一种氢内燃机车排气热量回收装置及方法与流程

1.本发明涉及轨道交通工具热量回收装置的技术领域，具体涉及一种氢内燃机车排气热量回收装置及方法。


背景技术：

2.轨道交通领域，非电气化铁路仍将长期存在并且占据较大比例。应用于非电气化铁路的传统内燃机车将面对节能减排的巨大挑战。氢能由于其具有零污染、高效率、来源丰富，被看作是最具应用前景的清洁能源之一。氢能的利用方式主要有燃料电池和氢内燃机两种。燃料电池具有效率高、零排放的优点，但其相对氢内燃机具有成本高、寿命低、单堆功率小、对氢纯度要求高等缺点。氢内燃机具有与燃料电池接近的热效率，可以实现低排放、具有低成本、长寿命、气体适应范围广等优势。氢能是推动传统内燃机各种应用领域升级转型、助力碳达峰&碳中和的重要载体。
3.传统内燃机在地面发电应用场景可通过热电联供的方式对排气中的热量进行回收，提高机组的热效率；对于传统内燃机车，按照地面热电联供回收的热量根本无处使用，柴油机废气直接排向大气中。氢内燃机车以氢为燃料，燃烧排气温度较柴油机更高，将排气中的热量回收用于车载甲醇制氢能够解决机车燃料供给，并且提高了机车能量效率。
4.申请号为cn202110057274.4的发明专利申请公开了一种基于甲醇水蒸汽重整制氢的柴油机废气余热回收利用系统，设有以甲醇水蒸汽生成富氢重整气体的重整制氢反应器，还设有带有多个储氢单元的吸附储氢模块；系统以供热气路接收高温废气，以废气分配器把接收的高温废气按化学反应环境需求分配至重整制氢反应器和多个储氢单元进行供热，储氢单元的工况可在吸附工况和解吸工况之间切换；吸附储氢模块中，处于吸附工况的储氢单元对富氢重整气体中的氢气成分进行吸附存储，处于解吸工况的储氢单元释放其存储的氢并向外部设备供氢；该发明能根据船舶柴油机的具体排放状况，利用甲醇蒸汽重整实现对废气余热的回收，并且通过进机掺烧、金属氢化物储氢及燃料电池的方式对该部分能量进行综合利用。
5.申请号为cn202110824398.0的发明专利申请公开了一种利用废气余热催化重整甲醇供氢的氢氨双燃料发动机系统，包括甲醇水溶液箱、甲醇泵、甲醇流量计、催化重整器、冷凝器、过滤器、气动增压泵、氢气流量计、氢气压力传感器、阻燃器、氢轨、氢气喷嘴、氨燃料发动机、电控单元ecu和废气驱动与排放机构；该发明将甲醇作为氢能源载体实现便给储运，并利用发动机的废气余热催化重整甲醇制氢实现氢气供给；根据发动机的具体工况提供实时、定量和恒压的在线氢气供给，无需额外的过量氢气储存装置；根据氨燃料发动机的具体工况调整氢气的喷射压力和喷射量，有效改善发动机在各种工况下的燃烧，减少nox排放；丰富内燃机的无碳替代能源燃烧模式和供应方式，增加能源转型的方向与战略部署。上述两件发明专利申请只是将废气送入制氢设备中，并为公开具体的能量转化及能量回收原理和过程。


技术实现要素：

6.本发明的发明目的在于，针对上述存在的问题，提供了一种氢内燃机车排气热量回收装置及方法，包括动力室氢内燃机，所述热量回收装置设置于动力室氢内燃机上方，热量回收装置包括换热箱，动力室氢内燃机排气通过换热箱处理；所述换热箱包括一次换热箱和二次换热箱，所述一次换热箱用于甲醇及高温水转化为高温高压混合蒸汽处理，高温高压混合蒸汽用于制氢；所述二次换热箱用于脱盐水与动力室氢内燃机的排气进行换热处理，换热处理将脱盐水加热回收排气能量。本发明可利用排气中的热量将甲醇、水转换成高温、高压的混合蒸汽并输送给制氢装置用于制取氢气，供氢内燃机使用。
7.本发明采用的技术方案如下：
8.本发明公开了一种氢内燃机车排气热量回收装置，包括动力室氢内燃机，所述热量回收装置设置于动力室氢内燃机上方，热量回收装置包括换热箱，动力室氢内燃机排气通过换热箱处理；
