一种甲醇发动机余热回收制氢装置及其制氢方法
技术领域
本发明属于甲醇发动机技术领域，更具体地说，是涉及一种甲醇发动机余热回收制氢装置，本发明还涉及一种甲醇发动机余热回收制氢方法。
背景技术
当今世界面临着石油能源危机和环境污染两大问题。能源和环境问题已成为影响中国乃至世界经济和社会发展的重要因素。因此，积极寻求和发展清洁能源已成为一个重大课题，改变石油短缺和环境污染的重要途径就是减少对石油的依赖，开发绿色高效清洁的代替能源。甲醇等作为清洁高效能源的代表，部分企业正在研发甲醇发动机并向市场推广应用。甲醇具有清洁排放低、经济性好、同等动力性、高效制造存储和运输等各方面的优势，成为一个石油替代能源的首选。当前为了开发更高热效率和更低排放的甲醇发动机，尾气余热回收进行甲醇裂解或者重整制氢，再开发掺氢燃烧的醇氢发动机，是一个研发的方向。现有的余热回收制氢技术是直接将发动机尾气引入制氢装置中，利用尾气热量，为制氢装置提供反应需要的热量。现有装置的主要有如下几个方面的缺点。缺点一，系统中甲醇制氢装置是气体与气体换热，换热效率较低；缺点二，汽车发动机尾气的流量和温度随着发动机工况实时变化，无法为制氢装置提供稳定的反应温度，进而导致系统效率低下；缺点三：发动机尾气需要依次流经各反应/换热器，导致排气阻力增大，影响发动机性能。因此，现有结构不能满足要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术不足，提供一种结构简单，控制可靠安全，能够采用高温导热流体作为中间导热介质，利用尾气给系统导热流体加热，高温导热流体提供制氢的热量，从而利用液-气热交换原理，换热、制氢效率明显提升，同时，使得换热、制氢过程不受发动机工况变化影响，确保整个制氢过程在高效的温度反应区间进行，提高发动机性能的甲醇发动机余热回收制氢装置。
要解决以上所述的技术问题，本发明采取的技术方案为：
本发明为一种甲醇发动机余热回收制氢装置，包括排气管、高温导热流体箱体、高温导热流体输送管路、甲醇水溶液箱体、甲醇水溶液输送管路，所述的排气管内设置电控尾气调节阀，排气管位于电控尾气调节阀前部的供应管与余热回收器的高温尾气进口连通，余热回收器的高温尾气出口与排气管位于电控尾气调节阀后部的回流管连通，高温导热流体输送管路一端与高温导热流体箱体的流体输出口连通，高温导热流体输送管路另一端依次经过余热回收器的换热管路、重整器的重整器管路、蒸发器的蒸发器管路、预热器的预热器管路后与高温导热流体箱体的流体回收口连通，甲醇水溶液输送管路一端与甲醇水溶液箱体的供应管路连通，甲醇水溶液输送管路另一端依次经过预热器、蒸发器、重整器后通过氢气出口与氢气储存罐连通。
所述的排气管包括三元催化器，三元催化器位于排气管的最尾端，供应管与余热回收器的高温尾气进口连通，余热回收器的高温尾气出口与三元催化器位于电控尾气调节阀后部的回收管连通。
所述的高温导热流体箱体与余热回收器之间的高温导热流体输送管路上设置高温导热流体泵，高温导热流体泵与控制部件连接。
所述的甲醇水溶液箱体和预热器之间的甲醇水溶液输送管路上设置甲醇水溶液泵，甲醇水溶液泵与控制部件连接。
所述的三元催化器、余热回收器、重整器、蒸发器、预热器上分别设置温度传感器和压力传感器，每个温度传感器和压力传感器分别与控制部件连接。
所述的电控尾气调节阀与控制部件连接。
所述的高温导热流体泵和余热回收器之间的高温导热流体输送管路上设置高温导热流体流量计，所述的高温导热流体流量计与控制部件连接。
所述的甲醇水溶液泵与甲醇水溶液箱体之间的甲醇水溶液输送管路上设置甲醇水溶液流量控制器，甲醇水溶液流量控制器与控制部件连接。
本发明还涉及一种工艺简单，控制可靠安全，能够采用高温导热流体作为中间导热介质，利用尾气给系统导热流体加热，高温导热流体提供制氢的热量，从而利用液-气热交换原理，换热、制氢效率明显提升，同时，使得换热、制氢过程不受发动机工况变化影响，确保整个制氢过程在高效的温度反应区间进行，提高发动机性能的甲醇发动机余热回收制氢方法。所述的制氢方法的步骤为：
