小型移动甲醇裂解制氢装置在液体燃料汽车上的应用

小型移动甲醇裂解制氢装置在液体燃料汽车上的应用张树201604091. 小型移动甲醇裂解制氢装置制氢原理1.1甲醇裂解制氢原理甲醇是碳、氢、氧的化合物，在加热、减压、催化的情况下会分解成氢气（H2）和一氧化碳(CO)见式（1）、图1。

CH3OH = 2H2 +CO （1）1.2小型甲醇裂解制氢装置为方便在汽车上应用，可采取随用随制取，随使用的方式。

解决这一问题的方案，就是移动小型甲醇裂解制氢装置7，见图2。

车上安装低压储氢罐，即可平衡裂解产生的气体（H2、CO）压力不稳定；也可储存一定量的氢气，供发动机启动及怠速运转使用，装置的制氢原理见图1。

1、电源（蓄电池、发电机）2、点火开关3、电磁开关4、甲醇泵5、甲醇箱6、温度传感器7、甲醇裂解装置8、甲醇喷射器9、发动机10、燃油箱11、电磁阀12、氢气、一氧化碳储罐13、压力传感器14、显示器15、电加热器16、计算机图1 小型电控双热源甲醇催化裂解制氢装置原理甲醇泵工作时，甲醇从甲醇箱5进入甲醇预热器加热后由设在裂解装置下部的4个甲醇雾化喷口喷出，在耐高温、耐氧化催化剂和约300℃的温度作用下分解成氢气（H2）和一氧化碳（CO）。

氢气（H2）和一氧化碳（CO）进入储气罐12冷却、降压。

计算机15依据发动机的工况发出指令，在进气门打开时打开电磁阀11，氢气（H2）和一氧化碳（CO）喷入进气歧管进气门处，和新鲜空气（可燃混合气）一同进入气缸，参与燃烧。

温度传感器6将温度信号传输给计算机，计算机按甲醇裂解装置7内的温度控制电磁阀8的开、闭，调节进入甲醇的供给量和电加热器15的通断。

当发动机排出的尾气不能保证甲醇裂解需要的温度时，计算机发出指令，电加热装置导通发热，保证甲醇裂解的正常温度，使裂解持续进行。

当发动机尾气足够供给裂解装置所需的热量时，温度传感器输出信号给计算机，计算机发出指令，加热器断电15，由发动机尾气独立供热。

在发动机起动时，发动机尾气的温度极低，计算机发出指令，电加热器15导通，主要由蓄电池供电，保证裂解装置7的正常裂解温度，使裂解反应正常进行。

裂解产生的低压氢气（H2）和一氧化碳（CO）进入不锈钢气体储罐12，储罐内的低压氢气（H2）和一氧化碳（CO）按计算机的指令、打开电磁阀11，按发动机工况供给定量的低压氢气（H2）和一氧化碳（CO），和空气（可燃混合气）一起进入气缸参与燃烧。

为充分利用发动机尾气的热能，使催化剂更多地从发动机尾气中吸收热量，裂解装置分成三部分。

发动机尾气分成4部分通过裂解装置，加大与裂解装置的接触传热面积，制氢装置的结构示意如图2所示。

1、催化剂2、氢气、一氧化碳出口3、外壳与保温层4、低温废气出口5、高温废气入口6甲醇喷口7、甲醇预热管8、甲醇入口9、加热器10、温度传感器图2 小型电控双热源甲醇裂解制氢置结构示意图2.加入氢气后，对内燃机燃烧过程的影响2.1氢气的特性氢是目前最轻的分子，在自然界以化合物的方式存在。

氢气与氧气化合时会释放出大量能量。

氢气易于和空气均匀混合，着火极限为4.1～75；最大火焰传播速度291cm/s（部分物理性能见表1）,最大火焰传播速度是汽油的7.72倍。

2.2氢气参与燃烧对点燃式发动机燃烧过程的影响使用氢气与汽油、柴油、天然气混合燃料，会带来经济性、动力性和发动机排放性能的改善。

其原因是氢气的燃烧速度快，原燃料掺入一定比例的氢气后，火焰传播速度加快，使燃烧效率增加。

点燃式发动机的燃烧过程分为三个阶段：点火落后期、速燃期、补燃期，见图3。

Ⅰ点火落后期Ⅱ速燃期Ⅲ补燃期图3 点燃式发动机的燃烧过程的三个阶段在汽油中掺入一定的氢气后，使速燃期缩短，压力曲线向左偏移，更接近于等容过程，提高了发动机的热效率。

这样使燃烧最高压力出现在上死点附近，形成对活塞的较大的推力，燃料的利用率提高，带来节能效果。

2.3氢气参与燃烧对压燃式发动机燃烧过程的影响2.3.1压燃式发动机的燃烧过程的四个阶段，见图4。

Ⅰ.着火落后期Ⅱ.速燃期Ⅲ.缓燃期Ⅳ.补燃期图4 压燃式发动机的燃烧过程的四个阶段2.3.2可燃混合气均匀程度改善柴油发动机吸入气缸的是新鲜空气，在压缩行程终了前，才将柴油喷入燃烧室。