9.所述换热箱包括一次换热箱和二次换热箱，所述一次换热箱用于甲醇及高温水转化为高温高压混合蒸汽处理，高温高压混合蒸汽用于制氢；所述二次换热箱用于脱盐水与动力室氢内燃机的排气进行换热处理，换热处理将脱盐水加热回收排气能量。
10.进一步地，所述换热箱包括中间箱体、进气管、排气管和端盖，进气管与一次换热箱连接，排气管与二次换热箱连接，所述端盖连接一次换热箱和二次换热箱，连通换热箱的排气通道；所述进气管包括进气口，所述排气管包括排气口。
11.进一步地，所述一次换热箱内设置有第一管束，第一管束为一次换热箱内动力室氢内燃机的排气通道，所述一次换热箱内间隔设置有折流板，折流板用于增加传热面积和换热时间处理；所述二次换热箱内设置有第二管束。
12.进一步地，所述一次换热箱和二次换热箱为管壳式结构，所述第一管束和第二管束连通，用于动力室氢内燃机的排气换热处理，所述一次换热箱和二次换热箱各自壳程封闭。
13.进一步地，所述二次换热箱上设置有第二泄压阀、高温水出口、液位传感器和加水口，设置液位传感器的位置高于高温水出口的位置。
14.进一步地，所述一次换热箱上设置有高温水喷入口、甲醇喷入口、第一泄压阀、温度传感器、压力传感器和高温蒸汽出口，设置第一泄压阀的开启压力为甲醇重整制氢操作压力的1.5-2倍。
15.进一步地，所述高温水喷入口和甲醇喷入口设置于一次换热箱远离进气口的一端，所述高温蒸汽出口设置于靠近进气口的一端，所述第一泄压阀、温度传感器和压力传感器设置于高温蒸汽出口下方；
16.所述高温水喷入口和甲醇喷入口用于向一次换热箱内输入甲醇和高温水，所述甲醇和高温水从高温水喷入口和甲醇喷入口向进气口方向流动，与第一管束内的排出气体呈反向流动。
17.本发明公开了一种氢内燃机车排气的热量回收方法，氢内燃机车排气产生气体介质，气体介质通过进气口，在进气管内流入一次换热箱的第一管束，气体介质通过端盖流入二次换热箱的第二管束，最后经过排气管排出车外，所述热量回收方法包括以下步骤：
18.s1：脱盐水从加水口注入到二次换热箱内加热，再通过泵将加热后的脱盐水从高
温水出口取出、并通过高温水喷入口进入一次换热箱内，同时甲醇与水形成的溶液按比例从甲醇喷入口进入一次换热箱内；
19.s2：甲醇与水的溶液在一次换热箱中，经过折流板在第一管束间来回绕流混合并加热，形成均匀的高温高压甲醇、水混合蒸汽；
20.s3：高温蒸汽出口与流量控制阀连接，当温度传感器和压力传感器检测到甲醇、水混合蒸汽的温度达到制氢要求时，流量控制阀将高温蒸汽输送到甲醇制氢设备制氢氢气。
21.进一步地，所述二次换热箱上设置有液位传感器和第二泄压阀，液位传感器检测到二次换热箱内水位过低，控制加水口加大流量；当二次换热箱内注水过多或压力过高，第二泄压阀用于泄压保护。
22.进一步地，注入一次换热箱的甲醇和水的流量根据温度传感器和压力传感器以及制氢需求进行调整，一次换热箱中的压力通过第一泄压阀进行泄压保护。
23.本发明的技术效果如下：
24.本发明提供了一种氢内燃机车排气的热量回收装置及方法，将排气中的热量回收用于车载甲醇制氢能够解决机车燃料供给，并且提高了机车能量效率。
25.具体如下：
26.1、本发明的热量回收装置采用两次换热，一次换热采用喷淋后通过折流板以增加传热面积和换热时间，且第一管束的内外介质流动方向相反；二次换热采用沉浸式换热，装置能量回收效果得到极大提升。
27.2、本发明的热量回收装置采用可拆卸结构，便于清洗维护，确保热量回收效果。
附图说明
28.图1是本发明热量回收装置的结构示意图；
29.图2是本发明热量回收装置的内部结构示意图；
