CN119015872A - 一种催化燃烧供热联动氨分解制氢装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种催化燃烧供热联动氨分解制氢装置，包括控制系统及与控制系统电性连接的催化燃烧器、氨分解反应器、热交换器，催化燃烧器的出口端通过管路与热交换器连接，热交换器通过管路与氨分解反应器连接，氨分解反应器将氨气分离后生成氢气和氮气，且将其生成的氢气中的一部分通过管路与催化燃烧器连接；催化燃烧器用于燃料的催化燃烧，并产生高温热源，高温热源进入所述热交换器，并将催化燃烧器产生的热量传递到氨分解反应器，氨气在氨分解反应器中分解为氢气和氮气。本发明提供的整个制氢装置结构紧凑，体积小，氨分解转化率在99％以上。
Description
技术领域
本发明涉及裂解制氢供氢技术领域，具体涉及一种催化燃烧供热联动氨分解制氢装置。
背景技术
作为一种清洁能源，氢气(H2)被广泛应用于零排放汽车、辅助动力装置以及工业应用中。然而，氢气储存和运输方式仍存在着巨大的隐患，严重制约了氢基能源燃料电池技术的进一步发展。作为氢载体，氨(NH3)被认为是一种重要的液体燃料，由于氨具有较高的含氢量(17.8％)以及易于液化的优势，氨分解技术制氢可以实现现制现用，继而避免了棘手的氢气运输和储存环节。
“氨—氢”绿色能源路线是将可再生能源与氢能产业相结合，以氨为储能或储氢载体发展的“清洁高效合成氨—经济安全氨能储运—无碳高效氨氢利用”的“零碳”循环技术路线，为实现“双碳”目标提供了一条重要的技术途径。
氨的分解是一个温和的吸热过程，产生氢气和氮气，氨分解制氢分为传统技术和新型技术，传统氨分解制氢存在工艺能耗大(650～850℃)、设备建设投资成本高、经济适用性差等弊端；新型低温氨分解制氢经济成本与和甲烷蒸汽重整制氢经济成本基本相当，同时比其他零碳路线(风电解、光电解、太阳能热分解等)制氢成本至少低15％。
使用氨(NH3)作为无碳H2载体受到各国的关注。事实上，NH3分解是PEM燃料电池应用中备受关注的燃料处理技术之一。从成本、系统体积和物流的角度来看，NH3分解作为PEM燃料电池应用的燃料处理技术尤其具有吸引力，2NH3→N2+3H2，△H0＝46.19kcal/mol。重要的一点是，PEM燃料电池的NH3残留耐受性非常低(0.1ppm NH3)，残留的NH3浓度超过规定的限度，阳极催化剂失活，随后导致电池性能损失，这对残氨脱除技术提出了非常高的要求。
现有的NH3分解固定床反应器体积大，无法满足国能源部(USDOE)规定的NH3裂解制氢作为供氢单元的移动式车载系统性能标准，如重量重、体积大和启动时间长等问题。必须研发、配套小型化轻量化的高效氨裂解制氢微通道反应器，降低H2生产系统的尺寸和重量，以满足便携式、移动式、大巴车和船上应用的必要要求。
发明内容
为了解决上述所存在的技术问题，克服现有技术中氨制氢中存在的体积大、重量重的缺点，降低成本，达到高效安全制氢供氢目的，为此，本发明提供了一种催化燃烧供热联动氨分解制氢装置。
所采用的技术方案如下：
一种催化燃烧供热联动氨分解制氢装置，所述装置包括控制系统及与所述控制系统电性连接的催化燃烧器、氨分解反应器、热交换器，所述催化燃烧器的出口端通过管路与所述热交换器连接，所述热交换器通过管路与所述氨分解反应器连接，所述氨分解反应器将氨气分离后生成氢气和氮气，且将其生成的氢气中的一部分通过管路与所述催化燃烧器连接；所述催化燃烧器用于燃料的催化燃烧，并产生高温热源，高温热源进入所述热交换器，并将所述催化燃烧器产生的热量传递到所述氨分解反应器，氨气在所述氨分解反应器中分解为氢气和氮气。
优选地，所述催化燃烧器包括：
燃料供给单元，用于接收供燃烧的燃料；
空气供给单元，用于提供燃料燃烧所需的氧气；
催化床单元，用于产生催化燃烧，产生高温烟气。
