一种撬装式移动现场制氢一体机的制作方法

本发明涉及氨气裂解转化制氢设备领域，具体而言，尤其涉及一种撬装式移动现场制氢一体机。

背景技术：

在众多可再生能源中氢能被誉为“能源皇冠上的明珠”是一种完全清洁可再生的终极能源。虽然氢分布广泛，然而自然状态下游离态氢存在量极少，如何经济低碳环保的富集纯化进而制造氢气从而使用是目前氢能源普及的一大难题。由于制氢后的储运较复杂而且极其昂贵，气态压力储氢需要生产设计压力为98mpa的储氢罐才能满足要求，液氢储运需要将氢气在常压下降低到-253℃进行液化，存罐技术难度材料要求极高。在上述技术不成熟的情况下急需寻找可替代的具有经济性储氢制氢方法。因此现场制氢技术应运而生，摒弃了大规模制氢后氢能储运的经济性以及安全性的难题，如加氢站等现场制造氢气现需现制现用等技术越来越受到人们的关注。

氨作为一种含氢质量分数17.6％的有机物质，其在600～800℃左右常压加入常规催化剂完全裂解为氢气和氮气且转化效率可达99.9％，具有非常大的现场产氢潜力。每公斤液氨可制得2.64立方米混合气体，其中氢气1.98立方米，氮气0.66立方米，没有其它氮氧以及碳氧污染物。而且液氨的体积能量密度是液氢的1.53倍，在相同体积条件下能量储运率更高。目前，国内加氢站的氢气价格约70元每公斤，而液氨的价格约3000元每吨，其分解得到的氢气约16.7元每公斤，其中还没有对比氢和氨在储存、运输、分解等成本的差价。因此，氨作为储氢-制氢的原料气来源及其有前途和新引力的技术形式。

然而，目前最常见的现场制氢方式大体有水电解制氢，天然气重整制氢以及甲烷、氨裂解制氢等。其中国外有相当比例的加氢站是使用电解水制氢，虽然其原料最易获得，但主要成本为电力以及电解槽的电流密度决定其产氢速率，目前每立方氢气(0.089kg)生产需耗电5千瓦时，而且水的单位质量储氢量仅为11.1％，虽然制氢纯度较高，但是其经济性和合理性还需要综合考虑。天然气重整以及甲烷裂解制氢由于副产品会产生co和co2相关工艺中多出了捕获过程因此不宜在现场进行操作，而且天然气和甲烷的载氢含量都不高于氨的17.6％也不高于12.4％。鉴于现有的现场制氢技术都集中在高耗能以及高排放等方面，而且用氢时的能源效率并没有抵消制氢-储氢时的能耗排放，因此亟需一种新型紧凑高效的现场制氢方法和设备。

技术实现要素：

根据上述提出现有的现场制氢技术存在高耗能、高排放以及用氢时的能源效率并没有抵消制氢-储氢时的能耗排放的技术问题，而提供一种撬装式移动现场制氢一体机。本发明以富氢物液氨(单位质量储氢量17.6％)为储氢载体，通过将接收到的液氨气化，氨气预热加热、催化分解以及最后的氢气纯化等步奏，并集成一系列能量转换过程，不仅能有效经济的移动现场制造纯化率99.9％以上的氢气，而且利用集成一体的换热设备废热回收利用从而减少制氢能耗，同时还兼顾了废气无污染，结构紧凑高效，满足了加氢站移动现场制氢以及相关需要氢能的场合。

本发明采用的技术手段如下：

一种撬装式移动现场制氢一体机，包括依次连通的气化器、干燥过滤器、预热加热器和氨气裂解氢分离提纯单元；所述气化器与所述干燥过滤器之间设置压力调节阀组；所述气化器的氨气入口处设置液氨流量调节阀组，氢气出口设置氢调压阀组；

所述预热加热器包括废热回收部部和加热分流部，所述废热回收部的氨气入口与所述干燥过滤器相连通，所述加热分流部设置分流歧管，所述分流歧管外侧缠绕设置干烧电热丝；

所述氨气裂解氢分离提纯单元包括制氢部和纯化部；所述制氢部包括氨气入口歧管和氢气出口歧管，所述制氢部内填充催化剂，所述氨气入口歧管与所述分流歧管相连通，所述氢气出口歧管与所述纯化部相连通，所述氢气出口歧管内壁附有氢透膜；所述制氢部还设置与所述废热回收部相连通的氮气出口；所述制氢部内发生裂解反应后产生的高温氮气经所述氮气出口通入所述废热回收部进行余热回收；所述纯化部与所述气化器相连通，所述纯化部填充分子筛吸附剂，用于除去杂气；所述气化器用于对经过纯化的所述制氢部产生的高温氢气进行热量回收，同时使氢气冷却并将回收的热量用于气化液氨；