30.图中标记：1-一次换热箱，2-二次换热箱，3-进气管，4-排气管，5-端盖，6-进气口，7-排气口，8-水喷入口，9-甲醇喷入口，10-第一泄压阀，11-温度传感器，12-压力传感器，13-蒸汽出口，14-第二泄压阀，15-水出口，16-液位传感器，17-加水口，18-第一管束，19-折流板，20-第二管束。
具体实施方式
31.下面结合附图，对本发明作详细的说明。
32.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
33.本实施例中，所采用的数据为优选方案，但并不用于限制本发明；
34.本实施例中，氢内燃机车以氢内燃机为动力源，燃料为氢气，氢气主要通过对氢内燃机排气中的热量回收并结合甲醇重整制氢工艺制取。上述甲醇重整制氢工艺为：甲醇+脱盐水在220℃～280℃、0.8mpa～2.5mpa、催化剂存在下，甲醇和水转化为约75％氢气、24％co2以及极少量的co、ch4。
35.进一步地，产生1kg氢气需吸收14.567mj能量。以100kw氢内燃机为列，每小时耗氢量约为7.5kg，产生7.5kg氢气需要能量7.5
×
14.567＝110mj。氢内燃机热效率为40％左右，
废气占燃料能量的三分之一，将废气中能量的37％用于甲醇裂解制氢就可满足用氢量。因此利用内燃机排气与甲醇、水换热，将甲醇、水转换为高温、高压蒸汽后输送至制氢模块产出氢气。
36.实施例1
37.如图1-2所示，本实施例提供了一种氢内燃机车排气热量回收装置，包括动力室氢内燃机，所述热量回收装置设置于动力室氢内燃机上方，热量回收装置包括换热箱，动力室氢内燃机排气通过换热箱处理；
38.所述换热箱包括一次换热箱1和二次换热箱2，所述一次换热箱1用于甲醇及高温水转化为高温高压混合蒸汽处理，高温高压混合蒸汽用于制氢；所述二次换热箱2用于脱盐水与动力室氢内燃机的排气进行换热处理，换热处理将脱盐水加热回收排气能量。
39.本实施例中，甲醇水混合溶液吸收排气热量(一次换热)气化后的蒸汽温度必须达到220℃～280℃以上才能满足制氢工艺的要求，因此换热后的排气温度必然高于220℃～280℃。一次换热后的排气温度仍然较高，含有大量热量，若将一次换热后的排气与甲醇水混合溶液进行第二次换热，再定量的将甲醇水溶液与排气进行换热气化，能进一步提高排气余热的利用。
40.由于甲醇的沸点较低，且汽化热相对水也低很多，在二次换热过程中，甲醇与水混合溶液中的甲醇先于水气化，不利于控制喷入一次换热器内的甲醇与水的比例。
41.所以在本实施例中，公开了一种氢内燃机车排气热量回收装置，包括一次换热和二次换热的处理过程，一次换热用于将甲醇及高温水转化为高温高压混合蒸汽，用于制氢；二次换热用于脱盐水与排气进行换热，将水加热进一步回收排气能量。
42.本实施例中，所述换热箱包括中间箱体、进气管3、排气管4和端盖5，进气管3与一次换热箱1连接，排气管4与二次换热箱2连接，所述端盖5连接一次换热箱1和二次换热箱2，连通换热箱的排气通道；所述进气管3包括进气口6，所述排气管4包括排气口7。
43.进一步地，所述端盖5与中间箱体、进气管3和中间箱体、排气管4与中间箱体采用活动连接，便于换热箱的清洗维护；优选地，所述进气管3和排气管4的具体形状可以根据机车的布置进行调整。
44.本实施例中，所述热量回收装置设置于动力室氢内燃机上方，装置具有一定的消音效果，可替代传统机车消声器使用。
45.本实施例中，所述一次换热箱1内设置有第一管束18，第一管束18为一次换热箱1内动力室氢内燃机的排气通道，所述一次换热箱1内间隔设置有折流板19，折流板19用于增加传热面积和换热时间处理；所述二次换热箱2内设置有第二管束20。
