一种氨自热分解制氢的系统

1.本实用新型涉及一种氨自热分解制氢的系统。


背景技术：

2.氨的主要用途是氮肥、制冷剂和化工原料。与氢相比，氨储存条件温和、单位体积能量密度较高。因此氨作为一种清洁能源的载体和储存的价值日益凸显。
3.氨不仅可以作为燃料直接燃烧利用其化学能，也可将其分解制氢，是氢燃料电池、半导体工业保护气氛等分布式应用的理想氢源。在镍基催化剂作用下氨在800-850℃的分解率大于99％，可以制备75％氢气和25％氮气的氢氮混合气体。但因氨分解制氢是吸热反应，为了提供热量，现有技术一般需要外部提供燃料通过燃烧来产生热量，但外部供热限制氨分解制氢分布式应用场景。
4.因此，提供一种无需外部供热即可实现氨分解制氢的系统至关重要。


技术实现要素：

5.本实用新型所要解决的技术问题在于克服现有技术中氨分解制氢需要外部供热的技术缺陷，而提供一种氨自热分解制氢的系统。本实用新型通过串联氨燃烧和氨分解制氢两个过程，通过氨燃烧过程放热给氨分解制氢过程供热，实现氨的自热分解制氢。本实用新型提供的氨自热分解制氢系统，无需外界补充热量，生产过程中无氮氧化物(no
x
)产生，制备的氢气纯度高，氨的转化率高。
6.本实用新型是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
7.本实用新型提供了一种氨自热分解制氢系统，其包括氨燃烧反应单元和氨分解反应单元；
8.所述氨燃烧反应单元和氨分解反应单元以串联的方式依次连接，并以如下方式中的任意一种实现；
9.方式一：所述氨燃烧反应单元的顶部设有第一氨源进口、含氧气体进口，所述氨燃烧反应单元的底部设有第一气体出口；所述氨分解反应单元的顶部设有第二氨源进口、第二气体进口，所述氨分解反应单元的底部设有第二气体出口，所述第二气体进口与所述第一气体出口连通；
10.方式二：所述氨燃烧反应单元和所述氨分解反应单元集成为同一个反应系统；其中，所述氨燃烧反应单元和所述氨分解反应单元分别位于所述反应系统的上部和下部；所述氨燃烧反应单元的顶部设有第一氨源进口、含氧气体进口，所述氨燃烧反应单元的侧部设有第二氨源进口，所述氨分解反应单元的底部设有第二气体出口。
11.本实用新型中，将氨源和含氧气体分别通过所述第一氨源进口和所述含氧气体进口进入所述氨燃烧反应单元进行氨燃烧反应。氨燃烧反应完成产生的混合气体从所述第一气体出口排出。所述混合气体和氨源分别经所述第二气体进口和所述第二氨源进口进入所述氨分解反应单元进行氨分解反应。
12.或者，本实用新型中，将氨源和含氧气体分别通过所述第一氨源进口和所述含氧气体进口进入所述反应系统，完成氨燃烧反应和氨分解反应后产生的反应气体从所述第二气体出口排出。
13.本实用新型中，优选地，所述氨自热分解制氢系统中，所述氨燃烧反应单元的顶部设有烧嘴；所述第一氨源进口和所述含氧气体进口优选地合并为同一个原料进口；方式一中，所述第二氨源进口和所述第二气体进口优选地合并为同一个原料进口。
14.本实用新型中，所述氨自热分解制氢系统优选地还包括冷却器和汽水分离器。
15.其中，所述冷却器优选地设于所述氨分解反应单元与所述汽水分离器之间。
16.其中，所述的冷却器优选地设有冷却器进口和冷却器出口，所述冷却器进口与所述第二气体出口连通。优选地，所述冷却器为管壳式冷却水换热器或空冷器。
17.其中，所述汽水分离器优选地设有气液混合物进口、混合气体出口和冷凝液出口，所述气液混合物进口与所述冷却器出口连通，所述混合气体出口用于将氨分解反应产生的气体排出，所述冷凝液出口用于将氨分解反应产生的液体排出。
18.本实用新型中，所述的氨自热分解制氢系统优选地还包括液氨汽化器。所述的液氨汽化器优选地设于所述氨分解反应单元和冷却器之间。所述的液氨汽化器优选地设有液氨管路和用于与所述液氨管路进行间接热交换的换热管路，所述液氨管路优选地包括液氨进口和氨气出口。所述换热管路优选地包含第三气体进口和第三气体出口，所述第三气体进口与所述第二气体出口连通，所述第三气体出口与所述冷却器进口连通。
