的圆形凹槽与第一组导流管的上端连通。
6.根据权利要求1所述的利用汽车尾气余热进行自热重整制氢的制氢反应器，其特征在于，所述反应单元中，所述气态碳氢化合物燃料进口设置于上端板上，该气态碳氢化合物燃料进口具有开口朝下的锥形部分；所述重整气出口设置于下端板上，该重整气出口具有开口朝上的锥形部分。
7.根据权利要求6所述的利用汽车尾气余热进行自热重整制氢的制氢反应器，其特征在于，所述外筒和内筒的下端还设有中间端板，该中间端板连接于外筒和内筒的下端与下端板之间，该中间端板的中央设有圆孔，所述催化剂块设置于该圆孔内。
8.根据权利要求1所述的利用汽车尾气余热进行自热重整制氢的制氢反应器，其特征在于，所述换热单元中，所述重整气流动通道由在竖直平面内呈蜿蜒曲折状的导流管构成。
9.根据权利要求1所述的利用汽车尾气余热进行自热重整制氢的制氢反应器，其特征在于，所述汽化单元中，所述碳氢化合物燃料流动通道由在竖直平面内呈蜿蜒曲折状的导流管构成。
10.根据权利要求1所述的利用汽车尾气余热进行自热重整制氢的制氢反应器，其特征在于，所述汽化单元、反应单元以及换热单元中，所述的上端板和下端板均设置成法兰结构，每个上端板和下端板上分别设有与相应的尾气流动通道连通的尾气进口和尾气出口。
【文档编号】C01B3/38GK103693618SQ201310712428
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月19日 优先权日:2013年12月19日
【发明者】潘敏强, 李磊, 彭海峰 申请人:华南理工大学