所述一体机呈上下结构，所述氨流量调节阀组、所述气化器、所述压力调节阀组、所述干燥过滤器和所述氢调压阀组位于所述一体机的下层，所述预热加热器和所述氨气裂解氢分离提纯单元位于所述一体机的上层；所述一体机的外部通过设置隔热板与外界相隔，所述一体机的上下层之间通过隔热板相隔。

进一步地，所述废热回收部为间壁式换热器；所述加热分流部采用耐热钢制成。

进一步地，所述液氨流量调节阀组为低温耐腐蚀阀组，所述压力调节阀组为常温耐腐蚀阀防爆组，所述氢调压阀组为防爆阀组，所述分流歧管、所述氨气入口歧管和所述氢气出口歧管均为高温耐热钢。

进一步地，所述气化器为板翅式、板式、缠绕管式或壳管式换热器，并采用耐腐蚀防爆材料制成。

进一步地，所述催化剂为金属基氨分解催化剂；所述氢氢透膜为钯基合金膜；所述分子筛吸附剂为结晶型铝硅酸盐。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的撬装式移动现场制氢一体机，克服目前氢气、液氢储运成本高、易燃易爆等缺点，本发明利用载氢原料液氨经行储运，再现场制氢的撬装一体化设备。另外由于液氨获取途径广泛成本低廉(<3000￥/吨)，含氢为16.7￥/kg，而目前加氢站氢气价格约为70￥/kg；液氨比其它载氢体系单位质量储氢量高(17.6％)，且体积能量密度是液氢的1.53倍。

2、本发明提供的撬装式移动现场制氢一体机，全部过程的耗电量仅在于氨气加热到650～700℃，相比于水电解制氢的设备耗材仅多出氨分解催化剂和电加热装置，具有投资少、无电解槽及氧气收集等复杂装置，具有体积小、能耗低、效率高、经济性好等优点。

3、本发明提供的撬装式移动现场制氢一体机，结构紧凑、占地面积小，为整体撬装式，安全性高，全过程均为无氧无碳环境，设备在常压下工作，可达到移动现场快速制氢，制造产物仅为氢气和氮气(常温氮气可直接排放大气)相比于电解水制氢(产生氧气)天然气，甲醇等重整制氢(co2及其它污染物)更加安全完全环保且不易燃易爆。

综上，应用本发明结构紧凑、安全环保高效、经济性能好。通过巧妙设计的废热回收以及上下结构设备分层和模块化设计方法适于快速移动现场制氢。因此，本发明的技术方案解决了现有的现场制氢技术存在高耗能、高排放以及用氢时的能源效率并没有抵消制氢-储氢时的能耗排放的问题。

基于上述理由本发明可在相关加氢站、化工用氢系统启动，电子单晶硅有色金属生产以及氢能源汽车、船舶等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述撬装式移动现场制氢一体机的结构及原理示意图。

图2为本发明所述撬装式移动现场制氢一体机内的能量回收利用流程图。

图3为本发明所述预热加热器结构示意图。

图4为本发明所述氨气裂解氢分离提纯单元结构示意图。

图中：1、氨流量调节阀组；2、气化器；3、压力调节阀组；4、干燥过滤器；5、预热加热器；51、废热回收部部；52、加热分流部；53、分流歧管；6、氨气裂解氢分离提纯单元；61、制氢部；611、氨气入口歧管；612、氢气出口歧管；613、氮气出口；62、纯化部；7、氢调压阀组。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种撬装式移动现场制氢一体机，包括依次连通的气化器2、干燥过滤器4、预热加热器5和氨气裂解氢分离提纯单元6；所述气化器2与所述干燥过滤器4之间设置压力调节阀组3；所述气化器2的氨气入口处设置液氨流量调节阀组1，氢气出口设置氢调压阀组7；所述一体机的各设备之间通过管路相连通；

如图3所示，所述预热加热器5包括废热回收部部51和加热分流部52，所述废热回收部51的氨气入口与所述干燥过滤器4相连通，所述废热回收部51用于回收制氢后产生高温氮气的余热，利用回收的余热预热原料氨气，从而减少后续的电加热功率消耗；

