一种氨分解制氢系统的制作方法

1.本实用新型涉及制氢技术领域，具体地说是涉及一种氨分解制氢系统。


背景技术：

2.氨是世界上产量最多的无机化合物之一，有广泛的用途。氨是制造硝酸、化肥、炸药的重要原料，对地球上的生物相当重要，是许多食物和肥料的重要成分，氨也是所有药物直接或间接的组成。此外，液氨是一种优良的储氢载体，易于运输，原料氨容易得到，价格低廉。氨分解的化学方程式如下：2nh3＝3h2+n2，在标准状况下，1摩尔氨完全分解吸收11040千卡热量。由于液氨裂解反应吸热量大，一般需要在氨分解炉中加热至800～850℃，在镍基催化剂作用下催化分解，工艺要求较高。现有技术一般通过设置单独的燃烧模块提供热量或者配合电加热装置供热，能耗大、成本高，且目前许多氨分解制氢系统能量利用不充分、存在热量损失、转化率低等问题。


技术实现要素：

3.基于上述技术问题，本实用新型提出一种氨分解制氢系统，该系统具有能量利用率高、简单高效等优点。
4.本实用新型所采用的技术解决方案是：
5.一种氨分解制氢系统，包括氨分解装置、换热装置、氨气吸收装置、氢气提纯装置和储氢装置；
6.所述氨分解装置包括分解腔体，在分解腔体的内部填充有氨分解反应催化剂，在分解腔体内还设置有催化燃烧管道，在催化燃烧管道的内壁涂覆有氢气燃烧反应催化剂；
7.分解腔体的进口连接液氨输送管道，所述换热装置包括第一换热器和第二换热器，第一换热器和第二换热器的管程串联在液氨输送管道上，第二换热器处于第一换热器和氨分解装置之间；所述催化燃烧管道的进口与燃烧气输送管道相连接；
8.分解腔体的出口通过分解气输送管道连接氨气吸收装置，第一换热器的壳程串联在分解气输送管道上；催化燃烧管道的出口与燃烧气排出管道相连接，第二换热器的壳程串联在燃烧气排出管道上；
9.所述氨气吸收装置的气体出口通过气体排出管道与氢气提纯装置相连接，氢气提纯装置的氢气出口通过氢气输出管道连接储氢装置；氨气吸收装置的液体出口连接液体排出管道。
10.优选的，在氨分解装置的分解腔体外侧包覆有保温层，保温层是采用硅酸盐纤维材料加工制成的。
11.优选的，所述催化燃烧管道为螺旋状。
12.优选的，所述催化燃烧管道在分解腔体中竖向布置，催化燃烧管道的底端为进口，顶端为出口；催化燃烧管道设置多根，且在分解腔体中间隔排布。
13.优选的，在分解气输送管道上设置有缓冲罐，缓冲罐设置在第一换热器和氨分解
装置之间。
14.优选的，所述氢气提纯装置的内部设置有只允许氢气单向通过的膜分离器，膜分离器的一侧为氢气腔室，另一侧为氮气腔室，氮气腔室连接氮气储存装置。
15.优选的，所述燃烧气输送管道连接气体混合器，气体混合器的一端进口连接空气输入管道，在空气输入管道上设置有风机，气体混合器的另一端进口连接氢气输入管道。
16.优选的，所述氢气输入管道连接氢气输出管道或储氢装置。
17.优选的，所述空气输入管道上还设置有集气腔室，集气腔室位于风机和气体混合器之间，集气腔室还与燃烧器排出管道相连接。
18.本实用新型的有益技术效果是：
19.(1)本实用新型将氨分解产生的高温气体和催化燃烧管道中排出的燃烧气体分别通过第一换热器和第二换热器以对液氨原料进行逐级预热，从而可对系统产生的热量合理利用，使得系统整体具有能量利用率高、简单高效等优点。
20.(2)本实用新型通过氢气提纯装置得到的纯化氢气，其中一部分作为催化燃烧管道中催化氧化燃烧反应的原料气，催化氧化燃烧反应放热为氨分解反应提供热量，简化了系统工艺，降低成本。
21.(3)本实用新型中氨分解装置内的催化燃烧管道入口设置于底部，出口设置于顶部，且管道为螺旋状，内部涂覆有催化剂，可以使氢气充分反应，提高氧化燃烧反应效率，进而提高热量供应效果，促进氨气分解。
22.(4)本实用新型中氨分解装置的分解腔体外设置保温层，保温层材料采用低传热系数的硅酸纤维，可降低散热，减少能量损失。
附图说明
23.下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步说明：
24.图1为本实用新型的结构原理示意图。
具体实施方式
