一种发动机余热甲醇裂解制氢及氢气回收装置

本技术涉及甲醇裂解制氢及氢气回收领域，尤其涉及一种发动机余热甲醇裂解制氢及氢气回收装置。

背景技术：

1、由甲醇的理化性质可知，作为内燃机代用燃料具有如下特点：甲醇属于可再生能源，来源广泛，价格低廉；甲醇的密度与汽油相近，容易储存，便于运输，且价格便宜；甲醇的辛烷值高，稀燃范围十分宽泛，允许内燃机使用较高的压缩比，进一步提高内燃机热效率。此外，甲醇分子中含氧50％，燃烧速度快，自身含氧助燃，燃烧充分，既能提高热效率又可实现机内净化。在石油日益短缺和油价不断攀升的形势下，甲醇作为石油替代燃料或辅助燃料的优势日渐突出。

2、内燃机技术发展的核心目标之一是提高内燃机热效率，目前的内燃机，从发动机能量流向可以看出，燃料产生的能量通过冷却系统带走的占25％，摩擦损失占到了5％，尾气带走的热量高达35％左右，而且排气温度高达500-900k，如果能充分回收利用排气能量，将有助于进一步改善燃油经济性，从而减少石油资源消耗，减少温室气体排放，带来巨大的社会效率和经济效益。

3、目前存在利用发动机余热对甲醇进行加热，使其裂解为氢气和一氧化碳等混合气作为燃料燃烧。如cn 114320583 b公开的采用甲醇裂解制氢的氢能源摩托车，包括车身、氢燃料发动机、氢气缓冲储存箱、甲醇箱、甲醇裂解器以及冷却器，其中甲醇裂解器裂解甲醇后产生的甲醇和氢气的混合气体，需通过冷却器将混合气体冷却将甲醇液化，浪费了大量热量。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的上述问题，本实用新型提供一种发动机余热甲醇裂解制氢及氢气回收装置，其基于高温催化裂解甲醇制氢的原理，利用发动机尾气余热来催化裂解甲醇，将裂解气作为发动机辅助燃料，并收集富余氢气。

2、为实现上述目的，本实用新型具体的技术方案如下：

3、一种发动机余热甲醇裂解制氢及氢气回收装置，所述回收装置包括控制单元、中间换热器、甲醇换热器、甲醇裂解器、混合气分离与提纯器和氢气收集器；所述控制单元与所述中间换热器、所述甲醇换热器、所述甲醇裂解器、所述混合气分离与提纯器和所述氢气收集器分别相连；

4、所述中间换热器的输入口与液体甲醇输送组件通过甲醇管道相连，所述中间换热器的输出口通过所述甲醇管道连接所述甲醇换热器；所述甲醇换热器通过所述甲醇管道与所述甲醇裂解器相连；

5、所述中间换热器与所述甲醇裂解器和所述混合气分离与提纯器分别通过裂解气管道相连；所述混合气分离与提纯器与所述氢气收集器相连；所述中间换热器通过所述裂解气管道与发动机的燃料进口管道相连；

6、所述发动机的尾气出口与所述甲醇裂解器管道相连，所述甲醇换热器两端分别通过废气管道与所述中间换热器和所述甲醇裂解器相连；所述中间换热器上还安有所述废气管道，用以排出废气。

7、进一步地，所述甲醇裂解器包括高温排气外管道、高温排气内管道、催化剂、甲醇蒸汽进管道和高温裂解气出口管道；所述高温排气外管道设置在所述甲醇裂解器侧壁内侧，所述高温排气内管道沿所述甲醇裂解器轴向设置在所述甲醇裂解器中心，所述催化剂围绕安装在所述高温排气内管道上；所述甲醇蒸汽进管道和所述高温裂解气出口管道分别设置在所述甲醇裂解器上，所述甲醇蒸汽进管道通过所述甲醇管道与所述甲醇换热器相连；所述高温裂解气出口管道通过所述裂解气管道与所述中间换热器相连。

8、进一步地，所述催化剂以块状拼接的方式安装在所述高温排气内管道上。

9、进一步地，所述甲醇裂解器上还设有温度传感器和压力传感器，所述温度传感器和所述压力传感器与所述控制单元分别相连。

10、进一步地，所述中间换热器包括甲醇上缓冲室、甲醇换热管道、甲醇下缓冲室和中间腔；所述中间腔设置在所述中间换热器中部，所述甲醇上缓冲室和所述甲醇下缓冲室对称设置在所述中间腔的上下两端，所述甲醇上缓冲室与所述液体甲醇输送组件相连通，所述甲醇下缓冲室与所述甲醇换热器连通；所述甲醇换热管道竖直设置在所述中间腔中心，所述甲醇上缓冲室和所述甲醇下缓冲室通过所述甲醇换热管道相通；在所述甲醇上缓冲室和所述甲醇下缓冲室的一侧侧壁上分别开有管道出口和管道入口；与所述甲醇裂解器相连的所述裂解气管道由所述管道入口进入所述甲醇下缓冲室，再通过所述甲醇换热管道进入所述甲醇上缓冲室，由所述管道出口伸出所述中间换热器，并与所述混合气分离与提纯器和所述发动机分别相连；