19.其中，所述的液氨汽化器优选为管壳式冷却器。
20.其中，优选地，所述的氨气出口分别与所述氨燃烧反应单元和氨分解反应单元连接。
21.其中，所述氨气出口优选地分为两个支路，分别为第一支路和第二支路，所述第一支路与所述第一氨源进口相通，所述第二支路与第二氨源进口相通；所述第一支路和第二支路优选地分别设置有气体流量阀，所述气体流量阀用于控制通入所述第一氨源进口和第二氨源进口的氨气的比例。
22.本实用新型中，所述的氨燃烧反应可提供热量给氨分解反应，实现氨分解反应的自热，无需外部提供额外的热量，且整个反应过程在还原气氛下进行，不会产生no
x
等污染物。
23.本实用新型中，方式一中，所述氨燃烧反应单元优选为无催化剂的气流床反应器型式，内衬为耐火砖衬里。所述氨分解反应单元优选为镍基催化剂固定床反应器，内衬为耐火砖衬里。在方式二中，所述氨燃烧反应单元和所述氨分解反应单元优选地集成在一个固定床反应器中。
24.本实用新型中，所述氨自然分解制氢的系统所制备的氢气压力可为常压，例如8.0mpa。
25.在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本实用新型各较佳实例。
26.本实用新型的积极进步效果在于：
27.(1)本实用新型的氨自热分解制氢的系统无需外部供热，反应过程中无no
x
等污染物产生。
28.(2)采用本实用新型的氨自热分解制氢的系统可实现氨的转化率大于99％，制得的氢气纯度较高。
29.(3)本实用新型的氨自热分解制氢的系统，操作参数调节方便，装置简单可操作，可适用于多种应用场景，特别是分布式应用场景。
附图说明
30.图1为实施例1和实施例2的氨自热分解制氢系统的结构装置图。
31.图2为实施例3和实施例4的氨自热分解制氢系统的结构装置图。
32.附图标记说明：
33.氨燃烧反应单元1，氨分解反应单元2，液氨汽化器3，冷却器4，汽水分离器5；
34.第一氨源进口101，含氧气体进口102，第一气体出口103，烧嘴104，第二氨源和第二气体进口201，第二氨源进口203，第二气体出口202，液氨管路301，液氨进口303，氨气出口304，换热管路302，第三气体进口307，第三气体出口308，第一支路305，第二支路306，冷却器进口401，冷却器出口402，气液混合物进口501，混合气体出口502，冷凝液出口503。
具体实施方式
35.下面举各较佳实施例，并结合附图来更清楚完整地说明本实用新型。
36.实施例1
37.如图1所示为本实施例中氨自热分解制氢系统的结构装置图。
38.本实施例提供了一种氨自热分解制氢系统。
39.氨自热分解制氢系统包括氨燃烧反应单元1、氨分解反应单元2、液氨汽化器3、冷却器4和汽水分离器5。氨燃烧反应单元1为无催化剂的气流床反应器型式，内衬为耐火砖衬里。氨分解反应单元2为镍基催化剂固定床反应器，内衬为耐火砖衬里。
40.氨燃烧反应单元1用于进行氨燃烧反应。氨燃烧反应单元1的顶部设有烧嘴104，烧嘴104的顶部设有第一氨源进口101和含氧气体进口102；氨燃烧反应单元1的底部设有第一气体出口103。氨分解反应单元2的顶部设有第二氨源和第二气体进口201；氨分解反应单元2的底部设有第二气体出口202。其中，第二氨源和第二气体进口201与第一气体出口103连通。
41.液氨汽化器3用于将液氨加热汽化为氨气。该液氨汽化器3为管壳式冷却器。液氨汽化器3设于所述氨分解反应单元2和冷却器4之间。其中，液氨汽化器3设有液氨管路301和用于与液氨管路进行间接热交换的换热管路302。液氨管路301包括液氨进口303和氨气出口304；换热管路302包括第三气体进口307和第三气体出口308。第三气体进口307与第二气体出口202连通。
