车载含水乙醇低温重整制氢方法及其装置和应用系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及内燃机余热应用领域，具体地指一种车载含水乙醇低温重整制氢方法 及其装置和应用系统。
【背景技术】
[0002] 为了缓解能源短缺和减少环境污染问题，寻找替代能源和降低有害排放物正成为 内燃机研宄领域的两个重要课题。氢气以其来源多样、可再生性、清洁环保等突出特点成 为当下新能源领域的研宄热点。大量研宄表明，氢气的扩散速度和火焰传播速度较其它燃 料更快，辛烷值更高，可燃极限更宽，而点火能量较小。因此，在燃料中掺氢易于实现稀薄燃 烧，可以大幅度改善内燃机的工作和排放性能，从而降低NOdPHC等有害物质的排放量。
[0003] 已有的掺氢发动机的试验和理论研宄，都证明了掺氢燃料在发动机中具有广阔的 应用前景。然而氢气的获取方式、储运技术等问题使得掺氢发动机难以在实际中真正得到 推广。如果利用廉价、可再生的生物乙醇代替氢气随车携带，并利用发动机尾气余热将生物 乙醇重整为氢气，为汽车发动机实时供氢，那必将为掺氢燃烧发动机的市场推广提供新的 思路和方向。同时，车载在线制氢还免去了氢气的储存与运输环节，使氢燃料在发动机上的 应用和推广成为可能。
[0004] 利用汽车发动机余热催化含水乙醇产生的重整气体富含H2XHdPCO等，这种重整 气十分适合发动机燃烧，无需经过任何净化处理就可以直接使用。在汽车发动机中掺氢，能 够拓宽燃烧界限，加快燃油燃烧速率，实现稳定的超稀薄燃烧，从而改善发动机燃烧性能。
[0005] 现有的重整制氢装置形式多样。例如，一种乙醇重整器（游伏兵，含水酒精重整燃 料发动机研宄，武汉理工大学博士论文）采用的是管壳式结构，该装置用两个腔室将乙醇 水溶液的蒸发部分和乙醇水蒸气的催化反应部分隔开，在乙醇水溶液蒸发部分的管程中通 入含水乙醇，在乙醇水蒸气反应部分的管程中通入含水乙醇蒸气，并在该部分的管程中添 加催化剂，而整个壳程中则通入发动机尾气。该重整器两个腔室之间的密封比较困难，且在 高温条件下经过长时间反应后，由于在催化剂表面形成积碳、烧结等原因造成催化剂中毒 和管程堵塞，严重影响了乙醇的转化率和氢气的选择性，甚至导致重整器失效。另外，（中 国发明专利CN100364881C)公开了一种改良后的多孔蜂窝陶瓷结构的甲醇重整器，其在管 程中通入发动机尾气，在壳程中通入甲醇，并且在管程和壳程之间添加了陶瓷结构，该结构 虽然避免了因催化剂积碳而形成的堵塞问题，但其内部陶瓷结构密度较大，导致其重整器 重量较大，且单级催化，很难同时保证较高的燃料转化率和氢气选择性。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是为了克服现有技术中重整器容易堵塞、催化剂易烧结、氢气选择 性不高和乙醇转化率较低的问题，而提出一种车载含水乙醇低温重整制氢方法及其装置和 应用系统。
[0007] 为实现上述目的，本发明所设计的车载含水乙醇低温重整制氢方法，它是利用汽 车发动机尾气余热催化重整车载含水乙醇产生富氢气体，再将所产生的富氢气体直接输送 至汽车发动机中进行掺氢燃烧的过程，其特殊之处在于，该方法包括如下步骤：
[0008] 1)在汽车发动机启动后，将发动机所排放的尾气输送到车载管壳式低温重整制氢 装置的管程中对其进行加热升温；
[0009] 2)当检测到尾气温度达到含水乙醇重整反应所需的最低温度时，从车载含水乙醇 箱内向车载管壳式低温重整制氢装置的壳程中在线输送含水乙醇；
[0010] 3)首先将含水乙醇喷入所述壳程中的含水乙醇蒸发腔，使其被尾气间接加热、升 温、汽化，形成乙醇水蒸气；
[0011] 4)然后将乙醇水蒸气导入所述壳程中的初级钛网结构反应区，使其在碱性Cu基 催化剂的作用下进行初级重整，其中大部分乙醇水蒸气被转化成包含氢气、二氧化碳和乙 醛的初步重整气。
[0012] 5)再将初步重整气连同剩余的乙醇水蒸气导入所述壳程中的二级钛网结构反应 区，使其在碱性Ni基催化剂的作用下进行二级重整，其中的乙醛和剩余的乙醇水蒸气被转 化成包含氢气和二氧化碳的富氢气体；
