一种汽车尾气重整装置及重整系统

1.本发明涉及发动机尾气处理技术领域，尤其涉及一种汽车尾气重整装置及重整系统。


背景技术：

2.废气燃料重整再循环技术(reformed exhaust gas recirculation,简称regr)是一种废气再循环与燃料重整相结合的技术，通过重整器利用废气余热把废气中的未燃hc等物质重整成富氢合成气并重新送入发动机进行燃烧，同时通入气缸中未被重整的废气又起到了再循环的作用。
3.例如申请号为：cn202210722321.7的中国发明专利，名称为：基于废气重整再循环的余热利用系统及发动机，其通过设置重整器、预热装置、中冷器和水箱，将重整器的废气入口连接发动机的废气出口，将水箱的重整气出口与发动机的重整气入口连接，从而使得发动机的废气经过重整器重整后的重整气余热，还可以用于预热装置内甲烷的预热过程，从而有效提高废气余热的利用效率。该系统中经过重整器处理后的尾气需再通入中冷器内进行冷却，重整器本身不具备对尾气冷却降温的功能。
4.因此，亟需一种汽车尾气重整装置及重整系统，用于解决现有技术中因重整器本身不具备对尾气冷却降温的功能，从而导致重整器对汽车尾气的重整效率低的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，有必要提供一种汽车尾气重整装置及重整系统，解决现有技术中因重整器本身不具备对尾气冷却降温的功能，从而导致重整器对汽车尾气的重整效率低的技术问题。
6.为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种汽车尾气重整装置，用于通入汽车尾气和甲烷的混合气体，包括：
7.壳体，所述壳体具有空腔和与所述空腔相连通的进气口和出气口；
8.第一隔板，所述第一隔板内置于所述壳体，并将所述空腔分隔为相互独立的催化腔和冷却腔，所述催化腔与所述进气口相连通，所述冷却腔与所述出气口相连通；
9.催化件，所述催化件内置于所述催化腔，并连接于所述壳体，用于促进催化反应的发生；
10.冷却组件，包括至少一个换热管和换热介质，所述换热管内置于所述冷却腔，且所述换热管的一端与所述催化腔相连通、另一端与所述出气口相连通，所述换热介质填充于所述冷却腔的内壁与所述换热管的外壁之间的间隙，用于所述换热管内物料的冷却降温。
11.进一步的，所述壳体还开设有与所述冷却腔相连通的进液孔和出液孔，用于所述换热介质的循环。
12.进一步的，所述冷却组件还包括至少一个折流板，所述折流板内置于所述冷却腔，并连接于所述冷却腔的内壁，所述折流板将所述冷却腔分割为相互连通的第一冷却室和第
二冷却室，所述进液孔与所述第一冷却室相连通，所述出液孔与所述第二冷却室相连通，且所述出液孔设置于所述壳体背离所述进液孔的一侧。
13.进一步的，所述冷却组件中所述折流板的数量为两个，两个所述折流板相互交错设置，并连接于所述冷却腔相对两侧的内壁，两个所述折流板将所述冷却腔的内部分割为相互连通的第一冷却室、第二冷却室及第三冷却室，且所述第三冷却室与所述第一冷却室和第二冷却室均相连通。
14.进一步的，所述第一隔板开设有至少一个第一连接孔，所述第一连接孔与所述换热管一一对应设置，并贯穿所述第一隔板，所述换热管的一端插设于所述第一连接孔，并密封连接于所述第一隔板，所述折流板相对所述第一连接孔开设有第二连接孔，所述换热管的另一端插设于所述第二连接孔，并密封连接于所述折流板。
15.进一步的，还包括第二隔板，所述第二隔板相对所述出气口设置，并连接于所述冷却腔，所述第二隔板配合所述第一隔板以形成所述冷却腔，所述第二隔板相对所述第一连接孔开设有第三连接孔，所述换热管的另一端依次穿过所述第二连接孔和第二连接孔，并密封连接于所述第二隔板。
16.进一步的，所述冷却组件中所述换热管的数量为九个，九个所述换热管呈矩形阵列分布于所述第一隔板上。
17.进一步的，所述催化件的材质为堇青石，且所述催化件的表面负载有镍钴催化剂颗粒。
18.进一步的，所述催化件呈多孔蜂窝状，且所述催化件上蜂窝孔的横截面呈正方形。