1)甲醇发动机启动后，排气管的三元催化器的实际温度未到达控制部件内设定的工作温度时，控制部件控制电控尾气调节阀处于开启状态，发动机高温尾气不流经余热回收器，而是从三元催化器排出，甲醇发动机余热回收制氢装置暂不工作；
2)三元催化器的实际温度超过工作温度后，控制部件控制电控尾气调节阀处于关闭状态，高温尾气通过余热回收器的高温尾气进口进入余热回收器，再从余热回收器的高温尾气出口流过三元催化器的回流管排出；三元催化器的实际温度超过工作温度后，控制部件同时控制高温导热流体泵启动，高温导热流体依次经过余热回收器的换热管路、重整器的重整器管路、蒸发器的蒸发器管路、预热器的预热器管路后从流体回收口流回高温导热流体箱体。
3)重整器、蒸发器、预热器的实际温度均超过控制部件内设置的工作温度时，控制部件控制甲醇水溶液泵启动，甲醇水溶液依次经过预热器、蒸发器、重整器后制备形成氢气，而后通过氢气出口进入氢气储存罐储存，完成余热回收制氢。
所述的甲醇发动机余热回收制氢过程中，甲醇水溶液的供给量与高温导热流体的流量同时达到控制部件内设定的最大量时，控制部件控制电控尾气调节阀部分开启，排出部分高温烟气。
采用本发明的技术方案，能得到以下的有益效果：
本发明所述的甲醇发动机余热回收制氢装置及其制氢方法，采用高温导热流体作为中间导热介质，利用高温尾气给系统导热流体加热，制氢装置制氢时各部件的热量由高温导热流体提供热，重整器(重整反应装置)是利用液-气热交换原理，实现制氢，效率明显提升；另一方面，通过调节高温导热流体的流量，可以使制氢装置各部件的温度保持相对稳定，不受发动机的工况变化影响，进而确保整个制氢化学反应在高效的温度反应区间进行。上述结构，进行甲醇发动机余热回收制氢时，甲醇发动机启动后，排气管的三元催化器的实际温度未到达控制部件内设定的工作温度时，控制部件控制电控尾气调节阀处于开启状态，发动机高温尾气不流经余热回收器，而是从三元催化器排出，甲醇发动机余热回收制氢装置暂不工作；三元催化器的实际温度超过工作温度后，控制部件控制电控尾气调节阀处于关闭状态，高温尾气通过余热回收器的高温尾气进口进入余热回收器，再从余热回收器的高温尾气出口流过三元催化器的回流管排出；三元催化器的实际温度超过工作温度后，控制部件同时控制高温导热流体泵启动，高温导热流体依次经过余热回收器的换热管路、重整器的重整器管路、蒸发器的蒸发器管路、预热器的预热器管路后从流体回收口流回高温导热流体箱体。重整器、蒸发器、预热器的实际温度均超过控制部件内设置的工作温度时，控制部件控制甲醇水溶液泵启动，甲醇水溶液依次经过预热器、蒸发器、重整器后制备形成氢气，而后通过氢气出口进入氢气储存罐储存，完成余热回收制氢。氢气储存罐的氢气供应发动机工作。本发明所述的甲醇发动机余热回收制氢装置及其制氢方法，装置结构简单，方法工艺简单，控制可靠安全，能够采用高温导热流体作为中间导热介质，利用尾气给系统导热流体加热，高温导热流体提供制氢的热量，从而利用液-气热交换原理，换热、制氢效率明显提升，同时，使得换热、制氢过程不受发动机工况变化影响，确保整个制氢过程在高效的温度反应区间进行，提高发动机性能。
附图说明
下面对本说明书各附图所表达的内容及图中的标记作出简要的说明：
图1为本发明所述的甲醇发动机余热回收制氢装置的结构示意图；
附图中标记分别为：1、排气管；2、高温导热流体箱体；3、高温导热流体输送管路；4、甲醇水溶液箱体；5、甲醇水溶液输送管路；6、电控尾气调节阀；7、供应管；8、回流管；9、回流管；10、换热管路；11、重整器；12、重整器管路；13、蒸发器；14、蒸发器管路；15、预热器；16、预热器管路；17、氢气出口；18、氢气储存罐；19、三元催化器；20、高温导热流体泵；21、甲醇水溶液泵；22、控制部件；23、高温导热流体流量计；24、甲醇水溶液流量控制器。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理等作进一步的详细说明：