46.本实施例中，所述一次换热箱1和二次换热箱2为管壳式结构，所述第一管束18和第二管束20连通，用于动力室氢内燃机的排气换热处理，所述一次换热箱1和二次换热箱2各自壳程封闭。
47.本实施例中，所述二次换热箱2上设置有第二泄压阀14、高温水出口15、液位传感器16和加水口17，设置液位传感器16的位置高于高温水出口15的位置。
48.本实施例中，所述一次换热箱1上设置有高温水喷入口8、甲醇喷入口9、第一泄压阀10、温度传感器11、压力传感器12和高温蒸汽出口13，设置第一泄压阀10的开启压力为甲醇重整制氢操作压力的1.5-2倍，第二泄压阀14的开启压力较低，可选取1.5bar。
49.本实施例中，所述高温水喷入口8和甲醇喷入口9设置于一次换热箱1远离进气口6的一端，所述高温蒸汽出口13设置于靠近进气口6的一端，所述第一泄压阀10、温度传感器11和压力传感器12设置于高温蒸汽出口13下方；
50.进一步地，如图1所示，设置靠近进气管3的折流板19为首端折流板19，设置靠近端盖5的折流板19为末端折流板19，所述高温水喷入口8和甲醇喷入口9设置于末端折流板19的左上侧，所述高温蒸汽出口13设置于首端折流板19的右侧；所述第一泄压阀10、温度传感器11和压力传感器12布置于首端折流板19的右侧，靠近高温蒸汽出口13设置。采用上述布置能够提高换热效率，且保证传感器数据有效便于控制。
51.所述高温水喷入口8和甲醇喷入口9用于向一次换热箱1内输入甲醇和高温水，所述甲醇和高温水从高温水喷入口8和甲醇喷入口9向进气口6方向流动，与第一管束18内的排出气体呈反向流动。
52.本实施例中，二次换热箱2采用沉浸式换热，装置能量回收效果得到极大的提升。
53.实施例2
54.如图1-2所示，本实施例提供了一种氢内燃机车排气的热量回收方法，氢内燃机车排气产生气体介质，气体介质通过进气口6，在进气管3内流入一次换热箱1的第一管束18，气体介质通过端盖5流入二次换热箱2的第二管束20，最后经过排气管4排出车外，所述热量回收方法包括以下步骤：
55.s1：脱盐水从加水口17注入到二次换热箱2内加热，再通过泵将加热后的脱盐水从高温水出口15取出、并通过高温水喷入口8进入一次换热箱1内，同时甲醇与水形成的溶液按比例从甲醇喷入口9进入一次换热箱1内；
56.s2：甲醇与水的溶液在一次换热箱1中，经过折流板19在第一管束18间来回绕流混合并加热，形成均匀的高温高压甲醇、水混合蒸汽；
57.s3：高温蒸汽出口13与流量控制阀连接，当温度传感器11和压力传感器12检测到甲醇、水混合蒸汽的温度达到制氢要求时，流量控制阀将高温蒸汽输送到甲醇制氢设备制氢氢气。
58.本实施例中，所述二次换热箱2上设置有液位传感器16和第二泄压阀14，液位传感器16检测到二次换热箱2内水位过低，控制加水口17加大流量；当二次换热箱2内注水过多或压力过高，第二泄压阀14用于泄压保护。
59.本实施例中，注入一次换热箱1的甲醇和水的流量根据温度传感器11和压力传感器12以及制氢需求进行调整，当一次换热箱1中的压力过高时，通过第一泄压阀10进行泄压保护。
60.以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种氢内燃机车排气热量回收装置，包括动力室氢内燃机，其特征在于，所述热量回收装置设置于动力室氢内燃机上方，热量回收装置包括换热箱，动力室氢内燃机排气通过换热箱处理；所述换热箱包括一次换热箱和二次换热箱，所述一次换热箱用于甲醇及水转化为混合蒸汽处理，混合蒸汽用于制氢；所述二次换热箱用于脱盐水与动力室氢内燃机的排气进行换热处理，换热处理将脱盐水加热回收排气能量。2.