优选地，所述催化床单元包括催化床前段和催化床后段，所述催化床前段用于催化低温起燃反应，所述催化床后段用于高温持续燃烧反应。
优选地，所述催化床前段的催化剂为钯基或铂基催化剂，所述催化床后段的催化剂为铜基或镍基催化剂。
优选地，所述氨分解反应器中设有氨供给单元、催化剂床层以及氢氮分离单元，所述氨供给单元用于提供氨气，所述催化剂床层用于促进氨的分解反应，所述氢氮分离单元用于分离生成的氢气和氮气，且其生成氢气的一部分通过管路与所述催化燃烧器的燃料供给单元连接。
优选地，所述氨分解反应器中的催化剂床层所采用的催化剂为铁基催化剂。
优选地，所述热交换器包裹在所述氨分解反应器的外壁上，与所述氨分解反应器内的催化剂床层形成热交换。
优选地，所述的热交换器采用内蜂窝状换热器，所述催化燃烧腔所产生的高温烟气与所述氨分解反应器间采用逆流换热方式。
优选地，所述控制系统包括：
温度传感器，用于检测所述催化燃烧器和所述氨分解反应器中的温度；
流量控制阀，用于调节进入所述氨分解反应器和催化燃烧器中的燃料、空气和氨的供给量；
控制器，用于根据检测到的温度和设定的参数调节装置运行。
进一步地，所述装置还包括换热器，所述氨分解反应器的烟气排出口与所述换热器连接，与所述氨供给单元连接的氨供给管路与所述换热器连接，将烟气中的热能传递给氨气。
优选地，所述控制系统中还设有数据记录模块和远程监控模块，分别用于记录装置运行数据及远程监控装置的运行。
本发明技术方案具有如下优点：
A.本发明提供的制氢装置，采用了催化燃烧器产生高温热源，并将热能通过热交换器传递给氨分解反应器，通过控制系统调节，使氨达到分解时所需的最佳温度，同时氨分解后所产生的一少部分氢气输入催化燃烧器中，使催化燃烧器具有热量自供功能，无需在正常工作时从外界补充燃料，整个制氢装置结构紧凑，体积小，且具有高效氨分解技术效果。
B.本发明在催化燃烧器的催化床单元中设置了催化床前段和催化床后段，催化床前段采用钯基或铂基催化剂，用于催化低温起燃反应，而在催化床后段采用铜基或镍基催化剂，用于高温持续燃烧反应，使整个热能供给具有自启和保持高温燃烧功能，为氨分解反应器提供源源不断的高温反应热能。
C.本发明中还在制氢装置中设置换热器，催化燃烧器与氨分解反应器进行热交换后所排出的烟气再经换热器，与输入的氨燃料进行再次热交换，对氨气进行预加热，然后再进入氨分解反应器中，避免了能源浪费，大大提高了对热能的利用效率，使氨分解转化率达99％以上。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的制氢装置整体结构原理示意图。
图2是本发明中的催化燃烧器横截面示意图。
图中标识含义如下：
1-催化燃烧器，11-燃料供给单元，12-空气供给单元，13-催化床单元，131-催化床前段，132-催化床后段；2-氨分解反应器，21-氨供给单元，22-催化剂床层，23-氢氮分离单元；3-热交换器，31-高温烟气通道，32-催化剂填装通道，4-换热器。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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。
如图1和图2所示，本发明提供了一种催化燃烧供热联动氨分解制氢装置，包括控制系统及与控制系统电性连接的催化燃烧器1、氨分解反应器2、热交换器3，催化燃烧器1的出口端通过管路与所述热交换器3连接，热交换器3通过管路与氨分解反应器2连接，氨分解反应器2将氨气分离后生成氢气和氮气，且将其生成的氢气中的一部分通过管路与催化燃烧器1连接；催化燃烧器1用于燃料的催化燃烧，并产生高温热源，高温热源进入热交换器3，并将催化燃烧器1产生的热量传递到氨分解反应器2，氨气在氨分解反应器2中分解为氢气和氮气。本发明采用了催化燃烧器1产生高温热源，并将热能通过热交换器3传递给氨分解反应器2，通过控制系统调节，使氨达到分解时的最佳温度，同时氨分解后所产生的一少部分氢气输入催化燃烧器中，使其具有热能自供功能，无需在氨分解反应器在正常工作时再从外界向催化燃烧器中补充燃料，整个制氢装置结构紧凑，体积小，且具有高效氨分解技术效果，在反应器温度在550℃以上时，氨制氢效率能达到99％。
