本發(fā)明屬于氨裂解制氫裝置，更具體的涉及一種基于發(fā)動機(jī)排氣余熱利用的氨催化裂解制氫裝置、控制系統(tǒng)和控制方法。

背景技術(shù)：

1、全球氣候和環(huán)境變化對人類的經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，低碳化甚至零碳化已成為世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然趨勢，低碳技術(shù)將成為全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新“發(fā)動機(jī)”。內(nèi)燃機(jī)零碳技術(shù)的本質(zhì)是燃燒碳中和燃料實現(xiàn)全生命周期的零碳排放。研究發(fā)現(xiàn)，氨作為高效儲氫介質(zhì)，具有無碳排放、高能量密度、制造工藝成熟、易液化儲運(yùn)和安全性高等優(yōu)勢。

2、由于氨燃料難于點火，且燃燒速度慢，故而在發(fā)動機(jī)等能動裝置中難于廣泛應(yīng)用。采用預(yù)燃室燃燒純氫，產(chǎn)生高強(qiáng)度氫火焰射流來點燃氨-空混合氣，可以實現(xiàn)氨-空混合氣的穩(wěn)定著火和快速燃燒，進(jìn)而實現(xiàn)氨發(fā)動機(jī)等能動裝置的可靠和高效運(yùn)行。因此如何為氨發(fā)動機(jī)在運(yùn)行過程中實時制備足量的高純度氫氣，以實現(xiàn)氨發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定點火和快速燃燒，對氨發(fā)動機(jī)的推廣至關(guān)重要，同時，利用排氣廢熱最大程度上節(jié)省能源，具有重要意義。

3、專利cn102216588b公開了一種氨發(fā)動機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)針對低排氣溫度下，先利用發(fā)動機(jī)尾氣廢熱(150℃)給氨氧化裝置提供熱量，再利用氨氧化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量進(jìn)行氨的裂解，從而能滿足低溫排氣下氨裂解的需求，但該系統(tǒng)利用原材料的氧化反應(yīng)進(jìn)行放熱，會大量浪費燃料；同時該系統(tǒng)無法獲得高純度的氫氣。

4、專利cn114893331a公開了一種車載氨分解制氫系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括了整體呈“魚骨狀”的廢氣室和內(nèi)壁與之匹配的裂解室，氨氣在經(jīng)過內(nèi)有擋板的裂解室時，同時接受外壁電熱板和內(nèi)壁廢氣熱量，完成催化分解。該裝置雖然能高效地利用廢棄熱，以及提高氨氣的分解效率，但是其缺少溫度監(jiān)控，無法實時調(diào)整催化溫度，有點燃內(nèi)部氣體的風(fēng)險。而且，廢氣余熱利用不充分，造成浪費。

5、專利cn117231388a公開了一種車載氨氣催化裂解制氫裝置、控制方法及車輛系統(tǒng)，該系統(tǒng)在排氣管上布置螺旋催化裝置，在cs/ru基催化劑的作用下，能夠在廢氣溫度下完成氨裂解催化，并利用螺旋導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)提高氫的過濾效率。但是該裝置沒辦法實現(xiàn)啟動工況和低溫工況下的穩(wěn)定點火問題，無法在低工況下達(dá)到預(yù)期的制氫效率。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于發(fā)動機(jī)排氣余熱利用的氨催化裂解制氫裝置、控制系統(tǒng)和控制方法，以充分利用發(fā)動機(jī)尾氣完成氨氣裂解和氮氫分離，實現(xiàn)實時制備高純度氫氣。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于發(fā)動機(jī)排氣余熱利用的氨催化裂解制氫裝置，包括氨催化裂解制氫系統(tǒng)和氮氫分離系統(tǒng)，所述氨催化裂解制氫系統(tǒng)包括排氣管和依次包裹于所述排氣管外壁的氨氣裂解管和隔熱管；所述氨氣裂解管包括氨進(jìn)氣口和裂解混合氣出氣口，所述氨氣裂解管的內(nèi)壁和所述排氣管的外壁之間留有空隙，用于氨氣的流通和裂解；所述排氣管用于排出發(fā)動機(jī)尾氣；

3、所述氮氫分離系統(tǒng)包括氫氣分離單元、氮氣分離單元和氨氣回收單元；所述氫氣分離單元與所述裂解混合氣出氣口連接；所述氨氣回收單元包括氨水加熱倉，所述排氣管從所述氨水加熱倉內(nèi)部穿過。

