内燃机余热甲醇催化重整制氢装置设计及实验研究.pdfVIP

1 成都，2007年 8月 中国内燃机学会燃烧净化节能分会2007年学术年会论文集 内燃机余热甲醇催化重整制氢装置设计及实验研究 1 1 1 1 1 1 纪常伟 ,邓福山 ,Stefan Korte ,方泽军 ,汪硕峰 ,何 洪 （1.北京工业大学 环境与能源工程学院 北京 100022） 摘要：利用内燃机尾气余热对甲醇进行催化重整产生富氢气体，再送入汽缸与燃油混合燃烧，能较大幅度提高内燃机的 热效率并降低排放和热及噪声污染。本文设计了一套内燃机余热甲醇催化重整制氢装置，在内燃机排气余热和催化剂的 共同作用下，甲醇水溶液重整成富氢气体。重整反应器为蜂窝陶瓷载体，重整催化剂为Cu/Zn/Al/Zr，采用管式换热器对 载体进行加热，甲醇水溶液在载体孔道中发生催化重整反应。实验结果表明，随着发动机排气温度的增加，重整器产氢 率提高，在排气温度为350C时，重整气中H2体积分数达到41.9%. 关键词：内燃机余热;甲醇水蒸气重整;催化剂;设计;实验 随着石油资源的日益枯竭和大气污染的逐渐恶 氢率；采用沿轴向穿过陶瓷载体的薄壁不锈钢管作 化，降低内燃机的油耗和排放就成为当务之急。由 为换热器，把内燃机尾气热量快速传给陶瓷载体 于燃料在内燃机气缸内雾化、蒸发及与空气混合的 [8]。甲醇可以通过三种途径产生氢气[9]:甲醇分 速率有限，使得燃料无法在极短的时间内完全燃烧， 解、甲醇部分氧化和甲醇水蒸气重整。甲醇水蒸气 导致内燃机热效率低、排放和排气温度高。在内燃 重整，每摩尔甲醇的产氢量最大，同时所需要的水 机进气中混入少量氢气[1]，利用氢气在空气中扩散 和能量容易在车辆上获得；甲醇分解消耗热量多， 快、点火能量低的特点，改善燃油的雾化和蒸发， 易产生碳颗粒而且产氢量不及甲醇水蒸气重整；甲 促进燃油与空气的混合，从而改善燃油的燃烧，达 醇部分氧化虽然能够放出热量，但是需要额外提供 到提高内燃机热效率、降低排放和排气温度的目的。 氧气，本研究利用内燃机尾气余热对甲醇水溶液进 然而氢燃料制造成本较高、随车存储困难、体积能 行催化重整。研究表明[6]，甲醇水蒸气重整时，采 量密度小且具有一定的安全风险[2]，以甲醇代替氢 用CuZnAlZr催化剂，水和甲醇的摩尔比略大于1时， 气随车携带，利用内燃机尾气余热对甲醇进行水蒸 产氢率较高。 气催化重整制氢，在线产生富氢气体与燃油混合燃 烧[3]，解决了氢气随车携带问题。 1 重整器设计及催化剂制备试验样机 甲醇催化重整制氢装置有板式反应器[4],拆 1.1 甲醇重整器的设计要求 卸、组装灵活,便于扩大规模，集预热气化、氧化重 （1）结构紧凑、体积小、重量轻；（2）使催化 整、燃烧反应于一体，体积相对较小,便于放置,能 剂与反应气充分接触；（3）发动机怠速时，尾气热 量效率高；板翅式反应器[5]采用板翅结构,有效减 量利用充分；（4）燃料转化效率和产氢率高；（5） 小放热与吸热之间的传热阻力,提高放热反应和重 寿命长、成本低。 整吸热反应之间的传热效率,使得