[发明专利]一种回热再反应式的内燃机余热氨制氢系统及控制方法

说明书

本发明公开一种回热再反应式的内燃机余热氨制氢系统及控制方法，涉及清洁零碳燃料的生产、转化、储存和利用技术领域，系统主要组件包括内燃机、冷却水箱、液氨罐、气化室、回热器、加热器、氨反应器、温度传感器、氨传感器、燃料供应系统及各类控制阀门。该系统除利用内燃机余热外，还对反应后的氨氢混合气余热进行回收，提高进气效率，且能量利用效率更高；同时，本发明提出的氨制氢系统可实现氨氢混合气的多次反应，配合相应控制策略，可有效控制氨分解程度，灵活调控内燃机进气的氨氢比例和总流量，解决现有系统氨分解效率低、对内燃机工况响应性差等问题。

技术领域

本发明涉及清洁零碳燃料的生产、转化、储存和利用技术领域，特别是涉及一种回热再反应式的内燃机余热氨制氢系统及控制方法。

背景技术

氨气、氢气蕴含丰富的化学能，与氧气反应可产生大量热量，且氨、氢燃料燃烧时不产生二氧化碳等温室气体，具有“零碳低排”的优势。因此，氨气、氢气等燃料是一类极具潜力的可替代燃料。除上述优点外，氢气能量密度高，化学性质活泼，产物仅有水，是理想的未来能源。但氢气生产成本较高，易燃易爆、难以液化，使得其储运非常困难，成为限制氢能大规模发展的主要障碍。相比于氢气，氨气化学性质稳定，在常温下0.8MPa便可液化，便于储运。因此氨气不仅可以作为燃料，也是十分重要的氢载体。

在内燃机等动力装置中，氨氢燃料的使用已得到了大量研究。当前通用的燃料运载方式是在内燃机上负载液氨罐，液氨经汽化后在常压、约400℃以上的条件下发生分解反应，释放氢气。产生的氢气经调配后与氨气混合进入内燃机燃烧做功，实现化学能到机械能的转化。液氨汽化、氨分解制氢需要吸收大量的热量，当前采用较多的加热方式是回收内燃机余热配合电加热或额外燃料加热，但额外燃料或电加热降低了内燃机整体能量效率。另外，内燃机工况发生变化时，余热量不稳定，可能导致氨反应器内的氨气分解不完全，产氢量过少，且此时内燃机对氢氨燃料的需求也可能发生变化，因此内燃机在多变工况时可能会出现燃料供给不足，燃烧控制困难等问题。最后，反应后的高温氨氢混合气需经降温、放热后才可以进入燃烧室内燃烧，以保证正常的进气效率，现有氨制氢系统对该部分热量未实现有效回收。因此，在动力装置内亟需一种氨制氢系统，高效回收、利用余热，控制氨制氢的反应程度，保障动力装置的高效运行。

发明内容

为满足氨分解过程的热量需求，解决氨分解反应不完全的问题，本发明提供一种回热再反应式的内燃机余热氨制氢系统及控制方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种回热再反应式的内燃机余热氨制氢系统，包括液氨罐、气化室、冷却水箱、内燃机、第二流量控制阀、第三流量控制阀、燃料供应系统、回热器和氨反应器；所述液氨罐的出口与所述气化室的燃料入口相连通，所述气化室的燃料出口与所述第二流量控制阀和所述第三流量控制阀的入口端相连通；所述冷却水箱用于对所述内燃机的冷却，所述气化室的冷却水出口与所述冷却水箱的进口相连通，所述冷却水箱的出口与所述内燃机的冷却水入口相连通，所述内燃机的冷却水出口与所述气化室的冷却水入口相连通；所述第三流量控制阀的出口端与所述燃料供应系统的入口端相连通，所述燃料供应系统的出口端与所述内燃机相连通；所述第二流量控制阀的出口端与所述回热器的第一进口相连通，所述回热器的第一出口与所述回热器的第一进口相连通，所述回热器的第一出口与所述氨反应器的进口相连通，所述氨反应器的出口与所述回热器的第二进口相连通，所述回热器的第二出口与所述回热器的第二进口相连通，所述回热器的第二出口与所述燃料供应系统的入口端相连通；所述氨反应器设置于内燃机排气管内。

可选的，所述氨反应器与所述回热器之间还设置有加热器，所述加热器设置于所述内燃机排气管内。

可选的，所述氨反应器位于所述内燃机排气管的上游，所述加热器位于所述内燃机排气管的下游。

可选的，所述加热器采用肋片式换热器。