4、進(jìn)一步的，所述排氣管的外壁和所述氨氣裂解管的內(nèi)壁設(shè)有間隔排列的翅片，形成迷宮，用于增大傳熱面積，并延長氨氣流通途徑。

5、進(jìn)一步的，所述翅片為熱的良導(dǎo)體，安裝在內(nèi)外兩層金屬安裝板上；內(nèi)層金屬安裝板緊密安裝在排氣管外壁，并在與排氣管之間的空隙內(nèi)填充導(dǎo)熱膠，增大排氣熱流的傳遞；外層金屬安裝板也安裝在排氣管外部，并把內(nèi)層金屬安裝板包裹在內(nèi)部，組成氨氣通道；為了增加外層金屬安裝板的導(dǎo)熱，外層金屬安裝板前后端與排氣管外壁緊密接觸，形成封閉氨氣通道空間，同時，在翅片區(qū)設(shè)置導(dǎo)熱柱，從而提高外層翅片的溫度和氨氣裂解速度。進(jìn)一步的，沿著氨氣流通途徑，在所述翅片的兩側(cè)表面上，都均勻涂覆氨裂解催化劑，所述催化劑催化所述氨氣的裂解。

6、進(jìn)一步的，所述內(nèi)層金屬安裝板也可以是排氣管外壁，而不單獨設(shè)置內(nèi)層金屬安裝板。

7、進(jìn)一步的，所述氨氣流通通道，通過內(nèi)外兩層金屬安裝板形成密封，防止裂解氫氣的泄露和爆炸。進(jìn)一步的，發(fā)動機(jī)啟動之前，通入氨氣掃氣，防止氨氣流通通道內(nèi)殘留有空氣。

8、進(jìn)一步的，所述氨氣裂解管和隔熱管之間還設(shè)有加熱板和與所述加熱板連接的電極，用于低溫工況為所述氨氣的裂解補(bǔ)充熱量。

9、進(jìn)一步的，所述氨氣裂解管內(nèi)還設(shè)有溫度傳感器，所述溫度傳感器用于監(jiān)控和調(diào)節(jié)所述催化劑的溫度。

10、進(jìn)一步的，所述加熱板為高能量密度加熱板，如石英絲加熱板，加熱板均勻分布在外層金屬安裝板上。

11、進(jìn)一步的，上述提高翅片溫度的方法，主要用于增加氨的熱裂解效率和催化熱裂解效率。

12、進(jìn)一步的，所述氫氣分離單元包括與所述裂解混合氣出氣口連接的導(dǎo)氣管，所述導(dǎo)氣管包括氫氣出口和混合氣體出口；所述氫氣出口設(shè)有氫分離膜，用于氫氣的選擇性通過。

13、進(jìn)一步地，氫氣出口處容積增大，降低裂解氣流速，提高氫氣滲漏效率。

14、進(jìn)一步的，所述氮氣分離單元包括水浴倉，所述水浴倉內(nèi)裝有水；所述混合氣體出口伸入所述水浴倉的水下，所述水浴倉的頂部設(shè)有氮氣出口，底部設(shè)有氨水出口。水浴倉內(nèi)設(shè)置有水位控制裝置以控制水位，如浮子，從而實現(xiàn)循環(huán)水不會充滿整個水浴倉，用于氣水分離，供氮氣排出。

15、進(jìn)一步的，氮氣出口設(shè)置有壓力蓋，減緩氣體流動速度，進(jìn)一步促進(jìn)氫氣的滲透效率。

16、進(jìn)一步的，所述氨氣回收單元包括與所述氨水出口連接的氨水加熱倉，所述氨水加熱倉頂部設(shè)有氨氣出口，所述氨水加熱倉中的氨水在所述排氣管中發(fā)動機(jī)尾氣的余熱作用下分解釋放出氨氣，并從所述氨氣出口導(dǎo)出，回歸氨氣回收出口。

17、進(jìn)一步的，所述水浴倉與所述氨水加熱倉之間通過循環(huán)水管和第二螺旋彎折管連接，所述循環(huán)水管上設(shè)有水泵；所述水浴倉的水溶解氨氣后流入所述氨水加熱倉中，氨氣受熱逸出后，剩余的水再經(jīng)所述第二螺旋彎折管循環(huán)導(dǎo)入所述水浴倉。

18、進(jìn)一步的，氨氣出口設(shè)置有氣水分離器和干燥器，用于分離隨氨氣導(dǎo)出的水分，并干燥氨氣。

19、進(jìn)一步的，所述排氣管經(jīng)過所述氨水加熱倉的部分設(shè)置為第一螺旋彎折管，用于增大換熱面積。

20、進(jìn)一步的，所述排氣管內(nèi)設(shè)有溫度監(jiān)測裝置，所述氨氣裂解管內(nèi)設(shè)有氨氣濃度監(jiān)測裝置，用于工況控制。