25.结合附图，一种氨分解制氢系统，包括氨分解装置1、换热装置、氨气吸收装置2、氢气提纯装置3和储氢装置4。所述氨分解装置1包括分解腔体101，在分解腔体101的内部填充有氨分解反应催化剂，在分解腔体内还设置有催化燃烧管道102，在催化燃烧管道102的内壁涂覆有氢气燃烧反应催化剂。分解腔体101的进口连接液氨输送管道5，液氨输送管道5连接液氨储罐21。所述换热装置包括第一换热器6和第二换热器7，第一换热器6和第二换热器7可采用套管式结构。第一换热器6和第二换热器7的管程串联在液氨输送管道5上，第二换热器7处于第一换热器6和氨分解装置1之间。所述催化燃烧管道102的进口与燃烧气输送管道8相连接。分解腔体的出口通过分解气输送管道9连接氨气吸收装置2，第一换热器6的壳程串联在分解气输送管道9上。催化燃烧管道102的出口与燃烧气排出管道10相连接，第二换热器7的壳程串联在燃烧气排出管道10上。所述氨气吸收装置2的气体出口通过气体排出管道12与氢气提纯装置3相连接，氢气提纯装置3的氢气出口通过氢气输出管道20连接储氢装置4。氨气吸收装置2的液体出口连接液体排出管道11。
26.上述氨分解装置的分解腔体出口与第一换热器相连，可与液氨进行初步热交换；
氨分解装置的催化燃烧管道出口与第二换热器相连，燃烧反应后剩余的空气或氧气温度较高，可进一步对液氨原料进行预热。
27.在分解气输送管道9上还设置有缓冲罐13，缓冲罐13设置在第一换热器6和氨分解装置1之间。缓冲罐13内含有混合气h2、n2和少量nh3。
28.上述氨气吸收装置可采用喷淋吸收塔等常规结构形式，以使缓冲罐内流出的少量氨气变成氨水，所得氨水通过液体排出管道11排出，除氨气以外的混合气体通过气体排出管道12送至氢气提纯装置3。
29.上述氢气提纯装置3的内部设置有只允许氢气单向通过的膜分离器，以分离出氢气和氮气，膜分离器的一侧为氢气腔室，另一侧为氮气腔室，氮气腔室连接氮气储存装置14。氮气腔室中的大部分氮气和少量氢气可一并送至氮气储存装置14，以进行储存和进一步利用。
30.所述燃烧气输送管道8连接气体混合器15，气体混合器15的一端进口连接空气输入管道16，在空气输入管道上设置有风机17，气体混合器15的另一端进口连接氢气输入管道18。所述氢气输入管道18连接氢气输出管道或储氢装置。所述空气输入管道上还设置有集气腔室19，集气腔室19位于风机17和气体混合器15之间，集气腔室还与燃烧器排出管道10相连接。通过集气腔室19可利用催化燃烧管道排出的燃烧气经换热后剩余的热量对催化燃烧反应所需空气进行预热。
31.作为对本实用新型的进一步设计，在氨分解装置的分解腔体101外侧包覆有保温层103，保温层103是采用硅酸盐纤维材料加工制成的，其传热系数低，可减少能量损失。
32.更进一步的，所述催化燃烧管道102为螺旋状。催化燃烧管道102在分解腔体中竖向布置，催化燃烧管道的底端为进口，顶端为出口。催化燃烧管道102设置多根，且在分解腔体中间隔排布。氨分解装置的催化燃烧管道内发生氢气与空气的氧化燃烧反应，反应的热量为氨分解装置的腔体预热，催化燃烧管道为螺旋状，内壁涂覆有氢气燃烧反应催化剂，可提高预热效率。而且，氨分解装置的催化燃烧管道出口位于顶部，入口位于底部，气流从下到上螺旋上升，气体充分燃烧，提高热量供应效果，促进氨气分解。
33.上述分解腔体101可采用高温耐热合金材料，保证在高温与强腐蚀性的环境中有较长的使用寿命。
34.上述氨分解反应催化剂可选择为fe-ni和fe-mo等双金属催化剂、fecx和mocx等碳化物催化剂以及fenx和monx等氮化物催化剂中的一种。所述氢气燃烧反应催化剂可选择为mgal2o4、pd-fe-ni/γ-al2o3/堇青石、pt/γ-al2o3/堇青石等中的一种。
35.本实用新型的工作过程，大致包括以下步骤：
36.(1)液氨通过液氨输送管道5进行运输，当经过第一换热器6、第二换热器7换热升温后，输送至氨分解装置1。在氨分解装置1内发生氨气分解反应，生成h2、n2和少量未反应的氨气。氨分解装置1内设置螺旋状氢气催化燃烧管道，在催化燃烧管道中发生氢气氧化燃烧反应，用于为氨分解反应提供热量。
37.(2)氨分解装置1产生的气体先进入缓冲罐，然后通过第一换热器6，为液氨预热，再进入到氨气吸收装置2，捕集氨气，然后分成两条运输支路，液体经液体排出管道11排出，气体输送至氢气提纯装置3中。提纯后的氢气一部分进入储氢装置4，一部分进入气体混合器15内，作为催化燃烧反应的原料气。
38.(3)催化燃烧管道102内未反应的气体从顶部出口流出，进入第二换热器7为液氨进一步预热，然后进入集气腔室19，继续与外界空气进行热交换。
39.(4)集气腔室19内空气与一部分提纯后的氢气分别通过管道送至气体混合器15内，经混合后从催化燃烧管道底部入口进入管道内发生氧化燃烧反应，实现热量的自给自足。
40.上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。
41.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。