汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱化學(xué)水解制氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析*

朱 景 建

(湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程分院, 浙江 湖州 313000)

課題的提出主要基于以下三個(gè)方面：其一，內(nèi)燃機(jī)廢氣帶走的熱能占加入燃料總熱值的45%左右，排氣廢熱回收一直是行業(yè)研究的重點(diǎn)。盡管普遍采用的廢氣渦輪增壓技術(shù)較為成熟，但還存在不盡人意的地方，且該技術(shù)的廢熱回收率已到了極限；其二，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)加氫燃燒是節(jié)能和改善燃燒品質(zhì)的新途徑，該技術(shù)在國外已經(jīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)。其三，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)采用富氧燃燒技術(shù)，以改善排放品質(zhì)的研究方興未艾，但在膜過濾技術(shù)中的膜材料成本和壽命問題難以解決[1]。如果能在燃燒過程的中后期實(shí)現(xiàn)噴氧助燃，將會(huì)有更好的效果。

鑒于此，將熱化學(xué)水解制氫技術(shù)與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱回收及排放控制技術(shù)進(jìn)行整合，將是一個(gè)兩全其美的方案，在發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)現(xiàn)三種技術(shù)整合的關(guān)鍵：一是熱化學(xué)水解制氫設(shè)備及工藝技術(shù)的微型化；二是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度的適度提高；三是在各化學(xué)反應(yīng)階段合理利用排氣熱量。本課題針對(duì)這三個(gè)技術(shù)問題，結(jié)合當(dāng)前汽車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀，以及汽車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。進(jìn)行了如下理論研究、技術(shù)方案設(shè)計(jì)和基本數(shù)據(jù)測(cè)量。

1 熱化學(xué)水解制氫基本原理

在全球能源生產(chǎn)向“氫能經(jīng)濟(jì)”轉(zhuǎn)型的發(fā)展趨勢(shì)下，以可再生資源水為原料生產(chǎn)氫氣代替日益枯竭的化石能源，是一項(xiàng)巨大而又十分有意義的工程。目前分解水制氫的方法很多，包括光催化分解水制氫、電解水制氫、熱解水制氫等。其中，硫碘循環(huán)反應(yīng)熱解水制氫方案，最被各國所看好，在日本等國已走出實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)性生產(chǎn)階段。硫碘循環(huán)反應(yīng)熱解水制氫整個(gè)生產(chǎn)過程的熱效率已達(dá)到53 %以上，水的分解率達(dá)到32 %以上[2]。

硫碘循環(huán)反應(yīng)熱解水制氫的基本原理是控制以下四個(gè)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的溫度、速率以及中間生成物的濃度，并對(duì)中間產(chǎn)物進(jìn)行有效的分離，從而維持反應(yīng)的循環(huán)進(jìn)行。整個(gè)反應(yīng)過程只有熱能的消耗和水的分解，而無其他物質(zhì)的消耗和產(chǎn)生[3]。

SO2(g)+2I(s)+2H2O(l)→H2SO4(aq)+2HI(aq)

(1)

ΔrHm= -106.80 kJ/mol (反應(yīng)溫度：20℃-100℃)

2HI(g) → I2(g)+ H2(g)

(2)

ΔrHm=12.80 kJ/mol (反應(yīng)溫度：300℃-500℃)

H2SO4(aq) → SO3(g)+H2O(g)

(3)

ΔrHm=123.14 kJ/mol (反應(yīng)溫度：500℃-800℃)

SO3(g) → SO2(g)+ 1/2O2(g)

(4)

ΔrHm=62.76 kJ/mol (反應(yīng)溫度：800℃-950℃)

整個(gè)反應(yīng)過程的基本條件是持續(xù)的高溫?zé)崮埽萍s反應(yīng)速率的關(guān)鍵是兩種酸的液相分離和硫酸分解所需的恒定高溫條件。對(duì)于硫碘循環(huán)反應(yīng)熱解水制氫，氫氣的生產(chǎn)成本主要是反應(yīng)所需要的熱能成本。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱用于熱化學(xué)水解制氫的優(yōu)點(diǎn)

發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱用于熱化學(xué)水解制氫技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

一、為發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱回收利用開辟了新途徑，間接提高了發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。

二、擴(kuò)展了熱化學(xué)水解制氫技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，避開了該技術(shù)的推廣利用受高能耗制約的難題。

三、可將廢熱制取的氫氣和氧氣用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒做功，有效改善燃燒品質(zhì)，大幅度降低CO和HC等有害物的排放[4]。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱用于熱化學(xué)制氫技術(shù)方案設(shè)計(jì)

熱解水制氫設(shè)備外形結(jié)構(gòu)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，反應(yīng)工藝流程圖2所示。

(a) 外形結(jié)構(gòu) (b)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖1硫碘循環(huán)反應(yīng)熱解水制氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(A-溫控開關(guān), B-溫度傳感器, C-加熱導(dǎo)線)