所述加热分流部52设置分流歧管53，所述分流歧管53外侧缠绕设置干烧电热丝，用于加热原料氨气使其达到反应温度，预热后的氨气进入所述分流歧管53后被分成几股，加热到预定温度650-700℃后通入所述氨气裂解氢分离提纯单元6；

如图4所示，所述氨气裂解氢分离提纯单元6包括制氢部61和纯化部62；所述制氢部61包括氨气入口歧管611和氢气出口歧管612，所述制氢部61内填充催化剂，所述氨气入口歧管611与所述分流歧管53相连通，所述氢气出口歧管612与所述纯化部62相连通，所述氢气出口歧管612内壁附有氢透膜，只有氢气能进入所述氢气出口歧管612，然后各股氢气凌辱所述纯化部62；

所述制氢部61还设置与所述废热回收部51相连通的氮气出口613；所述制氢部61内发生裂解反应后产生的高温氮气经所述氮气出口613通入所述废热回收部51进行余热回收；所述纯化部62与所述气化器2相连通，所述纯化部62填充分子筛吸附剂，用于除去杂气；所述气化器2用于对经过纯化的所述制氢部61产生的高温氢气进行热量回收，同时使氢气冷却并将回收的热量用于气化液氨，冷却后的氢气经所述氢气调节阀组7调压后通过相应管路现场输送给用户使用；

所述一体机呈上下结构，所述氨流量调节阀组1、所述气化器2、所述压力调节阀组3、所述干燥过滤器4和所述氢调压阀组7位于所述一体机的下层，所述预热加热器5和所述氨气裂解氢分离提纯单元6位于所述一体机的上层；所述一体机的外部通过设置隔热板与外界相隔，所述一体机的上下层之间通过隔热板相隔。

所述一体机的工作过程主要包括接收液态氨、气化、除杂及氨气预热升温以及催化裂解转化制氢、分离纯化，最后的氢气冷却等过程，其中液氨气化、预热和催化裂解废气降温、氢气冷却过程集成连接进行能量回收再利用；首先来流经过所述液氨流量调节阀组1调节液氨供应流量，经过所述气化器2进行气化，利用所述压力调节阀组3调节设备压力和一体机内氨气的流动速率；其次经过所述干燥过滤器4除去原料氨气内的水分和杂质，原料氨气经所述预热加热器5的加热分流部51进行预热后，经分流歧管53分成多股流体，分流歧管53外侧缠绕设置蛇形干烧电热丝，待原料氨气被加热到规定工艺条件温度650℃～700℃下后通入所述氨气裂解氢分离提纯单元6，在制氢部61进行催化裂解为氢气和氮气，其中废氮气经氮气出口汇合通入所述预热加热器5的废热回收部52进行能量回收，对通入所述预热加热器5的氨气进行预热加热使其达到后续的催化反应温度；最后，所述制氢部61制得的氢气经所述氢气出口歧管612通入所述纯化部62，在所述纯化部62内进行分子筛变吸附除去微量杂气，纯化后的氢气通入所述气化器2进行冷却后经过所述氢调压阀组7调压输送给用户，同时所述气化器2进行余热回收，用于对通入的液氨进行气化。

优选地，所述制氢部包括管壳式裂解分离装置、氨气入口歧管611、氮气出口613和氢气出口歧管612，所述管壳式裂解分离装置内填充催化剂，所述氨气入口歧管611一端与所述管壳式裂解分离装置内部相连通，另一端与所述分流歧管53相连通；所述氢气出口歧管612一端伸入所述管壳式裂解分离装置内部，另一端与所述纯化部62相连通；所述氢气出口歧管612内壁附有氢透膜。

本发明所述的一体机，将所述液氨流量调节阀组1、所述气化器2、所述压力调节阀组3、所述干燥过滤器4、所述预热加热器5、所述氨催化裂解氢分离纯化单元6和所述氢调压阀组7均采用模块化设置于所述一体机内，使该设备更加紧凑。

进一步地，所述隔热板采用高强度保温隔热材料制成，能够防止能量耗散以及加热损失。

进一步地，所述废热回收部51为间壁式换热器；所述加热分流部52采用耐热钢制成。

进一步地，所述液氨流量调节阀组1为低温耐腐蚀阀组，所述压力调节阀组3为常温耐腐蚀阀防爆组，所述氢调压阀组7为防爆阀组，所述分流歧管53、所述氨气入口歧管611和所述氢气出口歧管612均为高温耐热钢。