其中的催化燃烧器1包括：燃料供给单元11、空气供给单元12和催化床单元13，这里的燃料供给单元11和空气供给单元12分别优选为燃料流量计和空气流量计，燃料供给单元11用于接收供燃烧的燃料，空气供给单元12用于提供燃料燃烧所需的氧气，分别供给催化床单元13；催化床单元13用于产生催化燃烧，产生高温烟气，并将高温烟气通过管路输送至热交换器中，与氨分解反应器中进行热量交换。
为了提供更加温度的高温热源，本发明中的催化床单元包括催化床前段131和催化床后段132，催化床前段131用于催化低温起燃反应，优选采用的催化剂为钯基或铂基催化剂；催化床后段132用于高温持续燃烧反应，优选采用的催化剂为铜基或镍基催化剂，催化床前段和催化床后段优选比例为1:1。
如图1所示，在氨分解反应器2中设有氨供给单元21、催化剂床层22以及氢氮分离单元23，其中的氨供给单元21用于提供氨气，其通过管路与输入的氨气源连接，催化剂床层22用于促进氨的分解反应，氨分解反应器中的催化剂床层所采用的催化剂为铁基催化剂。氢氮分离单元23用于分离生成的氢气和氮气，且其生成氢气的一部分通过管路与催化燃烧器3的燃料供给单元31连接。
本发明为了使整个制氢装置结构更紧凑，体积更小，将热交换器3包裹在氨分解反应器2的外壁上，从热交换器3经过的高温烟气与氨分解反应器2内的催化剂床层22形成热交换，更有利于氨的分解反应。
本发明优选采用的热交换器为内蜂窝状换热器，如图2所示，催化燃烧器所产生的高温烟气经过高温烟气通道31，而催化剂经过催化剂填装通道32，使二者产生热量计交换，使热能交换更加充分，同时，本发明优选地，催化燃烧腔所产生的高温烟气与氨分解反应器间采用逆流换热方式，当然不限于本发明所提供的内蜂窝状换热器结构。
其中的控制系统包括：温度传感器、流量控制阀和控制器(图中未示出)，温度传感器分别安装在催化燃烧器1和氨分解反应器2上，用于检测催化燃烧器1和氨分解反应器2中的温度；流量控制阀安装在催化燃烧器1和氨分解反应器2上，用于调节进入氨分解反应器2和催化燃烧器1中的燃料、空气和氨的供给量；控制器用于根据检测到的温度和设定的参数对制氢装置进行运行调节。
为了进一步提高对高温烟气的热量利用，避免造成能源浪费，本发明还在制氢装置上设置了换热器4，将氨分解反应器2的烟气排出口与换热器4连接，与氨供给单元21连接的氨供给管路与换热器4连接，将从氨分解反应器2排出的烟气所含余热进一步传递给氨气，对氨气进行预加热，然后再进入氨分解反应器2中，大大提高了对催化燃烧器1中所得高温烟气的利用效率。
同时，在控制系统中还设有数据记录模块和远程监控模块，分别用于记录装置运行数据及远程监控装置的运行，可以做到及时记录运行数据和远程监控整个制氢装置的运行状态。
实际应用时，比如，催化剂填装量2L,催化燃烧器1反应初始氢气进气量保持在100NL/min，空气进气量保持在8NM3/h，1h左右即可将氨分解反应器从25℃加热到550℃，氨分解反应器氨气空速保持在5000h-1时，此时氨分解转化率在99％，同时催化燃烧器既能停止供应氢气，反应体系也可在550℃下保持稳定，并有150NL/min的氢气产出。
本发明未述及之处均适用于现有技术。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (11)