為了利用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣熱量，對(duì)制氫設(shè)備與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的連接處理如下：反應(yīng)器1的法蘭面安裝在氣缸蓋排氣出口位置上，四個(gè)圓孔對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的各缸排氣出口，SO3在其內(nèi)部加熱分解。反應(yīng)器芯上纏繞有輔助加熱電阻絲，可使反應(yīng)器1內(nèi)部溫度始終維持在850 ℃-950 ℃之間；反應(yīng)器2分為上、下兩部分，上部加熱濃縮稀硫酸，下部加熱分解濃硫酸為H2O+SO3。反應(yīng)器3分為上、下兩部分，上部加熱濃縮稀氫碘酸，下部加熱分解濃氫碘酸為H2+I2。反應(yīng)器4是一個(gè)組合容器，在其中完成了SO2的吸收、I2的溶解以及兩種酸溶液的分離。

圖2 硫碘循環(huán)反應(yīng)熱解水制氫工藝流程

發(fā)動(dòng)機(jī)在額定工況下的排氣溫度大約是850 ℃(氣缸蓋出口處測(cè)量)，在氣缸蓋的排氣道上加裝一個(gè)陶瓷絕熱隔套，出口溫度可提高40-70 ℃，在不采取保溫措施的情況下，距離氣缸蓋500 mm處，排氣溫度降到了650 ℃左右。將發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管換成模擬化學(xué)反應(yīng)器的加熱管道(具有雙層絕熱陶瓷外殼)，測(cè)量以上(2)、(3)、(4)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行所在位置的溫度，可以分別達(dá)到700-600 ℃、700-600 ℃、900-850 ℃。測(cè)量結(jié)果表明：發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造后，排氣溫度可以滿足所選化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的溫度條件。為使發(fā)動(dòng)機(jī)排氣維持較高的溫度，在缸蓋排氣道上加裝陶瓷絕熱隔套，進(jìn)一步降低排氣熱量耗散；采用雙層陶瓷絕熱外殼的化學(xué)反應(yīng)裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)的排氣管。

4 熱能條件及效益分析

4.1 熱能條件分析

實(shí)驗(yàn)用一臺(tái)額定功率100 kW的發(fā)動(dòng)機(jī)工作一小時(shí)，額定工況油耗為8 L/h。發(fā)動(dòng)機(jī)正常燃燒時(shí)，排氣帶走的熱量占所燃汽油熱值的40-45 %，取40 %計(jì)算。每小時(shí)排氣帶走熱量為：8L×0.73 kg/L×44 000 kJ /kg×40 %=102.78×103 kJ。制取150 g氫氣所需理論熱量(根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式(2)、(3)、(4)算得)[5]：

QHI=150 g×12.8/2=0.960×103kJ

QH2SO4=150 g×123.14/2=9.235×103kJ

QSO3=150 g×62.76/2=4.707×103kJ

理論上化學(xué)反應(yīng)總吸熱量為：

Q=QHI+QH2SO4+QSO3=(0.960+9.235+4.707)×103 kJ=14.902×103kJ

由于循環(huán)水的分解率只有三分之一，實(shí)際生產(chǎn)所需總熱量應(yīng)為：

3Q=44.706×103kJ

理論化工熱量利用率=44.706×103kJ /102.78×103kJ =43.5 %。

初步計(jì)算說明：發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣熱量能夠充分滿足制氫生產(chǎn)的熱能條件。一般的化工生產(chǎn)熱效率通常小于50 %，本文設(shè)計(jì)的設(shè)備熱效率為43.5 %，略低于日本該制氫工藝的最高熱效率53 %。

4.2 實(shí)際效益分析

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣廢熱制取氫氣150 g，相當(dāng)于0.67 L汽油熱值。但保持SO3分解反應(yīng)溫度不低于900 ℃，所采用的輔助加熱電阻增加了發(fā)動(dòng)機(jī)油耗0.14 L/h。回收廢熱制取的氫氣用于燃燒后，實(shí)際節(jié)油相當(dāng)于：(0.67 -0.14)=0.53 L/h。回收排氣廢熱制取了氫氣，用于發(fā)動(dòng)機(jī)加氫燃燒，直接降低油耗6.6 %。實(shí)際上，由于加氫燃燒，改善了燃燒品質(zhì)，油耗降低值會(huì)遠(yuǎn)大于6.6 %。

5 結(jié) 論

本文通過熱力學(xué)計(jì)算和對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)改造，設(shè)計(jì)了一個(gè)化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)，采集排氣的高溫?zé)崮埽糜诹虻庋h(huán)反應(yīng)熱解水制氫。通過本文的設(shè)計(jì)，使制取的氫氣和氧氣反饋到發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒，其熱效率達(dá)到43.5 %，直接降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗6.6 %以上。

參考文獻(xiàn)：

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