11、在所述中间腔一侧侧壁上下设置废气出口和废气入口；所述废气出口通过废气管道将废气排出所述中间腔；所述废气入口通过所述废气管道与所述甲醇换热器端部相连，将所述甲醇换热器内的废气输送至所述中间腔内。

12、进一步地，所述中间换热器还包括换热器肋片，在所述中间腔内所述换热器肋片围绕设置在所述甲醇换热管道四周。

13、进一步地，所述液体甲醇输送组件包括甲醇罐、阀门和甲醇控制传感器；所述甲醇控制传感器安装在所述甲醇罐上，并与所述控制单元相连；所述阀门安装在连接所述甲醇罐和所述中间换热器的所述甲醇管道上。

14、进一步地，所述液体甲醇输送组件还包括甲醇泵和甲醇流量计；所述甲醇罐和所述中间换热器之间的所述甲醇管道上依次串联所述阀门、所述甲醇泵和所述甲醇流量计。

15、进一步地，所述混合气分离与提纯器上安装气体浓度传感器；所述气体浓度传感器与所述控制单元相连。

16、进一步地，连接所述发动机和所述中间换热器的所述裂解气管道与连接所述混合气分离与提纯器和所述中间换热器的所述裂解气管道相连接；两条所述裂解气管道在靠近所述混合气分离与提纯器的一端分别安有裂解气管道阀门，所述裂解气管道阀门与所述控制单元相连。

17、本实用新型的有益效果：

18、本实用新型通过中间换热器对液体甲醇预热，通过甲醇换热器将预热后的液体甲醇汽化形成甲醇蒸汽，甲醇裂解器再对甲醇蒸汽高温催化裂解，不仅实现了尾气以及高温裂解气热量的二次利用，大大提高了发动机尾气余热回收利用效率，还提高了甲醇蒸汽裂解制氢效率以及余热回收效率。

19、本实用新型的甲醇裂解器通过特殊的管道布置方式、拼接式催化剂结构使甲醇蒸汽在裂解过程中受热更加均匀，提高甲醇蒸汽的裂解效率。

20、本实用新型通过气体浓度传感器与控制单元对氢气浓度进行检测以及富余氢气的回收，实现裂解气的一途多用。

21、发动机的尾气为甲醇裂解器提供热源后形成的高温废气，高温废气在甲醇换热器内将液体甲醇汽化，甲醇换热器将带有余热的废气送至中间换热器实现液体甲醇的预热，从而本实用新型对尾气热量实现了多级利用，避免了传统余热回收装置回收热效率较低的问题，大大地提高尾气余热回收的热效率。

技术特征：

1.一种发动机余热甲醇裂解制氢及氢气回收装置，其特征在于，所述回收装置包括控制单元(1)、中间换热器(6)、甲醇换热器(7)、甲醇裂解器(8)、混合气分离与提纯器(10)和氢气收集器(11)；所述控制单元(1)与所述中间换热器(6)、所述甲醇换热器(7)、所述甲醇裂解器(8)、所述混合气分离与提纯器(10)和所述氢气收集器(11)分别相连；

2.根据权利要求1所述的发动机余热甲醇裂解制氢及氢气回收装置，其特征在于，所述甲醇裂解器(8)包括高温排气外管道(81)、高温排气内管道(82)、催化剂(83)、甲醇蒸汽进管道(84)和高温裂解气出口管道(85)；所述高温排气外管道(81)设置在所述甲醇裂解器(8)侧壁内侧，所述高温排气内管道(82)沿所述甲醇裂解器(8)轴向设置在所述甲醇裂解器(8)中心，所述催化剂(83)围绕安装在所述高温排气内管道(82)上；所述甲醇蒸汽进管道(84)和所述高温裂解气出口管道(85)分别设置在所述甲醇裂解器(8)上，所述甲醇蒸汽进管道(84)通过所述甲醇管道(12)与所述甲醇换热器(7)相连；所述高温裂解气出口管道(85)通过所述裂解气管道(13)与所述中间换热器(6)相连。