如附图1所示，本发明为一种甲醇发动机余热回收制氢装置，包括排气管1、高温导热流体箱体2、高温导热流体输送管路3、甲醇水溶液箱体4、甲醇水溶液输送管路5，所述的排气管1内设置电控尾气调节阀6，排气管1位于电控尾气调节阀6前部的供应管7与余热回收器8的高温尾气进口连通，余热回收器8的高温尾气出口与排气管1位于电控尾气调节阀6后部的回流管9连通，高温导热流体输送管路3一端与高温导热流体箱体2的流体输出口连通，高温导热流体输送管路3另一端依次经过余热回收器8的换热管路10、重整器11的重整器管路12、蒸发器13的蒸发器管路14、预热器15的预热器管路16后与高温导热流体箱体2的流体回收口连通，甲醇水溶液输送管路5一端与甲醇水溶液箱体4的供应管路连通，甲醇水溶液输送管路5另一端依次经过预热器15、蒸发器13、重整器11后通过氢气出口17与氢气储存罐18连通。排气管1包括三元催化器。本发明所述的甲醇发动机余热回收制氢装置，针对现有技术中的问题，采取独特的设计思路，改进制氢装置的结构及方法，采用高温导热流体作为中间导热介质，利用高温尾气给系统导热流体加热，制氢装置制氢时各部件的热量由高温导热流体提供热，重整器(重整反应装置)是利用液-气热交换原理，实现制氢，效率明显提升；另一方面，通过调节高温导热流体的流量，可以使制氢装置各部件的温度保持相对稳定，不受发动机的工况变化影响，进而确保整个制氢化学反应在高效的温度反应区间进行。上述结构，进行甲醇发动机余热回收制氢时，甲醇发动机启动后，排气管1的三元催化器19的实际温度未到达控制部件22内设定的工作温度时，控制部件22控制电控尾气调节阀6处于开启状态，发动机高温尾气不流经余热回收器8，而是从三元催化器19排出，甲醇发动机余热回收制氢装置暂不工作；三元催化器19的实际温度超过工作温度后，控制部件22控制电控尾气调节阀6处于关闭状态，高温尾气通过余热回收器8的高温尾气进口进入余热回收器8，再从余热回收器8的高温尾气出口流过三元催化器19的回流管9排出；三元催化器19的实际温度超过工作温度后，控制部件22同时控制高温导热流体泵20启动，高温导热流体依次经过余热回收器8的换热管路10、重整器11的重整器管路12、蒸发器13的蒸发器管路14、预热器15的预热器管路16后从流体回收口流回高温导热流体箱体2。重整器11、蒸发器13、预热器15的实际温度均超过控制部件22内设置的工作温度时，控制部件22控制甲醇水溶液泵21启动，甲醇水溶液依次经过预热器15、蒸发器13、重整器11后制备形成氢气，而后通过氢气出口17进入氢气储存罐18储存，完成余热回收制氢。本发明所述的甲醇发动机余热回收制氢装置及其制氢方法，装置结构简单，方法工艺简单，控制可靠安全，能够采用高温导热流体作为中间导热介质，利用尾气给系统导热流体加热，高温导热流体提供制氢的热量，从而利用液-气热交换原理，换热、制氢效率明显提升，同时，使得换热、制氢过程不受发动机工况变化影响，确保整个制氢过程在高效的温度反应区间进行，提高发动机性能。
所述的排气管1包括三元催化器19，三元催化器19位于排气管1的最尾端，所述的供应管7与余热回收器8的高温尾气进口连通，余热回收器8的高温尾气出口与三元催化器19位于电控尾气调节阀6后部的回收管9连通。上述结构，发动机工作时排出的高温烟气，根据设定，有两种走向，一种是不进行制氢工作时，控制部件控制电控尾气调节阀6完全打开，排气管的高温尾气经过三元催化器19处理后排入大气。需要进行制氢工作时，电控尾气调节阀6完全关闭，高温烟气进入余热回收器8，进行热交换，高温烟气的热量对经过余热回收器的高温导热流体加热，而后，高温导热流体加热制氢装置的其他部件，换热后的高温烟气也经过三元催化器19处理后排入大气。