42.其中，氨气出口304分为两个支路，分别为第一支路305和第二支路306。第一支路305与第一氨源进口101相通，第二支路306与第二氨源和第二气体进口201相通。第一支路305和第二支路306设置有气体流量阀。气体流量阀用于控制通入所述第一氨源进口101和第二氨源和第二气体进口201的氨气的比例。
43.冷却器4在液氨汽化器3和汽水分离器5之间。该冷却器4为管壳式冷却水换热器。其中，冷却器4设有冷却器进口401和冷却器出口402。冷却器进口401与第三气体出口308连
通。
44.汽水分离器5设有气液混合物进口501、混合气体出口502和冷凝液出口503。其中，气液混合物进口501与冷却器出口402连通。混合气体出口502用于将氨分解反应产生的气体排出。冷凝液出口503用于将氨分解反应产生的液体排出。
45.本系统中，自含氧气体进口102进入的空气与自液氨管路301的液氨进口303进入的液氨的摩尔比为0.795:1，通过氨气出口304排出的第一支路305和氨气出口304排出的第二支路306上的气体流量阀来调节第一支路305排出的氨气和第二支路306排出的氨气的摩尔比为1.141:1，第一气体出口103排出的混合气体的温度为1300℃，第二气体出口202排出的反应气体的温度为800℃。第二气体出口202排出的反应气体通过液氨汽化器3的换热管路302将自液氨管路301的液氨进口303进入的液氨加热到650℃，自第三气体出口308排出的换热完成后产生的气体的温度为142℃，自第三气体出口308排出的换热完成后产生的气体通过冷却器4后得到的冷却器出口402排出的气液混合物的温度为40℃。
46.实施例1氨分解制氢的过程中无需外部提供额外的热量，且反应过程中无no
x
等污染物产生。氨转化率大于99％，制备得到的氢气的纯度为50.15％。
47.本实施例1具体的主要物流数据如表1所示。
48.实施例2
49.实施例2采用与实施例1相同的氨自热分解制氢系统。
50.本系统中，自含氧气体进口102进入的纯氧与自液氨管路301的液氨进口303进入的液氨的摩尔比为0.141:1，通过氨气出口304排出的第一支路305和氨气出口304排出的第二支路306上的气体流量阀来调节第一支路305排出的氨气和第二支路306排出的氨气的摩尔比为1.717:1，第一气体出口103排出的混合气体的温度为1350℃，第二气体出口202排出的反应气体的温度为800℃。第二气体出口202排出的反应气体通过液氨汽化器3的换热管路302将自液氨管路301的液氨进口303进入的液氨加热到600℃，自第三气体出口308排出的换热完成后产生的气体的温度为80℃，自第三气体出口308排出的换热完成后产生的气体通过冷却器4后得到的冷却器出口402排出的气液混合物的温度为40℃。
51.实施例2氨分解制氢的过程中无需外部提供额外的热量，且反应过程中无no
x
等污染物产生。氨转化率大于99％，制备得到的氢气的纯度为69.96％。
52.本实施例2具体的主要物流数据如表2所示。
53.实施例3
54.如图2所示为本实施例中氨自热分解制氢系统的结构装置图。
55.本实施例提供了一种氨自热分解制氢系统。
56.氨自热分解制氢系统包括氨燃烧反应单元1、氨分解反应单元2、液氨汽化器3、冷却器4和汽水分离器5。
57.其中，氨燃烧反应单元1和氨分解反应单元2集成为同一个固定床反应器中。在固定床反应器中同时进行氨燃烧反应和氨分解反应。
58.氨燃烧反应单元1的顶部设有烧嘴104，烧嘴104的顶部设有第一氨源进口101和含氧气体进口102；氨燃烧反应单元1的侧部设有第二氨源进口203，氨分解反应单元2的底部设有第二气体出口202。
59.液氨汽化器3用于将液氨加热汽化为氨气。该液氨汽化器3为管壳式冷却器。液氨