3.根据权利要求2所述的发动机余热甲醇裂解制氢及氢气回收装置，其特征在于，所述催化剂(83)以块状拼接的方式安装在所述高温排气内管道(82)上。

4.根据权利要求2所述的发动机余热甲醇裂解制氢及氢气回收装置，其特征在于，所述甲醇裂解器(8)上还设有温度传感器(16)和压力传感器(17)，所述温度传感器(16)和所述压力传感器(17)与所述控制单元(1)分别相连。

5.根据权利要求1所述的发动机余热甲醇裂解制氢及氢气回收装置，其特征在于，所述中间换热器(6)包括甲醇上缓冲室(61)、甲醇换热管道(62)、甲醇下缓冲室(64)和中间腔(65)；所述中间腔(65)设置在所述中间换热器(6)中部，所述甲醇上缓冲室(61)和所述甲醇下缓冲室(64)对称设置在所述中间腔(65)的上下两端，所述甲醇上缓冲室(61)与所述液体甲醇输送组件相连通，所述甲醇下缓冲室(64)与所述甲醇换热器(7)连通；所述甲醇换热管道(62)竖直设置在所述中间腔(65)中心，所述甲醇上缓冲室(61)和所述甲醇下缓冲室(64)通过所述甲醇换热管道(62)相通；在所述甲醇上缓冲室(61)和所述甲醇下缓冲室(64)的一侧侧壁上分别开有管道出口(68)和管道入口(69)；与所述甲醇裂解器(8)相连的所述裂解气管道(13)由所述管道入口(69)进入所述甲醇下缓冲室(64)，再通过所述甲醇换热管道(62)进入所述甲醇上缓冲室(61)，由所述管道出口(68)伸出所述中间换热器(6)，并与所述混合气分离与提纯器(10)和所述发动机(9)分别相连；

6.根据权利要求5所述的发动机余热甲醇裂解制氢及氢气回收装置，其特征在于，所述中间换热器(6)还包括换热器肋片(63)，在所述中间腔(65)内所述换热器肋片(63)围绕设置在所述甲醇换热管道(62)四周。

7.根据权利要求1所述的发动机余热甲醇裂解制氢及氢气回收装置，其特征在于，所述液体甲醇输送组件包括甲醇罐(2)、阀门(3)和甲醇控制传感器(19)；所述甲醇控制传感器(19)安装在所述甲醇罐(2)上，并与所述控制单元(1)相连；所述阀门(3)安装在连接所述甲醇罐(2)和所述中间换热器(6)的所述甲醇管道(12)上。

8.根据权利要求7所述的发动机余热甲醇裂解制氢及氢气回收装置，其特征在于，所述液体甲醇输送组件还包括甲醇泵(4)和甲醇流量计(5)；所述甲醇罐(2)和所述中间换热器(6)之间的所述甲醇管道(12)上依次串联所述阀门(3)、所述甲醇泵(4)和所述甲醇流量计(5)。

9.根据权利要求1所述的发动机余热甲醇裂解制氢及氢气回收装置，其特征在于，所述混合气分离与提纯器(10)上安装气体浓度传感器(18)；所述气体浓度传感器(18)与所述控制单元(1)相连。

10.根据权利要求1所述的发动机余热甲醇裂解制氢及氢气回收装置，其特征在于，连接所述发动机(9)和所述中间换热器(6)的所述裂解气管道(13)与连接所述混合气分离与提纯器(10)和所述中间换热器(6)的所述裂解气管道(13)相连接；两条所述裂解气管道(13)在靠近所述混合气分离与提纯器(10)的一端分别安有裂解气管道阀门(20)，所述裂解气管道阀门(20)与所述控制单元(1)相连。

技术总结
本技术涉及一种发动机余热甲醇裂解制氢及氢气回收装置，属于甲醇裂解制氢及氢气回收领域。回收装置包括控制单元、中间换热器、甲醇换热器、甲醇裂解器、混合气分离与提纯器和氢气收集器；中间换热器的输入口与液体甲醇输送组件通过甲醇管道相连，中间换热器的输出口通过甲醇管道连接甲醇换热器；甲醇换热器通过甲醇管道与甲醇裂解器相连；中间换热器与甲醇裂解器和混合气分离与提纯器分别通过裂解气管道相连；中间换热器通过裂解气管道与发动机管道相连；发动机与甲醇裂解器管道相连，甲醇换热器两端分别通过废气管道与中间换热器和甲醇裂解器相连。本技术大大提高了发动机尾气余热回收利用效率，还提高了甲醇蒸汽裂解制氢效率。

技术研发人员：段雄波,徐路斌,陈锦成,赵云,易健翔,莫亦嘉
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：20230220
技术公布日：2024/1/12