19.本发明的技术方案还提供一种汽车尾气重整系统，包括如上任一项的所述汽车尾气重整装置。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果包括：壳体的内部形成有空腔，且壳体具有与空腔相连通的进气口和出气口，汽车尾气和甲烷的混合气体由进气口进入壳体的内部，并经出气口排出壳体，其中第一隔板内置于空腔，并将空腔分隔为相互独立的催化腔和冷却腔，催化件内置于催化腔，用于促进催化反应的发生，且催化腔与进气口相连通，冷却组件内置于所述冷却腔，换热介质通过与换热管之间进行热交换，用于对经换热管流出的混合气体进行冷却降温。相比于现有技术，通过换热管和换热介质之间的热交换来降低混合气体的温度，使得催化反应后混合气体的温度维持在相对稳定的温度，从而有利于提高热交换的效率，降低二氧化碳气体的转化效率，提高氢气和一氧化碳气体等清洁能源的产量，能解决现有技术中因重整器本身不具备对尾气冷却降温的功能，从而导致重整器对汽车尾气的重整效率低的技术问题，并能提高发动机尾气余热利用及燃烧效果。
附图说明
21.图1是本发明实施例所提的一种汽车尾气重整装置的三维结构示意图；
22.图2是本发明实施例所提的一种汽车尾气重整装置另一视角的结构示意图；
23.图3是本发明实施例所提的一种汽车尾气重整装置的剖视结构示意图；
24.图4是本发明实施例所提的冷却腔的剖视结构示意图；
25.图5是本发明实施例所提的催化件的三维结构示意图；
26.图6是本发明实施例所提的一种汽车尾气重整装置中通入混合气体后发生重整反
应时的温度云图；
27.图7是本发明实施例所提的一种汽车尾气重整装置中通入混合气体后发生重整反应时的速度云图；
28.图8是本发明实施例所提的一种汽车尾气重整装置中通入混合气体后发生重整反应时的压强云图。
具体实施方式
29.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
30.请参阅图1及图3，本发明提供了一种汽车尾气重整装置，用于通入汽车尾气和甲烷的混合气体，包括：壳体1、第一隔板2、催化件3及冷却组件4，壳体1具有空腔和与空腔相连通的进气口11和出气口12，第一隔板2内置于壳体1，并将空腔分隔为相互独立的催化腔13和冷却腔14，催化腔13与进气口11相连通，冷却腔14与出气口12相连通，催化件3内置于催化腔13，并连接于壳体1，用于促进催化反应的发生，冷却组件4包括至少一个换热管41和换热介质42，换热管41内置于冷却腔14，且换热管41的一端与催化腔13相连通、另一端与出气口12相连通，换热介质42填充于冷却腔14的内壁与换热管41的外壁之间的间隙，用于换热管41内物料的冷却降温。
31.本装置中，壳体1的内部形成有空腔，且壳体1具有与空腔相连通的进气口11和出气口12，汽车尾气和甲烷的混合气体由进气口11进入壳体1的内部，并经出气口12排出壳体1，其中第一隔板2内置于空腔，并将空腔分隔为相互独立的催化腔13和冷却腔14，催化件3内置于催化腔13，用于促进催化反应的发生，且催化腔13与进气口11相连通，冷却组件4内置于冷却腔14，换热介质42通过与换热管41之间进行热交换，用于对经换热管41流出的混合气体进行冷却降温。
32.相比于现有技术，通过换热管41和换热介质42之间的热交换来降低混合气体的温度，使得催化反应后混合气体的温度维持在相对稳定的温度，从而有利于提高热交换的效率，降低二氧化碳气体的转化效率，提高氢气和一氧化碳气体等清洁能源的产量，能解决现有技术中因重整器本身不具备对尾气冷却降温的功能，从而导致重整器对汽车尾气重整的效率低的技术问题，并能提高发动机尾气余热利用及燃烧效果。
33.具体的，本装置中催化件3的材质为堇青石，且催化件3的表面负载有镍钴催化剂颗粒。