汽化器3设于所述氨分解反应单元2和冷却器4之间。其中，液氨汽化器3设有液氨管路301和用于与液氨管路进行间接热交换的换热管路302。液氨管路301包括液氨进口303和氨气出口304；换热管路302包括第三气体进口307和第三气体出口308。第三气体进口307与第二气体出口202连通。
60.其中，氨气出口304分为两个支路，分别为第一支路305和第二支路306。第一支路305与第一氨源进口101相通，第二支路306与第二氨源和第二气体进口201相通。第一支路305和第二支路306设置有气体流量阀。气体流量阀用于控制通入所述第一氨源进口101和第二氨源和第二气体进口201的氨气的比例。
61.冷却器4在液氨汽化器3和汽水分离器5之间。该冷却器4为管壳式冷却水换热器。其中，冷却器4设有冷却器进口401和冷却器出口402。冷却器进口401与第三气体出口308连通。
62.汽水分离器5设有气液混合物进口501、混合气体出口502和冷凝液出口503。其中，气液混合物进口501与冷却器出口402连通。混合气体出口502用于将氨分解反应产生的气体排出。冷凝液出口503用于将氨分解反应产生的液体排出。
63.本系统中，自含氧气体进口102进入的空气与自液氨管路301的液氨进口303进入的液氨的摩尔比为0.795:1，通过氨气出口304排出的第一支路305和氨气出口304排出的第二支路306上的气体流量阀来调节第一支路305排出的氨气和第二支路306排出的氨气的摩尔比为1.141:1，第二气体出口202排出的反应气体的温度为800℃。第二气体出口202排出的反应气体通过液氨汽化器3的换热管路302将自液氨管路301的液氨进口303进入的液氨加热到650℃，自第三气体出口308排出的换热完成后产生的气体的温度为142℃，自第三气体出口308排出的换热完成后产生的气体通过冷却器4后得到的冷却器出口402排出的气液混合物的温度为40℃。
64.实施例3氨分解制氢的过程中无需外部提供额外的热量，且反应过程中无no
x
等污染物产生。氨转化率大于99％，制备得到的氢气的纯度为50.15％。
65.本实施例3具体的主要物流的数据如表3所示。
66.实施例4
67.实施例4采用与实施例3相同的氨自热分解制氢系统。
68.本系统中，自含氧气体进口102进入的空气与自液氨管路301的液氨进口303进入的液氨的摩尔比为0.141:1，通过氨气出口304排出的第一支路305和氨气出口304排出的第二支路306上的气体流量阀来调节第一支路305排出的氨气和第二支路306排出的氨气的摩尔比为1.717:1，第二气体出口202排出的反应气体的温度为800℃。第二气体出口202排出的反应气体通过液氨汽化器3的换热管路302将自液氨管路301的液氨进口303进入的液氨加热到600℃，自第三气体出口308排出的换热完成后产生的气体的温度为80℃，自第三气体出口308排出的换热完成后产生的气体通过冷却器4后得到的冷却器出口402排出的气液混合物的温度为40℃。
69.实施例4氨分解制氢的过程中无需外部提供额外的热量，且反应过程中无no
x
等污染物产生。氨转化率大于99％，制备得到的氢气的纯度为69.96％。
70.本实施例4具体的主要物流数据如表4所示。
71.在具体实施过程中，亦可将本实用新型的各种实施方式进行组合，以求获得更好
的技术效果。
72.虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本实用新型的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本实用新型的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本实用新型的保护范围。
73.表1实施例1的主要物流数据
[0074][0075]
表2实施例2的主要物流数据
[0076][0077]
表3实施例3的主要物流数据
[0078][0079]
表4实施例4的主要物流数据
[0080]