所述的高温导热流体箱体2与余热回收器8之间的高温导热流体输送管路3上设置高温导热流体泵20，高温导热流体泵20与控制部件22连接。上述结构，高温导热流体泵20在控制部件的控制下启动时，泵送高温导热流体，使得高温导热流体在高温导热流体输送管路3内循环，经过各部件，在余热回收器中吸热后，继续循环，经过各部件，进行传热，加热各部件，从而高效可靠完成余热回收制氢作业。
所述的甲醇水溶液箱体4和预热器15之间的甲醇水溶液输送管路5上设置甲醇水溶液泵21，甲醇水溶液泵21与控制部件22连接。上述结构，甲醇水溶液泵21在控制部件控制下，能够泵送甲醇水溶液，使得甲醇水溶液实现供应，高效实现甲醇水溶液加热制氢作业。
本发明所述的甲醇发动机余热回收制氢装置及其制氢方法，高温导热流体流量与温度之间建立关联。制氢装置各部件的实际温度发生变化时，高温导热流体泵可以调节高温导热流体的流量变化。温度增高时，高温导热流体流量增大，温度降低，高温导热流体流量减小。进一步地，例如，可以在高温导热流体流量与余热回收器或重整器等换热装置部件中的一个温度传感器之间建立关联。该温度数值增加，则高温导热流体泵控制高温导热流体流量增加，该温度数值减小，则高温导热流体泵控制高温导热流体流量减少，这样，使得进行制氧过程中的温度始终处于高效反应区间。与此同时，甲醇水溶液的供给量也与温度建立关联。制氢装置各部件的实际温度发生变化时，甲醇水溶液泵可以调节甲醇水溶液的流量变化。温度增高时，甲醇水溶液流量增大，温度降低，甲醇水溶液流量减小。进一步地，例如，可以在甲醇水溶液流量与余热回收器或重整器等换热装置部件中的一个温度传感器之间建立关联。该温度数值增加，则甲醇水溶液泵控制甲醇水溶液流量增加，该温度数值减小，则甲醇水溶液泵控制甲醇水溶液流量减少，这样，使得甲醇水溶液供应量始终满足制备效率。
所述的三元催化器19、余热回收器8、重整器11、蒸发器13、预热器15上分别设置温度传感器和压力传感器，每个温度传感器和压力传感器分别与控制部件22连接。上述结构，整个制氢装置的各部件，分别与控制部件连接，实现统一控制，而控制部件为发动机ECU。这样，制氢装置各部件的启停、各部件启动先后顺序，各部件温度、压力的监控，各信号分别反馈给控制部件，由控制部件控制。
本发明所述的装置中，高温导热流体的选择参照标准《GB 23971-2009有机热载体》。高温导热流体关注热稳定性、自燃点、粘度、热传导系数等参数，需要满足-30℃～350℃的环境下稳定工作。
所述的电控尾气调节阀6与控制部件22连接。上述结构，电控尾气调节阀6开闭及打开开度大小通过控制部件实现可靠的控制。
所述的高温导热流体泵20和余热回收器8之间的高温导热流体输送管路3上设置高温导热流体流量计23，所述的高温导热流体流量计23与控制部件22连接。上述结构，高温导热流体流量计23监控高温导热流体供应流量。所述的甲醇水溶液泵21与甲醇水溶液箱体4之间的甲醇水溶液输送管路5上设置甲醇水溶液流量控制器24，甲醇水溶液流量控制器24与控制部件22连接。上述结构，甲醇水溶液流量控制器24监控甲醇供应流量。
本发明还涉及一种工艺简单，控制可靠安全，能够采用高温导热流体作为中间导热介质，利用尾气给系统导热流体加热，高温导热流体提供制氢的热量，从而利用液-气热交换原理，换热、制氢效率明显提升，同时，使得换热、制氢过程不受发动机工况变化影响，确保整个制氢过程在高效的温度反应区间进行，提高发动机性能的甲醇发动机余热回收制氢方法。所述的制氢方法的步骤为：
1)甲醇发动机启动后，排气管1的三元催化器19的实际温度未到达控制部件22内设定的工作温度时，控制部件22控制电控尾气调节阀6处于开启状态，发动机高温尾气不流经余热回收器8，而是从三元催化器19排出，甲醇发动机余热回收制氢装置暂不工作；