1.一种催化燃烧供热联动氨分解制氢装置，其特征在于，所述装置包括控制系统及与所述控制系统电性连接的催化燃烧器、氨分解反应器、热交换器，所述催化燃烧器的出口端通过管路与所述热交换器连接，所述热交换器通过管路与所述氨分解反应器连接，所述氨分解反应器将氨气分离后生成氢气和氮气，且将其生成的氢气中的一部分通过管路与所述催化燃烧器连接；所述催化燃烧器用于燃料的催化燃烧，并产生高温热源，高温热源进入所述热交换器，并将所述催化燃烧器产生的热量传递到所述氨分解反应器，氨气在所述氨分解反应器中分解为氢气和氮气。
2.根据权利要求1所述的催化燃烧供热联动氨分解制氢装置，其特征在于，所述催化燃烧器包括：
燃料供给单元，用于接收供燃烧的燃料；
空气供给单元，用于提供燃料燃烧所需的氧气；
催化床单元，用于产生催化燃烧，产生高温烟气。
3.根据权利要求2所述的催化燃烧供热联动氨分解制氢装置，其特征在于，所述催化床单元包括催化床前段和催化床后段，所述催化床前段用于催化低温起燃反应，所述催化床后段用于高温持续燃烧反应。
4.根据权利要求3所述的催化燃烧供热联动氨分解制氢装置，其特征在于，所述催化床前段的催化剂为钯基或铂基催化剂，所述催化床后段的催化剂为铜基或镍基催化剂。
5.根据权利要求2-4任一项所述的催化燃烧供热联动氨分解制氢装置，其特征在于，所述氨分解反应器中设有氨供给单元、催化剂床层以及氢氮分离单元，所述氨供给单元用于提供氨气，所述催化剂床层用于促进氨的分解反应，所述氢氮分离单元用于分离生成的氢气和氮气，且其生成氢气的一部分通过管路与所述催化燃烧器的燃料供给单元连接。
6.根据权利要求5所述的催化燃烧供热联动氨分解制氢装置，其特征在于，所述氨分解反应器中的催化剂床层所采用的催化剂为铁基催化剂。
7.根据权利要求5所述的催化燃烧供热联动氨分解制氢装置，其特征在于，所述热交换器包裹在所述氨分解反应器的外壁上，与所述氨分解反应器内的催化剂床层形成热交换。
8.根据权利要求7所述的催化燃烧供热联动氨分解制氢装置，其特征在于，所述的热交换器采用内蜂窝状换热器，所述催化燃烧腔所产生的高温烟气与所述氨分解反应器间采用逆流换热方式。
9.根据权利要求5所述的催化燃烧供热联动氨分解制氢装置，其特征在于，所述控制系统包括：
温度传感器，用于检测所述催化燃烧器和所述氨分解反应器中的温度；
流量控制阀，用于调节进入所述氨分解反应器和催化燃烧器中的燃料、空气和氨的供给量；
控制器，用于根据检测到的温度和设定的参数调节装置运行。
10.根据权利要求5所述的催化燃烧供热联动氨分解制氢装置，其特征在于，所述装置还包括换热器，所述氨分解反应器的烟气排出口与所述换热器连接，与所述氨供给单元连接的氨供给管路与所述换热器连接，将烟气中的热能传递给氨气。
11.根据权利要求1所述的催化燃烧供热联动氨分解制氢装置，其特征在于，所述控制系统中还设有数据记录模块和远程监控模块，分别用于记录装置运行数据及远程监控装置的运行。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202411123678.9A CN119015872A (zh) | 2024-08-15 | 2024-08-15 | 一种催化燃烧供热联动氨分解制氢装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202411123678.9A CN119015872A (zh) | 2024-08-15 | 2024-08-15 | 一种催化燃烧供热联动氨分解制氢装置 |
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| CN119015872A true CN119015872A (zh) | 2024-11-26 |
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Family Applications (1)
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