[發明專利]一種回熱再反應式的內燃機余熱氨制氫系統及控制方法

在審

• 申請號: 202310588906.9
• 申請日: 2023-05-23
• 公開（公告）號: CN116624295A
• 公開（公告）日: 2023-08-22
• 發明（設計）人: 潘家營;王士鐸;衛海橋;舒歌群;胡啟航;丁海龍
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: F02M21/02
• 分類號: F02M21/02;F02M21/06;F02M25/12
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 王芳

本發明公開一種回熱再反應式的內燃機余熱氨制氫系統及控制方法，涉及清潔零碳燃料的生產、轉化、儲存和利用技術領域，系統主要組件包括內燃機、冷卻水箱、液氨罐、氣化室、回熱器、加熱器、氨反應器、溫度傳感器、氨傳感器、燃料供應系統及各類控制閥門。該系統除利用內燃機余熱外，還對反應后的氨氫混合氣余熱進行回收，提高進氣效率，且能量利用效率更高；同時，本發明提出的氨制氫系統可實現氨氫混合氣的多次反應，配合相應控制策略，可有效控制氨分解程度，靈活調控內燃機進氣的氨氫比例和總流量，解決現有系統氨分解效率低、對內燃機工況響應性差等問題。

技術領域

本發明涉及清潔零碳燃料的生產、轉化、儲存和利用技術領域，特別是涉及一種回熱再反應式的內燃機余熱氨制氫系統及控制方法。

背景技術

氨氣、氫氣蘊含豐富的化學能，與氧氣反應可產生大量熱量，且氨、氫燃料燃燒時不產生二氧化碳等溫室氣體，具有“零碳低排”的優勢。因此，氨氣、氫氣等燃料是一類極具潛力的可替代燃料。除上述優點外，氫氣能量密度高，化學性質活潑，產物僅有水，是理想的未來能源。但氫氣生產成本較高，易燃易爆、難以液化，使得其儲運非常困難，成為限制氫能大規模發展的主要障礙。相比于氫氣，氨氣化學性質穩定，在常溫下0.8MPa便可液化，便于儲運。因此氨氣不僅可以作為燃料，也是十分重要的氫載體。

在內燃機等動力裝置中，氨氫燃料的使用已得到了大量研究。當前通用的燃料運載方式是在內燃機上負載液氨罐，液氨經汽化后在常壓、約400℃以上的條件下發生分解反應，釋放氫氣。產生的氫氣經調配后與氨氣混合進入內燃機燃燒做功，實現化學能到機械能的轉化。液氨汽化、氨分解制氫需要吸收大量的熱量，當前采用較多的加熱方式是回收內燃機余熱配合電加熱或額外燃料加熱，但額外燃料或電加熱降低了內燃機整體能量效率。另外，內燃機工況發生變化時，余熱量不穩定，可能導致氨反應器內的氨氣分解不完全，產氫量過少，且此時內燃機對氫氨燃料的需求也可能發生變化，因此內燃機在多變工況時可能會出現燃料供給不足，燃燒控制困難等問題。最后，反應后的高溫氨氫混合氣需經降溫、放熱后才可以進入燃燒室內燃燒，以保證正常的進氣效率，現有氨制氫系統對該部分熱量未實現有效回收。因此，在動力裝置內亟需一種氨制氫系統，高效回收、利用余熱，控制氨制氫的反應程度，保障動力裝置的高效運行。

發明內容

為滿足氨分解過程的熱量需求，解決氨分解反應不完全的問題，本發明提供一種回熱再反應式的內燃機余熱氨制氫系統及控制方法。

為實現上述目的，本發明提供了如下方案：

本發明提供一種回熱再反應式的內燃機余熱氨制氫系統，包括液氨罐、氣化室、冷卻水箱、內燃機、第二流量控制閥、第三流量控制閥、燃料供應系統、回熱器和氨反應器；所述液氨罐的出口與所述氣化室的燃料入口相連通，所述氣化室的燃料出口與所述第二流量控制閥和所述第三流量控制閥的入口端相連通；所述冷卻水箱用于對所述內燃機的冷卻，所述氣化室的冷卻水出口與所述冷卻水箱的進口相連通，所述冷卻水箱的出口與所述內燃機的冷卻水入口相連通，所述內燃機的冷卻水出口與所述氣化室的冷卻水入口相連通；所述第三流量控制閥的出口端與所述燃料供應系統的入口端相連通，所述燃料供應系統的出口端與所述內燃機相連通；所述第二流量控制閥的出口端與所述回熱器的第一進口相連通，所述回熱器的第一出口與所述回熱器的第一進口相連通，所述回熱器的第一出口與所述氨反應器的進口相連通，所述氨反應器的出口與所述回熱器的第二進口相連通，所述回熱器的第二出口與所述回熱器的第二進口相連通，所述回熱器的第二出口與所述燃料供應系統的入口端相連通；所述氨反應器設置于內燃機排氣管內。

可選的，所述氨反應器與所述回熱器之間還設置有加熱器，所述加熱器設置于所述內燃機排氣管內。

可選的，所述氨反應器位于所述內燃機排氣管的上游，所述加熱器位于所述內燃機排氣管的下游。

可選的，所述加熱器采用肋片式換熱器。