34.催化剂选用镍钴负载堇青石催化剂，为多孔蜂窝结构，载体上面负载了镍钴催化剂颗粒，催化剂活性成分由镍钴双金属组成，双金属的协同作用增强了催化剂的表面效应，促进了镍金属的高度分散，使催化剂孔道分布均一，因此具有更好的催化活性和抗积碳性能，镍有较好催化性能的同时加入钴可以具有更好的抗碳性能，能够保证高效的同时还能保持更长的使用寿命；载体材质为堇青石，蜂窝状的载体是一种疏松多孔结构，能够进一步增大表面积，促进反应成分的扩散，提高耐热性还具有机械强度好、排气阻力小等优点。
35.其中作为一种实施方式，如图2及图5所示，催化件3呈多孔蜂窝状，且催化件3上蜂窝孔的横截面呈正方形。
36.蜂窝孔的横截面呈正方形有利于提高催化反应的接触面积。
37.如图1及图3所示，壳体1还开设有与冷却腔14相连通的进液孔15和出液孔16，用于换热介质42的循环。
38.换热介质42经进液孔15进入冷却腔14的内壁与换热管41的外壁之间的间隙，与换热管41进行热交换后，由出液孔16排出，实现换热介质42的循环利用，从而达到稳定的降温效果。
39.其中作为一种实施方式，如图3所示，冷却组件4还包括至少一个折流板43，折流板43内置于冷却腔14，并连接于冷却腔14的内壁，折流板43将冷却腔14分割为相互连通的第一冷却室141和第二冷却室142，进液孔15与第一冷却室141相连通，出液孔16与第二冷却室142相连通，且出液孔16设置于壳体1背离进液孔15的一侧。本发明的具体工作流程，
40.折流板43、进液孔15及出液孔16的设置可以提高换热介质42与换热管41之间的热交换效率。
41.具体的，本装置中冷却组件4中折流板43的数量为两个，两个折流板43相互交错设置，并连接于冷却腔14相对两侧的内壁，两个折流板43将冷却腔14的内部分割为相互连通的第一冷却室141、第二冷却室142及第三冷却室143，且第三冷却室143与第一冷却室141和第二冷却室142均相连通。
42.两个折流板43相互交错设置，并连接于冷却腔14相对两侧的内壁，用于延长换热介质42在冷却腔14内的流经，从而提高冷却降温的效果。
43.其中作为一种实施方式，第一隔板2开设有至少一个第一连接孔，第一连接孔与换热管41一一对应设置，并贯穿第一隔板2，换热管41的一端插设于第一连接孔，并密封连接于第一隔板2，折流板43相对第一连接孔开设有第二连接孔，换热管41的另一端插设于第二连接孔，并密封连接于折流板43。
44.换热管41经第一连接孔和第二连接孔分别连接于第一隔板2和折流板43，同时换热管41分别与第一隔板2和折流板43之间形成密封连接。
45.具体的，如图4所示，本装置中冷却组件中换热管41的数量为九个，九个换热管41呈矩形阵列分布于第一隔板2上。
46.九个换热管41呈矩形阵列分布于壳体1内，并将催化室和出气口12相连通，用于引导气体的流向，同时九个换热管41能有效的提高冷却降温的接触面积，提高换热效率。
47.其中作为一种事实方式，如图3所示，本装置还包括第二隔板5，第二隔板5相对出气口12设置，并连接于冷却腔14，第二隔板5配合第一隔板2以形成冷却腔14，第二隔板5相对第一连接孔开设有第三连接孔，换热管41的另一端依次穿过第二连接孔和第二连接孔，并密封连接于第二隔板5。
48.第二隔板5配合第一隔板2设置将换热介质42密封于冷却腔14内，避免其与混合气体或者催化剂接触。
49.本发明还提供一种汽车尾气重整系统，包括汽车尾气重整装置。
50.具体的，汽车尾气重整系统还包括第一进气组件、第二进气组件、尾气收集组件及水箱组件，第一进气组件的进气端与发动机的出气端相连通、出气端与壳体1的进气口11相连通，第一进气组件的进气端与甲烷的储存罐相连通、出气端与壳体1的进气口11相连通，汽车发动机的尾气和新鲜甲烷气体均经进气口11进入催化腔13，并混合后发生催化反应，反应后产生的尾气中包含甲烷、二氧化碳、一氧化碳及氢气等被尾气收集组件收集或分配
利用，此处水箱组件即为汽车的冷却水箱，冷却水箱内的循环水经进液孔15进入冷却腔14后，从出液孔16排出至冷却水箱，形成循环利用。