2)三元催化器19的实际温度超过工作温度后，控制部件22控制电控尾气调节阀6处于关闭状态，高温尾气通过余热回收器8的高温尾气进口进入余热回收器8，再从余热回收器8的高温尾气出口流过三元催化器19的回流管9排出；三元催化器19的实际温度超过工作温度后，控制部件22同时控制高温导热流体泵20启动，高温导热流体依次经过余热回收器8的换热管路10、重整器11的重整器管路12、蒸发器13的蒸发器管路14、预热器15的预热器管路16后从流体回收口流回高温导热流体箱体2。
3)重整器11、蒸发器13、预热器15的实际温度均超过控制部件22内设置的工作温度时，控制部件22控制甲醇水溶液泵21启动，甲醇水溶液依次经过预热器15、蒸发器13、重整器11后制备形成氢气，而后通过氢气出口17进入氢气储存罐18储存，完成余热回收制氢。本发明所述的甲醇发动机余热回收制氢装置及其制氢方法，采用高温导热流体作为中间导热介质，利用高温尾气给系统导热流体加热，制氢装置制氢时各部件的热量由高温导热流体提供热，重整器(重整反应装置)是利用液-气热交换原理，实现制氢，效率明显提升。
所述的甲醇发动机余热回收制氢过程中，甲醇水溶液的供给量与高温导热流体的流量同时达到控制部件22内设定的最大量时，控制部件22控制电控尾气调节阀6部分开启，排出部分高温烟气。上述步骤，在控制部件内设置甲醇水溶液的供给量与高温导热流体的流量最大量，且同时监控各部件的实际温度，当温度持续上升且超过设定温度上限值时，控制部件控制电控尾气调节阀部分开启，排出部分高温尾气，满足最大制氢功率的同时，防止温度过高造成装置损坏。
本发明所述的甲醇发动机余热回收制氢装置及其制氢方法，采用高温导热流体作为中间导热介质，利用高温尾气给系统导热流体加热，制氢装置制氢时各部件的热量由高温导热流体提供热，重整器(重整反应装置)是利用液-气热交换原理，实现制氢，效率明显提升；另一方面，通过调节高温导热流体的流量，可以使制氢装置各部件的温度保持相对稳定，不受发动机的工况变化影响，进而确保整个制氢化学反应在高效的温度反应区间进行。上述结构，进行甲醇发动机余热回收制氢时，甲醇发动机启动后，排气管的三元催化器的实际温度未到达控制部件内设定的工作温度时，控制部件控制电控尾气调节阀处于开启状态，发动机高温尾气不流经余热回收器，而是从三元催化器排出，甲醇发动机余热回收制氢装置暂不工作；三元催化器的实际温度超过工作温度后，控制部件控制电控尾气调节阀处于关闭状态，高温尾气通过余热回收器的高温尾气进口进入余热回收器，再从余热回收器的高温尾气出口流过三元催化器的回流管排出；三元催化器的实际温度超过工作温度后，控制部件同时控制高温导热流体泵启动，高温导热流体依次经过余热回收器的换热管路、重整器的重整器管路、蒸发器的蒸发器管路、预热器的预热器管路后从流体回收口流回高温导热流体箱体。重整器、蒸发器、预热器的实际温度均超过控制部件内设置的工作温度时，控制部件控制甲醇水溶液泵启动，甲醇水溶液依次经过预热器、蒸发器、重整器后制备形成氢气，而后通过氢气出口进入氢气储存罐储存，完成余热回收制氢。氢气储存罐的氢气供应发动机工作。本发明所述的甲醇发动机余热回收制氢装置及其制氢方法，装置结构简单，方法工艺简单，控制可靠安全，能够采用高温导热流体作为中间导热介质，利用尾气给系统导热流体加热，高温导热流体提供制氢的热量，从而利用液-气热交换原理，换热、制氢效率明显提升，同时，使得换热、制氢过程不受发动机工况变化影响，确保整个制氢过程在高效的温度反应区间进行，提高发动机性能。
上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明具体的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均在本发明的保护范围内。