21、本發(fā)明還提供一種以上任一項所述的基于發(fā)動機(jī)排氣余熱利用的氨催化裂解制氫裝置的控制系統(tǒng)，包括溫度監(jiān)測單元、溫度控制單元、氨氣濃度監(jiān)測單元和氨氣進(jìn)氣速率控制單元；所述溫度監(jiān)測單元用于監(jiān)測氨氣裂解管內(nèi)的催化裂解溫度，并將監(jiān)測結(jié)果傳遞給溫度控制單元，所述溫度控制單元用于控制加熱板的溫度以適應(yīng)不同排氣工況下高效裂解需求；所述氨氣濃度監(jiān)測單元用于監(jiān)測氨氣裂解管內(nèi)氨氣的濃度，并將監(jiān)測結(jié)果傳遞給氨氣進(jìn)氣速率控制單元，所述氨氣進(jìn)氣速率控制單元用于控制所述氨氣進(jìn)氣速率，確保氨氣的裂解效率。

22、本發(fā)明還提供一種以上任一項所述的基于發(fā)動機(jī)排氣余熱利用的氨催化裂解制氫裝置的控制方法，采用以上所述的控制系統(tǒng)，包括：將發(fā)動機(jī)尾氣實時從排氣管的排氣進(jìn)氣口通入，并從尾氣出氣口導(dǎo)出，同時將氨氣從裝有催化劑的氨氣裂解管的氨進(jìn)氣口通入；裂解產(chǎn)生的混合氣體依次通過氫氣分離單元、氮氣分離單元和氨氣回收單元完成氫氣、氮氣和氨氣的分離回收；

23、通過溫度監(jiān)測單元監(jiān)測氨氣裂解管內(nèi)的催化裂解溫度，并將監(jiān)測結(jié)果傳遞給溫度控制單元，以控制加熱板的溫度適應(yīng)不同的排氣工況；氨氣濃度監(jiān)測單元監(jiān)測氨氣裂解管內(nèi)氨氣的濃度，并將監(jiān)測結(jié)果傳遞給氨氣進(jìn)氣速率控制單元，以控制所述氨氣進(jìn)氣速率。

24、總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的技術(shù)優(yōu)點：

25、1、本發(fā)明提供的基于發(fā)動機(jī)排氣余熱利用氨催化裂解制氫裝置，將通有發(fā)動機(jī)尾氣的排氣管依次經(jīng)過氨催化裂解制氫系統(tǒng)和氮氫分離系統(tǒng)，先利用尾氣的高溫余熱促進(jìn)氨氣的催化裂解，再利用余熱促進(jìn)氨氣的分解回收，實現(xiàn)氨燃料的實時裂解制氫，且能耗低，污染小，分離效果好，純度高。

26、2、該裝置集合了催化裂解和高溫裂解的作用，綜合采用催化劑和排氣高溫，且在氨氣裂解管內(nèi)加入了雙向?qū)χ玫某崞?，將氨通道分割成迷宮狀，使得催化系統(tǒng)受熱均勻，且使得氨燃料流速變慢，能高效進(jìn)行氨的裂解，并且大部分工況下不需要消耗額外能量。

27、3、利用氫氣分離膜篩出氫氣后，利用氨氣易溶于水且溶解度隨溫度變化明顯的特點，將氨氣和氮氣用水分離之后，再利用排氣廢熱將氨氣和水分離。該裝置能實現(xiàn)氨燃料的閉環(huán)，有利于提高整個系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

28、4、該裝置充分利用排氣能量，可以大幅提高催化裂解效率，大幅降低氨裂解裝置的體積，實現(xiàn)小型化，從而適合車載等體積較小場景。

29、5、針對發(fā)動機(jī)低溫工況下排氣溫度較低的現(xiàn)象，為了防止氨發(fā)動機(jī)的失火，采用石英絲加熱方式，不僅解決了排氣溫度較低工況下的氨裂解效率低問題，同時石英絲加熱，能實現(xiàn)高密度的均勻加熱，可以提高裂解裝置的時效性和裂解的均勻性。

30、6、本發(fā)明為氨氫發(fā)動機(jī)/燃料電池提供了一種實時的低成本的制氫裝置，通過在線裂解制氫裝置，可以迅速的將作為原材料的氨燃料在線實時的制取為容易反應(yīng)和容易燃燒的氫燃料，從而可以顯著的提高氨氫發(fā)動機(jī)/燃料電池的反應(yīng)速率和系統(tǒng)效率。