51.进一步地，本装置中壳体1材质为铸铁，铸铁材料可以在高温高压工作环境工作且受热变形小，不易磨损；换热管41使用材料为铜，是尾气和换热介质42的分隔壁，可以更好的将重整的气体进行热交换，使高温气体降温达到发动机燃烧范围；第一隔板2和第二隔板5是由铸铁制成，它的主要作用是将气体流道与冷却液流道分隔开；折流板43是由铸铁制成，减少冷却液在冷却流道中的紊流和压力，同时也可以提升冷却液的冷却效率。
52.进一步地，本发明借鉴工业中二氧化碳-甲烷重整的经验，对催化剂进行了改良，提高尾气中二氧化碳与甲烷的催化重整，进一步达到内燃机减碳增益的目标。在再循环中实现内燃机尾气与新鲜甲烷重整，以达到改善燃烧、提高热效率、降低二氧化碳排放的目的。反应器内的进气温度700℃、进气速度在3m/s、通入的混合气甲烷/二氧化碳为1.3仿真的到得到的甲烷和二氧化碳转化率分别为87.1％和43.6％，甲烷转化率高于二氧化碳得原因在于尾气中还含有氧气，新鲜甲烷优先于与氧气进行氧化反应消耗了一部分得甲烷，继而影响了甲烷和二氧化碳的转化效果。同时一氧化碳和氢气的质量分数分别从3％和2％增长到34.09％和6.776％。n(co)/n(h2)从0.1增长到0.34。未转化得部分二氧化碳重新进入气缸，由于二氧化碳的比热容较大，还可以降低燃燃烧的最高温度，降低发动机排放。此外氢气和一氧化碳的大量生成也给发动机提高了清洁能源，提高了发动机的动力性能，减少了发动机的燃料消耗量。
53.具体的，如图6所示，气体进入多孔介质催化域之后，在催化件3中段后降到了350℃以下，这是由于甲烷和二氧化碳干重整反应本是强吸热反应，气体与催化剂接触发生重整反应吸收大量的热，并且温度差异在主要集中在催化剂与气体接触时，催化主体区域温度变化不大。气体进入冷却腔14后，换热管41壁气体逐渐被降温。从冷却液截面来看，冷却液在经过与气体换热后，整体温度变化幅值很小，换热管41内的气体最高温度出现在各换热管41中心轴线处，在换热管41内所有气体温度都在160℃以下。从冷却效率来看，优化后在冷却出口冷却液的平均温度为40.36℃，重整气体的出口平均温度为93℃，冷却效率为88.01％。
54.如图7所示，气体在速度入口处以3m/s进入重整器，由于在流动过程中会遇到多孔介质的干扰，反应气体会在多孔介质区域和入口空间内会产生短暂的堵塞，这也导致入口处气体最高流速达到3.68m/s的情况。反应物气体进入催化主体区域以后，气体流速与进口处形成了明显的流速梯度，气体大部分以1m/s左右的流速通过多孔介质，在多孔介质区域内的停留时间变得更长，这也让反应物气体与催化剂的活性组分接触时间变得更长，增大催化反应的反应速率。此外对于冷却液体的流向，冷却液已3m/s进入冷却主体后，流经换热管41并于其进行换热，绕过两块折流板43以后冷却液从出口排出，其中冷却液相对压力变化不明显。
55.如图8所示，当气体进入多孔介质区域后，重整器内的相对压强差产生。气体由最高的368pa下降到22.77pa，单位长度压降值为1.33pa/mm。随着反应在多孔介质上不断进行，相对压强呈递减趋势压降也都损失在多孔介质区，在催化主体出口和整个重整器出口压强变化不明显。由于粘性阻力较大，反应区多孔介质区域的压降较大。
56.本发明的具体工作流程，壳体1的内部形成有空腔，且壳体1具有与空腔相连通的
进气口11和出气口12，汽车尾气和甲烷的混合气体由进气口11进入壳体1的内部，并经出气口12排出壳体1，其中第一隔板2内置于空腔，并将空腔分隔为相互独立的催化腔13和冷却腔14，催化件3内置于催化腔13，用于促进催化反应的发生，且催化腔13与进气口11相连通，冷却组件4内置于冷却腔14，换热介质42通过与换热管41之间进行热交换，用于对经换热管41流出的混合气体进行冷却降温。相比于现有技术，通过换热管41和换热介质42之间的热交换来降低混合气体的温度，使得催化反应后混合气体的温度维持在相对稳定的温度，从而有利于提高热交换的效率，降低二氧化碳气体的转化效率，提高氢气和一氧化碳气体等清洁能源的产量。
57.本装置通过上述结构，能解决现有技术中因重整器本身不具备对尾气冷却降温的功能，从而导致重整器对汽车尾气重整的效率低的技术问题，并能提高发动机尾气余热利用及燃烧效果。