柴油燃烧室内的可燃混合气、在总体上是均匀的；但是，在局部上，可燃混合气浓度又是极不均匀的，可燃混合气的浓度可从0~∞。

氢气、一氧化碳与新鲜空气同时进入气缸燃烧室，与空气均匀混合，从根本上改变了燃烧室内可燃混合气浓度从0~∞的状态，使燃烧过程得到极大改善。

2.3.3氢气参加燃烧，使柴油机速燃期缩短柴油机加入氢气后，由于氢气的着火极限很宽（4.1～75%），气缸内温度一旦达到其着火温度，氢气便着火燃烧。

由于氢气的火焰传播速度比柴油快得多，推动柴油一起燃烧，使气缸内火焰传播速度提高，燃料更快燃烧，使柴油机速燃期缩短。

在这一时期，由于燃烧速度加快，消耗的燃料也比原来多，使缓燃期的可燃混合气浓度下降，降低了缺氧条件下柴油的数量，减少柴油裂解，产生游离碳的因素。

柴油机速燃期缩短，使最高压力点向左偏移，接近上死点，有利于提高发动机热效率。

2.3.4氢气参加燃烧，缓燃期缩短，缓燃期缩短，破坏了碳烟（PM2.5）形成的条件，可以大幅度的降低柴油发动机的颗粒排放。

适量的掺入氢气，即可保持柴油发动机原来的特性，还可以达到无颗粒物排放。

公认的说法，柴油机缓燃期，在气缸内温度高、缺氧的情况下，柴油分解成游离碳吸附未燃烧的柴油及其他颗粒形成碳烟。

其一是由于在燃烧室内可燃混合气浓度极不均匀造成的。

掺入氢气后，不存在可燃混合气浓度∞的状态，从根本上改变了燃烧条件，消除了产生碳烟的原因；其二是氢气的最大火焰传播速度快，使缓燃期缩短、减少了柴油分解成游离碳的时间，使碳烟减少。

综上所述，整个燃烧曲线向左偏移，最高压力点向上死点方向移动，使发动机的输出扭矩提高，输出功率增加，提高柴油机的热效率。

3.小型移动甲醇裂解制氢装置的经济效益（1）发动机台架试验对比试验发动机台架试验数据说明，加入氢气后，消烟效果明显。

发动机经济性得到改善，油耗下降率从2.39%~8.23%，平均下降率为5.87%。

（2）50Km/h等速经济性试验整车等速经济性试验与发动机台架试验的数据基本一致，平均6.8%使用甲醇裂解制氢装置，在加入氢气后，可以减少柴油的供给量。

按用甲醇替代20%的柴油计算，一部每百公里油耗30升的柴油车，每100公里可少加柴油6升。

市场柴油价格为7625元/t，甲醇为2740元/t。

按一台柴油车每年行驶60000公里，年消耗柴油量为600×30 = 18000升，折合为13.33t。

13.33 × 20% = 2.67t。

2.67 × 7625元= 20358.75元。

甲醇裂解装置的成本约为8000元~10000元（铂、钯、铑催化剂约3000元/Kg）。

只用半年左右即可收回投入成本。

小型电控双热源甲醇催化裂解制氢装置的寿命，主要由催化剂的寿命确定，贵金属催化剂的寿命为3 ~ 5年。

半年收回成本，余下来的时间里，使用小型电控双热源甲醇催化裂解制氢装置的经济效益，是投资效益的数倍。

（3）整车等速经济性甲醇消耗量4.小型移动甲醇裂解制氢装置的社会效益发动机掺入低压氢气（H2）和一氧化碳（CO），改善发动机的燃烧过程，从根本上解决尾气污染，减少PM2.5和其他有害物，是发动机机内净化措施。

4.1减少污染物排放，改善居住环境。

在燃料中掺入氢气，改善了燃烧状态。

压燃式柴油机的烟度可与汽油机媲美，从根本上解决柴油发动机的“颗粒物排放”，既保持了柴油发动机，又克服了柴油机冒烟的缺点，加氢后烟度下降量见表。

柴油发动机加氢与未加氢自由烟度对比表* 表七*实验时未减少原柴油发动机柴油供给量表七是未减少原柴油发动机柴油供给量的情况下，测得的数据，如果进一步通过实验，找到加氢量与柴油的最优比例，可以把烟度降得更低或无烟排放。

4.2减少一次性能源消耗甲醇是可再生的能源。

可以采用生物技术发酵得到，也可以从煤炭中制备，来源充足。

即使价格上升，也要低于汽油、柴油、天然气的市场价格。

5.进一步减少污染物排放的措施“PM2.5”的建议5.1调整柴油发动机的压缩比ε氮氧化物（NOx）的生成与压、温度、氧含量有关。

适当降低发动机压缩比ε，使燃烧温度和温度适当下降，破坏氮氧化物（NOx）的产生条件，可以控制尾气中氮氧化物（NOx）的含量5.2调整气体燃料和液体燃料的比例在液体燃料发动机燃烧室内，适当加入氢气（H2）、一氧化碳（CO）气体燃料可减少液体燃料发动机尾气中PM2.5的含量，特别是柴油发动机尾气中PM2.5。

上述数据是未调整原柴油机供油量的实验数据，已经证明了气体燃料的作用是明显的。

在这实验的基础上，在保证原柴油发动机动力性、经济性的前提下，适当减少柴油的供油量、增大氢气（H2）和一氧化碳（CO）的比例，可取得更好的减少PM2.5排量的效果，甚至到无PM2.5的状态。

5.3按发动机工况供给氢气，保证氢气、一氧化碳与柴油最佳比例柴油发动机的空燃比是随发动机转速增加，柴油的量增加而变化的，而氢气的掺入量却未随柴油量的增加变化，使实验出现的烟度下降量减少、持平、甚至上升，从表八中可看出，需要按发动机工况供给足够的氢气，才能保证消烟效果。

柴油机加氢与未加氢烟度对比表表八(完)。