进一步地，所述气化器2为板翅式、板式、缠绕管式或壳管式换热器，并采用耐腐蚀防爆材料制成。

进一步地，所述催化剂为ru、ni和fe等金属基氨分解催化剂以及其它化合成分；所述氢透膜为钯基合金膜以及其它相关透氢膜；所述分子筛变压吸附剂为结晶型铝硅酸盐等相关材料。

进一步地，所述氨催化裂解氢分离纯化单元6进行氨气催化裂解分离、氢气纯化以及废气热回收和氢气冷却过程中，通过内部填充的催化剂对氨气进行催化裂解为氢气和氮气的反应过程如下：

该过程为吸热膨胀反应，即单位摩尔氨气在一定温度的催化作用下裂解为75％的氢气和25％的氨气并吸收47.3kj热量，因此提高温度和降低压力有助于氨的动态分解，因此一般常压和650℃左右温度下氨气在催化剂的帮助下其裂解转化率可达99.9％。

本发明所述撬装式移动现场制氢一体机工作过程具体包括：

(1)液氨气化预热升温过程

液氨在储罐内以-33℃左右常压储存，液氨通过低温管路连通流量调节阀组1进行液氨流量调节，通过氢气需求来确定液氨的消耗量，即一体机产生1kg氢气需要5.68kg液氨氨的单位质量储氢量为17.6％。经过调节一定流量的液氨进入气化器2吸热气化后变为氨气，通过压力调节阀组3调节一体机系统内的压力，一般系统在常压下运行，压力不超过5bar。气化后的氨气通过干燥过滤器4除去其微量水分和杂质后，通过预热加热器5依次进行预热，被干烧加热管加热后升温至催化裂解温度650-700℃，预热后的氨气进入分流53歧管后被分几股，每股流体管子外侧包裹蛇形干烧电热丝，加热到预定温度后通入氨气裂解氢分离提纯单元6。

(2)氨气催化裂解氢气分离及纯化过程

反应温度下的原料气氨气进入催化裂解制氢分离单元内6，被催化剂分解为氢气和氮气；所述的氨气裂解氢分离6单元为了增大反应面积减少催化剂中毒失效现象，6中接收各股待反应温度下的原料气体在不同装有催化剂的壳体内进行催化裂解成氢气和氮气，氢气通过具有氢透膜钯金属基氢透膜开孔的收集管，各股收集的氢气在歧管汇合后导入分子筛变压吸附去除微量杂气。

(3)一体机能量回收利用过程

如图2所示，本发明所述的一体机包括两个能量回收利用过程，分别为：分解后的高温废氮气能量回收使其在预热加热器5内预热来流的待分解氨气从而节约后续设备电加热的功耗；以及对分解后的较高温度的纯化氢气进行能量回收使其在气化器2气化来流的液氨，而自身恢复常温状态防止高温易燃易爆以便输送给相关现场用户。

本发明所述的撬装式移动现场制氢一体机，为了增大反应面积、使原料气均匀达到反应温度以及减少催化剂中毒失效现象，与现有技术相比本发明设计了独特的氨气加热、催化剂裂解氢分离以及纯化单元，预热后的原料气氨进入歧管后被分成几股，每股流体管子外侧都缠绕蛇形干烧电热丝，待反应原料气被加热到规定工艺条件温度时通入氨催化裂解氢分离纯化设备6，每股流体进入不同壳内填充催化剂的分解单元内分别对每股流内的氨气进行催化裂解为氢气和氮气。裂解后的每股氢气进入氨催化裂解氢分离纯化设备6中管层带有氢透膜开孔的收集导管后，由出口歧管汇聚流入分子筛变压吸附管内，除去微量杂气纯化后流出。

为了克服换热设备，加热器的能源消耗浪费问题，与现有技术系统内在气化过程中使用加热器，以及在冷却过程中使用冷却水循环相比本发明的独特设计在于，包含两个能量回收过程，分别为所述分解后的高温废气氮气能量回收使其在预热加热器5内预热来流的待分解氨气从而节约后续设备电加热的功耗；对所述分解后的较高温度的纯化氢气进行能量回收使其在气化器2气化来流的液氨，而自身恢复常温状态防止高温易燃易爆以便输送给相关现场用户。

相比于其它制氢设备尤其是电解水制氢，本发明的系统更加节能环保，设备耗电部件仅为氨气预热加热器5，再无其它耗电设备。而且只有当设备开机时加热器满负荷工作，当产出氢气系统能量回收过程开始循环后加热器即变为小负荷工作或者间歇工作模式。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。