58.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种汽车尾气重整装置，用于通入汽车尾气和甲烷的混合气体，其特征在于，包括：壳体，所述壳体具有空腔和与所述空腔相连通的进气口和出气口；第一隔板，所述第一隔板内置于所述壳体，并将所述空腔分隔为相互独立的催化腔和冷却腔，所述催化腔与所述进气口相连通，所述冷却腔与所述出气口相连通；催化件，所述催化件内置于所述催化腔，并连接于所述壳体，用于促进催化反应的发生；冷却组件，包括至少一个换热管和换热介质，所述换热管内置于所述冷却腔，且所述换热管的一端与所述催化腔相连通、另一端与所述出气口相连通，所述换热介质填充于所述冷却腔的内壁与所述换热管的外壁之间的间隙，用于所述换热管内物料的冷却降温。2.根据权利要求1所述的汽车尾气重整装置，其特征在于，所述壳体还开设有与所述冷却腔相连通的进液孔和出液孔，用于所述换热介质的循环。3.根据权利要求2所述的汽车尾气重整装置，其特征在于，所述冷却组件还包括至少一个折流板，所述折流板内置于所述冷却腔，并连接于所述冷却腔的内壁，所述折流板将所述冷却腔分割为相互连通的第一冷却室和第二冷却室，所述进液孔与所述第一冷却室相连通，所述出液孔与所述第二冷却室相连通，且所述出液孔设置于所述壳体背离所述进液孔的一侧。4.根据权利要求3所述的汽车尾气重整装置，其特征在于，所述冷却组件中所述折流板的数量为两个，两个所述折流板相互交错设置，并连接于所述冷却腔相对两侧的内壁，两个所述折流板将所述冷却腔的内部分割为相互连通的第一冷却室、第二冷却室及第三冷却室，且所述第三冷却室与所述第一冷却室和第二冷却室均相连通。5.根据权利要求3所述的汽车尾气重整装置，其特征在于，所述第一隔板开设有至少一个第一连接孔，所述第一连接孔与所述换热管一一对应设置，并贯穿所述第一隔板，所述换热管的一端插设于所述第一连接孔，并密封连接于所述第一隔板，所述折流板相对所述第一连接孔开设有第二连接孔，所述换热管的另一端插设于所述第二连接孔，并密封连接于所述折流板。6.根据权利要求5所述的汽车尾气重整装置，其特征在于，还包括第二隔板，所述第二隔板相对所述出气口设置，并连接于所述冷却腔，所述第二隔板配合所述第一隔板以形成所述冷却腔，所述第二隔板相对所述第一连接孔开设有第三连接孔，所述换热管的另一端依次穿过所述第二连接孔和第二连接孔，并密封连接于所述第二隔板。7.根据权利要求6所述的汽车尾气重整装置，其特征在于，所述冷却组件中所述换热管的数量为九个，九个所述换热管呈矩形阵列分布于所述第一隔板上。8.根据权利要求1所述的汽车尾气重整装置，其特征在于，所述催化件的材质为堇青石，且所述催化件的表面负载有镍钴催化剂颗粒。9.根据权利要求8所述的汽车尾气重整装置，其特征在于，所述催化件呈多孔蜂窝状，且所述催化件上蜂窝孔的横截面呈正方形。10.一种汽车尾气重整系统，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一项的所述汽车尾气重整装置。

技术总结
本发明公开了一种汽车尾气重整装置及重整系统，用于通入汽车尾气和甲烷的混合气体，汽车尾气重整装置包括：具有空腔、进气口和出气口的壳体、第一隔板、催化件及冷却组件，第一隔板内置于壳体，并将空腔分隔为相互独立的催化腔和冷却腔，催化腔与进气口相连通，冷却腔与出气口相连通，催化件连接于催化腔的内壁，用于促进催化反应的发生，冷却组件包括至少一个内置于冷却腔的换热管和换热介质，且换热管的一端与催化腔相连通、另一端与出气口相连通，换热介质填充于冷却腔的内壁与换热管的外壁之间，用于换热管内物料的冷却降温。本发明能解决因自身缺乏冷却装置导致重整器对汽车尾气的重整效率低的问题，并能提高发动机尾气余热利用及燃烧效果。余热利用及燃烧效果。余热利用及燃烧效果。


技术研发人员：郭冠伦 戴瑞昕
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：2023.04.24
技术公布日：2023/6/27