[0013] 6)最后将所产生的富氢气体导入所述壳程中的重整产物汇集腔，并通过汽车发动 机的进气管在线输送至汽车发动机气缸中，实现掺氢燃烧。
[0014] 对于不同型号和排量的汽车发动机，其尾气温度和所输送含水乙醇的质量流量范 围也会随不同工况而发生改变。优选地，当检测到尾气温度300°C<T< 400°C时，控制输送 含水乙醇的质量流量0.lg/s<Q< 0. 2g/s;当检测到尾气温度400°C<T< 500°C时，控制 输送含水乙醇的质量流量为0. 2g/s<Q< 0. 3g/s;当检测到尾气温度500°C<T< 600°C 时，控制输送含水乙醇的质量流量为〇. 3g/s<Q< 0. 4g/s;当检测到尾气温度T< 300°C 时，停止输送含水乙醇。本方法可有效利用汽车发动机尾气余热，采用乙醇水蒸气重整制氢 技术，在合适温度范围内准确控制进入钛网结构反应区内的含水乙醇溶液的流量，以提高 含水乙醇转化为富氢气体的效率。
[0015] 进一步地，确保乙醇水蒸气在初级钛网结构反应区与碱性Cu基催化剂的接触面 积和在二级钛网结构反应区与碱性Ni基催化剂的接触面积之和为4000?5000cm2。确保较 大的催化剂接触表面积，即确保反应面积大，反应迅速，加上钛网的换热效率高，换热均匀， 可以大大提高乙醇转化率和氢气的选择性。
[0016] 本发明所设计的车载含水乙醇低温重整制氢装置，包括筒形结构的反应壳体，其 特殊之处在于：所述反应壳体前后两端分别设置有前密封板和后密封板，所述反应壳体内 腔中从前向后紧邻或间隔设置有涂敷碱性Cu基催化剂的初级钛网结构反应区和涂敷碱性 Ni基催化剂的二级钛网结构反应区；所述初级钛网结构反应区与前密封板之间形成含水 乙醇蒸发腔，所述含水乙醇蒸发腔的壳壁上设置有含水乙醇进口；所述二级钛网结构反应 区与后密封板之间形成重整产物汇集腔，所述重整产物汇集腔的壳壁上设置有富氢气体出 口；所述反应壳体内腔中还平行布置有贯穿初级钛网结构反应区和二级钛网结构反应区的 换热管束，所述换热管束的两端分别固定在前密封板和后密封板上的安装孔中；所述前密 封板和后密封板外侧分别设置有前端盖和后端盖，所述前端盖上设置有热介质出口，所述 后端盖上设置有热介质进口，所述热介质出口通过换热管束与热介质进口相连。
[0017] 进一步地，所述初级钛网结构反应区和二级钛网结构反应区的钛网结构是由多片 正六边形孔架结构的蜂窝状钛网层叠组合而成，该结构能增加催化反应过程中的换热量， 提高重整器的催化效率。
[0018] 更进一步地，所述蜂窝状钛网的正六边形孔边长为3. 5?6. 5mm，相邻蜂窝状钛网 的间距为0. 8?I. 8cm;所述蜂窝状钛网上涂敷的碱性Cu基催化剂和碱性Ni基催化剂的 表面积为4000?5000cm2。最佳地，所述蜂窝状钛网的正六边形孔边长为5. 0?5. 5mm，相 邻蜂窝状钛网的间距为I. 0?I. 5cm;所述蜂窝状钛网上涂敷的碱性Cu基催化剂和碱性Ni 基催化剂的表面积为4500?4800cm2。
[0019] 更进一步地，所述换热管束两端分别焊接在前密封板和后密封板上的安装孔中； 所述前端盖、前密封板、反应壳体、后密封板和后端盖之间通过紧定螺钉密封相连。这种结 构方便本装置的拆卸、维修、清洗、安装以及添加更换催化剂等。
[0020] 本发明所设计的车载含水乙醇低温重整制氢应用系统，包括汽车发动机，其特殊 之处在于：还包括上述的低温重整制氢装置，所述低温重整制氢装置的含水乙醇进口与车 载含水乙醇箱的输出端管路相连，所述低温重整制氢装置的富氢气体出口与汽车发动机的 进气管相连，所述低温重整制氢装置的热介质进口与汽车发动机的尾气管相连，所述低温 重整制氢装置的热介质出口与汽车尾气处理装置相连。
[0021] 进一步地，所述车载含水乙醇箱的输出端管路上设置有输送泵和第一流量控制电 磁阀，所述汽车发动机的尾气管上设置有温度传感器和第二流量控制电磁阀，所述温度传 感器的检测信号输出端与电子控制单元的