根据权利要求1所述的氢内燃机车排气热量回收装置，其特征在于，所述换热箱包括中间箱体、进气管、排气管和端盖，进气管与一次换热箱连接，排气管与二次换热箱连接，所述端盖连接一次换热箱和二次换热箱，连通换热箱的排气通道；所述进气管包括进气口，所述排气管包括排气口。3.根据权利要求2所述的氢内燃机车排气热量回收装置，其特征在于，所述一次换热箱内设置有第一管束，第一管束为一次换热箱内动力室氢内燃机的排气通道，所述一次换热箱内间隔设置有折流板，折流板用于增加传热面积和换热时间处理；所述二次换热箱内设置有第二管束。4.根据权利要求3所述的氢内燃机车排气热量回收装置，其特征在于，所述一次换热箱和二次换热箱为管壳式结构，所述第一管束和第二管束连通，用于动力室氢内燃机的排气换热处理，所述一次换热箱和二次换热箱各自壳程封闭。5.根据权利要求4所述的氢内燃机车排气热量回收装置，其特征在于，所述二次换热箱上设置有第二泄压阀、水出口、液位传感器和加水口，设置液位传感器的位置高于水出口的位置。6.根据权利要求5所述的氢内燃机车排气热量回收装置，其特征在于，所述一次换热箱上设置有水喷入口、甲醇喷入口、第一泄压阀、温度传感器、压力传感器和蒸汽出口，设置第一泄压阀的开启压力为甲醇重整制氢操作压力的1.5-2倍。7.根据权利要求6所述的氢内燃机车排气热量回收装置，其特征在于，所述水喷入口和甲醇喷入口设置于一次换热箱远离进气口的一端，所述蒸汽出口设置于靠近进气口的一端，所述第一泄压阀、温度传感器和压力传感器设置于蒸汽出口下方；所述水喷入口和甲醇喷入口用于向一次换热箱内输入甲醇和水，所述甲醇和水从水喷入口和甲醇喷入口向进气口方向流动，与第一管束内的排出气体呈反向流动。8.一种氢内燃机车排气的热量回收方法，氢内燃机车排气产生气体介质，气体介质通过进气口，在进气管内流入一次换热箱的第一管束，气体介质通过端盖流入二次换热箱的第二管束，最后经过排气管排出车外，其特征在于，所述热量回收方法包括以下步骤：s1：脱盐水从加水口注入到二次换热箱内加热，再通过泵将加热后的脱盐水从水出口取出、并通过水喷入口进入一次换热箱内，同时甲醇与水形成的溶液按比例从甲醇喷入口进入一次换热箱内；s2：甲醇与水的溶液在一次换热箱中，经过折流板在第一管束间来回绕流混合并加热，形成均匀的甲醇、水混合蒸汽；s3：蒸汽出口与流量控制阀连接，当温度传感器和压力传感器检测到甲醇、水混合蒸汽的温度达到制氢要求时，流量控制阀将蒸汽输送到甲醇制氢设备制氢氢气。9.根据权利要求8所述的氢内燃机车排气的热量回收方法，其特征在于，所述二次换热
箱上设置有液位传感器和第二泄压阀，液位传感器检测到二次换热箱内水位过低，控制加水口加大流量；当二次换热箱内注水过多或压力过高，第二泄压阀用于泄压保护。10.根据权利要求9所述的氢内燃机车排气的热量回收方法，其特征在于，注入一次换热箱的甲醇和水的流量根据温度传感器和压力传感器以及制氢需求进行调整，一次换热箱中的压力通过第一泄压阀进行泄压保护。

技术总结
本发明公开了一种氢内燃机车排气热量回收装置及方法，包括动力室氢内燃机，所述热量回收装置设置于动力室氢内燃机上方，热量回收装置包括换热箱，动力室氢内燃机排气通过换热箱处理；所述换热箱包括一次换热箱和二次换热箱，所述一次换热箱用于甲醇及高温水转化为高温高压混合蒸汽处理，高温高压混合蒸汽用于制氢；所述二次换热箱用于脱盐水与动力室氢内燃机的排气进行换热处理，换热处理将脱盐水加热回收排气能量。本发明可利用排气中的热量将甲醇、水转换成高温、高压的混合蒸汽并输送给制氢装置用于制取氢气，供氢内燃机使用。供氢内燃机使用。供氢内燃机使用。


技术研发人员：张志鸿 胡利航 张薛凯 李廉枫 牟俊彦 王强 张俊琰
受保护的技术使用者：中车资阳机车有限公司
技术研发日：2023.02.16
技术公布日：2023/5/16